趙自超，韓 笑，石岳峰，吳文良，孟凡喬

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京市生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京，100193）

硝化和脲酶抑制劑對(duì)華北冬小麥-夏玉米輪作固碳減排效果評(píng)價(jià)

趙自超，韓 笑，石岳峰，吳文良，孟凡喬※

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京市生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京，100193）

全面、準(zhǔn)確分析重要農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)于農(nóng)業(yè)固碳減排的影響特征，對(duì)于中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。該文以華北平原冬小麥-夏玉米生產(chǎn)為對(duì)象，研究硝化/脲酶抑制劑對(duì)土壤溫室氣體（CO2、N2O和CH4）排放、土壤有機(jī)碳和作物產(chǎn)量的影響；在此基礎(chǔ)上利用土壤碳庫(kù)排放法（soil based approach,SBA）、生物量排放法（crop based approach,CBA）和土壤&生物量排放法（soil&crop based approach,S&CBA）3種方法對(duì)農(nóng)田凈溫室氣體效應(yīng)（net greenhouse gas warming potential，NGWP）進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)，相比只施尿素（U）處理，尿素+硝化抑制劑（NI）、尿素+脲酶抑制劑（UI）和尿素+硝化抑制劑+脲酶抑制劑（NIUI）均能增加糧食產(chǎn)量和降低凈溫室氣體排放。用S&CBA方法計(jì)算得到的農(nóng)田溫室氣體凈排放的潛力最大（15 704～17 860 kg/hm2），CBA法次之（4 195～7 107 kg/hm2），SBA法最低（-7 304～-6 599 kg/hm2）。由于3種方法的固碳單元不一樣，評(píng)估結(jié)果差異較大、一致性差。S&CBA方法更適于評(píng)價(jià)強(qiáng)調(diào)糧食生產(chǎn)條件下的農(nóng)田凈溫室氣體效應(yīng)。增加作物籽粒和秸稈產(chǎn)量，降低化肥使用和減少灌溉量是提高當(dāng)前華北平原農(nóng)田溫室氣體系統(tǒng)凈排放潛力的主要措施。

土壤；有機(jī)碳；作物；華北平原；硝化抑制劑；脲酶抑制劑；溫室氣體；評(píng)價(jià)方法

趙自超，韓 笑，石岳峰，吳文良，孟凡喬.硝化和脲酶抑制劑對(duì)華北冬小麥-夏玉米輪作固碳減排效果評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（6）：254-262.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.035 http://www.tcsae.org

Zhao Zichao,Han Xiao,Shi Yuefeng,Wu Wenliang,Meng Fanqiao.Effect of nitrification and urease inhibitor on carbon sequestration and greenhouse gas emissions in winter wheat and summer maize rotation system in North China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6):254－262.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.035 http://www.tcsae.org

0 引言

溫室氣體（CO2、N2O和CH4）排放是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署《2013年碳排放評(píng)估報(bào)告》指出，目前全球溫室氣體排放量已經(jīng)超過(guò)2020年的目標(biāo)，其中農(nóng)業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生的直接排放占全球總溫室氣體排放的11%，如考慮間接排放量，這一數(shù)字可能更大[1]，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域固碳減排是氣候變化應(yīng)對(duì)措施中的重要內(nèi)容。

華北平原是以冬小麥-夏玉米為主的高產(chǎn)糧區(qū)，集約化管理和高水肥投入成為該地區(qū)糧食高產(chǎn)的主要保障措施，從上世紀(jì)80年代氮肥使用量一直在快速增加[2]。氮是一種高活性元素，過(guò)多的氮肥容易造成損失，主要以氮素淋溶和氣態(tài)損失為主[3]。研究表明，在華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系中，每年氮肥以N2O的形式損失達(dá)到了0.48%～0.96%[4]，雖然絕對(duì)數(shù)量不大，但對(duì)全球溫室氣體增加有重要影響。CO2和CH4作為重要的溫室氣體，前者雖然就農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言不是凈溫室氣體，但會(huì)影響光合作用并在不同時(shí)空范圍內(nèi)對(duì)溫室效應(yīng)產(chǎn)生影響；CH4則是凈溫室氣體，直接影響氣候變化。因此，降低這3類(lèi)溫室氣體的排放，對(duì)于全球范圍內(nèi)緩和氣候變化效應(yīng)具有重要意義。在氮肥中添加硝化抑制劑或脲酶抑制劑是眾多農(nóng)田管理措施中能夠降低N2O排放并且增加作物產(chǎn)量的重要措施[5-8]，而有關(guān)其對(duì)CO2和CH4的影響卻鮮有報(bào)道。硝化抑制劑通過(guò)減緩硝化作用從而降低N2O排放[9]，而脲酶抑制劑能夠降低脲酶活性減緩尿素的水解，從而間接減少N2O的排放[10]。研究表明[11-12]，硝化抑制劑（3，4-dimethylpyrazole phosphate，DMPP）在降低N2O排放的同時(shí)也可以降低土壤CO2排放。當(dāng)前溫室氣體研究中，大多只考慮了土壤的直接排放，忽視了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化肥、農(nóng)藥和柴油等物資投入引起的間接溫室氣體排放，因而對(duì)于農(nóng)田管理措施的減排效果評(píng)價(jià)，會(huì)得出不準(zhǔn)確甚至是錯(cuò)誤的結(jié)果。

由于考慮的系統(tǒng)邊界不同，農(nóng)田系統(tǒng)的凈溫室效應(yīng)評(píng)價(jià)主要有基于土壤學(xué)角度的土壤碳庫(kù)排放法（soil based approach，SBA）、基于生態(tài)學(xué)的生物量排放法（crop based approach，CBA）和從土壤學(xué)和生態(tài)學(xué)共同考慮的土壤&生物量排放法（soil&crop-based approach,S&CBA）3種方法[13-16]。SBA是由土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）的儲(chǔ)量變化量減去土壤N2O、CH4排放和來(lái)自農(nóng)業(yè)投入的間接排放所得，CBA則是由凈生物生產(chǎn)力減去土壤N2O、CH4排放和來(lái)自農(nóng)業(yè)投入的間接排放所得。Huang等[13]發(fā)現(xiàn)，這2種方法對(duì)同一玉米-大豆間作系統(tǒng)（2年田間試驗(yàn)）溫室氣體排放進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果不一樣，其中CBA計(jì)算玉米-大豆間作系統(tǒng)的溫室氣體為匯，其凈排放為107 kg/hm2CO2當(dāng)量（CO2-eq），而用SBA計(jì)算的則為源（-2 638 kg/hm2）。S&CBA是將土壤有機(jī)碳（SOC）的儲(chǔ)量變化量加上凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）減去土壤CO2、N2O、CH4排放和來(lái)自農(nóng)業(yè)投入的間接排放。黃堅(jiān)雄等[14]用此方法計(jì)算的玉米單作和寬窄行玉米-大豆間作系統(tǒng)都是溫室氣體的匯（6 784～9 916 kg/hm2），而計(jì)算的大豆單作系統(tǒng)則是溫室氣體的源（-2 799 kg/hm2）。

基于以上分析，本研究以華北集約農(nóng)區(qū)冬小麥-夏玉米生產(chǎn)為對(duì)象，分析硝化和脲酶抑制劑對(duì)土壤溫室氣體（CO2、N2O和CH4）排放和作物產(chǎn)量的影響，在此基礎(chǔ)上采用不同的評(píng)價(jià)方法計(jì)算冬小麥-夏玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的凈溫室氣體效應(yīng)，比較不同方法的一致性和適用性，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排措施制定和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究于2012年10月-2013年10月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)桓臺(tái)試驗(yàn)站進(jìn)行。該地區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，4季分明，光照充裕。年日照時(shí)數(shù)2 833 h，無(wú)霜期在198 d。年平均氣溫12.5℃，年平均日較差12.0℃。多年平均降水558 mm，降水相對(duì)集中在6～9月份，約占全年降水的75%。試驗(yàn)土壤是潮褐土，0～20 cm土層基礎(chǔ)理化性狀：土壤容質(zhì)量為1.38 g/cm3，pH值為7.82，全氮含量為1.06 g/kg，速效磷含量9.7 mg/kg，速效鉀含量191.0 mg/kg，土壤有機(jī)質(zhì)含量為25.7 g/kg，土壤粘粒（＜0.002 mm）質(zhì)量含量14.0%，粉粒（0.002～0.02 mm）含量12.5%，砂粒（0.02～2 mm）含量73.5%。研究期間的氣溫與降雨如圖1所示，平均氣溫為12.2℃，降雨量774 mm。

圖1 研究期間氣溫和降雨量Fig.1 Air temperature and precipitation during study period

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)處理，分別為只施用尿素（U）、尿素中添加硝化抑制劑（DMPP，3,4-dimethylpyrazole phosphate，二甲基吡唑磷酸鹽，購(gòu)于連云港裕倉(cāng)國(guó)際貿(mào)易有限公司，NI）、尿素中添加脲酶抑制劑（NBPT，N-(n-butyl)thiophosphoric triamide，正丁基硫代磷酰3胺，購(gòu)于連云港裕倉(cāng)國(guó)際貿(mào)易有限公司，UI）和尿素中添加硝化抑制劑+脲酶抑制劑（NIUI），每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)8 m×7.5 m。施氮量為每季300 kg/hm2，氮肥為尿素，DMPP為6 kg/hm2，NBPT為1.2 kg/hm2，基肥和追肥各占一半。小麥品種為魯原502，玉米品種為鄭單958，小麥和玉米秸稈全量還田。每個(gè)處理耕作方式均為免耕，磷、鉀肥數(shù)量在每個(gè)處理保持一致，小麥季施P2O5120 kg/hm2，玉米季施K2O kg/hm2。小麥季灌溉4次，玉米季2次，每次75 mm。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行蟲(chóng)草防治。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 土壤溫室氣體排放

土壤呼吸（CO2）用閉路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)（Li-8100A）測(cè)定。測(cè)定前24 h在每個(gè)小區(qū)內(nèi)安置測(cè)定基座外徑為21.3 cm，內(nèi)徑20.3 cm的PVC管，上端切口高出地面2～3 cm，并與地面保持水平，去除基座內(nèi)的生物，基座安置后不再移動(dòng)，以避免由于安置基座對(duì)土壤擾動(dòng)而造成的短期呼吸速率波動(dòng)[17]。N2O和CH4用靜態(tài)箱-色譜法測(cè)定，每個(gè)重復(fù)從采樣箱罩箱后開(kāi)始采集第1個(gè)氣體樣品，以后每間隔8 min采樣一次，共采集5個(gè)氣體樣品，采集完的氣體24 h內(nèi)用氣相色譜（Agilent 7820）測(cè)定[18]。CO2、N2O和CH4排放通量的監(jiān)測(cè)頻率在作物生長(zhǎng)季為每周2次觀測(cè)，在作物非生長(zhǎng)季降低監(jiān)測(cè)頻率。在施肥、灌溉等農(nóng)事活動(dòng)和降雨后，根據(jù)排放峰的大小，連續(xù)監(jiān)測(cè)7～10 d。采用內(nèi)插法計(jì)算整個(gè)生育時(shí)期的排放總量。

1.3.2 土壤溫度和水分

溫室氣體取樣時(shí)分別測(cè)定土壤溫度和水分，土壤溫度測(cè)定采用地溫計(jì)測(cè)定，測(cè)定深度為5 cm；土壤水分測(cè)定深度為0～10 cm，用土壤孔隙含水量（water filled pore space，WFPS，%）來(lái)表示，WFPS=土壤質(zhì)量含水量×土壤容質(zhì)量/（1-土壤容質(zhì)量/2.65）×100%。

1.3.3 凈初級(jí)生產(chǎn)力

作物收獲后測(cè)定凈初級(jí)生產(chǎn)力（netprimaryproductivity，NPP）。NPP包括籽粒、秸稈、根和根系分泌物[19]。在每個(gè)小區(qū)分別取7.5 m2的小麥和玉米用于測(cè)定籽粒和秸稈產(chǎn)量。根和根系分泌物采用參數(shù)法計(jì)算，具體參見(jiàn)Dubey[20]和Gregory[21]等的研究。

1.3.4 農(nóng)田凈溫室效應(yīng)評(píng)價(jià)

農(nóng)田溫室氣體凈溫室效應(yīng)（net greenhouse gas warmingpotential，NGWP）主要有以下3種方法：

1)土壤碳庫(kù)排放法（soil-based approach,SBA）

式中NGWP溫室氣體凈溫室效應(yīng)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)表示，kg/hm2；GWP△SOC是試驗(yàn)前后SOC變化造成的增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2，由于本試驗(yàn)?zāi)晗拗挥?年，GWP△SOC可忽略不計(jì)；GWPsoilGHGs是土壤排放N2O和CH4總增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2；GWPindirect是指各物資投入的增溫潛勢(shì)以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2；各物資投入GHG排放系數(shù)[15]和物資投入量見(jiàn)表1。當(dāng)NGWP＞0時(shí)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為溫室氣體的匯，反之為源。

表1 不同物資投入量及溫室氣體排放系數(shù)Table 1 Coefficients of greenhouse gas emission and agricultural inputs

2）生物量排放法（crop-based approach,CBA）

式中NGWP溫室氣體凈溫室效應(yīng)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)表示，kg/hm2；GWPNBP[13]指凈生物群系生產(chǎn)力的增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2；GWPNPP指凈初級(jí)生產(chǎn)力的增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2，本研究因?yàn)闆](méi)有外源有機(jī)物的添加，所以為0；GWPoutput是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和秸稈輸出的增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2；GWPsoilGHGs是土壤異養(yǎng)呼吸、土壤排放的N2O和CH4總增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2；GWPindirect是指各物資投入的增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2；相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。當(dāng)NGWP＞0時(shí)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為溫室氣體的匯，反之為源。

3）土壤&生物量排放法（soil&crop-based approach, S&CBA）

式中NGWP溫室氣體凈溫室效應(yīng)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)表示，kg/hm2；GWPNPP指凈初級(jí)生產(chǎn)力的增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2；GWP△SOC是試驗(yàn)前后有機(jī)碳變化造成的增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2，本試驗(yàn)設(shè)為0；GWPGHGs是土壤CO2（秸稈還田部分全部以CO2形式排放到大氣中[14]）、N2O和CH4排放總量的增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2；GWPindirect是指各物資投入的增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量（CO2-eq）來(lái)計(jì)算，kg/hm2；相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。當(dāng)NGWP＞0時(shí)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為溫室氣體的匯，反之為源。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel表格進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和畫(huà)圖，用SPSS軟件進(jìn)行溫室氣體排放通量與環(huán)境因子的相關(guān)分析，以及不同處理間溫室氣體排放總量的差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 硝化抑制劑與脲酶抑制劑對(duì)土壤溫度與水分的影響

試驗(yàn)期間各個(gè)處理的土壤溫度變化一致（圖2a），變化范圍為0～29.3℃，U、NI、UI和NIUI處理的平均值分別為15.8、16.1、16.3和16.1℃。各處理0～10 cm土壤孔隙含水量（WFPS）變化趨勢(shì)一致（圖2b），灌溉和降雨是土壤WFPS升高的主要因素，變化范圍為22.6%～75.3%，U、NI、UI和NIUI處理的平均值分別為55.0%、54.8%、54.1%和54.8%。

2.2 硝化抑制劑與脲酶抑制劑對(duì)溫室氣體排放的影響

從圖3a可以看出，各個(gè)處理土壤CO2通量變化趨勢(shì)一致，季節(jié)性變化比較明顯，呈現(xiàn)冬季低、夏季高的趨勢(shì)。施肥后能迅速提高土壤呼吸速率。研究期間U、NI、UI和NIUI 4個(gè)處理的土壤呼吸速率平均值分別為383.9、385.4、420.2和392.0 mg/（m2.h）。從周年土壤CO2排放總量來(lái)看，UI處理相比其他3個(gè)處理可以顯著增加土壤CO2排放量，而其他3個(gè)處理之間差異不顯著（表2），說(shuō)明尿素中添加脲酶抑制劑可以顯著增加土壤CO2排放量，而尿素中硝化抑制劑并沒(méi)有對(duì)土壤CO2排放量產(chǎn)生影響。

從圖3b可以看出，4個(gè)處理的N2O通量變化趨勢(shì)一致。研究期間兩個(gè)作物季共有3個(gè)排放峰（小麥季1個(gè)，玉米季2個(gè)），均發(fā)生在施肥后，小麥季追肥后由于溫度較低并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的排放峰。每個(gè)排放峰期間，U處理N2O通量最高，相比U處理，NI、UI和NIUI處理可以顯著降低排放峰值。研究期間4個(gè)處理的N2O通量平均值分別為109.1、47.9、82.7和58.8 μg/(m2.h)。相比U處理，NI、UI和NIUI處理分別降低了56.1%、24.3%和46.1%。從年度N2O排放總量來(lái)看（表2），相比U處理，NI、UI和NIUI處理具有顯著降低的效果，分別降低48.3%、25.1%和38.2%，綜合分析尿素只添加硝化抑制劑對(duì)土壤N2O排放抑制效果最好。

從圖3c可以看出，土壤CH4通量基本上為負(fù)值，即土壤表現(xiàn)為對(duì)CH4的匯。各個(gè)處理變化趨勢(shì)基本一致，變化范圍是-111.5～36.5 μg/(m2.h)。灌溉和降雨可以增加CH4排放量，土壤WFPS較高時(shí)，CH4通量基本上為正值。從表2可以看出，各處理土壤均為CH4匯，相比U處理，NI、UI和NIUI處理會(huì)顯著降低CH4的吸收量，分別降低了29.7%、18.8%和13.9%。

2.3 溫室氣體排放與環(huán)境因子的關(guān)系

通過(guò)相關(guān)分析（表3）可知，土壤CO2和N2O排放通量與土壤溫度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），土壤CH4排放通量與土壤溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。土壤CO2排放通量與土壤水分之間呈現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而土壤N2O和CH4排放通量與土壤水分呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

圖2 試驗(yàn)不同處理土壤溫度和水分含量動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of soil temperature and soil WFPS in different treatments

圖3 不同處理土壤溫室氣體排放動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Temporal variation of soil GHG emissions in different treatments

表2 不同處理冬小麥-夏玉米周年溫室氣體排放總量Table 2 Cumulative soil GHG emissions in different treatments

表3 溫室氣體排放與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation between soil GHG emissions and environment factors

2.4 硝化抑制劑與脲酶抑制劑對(duì)作物產(chǎn)量的影響

硝化抑制劑和脲酶抑制劑可以增加產(chǎn)量（表4），在小麥季，U、NI、UI和NIUI處理的產(chǎn)量分別為6.25、6.38、6.16和6.44 t/hm2，在玉米季，U、NI、UI和NIUI處理的產(chǎn)量分別為8.50、8.96、8.88和9.30 t/hm2，相比U處理，NI、UI和NIUI處理的周年（冬小麥+夏玉米）產(chǎn)量分別增產(chǎn)4.0%（0.59 t/hm2）、2.0%（0.29 t/hm2）和6.7%（0.99 t/hm2）。

表4 不同處理作物產(chǎn)量Table 4 Crops yields in different treatments/(t.hm-2)

2.5 農(nóng)田凈溫室效應(yīng)（NGWP）評(píng)價(jià)

利用3種方法計(jì)算獲得各處理的NGWP（表5）。SBA由于固碳載體是土壤有機(jī)碳的變化（△SOC），短期試驗(yàn)△SOC可忽略不計(jì)，農(nóng)田溫室氣體全部為排放，故用SBA計(jì)算的NGWP是負(fù)值，表明農(nóng)田土壤是溫室氣體的源。SBA法計(jì)算的NGWP主要構(gòu)成是間接溫室氣體排放，占到試驗(yàn)處理NGWP的80%～89%。由于各個(gè)處理間接投入相同，間接溫室氣體排放量也相同，每個(gè)處理的NGWP差別主要取決于N2O排放。相比U處理，NI、UI和NIUI處理的NGWP分別降低9.7%、5.0%和7.7%。CBA的固碳載體是農(nóng)田生物產(chǎn)量（NPP），該值遠(yuǎn)高于溫室氣體的直接和間接排放，最后計(jì)算獲得的NGWP表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為溫室氣體的匯，主要來(lái)源于扣除有機(jī)質(zhì)分解以后剩余的秸稈和根系碳的數(shù)量，這部分碳數(shù)量越大，碳匯效應(yīng)越大。4個(gè)處理的固碳潛力大小順序是NIUI＞NI＞U＞UI。相比U處理，UI處理的固碳潛力降低了5%。S&CBA綜合考慮NPP和△SOC，主要取決于移出土壤的生物量部分即籽粒產(chǎn)量，移除的籽粒產(chǎn)量越多，固碳潛力越大。從表5可以看出，4個(gè)處理的固碳潛力大小順序是NIUI＞NI＞UI＞U。相比U處理，UI、NI和NIUI處理固碳潛力分別增加了5.5%、10.4%和13.7%。

綜合以上評(píng)價(jià)方法，不同的研究方法在同一研究對(duì)象所得出的結(jié)果差別很大。不管用哪個(gè)方法，NI和NIUI的減排潛力均大于其它2個(gè)處理。

表5 不同處理的凈溫室氣體效應(yīng)Table 5 Net greenhouse gas warming potential(NGWP)in different treatments/(kg.hm-2)

3 討論

3.1 硝化/脲酶抑制劑對(duì)溫室氣體排放的影響

硝化/脲酶抑制劑作為氮肥增效劑，主要作用是減少氮肥損失，提高氮肥利用率。目前，硝化/脲酶抑制劑對(duì)溫室氣體影響的研究主要集中在土壤N2O排放，而對(duì)土壤CO2和CH4排放的研究較少。本研究以冬小麥-夏玉米為研究對(duì)象，探討硝化/脲酶抑制劑對(duì)土壤N2O、CO2和CH43種溫室氣體排放的影響。初步研究結(jié)果表明，硝化/脲酶抑制劑單獨(dú)使用和共同使用均可以顯著降低土壤N2O排放和CH4吸收，硝化抑制劑（DMPP）沒(méi)有對(duì)土壤CO2排放產(chǎn)生任何影響，而脲酶抑制劑（NBPT）卻顯著增加了土壤CO2排放。

尿素中加入硝化抑制劑（DMPP)后，可以顯著降低N2O排放量，年度排放相對(duì)于U處理降低了48%，這與Weiske等[11]研究的年度排放降低49%和Benckiser等[9]研究的年度排放降低51%的研究結(jié)果基本一致。本研究尿素中加入脲酶抑制劑（NBPT）后，也可以顯著降低N2O排放量，年度排放量相對(duì)于尿素處理降低了25%，降低比例要高于Dawar等[23]研究的7%～12%。Ding等[5]和Zaman等[3]研究表明，在尿素中同時(shí)添加硝化抑制劑（dicyandiamide，DCD，雙氰胺）和脲酶抑制劑（NBPT），能夠表現(xiàn)出比單獨(dú)添加硝化抑制劑（DCD）或脲酶抑制劑（NBPT）更好的N2O減排效果。但是在本研究中NIUI處理（DMPP+NBPT）聯(lián)合添加入尿素后，沒(méi)有起到比NI處理更好的N2O減排效果，這與Pereira等[24]研究一致，他們研究發(fā)現(xiàn)，DMPP和NBPT聯(lián)合使用后的土壤NH+4濃度比單獨(dú)使用DMPP的高，因而硝化作用時(shí)間長(zhǎng)，這可能是造成上述結(jié)果的原因。

Menéndez[25]等和Huérfano[26]等的研究表明，在尿素中添加硝化抑制劑（DMPP）并沒(méi)有對(duì)土壤CO2排放產(chǎn)生任何影響，這與本研究結(jié)果一致，但與Weiske等[11]發(fā)現(xiàn)DMPP可以降低土壤CO2排放的結(jié)果不同，這可能與他們的土壤是酸性粘質(zhì)土有關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，尿素中添加硝化抑制劑（DMPP）可以顯著降低土壤CH4吸收，這與Huérfano的結(jié)果一致，是因?yàn)樵趬A性土壤中DMPP增加了NH+4，抑制了CH4氧化，從而降低了土壤對(duì)CH4的吸收[26]。但與Weisk等的結(jié)果不同，他們認(rèn)為DMPP可以增加CH4的氧化，從而增加土壤對(duì)CH4的吸收[11]，這可能與他們的土壤偏酸性有關(guān)。因而我們可以認(rèn)為，在堿性土壤中，DMPP有降低CH4吸收的效果。在本研究中，尿素中添加脲酶抑制劑（NBPT）顯著增加土壤CO2排放和降低CH4吸收，原因可能是脲酶抑制劑可以增加細(xì)菌和放線菌的活性[25]，進(jìn)而加速土壤CO2和CH4排放。其它研究發(fā)現(xiàn)，脲酶抑制劑（NBPT）的主要作用是降低N2O、氨揮發(fā)和增加作物氮素吸收[3，5，8]，但其負(fù)面效應(yīng)（增加土壤CO2排放和降低CH4吸收）鮮有報(bào)道。

3.2 溫室氣體排放與環(huán)境因子間的關(guān)系

CO2是大氣中重要的溫室氣體，土壤CO2排放受很多因素影響，土壤溫度是影響土壤CO2排放的重要因子。研究表明在0～35℃范圍內(nèi)，土壤溫度升高可加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解和微生物活性，從而增加土壤CO2排放[28-29]，這可能是本研究中土壤CO2排放與土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系的原因。土壤水分是影響土壤CO2排放的另一重要因子，研究表明土壤呼吸速率隨土壤含水量的升高而降低[30]，與本研究一致。

土壤水分溫度和無(wú)機(jī)氮含量的影響土壤溫度能夠直接或間接地影響N2O的產(chǎn)生和排放。本研究分析發(fā)現(xiàn)，土壤N2O的排放與土壤溫度和土壤水分均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明在高溫高濕條件下可以促進(jìn)N2O排放，這與其他研究結(jié)果類(lèi)似[31-32]。

一般認(rèn)為，旱地農(nóng)田土壤水分狀況是影響土壤對(duì)CH4氧化的主要因子[33]。有研究表明，土壤WFPS含量與CH4的氧化吸收呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[34]，與本研究一致。土壤溫度對(duì)CH4吸收影響很大，這是由于多數(shù)甲烷氧化菌屬中溫型微生物[35]，因而在本研究期間的溫度范圍內(nèi)，CH4的吸收與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系，換言之，就是土壤CH4排放與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈溫室效應(yīng)評(píng)估方法

SBA評(píng)估的固碳潛力取決于△SOC，由于本研究研究時(shí)長(zhǎng)只有一年，△SOC忽略不計(jì)，因此NGWP為負(fù)值，整個(gè)系統(tǒng)是溫室氣體排放的源。4個(gè)處理的NGWP相差不是很大，但相對(duì)于單獨(dú)使用尿素處理都體現(xiàn)出了減排潛力，主要為土壤直接排放的差異，NI、UI和NIUI處理年度溫室氣體排放分別減少705、365和563 kg/hm2。在4個(gè)處理中的溫室氣體排放組成中，土壤直接排放只占了11%～20%，而間接排放卻占了80%～89%。在間接排放中氮肥和灌溉造成的排放分別高達(dá)49%和39%，分別達(dá)到了2 880和2 300 kg/hm2，因而氮肥和灌溉是整個(gè)系統(tǒng)的2大溫室氣體排放源，降低氮肥施用量和減少灌溉量可以大大降低整個(gè)系統(tǒng)的溫室氣體排放。很多研究表明硝化/脲酶抑制劑可以提高氮肥利用率、降低氮肥施用量[36-39]，因而脲酶/硝化抑制劑的減排潛力值得進(jìn)一步研究和探索。

CBA評(píng)估方法的固碳潛力主要取決于凈生物群系生產(chǎn)力（net biome production，NBP），固碳單元主要是秸稈還田的生物量。在本研究中，雖然間接排放和土壤直接排放量非常大，但是由于秸稈還田的量足夠大，抵消了土壤直接排放和間接排放，4個(gè)處理最后計(jì)算的NGWP為正值，表明整個(gè)系統(tǒng)是溫室氣體的匯。相比U處理，NI、UI和NIUI處理年度溫室氣體吸收排放分別增加2 285、-221和2 691 kg/hm2，雖然UI處理相比U處理也增加了秸稈生物量，但是UI處理的土壤異養(yǎng)呼吸排放CO2增加的更多，進(jìn)而導(dǎo)致了UI處理固碳能力是4個(gè)處理中最小的。高秸稈生物量和低N2O排放是NI和NIUI處理的NGWP高于其它2個(gè)處理的最主要原因。

S&CBA的固碳潛力主要取決于NPP和△SOC，但是與CBA不同的是，將NPP移出農(nóng)田部分的收獲物（本研究中主要指作物籽粒）作為固碳單元，而還田部分全部視以土壤CO2形式分解[14]，故整個(gè)系統(tǒng)移出農(nóng)田的部分越高，固碳潛力越大。本研究中4個(gè)處理由于移出的部分產(chǎn)生物量巨大（表4，5），NGWP最后計(jì)算為正值，U、NI、UI和NIUI 4個(gè)處理的NGWP分別高達(dá)15 704、17 345、16 572和17 860 kg/hm2。高籽粒產(chǎn)量和低N2O排放是NI和NIUI處理的NGWP高于其它2個(gè)處理的原因。3種不同方法計(jì)算的NGWP不同，對(duì)于本研究的生產(chǎn)系統(tǒng)，SBA方法的結(jié)論是溫室氣體源，而CBA和S&CBA得到的結(jié)果為匯。CBA和S&CBA由于固碳單元不同，每個(gè)處理造成計(jì)算的NGWP相差很大。不管用哪個(gè)方法來(lái)計(jì)算NGWP，NI和NIUI處理的NGWP均高于其它兩個(gè)處理，由于硝化抑制劑和脲酶抑制劑能在保證生物量的同時(shí)減少氮肥施用量，其減排或固碳潛力會(huì)更大。

在本研究中，用3種方法計(jì)算的結(jié)果差異很大，引起這樣差異的主要原因是這3種方法的固碳載體不同。土壤有機(jī)碳的變化（△SOC）、NBP和NPP(移出土壤的光合固定碳部分)分別是SBA、CBA和S&CBA的固碳載體，但是NBP、NPP和△SOC是不同范疇的固碳單元。作物通過(guò)光合作用生長(zhǎng)，能在短時(shí)間內(nèi)以生物量的形式將CO2固定下來(lái)，即使CBA方法將異養(yǎng)呼吸考慮進(jìn)來(lái)，結(jié)果也能獲得較大的固碳潛力，在糧食生產(chǎn)中由于移出的籽粒生物量巨大，S&CBA的計(jì)算結(jié)果會(huì)獲得更大的固碳潛力。而土壤有機(jī)碳增加則相對(duì)緩慢，甚至有可能降低。Robertson和Grace[40]用SBA方法計(jì)算了進(jìn)行了20年的耕作試驗(yàn)的NGWP，結(jié)果表明翻耕并焚燒秸稈處理、翻耕秸稈還田和免耕秸稈還田處理的NGWP均小于0，說(shuō)明該系統(tǒng)是GHG的源。Lehuger[41]等用CBA方法計(jì)算的玉米-小麥-大麥-芥菜輪作的NGWP小于0，說(shuō)明該系統(tǒng)是GHG的源，而油菜-小麥-大麥輪作的NGWP則大于0，說(shuō)明該系統(tǒng)是GHG的匯，造成不同結(jié)果的原因主要是秸稈還田。劉巽浩等[16]用S&CBA方法評(píng)估了伊寧、滕州2個(gè)地點(diǎn)1952-2010年小麥-玉米農(nóng)田的凈溫室效應(yīng)，結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)在該時(shí)段內(nèi)一直是溫室氣體的匯，主要原因是農(nóng)田施用化肥促進(jìn)了作物光合作用與固碳效率，增加了凈初級(jí)生產(chǎn)率（NPP），從而使固碳超過(guò)耗碳，因而表現(xiàn)為對(duì)空氣中溫室氣體的正平衡。3個(gè)方法比較，SBA沒(méi)有考慮作物的固碳作用，屬于半環(huán)式計(jì)算方法，僅限于評(píng)價(jià)單純管理措施對(duì)溫室氣體凈排放的影響；CBA和S&CBA綜合考慮了作物和土壤的作用，為全環(huán)式計(jì)算方法，可以評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)整體的溫室氣體凈排放，其中S&CBA評(píng)價(jià)綜合考慮了溫室氣體以及農(nóng)田的作物產(chǎn)量，對(duì)于需要維護(hù)國(guó)家糧食安全的發(fā)展中國(guó)家如中國(guó)來(lái)說(shuō)，更加適合[15-16]。

4 結(jié)論

試驗(yàn)表明，硝化/脲酶抑制劑均可以顯著降低土壤N2O排放和CH4吸收。與單獨(dú)尿素處理，尿素中添加硝化/脲酶抑制劑N2O排放降低了25.1%～48.3%，CH4吸收量降低了13.9%～29.7%。脲酶抑制劑增加了土壤CO2排放，與其它3個(gè)處理相比增加了7%～9%。相關(guān)分析表明，土壤溫度和水分是影響3種溫室氣體排放的重要因素。

硝化和脲酶抑制劑（單獨(dú)或聯(lián)合使用）均有增加作物產(chǎn)量的趨勢(shì)。與單獨(dú)尿素處理，硝化抑制劑、尿酶抑制劑和二者聯(lián)合使用產(chǎn)量分別增產(chǎn)4.0%（0.59 t/hm2）、2.0%（0.29 t/hm2）和6.7%（0.99 t/hm2）。

將3種方法用于評(píng)價(jià)同一系統(tǒng)，不同方法計(jì)算的結(jié)果差異較大。用S&CBA法計(jì)算得到的農(nóng)田溫室氣體系統(tǒng)凈排放的潛力最大（15 704～17 860 kg/hm2），CBA法次之（4195～7107kg/hm2），SBA法最低（-7304～-6599kg/hm2）。不管用哪個(gè)方法來(lái)計(jì)算NGWP，尿素添加硝化抑制劑和尿素聯(lián)合使用硝化和脲酶抑制劑均表現(xiàn)出明顯的減排或固碳潛力。考慮到3種方法的特點(diǎn)，該研究認(rèn)為S&CBA更適于強(qiáng)調(diào)糧食生產(chǎn)情景下的農(nóng)田溫室氣體凈排放。

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Effect of nitrification and urease inhibitor on carbon sequestration and greenhouse gas emissions in winter wheat and summer maize rotation system in North China

Zhao Zichao,Han Xiao,Shi Yuefeng,Wu Wenliang,Meng Fanqiao※
(Beijing Key Laboratory of Biodiversity and Organic Farming,College of Resources and Environmental Sciences,China Agricultural University, Beijing,100193,China)

It is of great importance that Comprehensive and accurate analyzing the quantitative impacts of major agricultural management practices on carbon sequestration and greenhouse gas(GHG)emission within agricultural system for the sustainable agricultural development in China.A field experiment was designed to study the effects of nitrification and urease inhibitor on GHG emission,soil organic carbon change and crops yield of winter wheat-summer maize system at the North China Field Experimental Station for Intensive Agricultural Ecosystems Research(located in the Xilujia village of the Xincheng town,Huantai county,Shangdong province;36°58N,117°59E;altitude:9 m above the average sea level). Four treatments were arranged,including urea(U),urea plus nitrification inhibitor(DMPP,NI),urea plus urease inhibitor (NBPT,UI)and urea plus nitrification inhibitor and urease inhibitor(DMPP and NBPT,NIUI).We monitored the emission of CO2,N2O and CH4,soil organic carbon change and crop yields of wheat and maize during the period of October 2012 to October 2013.Three methods,i.e.,soil-based approach(SBA),crop-based approach(CBA)and soil&crop-based approach (S&CBA),were employed to assess the net greenhouse gas warming potential(NGWP)of different nitrification and urease inhibitors in the intensified agricultural system.The monitoring data revealed that there were two N2O emission peaks for wheat and one for maize,all after the farming activities of fertilization or irrigation during winter wheat-summer maize production.Cumulative N2O emissions of NI,UI and NIUI were 48.3%,25.1%and 38.2%lower than that of U treatment,and all treatments were the sink of CH4.Irrigation and fertilization also increased the emission of CH4.Compared with U treatment,NI,UI and NIUI significantly decreased the uptake of CH4by soil,and the decrease was 29.7%,18.8%and 13.9%,respectively.All treatments had a seasonal induced change of soil CO2emission,i.e.,lower in winter and higher in summer season.Similar to CH4,irrigation and fertilization also enhanced the soil respiration.During the research period, average soil respiration rates were 383.9,385.4,420.2 and 392.0 mg/(m2.h)for the U,NI,UI and NIUI treatment, respectively.UI treatment emitted significantly higher quantity of CO2than other three treatments(U,NI and NIUI)and the differences between these three treatments were not significant.Soil GHGs emissions were significantly correlated with the soil water content and temperature(P<0.01).The crop yields of NI,UI and NIUI treatments were 4.0%(0.59 t/hm2),2.0% (0.29 t/hm2)and 6.7%(0.99 t/hm2)higher than that of U treatment,respectively.The NGWP quantified by S&CBA was the highest(15 704-17 860 kg/hm2),followed by CBA(4 195-7 107 kg/hm2)and SBA approach(-7 304-(-6 599)kg/hm2). Different NGWP results of the three assessment methods were because of the different carbon sequestration carriers. S&CBA and CBA calculated NGWP on the basis of the removed and returned crop biomass(grain for S&CBA and straw for CBA)and estimated considerably higher GHG mitigation potential than that the change of soil organic carbon stock defined by SBA.The NGWP of NI and NIUI were higher than that of U and UI treatments whatever the method was chosen. Chemical fertilizers application and irrigation were the two main sources of indirect greenhouse gas emission in current study.These results reveal that urea plus DMPP and urea plus DMPP and NBPT could be the promising farming measures to reduce GHG emission and improve the crop yield in North China.S&CBA method is more appropriate for the farmland system with the goal of high yield grain production.Increasing the production of crop grain and straw,reducing chemical fertilizers application and saved irrigation are the main farming measures to decrease the NGWP of farmland system in North China.

soils;organic;crops;North China;nitrification inhibitor;urease inhibitor;greenhouse gas;assessment method

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.035

Q149

A

1002-6819（2016）-06-0254-09

2015-09-22

2016-01-25

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201103039)；國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2012BAD14B01）

趙自超（1987-），男，山東莘縣人，博士生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田溫室氣體減排。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，100193。

Email:2008zzc@163.com

※通信作者：孟凡喬（1969-），男，山東臨沭人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田碳氮循環(huán)。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，100193。Email:mengfq@cau.edu.cn