Effects of Different Nitrogen Management Methods on Soil N2O Emission and Crop Yield of Grain Field in North China

Abstract

通过华北小麦和玉米田已发表文献分析，明确不同施氮量、氮肥基追比及氮素调控措施对土壤N₂O排放和作物产量的影响。结果表明：高氮水平下减少氮肥用量并调整基追比有助于减少土壤N₂O排放；添加硝化抑制剂双氰胺（DCD）对小麦和玉米产量的提高和土壤N₂O的减排效果均较好。兼顾华北粮田N₂O减排和作物产量，小麦季推荐合理施氮量167～174 kg·hm^-2，基追比1∶1，添加DCD，土壤N₂O总排放量为 0.31 kg·hm^-2，籽粒产量6200 kg·hm^-2以上；玉米季推荐合理施氮量177～181 kg·hm^-2，基追比2∶3～1∶2，添加DCD，土壤N₂O总排放量1.70 kg·hm^-2，籽粒产量9000 kg·hm^-2以上。

Through the published literature analysis of wheat and maize field in North China, this study investigated the effects of different management methods of nitrogen(N) application rates, basal/topdressing ratios and N control measures on the soil N₂O emission and crop yield. The results showed that reducing N application rates and adjusting basal/top dressing ratios under high N level could decrease soil N₂O emissions. Besides, N application with nitrification inhibitor dicyandiamide(DCD) was an effective practice for wheat/maize yield enhancement and soil N₂O emission reduction. In order to reduce the soil N₂O emission as well as ensure crop yield production in North China, the optimal N application rate of 167~174 kg·hm^-2 at basal/top dressing ratio 1:1 with DCD was recommended for wheat production. As a result, soil N₂O total emission was 0.31 kg·hm^-2 and wheat grain yield reached more than 6200 kg·hm^-2. For maize production, the optimal N application rate of 177~181 kg·hm^-2 at basal/top dressing ratios 2:3~1:2 with DCD was regarded as the best practice. Soil N₂O total emission was 1.70 kg·hm^-2 and maize grain yield exceeded 9000 kg·hm^-2.

大气中温室气体不断增加是气候变暖及相关环境问题的重要根源。N₂O是一种重要的温室气体，在大气中的浓度比工业化前升高20%^[1]，农业生产中N₂O排放占总排放量的84%^[2]。由氮肥驱动的N₂O排放占土壤总N₂O排放量的25%～82%^[3]。

我国农田作物当季氮肥利用率只有30%左右，不被利用的氮素会对周边土壤、水体和气体产生较大负面影响^[4]。华北平原粮食总产量占全国1/7，是我国主要粮食产区^[5]。为获高产，农民向农田投入大量氮肥，小麦季高产区农民平均施纯氮为250.5 kg·hm^-2，最大可达301.5 kg·hm^{-2 [6, 7]}；一般玉米季施氮量为220～270 kg·hm^-2，高产区平均纯氮用量500～600 kg·hm^-2，远超过作物的氮素需求。该地区N₂O累积排放量为2.4～7.1 kg·hm^-2，最高可达12.6 kg·hm^{-2 [8, 9]}。针对农田N₂O减排的研究主要集中在氮肥用量和种类、耕作措施以及长效肥料、氮素控制剂等方面。众多学者指出，华北地区小麦/玉米轮作中氮肥施用量降至150～200 kg·hm^-2，既能保证作物产量又可减少环境污染^{[10, 11, 12]}。胡小康等^[13]研究表明，随氮肥用量增加，土壤N₂O排放呈直线或曲线增加。氮素调控剂(DCD)^[14]、氮肥包膜^[15]、纳米增效尿素^[16]等均在促进氮肥利用的同时降低了环境污染风险。

目前，针对华北粮田N₂O排放虽进行了大量研究，但大部分是特定区域单一试验结果，缺乏系统性。因此，本文通过查阅大量已发表文献，对华北小麦和玉米田不同氮肥用量、氮肥基追比例以及氮素调控剂等对土壤排放N₂O和作物产量的影响进行综合分析，试图明确粮田系统较合理的减排N₂O和增产作物模式，为华北地区农业安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

本文以冬小麦、夏玉米为研究对象，集中在氮肥施用量、氮肥基追比以及氮素调控剂使用方面，查阅和综合分析近期公开发表的国内外期刊和硕博士学位论文。不同文献中的相同指标均换算为统一单位，其中计算N₂O减排与作物增产均以各自试验的不施氮肥处理为对照进行核算。采用MATLAB软件进行各指标相关性逐步回归分析。各指标计算公式为：

N₂O排放量增加率(%)=(施氮处理N₂O排放量-不施氮处理N₂O排放量)/不施氮处理N₂O排放量×100

作物增产率(%)=(施氮处理作物产量-不施氮处理作物产量)/不施氮处理作物产量×100

单位氮肥N₂O排放量(g·kg^-1)=施氮处理N₂O排放量/纯氮施用量

单位产量N₂O排放量(mg·kg^-1)=N₂O排放量/作物产量

2 结果与分析

2.1 麦田土壤N₂O排放及小麦产量

2.1.1 不同氮肥施用量和基追比对土壤N₂O排放及小麦产量的影响

收集华北区麦田10个实验42组数据，利用MATLAB软件统计建模，分别以N₂O排放总量和产量为因变量，纯氮用量、N₂O增排率、单位氮肥N₂O排放量、单位产量N₂O排放量和增产率为自变量进行逐步回归分析。N₂O排放总量为因变量时(图 1)，根据残差图逐步去除异常值后保留20组有效数据，拟合出最佳回归方程为Y=0.001 53-2.77e^-6 X1-1.83e^-5 X2+0.002 16X3+0.006 22X4(r=0.999^**)，最优拟合下施氮量167 kg·hm^-2时的土壤N₂O平均排放量为0.31 kg·hm^-2，且纯氮用量、N₂O增排率、单位氮肥N₂O排放量和单位产量N₂O排放均会显著影响麦田N₂O的总排放量。当产量为因变量时(图 2)，根据残差图逐步去除异常值后保留31组有效数据，拟合出最佳回归方程为Y=6 230.89-0.064 3X1+53.127X2-1.054 X3(r=0.757^**)。最优拟合下施氮量174 kg·hm^-2时的小麦平均产量6 258 kg·hm^-2。综合施氮肥土壤减排N₂O和小麦增产，以施氮量167～174 kg·hm^-2即可保证增产较大，又排放N₂O较少。

图 1 麦田N2O总排放量逐步回归分析Figure 1 Stepwise regression analysis of soil N2O total emissions in wheat field

根据图 1和图 2逐步回归分析确定的小麦较优施氮量范围167～174 kg·hm^-2，在施氮量150～225 kg·hm^-2 范围内。根据文献报道(表 1)，施氮量150～225 kg·hm^-2时的N₂O增排率为20.5%～176.9%，其中2：3和4：3：3的基追比增排率较大，而1：0和1：1的基追比增排率较小；1：1氮肥基追比的单位氮肥和单位产量N₂O排放量均小于其他处理，1：1和2：3的小麦增产率均比1：0大。因此，麦田基追比例1：1减排N₂O又有利于增产。

图 2 小麦产量逐步回归分析Figure 2 Stepwise regression analysis of wheat yield

表 1 不同氮素基追比对麦田土壤N2O排放和小麦产量的影响 Table 1 Effects of different nitrogen ratios of basal to top dressing on soil N2O emissions and wheat yield

2.1.2 氮素调控剂对麦田土壤N₂O排放及小麦产量的影响

由表 2可知，施氮量100 kg·hm^-2时，包膜比未包膜处理的土壤N₂O增排率减少50个百分点，作物增产率高6个百分点；施氮量150 kg·hm^-2时，与等量无机氮肥比，添加DCD增排N₂O 5.1个百分点，包膜处理无变化，添加DCD比包膜处理单位产量N₂O排放量减少0.7 mg·kg^-1，小麦增产率高8.1个百分点。施氮量180 kg·hm^-2进行氮素调控比225 kg·hm^-2氮肥的N₂O减排增产效果明显，添加纳米碳比DCD增排28.0个百分点，单位氮肥N₂O排放量增加0.9 g·kg^-1，单位产量N₂O排放量增加17.2 mg·kg^-1，小麦增产率低0.7个百分点，说明添加DCD减排增产效果好。施氮量200 kg·hm^-2时，包膜比添加DCD土壤N₂O增排率增加40.2个百分点，单位氮肥N₂O排放量增加0.5 g·kg^-1，单位产量N₂O排放量增加35.2 mg·kg^-1，小麦增产率低8.6个百分点，说明添加DCD较包膜有利于稳产减排。施氮量225 kg·hm^-2时，添加DCD比等量氮肥减排N₂O 93个百分点且增产率高46.3个百分点。施氮量300 kg·hm^-2添加DCD比等量无机氮肥N₂O排放下降90.7个百分点，小麦增产率高30.7个百分点，较270 kg·hm^-2的包膜处理减排N₂O 139.6个百分点且小麦增产率高73.6个百分点，说明DCD能抑制高氮水平下麦田N₂O的排放。因此，不同施氮水平下添加DCD均比包膜肥料减排增产效果明显。

表 2 氮素调控剂对麦田土壤N2O排放及小麦产量的影响 Table 2 Effects of different nitrification inhibitors on soil N2O emissions and wheat yield

2.2 玉米田土壤N₂O排放及玉米产量

2.2.1 不同施氮量和基追比对土壤N₂O排放及玉米产量的影响

玉米田利用MATLAB软件建模，分别以N₂O排放总量和产量为因变量，纯氮用量、N₂O增排率、单位氮肥N₂O排放量、单位产量N₂O排放量和增产率为自变量进行逐步回归分析。N₂O排放总量为因变量时(图 3)，根据残差图逐步去除异常值后保留29组有效数据，拟合出最佳回归方程为Y=-0.001 56+0.001 26X1+0.021 1X2+0.006 67X3(r=0.998^**)，最优拟合下施氮量181 kg·hm^-2时的土壤N₂O平均排放量1.70 kg·hm^-2，且纯氮用量、单位氮肥N₂O排放和单位产量N₂O排放均会显著影响土壤N₂O的总排放量；当产量为因变量时(图 4)，根据残差图逐步去除异常值后保留36组有效数据，拟合出最佳回归方程为Y=8 576.58+7.545X1+54.031X2-6.088X3(r=0.813^**)，最优拟合下施氮量177 kg·hm^-2时玉米平均产量为9 046 kg·hm^-2。综合施氮肥减排N₂O和玉米增产，以施氮量177～181 kg· hm^-2即可保证增产较大，又排放N₂O较少。

图 3 玉米田N2O总排放量逐步回归分析Figure 3 Stepwise regression analysis of soil N2O total emissions in maize yield

图 4 玉米田产量逐步回归分析Figure 4 Stepwise regression analysis of maize yield

根据图 3和图 4逐步回归分析确定的较优玉米施氮量范围177～181 kg·hm^-2，在施氮量150～260 kg·hm^-2范围内。根据文献报道(表 3)，施氮量150～180 kg·hm^-2时，基追比2：3比1：0和1：1的单位氮肥N₂O排放量增加8.4～13.1 g·kg^-1，单位产量N₂O排放量增加220.5～270.6 mg·kg^-1，无减排增产趋势。施氮量225 kg·hm^-2且基追比2：3明显比一次性基施氮肥减少N₂O总排放量和单位氮肥N₂O排放量，作物可增产38.6%；同等试验中基追比2：3比1：0减排N₂O 22.3个百分点，增产3.2个百分点。与施氮240 kg·hm^-2基追比1：1比，施氮量210 kg·hm^-2和263 kg·hm^-2基追比1：2的土壤N₂O增排率分别下降530.2、513.1个百分点，单位氮肥和单位产量N₂O排放量相近，增产率提高11.4、14.5个百分点，单位氮肥和单位产量N₂O排放量相近，增产率提高11.4、14.5个百分点，说明基追比1：2有利于中氮区玉米稳产减排。因此，玉米田氮肥基追比例为2：3～1：2可稳产减排。

表 3 不同氮素基追比对玉米田土壤N2O排放和玉米产量的影响 Table 3 Effects of different nitrogen ratios of basal to top dressing on soil N2O emissions and maize yield

2.2.2 氮素调控剂对土壤N₂O排放及玉米产量的影响

笔者收集了玉米田研究最多的氮素调控措施(包膜控释肥料、纳米增效尿素/碳铵和DCD)(表 4)。在纯氮量160 kg·hm^-2时，添加DCD N₂O增排率降低62.5个百分点且增产率上升7.3个百分点。施氮量180 kg·hm^-2时的单位氮肥和单位产量N₂O排放量均表现为硫包膜>180+5%DCD>纳米增效尿素>纳米增效碳铵>180+10%DCD，几种调控剂间增产(相差最大25.1个百分点)不及N₂O增排(相差最小73个百分点)幅度大，说明该施氮量下添加10%DCD 综合效果较好。施氮量210 kg·hm^-2时，包膜处理的N₂O增排率比添加DCD 处理高25.9个百分点，单位氮肥N₂O排放量增加0.7 g·kg^-1，单位产量N₂O排放量增加15.8mg·kg^-1，增产率下降3.2个百分点；施氮225 kg·hm^-2添加DCD 比等量无机氮肥降低N₂O增排率111.8个百分点，包膜却增排N₂O39.5个百分点，单位氮肥和单位产量N₂O排放量均有DCD 减排而包膜处理增排的趋势，玉米增产率DCD 和包膜处理的分别提高47.7、10.5个百分点，说明氮量210 kg·hm^-2和225kg·hm^-2时，添加DCD 无论减排还是增产均比包膜肥料效果明显。因此，玉米田添加DCD 比其他氮素调控措施增产减排潜力大。

表 4 氮素调控剂对土壤N2O排放及玉米产量的影响 Table 4 Effects of different nitrification inhibitors on soil N2O emissions and maize yield

3 讨论

华北地区小麦和玉米生产中普遍存在氮肥用量高、利用率低、作物养分需求与土壤、肥料养分供应不同步等问题。本文旨在寻找该区合适的施氮水平，提高氮肥利用率，缓解N₂O排放。吉艳芝等^[17]报道，河北小麦高产且N₂O排放量较少的施氮量为150 kg·hm^-2。宋利娜等^[37]指出，施氮量210 kg·hm^-2为华北区小麦优化管理模式，土壤N₂O总排放量1.19 kg·hm^-2，籽粒产量6 140 kg·hm^-2。王艳群等^[18]研究表明，225 kg·hm^-2的氮素水平下，小麦产量6 258 kg·hm^-2，土壤排放N₂O1.06 kg·hm^-2。本文通过汇总文献资料并进行逐步回归分析，确定小麦最优施氮量为167~174 kg·hm^-2，N₂O排放0.31 kg·hm^-2，产量在6 200 kg·hm^-2以上，在稳产下比上述研究更能减排N₂O，精确了麦田最佳施氮量范围。刘亚男^[24]研究表明，玉米季施氮量392 kg·hm^-2时，产量最高为9 461 kg·hm^-2，土壤排放N₂O3.31 kg·hm^-2。蔡祖聪等^[38]研究表明，华北潮土上施氮量150 kg·hm^-2的玉米产量和环境效应最好，籽粒产量7 633 kg·hm^-2且多年产量变异较小。本文拟合玉米最优施氮量为177~181 kg·hm^-2，尽管施肥量稍高于蔡祖聪等研究结果，但研究样点涉及区域广，土壤类型多，籽粒产量也在9 000 kg·hm^-2以上，增产明显。与茹淑华等^[39]在该区6 年定位试验获得的最佳施肥量与产量结果比较接近，但本研究施氮量区间结合N₂O减排，概括性更强，范围更集中，便于生产中应用。

该区小麦种植建议选用基追比例为1：1，而玉米季则建议基追比为2：3~1：2，这与该地区的灌溉和降水相关。水分是影响N₂O产生和排放的一个重要因素，同时影响养分转化和移动。玉米季雨热同期，利于N₂O排放，高水分条件下土壤N₂O排放量大于正常水分^[40]。玉米生长前期吸收土壤氮素少^[41]，在水分较好时作物对氮肥依赖性小，增加了氮的移动性；而后期玉米生长旺盛，根系吸收土壤氮素能力增强，不增加后期N₂O排放^[42]。玉米季将基追比例调至2：3~1：2 既能保证产量又能减排N₂O。小麦季，低温和持续干燥的冬季会降低土壤微生物和硝化反硝化细菌的活动，比玉米季受水分影响小，基追比例为1：1 时没有增排N₂O。王蔚华等^[43]指出，基追比8：2 时，由于前期施肥比例占一生的80%，导致后期缺肥，影响小麦产量；但基追比调整为2：8 时，光合功能不强导致粒重低，只有基追比1：1增加粒重提高产量。因此，基追比1：1 是减少氮肥总量投入、实现氮肥养分资源高效管理的有效途径。

合理氮素调控措施在减少氮肥用量的同时可增产减排N₂O。研究发现在华北小麦玉米种植区添加DCD可使小麦季N₂O排放量下降49%^[44]，小麦/玉米轮作季降低23.1%~31.1%，小麦增产16.7%~24.6%，玉米增产29.8%~34.5%^{[16, 18]}，极少发现减产^[45]。本文综合分析华北区小麦/玉米粮田增施DCD有利于减排增产，这可能是由于DCD 和尿素混合施入土壤后，能通过抑制氨氧化菌或者相关酶的活性，有效延缓NH+4 -N 氧化为NO₃^--N的进程，使土壤中的NH₄⁺-N保持较高水平，延长氮肥肥效，从而减少N₂O的排放，提高作物产量^[46]。

4 结论

通过逐步回归分析汇总文献资料，兼顾小麦/玉米田N₂O减排和2 种作物产量，在氮肥管理中，小麦季推荐合理施氮量167~174 kg·hm^-2，N₂O总排放量降至0.31 kg·hm^-2，产量6 200 kg·hm^-2以上；玉米季，推荐合理施氮量177~181 kg·hm^-2，N₂O总排放量降至1.70 kg·hm^-2，产量9 000 kg·hm^-2以上。同时，在该区氮肥合理用量基础上添加DCD 调控均能显著降低小麦和玉米田N₂O排放，且调整基追比也是降低N₂O排放的有效途径，但两季作物比例不同，小麦季基追比例1：1 效果较好，玉米季将基追比例调至2：3~1：2可增产减排。

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