农业土壤被认为是大气中重要的N₂O来源, 每年大约有3.9 Tg(10¹² g)N以N₂O的形式从农业土壤释放到大气中^[1-2]。土壤N₂O排放被认为是以硝化过程和反硝化过程为主产生的, 其受肥料种类, 施氮量, 土壤水分、温度、pH等多种因素的影响, 其中肥料种类通过改变土壤中的NO₃^-和NH₄^-的有效性进而主要影响反应过程来影响N₂O的产生^[3], 并且N₂O排放量一般随氮肥施用量的增加而增加^[4]。农业生产中过量的氮素肥料的施用是引起大气中N₂O浓度升高的主要原因^[5]。华北平原是我国重要的粮食主产区之一, 长期以来冬小麦/夏玉米轮作系统氮肥利用率低(只有16%—41%)^[6], 作物吸收量(90—250 kg N hm^-2 a^-1)远低于年投入量(550—600 kg N hm^-2 a^-1)的现象普遍存在^[7], 使土壤中氮素含量残留较高且刺激了硝化反硝化作用进而促进了N₂O排放^[8], 因此如何减少由于过量氮肥施用所产生的N₂O排放对减少农业温室气体排放尤为重要。

控释肥施用可根据作物生长不同生育时期的需肥量来调节其养分释放速率, 具有养分损失少、可提高作物产量和氮肥利用率等常规肥料施用不能比拟的优势^[9-10], 逐渐成为目前国内外新型肥料领域的研究热点和我国“2020年化肥零增长行动计划”替代肥料的主体^[11-13]。当前, 有关不同控释肥施用对不同作物(小麦、玉米、水稻和番茄)生长与产量、硝态氮淋洗的影响已有大量的相关报道^{[9, 11, 14-15]}, 然而对土壤N₂O排放的影响尚缺乏系统的研究^[11-19], 特别是不同控释肥种类以及控释肥施用量应用在华北地区大田作物(尤其针对冬小麦/夏玉米轮作田)中N₂O排放的研究缺少定量评价, 因此, 本文以华北平原典型种植模式冬小麦/夏玉米轮作系统为研究对象, 选择三种控释肥以及两种施氮量水平对土壤N₂O排放进行周年系统监测, 综合分析控释肥施用下冬小麦/夏玉米轮作系统土壤N₂O排放特征以及环境因子的影响, 为科学评价控释肥施用的环境效应及其推广应用提供基础数据与理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验设计

田间试验于2013年10月20日至2014年10月27日在山东省泰安市现代农业科研基地—肥城市良种试验场(117°08′E, 36°11′N, 海拔107 m)进行。该地区属温带大陆性半湿润季风气候, 年平均气温13.6℃, 平均年降水量447.9 mm。试验土壤为砂浆黑土, 土壤质地为粘壤土。0—30 cm土层硝态氮24.08 mg/kg、铵态氮4.76 mg/kg、全氮160.00 mg/kg、速效钾174.67 mg/kg、有效磷47.54 mg/kg、pH为6.99、有机质16.95 g/kg。观测期内降雨量、气温以及土壤温湿度变化见图 1。

田间试验采用随机区组设计, 设置5个处理, 分别为：对照处理(CK)、控释肥处理1(CRF1)、优化控释肥处理1(80%CRF1)、优化控释肥处理2(80%CRF2)和控释肥处理3(CRF3+尿素)。优化施肥处理施肥量是根据当地测土配方施肥结果确定的施氮量, 控释氮肥CRF1由山东省农业科学院提供, 具体肥料包膜材料为热固水性树脂；控释氮肥CRF2由美国嘉洋公司提供, 具体肥料包膜材料为聚氨酯；控释氮肥CRF3(L型和S型)由北京农林科学院提供, 具体肥料包膜材料为聚烯烃, 肥料释放曲线如图 2所示。每个处理重复3次, 小区面积37.4 m²(长8.5 m, 宽4.4 m), 重复之间有1 m隔离区, 小区布局如图 3所示。

供试小麦品种为济麦22, 玉米品种为郑单958。施肥方式和施肥量见表 1。磷肥为重过磷酸钙(P₂O₅ 44%), 钾肥为(氯化钾K₂O 60%), 均与控释肥掺混作基肥一次性施入。各控释肥处理均开沟10 cm将肥料均匀施入覆土, 耙平后机械播种。当地优化施肥方式(OPT)氮肥、磷肥和钾肥施用量同CRF处理；氮肥沟施；小麦返青拔节期追肥, 基追肥比为1:1；玉米大喇叭口期追肥, 基追肥比为3:7 ^[20]。本研究中其他管理措施与当地高产栽培措施均一致。控释肥(CRF1、CRF2、L型和S型)的田间氮素溶出特征采用网袋法测定^[20]。

1.2 N₂O通量的测定

土壤N₂O排放通量的监测采用静态暗箱—气相色谱法。采样箱体与底座均由不锈钢制成, 改进后的箱体底部边缘有密封条保证采样时的密封性, 箱体(规格为长50 cm, 宽50 cm, 高50 cm)为正方体, 最大限度保证气体取样的代表性。每次采样于上午8:00—10:00之间进行, 采样间隔6 min, 取样5次, 同时记录采样时间和箱内气温(JM624)。取样频率一般为每周一次, 施肥和灌溉事件后逐日观测一周, 降雨事件后连续观测3—5 d, 施基肥后延长取样时间, 直至控释肥处理与不施氮处理的N₂O排放通量无差异时为止。气体样品存放于气袋中用改进的气相色谱仪(Agilent 7890A)分析N₂O浓度。

气体通量按下式计算：

式中, F为N₂O的排放通量(mg N₂O m^-2 h^-1), 正值为排放负值为吸收, ρ为标准大气压下N₂O的密度(g/L), H为采样箱气室高度(cm), T为采样箱内气温(℃), P为采样时气压(kPa), P₀为标准大气压(kPa), P/ P₀≈1, dc/dt为采样箱内N₂O浓度的变化速率(μL L^-1min^-1)。

N₂O排放强度(kg N t^-1)是指形成单位经济产量N₂O的排放量。

1.3 辅助数据的测定

观测期记录施肥日期(施肥量), 灌溉和降雨时期(量)。每次取气样的同时, 测定5 cm深度土壤温度(JM624)及16 cm深度土壤体积含水量(TRIME-PICO 64)。

土壤样品的采集与测定：试验开始前和作物收获后取0—90 cm土样(每30 m为1个层次)测定土壤基础理化性质, 包括：全氮、铵态氮、硝态氮、速效钾、有效磷、pH和有机质。

1.4 数据分析

用Excel 2007进行数据处理及作图, SPSS 19.0进行不同处理间的差异显著性检验(ANOVA程序单因素方差分析, 5%显著水平)及N₂O排放通量和各影响因素间的偏相关关系分析, 处理间采用LSD多重比较方法。

2 结果与分析 2.1 土壤N₂O排放特征

冬小麦/夏玉米轮作系统各控释肥处理土壤N₂O通量具有明显的季节变化规律(图 4)。各控释肥处理氮肥分别在冬小麦和夏玉米生长季均作为底肥一次性施入, 伴随灌溉或者降雨事件同时发生后土壤N₂O排放通量迅速上升, 一般持续时间约为7—10 d左右(2013年10月19日为冬小麦施肥播种, 2014年6月25日为夏玉米施肥), 并且在单独的灌溉或者降雨之后会出现比较弱的排放峰(2014年4月25日为返青拔节灌溉, 2014年9月19日前后玉米生长后期)。冬小麦播种施肥后的第1天出现整个观测期内的最强N₂O排放高峰值(2013年10月20日), 其中最高值达到2625.01 μg N₂O m^-2 h^-1；次年小麦返青后受肥料氮素释放的影响(结合图 2约150 d时候氮肥释放速率增加)出现第二次N₂O排放高峰值(2014年3月28日), 最高为737.67 μg N₂O m^-2 h^-1, 玉米播种施肥后出现第三次N₂O排放高峰值(2014年7月7日), 最高为793.93 μg N₂O m^-2 h^-1, 3次N₂O排放高峰值均为控释肥处理1(CRF1)。入冬后N₂O排放通量随着环境温度的下降逐渐降低并处于较低水平, 拔节期后N₂O排放通量随着环境温度的上升而升高。不施氮肥CK处理N₂O排放始终处于较低水平。

从图 4中可以明显看出, 与控释肥处理1(CRF1)相比, 在相同施肥种类下减少化肥氮投入的优化控释肥处理1(80%CRF1)N₂O排放通量低于CRF1；在相同施氮量条件下, 控释肥处理1(CRF1)土壤N₂O排放通量高于控释肥处理3(CRF3+尿素), 除小麦种植初期以外优化控释肥处理1(80%CRF1)N₂O排放通量均高于优化控释肥处理2(80%CRF2)。

2.2 土壤N₂O排放的影响因素

从图 4可以看出整个轮作系统中5 cm深度土壤温度在-1.23—29.17℃之间变动(小麦生长季-1.23—25℃, 玉米生长季16.72—29.17℃)。表 2偏相关分析表明, 对照处理(CK)土壤温度和N₂O排放通量呈现极显著的相关关系(P < 0.01), 控释肥处理3(CRF3+尿素)显著相关(P < 0.05), 而其他施肥处理各个生长季N₂O排放通量与土壤温度均无相关关系。

整个轮作系统中土壤孔隙含水率(WFPS)在23.69%—70.07%之间变动(小麦生长季23.69%—70.07%, 玉米生长季43.02%—65.93%)。表 2偏相关分析表明, 在冬小麦生长季CRF1和80%CRF1处理N₂O排放通量与WFPS呈现显著的相关关系(P < 0.05), 夏玉米生长季CRF1 N₂O排放通量与WFPS呈现显著的相关关系(P < 0.05), 对于整个轮作周期CRF1的N₂O排放通量与WFPS呈现极显著的相关关系(P < 0.01), 80%CRF1显著相关(P < 0.05)。CK处理各个生长季N₂O排放通量与WFPS均无相关关系。

2.3 控释肥施用对土壤N₂O排放总量与排放系数的影响

研究结果表明各控释肥处理土壤N₂O年排放总量较当地农民常规施肥处理结果((3.64±0.40)kg N hm^-2)^[20]减排20.60%—33.79%, 说明控释肥较分次施肥能够减少N₂O年排放总量。控释肥施用造成的N₂O排放损失为0.29%—0.42%。均低于IPCC推荐值1%(表 3)。从整个轮作周期来看, 各处理N₂O年排放总量从高到低依次为80%CRF2, CRF3+尿素, CRF1, 80%CRF1和CK。相同施肥种类条件下(CRF1), 减少20%控释肥投入, N₂O年排放总量减少了14.23%, 但并未达到显著水平。相同施氮量条件下, CRF1处理与(CRF3+尿素)处理之间年排放总量差异不显著, 而80%CRF1比80%CRF2年排放总量减少16.16%, 并达到显著水平(P＜0.05)(表 3)。

从各个作物生长季来看, 相同施肥种类下80%CRF1处理较CRF1处理在小麦季和玉米季N₂O排放总量分别减少21.05%和5.47%, 均未达到显著水平；对于相同施氮量条件下, CRF1与(CRF3+尿素)、80%CRF1与80%CRF2之间N₂O排放总量差异也均未达到显著水平(图 5)。

对于N₂O排放总量的季节分配而言, 以控释氮肥处理1(CRF1)为例, 冬小麦生长季和夏玉米生长季土壤N₂O排放总量分别占整个轮作周期的54.45%和45.55%。总体上各控释肥处理表现为小麦季N₂O季节排放总量略高于玉米季(图 5)。

2.4 控释肥施用对产量与N₂O排放强度的影响

除了对照(处理CK)以外, 各控释肥肥处理之间冬小麦和夏玉米产量均在8.17 t/hm²和9.39 t /hm²以上, 处理之间差异均未达到显著水平(P＜0.05)；农民习惯施肥处理冬小麦和夏玉米的产量分别为8.31 t/hm²和9.86 t/hm^{2 [20]}, 但与本研究各控释肥处理产量间没有统计学上显著性差异, 说明控释肥施用能够在保证产量的前提下能够减少土壤N₂O排放(图 6)。冬小麦生长季N₂O排放强度均以(CRF3+尿素)处理最高, 为0.19 kg N t^-1, 与80%CRF1和80%CRF2之间差异显著(P＜0.05)；夏玉米生长季各控释肥处理N₂O排放强度之间差异不显著(图 7)。

3 讨论 3.1 施肥方式对土壤N₂O排放的影响

氮肥的施用是影响N₂O排放的重要因素^[21], 不同类型肥料以及施肥方式对土壤N₂O排放各不相同。对于控释肥施用是否能减少N₂O排放峰值不同研究结果有不同的结论。本研究中, 与张婧等^[21]在该地对农民常规处理(OPT)的观测结果1.39 mg N₂O m^-2h^-1相比, 在冬小麦基肥后CRF1处理N₂O排放峰值较高, 为2.62 mg N₂O m^-2h^-1, 而CRF3+尿素仅为0.18 mg N₂O m^-2h^-1；减氮控释肥处理80%CRF1和80%CRF2能够明显减少N₂O排放峰(分别为1.30 mg N₂O m^-2h^-1和1.84 mg N₂O m^-2h^-1)。纪洋等^[22]在对江苏省句容市小麦田观测得出, 与相同施氮量的尿素处理相比控释肥处理N₂O排放峰值减少49%—69%, 其认为可能是施肥降雨不同步且控释肥缓慢释放的原因；杜亚琴等^[19]研究发现, 包膜控释肥处理土壤N₂O排放通量均随气温的升高而增加, 但包膜控释可以明显延后和削减土壤N₂O日排放高峰。

与农民习惯分次施肥(OPT)一样, 各控释肥处理N₂O排放高峰主要出现在小麦基肥后和返青期, 以及玉米季三叶期和拔节期后, 这主要与降雨(或灌溉)事件有关, 一般持续时间为7—10 d左右, 但是, 控释肥处理只是在施肥时候N₂O排放峰值较高, 其余时间排放峰值均相对较低, 这与纪洋等^[22]和张岳芳等^[23]研究结论相一致。

种植模式不同以及不同控释肥种类对N₂O排放总量影响可能不同。本研究中各控释肥处理冬小麦生长季N₂O排放总量在1.20—1.62 kg N hm^-2之间。张岳芳等^[23]在免耕条件下稻麦轮作田麦季两种控释肥处理N₂O排放总量为1.70 kg N hm^-2和1.37 kg N hm^-2, 与本研究结果基本一致。本研究中各控释肥处理夏玉米生长季N₂O排放总量在1.21—1.64 kg N hm^-2之间。刘慧颖等^[24]在壤质草甸土区玉米生长季连续3年控释肥处理研究发现N₂O排放总量为2.04, 0.98, 0.87 kg N hm^-2, 年际间差异较大, 在施氮量为210 kg N hm^-2控释尿素情况下后两年低于略低于本研究结果, 可能是由于不同控释肥的释放速率不同, 以及环境因子不同所致。郝小雨等^[21]在黑土玉米生长季施氮量为148 kg N hm^-2硫包膜尿素处理的N₂O排放总量(0.51 kg N hm^-2)也低于本研究结果, 主要由施肥量远低于本研究所致。此外, 已有控释肥研究在水稻田N₂O排放总量约为0.21 kg N hm^-2[16], 在设施番茄地中研究结果为3.30 kg N hm^-2[18]。

对于控释肥施用对土壤N₂O排放的减排效果, 本研究中各控释肥处理较农民习惯施肥处理土壤N₂O年排放总量减少20.60%—33.79%。其他报道中与农民习惯相比, 小麦季控释肥减排比例为15.00%—56.00%^[22-23], 玉米季为9.09%—55.12%^[24-26]。也有报道^[27]包膜氮素能够增加小麦季和玉米季的N₂O排放, 增长率分别达到28%—60%和61%—99%。

3.2 环境因素对土壤N₂O排放的影响

土壤温度通过影响硝化反硝化细菌的代谢活动进而影响N₂O的产生, 一般认为硝化反硝化作用最适温度范围是25—35℃和30—67℃, 在一定温度范围内N₂O排放速率随温度的升高而升高^[28]。土壤含水量通过影响土壤通气性以及NO₃^--N和NH₄⁺-N在土壤中的分布从而影响硝化反硝化过程, 另外其还影响产生的N₂O向大气的传输过程。通常认为最适宜N₂O排放的WFPS为60%—80%^[29]。对于CK、80%CRF2和CRF3+尿素处理各生长季N₂O通量均未表现出与温湿度的相关关系；CRF1处理N₂O排放通量与WFPS在夏玉米生长季呈现显著相关关系, 而80%CRF1处理夏玉米生长季则没有, 说明氮素是影响土壤N₂O排放的主要因素。CRF1处理在各生长季N₂O排放通量与WFPS呈现显著相关关系, 而与土壤温度无相关关系, 表明土壤水分对土壤N₂O排放的影响大于土壤温度。

降雨或者灌溉引起的干湿交替过程除了通过影响微生物的胞溶作用使C、N基质被微生物矿化, 另外使土壤有效碳含量的增加以及呼吸作用增强导致的厌氧环境促进了N₂O的排放^[30]。本研究结果中不施氮肥CK处理小麦返青时期4月25日的灌溉(由灌溉前的WFPS 34.49%增至56.78%)和玉米后期的频繁降雨(由下雨前的WFPS 46.34%增至65.93%)导致的排放峰值, 也说明干湿交替对土壤N₂O排放有重要影响。另有研究发现冻融交替过程通过破坏土壤结构使土壤中有效C基质增加使微生物活动增强而促进N₂O的排放^[31]。冻融交替过程常常在冬末春初会出现, 但是由于本研究中此时期观测频率较低, 没有观测到N₂O排放峰, 因此还需要加强此时期的观测频率来确定冻融交替对整个冬小麦/夏玉米轮作周期N₂O排放总量的贡献。

控释肥释放主要受温度以及水分的影响, 当土壤含水量高于田间持水量的40%的时候, 养分释放仅受温度的影响^[9], 并且当控释肥颗粒在表土10 cm以下时, 养分溶出也不受土壤含水量的影响, 且随着温度的升高养分肥料溶出越快^[11]。本研究冬小麦生长季内, 降雨总量为306.6 mm, 越冬前和返青期漫灌浇水, 所以本研究中土壤水分含量不会通过影响控释肥释放而间接影响N₂O排放。

3.3 肥料种类对土壤N₂O排放的影响

从肥料特性上来说, 包膜控释肥是在水溶性肥料表面包一层其他材料, 可以有效防止肥料迅速溶解, 不同的控释肥料养分释放速率不同, 因此土壤中氮素浓度不同, 从而N₂O排放量不同^[19]。本研究在相同施氮量条件下CRF1和CRF3+尿素处理之间年度N₂O排放总量上差异显著, 80%CRF1和80%CRF2处理之间差异显著。结合图 2其原因可能是CRF1和CRF2的肥料释放速率不同, 除去作物吸收剩余的部分在适宜的温度水分条件下氮肥释放速率高的处理进行硝化反硝化作用底物浓度高, 因此80%CRF2处理N₂O的排放量高。杜亚琴等^[19]通过对三种控释氮肥无作物的盆栽土培试验发现, 高氮、均衡和高钾型复合肥包膜后时N₂O损失减少65.6%、69.4%和10.8%, 且均达显著水平差异, 其将原因解释为相同施氮量下氮肥形态不同导致N₂O的形成和排放量上的不同, 能够将肥料以NH₄⁺-N形式较长时间存在或者将NO₃^--N浓度保持较多保留在膜内的肥料可以更多地降低N₂O排放量。蒋静艳^[27]在小麦玉米轮作田中发现6种控释肥在同一施肥方式和施肥水平下N₂O减排效果差异与氮肥本身的释放特性和作物对氮素的不同需求有关。此外控释肥的包膜材料本身是否能影响硝化反硝化微生物作用仍需进一步研究。

3.4 控释肥施用对作物产量的影响

不同研究结果显示控释肥对作物产量的影响不同。本研究中各控释肥处理冬小麦和夏玉米产量均未出现统计学上显著差异, 并且与当地农民常规施肥处理冬小麦产量(8.31 t/hm²)和夏玉米(9.86 t/hm²)产量相差不大^[20], 但均未达到统计学上的显著差异, 说明本研究中的控释肥养分释放速率与作物需求比较一致。郝小雨等^[21]在其研究中发现施氮量相同情况下, 控释氮肥替代普通氮肥未能显著增加玉米产量。卢艳丽等^[32]研究表明冬小麦/夏玉米轮作田(控释氮肥种类为树脂包膜尿素, 山东金正大集团生产, 每季用量为180 kg N km^-2)中发现缓控释肥在玉米生长季表现出明显的增产优势(18.3%), 而在小麦生长季虽然低于农民习惯施肥, 但是没有显著差异。张岳芳等^[23]在免耕条件下施用控释肥处理较普通含氮肥料处理小麦产量显著减少。纪洋等^[22]在其研究中发现小麦产量随控释肥用量的增加呈抛物线增加的规律。

从本研究结果看一次性控释肥处理在相同施肥量时能够保证作物产量, 节约劳动力, 减少土壤N₂O排放，但其生产成本相对较高。目前控释肥的生产成本高于普通肥料的1—4倍^[33], 在本研究中以小麦季农民习惯施肥处理(OPT)和80%CRF1处理为例^[20], 农民习惯施肥(施氮量225 kg N hm^-2条件下, 当年磷钾肥2900元/t, 尿素1800元/t)成本为2797.5元/hm², 追肥劳动力投入105.0元/hm², 小麦均价2.2元/kg, 总收益18150.0元/hm², 净收入15247.5元/hm²；而控释肥施肥(施氮量180 kg N hm^-2条件下, 当年控释氮肥2600元/t)肥料成本为2980.7元/hm², 总收益19602.0元/hm², 净收入16621.3元/hm², 较农民习惯管理措施增收1373.8元/hm²。对于玉米生长季而言, 农民习惯施肥(施氮量240 kg N hm^-2条件下, 当年磷钾肥2800元/t, 尿素1800元/吨)成本为3150元/hm², 追肥劳动力投入300元/hm², 玉米均价1.8元/kg, 总收益16200.0元/hm², 净收入12750.0元/hm²；而控释肥施肥(施氮量192 kg N hm^-2条件下, 控释氮肥2600元/吨)肥料成本为3388.1元/hm², 总收益17496.0元/hm², 净收入14107.9元/hm², 较农民习惯管理措施增收1357.9元/hm²。不同控释肥施用的生态环境效应和实际应用价值还需要在今后试验的基础上进行综合评价。

4 结论

(1) 控释肥施用方式下冬小麦/夏玉米轮作系统中土壤N₂O排放主要具有明显的季节变化规律, N₂O排放高峰出现在基肥施用并伴随灌溉(或降雨)后, 且冬小麦季最高排放峰值高于玉米季, 排放高峰持续7—10d, 小麦返青期灌溉以及玉米后期降雨会引起微弱的N₂O排放峰。

(2) 80%CRF2处理N₂O年排放总量最高，为(2.89±0.24) kg N/hm²。相同控释肥种类条件下, 80%CRF1处理N₂O年排放总量为(2.41±0.06)kg N/hm², 比CRF1处理减少了14.23%, 但并未达到显著水平；相同控释肥施氮量条件下, CRF1处理与(CRF3+尿素)处理之间年排放总量差异不显著, 而80%CRF1比80%CRF3年排放总量减少16.16%, 并达到显著水平(P＜0.05)。本研究不同处理之间排放系数介于0.29%—0.42%之间, 低于IPCC默认的1%。

(3)CK处理和CRF3+尿素处理土壤N₂O排放通量与5 cm深度土壤温度之间表现出统计学上的相关性；CRF1处理和80%CRF1处理在冬小麦和整个轮作周期与WFPS表现出相关关系, 其他均无相关性。