针对目前集约化农业生产中氮肥用量盲目偏高、氮素利用率低、土壤及肥料中氮素以温室气体N2O形式的排放量增加等问题,采用田间试验研究了不同氮肥水平(150、225、300 kg·hm-2)配施双氰胺(DCD)对华北地区集约化农田冬小麦-夏玉米轮作系统N2O排放的影响,并分析了其经济效益.结果表明: 在整个轮作系统中,不同氮水平配施DCD处理的N2O排放通量减小25.6%~32.1%,N2O年度累积排放量降低23.1%~31.1%.土壤N2O排放通量与表面温度和湿度均呈显著指数相关,且湿度对小麦季N2O排放的影响大于玉米季,而温度对玉米季的影响大于小麦季.施用DCD后,小麦、玉米产量分别增加16.7%~24.6%和29.8%~34.5%,两季作物经济收益平均增加7973.2 元·hm-2.因此,合理氮肥用量配施DCD既可以保证作物产量、提高经济效益,又可以减少N2O排放.综合考虑环境效益与经济效益,本试验条件下中量氮肥配施双氰胺(N总量225 kg·hm-2)是一种适宜在华北地区推广的优良氮肥管理模式.
Aiming at the problems of excessive and unreasonable fertilizer application, lower nitrogen use efficiency, increasing N2O emission from soil and fertilizer in current intensified agricultural productions, a field experiment was conducted to study the effects of dicyandiamide (DCD) combined with nitrogen fertilizer application at different levels, i.e., 150, 225, 300 kg·hm-2, on N2O emission and relevant economic benefit in a typical winter wheatsummer maize rotation system in North China Plain. The results showed that DCD application decreased N2O emission fluxes and cumulative emissions by 25.6%-32.1% and 23.1%-31.1% in the yearround. There was a significant positive exponential correlation between N2O flux and soil surface temperature or soil moisture content. The effect of soil moisture on N2O emission was stronger in wheat season than in maize season, while the effect of temperature on N2O emission was on the contrary. The yields of winter wheat and summer maize with DCD addition were increased by 16.7%-24.6% and 29.8%-34.5%, respectively, and the average economic income of two seasons was increased by 7973.2 yuan·hm-2. Therefore, appropriate rate of N fertilizer combined with DCD could not only increase crop yield and economic income, but also reduce N2O emission. Considering environmental and economic benefit under this experimental condition, DCD combined with nitrogen of moderate level (total N amount 225 kg·hm-2) was a good nitrogen management mode in North China.
全 文 :氮素配施双氰胺对冬小麦⁃夏玉米轮作系统
N2O排放的影响及效益分析
∗
王艳群1 李迎春2 彭正萍1∗∗ 王朝东1 刘亚男1
( 1河北农业大学资源与环境科学学院 /河北省农田生态环境重点实验室, 河北保定 071000; 2中国农业科学院农业环境与可
持续发展研究所, 北京 100081)
摘 要 针对目前集约化农业生产中氮肥用量盲目偏高、氮素利用率低、土壤及肥料中氮素
以温室气体 N2O形式的排放量增加等问题,采用田间试验研究了不同氮肥水平(150、225、300
kg·hm-2)配施双氰胺(DCD)对华北地区集约化农田冬小麦⁃夏玉米轮作系统 N2O 排放的影
响,并分析了其经济效益.结果表明: 在整个轮作系统中,不同氮水平配施 DCD处理的 N2O排
放通量减小 25.6%~32.1%,N2O年度累积排放量降低 23.1%~31.1%.土壤 N2O排放通量与表
面温度和湿度均呈显著指数相关,且湿度对小麦季 N2O 排放的影响大于玉米季,而温度对玉
米季的影响大于小麦季.施用 DCD 后,小麦、玉米产量分别增加 16.7% ~ 24.6%和 29.8% ~
34 5%,两季作物经济收益平均增加 7973.2 元·hm-2 .因此,合理氮肥用量配施 DCD既可以保
证作物产量、提高经济效益,又可以减少 N2O 排放.综合考虑环境效益与经济效益,本试验条
件下中量氮肥配施双氰胺(N总量 225 kg·hm-2)是一种适宜在华北地区推广的优良氮肥管
理模式.
关键词 双氰胺; 氮肥; 氧化亚氮; 小麦⁃玉米轮作系统
∗国家“十二五”科技支撑计划项目(2013BAD11B)和国家自然科学基金项目(41105115)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: pengzhengping@ sohu.com
2014⁃10⁃13收稿,2015⁃04⁃13接受.
文章编号 1001-9332(2015)07-1999-08 中图分类号 S157.4; X511 文献标识码 A
Effects of dicyandiamide combined with nitrogen fertilizer on N2O emission and economic
benefit in winter wheat and summer maize rotation system. WANG Yan⁃qun1, LI Ying⁃chun2,
PENG Zheng⁃ping1, WANG Chao⁃dong1, LIU Ya⁃nan1 ( 1College of Resources and Environmental
Science, Agricultural University of Hebei / Hebei Province Key Laboratory for Farmland Eco⁃Environ⁃
ment, Baoding 071000, Hebei, China; 2Institute of Environment and Sustainable Development in
Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China) . ⁃Chin. J. Appl.
Ecol., 2015, 26(7): 1999-2006.
Abstract: Aiming at the problems of excessive and unreasonable fertilizer application, lower nitro⁃
gen use efficiency, increasing N2O emission from soil and fertilizer in current intensified agricultural
productions, a field experiment was conducted to study the effects of dicyandiamide (DCD) com⁃
bined with nitrogen fertilizer application at different levels, i.e., 150, 225, 300 kg·hm-2, on N2O
emission and relevant economic benefit in a typical winter wheat⁃summer maize rotation system in
North China Plain. The results showed that DCD application decreased N2O emission fluxes and cu⁃
mulative emissions by 25.6%-32.1% and 23.1%-31.1% in the year⁃round. There was a significant
positive exponential correlation between N2O flux and soil surface temperature or soil moisture con⁃
tent. The effect of soil moisture on N2O emission was stronger in wheat season than in maize season,
while the effect of temperature on N2O emission was on the contrary. The yields of winter wheat and
summer maize with DCD addition were increased by 16.7%-24.6% and 29.8%-34.5%, respective⁃
ly, and the average economic income of two seasons was increased by 7973.2 yuan·hm-2 . There⁃
fore, appropriate rate of N fertilizer combined with DCD could not only increase crop yield and eco⁃
nomic income, but also reduce N2O emission. Considering environmental and economic benefit un⁃
der this experimental condition, DCD combined with nitrogen of moderate level (total N amount 225
kg·hm-2) was a good nitrogen management mode in North China.
Key words: dicyandiamide; nitrogen fertilizer; nitrous oxide; wheat and maize rotation system.
应 用 生 态 学 报 2015年 7月 第 26卷 第 7期
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2015, 26(7): 1999-2006
N2O是仅次于 CO2和 CH4的第三大温室气体,
对全球气候变暖增温贡献 2% ~ 4%[1] . IPCC 第五次
评估报告中指出,大气中 N2O浓度已达到 324 ppb,
比工业化前升高 20%,土壤是全球最主要的 N2O 排
放源,贡献率高达 65%[2],其中农业土壤又是最主
要的来源[3] .施用氮肥排放的 N2O 占土壤 N2O 总排
放量的 25%~82%[4] .据报道,土壤 N2O排放量随施
肥量的增加而增加[5] .减少氮肥用量、提高氮肥利用
率是减少 N2O排放的重要措施之一.但大量减少氮
肥用量又会影响粮食安全.目前,提高氮肥利用率除
了采用传统的作物基因改良、合理施肥以及采用新
型肥料等方法外,硝化抑制剂的使用成为一个新的
措施[6] .硝化抑制剂主要通过抑制土壤中亚硝化单
胞菌属的数量与种群结构,减少微生物分泌氨单加
氧酶和羟胺还原酶的数量或降低其活性,抑制土壤
中 NH4
+被氧化为 NO2
-,抑制土壤硝化作用和优化
控制土壤中一定铵硝(NH4
+ / NO3
-)比例[7] .目前,关
于硝化抑制剂的研究主要包括品种筛选、用量选择
以及与不同种类氮肥配施的减排效果等方面,研究
多集中在草原、牧场、菜地和稻田轮作系统[8-11],而
对北方旱作系统高产水平下进一步稳定作物产量和
减排气体的系统研究较少.双氰胺(DCD)作为一种
硝化抑制剂目前被广泛应用,其挥发性小、不易吸
湿、用量小,在土壤中没有毒性残留且不影响土壤中
其他异养微生物活性[12] .
华北是我国主要粮食生产地,冬小麦 /夏玉米轮
作是主要种植模式,该轮作体系中农田氮素年盈余
量为 86 kg·hm-2·a-1[13],过量施用氮素导致大量
N2O排向环境.本文以华北地区典型冬小麦⁃夏玉米
轮作系统为研究对象,揭示不同氮肥用量与 DCD配
施对土壤 N2O 排放特征、影响因素、作物产量效应
的影响,并分析其经济效益,明确既保证作物高产又
减少土壤 N2O排放的合理氮肥配施组合,为实现粮
田合理施肥、提高氮素利用率、增加经济效益、降低
农业环境污染提供科学依据.
1 材料与方法
1 1 供试材料
本试验设在河北省保定市河北农业大学科技园
区,属温带湿润季风气候区,冬季寒冷干燥,夏季高
温多雨,年平均气温 12 ℃,年日照时数 2660 h,无霜
期 210 d.供试土壤为潮土, pH 7. 7,碱解氮 70 3
mg·kg-1,有效磷 17. 5 mg · kg-1,速效钾 75 8
mg·kg-1 .供试小麦为河北农业大学小麦遗传育种
组培育的冬性、中晚熟品种河农 825;夏玉米为郑单
958.供试氮、磷、钾分别为尿素(含 N 46%)、氯化钾
(含 K2O 57%)、过磷酸钙(含 P 2O5 16%);硝化抑制
剂为双氰胺(dicyandiamide,DCD)(含氮 66.5%).
1 2 试验设计
小麦季,设不施氮肥(CK)、高氮、中氮、低氮、高
氮+DCD、中氮+DCD、低氮+DCD 7 个处理,每处理
重复 3 次,随机排列.其中,高氮、中氮、低氮处理的
纯氮用量分别为 300、225、150 kg·hm-2,高氮 +
DCD、中氮+DCD、低氮+DCD 的纯氮用量分别与高
氮、中氮、低氮相同,但其中的氮来自 DCD和尿素两
部分.磷、钾肥全部作基肥,纯 P 2O5和 K2O 用量分别
为 150和 180 kg·hm-2,氮肥基追比为 4 ∶ 6.玉米季
和小麦季各处理田间排列及施肥量完全一致.DCD
用量为各处理总纯氮用量的 5%,其余用尿素补齐,
小区面积 10 m×5 m.
2012年 10 月 7 日播种小麦,8 日浇蒙头水,13
日出苗, 11 月 15 日浇冻水, 冬前基本苗 345
万·hm-2 .气体采集时间为 2012 年 10 月 8 日—
2013年 6月 4日,每 7 d采集一次,如遇降水、灌溉、
施肥连续 2~3 d采集气体.2012年 11月 20日后,采
样箱内温度降至 0 ℃以下,采样间隔时间延长,直至
2013年 3月 11 日后恢复正常.2013 年 3 月 27 日灌
溉并追施尿素,6月 4 日收获小麦.小麦试验结束后
在相应小区继续安排玉米试验,6 月 6 日播种玉米,
6 月 11 日出苗, 6 月 25 日定苗,密度为 6 45
万株·hm-2 .7月 15 日灌溉并追施尿素,9 月 26 日
收获.气体采集时间为 2013 年 6 月 6 日—9 月 26
日,气体采集方法与小麦季相同.小麦和玉米除施肥
外的其他田间管理措施均按当地农民习惯进行.
1 3 气体采集与分析方法
利用密闭式静态箱法[14]采集 N2O.箱体由 PVC
材料制成,直径 25 cm,高 35 cm,顶部取样口用胶塞
密封.采样时间为 9:00—10:00,间隔为 10 min,共采
集 3次,每次取样 30 mL,由置于箱体内的温度探头
测定箱内土表温度;采用 TK3⁃BASIC 土壤水分测定
仪测定 0~10 cm土层土壤湿度;采用干湿球温度表
测定气温,温度表放在距地面 1.5 m处.
N2O样品采用美国 Agilent7890 型气相色谱仪
分析,采用 Porapak Q填充柱,柱箱温度 70 ℃,N2载
气;电子捕获检测器 ECD,工作温度 330 ℃;标气采
用国家标准计量中心标准气体,测定相对误差
≤2%.
0002 应 用 生 态 学 报 26卷
N2O排放通量计算公式:
F= ρ×V / A×Δc / Δt×273 / (273+θ)×60
式中:F为 N2O排放通量(mg·m
-2·h-1);ρ为箱体
内气体密度(g·cm-3);V为静态箱体积(cm3);A为
静态箱底面积( cm2);Δc / Δt 为单位时间静态箱内
N2O 浓度变化率( ×10
-9V·V-1·min-1);θ 为测定
时箱体内的平均温度(℃).
N2O排放总量采用内插法[15]计算未观测日排
放通量,然后将测定值和计算值逐日累加.
N2O⁃N排放系数=(施氮处理 N2O⁃N排放总量-
不施氮处理 N2O⁃N排放总量) /施氮量×100%.
1 4 作物产量及经济效益计算方法
小麦收获时,每处理取 2个 1 m双行,计数有效
穗数折成公顷穗数,随机取出 20穗,计数穗粒数,每
小区全区脱粒后称取 3 个千粒重,并将所有籽粒测
定含水量,称量,折为含水量 12.5%的籽粒产量.玉
米收获时,每处理连续选取有代表性的 20 穗,脱粒
后测定含水量,称量,并折为含水量 14%的玉米籽
粒产量.
作物产值(元·hm-2)= 作物产量(kg·hm-2) ×
作物价格(元·kg-1)
收益(元·hm-2)= 作物产值(元·hm-2) -支出
(元·hm-2)
各施肥处理除氮肥成本不同外,其他成本支出一
致,故计算收益增加值时不予考虑.2013 年小麦价格
为 2.4元·kg-1,玉米价格为 2.2元·kg-1,尿素价格
为 1.79元·kg-1,DCD价格为 20.0元·kg-1 .
1 5 数据处理
采用 Excel 2007 软件进行数据统计分析和作
图;采用 SPSS 17.0 软件进行方差分析和相关分析
(α= 0.05).
2 结果与分析
2 1 氮素配施 DCD 对小麦⁃玉米轮作系统 N2O 排
放总量的影响
表 1表明,无论施 DCD与否,小麦、玉米以及两
季作物 N2O 排放总量均随氮肥用量增加而逐渐增
加,且玉米季增幅大于小麦季.与高氮、中氮和低氮
处理相比,高氮+DCD、中氮+DCD 和低氮+DCD 处
理小麦季 N2O 排放总量分别减少 34.2%、37.7%和
36.5%,玉米季分别减少 19.6%、19.1%和 29.1%,整
个轮作系统分别减少 23.1%、24.1%和 31.1%.小麦
季 N2O排放总量占整个轮作周期的 20.5%~45.7%,
玉米季占 54.3%~79.5%,玉米季 N2O排放总量是小
麦季的 1.2 ~ 3.7 倍.这表明施用 DCD 可以显著降低
土壤 N2O排放总量,且对玉米影响大于小麦.
小麦、玉米以及两季作物 N2O 排放系数随氮肥
用量增加呈逐渐降低趋势;相同氮水平下,与无
DCD相比,施用 DCD 处理 N2O 排放系数呈降低趋
势.整个轮作系统内,与高氮、中氮和低氮处理相比,
高氮+DCD、中氮+DCD和低氮+DCD处理 N2O 排放
系数分别降低 0.12%、0.14%和 0.23%.
2 2 氮素配施 DCD 对小麦⁃玉米轮作系统 N2O 排
放通量的影响
2 2 1 N2O排放通量 表 2 表明,无论配施 DCD 与
否,N2 O 排放通量均随施肥量增加而增加,施用
DCD只改变 N2O 排放通量强度,没有改变排放规
律.与高氮、中氮和低氮处理相比,高氮+DCD、中氮+
DCD和低氮+DCD 处理小麦季 N2O 排放通量分别
减少 34.2%、36.4%和 32.6%,且高氮+DCD和中氮+
表 1 小麦⁃玉米轮作系统 N2O排放总量
Table 1 Annual cumulative N2O emission in the wheat and maize rotation system
处理
Treatment
小麦 Wheat
排放总量
Total emission
amount
(kg·hm-2)
排放系数
Emission
factor
(%)
玉米 Maize
排放总量
Total emission
amount
(kg·hm-2)
排放系数
Emission
factor
(%)
轮作系统 Rotation system
排放总量
Total emission
amount
(kg·hm-2)
排放系数
Emission
factor
(%)
CK 0.43±0.12d - 0.51±0.10d - 0.94±0.18e -
HN 1.14±0.16a 0.15±0.03ab 3.62±0.91a 0.66±0.19ab 4.76±0.79a 0.41±0.08bc
MN 1.06±0.30ab 0.18±0.08ab 2.99±0.50ab 0.70±0.14ab 4.05±0.47ab 0.44±0.07ab
LN 0.96±0.26abc 0.22±0.11a 2.54±0.52bc 0.86±0.22a 3.50±0.39bc 0.54±0.08a
HN+DCD 0.75±0.06bcd 0.07±0.01b 2.91±0.77ab 0.51±0.16b 3.66±0.72bc 0.29±0.08c
MN+DCD 0.66±0.02cd 0.06±0.01b 2.42±0.38bc 0.54±0.11b 3.08±0.38cd 0.30±0.05c
LN+DCD 0.61±0.17cd 0.08±0.07b 1.80±0.16c 0.55±0.07b 2.41±0.17d 0.31±0.04bc
CK: 对照 Control; HN: 300 kg N·hm-2; MN: 225 kg N·hm-2; LN: 150 kg N·hm-2; HN+DCD:加 DCD,N总量 300 kg·hm-2 Added DCD, to⁃
tal N 300 kg·hm-2; MN+DCD:加 DCD,N总量 225 kg·hm-2 Added DCD, total N 225 kg·hm-2; LN+DCD:加 DCD,N总量 150 kg·hm-2Added
DCD, total N 150 kg·hm-2 . 同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different small letters in the same column meant significant difference
among different treatments at 0.05 level. 下同 The same below.
10027期 王艳群等: 氮素配施双氰胺对冬小麦⁃夏玉米轮作系统 N2O排放的影响及效益分析
表 2 小麦⁃玉米轮作系统 N2O平均排放通量
Table 2 Average N2O emission flux in the wheat and
maize rotation system (μg·m-2·h-1)
处理
Treatment
小麦
Wheat
玉米
Maize
轮作系统
Rotation system
CK 13.10±3.28d 18.29±2.84d 15.28±2.97e
HN 40.86±11.64a 110.35±36.21a 70.05±13.13a
MN 36.82±4.84ab 87.41±13.23ab 58.07±5.55ab
LN 33.24±5.01abc 74.34±15.51bc 50.50±4.45bc
HN+DCD 26.91±5.30bc 86.99±22.90ab 52.14±10.18bc
MN+DCD 23.43±3.67cd 69.88±11.18bc 42.94±2.76cd
LN+DCD 22.42±8.70cd 50.73±4.29cd 34.31±3.89d
DCD处理间差异显著,这与排放总量的变化趋势一
致,玉米季各处理 N2O 排放通量分别减少 21.2%、
20.1%和 31.8%,施用 DCD 在低氮处理中减排效果
较明显,整个轮作系统各处理 N2O 排放通量降低
25.6%~32.1%.
2 2 2 N2O排放通量季节性变化 图 1 表明,小麦
季,各处理 N2O排放通量呈明显的季节性变化.冬前
N2O 排放通量较高,进入冬季后迅速下降,并于
2013年 1月 4 日降至最低,而后处于较低水平;小
麦返青后,N2O排放通量呈缓慢增加趋势,拔节后随
温度上升而明显增加,但总体仍处于较低水平.小麦
冬前苗期各处理 N2O 平均排放通量是越冬期和越
冬后期的 12.4~ 16.9 倍,是拔节期平均排放通量的
8.1~11.2倍.由图 1可知,各处理排放高峰主要出现
在施肥及灌水之后.冬小麦在基肥施用、灌水后 8 ~
9 d出现第 1 个峰值,其余较小峰值的出现也与施
肥、灌水和温度升高有关.
图 2和图 3表明,玉米季,N2O排放通量呈现明
显的季节性变化.施基肥、灌水后 7 d 左右出现第 1
个排放高峰,而后排放通量迅速下降并趋于平稳;7
月 5日后,随温度和土壤水分增加,N2O排放通量迅
速上升,于追肥后 7 d左右出现第 2 个排放峰值,而
后迅速下降;7 月 29 日降雨,导致第 3 个排放峰值
出现;8月1日后,温度总体呈下降趋势,土壤湿度
图 1 小麦生长期 N2O排放通量季节变化
Fig.1 Seasonal variation of N2O emission flux during the wheat growing period.
CK: 对照 Control; HN: 300 kg N·hm-2; MN: 225 kg N·hm-2; LN: 150 kg N·hm-2; HN+DCD:加 DCD,N总量 300 kg·hm-2 Added DCD, to⁃
tal N 300 kg·hm-2; MN+DCD:加 DCD,N总量 225 kg·hm-2 Added DCD, total N 225 kg·hm-2; LN+DCD:加 DCD,N总量 150 kg·hm-2Added
DCD, total N 150 kg·hm-2 . A: 施肥 Fertilization; B: 灌溉 Irrigation; C: 升温 Temperature rising.下同 The same below.
图 2 玉米生长期 N2O排放通量季节变化
Fig.2 Seasonal variation of N2O emission flux during the maize growing period.
D: 降水 Precipitation.
2002 应 用 生 态 学 报 26卷
图 3 小麦⁃玉米轮作系统土壤温度和湿度变化
Fig.3 Variations of soil temperature and moisture in the wheat and maize rotation system.
Ⅰ: 土壤温度 Soil temperature; Ⅱ: 土壤湿度 Soil moisture.
经过数次波动后于 8 月 19 日后逐渐趋于平稳,因
此,N2O排放通量历经数次小的波动后趋于平稳.
在玉米生育期内,随氮肥用量增加,土壤 N2O
排放通量呈增加趋势,各施氮处理平均排放通量是
CK的 2.8 ~ 6.0 倍.出苗⁃三叶期各施氮处理 N2O 平
均排放通量是拔节期的 1.3 ~ 1.5 倍,是整个玉米生
育期的 1.9 ~ 2.2 倍.第 1 个峰值各施氮处理排放通
量是 CK的 70.8 ~ 124.1 倍,高氮+DCD、中氮+DCD、
低氮+DCD处理 N2O 平均排放通量分别较高氮、中
氮、低氮处理下降 17.9%、20.1%和 24.1%.表明玉米
季不同氮肥配施 DCD对 N2O 排放通量的影响与小
麦季相似;玉米季 N2O 排放通量主要在三叶期,其
次是拔节期.
2 3 小麦⁃玉米轮作系统 N2O排放的影响因素
在土壤通气条件较好的条件下,硝化作用是产
生 N2O的主要来源.因此,影响硝化作用的因素如温
度、湿度、微生物种类和数量、耕作措施等都会影响
N2O的产生.本文仅探讨了土壤温度和湿度两种环
境因素对 N2O排放的影响.将图 1、图 2 和图 3 对比
可见,小麦和玉米季 N2O 排放高峰出现时,土壤湿
度处于峰值状态.整个轮作季,N2O排放通量变化趋
势与土壤温度变化趋势一致:小麦季,冬前 N2O 排
放通量较高,进入越冬期后逐渐下降,小麦返青后随
温度升高而逐渐升高;玉米季,6 月 6 日开始温度上
升,7月 12日达最高,而后逐渐下降,N2O排放通量总
体也呈现先上升后下降的趋势,其中 6月 21日—7月
4日 N2O排放通量较低是土壤湿度较低引起的.
由表 3可知,玉米季,各施氮肥处理 N2O 排放
通量与土壤表层温度均呈显著指数相关;小麦季,只
有 CK处理呈显著指数相关,而其他施氮处理 N2O
排放通量与表层温度不相关.整个轮作系统,无论配
施 DCD 与否,各处理土壤 N2O 排放通量与表层温
度均呈显著指数相关,并且随着氮肥用量增加相关
水平逐渐增加;在中高氮水平下,配施 DCD 处理相
关系数明显高于无 DCD 处理.可见,温度对轮作系
统 N2O 排放影响显著,对玉米季的影响大于小麦
季;随氮肥用量增加,温度对 N2O 排放影响增大;施
用 DCD可增加温度对土壤 N2O排放的影响.
表 3 土壤温度、含水量与小麦⁃玉米轮作系统内土壤 N2O排放通量的相关系数
Table 3 Correlation coefficients between temperature or moisture and N2O emission flux of soil in the wheat and maize rota⁃
tion system
处理
Treatment
N2O排放通量与土壤温度
N2O emission flux and soil temperature
小麦
Wheat
玉米
Maize
轮作系统
Rotation system
N2O排放通量与土壤含水量
N2O emission flux and soil moisture
小麦
Wheat
玉米
Maize
轮作系统
Rotation system
CK 0.227∗ 0.035 0.139∗ 0.415∗ 0.440∗ 0.398∗
HN 0.056 0.469∗ 0.379∗ 0.314∗ 0.225∗ 0.271∗
MN 0.014 0.524∗ 0.331∗ 0.381∗ 0.280∗ 0.334∗
LN 0.005 0.508∗ 0.313∗ 0.412∗ 0.200∗ 0.328∗
HN+DCD 0.020 0.487∗ 0.396∗ 0.374∗ 0.292∗ 0.323∗
MN+DCD 0.020 0.496∗ 0.363∗ 0.352∗ 0.197∗ 0.284∗
LN+DCD 0.043 0.499∗ 0.308∗ 0.386∗ 0.298∗ 0.342∗
∗P<0.05.
30027期 王艳群等: 氮素配施双氰胺对冬小麦⁃夏玉米轮作系统 N2O排放的影响及效益分析
表 3表明,小麦季、玉米季和整个轮作系统各处
理土壤 N2O 排放通量与土壤含水量间均呈显著指
数相关,小麦季相关系数为 0.314 ~ 0.415,玉米季相
关系数为 0. 197 ~ 0. 440,轮作系统相关系数为
0.271~0.398.表明土壤含水量对 N2O 排放有显著影
响,且对小麦季 N2O排放的影响大于玉米季.
2 4 氮素配施 DCD对作物产量及经济效益的影响
由表 4可知,与 CK 相比,各施氮处理小麦、玉
米产量显著升高,增幅分别为 76. 6% ~ 134. 4%和
29 7%~86.3%.整个轮作系统中,中氮处理作物产
量提高较多,中氮和中氮+DCD 处理小麦和玉米总
产量分别较 CK 增加 56.8%和 104.0%.与高氮、中
氮、低氮处理相比,高氮+DCD、中氮+DCD、低氮+
DCD 处理小麦产量分别提高 16. 7%、 24. 6% 和
19 5%,玉米产量分别增加 29.8%、34.5%和 32.3%.
表明 DCD可以提高作物产量.无论施 DCD 与否,小
麦和玉米产量均随氮肥用量增加而增加,在施氮量
为 225 kg·hm-2时最高.施氮量与作物产量之间呈
显著的一元二次回归关系,通过回归模型计算不施
DCD、氮肥用量分别为 242.6 和 228.2 kg·hm-2时,
小麦和玉米产量最高;施 DCD时,氮肥用量配施 DCD
分别为 228.1 和 222.3 kg·hm-2时,小麦和玉米产量
最高.这表明减少氮肥用量增施 DCD 可以使小麦和
玉米增产.
表 5 表明,与 CK 相比,整个轮作季各施肥处理
经济收益都明显增加,增幅为 9266. 5 ~ 19492 7
元·hm-2,以中氮 +DCD 处理收益增加最多.与高
氮、中氮、低氮处理相比,高氮+DCD、中氮+DCD、低
氮+DCD处理收益分别增加 7041.1、9307.0、7571 4
元·hm-2,表明在总氮量不变的条件下,尿素配施
DCD可以明显增加经济效益,提高农民收入,其中
以中氮+DCD增加最多.
表 4 小麦⁃玉米轮作系统作物产量
Table 4 Wheat and maize yields in the rotation system
处理
Treatment
小麦 Wheat
产量
Yield
(kg·hm-2)
增产率
Increase
(%)
玉米 Maize
产量
Yield
(kg·hm-2)
增产率
Increase
(%)
CK 3327.46±728.39c - 5708.30±380.53c -
HN 6120.16±768.43b 29.7 7405.58±456.53b 83.9
MN 6257.66±411.71b 38.6 7910.67±781.50b 88.1
LN 5876.19±949.59b 31.9 7529.17±624.65b 76.6
HN+DCD 7141.06±675.04ab 68.4 9611.03±1317.50a 114.6
MN+DCD 7799.94±515.50a 86.3 10636.67±1354.29a 134.4
LN+DCD 7020.93±501.65ab 74.5 9959.27±1021.42a 111.0
表 5 小麦⁃玉米轮作系统经济效益
Table 5 Economic benefit in the wheat and maize rotation
system
处理
Treatment
产值
Output
value
(yuan·
hm-2)
尿素投入
Urea
input
(yuan·
hm-2)
DCD投入
DCD
input
(yuan·
hm-2)
收益增加
Income
increase
(yuan·
hm-2)
CK 20544.16 - - -
HN 30980.66 1170.00 - 9266.50
MN 32421.86 1755.00 - 10122.70
LN 30667.03 2340.00 - 7782.87
HN+DCD 38282.81 1131.10 300.00 16307.55
MN+DCD 42120.53 1696.65 450.00 19429.72
LN+DCD 38760.63 2262.20 600.00 15354.27
3 讨 论
氮素配施 DCD显著降低了冬小麦⁃夏玉米轮作
系统 N2O 排放通量和年度排放总量,降幅分别为
25.6%~32.1%(表 2)和 23.1%~31.1%(表 1),排放
系数降低了 0.12%~0.23%.玉米季 N2O排放总量是
小麦季的 1.2~3.7倍,DCD对小麦中、高氮肥处理减
排效果显著,对玉米低氮处理减排效果明显.据报
道,DCD与尿素配施可减少玉米田 55.8%的 N2O 排
放[16],主要是因为 DCD可以抑制硝化作用,减少氨
的氧化.玉米季 N2O排放总量高于小麦季,主要是小
麦生长季大部分时间气温较低,土壤微生物活动较
弱,土壤硝化⁃反硝化作用缓慢,N2O排放总量较低;
而玉米季,高温、多雨、水热同期、干湿交替频繁、土
壤通气性差,导致硝化和反硝化作用强烈[17-18],有
利于 N2O 的产生.目前,国际推荐的农田 N2O 排放
系数是 1%~1.25%,中国旱地农田 N2O排放系数为
0.22% ~ 1. 53%[19] .本研究中,小麦⁃玉米轮作系统
N2O排放系数为 0.29%~0.54%,在我国旱田排放系
数范围内,但低于国际农田研究结果,这可能是由于
农田 N2O排放存在很大的区域差异[20] .
小麦、玉米 N2O排放通量具有明显的季节性变
化(图 1、2).小麦季主要在冬前苗期,而玉米季主要
在三叶期,其次是拔节期.可能是作物前期生长较
慢、对氮素吸收较少,而后期生长迅速对氮素需求较
大;另外,一般播种时均伴随施肥与灌溉,而 N2O 排
放与施肥、灌溉等因素紧密相关,施肥、灌溉后由于
有较多的化学沉积物和较高的土壤含水量,导致
N2O排放高峰在施肥后立即出现[21] .N2O 排放通量
变化与土壤温度和湿度关系密切[22] .从整个轮作系
统看,N2O排放通量与土壤温度呈显著指数相关,且
温度对玉米季的影响大于小麦季(表 3).据报道,土
4002 应 用 生 态 学 报 26卷
壤硝化作用微生物活动适宜温度为 15 ~ 35 ℃,其中
最适温度为 25 ~ 35 ℃;反硝化作用适宜温度为 5 ~
75 ℃,最适温度为 30~67 ℃ [23] .小麦季采样时平均
气温为 13.0 ℃,日均温度<15 ℃的比例为 60.6%;
玉米季采样时平均气温为 25.5 ℃,且日均温度在
25~35 ℃的比例为 57.8%,<15 ℃的比例为 2.5%.
土壤中硝化和反硝化过程释放的 N2O 约占生物圈
释放到大气 N2O 总量的 70% ~90%[23] .小麦季平均
温度低于硝化作用最低适宜温度,而玉米季平均温
度则在硝化作用最适范围内,温度对玉米季 N2O 排
放的影响大于小麦季.轮作系统 N2O 的排放通量与
土壤含水量也呈显著指数相关,且含水量对小麦季
N2O 排放的影响大于玉米季(表 3).当土壤处于饱
和含水量以下时,N2O 的排放量随着土壤含水量的
增大而增加[24] .本研究中,小麦季土壤含水量为
9 2%~39 6%,平均含水量为 26.0%;玉米季土壤含
水量为 8 9%~36.5%,平均含水量为 26.4%.两季土
壤 N2O排放通量均随土壤含水量增加而呈增加趋
势.小麦全生育期土壤温度较低,土壤湿度变动对
N2O排放影响较大,因此,土壤含水量是 N2O 排放
的主要因素.玉米季土壤含水量高于平均含水量的
比例为 71 3%,而且温度在玉米季不是限制因子,
因此,土壤含水量较小变化是造成该季土壤 N2O 排
放的影响小于小麦季的主要原因.
氮素配施 DCD 显著提高了作物产量,小麦、玉
米分别增产 16.7%~24.6%和 29.8%~34.5%(表 4).
这可能是因为 DCD可以减缓尿素水解,抑制或降低
了尿素水解后生成的氨向 NO3
-的转化速度,使土壤
中高浓度 NH4
+保持较长时间[25],从而提高小麦、玉
米氮素吸收量,减少了氮肥的硝化损失,促进了作物
产量的形成.轮作季同氮水平各配施 DCD 处理较无
DCD处理经济收益平均增加了 7973.2元·hm-2(表
5),以中氮+DCD处理收益增加最多.减氮配施 DCD
不仅成本没有增加,而且经济效益明显提高.同时,
试验田间管理方式与当地农民习惯完全一致,不存
在操作困难的问题.因此,从经济效益和实际操作两
个角度看,氮肥配施 DCD这种施肥方式易于被当地
农民接受.
因此,综合考虑 N2O 减排效果、作物产量及经
济效益等方面,本试验条件下中量氮肥配施 DCD处
理(总 N量 225 kg·hm-2)是一种适宜在华北地区
推广的优良的氮肥管理模式.
参考文献
[1] Wang G⁃L (王改玲), Hao M⁃D (郝明德), Chen D⁃L
(陈德立). Effect of nitrification inhibitor and aeration
regulation on soil N2O emission. Journal of Plant Nutri⁃
tion and Fertilizer (植物营养与肥料学报), 2006, 12
(1): 32-36 (in Chinese)
[2] Li X, Inibushi K, Sakamoto K. Nitrous oxide concentra⁃
tions in an Andisol profile and emissions to the atmos⁃
phere as influenced by the application of nitrogen ferti⁃
lizers and manure. Biology and Fertility of Soils, 2002,
35: 108-113
[3] Beauchamp EG. Nitrous oxide emission from agricultural
soils. Canadian Journal of Soil Science, 1997, 77: 113-
123
[4] Eichner MJ. Nitrous oxide emissions from fertilized
soils: Summary of available data. Journal of Environ⁃
mental Quality, 1990, 19: 272-280
[5] Ma J, Li XL, Xu H, et al. Effects of nitrogen fertilizer
and wheat straw application on CH4 and N2O emissions
from a paddy rice field. Australian Journal of Soil Re⁃
search, 2007, 45: 359-367
[6] Xu J (许 靖). Effects of Urease / Nitrification Inhibi⁃
tors on Soil Nitrogen Transformation and Nitrogen Use
Efficiency of Wheat. Master Thesis. Baoding: Agricul⁃
tural University of Hebei, 2011 (in Chinese)
[7] Liu Q (刘 倩), Zhu G⁃X (褚贵新), Liu T (刘
涛), et al. Nitrification inhibition and dose⁃dependent
effect of dicyandiamide on sandy, loamy and clayey
soils. Chinese Journal of Eco⁃Agriculture (中国生态农
业学报), 2011, 19(4): 765-770 (in Chinese)
[8] Zhang M⁃T (张妹婷), Shi M (石 美), Liang D⁃L
(梁东丽), et al. Effects of different nitrification inhibi⁃
tors on urea transformation. Journal of Northwest A&F
University (西北农林科技大学学报), 2011, 39(2):
178-184 (in Chinese)
[9] Hatch D, Trindade H, Cardenas L, et al. Laboratory
study of the effects of two nitrification inhibitors on
greenhouse gas emissions from a slurry⁃treated arable
soil: Impact of diurnal temperature cycle. Biology and
Fertility of Soils, 2005, 41: 225-232
[10] Yang W (杨 威), Guo Y⁃J (郭艳杰), Li B⁃W (李
博文), et al. Effects of nitrogen fertilizer and DCD ap⁃
plication on nitrous oxide emission from soil during ex⁃
panding fruit stage and tomato yield. Journal of Agricul⁃
tural University of Hebei (河北农业大学学报), 2013,
36(3): 25-29 (in Chinese)
[11] Ji Y (纪 洋), Yu J (余 佳), Ma J (马 静), et
al. Effect of timing of DCD application on nitrous oxide
emission during wheat growing period. Acta Ecologica
Sinica (生态学报), 2011, 31(23): 7151-7160 ( in
Chinese)
[12] Vilsmeier K. Turnover of 15N ammonium sulfate with di⁃
cyandiamide under aerobic and anaerobic soil conditions.
Fertilizer Research, 1991, 29: 191-196
[13] Zhao R⁃F (赵荣芳), Chen X⁃P (陈新平), Zhang F⁃S
(张福锁). Nitrogen cycling and balance in winter⁃
wheat⁃summer⁃maize rotation system in Northern China
Plain. Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2009, 46
(4): 684-696 (in Chinese)
50027期 王艳群等: 氮素配施双氰胺对冬小麦⁃夏玉米轮作系统 N2O排放的影响及效益分析
[14] Li Z⁃A (李志安), Zou B (邹 碧), Cao Y⁃S (曹裕
松). Technique of static chamber in determining nitrous
oxide emission from land surface. Soil and Environmental
Sciences (土壤与环境), 2002, 11(4): 413-416 ( in
Chinese)
[15] Yu Y⁃J (于亚军), Zhu B (朱 波), Wang X⁃G (王
小国), et al. N2O emission from rice⁃rapeseed rotation
system in Chengdu Plain of Sichun Basin. Chinese Jour⁃
nal of Applied Ecology (应用生态学报), 2008, 19
(6): 1277-1282 (in Chinese)
[16] Jumadi O, Hala Y, Muis A, et al. Influences of chemi⁃
cal fertilizers and a nitrification inhibitor on greenhouse
gas fluxes in a corn (Zea mays L.) field in Indonesia.
Microbes and Environments, 2008, 23: 29-34
[17] Ma Y⁃L (马银丽), Ji Y⁃Z (吉艳芝), Li X (李
鑫), et al. Effects of N fertilization rates on the NH3
volatilization and N2O emissions from the wheat⁃maize
rotation system in North China Plain. Ecology and Envi⁃
ronmental Sciences (生态环境学报), 2012, 21(2):
225-230 (in Chinese)
[18] Austin AT, Yahdjian L, Stark JM, et al. Water pulses
and biogeochemical cycles in arid and semiarid ecosys⁃
tems. Oecologia, 2004, 141: 221-235
[19] Zheng XH, Han SH, Huang Y, et al. Re⁃quantifying
the emission factors based on field measurements and es⁃
timating the direct N2O emission from Chinese crop⁃
lands. Global Biogeochemical Cycles, 2004, 18: 1-19
[20] Lu Y⁃Y (卢燕宇), Huang Y (黄 耀), Zheng X⁃H
(郑循华). N2O emission factor for agricultural soils.
Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2005, 16(7): 1299-1302 (in Chinese)
[21] Deng L⁃S (邓兰生), Zhang C⁃L (张承林). Effects
and methods of urea application combined with urease or
nitrification inhibitors under drip irrigation on maize.
Journal of Plant Nutrition and Fertilizer (植物营养与肥
料学报), 2007, 13(3): 498-503 (in Chinese)
[22] Zhang S⁃L (张树兰), Yang X⁃Y (杨学云), Lv D⁃Q
(吕殿青), et al. Effect of soil moisture, temperature
and different nitrogen fertilizers on nitrification. Acta
Ecologica Sinica (生态学报), 2002, 22(12): 2147-
2153 (in Chinese)
[23] Zheng X⁃H (郑循华), Wang M⁃X (王明星), Wang
Y⁃S (王跃思), et al. Impacts of temperature on N2O
production and emission. Environmental Science (环境
科学), 1997, 18(5): 1-5 (in Chinese)
[24] Huang G⁃H (黄国宏), Chen G⁃X (陈冠雄), Han B
(韩 冰). Relationships between soil water content and
N2O production. Chinese Journal of Applied Ecology (应
用生态学报), 1999, 10(1): 53-56 (in Chinese)
[25] Wang L⁃L (王玲莉), Gu H⁃J (古慧娟), Shi Y⁃L (石
元亮), et al. Soil nitrogen transformation and corn yield
as affected by combination of urea and fertilizer additive
NAM in Sanjiang Plain of China. Soil and Fertilizer
Sciences in China (中国土壤与肥料), 2012(2): 34-
38 (in Chinese)
作者简介 王艳群,男,1979年生,博士研究生. 主要从事植
物营养施肥与环境变化关系研究. E⁃mail: wang001265@ he⁃
bau.edu.cn
责任编辑 孙 菊
6002 应 用 生 态 学 报 26卷