劉高遠，和愛玲，杜君，呂金嶺，聶勝委，潘秀燕，許紀東，李玨，楊占平

有機肥替代化肥對砂姜黑土區(qū)小麥-玉米輪作系統(tǒng)N2O排放的影響

劉高遠1,2，和愛玲1，杜君1，呂金嶺1，聶勝委1，潘秀燕3，許紀東3，李玨4，楊占平1

1河南省農業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，鄭州 450002；2河南省農業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室，鄭州 450002；3遂平縣農業(yè)科學試驗站，河南駐馬店 463100；4河南省水利水電學校，河南周口 466000

【目的】探究有機肥替代化肥條件下砂姜黑土區(qū)小麥-玉米輪作系統(tǒng)N2O排放特征及與土壤環(huán)境因子的關系，為實現(xiàn)農田溫室氣體減排提供理論依據(jù)。【方法】以砂姜黑土區(qū)小麥-玉米輪作系統(tǒng)為研究對象，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法與常規(guī)土壤參數(shù)分析相結合，研究不施肥（CK）、常規(guī)施肥（CF）、有機肥氮替代20%化肥氮及有機肥氮替代40%化肥氮（R2FM及R4FM，有機肥于小麥季施用）對小麥-玉米輪作系統(tǒng)N2O排放的影響及與關鍵驅動因子的關系?！窘Y果】R2FM及R4FM處理小麥產(chǎn)量顯著高于CF處理，增幅分別為12.2%和10.2%，而不同施肥處理之間玉米產(chǎn)量無顯著差異。CK、CF、R2FM及R4FM處理周年N2O平均排放通量分別為5.9、50.3、43.9及39.6 μg·m-2·h-1，其中小麥季為3.1、23.6、25.0及26.4 μg·m-2·h-1，玉米季為8.8、77.0、62.8及52.9 μg·m-2·h-1；不同施肥處理下N2O排放通量與土壤NO3--N含量呈極顯著正相關，同時還與小麥季土壤溫度、玉米季土壤含水量呈顯著或極顯著正相關。CF、R2FM及R4FM處理周年N2O累積排放量分別為2.38、2.44及2.53 kg·hm-2，較CK處理（0.56 kg·hm-2）顯著增加325%—354%，N2O-N排放系數(shù)為0.40%—0.44%，但CF、R2FM及R4FM處理之間周年N2O累積排放量、N2O-N排放系數(shù)均無顯著差異。不同施肥處理下季節(jié)性N2O累積排放量存在差異，與CF處理相比，R2FM及R4FM處理在小麥季N2O累積排放量分別顯著提高28.3%和62.6%，且二者N2O-N排放系數(shù)（0.35%和0.41%）顯著增加，而在玉米季N2O累積排放量分別顯著降低15.8%和33.8%；N2O累積排放量與小麥季土壤全氮、堿解氮、微生物量碳含量及玉米季土壤全氮含量呈顯著或極顯著正相關，而與玉米季土壤有機碳含量呈顯著負相關?！窘Y論】在有機肥氮替代化肥氮條件下，優(yōu)化小麥季施肥管理是減少砂姜黑土區(qū)小麥-玉米輪作系統(tǒng)N2O排放的關鍵。

小麥-玉米輪作；化肥減施；畜禽糞便；氧化亞氮；溫室氣體；砂姜黑土

0 引言

【研究意義】N2O是全球增溫的三大溫室氣體之一，百年增溫潛勢是CO2的298倍[1]。農田是N2O的重要排放源，對全球N2O排放的貢獻率為60%左右，對我國N2O排放的貢獻率高達70%以上[2-3]。施肥是農田N2O排放的關鍵驅動因子[4]，持續(xù)關注施肥管理對農田N2O排放的影響具有重要意義。有機肥替代化肥是農田化肥使用量零增長及地力持續(xù)提升的一種重要施肥方式，但在如何影響農田N2O排放的問題上仍存在爭議，明確該施肥方式下農田N2O排放特征及環(huán)境因子之間的關系，有助于實現(xiàn)農田溫室氣體減排?！厩叭搜芯窟M展】已有相關文獻報道，有機肥替代化肥能夠改善土壤團聚體分布[5]、養(yǎng)分特性[6]及微生物群落特征[7]，還能夠提高作物產(chǎn)量與品質[8]。然而，有機肥替代化肥改變了施肥結構與土壤性質，加之區(qū)域性氣候、土壤類型等因素的差異，導致硝化與反硝化作用強度發(fā)生變化，進而影響農田土壤N2O排放[9]。目前，在同一種植制度下，有機肥替代化肥對土壤N2O排放的影響結果并不一致，如已有研究指出，在等氮量條件下，有機肥氮替代部分化肥氮處理較單施化肥處理顯著提高了土壤N2O排放量[10-11]；但也有研究發(fā)現(xiàn)，在等氮量條件下，有機肥替代部分化肥處理較單施化肥處理顯著降低了土壤N2O排放量[12]。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，在等氮量條件下，有機肥替代化肥處理土壤N2O排放量與單施化肥處理之間差異并不顯著[13]。有機肥替代化肥比例及種類不同也會導致土壤N2O排放產(chǎn)生很大差異，如侯苗苗等[14]發(fā)現(xiàn)，與單施化肥處理相比，有機肥氮替代75%及100%化肥氮處理均顯著降低了土壤N2O排放量，而低于75%替代比例處理則有所增加；李燕青等[15]發(fā)現(xiàn)，與單施化肥處理相比，3種有機肥氮替代化肥氮處理土壤N2O排放量各不相同，由高至低依次為豬糞、雞糞、牛糞處理。因此，在多變的氣候背景下，有機肥替代化肥對農田N2O排放的影響及作用機理仍需進一步研究?！颈狙芯壳腥朦c】砂姜黑土是我國典型的中低產(chǎn)土壤類型之一，主要分布在黃淮海平原南部，總面積約371萬hm2，在保障國家糧食安全中起著關鍵作用[16]。小麥-玉米輪作是砂姜黑土區(qū)最常見、最重要的種植制度，但由于多發(fā)性土壤障礙因子的存在及長期采用“高投入、高消耗、高產(chǎn)出”的耕種方式，導致土壤肥力持續(xù)下降[17]。前人研究發(fā)現(xiàn)，有機肥替代部分化肥能夠改善砂姜黑土小麥-玉米輪作系統(tǒng)土壤性質及提高肥料利用率與作物產(chǎn)量[18-19]，但關于農田N2O排放及與環(huán)境因子關系的研究鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】本研究以砂姜黑土區(qū)小麥-玉米輪作系統(tǒng)為研究對象，探究有機肥替代化肥對土壤N2O排放的影響及與關鍵驅動因子之間的關系，以期為砂姜黑土區(qū)農田地力提升及溫室氣體減排提供理論與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019—2020年在河南省駐馬店市遂平縣農業(yè)科學試驗站（113°97′E，33°15′N）開展。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫14.9 ℃，年均降雨量972 mm，降雨主要集中在6—8月份，約占全年降雨量的70%，年均蒸發(fā)量1 574 mm，無霜期220 d。土壤類型為砂姜黑土，耕層（0—20 cm）土壤砂粒（0.05—2 mm）、粉粒（0.05—0.002 mm）及黏粒（＜0.002 mm）含量分別為30.9%、25.8%及43.3%。試驗期間溫度及降雨量的變化見圖1。

圖1 2019—2020年試驗期間氣溫及降雨量的變化

1.2 試驗設計

在2017年小麥-玉米輪作定位試驗基礎上，于2019年小麥季選擇不施肥（CK）、常規(guī)施肥（CF）、有機肥氮替代20%化肥氮（R2FM）及有機肥氮替代40%化肥氮（R4FM）4個處理開展本研究。所有處理均為3次重復，共12個小區(qū)，小區(qū)面積5 m×6 m＝30 m2，完全隨機排列。化肥種類為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）；有機肥種類為豬糞（干基），其有機質、全氮、全磷及全鉀含量分別為31.9%、2.2%、1.0%及0.6%。不同處理施肥量見表1?；适┯梅绞饺缦拢涸谛←溂?，70%氮肥及全部磷鉀肥基施、翻壓，深度15 cm左右，剩余氮肥于拔節(jié)期追施；在玉米季，采用免耕，種、肥同播的方式，無追肥。由于玉米季常年采用免耕，種、肥同播的方式，有機肥施用難度大，故將R2FM及R4FM處理全部有機肥在小麥季施用，施用方式為基施、翻壓，深度15 cm左右，并依據(jù)有機肥中磷鉀量減量施用化肥的磷鉀量。

供試小麥及玉米品種分別為鄭麥7698和鄭單1002。小麥播量180 kg·hm-2，行距20 cm，于當年10月下旬播種，翌年6月上旬收獲；玉米種植密度75 000株·hm-2，株行距22 cm×60 cm，于當年6月上旬種、肥同播，當年9月下旬收獲。所有處理田間管理水平一致，灌水、病蟲草害防控等措施參考當?shù)剞r戶習慣。

表1 不同處理施肥量

1.3 樣品采集與分析

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法觀測土壤N2O排放。每個小區(qū)均設置1個氣體采樣箱，采樣箱制作規(guī)格參考小麥及玉米行距。采樣箱由底座和頂箱組成，材料為聚乙烯塑料，底座規(guī)格為60 cm×20 cm×10 cm，底座上端有密封水槽；頂箱規(guī)格為60 cm×20 cm×20 cm，上端有封閉在箱體內部的電子溫度計探頭、小風扇及采集接口。安裝時，將底座全部嵌入行間土壤，密封水槽上沿與地面相平，扣上頂箱并加水密封。樣品采集頻率不等，施肥后每周3—5次，之后其他時期每周1—2次，冬季每周2—3次，雨后增加1—2次。采樣前，準備好50 mL一次性注射器、真空集氣袋，并將頂箱放入底座水槽、注水密封；采集時間為9：00—11：00，于0、10、20、30、40 min分別用注射器抽取箱內氣體樣品30 mL，注入真空集氣袋內，密封避光保存；采樣后真空集氣袋帶回實驗室，4 ℃低溫保存，并于72 h內利用氣相色譜儀（Agilent 6820，美國Agilent公司）分析N2O濃度。

收集N2O樣品時，利用土壤溫度測定儀（HZ-TJ1，北京合眾博普科技發(fā)展有限公司）測定耕層土壤溫度，采用土壤水分速測儀（M12x，英國DELTA-T公司）測定耕層土壤體積含水量；同時，采集耕層土樣，利用連續(xù)流動分析儀（AA3，德國SEAL公司）測定土壤無機氮（NO3--N和NH4＋-N）含量。以上指標用于分析N2O排放與關鍵驅動因子的關系。

于小麥及玉米收獲期，采用人工收割的方式，將各小區(qū)籽粒樣品全部收獲，脫粒、曬干，測定并計算產(chǎn)量。在小麥及玉米收獲后，采用“五點式”取樣法，利用直徑3 cm土鉆采集耕層土樣，測定土壤pH、有機碳、全氮、堿解氮和微生物量碳，用于分析N2O累積排放量與土壤基本性質的關系。pH采用電位測定法（水土比＝2.5﹕1）測定，微生物量碳采用氯仿熏蒸-提取測定法測定[20]，有機碳、全氮和堿解氮的測定方法均參考鮑士旦的《土壤農化分析（第三版）》[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

按Lü等[22]的方法計算N2O排放通量（）及累積排放量（），公式如下：

式中，為N2O排放通量（μg·m-2·h-1），為標準狀態(tài)下N2O氣體密度（1.977 g·m-3），為采集箱高度（m），為箱內氣體濃度的變化（μg·h-1），為采樣箱內平均溫度（℃）。

式中，為N2O累積排放量（kg·hm-2），為N2O氣體排放通量（μg·m-2·h-1），為采樣次數(shù)，d+1-d為相鄰兩次采樣間隔天數(shù)（d），0.01為轉換系數(shù)。

N2O-N排放系數(shù)（）采用以下公式計算：

式中，為N2O-N排放系數(shù)（%），C及0分別為施肥及不施肥處理下N2O累積排放量（kg·hm-2），為施氮量（kg·hm-2）。

采用Excel 2013整理數(shù)據(jù)。利用SPSS 21.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，多樣本組間比較采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差數(shù)法（LSD法）比較分析；相關性分析采用Pearson相關系數(shù)法。利用OriginPro 2017繪圖。

2 結果

2.1 不同處理對作物產(chǎn)量的影響

與CK處理相比，不同施肥處理均顯著提高了作物產(chǎn)量，其中小麥產(chǎn)量增幅為35.1%—58.9%，玉米產(chǎn)量增幅為51.2%—57.9%，且R2FM及R4FM處理小麥產(chǎn)量顯著高于CF處理，增幅分別為12.2%和10.2%，但不同施肥處理之間玉米產(chǎn)量無顯著差異（圖2）。

2.2 不同處理下季節(jié)性N2O排放通量與關鍵驅動因子的關系

2.2.1 N2O排放通量的季節(jié)性變化 不同處理下N2O排放通量的季節(jié)性變化結果表明（圖3），在施肥處理下，N2O排放通量的變化趨勢較為一致，周年累積出現(xiàn)3次排放峰值且均在施肥后，其中小麥季出現(xiàn)2次，玉米季出現(xiàn)1次。此外，N2O排放通量在降雨后也會有一定程度的增加，出現(xiàn)短暫的排放高峰。在作物生長季內，CK、CF、R2FM及R4FM處理周年N2O排放通量為0.11—28.5、0.28—431.4、0.23—351.9及0.21—301.0 μg·m-2·h-1，平均排放通量分別為5.9、50.3、43.9及39.6 μg·m-2·h-1，且整體呈現(xiàn)施肥處理高于CK處理、玉米季高于小麥季的現(xiàn)象，如CK、CF、R2FM及R4FM處理在小麥季N2O平均排放通量分別為3.1、23.6、25.0及26.4 μg·m-2·h-1，而在玉米季分別為8.8、77.0、62.8及52.9 μg·m-2·h-1。

柱子上不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05）

箭頭表示施肥時間Arrows indicate fertilization time

2.2.2 N2O排放關鍵驅動因子的季節(jié)性變化 不同處理下土壤溫度及體積含水量明顯受季節(jié)性變化的影響（圖4）。周年土壤溫度為-0.1—28.4 ℃，均值17.1 ℃，小麥季及玉米季土壤溫度分別為-0.1—22.8和23.5—28.4 ℃，均值分別為9.6及24.6 ℃；周年土壤體積含水量為13.2—33.9 m3·m-3，均值21.1 m3·m-3，小麥季及玉米季土壤體積含水量分別為13.2—27.4及14.1—33.9 m3·m-3，均值分別為18.8及23.4 m3·m-3。此外，土壤體積含水量變化與季節(jié)性降雨量呈顯著或極顯著相關，如與小麥季降雨量呈顯著正相關，2為0.30（＜0.05）；與玉米季降雨量呈極顯著正相關，2為0.42（＜0.01）。

不同處理下土壤無機氮含量的季節(jié)性變化結果表明（圖5），CK處理土壤無機氮含量受季節(jié)性影響較小，NO3--N及NH4＋-N含量分別為3.67—9.64及0.45—1.14 mg·kg-1。然而，在施肥處理下，土壤無機氮含量受季節(jié)性影響較大，NO3--N及NH4＋-N含量分別為5.63—37.91及0.58—8.39 mg·kg-1。此外，不同施肥處理的土壤無機氮含量較CK處理明顯增加，其增幅與化肥氮用量相關，由高至低依次為CF、R2FM及R4FM處理。

2.2.3 季節(jié)性N2O排放通量與關鍵驅動因子的關系 N2O排放通量與土壤溫度、體積含水量及無機氮之間的相關性分析結果表明（表2），不同處理下N2O排放通量與周年土壤NO3--N含量呈顯著正相關，且與施肥處理的土壤NO3--N含量呈極顯著正相關。施肥處理的N2O排放通量與周年土壤NH4＋-N含量、溫度及體積含水量無顯著相關性，但與小麥季土壤溫度、玉米季土壤體積含水量呈顯著或極顯著正相關。

2.3 不同處理下N2O累積排放量及與土壤特性的關系

2.3.1 N2O累積排放量及N2O-N排放系數(shù)的變化 表3所示，不同處理對N2O累積排放量及N2O-N排放系數(shù)的影響。施肥處理之間周年N2O累積排放量（2.38—2.53 kg·hm-2）、N2O-N排放系數(shù)（0.40%—0.44%）均無顯著差異，但施肥處理的N2O累積排放量較CK處理顯著提高325%—354%，其中小麥季增幅209%—404%，玉米季增幅288%—479%。在同一作物季節(jié)內，不同施肥處理之間N2O累積排放量、N2O-N排放系數(shù)存在很大差異，如與CF處理相比，R2FM及R4FM處理在小麥季N2O累積排放量分別顯著增加28.4%和62.6%，N2O-N排放系數(shù)分別為0.35%和0.41%；而二者在玉米季N2O累積排放量分別顯著降低15.8%和33.8%，N2O-N排放系數(shù)分別為0.52%和0.50%。

表2 N2O排放通量與土壤溫度、體積含水量及無機氮之間的相關性

T和VWC分別表示土壤溫度和體積含水量; *和**分別表示在＜0.05和＜0.01水平上顯著相關。下同

T and VWC indicate soil temperature and soil volumetric water content, respectively. * and ** indicate significant correlation at＜0.05 and＜0.01 levels, respectively. The same below

表3 不同處理對N2O累積排放量及N2O-N排放系數(shù)的影響

2.3.2 土壤基本性質 與CK處理相比，施肥處理顯著提高了小麥季及玉米季土壤有機碳、全氮、堿解氮和微生物量碳含量，小麥季增幅分別為11.3%—49.5%、51.1%—77.8%、53.7%—116.9%和58.6%—147.1%，玉米季增幅分別為12.3%—44.3%、60.5%—72.1%、55.0%—83.8%和59.3%—88.0%，且R2FM及R4FM處理小麥季以上指標及玉米季土壤有機碳增幅顯著高于CF處理；不同施肥處理之間土壤pH無顯著差異，但較CK處理均顯著降低（表4）。

2.3.3 N2O累積排放量與土壤基本性質的關系 由表5可知，小麥季N2O累積排放量與土壤全氮含量、微生物量碳含量呈極顯著正相關，與土壤堿解氮含量呈顯著正相關，說明小麥季N2O累積排放量主要受土壤氮儲量、轉化及有效性的影響；在玉米季，N2O累積排放量與土壤全氮呈顯著正相關，但與土壤有機碳、碳氮比呈顯著負相關，說明玉米季N2O累積排放量主要受土壤碳氮儲量的影響。

表4 不同處理下土壤基本性質的變化

表中OC、TN、AHN和MBC分別表示有機碳、全氮、堿解氮和微生物量碳。同列不同字母表示處理間差異顯著（＜0.05）。下同

In the table, OC, TN, AHN and MBC indicate organic C, total N, alkali-hydrolyzed N and microbial biomass C, respectively. Different letters in the same column indicate significant differences (＜0.05) between different treatments. The same below

表5 N2O累積排放量與土壤基本性質之間的相關性

3 討論

3.1 有機肥替代化肥對作物產(chǎn)量的影響

長期定位試驗結果[12,23]已表明，在小麥-玉米輪作系統(tǒng)中，與單施化肥處理相比，周年有機肥氮替代不同比例化肥氮能夠實現(xiàn)小麥增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)及玉米穩(wěn)產(chǎn)，他們認為有機肥與化肥配施不僅能夠改善土壤物理結構與養(yǎng)分狀況，而且還能夠促進土壤微生物生長繁殖與新陳代謝，進而提高了土壤養(yǎng)分有效性與固持能力及作物養(yǎng)分吸收。本研究也得到了相似的結果，說明周年有機肥替代化肥為小麥季提供足夠養(yǎng)分的同時，仍可提供足夠的養(yǎng)分供下茬玉米利用。在旱作小麥-玉米輪作系統(tǒng)中，低溫不利于有機質分解，有機肥礦化分解慢、殘留量高，而高溫、多雨能夠促進有機肥礦化分解及養(yǎng)分釋放[24]。本試驗地所在區(qū)域，小麥季氣候多以低溫、干燥為主，而玉米季氣候多以高溫、多雨為主，這種季節(jié)性有機肥礦化特性更有利于滿足周年有機肥替代化肥條件下作物養(yǎng)分需求。

3.2 有機肥替代化肥對小麥-玉米輪作系統(tǒng)N2O排放的影響

SHCHERBAK等[25]通過分析全球土壤N2O排放與施氮量的響應關系發(fā)現(xiàn)，N2O排放與施氮量之間存在指數(shù)增長關系，尤其是施氮量超過作物需求時，N2O排放增幅明顯升高。本研究也得到了類似的結果，即不同施肥處理下N2O排放通量排放峰值均出現(xiàn)在施肥后，其原因主要與土壤中底物氮含量的增加有關。N2O排放受反應底物碳、氮的雙重影響，當?shù)孜锾汲渥銜r，N2O排放主要受氮供應水平的制約，反之則受碳供應水平的制約[26]。施用化學氮肥提供了大量的無機氮作為底物氮，而施用有機肥提供了大量的有機氮及底物碳，碳、氮供應效率的差異導致N2O排放亦不同[27]。在本研究中，與常規(guī)施肥處理相比，有機肥替代化肥處理下小麥季N2O平均排放通量較高，且N2O累積排放量顯著增加，并隨替代比例增加而增加。而玉米季N2O排放特征則與小麥季完全相反。這一結果主要是由于施用有機肥改善了小麥季土壤特性，且在有機氮礦化過程中能夠產(chǎn)生大量的無機氮，刺激了硝化與反硝化作用，導致土壤N2O排放增加[28-29]；而玉米季N2O排放量下降的原因一方面與化學氮肥用量（底物氮含量）減少有關[30]，另一方面可能與土壤碳氮比增加有關，如增加碳氮比會抑制硝化作用[31]。但從周年N2O累積排放量來看，不同施肥處理之間周年N2O累積排放量無顯著差異，其主要原因是由于不同作物生長季N2O累積排放量明顯不同，如有機肥替代化肥處理較常規(guī)施肥處理增加了小麥季N2O累積排放量而降低了玉米季N2O累積排放量。在本研究同等施氮量條件下，有機肥氮替代20%及40%化肥氮處理N2O-N排放系數(shù)分別為0.42%和0.44%，這與Lü等[12]、侯苗苗等[14]的研究結果基本一致，且從結果中也可看出，N2O-N排放系數(shù)均低于IPCC推薦值（1%），若按IPCC推薦N2O-N排放系數(shù)1%計算，將高估有機肥替代化肥條件下N2O排放量。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，砂姜黑土小麥-玉米輪作系統(tǒng)N2O-N排放系數(shù)明顯低于紫色土[32]、土[12]和潮土[33]，屬于低排土壤類型，這一結果主要是由于砂姜黑土屬于典型的高黏性土壤類型，黏粒含量高達30%以上，銨離子易被吸附固定，一定程度上能夠抑制硝化與反硝化作用[34-35]。

3.3 N2O排放與土壤環(huán)境因子之間的關系

在農田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤底物氮含量增加、溫度升高及水分增加是驅動N2O生成與擴散的關鍵土壤因子[36]。本研究發(fā)現(xiàn)，所有處理在施肥后土壤無機氮含量迅速增加，導致N2O排放通量急劇上升且出現(xiàn)峰值，持續(xù)期5—10 d，其中周年N2O排放通量與NO3--N含量呈極顯著正相關，充分顯示了施肥對N2O排放的影響。DING等[37]通過室內培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，當土壤溫度在5—25 ℃、體積含水量在15—45 m3·m-3范圍內，N2O排放通量會隨著土壤溫度上升及含水量增加而增加。在本研究中，不同施肥處理N2O排放通量與小麥季土壤溫度、玉米季土壤體積含水量呈顯著或極顯著正相關，該結果主要是由于小麥季土壤溫度（-0.1—22.8 ℃）及玉米季土壤體積含水量（14.1— 33.9 m3·m-3）的變化范圍均有利于N2O排放。但本研究結果與侯苗苗等[14]在西北地區(qū)的研究結果不一致，他們認為不同施肥處理下N2O排放通量與小麥季土壤溫度之間并無顯著相關性，這可能與地域性氣候（降雨量、溫度等）及施氮量的差異較大有關。

土壤基本性質決定著土壤硝化與反硝化作用過程，與N2O排放密切相關[38]。DING等[31]發(fā)現(xiàn)，在單施化肥、單施有機肥及有機無機肥配施等方式下，N2O累積排放量與小麥季土壤全氮及速效氮含量（有機肥礦化氮+化肥氮）呈顯著正相關，本研究也得到了相似的結果。但與之不同的是，本研究發(fā)現(xiàn)N2O累積排放量與小麥季土壤微生物量碳含量呈極顯著正相關，這可能與本試驗中小麥季土壤碳氮比（10.3—13.9﹕1）更接近于微生物生長適宜的（25﹕1）比例有關。本研究還發(fā)現(xiàn)，N2O累積排放量與玉米季土壤全氮呈顯著正相關，但與土壤有機碳、碳氮比呈顯著負相關，該結果可能是由于土壤碳氮比增加及底物氮含量降低抑制了土壤硝化與反硝化作用[39]。

4 結論

與不施肥處理相比，施肥處理顯著提高了小麥-玉米輪作系統(tǒng)周年N2O累積排放量，但不同施肥處理之間周年N2O累積排放量及N2O-N排放系數(shù)均無顯著差異。不同施肥處理下季節(jié)性N2O累積排放量差異明顯，與常規(guī)施肥處理（單施化肥）相比，有機肥氮替代20%及40%化肥氮小麥季N2O累積排放量及N2O-N排放系數(shù)均顯著增加，且有機肥替代化肥比例越大增幅越高，而玉米季N2O累積排放量則顯著下降。因此，在有機肥氮替代化肥氮條件下，優(yōu)化小麥季施肥管理是減少砂姜黑土區(qū)小麥-玉米輪作系統(tǒng)N2O排放的關鍵。

[1] STOCKER T. Climate Change 2013: the Physical Science Basis: Working Group I contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. New York: Cambridge University Press, 2014.

[2] SYAKILA A, KROEZE C. The global nitrous oxide budget revisited. Greenhouse Gas Measurement and Management, 2011, 1(1): 17-26.

[3] DING T, NING Y D, ZHANG Y. Estimation of greenhouse gas emissions in China 1990-2013. Greenhouse Gases: Science and Technology, 2017, 7(6): 1097-1115.

[4] ZHU G D, SONG X T, JU X T, ZHANG J B, MüLLER C, SYLVESTER-BRADLEY R, THORMAN R E, BINGHAM I, REES R M. Gross N transformation rates and related N2O emissions in Chinese and UK agricultural soils. Science of the Total Environment, 2019, 666: 176-186.

[5] MENG Q F, SUN Y T, ZHAO J, ZHOU L R, MA X F, ZHOU M, GAO W, WANG G C. Distribution of carbon and nitrogen in water-stable aggregates and soil stability under long-term manure application in solonetzic soils of the Songnen plain, northeast China. Journal of Soils and Sediments, 2014, 14(6): 1041-1049.

[6] ASHRAF M N, HU C, XU X R, AZIZ T, WU L, WAQAS M A, FAROOQ M, HU X, ZHANG W J, XU M G. Long-term manure application increased soil organic carbon and nitrogen mineralization through accumulation of unprotected and physically protected carbon fractions. Pedosphere, 2023, 33(2): 343-354.

[7] ZHONG W H, GU T, WANG W, ZHANG B, LIN X G, HUANG Q R, SHEN W S. The effects of mineral fertilizer and organic manure on soil microbial community and diversity. Plant and Soil, 2010, 326(1): 523.

[8] 裴雪霞, 黨建友, 張定一, 張晶, 高璐, 程麥鳳, 王姣愛. 化肥減量配施有機肥對旱地小麥產(chǎn)量、品質和水分利用率的影響. 水土保持學報, 2021, 35(4): 250-258.

PEI X X, DANG J Y, ZHANG D Y, ZHANG J, GAO L, CHENG M F, WANG J A. Effects of chemical fertilizer reduction combined with organic fertilizer on the yield, quality, and water use efficiency of dryland wheat. Journal of Soil and Water Conservation, 2021, 35(4): 250-258. (in Chinese)

[9] ZHANG Y, LIU S Y, CHENG Y, CAI Z C, MüLLER C, ZHANG J B. Composition of soil recalcitrant C regulates nitrification rates in acidic soils. Geoderma, 2019, 337: 965-972.

[10] 劉韻, 柳文麗, 朱波. 施肥方式對冬小麥—夏玉米輪作土壤N2O排放的影響. 土壤學報, 2016, 53(3): 735-745.

LIU Y, LIU W L, ZHU B. Effect of fertilization regime on soil N2O emission from upland field under wheat-maize rotation system. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(3): 735-745. (in Chinese)

[11] ZHOU M H, ZHU B, BRüGGEMANN N, BERGMANN J, WANG Y Q, BUTTERBACH-BAHL K. N2O and CH4emissions, and NO3?leaching on a crop-yield basis from a subtropical rain-fed wheat-maize rotation in response to different types of nitrogen fertilizer. Ecosystems, 2014, 17(2): 286-301.

[12] Lü F L, SONG J S, GILTRAP D, FENG Y T, YANG X Y, ZHANG S L. Crop yield and N2O emission affected by long-term organic manure substitution fertilizer under winter wheat-summer maize cropping system. Science of the Total Environment, 2020, 732: 139321.

[13] 孟磊, 蔡祖聰, 丁維新. 長期施肥對華北典型潮土N分配和N2O排放的影響. 生態(tài)學報, 2008, 28(12): 6197-6203.

MENG L, CAI Z C, DING W X. Effects of long-term fertilization on N distribution and N2O emission in fluvo-aquci soil in North China. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(12): 6197-6203. (in Chinese)

[14] 侯苗苗, 呂鳳蓮, 張弘弢, 周應田, 路國艷, Ayaz Muhammad, 黎青慧, 楊學云, 張樹蘭. 有機氮替代比例對冬小麥/夏玉米輪作體系作物產(chǎn)量及N2O排放的影響. 環(huán)境科學, 2018, 39(1): 321-330.

HOU M M, Lü F L, ZHANG H T, ZHOU Y T, LU G Y, MUHAMMAD A, LI Q H, YANG X Y, ZHANG S L. Effect of organic manure substitution of synthetic nitrogen on crop yield and N2O emission in the winter wheat-summer maize rotation system. Environmental Science, 2018, 39(1): 321-330. (in Chinese)

[15] 李燕青, 溫延臣, 林治安, 趙秉強. 不同有機肥與化肥配施對作物產(chǎn)量及農田氮肥氣態(tài)損失的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2019, 25(11): 1835-1846.

LI Y Q, WEN Y C, LIN Z A, ZHAO B Q. Effect of different manures combined with chemical fertilizer on yields of crops and gaseous N loss in farmland. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(11): 1835-1846. (in Chinese)

[16] 李德成, 張甘霖, 龔子同. 我國砂姜黑土土種的系統(tǒng)分類歸屬研究. 土壤, 2011, 43(4): 623-629.

LI D C, ZHANG G L, GONG Z T. On taxonomy of Shajiang black soils in China. Soils, 2011, 43(4): 623-629. (in Chinese)

[17] 陳歡, 曹承富, 張存嶺, 李瑋, 喬玉強, 杜世州, 趙竹. 基于主成分-聚類分析評價長期施肥對砂姜黑土肥力的影響. 土壤學報, 2014, 51(3): 609-617.

CHEN H, CAO C F, ZHANG C L, LI W, QIAO Y Q, DU S Z, ZHAO Z. Principal component-cluster analysis of effects of long-term fertilization on fertility of lime concretion black soil. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(3): 609-617. (in Chinese)

[18] 李太魁, 寇長林, 郭戰(zhàn)玲, 張香凝. 有機氮替代部分無機氮對砂姜黑土冬小麥產(chǎn)量及氮肥利用率的影響. 江蘇農業(yè)科學, 2021, 49(5): 97-101.

LI T K, KOU C L, GUO Z L, ZHANG X N. Influences of partial substitution of chemical nitrogen with manure on yield and nitrogen use efficiency of winter wheat in lime concretion black soil. Jiangsu Agricultural Sciences, 2021, 49(5): 97-101. (in Chinese)

[19] 沈冰濤, 張孝倩, 陳紅, 江旭聰, 李孝良, 汪建飛, 肖新. 有機肥替代化肥對小麥產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分和酶活性的影響. 長江大學學報(自然科學版), 2019, 16(5): 46-52, 7.

SHEN B T, ZHANG X Q, CHEN H, JIANG X C, LI X L, WANG J F, XIAO X. Effect of substituting organic fertilizer for chemical fertilizer on wheat yield and soil nutrient and enzyme activity. Journal of Yangtze University (Natural Science Edition), 2019, 16(5): 46-52, 7. (in Chinese)

[20] WU J, JOERGENSEN R G, POMMERENING B, CHAUSSOD R, BROOKES P C. Measurement of soil microbial biomass C by fumigation-extraction—an automated procedure. Soil Biology and Biochemistry, 1990, 22(8): 1167-1169.

[21] 鮑士旦. 土壤農化分析. 3版. 北京: 中國農業(yè)出版社, 2000.

BAO S D. Soil and Agricultural Chemistry Analysis. 3rd ed. Beijing: China Agriculture Press, 2000. (in Chinese)

[22] Lü J L, GAO Y B, LI T K, KONG H J, ZHANG J P, KOU C L. Effect of nitrogen fertilizer amount on N2O emission from wheat-maize rotation system in lime concretion black soil. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(11): 1846-1856.

[23] CELESTINA C, HUNT J R, SALE P W G, FRANKS A E. Attribution of crop yield responses to application of organic amendments: a critical review. Soil and Tillage Research, 2019, 186: 135-145.

[24] LI S, WU J C, WANG X Q, MA L. Economic and environmental sustainability of maize-wheat rotation production when substituting mineral fertilizers with manure in the North China Plain. Journal of Cleaner Production, 2020, 271: 122683.

[25] SHCHERBAK I, MILLAR N, ROBERTSON G P. Global metaanalysis of the nonlinear response of soil nitrous oxide (N2O) emissions to fertilizer nitrogen. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(25): 9199-9204.

[26] CHADWICK D R, PAIN B F, BROOKMAN S K E. Nitrous oxide and methane emissions following application of animal manures to grassland. Journal of Environmental Quality, 2000, 29(1): 277-287.

[27] OMIROU M, ANASTOPOULOS I, FASOULA D A, IOANNIDES I M. The effect of chemical and organic N inputs on N2O emission from rain-fed crops in Eastern Mediterranean. Journal of Environmental Management, 2020, 270: 110755.

[28] XIA F, MEI K, XU Y, ZHANG C, DAHLGREN R A, ZHANG M H. Response of N2O emission to manure application in field trials of agricultural soils across the globe. Science of the Total Environment, 2020, 733: 139390.

[29] 李燕青, 唐繼偉, 車升國, 溫延臣, 孫文彥, 趙秉強. 長期施用有機肥與化肥氮對華北夏玉米N2O和CO2排放的影響. 中國農業(yè)科學, 2015, 48(21): 4381-4389. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2015.21. 018.

LI Y Q, TANG J W, CHE S G, WEN Y C, SUN W Y, ZHAO B Q. Effect of organic and inorganic fertilizer on the emission of CO2and N2O from the summer maize field in the North China plain. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(21): 4381-4389. doi: 10.3864/j.issn. 0578-1752.2015.21. 018. (in Chinese)

[30] PAREJA-SáNCHEZ E, CANTERO-MARTíNEZ C, áLVARO-FUENTESJ, PLAZA-BONILLA D. Impact of tillage and N fertilization rate on soil N2O emissions in irrigated maize in a Mediterranean agroecosystem. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2020, 287: 106687.

[31] DING W X, LUO J F, LI J, YU H Y, FAN J L, LIU D Y. Effect of long-term compost and inorganic fertilizer application on background N2O and fertilizer-induced N2O emissions from an intensively cultivated soil. Science of the Total Environment, 2013, 465: 115-124.

[32] 肖乾穎, 黃有勝, 胡廷旭, 朱波. 施肥方式對紫色土農田生態(tài)系統(tǒng)N2O和NO排放的影響. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2018, 26(2): 203-213.

XIAO Q Y, HUANG Y S, HU T X, ZHU B. Effects of fertilization regimes on N2O and NO emissions from agro-ecosystem of purplish soil. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(2): 203-213. (in Chinese)

[33] 孫赫陽, 萬忠梅, 劉德燕, 廖霞, 丁維新. 有機肥與無機肥配施對潮土N2O排放的影響. 環(huán)境科學, 2020, 41(3): 1474-1481.

SUN H Y, WAN Z M, LIU D Y, LIAO X, DING W X. Effect of organic fertilizer and inorganic fertilizer application on N2O emissions from fluvo-aquic soil in the North China plain. Environmental Science, 2020, 41(3): 1474-1481. (in Chinese)

[34] 曹文超, 宋賀, 王婭靜, 覃偉, 郭景恒, 陳清, 王敬國. 農田土壤N2O排放的關鍵過程及影響因素. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2019, 25(10): 1781-1798.

CAO W C, SONG H, WANG Y J, QIN W, GUO J H, CHEN Q, WANG J G. Key production processes and influencing factors of nitrous oxide emissions from agricultural soils. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(10): 1781-1798. (in Chinese)

[35] 趙燕. 河南省砂姜黑土系統(tǒng)分類歸屬及代表土系的建立[D]. 鄭州: 鄭州大學, 2012.

ZHAO Y. Calcic black soils classified in Chinese soil taxonomy and the soil series established in Henan Province[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2012. (in Chinese)

[36] 張玉銘, 胡春勝, 張佳寶, 董文旭, 王玉英, 宋利娜. 農田土壤主要溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的源/匯強度及其溫室效應研究進展. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2011, 19(4): 966-975.

ZHANG Y M, HU C S, ZHANG J B, DONG W X, WANG Y Y, SONG L N. Research advances on source/sink intensities and greenhouse effects of CO2, CH4and N2O in agricultural soils. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(4): 966-975. (in Chinese)

[37] DING W X, MENG L, CAI Z C, HAN F X. Effects of long-term amendment of organic manure and nitrogen fertilizer on nitrous oxide emission in a sandy loam soil. Journal of Environmental Sciences, 2007, 19(2): 185-193.

[38] STEHFEST E, BOUWMAN L. N2O and NO emission from agricultural fields and soils under natural vegetation: summarizing available measurement data and modeling of global annual emissions. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2006, 74(3): 207-228.

[39] LIN S, IQBAL J, HU R G, RUAN L L, WU J S, ZHAO J S, WANG P J. Differences in nitrous oxide fluxes from red soil under different land uses in mid-subtropical China. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2012, 146(1): 168-178.

Effect of Organic Fertilizer Replacing Chemical Fertilizer on Nitrous Oxide Emission from Wheat-Maize Rotation System in Lime Concretion Black Soil

LIU GaoYuan1, 2, HE AiLing1, DU Jun1, Lü JinLing1, NIE ShengWei1, PAN XiuYan3, XU JiDong3, LI Jue4, YANG ZhanPing1

1Institute of Plant Nutrition, Resources and Environment, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002;2Henan Provincial Key Laboratory of Agro-ecological Environment, Zhengzhou 450002;3Suiping Experimental Station of Agricultural Sciences, Zhumadian 463100, Henan;4Henan Water Conservancy and Hydropower School, Zhoukou 466000, Henan

【Objective】Under the condition of organic fertilizer replacing chemical fertilizer, the relationship between nitrous oxide (N2O) emissions and soil environmental factors in wheat-maize rotation system of lime concretion black soil was researched, which could provide theoretical basis for greenhouse gas emission reduction from farmland. 【Method】In this study, taking wheat-maize rotation system of lime concretion black soil as research object, the effects of no fertilization (CK), conventional fertilization (CF) and organic fertilizer-N replacing 20% or 40% of chemical fertilizer-N (R2FM and R4FM, organic fertilizer-N were applied in the wheat season) on N2O emissions and environmental factors driving N2O emissions were analyzed by the method of static box-gas chromatography and conventional soil parameter analysis. 【Result】The wheat yields under R2FM and R4FM were significantly increased by 12.2% and 10.2% than those under CF, respectively, but there was no significant difference in the maize yields between fertilization treatments. Average annual N2O emission fluxes under CK, CF, R2FM, and R4FM were 5.9, 50.3, 43.9 and 39.6 μg·m-2·h-1, with 3.1, 23.6, 25.0 and 26.4 μg·m-2·h-1in the wheat season and 8.8, 77.0, 62.8 and 52.9 μg·m-2·h-1in the maize season, respectively. Under fertilization treatments, N2O emission fluxes were significantly positively correlated with soil NO3--N in the whole season, as well as soil temperature in the wheat season and soil water content in the maize season. Cumulative annual N2O emissions were 2.38, 2.44 and 2.53 kg·hm-2for CF, R2FM and R4FM, which were significantly increased by 325%-354% in comparison to CK (0.56 kg·hm-2), and the range of their emission factors was 0.40%-0.44%. However, there was no significant difference between cumulative annual N2O emissions or N2O-N emission factors under CF, R2FM and R4FM. Cumulative seasonal N2O emissions were obviously different between fertilizer treatments, such as R2FM and R4FM significantly increased cumulative N2O emissions by 28.3% and 62.6% in the wheat season in comparison to CF, and their N2O-N emission factors (0.35% and 0.41%) were also significantly increased, but they significantly decreased cumulative N2O emissions by 15.8% and 33.8% in the maize season, respectively. Cumulative N2O emissions were significantly positively correlated with soil total nitrogen, alkali-hydrolyzable nitrogen, microbial biomass carbon in the wheat season as well as soil total nitrogen in the maize season, but they were significantly negatively correlated with soil organic carbon in the maize season, respectively. 【Conclusion】Under the condition of organic fertilizer-N replacing chemical fertilizer-N, optimizing fertilization management in the wheat season is the key to reduce N2O emissions from wheat-maize rotation system in lime concretion black soil.

wheat-maize rotation; fertilizer reduction; livestock manure; nitrous oxide; greenhouse gas; lime concretion black soil

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.16.009

2022-08-25；

2022-11-10

河南省重大科技專項（221100110700）、河南省農業(yè)科學院自主創(chuàng)新項目（2021ZC36）、河南省科技創(chuàng)新引導計劃資金項目（Zhs202106）

劉高遠，E-mail：liugaoyuan678@163.com。通信作者楊占平，E-mail：zhpyang3@163.com

（責任編輯 李云霞）