全 文 ：有机、无机氮肥施用对苜蓿产量、土壤硝态氮
和温室气体排放的影响
杨园园　 高志岭∗　 王雪君
（河北农业大学资源与环境科学学院， 河北保定 ０７１０００）
摘　 要　 ２０１２年 ５月—２０１４年 ６月，采用田间小区试验方法，研究了不同氮肥管理对 Ｎ２Ｏ与
ＣＨ４的排放、土壤硝态氮含量以及苜蓿干草产量的影响．试验共设 ５ 个处理：对照（ＣＫ）、单施
尿素处理（１００ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２， ＣＦ）、尿素（１００ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２）与腐熟牛粪（６０ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２）混施处
理（ＤＭ１）、尿素（１００ ｋｇ Ｎ·ｈｍ
－２）与沼液（６０ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２）混施处理（ＤＴ）及减量尿素（４０
ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２）与牛粪（６０ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２）混施处理（ＤＭ２） ．结果表明： 与 ＣＫ相比，ＣＦ、ＤＭ１、ＤＴ和
ＤＭ２处理苜蓿干草产量分别增加 ４４．２％、３８．９％、５６．３％和 ３０．６％，Ｎ２Ｏ 排放分别比对照增加
５２．２％、８９．１％、１３３．７％和 ５９．４％，但各施肥处理对甲烷吸收表现出不同程度的抑制作用．苜蓿
生产中，尿素和牛粪处理 Ｎ２Ｏ⁃Ｎ排放与肥料氮素投入量比值（排放系数）为 ０．２５％～０．２８％，而
沼液处理 Ｎ２Ｏ⁃Ｎ排放系数为 ０．６４％，显著高于前者．苜蓿生产中，施用化肥或有机无机混施均
能显著增加苜蓿干物质产量，土壤硝态氮深层淋洗风险较小，但增加了 ＣＯ２⁃ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ净排放量．
关键词　 紫花苜蓿； 有机无机配施； 氧化亚氮； 甲烷； 增温潜势
Ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ａｎｄ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｓ ｏｎ ａｌｆａｌｆａ ｙｉｅｌｄ， ｓｏｉｌ ｎｉｔｒａｔｅ ａｎｄ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ
ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ． ＹＡＮＧ Ｙｕａｎ⁃ｙｕａｎ， ＧＡＯ Ｚｈｉ⁃ｌｉｎｇ， ＷＡＮＧ Ｘｕｅ⁃ｊｕｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎ⁃
ｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ， Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１０００， Ｈｅｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ） ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｉｅｌｄ ｐｌｏｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｄｕｒｉｎｇ Ｍａｙ ２０１２ ｔｏ Ｊｕｎｅ ２０１４ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ
ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｎｉｔｒｏｕｓ ｏｘｉｄｅ （Ｎ２Ｏ） ａｎｄ ｍｅｔｈａｎｅ （ＣＨ４） ｆｒｏｍ
ａｌｆａｌｆａ ｆｉｅｌｄ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｄｒｙ ｍａｔｔｅｒ ｙｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｎｉｔｒａｔｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ． Ｆｉｖｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ＣＫ，
ｕｒｅａ （１００ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２， ＣＦ）， ｕｒｅａ （１００ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２） ＋ ｄａｉｒｙ ｃａｔｔｌｅ ｍａｎｕｒｅ （６０ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２）
（ＤＭ１）， ｕｒｅａ （１００ ｋｇ Ｎ·ｈｍ
－２） ＋ ｄｉｇｅｓｔａｔｅ （６０ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２） （ＤＴ） ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｄ ｕｒｅａ （４０
ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２）＋ ｄａｉｒｙ ｃａｔｔｌｅ ｍａｎｕｒｅ （６０ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２） （ＤＭ２） ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ
ｔｈａｔ ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ＣＫ， ＣＦ， ＤＭ１， ＤＴ ａｎｄ ＤＭ２ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ ｄｒｙ ｍａｔ⁃
ｔｅｒ ｙｉｅｌｄｓ ｏｆ ａｌｆａｌｆａ ｂｙ ４４．２％， ３８．９％， ５６．３％ ａｎｄ ３０．６％， ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ Ｎ２Ｏ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｂｙ
５２．２％， ８９．１％， １３３．７％ ａｎｄ ５９．４％， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｗｈｅｒｅａｓ ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ＣＨ４ ｗａｓ
ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｔｅｎｔｓ ｂｙ ｔｈｅｓｅ Ｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｐｒａｃｔｉｃｅｓ． Ｔｈｅ ｌｏｓｓｅｓ ｏｆ Ｎ２Ｏ⁃Ｎ ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ ｆｒｏｍ
ｕｒｅａ ａｎｄ ｄａｉｒｙ ｃａｔｔｌｅ ｍａｎｕｒｅ Ｎ ａｃｃｏｕｎｔｅｄ ｆｏｒ ０．２５％－０．２８％ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｉｎｐｕｔｓ， ｗｈｅｒｅａｓ ａ ｇｒｅａｔｅｒ ｖａ⁃
ｌｕｅ ｏｆ ０．６４％ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｆｏｒ ｄｉｇｅｓｔａｔｅ Ｎ． Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｕｒｅａ ｏｒ ｏｒｇａｎｉｃ Ｎ ｔｏ ａｌｆａｌｆａ ｆｉｅｌｄ ｃｏｕｌｄ ｓｉｇｎｉｆｉ⁃
ｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｄｒｙ ｍａｔｔｅｒ ｙｉｅｌｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ＮＯ３
－ ⁃Ｎ ｌｅａｃｈｉｎｇ， ｈｏｗｅｖｅｒ， ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｌｅａｄ ｔｏ
ｈｉｇｈｅｒ ｎｅｔ ＣＯ２⁃ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ １ ｔ ｄｒｙ ｍａｔｔｅｒ ｏｆ ａｌｆａｌｆａ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｌｆａｌｆａ； ｏｒｇａｎｉｃ⁃ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ； ｎｉｔｒｏｕｓ ｏｘｉｄｅ； ｍｅｔｈａｎｅ； ｇｌｏｂａｌ ｗａｒｍｉｎｇ ｐｏｔｅｎ⁃
ｔｉａｌ．
本文由国家自然科学基金项目（４１２７５１６３，３１２７２２４７）资助 Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ
ｗａｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ
（４１２７５１６３，３１２７２２４７）．
２０１５⁃０８⁃１８ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ， ２０１５⁃１２⁃２９ Ａｃｃｅｐｔｅｄ．
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈｉｌｉｎｇｇａｏ＠ ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ
　 　 近期国家印发的《中国食物与营养发展纲要 （２０１４—２０２０年）》 ［１］提出，到 ２０２０ 年，我国人均奶
类消费要达到 ３６ ｋｇ，比 ２０１３ 年我国人均奶类消费
（约 ２６ ｋｇ）高 １０ ｋｇ 之多．被誉为“牧草之王”的苜
蓿，因其适口性好、营养价值高等特点，被认为是优
质的奶牛粗饲料［２］ ．因此，推广苜蓿种植已经成为我
应 用 生 态 学 报　 ２０１６年 ３月　 第 ２７卷　 第 ３期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｊａｅ．ｎｅｔ
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｍａｒ． ２０１６， ２７（３）： ８２２－８２８　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ＤＯＩ： １０．１３２８７ ／ ｊ．１００１－９３３２．２０１６０３．０２１
国实现奶业提升、满足日益增加的人均奶量需求的
重要举措［３］ ．
苜蓿具有很强的生物固氮能力，其固氮量可达
１４８～１７７ ｋｇ·ｈｍ－２，占总需氮量 ４３．０％ ～ ６２．０％，但
在幼苗阶段或刈割以后，根瘤菌的固氮作用较弱，苜
蓿需从土壤中吸收大量的矿质氮以满足其生理上对
氮的需求［４］；另外，随着种植年限的增加，其固氮能
力衰退，开始消耗土壤中储存的氮［５］ ．因此，适当地
施用氮肥是苜蓿栽培技术中的重要一环，对苜蓿产
草量的提高和品质的改善有积极影响［６］ ．
近年来，我国奶牛养殖己逐渐从散户养殖向规
模化、集约化发展［７－８］，目前我国牛粪资源总量仅次
于猪粪资源，占我国畜禽粪便的 １ ／ ３［９］ ．由于我国种
植业和养殖业之间的养分循环日渐趋微，由此带来
的粪尿氮磷环境污染风险正在持续增加，因此，将畜
禽粪便合理的引入到苜蓿生产中，不仅可降低苜蓿
生产中的化学氮肥用量，也可以降低奶牛等养殖业
粪便的环境风险、实现农牧之间的养分循环、提高土
壤供氮能力并减少养分损失、实现肥料高效利用等
多重目标．
苜蓿具备较强的固氮能力，其 Ｎ２Ｏ 排放通常高
于其他牧草［１０－１１］ ．如果施用牛粪等有机肥或无机化
肥，可能会进一步增加其温室气体排放量［１２］ ．此外，
旱地土壤是大气甲烷的吸收库，土壤氧化甲烷的能
力在一定程度上受氮肥施用的影响［１３－１４］ ．在我国，
针对苜蓿生产中温室气体排放的研究较少，且主要
集中在 Ｎ２Ｏ 排放方面［１５］，而针对氮肥施用对苜蓿
Ｎ２Ｏ 和甲烷排放以及基于 ２ 种气体增温潜势的
ＣＯ２⁃ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ净排放尚未见报道．因此，本研究通过田
间试验，研究了尿素、沼液和腐熟牛粪的配合施用对
苜蓿产量、土壤硝态氮和温室气体 Ｎ２Ｏ 及 ＣＨ４排放
的影响，分析了氮肥施用对基于苜蓿干物质产量的
ＣＯ２⁃ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ净排放的影响．这对降低养殖业粪便的环
境风险具有重要意义，也为我国苜蓿生产的合理施
肥提供科学参考．
１　 研究地区与研究方法
１􀆰 １　 研究区概况
研究区位于河北省保定市郊区，地处太行山东
麓，冀中平原西部，年平均气温 １２ ℃，年降水量 ５５０
ｍｍ，属于温带季风性气候．试验土壤类型为潮褐土，
ｐＨ ８．４，有机质含量 １１．５ ｇ·ｋｇ－１，全氮含量 ０􀆰 ３６
ｇ·ｋｇ－１，速效磷含量 １３． ８ ｍｇ·ｋｇ－１，速效钾含量
１６８􀆰 ５ ｍｇ·ｋｇ－１ ．
１􀆰 ２　 试验设计
本试验于 ２０１２年 ５ 月—２０１４ 年 ６ 月在保定市
清苑区四平庄村村南进行．供试作物品种为紫花苜
蓿（Ｍｅｄｉｃａｇｏ ｓａｔｉｖａ），播种时间为 ２０１２ 年 ５ 月 ２ 日，
播种量为 １５ ｋｇ·ｈｍ－２，播种方式为条播，行间距 ２５
ｃｍ．试验设 ５ 个处理，每处理 ３ 个重复，小区大小为
４ ｍ×４ ｍ．各处理的有机和无机肥料施用量和配比见
表 １．试验用有机肥种类为腐熟牛粪和沼液，化肥氮
素为尿素．
磷肥 （ Ｐ ２Ｏ５ ） 和钾肥 （ Ｋ２Ｏ） 用量均为 １２０
ｋｇ·ｈｍ－２，苜蓿播种前（２０１２年 ５ 月 １ 日）作为基肥
一次性施入．２０１２年 ６月 ５日进行第一次施肥，在小
区内苜蓿行间随机放置气体排放测定箱，箱体内肥
料用量根据其覆盖面积和表 １中的用量进行准确施
肥，小区其他部位的施肥则在苜蓿行间采用沟施，一
次性施入并覆土；２０１３ 年 ４ 月 １５ 日进行第二次施
肥，施肥方案同上．整个试验期间没有灌水．
１􀆰 ３　 测定项目与方法
１􀆰 ３􀆰 １气体样品的采集与测定　 试验期间气体样品
的采集和分析采用静态箱和气相色谱相结合的方
法．静态箱为不透明箱体，由内径为 １５０ ｍｍ ＰＶＣ 管
制成，箱体高度为 １５０ ｍｍ．在播种后将箱体的底座
插入行间土壤中进行原位测定，底座内不包括苜蓿
植株，每个小区放置 １ 个测定箱．观测时，将箱体罩
在底座上，以水密封，箱体顶部装有采样用的医用三
通阀和温度计，每次采样后记录箱体内的温度．每次
罩箱的时间为 ３０ ｍｉｎ，分别于 ０、１５ 和 ３０ ｍｉｎ 用医
用注射器采集气体样品 ３０ ｍＬ，记录箱内气温和箱
外气温与地温．试验期间，施肥后 ５ ｄ 内气体的采集
频率为每天一次，之后为 ３～７ ｄ一次．采集后的气体
样品在室内用 Ａｇｉｌｅｎｔ ６８２０气相色谱于 ２４ ｈ之内完
成气体样品ＣＨ４和Ｎ２Ｏ的分析测定 ．测定ＣＨ４的检
表 １　 不同处理肥料组成及用量
Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆ⁃
ｆｅｒｅｎｔ Ｎ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ （ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２）
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
有机肥
Ｏｒｇａｎｉｃ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ
化肥
Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ
ＣＫ ０ ０
ＣＦ ０ １００
ＤＭ１ ６０ １００
ＤＴ ６０ １００
ＤＭ２ ６０ ４０
ＣＫ： 对照 Ｃｏｎｔｒｏｌ； ＣＦ： 化肥处理 Ｕｒｅａ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ； ＤＭ１： 化肥＋牛粪混
施 Ｕｒｅａ ＋ ｄａｉｒｙ ｃａｔｔｌｅ ｍａｎｕｒｅ； ＤＴ： 化肥沼液混施 Ｕｒｅａ ＋ ｄｉｇｅｓｔａｔｅ；
ＤＭ２： 减量化肥＋牛粪混施 Ｒｅｄｕｃｅｄ ｕｒｅａ ＋ ｄａｉｒｙ ｃａｔｔｌｅ ｍａｎｕｒｅ． 下同
Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
３２８３期　 　 　 　 　 　 　 　 杨园园等： 有机、无机氮肥施用对苜蓿产量、土壤硝态氮和温室气体排放的影响　 　 　 　 　
测器为 ＦＩＤ，检测温度为 ２５０ ℃；Ｎ２Ｏ 的检测器为
ＥＣＤ，检测温度为 ３３０ ℃ ．
１􀆰 ３􀆰 ２土壤样品的采集与测定 　 试验前取基础土
样，分析其有机质、全氮、速效磷和速效钾等基本性
质．试验期间，每次苜蓿刈割后，分取 ０ ～ ３０、３０ ～ ６０
和 ６０～９０ ｃｍ土层土壤样品．土壤鲜样过筛后，用 １
ｍｏｌ·Ｌ－１的 ＫＣｌ振荡浸提 １ ｈ，滤液用 ＴＲＡＣＣＳ２０００
型连续流动分析仪测定 ＮＯ３
－含量，同时测定土壤含
水量．
１􀆰 ３􀆰 ３植株样品采集、分析与测产 　 紫花苜蓿的刈
割时间为开花初期，测产时每个小区选取有代表性
的 ２ ｍ２区域，收割地上部，留根茬的高度约 １０ ｃｍ．将
地上部称鲜质量后，取少量鲜样置于烘箱中 １０５ ℃
下杀青 ３０ ｍｉｎ，６０ ℃恒温烘干，烘干称量后计算含
水量．
１􀆰 ４　 数据处理
参照 Ｙａｏ等［１６］的方法计算 Ｎ２Ｏ 和 ＣＨ４气体排
放通量：
Ｆ＝ｄＣｔ ／ ｄｔ×Ｈ×Ｔ０ ／ （Ｔ０＋Ｔ）
式中：Ｆ为 Ｎ２Ｏ 和 ＣＨ４排放通量（ｍｇ·ｍ
－２·ｈ－１）；
ｄＣｔ ／ ｄｔ为观测时间箱内气体浓度随时间变化的直线
斜率（ｍｇ·ｍ－３·ｈ－１）；Ｒ２ ＜０．９０ 时，数据被剔除；Ｈ
为箱体有效高度（０．１５ ｍ）；Ｔ０为标准状态下空气的
绝对温度（Ｋ）；Ｔ为箱内空气温度（Ｋ）．
Ｎ２Ｏ排放和 ＣＨ４吸收总量的计算公式：
ＱＮ２Ｏ／ ＣＨ４ ＝ ∑
ｎ－１
ｉ ＝ １
（［Ｆ（Ｎ２Ｏ／ ＣＨ４） ｉ ＋ Ｆ（Ｎ２Ｏ／ ＣＨ４） ｉ＋１］ ／ ２）
（ｔｉ＋１ － ｔｉ）
式中： Ｑ 为 试 验 期 间 Ｎ２Ｏ 或 ＣＨ４ 排 放 总 量
（ｋｇ·ｈｍ－２）；Ｎ为试验期间测定总次数；ｉ 为按时间
排序的采样 ／测定事件；Ｆ ｉ为第 ｉ 次测定事件的 Ｎ２Ｏ
和 ＣＨ４排放速率．
化肥、牛粪和沼液的 Ｎ２Ｏ⁃Ｎ 排放系数计算公
式：
Ｎ２Ｏ⁃ＮＣＦ ／ ＤＭ１ ／ ＤＴ ＝
ＱＣＦ ／ ＤＭ１ ／ ＤＴ－ＱＣＫ
ＮＣＦ ／ ＤＭ１ ／ ＤＦ
（２８ ／ ４４）×１００％
式中：Ｎ２Ｏ⁃ＮＣＦ／ ＤＭ１ ／ ＤＴ为排放的 Ｎ２Ｏ⁃Ｎ占各自氮素施用
量的百分比；ＱＣＫ和 ＱＣＦ／ ＤＭ１／ ＤＴ为 ＣＫ、ＣＦ、ＤＭ１和 ＤＴ 处
理的Ｎ２Ｏ排放量；ＮＣＦ／ ＤＭ１／ ＤＴ为 ＣＫ、ＣＦ、ＤＭ１和ＤＴ处理
的氮素投入量；２８ ／ ４４为 Ｎ２Ｏ中氮素的含量．
在对气体排放总量和苜蓿干物质总量进行显著
性分析时，首先计算每个小区整个测定期间的总和．
利用 Ｅｘｃｅｌ ２００３ 和 ＳＰＳＳ １９．０ 软件对数据进行统计
分析（α＝ ０．０５）．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 不同施肥处理下 Ｎ２Ｏ排放动态特征
试验期间的气温和降雨量见图 １．如图 ２ 所示，
２０１２年 ６月—２０１３年 ３月，各施肥处理较明显的排
放高峰出现在 ２０１２年 ６月 ６日和 ２６ 日，且均以 ＤＴ
处理的排放速率最高，分别为 ０．７９ 和 ０．１９ ｍｇ·ｍ－２
·ｈ－１ ．之后，各处理 Ｎ２Ｏ排放速率的差异逐渐减小，
且始终维持在较低的水平上．与 ２０１２ 年施肥后的
Ｎ２Ｏ排放高峰相比，２０１３ 年 Ｎ２Ｏ 排放速率明显降
低，施肥后 ２ 周内 ＣＦ、ＤＴ、ＤＭ１、ＤＭ２ 处理和 ＣＫ 的
Ｎ２Ｏ平均排放速率分别为 ２０１２年的 １４．１％、３０．４％、
图 １　 试验期间的气温（Ｔａ）和降雨量（Ｐ）
Ｆｉｇ．１　 Ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ （Ｔａ） ａｎｄ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ （Ｐ） ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｅｒｉｏｄ．
图 ２　 试验期间不同施肥处理 Ｎ２Ｏ的排放通量
Ｆｉｇ．２　 Ｎ２Ｏ ｆｌｕｘｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｎ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｄｕｒｉｎｇ
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｅｒｉｏｄ．
ａ） ２０１２—２０１３； ｂ） ２０１３—２０１４． ＣＫ： 对照 Ｃｏｎｔｒｏｌ； ＣＦ： 化肥处理
Ｕｒｅａ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ； ＤＭ１：化肥＋牛粪混施 Ｕｒｅａ ＋ ｄａｉｒｙ ｃａｔｔｌｅ ｍａｎｕｒｅ； ＤＴ：
化肥＋沼液混施 Ｕｒｅａ ＋ ｄｉｇｅｓｔａｔｅ； ＤＭ２： 减量化肥＋牛粪混施 Ｒｅｄｕｃｅｄ
ｕｒｅａ ＋ ｄａｉｒｙ ｃａｔｔｌｅ ｍａｎｕｒｅ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
４２８ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷
２２．６％、１８．０％和 ２４．４％．２０１２ 年与 ２０１３ 年施肥后排
放高峰期的 Ｎ２Ｏ速率之间差异较大，可能是 ２ 次施
肥的时间不同（２０１２ 年 ６ 月 ６ 日施肥，２０１３ 年 ４ 月
１８日施肥），而且施肥后 １ 周的平均气温分别为
２５􀆰 ０和 ８．１ ℃，气温及地温的差异可能是导致排放
速率差异巨大的主要原因（图 １）．
２􀆰 ２　 不同施肥处理下 ＣＨ４吸收动态特征
如图 ３ 所示，大部分时段内各处理的甲烷均表
现为吸收，其中，２０１２年 ６月—２０１３年 ３ 月，甲烷的
最大吸收值发生在 ２０１２ 年 ６ 月 ３０ 日的 ＣＫ，约为
０􀆰 １ ｍｇ·ｍ－２·ｈ－１；第 ２ 个吸收高峰出现在 ９ 月 ２９
日左右，以 ＤＭ１处理最高；之后 ＣＨ４的吸收量均较
小，且各处理间差异逐渐减小． ２０１３ 年 ４ 月—２０１４
年 ６月不存在较明显的甲烷吸收高峰，各处理间差
异较小．
２􀆰 ３　 Ｎ２Ｏ和 ＣＨ４排放总量
图 ４ 是 ２０１２—２０１４ 年苜蓿生长季各处理的
Ｎ２Ｏ排放和 ＣＨ４吸收总量．单施无机化肥或有机⁃无
机混施均在一定程度上增加了 Ｎ２Ｏ 的排放，ＣＦ、
ＤＭ１、ＤＴ和 ＤＭ２ 处理的 Ｎ２Ｏ 排放分别比 ＣＫ 增加
５２．２％、８９．１％、１３３．７％和 ５９．４％；此外，在施用化肥
基础上增施有机肥如腐熟牛粪或沼液也可以进一步
促进 Ｎ２Ｏ的排放，如 ＤＭ 和 ＤＴ 处理的 Ｎ２Ｏ 排放总
量比 ＣＦ处理显著增加 ２４．３％和 ５３􀆰 ５％；不同种类有
机肥对 Ｎ２Ｏ排放也存在一定影响，例如，在化肥和
有机肥氮素投入量均相同的ＤＭ１和ＤＴ处理中，ＤＴ
图 ３　 不同施肥处理 ＣＨ４的吸收通量
Ｆｉｇ．３　 ＣＨ４ ｕｐｔａｋｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｎ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
图 ４　 不同处理 Ｎ２Ｏ和 ＣＨ４的排放总量
Ｆｉｇ．４　 Ｔｏｔａｌ Ｎ２Ｏ ａｎｄ ＣＨ４ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｎ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
不同小写字母表示差异显著（Ｐ＜ ０．０５） Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｍａｌｌ ｌｅｔｔｅｒｓ ｍｅａｎｔ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
处理 Ｎ２Ｏ排放总量比 ＤＭ１处理增加 ２４．０％，表明沼
液中的氮素有效性可能高于腐熟牛粪氮素，更有利
于 Ｎ２Ｏ的排放．
ＣＦ、ＤＭ１、ＤＴ和 ＤＭ２ 处理的 Ｎ２Ｏ⁃Ｎ排放分别占
其氮素投入的 ０． ２５％、０． ２６％、０． ３９％和 ０． ２８％，其
中，ＣＦ、ＤＭ１和 ＤＭ２ 处理的 Ｎ２Ｏ⁃Ｎ 排放系数比较接
近，表明在生长季内无机氮肥和腐熟牛粪可能具有
较相近的 Ｎ２Ｏ⁃Ｎ 排放系数．另外，ＣＦ、ＤＭ１、ＤＴ 和
ＤＭ２ 处理的 Ｎ２Ｏ⁃Ｎ 排放系数均低于 ＤＴ 处理，本研
究利用 ＤＴ和 ＣＦ处理 Ｎ２Ｏ⁃Ｎ 排放总量的差异和氮
素投入量的差异（即沼液氮素的投入）计算了沼液
的 Ｎ２Ｏ⁃Ｎ排放系数为 ０．６４％，显著高于化肥和腐熟
牛粪的排放系数．
苜蓿生长季总体表现出为大气甲烷的吸收库．
由图 ４可知，与 ＣＫ相比，各施肥处理均对甲烷的吸
收表现出不同程度的抑制作用，其中，ＣＦ、ＤＭ１、ＤＴ
和 ＤＭ２ 处理的甲烷吸收量分别为 ＣＫ 的 ７３． ７％、
８６􀆰 ９％、８５．０％和 ８０．７％；各施肥处理中，单施化肥处
理 ＣＦ的甲烷吸收量最低，表明化肥对甲烷吸收的
抑制作用更明显，而施用有机肥对苜蓿生长季甲烷
吸收抑制作用较弱．
２􀆰 ４　 土壤硝态氮变化
由图 ５可知，在 ２０１２年施肥后的第一次刈割期
（２０１２年 ８ 月 ７ 日），各施肥处理的硝态氮含量在
０～３０和 ３０ ～ ６０ ｃｍ 土层均明显高于 ＣＫ，其中以 ＤＴ
处理最高，其次为 ＣＦ、ＤＭ１和 ＤＭ２ 处理，之后各处理
０～３０和３０ ～ ６０ ｃｍ土层土壤硝态氮含量基本相同；
５２８３期　 　 　 　 　 　 　 　 杨园园等： 有机、无机氮肥施用对苜蓿产量、土壤硝态氮和温室气体排放的影响　 　 　 　 　
图 ５　 不同施肥处理各深度土壤剖面的硝态氮含量
Ｆｉｇ．５　 Ｓｏｉｌ ＮＯ３
－ ⁃Ｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｎ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
在 ２０１３年 ４月施肥之后，各处理土壤硝态氮剖面分
布随时间变化趋势与 ２０１２ 年基本相同．可见，各施
肥处理中，尤其是施肥后第一次刈割期，ＤＴ 和 ＣＦ
处理均显著增加了土壤硝态氮含量，而在施用化学
氮肥基础上增施腐熟牛粪仅略微提高了土壤硝态氮
含量．另外，各处理土壤硝态氮垂直空间分布基本呈
现逐层递减的趋势．
整个试验期间，各施肥处理土壤表层 （０ ～ ３０
ｃｍ）硝态氮含量均以当年施肥后至第一次刈割时最
高（图 ５）．这与各施肥处理 Ｎ２Ｏ 排放高峰发生时间
基本一致（图 ２），表明华北平原地区农田土壤硝化
过程对 Ｎ２Ｏ排放起着主要作用；施肥后各施肥处理
的甲烷吸收均表现出一定程度的下降，主要是由于
有机、无机氮肥在土壤中的水解导致 ＮＨ４
＋浓度升
高，通过和甲烷竞争氧化菌的吸附位点，从而抑制土
壤对大气甲烷的吸收．
２􀆰 ５　 苜蓿产量和 ＧＷＰ 排放强度
由表 ２可知，各施肥处理与 ＣＫ 相比，各刈割期
生物干质量均有不同程度的增加，其中 ＣＦ、ＤＭ１、ＤＴ
和 ＤＭ２ 处理分别比 ＣＫ 增加 ９．４％ ～ ８４．８％、０．９％ ～
７９．６％、１１．５％～９７．０％和 ０～４９．４％，平均增产幅度为
４４．２％、３８．９％、５６．３％和 ３０．６％，且均达到显著水平；
另外，ＤＴ、ＣＦ和 ＤＭ１处理干物质量显著高于 ＤＭ２ 处
理．可见，施用化学或有机肥均可不同程度地增加苜
蓿生物产量．
如图 ６ 所示，不同处理 ＧＷＰ（ＣＯ２⁃ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）排放
主要受其 Ｎ２Ｏ排放的影响，主要是由于 Ｎ２Ｏ的增温
潜势远大于 ＣＨ４ ［１７］ ．生产 １ ｔ苜蓿干物质，施肥处理
表 ２　 ２０１２—２０１４年不同施肥处理每次刈割苜蓿干物质产量
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｄｒｙ ｍａｔｔｅｒ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ａｌｆａｌｆａ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｎ ｆｅｒ⁃
ｔｉｌｉｚｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｄｕｒｉｎｇ ２０１２－２０１４ （ｋｇ·ｈｍ－２）
刈割日期
Ｃｕｔｔｉｎｇ ｄａｔａ
处理 Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ＣＫ ＣＦ ＤＭ１ ＤＴ ＤＭ２
２０１２⁃０８⁃０７ １６５２ ２３２７ ２３９０ ２３８８ ２４５２
２０１２⁃０９⁃２７ ２３６５ ３５３１ ３６６９ ３７４３ ３３４８
２０１３⁃０５⁃１６ １８８２ ３２２０ ２７０５ ３５１４ ２６０６
２０１３⁃０６⁃３０ １６２８ １８８４ １９６８ １８１５ ２０９０
２０１３⁃０８⁃０９ １７４９ ２１６６ １９６１ ２４３１ １７７６
２０１３⁃１０⁃０５ １８２６ １９９８ １８４２ ２５７３ １８２０
２０１４⁃０５⁃２６ ２１７６ ４０２１ ３９０９ ４２８７ ３２５０
２０１２⁃０６—２０１４⁃０６ １３２７９ｃ １９１４６ａ １８４４３ａｂ ２０７５１ａ １７３４２ｂ
不同字母表示差异显著（Ｐ＜０．０５） Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｔｔｅｒｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ．
图 ６　 不同施肥处理 ＧＷＰ（Ｎ２Ｏ和 ＣＨ４）净排放总量及其基
于苜蓿干物质量的排放强度
Ｆｉｇ．６　 Ｎｅｔ ＧＷＰ （Ｎ２Ｏ， ＣＨ４） ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｎ
ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｌｆａｌｆａ ｄｒｙ ｍａｔｔｅｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｎ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
Ⅰ： ＧＷＰ＿Ｎ２Ｏ； Ⅱ： ＧＷＰ＿ＣＨ４； Ⅲ： ＧＷＰ＿Ｎ２Ｏ＋ＣＨ４ ．
６２８ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷
的 ＣＯ２⁃ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ净排放量显著高于 ＣＫ，各施肥处理中
以 ＤＴ处理最高，且显著高于 ＤＭ２ 和 ＣＦ处理．
３　 讨　 　 论
苜蓿是典型的固氮作物，因此通常认为在苜蓿
种植过程中施用氮肥的经济效益较差，但在苜蓿幼
苗阶段（根瘤菌尚未形成）、刈割之后（导致大量根
瘤脱落）、早春时期（土温低）等情况下，根瘤菌活性
均较弱，此时苜蓿需从土壤中吸收一定量的矿质氮
以满足其生理上对氮的需求［４］，施入少量氮肥可以
在一定程度上促进苜蓿生长，增加苜蓿的干质
量［１８－２０］；另外，越冬后温度较低，苜蓿的根瘤菌活性
较弱、氮素固定能力也较差，而此时施用氮肥可以快
速满足其需要，对提高苜蓿的越冬率和干物质量有
一定的促进作用［２１］ ．本研究表明，单施化肥或有机⁃
无机混施均不同程度增加了苜蓿干质量．这与 Ｃｈｅ⁃
ｍｅｙ等［２２］和陈萍等［２３］的研究结果一致．
有研究表明，施用氮肥以及土壤温度、含水量等
环境因素均会影响 Ｎ２Ｏ 排放［２４
－２５］ ．周颖［１５］研究发
现，在黄土高原丘陵沟壑区苜蓿生长季，Ｎ２Ｏ的平均
排放速率随氮肥用量的增加而增加．本研究中，施用
氮肥不同程度的增加了 Ｎ２Ｏ 排放，其中，ＣＦ、ＤＭ１、
ＤＴ和 ＤＭ２ 处理的 Ｎ２Ｏ 排放分别比 ＣＫ 高 ５２．２％、
８９􀆰 １％、１３３．７％和 ５９．４％，这与 Ｖｉｒｋａｊäｒｖｉ 等［２６］和 ｄｅ
Ｋｌｅｉｎ等［２７］的研究结果相似，也进一步明确了化学
氮肥、腐熟牛粪及沼液施用后 Ｎ２Ｏ的排放系数．本研
究发现，苜蓿土壤对大气甲烷呈现出较稳定的吸收，
ＣＫ、ＣＦ、ＤＭ１、ＤＴ 和 ＤＭ２ 处理的甲烷年吸收量分别
为 １􀆰 ７９、１． ３２、１． ５６、１． ５２ 和 １． ４５ ｋｇ·ｈｍ－２ ．这与
Ｍｏｓｉｅｒ等［１３］研究结果一致，即旱地土壤是大气甲烷
的吸收库［１２］，且施入氮素对甲烷的吸收有一定的抑
制作用，这与 Ｈüｔｓｃｈ［１４］的研究结果一致．
有研究表明，长期大量施肥会造成硝态氮在土
壤中的累积，同时也增加了土体硝态氮下移所带来
的地下水硝酸盐污染的风险［２８］，如英国洛桑试验站
预测，厩肥区和化肥区的硝态氮淋溶损失可达到
１２４．２５ ｋｇ·ｈｍ－２，而配施有机肥是减少土壤硝态氮
累积率的有效途径［２９］ ．以此推断，施用氮肥可能对
苜蓿地土壤硝态氮的剖面分布产生一定影响．本研
究表明，尽管在施肥后短期内观测到土壤表层和亚
表层存在硝态氮浓度升高的现象（图 ５），但在年末
时其硝态氮含量基本恢复至较低水平，因此，在氮素
用量为 １００～１６０ ｋｇ Ｎ·ｈｍ－２时，不仅能保证土壤表
层硝态氮的含量，维持和提高苜蓿产量，而且可能不
会对当地地下水产生较大污染．
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作者简介　 杨园园，女，１９８７年生，硕士研究生． 主要从事养
殖业温室气体研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ７８４８７６０７０＠ ｑｑ．ｃｏｍ
责任编辑　 孙　 菊
杨园园，高志岭，王雪君． 有机、无机氮肥施用对苜蓿产量、土壤硝态氮和温室气体排放的影响． 应用生态学报， ２０１６， ２７（３）：
８２２－８２８
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ｓｉｏｎｓ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ （应用生态学报）， ２０１６， ２７（３）： ８２２－８２８ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
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