李新华，朱振林，董红云，杨丽萍，张锡金，郭洪海

(1.山东省农业可持续发展研究所，山东 济南 250100；2.山东省农业科学院农业资源与环境研究所，山东 济南 250100)



氮肥减施对黄淮海地区麦田温室气体排放的影响

李新华1，朱振林1，董红云1，杨丽萍1，张锡金1，郭洪海2

(1.山东省农业可持续发展研究所，山东 济南 250100；2.山东省农业科学院农业资源与环境研究所，山东 济南 250100)

为探讨玉米秸秆还田条件下，氮肥减量施用对黄淮海区域小麦田温室气体排放的影响，通过田间试验，以农民传统施氮量作为对照(CK)，研究了不同氮肥减量施用条件下(比农民传统施氮量减少10% (N1)、20%(N2)、30%(N3)和40%(N4))，麦田温室气体排放量和排放强度的变化。结果表明，不同氮肥减量施用条件下，温室气体(CO2、N2O 和CH4)排放通量均具有明显的季节变化。氮肥减量施用显著降低了CO2和N2O的排放量，但对CH4排放量影响不显著。不同氮肥减量施用条件下，CO2和N2O的排放量大小分别为CK>N1>N2>N4>N3和CK>N1>N2>N3>N4，且不同处理间差异显著(p<0.05)。与CK相比，N1、N2、N3和N4处理的CO2排放量分别降低了4.9%、18.7%、36.5%和31.2%；N2O的排放量分别降低了21.9%、32.5%、 40.4%和53.5%，并且氮肥使用量与N2O排放量间存在显著正相关关系(r=0.939，p<0.05)。不同氮肥减量施用条件下，CH4吸收量的大小为N2>CK>N4>N3>N1，但不同处理间差异不显著(p>0.05)。氮肥减量施用显著影响麦田温室气体排放强度(Greenhouse Gas Intensity,GHGI)，表现为CK>N1>N2>N4>N3，且CK与不同处理间差异显著(p<0.05)。与CK相比，N1、N2、N3和N4处理的GHGI分别降低了7.7%、11.5%、34.6%和19.2%。 氮肥施用量比农民传统施氮量减少10%～30%，小麦产量间无显著差异(p>0.05)。从环境和经济效益综合考虑出发，推荐氮肥最佳用量为210 kg·N·hm-2(比农民传统施氮量减少30%)。在该施肥量条件下，小麦产量稳定，且温室气体排放强度最低。该研究结果可为黄淮海区域建立合理的施肥制度提供基础数据。图3，表3，参36。

氮肥；减量施用；麦田；温室气体；排放

全球气候变暖已成为各国共同关注的热点问题，农田作为温室气体重要的排放源[1]，对气候变暖具有较大影响[2]。研究表明，我国由农作物产生的温室气体排放量显著高于发达国家，且65%以上的温室气体排放来自氮肥的施用[3-5]。研究表明，仅2010年中国氮肥生产和施用所造成的温室气体净排放量达4.52亿t二氧化碳[6]。氮素既是植物生长必须的营养元素之一，也是影响作物产量的主要因素。但在实际生产中施用化肥量存在极其严重的不平衡和不合理的现象，农民为了追求高产，普遍过量施用氮肥[7-8]。研究表明，过量施用氮肥不仅不能进一步提高作物产量，反而影响农产品品质、降低氮肥利用率，还会引起土壤酸化、水体富营养化及温室气体排放等一系列环境问题，严重威胁粮食生产安全[9-12]。秸秆还田是当今秸秆资源利用的主要渠道[13]，秸秆还田后可以补充土壤养分，减少化肥施用量[14]。但是到目前为止，秸秆还田后施肥制度尚没有改变[7]，对于高氮肥施入的农田来说，由于碳和氮的互作在一定程度上会影响秸秆还田的效用[15]。目前许多学者关于施肥措施(包括肥料类型、施用量及施用方式等)对农田温室气体排放的影响已进行了广泛的研究，但主要集中在南方的水稻田[16-20]。对于旱田的研究还相对较少，且不同研究结果间存在较大差异[21]。可见有必要开展秸秆还田后氮肥施加量对农田温室气体排放的影响规律研究，以便建立优化的施肥制度，推进我国农业的可持续发展和温室气体的减排。鉴于此，在黄淮海小麦-玉米一年两熟制区域选择典型研究区，研究氮肥减量施用对麦田温室气体排放的影响，旨在通过调节氮肥施用量达到改善秸秆还田效果、提高土壤质量和减少温室气体排放的目的，并为建立区域优化的施肥制度提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于山东省农业科学院资源与环境研究所循环农业研究基地—山东省德州市平原县张华镇梨园村，该区属东亚暖温带亚湿润大陆性季风气候，冬冷夏热，雨热同期，四季分明。年气温 12.1℃～13.1℃，极端最高气温 40.9℃，极端最低气温-22.8℃。年降水量 579.2 mm～633.3 mm。试验田土壤类型为壤土，是典型的黄河冲积平原，种植制度为小麦-玉米一年两熟制，耕层土壤厚约20 cm。试验开始时耕层土壤有机质含量17.80 g·kg-1、有机碳含量10.56 g·kg-1、全氮含量1.04 g·kg-1、速效磷含量15.6 mg·kg-1、全钾含量20.5 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2013年10月-2014年6月进行。上季玉米收获后，全部机械粉碎还田。供试作物为小麦，品种为济麦22。试验设5个处理，(1)以当地农民传统施氮量作为对照(CK)；(2)在当地农民传统施氮量的基础上减量10%(N1)；(3)在当地农民传统施氮量的基础上减量20%(N3)；(4)在当地农民传统施氮量的基础上减量30%(N3)；(5)在当地农民传统施氮量的基础上减量40%(N4)，其中各处理氮肥中的纯N 80 kg·hm-2在拔节期统一追施(3月10日施加)，其余作为基肥施加，各处理磷肥、钾肥使用量相同，其中所用氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾，肥料用量具体见表1。每个小区面积为7 m*10 m=70 m2，每个处理3次重复，共15个小区，随机排列。每个小区间设1 m的保护间距。小麦种植期间灌溉、除草及喷药等统一管理。

表1 试验设计处理(kg·hm-2)

1.3 样品采集与分析

温室气体的采集采用静态箱-气相色谱法。采样箱由2.5 mm厚的有机玻璃制成，箱体四周及顶部用白色泡沫包裹以确保采样时箱内温度变化不大。采样箱采用标准式组合设计，由箱体和底座2部分组成，箱体规格为50 cm×50 cm×100 cm，底座为50 cm×50 cm×20 cm。底座上端有宽2 cm、深3 cm的密封水槽，采样时将箱体罩在底座上，各部分之间均以水密封，以防止箱体和底座的接触处漏气。采样箱内装有搅气小风扇、温度传感器、采气三通阀及气压平衡管，箱子侧面安装电源插头和气体样品接口。

在每个处理小区内，随机选择3个点。分别于小麦种植后(2013年10月11日)安装气体采样箱底座，稳定一段时间后开始采集气体样品。分别于2013年12月3日、12月19日、2014年1月3日、1月22日、2月20日、3月12日、3月15日、3月20日、3月26日、4月15日、4月29日、5月15日和5月29日进行了气体样品采集，采样时间均在上午8:00-10:00之间，每次罩箱时间为30 min。从采样箱密封放置到底座上，开始采集第一个气体样品，之后每间隔10 min采样1次，共采集4个气体样品。采集的气体样品置于1 L的铝塑复合气袋中(化工部大连光明化工研究所生产)。采集气体样品时同步测定气温、箱内温度。

样品采集后36 h内，在实验室用Agilent 7890A气相色谱仪进行分析。其基本原理是通过自编微机程序发出指令控制电路、气路系统和信号接收，电磁阀通过开关量改变管线中气流流量和方向以达到对色谱自动进样、分析和清洗的目的。

温室气体排放通量采用下式进行计算：

式中：F—气体通量(mg·m-2·h-1)；dc/dt—采样时气体体积分数随时间变化的回归曲线斜率；M—气体的摩尔质量(g·mol-1)；P—采样点气压(Pa)；T—采样时的绝对温度(K)；V0、P0、T0分别为标准状态下的气体摩尔体积(22.41 L·mol-1)、空气气压(1013.25 hPa)和绝对温度(273.15 K)；H—地面以上采样箱高度(m)。

温室气体累计排放量采用数学积分法计算[20]；温室气体排放强度的具体计算见参考文献[7]。

1.4 数据处理

运用Excel 2007进行数据处理计算，Origin7.5进行绘图，SPSS 13.0对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥减施对温室气体通量及累计排放量的影响

2.1.1 氮肥减施对CO2通量和累计排放量的影响。不同氮肥施用量下，小麦田CO2排放通量呈波动性变化，且排放模式具有相似性，但排放量不同，见图1。12月至2月，不同处理间CO2的通量均较低，且变化不大，可能与该段时间属于小麦越冬期，在此期间，气温不断降低，植物生长缓慢有关。3月至5月，是小麦的旺盛生长期和成熟期，气温开始逐渐升高，再加上追施氮肥(3月10号统一追施了氮肥)，CO2排放通量均增加。CK、N1、N2、N3和N4处理下，CO2排放通量范围为依次为4.33 mg·m-2·h-1～132.4 mg·m-2·h-1、3.55 mg·m-2·h-1～132.0 mg·m-2·h-1、7.37 mg·m-2·h-1～100.1 mg·m-2·h-1、2.86 mg·m-2·h-1～107.4 mg·m-2·h-1和2.70 mg·m-2·h-1～89.4 mg·m-2·h-1，均值依次为60.9 mg·m-2·h-1、51.7 mg·m-2·h-1、46.4 mg·m-2·h-1、45.6 mg·m-2·h-1和45.5 mg·m-2·h-1，均在5月中旬达到排放最大值。

根据CO2通量数据，估算出氮肥减施处理下CO2的累计排放量，见表2。 5种氮肥处理条件下CO2排放量的大小为CK>N1>N2>N4>N3，且不同处理间差异显著(p<0.05)。与CK相比，氮肥减施后，CO2的排放量均减少，但减少程度不同，N1、N2、N3和N4处理，CO2排放量分别降低了4.9%、18.7%、36.5%和31.2%。

图1 不同氮肥处理下CO2排放通量Fig.1 CO2 emission fluxes with the different N fertilizer treatments

处理Treatments CH4CO2N2OCK-224±-01629651±938114±011N1-167±03027654±863089±020N2-234±01523450±906077±014N3-169±02218597±912068±016N4-220±01419424±695053±017

2.1.2 氮肥减施对N2O通量和累计排放量的影响。不同氮肥施用量下，小麦田N2O排放通量呈单峰型变化，且排放强度不同，见图2。12月至2月份，不同秸秆还田处理条件下，N2O排放通量呈降低趋势，且排放通量均较小且变化不大。2月到3月排放通量显著增加，3月15号取得排放通量最大值，N2O的高排放量可能与施肥活动有关(在3月10号每个处理均追施了氮肥)。郭耀东等[22]的研究也表明，施加氮肥后，N2O出现排放峰值。3月～ 5月，N2O通量均降低。CK、N1、N2、N3和N4处理条件下，N2O排放通量范围为依次为4.30 ug·m-2·h-1～86.9 ug·m-2·h-1、3.43 ug·m-2·h-1～77.0 ug·m-2·h-1、4.08 ug·m-2·h-1～45.7 ug·m-2·h-1、4.92 ug·m-2·h-1～56.0 ug·m-2·h-1和、2.45 ug·m-2·h-1～44.2 ug·m-2·h-1，均值依次为28.0 ug·m-2·h-1、21.2 ug·m-2·h-1、15.7 ug·m-2·h-1、17.1 ug·m-2·h-1和11.4 ug·m-2·h-1。

不同氮肥施用量下，N2O的累计排放量的大小为CK>N1>N2>N3>N4，且不同处理间均差异显著(p<0.05)，见表2。与CK相比，氮肥减量施加后，均降低了N2O的排放量。与CK相比，N1、N2、N3和N4处理，N2O排放量分别降低21.9%、32.5%、40.4%和53.5%。

图2 不同氮肥用量下N2O排放通量Fig.2 N2O emission fluxes with the different N fertilizer treatments

2.1.3 氮肥减施对CH4通量和累计排放量的影响。不同氮肥施用量下，小麦田CH4通量均表现为吸收，均呈波动性变化，见图3。CK、N1、N2、N3和N4处理条件下，CH4排放通量范围为依次为-0.099 mg·m-2·h-1～-0.016 mg·m-2·h-1、-0.048 mg·m-2·h-1～ -0.022 mg·m-2·h-1、-0.088 mg·m-2·h-1～-0.020 mg·m-2·h-1、-0.081 mg·m-2·h-1～-0.015 mg·m-2·h-1和-0.14 mg·m-2·h-1～-0.021 mg·m-2·h-1，平均通量依次为-0.044 mg·m-2·h-1、-0.032 mg·m-2·h-1、-0.046 mg·m-2·h-1、-0.040 mg·m-2·h-1和-0.042 mg·m-2·h-1。

不同氮肥施用量下，CH4累计吸收量的大小为N2>CK>N4>N3>N1，但不同处理间差异不显著(p>0.05)，见表2。与CK相比，施氮量比农民传统施氮量减少20%时(N2)，能促进CH4的吸收；其余处理，则使甲烷吸收能力降低，说明氮肥减施对CH4的影响与减施量有关。

图3 不同氮肥处理下CH4通量Fig.3 CH4 emission fluxes with the different N fertilizer treatments

2.2 氮肥减施对温室气体综合效应的影响

全球增温潜势(Global Warming Potential,GWP)是用于定量衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响，是各种温室气体相对增温效应的简单度量[23]。100a时间尺度上，单位质量N2O的全球增温潜势为CO2的298倍，单位质量CH4的全球增温潜势为CO2的25倍[24]。但GWP仅是一个反映环境效应的指标，而农业生产不仅要考虑环境影响，还要考虑经济产量，为了兼顾温室效应同作物产量之间的关系，Timothy 等[25]给出了衡量单位经济产出温室气体排放量的指标，即温室气体排放强度(Greenhouse Gas Intensity GHGI)，表示收获单位产量的粮食所产生的温室气体效应，这一指标能较好地反映环境效应与生产效益的协调统一性，适合于综合评价各种农业管理措施对农田温室气体排放的综合影响[2,22]。

在100 a尺度上，氮肥减量施用处理下，GHGI的大小表现为CK>N1>N2>N4>N3，方差分析表明CK与N1、N2、N3和N4处理间均差异显著(p<0.05)，但N1和N2间没有显著差异(p>0.05)，见表3。与CK相比，N1、N2、N3和N4处理下，GHGI分别降低了7.7%、11.5%、34.6%和19.2%。而在氮肥减施处理下，小麦产量大小为N1>CK>N3>N2>N4，方差分析表明，CK、 N1、N2、N3处理间差异不显著(p>0.05)，但与N4处理间差异显著(p<0.05)。也就是说当氮肥的施加量比当地农民传统施氮量降低40%时(180 kg·N·hm-2)，小麦产量会显著降低。当氮肥比农民传统施肥减量10%～30%(270 kg·N·hm-2～210 kg·N·hm-2)时，小麦产量和CK均没有显著差异。因此，从环境和经济效益综合考虑出发，当氮肥最佳用量比传统农民用量减量30%时(氮肥施加量为210 kg·N·hm-2)，温室气体排放强度最低，即每1 kg小麦产量的GHGI为0.17 kg CO2当量。

表3 不同氮肥处理下温室气体排放强度(CO2 -当量 kg·(kg 产量)-1)

注：表中同列不同小写字母分别表示差异显著(p<0.05)。

Note：Different letters mean significant differences at 5% level in the same group.

3 讨 论

3.1 氮肥减施对温室气体排放量的影响

从麦田生态系统CO2通量的季节变化及排放量来看，本研究在不同氮肥减施条件下，CO2通量的季节变化具有相似性，12月至次年2月排放通量较低，3月至5月，CO2排放通量均增加，这可能与气温和植物的生长活动有关，但氮肥减施降低了CO2的排放量，且不同处理间差异显著(p<0.05)，这与李晓密等[21]研究结果相一致，即氮素的施加对CO2的排放具有促进作用。CO2的排放主要与作物生长及土壤微生物活性有关[4]，施用氮肥主要通过两个方面来影响土壤CO2的排放，一是氮肥直接为植物和微生物提供生长所需的N素；二是氮肥施加影响土壤的pH，进而影响微生物活性[26]。而氮肥减施会使根系周围微生物活性降低，导致土壤CO2通量下降[27]。

不同氮肥处理下，N2O排放通量的季节变化规律也具有相似性，均呈单峰型变化，即在施加氮肥后出现N2O的排放峰值，这可能与施加氮肥后，为N2O 的释放提供了足够的氮源有关[21]。从麦田系统N2O总排放量可以看出，不同施肥措施下N2O排放量之间差异显著(p<0.05)。即氮肥减施均能显著减少N2O的排放，这与杨树运等[28]的研究结果相一致。也有研究表明，氮肥用量与N2O 排放量之间存在线性关系[29]，本研究也得到了类似的结论。在本研究中氮肥用量和N2O排放量之间存在显著正相关关系(r=0.939,p<0.05)。这是因为N2O的排放主要来自土壤的硝化和反硝化过程，该过程主要受外源C、N素供应水平的制约[30]，氮肥的减量施用一方面减少了外源氮素的供应，可能使硝化过程中微生物所需的有效氮源不足，从而减少N2O的排放[31]；另一方面，本研究所用的试验地均为秸秆全量还田地块，秸秆还田相当于增加了外源有机物，外源有机物分解过程中需要固定土壤速效氮，促进反硝化过程，从而减少N2O的排放[32]。

从整个小麦生长季节来看，不同氮肥减施条件下，CH4通量的季节变化呈波动性变化，均表现为吸收，这与田慎重等的研究相一致[33]。这是因为在旱地土壤中，甲烷氧化菌占主导作用，旱地土壤会消耗和吸收地面大气的CH4，是一个弱的CH4汇[34]。本研究表明氮肥减施对CH4排放量的影响不显著(p>0.05)，这与裴淑玮等[35]研究结果一致。施加氮肥对CH4的影响是非常复杂的，存在不同的作用机制，一方面氮肥的增加促进作物生长，为产生甲烷菌提供更多的碳源，从而促进甲烷排放；另一方面氮肥的增加促进甲烷氧化菌的生长和活性，导致甲烷净排放量减少[21]，这也可能是不同施氮肥施对CH4交换通量影响不明显的原因。

3.2 氮肥减施对温室气体排放强度的影响

温室气体排放强度将温室效应与作物产量相结合，是一个温室效应综合评价指标，通过平衡系统的环境效应与经济效益，帮助决策者制定相关政策。本研究表明氮肥减施对温室气体排放强度影响显著，不同氮肥减施措施与农民习惯施肥相比，除氮肥减量40%以外，其它处理间小麦产量差异均不显著，说明氮肥减施一定量，仍能满足小麦生产的需求。可见综合GHGI 的差异来源主要是由温室气体总排放当量的差异决定的，秦晓波等[36]关于施肥措施对稻田温室气体排放强度影响的研究也得到了类似的结论，由此可见氮肥施加过量在中国广泛存在，通过优化氮肥施加量减缓温室气体排放是可行的。在本研究中，由于氮肥减少40%显著影响了小麦产量，在稳定粮食产量的政策下，不推荐该施肥模式。而在农民传统氮肥施加习惯下，综合GHGI最大，即麦田的温室效应综合评价较差，因此该施肥量也不宜推荐。当氮肥施加量比农民传统施肥减量30%时，对小麦产量无显著影响，并且综合GHGI最小，即麦田的温室效应综合评价较好。综合考虑经济和生态效益，推荐该氮肥的施加量为适宜的氮肥施用量，即为210 kg·N·hm-2。氮肥减施会对整个农田生态系统产生影响，比如作物生长、土壤肥力、温室气体排放和微生物量等[3,10,11,14,21]。本研究仅探讨了氮肥减施对温室气体排放、小麦产量的影响，为了确定氮肥减量施加的最合理施用量，在今后的研究中还需深入探讨氮肥减量施用对作物碳积累、土壤有机碳及碳组分含量的影响，依此建立更优化的氮肥用量，为黄淮海区域农业可持续发展提供基础数据。

4 结 论

(1)不同氮肥减施处理下，黄淮海区域麦田温室气体(CO2、N2O 和CH4)排放通量具有明显的季节变化，且不同处理间变化趋势具有一致性。但氮肥减量施加显著改变温室气体的排放量，表现为CO2和N2O的排放量降低，但对CH4排放量影响不显著。并且氮肥使用量与N2O排放量间存在显著正相关关系(r2=0.965,p<0.05)，这表明通过优化氮肥施加量减缓温室气体排放是可行的。

(2)和农民传统施肥相比，氮肥减量施加显著降低黄淮海区域麦田温室气体的排放强度，且在氮肥减量10%～30%处理下，小麦产量均无明显差异。从环境和经济效益综合考虑出发，推荐氮肥最佳用量为210 kg·N·hm-2(比农民传统施氮量减少30%)。在该氮肥施加量下，小麦产量稳定，且温室气体排放强度最低，即每生产1 kg小麦的温室气体排放强度为0.17 kg CO2当量。该研究结果可为黄淮海区域麦田建立优化的施肥制度提供基础数据。

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Effects of Reduced N Fertilizer Application on Greenhouse Gas Emissions from Wheat Fields in Huang-huai-hai Area

LI Xinhua1,ZHU Zhenlin1,DONG Hongyun1,YANG Liping1,ZHANG Xijin1,GUO Honghai2

(1.ShandongInstituteofAgriculturalSustainableDevelopment,Jinan250100,China; 2.InstituteofAgriculturalResourceandEnvironment,ShandongAcademyofAgriculturalSciences,Jinan250100,China)

In order to investigate the effects of reduced nitrogen application on greenhouse emission from the wheat fields in Huang-huai-hai area, using static chamber-gas chromatograph technique, we explored the changes of greenhouse gases emissions and intensity from the wheat fields with the different N treatments:CK, a routine amount for farmers, 300 kg·N·hm-2; N1,270 kg·N·hm-2; N2, 240 kg·N·hm-2;N3, 210 kg·N·hm-2and N4,180 kg·N·hm-2. The results showed that the greenhouse gas fluxes had obvious seasonal changes with the different reduced rates of N fertilizer application. The effects of reduced N fertilizer application on the emissions of CO2and N2O were significant while that of CH4was not significant. The cumulative emissions of CO2and N2O were in the order of CK>N1>N2>N4>N3and CK>N1>N2>N3>N4, respectively, with the significant difference among different treatments (p<0.05); and that of CH4was in the order of N2>CK>N4>N3>N1without significant difference among different treatments (p>0.05).Compared with CK, the cumulative emissions of CO2with the treatments of N1,N2,N3and N4 was decreased by 4.9%,18.7%,36.5% and 31.2%,respectively; and the cumulative emissions of N2O with the treatments of N1,N2,N3and N4 was decreased by 21.9%,32.5%,40.4% and 53.5%, respectively. There was a significant positive correlation between the amount of N fertilizer application and N2O emissions(r=0.939,p<0.05).The effects of reduced N fertilizer application on the greenhouse gas intensity (GHGI) were also significant, and the GHGI was in the order of CK>N1>N2>N4>N3with significant difference among treatments (p<0.05).Compared with CK, the GHGI with the treatments of N1,N2, N3and N4 was decreased by 7.7%,11.5%,34.6% and 19.2%, respectively. Wheat yield had no statistical significant difference with reduced N fertilizer rates. Therefore, the optimal rate of N fertilizer was 210 kg·N·hm-2economically and environmentally, with stable wheat yield and the lowest GHGI. The study would provide the basic data for the establishment of reasonable fertilization system in Huang-huai-hai area.

N fertilizer; reduced N application; wheat field; greenhouse gas; emission

10.11689/j.issn.2095-2961.2016.04.002

2095-2961(2016)04-0215-08

2016-04-05;

2016-05-17.

“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD14B07-1).

李新华(1979-)，女，山东曹县人，博士，副研究员，主要从事环境生态研究.

郭洪海(1962-)，男，山东单县人，研究员，主要从事循环农业研究.

S158.5

A