基施控釋氮肥提高華北露地大白菜產(chǎn)量并減少土壤NH3和N2O排放

喬 丹，張樹清，陳延華，呂春玲，劉建斌，肖 強*，王學霞*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2 北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，北京 100097；3 北京市緩控釋肥料工程技術研究中心，北京 1000971；4 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191）

氮肥作為增加農(nóng)作物產(chǎn)量和提高作物品質(zhì)的重要驅動因素之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮關鍵作用[1]。氮肥過量施用是國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的問題，超量氮肥施入農(nóng)田后除少部分被土壤固定供植物吸收利用外，大部分通過NH3排放、淋洗和徑流等遷移途徑及硝化、反硝化等氮素轉化途徑進入大氣和水體，不僅導致氮肥資源的大量浪費，而且對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成不利影響[2–5]。氮素損失作為我國農(nóng)田系統(tǒng)中面源污染的重要途徑之一，也是我國農(nóng)田氮肥利用率低的重要原因[6–7]。農(nóng)田土壤氨(NH3)和氧化亞氮(N2O)產(chǎn)生及其排放是土壤氮素氣態(tài)損失的主要途徑[8–9]。NH3排放是土壤中銨態(tài)氮氣態(tài)損失的主要形式。研究表明，每年農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中NH3排放量占據(jù)全球NH3排放總量的55%～60%，揮發(fā)到大氣中的NH3與大氣中的NO2、SO2等酸性氣體以及排放性有機物結合，生成銨鹽氣溶膠引發(fā)酸雨、霧霾和水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題，對自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響[10–11]。N2O排放是土壤硝態(tài)氮氣態(tài)損失的重要途徑之一。研究表明，每年全球農(nóng)田土壤排放的N2O氣體占N2O總排放的80%～90%，由此農(nóng)田系統(tǒng)是全球重要的N2O 排放源[12]。N2O 不僅是一種長壽命、高增溫潛勢的重要溫室氣體，而且對平流層臭氧有一定的破壞作用[13]。因此，農(nóng)田氮素的氣態(tài)損失及其環(huán)境效應已成為我國和全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。

國內(nèi)外研究證實，施氮量、氮肥種類、施肥和灌溉方式等農(nóng)業(yè)管理措施，通過影響土壤理化性狀和土壤微生物活性直接或者間接影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中NH3和N2O排放[14–16]。首先，施氮量是決定土壤NH3和N2O排放通量的最關鍵因素，NH3和N2O排放與施氮量間呈顯著正相關，在不影響作物產(chǎn)量的前提下適當減氮，降低土壤無機氮含量可降低種植過程中氮素氣態(tài)損失[17]。其次，氮肥種類也是影響農(nóng)田氮素氣態(tài)損失的關鍵因子之一。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，氮肥的養(yǎng)分釋放速率與作物生長需求之間不匹配也是導致氮素氣態(tài)損失增加的重要原因。控釋氮肥通過樹脂包衣能有效控制肥料中氮素的釋放，在一定程度上有效調(diào)控土壤養(yǎng)分供給和作物養(yǎng)分需求之間平衡[3, 18–19]?？蒯尩士赏ㄟ^延緩、控制養(yǎng)分的釋放來延長氮肥的作用期，有利于養(yǎng)分的合理供應，提高肥料利用率，實現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)與增產(chǎn)的同時減少土壤氮淋溶、NH3和N2O排放，并且可以節(jié)省追肥人工成本[19–20]。眾多研究證實控釋氮肥一次性施肥在提高水稻[18, 20–21]、玉米[3]、谷子[22]等糧食作物產(chǎn)量，減少大田土壤NH3和N2O排放等氮素氣態(tài)損失方面起到積極作用[3,21,23]。再次，水肥一體化及滴灌在一定程度上也對降低土壤NH3和N2O排放起到積極作用[14,18]。因此，在作物種植過程中運用科學合理的氮肥管理措施是降低氮素氣態(tài)損失的最有效途徑。

隨著我國人均蔬菜消費量不斷提高，我國蔬菜種植面積逐年增加，到2018年蔬菜種植面積達到20438.9×103hm2，占農(nóng)作物總種植面積的12.3%，成為我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分。為追求高經(jīng)濟效益，蔬菜作物的氮肥投入量遠高于糧食作物，導致菜地氮肥的利用率更低，NH3和N2O排放更高[24–25]，菜地成為我國農(nóng)業(yè)NH3和N2O的重要排放源。針對蔬菜種植過程中日益凸顯的高水氮投入、低效率、高污染等問題，采用合理氮肥管理措施減少菜地氮素氣態(tài)損失，提高氮素利用率，減少氮素盈余造成的環(huán)境污染，是實現(xiàn)我國蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。前人研究證實控釋氮肥作為基肥配施水溶肥(常規(guī)施氮量或者減氮10%～30%)，是實現(xiàn)蔬菜穩(wěn)產(chǎn)與增產(chǎn)，提高經(jīng)濟效益，降低氣態(tài)氮素損失積極有效的方式[26–28]。但是關于控釋氮肥一次性底施對大白菜產(chǎn)量、氮肥利用率、氮素氣態(tài)損失及經(jīng)濟效益的影響報道還比較少。

大白菜作為我國栽培面積最大的蔬菜作物，2018年其全年種植面積約占全國蔬菜總面積的15%，其中華北地區(qū)是露地秋季大白菜的主產(chǎn)區(qū)。本研究以華北地區(qū)露地秋季大白菜為研究對象，探討在減氮10%條件下，控釋氮肥一次性基施對大白菜產(chǎn)量、經(jīng)濟效益、氮肥利用率、土壤NH3和N2O 排放、土壤理化性質(zhì)的影響，明確NH3、N2O 在不同施氮處理下的排放動態(tài)、積累量變化規(guī)律及影響因素。旨在為華北地區(qū)大白菜生產(chǎn)尋求最優(yōu)氮肥管理方案和科學依據(jù)，促進該地區(qū)蔬菜產(chǎn)業(yè)綠色和可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗地設在河北省趙縣 (N37°47′34.94″，E114°41′37.71″)。該地區(qū)屬溫帶季風大陸性氣候，年平均溫度為12.4℃，年平均日照時數(shù)為2126 h，年平均降雨量為820 mm，2019年大白菜生長季降水與土壤溫度變化如圖1所示。供試樣地土壤為褐土，0—30 cm土壤耕層養(yǎng)分狀況：全氮1.60 g/kg、速效磷 10.4 mg/kg、速效鉀 164 mg/kg、有機質(zhì) 19.20 g/kg、pH 8.45。

圖1 生長季降水量與土壤溫度Fig.1 Precipitation and soil temperature during growing season

1.2 試驗設計與取樣

田間試驗共設4個處理，分別為：不施氮對照(CK)、常規(guī)施氮 (尿素 N 400 kg/hm2，基追比為4∶6，U)；常規(guī)施氮基礎上減氮10% (尿素N 360 kg/hm2，基追比為4∶6，90U)；控釋氮肥減氮10%一次性基施 (減施N 10%，總施N量360 kg/hm2，90CRU)，各處理均底施 P2O5180 kg/hm2和K2O 360 kg/hm2。供試控釋氮肥由北京市農(nóng)林科學院提供，釋放期60天，含N 45.4%，追肥所用水溶肥(N∶P∶K=10∶0∶0)由河北萌幫水溶肥有限責任公司生產(chǎn)，隨水追施基肥為過磷酸鈣(P2O5≥16%)和硫酸鉀(K2O≥50 %)。每個處理4次重復，完全隨機排列，小區(qū)面積27 m2。供試作物為秋季大白菜(BrassicabaraL.，新抗80)，于2019年8月14日播種，11月26日收獲，栽培方式為當?shù)爻Ｒ?guī)不起壟點播種植，行距50 cm，株距35 cm，每小區(qū)種植150棵。U和90U處理追肥在蓮座期和結球期時進行，兩時期各追總施氮量的30%，而 90CRU處理灌溉相同量的水 (100 m3/hm2)。

1.3 試驗方法

土壤取樣時間分別為8月25日(苗期取樣)，9月15日(蓮座期)，10月18日(結球期)及11月26日收獲后，共取4次。取樣方法為每個小區(qū)按照“S”形取樣，用直徑2.5 cm土鉆取土壤，取樣深度為0—30 cm，每個小區(qū)取6鉆，充分混勻后作為一個樣品。土壤樣品分為三部分：一部分用于土壤理化性狀分析；一部分于–20℃冰箱保存，用于NH4+-N、NO3–-N和土壤酶活性檢測；還有一部分于–80℃冰箱保存，用于土壤功能微生物數(shù)量檢測。

大白菜產(chǎn)量和含氮量：每小區(qū)選取長勢均勻一致的10株，采收后稱重，測其產(chǎn)量；每株白菜取相同部位的部分樣品，烘干，用凱氏定氮法檢測其氮素含量。采用流動分析儀 (Auto Analyzer 3，SEAL，德國)分析土壤NH4+-N和NO3–-N含量。采用苯酚鈉–次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性，其活性以每克土中24 h內(nèi)產(chǎn)生的NH3-N的mg數(shù)表示。

土壤微生物DNA提?。悍Q取冷凍土壤樣品0.5 g，采用土壤DNA提取試劑盒(MO BIO Laboratories，美國)進行總DNA基因組提取。對提取到的基因組DNA 進行瓊脂糖電泳檢測 (10 mmol/L Tris-HCl，1 mmol/L EDTA pH 8.0) DNA 的完整性，用 NanoDrop 2000 (Thermo Scientific，美國)測定 DNA 含量與質(zhì)量。

熒光定量 PCR (real-time PCR)：以提取的土壤微生物總 DNA 為模板，利用 QuantStudio 7 Flex Real-Time PCR System (Applied Biosystems，美國)對AOB-amoA、nirS和nirK功能基因進行序列拷貝數(shù)分析，引物序列參照表1。熒光定量PCR反應體系(10 μL)包含：0.5 μL 模板 DNA，5.2 μL of SYBR Green 和 ROX 混合液 (2 X, Takara Bio Inc., Shiga,Japan)，上下游引物各 0.25 μL (10 μmol/L)，補ddH2O 3.8 μL。反應條件為：初變性 95℃ 15 s；然后變性 95℃ 5 s，復性 56℃ 30 s，延伸 72℃ 45 s，共40 個循環(huán)，延伸 80℃ 30 s。最后獲得y=–3.4348 logx+38.580 (AOB-amoA)，y=–3.5842 logx+40.236(nirS)，y=–3.5402 logx+ 34.938 (nirK)標準曲線的R2值均大于0.99，擴增效率為85%～93%。

表1 標靶基因和熒光定量PCR 引物Table 1 Target genes and primers used in fluorescent quantitative PCR

土壤NH3排放取樣與測定采用磷酸甘油海綿通氣法。每個處理放置高11 cm、內(nèi)徑12 cm的PVC管，測定時分別將兩塊厚度均為2 cm、直徑為11 cm 的海綿均勻浸以 10 mL 的磷酸甘油溶液 (50 mL 磷酸+40 mL 丙三醇，定容至 1000 mL)放入 PVC 管中。上層海綿視干濕情況每3～4天更換1次，保證濕潤。基肥期連續(xù)取15天，追肥后連續(xù)取8天，排放量較少時取樣時間延長到5～7天取樣1次。每次采樣時，更換下層海綿，將換回的海綿帶回實驗室中，分別裝入 500 mL 的塑料瓶中，加 300 mL 1.0 mol/L的 KCl 溶液，使海綿完全浸于其中，振蕩 1 h 后，采用連續(xù)流動分析儀測定浸取液中的NH4+-N含量。

土壤N2O氣體排放檢測分析：采用常規(guī)靜態(tài)箱法?氣相色譜法。靜態(tài)箱采用不透明的PVC板制作(長 50 cm、寬 50 cm、高 54 cm)。測定前 24 h 將水槽底座插入土壤中5 cm，取樣時將靜態(tài)箱置于水槽底座中形成密閉空間，其后分別在0、5、15、30 min后用密封氣瓶收集箱內(nèi)氣體。于白菜種植后進行土壤N2O排放通量取樣，取樣時間均為晴朗日上午9：00―11：00。N2O氣體樣品利用氣相色譜儀(HP6890N，Agilent公司)測定，其檢測器為電子捕獲檢測器(ECD)，載氣為N2，流量為2 mL/min，測定溫度為330℃，色譜柱為PorpakQ填充柱，柱溫70℃。

1.4 計算方法與數(shù)據(jù)分析

NH3排放通量計算公式：

式中，M為單個裝置平均每次測得的NH3量(NH3-N，mg)；A 為捕獲裝置的橫截面積(m2)；D為每次連續(xù)捕獲的時間(d)。

N2O氣體排放通量計算公式：

式中，F(xiàn)表示N2O排放通量[μg/(m2·h)]；ρ表示標準狀態(tài)下N2O的密度；V為采樣箱體積(m3)；A為采樣底座內(nèi)土壤表面積(m2)；?C/?t表示氣體的排放速率[μL/(L·h)]；t為采樣箱內(nèi)溫度 (℃)。

N2O積累量計算公式：

式中，CF為測定N2O氣體的積累排放量(kg/hm2)；Fi為第i次測定N2O氣體的排放通量；24為1 h的排放通量換算為1天排放通量的換算系數(shù)；(ti+1–ti)為連續(xù)2次的測定時間間隔天數(shù)；n為觀測總次數(shù)；f為單位換算系數(shù) 10?5。

氮肥利用率(NUE)計算公式：

式中，NF和 NC分別為施氮區(qū)和對照區(qū)大白菜地上部氮素積累量；N 為當季施氮肥量。

基于SPSS 22.0，運用單因素方差分析(one-way analysis of variance)，對不同處理的土壤理化性狀、功能微生物數(shù)量、NH3排放、N2O排放通量進行單因素方差分析。數(shù)據(jù)均為平均數(shù)±標準誤，用Origin 2021作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施氮處理土壤NH3排放的變化

土壤NH3排放通量總體呈現(xiàn)出CK<90CRU<90U

圖2 不同施肥處理下NH3排放通量動態(tài)變化(A)和排放通量(B)Fig.2 NH3 emission variation (A) and emission flux (B) as affected by fertilizer treatments

土壤NH3累積排放量呈現(xiàn)為CK<90CRU<90U

表2 不同施肥處理下生長季NH3累積排放量(kg/hm2)Table 2 The cumulative NH3 emission in different treatments during growing season

2.2 不同施氮處理土壤N2O排放的變化

土壤N2O 排放通量與土壤NH3排放速率變化一致(圖3)。CK、U、90U處理下，基肥期(種植0～40天)，N2O 排放通量峰值出現(xiàn)在基施后7～9天，而90CRU處理峰值出現(xiàn)在基施后14～17天，90CRU峰值低于U和90U處理；追肥期后N2O 排放峰值出現(xiàn)在追肥后4～6天，90CRU處理峰值遠低于U和90U處理。CK、U、90U和90CRU處理基肥期N2O排放最大峰值分別為 43.8、404.9、326.8 和 147.2 μg/(m2·h)，高于追肥后峰值(圖3A)。大白菜生長季土壤N2O排放通量(均值)如圖3B所示。與CK相比，U、90U和90CRU處理土壤N2O排放通量分別顯著增加了262.9%、223.1%和92.6% (P<0.01)；與U處理相比，90U和90CRU處理其排放通量分別降低了11.1%和顯著降低了50.5% (P<0.01)；與90U相比，90 CRU處理N2O排放通量顯著降低了44.3% (P<0.01)。

圖3 不同施肥處理下土壤N2O排放通量動態(tài)變化(A)與N2O排放通量(B)Fig.3 N2O emission variation (A) and emission flux (B) as affected by fertilizer treatments

土壤N2O累積排放量呈現(xiàn)為CK<90CRU<90U

表3 不同施肥處理下生長季N2O累積排放量(kg/hm2)Table 3 The cumulative N2O emission in different treatments during growing season

2.3 不同施氮處理大白菜氮肥利用率的變化

與U處理相比，90CRU處理白菜產(chǎn)量增加了7.8%，差異不顯著；與U處理相比，90U和90CRU處理吸氮量分別增加了5.2%和11.9%，差異未達到顯著水平。與U處理相比，90U和90CRU處理氮素利用率分別提高了2.5和5.7個百分點，差異不顯著(表4)。與U處理相比，90CRU 處理白菜產(chǎn)值增加了7.8%，差異不顯著。同時降低了管理過程中因施肥所消耗的勞動力投入成本，與U處理相比，90CRU處理凈經(jīng)濟效益增加了8.0%，差異不顯著。由此，90CRU處理在減少勞動力投入、提高大白菜種植經(jīng)濟效益方面起到積極作用。

表4 不同施肥處理下大白菜產(chǎn)量、氮素利用率及經(jīng)濟效益的影響Table 4 Yields and nitrogen use efficiency of Chinese cabbage under different fertilizer treatments

2.4 不同施氮處理土壤理化性質(zhì)及功能微生物的變化

施氮對土壤溫度和濕度的影響不明顯(表5)，與CK相比，施氮處理顯著增加了土壤NH4+-N、NO3–-N含量、脲酶(UR)活性、功能基因AOB-amoA、nirK數(shù)量(P<0.05)。與U處理相比，90CRU處理土壤NO3–-N含量和UR活性分別顯著降低了26.4%和25.4%(P<0.05)。與U處理相比，90CRU處理AOB-amoA數(shù)量顯著降低了34.8% (P<0.05)。與U處理相比，90CRU處理nirK基因數(shù)量顯著降低了27.2% (表5)。因此，90CRU處理降低了NO3–-N含量、UR活性AOB-amoA、nirK功能微生物數(shù)量。

表5 不同施肥處理下土壤理化性質(zhì)和功能微生物數(shù)量Table 5 Soil physical and chemical properties and function microbial population as affected by fertilizer treatments

2.5 影響NH3和N2O排放的因素

NH3排放通量與土壤環(huán)境因子、生物因子的關系如圖4所示。NH3排放通量與土壤濕度、溫度、NH4+-N、NO3–-N含量及脲酶活性呈現(xiàn)極顯著線性正相關關系(P<0.01)；而NH3排放通量與功能基因AOB-amoA、nirS和nirK數(shù)量關系不密切。N2O排放通量與土壤溫度、濕度、NH4+-N、NO3–-N含量及功能基因AOB-amoA、nirS和nirK數(shù)量關系密切，均呈現(xiàn)顯著線性正相關關系(P<0.001)；而與脲酶活性關系不明顯(圖5)。由此可知，土壤NH4+-N、NO3–-N含量對土壤NH3排放和N2O排放起到積極作用，脲酶活性和不同功能基因對NH3排放和N2O排放的影響不同。

圖4 NH3排放通量與土壤理化性質(zhì)和功能微生物數(shù)量的關系Fig.4 Relationship between NH3 emission flux and soil property indexes, function microbial population

圖5 N2O排放通量與土壤理化性質(zhì)及功能微生物數(shù)量的關系Fig.5 Relationship between N2O emission flux and soil property indexes, function microbial population

3 討論

3.1 不同施氮處理對大白菜種植過程中土壤NH3排放特征的影響

NH3排放是農(nóng)田氮肥損失的重要途徑之一，其排放速率主要受土壤狀態(tài)、水肥管理等因素的綜合影響[5,29–30]。本研究顯示基肥期，U和90U處理NH3排放峰值均出現(xiàn)在施肥后3～6天，而90CRU處理其排放峰值延遲到施肥后9～11天，最高值峰值也由 U處理的 1.5kg/(hm2·d)和 90U處理的 1.4 kg/(hm2·d)降到 0.8 kg/(hm2·d)。究其原因，尿素施入土壤后與其中的脲酶直接接觸，迅速水解為NH4+-N，而NH4+-N是NH3產(chǎn)生的底物，因而NH4+-N含量直接影響土壤NH3排放通量，故導致施肥初期出現(xiàn)土壤NH3排放峰[18]。本研究中使用的控釋氮肥，其外層的納米聚氨酯包膜材料具有疏水性，可以控制膜內(nèi)尿素緩慢持續(xù)釋放，使土壤中NH4+-N含量維持在較低水平，同時阻斷包膜內(nèi)尿素態(tài)氮與脲酶的直接接觸，而土壤NH4+-N含量和脲酶活性是決定NH3排放的關鍵因素，因此施用控釋氮肥能明顯降低基肥NH3排放峰值并且延遲峰值出現(xiàn)時間，與前人研究結果[21,23,30–33]一致。

本研究結果證實，追肥后U和90U處理NH3排放峰值低于基肥期，與此同時90CRU處理 NH3排放通量顯著低于U和90U處理。這主要是由于大白菜生長前期(基肥期)處于華北地區(qū)的8月份和9月份，為華北平原地區(qū)的炎熱多雨期(圖1)，因而土壤溫濕度高于生長中后期(10月和11月，追肥期)，土壤溫濕度高導致土壤脲酶活性增強，同時也促進了土壤微生物活性，因而導致NH3排放增大。另一原因是基肥施氮量占生育期的40%，此階段大白菜處于苗期，需氮量少，多余的無機氮在高溫高濕條件下很容易轉化為氣態(tài)氮排放到環(huán)境中；追肥每次施氮量占總施氮量的30%，此階段大白菜處于生育中后期需氮量高，追施的氮肥大部分被作物吸收利用，無機氮在土壤中殘留量相對較低，因而降低了土壤NH3排放。本研究中施用的控釋氮肥釋放周期是60天，前期氮素釋放低，中后期氮素釋放高，與大白菜需氮相吻合，控釋氮肥釋放后快速被大白菜吸收，減少了無機氮在土壤滯留時間，因而降低了NH3排放。由此可見控釋氮肥一次性基施降低了大白菜種植中土壤NH3排放通量，尤其是顯著降低了大白菜生長中后期的NH3排放通量。這與Xie等[19]在玉米、Guo等[21]和黃思怡等[31]在水稻種植中的研究結果一致，與單施尿素相比，控釋氮肥減施10%～30%明顯降低土壤中NH4+-N含量，減少農(nóng)田土壤NH3排放損失。

3.2 不同施氮處理對大白菜土壤N2O排放特征的影響

土壤氮含量、通氣狀況、氮轉化微生物及酶活性是影響農(nóng)田N2O排放的關鍵因子[24–25,34–36]。其中化學氮肥施用是決定菜地N2O排放的最主要因素[17,24]，本研究再次證實了這一結論，與不施氮肥土壤比較，施氮可顯著增加N2O排放，減氮10%處理可降低N2O排放。這是由于土壤N2O是硝化和反硝化過程的產(chǎn)物，而硝化和反硝化過程均為酶促反應，其反應速度與底物濃度呈正相關，隨著施氮量的增加，尿素水解反應的NH4+-N增加，其在土壤中轉化為NO3–-N量也增加，為土壤硝化和反硝化提供豐富的底物，充足的底物亦促進了硝化或反硝化細菌活動，增加了硝化微生物AOB-amoA基因及反硝化微生物nirS、nirK基因數(shù)，因而促進了N2O排放[26,36–37]。本研究中U、90U、90CRU處理NH4+-N、NO3–-N含量及硝化基因AOB-amoA及反硝化基因nirS和nirK數(shù)量顯著高于CK處理，可以解釋施氮顯著提高了土壤N2O排放，減氮10% (90U)在一定程度上減低了土壤NH4+-N、NO3–-N含量，使其土壤N2O排放量低于U處理。

納米聚氨酯控釋氮肥，通過調(diào)控膜內(nèi)尿素緩慢持續(xù)釋放，使土壤中NH4+-N含量維持在相對較低水平，抑制土壤中NH4+-N和NO3–-N轉化速率，調(diào)控作物氮素吸收速率，協(xié)同調(diào)節(jié)土壤中NH4+-N和NO3–-N的含量；同時較低水平的NH4+-N、NO3–-N含量，在一定程度上降低了參與土壤氮循環(huán)的硝化功能微生物(AOB)和反硝化功能微生物(nirS、nirK)功能基因的數(shù)量，進而減少了土壤N2O排放。在水稻、玉米等作物上在等量氮肥投入條件下，控釋尿素相比普通尿素均可以實現(xiàn)N2O減排[19,21,23,31]，這與本研究結果一致，90CRU處理較90U和U相比，實現(xiàn)了N2O減排。

本研究中追肥后U和90U處理大白菜土壤N2O排放峰值低于基肥期，而此階段90CRU處理土壤N2O峰值顯著低于90U和U處理。究其原因是大白菜生長初期(基肥期)高底物(NH4+-N、NO3–-N)濃度、低植物N利用率及高溫高濕的土壤環(huán)境、干濕交替頻繁、土壤通氣性差，促進了硝化與反硝化發(fā)生，有利于土壤N2O的形成與排放[23–24,37]。追肥期處于大白菜(生長中后期)快速生長時期，作物吸氮能力強，減少了土壤NH4+-N、NO3–-N的滯留，同時溫度和降雨降低，這些因素均在一定程度抑制了硝化與反硝化作用，導致追肥期土壤N2O排放峰值低于基肥期，且控釋氮肥一次性基施此階段無追肥，更導致其排放峰值顯著降低。由此可見控釋氮肥一次性基施顯著降低了大白菜種植中土壤N2O排放通量，尤其是生長中后期的排放。

3.3 不同施氮處理對大白菜產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響

合理降低氮肥用量可以在不影響產(chǎn)量和保證氮源的有效供給前提下，提高作物氮素利用率，降低NH3和N2O排放，保持了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益[25,29,38]，這與本研究結果一致。本研究也表明，相對于U、90U處理，90CRU處理更有利于大白菜增產(chǎn)和顯著減少氮素的氣態(tài)損失，實現(xiàn)經(jīng)濟價值和環(huán)境效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。本研究使用的控釋氮肥(釋放周期60天)可以滿足河北地區(qū)大白菜整個生育期對氮素的需求，從源頭上調(diào)控土壤NH4+-N和NO3–-N的含量，防止過剩的無機氮轉變?yōu)闅鈶B(tài)氮排放，提高了氮肥利用效率和大白菜產(chǎn)量。控釋氮肥一次性基施雖增加了肥料成本，但由于無追肥勞動力成本，且田間管理方式與當?shù)剞r(nóng)民習慣完全一致，不存在操作困難的問題，可有效解決當前農(nóng)村青壯年勞動力缺乏問題。從經(jīng)濟效益和實際操作兩個角度看，控釋氮肥一次性底施這種施肥方式易于被當?shù)剞r(nóng)民接受，適合華北地區(qū)秋季大白菜種植。

4 結論

控釋氮肥一次性基施，將大白菜基肥期NH3排放通量峰值出現(xiàn)時間從基施后3～6天推遲到9～11天，N2O 排放通量峰值出現(xiàn)時間從基施后7～9 天延遲到14～17 天，峰值也均低于施用常規(guī)量和減量10%的尿素，且由于降低了土壤NO3–-N含量和脲酶活性，其NH3排放總量也分別較施用常規(guī)量和減量10%氮素顯著降低了27.6%和19.2%。此外，一次性基施控釋氮肥還降低了AOB-amoA、nirK功能微生物數(shù)量，致使其N2O 排放通量較施用常規(guī)量和減施10%氮素分別顯著降低了50.5%和44.3%，排放總量分別較常規(guī)量尿素處理顯著降低了23.2%。與常規(guī)量尿素處理相比，白菜的氮素利用率提高了5.7個百分點，產(chǎn)量提高了7.8%，同時減少追肥勞動力投入，凈經(jīng)濟效益增加了8.0%。