劉全鳳 劉貞貞 賴德強 孫一 陳新 李雅靜 武婷 毛彩云

摘要：采用田間小區(qū)試驗，建立了環(huán)渤海潮土區(qū)不同產(chǎn)田夏玉米氮、磷、鉀肥的肥料效應(yīng)模型，分析了玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，溫室氣體的直接和間接排放規(guī)律以及凈溫室氣體排放平衡。結(jié)果表明，高、中、低產(chǎn)田經(jīng)濟最佳施肥量與最高產(chǎn)量施肥量相比，溫室氣體排放強度小，增溫潛勢大，且為溫室氣體的“匯”，可作為該地區(qū)夏玉米生產(chǎn)的科學(xué)施肥水平。

關(guān)鍵詞：環(huán)渤海潮土區(qū);夏玉米;溫室氣體;溫室效應(yīng)評價

中圖分類號：S513

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114[ 2020） 20-0061-05

DOl：10.1408 8/j .cnki.issn043 9- 8114.2020.20.013

環(huán)渤海潮土區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，雖然熱量豐富，但土壤有機質(zhì)含量低，養(yǎng)分缺乏且不平衡，還有不同程度的鹽漬化[1]，而夏玉米抗鹽堿能力強，是主要的糧食、飼料、經(jīng)濟作物和重要的工業(yè)原材料之一，歷來在濱海區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位[2]。但是人們?yōu)榱俗非螽a(chǎn)量和經(jīng)濟效益，盲目增施化肥，過量施肥導(dǎo)致一系列的生態(tài)和環(huán)境問題，如作物養(yǎng)分利用率下降、地下水硝酸鹽淋洗、溫室氣體（ Greenhouse gas，GHG）排放[3-5]等。

由溫室氣體排放引起的氣候變暖和臭氧層破壞已成為全球面臨的一個重要生態(tài)環(huán)境問題，農(nóng)業(yè)是溫室氣體重要的排放源。據(jù)報道，農(nóng)業(yè)CH4和N2O的排放量分別占全球總排放量的50%和60%[6-8]，其中，農(nóng)田N2O排放來自土壤硝化與反硝化作用，而施用氮肥可為其提供氮源，且N2O的排放量隨施肥量的增加呈直線或指數(shù)增長[9.10]。項虹艷等[11]研究表明施氮處理對紫色土壤夏玉米N20排放量的影響顯著高于不施氮肥處理。Laura等[12]試驗得出有機物代替化肥能減少N2O排放的結(jié)論。

探索農(nóng)田溫室氣體減排調(diào)控措施對發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)、減緩全球變暖具有重要價值。在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提下，為平衡產(chǎn)量與溫室氣體減排，解決施肥過度所引發(fā)的一系列環(huán)境污染及資源浪費等問題，本試驗通過建立環(huán)渤海潮土區(qū)不同產(chǎn)田夏玉米氮（N）、磷（P）、鉀（K）肥的肥料效應(yīng)模型，分析不同產(chǎn)田玉米最高產(chǎn)量施肥量和經(jīng)濟最佳施肥量的土壤溫室氣體的排放，計算溫室氣體間接排放增溫潛勢及溫室氣體排放強度，探究該玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈溫室氣體平衡，進而對該地區(qū)玉米科學(xué)需肥規(guī)律、合理施用肥料和科學(xué)減排提供理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

2018年于河北省滄州市黃驊市開展田間試驗，該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，降雨主要集中在6-9月，一般占年降雨量的80%左右，土壤屬于中壤質(zhì)潮土，其理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗設(shè)計

不同處理的養(yǎng)分投入量如表2所示。其中，N、P、K肥分別由尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、硫酸鉀（K2O50%）提供。磷、鉀肥一次性全部底施翻入土內(nèi)，氮肥基肥、追肥比為1：1，大喇叭口期進行追施。試驗小區(qū)面積30m2，隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次。供試玉米品種為鄭單958;行距60 cm，株距25 cm，試驗田均按常規(guī)進行管理。

1.3 樣品采集與數(shù)據(jù)處理

溫室氣體排放的邊界設(shè)定為整個農(nóng)田生產(chǎn)中的物質(zhì)投入（包括肥料、農(nóng)藥等）、運輸?shù)睫r(nóng)田作物（小麥、玉米）收獲的全部過程，其中，也包括農(nóng)用化學(xué)品的生產(chǎn)、運輸、農(nóng)田機械操作等使用的柴油、病蟲害防治使用的農(nóng)藥等產(chǎn)生的溫室氣體。農(nóng)田溫室氣體排放只考慮土壤中的N2O和CH4排放，而旱地土壤上CH4農(nóng)田溫室氣體排放的貢獻較小，故不予以考慮。

1.3.1 凈生物量（Net primary productivity，NPP） 凈生物量于作物收獲后測定。NPP包括子粒、秸稈和根。本研究中，僅子粒部分移出農(nóng)田，秸稈為全量還田，故視還田秸稈以CO2全部分解。每個小區(qū)單打單收，田間直接測定產(chǎn)量，取1 kg子粒樣品，烘干后計算含水量，再通過含水量折算出實際產(chǎn)量。

1.3.2 溫室氣體N2O的土壤排放農(nóng)田土壤N2O排放分直接排放和間接排放，玉米的直接排放系數(shù)和間接排放參數(shù)參考Cui等[13]統(tǒng)計得到的國內(nèi)玉米試驗中N2O、NH3和NO3-N淋洗數(shù)據(jù)與施氮量的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。間接排放則按照IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）確定的每向空氣揮發(fā)1 kg氨（NH3）和水體流失lkg硝態(tài)氮（NO3-）則分別有1.00%和0.75%轉(zhuǎn)化為N2O2，分別計算NH3和NO31-N的N2O排放量損失[14]。玉米氮肥施用量與N2O的淋洗模型：y=0.48e0.05 8X;玉米氮肥施用量與NH，的淋洗模型：y=0.24x+1.3：玉米氮肥施用量與NO3-1-N的淋洗模型：y=4.46e0'009 4x。

1.3.3 溫室氣體增溫潛勢（Gobal warming potential，GWP） 為了便于計算，將N20、CH4的長期排放總量（ kg/hm2）的增溫潛勢換算為CO2當(dāng)量，其中，溫室氣體CH4在100年尺度上是CO2的25倍，N2O在100年尺度上為CO2的298倍。GWP的計算公式為：

GWP= CO2+298x（ N2O）+25x（ CH4） （l）

式中，溫室氣體增溫潛勢單位為kg CO2eq/hm2。

1.3.4溫室氣體間接排放試驗期間記錄物資投入種類及用量，用于計算間接排放量，溫室氣體增溫潛勢（GWP）計算公式如下：

GWP INDIRECT=∑in×Cn （2）

式中，Ln和Cn分別為第n種物資的用量和CHG排放系數(shù)。各種物資的GHG排放系數(shù)參考劉巽浩等[15]改進后的系數(shù)，N、P2O5、K2O、柴油、農(nóng)藥、電力的溫室氣體排放系數(shù)分別為4.80、1.14、0.60、3.90、6.58、0.92 kg CO2eq/kg。

1.3.5 溫室氣體排放強度（Greenhouse gas intensity，GHGI）農(nóng)田溫室氣體排放強度是CO2、N2O、CH4總增溫潛勢同作物產(chǎn)量的比值，是綜合評價各處理的溫室效應(yīng)的指標(biāo)。它反映了生產(chǎn)單位糧食產(chǎn)量所產(chǎn)生的凈溫室效應(yīng)的大小，計算公式如下：

GHGI=GWP作物產(chǎn)量 （3）

式中，溫室氣體增溫潛勢單位為kg CO2eq /hm2，作物產(chǎn)量單位為kg/hm2。

1.3.6 溫室氣體排放平衡（Net greenhouse gas bal-ance，△GWP） 農(nóng)田溫室氣體排放平衡的方法主要有基于土壤碳庫和生物量的2類方法，本研究采用劉巽浩等[15]改進的公式進行計算，具體如下：

△GWP= GWPIVPP十GWP△SOC - GWPSOILEXPOTT -GWPINDIRECT （4）

式中，△GWP為空氣中溫室氣體凈增減量或全球增溫潛勢。當(dāng)△GWP為負(fù)值時，表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最終是向大氣排放CO2，為溫室氣體“源”，加劇溫室效應(yīng);當(dāng)△GWP為正值時，表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最終是吸收大氣中的CO，，是溫室氣體“匯”，可以減緩溫室效應(yīng)。GWP NPP指凈初級生產(chǎn)力（包括子粒和秸稈殘茬根系）的增溫潛勢;GWP△SOC指土壤有機碳變化量的增溫潛勢（此項短期試驗可忽略）。GWP SOILEXPOTT指土壤排放CO2、N2O和CH4總量的增溫潛勢。G WP INDIRECT指間接投入的增溫潛勢（包括機油、電、化肥、農(nóng)藥和廄肥等）。

1.3.6數(shù)據(jù)分析 采用Microsoft Excel 2007軟件和SPSS 17.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同養(yǎng)分管理措施對作物產(chǎn)量的影響

采用二次型函數(shù)式y(tǒng)=ax2+bx+c，模擬“玉米子粒產(chǎn)量”與“土壤養(yǎng)分殘留量+肥料施人量”的關(guān)系，用A表示，綜合考慮產(chǎn)量利潤和肥料施用成本，模擬“毛收入一肥料價格”與“土壤養(yǎng)分殘留量+肥料施入量”的關(guān)系，用B表示，不同產(chǎn)田不同肥料的回歸方程如表3所示。高產(chǎn)田的氮肥經(jīng)擬合，得方程A：y=-0.008 6x2+10.60lx+5 443.9，當(dāng)施氮量x=-bl2a時，子粒產(chǎn)量y得到最大值，計算可知，最高產(chǎn)量為8 711 kg/hIT12，“土壤殘留氮+施入氮”為616.34 kg/hm2，去除土壤殘留氮127.54 kg/hm2，需要施氮量為488.80 kg/hm2;B：y=-0.012 8x2+11.901x+8 676，經(jīng)濟效益最佳時玉米產(chǎn)量為8 528 kg/hm2.“土壤殘留氮+施入氮”為464.88 kg/hm2，需要施氮量為337.34 kg/hm2。按照同樣方法，可以得出不同產(chǎn)田不同肥料的最高產(chǎn)量施肥量和經(jīng)濟最佳施肥量。

2.2 由氮肥投入引起的N，O氣體排放量

在玉米試驗中，如表4所示，由氮肥投入引起的N2O氣體排放量中，各產(chǎn)田最高產(chǎn)量施肥量與經(jīng)濟最佳施肥量處理的溫室氣體增溫潛勢GWP差異明顯，尤其是高產(chǎn)田，其差值達2 279.70 kg CO2eq/hm2，其中，最高產(chǎn)量施肥量與經(jīng)濟最佳施肥量處理直接N2O排放量相差4.77 kg/hm2，間接排放量相差2.88 kg/hm2，中、低產(chǎn)田最高產(chǎn)量施肥量與經(jīng)濟最佳施肥量處理總N2O排放量分別相差2.85 kg/hm2和0.53 kg/hm2。

2.3 溫室氣體間接排放當(dāng)量

如圖1所示，肥料投入中氮肥對溫室氣體增溫潛勢的貢獻最大，高產(chǎn)田最高產(chǎn)量施氮量和經(jīng)濟最佳施氮量對溫室氣體增溫潛勢的貢獻占比分別為85.2%和83.5%，中產(chǎn)田占比分別為83.6%和79.5%，低產(chǎn)田占比分別為80.1%和78.4%;而各產(chǎn)田各處理中磷、鉀肥施用量對溫室氣體增溫潛勢的影響不大，磷肥對溫室氣體增溫潛勢的貢獻占比為4.0%～8.5%，鉀肥對溫室氣體增溫潛勢的貢獻占比為5.3%～7.6%。該試驗中各處理的農(nóng)藥和柴油投入相同，分別為4.6 kg/hm2和81.9 kg/hm2，由于該地區(qū)沒有水澆條件，所以沒有電力消耗。

2.4 溫室氣體排放強度

如表5所示，高、中、低產(chǎn)田最高產(chǎn)量施肥量處理的溫室氣體排放強度均大于經(jīng)濟最佳施肥量處理，其中，高產(chǎn)田最高產(chǎn)量施肥量處理的GHGI最大，為0.75，低產(chǎn)田經(jīng)濟最佳施肥量處理的GHGI最小，為0.25，通過計算溫室氣體排放強度，可以采取合理的措施來平衡作物產(chǎn)量與農(nóng)田溫室氣體的排放。

2.5凈溫室氣體平衡（△GWP）

如表6所示，根據(jù)不同處理溫室氣體固定與排放的清單，比較作物固碳和溫室氣體排放的凈效應(yīng)，最終的△GWP均為正值，說明不同產(chǎn)田玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為溫室氣體“匯”，有利于減緩溫室效應(yīng)。同一產(chǎn)田最高產(chǎn)量施肥量與經(jīng)濟最佳施肥量處理碳固定差異明顯，前者明顯低于后者，不同產(chǎn)田最高產(chǎn)量施肥量處理的溫室氣體固定順序表現(xiàn)為高產(chǎn)田<中產(chǎn)田<低產(chǎn)田，經(jīng)濟最佳施肥量處理的溫室氣體固定順序正好相反，表現(xiàn)為高產(chǎn)田>中產(chǎn)田>低產(chǎn)田。由于試驗?zāi)晗掭^短，土壤碳忽略不計;秸稈量全部還田，但均視為以CO2形式逸出，抵消不計;在本研究中，對處理間的△GWP起決定作用的主要為子粒產(chǎn)量、土壤N2O排放以及各處理的不同投入，可以看出，不同產(chǎn)田經(jīng)濟上占優(yōu)勢的經(jīng)濟最佳施肥量處理減排潛力比最高產(chǎn)量施肥量處理更大，高、中、低不同產(chǎn)田分別相差2 829.20、1 236.52、302.11 kgCO2 eq/hm2。

3 小結(jié)與討論

在本玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究中，不同產(chǎn)田不同處理的溫室氣體均為“匯”，從溫室氣體固定當(dāng)量來看，高、中、低產(chǎn)田的經(jīng)濟最佳施肥量均比最高產(chǎn)量施肥量處理減排潛力大，高產(chǎn)田經(jīng)濟最佳施肥量處理的△GWP最大，為12 520.29 kg CO2eq/hm2。對處理間的△GWP起決定作用的主要為子粒產(chǎn)量、土壤N2O排放以及各處理的不同投入，系統(tǒng)的固碳單元主要為NPP，固碳量的大小取決于經(jīng)濟部分的生物量。通過計算溫室氣體排放強度，各產(chǎn)田最高產(chǎn)量施肥量處理的溫室氣體排放強度均大于經(jīng)濟最佳施肥量處理，說明經(jīng)濟最佳施肥量處理能夠更好地平衡作物產(chǎn)量與農(nóng)田溫室氣體的排放，追尋產(chǎn)量最大化的同時，控制或優(yōu)化農(nóng)業(yè)投入，提高肥料利用效率，尤其是氮肥，是降低溫室氣體排放強度的關(guān)鍵。

農(nóng)田凈溫室效應(yīng)表現(xiàn)為隨著施氮量的增加而明顯增加，該結(jié)論與Sainju[16]的研究結(jié)果相似。一方面，增加氮肥施用量的同時，增加了農(nóng)事投入對凈溫室效應(yīng)的輸出;另一方面，施氮量的增加促進了土壤溫室氣體尤其是N2O的排放，從而增加了土壤溫室氣體對農(nóng)田溫室效應(yīng)的貢獻。土壤的溫室氣體排放主要在土壤N2O排放上有實質(zhì)的差異，農(nóng)事投入肥料中的氮肥對溫室氣體增溫潛勢的貢獻最大。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)是經(jīng)濟與環(huán)境的雙贏，即提升產(chǎn)量的同時兼顧農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，合理施肥可以在增產(chǎn)的同時兼顧環(huán)境效益[1]。Chen等[18]指出合理的施肥措施可以用最小的環(huán)境代價獲得更高的作物產(chǎn)量。Chen等[19]指出產(chǎn)量的增加可以抵消氮肥施人所增加的溫室氣體。本研究結(jié)果顯示，在鹽漬化潮土區(qū)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，高、中、低產(chǎn)田經(jīng)濟最佳施肥量處理與最高產(chǎn)量施肥量相比，溫室氣體排放強度小，氮肥施用引起的農(nóng)田N2O排放量小，農(nóng)事投入溫室氣體間接排放量也小，固碳能力強、減排潛力大。因此，各產(chǎn)田氮、磷、鉀最佳施肥量可作為該區(qū)較為理想的施肥水平。

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作者簡介：劉全鳳（1978-），女，河北滄州人，副研究員，碩士，主要從事植物營養(yǎng)、施肥與環(huán)境的研究，（電話）18931709218（電子信箱）165624265@qq.com;通信作者，毛彩云（1976-），女，河北滄州人，助理研究員，主要從事玉米育種與栽培研究，（電話）18731786522。