李曉立，何堂慶，張晨曦，田明慧，吳梅，李潮海，楊青華，張學林

等氮量條件下有機肥替代化肥對玉米農田溫室氣體排放的影響

李曉立，何堂慶，張晨曦，田明慧，吳梅，李潮海，楊青華，張學林*

河南農業(yè)大學農學院/省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室/2011河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002

【目的】明確大田等氮量條件下，有機肥替代化肥對玉米農田土壤溫室氣體（N2O和CO2）排放及其增溫潛勢的影響，為穩(wěn)定作物產量、減少化肥投入、減少氮肥流失、提高氮肥利用效率提供理論依據(jù)?！痉椒ā?018和2019年大田采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，以不施肥（CK）為對照，比較等氮量條件下常規(guī)單施化肥（NPK）、有機肥替代30%（化學肥料180 kg N·hm-2+有機肥90 kg N·hm-2，NPKM30）、有機肥替代50%（化學肥料135 kg N·hm-2+有機肥135 kg N·hm-2，NPKM50）對夏玉米生育期土壤N2O和CO2排放的影響，并估算玉米季農田溫室氣體排放量、全球增溫潛勢（global warming potential，GWP）和農業(yè)碳足跡（carbon footprint）?！窘Y果】等氮量條件下NPK、NPKM30和NPKM50處理間的玉米籽粒產量沒有顯著差異。玉米整個生育期土壤N2O排放通量呈動態(tài)變化，且3個施肥處理的N2O排放通量均高于對照。與NPK相比，NPKM30處理兩年N2O累積排放量均值增加5.22%，而NPKM50處理降低7.92%。玉米生育期N2O累積排放量占土壤全氮的12.91?—18.74?。3個施肥處理間CO2排放通量的季節(jié)變化趨勢基本一致，變幅為74.53—367.04 mg·m-2·h-1。施肥顯著增加CO2累積排放量，與NPK相比，NPKM30和NPKM50處理兩年CO2累積排放量均值分別增加0.91%和5.79%；GWP分別增加2.07%和2.10%。與NPK處理相比，NPKM30處理的溫室氣體排放強度（GHGI）和單位產量碳足跡降低2.46%和1.43%，而NPKM50處理增加3.37%和1.43%?！窘Y論】部分有機肥替代化肥能夠增加玉米田土壤溫室氣體排放量和全球增溫潛勢，但能夠保持玉米產量穩(wěn)定，同時有效降低溫室氣體排放強度和單位產量碳足跡，綜合考慮玉米產量和生態(tài)效益，有機肥替代30%（NPKM30）是實現(xiàn)玉米穩(wěn)產減肥減排較為理想的有機肥替代化肥比例。

有機肥替代化肥；溫室氣體；全球增溫潛勢；溫室氣體排放強度；碳足跡

0 引言

【研究意義】農田N2O和CO2等溫室氣體排放所引起的全球變暖是人類面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題之一[1-2]。農業(yè)管理措施特別是施肥對N2O和CO2的排放影響很大[3-4]。據(jù)統(tǒng)計，中國化肥施用量接近世界總量的1/3[5]，因化肥施用產生的N2O占總排放的92.6%[6]。采用部分有機氮肥替代化學氮肥是穩(wěn)定作物產量、減少溫室氣體排放的重要措施之一[7]。但有機肥的施用增加了土壤中有機質含量，有機碳含量是決定土壤呼吸強度的重要因素[8]。據(jù)統(tǒng)計，全球每年CO2總排放量有5%—20%來源于土壤呼吸[9]。因此研究有機氮肥替代化學氮肥的用量，穩(wěn)定作物產量的同時減少N2O和CO2兩種溫室氣體的排放，對減氮增效穩(wěn)產和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[10]?！厩叭搜芯窟M展】農田土壤中N2O的排放主要由硝化（氨氧化為硝酸鹽）和反硝化（NO3-還原成N2）兩個過程產生[11]。影響硝化與反硝化過程的農田管理措施如施肥等[12-14]顯著影響土壤N2O的排放[14]。減少氮肥用量、減輕溫室氣體環(huán)境污染是研究人員關注的重點。翟振等[15]通過研究有機無機肥料配施對春玉米農田N2O排放，認為有機無機肥料配施（50%M+50%U）較單施化肥可顯著降低土壤N2O排放。畢智超等[16]發(fā)現(xiàn)，與單施化肥相比有機無機肥料1﹕1配施處理顯著降低N2O周年累積排放量的36%；而陳雪雙等[17]和JIA等[18]認為有機無機配施與單施化肥處理間N2O排放差異不顯著。這些結果表明有機肥影響土壤氮素轉化及溫室氣體排放的研究結果并不一致[15,18]。有機肥作為一種增加土壤碳匯的措施，同時也增加農田 CO2的排放[19]。李燕青等[14]采用長期定位試驗研究化肥和有機肥在不同施肥水平下玉米季潮土CO2的排放特征發(fā)現(xiàn)，等氮條件下有機肥處理顯著增加了農田土壤CO2的排放量。王曉嬌等[20]采用Meta分析有機肥施用對我國北方農田土壤CO2排放的影響，發(fā)現(xiàn)有機肥施用總體上顯著提高農田土壤CO2排放量，與不施肥和施用無機肥相比分別提高50.6%和36.3%?！颈狙芯壳腥朦c】如何在保障玉米產量的同時有效降低N2O和CO2兩種溫室氣體的排放，是實現(xiàn)農業(yè)綠色生產迫切需要思考的問題。前人的研究更多關注化肥、有機無機配施對單一溫室氣體的影響，等氮條件下砂姜黑土區(qū)有機肥替代化肥的可行性及減量比例對土壤 N2O和CO2溫室氣體的綜合影響效應研究較少?！緮M解決的關鍵問題】本試驗以黃淮海夏玉米農田為研究對象，等氮量條件下研究了有機肥替代化肥比例對玉米產量和溫室氣體排放的影響，明確綜合平衡玉米產量與溫室氣體排放量條件下的最佳有機肥替代化肥用量，為黃淮海地區(qū)穩(wěn)定玉米產量、減少化肥用量、減少溫室氣體排放，實現(xiàn)化肥減量增效穩(wěn)產的綠色生產提供理論依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2018年和2019年6—10月夏玉米生長季，在河南省西平縣二郎鄉(xiāng)張堯村（114°02′E，33°20′N，平均海拔49 m）進行。西平縣地處北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，屬亞濕潤大陸性季風氣候。年均日照時數(shù)1 886 h，平均氣溫15.8℃，無霜期221 d，降雨量1 027 mm，屬典型的雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)。土壤類型為砂姜黑土。試驗期間大氣溫度、降雨量如圖（圖1）所示。0—20 cm土層砂粒含量39.09%、粉粒21.35%和黏粒39.56%，有機質含量15.59 g·kg-1，全氮1.53 g·kg-1，堿解氮120.5 mg·kg-1，速效磷24.26 mg·kg-1，速效鉀34.66 mg·kg-1，pH 5.26。

圖1 2018—2019年玉米和小麥生育期間降雨量和大氣溫度

1.2 試驗設計

本試驗采用單因素設計，設CK（不施肥）、單施化肥（NPK）、有機肥替代30%（化學肥料180 kg N·hm-2+有機肥90 kg N·hm-2，NPKM30）、有機肥替代50%（化學肥料135 kg N·hm-2+有機肥135 kgN·hm-2，NPKM50）4個處理，4次重復，共16個小區(qū)，小區(qū)面積為40 m2（4 m×10 m）。所選品種為生產上大面積推廣應用的鄭單958，種植密度為67 500株/hm2。于每年6月10日左右播種，試驗中所用有機肥由濟源眾德生物工程有限公司提供（有機質45%、N 2.2%、P2O51.4%、K2O 1.4%），無機肥分別為尿素（N 46.5%）、過磷酸鈣（P2O512%）、氯化鉀（K2O 60%）。各施肥處理均采用等量氮、磷和鉀，氮磷鉀施用量分別為270 kgN·hm-2、90 kgP2O5·hm-2、120 kg K2O·hm-2。磷肥、鉀肥和有機肥以基肥形式一次性施入（6月6日和9日），氮肥在拔節(jié)期（25%）和大喇叭口期（25%）進行追肥，玉米季肥料氮施用情況如表1。有機肥處理中，磷鉀肥不足部分用過磷酸鈣和氯化鉀進行補充，并在播前均勻撒施后翻耕入土，玉米成熟期（10月5日左右）收獲，并進行相關參數(shù)的測定分析。2018和2019年玉米生育期的生產投入一致，整個生育期不同生產要素的投入量見表2。

1.3 氣體樣品采集與測定

大田采用密閉式靜態(tài)箱法采集N2O氣體樣品。氣體采樣箱由箱體和底座組成，底座上有密封槽，規(guī)格為59.5 cm×17 cm×20 cm（長×寬×高），每個小區(qū)放置1個靜態(tài)箱。抽氣前將箱子底座埋在土壤中，在密封槽中加入水，然后罩上箱體，形成一個密閉環(huán)境，使用20 mL針筒從通氣閥處抽取樣品。每次施肥后連續(xù)6 d取樣，其他每隔10、20、30 d采集一次。氣體采樣一般于晴天的早上8：00罩上箱體，在罩上箱體前，采集盒子上方的空氣作為密封前N2O的濃度，同時記錄箱體內的溫度，密封1 h后，每個處理采集40 mL氣體，采集的 N2O氣體帶回實驗室用日本島津氣相色譜儀GC-2010測定N2O濃度。

表1 玉米季各試驗處理有機肥氮和無機肥氮施用量

表2 玉米生育期各項生產要素的投入量

土壤呼吸速率的測定采用田間原位測定方法，測定儀器為美國生產的LI-8100A便攜式呼吸測量系統(tǒng)。玉米播種后，每個小區(qū)隨機放置3個直徑20 cm、高11 cm的 PVC 管底座，埋入土壤中8 cm，田間監(jiān)測時，將儀器的氣體收集罩置于底座上，啟動儀器，待儀器穩(wěn)定后，開始計時測量，測量時間為5 min；施肥后連續(xù)測3 d，之后間隔10、20、30 d測一次，測量均在晴天上午的 9：00—11：00內完成。

1.4 植株和土壤樣品的取樣與測定

2018年和2019年于玉米拔節(jié)、吐絲和成熟3個關鍵生育時期，每個小區(qū)選取長勢均勻有代表性的兩株玉米，并以植株為中心挖掘1/2行距（60 cm）×1/2株距（25 cm）范圍內深度20 cm土體的根系，根系洗凈后用根系掃描儀（Expression 11000XL型）掃描，得到根系總根長、根表面積和根體積等數(shù)據(jù)。植株和根系樣品105℃殺青，75℃烘干至恒重并稱重。將植株地上和地下部各器官干樣粉碎，用H2SO4-H2O2消煮后，采用流動分析儀（AA3，SEAL-Analytical，Germany）進行全氮測定。玉米成熟后，收獲果穗進行考種和計產。

2019年于玉米拔節(jié)、吐絲和成熟3個關鍵生育時期，采集根際和非根際0—20 cm土層樣品，后用2 mol·L-1KCl溶液浸提，用流動分析儀（AA3，SEAL-Analytical，Germany）測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.5 計算

（1）N2O氣體排放通量

=××（Δ/Δ）×273/（273+）

式中，為N2O排放通量（μg·m-2·h-1)；為N2O標準狀態(tài)下的密度（1.964 kg·m-3)；為取樣箱高度（m)；Δ/Δ為單位時間靜態(tài)箱內的N2O氣體濃度變化率（mL·m-3·h-1)；為測定時箱體內的平均溫度（℃）。

（2）土壤CO2排放通量

=s×3600×12×10-3

式中，為土壤CO2的排放通量（mg·m-2·h-1），s為測定的土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1），12為CO2-C的摩爾質量（g·mol-1）；3600為換算系數(shù)。

（3）N2O排放強度

指形成單位經(jīng)濟產量的N2O排放量。計算公式為：=/

式中，代表排放強度（kg·t-1）；為N2O排放總量（kg·hm-2）；為作物產量（t·hm-2）。

（4）N2O、CO2累積排放量

式中，為N2O（CO2）累積排放量（kg·hm-2）；為N2O（CO2）排放通量；為采樣次數(shù)；為采樣時間（d）；24為一天小時數(shù)。

（5）N2O 排放系數(shù)

N2O排放系數(shù)（%）=（施氮處理N2O排放量-不施氮處理N2O排放量）/施氮量×100。

（6）N2O累積排放量占土壤全氮比重（）

（?）

式中，為N2O累積排放量（kg·hm-2）；為土壤全氮含量（g·kg-1）。土壤重量按200×104kg·hm-2計算。

（7）農田產生的全球增溫潛勢（）

=CO2+N2O×298

式中，CO2和N2O分別為CO2和N2O的累積排放量（kg·hm-2）；100年時間尺度上N2O的全球增溫潛勢是CO2單位質量的298倍[21]。

（8）溫室氣體排放強度（）[22]

=/

式中，為不同處理單位面積玉米的平均產量（kg·hm-2）。

（9）玉米生育期碳足跡邊界和間接排放[23]

碳足跡計算的邊界為玉米種植開始到種植結束，時間為4個月。碳足跡的測算內容包括直接碳足跡和間接碳足跡，直接碳足跡即農田溫室氣體CO2和N2O，間接碳足跡指由種子、化肥、農藥等農資投入引起的碳排放。其中間接碳排放的計算公式為：

式中，為農業(yè)碳足跡（kg·hm-2），表示從播種到收獲期間消耗的各種農業(yè)生產資料（農藥、化肥、種子等），m表示第種農資的消耗量（kg），表示第種農資的碳排放參數(shù)（kg·kg-1），具體參數(shù)見表3（參考前人研究而獲得[24-26]）。

（10）單位產量碳足跡（）[23]

=/。

1.6 統(tǒng)計分析

采用One way ANOVA進行處理間產量、植株生物量、氮素積累量、根系性狀、土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量、N2O和CO2排放量、GWP和GHGI方差分析，并采用Duncan比較不同處理之間的差異顯著性。所有數(shù)據(jù)均利用EXCEL 2016進行整理，采用SPSS 19.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）軟件進行分析，并用SigmaPlot 12.5軟件進行作圖。

表3 玉米生育期投入生產資料的碳排放系數(shù)

2 結果

2.1 有機肥替代化肥對玉米產量的影響

由表4可知，與CK相比，NPK、NPKM30和NPKM50處理兩年玉米籽粒產量均值分別增加47.37%、54.52%和47.28%；與NPK兩年產量均值相比，NPKM30增加了4.85%，NPKM50降低了0.06%，但3個處理之間的差異不顯著。說明用有機肥替代部分化肥能夠保持玉米產量穩(wěn)定，且在NPKM30條件下產量達到最高，為8 807—12 886 kg·hm-2。

2.2 有機肥替代化肥對植株生物量、氮素累積量、根系性狀和土壤養(yǎng)分含量的影響

由表5可以看出，與CK相比，NPK、NPKM30、NPKM50處理兩年地上部生物量和根生物量均值分別增加56.78%和33.87%、63.03%和45.69%、59.24%和59.43%；與NPK相比，NPKM30和NPKM50處理兩年地上部生物量和根生物量均值分別增加3.99%和8.82%、1.57%和19.09%。說明有機肥替代化肥為玉米生長提供大量營養(yǎng)，根系可吸收養(yǎng)分增多，進而促進根系和地上部生物量增加。

由表5可知，地上部氮素積累量隨著生育進程呈增加趨勢。與CK相比，NPK、NPKM30和NPKM50處理兩年籽粒氮素積累量均值分別增加75.27%、89.24%和91.41%；地上部氮素積累量均值分別增加87.62%、96.59%和105.11%；與NPK相比，NPKM30和NPKM50處理兩年籽粒氮素積累量均值分別增加7.97%和9.21%；地上部氮素積累量均值分別增加4.78%和9.33%。說明有機肥替代部分化肥可以促進植株體內氮素向玉米籽粒轉移。

如圖2所示，施肥顯著促進玉米各個關鍵生育時期的根長、根表面積和根體積。與CK相比，NPK、NPKM30、NPKM50處理兩年根長、根表面積和根體積均值分別增加46.19%、44.09%和56.12%，65.05%、64.32%和91.10%，87.52%、91.10%和113.84%。與NPK相比，NPKM30、NPKM50處理兩年根長、根表面積和根體積均值分別增加12.90%、14.03%和11.07%，28.27%、32.63%和36.97%。說明有機肥替代化肥能夠促進玉米根系生長，從而獲得更多的土壤養(yǎng)分。

表4 不同處理之間玉米產量、土壤N2O與CO2排放量以及全球增溫潛勢的差異

均值后字母表示不同處理間＜0.05水平差異顯著性 Different letters in same column indicated a statistically difference among treatment (＜0.05)

圖2 2018和2019年不同處理之間玉米根長、根表面積、根體積的差異

表5 2018年和2019年不同處理對玉米植株生物量、氮素積累量和土壤養(yǎng)分含量的影響

均值后字母表示不同處理間＜0.05水平差異顯著性 Different letters in same column indicated a statistical difference among treatment (＜0.05)

由表5可知，與CK相比，施肥顯著增加了根際和非根際土壤中的養(yǎng)分含量。與NPK相比，NPKM30和NPKM50的非根際土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、無機氮含量在3個關鍵生育時期均值分別降低38.64%和70.44%；9.03%和40.34%；16.61%和47.70%，而根際土壤中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、無機氮含量分別降低29.43%和29.48%、31.50%和18.83%、30.72%和22.83%。說明有機肥替代化肥可以促進植株對土壤養(yǎng)分的吸收，降低土壤中無機氮含量。

2.3 有機肥替代化肥對溫室氣體排放、GWP、GHGI、單位產量碳足跡的影響

2018和2019年玉米生育期內隨時間推移土壤N2O排放動態(tài)均呈逐漸降低趨勢（圖3-A，3-B）。與CK相比，NPK、NPKM30和NPKM50處理兩年N2O排放通量均值分別增加37.75%、45.24%和21.92%；與NPK兩年N2O排放通量均值相比，NPKM30處理增加5.43%，而NPKM50降低11.49%。

圖3 玉米生長季不同處理土壤N2O和CO2排放通量的動態(tài)變化

由表4可知，玉米生育期施肥顯著增加N2O累積排放量。與CK相比，NPK、NPKM30和NPKM50處理兩年N2O累積排放量均值分別增加38.04%、45.25%和27.11%；與NPK兩年N2O累積排放量均值相比，NPKM30處理增加5.22%，NPKM50處理降低7.92%。其中2018年N2O累積排放量占土壤全氮的14.76?—20.43?，2019年N2O累積排放量占土壤全氮的11.05?—17.06?。與CK相比，NPK、NPKM30和NPKM50處理兩年N2O排放強度均值分別降低1.65%、1.09%和8.66 %；與NPK兩年N2O排放強度均值相比，NPKM30處理增加0.57%，而NPKM50降低7.12%。施肥增加了土壤N2O排放系數(shù)，與NPK兩年N2O排放系數(shù)均值相比，NPKM30處理增加20.53%，NPKM50降低32.17%。說明盡管3個處理施入氮肥總量相同，但NPKM50處理有部分氮素以有機態(tài)形式存在，因此N2O釋放量相對較NPK化肥處理明顯減少，NPKM30處理可能是由于補充了適量碳素，促進微生物活動，增加了N2O釋放量。

2018和2019年玉米生育期內隨時間推移土壤CO2排放動態(tài)呈逐漸降低趨勢（圖3-C，3-D），且施肥顯著增加CO2排放通量。與CK相比，NPK、NPKM30和NPKM50處理兩年CO2排放通量均值分別增加25.03%、27.75%和42.22%；與NPK相比，NPKM30和NPKM50處理兩年CO2排放量通量均值分別增加2.18%和13.75%。說明玉米農田施肥對土壤呼吸的影響較大，有機肥替代化肥能夠增加CO2的排放量。

由表4可知，施肥顯著增加CO2累積排放量。與CK相比，NPK、NPKM30和NPKM50處理兩年CO2累積排放量均值分別增加21.53%、22.64%和28.57%；與NPK相比，NPKM30和NPKM50處理兩年CO2累積排放量均值分別增加0.91%和5.79%。由表4可知，施肥顯著增加了GWP，但降低了GHGI。且等氮量條件下施用有機肥處理的GHGI與單施化肥處理相比差異不顯著。與CK相比，NPK、NPKM30和NPKM50處理兩年GWP均值分別增加25.57%、28.17%和28.22%；與NPK相比，NPKM30和NPKM50處理兩年GWP均值增加了2.07%和2.10%。與CK相比，NPK、NPKM30和NPKM50處理兩年GHGI均值分別降低11.56%、13.73%和8.58%；與NPK兩年GHGI均值相比，NPKM30處理降低2.46%，而NPKM50處理增加3.37%。說明有機肥替代部分化肥（NPKM30）在增加產量的同時并沒有顯著增加土壤GWP和GHGI。

由表6可知，玉米整個生產過程中土壤溫室氣體排放（直接排放）是碳排放的主要來源，占總碳排放的83.33%—89.41%，其次是灌溉和化肥，除草劑和殺蟲劑導致的碳排放相對較低。施肥增加了總碳排放量，與NPK相比，NPKM30和NPKM50總碳排放量增加1.73%和1.75%。NPKM30處理的單位產量碳足跡比NPK處理的低1.43%，而NPKM50處理比NPK高1.43%。說明NPKM30在穩(wěn)定產量的同時實現(xiàn)低碳生產。

表6 生產過程中各項投入的碳排放和單位產量碳足跡

3 討論

3.1 有機肥替代化肥對N2O排放的影響

普遍研究認為，夏玉米生育期N2O 排放通量均在施肥后一周出現(xiàn)排放峰值[27]，這與本研究結果一致?？赡苁鞘┓蕿橥寥垒斎肓祟~外的無機氮源，硝化和反硝化作用反應底物增加，促進N2O的排放[13]。外源化肥的施用顯著促進N2O排放[28-29]。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米農田氮肥通過N2O排放流失量為5.04 kg·hm-2，N2O排放量約占土壤全氮的16.5?左右。而徐玉秀[30]認為，在土壤全氮＞1 g·kg-1條件下玉米生育期N2O排放量為0.59 kg·hm-2，N2O排放量約占土壤全氮的5.9%，有機肥施入農田后對土壤N2O排放的影響，因有機肥種類及施用量的不同可能存在較大差異[9,31]。

本研究認為，等氮量條件下用30%的有機肥替代化肥（NPKM30）增加玉米農田N2O累積排放量，但用50%的有機肥替代化肥（NPKM50）會顯著降低其排放量（表1）。這可能是因為少量有機肥替代化肥（NPKM30處理）向土壤帶入氮素的同時改變了土壤中C/N比，促進了微生物活動[15]，有機肥提供的有機分子可作為反硝化細菌的基本電子受體，且有機物質的分解消耗了土壤中的氧氣，造成厭氧環(huán)境，比化肥更能促進土壤反硝化作用產生N2O[13,17,32]。而NPKM50處理較NPKM30處理施入了更多的外源碳，等氮條件下速效養(yǎng)分相對減少，有機肥養(yǎng)分釋放速度較慢，導致土壤中速效氮含量降低，可供硝化和反硝化作用的反應底物減少，從而減少了N2O的產生和排放[33]；另外，有機質大量分解消耗土壤中的氧氣，使土壤中的N2O氣體被作為替代氧氣的電子受體還原為N2，也可能是降低N2O排放量的原因[14,16,34]。降雨量和溫度是影響N2O排放的重要因子。降雨量和溫度直接影響土壤含水量、通氣狀況和土壤硝化/反硝化微生物活性，同時調節(jié)土壤中N2O傳輸速率的物理化學參數(shù)，影響氮素的轉化過程，進而影響N2O排放[30]。劉運通等[35]研究認為，旱地N2O排放通量與土壤含水量在一定范圍內呈顯著正相關，土壤含水量高于田間持水量時，促進土壤反硝化，增加N2O排放。本研究發(fā)現(xiàn)2018年的N2O累積排放量比2019年高，可能是降雨量相對較多，促進土壤反硝化所致。

3.2 有機肥替代化肥對CO2排放的影響

土壤中CO2的排放受土壤物理、化學和生物過程的影響，與土壤碳、氮含量以及陽離子交換能力密切相關[36]。董玉紅等[37]通過比較小麥-玉米長期輪作條件下的不同肥料處理，發(fā)現(xiàn)氮磷鉀配施條件下CO2排放量顯著高于CK。這與本研究的施肥增加玉米農田CO2累積排放量的結果基本一致（表1）。氮磷鉀配施增加土壤CO2排放量，可能是因為施肥促進作物生長和根系分泌，增加了土壤呼吸底物及作物根系生物量，促進微生物對易氧化碳的利用和根系的呼吸[28-38]，從而提高CO2排放量[39-40]。湯桂容等[41]研究發(fā)現(xiàn)，兩個有機無機配施處理的CO2累積排放量比氮磷鉀配施處理高16%—23%。本研究也發(fā)現(xiàn)等氮量條件下兩個有機肥替代化肥處理的CO2排放量增加，一方面可能是由于有機肥替代化肥后促進玉米根系生長，根長、根表面積、根體積增加，根系呼吸增加[42-43]；DING等[44]在研究長期施用有機肥和氮肥對土壤CO2排放的影響中發(fā)現(xiàn)，有機無機混合肥處理比單施無機肥處理增加了土壤中有機碳含量，促進了土壤呼吸，這可能是CO2排放量增加的另一個原因。溫度是影響土壤呼吸過程的重要因素，在一定范圍內增加溫度，提高土壤微生物活性，促進有機碳礦化，增加CO2排放量[20]。本試驗連續(xù)兩年大氣溫度變化不大，可能是年CO2排放總量差別不大的主要原因。

3.3 有機肥替代化肥對夏玉米產量的影響

溫延臣[45]和謝軍等[46]研究認為，相較于單施化肥有機肥替代化肥不會降低作物產量。本研究發(fā)現(xiàn)等氮量條件下有機肥替代化肥主要是通過促進根系生長，增加玉米地下部和地上部生物量，使產量保持穩(wěn)定（圖3，表1、2），這一結果與向秀媛[47]和李孝良等[48]的基本一致。2019年產量高于2018年可能是由于乳熟期（8月18日）大風引起的玉米植株大面積倒伏所致。全球增溫潛勢（GWP）是評估不同溫室氣體對氣候系統(tǒng)潛在效應的一個相對指標[49]，溫室氣體排放強度（GHGI）是把全球增溫潛勢與作物產量相結合的綜合溫室效應評價指標，經(jīng)常被用來衡量不同施肥措施經(jīng)濟和環(huán)境效益[50]，而碳足跡可以明確作物整個生產過程中各生產要素產生溫室氣體的情況[23]。劉曉雨[50]研究發(fā)現(xiàn)，與氮磷鉀配施相比，氮磷鉀肥配施豬糞盡管增加了綜合溫室效應，但卻能夠增加作物產量，降低早稻單位產量的溫室氣體排放強度（GHGI）；李春喜等[23]研究了冬小麥-夏玉米兩熟制農田的碳足跡，認為碳足跡是由農藥、灌溉電力、機械耗油、化肥、種子和溫室氣體的直接排放所構成，其中化肥是碳足跡的主要來源。本研究發(fā)現(xiàn)NPKM30盡管增加全球變暖潛勢，但卻降低了GHGI（表3）和單位產量碳足跡（表6），說明用30%的有機肥替代化肥不僅能保持玉米產量穩(wěn)定，還可以降低溫室氣體排放強度和農田碳足跡，是玉米減肥減排低碳生產較為理想的替代比例。因此，從農田溫室氣體減排和保持產量穩(wěn)定角度出發(fā)，采用合適的有機肥用量替代化肥是實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益協(xié)調均衡的最佳措施。

4 結論

等氮、磷、鉀條件下采用適宜的有機肥替代化學氮肥，能夠保持玉米產量穩(wěn)定，增加植株生物量及其氮素積累量，同時增加CO2和N2O等溫室氣體排放量以及全球變暖潛勢，但卻能夠降低溫室氣體排放強度和單位產量碳足跡。綜合考慮玉米產量和生態(tài)效益，認為有機肥替代30%的化肥是黃淮海砂姜黑土區(qū)夏玉米生產的最佳替代比例。

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Effect of Organic Fertilizer Replacing Chemical Fertilizers on Greenhouse Gas Emission Under the Conditions of Same Nitrogen Fertilizer Input in Maize Farmland

LI XiaoLi, HE TangQing, ZHANG ChenXi, TIAN MingHui, WU Mei, LI ChaoHai, YANG QingHua, ZHANG XueLin*

AgronomyCollege, Henan Agricultural University/State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops for 2011, Zhengzhou 450002

【Objective】 The aim of this study was to investigate the effects of organic fertilizer replacing chemical fertilizer on soil greenhouse gas emission and global warming potential (GWP), so as to provide the theoretical basis for keeping crop yield stable, reducing fertilizer input and nitrogen (N) loss, and improving N use efficiency.【Method】In 2018 and 2019, a field experiment was conducted to study the effects of different organic fertilizers replacing chemical fertilizers rate on soil N2O flux, CO2flux and GWP and carbon footprint by using static chamber and gas chromatography in maize yield.Four treatments, including control (CK), single application of inorganic fertilizer (NPK), organic fertilizer replacing 30% inorganic fertilizers (inorganic fertilizers 180 kg N·hm-2+ organic fertilizer 90 kg N·hm-2, NPKM30), and organic fertilizer replacing 50% inorganic fertilizers (inorganic fertilizers 135 kg N·hm-2+organic fertilizer 135 kg N·hm-2, NPKM50), were established during maize growth periods.【Result】There was no significant difference of maize grain yield among NPK, NPKM30 and NPKM50 in 2018 and 2019.During the maize growth periods, the N2O emission flux showed temporal variations, and the average fluxes under three fertilizer treatments were higher than that under CK.Compared with NPK, NPKM30 increased the N2O cumulative emission by 5.22%, while reduced by 7.92% for NPKM50 treatment.The N2O cumulative emission over the maize growth periods accounted for 12.91?-18.74? of soil total N.During the maize growth periods, soil CO2flux showed similar temporal patterns among the four treatments, and the average flux for the two years ranged from 74.53 to 367.04 mg·m-2·h-1.Fertilization input significantly increased the cumulative CO2emission, and the average CO2accumulation under NPKM30 and NPKM50 treatments increased by 0.91% and 5.79% than that under NPK treatment, respectively.The average GWP under NPKM30 and NPKM50 treatments was 2.07% and 2.10% higher than that under NPK treatment, respectively.Compared with the NPK treatment, the GHGI and carbon emissions from per unit yield under NPKM30 treatment decreased by 2.46% and 1.43%, respectively, and increased by 3.37% and 1.43% under NPKM50 treatment, respectively.【Conclusion】 Suitable organic fertilizer rate replacing some chemical fertilizer could keep maize yield stable, increase greenhouse gas emission and global warming potential, while reduce greenhouse gas emission intensity and carbon emissions from per unit yield.Considering the ecological benefits of maize production and greenhouse gas emissions, the organic fertilizer replacing 30% inorganic fertilizers would be a more ideal proportion of organic fertilizer to replace chemical fertilizer.

organic fertilizer replacing chemical fertilizer; greenhouse gas; global warming potential; greenhouse gas emission intensity; carbon footprint

2021-01-17；

2021-04-22

國家重點研發(fā)計劃課題（2018YFD0200605）、河南省自然科學基金（182300410013）

李曉立，E-mail：18647376576@163.com。通信作者張學林，Tel：13643867669；E-mail：xuelinzhang1998@163.com，zxl1998@henau.edu.cn

（責任編輯 李云霞）