水肥對稻麥輪作農田N₂O排放影響及減排的研究進展

孫星 金海濤 徐林文

摘要 水分管理與施肥管理是季節(jié)性干旱區(qū)農業(yè)生產中重要的組成部分。肥料除了有改良土壤、培肥地力的效果，更重要的是與土壤水分相互協(xié)作，達到“以水調肥”和“以肥調水”的耦合效應。此外，農田溫室氣體的排放關系到土壤微生物環(huán)境和全球溫室氣候的變化。在闡述N2O產生機制的基礎上，從水分管理、施肥管理和水氮互作管理方面綜述其對N2O排放的影響，并根據溫室效應等因素提出合理的減排技術措施，以期科學評估溫室氣體變化，為我國實行低碳農業(yè)和降低溫室效應提供理論依據。

關鍵詞 氧化亞氮;稻麥輪作系統(tǒng);農田土壤;減排技術

中圖分類號 S181;S157.4 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）05-0028-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.05.008

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract Water management and fertilization management are important components of agricultural production in seasonal arid areas.In addition to the effect of improving soil and enhancing soil fertility，fertilizer is more important to cooperate with soil moisture to achieve the coupling effect of “regulating fertilizer with water” and “regulating water with fertilizer”.In addition，greenhouse gas emissions from farmland are related to soil microbial environment and global greenhouse climate change.On the basis of expounding the formation mechanism of N2O，the influence of ?water management，fertilization and water，nitrogen interactions on N2O emissions were summarized，and the reasonable emission reduction technologies were proposed according to factors such as the greenhouse effect， in order to scientifically assess greenhouse gas changes and provide theoretical basis for China to implement lowcarbon agriculture and reduce greenhouse effect.

Key words N2O;Ricewheat rotation system;Farmland soil;Emission reduction technology

自工業(yè)化以來，人類活動排放了大量的甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氧化亞氮（N2O）等溫室氣體。其中N2O是臭氧層遭到破壞的重要原因之一，對大氣造成污染從而導致溫室效應不斷積累，嚴重威脅到人類的生存。截至2011年，大氣中N2O的濃度已升至0.58 mg/m3，比工業(yè)革命前增加了20% [1]，這勢必會加劇全球溫室效應的進程。根據我國氣候變化第二次國家信息通報，農業(yè)源釋放的溫室氣體排放量為8.20 t CO2當量，占排放總量的10.97%，其中農業(yè)活動N2O排放量占我國N2O排放總量的73.79%[2]。已有研究表明，土壤會向大氣中排放80%～90%的N2O [3]。而農田作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，其溫室氣體排放動態(tài)對全球氣候變化具有重要影響。作為農業(yè)大國，我國對N2O氣體減排和發(fā)展低碳農業(yè)刻不容緩。

稻麥輪作是我國重要的農作物種植體系，目前水稻—冬小麥的種植面積已達530多萬hm2[4]。稻田的氮素與水分管理是季節(jié)性干旱區(qū)農業(yè)生產中重要的組成部分，氮素影響僅次于水[5]。通過合理水分和氮肥的投入，可以實現(xiàn) “以肥調水”和“以水促肥”的雙重目的[6]。實踐證明，在農業(yè)生產中，采用節(jié)水灌溉技術能獲得與傳統(tǒng)水作水稻差不多的產量，同時能夠節(jié)水60%～100%[7]。水氮互作管理的水分利用較常規(guī)灌溉方法有明顯的增產效果，灌溉用水量減少了17.49%，同時提高了土壤氮素利用效率，促進了水稻根系生長[8]。合理施肥不僅能提高土壤的水分利用率，而且還能與土壤水分互作，達到明顯的協(xié)同互作效果。針對稻麥輪作農田，從水分管理和施肥管理出發(fā)，揭示影響N2O排放因素，對實現(xiàn)農業(yè)綠色增產增效和緩解溫室效應具有重要意義。

1 氧化亞氮（N2O）產生機制

全球N2O排放源主要來自農田的土壤，貢獻率高達70%。近年研究表明，大氣中的N2O總量有90%來自于土壤[9]。土壤N2O的產生是一個復雜的生化過程，包括硝化作用、自養(yǎng)反硝化作用、異養(yǎng)反硝化作用、硝酸鹽同化作用、硝酸鹽異化還原作用以及化學反硝化作用等[10]。其中耕作土壤中N2O主要來源于微生物的硝化作用和反硝化作用，而純化學過程的貢獻很有限[11]。

硝化作用是由自養(yǎng)型細菌把氨或銨鹽氧化為硝酸的過程。硝化過程主要分為銨根（NH4+）氧化亞硝酸根（NO2-）和NO2-氧化硝酸根（NO3-）這兩個階段[12]。在此過程中，中間過渡產物羥胺（NH2OH）或NO2-會發(fā)生化學分解或不完全氧化釋放出N2O。NH4+和NO2-的濃度是影響硝化作用的重要因素，通過加入一定濃度的NH4+可增加硝化微生物的數量從而提高硝化作用能力。與此同時，在土壤的多種微生物驅動下，反硝化作用（NO3-→NO2-→NO→N2O→N2）也在不斷進行。反硝化作用是在厭氧或缺氧的條件下，微生物將硝酸鹽及亞硝酸鹽還原成氮氣（N2）的過程，最終產物以N2的形式返回到大氣中。在此過程中，一部分N2O會作為中間產物直接釋放到大氣中，產生溫室效應[13]。硝酸鹽異化作用還原產生NH4+以及硝化微生物的反硝化作用等也會產生N2O。此外，灌水、降雨以及土壤本身的pH、硝酸鹽濃度和有機質含量等都會影響土壤的水分狀況和通氣狀況，從而產生N2O這個中間產物。因此，反硝化作用產生N2O的量遠大于硝化作用產生的。

2 水肥對N2O排放的影響研究

2.1 水分管理

水分管理是制約N2O排放的一個重要因素[14]。徐華等[15]認為水分通過改變土壤中氧氣（O2）、濕度與溫度等，對自養(yǎng)型細菌的活動影響較大，從而影響農田N2O的排放。當土壤含水量為田間持水量的50%～60%時，硝化細菌活動最為旺盛，硝化作用進行最快。在水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)中，土壤濕度在77%～86%變化時，N2O的排放量達到峰值[16]。因此，控制灌溉會減少N2O的排放。王孟雪等[17]研究了灌溉方式對東北寒地稻作的影響，認為稻田田面的水層深度是影響 N2O 排放的重要因子。可能是水稻生長期降雨過多，使田間含水量過高，影響N2O的排放，其中原因還需要進一步研究證明。實驗室研究結果表明，節(jié)水灌溉能顯著降低CH4排放量38%，而N2O排放量增加34%，但全球變暖潛力（GWP）和溫室氣體強度（GHGI）分別顯著下降22%和24%，同時提高水分利用效率40%。而彭世彰等[18]研究發(fā)現(xiàn)，控制灌溉能夠降低N2O排放的GWP。其中控制灌溉下CH4和N2O的GWP較淹水灌溉減少了59.1%，這與鄒建文等[19]的研究結果是一致的，稻田CH4和N2O的排放有著顯著的消長關系。成臣等[20]研究表明，與持續(xù)淹水處理相比，間歇灌溉處理全球增溫潛勢顯著降低38.2%～53.4%，溫室氣體排放強度顯著降低38.8%～54.6%，同時提高水稻產量。Hou等[21]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)灌溉（TI）和控制灌溉（CI）條件下，稻麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O排放之間存在顯著的消長關系。水稻季節(jié)的CI對冬小麥季節(jié)CH4和N2O排放量有明顯的后續(xù)影響。在整個年度周期內，CI顯著降低，累積CH4排放量為13.27 kg/hm2，比TI降低了80.6%，但N2O排放沒有顯著差異。CI輪作系統(tǒng)CH4和N2O在100年尺度上綜合GWP為2 720.35 kg/hm2，較TI處理降低41.1%。此外，水稻和小麥的產量在CI和TI之間差異不顯著。因此，在保證作物產量的同時，CI可以顯著減輕水稻—冬小麥輪作系統(tǒng)中CH4和N2O造成的年綜合溫室效應?？梢姡喔饶Ｊ绞怯绊戅r田CH4和N2O排放的重要因素。

2.2 施肥管理

氮肥的施用在提高作物產量和改善農產品質量中發(fā)揮著重要作用。施肥的方式、種類和數量會影響土壤性質如微生物群落、土壤碳氮比以及有機質含量從而影響N2O的排放。研究表明，施用氮肥對農田土壤N2O的排放有促進作用[22]。

Fan等[23]研究了不同施氮水平對土壤相關微生物豐度和N2O排放通量的影響，結果發(fā)現(xiàn)尿素顯著增加了N2O排放，在一定時間內改變了土壤中功能性微生物的組成，施氮肥明顯減少了產甲烷菌amoA和mcrA的基因豐度。這可能是與土壤氧化還原電位（Eh）有關，有利于氨（NH3）轉化成N2O，促進了N2O的排放，具體原因還需要進一步證實。目前，已有許多研究表明，N2O 排放與施肥種類和數量密切相關[24]。李琳等[25]對長期不同施肥類型的稻田N2O排放速率進行研究，發(fā)現(xiàn)施用氮肥增加了N2O 的排放，且氮肥處理N2O通量對溫室效應影響較大，一般認為，與施肥類型及投入數量的多少密切相關，結果還有待于進一步研究。王旭燕等[26]也得到了同樣的結果，在對旱作農田土壤的長期施氮定位試驗中，結果表明施氮水平顯著影響N2O氣體的排放，且隨著氮肥用量的增加，冬小麥土壤N2O 排放有增加的趨勢。因此，設計合理的施氮控制水平對稻麥農田N2O減排有著重要的意義。李平等[27]研究表明氮肥配施豬糞較單施化肥能增加稻田N2O的排放量。這可能是由于配施有機肥為土壤微生物的硝化與反硝化作用提供更多的反應基質，提高了N2O的排放。但是Liu等[28]研究發(fā)現(xiàn)用有機肥替代化肥可以顯著降低N2O的排放，隨著施用牛糞提高土壤肥力，小麥和玉米產量也有所增加。有機肥完全替代化肥降低了溫室氣體的排放，可以將農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)從碳源[2.7 t/（hm2·a）]轉變?yōu)樘紖R[-8.8 t/（hm2·a）]。因此，有機肥和化學肥料聯(lián)合施用在改善土壤質量、作物產量以及減少溫室氣體排放方面有著良好的效果，為改善全球變化背景下的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供了理論依據。

2.3 水氮互作管理

水肥是影響稻麥輪作系統(tǒng) N2O排放的重要調控因子，兩者通過影響土壤濕度、土壤礦質氮含量以及微生物等，從而影響N2O 在土壤中擴散與還原速率。研究表明施氮會影響土壤硝化與反硝化過程，促進土壤 N2O的生成量。此外，水分狀況在微生物活動中以及植物對氮肥的吸收利用中起到重要的作用，因此水氮互作共同制約著土壤N2O的排放。

傅志強等[29]在水氮互作模式對雙季稻CH4和N2O排放的研究中，發(fā)現(xiàn)追施氮肥促進N2O的排放程度與灌溉方式密切相關。在相同的施氮水平下，間歇灌溉有利于減少CH4排放，但是促進了N2O的排放，最終有利于氣體增溫潛勢的降低，減少溫室效應。在相同的灌溉條件下，N2O的排放在一定范圍內隨施氮量增加而增加。因此，間歇灌溉配施中氮有利于水稻種植。王孟雪[30]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉方式和氮肥投入對水稻生長季節(jié) N2O 排放平均通量和季節(jié)累積排放量具有一定的影響，同時兩者具有交互作用。在同一灌溉方式下，水分利用率隨著氮肥投入量的增大而升高，但當氮肥施肥量到一定水平后，水分利用率不再提高。灌溉模式對水稻氮肥利用率沒有規(guī)律性的變化。另外，在相同灌溉的條件下，氮肥用量的增加促進土壤硝態(tài)氮含量的提高，影響土壤反硝化速率，對稻田N2O排放影響較大;淹灌模式下，隨著施肥量的增加，氮肥利用率逐漸降低，同時也增加了N2O的溫室效應。因此，要有效地降低N2O的溫室效應，不僅需要關注N2O 的排放機制，而且需要注重水肥這2個關鍵因子的協(xié)同效應。

3 ?N2O的減排措施

3.1 優(yōu)化水分管理

水分管理措施不僅能給作物帶來高產，而且能夠有效減緩全球溫室效應。研究發(fā)現(xiàn)實行控制灌溉、間歇灌溉和淺顯灌溉等節(jié)水灌溉技術能夠減少溫室氣體的排放[31]，且有利于節(jié)水保肥、容易實現(xiàn)自動化控制，在我國東北和西部地區(qū)有著廣泛的推行。彭世彰等[32]在控制灌溉條件下，發(fā)現(xiàn)稻田CH4排放量比淹水灌溉減少73.2%～85.0%，水稻產量無明顯差異。雖然N2O的排放量增加了10.6%，但是控制灌溉下對全球溫室效應的貢獻卻減少了59.1%。袁偉玲等[33]也得到了同樣的結果，N2O的排放量在間歇節(jié)水灌溉下比長期淹水灌溉高，但是能夠顯著降低N2O的溫室效應。其原因可能是在長期淹水灌溉條件下，雖然足夠的水分能增加反硝化作用的速率，但是影響了N2O的擴散與還原速率，從而減少了N2O的排放量。

3.2 合理的施肥方式

施肥能夠增加作物的產量、提高并保持土壤肥力水平，同時能夠改善土壤水熱狀況、增加生理活性物質、促進微生物活動，從而影響N2O的排放。選擇科學合理的施肥方式能夠有效緩解溫室效應和推動農業(yè)可持續(xù)性發(fā)展。與單施化肥相比，有機無機肥配施能明顯減少N2O 的排放[34]。郭騰飛等[35]研究表明，在稻麥輪作體系下，氮肥配施有機肥的溫室氣體排放強度與單施氮肥處理相比，降低明顯并且增產效果最佳。同時，配施有機肥能夠有效改善微生物棲息環(huán)境，提高稻田土壤微生物磷脂脂肪酸的含量以及增加細菌和真菌的比例進而促進N2O的減排。楊丹等[36]研究發(fā)現(xiàn)，適當調整氮磷鉀肥的比例也能減少N2O的排放，其中化肥減量配施鮮豬糞、豬糞堆肥處理的N2O排放量分別降低了7.09%、4.89%。

3.3 合理的農作制度

選擇合理的農作制度能降低土壤溫室氣體的排放量。農作制度是在土壤通氣狀況、保水保肥狀況以及土壤溫度等方面影響土壤微生物的活性[37]，從而會對硝化和反硝化過程和N2O的排放產生重要作用。江波等[38]認為免耕、少耕及秸稈覆蓋技術可以有效減少農田土壤N2O的生成量。也有學者發(fā)現(xiàn)免耕能促進土壤N2O的排放[39]。甚至有結果表明耕作方式對N2O排放無顯著影響[40]。趙力瑩等[41]在耕作措施對冬小麥農田溫室氣體排放的研究中，發(fā)現(xiàn)灌溉施肥后深松處理下農田N2O 的排放通量最高，翻耕處理和保持旋耕下N2O排放量較低，與Badagliacca等[42]的研究結果是相同的。這可能是由于深松后增大了土壤孔隙度，影響了土壤微生物活性和土壤溫度，有利于硝化與反硝化作用進而影響N2O的生成速率，使土壤排放N2O量顯著增加。采用保護性耕作措施不僅能夠改善土壤的可耕性，鎖住土壤水分，提高水分利用率，而且增加土壤有機質，有助于N2O的減排。張岳芳等[43]研究發(fā)現(xiàn)水旱輪作方式對稻季N2O的排放有著顯著影響。在水稻烤田期間N2O排放增加，可能是含水條件影響耕層土壤微生物的生長環(huán)境，從而對下茬水稻生長季的 N2O排放產生影響。

4 展望

稻麥輪作農田作為一個重要的溫室氣體排放源，對全球變暖有很大的影響，為了農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，需要對 N2O氣體進行減排。目前國內外研究人員對稻田溫室氣體的排放及減排進行了廣泛研究，但是對水氮互作與溫室氣體產生的研究為數不多。另外，農業(yè)源溫室排放的研究大多集中在南方雙季稻稻區(qū)，對于季節(jié)性干旱區(qū)的稻麥農田研究還相對較少。下一步在研究水肥等多因素對稻麥輪作系統(tǒng)溫室氣體排放的影響上，加強對土壤微生物因素的研究，將土壤理化特性、土壤生物特性以及溫室氣體排放有機聯(lián)系起來，并提出相應的減排措施。這將為發(fā)展低碳農業(yè)、減緩全球氣候變暖提供新的思路。

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