郝小雨，周寶庫，馬星竹，高中超（.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江 哈爾濱50086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后科研工作站，黑龍江 哈爾濱 50086）

氮肥管理措施對黑土玉米田溫室氣體排放的影響

郝小雨1，2，周寶庫1*，馬星竹1，高中超1（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江 哈爾濱150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后科研工作站，黑龍江 哈爾濱 150086）

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法研究了不同氮肥管理措施（農(nóng)民常規(guī)施肥、減氮20%、添加硝化抑制劑、施用控釋肥）對黑土玉米田溫室氣體排放的影響.結(jié)果表明：黑土玉米田施肥（基肥和追肥）后 1～3d出現(xiàn) N2O排放峰，施肥后 16d內(nèi) N2O排放量占生育期總排放量的28.8%～41.9%.減施氮肥20%顯著降低土壤N2O排放，生育期內(nèi)的N2O累積排放量減少了17.6%～46.1%，綜合溫室效應(yīng)降低30.7%～67.8%，溫室氣體排放強度降低29.1%～67.0%.等氮量投入時，添加吡啶抑制劑土壤N2O排放量、綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強度最低.玉米拔節(jié)～乳熟期出現(xiàn)了較強的土壤CO2排放，黑土玉米田是大氣中CH4的一個較弱的“匯”，施氮和添加硝化抑制劑對黑土玉米田CO2排放和CH4吸收沒有顯著影響.添加硝化抑制劑和施用控釋肥不影響玉米產(chǎn)量.在本試驗條件下，減氮 20%并添加吡啶抑制劑在保證玉米產(chǎn)量的同時，減排增收效果優(yōu)于其他施肥措施，適宜在黑土區(qū)玉米種植中推廣使用.

氮肥管理措施；硝化抑制劑；控釋肥；溫室氣體；氮肥減量；黑土

CO2、CH4和N2O是3種最重要的溫室氣體.IPCC［1］在第五次評估報告中指出，2011年大氣中 CO2（391×10-6）、CH4（1803×10-9）和 N2O （324ppb）的濃度大大超過了冰芯記錄的過去 80萬年以來最高濃度.溫室氣體引起的全球氣候變化成為各國政府、社會和科學(xué)界共同關(guān)注的熱點問題.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是溫室氣體排放的重要來源，全球范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)排放的非 CO2溫室氣體約占人為排放總量的14%，其中農(nóng)業(yè)排放了84%的N2O，47%的 CH4，而農(nóng)業(yè)釋放的 CO2估計達40Mt（以 CO2-eq的質(zhì)量計）［2］.如何采取有效措施來減少農(nóng)田土壤中溫室氣體排放成為國內(nèi)外研究的熱點.

與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的管理措施，尤其是氮肥的施用，是影響 N2O排放的重要因素.當前，東北平原區(qū)農(nóng)民為追求高產(chǎn)不惜大量施用化肥，一些農(nóng)戶的施氮（N）量已高達300kg/hm2［3-4］.過量的氮肥投入導(dǎo)致土壤氮素大量累積，造成氮肥利用率下降，并對環(huán)境造成影響，同時造成向大氣中排放N2O的可能性增加.研究證明，N2O排放量隨著施氮肥量的增加呈線性增加或呈曲線增加［5-6］.因此，探索切實可行的減排措施，緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動排放溫室氣體帶來的環(huán)境壓力已經(jīng)成為當務(wù)之急.從氮素在土壤中的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程入手，通過抑制劑的施用調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化，是提高氮肥利用率、緩解氮肥污染、減少溫室氣體排放，實現(xiàn)氮肥高效管理與利用的有效措施［7］.硝化抑制劑可以抑制土壤中向的轉(zhuǎn)化，以延長或者調(diào)整無機氮在土壤中的形式，從而抑制土壤微生物硝化和繼而發(fā)生的耦合的反硝化過程產(chǎn)生的N2O以及雨季的硝態(tài)氮淋溶.近年來，在牧草［8］、水稻［9］、小麥-玉米輪作［10］、蔬菜［6］等作物上的研究結(jié)果表明，施用硝化抑制劑可以顯著降低土壤N2O排放.控釋肥可以減緩、控制肥料的溶解和釋放速度，即可根據(jù)作物生長需要提供養(yǎng)分.研究表明，控釋肥可避免出現(xiàn)施肥后土壤中剩余無機氮過高的現(xiàn)象，從而減少旱地因氮肥施用造成的N2O排放，還能減少因氮素淋溶或地表徑流而間接造成的N2O排放［11-12］.綜上可知，硝化抑制劑和控釋肥對于土壤N2O減排效果顯著，然而對黑土區(qū)玉米田溫室氣體最終是減排還是增排，產(chǎn)量和綜合溫室效應(yīng)如何，哪種措施更具減排優(yōu)勢，都還存在不確定性.

黑土春玉米種植區(qū)是我國重要的商品糧基地，屬中北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，自然條件對氮素轉(zhuǎn)化的影響不同于其他地區(qū)，因此，探討通過合理施肥來降低黑土溫室氣體的排放是非常必要的.本研究從合理施肥的角度，以黑土玉米田為研究對象，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法分析不同施肥措施下土壤溫室氣體排放特征及差異，并計算綜合溫室效應(yīng)和排放強度，全面評價硝化抑制劑和控釋肥的減排效果，以尋求經(jīng)濟效益著、可操作性強和環(huán)境友好的施肥模式，為指導(dǎo)黑土區(qū)玉米合理施肥和減排增效提供理論依據(jù).

1　材料與方法

1.1試驗材料

田間試驗點位于哈爾濱市道外區(qū)民主鎮(zhèn)黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技園區(qū)，試驗區(qū)域?qū)僦袦貛?，年均氣?.5℃，年降雨量533mm，無霜期約135d.試驗地為旱地黑土，成土母質(zhì)為洪積黃土狀粘土.種植制度為一年一作，無灌溉.試驗開始前0～20cm土壤基礎(chǔ)性狀為：有機質(zhì)為 32.2g/kg，全氮 1.9g/kg，全磷 2.1g/kg，全鉀 27.6g/kg，堿解氮199.1mg/kg，有 效 磷141.1mg/kg，速 效 鉀215.0mg/kg ，pH值（水土比2.5：1）為7.1.供試作物為春玉米，品種為龍丹42.

1.2試驗設(shè)計

試驗共設(shè)6個處理：1）不施氮（CK）；2）農(nóng)民習(xí)慣施肥；3）減氮施肥20%，即在習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上減氮20%（N80%）；4）減氮施肥20%+雙氰胺（N80% DCD）；5）減氮施肥20% + 2-氯-6-三氯甲基吡啶（N80% CP）；6）減氮施肥20%，硫包膜尿素（N80% CRF）.各處理施肥管理和施肥量見表1.每個處理3次重復(fù)，隨機排列.各處理磷（P2O5）、鉀（K2O）施用量均為 60kg/hm2，全部底施.所用肥料為尿素（N 46%），硫包膜尿素（N 34%，山東金正大生態(tài)工程有限公司），含 2-氯-6-三氯甲基吡啶“碧晶”尿素（N 46%，浙江奧復(fù)托化工有限公司），重過磷酸鈣（P2O5，46%），硫酸鉀（K2O 50%）.試驗小區(qū)面積為32.5m2（寬3.25m × 長10m）.2013年5月13日施底肥、播種，6月25日追肥，9月27日收獲；2014 年4月23日施底肥、播種，6月25日追肥，9月30日收獲.

表1　各處理氮肥施用量（kg N/hm2）Table 1 Nitrogen fertilizer rate for different treatments （kg N/hm2）

1.3樣品采集

溫室氣體的測定采用密閉箱-氣相色譜法［13］.密閉箱由取樣箱和底座構(gòu)成，材料為聚氯乙烯管（PVC管）.氣體取樣箱為圓柱體，外徑20cm，高 26cm，頂部密封，底部開口可以罩在底座上.底座為四周有水槽的圓柱體（高10cm），取樣前將底座下部嵌入土體5cm左右，每個試驗處理小區(qū)內(nèi)分別固定一個底座，取樣時箱體置于密封槽中，在密封槽中加入水，防止箱內(nèi)氣體外溢.分別在0、10、20和30min抽取經(jīng)過混勻的氣樣35mL至 12mL預(yù)先抽為真空的血清瓶（英國Labco公司生產(chǎn)）中.采樣時間的選取原則是選擇接近每天平均氣溫的時段，即上午 9： 00～11： 00.生育期每10～15d取樣一次，施肥后每3d取氣樣一次，直至施氮處理與不施氮處理的溫室氣體排放通量無差異時為止.施肥后底座固定在同一位置，為避免影響到水肥的均勻分布，在下次施肥前將其移出，施肥后再選擇另一位置安裝，以防因破壞土壤結(jié)構(gòu)引起的測定誤差.采樣同時記錄取樣箱內(nèi)外溫度，并測定土壤5cm深度處的土壤溫度和含水量，土壤溫度采用溫度計測定，土壤水分采用AZS-100測定，平均氣溫采用野外臺站氣象數(shù)據(jù).本文中2年數(shù)據(jù)均是指春玉米生育期（5～9月）的溫室氣體排放，不包括非生育期.

1.4樣品測定與計算

氣體樣品分析采用 HP7890B氣相色譜儀，分析柱為Porpak.Q填充柱，柱箱溫度為50℃，載氣為N2， N2O測定用電子捕獲檢測器（ECD），工作溫度350℃.CO2和CH4測定采用氫火焰（FID）檢測器，工作溫度 250.℃氣相色譜儀在每次測試時使用國家標準計量中心的標準氣體進行標定，溫室氣體測定的相對誤差在2%以內(nèi).

溫室氣體排放通量的計算公式為：

式中：F為溫室氣體排放通量，μg/（m2·h）； ρ為某溫室氣體標準狀態(tài)下的密度，kg/m3； H為取樣箱高度，m； Δc/Δt為單位時間靜態(tài)箱內(nèi)的溫室氣體濃度變化率，μL/（L·h）； T為測定時箱體內(nèi)的平均溫度，℃.

N2O排放系數(shù)（%）= ［（施氮處理N2O-N排放量-不施氮處理N2O-N排放量）/施氮量］×100 （2）

全球增溫潛勢（GWP）是一種以CO2作為參考氣體來估計不同溫室氣體對全球變暖的潛在效應(yīng)的指標，可計算其溫室氣體排放二氧化碳當量.在100a的時間尺度下，N2O和CH4的GWP分別為CO2的298和25倍［14］.

式中：RN為N2O總排放量，kg/hm2； RC為CH4總排放量，kg/hm2.

依據(jù)Timothy 等［15］的研究，式中GHGI為溫室氣體排放強度，kg/t； Y為作物產(chǎn)量，t/hm2.

式中：CC為碳信用，元/（hm2·a）； T為某處理較農(nóng)民習(xí)慣施肥減少的CO2排放當量，元/（hm2·a）； V為碳排放權(quán)交易成交價（據(jù)北京市碳排放權(quán)電子交易平臺，2014北京市碳排放權(quán)交易成交均價54.71元/t）.

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS13.0軟件進行數(shù)據(jù)分析.

2　結(jié)果與分析

2.1不同施肥措施下黑土溫室氣體排放特征

2.1.1土壤N2O排放特征 由圖1可知，不同年際間土壤N2O排放的季節(jié)特征基本一致，即施肥后土壤N2O排放通量迅速上升，且較高的排放通量持續(xù)約16d.各處理均在基肥和追肥后第1～3d出現(xiàn)N2O排放峰，但在降雨后（圖2）又會出現(xiàn)比較弱的排放峰.從整個觀測期的平均N2O排放通量來看（表2），2013年和2014年各處理春玉米生育期的平均 N2O排放通量分別在 13.5～37.0和15.5～47.4μg N/（m2·h）之間，且習(xí)慣施肥處理N100%的平均N2O排放通量顯著高于其他處理（P＜0.05）.

圖1　不同施肥措施下黑土N2O排放通量動態(tài)變化Fig.1 Variation of N2O emission fluxes from spring maize field in a black soil under different fertilizer treatments圖中箭頭代表施肥日期，下同

圖2　2013和2014年日平均溫度與日降水量Fig.2 Average air temperature and precipitation in 2013 and 2014

表2　不同施肥措施下春玉米生育期N2O平均排放通量［μg N/（m2·h）］Table 2 Average N2O emission fluxes from spring field at growing season under different treatments ［μg N/（m2·h）］

觀察2013年和2014年各處理在春玉米生育期的N2O排放通量，發(fā)現(xiàn)施肥后土壤N2O排放通量迅速上升，期間會出現(xiàn)幾個N2O排放峰，且年際間有所差異，究其原因可能與降水變化有關(guān)，如在2013年6月26日～2013年7月4日、2014年5 月2日～2014年5月8日，出現(xiàn)了連續(xù)降水，導(dǎo)致土壤水分含量增加，適宜的土壤含水量促進了硝化和反硝化過程的進行，導(dǎo)致N2O排放量上升［16］. 2013年和2014年全年的日平均溫度表現(xiàn)為拋物線的形式，即冬季寒冷漫長，夏季溫?zé)岫檀伲?～9月的生長季溫度較高，適宜的溫度易促進土壤 N2O的生成和排放，因此，通過改變施肥方法來降低土壤N2O排放是需要關(guān)注的問題，如在溫度較低的秋季施肥等，這方面還需進一步探索.

2.1.2土壤CO2排放特征 從圖3可以看出，黑土玉米田CO2排放表現(xiàn)出季節(jié)性變化規(guī)律.玉米苗期（播種后30d內(nèi)）土壤CO2排放處于較低水平，不同施肥措施 CO2的排放通量變化范圍在35.2～148.7mg C/（m2·h）之間；玉米拔節(jié)～乳熟期（播種后 31～105d）出現(xiàn)了較強的土壤 CO2排放，不同施肥措施CO2的排放通量在123.5～240.2mg C/（m2·h）之間；玉米成熟期（播種后 106d～收獲）土壤CO2排放呈現(xiàn)下降趨勢，土壤CO2的排放通量在 13.0～59.9mg C/（m2·h）之間.不同處理間，習(xí)慣施肥處理N100% CO2平均排放通量（2013年和2014年平均為128.0mg C/（m2·h））高于其他處理，但不存在顯著差異； 減施氮肥的 4個處理，土壤CO2平均排放通量無明顯差異，說明添加硝化抑制劑以及施用緩釋尿素均不會影響土壤 CO2排放.可見，施用氮肥和添加硝化抑制劑均不會影響黑土玉米田CO2排放.

圖3　不同施肥措施下黑土CO2排放通量動態(tài)變化Fig.3 Variation of CO2emission fluxes from spring maize field in a black soil under different fertilizer treatments

2.1.3土壤 CH4排放/吸收特征 不同施肥措施下玉米生育期間土壤CH4的排放通量動態(tài)見圖3，雖然在兩次施肥后CH4吸收通量表現(xiàn)出了一定的變化，但從整個玉米生長季看，施肥后甲烷排放通量略微增加，但總體來講施肥對 CH4排放通量沒有表現(xiàn)出顯著影響. 6個處理在玉米生育期間的甲烷平均排放通量分別為-0.10、-0.11、-0.16、-0.13、-0.11和-0.18mg C/（m2·h），表明黑土玉米田是大氣中 CH4的一個較弱的“匯”.

圖4　不同施肥措施下黑土甲烷排放/吸收通量動態(tài)變化Fig.4 Variation of CH4emission fluxes from spring maize field in a black soil under different fertilizer treatments

2.2不同施肥措施下黑土N2O的排放特征

施氮顯著促進了土壤N2O排放（表3）.5個施氮處理的土壤 N2O 排放量在 0.51～0.94kg N/hm2之間，較不施氮處理的分別增加 56.3%～ 189.8%.較高的氮肥用量，增加了土壤微生物所需的的有效氮源，從而促進 N2O的排放.減施肥料的4個處理可顯著降低土壤N2O排放量，較農(nóng)民常規(guī)施肥處理降低了17.6% ～46.1%.4個減量施肥處理間，N80% CP和N80% CRF處理的土壤N2O排放量最低.減施肥料的4個處理可顯著降低因土壤 N2O排放造成的氮損失，排放系數(shù)在 0.11%～ 0.33%之間，明顯低于農(nóng)民常規(guī)施肥處理.從 N2O 排放在玉米生育期內(nèi)的分配來看，5個施氮處理在施肥后16d內(nèi)N2O排放量較大，占生育期總排放量 1/3左右，排放比例在28.8%～41.9%之間.

表3　不同施肥措施下黑土N2O排放量（2013～2014平均值）Table 3 N2O emission in black soil under different fertilizer treatments （Average emission from 2013 to 2014 ）

2.3不同施肥措施下玉米產(chǎn)量和減排成本分析

有研究表明，黑土玉米產(chǎn)區(qū)肥料增產(chǎn)效應(yīng)以氮肥最高，不施氮對玉米產(chǎn)量影響最大［17］.本研究也表明，施用氮肥顯著增加了玉米產(chǎn)量（P＜0.05，表4）.施用氮肥的 5個處理玉米產(chǎn)量（平均產(chǎn)量）較CK的增加了28.0%～35.1%，平均為31.7%.相比于習(xí)慣施肥處理N100%，減量施氮20%的4個處理的產(chǎn)量略有下降，但不存在顯著差異，表明適當減少氮肥用量不影響玉米生物學(xué)性狀和籽粒產(chǎn)量.本研究顯示，施氮量相同時，添加硝化抑制劑以及控釋氮肥CRF替代普通氮肥均未顯著增加玉米產(chǎn)量.

表4　不同施肥措施下黑土玉米產(chǎn)量和效益分析Table 4 Yield and benefit of spring maize in black soil under different fertilizer treatments

在各施氮處理玉米產(chǎn)量無顯著差異的情況下，本研究評價經(jīng)濟效益時僅考慮肥料成本以及潛在的碳信用收益.不同施肥措施當年的肥料成本如表4所示，減施氮肥可直接降低成本，N80%、N80% DCD和N80% CP 3個處理較習(xí)慣施肥處理 N100%的成本分別降低 160.87、86.87和128.70 元/（hm2·a）.N80% CRF處理由于控釋氮肥（硫包膜尿素）價格較高，其肥料成本也最高，達到1741.75元/（hm2·a）.在等氮量的情況下，添加硝化抑制劑也增加了肥料成本，N80% DCD和N80% CP兩個處理肥料成本較N80%處理分別增加74.00和32.17 元/（hm2·a）.評價一種施肥措施的減排效果，不僅要計算肥料成本，還要考慮溫室氣體排放的環(huán)境效應(yīng).碳交易市場的建立，使得溫室氣體排放與經(jīng)濟效益直接關(guān)聯(lián)起來.表4計算出了不同施肥措施下碳信用收益情況，相比于農(nóng)民習(xí)慣施肥，減施氮肥 20%時碳信用收益表現(xiàn)為正效應(yīng)，減量施氮的 4個處理碳信用收益在2.22～92.37 元/（hm2·a）.

綜合評價肥料成本和碳信用收益，減量施氮可節(jié)約成本并增加收入，其中N80%、N80% DCD 和N80%CP 3個處理較習(xí)慣施肥處理N100%分別增收163.09、139.23和221.07 元/（hm2·a），平均增收174.46 元/（hm2·a）；等氮量時，添加DCD由于成本增加會減少收益21.64 元/（hm2·a），而添加吡啶抑制劑CP會增收60.20 元/（hm2·a），即因添加CP所導(dǎo)致的肥料成本增加值，小于其所減少的溫室氣體排放量所帶來的碳信用收益值.

2.4綜合溫室效應(yīng)評價

表5　不同施肥措施下春玉米生育期N2O和CH4的綜合溫室效應(yīng) （2013～2014平均值）Table 5 Carbon dioxide equivalents under different fertilizer treatments during spring maize period

黑土玉米田N2O和CH4轉(zhuǎn)化為CO2當量的全球增溫潛勢（GWP）結(jié)果見表 5（目前的溫室氣體清單中，農(nóng)田管理的土壤CO2排放并未被認為是人為溫室氣體排放源，因此此處只計算N2O和CH4的總額和溫室效應(yīng)）.可見，玉米田GWP 主要來源于 N2O 的排放，是全球增溫潛勢占主導(dǎo)地位的溫室氣體，而CH4對玉米田 GWP 的抵消僅占很小比例.減量施氮可降低全球增溫潛勢，減施氮肥的4個處理GWP較習(xí)慣施肥處理N100%的降低了30.7%～67.8%.等量施氮時，添加硝化抑制劑以及施用控釋氮肥均會降低GWP，其中添加DCD和CP分別降低44.6%和53.6%，控釋氮肥CRF則降低了46.3%.溫室氣體排放強度（GHGI）是把全球增溫潛勢與作物產(chǎn)量相結(jié)合的綜合溫室效應(yīng)評價指標，即單位經(jīng)濟產(chǎn)出溫室氣體排放量.通過比較5種施肥模式的GHGI，減施氮肥的4個處理GHGI較習(xí)慣施肥處理N100%的降低了29.1%～67.0%，其中以 N80% CP處理的最低，較N100%和 N80%處理分別降低 67.0%和 53.4%，說明在保證作物產(chǎn)量的前提下，利用改進的施肥措施可以實現(xiàn)降低農(nóng)田溫室氣體排放的目標.

3　討論

3.1不同施肥措施下黑土玉米田溫室氣體減排效果探究

氮肥施用是影響土壤N2O排放的最重要因素之一，外源氮素不僅為作物提供了生長所需的養(yǎng)分，同時也為土壤微生物提供了充足的底物，促進了硝化、反硝化過程中N2O的產(chǎn)生.而減施氮肥可以減少土壤中不能被植物及時吸收而殘留的哪些無機氮，減少了硝化和繼而引起的反硝化作用的底物（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮），進而降低土壤N2O排放［13，18］.本研究中，減施氮肥的4個處理可N2O排放量均顯著降低，較農(nóng)民常規(guī)施肥處理降低了17.6%～46.1%.眾多研究證明，N2O排放主要發(fā)生在施氮后半個月到3周內(nèi).本研究亦顯示，不論基肥還是追肥，施氮后土壤 N2O 排放通量均出現(xiàn)上升趨勢，在施肥后 1～3d內(nèi)出現(xiàn)排放峰，且施肥后16d內(nèi)N2O排放量較大，占生育期總排放量的1/3左右.

黑土長期定位試驗的結(jié)果表明，施肥和溫度是影響黑土土壤呼吸變化的重要因素，施用有機肥（腐熟豬糞）土壤呼吸量顯著高于其他處理，而施用化肥對土壤呼吸無顯著影響；氣溫較高的拔節(jié)期至乳熟期土壤呼吸速率較高［19］.本研究也得出類似結(jié)果，即玉米拔節(jié)期～乳熟期土壤 CO2排放通量較高，主要原因是這一階段玉米生長旺盛，根系生物量增加，來自根系的自養(yǎng)呼吸也增強，并且此時土壤溫度較高，旺盛分泌的根系分泌物也為促進了土壤微生物的異養(yǎng)呼吸作用，從而產(chǎn)生較高的CO2排放通量；玉米生長接近成熟期時，玉米開始進入生殖生長，光合產(chǎn)物主要用于地上部生長，轉(zhuǎn)移到根系中的同化物相對減少，根系開始逐漸衰老，根系分泌物也相應(yīng)減少，并且土壤溫度逐漸降低，微生物活動變?nèi)酰责B(yǎng)及異養(yǎng)呼吸均會因底物減少而降低，因此CO2排放通量呈現(xiàn)下降趨勢.綜上可知，無外源有機物投入時，黑土玉米田CO2排放主要受氣溫影響，氮肥減量20%對其影響較小.

微生物活動引起了土壤中 CH4的排放和吸收.在厭氧條件下，甲烷菌分解土壤中的有機物，產(chǎn)生CH4排放；在好氣土壤中，CH4被甲烷氧化菌氧化成 CO2，而當土壤中 CH4濃度低于大氣中CH4濃度時，在濃度梯度作用下引起CH4的負排放，強化了土壤作為 CH4的吸收匯特征［20］.此外，產(chǎn)甲烷菌在有氧氣或者氧化性物質(zhì)存在時，催化還原小分子有機物形成甲烷的過程會受到影響［21］.本研究表明，黑土玉米田是大氣中 CH4的一個較弱的匯，這與其他旱地農(nóng)田土壤CH4通量研究結(jié)果一致［20，22］.究其原因，首先旱地農(nóng)田土壤相對干燥，通氣狀況良好，氧氣易于擴散到土壤中，促進土壤中介導(dǎo)甲烷氧化微生物（如甲烷氧化菌）和甲烷氧化酶（如甲烷單加養(yǎng)酶）的活性，增強了土壤吸收氧化大 CH4的能力［21］.

3.2硝化抑制劑與控釋氮肥的減排效果分析

本研究中，添加硝化抑制劑雙氰胺和 2-氯-6-氯三氯甲基吡啶均能夠顯著減少 N2O排放，降低綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強度，這與前人關(guān)于硝化抑制劑減少N2O排放的研究結(jié)果一致［8，10，23］.銨態(tài)氮肥施入土壤后發(fā)生硝化作用，即在氨氧化微生物的作用下將 NH3氧化為 NO2—，繼而生成NO3—.在施入DCD后，DCD可高效抑制氨氧化細菌的活性，其抑制機理可能為：（1）競爭性抑制.DCD中的氨基（—NH2）和亞氨基（=NH）具有與 NH3相似的結(jié)構(gòu)，它們會結(jié)合氨單加氧酶（AMO）上氧化NH3的活性位點，使其失去吸收和利用 NH3的能力［24］.（2）干擾氨氧化細菌呼吸.DCD中的功能團C≡N可能與菌體呼吸酶中的巰基或重金屬基團發(fā)生反應(yīng)從而抑制其活性，抑制氨氧化細菌呼吸作用過程中的電子轉(zhuǎn)移和干擾細胞色素氧化酶的功能而影響硝化作用［25］. 2-氯-6-氯甲基吡啶（CP）主要通過抑制氨氧化細菌的活性來抑制硝化作用的第一階段氨氧化過程，即向的轉(zhuǎn)化過程，從而實現(xiàn)整個硝化過程被抑制［26］.CP是AMO的一種催化底物，其氧化中間產(chǎn)物6—氯嘧啶羧酸可以不加選擇的結(jié)合于膜蛋白進而抑制硝化作用［27］，但由于 CP 對AMO的親和能力并不強，底物競爭并不是其抑制硝化作用的直接原因［28］.Vannelli［29-30］認為CP可能通過兩種方式抑制硝化作用，一是利用其氧化產(chǎn)物 6—氯嘧啶羧酸螯合 AMO 活性位點上的Cu組分來抑制催化氧化過程，二是CP的三氯甲基可結(jié)合于AMO的活性位點，進而還原O2并阻礙 NH3的硝化作用.可見，不同硝化抑制劑的抑制過程和機理不盡一致，對于黑土區(qū)不同硝化抑制劑的作用機理還有待進一步研究.

包膜控釋氮肥能根據(jù)作物生長需肥曲線緩慢釋放氮素，達到養(yǎng)分供應(yīng)與作物需求同步，可從源頭上控制土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量，進而減少氮素的氣態(tài)損失［23，31］.本研究結(jié)果表明，控釋肥用量 148kg/hm2可以達到農(nóng)民習(xí)慣用量 185kg/ hm2時的產(chǎn)量水平，即在黑土區(qū)減氮 20%且施用控釋氮肥可以滿足玉米生育期內(nèi)的氮素需求，并能夠顯著減少N2O排放，降低綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強度.因此，施用控釋肥能夠?qū)崿F(xiàn)良好的產(chǎn)量和環(huán)境效益.

考慮某種肥料的實際應(yīng)用價值時，在對比作物產(chǎn)量效應(yīng)的同時還應(yīng)重點關(guān)注其成本.本研究中，各施氮處理玉米產(chǎn)量無顯著差異，評價經(jīng)濟效益時僅考慮肥料成本以及潛在的碳信用收益.在等氮量的情況下，添加硝化抑制劑和施用控釋氮肥均會導(dǎo)致肥料成本上升，但同時會增加碳信用的收益.添加 DCD和施用控釋氮肥會增加成本；而添加吡啶抑制劑 CP雖然成本也略有增加，但由于減排量大，減排收益大于其增加的成本，如果所減排的碳信用能夠成交，綜合計算會增收60.20元/（hm2·a）.目前我國還沒有強制減排任務(wù)，但已經(jīng)有一些自愿減排項目，農(nóng)民或農(nóng)戶如果能綜合考慮產(chǎn)量及環(huán)境效益，將所減排的碳信用集中放到碳市場交易是一個可喜的嘗試.綜上可知，N80% CP施肥措施在維持玉米產(chǎn)量的同時，既有顯著的減排效果，又可節(jié)約成本，適宜在黑土區(qū)玉米種植中推廣使用.

4　結(jié)論

4.1黑土春玉米田施肥（基肥和追肥）后1～3d出現(xiàn)N2O排放峰，施肥后16d內(nèi)N2O排放量占生育期總排放量的28.8%～41.9%.

4.2黑土春玉米地在 185kg/hm2施氮量水平上減施氮肥 20%，較農(nóng)民習(xí)慣施肥處理顯著降低生育期土壤N2O排放17.6%～46.1%，生育期綜合溫室效應(yīng)降低 30.7%～67.8%，溫室氣體排放強度降低29.1%～67.0%.

4.3等氮量投入時，添加吡啶抑制劑處理的土壤N2O排放量、綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強度最低.

4.4玉米拔節(jié)～乳熟期出現(xiàn)了較強的土壤 CO2排放，黑土玉米田是大氣中 CH4的一個較小的“匯”，施氮和添加硝化抑制劑對黑土玉米田 CO2排放和CH4吸收沒有顯著影響.

4.5減施氮肥20%基礎(chǔ)上添加硝化抑制劑和施用控釋肥對玉米產(chǎn)量沒有顯著影響；但減量施氮可節(jié)約成本并增加碳信用收入，添加吡啶抑制劑CP的增收效果最好.

4.6綜合評價各種施肥措施，減氮 20%并添加吡啶抑制劑在保證玉米產(chǎn)量的同時，減排增收效果優(yōu)于其他施肥措施，適宜在黑土區(qū)玉米種植中推廣使用.

IPCC. Climate change 2013： The physical science basis. Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change ［R］. Cambridge：Cambridge University Press， 2013.

郭樹芳，齊玉春，董云社，等.滴灌對農(nóng)田土壤CO2和N2O產(chǎn)生與排放的影響研究進展 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2014，34（11）：2757- 2763.

趙蘭坡，張志丹，王鴻斌，等.松遼平原玉米帶黑土肥力演化特點及培育技術(shù) ［J］. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2008，30（4）：511-516.

紀玉剛，孫靜文，周 衛(wèi)，等.東北黑土玉米單作體系氨揮發(fā)特征研究［J］. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報， 2009，15（5）：1044-1050.

黃樹輝，蔣文偉，呂 軍，等.氮肥和磷肥對稻田 N2O排放的影響 ［J］.中國環(huán)境科學(xué)， 2005，25（5）：540-543.

熊 舞，夏永秋，周 偉，等.菜地氮肥用量與 N2O排放的關(guān)系及硝化抑制劑效果 ［J］. 土壤學(xué)報， 2013，50（4）：743-751.

孫志梅，武志杰，陳利軍，等.硝化抑制劑的施用效果、影響因素及其評價 ［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 2008，19（7）：1611-1618.

Di H J， Cameron K C， Sherlock R R， et al. Nitrous oxide emissions from grazed grassland as affected by a nitrification inhibitor，dicyandiamide， and relationships with ammonia- oxidizing bacteria and archaea ［J］. Journal of Soils and Sediments，2010，10（5）：943-954.

Sun H J， Zhang H L， Powlson D， et al. Rice production， nitrous oxide emission and ammonia volatilization as impacted by the nitrification inhibitor 2-chloro-6-（trichloromethyl）-pyridine ［J］. Field Crops Research， 2015，173：1-7.

Migliorati M D A， Scheer C， Grace P R， et al. Influence of different nitrogen rates and DMPP nitrification inhibitor on annual N2O emissions from a subtropical wheat-maize cropping system ［J］. Agriculture， Ecosystems and Environment， 2014，186： 33-43.

Ji Y， Liu G， Ma J， et al. Effect of controlled-release fertilizer on nitrous oxide emission from a winter wheat field ［J］. Nutrient Cycling in Agroecosystems， 2012，94：111-122.

張 怡，呂世華，馬 靜，等.控釋肥料對覆膜栽培稻田 N2O排放的影響 ［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 2014，25（3）：769-775.

郝小雨，高 偉，王玉軍，等.有機無機肥料配合施用對設(shè)施菜田土壤N2O 排放的影響 ［J］. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報， 2012，18（5）：1073-1085.

IPCC. Climate Change 2007： The physical science basis contribution of working group I to the fourth assessment report of the IPCC ［R］. Cambridge， New York： Cambridge University Press， 2007.

Timothy H， Jonathan P， Kevin B. Target-intensity： an analysis of greenhouse gas intensity targets ［M］. World Resources Institute，Washington D. C.， USA， 2006：37.

于亞軍，朱 波，荊光軍.成都平原土壤-蔬菜系統(tǒng) N2O排放特征 ［J］.中國環(huán)境科學(xué)， 2008，28（4）：313-318.

何 萍，徐新朋，仇少君，等.我國北方玉米施肥產(chǎn)量效應(yīng)和經(jīng)濟效益分析 ［J］. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報， 2014，20（6）：1387-1394.

Venterea R T， Halvorson A D， Kitchen N， et al. Challenges and opportunities for mitigating nitrous oxide emissions from fertilized cropping systems ［J］. Frontiers in Ecology and the Environment， 2012，10：562-570.

喬云發(fā)，苗淑杰，王樹起，等.不同施肥處理對黑土土壤呼吸的影響 ［J］.土壤學(xué)報， 2007，44（6）：1028-1035.

宋利娜，張玉銘，胡春勝，等.華北平原高產(chǎn)農(nóng)區(qū)冬小麥農(nóng)田土壤溫室氣體排放及其綜合溫室效應(yīng) ［J］. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，21（3）：297-307.

李志國，張潤花，賴冬梅，等.西北干旱區(qū)兩種不同栽培管理措施下棉田 CH4和N2O 排放通量研究 ［J］. 土壤學(xué)報， 2012，49（5）：924-934.

鄔 剛，潘根興，鄭聚鋒，等.施肥模式對雨養(yǎng)旱地溫室氣體排放的影響 ［J］. 土壤， 2013，45（3）：459-463.

王 斌，李玉娥，萬運帆，等.控釋肥和添加劑對雙季稻溫室氣體排放影響和減排評價 ［J］. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2014，47（2）：314-323.

Zhang L M， Hu H W， Shen J P， et al. Ammonia-oxidizing archaea have more important role than ammonia-oxidizing bacteria in ammonia oxidation of strongly acidic soils ［J］. The ISME Journal，2012，6：1032-1045.

Amberger A. Research on dicyandiamide as a nitrification inhibitor and future outlook ［J］. Communications in Soil Science and Plant Analysis， 1989，20：1933-1955.

黃益宗，馮宗煒，張福珠.硝化抑制劑硝基吡啶在農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護中的應(yīng)用 ［J］. 土壤與環(huán)境， 2001，10（4）：323-326.

武志杰，史云峰，陳利軍.硝化抑制作用機理研究進展 ［J］. 土壤通報，2008，39（4）：962-970.

張苗苗，沈菊培，賀紀正，等.硝化抑制劑的微生物抑制機理及其應(yīng)用［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報， 2014，33（11）：2077-2083.

Vannelli T， Hooper A. Oxidation of nitrapyrin to 6- chloropicolinic acid by the ammonia-oxiding bacterium nitrosomonas europaea ［J］.AppliedandEnvironmentalMicrobiology， 1992，58（7）：2321-2325.

Vannelli T， Hooper A B. Reductive dehalogenation of the trichloromethyl group of nitrapyrin by the ammonia- oxidizing bacterium Nitrosomonas europaea ［J］. Applied and environmental microbiology， 1993，59（11）：3597-3601.

Grant C A， Wu R， Selles F， et al. Crop yield and nitrogen concentration with controlled release urea and split applications of nitrogen as compared to non-coated urea applied at seeding ［J］. Field Crops Research， 2012，127：170-180.

Effects of nitrogen fertilizer management on greenhouse gas emissions from maize field in black soil.

HAO Xiao-yu1，2，ZHOU Bao-ku1， MA Xing-zhu1*， GAO Zhong-chao1（1.Institute of Soil and Fertilizer and Environment Resources，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences， Harbin 150086， China；2.Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences Postdoctoral Programme， Harbin 150086， China）.

China Environmental Science， 2015，35（11）：3227～3238

Greenhouse gas （GHG） emission from agricultural production is an important source of atmospheric GHG. It is crucial to explore corresponding measures and their effect on mitigating GHG emissions. To gain high crop yield without increasing GHG emissions， it is necessary to propose new nitrogen （N） fertilizer management strategies. This study was conducted to determine the effects of different nitrogen fertilizer management （conventional fertilization， decreasing within 20% of the conventional N application rate， nitrification inhibitor and controlled release fertilizer） on greenhouse gases emissions from spring maize field in black soil using the static chamber-gas chromatograph method. The results showed that： the peak of N2O emission flux occurred within 1～3days after basal fertilization and top-dressing from maize field in black soil. 28.8%～41.9% of total N2O emissions during maize growth period were emitted within the first 16days after basal fertilization and top-dressing. Decreasing within 20% of the conventional N application rate significantly decreased the total N2O emissions. Compared with the conventional fertilization with higher rates of N fertilizer （185kg N/ha）， the total N2O emissions and annual global warming potential （GWP） were decreased by 17.6%～46.1% and 30.7%～67.8% respectively under improved N management practices， whereas greenhouse gas intensity （GHGI） were decreased by 29.1%～67.0%. Nitrification inhibitor addition showed the lowest total N2O emissions， GWP and GHGI compared with other treatments. Higher CO2emission fluxes occurred from elongating to milky-riping stage. The maize field was a weak sink of atmospheric CH4in black soil. The emission fluxes of CO2and CH4were not affected by N application rate （148～185kg N/hm2） and nitrification inhibitor， respectively. Nitrification inhibitor and controlled release fertilizer had no significant influence on the yield of maize. Under the conditions of our experiment， decreasing N rate by 20% at the basic level of 185kg N/hm2combined with nitrification inhibitor can maintain the stable yield of maize，therefore could be served as an appropriate practice for mitigating GHG emissions with reduction of cost in black soil area.

nitrogen fertilizer management；nitrification inhibitor；controlled release fertilizer；greenhouse gas （GHG）；reducing nitrogen application；black soil

X511

A

1000-6923（2015）11-3227-12

2015-04-03

國家科技支撐計劃（2013BAD07B01，2013BAD11B03）；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)專項（201203030，201303126）；黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院引進博士人員科研啟動金項目（201507-23）

* 責(zé)任作者， 研究員， zhoubaoku@aliyun.com

郝小雨（1981-），男，河北張家口人，助理研究員，博士，主要從事農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)研究.發(fā)表論文10篇.