盧 闖，胡海棠，淮賀舉，田宇杰，石建安，李存軍

（1清遠市智慧農(nóng)業(yè)研究院，廣東 清遠 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第六次評估報告指出，到21世紀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內(nèi)超過1.5℃甚至2℃，給環(huán)境帶來巨大風(fēng)險[1]，積極應(yīng)對氣候變化已成為共識，國際社會提出多項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承諾了2030碳達峰、2060碳中和的目標。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的重要貢獻者之一，據(jù)統(tǒng)計中國種植業(yè)N2O和CH4年排放量分別為0.71、0.33億t碳當量[2]，同時農(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現(xiàn)碳達峰、碳中和目標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，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、排放強度等多個方面開展了相關(guān)研究[3-5]，關(guān)于施氮對氧化亞氮排放影響的報道較多，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、抑制或沒有影響[7-9]；近年來，肥料和農(nóng)藥的生產(chǎn)與運輸、機械油耗、灌溉耗能等農(nóng)事活動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顯著提高溫室效應(yīng)。關(guān)于施氮對農(nóng)田系統(tǒng)的影響評估多為半環(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并存的方面，施氮在影響溫室氣體排放的同時也往往促進了作物生長，增加了生物固碳量，對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)田碳的真實增減狀況與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳效率[13]，因此，在評估時需將N2O、CH4、生物固碳等各項碳流統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為碳當量，施氮對固碳與減排之間“此消彼長”的關(guān)系影響的研究目前少見報道。基于此，試驗選取華北地區(qū)典型夏玉米農(nóng)田，利用全環(huán)式碳流法定量化評估了不同施氮水平對農(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 試驗區(qū)概況

試驗地點位于北京小湯山國家精準農(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 試驗設(shè)計

試驗于2020年6月至2020年10月進行，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個處理，采用大區(qū)試驗，每個處理占地0.1 hm2，大區(qū)之間設(shè)置田埂和5 m保護行。

夏玉米品種選用‘京科NK815’，前茬冬小麥收割后，一次性施入含N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?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 溫室氣體采集與樣品測定 采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定溫室氣體CO2、N2O、CH4土壤排放通量，每個大區(qū)測定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)頂部固定一個電池供電的12 V風(fēng)扇用于混合箱中氣體。每個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，準確記錄每次采樣時間。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)計算。

式中：f為目標氣體排放速率，mg/(m2·h)；ρ為標準大氣壓狀態(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為采樣時大氣溫度，K；P和P0分別為實際氣壓與標準氣壓，Pa。

使用內(nèi)插法根據(jù)采樣間隔計算排放總量，式(2)。

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

1.3.2 生物量測定 分別于玉米生長的苗期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期、收獲期在每個測點附近采集連續(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算，統(tǒng)一取0.15作為根系占地上部生物量的系數(shù)進行估算[15]。

1.3.3 生產(chǎn)資料碳排放 試驗期間同步記錄播種、施肥、施藥、機械燃油等各項農(nóng)事活動的生產(chǎn)資料投入種類和數(shù)量，用于計算溫室氣體間接排放，根據(jù)相關(guān)文獻以及國家統(tǒng)計局報告數(shù)據(jù)對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排放當量。

表1 生產(chǎn)資料CO2當量排放系數(shù)

1.4 凈碳效應(yīng)計算

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流特點是固碳和耗碳共存，利用公式(3)計算生態(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，負值則為碳源；

CNPP為凈初級生產(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有機質(zhì)[18]，據(jù)此可根據(jù)收獲時的地上地下生物量按含碳量45%計算固碳量；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)事活動間接排放的碳當量，根據(jù)前述表1進行計算；C△SOC為土壤有機碳變化，本研究為短期試驗，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)計算。

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

當SI為0時系統(tǒng)達到碳平衡狀態(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環(huán)境造成的影響越低，可持續(xù)性越強。

1.5 數(shù)據(jù)分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對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，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，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到74.45、98.94、123.42 μg N/(m2·h)，不施肥對照處理在播種后 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)，負值表明土壤從大氣中吸收CH4，吸收匯的強度隨施氮量的升高而降低。從時間變化來看CH4排放速率同樣受降水影響呈現(xiàn)波動趨勢，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，促進了甲烷排放。

2.2 不同施氮量對玉米生長的影響

各時期玉米生物量如圖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期干物質(zhì)量

2.3 不同施氮量對凈碳效益的影響

如表2所示，施氮對農(nóng)田凈碳效益影響顯著，各處理均表現(xiàn)為碳匯，碳匯強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生產(chǎn)力固碳量也逐漸增加，N1、N2、N3分別較對照提高59.02%、121.08%、137.27%，此外土壤表現(xiàn)為弱的甲烷匯，吸收碳當量2.12～4.38 kgC/hm2；在耗碳方面，土壤異養(yǎng)呼吸貢獻了較高的碳排放，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)運輸間接消耗的碳當量以及施氮引起的氧化亞氮直接排放的碳當量之和，各處理兩項占比分別為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菌和反硝化細菌提供了足夠的底物，進而促進了N2O排放[21]；氮素能夠通過多種方式影響土壤CO2排放，對于土壤異養(yǎng)呼吸，梁國鵬[22]研究表明施氮通過增強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而提高土壤異養(yǎng)呼吸速率的影響機制；在旱作農(nóng)田施氮對甲烷源匯特征均有報道，本試驗條件下農(nóng)田土壤表現(xiàn)為甲烷匯，強度隨施氮量的增加而降低，可能是施用無機氮肥抑制了甲烷氧化菌的活性，降低對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為代價完成生產(chǎn)和運輸，此外，由于中國對糧食產(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的碳當量[24]，本研究中各處理氮肥和氧化亞氮碳當量總和分別為53.13、227.56、307.85、408.14 kg/hm2，遠大于除草、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，未來對農(nóng)業(yè)各要素監(jiān)測能力的加強將有助于提高碳排放評估精度及優(yōu)化決策的可靠性。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標是提升作物生產(chǎn)力并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)措施時需要同時兼顧作物生長和環(huán)境效應(yīng)并對其進行直觀的評價。對于以土壤為基礎(chǔ)或半環(huán)式的評估結(jié)果，往往容易忽略作物生長的固碳量與固碳價值，需要整合固碳端進行綜合評估。ZHANG等[20]利用全環(huán)式方法計算了碳的可持續(xù)性指數(shù)，并據(jù)此評估了農(nóng)場規(guī)模對玉米生產(chǎn)、經(jīng)濟、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]對中國小麥生產(chǎn)的凈碳吸收量及可持續(xù)性指數(shù)等進行核算，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)報酬遞減率，過量施氮的增產(chǎn)效果會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水平時碳可持續(xù)性指數(shù)接近，分別為0.88、0.89。對于最佳施氮量選擇，在水稻田的一項研究表明施氮量175.5～211.5 kg/hm2時具有較高的經(jīng)濟和環(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度最低[28]，本研究未對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進一步提高，200 kg/hm2施氮量下能夠以相對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。