盧 闖，胡海棠，淮賀舉，田宇杰，石建安，李存軍

（1清遠(yuǎn)市智慧農(nóng)業(yè)研究院，廣東 清遠(yuǎn) 511500；2北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心，北京 100097）

0 引言

IPCC第六次評(píng)估報(bào)告指出，到21世紀(jì)中期地表溫度將持續(xù)上升，若不采取措施全球升溫將在本世紀(jì)內(nèi)超過1.5℃甚至2℃，給環(huán)境帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)[1]，積極應(yīng)對(duì)氣候變化已成為共識(shí)，國際社會(huì)提出多項(xiàng)舉措以減緩氣候變暖，中國也在2020年9月提出并向國際社會(huì)承諾了2030碳達(dá)峰、2060碳中和的目標(biāo)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的重要貢獻(xiàn)者之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國種植業(yè)N2O和CH4年排放量分別為0.71、0.33億t碳當(dāng)量[2]，同時(shí)農(nóng)田系統(tǒng)也是巨大的碳匯。提高農(nóng)業(yè)的固碳減排能力在中國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的過程中具有非常重要的意義。

農(nóng)田碳的增減極易受田間管理措施的影響，其中外源氮肥施用是提高作物產(chǎn)量的重要農(nóng)業(yè)措施，同時(shí)，也與溫室氣體排放有著密切聯(lián)系，通過合理調(diào)控氮肥提高農(nóng)業(yè)的低碳生產(chǎn)能力十分必要。國內(nèi)外學(xué)者從碳平衡、增溫潛勢(shì)、排放強(qiáng)度等多個(gè)方面開展了相關(guān)研究[3-5]，關(guān)于施氮對(duì)氧化亞氮排放影響的報(bào)道較多，結(jié)果均表明了施氮量和氧化亞氮排放量的正相關(guān)關(guān)系[4-6]，施氮對(duì)甲烷和二氧化碳排放的影響不一而論，在不同作物、土壤質(zhì)地、氣候條件下可能促進(jìn)、抑制或沒有影響[7-9]；近年來，肥料和農(nóng)藥的生產(chǎn)與運(yùn)輸、機(jī)械油耗、灌溉耗能等農(nóng)事活動(dòng)引起的直接或間接排放逐漸受到重視，段智源等[10]研究表明氮肥施用是春玉米生產(chǎn)過程中碳足跡的最主要貢獻(xiàn)因素，俞祥群等[11]研究表明氮肥的增加提高了春玉米的溫室氣體排放和碳足跡，劉建粲等[12]研究表明施氮量的增加會(huì)顯著提高溫室效應(yīng)。關(guān)于施氮對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)的影響評(píng)估多為半環(huán)式研究，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳流包括碳固定與碳排放兩個(gè)并存的方面，施氮在影響溫室氣體排放的同時(shí)也往往促進(jìn)了作物生長，增加了生物固碳量，對(duì)于能夠影響作物生長發(fā)育的農(nóng)業(yè)措施，若不與作物固碳相聯(lián)系，其結(jié)果將產(chǎn)生偏差，從而不能反映農(nóng)田碳的真實(shí)增減狀況與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳效率[13]，因此，在評(píng)估時(shí)需將N2O、CH4、生物固碳等各項(xiàng)碳流統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為碳當(dāng)量，施氮對(duì)固碳與減排之間“此消彼長”的關(guān)系影響的研究目前少見報(bào)道。基于此，試驗(yàn)選取華北地區(qū)典型夏玉米農(nóng)田，利用全環(huán)式碳流法定量化評(píng)估了不同施氮水平對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)凈碳效應(yīng)的影響，以期為農(nóng)業(yè)低碳可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地（40.10°N，116.26°E，海拔39 m），該地屬北溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)，全年平均日照時(shí)數(shù)2506.5 h，年均氣溫13.3℃，年均降雨量563.8 mm，年蒸發(fā)量1357.3 mm，≥0℃有效積溫4598.5℃·d，夏玉米生長季日均氣溫和降雨量如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)0～20 cm土壤質(zhì)地為粉黏壤土，土壤容重1.52 g/cm3，土壤pH 7.88，土壤有機(jī)質(zhì)20.1 g/kg，全氮1.24 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為76.1、13.58、116.8 mg/kg。

圖1 2020年生長季降水量及氣溫分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年6月至2020年10月進(jìn)行，設(shè)置不施肥(N0)、施氮120 kg/hm2(N1)、施氮160 kg/hm2(N2)、施氮200 kg/hm2(N3)共4個(gè)處理，采用大區(qū)試驗(yàn)，每個(gè)處理占地0.1 hm2，大區(qū)之間設(shè)置田埂和5 m保護(hù)行。

夏玉米品種選用‘京科NK815’，前茬冬小麥?zhǔn)崭詈螅淮涡允┤牒琋量46%的尿素，于2020-06-21免耕貼茬播種，種植行距60 cm，株距23.5 cm，生育期內(nèi)無灌溉，10月6日收獲，其他管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 溫室氣體采集與樣品測(cè)定 采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定溫室氣體CO2、N2O、CH4土壤排放通量，每個(gè)大區(qū)測(cè)定4次重復(fù)。不銹鋼采樣箱長、寬、高分別為50、40、50 cm，外覆絕熱材料以防止取樣期間箱體內(nèi)溫度的劇烈變化。箱內(nèi)頂部固定一個(gè)電池供電的12 V風(fēng)扇用于混合箱中氣體。每個(gè)采樣箱均配有不銹鋼底座，底座深入土壤20 cm。夏玉米吐絲期前采樣間隔為7天左右，吐絲后采樣間隔10天左右，生育期內(nèi)共采樣12次。

采樣時(shí)間一般為上午9:00—11:00[14]。采樣開始前打開風(fēng)扇，將采樣箱放置在底座上，每間隔10 min用50 mL針筒從箱內(nèi)抽取氣體樣品并貯存于12 mL真空玻璃瓶中，共采集4次，準(zhǔn)確記錄每次采樣時(shí)間。用氣相色譜（Agi-lent7890A，美國）分析3種氣體濃度，溫室氣體排放速率根據(jù)式(1)計(jì)算。

式中：f為目標(biāo)氣體排放速率，mg/(m2·h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)下的氣體密度，g/L；H為采樣箱高度，cm；dc/dt為采樣箱內(nèi)氣體濃度的變化速率；T為采樣時(shí)大氣溫度，K；P和P0分別為實(shí)際氣壓與標(biāo)準(zhǔn)氣壓，Pa。

使用內(nèi)插法根據(jù)采樣間隔計(jì)算排放總量，式(2)。

式中：F為目標(biāo)氣體生育期內(nèi)排放總量，kg/hm2，n為采樣次數(shù)，(tn+1-tn)為2次測(cè)定的間隔天數(shù)，d。

1.3.2 生物量測(cè)定 分別于玉米生長的苗期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期、收獲期在每個(gè)測(cè)點(diǎn)附近采集連續(xù)5株植物樣品，在干燥箱中105℃殺青30 min后75℃干燥至質(zhì)量恒定，天平稱重后折算為不同處理地上部生物量。由于根系生物量難以完全測(cè)算，統(tǒng)一取0.15作為根系占地上部生物量的系數(shù)進(jìn)行估算[15]。

1.3.3 生產(chǎn)資料碳排放 試驗(yàn)期間同步記錄播種、施肥、施藥、機(jī)械燃油等各項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)的生產(chǎn)資料投入種類和數(shù)量，用于計(jì)算溫室氣體間接排放，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及國家統(tǒng)計(jì)局報(bào)告數(shù)據(jù)對(duì)溫室氣體排放因子做出參考[13,16-17]（表1），據(jù)此將其折算為CO2排放當(dāng)量。

表1 生產(chǎn)資料CO2當(dāng)量排放系數(shù)

1.4 凈碳效應(yīng)計(jì)算

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流特點(diǎn)是固碳和耗碳共存，利用公式(3)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)凈碳效應(yīng)：

式中：CNET為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳效應(yīng)，kgC/hm2，正值表示系統(tǒng)為碳匯，負(fù)值則為碳源；

CNPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量，據(jù)估算作物光合過程需要吸收0.45 g碳才能合成1 g有機(jī)質(zhì)[18]，據(jù)此可根據(jù)收獲時(shí)的地上地下生物量按含碳量45%計(jì)算固碳量；CRm為土壤微生物異養(yǎng)呼吸，可估算為土壤總呼吸即CO2排放的58%[19]；Cindirect為農(nóng)事活動(dòng)間接排放的碳當(dāng)量，根據(jù)前述表1進(jìn)行計(jì)算；C△SOC為土壤有機(jī)碳變化，本研究為短期試驗(yàn)，暫不作考慮；Cexport為土壤溫室氣體排放量，主要是氧化亞氮和甲烷，根據(jù)IPCC報(bào)告，1 kg N2O的溫室效應(yīng)是1 kg CO2的298倍，而1 kg CH4的溫室效應(yīng)是同等質(zhì)量CO2的25倍，目前，碳中和戰(zhàn)略聚焦CO2減排，N2O和CH4在氣候中和過程中同樣不容忽視，可根據(jù)公式(4)計(jì)算。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳可持續(xù)性指數(shù)是評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性的重要指標(biāo)，本研究中作物生產(chǎn)可持續(xù)性指數(shù)的計(jì)算方法如下[20]。

當(dāng)SI為0時(shí)系統(tǒng)達(dá)到碳平衡狀態(tài)，SI值越高表示系統(tǒng)固碳量越大，作物生產(chǎn)過程產(chǎn)生的溫室氣體排放對(duì)環(huán)境造成的影響越低，可持續(xù)性越強(qiáng)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)在Office Excel 2013中進(jìn)行基本處理并作圖，并用SPSS 18.0軟件做方差分析和相關(guān)性分析，顯著性檢驗(yàn)采用LSD(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)溫室氣體排放的影響

夏玉米生育期內(nèi)各處理土壤CO2排放速率與季節(jié)氣溫變化基本相同（圖2），呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，N0、N1、N2、N3處理平均速率分別為111.85、127.25、138.04、143.78 mg C/(m2·h)，總體來看排放速率隨施氮量的增高而增高。分階段來看，在作物生長苗期，各處理差異相對(duì)較小，隨著氣溫的升高和生育期的推移，處理間差異也逐漸增大，在8月1日出現(xiàn)峰值，N0、N1、N2、N3土壤呼吸速率分別達(dá)到177.65、212.63、224.10、228.86 mg C/(m2·h)，在作物生長后期各處理間的差異逐漸減小。

圖2 2020年不同施氮水平下土壤溫室氣體排放速率變化

N2O排放速率并未表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化趨勢(shì)，受施肥、降水事件影響較大，N0、N1、N2、N3各處理玉米季平均排放速率分別為17.39、32.11、36.41、48.01 μg N/(m2·h)，整體表現(xiàn)為隨施氮量的增大而增大。施肥處理在施肥后2天出現(xiàn)生育期內(nèi)最大的排放峰值，N1、N2、N3處理排放速率分別達(dá)到74.45、98.94、123.42 μg N/(m2·h)，不施肥對(duì)照處理在播種后 2 天和11天排放速率分別為16.79、15.30 μg N/(m2·h)，未出現(xiàn)較大變化。玉米生育期內(nèi)的降水頻率較高，N2O排放速率呈現(xiàn)波動(dòng)起伏狀態(tài)，表現(xiàn)為降水后出現(xiàn)排放峰值，后逐漸回復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，其中在2020-7-26出現(xiàn)較高的峰值，此時(shí)N0、N1、N2、N3各處理N2O排放速率分別為37.94、65.02、62.79、74.57 μg N/(m2·h)。

土壤CH4生育期內(nèi)的平均排放速率分別為-11.53、-9.15、-8.50、-5.13 μg C/(m2·h)，負(fù)值表明土壤從大氣中吸收CH4，吸收匯的強(qiáng)度隨施氮量的升高而降低。從時(shí)間變化來看CH4排放速率同樣受降水影響呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，其中在7-11出現(xiàn)較高的CH4排放，各處理峰值分別為11.00、16.36、14.65、20.93 μg C/(m2·h)，可能是降水后產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，以及氣溫升高為產(chǎn)甲烷菌營造了良好的條件，促進(jìn)了甲烷排放。

2.2 不同施氮量對(duì)玉米生長的影響

各時(shí)期玉米生物量如圖3所示，在作物生長苗期，各處理即表現(xiàn)出明顯的生物量差異，N0、N1、N2、N3各處理玉米生物量分別為109.13、171.47、243.36、268.71 kg/hm2，隨著生育期的推移生物量積累均表現(xiàn)為隨施氮量的提高而提高，至成熟期各處理生物量積累分別為4367.92、6945.95、9656.77、10363.65 kg/hm2，經(jīng)換算，在整個(gè)生育期內(nèi)N0、N1、N2、N3單株玉米物質(zhì)量積累的平均速率分別為1.03、1.63、2.27、2.43 g/d，施用氮肥量越大物質(zhì)積累速率越高。

圖3 2020年不同施氮處理玉米各時(shí)期干物質(zhì)量

2.3 不同施氮量對(duì)凈碳效益的影響

如表2所示，施氮對(duì)農(nóng)田凈碳效益影響顯著，各處理均表現(xiàn)為碳匯，碳匯強(qiáng)度隨施氮量的增加而增加，但增加幅度降低，N2較N1提高96.41%，而N3碳匯僅較N2增加159.34 kgC/hm2，增幅7.84%，逐漸表現(xiàn)出邊緣效應(yīng)。從固碳端來看，隨施氮量的增加作物凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量也逐漸增加，N1、N2、N3分別較對(duì)照提高59.02%、121.08%、137.27%，此外土壤表現(xiàn)為弱的甲烷匯，吸收碳當(dāng)量2.12～4.38 kgC/hm2；在耗碳方面，土壤異養(yǎng)呼吸貢獻(xiàn)了較高的碳排放，N0、N1、N2、N3各處理土壤異養(yǎng)呼吸分別占總排放量的94.37%、87.08%、84.84%、81.75%，其次為氮肥生產(chǎn)運(yùn)輸間接消耗的碳當(dāng)量以及施氮引起的氧化亞氮直接排放的碳當(dāng)量之和，各處理兩項(xiàng)占比分別為3.10%、10.87%、13.29%、16.50%。

表2 不同施氮處理凈碳效應(yīng) kgC/hm2

如圖4所示，可持續(xù)性指數(shù)分別為0.15、0.50、0.88、0.89，不施肥時(shí)玉米生產(chǎn)的可持續(xù)性較低，在N2、N3施肥水平下可持續(xù)性指數(shù)接近，無顯著差異。

圖4 不同施氮處理碳可持續(xù)性指數(shù)

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明在不同施氮量下夏玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)均為凈碳匯，從不同碳流來看，施氮促進(jìn)了土壤N2O、CO2排放，抑制了CH4的吸收，表現(xiàn)為土壤的碳源，和其他以土壤為基礎(chǔ)的估算結(jié)果相同[5,11]，主要原因是是施氮量的增加提高了土壤礦質(zhì)氮的含量，從而為土壤的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌提供了足夠的底物，進(jìn)而促進(jìn)了N2O排放[21]；氮素能夠通過多種方式影響土壤CO2排放，對(duì)于土壤異養(yǎng)呼吸，梁國鵬[22]研究表明施氮通過增強(qiáng)β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性，提高土壤易提取球囊霉素進(jìn)而提高土壤異養(yǎng)呼吸速率的影響機(jī)制；在旱作農(nóng)田施氮對(duì)甲烷源匯特征均有報(bào)道，本試驗(yàn)條件下農(nóng)田土壤表現(xiàn)為甲烷匯，強(qiáng)度隨施氮量的增加而降低，可能是施用無機(jī)氮肥抑制了甲烷氧化菌的活性，降低對(duì)土壤和空氣中甲烷的氧化吸收[23]。

農(nóng)事投入生產(chǎn)資料產(chǎn)生的間接排放也是農(nóng)田系統(tǒng)碳流中不可低估的重要組成部分，其中尤以氮肥的碳排放量最大。中國氮肥生產(chǎn)效率低下，主要以消耗化石能源向大氣釋放CO2為代價(jià)完成生產(chǎn)和運(yùn)輸，此外，由于中國對(duì)糧食產(chǎn)量和品質(zhì)的需求，糧食生產(chǎn)在很大程度上依賴于高氮肥施用，由此造成肥料投入的間接排放甚至?xí)笥谥苯优欧女a(chǎn)生N2O的碳當(dāng)量[24]，本研究中各處理氮肥和氧化亞氮碳當(dāng)量總和分別為53.13、227.56、307.85、408.14 kg/hm2，遠(yuǎn)大于除草、燃油等其他農(nóng)事操作的碳排放量，通過合理調(diào)控施氮量將能夠有效減少溫室氣體排放。值得注意的是，本研究間接排放量是根據(jù)相關(guān)研究資料的碳排放因子估算，由于國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多樣復(fù)雜其適用范圍目前尚有一定的不確定性，未來對(duì)農(nóng)業(yè)各要素監(jiān)測(cè)能力的加強(qiáng)將有助于提高碳排放評(píng)估精度及優(yōu)化決策的可靠性。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)是提升作物生產(chǎn)力并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)措施時(shí)需要同時(shí)兼顧作物生長和環(huán)境效應(yīng)并對(duì)其進(jìn)行直觀的評(píng)價(jià)。對(duì)于以土壤為基礎(chǔ)或半環(huán)式的評(píng)估結(jié)果，往往容易忽略作物生長的固碳量與固碳價(jià)值，需要整合固碳端進(jìn)行綜合評(píng)估。ZHANG等[20]利用全環(huán)式方法計(jì)算了碳的可持續(xù)性指數(shù)，并據(jù)此評(píng)估了農(nóng)場規(guī)模對(duì)玉米生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益的影響，為作物規(guī)?；a(chǎn)提供了指導(dǎo)，王鈺喬等[25]對(duì)中國小麥生產(chǎn)的凈碳吸收量及可持續(xù)性指數(shù)等進(jìn)行核算，為小麥生產(chǎn)溫室氣體減排提供了依據(jù)。本研究全環(huán)式碳流的固碳端主要來自作物，隨施氮量的增加固碳量也逐漸增加，但增幅逐漸減小，根據(jù)報(bào)酬遞減率，過量施氮的增產(chǎn)效果會(huì)逐漸降低甚至可能抑制作物生長[26]，本研究表明作物固碳量的增幅隨施氮量的增加而逐漸減小，碳可持續(xù)指數(shù)也呈現(xiàn)出邊緣效應(yīng)，施氮量為150、200 kg/hm2水平時(shí)碳可持續(xù)性指數(shù)接近，分別為0.88、0.89。對(duì)于最佳施氮量選擇，在水稻田的一項(xiàng)研究表明施氮量175.5～211.5 kg/hm2時(shí)具有較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[27]，在麥田的研究則表210 kg/hm2施氮量下產(chǎn)量穩(wěn)定且溫室氣體排放強(qiáng)度最低[28]，本研究未對(duì)更高的施氮量展開研究，但可以預(yù)見，在更高施氮量下肥料間接排放和土壤碳排放會(huì)進(jìn)一步提高，200 kg/hm2施氮量下能夠以相對(duì)較低的碳耗率換取較高的固碳率，表現(xiàn)出較高的凈碳效益。

在短期試驗(yàn)條件下，夏玉米生長季的凈碳效應(yīng)隨施氮量的增加而增加并逐漸表現(xiàn)出邊緣效應(yīng)；就減少碳源而言，N3處理碳排放較N4處理低6.42%，從低碳生產(chǎn)角度綜合考慮，N4可持續(xù)性指數(shù)提高，夏玉米生物量較N3高7.32%，N4處理即200 kg/hm2可推薦為夏玉米低碳可持續(xù)生產(chǎn)的最大適宜施氮量，過高的施氮量并不可取。