王艳群，彭正萍，李迎春，李英丽，舒晓晓，郭李萍



氮肥与氮转化调控剂配施降低夏玉米-冬小麦农田N2O排放

王艳群1，彭正萍1※，李迎春2，李英丽3，舒晓晓1，郭李萍2

（1. 河北农业大学资源环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，保定071000；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081； 3. 河北农业大学园艺学院，保定071000）

针对农业生产中氮肥施用不合理导致氮肥利用率低、N2O排放增加及经济效益下降等问题，采用田间试验法研究了不同氮肥与氮转化调控剂配施模式的夏玉米-冬小麦一年两作农田N2O排放特征及经济效益。结果表明：与农民施氮肥处理（FN）相比，各推荐施氮处理在夏玉米季和冬小麦季的N2O平均排放通量分别降低 29.2%～65.4%（<0.05）和26.9%～74.9%（<0.05），N2O排放总量分别降低1.05～2.72（<0.05）和1.10～2.47（<0.05）kg/hm2；整个轮作季纯收益增加967.5～3 887.0元/hm2。同等施氮量条件下，与推荐施氮处理（RN）相比，夏玉米季推荐施氮配施双氰胺处理（RN＋DCD）和推荐施氮配施吡啶处理（RN＋CP）分别使N2O平均排放通量降低41.5%（<0.05）和31.2%（<0.05）；而在冬小麦季则分别下降63.0%（<0.05）和65.7%（<0.05）；整个轮作季RN＋DCD 和RN＋CP 处理N2O排放总量分别降低了52.5%（<0.05）和49.0%（<0.05），纯收益分别增加312.6和708.9元/hm2。夏玉米季，土壤N2O阶段排放峰值出现在三叶期-拔节期和大喇叭口期-抽雄期；而冬小麦季土壤N2O阶段排放峰值出现在播种-冬前苗期和返青-拔节期。考虑作物产量、N2O排放以及经济效益，RN＋DCD和RN＋CP处理经济效益较高，N2O排放总量较少，是兼顾作物产量、农民收入及大气环境的推荐氮肥管理措施。

氮；排放控制；肥料；夏玉米-冬小麦轮作系统；N2O排放；经济效益

0 引 言

氮是作物生长必需营养元素之一，中国人口多，又是农业大国，为满足粮食需求，在保证1.2亿hm2耕地的基础上，农民通常通过大量施用氮肥来提高作物单产。目前，中国氮肥消费量占世界氮肥消费总量的30%以上[1]，全国平均氮肥施用量为158 kg/hm2 [2]；大田作物氮肥平均利用率仅有30%左右[3]，大部分氮肥通过径流、淋失和挥发等方式进入土壤、水体和大气[4-5]。

土壤中氮素以气体形式进入大气是一种重要损失方式，其主要途径包括氨挥发、硝化和反硝化作用[6]，而土壤硝化和反硝化作用是大气N2O主要产生机制。N2O是主要温室气体之一，对全球气候变暖增温贡献达2%～4%[7]，在100 a尺度内，其增温潜势是CO2的298倍[8]。施用氮肥排放的N2O占土壤N2O总排放量的25%～82%[9]。当施氮量超过植物需求时，土壤排放N2O与施氮肥量呈指数[10]或曲线[11]关系。合理施用氮肥可减少氮素损失并有效降低土壤N2O的排放[12]。减少氮肥用量，提高氮肥利用率是减少N2O排放的重要措施之一[13]。目前，提高氮肥利用率的单项措施研究比较多，主要有合理的施氮量和基肥追肥比例、恰当的作物施肥时期、N、P、K养分平衡施用[14]、用包膜材料制成缓控释氮肥[15]、配施硝化抑制剂和脲酶抑制剂等[16]。而合理施用氮肥技术与多种氮肥增效剂融合对土壤温室气体排放、作物产量及经济效益等方面综合评价的报道还甚少。

夏玉米-冬小麦轮作是华北平原典型轮作模式，该体系中农田氮素年盈余量为86 kg/(hm2·a)[17]，氮素过量施用不仅导致大量N2O排放到大气中，而且增加了施肥成本、降低了农业生产经济效益。减少氮肥用量、减排N2O、增加农民收益成为当前农业科学研究的重点内容之一。因此，本文以华北典型夏玉米-冬小麦轮作系统为研究对象，通过进行多农户调查分析确定研究区农民施氮肥模式，在此基础上进一步根据试验地的土壤养分供应状况和种植作物的产量水平设置了推荐施氮模式（推荐氮肥用量）、推荐施氮模式基础上添加各种氮素转化调控剂（缓控释膜、双氰胺、2-氯-6-三氯甲基吡啶、纳米碳）等处理保证供应纯氮量相同，研究不同施氮肥模式对土壤N2O排放特征及经济效益的影响；明确既保证农民增收又减少土壤N2O排放的合理氮用量及氮增效模式，为实现粮田安全高效生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验设在河北省保定市河北农业大学试验场，试验中心点位于38°48′36″N，115°24′47″E；属温带湿润季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，年降水量550 mm，年平均气温12 ℃，年日照2 660 h，无霜期210 d，试验期间当地降水量和气温见图1。供试土壤为潮褐土，质地为中壤，容重为1.4 g/cm3，pH值8.3、有机质13.5 g/kg，全氮0.87 g/kg，碱解氮100.1 mg/kg、有效磷9.6 mg/kg、速效钾69.1 mg/kg,。供试作物：夏玉米为郑单958；冬小麦为河农825。供试肥料：尿素（含N 46%）、氯化钾（含K2O 57%）、过磷酸钙（含P2O516%）、玉米控释肥（含N 38%）、小麦控释肥（含N 43%）、双氰胺（dicyondiamide，DCD，含N 66.5%）、2-氯-6-三氯甲基吡啶（nitrapyrin，CP）、纳米碳。

1.2 试验处理及方法

本试验从2013年6月夏玉米季开始，10月份玉米收获后播种冬小麦，2014年6月收获小麦。试验小区采用完全随机区组设计，夏玉米季和冬小麦季均设置7个处理，每个处理重复3次。两季各小区坐落位置相同，小区面积8.5 m×6 m=51 m2。处理1为对照，不施用氮肥；处理2是生产过程中农民氮肥施用模式，处理3是根据供试土壤养分状况和作物需肥规律得出的氮肥施用模式，两处理所施氮肥种类均为尿素；处理4、处理5和处理7是在处理2基础上配施了双氰胺、吡啶和纳米碳；处理6为控释肥处理，处理3～7的纯氮量相同。各处理具体施肥情况见表1，除施肥量不同外，其他田间管理措施均按照当地高产田措施进行。

硝化抑制剂DCD用量为纯N用量的5.0%，纳米碳用量为总肥料用量的0.3%；CP用量为每1 kg尿素喷涂吡啶1.1 g，其中的含氮量忽略不计。各处理中的磷、钾肥及控释肥均全部做基肥一次性施入土壤。夏玉米季氮肥处理总氮量的40%作基肥，60%的氮肥在大喇叭口期结合降雨或灌水追施，DCD及纳米碳基追比均为4:6；冬小麦季氮肥处理总氮量的50%作基肥，50%在返青期随灌水追施，DCD及纳米碳基追比均为5:5。

表1 不同处理的肥料用量

1.3 气体取样及测定、计算方法

采用密闭式静态箱法[18]收集N2O。箱体由PVC材料制成，直径25 cm，高35 cm，顶部取样口用胶塞密封。上午09:00－10:00采样，各小区共采集3次，每次取样30 mL，间隔10 min[19]。同时，由置于箱体内的温度探头测定箱内温度；用TK3-BASIC土壤水分测定仪测定5 cm处的土壤湿度；用干湿球温度表测定距地面1.5 m处的气温。收集到的气体样品采用美国Agilent7890气相色谱仪测定N2O。

N2O排放通量计算公式

式中为N2O排放通量，mg/(m2·h)；为箱体内气体浓度，g/L；是箱体高度，m；0=273 K；1和2为时间，h；1和2是1和2时间箱内气体浓度，mL/m3；1和2是1和2时间箱体内的平均温度，K；Δ为2和1时间差，h。

N2O排放总量采用内插法[20]计算未观测日排放通量，然后将测定值和计算值逐日累加得到。

1.4 田间管理

夏玉米季前茬为冬小麦，小麦秸秆粉碎后直接还田，各处理施肥后旋耕2遍，旋耕深度为15 cm，旋耕后直接播种镇压。夏玉米2013年6月12日播种，6月18日出苗，6月30日定苗。7月12日灌溉并追施尿素，9月30日收获。气体采集从6月12日开始，气体每7 d采集1次，如遇降水、灌溉、施肥连续3 d采集气体。玉米生育阶段分为播种-三叶期、三叶-拔节期、拔节-大喇叭口期、大喇叭口-抽雄期、抽雄-成熟期，即播种后的0～16、17～24、25～48、49～65、66～110 d。玉米收获后，秸秆粉碎还田，施肥后旋耕2遍，旋耕后播种冬小麦。

冬小麦2013年10月1日播种，2日浇蒙头水， 7日出苗。2014年3月15日灌溉并追施尿素，6月12日收获小麦。气体采集从10月1日开始，12月8日到来年3月10日停止采样，2014年3月11日恢复采样直至收获，采集方法同玉米。12月8日至来年3月10期间，由于温度低，土壤N2O排放速率小，因此计算冬小麦季N2O排放总量时不考虑此期间的排放值。小麦生育阶段划分为播种-冬前苗期、冬前苗期-返青期、返青-拔节期、拔节-灌浆期和灌浆-成熟期，即播种后的0～75、76～182、183～226、227～246、247～263 d。

收获玉米时，量11行测定行距，连续量51株测定株距，计算公顷穗数。每个处理连续取有代表性的20穗脱粒称质量，计算单穗平均质量并测定含水量。公顷穗数乘以单穗质量后折算为含水率14%的玉米籽粒质量。小麦收获时，每个处理取3个1 m双行数出有效穗数折成公顷穗数。随机取出20穗，数出穗粒数。每个处理全部脱粒后称取3个千粒质量，并测定含水量。公顷穗数乘以穗粒数再乘以千粒质量后折为含水率12.5%的籽粒产量。

本文把夏玉米/冬小麦轮作季各处理的作物籽粒获得的总收入减去肥料成本和其他田间管理成本后的收入定为纯收益。各处理除氮肥用量、种类和施肥用工不同外，其余田间管理措施均一致。试验年份河北保定地区玉米、小麦籽粒收购价分别为2.2和2元/kg。肥料价格分别为：纯N 3.9元/kg，P2O55.65元/kg，K2O 6.5元/kg，玉米控释肥6.5元/kg，小麦控释肥4元/kg，DCD 20元/kg，吡啶200元/kg，纳米碳260元/kg。其他田间管理成本包括种子、机耕、农药、灌溉、各种农艺措施用工等费用。玉米和小麦种子成本分别为600和750元/hm2。施肥用工费每次1 500元/hm2，CK不施N肥，控释肥全部肥料一次性施入，其余处理肥料分基肥、追肥2次施用。夏玉米和冬小麦季其他田间管理措施的成本分别为2 656.5和2 672.3元/hm2。

总收入（元/hm2）=作物籽粒产量（kg/hm2）×籽粒收购价格（元/kg）

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理、绘图；采用SPSS17.0进行方差和相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮模式下的夏玉米-冬小麦轮作系统N2O排放通量

图2表明，夏玉米季，各推荐施氮肥模式的N2O平均排放通量较FN处理显著降低29.2%～65.4%（<0.05）。与RN相比，RN+DCD、RN+CP、RN+CR处理的N2O平均排放通量分别降低了41.5%、31.2%和5.8%，且RN+DCD、RN+CP达显著水平；而RN+NC的N2O平均排放通量较RN增加了19.8%。

冬小麦季，各施氮模式N2O排放规律与夏玉米季基本一致（图2）。与FN相比，各推荐施氮处理的N2O排放通量降低26.9%～74.9%，且与RN+DCD、RN+CP、RN+CR和RN+NC处理间差异达显著水平。与RN相比，其余各推荐施氮处理的N2O排放通量降低25.4%～65.7%，添加DCD、CP、CR处理的N2O排放通量冬小麦季分别降低63.0%（<0.05）、65.7%（<0.05）和25.4%。说明在轮作系统内，与农民施氮肥处理相比，推荐施氮肥以及在此基础上添加硝化抑制剂处理，减少氮肥施用的同时明显减少N2O排放；在相同氮肥用量时，施用DCD和CP也能显著降低N2O的排放，而CR和NC效果略差。

2.2 不同施氮模式下的夏玉米-冬小麦轮作系统N2O排放总量

2.2.1 年度N2O排放总量

表2表明，与FN比，夏玉米季和冬小麦季各推荐施氮处理的N2O排放总量均明显降低，分别降低1.05～2.72（<0.05）和1.10～2.47（<0.05）kg/hm2，降幅分别为26.9%～69.9%和34.7%～77.8%。在夏玉米季，与RN比，RN+DCD、RN+CP、RN+CR处理的N2O排放总量分别减少46.2%、32.8%和14.0%，以RN+DCD处理排放N2O最少，RN+CP次之；而RN+NC处理N2O排放总量增加30.8%，这与N2O排放通量规律一致。在冬小麦季，与RN比，RN+DCD、RN+CP、RN+CR和RN+NC处理的N2O排放总量分别降低59.3%、66.0%、14.6%和23.1%，以RN+CP处理排放N2O最少，RN+DCD排放N2O次之。

表2 夏玉米-冬小麦农田N2O年度排放总量

从整个轮作系统看，与FN比，各推荐施氮肥处理N2O排放总量均显著降低，降幅为37.1%～71.5%；与RN比，RN+DCD和RN+CP处理N2O排放总量分别降低了52.5%和49.0%，且达显著水平；RN+NC排放总量却增加4.6%，这与夏玉米季排放规律一致。因此，推荐施用氮肥较农民施氮肥显著降低轮作系统N2O排放总量；同等施氮量条件下，施用DCD和CP显著降低轮作系统N2O的排放，而CR和NC处理减排N2O效果不明显。

2.2.2 作物各生育阶段N2O排放总量

夏玉米季，不同生育阶段土壤N2O累积排放量呈升高-降低-再升高-再降低变化趋势（表3）。各施肥处理的土壤N2O排放峰值出现在三叶-拔节期和大喇叭口-抽雄期，2个阶段的N2O排放量分别占全生育期的12.2%～28.2%和16.8%～44.0%，大喇叭口-抽雄期N2O排放量是三叶-拔节期的0.6～3.6倍。夏玉米不同生育阶段，CK、RN+DCD、RN+CP处理的N2O排放量变幅分别为0.04～0.13、0.18～0.29和0.16～0.40 kg/hm2。不同生育阶段RN+CR处理 N2O排放量变幅为0.29～0.53 kg/hm2，在三叶-拔节期排放量最高，而后下降并趋于稳定。

表3也表明，冬小麦季，不同生育阶段各处理土壤N2O排放量呈降低-升高-降低趋势。播种-冬前苗期N2O排放量最高，占冬小麦季排放总量的38.7%～84.0%；其次是返青期-拔节期，此阶段N2O排放量占冬小麦季排放总量的6.9%～29.5%。与夏玉米季类似，小麦各生育阶段CK、RN+DCD、RN+CP处理的N2O排放总量变幅较小，而RN+CR处理N2O在返青期后变幅较小。

表3 夏玉米-冬小麦各生育阶段 N2O排放总量

2.3 不同施氮模式下的经济效益

从表4可以看出，与FN比，夏玉米季RN、RN+DCD和RN+CP肥料成本分别下降356.9、56.9和290.9元/hm2，纯收益分别增加2 708.7、2 807.2和3 164.2元/hm2；RN+CR和RN+NC处理因肥料成本增加较多，其纯收益仅增加108.1和1 749.3元/hm2。等氮量条件下，与RN比，RN+DCD、RN+CP纯收益分别增加98.5和455.5元/hm2，RN+CR和RN+NC分别下降2 600.6和959.4元/hm2。夏玉米季RN+CP纯收益最大，达13 778.4元/hm2，其次是RN+DCD，达13 421.4元/hm2。

表4 不同施氮模式的经济效益

与FN比，冬小麦季RN、RN+DCD和RN+CP肥料成本分别下降234.0、9.0和184.5元/hm2，纯收益分别增加469.4、683.5和722.8元/hm2；RN+CR、RN+NC肥料成本分别增加981.5和928.2元/hm2，RN+CR处理由于田间管理成本下降，其纯收益反而增加了859.4元/hm2，而RN+NC由于肥料成本增加较多导致纯收益下降475.5元/hm2。等氮量条件下，与RN比，RN+DCD、RN+CP、RN+CR处理的纯收益分别增加214.1、253.4和390.0元/hm2，RN+NC纯收益下降944.9元/hm2。冬小麦季RN+CR纯收益最高，达3 690.7元/hm2，其次是RN＋CP和RN+DCD，均在3 500元/hm2以上。

从整个轮作季看，与FN比，各推荐施氮处理纯收益增加967.5～3 887.0元/hm2，增加幅度为7.2%～28.9%；RN+CP纯收益最高，达到了17 332.5元/hm2，其次是RN+DCD，为16 936.2元/hm2，RN+CR纯收益最低。同等氮肥用量条件下，RN+DCD、RN+CP处理较RN处理，纯收益分别增加了1.9%和4.3%，而RN+CR和RN+NC处理则分别下降了13.3%和11.5%。这说明，减少氮肥用量可以节省成本，间接增加纯收益；同等氮肥用量条件下，使用氮肥增效剂DCD和CP导致施肥成本增加，但由于二者的使用增加了总收入，其纯收益相应增加；而RN+CR和RN+NC处理由于成本增加较多，导致2个处理在整个轮作季的纯收益下降。

3 讨 论

土壤N2O 排放量与氮肥施用量显著相关[21]，随施氮量增加，土壤N2O 排放显著增加[22]。与农民施氮肥处理相比，推荐施氮肥处理可以明显降低N2O排放。夏玉米季N2O排放通量显著降低了29.2%～65.4%，冬小麦季显著降低了26.9%～74.9%；轮作系统N2O排放总量显著降低37.1%～71.5%。农田N2O的产生、排放，主要来源于土壤氮素的硝化和反硝化作用，并且受施肥、灌溉和环境条件的直接影响[23]。施肥和灌溉使土壤中有较多的化学沉积物和较高的含水量，导致N2O排放量迅速增加[24]。推荐施肥处理土壤N2O排放降低，一方面是因为降低了作物生长季氮肥的施用总量，减少了N2O来源底物；另一方面是因为大量减少了在基肥阶段的氮肥施用，从而避免了在此阶段氮肥的大量N2O排放损失[25]。

氮肥配施DCD能有效降低土壤N2O排放[15,26]，显著降低土壤N2O 的排放通量和排放总量[27]，这主要是因为DCD可以抑制尿素水解，减少NH4+的氧化[13,28]；而CP减少N2O的排放在于CP与尿素配施可以推迟NH4+的氧化[29]、显著提高 NH4+/NO3-比例，提高氮肥利用率[30]，减少氮肥淋溶损失和气态损失。控释肥减排N2O的效果不一，有学者认为控释肥可减少土壤N2O排放[31]，也有人报道控释肥可能增加土壤N2O排放[32-33]。纳米碳可以吸附氮素、减缓尿素释放、提高氮素利用率，包被在肥料表面[34-35]，但其没有明显的减排效果[35]。推荐施氮肥基础上配施DCD和CP，较推荐施氮肥处理，冬小麦季和夏玉米季土壤N2O的排放通量和排放总量均显著降低；控释肥处理N2O的排放通量虽有降低，但与其差异并未达到显著水平；同等氮肥用量条件下，NC处理在夏玉米季促进了N2O的排放，而在冬小麦季则减少了N2O的排放，这可能是因为环境条件差异引起，但具体原因有待进一步研究。

据报道，小麦、玉米N2O排放通量具有明显的季节性变化，小麦主要在冬前苗期；玉米主要在三叶期和拔节期[13]；这与作物需肥特点、播种时伴随的施肥与灌溉、生育关键期追肥的管理方式等有关[13,24]。本研究中，随生育时期变化，夏玉米季土壤N2O排放量呈现升高-降低-再升高-再降低的变化趋势，三叶-拔节期和大喇叭口-抽雄期出现排放峰值。播种时施用基肥和灌溉蒙头水是导致玉米播种-三叶期-拔节期N2O排放逐渐增加并在拔节期出现峰值的原因，而后随着植株生长和氮素的消耗，N2O排放呈降低趋势；大喇叭口期追肥和灌溉以及雨热同期导致土壤N2O排放迅速升高，在大喇叭口-抽雄期达到高峰，以后伴随生殖生长所需氮素的迅速吸收以及气温的逐渐降低，N2O排放又有所降低。玉米基肥和追肥比例为4:6，且生长后期气温和降水均有所增加，导致大喇叭口期-抽雄期较三叶期-拔节期N2O排放增加。冬小麦季不同生育阶段土壤N2O排放量呈逐渐降低趋势，播种-冬前苗期排放最高，其次是返青-拔节期。这是因为氮肥基肥和追肥比例为5:5，播种后浇蒙头水、播种-冬前苗期相对越冬期较高的土壤温度以及小麦较弱的养分吸收为N2O排放提供了充足氮源和有利的环境条件，造成此阶段N2O排放量最高。返青-拔节期气温的快速回升、追肥和灌溉促进了N2O排放量增加，但此时小麦生长迅速，需氮量大，且此阶段时间短，导致N2O排放量低于播种-冬前苗期阶段。

冬小麦、玉米各生育阶段CK、RN+DCD、RN+CP处理N2O排放量变幅较小。CK处理是由于未施用肥料，而RN+DCD和RN+CP处理则可能是由于抑制剂抑制尿素转化造成。两季RN+CR处理排放N2O均呈现逐渐降低然后趋于稳定的规律，可能是RN+CR采用全部肥料基施，施肥初期会有一个相对的释放高峰，而后随作物生长逐渐释放，导致N2O排放呈前期高而后期稳定。

减少氮肥投入，可以降低成本，间接增加纯收益。从整个轮作季看，与农民施氮肥处理相比，推荐施氮处理纯氮用量均下降152 kg/hm2，而纯收益却增加了7.2%～28.9%。同等氮肥用量条件下，夏玉米季RN+CP和RN+DCD处理较RN处理成本分别增加了300.0和66.0元/hm2，冬小麦季增加了225.0和49.5元/hm2。因为氮素增效剂DCD和CP可以显著提高氮素利用率[8, 24]，增加产量[13]，提高生产收入，因此轮作季2个处理纯收益分别增加了312.6和708.9元/hm2。因为夏玉米季和冬小麦季施用的缓控释肥种类不同，导致二者对纯收益影响产生差异。夏玉米季RN+CR处理成本较RN增加了3 961.6元/hm2，其纯收益较RN下降了2 600.6元/hm2，而冬小麦季成本仅增加了1 215.5元/hm2，致使其纯收益增加了390.0元/hm2。夏玉米季和冬小麦RN+NC处理成本较RN均明显增加，而纳米碳对总收入的贡献增加较少，导致整个轮作季纳米碳处理纯收益的下降。

在本试验条件下，推荐施氮处理尤其是RN+CP和RN+DCD处理不但能明显增加大田作物产量，提高经济效益，还可抑制土壤N2O排放。但本研究是一个轮作季两茬作物的试验结果，环境因素可能会对试验结论有所影响，因此需要进行后续研究。

4 结 论

整个轮作系统土壤N2O排放量具有明显的阶段性变化。随生育时期变化，夏玉米季土壤N2O排放量呈现升高-降低-再升高-再降低的变化趋势，三叶-拔节期和大喇叭口-抽雄期出现排放峰值；冬小麦季不同生育阶段土壤N2O排放量呈降低-升高-降低趋势，播种-冬前苗期排放最高，其次是返青期-拔节期。推荐施氮肥处理较农民施氮肥明显降低粮田N2O排放，轮作系统N2O排放总量显著降低37.1%～71.5%，夏玉米季和冬小麦季降幅分别为26.9%～69.9%和34.7%～77.8%。同等施氮量条件下，与推荐施氮量比较，添加DCD、CP、CR处理的N2O排放通量夏玉米季分别降低41.5%（<0.05）、31.2%（<0.05）和5.8%，冬小麦季分别降低63.0%（<0.05）、65.7%（<0.05）和25.4%。整个轮作季，各推荐施氮处理较农民施氮肥处理纯收益增加7.2%～28.9%，其中推荐施氮肥+吡啶处理最高，推荐施氮肥+双氰胺处理次之，RN+CR最低。同等氮肥用量条件下，夏玉米季推荐施氮肥+吡啶较推荐施氮肥+双氰胺处理效果较好，而在冬小麦季二者效果相当。综合经济效益和N2O减排潜力，推荐施氮肥+吡啶和推荐施氮肥+双氰胺处理效果较好，是适合在华北地区推广使用的氮肥管理模式。

[1] 寇长林，巨晓棠，张福锁. 三种集约化种植体系氮素平衡及其对地下水硝酸盐含量的影响[J]. 应用生态学报，2005，16(4)：660－667.

Kou Changlin, Ju Xiaotang, Zhang Fusuo. Nitrogen balance and its effects on nitrate-N concentration of groundwater in three intensive cropping systems of North China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16(4): 660－667. (in Chinese with English abstract)

[2] 朱兆良，孙波，杨林章，等. 我国农业面源污染的控制政策和措施[J]. 科技导报，2005，23(4)：47－51.

Zhu Zhaoliang, Sun Bo, Yang Linzhang, et al. Policy and counter measures to control non-point pollution of agriculture in China[J]. Science & Technology Review, 2005, 23(4): 47－51. (in Chinese with English abstract)

[3] 赵秉强，杨相东，李燕婷，等. 我国新型肥料发展若干问题的探讨[J]. 磷肥与复肥，2012，27(3)：1－4.

Zhao Bingqiang, Yang Xiangdong, Li Yanting, et al. Discussions on development of new type fertilizer in China[J].Phosphate & Compound Fertilizer, 2012, 27(3): 1－4. (in Chinese with English abstract)

[4] Ju X T, Kou C L, Zhang F S, et al. Nitrogen balance and groundwater nitrate contamination: Comparison among three intensive cropping systems on the North China Plain[J]. Environmental Pollution, 2006, 143: 117－125.

[5] Gibbons J M, Ramsden S J, Blake A. Modeling uncertainty in greenhouse gas emissions from UK agriculture at the farm level [J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2006, 112(4): 347－355.

[6] 王云奇，陶洪斌，杨利华，等. 氮肥管理对夏玉米冠层结构和氮肥吸收利用的影响[J]. 玉米科学，2013，21(3)：125－130.

Wang Yunqi, Tao Hongbin, Yang Lihua, et al. Effects of nitrogen managements on canopy structure and nitrogen absorption utilization of summer maize[J]. Journal of Maize Sciences, 2013, 21(3): 125－130. (in Chinese with English abstract)

[7] 王改玲，郝明德，陈德立. 硝化抑制剂和通气调节对土壤N2O排放的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2006，12(1)：32－36.

Wang Gailing, Hao Mingde, Chen Deli. Effect of nitrification inhibitor and aeration regulation on soil N2O emission[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006, 12(1): 32－36. (in Chinese with English abstract)

[8] IPCC, Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[R]. Cambridge, United Kingdom and New York: Cambridge University Press, 2007: 212.

[9] Eichner M J. Nitrous oxide emissions from fertilized soils: Summary of available data[J]. Journal of Environmental Quality, 1990, 19: 272－280.

[10] Shcherbak I, Millar N, Robertson G P, et al. Global metaanalysis of the nonlinear response of soil nitrous oxide (N2O) emissions to fertilizer nitrogen[J]. PNAS, 2014, 111(25): 9199－9204.

[11] Grant R F, Pattey E, Goddard T W, et al. Modeling the effects of fertilizer application rate on nitrous oxide emissions[J]. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70(1): 235－248.

[12] Alberto S C, Laura S M, Lourdes G T, et al. Gaseous emissions of N2O and NO and NO3−leaching from urea applied with urease and nitrification inhibitors to a maize () crop[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2012, 149: 64－73.

[13] 王艳群，李迎春，彭正萍，等. 氮素配施双氰胺对冬小麦-夏玉米轮作系统N2O排放的影响及效益分析[J].，2015，26(7)：1999－2006.

Wang Yanqun, Li Yingchun, Peng Zhengping, et al. Effects of dicyandiamide combined with nitrogen fertilizer on N2O emission and economic benefit in winter and summer maize rotation system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(7): 1999－2006. (in Chinese with English abstract)

[14] Gordon W B. Maximizing irrigated corn yields in the Great Plains[J]. Better Crops, 2005, 89(2): 8－10.

[15] Akiyama H, Yan X, Yagi K. Evaluation of effectiveness of enhanced efficiency fertilizers as mitigation options for N2O and NO emissions from agricultural soils: Meta-analysis[J]. Global Change Biology, 2010, 16(6): 1837－1846.

[16] Lan T, Han Y, Roelcke M, et al.Effects of the nitrification inhibitor dicyandiamide (DCD) on gross N transformation rates and mitigating N2O emission in paddy soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 67: 174－182.

[17] 赵荣芳，陈新平，张福锁. 华北地区冬小麦－夏玉米轮作体系的氮素循环与平衡[J]. 土壤学报，2009，46(4)：684－697. Zhao Rongfang, Chen Xinping, Zhang Fusuo. Nitrogen cycling and balance in winter-wheat-summer-maize rotation system in Northern China Plain[J]. Acta Pedologica Sinica, 2009, 46(4): 684－696. (in Chinese with English abstract)

[18] 李志安，邹碧，曹裕松，等. 地面氧化亚氮排放静态箱测定技术[J]. 土壤与环境，2002，11(4)：413－416.

Li Zhian, Zou Bi, Cao Yusong, et al. Technique of static chamber in determining nitrous oxide emission from land surface[J]. Soil and Environmental Sciences, 2002, 11(4): 413－416. (in Chinese with English abstract)

[19] 叶欣，李俊，王迎红，等. 华北平原典型农田土壤氧化亚氮的排放特征[J]. 农业环境科学学报，2005，24(6)：1186－1191.

Ye Xin, Li Jun, Wang Yinghong, et al. Characterization of emissions of nitrous oxide from Soils of typical crop fields in North China Plain[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2005, 24(6): 1186－1191. (in Chinese with English abstract)

[20] 于亚军，朱波，王小国，等. 成都平原水稻－油菜轮作系统氧化亚氮排放[J].应用生态学报，2008，19(6)：1277－1282.

Yu Yajun, Zhu Bo, Wang Xiaoguo, et al. N2O emission from rice-rapeseed rotation system in Chengdu Plain of Sichuan Basin[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(6): 1277－1282. (in Chinese with English abstract)

[21] Mosier A R, Halvorson A D, Reule C, et al. Net global warming potential and greenhouse gas intensity in irrigated copping systems in northeastern Colorado[J]. Journal of Environmental Quality, 2006, 35: 1584－1598.

[22] 魏珊珊，王艳群，李迎春，等. 不同氮肥喷涂吡啶对夏玉米田氮素利用及土壤N2O排放的影响[J]. 应用生态学报，2016，27(4)：1163－1168.

Wei Shanshan,Wang Yanqun, Li Yingchun, et al. Effects of nitrapyrin-nitrogen (N) fertilizer application rates on N utilization and N2O emission in summer maize field[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(4): 1163－1168. (in Chinese with English abstract)

[23] 齐玉春，董云社. 土壤氧化亚氮产生、排放及其影响因素[J]. 地理学报，1999，54(6)：534－542.

Qi Yuchun, Dong Yunshe. Nitrous oxide emissions from soil and some influence factors[J]. Acta Geographica Sinica, 1999, 54(6): 534－542. (in Chinese with English abstract)

[24] 邓兰生，张承林. 玉米滴灌栽培条件下尿素与氢醌、双氰胺配施方法及效果[J]. 植物营养与肥料学报，2007，13(3)：498－503.

Deng Lansheng, Zhang Chenglin. Effects and methods of urea application combined with urease or nitrification inhibitors under drip irrigation on maize[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(3): 498－503. (in Chinese with English abstract)

[25] 胡小康，黄彬香，苏芳，等. 氮肥管理对夏玉米土壤CH4和N2O排放的影响[J]. 中国科学：化学，2011，41(1)：117－128.

Hu Xiaokang, Huang Binxiang, Su Fang, et al. Effects of nitrogen management on methane and nitrous oxide emissions from summer maize soil in North China Plain[J]. Scientia Sinica: Chimica, 2011, 41(1): 117－128. (in Chinese with English abstract)

[26] Ding W X, Yu H Y, Cai Z C. Impact of urease and nitrification inhibitors on nitrous oxide emissions from fluvo-aquic soil in the North China Plain[J]. Biology and Fertility of Soils, 2010, 47(1): 91－99.

[27] 杨威，郭艳杰，李博文，等. 氮肥与DCD配施对温室番茄膨果期土壤N2O排放和产量的影响[J]. 河北农业大学学报，2013，36(3)：25－29.

Yang Wei, Guo Yanjie, Li Bowen, et al. Effects of nitrogen fertilizer and DCD application on nitrous oxide emission from soil during expand fruit stage and tomato yield[J]. Journal of Agricultural University of Hebei, 2013, 36(3): 25－29. (in Chinese with English abstract)

[28] Jumadi O, Hala Y, Muis A, Ali A, et al. Influences of chemical fertilizers and a nitrification inhibitor on greenhouse gas fluxes in a corn (.) field in Indonesia[J]. Microbes and Environments, 2008, 23(1): 29－34.

[29] 顾艳，吴良欢，刘彦伶，等. 氯甲基吡啶剂型对土壤硝化的抑制效果初步研究[J]. 农业环境科学学报，2013，32(2)：251－258.

Gu Yan, Wu Lianghuan, Liu Yanling, et al. Preliminary study on the inhibition effect of nitrapyrin on soil nitrificatio[J]. Journal of Agricultural Environmental Sciences, 2013, 32(2): 251－258. (in Chinese with English abstract)

[30] 刘涛，陶瑞，李君，等. 氯甲基吡啶对滴灌棉花生物量、氮素吸收及氮肥利用率的影响[J]. 棉花学报，2015，27(5)：463－468.

Liu Tao, Tao Rui, Li Jun, et al. Effects of nitrapyrin on the biomass, nitrogen transformation and nitrogen use efficiency of cotton under drip irrigation[J]. Chinese Journal of Cotton, 2015, 27(5): 463－468. (in Chinese with English abstract)

[31] Akiyama H, Yan X, Yagi K. Evaluation of effectiveness of enhanced-efficiency fertilizers as mitigation options for N2O and NO emissions from agricultural soils: Meta-analysis[J]. Glob Change Biol, 2010, 16(6): 1837－1846.

[32] Chu H, Hosen Y, Yagi K. NO, N2O, CH4and CO2fluxes in winter barley field of Japanese Andisol as affected by N fertilizer management[J]. Soil Biol Biochem, 2007, 39(1): 330－339.

[33] 刘亚男. 冬小麦/夏玉米轮作系统不同氮肥管理方式的生物效应及N2O排放特征研究[D]. 保定：河北农业大学，2015.

Liu Ya’nan. Effects of Biological and N2O Emissions under different Nitrogen Fertilizer Management Practices in Wheat-Maize Rotation[D]. Baoding:Agricultural University of Hebei, 2015. (in Chinese with English abstract)

[34] 钱银飞，彭春瑞，刘光荣，等. 纳米增效尿素不同用量对杂交中稻‘中浙优号’生长发育及氮素吸收利用的影响[J]. 中国农学通报，2011，27(3)：69－75.

Qian Yinfei, Peng Chunrui, Liu Guangrong, et al. Effects of different Nano-meter Urea application rate on Hybrid Rice ‘Zhongzheyou 1’ growth and Nitrogen uptake and utilization[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(3): 69－75. (in Chinese with English abstract)

[35] 李超. 不同施肥处理对春玉米田N2O排放的影响及经济效益分析[D]. 北京：中国农业科学院，2013.Li Chao. Effects and Economic Benefits Analysis of Different Fertilizer Treatments on N2O Emissions from Spring Corn Field[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2013. (in Chinese with English abstract)

Nitrogen fertilizers application combined with N conversion control additives reducing N2O emissions under summer maize-winter wheat cropping system

Wang Yanqun1, Peng Zhengping1※, Li Yingchun2, Li Yingli3, Shu Xiaoxiao1, Guo Liping2

(1./,,071000,; 2.,,100081,; 3,,071000,)

Nitrous oxide (N2O)is a major greenhouse gas (GHG) product of intensive agriculture. The application of nitrogen fertilizer can increase the N2O emissions, and the amount of N2O from fertilizers accounted for 25%-82% of the total soil N2O emissions. Therefore, in order to addressing the serious problems in the agricultural production, such as lower nitrogen fertilizer utilization ratio, increased N2O emissions and declined economic benefit caused by unreasonable nitrogen fertilizer application, a field experiment were conducted to study the effect of different nitrogen fertilizer application patterns on characteristics of N2O emissions and the economic benefit in a summer maize-winter wheat field. The 7 patterns of nitrogen application in the summer maize and winter wheat seasons were control (CK), farmer’s nitrogen fertilization pattern (FN), recommended nitrogen fertilization pattern (RN), recommended N rate with dicyandiamide (RN+DCD), recommended N rate with nitrapyrin (RN+CP), recommended N rate with controlled-release fertilizer (RN+CR), recommended N rate with nanocarbon (RN+NC). The CK was without applications of nitrogen fertilizer. During summer maize and winter wheat seasons, the nitrogen fertilizer of FN treatment was 392 and 285 kg/hm2, and the nitrogen fertilizer of the recommended nitrogen treatments (RN, RN+DCD, RN+CP, RN+CR and RN+NC) were 300 and 225 kg/hm2respectively. The N2O emission from soil was collected by static chamber method and the gas samples were determined by gas chromatography with Agilent7890.The total income obtained from the crop grain minus the cost of the fertilizer and other field management costs was recognized as net income. The results showed that, compared to the treatment of FN, theaverage N2O emission flux of recommended nitrogen treatments (RN, RN+DCD, RN+CP, RN+CR and RN+NC) were reduced by 29.2%-65.4% (<0.05) and 26.9%-74.9% (<0.05) during summer maize and winter wheat seasons respectively, and the total N2O emissions were decreased by 1.05-2.72 kg/hm2(<0.05) and 1.10-2.47 kg/hm2(<0.05), respectively. In the rotation season, the net income increased by 967.5-3 887.0 Yuan/hm2compared to that of FN treatment. Compared to the treatment of RN, the average N2O emission flux of the treatments of RN+DCD, RN+CP and RN＋CR were decreased by 41.5% (<0.05), 31.2% (<0.05) and 5.8% respectively during the summer maize season, and those were decreased by 63.0% (<0.05), 65.7% (<0.05) and 25.4% respectively during the winter wheat season. In the rotation season, the total N2O emissions of RN+CP and RN+DCD were decreased by 52.5% (<0.05) and 49.0% (<0.05) respectively, and the net incomes of the two treatments were increased by 312.6 and 708.9 Yuan/hm2, respectively. The soil N2O phase emission of peak during the summer maize season appears in the three leaves period to jointingstage and huge bellbottom period to tasseling stage, but during the winter wheat season the soil N2O phase emission of peak appears during the stages of sowing time to seedling stage and the returning green stage to jointing stage. Considering the integrated effects of crop yields, N2O emissions and economic benefit, RN+DCD and RN+CP were recommended for nitrogen management practices which can gain rational crop yield, reasonable income and less negative climatic and environmental impacts.

nitrogen; emission control; fertilizers; summer maize-winter wheat rotation system; N2O emission; economic benefit

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.024

X511; S143.1; S147.5

A

1002-6819(2017)-06-0184-08

2016-09-18

2017-03-06

国家科技支撑计划（2013BAD11B03）；国家重点基础研究发展计划（2012CB955904）；河北农业大学青年学术带头人项目；河北省自然科学基金（C2016204078）

王艳群，男，河北献县人，高级实验师，博士生，主要从事植物营养施肥与环境变化关系研究。保定 河北农业大学资源环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，071000。Email：wang001265@hebau.edu.cn※通信作者：彭正萍，女，河北怀来人，教授，博士，博士生导师，主要从事植物营养与生态环境研究。保定 河北农业大学资源环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，071000。Email：pengzhengping@sohu.com