王艷群，彭正萍，李迎春，李英麗，舒曉曉，郭李萍

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氮肥與氮轉(zhuǎn)化調(diào)控劑配施降低夏玉米-冬小麥農(nóng)田N2O排放

王艷群1，彭正萍1※，李迎春2，李英麗3，舒曉曉1，郭李萍2

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，保定071000；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081； 3. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，保定071000）

針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥施用不合理導(dǎo)致氮肥利用率低、N2O排放增加及經(jīng)濟(jì)效益下降等問(wèn)題，采用田間試驗(yàn)法研究了不同氮肥與氮轉(zhuǎn)化調(diào)控劑配施模式的夏玉米-冬小麥一年兩作農(nóng)田N2O排放特征及經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明：與農(nóng)民施氮肥處理（FN）相比，各推薦施氮處理在夏玉米季和冬小麥季的N2O平均排放通量分別降低 29.2%～65.4%（<0.05）和26.9%～74.9%（<0.05），N2O排放總量分別降低1.05～2.72（<0.05）和1.10～2.47（<0.05）kg/hm2；整個(gè)輪作季純收益增加967.5～3 887.0元/hm2。同等施氮量條件下，與推薦施氮處理（RN）相比，夏玉米季推薦施氮配施雙氰胺處理（RN＋DCD）和推薦施氮配施吡啶處理（RN＋CP）分別使N2O平均排放通量降低41.5%（<0.05）和31.2%（<0.05）；而在冬小麥季則分別下降63.0%（<0.05）和65.7%（<0.05）；整個(gè)輪作季RN＋DCD 和RN＋CP 處理N2O排放總量分別降低了52.5%（<0.05）和49.0%（<0.05），純收益分別增加312.6和708.9元/hm2。夏玉米季，土壤N2O階段排放峰值出現(xiàn)在三葉期-拔節(jié)期和大喇叭口期-抽雄期；而冬小麥季土壤N2O階段排放峰值出現(xiàn)在播種-冬前苗期和返青-拔節(jié)期?？紤]作物產(chǎn)量、N2O排放以及經(jīng)濟(jì)效益，RN＋DCD和RN＋CP處理經(jīng)濟(jì)效益較高，N2O排放總量較少，是兼顧作物產(chǎn)量、農(nóng)民收入及大氣環(huán)境的推薦氮肥管理措施。

氮；排放控制；肥料；夏玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)；N2O排放；經(jīng)濟(jì)效益

0 引 言

氮是作物生長(zhǎng)必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，中國(guó)人口多，又是農(nóng)業(yè)大國(guó)，為滿足糧食需求，在保證1.2億hm2耕地的基礎(chǔ)上，農(nóng)民通常通過(guò)大量施用氮肥來(lái)提高作物單產(chǎn)。目前，中國(guó)氮肥消費(fèi)量占世界氮肥消費(fèi)總量的30%以上[1]，全國(guó)平均氮肥施用量為158 kg/hm2 [2]；大田作物氮肥平均利用率僅有30%左右[3]，大部分氮肥通過(guò)徑流、淋失和揮發(fā)等方式進(jìn)入土壤、水體和大氣[4-5]。

土壤中氮素以氣體形式進(jìn)入大氣是一種重要損失方式，其主要途徑包括氨揮發(fā)、硝化和反硝化作用[6]，而土壤硝化和反硝化作用是大氣N2O主要產(chǎn)生機(jī)制。N2O是主要溫室氣體之一，對(duì)全球氣候變暖增溫貢獻(xiàn)達(dá)2%～4%[7]，在100 a尺度內(nèi)，其增溫潛勢(shì)是CO2的298倍[8]。施用氮肥排放的N2O占土壤N2O總排放量的25%～82%[9]。當(dāng)施氮量超過(guò)植物需求時(shí)，土壤排放N2O與施氮肥量呈指數(shù)[10]或曲線[11]關(guān)系。合理施用氮肥可減少氮素?fù)p失并有效降低土壤N2O的排放[12]。減少氮肥用量，提高氮肥利用率是減少N2O排放的重要措施之一[13]。目前，提高氮肥利用率的單項(xiàng)措施研究比較多，主要有合理的施氮量和基肥追肥比例、恰當(dāng)?shù)淖魑锸┓蕰r(shí)期、N、P、K養(yǎng)分平衡施用[14]、用包膜材料制成緩控釋氮肥[15]、配施硝化抑制劑和脲酶抑制劑等[16]。而合理施用氮肥技術(shù)與多種氮肥增效劑融合對(duì)土壤溫室氣體排放、作物產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合評(píng)價(jià)的報(bào)道還甚少。

夏玉米-冬小麥輪作是華北平原典型輪作模式，該體系中農(nóng)田氮素年盈余量為86 kg/(hm2·a)[17]，氮素過(guò)量施用不僅導(dǎo)致大量N2O排放到大氣中，而且增加了施肥成本、降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。減少氮肥用量、減排N2O、增加農(nóng)民收益成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。因此，本文以華北典型夏玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)進(jìn)行多農(nóng)戶調(diào)查分析確定研究區(qū)農(nóng)民施氮肥模式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步根據(jù)試驗(yàn)地的土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況和種植作物的產(chǎn)量水平設(shè)置了推薦施氮模式（推薦氮肥用量）、推薦施氮模式基礎(chǔ)上添加各種氮素轉(zhuǎn)化調(diào)控劑（緩控釋膜、雙氰胺、2-氯-6-三氯甲基吡啶、納米碳）等處理保證供應(yīng)純氮量相同，研究不同施氮肥模式對(duì)土壤N2O排放特征及經(jīng)濟(jì)效益的影響；明確既保證農(nóng)民增收又減少土壤N2O排放的合理氮用量及氮增效模式，為實(shí)現(xiàn)糧田安全高效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)設(shè)在河北省保定市河北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)，試驗(yàn)中心點(diǎn)位于38°48′36″N，115°24′47″E；屬溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，年降水量550 mm，年平均氣溫12 ℃，年日照2 660 h，無(wú)霜期210 d，試驗(yàn)期間當(dāng)?shù)亟邓亢蜌鉁匾妶D1。供試土壤為潮褐土，質(zhì)地為中壤，容重為1.4 g/cm3，pH值8.3、有機(jī)質(zhì)13.5 g/kg，全氮0.87 g/kg，堿解氮100.1 mg/kg、有效磷9.6 mg/kg、速效鉀69.1 mg/kg,。供試作物：夏玉米為鄭單958；冬小麥為河農(nóng)825。供試肥料：尿素（含N 46%）、氯化鉀（含K2O 57%）、過(guò)磷酸鈣（含P2O516%）、玉米控釋肥（含N 38%）、小麥控釋肥（含N 43%）、雙氰胺（dicyondiamide，DCD，含N 66.5%）、2-氯-6-三氯甲基吡啶（nitrapyrin，CP）、納米碳。

1.2 試驗(yàn)處理及方法

本試驗(yàn)從2013年6月夏玉米季開始，10月份玉米收獲后播種冬小麥，2014年6月收獲小麥。試驗(yàn)小區(qū)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，夏玉米季和冬小麥季均設(shè)置7個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。兩季各小區(qū)坐落位置相同，小區(qū)面積8.5 m×6 m=51 m2。處理1為對(duì)照，不施用氮肥；處理2是生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)民氮肥施用模式，處理3是根據(jù)供試土壤養(yǎng)分狀況和作物需肥規(guī)律得出的氮肥施用模式，兩處理所施氮肥種類均為尿素；處理4、處理5和處理7是在處理2基礎(chǔ)上配施了雙氰胺、吡啶和納米碳；處理6為控釋肥處理，處理3～7的純氮量相同。各處理具體施肥情況見表1，除施肥量不同外，其他田間管理措施均按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田措施進(jìn)行。

硝化抑制劑DCD用量為純N用量的5.0%，納米碳用量為總肥料用量的0.3%；CP用量為每1 kg尿素噴涂吡啶1.1 g，其中的含氮量忽略不計(jì)。各處理中的磷、鉀肥及控釋肥均全部做基肥一次性施入土壤。夏玉米季氮肥處理總氮量的40%作基肥，60%的氮肥在大喇叭口期結(jié)合降雨或灌水追施，DCD及納米碳基追比均為4:6；冬小麥季氮肥處理總氮量的50%作基肥，50%在返青期隨灌水追施，DCD及納米碳基追比均為5:5。

表1 不同處理的肥料用量

1.3 氣體取樣及測(cè)定、計(jì)算方法

采用密閉式靜態(tài)箱法[18]收集N2O。箱體由PVC材料制成，直徑25 cm，高35 cm，頂部取樣口用膠塞密封。上午09:00－10:00采樣，各小區(qū)共采集3次，每次取樣30 mL，間隔10 min[19]。同時(shí)，由置于箱體內(nèi)的溫度探頭測(cè)定箱內(nèi)溫度；用TK3-BASIC土壤水分測(cè)定儀測(cè)定5 cm處的土壤濕度；用干濕球溫度表測(cè)定距地面1.5 m處的氣溫。收集到的氣體樣品采用美國(guó)Agilent7890氣相色譜儀測(cè)定N2O。

N2O排放通量計(jì)算公式

式中為N2O排放通量，mg/(m2?h)；為箱體內(nèi)氣體濃度，g/L；是箱體高度，m；0=273 K；1和2為時(shí)間，h；1和2是1和2時(shí)間箱內(nèi)氣體濃度，mL/m3；1和2是1和2時(shí)間箱體內(nèi)的平均溫度，K；Δ為2和1時(shí)間差，h。

N2O排放總量采用內(nèi)插法[20]計(jì)算未觀測(cè)日排放通量，然后將測(cè)定值和計(jì)算值逐日累加得到。

1.4 田間管理

夏玉米季前茬為冬小麥，小麥秸稈粉碎后直接還田，各處理施肥后旋耕2遍，旋耕深度為15 cm，旋耕后直接播種鎮(zhèn)壓。夏玉米2013年6月12日播種，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日收獲。氣體采集從6月12日開始，氣體每7 d采集1次，如遇降水、灌溉、施肥連續(xù)3 d采集氣體。玉米生育階段分為播種-三葉期、三葉-拔節(jié)期、拔節(jié)-大喇叭口期、大喇叭口-抽雄期、抽雄-成熟期，即播種后的0～16、17～24、25～48、49～65、66～110 d。玉米收獲后，秸稈粉碎還田，施肥后旋耕2遍，旋耕后播種冬小麥。

冬小麥2013年10月1日播種，2日澆蒙頭水， 7日出苗。2014年3月15日灌溉并追施尿素，6月12日收獲小麥。氣體采集從10月1日開始，12月8日到來(lái)年3月10日停止采樣，2014年3月11日恢復(fù)采樣直至收獲，采集方法同玉米。12月8日至來(lái)年3月10期間，由于溫度低，土壤N2O排放速率小，因此計(jì)算冬小麥季N2O排放總量時(shí)不考慮此期間的排放值。小麥生育階段劃分為播種-冬前苗期、冬前苗期-返青期、返青-拔節(jié)期、拔節(jié)-灌漿期和灌漿-成熟期，即播種后的0～75、76～182、183～226、227～246、247～263 d。

收獲玉米時(shí)，量11行測(cè)定行距，連續(xù)量51株測(cè)定株距，計(jì)算公頃穗數(shù)。每個(gè)處理連續(xù)取有代表性的20穗脫粒稱質(zhì)量，計(jì)算單穗平均質(zhì)量并測(cè)定含水量。公頃穗數(shù)乘以單穗質(zhì)量后折算為含水率14%的玉米籽粒質(zhì)量。小麥?zhǔn)斋@時(shí)，每個(gè)處理取3個(gè)1 m雙行數(shù)出有效穗數(shù)折成公頃穗數(shù)。隨機(jī)取出20穗，數(shù)出穗粒數(shù)。每個(gè)處理全部脫粒后稱取3個(gè)千粒質(zhì)量，并測(cè)定含水量。公頃穗數(shù)乘以穗粒數(shù)再乘以千粒質(zhì)量后折為含水率12.5%的籽粒產(chǎn)量。

本文把夏玉米/冬小麥輪作季各處理的作物籽粒獲得的總收入減去肥料成本和其他田間管理成本后的收入定為純收益。各處理除氮肥用量、種類和施肥用工不同外，其余田間管理措施均一致。試驗(yàn)?zāi)攴莺颖北６ǖ貐^(qū)玉米、小麥籽粒收購(gòu)價(jià)分別為2.2和2元/kg。肥料價(jià)格分別為：純N 3.9元/kg，P2O55.65元/kg，K2O 6.5元/kg，玉米控釋肥6.5元/kg，小麥控釋肥4元/kg，DCD 20元/kg，吡啶200元/kg，納米碳260元/kg。其他田間管理成本包括種子、機(jī)耕、農(nóng)藥、灌溉、各種農(nóng)藝措施用工等費(fèi)用。玉米和小麥種子成本分別為600和750元/hm2。施肥用工費(fèi)每次1 500元/hm2，CK不施N肥，控釋肥全部肥料一次性施入，其余處理肥料分基肥、追肥2次施用。夏玉米和冬小麥季其他田間管理措施的成本分別為2 656.5和2 672.3元/hm2。

總收入（元/hm2）=作物籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）×籽粒收購(gòu)價(jià)格（元/kg）

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、繪圖；采用SPSS17.0進(jìn)行方差和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮模式下的夏玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)N2O排放通量

圖2表明，夏玉米季，各推薦施氮肥模式的N2O平均排放通量較FN處理顯著降低29.2%～65.4%（<0.05）。與RN相比，RN+DCD、RN+CP、RN+CR處理的N2O平均排放通量分別降低了41.5%、31.2%和5.8%，且RN+DCD、RN+CP達(dá)顯著水平；而RN+NC的N2O平均排放通量較RN增加了19.8%。

冬小麥季，各施氮模式N2O排放規(guī)律與夏玉米季基本一致（圖2）。與FN相比，各推薦施氮處理的N2O排放通量降低26.9%～74.9%，且與RN+DCD、RN+CP、RN+CR和RN+NC處理間差異達(dá)顯著水平。與RN相比，其余各推薦施氮處理的N2O排放通量降低25.4%～65.7%，添加DCD、CP、CR處理的N2O排放通量冬小麥季分別降低63.0%（<0.05）、65.7%（<0.05）和25.4%。說(shuō)明在輪作系統(tǒng)內(nèi)，與農(nóng)民施氮肥處理相比，推薦施氮肥以及在此基礎(chǔ)上添加硝化抑制劑處理，減少氮肥施用的同時(shí)明顯減少N2O排放；在相同氮肥用量時(shí)，施用DCD和CP也能顯著降低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-冬小麥輪作系統(tǒng)N2O排放總量

2.2.1 年度N2O排放總量

表2表明，與FN比，夏玉米季和冬小麥季各推薦施氮處理的N2O排放總量均明顯降低，分別降低1.05～2.72（<0.05）和1.10～2.47（<0.05）kg/hm2，降幅分別為26.9%～69.9%和34.7%～77.8%。在夏玉米季，與RN比，RN+DCD、RN+CP、RN+CR處理的N2O排放總量分別減少46.2%、32.8%和14.0%，以RN+DCD處理排放N2O最少，RN+CP次之；而RN+NC處理N2O排放總量增加30.8%，這與N2O排放通量規(guī)律一致。在冬小麥季，與RN比，RN+DCD、RN+CP、RN+CR和RN+NC處理的N2O排放總量分別降低59.3%、66.0%、14.6%和23.1%，以RN+CP處理排放N2O最少，RN+DCD排放N2O次之。

表2 夏玉米-冬小麥農(nóng)田N2O年度排放總量

從整個(gè)輪作系統(tǒng)看，與FN比，各推薦施氮肥處理N2O排放總量均顯著降低，降幅為37.1%～71.5%；與RN比，RN+DCD和RN+CP處理N2O排放總量分別降低了52.5%和49.0%，且達(dá)顯著水平；RN+NC排放總量卻增加4.6%，這與夏玉米季排放規(guī)律一致。因此，推薦施用氮肥較農(nóng)民施氮肥顯著降低輪作系統(tǒng)N2O排放總量；同等施氮量條件下，施用DCD和CP顯著降低輪作系統(tǒng)N2O的排放，而CR和NC處理減排N2O效果不明顯。

2.2.2 作物各生育階段N2O排放總量

夏玉米季，不同生育階段土壤N2O累積排放量呈升高-降低-再升高-再降低變化趨勢(shì)（表3）。各施肥處理的土壤N2O排放峰值出現(xiàn)在三葉-拔節(jié)期和大喇叭口-抽雄期，2個(gè)階段的N2O排放量分別占全生育期的12.2%～28.2%和16.8%～44.0%，大喇叭口-抽雄期N2O排放量是三葉-拔節(jié)期的0.6～3.6倍。夏玉米不同生育階段，CK、RN+DCD、RN+CP處理的N2O排放量變幅分別為0.04～0.13、0.18～0.29和0.16～0.40 kg/hm2。不同生育階段RN+CR處理 N2O排放量變幅為0.29～0.53 kg/hm2，在三葉-拔節(jié)期排放量最高，而后下降并趨于穩(wěn)定。

表3也表明，冬小麥季，不同生育階段各處理土壤N2O排放量呈降低-升高-降低趨勢(shì)。播種-冬前苗期N2O排放量最高，占冬小麥季排放總量的38.7%～84.0%；其次是返青期-拔節(jié)期，此階段N2O排放量占冬小麥季排放總量的6.9%～29.5%。與夏玉米季類似，小麥各生育階段CK、RN+DCD、RN+CP處理的N2O排放總量變幅較小，而RN+CR處理N2O在返青期后變幅較小。

表3 夏玉米-冬小麥各生育階段 N2O排放總量

2.3 不同施氮模式下的經(jīng)濟(jì)效益

從表4可以看出，與FN比，夏玉米季RN、RN+DCD和RN+CP肥料成本分別下降356.9、56.9和290.9元/hm2，純收益分別增加2 708.7、2 807.2和3 164.2元/hm2；RN+CR和RN+NC處理因肥料成本增加較多，其純收益僅增加108.1和1 749.3元/hm2。等氮量條件下，與RN比，RN+DCD、RN+CP純收益分別增加98.5和455.5元/hm2，RN+CR和RN+NC分別下降2 600.6和959.4元/hm2。夏玉米季RN+CP純收益最大，達(dá)13 778.4元/hm2，其次是RN+DCD，達(dá)13 421.4元/hm2。

表4 不同施氮模式的經(jīng)濟(jì)效益

與FN比，冬小麥季RN、RN+DCD和RN+CP肥料成本分別下降234.0、9.0和184.5元/hm2，純收益分別增加469.4、683.5和722.8元/hm2；RN+CR、RN+NC肥料成本分別增加981.5和928.2元/hm2，RN+CR處理由于田間管理成本下降，其純收益反而增加了859.4元/hm2，而RN+NC由于肥料成本增加較多導(dǎo)致純收益下降475.5元/hm2。等氮量條件下，與RN比，RN+DCD、RN+CP、RN+CR處理的純收益分別增加214.1、253.4和390.0元/hm2，RN+NC純收益下降944.9元/hm2。冬小麥季RN+CR純收益最高，達(dá)3 690.7元/hm2，其次是RN＋CP和RN+DCD，均在3 500元/hm2以上。

從整個(gè)輪作季看，與FN比，各推薦施氮處理純收益增加967.5～3 887.0元/hm2，增加幅度為7.2%～28.9%；RN+CP純收益最高，達(dá)到了17 332.5元/hm2，其次是RN+DCD，為16 936.2元/hm2，RN+CR純收益最低。同等氮肥用量條件下，RN+DCD、RN+CP處理較RN處理，純收益分別增加了1.9%和4.3%，而RN+CR和RN+NC處理則分別下降了13.3%和11.5%。這說(shuō)明，減少氮肥用量可以節(jié)省成本，間接增加純收益；同等氮肥用量條件下，使用氮肥增效劑DCD和CP導(dǎo)致施肥成本增加，但由于二者的使用增加了總收入，其純收益相應(yīng)增加；而RN+CR和RN+NC處理由于成本增加較多，導(dǎo)致2個(gè)處理在整個(gè)輪作季的純收益下降。

3 討 論

土壤N2O 排放量與氮肥施用量顯著相關(guān)[21]，隨施氮量增加，土壤N2O 排放顯著增加[22]。與農(nóng)民施氮肥處理相比，推薦施氮肥處理可以明顯降低N2O排放。夏玉米季N2O排放通量顯著降低了29.2%～65.4%，冬小麥季顯著降低了26.9%～74.9%；輪作系統(tǒng)N2O排放總量顯著降低37.1%～71.5%。農(nóng)田N2O的產(chǎn)生、排放，主要來(lái)源于土壤氮素的硝化和反硝化作用，并且受施肥、灌溉和環(huán)境條件的直接影響[23]。施肥和灌溉使土壤中有較多的化學(xué)沉積物和較高的含水量，導(dǎo)致N2O排放量迅速增加[24]。推薦施肥處理土壤N2O排放降低，一方面是因?yàn)榻档土俗魑锷L(zhǎng)季氮肥的施用總量，減少了N2O來(lái)源底物；另一方面是因?yàn)榇罅繙p少了在基肥階段的氮肥施用，從而避免了在此階段氮肥的大量N2O排放損失[25]。

氮肥配施DCD能有效降低土壤N2O排放[15,26]，顯著降低土壤N2O 的排放通量和排放總量[27]，這主要是因?yàn)镈CD可以抑制尿素水解，減少NH4+的氧化[13,28]；而CP減少N2O的排放在于CP與尿素配施可以推遲NH4+的氧化[29]、顯著提高 NH4+/NO3-比例，提高氮肥利用率[30]，減少氮肥淋溶損失和氣態(tài)損失。控釋肥減排N2O的效果不一，有學(xué)者認(rèn)為控釋肥可減少土壤N2O排放[31]，也有人報(bào)道控釋肥可能增加土壤N2O排放[32-33]。納米碳可以吸附氮素、減緩尿素釋放、提高氮素利用率，包被在肥料表面[34-35]，但其沒(méi)有明顯的減排效果[35]。推薦施氮肥基礎(chǔ)上配施DCD和CP，較推薦施氮肥處理，冬小麥季和夏玉米季土壤N2O的排放通量和排放總量均顯著降低；控釋肥處理N2O的排放通量雖有降低，但與其差異并未達(dá)到顯著水平；同等氮肥用量條件下，NC處理在夏玉米季促進(jìn)了N2O的排放，而在冬小麥季則減少了N2O的排放，這可能是因?yàn)榄h(huán)境條件差異引起，但具體原因有待進(jìn)一步研究。

據(jù)報(bào)道，小麥、玉米N2O排放通量具有明顯的季節(jié)性變化，小麥主要在冬前苗期；玉米主要在三葉期和拔節(jié)期[13]；這與作物需肥特點(diǎn)、播種時(shí)伴隨的施肥與灌溉、生育關(guān)鍵期追肥的管理方式等有關(guān)[13,24]。本研究中，隨生育時(shí)期變化，夏玉米季土壤N2O排放量呈現(xiàn)升高-降低-再升高-再降低的變化趨勢(shì)，三葉-拔節(jié)期和大喇叭口-抽雄期出現(xiàn)排放峰值。播種時(shí)施用基肥和灌溉蒙頭水是導(dǎo)致玉米播種-三葉期-拔節(jié)期N2O排放逐漸增加并在拔節(jié)期出現(xiàn)峰值的原因，而后隨著植株生長(zhǎng)和氮素的消耗，N2O排放呈降低趨勢(shì)；大喇叭口期追肥和灌溉以及雨熱同期導(dǎo)致土壤N2O排放迅速升高，在大喇叭口-抽雄期達(dá)到高峰，以后伴隨生殖生長(zhǎng)所需氮素的迅速吸收以及氣溫的逐漸降低，N2O排放又有所降低。玉米基肥和追肥比例為4:6，且生長(zhǎng)后期氣溫和降水均有所增加，導(dǎo)致大喇叭口期-抽雄期較三葉期-拔節(jié)期N2O排放增加。冬小麥季不同生育階段土壤N2O排放量呈逐漸降低趨勢(shì)，播種-冬前苗期排放最高，其次是返青-拔節(jié)期。這是因?yàn)榈驶屎妥贩时壤秊?:5，播種后澆蒙頭水、播種-冬前苗期相對(duì)越冬期較高的土壤溫度以及小麥較弱的養(yǎng)分吸收為N2O排放提供了充足氮源和有利的環(huán)境條件，造成此階段N2O排放量最高。返青-拔節(jié)期氣溫的快速回升、追肥和灌溉促進(jìn)了N2O排放量增加，但此時(shí)小麥生長(zhǎng)迅速，需氮量大，且此階段時(shí)間短，導(dǎo)致N2O排放量低于播種-冬前苗期階段。

冬小麥、玉米各生育階段CK、RN+DCD、RN+CP處理N2O排放量變幅較小。CK處理是由于未施用肥料，而RN+DCD和RN+CP處理則可能是由于抑制劑抑制尿素轉(zhuǎn)化造成。兩季RN+CR處理排放N2O均呈現(xiàn)逐漸降低然后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，可能是RN+CR采用全部肥料基施，施肥初期會(huì)有一個(gè)相對(duì)的釋放高峰，而后隨作物生長(zhǎng)逐漸釋放，導(dǎo)致N2O排放呈前期高而后期穩(wěn)定。

減少氮肥投入，可以降低成本，間接增加純收益。從整個(gè)輪作季看，與農(nóng)民施氮肥處理相比，推薦施氮處理純氮用量均下降152 kg/hm2，而純收益卻增加了7.2%～28.9%。同等氮肥用量條件下，夏玉米季RN+CP和RN+DCD處理較RN處理成本分別增加了300.0和66.0元/hm2，冬小麥季增加了225.0和49.5元/hm2。因?yàn)榈卦鲂〥CD和CP可以顯著提高氮素利用率[8, 24]，增加產(chǎn)量[13]，提高生產(chǎn)收入，因此輪作季2個(gè)處理純收益分別增加了312.6和708.9元/hm2。因?yàn)橄挠衩准竞投←溂臼┯玫木徔蒯尫史N類不同，導(dǎo)致二者對(duì)純收益影響產(chǎn)生差異。夏玉米季RN+CR處理成本較RN增加了3 961.6元/hm2，其純收益較RN下降了2 600.6元/hm2，而冬小麥季成本僅增加了1 215.5元/hm2，致使其純收益增加了390.0元/hm2。夏玉米季和冬小麥RN+NC處理成本較RN均明顯增加，而納米碳對(duì)總收入的貢獻(xiàn)增加較少，導(dǎo)致整個(gè)輪作季納米碳處理純收益的下降。

在本試驗(yàn)條件下，推薦施氮處理尤其是RN+CP和RN+DCD處理不但能明顯增加大田作物產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，還可抑制土壤N2O排放。但本研究是一個(gè)輪作季兩茬作物的試驗(yàn)結(jié)果，環(huán)境因素可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)論有所影響，因此需要進(jìn)行后續(xù)研究。

4 結(jié) 論

整個(gè)輪作系統(tǒng)土壤N2O排放量具有明顯的階段性變化。隨生育時(shí)期變化，夏玉米季土壤N2O排放量呈現(xiàn)升高-降低-再升高-再降低的變化趨勢(shì)，三葉-拔節(jié)期和大喇叭口-抽雄期出現(xiàn)排放峰值；冬小麥季不同生育階段土壤N2O排放量呈降低-升高-降低趨勢(shì)，播種-冬前苗期排放最高，其次是返青期-拔節(jié)期。推薦施氮肥處理較農(nóng)民施氮肥明顯降低糧田N2O排放，輪作系統(tǒng)N2O排放總量顯著降低37.1%～71.5%，夏玉米季和冬小麥季降幅分別為26.9%～69.9%和34.7%～77.8%。同等施氮量條件下，與推薦施氮量比較，添加DCD、CP、CR處理的N2O排放通量夏玉米季分別降低41.5%（<0.05）、31.2%（<0.05）和5.8%，冬小麥季分別降低63.0%（<0.05）、65.7%（<0.05）和25.4%。整個(gè)輪作季，各推薦施氮處理較農(nóng)民施氮肥處理純收益增加7.2%～28.9%，其中推薦施氮肥+吡啶處理最高，推薦施氮肥+雙氰胺處理次之，RN+CR最低。同等氮肥用量條件下，夏玉米季推薦施氮肥+吡啶較推薦施氮肥+雙氰胺處理效果較好，而在冬小麥季二者效果相當(dāng)。綜合經(jīng)濟(jì)效益和N2O減排潛力，推薦施氮肥+吡啶和推薦施氮肥+雙氰胺處理效果較好，是適合在華北地區(qū)推廣使用的氮肥管理模式。

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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

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2013BAD11B03）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2012CB955904）；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)青年學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目；河北省自然科學(xué)基金（C2016204078）

王艷群，男，河北獻(xiàn)縣人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，博士生，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)施肥與環(huán)境變化關(guān)系研究。保定 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，071000。Email：wang001265@hebau.edu.cn※通信作者：彭正萍，女，河北懷來(lái)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與生態(tài)環(huán)境研究。保定 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，071000。Email：pengzhengping@sohu.com