控釋肥和硝化抑制劑對華北春玉米2排放的影響

朱永昶，李玉娥，秦曉波*，段智源，萬運帆，周偉平，王斌，3，何佳男

（1.農業(yè)部農業(yè)環(huán)境與氣候變化重點開放實驗室，中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081；2.福建省氣象科學研究所，福州350001；3.海南省氣象科學研究所，?？?70203；4.福建師范大學地理科學學院，福州350007）

朱永昶1，李玉娥1，秦曉波1*，段智源2，萬運帆1，周偉平1，王斌1，3，何佳男4

（1.農業(yè)部農業(yè)環(huán)境與氣候變化重點開放實驗室，中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081；2.福建省氣象科學研究所，福州350001；3.海南省氣象科學研究所，海口570203；4.福建師范大學地理科學學院，福州350007）

為了分析控釋肥和硝化抑制劑處理下華北春玉米田土壤N2O排放規(guī)律及其影響因素，研究不同施肥處理對N2O排放和產量的影響，篩選既能增產又能減排的肥料管理措施，采用自動靜態(tài)箱-氣相色譜法于2009—2012年連續(xù)4年對春玉米生長季內的N2O排放進行監(jiān)測，同時測定了相關環(huán)境變量和產量。試驗共設置4種施肥處理：不施肥對照（CK）；尿素（U）；硫包膜控釋尿素（SCU）；尿素加入占施氮量10%的雙氰胺硝化抑制劑（UDD）。結果表明，SCU和UDD處理較尿素處理在4個生長季內均起到了減排和增產效果，其N2O平均減排率分別為37.77%和33.39%，增產率分別為16.04%和6.35%。N2O排放通量與5 cm土壤溫度，10 cm土壤濕度和土壤NH+4含量極顯著相關（P＜0.01），與土壤NO-3含量無顯著相關關系。N2O排放通量的較大值均分布在土壤濕度大于60%土壤含水孔隙率（Water-filled pore space，WFPS），5 cm土壤溫度大于20℃的范圍內。綜上可知，長期施用硫包膜控釋肥和添加雙氰胺硝化抑制劑均能取得一定的減排和增產效果，可以作為春玉米種植中的優(yōu)良施肥技術加以推廣。

春玉米；氧化亞氮；控釋肥；硝化抑制劑

朱永昶，李玉娥，秦曉波，等.控釋肥和硝化抑制劑對華北春玉米N2O排放的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2016，35（7）：1421-1428.

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2011年，大氣中的氧化亞氮（N2O）濃度已達到324 nL·L-1，約超過工業(yè)化前濃度水平的20%［1］。N2O是京都議定書規(guī)定的6種溫室氣體之一，其100年的全球增溫潛勢為CO2的265倍，在大氣中存活壽命約為131年［1］，并且對臭氧層具有破壞作用［2］。耕地土壤是大氣中N2O的主要排放源［3］，肥料的施用是控制土壤N2O排放的關鍵因素［4］，同時亦對作物產量有決定性作用。玉米是重要的食品、飼料和工業(yè)原料［5］，我國玉米產量約占谷物總產量的33%［6］。因此，玉米生產過程中所產生的N2O排放不容忽視。研究既能增產又能減排的肥料管理措施對我國的糧食安全和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

硝化抑制劑雙氰胺（Dicyandiamide，DCD）可以抑制土壤中硝化微生物的活性，從而減少N2O的排放［7］。DCD具有弱揮發(fā)性、降解完全性等優(yōu)點［8］。目前關于DCD對N2O排放的影響研究多集中在草地［9-11］、小麥［12-13］、水稻［14-15］和稻-麥輪作等系統(tǒng)［16-17］，針對春玉米的研究較少?？蒯尫署B(yǎng)分的供應與植物的需求基本一致，在滿足植物整個生長季對養(yǎng)分的需求的同時可防止土壤中有效氮過量［18］。但由于氣候、土壤特性和施肥方式等因素的差異，控釋肥對N2O的減排效果并不確定，有的研究認為控釋肥可以降低N2O排放［19-20］，有的則相反［21-22］。

本文在總結前人研究的基礎上，采用自動靜態(tài)箱-氣相色譜法對華北地區(qū)春玉米溫室氣體排放進行監(jiān)測，明確溫度、水分等環(huán)境因素對華北地區(qū)春玉米N2O排放的影響，綜合評價硫包膜控釋肥和DCD施用對華北地區(qū)春玉米的減排和增產效益。

1　材料與方法

1.1試驗設計

2009—2012年在山西省晉中市榆次區(qū)張慶鄉(xiāng)演武村（112°51′E，37°38′N，海拔789 m），連續(xù)4年監(jiān)測不同肥料處理春玉米生長季內的N2O排放通量。該地區(qū)為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年日照時數(shù)2662 h，輻射總量545～581 kJ·cm-3，年平均氣溫9.8℃，降水量418～483 mm，降水主要集中于夏季6—8月。土壤為黏壤土，于2009年測得其理化性質（表1）。

田間試驗共設置4個施肥處理。不施肥對照（CK）；尿素（U）；硫包膜控釋尿素（SCU）；尿素+雙氰胺（占總氮量10%）（UDD）。SCU為漢楓牌，其養(yǎng)分釋放類型為S型。DCD由中科院沈陽應用生態(tài)研究所提供。施肥方案見表2，施肥在玉米行間進行，方式為溝施覆蓋，溝深及溝寬均為10 cm。每個處理設3個重復，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積20 m2，間隔帶1.5 m，各小區(qū)在方向上無差別。除自然降水外，每年于播種前和追肥后進行兩次灌溉（2012年追肥后未進行灌溉），灌溉量為每次700 m3·hm-2。春玉米品種為農華101。其他田間管理遵循當?shù)剞r民習慣。

在各個小區(qū)中央選擇距離作物行10 cm、覆蓋施肥溝的面積為0.49 m2的區(qū)域，作為N2O排放監(jiān)測區(qū)域。

表1　供試土壤基本理化性質Table 1 Physicochemical properties of soil used

表2　施肥方案（kgN·hm-2）Table 2 Fertilization scheme（kgN·hm-2）

1.2采樣及測定方法

應用本課題組自主研發(fā)的溫室氣體自動采樣系統(tǒng)監(jiān)測春玉米生長季內土壤N2O排放通量，Liu等［23］對該系統(tǒng)進行了詳盡的介紹。該系統(tǒng)分為田間采樣系統(tǒng)和溫室氣體測定系統(tǒng)兩部分。田間采樣系統(tǒng)主體為可自動開閉的采樣箱，采樣箱長、寬、高分別為70、70、140 cm，為角鋼骨架，四壁和頂部為透明聚碳酸酯板，底部開放。為保證氣密性，箱體頂部與底部均貼有密封條且底部四角可插入土壤中。為了減小箱體的影響，采樣箱在不采氣時呈開放狀態(tài)。箱內有風扇以在箱體封閉時混勻箱內氣體。采樣箱每隔3 h進行一次氣體采樣，每天8次，每次24 min，氣樣經由特氟龍管泵入氣相色譜儀中分析其濃度。溫室氣體測定系統(tǒng)主體為氣相色譜儀（HP5890Ⅱ，Agilent，USA），色譜分析柱為Porapak Q填充柱，柱溫為70℃。對N2O的檢測采用電子捕獲檢測器（Electron capture detector，ECD），工作溫度為330℃，載氣為高純氮氣（99.999%），流量為20 mL·min-1。

采用溫度傳感器（18B20，DALLAS，USA）測定5 cm處的土壤溫度。采用濕度傳感器（EC-5，Decagon Devices，USA）測定10 cm處的土壤體積含水率，土壤含水孔隙率（Water-filled pore space，WFPS）采用李超等［24］給出的方法計算。

于各年生長季內用“S”型取樣法每隔10 d取各小區(qū)0～20 cm土樣，過2 mm篩混勻后，取10 g加入50 mL、2 mol·L-1的KCl溶液振蕩得浸提液，采用流動分析儀（San Plus System，SKALAR，the Netherlands）分析其中NH+4-N和NO-3-N含量，降水和灌溉后視情況加測。

每年收獲玉米后，在各試驗小區(qū)內選取不靠邊界的3個4 m2區(qū)域作為測產區(qū)，人工收獲玉米果實，脫粒、風干后測定玉米產量。

1.3數(shù)據(jù)分析

N2O排放通量參照謝軍飛等［25］給出的公式計算：

式中：F為N2O排放通量，mg·m-2·h-1，正值、負值分別表示排放和吸收；m1和m2分別為靜態(tài)箱關閉前、后N2O的質量，g；A為采樣箱地面面積，即0.49 m2；C1和 C2分別為靜態(tài)箱關閉前、后N2O的體積百分比濃度；V為采樣箱的體積；M0為N2O的摩爾質量，44 g·mol-1；T1和T2分別為靜態(tài)箱關閉前、后的箱內溫度，℃；t1和t2分別為采樣箱關閉和開啟時的時間。

N2O的日排放通量平均值F1根據(jù)當天測定的8個N2O排放通量值得出，進而計算出當日的N2O-N排放量F0（mg·m-2·h-1），即：

在計算排放總量時，缺測值采用內插法補全。

根據(jù)IPCC（2006）［26］給出的定義，N2O排放系數(shù)（Emission factor，EF）應用下式計算：

式中：En和E0分別指施加不同氮肥處理和未施加氮肥處理的N2O-N排放總量；N指各處理生長季內的總的氮肥施用量。

采用Microsoft Excel（V2007，Microsoft Cooperation，USA）以及IBM SPSS Statistics 20（IBM Cooperation，USA）軟件的Pearson相關分析和LSD多重比較對數(shù)據(jù)進行分析處理，采用MATLAB R2014a（Math-Works Cooperation，USA）軟件進行繪圖。

2　結果與分析

2.1N2O排放通量

2009—2012年各處理的田間N2O排放通量呈相似的季節(jié)變化規(guī)律（圖1）。CK處理的N2O排放相對穩(wěn)定。結合圖2分析可見，各施肥處理的N2O排放通量峰值均在施肥后遇灌溉或較強降水天氣時出現(xiàn)，且存在一定的滯后，此后N2O排放通量迅速下降至0 kgN·hm-2·d-1左右。除2011年外，其余各生長季SCU和UDD處理首次N2O排放峰值出現(xiàn)的時間均晚于U處理。

U處理4年的N2O平均排放通量最高，為0.013 kgN·hm-2·d-1，SCU和UDD處理4年的N2O平均排放通量相同，均為0.008 kgN·hm-2·d-1。CK處理4年的平均N2O排放通量最低，為0.003 kgN·hm-2·d-1。

SCU和UDD處理較U處理起到了削減排放峰的作用，SCU和UDD處理4年的N2O排放峰平均峰值分別比U處理低32.86%和16.69%，SCU和UDD處理4年排放高峰期間N2O排放量也分別比U處理低50.76%和51.72%。

2.2N2O排放總量和排放系數(shù)

除2009年外，各施肥處理的N2O排放總量均顯著高于CK處理，說明氮肥施用是影響N2O排放總量的主要因素。2009—2012年各生長季內，SCU和UDD處理的累積N2O排放量均低于U處理。與U處理（均值1 476.38 gN·hm-2）相比，SCU和UDD處理4年的平均減排率分別為37.77%和33.39%（圖3），其中SCU處理于2009、2010和2012年，UDD處理于2010、2011和2012年N2O減排效果顯著（P＜0.05）。

圖1　2009—2012年不同處理的土壤N2O排放動態(tài)Figure 1 Temporal variation of N2O fluxes in different treatments in 2009—2012

SCU和UDD處理各生長季的N2O排放系數(shù)均低于U處理，僅為U處理的52.31%和56.92%（表3）。各處理4年的N2O排放系數(shù)均低于IPCC缺省值（1%）［26］。

2.3環(huán)境變量對N2O排放的影響

5 cm土壤溫度的變化范圍在29.3～10℃之間，土壤N2O排放通量與5 cm土壤溫度呈極顯著相關（r= 0.136，n=1684，P＜0.01）。各生長季內的累計降水量分別為347.7、226.4、229.1、344.7 mm，降水主要集中在6—8月，占生長季總降水量的76.5%～95.1%。土壤充水孔隙率受降水和灌溉的影響，其變化范圍為26.1%～82%（圖2），土壤N2O排放通量與WFPS呈極顯著相關（r=0.217，n=1684，P＜0.01）。N2O排放峰值均在施肥后伴隨WFPS的高值出現(xiàn)，之后隨WFPS的下降而下降。

圖2　2009—2012年不同處理的環(huán)境因素時間變化規(guī)律Figure 2 Temporal variation of environmental factors in different treatments in 2009—2012

不同字母表示差異達顯著水平P＜0.05 Different lowercase letters indicate significant differences at P＜0.05圖3 2009—2012年各處理的春玉米生長期間N2O排放總量Figure 3 Cumulative N2O emissionsin different fertilizer treatments

表3　2009—2012年各施肥處理的N2O排放系數(shù)（%）Table 3 Emission factor of N2O in different treatments

2.4各施肥處理產量對比

作物產量會受到氣候和施肥等因素的影響。2009—2012年各施肥處理的產量均顯著高于CK處理（圖4）。SCU和UDD處理的產量均較U處理（平均產量11.14 t·hm-2）有所增加，4年的平均增產率分別為16.04%和6.35%。SCU處理于2009和2010年，UDD處理于2009年取得了顯著的增產效果（P＞0.05）。

圖4　2009—2012年各處理產量Figure 4 Grain yields in different fertilizer treatments

3　討論

3.1肥料類型對N2O排放和作物產量的影響

作為硝化作用的副產物和反硝化作用的中間產物，氧化亞氮主要由土壤中的微生物產生并釋放到大氣中［26］。活性氮（Reactive N，Nr）的可利用性是土壤中N2O排放的主要驅動因素，肥料的施用是決定土壤N2O排放的關鍵因素。提高肥料的利用率是減少土壤中N2O排放和增產的關鍵。相關研究表明，物理包膜可以控制尿素的釋放速率，從而使尿素的釋放與作物的需求同步，減少淋溶和氣態(tài)氮素損失，提高作物的氮素利用率，起到增產和減排N2O的效果［27-28］。包膜控釋尿素的作用效果會受到氣候、土壤特性和施肥方式等因素的影響。Jiang等［21］在南京的研究表明，硫包膜控釋尿素處理較常規(guī)尿素處理并未減排N2O，這可能是由于其施肥后遇到了較強降水過程等因素導致的。本研究中SCU處理較U處理連續(xù)4年降低了N2O季節(jié)排放總量（圖3），同時增加了各個生長季的作物產量（圖4），其原因是物理包膜使得尿素的釋放與作物的需求同步，而尿素中加入硫還可提高作物生物固氮能力，平均提高氮肥利用率19.6%［29］，在增加作物產量的同時減少N2O的排放。

較之U處理，UDD處理在4個生長季內均取得了減排和增產效果（圖3和圖4）。這是因為硝化抑制劑可以抑制硝化作用，并減少氮素的淋溶，提高氮素利用率，從而減少土壤中N2O的排放［30］，提高作物產量。Ding等［31］在封丘的研究表明雙氰胺可以減少玉米季N2O排放的39.0%，增產14.2%。Akiyama等［30］通過meta分析研究發(fā)現(xiàn)雙氰胺可以減少旱地N2O排放的25%。本研究中UDD處理較U處理四年平均N2O排放減少了33.39%，減排效果高于此水平。

3.2水熱條件對春玉米N2O排放的影響

土壤中的水分會影響NH+4、NO-3和O2等溶質的遷移、濃度及其對微生物的有效性，還會影響N2O向大氣的排放［32］。由于氣候條件和土壤理化性質不同，已有研究結果也不盡相同。鄭循華等［33］對太湖地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)土壤濕度為84%～86%WFPS時N2O排放量最大，而梁東麗等［34］對黃土高原玉米的研究結果表明土壤濕度為70%WFPS時土壤N2O排放通量達到最強。

本研究以10%WFPS為間隔，計算各處理不同WFPS范圍內N2O排放通量置信度為95%的置信區(qū)間（圖5a）。各處理N2O排放通量大致隨WFPS增大而增加，U和UDD處理在WFPS＞70%的范圍N2O排放通量最大，SCU、CK處理在60%～70%WFPS的范圍N2O排放通量最大。

土壤中N2O的排放通量與土壤銨態(tài)氮含量呈極顯著正相關，而與土壤硝態(tài)氮含量無顯著相關關系（表4），說明該系統(tǒng)中的土壤N2O排放主要來自硝化作用。但在較強降水或灌溉后土壤濕度較大時，反硝化作用也可能處于主導地位［36］。各處理均在土壤濕度＞20%WFPS時產生N2O正排放（圖6），可能是因為在此之前底物的擴散和水分的可利用性均受到限制，抑制了微生物的活性。各處理的N2O排放通量大致隨WFPS的增大而增加，其N2O排放通量的較大值均在WFPS＞60%時出現(xiàn)。這可能是由于在WFPS＜60%時因反應基質和O2等的溶解受限，此時占主導地位的硝化作用的速率受到限制，而在WFPS達到60%之后則不受限制［36］，故產生較多的N2O排放。當WFPS為60%～70%時，參照Bateman等［37］提出的概念模型，在此范圍內可能出現(xiàn)硝化-反硝化作用的最適值。此時，由于適宜的土壤水分狀況使得硝化作用在較干處以及土壤團聚體的外部等好氧的區(qū)域內發(fā)生，反硝化作用在土壤較濕處和土壤團聚體內部等厭氧的區(qū)域發(fā)生，達到了一個硝化、反硝化共同作用的最適值，故在干、濕界面處產生較多的N2O排放［38］。在WFPS＞70%時，反硝化作用可產生較大的N2O排放。

圖5　各處理10 cm土壤WFPS以及5 cm土溫范圍內的N2O排放通量（95%置信區(qū)間）Figure 5 Emissions of N2O from soil under different soil temperature ranges at 5 cm depth and soil WFPS in 10 cm depth with ranges of 95%CI

表4　2009—2012年各處理的N2O排放通量與環(huán)境變量的相關系數(shù)Table 4 Correlation coefficients（r）between N2O emission and environmental variables

圖6　N2O排放通量與5 cm土溫以及10 cm土壤WFPS的關系Figure 6 Relationship between N2O-N flux and soil temperature at 5 cm soil depth and soil WFPS in 10 cm soil

溫度是影響土壤N2O排放的重要因素［39］。本研究中，不同處理下N2O日排放通量與土壤溫度呈極顯著相關（P＜0.01），說明溫度對該系統(tǒng)土壤N2O排放有重要影響。本研究以3℃為間隔，求各處理5 cm土壤溫度范圍內N2O排放通量置信度為95%的置信區(qū)間（圖5b），各處理土壤N2O排放通量的最大值均出現(xiàn)在23～26℃范圍內，且以此為界呈先上升，后下降的趨勢。

土壤中N2O的產生過程受到土壤溫度和濕度的綜合影響，各處理的N2O排放通量較大值均出現(xiàn)在5 cm土壤溫度＞20℃，10 cm土壤濕度＞60%WFPS的范圍內（圖6）。

4　結論

（1）土壤中N2O的排放與土壤WFPS、土壤溫度和土壤銨態(tài)氮含量呈極顯著正相關。土壤N2O排放通量較大值均分布在10 cm土壤濕度＞60%WFPS，5 cm土壤溫度＞20℃的范圍內。

（2）硫包膜控釋尿素和添加硝化抑制劑雙氰胺在4個生長季內均起到了減排N2O和增加產量效果，其減排率達30%以上，增產率分別為16.04%和6.35%，且減排效果具有一定的持續(xù)性，但增產效果卻逐年下降。

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Effects of controlled release fertilizer and nitrification inhibitor additions on nitrous oxide emissions from spring maize field in Northern China

ZHU Yong-chang1，LI Yu-e1，QIN Xiao-bo1*，DUAN Zhi-yuan2，WAN Yun-fan1，ZHOU Wei-ping1，WANG Bin1，3，HE Jia-nan4
（1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory for A-gro-Environment，Ministry of Agriculture，Beijing 100081，China；2.Fujian Institute of Meteorological Science，F(xiàn)uzhou 350001，China；3.Hainan Institute of Meteorological Science，Haikou 570203，China；4.College of Geographical Sciences，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350007，China）

Soil is the main source of nitrous oxide（N2O）emissions.Fertilization critically influences soil N2O emissions.In this study，N2O fluxes and grain yields were measured in a maize field applied with a controlled-release fertilizer or anitrification inhibitor.The experimentwas conducted in Shanxi Province，China，during 2009—2012.Four different fertilization treatments（CK:no fertilizer，U:conventional urea，SCU:sulfur-coated urea，UDD:nitrification inhibitor）were designed.Automatic static chamber-gas chromatography method was used to measure N2O emissions.Environmental parameters and maize yields were also monitored simultaneously.Compared with urea，sulfur-coated urea and nitrification inhibitor reduced cumulative N2O emissions during the 4 growing seasons，with average reduction of 37.77%and 33.39%，respectively.The grain yields of SCU and UDD treatments increased by 16.04%and 6.35%，respectively，in comparison with the urea treatment.The N2O fluxes were significantly related with 5 cm soil temperature，10 cm soil moisture and soil NH+4content（P＜0.01）. There was no significant relationship between N2O fluxes and soil NO-3content.Most N2O emissions occurred at soil moisture＞60%WFPSand soil temperature＞20℃.Both sulfur-coated urea and nitrification inhibitor could mitigate N2O emissions and increase grain yields. These two fertilization could be applied in spring maize production.

spring maize；nitrous oxide emission；controlled release fertilizer；nitrification inhibitor

X511

A

1672-2043（2016）07-1421-08

10.11654/jaes.2016.07.027

2016-01-31

公益性行業(yè)專項（201103039）；國家973計劃項目（2012CB417106）；國家自然基金面上項目（41475129）

朱永昶（1992—），男，山東泰安人，碩士研究生，主要從事農田溫室氣體減排技術及潛力評估。E-mail：zhuyongchang_atmos@163.com

秦曉波E-mail：chinayrh@gmail.com