逯濤1，王立剛2*，張鳳華1，張婧2
（1.石河子大學農學院農業資源與環境系，新疆 石河子 832000；2.中國農業科學院
農業資源與農業區劃研究所）
摘要：試驗採用靜態箱 - 氣相色譜法研究不同施氮量對華北旱地春玉米生長季農田土壤N2O排放的影響。設置了減氮（60%N + PK）、常規施肥（NPK）和不施肥（CK）3個處理。結果表明，春玉米整個生育期N2O排放通量變化規律在各處理間基本一致，N2O排放峰值均出現在施肥（或降雨）事件之後，排放通量的變化範圍在4.21 ～ 253.28 μg/（m2·h）。60%N + PK、NPK和CK處理在春玉米整個生育期N2O累計排放量分別為0.69 kgN/hm2、1.37 kgN/hm2、 0.40 kgN/hm2，在等量P、K化肥氮素投入的基礎上，減少氮素肥料的投入能夠顯著減少N2O排放。60%N + PK、NPK和CK處理玉米產量分別為11.91 t/hm2、12.61 t/hm2、 3.53 t/hm2，NPK和60%N + PK處理玉米產量差異不顯著。
關鍵詞 ：減氮； 春玉米農田； 氧化亞氮； 產量
隨著世界人口的急劇增加，人類活動範圍不斷擴大，人類活動向大氣中排放的溫室氣體比重越來越大，成為全球氣候變化的重要原因之一。 而作為人類主要活動的農業生產在供給人們糧食的同時，也導致了較多溫室氣體排放，排放的氧化亞氮（N2O） 占人類活動排放總量 84%[1]。 我國的氮肥使用量居世界第一，已有不少學者就氮素施入對土壤排放N2O作了深入的研究，發現N2O排放量隨氮肥施用量的增加而增加[2-3]。影響農田N2O排放的因素很多，主要包括土壤因素（土壤質地、通氣狀況、pH值、土壤含水量和溫度等）、農業措施（作物、氮肥品種、施肥量、施肥方式及灌溉方式）和氣候因素（溫度、降水、光照）等[4-5]。採用合理的農業管理措施（施肥量、施肥時間、施肥方式和添加脲酶抑制劑等）是減少氮肥N2O排放損失的重要手段[6]。本研究採用田間試驗的方法，以華北旱地春玉米為研究對象，對減氮處理下，北方春玉米農田生長季N2O通量進行長期定點定位觀測，研究不同施氮量對玉米N2O排放量的影響，為科學有效評估施用氮素肥料的經濟和環境雙重效應提供依據。
1 材料與方法
1.1 試驗點概況
試驗設在農業部遷西燕山生態環境重點野外科學觀測試驗站（東經118°6′~118°37′，北緯39°57′~ 40°27′）。位於河北省東北部，燕山南麓，遷西境內多山地、丘陵，地勢西北向東南傾斜，平均海拔在900 m以下。屬暖溫帶大陸性季風氣候，季風特點顯著，四季分明。年平均氣溫10.1 ℃,年平均降水量817 mm，年日照時數為2 709 h，無霜期180 d以上。試驗地農業種植方式為典型種植模式（春玉米一年一熟制）。本研究試驗在土壤肥力與生態環境效應長期定位試驗基礎上進行（2008年開始），2014年5月對氧化亞氮排放進行監測。
1.2 試驗設計
試驗共設置減氮施肥（60%N + PK）、常規施肥（NPK）、不施肥（CK）3個處理，每個處理3次重複，隨機區組排列，每小區面積48 m2，表 1為各處理具體施肥方式及施肥量。試驗地2015年5月進行旋耕（深度 20 cm），5月15日播種，氮肥總用量的40%作底肥施入，種肥間隔施入，施肥深度20 cm左右；7月 4日（玉米大喇叭口期）進行追肥，追施總N肥用量的 60%，施肥方式為表施，全年無灌溉；2014年10月收穫玉米，試驗觀測期為2014年5 ~ 10月。
1.3 測定項目
N2O通量的測定採用靜態箱 - 氣相色譜法。本研究使用的不鏽鋼採樣箱（50 cm × 50 cm × 50 cm）外覆絕熱材料，氣溫變化最劇烈時能夠保證觀測過程中箱內溫度變化小於2 ℃。密閉箱分箱體和底座兩部分，箱體地面開口，連接帶凹槽底座，測量時將底座嵌入土中，然後將箱體置於底座凹槽內，凹槽內用水密封，使箱內空氣不與外界空氣交換。箱體內有混氣風扇，箱體外連接有2根溫度傳感器和抽氣管，一條測箱內氣溫，一條測土溫，然後用注射器每隔一定時間間隔（分別在罩箱後第0 min、8 min、16 min、24 min、32 min）抽取一定體積氣體於氣袋中（化工部大連光明化工研究所生產的鋁膜氣樣袋）。準確記錄取樣時間和取樣時箱內溫度。同步觀測5 cm 深度土壤溫度（JM624）和5 cm 深度土壤含水量（ML2X型探頭），將取得的氣體樣品用氣相色譜（HP7890A）分析N2O濃度。
觀測時間為白天08：00 ~ 11：00時。施肥後連續觀測7 d，有灌溉、10 mm以上日降雨量和時，逐日觀測1周，降雨量或灌溉量小於10 mm時，逐日觀測3 d，其他情況下每周觀測1次。氣體通量計算公式為：
F = ρHdc/dt·273/ （273 + T）·P/P0 （1）
（1）式中：F為目標氣體排放通量（mg/m2·h）；ρ為標準大氣狀態下的氣體密度（g/L）；H為採樣箱氣室高度（cm）；dc/dt 為採樣箱內氣體濃度的變化速率；p和 T分別為採樣時箱內氣體的實際壓力和溫度；P0為標準大氣壓。氣體通量（F）為負值時表示土壤從大氣吸收該氣體，為正值時表示土壤向大氣排放該氣體。
數據採用Microsoft Excel、spss 19.0統計分析軟體進行分析。
2 結果與分析
2.1 春玉米生育期土壤N2O排放特徵
本研究自 2014 年5 ~ 10月對北方旱作春玉米農田N2O排放量進行了監測，結果表明，各處理N2O通量變化規律基本一致，排放峰主要集中在生長季，並發生在施肥和降水事件之後（圖1）。隨著6月7日、8日2次較大的降水（29.2 mm、16.3 mm），以及底肥無機氮素的釋放，迅速形成一個較大的N2O排放峰，持續15 d左右。7月4日進行追肥，隔天有降雨，在7月6日迅速形成了一個排放峰，該排放峰持續了15 d左右。
玉米生育期各處理氧化亞氮排放通量變化範圍在4.21 ～ 253.28 μg/（m2·h），在玉米生育後期，伴隨著降雨也會出現小而短促的排放峰。
2.2 春玉米生育期N2O累積排放量、產量、直接排放係數和排放強度
從表2可以看出，較對照處理，施用化肥和減氮施肥處理N2O排放量明顯增加，分別增加了0.97 kgN/kg和0.29 kgN/kg。排放強度增大，各處理產量分別為3.53 t/hm2、12.61 t/hm2、11.91 t/hm2 。增施氮素肥料雖然能夠增加春玉米產量，但在玉米生長期均增加了農田N2O的排放。本研究各試驗處理N2O排放係數介於0.27% ～ 0.36%之間，低於地址CC推薦值1%[7]。因此，按照地址CC推薦係數來計算將明顯高估北方旱地春玉米農田N2O的排放量。
3 結論與討論
（1）試驗各處理在春玉米整個生育期N2O排放規律基本一致。5月底到8月中旬，由於受降水和施肥等環境因素的驅動，各處理均出現明顯的排放峰，對照、常規施肥、減氮施肥處理在玉米整個生育期的排放通量分別為20.84 μg/（m2·h）、75.60 μg/（m2·h）、40.32 μg/（m2·h），對照處理與其他各處理之間差異顯著。本研究與一般研究有一些不同之處，首先在5月15日施入底肥後在1周內並沒有出現明顯的N2O排放峰（如圖1所示）。這主要是受土壤含水量限制，由於播種后土壤含水量較低，使得施入土壤的尿素沒能迅速溶解，土壤中硝化反硝化底物濃度升高緩慢，低水分含量也限制了硝化反應的速率[8]。此研究現象與翟振等[9]在有機無機肥料配施對春玉米農田N2O排放及凈溫室效應的影響研究相同。（2）北方旱地春玉米生育期內農田相應減少氮素肥料的投入能夠減少N2O的排放量且不會造成大幅減產。在保障玉米產量的前提下減少農田氮素肥料的投入可以大量減少農田N2O的排放量，本實驗中減氮施肥較常規施肥N2O的排放量減少了36.8%。
參考文獻
[1]Smith P， Martino D， Cai Z， et al. Greenhouse gas mitigation in agriculture[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B： Biological sciences， 2008， 363（1492）： 789-813.
[2]徐華，邢光熹，蔡祖聰，等.土壤水分狀況和氮肥施用及品種對稻田N2O排放的影響[J].應用生態學報，1999，10（2）：186-188.
[3]肖玉，謝高地，魯春霞，等.施肥對稻田生態系統氣體調節功能及其價值的影響[J]. 植物生態學報，2005， 29 （4）：577-583
[4] 李鑫，巨曉棠，張麗娟，等. 不同施肥方式對土壤氨揮發和氧化亞氮排放的影響 [J]. 應用生態學報， 2008， 19（1）：99-104.
[5] 翟勝，高寶玉，王巨媛，等. 農田土壤溫室氣體產生機制及影響因素研究進展 [J]. 生態環境， 2008， 17（6）：2488-2493.
[6]周勝，宋祥甫，顏曉元. 水稻低碳生產研究進展[J]. 中國水稻科學， 2013，27（2）：213-222.
[7] 地址CC.Climate Change 2007：Impacts， Adaptation and Vulncrxbility[M]. Cambridge，UK and Ncw York：Cambridge University Press，2007：750-752.
[8]劉運通，萬運帆，林而達，等. 施肥與灌溉對春玉米土壤 N2O 排放通量的影響[J]. 農業環境科學學報， 2008，27（3）： 997-1002.
[9]翟振，王立剛，李虎，等. 有機無機肥料配施對春玉米農田 N2O 排放及凈溫室效應的影響[J]. 農業環境科學學報，2013， 32（12）：2502-2510.
（1.石河子大學農學院農業資源與環境系，新疆 石河子 832000；2.中國農業科學院
農業資源與農業區劃研究所）
摘要：試驗採用靜態箱 - 氣相色譜法研究不同施氮量對華北旱地春玉米生長季農田土壤N2O排放的影響。設置了減氮（60%N + PK）、常規施肥（NPK）和不施肥（CK）3個處理。結果表明，春玉米整個生育期N2O排放通量變化規律在各處理間基本一致，N2O排放峰值均出現在施肥（或降雨）事件之後，排放通量的變化範圍在4.21 ～ 253.28 μg/（m2·h）。60%N + PK、NPK和CK處理在春玉米整個生育期N2O累計排放量分別為0.69 kgN/hm2、1.37 kgN/hm2、 0.40 kgN/hm2，在等量P、K化肥氮素投入的基礎上，減少氮素肥料的投入能夠顯著減少N2O排放。60%N + PK、NPK和CK處理玉米產量分別為11.91 t/hm2、12.61 t/hm2、 3.53 t/hm2，NPK和60%N + PK處理玉米產量差異不顯著。
關鍵詞 ：減氮； 春玉米農田； 氧化亞氮； 產量
隨著世界人口的急劇增加，人類活動範圍不斷擴大，人類活動向大氣中排放的溫室氣體比重越來越大，成為全球氣候變化的重要原因之一。 而作為人類主要活動的農業生產在供給人們糧食的同時，也導致了較多溫室氣體排放，排放的氧化亞氮（N2O） 占人類活動排放總量 84%[1]。 我國的氮肥使用量居世界第一，已有不少學者就氮素施入對土壤排放N2O作了深入的研究，發現N2O排放量隨氮肥施用量的增加而增加[2-3]。影響農田N2O排放的因素很多，主要包括土壤因素（土壤質地、通氣狀況、pH值、土壤含水量和溫度等）、農業措施（作物、氮肥品種、施肥量、施肥方式及灌溉方式）和氣候因素（溫度、降水、光照）等[4-5]。採用合理的農業管理措施（施肥量、施肥時間、施肥方式和添加脲酶抑制劑等）是減少氮肥N2O排放損失的重要手段[6]。本研究採用田間試驗的方法，以華北旱地春玉米為研究對象，對減氮處理下，北方春玉米農田生長季N2O通量進行長期定點定位觀測，研究不同施氮量對玉米N2O排放量的影響，為科學有效評估施用氮素肥料的經濟和環境雙重效應提供依據。
1 材料與方法
1.1 試驗點概況
試驗設在農業部遷西燕山生態環境重點野外科學觀測試驗站（東經118°6′~118°37′，北緯39°57′~ 40°27′）。位於河北省東北部，燕山南麓，遷西境內多山地、丘陵，地勢西北向東南傾斜，平均海拔在900 m以下。屬暖溫帶大陸性季風氣候，季風特點顯著，四季分明。年平均氣溫10.1 ℃,年平均降水量817 mm，年日照時數為2 709 h，無霜期180 d以上。試驗地農業種植方式為典型種植模式（春玉米一年一熟制）。本研究試驗在土壤肥力與生態環境效應長期定位試驗基礎上進行（2008年開始），2014年5月對氧化亞氮排放進行監測。
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1.3 測定項目
N2O通量的測定採用靜態箱 - 氣相色譜法。本研究使用的不鏽鋼採樣箱（50 cm × 50 cm × 50 cm）外覆絕熱材料，氣溫變化最劇烈時能夠保證觀測過程中箱內溫度變化小於2 ℃。密閉箱分箱體和底座兩部分，箱體地面開口，連接帶凹槽底座，測量時將底座嵌入土中，然後將箱體置於底座凹槽內，凹槽內用水密封，使箱內空氣不與外界空氣交換。箱體內有混氣風扇，箱體外連接有2根溫度傳感器和抽氣管，一條測箱內氣溫，一條測土溫，然後用注射器每隔一定時間間隔（分別在罩箱後第0 min、8 min、16 min、24 min、32 min）抽取一定體積氣體於氣袋中（化工部大連光明化工研究所生產的鋁膜氣樣袋）。準確記錄取樣時間和取樣時箱內溫度。同步觀測5 cm 深度土壤溫度（JM624）和5 cm 深度土壤含水量（ML2X型探頭），將取得的氣體樣品用氣相色譜（HP7890A）分析N2O濃度。
觀測時間為白天08：00 ~ 11：00時。施肥後連續觀測7 d，有灌溉、10 mm以上日降雨量和時，逐日觀測1周，降雨量或灌溉量小於10 mm時，逐日觀測3 d，其他情況下每周觀測1次。氣體通量計算公式為：
F = ρHdc/dt·273/ （273 + T）·P/P0 （1）
（1）式中：F為目標氣體排放通量（mg/m2·h）；ρ為標準大氣狀態下的氣體密度（g/L）；H為採樣箱氣室高度（cm）；dc/dt 為採樣箱內氣體濃度的變化速率；p和 T分別為採樣時箱內氣體的實際壓力和溫度；P0為標準大氣壓。氣體通量（F）為負值時表示土壤從大氣吸收該氣體，為正值時表示土壤向大氣排放該氣體。
數據採用Microsoft Excel、spss 19.0統計分析軟體進行分析。
2 結果與分析
2.1 春玉米生育期土壤N2O排放特徵
本研究自 2014 年5 ~ 10月對北方旱作春玉米農田N2O排放量進行了監測，結果表明，各處理N2O通量變化規律基本一致，排放峰主要集中在生長季，並發生在施肥和降水事件之後（圖1）。隨著6月7日、8日2次較大的降水（29.2 mm、16.3 mm），以及底肥無機氮素的釋放，迅速形成一個較大的N2O排放峰，持續15 d左右。7月4日進行追肥，隔天有降雨，在7月6日迅速形成了一個排放峰，該排放峰持續了15 d左右。
玉米生育期各處理氧化亞氮排放通量變化範圍在4.21 ～ 253.28 μg/（m2·h），在玉米生育後期，伴隨著降雨也會出現小而短促的排放峰。
2.2 春玉米生育期N2O累積排放量、產量、直接排放係數和排放強度
從表2可以看出，較對照處理，施用化肥和減氮施肥處理N2O排放量明顯增加，分別增加了0.97 kgN/kg和0.29 kgN/kg。排放強度增大，各處理產量分別為3.53 t/hm2、12.61 t/hm2、11.91 t/hm2 。增施氮素肥料雖然能夠增加春玉米產量，但在玉米生長期均增加了農田N2O的排放。本研究各試驗處理N2O排放係數介於0.27% ～ 0.36%之間，低於地址CC推薦值1%[7]。因此，按照地址CC推薦係數來計算將明顯高估北方旱地春玉米農田N2O的排放量。
3 結論與討論
（1）試驗各處理在春玉米整個生育期N2O排放規律基本一致。5月底到8月中旬，由於受降水和施肥等環境因素的驅動，各處理均出現明顯的排放峰，對照、常規施肥、減氮施肥處理在玉米整個生育期的排放通量分別為20.84 μg/（m2·h）、75.60 μg/（m2·h）、40.32 μg/（m2·h），對照處理與其他各處理之間差異顯著。本研究與一般研究有一些不同之處，首先在5月15日施入底肥後在1周內並沒有出現明顯的N2O排放峰（如圖1所示）。這主要是受土壤含水量限制，由於播種后土壤含水量較低，使得施入土壤的尿素沒能迅速溶解，土壤中硝化反硝化底物濃度升高緩慢，低水分含量也限制了硝化反應的速率[8]。此研究現象與翟振等[9]在有機無機肥料配施對春玉米農田N2O排放及凈溫室效應的影響研究相同。（2）北方旱地春玉米生育期內農田相應減少氮素肥料的投入能夠減少N2O的排放量且不會造成大幅減產。在保障玉米產量的前提下減少農田氮素肥料的投入可以大量減少農田N2O的排放量，本實驗中減氮施肥較常規施肥N2O的排放量減少了36.8%。
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