全 文 ：中国生态农业学报 2014年 9月 第 22卷 第 9期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sep. 2014, 22(9): 10291037


* 国家自然科学基金重点项目(41330744)资助
** 通讯作者: 朱波, 主要从事土壤养分循环及面源污染控制研究。E-mail: bzhu@imde.ac.cn
柳文丽, 研究方向为水环境污染防治。E-mail: fullfamily95@163.com
收稿日期: 20140114 接受日期: 20140425
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.140067
施肥方式对冬小麦季紫色土 N2O排放特征的影响*
柳文丽1,2,3 李锡鹏1,4 沈 茜1,2,3 朱 波1,2**
(1. 中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室 成都 610041; 2. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 成都
610041; 3. 中国科学院大学 北京 100049; 4. 西南交通大学 成都 610031)
摘 要 利用紫色土养分循环长期定位施肥试验平台, 通过静态箱−气相色谱法, 于 2012年 11月至 2013年 5
月, 研究了单施氮肥(N)、猪厩肥(OM)、常规氮磷钾肥(NPK)、猪厩肥配施氮磷钾肥(OMNPK)、秸秆还田配施
氮磷钾肥(CRNPK)及对照不施肥(NF)6种施肥方式下, 紫色土冬小麦季土壤 N2O的排放特征。结果表明, 在相
同施氮水平[130 kg(N)·hm−2]下, 施肥方式对 N2O排放量有显著影响(P<0.05)。N、OM、NPK、OMNPK和 CRNPK
处理下, 土壤 N2O排放量[kg(N)·hm−2]分别为 0.38、0.36、0.29、0.33和 0.19, N2O排放系数分别为 0.25%、0.23%、
0.18%、0.21%和 0.10%。NF的土壤 N2O排放量为 0.06 kg(N)·hm−2。土壤无机氮含量(NO3−-N和 NH4+-N)是 N2O
排放的主要影响因子, 降雨能有效激发 N2O排放。基于小麦产量评价不同施肥方式下的 N2O排放, 结果表明,
N、OM、NPK、OMNPK 和 CRNPK 单位小麦产量 N2O 的 GWP 值[yield-scaled GWP, kg(CO2 eq)·t1]分别为
132.57、45.70、49.07、48.92 和 26.41。CRNPK 的小麦产量与 6 种施肥方式中获得最大产量的 OM 间没有显
著差异, 但显著高于其他处理。而且, CRNPK 的 yield-scaled GWP比紫色土地区冬小麦种植中常规施肥方式
(NPK)显著减少 46%, 并显著低于其他 4种施肥方式。可见, 秸秆还田配施氮磷钾肥在保证小麦产量的同时, 能
有效减少因施肥引发的 N2O排放, 可作为紫色土地区推荐的最佳施肥措施。
关键词 N2O排放 施肥方式 冬小麦季 单位产量 GWP 紫色土 四川盆地
中图分类号: X511 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)09-1029-09
Effects of fertilizer application regimes on soil N2O emissions in the croplands
of purple soil in the Sichuan Basin during wheat season
LIU Wenli1,2,3, LI Xipeng1,4, SHEN Xi1,2,3, ZHU Bo1,2
(1. Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China;
2. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China; 3. University of Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
Abstract Nitrous oxide (N2O) was undoubtedly a key element with respect to global warming and climate change. As about 60%
of global anthropogenic N2O emissions have originated from agricultural soils, it has been a huge challenge to maintain high crop
yields while reducing N2O emissions under the continued application of nitrogen fertilizers. Limited available field data have
explored the effects of fertilizer application regimes on soil N2O emissions in the Sichuan Basin, one of the most intensive
agricultural regions in China. Thus the objective of this research was to compare the effects of different N fertilizer application
regimes on soil N2O emissions so as to find the best N fertilizer management practice which not only decreased N2O emission, but
also maintained high crop yields. Static chamber-gas chromatographic techniques were used to measure soil N2O emissions from
purple soil croplands with long-term N fertilization in treatments of pure synthetic N fertilizer (N), pig manure (OM), synthetic NPK
fertilizer (NPK), pig manure combined with synthetic NPK fertilizer (OMNPK) and returned crop residues combined with synthetic
NPK fertilizer (CRNPK). No fertilizer was applied under the control experiment (NF). The in situ field measurements were
conducted during wheat season from November 2012 to May 2013. The results showed that cumulative N2O fluxes in different
fertilization regimes were significantly different (P < 0.05) even when the same rates of total N were applied [130 kg(N)·hm−2].
1030 中国生态农业学报 2014 第 22卷


Cumulative N2O fluxes in treatments of N, OM, NPK, OMNPK and CRNPK were 0.38 kg(N)·hm−2, 0.36 kg(N)·hm−2, 0.29
kg(N)·hm−2, 0.33 kg(N)·hm−2 and 0.19 kg(N)·hm−2, respectively. N2O emission factors in the respective treatments were 0.25%,
0.23%, 0.18%, 0.21% and 0.10%. Cumulative N2O flux in treatment of NF was 0.06 kg(N)·hm−2. Nitrogen fertilizer application
significantly enhanced N2O emission. Inorganic N (ammonium and nitrate) content was the main controlling factor of soil N2O
emission. Also rainfall significantly enhanced soil N2O emission. Wheat grain yields in treatments of N, OM, NPK, OMNPK and
CRNPK were 1.34 t·hm−2, 3.71 t·hm−2, 2.80 t·hm−2, 3.13 t·hm−2 and 3.40 t·hm−2, respectively. Wheat grain yield in CRNPK treatment
was not significantly different from that of OM treatment, which had the maximal yield that was much higher than yields of all the
other treatments (P < 0.05). Furthermore, we assessed the global warm potential (GWP) of soil N2O emission on the basis of crop grain
yield under the different treatments. The results showed that the yield-based GWPs of treatments of N, OM, NPK, OMNPK and CRNPK
were 132.57 kg(CO2 eq)·t−1, 45.70 kg(CO2 eq)·t−1, 49.07 kg(CO2 eq)·t−1, 48.92 kg(CO2 eq)·t−1 and 26.41 kg(CO2 eq)·t−1, respectively.
The yield-based GWP of soil N2O emissions in CRNPK treatment was the lowest of all the treatments. In contrast with conventional
fertilization regime (NPK), the yield-based GWP decreased by 46%. This implied that returned crop residues combined with
synthetic NPK fertilizer not only increased grain yield, but also decreased soil N2O emission due to the application of N fertilizer. For
wheat season, the fertilizer application regime of returned crop residues with reduced synthetic fertilizer was therefore recommended
as the best fertilization measure in purple soil croplands.
Keywords N2O emission; Fertilization regime; Winter wheat season; Yield-scaled GWP; Purple soil; Sichuan Basin
(Received Jan. 14, 2014; accepted Apr. 25, 2014)
氧化亚氮(N2O)是一种重要的农田温室气体, 同
时也是导致大气O3层破坏的物质之一 [1], 对人类的
生存环境产生重大的影响。IPCC(2007)评估报告指
出, 大气中N2O的浓度正以0.2%~0.3%的增长速率不
断增加, 农业排放的N2O占全球人为排放源的60%,
且主要来自土壤排放[2−3]。肥料施用是农业土壤N2O
排放的重要来源, 氮肥品种对N2O的排放具有重要
影响 [4], 合理的施肥方式能有效减少因施肥而引起
的土壤N2O的排放[5]。在对施肥方式的研究中, 施用
有机肥和缓/控肥料对土壤N2O排放的影响是当前研
究的热点问题。Ball等[6]研究表明, 在小麦地中, 总
氮投入等量时, 有机肥处理N2O通量显著低于化学
氮肥处理。与之相反, 有研究指出有机肥的施用对
农田土壤N2O的排放具有促进作用[7]。除此之外, 甚
至有研究发现, 有机肥的施用几乎不影响土壤N2O
的排放[8]。这可能是由于肥料品质、土壤性质以及
气候环境等存在差异, 从而造成研究结果不同。有
机肥的施用对N2O排放量大小的影响, 还有待进一
步研究。此外, 研究表明[9−10], 施用缓/控释氮肥, 能
提高氮肥的利用率, 抑制土壤N2O排放。但缓/控肥
料成本普遍偏高, 即使成本稍低的添加抑制剂的非
包膜缓 /控释肥料也存在养分控释效果不稳定的问
题[11], 导致缓/控肥料推广应用缓慢。因此, 结合当
地土壤、气候和种植作物等实际条件, 探寻能大范
围推广 , 既能保障农田作物产量 , 又能减少N2O排
放量的施肥方式是当前亟待解决的问题。
紫色土农业生态系统是我国西南地区最重要的
农业生态系统, 地处长江上游生态屏障的前沿, 作
物对施氮敏感, 农田氮肥每年平均用量每公顷高达
330 kg[12]。旱地以冬小麦−夏玉米的种植方式最为普
遍。但该地区氮肥利用率低、损失严重, 具有较大
的潜在环境风险。目前, 已有学者研究了紫色土地
区土壤N2O排放特征 [13−14], 但涉及施肥方式对N2O
排放量影响的报道不多, 而基于产量评价N2O排放
的研究更少。曾泽彬等[5]研究了施肥对夏玉米季紫
色土N2O排放的影响, 但该研究为培养试验的结果,
很难反映野外大田的真实情况, 且忽略了施肥方式
对产量的影响。本文通过长期野外定位观测, 研究
施肥方式对紫色土冬小麦季土壤N2O排放的影响 ,
并结合小麦产量, 综合评价不同施肥方式下的N2O
排放 , 以期深入认识施肥方式对N2O排放的影响 ,
并筛选适合于该地区的最佳施肥措施, 为紫色土地
区土壤氮素循环研究和合理施肥提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验点位于中国科学院盐亭紫色土农业生态试
验站(105°27′ E, 31°16′ N)的养分平衡长期试验场
内。试验场处于川中丘陵区北部 , 涪江支流弥江、
湍江的分水岭上。海拔460 m, 具有四川盆地亚热带
湿润季风典型气候特征 , 气候温和 , 四季分明 , 年
均气温17.3 ℃ , 极端最高气温40 ℃ , 极端最低气
温−5.1 ℃; 多年平均降雨量826 mm, 且分布不均,
春季占5.9%, 夏季占65.5%, 秋季占19.7%, 冬季占
8.9%[15]; 汛期暴涨暴落, 无霜期294 d。土壤以钙质
紫色土为主, 农作物一年两熟有余, 冬季普遍种植
冬小麦和油菜。
1.2 供试土壤
试验小区选择在中国科学院盐亭紫色土农业生
第 9期 柳文丽等: 施肥方式对冬小麦季紫色土 N2O排放特征的影响 1031


态试验站自行设计的坡度为6.5°的坡耕地养分循环
长期定位试验样地进行。小区坡向西北−东南, 坡长
8 m, 宽度为4 m, 面积为32 m2, 土层深度60 cm。试
验土壤为发育于侏罗系蓬莱镇组紫色页岩的石灰性紫
色土, 0~20 cm表层土壤基础理化性质为: 黏粒含量
22.3%, 粉粒含量34.6%, pH 8.2, 有机质8.75 g·kg−1,
全氮0.81 g·kg−1, 全磷0.84 g·kg−1, 全钾18.01 g·kg−1,
碱解氮42.29 mg·kg−1, 速效磷9.02 mg·kg−1, 速效钾
86.35 mg·kg−1, 土壤容重1.34 g·cm−3。
1.3 试验设计
试验共设置 6 种施肥处理: 单施氮肥(N)、单施
猪厩肥(OM)、常规氮磷钾肥(NPK)、猪厩肥配施氮
磷钾肥(OMNPK)、秸秆还田配施氮磷钾肥(CRNPK)、
不施肥对照(NF), 各施肥处理保持施用氮素总量为
130 kg(N)·hm−2。有机−无机复合施肥时, 无机化肥的
氮量占总施氮量的 60%。试验中, 化肥氮肥为碳酸
氢铵(纯 N 17%), 磷肥为过磷酸钙(含 P2O5 12%), 钾
肥为氯化钾(含 K2O 60%), 还田秸秆采用小区内上
季玉米秸秆[含纯N量为 0.8%(干重)], 猪厩肥含纯N
量为 0.2%(鲜重)。秸秆于耕作前切碎, 按覆土填埋
的方式施入农田。施肥方式采用基肥一次性于播种
前人工施入, 耕作和施肥同步进行, 耕作方式为人
工锄耕, 深度为 20 cm。小麦采用撒播方式种植。试
验期间, 小麦于 2012 年 11 月 5 日种植, 到 2013 年
5月 11日收获。前茬作物为夏玉米。试验采用随机
完全区组设计, 每个处理设置 3 个重复。各处理具
体肥料施用量见表 1。
表 1 不同施肥处理的肥料类型与用量
Table 1 Fertilizer types and application rates of different
treatments
化肥 Synthetic fertilizer
(kg·hm−2) 处理
Treatment N P2O5 K2O
猪厩肥
Pig manure
(t·hm−2)
秸秆
Crop residues
(t·hm−2)
N 130 — — — —
OM — — — 65 —
NPK 130 90 36 — —
OMNPK 78 90 36 26 —
CRNPK 78 90 36 — 6.5
NF — — — — —
猪厩肥 C/N值为 15∶1, 秸秆 C/N值为 45∶1。The C/N ratios of
pig manure and crop residues are 15∶1 and 45∶1, respectively.

1.4 气体采集、分析及计算方法
采用静态暗箱−气相色谱法观测 N2O 的排放通
量。采样箱用不锈钢薄板制造, 由底座、中箱和顶箱
组成。顶箱为 5面体, 长×宽×高×钢板厚度=500 mm×
500 mm× 500 mm×2.5 mm, 内设一个温度传感器,
顶部安装有一根压力平衡管(直径 3.59 mm, 长 6.22 cm),
侧面设有气体样品接口。气样采集时, 打开平衡管,
以确保采样箱内外压力平衡, 每采集气样后, 立即
关闭平衡管。底座(长×宽×高×钢板厚度=500 mm×
500 mm×200 mm×2.5 mm)夯入土壤 20 cm, 整个观
测期间底座都固定在采样点上, 底座的每个侧壁上
距离底座上缘 10 cm以下均匀开有 9个直径 2 cm的
圆孔, 以利于水分、土壤动物、微生物和养分等侧
向交换。气体采集前, 往底座和中箱上端的密封水
槽里注水, 以防止箱子和底座的接触处漏气。顶箱
和中箱外包有保温层, 以控制采样期间箱内温度变
化幅度在 3 ℃以下。每个采样点于 9:00—11:00 采
集气体。采集的气样避光保存在 60 mL医用注射器
内, 24 h内分析完成。采样频率为每周 2次, 施肥和
降雨后加密采样。观测期为小麦整个生长期 , 即
2012年 11月 6日到 2013年 5月 11日。
采样后立即将样品带回实验室分析。使用
Agilent7890A 气相色谱仪 (GC, 美国安捷伦公司 )
分析气体 N2O 浓度 , 检测器为电子捕获检测器
(electron capture detector, ECD), 分离柱内填充料为
80~100目 Porapak Q, 高纯氮(99.9999%)做载气, 流
量为 30 mL·min−1, 检测器温度为 330 ℃, 分离柱温
度为 55 ℃, 根据标准气体和待测气体的峰面积来计
算待测气体中 N2O 的浓度。通过气体浓度随时间的
变化来计算单位面积的气体排放通量。计算公式[16−17]
如下:
0
0 0
d
d
     TM P cF H k
V P T t
(1)
式中: F为土壤 N2O排放通量(μg·m−2·h−1), M为气体
的摩尔质量(g·mol−1), V0为标准状态下(温度 273 K,
气压 1 013 hPa)气体的摩尔体积(22.41×10−3 m3), T0和
P0分别为标准状态下的气温(237 K)和气压( 1 031 hPa),
P为采样点的气压(hPa), T为采样时箱内的平均气温
(K), dc/dt为采样箱内 N2O浓度变化速率, H为采样
箱的高度(cm), k为量纲转换系数。
根据小麦生长期内 N2O 的排放通量, 将观测值
和未观测日内插法计算值逐日累加后得到 N2O排放
量。计算公式[18]如下:
1
1 1
2
[ ( ) / 2]
n
i i i
i
E k tX X X

 

     (2)
式中: E为N2O排放量[kg(N)·hm−2]; k为量纲换算系数;
Xi 为第 i天N2O的日排放通量值[mg(N)·m−2·d−1], 将
小时排放通量(μg·m−2·h−1)乘以24转换成的日排放通
量; Δt为相近两次日排放通量值之间间隔的天数(d);
n为小麦生长期内有效日排放通量观测值的天数。
N2O排放系数利用以下公式[19]计算得到:
N CK
2N O 100%
 T T排放系数 氮肥施用量 (3)
1032 中国生态农业学报 2014 第 22卷


式中: TN为施肥后 N2O排放量[kg(N)·hm−2], TCK为对
照不施氮肥(NF)处理的 N2O排放量[kg(N)·hm−2], 氮
肥施用量的单位为 kg(N)·hm−2。
全球增温潜势(GWP)作为一种简单的基于辐射特
性的相对指标, 常被用来估计不同温室气体对气候的
潜在效应[20]。根据 IPCC 报告, 以 100 年影响尺度计,
1 kg N2O的增温效应是 1 kg CO2的 298倍[2]。根据 N2O
累积排放量计算 N2O的 GWP值, 计算公式[21]如下:
2N OGWP = 2N O298 f 44/28 (4)
式中:
2N OGWP 为基于N2O的GWP值[kg(CO2 eq)·hm
−2],
2N Of 为 N2O排放量[kg(N)·hm
−2]。
1.5 环境因子的观测
在采集气体的同时, 同步观测相关环境因子。土
壤体积含水率(%)用 MP-406 便携式水分测定仪(杭
州托普仪器有限公司)测定, 并利用土壤容重将其转
换为土壤孔隙充水率[WFPS(%)]; 采样箱内气体温
度、土壤温度(5 cm)使用 JM624型便携式测温计(上
海自动化仪表公司)测定; 降水量、大气压等资料利
用试验站内的气象站获得(离试验点 50 m)。在施肥
后半个月内(2012年 11月 6日至 2012年 11月 20日),
在每次采集气体的同时, 同步采集 0~10 cm 土壤样
品以分析土壤含水率和无机氮(NO3−-N、NH4+-N)含
量。之后, 每周 1 次采集鲜土进行分析。土壤含水
率采用重量法测定, 土壤无机氮(NO3−-N、NH4+-N)含
量采用 0.5 mol·L1 K2SO4浸提-AA3流动分析仪(德
国 SEAL公司)测定(水土比为 5︰1)。
1.6 数据处理
利用Excel 2007进行相关数据计算, Origin 8.0绘
图, SPSS 16.0进行相关分析和方差分析, 处理间差
异采用 Duncan 多重比较法。
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理小麦生长期气温、土壤温度和土
壤湿度变化
在小麦生长期内, 不同施肥方式间的气温、土
壤温度 (5 cm)和土壤湿度 (WFPS)均没有显著差异
(图 1)。气温和土壤温度变化范围分别为−1.2~29.5 ℃
和 2.4~22.5 ℃, 两者变化趋势基本相同, 总体表现
为先下降后上升, 在冬季温度达到最低, 春季温度
逐渐回升, 在小麦生长末期达到最大值。土壤湿度
则受降雨的影响呈现不规则变化, WFPS 最大值为
64.2%, 最小值为 13.5%。

图 1 不同施肥处理下小麦生长季气温、土壤 5 cm温度和土壤湿度(WFPS)变化
Fig. 1 Changes in air temperature, 5 cm soil temperature and soil moisture (WFPS) during the wheat growing season under different
fertilization treatments
2.2 不同施肥处理小麦生长期土壤无机氮的变化
图 2 为小麦季土壤中无机氮(NO3−-N+NH4+-N)含
量变化(以干土重计)。小麦生育期, 不施肥 NF处理
土壤中无机氮含量均显著低于其他 5 种施肥处理,
且变化范围最小(1.49~19.46 mg·kg−1)。肥料施入土壤
后初期, 土壤无机氮含量变化最明显, 迅速增加。
OM 和 OMNPK 处理土壤无机氮含量在施肥后第 6 天
(2012年 11月11日)达到最大值, 分别为 110.14 mg·kg−1
和 164.63 mg·kg−1; 而 N、NPK 和 CRNPK则推迟到
施肥后的第 11天(2012年 11月 16日)达到最大值, 分
第 9期 柳文丽等: 施肥方式对冬小麦季紫色土 N2O排放特征的影响 1033


别为 153.88 mg·kg−1、174.72 mg·kg−1和 69.82 mg·kg−1。
以上 5 种施肥方式下, 土壤无机氮含量高峰期持续
约 2周, 之后, 由于微生物的硝化和反硝化作用、植
物吸收以及氮淋失等原因, 无机氮含量出现动态波
动 , 但总体呈下降趋势 , 至小麦收获期 , 其含量达
到最低, 一般低于 3.0 mg·kg−1。在小麦生长期间, 不
同施肥方式间土壤无机氮含量差异明显(P<0.05), N
普遍高于 OM, 常规施肥 NPK 普遍高于 CRNPK 低
于 OMNPK。
2.3 不同施肥处理小麦生长期紫色土N2O动态排放
特征
土壤中微生物硝化和反硝化作用是导致土壤
N2O 自然排放的主要原因。由图 3 可以看出, 施用
氮肥能显著提高紫色土 N2O的排放。对照不施肥(NF)
处理的土壤 N2O 排放通量变化最小, 为−0.71~5.68
g(N)·m−2·h−1; N、OM、NPK、OMNPK 和 CRNPK
处理下, 土壤 N2O 排放通量变化范围分别为 1.06~
48.47 g(N)·m−2·h−1、0.86~114.62 g(N)·m−2·h−1、−2.18~61.49

图 2 不同施肥处理下小麦生长季土壤无机氮(NO3−-N+NH4+-N)含量变化
Fig. 2 Seasonal changes in soil inorganic N (NO3−-N+NH4+-N) content during the wheat growing season under
different fertilization treatments

图 3 不同施肥处理下小麦生长期土壤 N2O排放通量变化
Fig. 3 Variations of soil N2O emission flux during the wheat growing season under different fertilization treatments
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g(N)·m−2·h−1、0.04~113.06 g(N)·m−2·h−1和−0.99~50.33
g(N)·m−2·h−1, 平均排放通量分别为 11.69 g(N)·m−2·h−1、
15.81 g(N)·m−2·h−1、10.08 g(N)·m−2·h−1、13.37 g(N)·m−2·h−1
和 8.37 g(N)·m−2·h−1。
虽然不同施肥处理下紫色土 N2O排放通量差异
显著(P<0.05), 但各施肥处理的 N2O 排放通量变化
趋势基本一致。施肥后 N2O排放速率迅速增加, N、
OM、NPK 和 OMNPK 在施肥后第 5 天出现排放峰
值, CRNPK 在第 6 天达到峰值, 随后排放通量呈下
降趋势, 整个排放高峰期持续约 2周。NF则未见明
显排放高峰 , 可见施肥是紫色土冬小麦生长初期
N2O排放出现高峰的主要驱动因子。
在 2013年 3月 20日、4月 6日和 5月 3日的观
测中, 不同施肥方式下土壤N2O排放通量增加, 这主
要是由于在 3月 19日、4月 5日和 5月 1日, 分别出
现了 3次降雨(11.8 mm、7.8 mm和 17.6 mm), 土壤湿
度显著增加, WFPS分别达到 59.5%、42.3%和 49.5%,
使土壤处于干湿交替状态, 加之此时的气温(12.9~
26.6 ℃)和土壤温度(11.8~20.2 ℃)相对较高, 微生物
活性较强, 土壤硝化与反硝化作用共同促使土壤N2O
的大量产生和排放, 降雨能有效激发土壤 N2O排放。
2012年 12月底至 2013年 1月期间, 虽然WFPS较大
(33.3%~64.2%), 但气温和土壤温度较低(−1.2~7.6 ℃
和 2.4~6.7 ℃), 限制了硝化和反硝化作用进行, N2O
排放通量并没有随湿度的变化出现明显波动。
2.4 不同施肥处理小麦产量、土壤 N2O 排放量和
GWP值
施肥方式对紫色土冬小麦的生物量、产量具有
显著影响(P<0.05, 表 2)。5 种施氮处理中, 有机肥
(OM)处理的小麦生物量(干重)最大, 为 8.27 t·hm−2,
N处理最小 3.16 t·hm−2; 施肥对产量的影响与对生物量
的影响相似, OM处理的小麦产量最高, 为 3.71 t·hm−2,
其次为 CRNPK(3.40 t·hm−2), 两处理间无显著差异;
与常规施肥方式(NPK)相比, OM 和 CRNPK 处理的
小麦产量分别增加 33%和 21%。
不同施肥方式下土壤 N2O 排放量为 0.06~0.38
kg(N)·hm−2, 占施氮总量比例(N2O 排放系数)的 0.10%~
0.25%(表 2)。N、OM、NPK、OMNPK 和 CRNPK
的 N2O排放量显著高于 NF, 分别是空白对照 NF的
6.3倍、6.0倍、4.8倍、5.5倍和 3.2倍, 可见, 施肥
显著增加土壤 N2O排放量。施肥方式对紫色土 N2O排
放量具有显著影响(P<0.01)。除与 OMNPK 无显著差
异(P>0.05)外, 常规施肥方式(NPK)的土壤 N2O排放
量与其他施肥方式间均存在显著差异(P<0.05)。相对
于 NPK, N和 OM处理的土壤 N2O排放量分别增加
31%和 24%, 而 CRNPK 则显著减少 34%。小麦季
N2O排放量顺序呈 N>OM>OMNPK>NPK>CRNPK>
NF。
表 2 不同施肥处理下小麦产量及土壤 N2O排放量、GWP值和 Yield-scaled GWP
Table 2 Wheat grain yield, N2O emission amount, GWP of soil N2O emission and yield-scaled GWP of N2O emission under
different fertilization treatments
处理
Treatment
生物量(干重)
Dry biomass
(t·hm−2)
小麦产量(干重)
Dry wheat yield
(t·hm−2)
N2O排放量
N2O emission amount
[kg(N)·hm−2]
N2O排放系数
Emission factor
(%)
GWP
[kg(CO2 eq)·hm−2]
Yield-scaled GWP
[kg(CO2 eq)·t−1]
NF 2.96±0.12a 1.27±0.06a 0.06±0.01a — 26.32±4.07a 20.80±3.95a
N 3.16±0.56a 1.34±0.15a 0.38±0.04b 0.25 177.95±16.88b 132.57±4.50b
OM 8.27±0.25c 3.71±0.10d 0.36±0.06b 0.23 170.14±28.23b 45.70±6.35c
NPK 6.56±0.18b 2.80±0.19b 0.29±0.05c 0.18 135.80±23.41c 49.07±11.73c
OMNPK 7.38±0.55bc 3.13±0.25bc 0.33±0.02bc 0.21 152.97±11.78bc 48.92±3.69c
CRNPK 8.09±1.09c 3.40±0.29cd 0.19±0.03d 0.10 88.97±14.05d 26.41±6.02a
同列不同字母表示处理间 0.05水平差异显著(Duncan多重比较)。Different small letters in one column indicate significant differences (P <
0.05, Duncan) among fertilization treatments.

在 100 a 时间尺度上, 单位质量 N2O 的全球增
温潜势为 CO2的 298倍[2]。施肥方式对 N2O的 GWP
值具有显著影响(P<0.05, 表 2), 不同施肥方式下 ,
N2O 的 GWP 值大小顺序表现为 N>OM>OMNPK>
NPK> CRNPK> NF。单施氮肥排放的 N2O的 GWP
值最大 , 为 177.95 kg(CO2 eq)·hm−2, 与 OM 和
OMNPK 无显著差异, 但分别为 NPK 和 CRNPK 的
1.3 倍和 2.0 倍。常规氮磷钾施肥(NPK)为 135.80
kg(CO2 eq)·hm−2, 除与OMNPK无显著差异外, 显著
低于 N 和 OM, 但高于 CRNPK。CRNPK 处理下排
放的 N2O的 GWP值仅为 88.97 kg(CO2 eq)·hm−2, 比
N、OM、NPK和 OMNPK分别减少 50%、48%、34%
和 42%, 差异显著。
3 讨论
3.1 小麦季 N2O排放的主要影响因素
土壤 N2O排放通量与气温、土壤湿度、土壤温
度的相关性较好[22−23]。但本研究中, 各施肥方式下,
N2O 排放通量与气温、土壤湿度、土壤温度均无显
著相关性(P>0.05, 表 3), 可能是因为在小麦整个生
第 9期 柳文丽等: 施肥方式对冬小麦季紫色土 N2O排放特征的影响 1035


长期, 气温较低, 土壤温度变化小, 同时降雨少, 土
壤湿度变化也很小; 而施肥造成的肥料效应部分掩
盖了气温、土壤温度和湿度的效应[13], 与部分研究
结果一致[13,24]。在小麦生长期间, 各施肥方式下, 土
壤无机氮含量变化趋势与土壤 N2O排放通量变化趋
势较一致。Pearson 相关性分析表明, 不同施肥方式
下, 紫色土坡耕地土壤无机氮含量与 N2O 排放通量
之间存在显著正相关性(P<0.01, 表 3), 这主要是因
为土壤无机氮含量高时, 能为微生物硝化和反硝化
作用提供充足的氮源, 促进土壤 N2O 的产生和排
放。土壤中无机氮含量是紫色土 N2O排放的主要影
响因子, 与前人研究结果一致[5,13]。
表 3 不同施肥处理下土壤 N2O排放通量与环境
条件的相关性
Table 3 Correlation coefficients between N2O flux and envi-
ronment factors
处理
Treatment
气温
Air
temperature
土壤温度
Soil
temperature
土壤湿度
Soil
moisture
土壤无机氮含量
Soil inorganic N
content
NF 0.102 0.111 0.108 0.457**
N 0.088 0.223 0.060 0.647**
OM 0.081 0.115 0.356* 0.624**
NPK 0.072 0.028 0.270 0.798**
OMNPK 0.119 0.186 0.222 0.757**
CRNPK 0.052 0.145 0.268 0.702**
*和**分别表示 0.05和 0.01水平显著相关。“*” and “**” indicate
significant correlation at P < 0.05 and P < 0.01, respectively.

3.2 施肥方式对紫色土冬小麦季土壤 N2O 排放的
影响
不同施肥方式下冬小麦季紫色土N2O累积排放
通量呈现N>OM>OMNPK>NPK>CRNPK>NF的关
系。施肥方式对N2O排放具有显著影响(P<0.05)。单
施化学氮肥(N)时N2O排放量显著高于常规氮磷钾施
肥(NPK), 这可能是因为在等量氮肥条件下, 单施氮
肥导致小麦生长必需的其他营养元素(P、K等)未得到
充分满足, 小麦生长情况差, 生物量仅为3.16 t·hm−2,
植株利用氮素量少, 土壤中无机氮残留量大, 为土
壤微生物硝化−反硝化过程提供了足量氮源 , 利于
N2O的产生。而施用有机肥处理(OM、OMNPK)的
N2O排放量显著高于NPK、CRNPK处理, 说明有机
肥可能促进土壤N2O排放, 这与土壤C/N比有关。在
本研究中所施用的猪厩肥C/N较小(15︰1), 而小麦
季施用的玉米秸秆的C/N比高(45︰1), 从而导致施
用猪厩肥和秸秆的土壤C/N显著差异[25]。有研究表
明, 土壤的N2O排放随土壤C/N的增大而减小[26]。同
时, 低C/N的猪厩肥能提供活性微生物和酶, 促进土
壤中有机氮的矿化, 增加土壤中无机氮的含量, 利
于土壤硝化和反硝化作用的进行, 因此N2O排放量
较高。反之, CRNPK土壤N2O排放量最小, 显著低于
其他施肥措施。这也是因为C/N高的玉米秸秆施入土
壤后, 秸秆矿化分解需要消耗土壤无机氮, 减少了
土壤无机氮的含量, 这也与N2O排放量与无机氮含
量呈显著正相关的结论一致。同时, 在秸秆分解过
程中产生化感物质[27], 对土壤反硝化作用具有一定
的抑制性。可见, 施肥方式是紫色土冬小麦季土壤
N2O排放的主要调控措施, 而调控土壤C/N, 控制土
壤无机氮水平是主要调控机制。其他研究也表明 ,
秸秆还田配施化肥能有效减少土壤N2O排放[5,25]。但
姜宁宁等[28]通过室内培养研究不同氮源及秸秆添加
对菜地土壤N2O排放的影响, 发现在碳酸氢铵、硫酸
铵、尿素中添加玉米秸秆后, 土壤N2O排放量比未施
秸秆增加1倍多。之所以造成研究结果的不同, 可能
与土壤理化性质、秸秆用量、秸秆还田方式以及研
究方法的差异有一定的关系。
农田施用氮肥的目的是增加作物产量, 因此基
于产量评价施肥对N2O排放的影响具有一定的现实
意义。综合考虑环境和生产效益, 单位产量的全球
增温潜势(yield-scaled GWP)能较好地反映二者的综
合效应[29], 合理的施肥措施应该确保作物产量无明
显降低, 同时尽量减少yield-scaled GWP值。本研究
中, 施肥方式对yield-scaled GWP值具有显著影响。
单施化学氮肥的yield-scale GWP值最大, 显著高于
其他施肥方式, 从另一个角度佐证了单施化肥不能
提供作物生长的全量养分, 无法增加作物产量, 反
而激发N2O的排放, 不利于农业的可持续发展。秸秆
还田条件(CRNPK)下, yield-scaled GWP值仅为26.41
kg(CO2 eq)·t−1, 显著低于其他5种施肥处理, 表明单
位产量排放的N2O低。因此, CRNPK具更高的氮肥利
用效率, 在保证较高小麦产量的同时, 还能有效降
低N2O排放, 取得良好的环境效应。但是, 在部分已
报道的农田温室气体排放的研究[25,29−30]和本研究中,
计算GWP或yield-scaled GWP时, 没有同时将CO2、
CH4和N2O 3种温室气体的全球增温潜势计算在内,
不能全面评价农田温室气体对气候系统的潜在效应,
还有待进一步研究。
4 结论
施肥能显著激发紫色土 N2O 排放, 是冬小麦生
长初期 N2O排放出现高峰的主要驱动因子。在相同
施氮量的情况下, 施肥方式对 N2O 排放量有显著影
响。单施氮肥的 N2O的排放量最大[0.38 kg(N)·hm−2],
秸秆还田配施化肥的 N2O 排放量最小 , 为 0.19
kg(N)·hm−2, 与其他 4种施肥方式存在显著差异。土
壤无机氮含量(NO3−-N 和 NH4+-N)是紫色土 N2O排放
1036 中国生态农业学报 2014 第 22卷


的主要限制因子, 降雨能有效激发土壤 N2O排放。
在 100 a时间尺度上, 秸秆还田配施氮磷钾肥处
理的基于产量的 GWP值显著低于其他施肥处理。秸
秆还田配施氮磷钾肥的施肥方式, 不仅能实现小麦
高产, 还能有效抑制施肥所引起的土壤 N2O 排放,
实现环境效益与生产效益的协调一致, 可作为紫色
土地区推荐的最佳施肥措施。
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2015年《植物遗传资源学报》征订启事
《植物遗传资源学报》是中国农业科学院作物科学研究所和中国农学会主办的学术期刊, 为中国科技论文统计源期
刊、中国科学引文数据库来源期刊(核心期刊)、中国核心期刊(遴选)数据库收录期刊、中国学术期刊综合评价数据库统
计源期刊、中国农业核心期刊、全国优秀农业期刊, 被《中国生物学文摘》和中国生物学文献数据库、中文科技期刊数
据库收录。据中信所 2014年期刊学术影响因子年报统计, 《植物遗传资源学报》影响因子为 1.146(综合影响因子 1.396),
在全国农艺和园艺类期刊中排名第 5, 在全国 1998种科技核心期刊中排名 157位。
报道内容为大田、园艺作物, 观赏、药用植物, 林用植物、草类植物及其一切经济植物的有关植物遗传资源基础
理论研究、应用研究方面的研究成果、创新性学术论文和高水平综述或评论。诸如, 种质资源的考察、收集、保存、评
价、利用、创新, 信息学、管理学等; 起源、演化、分类等系统学; 基因发掘、鉴定、克隆、基因文库建立、遗传多样
性研究。
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