环境科学  2020, Vol. 41 Issue (12): 5668-5676   PDF    
引用本文
许宏伟, 李娜, 冯永忠, 任广鑫, 谢呈辉, 吕宏菲, 马星霞, 郝嘉琪. 氮肥和秸秆还田方式对麦玉轮作土壤N2O排放的影响[J]. 环境科学, 2020, 41(12): 5668-5676.
XU Hong-wei, LI Na, FENG Yong-zhong, REN Guang-xin, XIE Cheng-hui, LÜ Hong-fei, MA Xing-xia, HAO Jia-qi. Effects of Nitrogen Fertilizer and Straw Returning Methods on N2O Emissions in Wheat-Maize Rotational Soils[J]. Environmental Science, 2020, 41(12): 5668-5676.
氮肥和秸秆还田方式对麦玉轮作土壤N2O排放的影响
许宏伟1,2, 李娜1,2, 冯永忠1,2, 任广鑫1,2, 谢呈辉1,2, 吕宏菲1,2, 马星霞1,2, 郝嘉琪1,2     
1. 西北农林科技大学农学院, 杨凌 712100;
2. 陕西省循环农业工程技术研究中心, 杨凌 712100
收稿日期: 2020-05-15; 修订日期: 2020-06-04
基金项目: 国家自然科学基金项目(31971859)
作者简介: 许宏伟(1994~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为农田N2O排放机制, E-mail:daxuhxl@163.com
通信作者: 冯永忠, E-mail:fengyz@nwsuaf.edu.cn
摘要: 为探究氮肥和秸秆还田方式对N2O排放的影响，本研究在关中地区冬小麦-夏玉米轮作模式下，采用双因素裂区设计，主区为常规施氮（G）和减量施氮（70% G）；副区为秸秆不还田（N）、秸秆还田（S）和秸秆还田+生物炭（SB），分析对N2O排放和产量的影响及与相关影响因子间的关系.结果表明，小麦季和玉米季各处理在施肥后第5~16d内相继出现N2O排放高峰，在降雨后也出现N2O排放峰值.N2O通量和土壤温度、NH4+-N含量呈显著正相关.在同等施氮水平下，S处理增加了N2O排放量，SB处理可降低N2O排放量，S和SB处理均能显著增加作物产量，且SB增产幅度更大；70% G水平的N2O年排放量较G水平减少了40%~48%，而产量并没有明显减少.综合考虑，在常规施氮基础上减氮30%配合秸秆+生物炭，在保证作物高产的同时，N2O减排效果最好.
关键词: 氮肥      秸秆还田      生物炭      N2O排放      产量     
Effects of Nitrogen Fertilizer and Straw Returning Methods on N2O Emissions in Wheat-Maize Rotational Soils
XU Hong-wei1,2 , LI Na1,2 , FENG Yong-zhong1,2 , REN Guang-xin1,2 , XIE Cheng-hui1,2 , LÜ Hong-fei1,2 , MA Xing-xia1,2 , HAO Jia-qi1,2     
1. College of Agronomy, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
2. Research Center of Recycle Agricultural Engineering and Technology of Shaanxi Province, Yangling 712100, China
Abstract: In order to explore the impacts of nitrogen fertilizer and straw returning methods on N2O emissions, a two-factor split-zone design was adopted for experimentation under the winter wheat-summer maize rotation model in the Guanzhong area of Shanxi, China. The main areas of interest were conventional nitrogen (G) and reduced nitrogen (70% G); the sub-areas were straw no return (N), straw return (S), and straw return + biochar (SB); we analyzed their impacts on N2O emissions and crop yield, and the relationships with related impact factors. The results showed that the N2O emissions peaks appeared in the wheat season and maize season treatments within 5-16 days after fertilization, and also appeared after rainfall. The N2O flux was significantly and positively correlated with soil temperature and NH4+-N content. Regardless of the wheat season, maize season, or annual total N2O emissions, the 70% GSB treatment was the lowest and the GS treatment was the highest. At the same level of nitrogen application, S treatment increased N2O emissions, SB treatment could reduce N2O emissions, both S and SB treatments could significantly increase crop yields, and SB production increased more; 70%G-level annual N2O emissions, when compared with the G level, had been reduced by 40% to 48%, while the yield has not decreased significantly. Through comprehensive consideration, a reduction of nitrogen by 30% was achieved through the combination of straw + biochar on the basis of conventional nitrogen application, while ensuring high crop yields and the best N2O emissions reduction.
Key words: nitrogen fertilizer      residues      biochar      N2O emissions      yield     

全球变暖已经成为不争的事实, 1880~2012年全球平均温度已升高0.85℃(0.65~1.06℃)[1]. N2O作为重要温室气体之一, 100 a全球增温潜势(NWP)是CO2的280~310倍[1].据估计大气中每年有80%~90%的N2O来源于土壤, 而农田土壤是温室气体的重要排放源[2].因此针对农田N2O减排的研究具有重要意义.

氮肥用量过多是导致农田土壤N2O排放较高的重要原因[3].在我国农业生产过程中, 氮肥的投入量占化肥投入总量的比重最高, 但氮肥的当季利用率明显落后于世界水平[4].有调查结果显示, 在关中地区冬小麦-夏玉米轮作模式中, 普遍存在施氮量过大的现象, 小麦、玉米过量施氮农户高达55.3%和78.2%[5].事实上过量施氮下产量并没有实现同比增长, 还会使土壤退化、硝酸盐淋失和增加N2O排放等[6].因此, 对于改善环境和作物增产方面, 合理的施氮量显得尤为重要.

我国秸秆资源极其丰富, 水稻、小麦和玉米等大宗农作物秸秆年产出在5亿t左右[7].合理高效的秸杆还田方式不仅可减少资源浪费, 还可增强土壤肥力, 弥补氮肥减量的不足以及降低氮素损失等[8].关于秸秆还田调控N2O排放的研究屡见不鲜, 但结果却不尽相同.有研究指出秸秆还田促进了N2O排放, 原因可能是秸秆还田使供碳量增加, 从而促进反硝化和N2O排放[9].也有研究显示秸秆还田可抑制N2O排放, 原因是秸秆中较高的C/N增强了土壤氮素固定, 降低了N2O排放[10].生物炭是近年来兴起的一种由农业废弃物在高温低氧条件下产生的含碳量极高的固态物质, 可改良土壤, 培肥地力[11], 同时也用作温室气体的调控研究.生物炭由于其较强的吸附性及表面电负性, 可吸附土壤中游离的NH4+和温室气体, 其较高的C/N可导致土壤N的矿化和再固定, 从而降低N2O排放[12, 13].但生物炭对N2O排放的影响仍存在争议[14, 15], 且秸秆还田下添加生物炭对N2O排放的影响也鲜有报道.因此本研究以关中地区麦玉轮作模式为基础, 探究氮肥施用量配合秸秆还田方式对土壤N2O排放和产量的影响, 以期为关中地区实现高产低排放的合理高效种植制度提供理论基础与技术支撑.

1 材料与方法 1.1 试验地概况

本试验在陕西省杨凌区西北农林科技大学曹新庄试验田进行(E108°04′, N34°17′).该地区位于关中地区中部, 海拔520 m, 为大陆性季风区半湿润半干旱气候, 是典型的一年两熟农作区.年平均降水量为550 mm, 小麦生育期内的降雨量约占年降雨量的40%, 年平均气温12.9℃.试验地土壤为塿土.试验开始于2018年6月, N2O观测周期为2018年10月至2019年10月. 2018年6月试验开始前土壤基础理化性质见表 1, 观测期内气温和降水量如图 1所示.

表 1 土壤基础理化性质(0~20 cm) Table 1 Physical and chemical properties of soils (0-20 cm)

图 1 月平均气温和降水量的变化情况 Fig. 1 Average temperature and precipitation monthly

1.2 试验设计

本试验采用裂区设计, 主区为施氮量, 设2个水平：常规施氮(G)和70%施氮(70%G); 副区设3个水平：秸秆不还田(N)、秸秆还田(S)和秸秆还田+生物炭(SB).每个处理3次重复, 共18个小区, 各小区面积为36 m2, 间隔1 m, 周围设3 m保护行.所有处理均分别以尿素、过磷酸钙和硫酸钾作为氮磷钾肥, 均以基肥的形式在播前均匀撒于各小区. N为前茬作物收获后, 人工移除秸秆地上部分; S为前茬作物收获后, 利用秸秆还田机将该小区内秸秆打碎后旋耕入15 cm土层; SB为前茬作物收获后, 将小区内秸秆进行粉碎, 均匀撒入8t·hm-2生物炭, 最后进行旋耕.所有小区均采用旋耕, 旋耕深度15 cm, 小麦和玉米肥料用量见表 2.

表 2 小麦和玉米肥料用量/kg·hm-2 Table 2 Amount of wheat and maize fertilization/kg·hm-2

本研究采用蠡玉18号和西农889为研究对象.冬小麦于2018年10月13日播种, 行距30.00 cm, 播种量为150 kg·hm-2, 2019年6月6日收获; 夏玉米于2019年6月13日播种, 行距70.00 cm, 株距25.00 cm, 播种深度5 cm, 2019年9月27收获.本试验期间使用杀虫剂与除草剂进行除草和病虫害防治, 观测期内未进行灌水.

1.3 N2O排放的测定

N2O排放通量采用密闭式静态暗箱-GC气相色谱法测定.箱体为不锈钢金属, 由上下两部分组成, 上部箱体为立方体(长50 cm、宽50 cm和高50 cm), 周围包裹两层绝热材料, 箱体侧面中部设有气密性气体取样口, 取样口由三通阀连接控制开关, 顶部插有温度计, 底部开口可以罩在底座上; 下部底座为四周有水槽的立方体, 播种前将底座插入小区中心15 cm土中.采样时间为上午09:00~11:00, 测定时, 水封槽内注满水, 罩上箱体, 形成一个密闭性气体空间, 随后立即用50 mL注射器采集样品, 之后分别在扣箱后的15 min和30 min时采样一次.监测频率为播种后前两周内每2~3 d采1次, 之后每7~10 d一次直至作物收获, 其中小麦越冬期只采集一次.降雨后2~3 d一次, 直至排放速率恢复稳定.气体样品于采样当天用气相色谱仪(Agilnet Technologies 7890A)分析气体样品中N2O的含量.使用电子捕获检测器(ECD), 载气为氩甲烷, 其柱温是65℃, 检测器温度330℃, 流速为30 mL·min-1.

1.4 土壤环境因子的测定

在每次监测气体的同时, 同步测定土壤相关环境因子.作物播种后, 在每个小区静态箱底座周围约10 cm处埋置10 cm直角地温计用于测定土壤温度.用螺旋形土钻在静态箱底座周围约1.5 m内采集土壤样品, 确保土壤相关数据具有代表性.采用铝盒烘干称重法测定土壤含水的体积分数(0~10 cm), 环刀法测定土壤容重(0~10 cm); 土壤无机氮(NO3--N和NH4+-N)含量(0~20 cm)采用1 mol·L-1 KCl浸提-AA3流动分析仪(德国SEAL公司)测定(水土比为5:1), 每个处理重复9次.

1.5 数据处理与分析

N2O排放通量计算公式如下:

(1)

式中, F为温室气体的排放通量[μg·(m2·h)-1]; ρ为温室气体在标准状态下的密度(1.964 kg·m-3); dc/dt为采样过程中采样箱内气体的浓度变化率; p为采样箱内气压; p0为标准大气压, 由于试验站地区气压与标准大气压相当, 因此p/p0值等于1; V表示密闭静态箱体积(m3); A表示采样箱内土地面积(m2); 273为气态方程常数; T为测定时采样箱内平均温度(℃).

式(2)为土壤充水孔隙度(WFPS)计算公式:

(2)

式中, SC为土壤含水的体积分数(cm3·cm-3), BD为土壤容重(g·cm-3), 假定土壤密度为2.65(g·cm-3).

假定观测所得N2O排放速率为日排放速率的平均值, 利用线性内插法估算未观测日的排放速率, 逐日累加, 估算N2O年排放量.

N2O排放强度根据各处理N2O排放总量和作物产量的比值计算.

利用Microsoft Excel 2016进行相关数据计算, OriginPro 2019b绘图, Spss Statistics 25进行单因素方差分析及LSD多重比较, 并对N2O排放通量与土壤环境因素进行皮尔森相关分析.

2 结果与分析 2.1 土壤NH4+-N、NO3--N含量和水热状况的季节变化

图 2为冬小麦/夏玉米轮作期间土壤NO3--N和NH4+-N含量的动态变化情况.在同等施氮水平下, 各秸秆还田处理NO3--N和NH4+-N含量的平均值分别表现为SB>S>N和S>N>SB.在小麦和玉米季, 各处理NO3--N含量的季节变化幅度较大, 而NH4+-N含量仅在施肥后10 d内达到峰值, 随后一直保持在较低水平.常规施氮(G)水平下, NO3--N和NH4+-N含量的变化范围分别为2.5~58.5 mg·kg-1和0.77~50 mg·kg-1; 70%施氮(70%G)水平下NO3--N和NH4+-N含量分别在2.18~38.09 mg·kg-1和1~37.37 mg·kg-1之间, 平均值较G水平分别降低了8%~30%和11%~28%.

实线箭头代表施肥, 虚线箭头代表降水, 下同 图 2 不同处理0~20 cm土层NO3--N、NH4+-N的动态变化 Fig. 2 Dynamic changes of NO3--N and NH4+-N in soil layers 0-20 cm deep in different treatments

小麦和玉米轮作期间, 各处理土壤温度和WFPS均无显著性差异(P>0.05, 图 3).降水对WFPS影响较大, 全年尺度下, WFPS呈现锯齿形波动, 变化范围为24%~91%, 不同处理WFPS平均值大小顺序为GS>70%GS>GSB>70%GSB>70%GN>GN, 小麦季和玉米季平均WFPS分别为53%和58%.土壤温度变化范围为4.33~30.73℃, 整体表现为先下降后上升再下降趋势, 小麦季和玉米季土壤平均温度分别为13.91℃和25.67℃.

图 3 不同处理10 cm土壤温度与0~10 cm土层孔隙充水率 Fig. 3 Soil temperatures at 10 cm and water-filled pore spaces at 0-10 cm in different treatments

2.2 N2O排放通量的动态排放特征

不同处理N2O排放通量年季动态变化趋势基本一致(图 4).施肥后, N2O排放通量迅速增加, 各处理N2O排放高峰分别出现在施肥后第5~16 d内, 此外, 在降雨后也出现N2O排放峰值.

图 4 不同处理N2O排放通量年季动态变化 Fig. 4 Dynamic annual and seasonal changes of N2O emissions fluxes in different treatments

在小麦季, G条件下, N2O排放通量变化幅度为0.12~52.3 μg·(m2·h)-1, N、S和SB处理下N2O排放峰值分别为36.84、52.30和24.23 μg·(m2·h)-1. 70%G条件下, N2O排放通量变化幅度为0.97~36.3 μg·(m2·h)-1, N、GS和GSB处理下N2O排放峰值分别为20.47、36.33和17.41 μg·(m2·h)-1.

在玉米季, G条件下, N2O排放通量变化幅度为2.37~276.52 μg·(m2·h)-1, N、S和SB处理下N2O排放峰值分别为218.84、276.52和117.67 μg·(m2·h)-1. 70%G条件下, N2O排放通量变化幅度为3.42~155.22 μg·(m2·h)-1, N、GS和SB处理下N2O排放峰值分别为96.06、155.22和80.22 μg·(m2·h)-1.玉米季各处理N2O排放高峰均大于小麦季.

2.3 N2O排放总量

无论小麦季、玉米季还是年N2O排放总量, 均为70%GSB处理最低, GS处理最高(图 5).同等施氮水平, N2O排放总量大小顺序为S>N>SB; 对于同等秸秆还田方式, 70%施氮较常规施氮降低了N2O排放量, 且GN和70%GN、GS和70%GS两组处理间差异显著(P＜0.05).

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05), 图中数据为平均值±标准差 图 5 不同处理N2O排放总量 Fig. 5 Total N2O emissions in different treatments

小麦季, G和70%G水平下, N2O排放总量分别在260.09~684.18 g·hm-2和208.59~442.91g·hm-2之间, S较N处理显著增加了N2O排放量(P＜0.05), 增幅分别为63%和84%, SB比N处理N2O排放量低, 但差异不显著(P>0.05).玉米季, G和70%G水平下, N2O排放总量分别在652.25~1 414.59 g·hm-2和335.99~745.6 g·hm-2之间, S比N处理排放量高, 但差异不显著(P>0.05), SB较N处理分别降低了N2O排放量40%和38%, GSB与GN之间呈现显著性差异(P＜0.05).在整个小麦、玉米轮作期间, G和70%G水平下, N2O排放总量分别在912.34~2 098.77 g·hm-2和544.58~1 188.89 g·hm-2之间, S比N处理排放量分别增加了38%和51%, SB较N处理N2O排放量分别降低了40%和31%.

2.4 作物产量和N2O排放强度

小麦、玉米和整个轮作期作物产量对各施肥处理的响应呈现相同的趋势(表 3), 大小顺序为GSB>GS>70%GSB>70%GS>GN>70%GN, 秸秆还田方式对作物产量影响显著(P＜0.05).小麦季, G水平下, N处理产量最低, 为(5.23±0.33)t·hm-2, S、SB处理较N处理分别显著增产14%和18%(P＜0.05); 70%G水平下, N处理产量最低, 仅为(4.52±0.22)t·hm-2, S和SB处理较N处理分别显著增产18%和28%(P＜0.05).不同秸秆还田方式(N、S和SB), 70%G较G水平分别减产14%(P＜0.05)、10%(P＜0.05)和6%(P>0.05).玉米季, G水平下, N处理产量最低, 为(8.3±0.37)t·hm-2, S和SB处理较N处理分别显著增产7%和10%(P＜0.05); 70%G水平下, N处理产量最低, 为(7.83±0.3)t·hm-2, S和SB处理较N处理分别增产8%和13%(P＜0.05).不同秸秆还田方式(N、S和SB), 70%G较G水平分别减产6%、5%和4%, 差异均不显著(P>0.05).

表 3 不同处理下作物产量和N2O排放强度1) Table 3 Crop yield and N2O emissions intensity in different treatments

N2O排放强度均表现为70%GSB处理最低, GS处理最高(表 3).小麦季, G水平下, N2O排放强度在42.06~114.1mg·kg-1之间, S处理最高, SB处理最低, N、S和SB三者差异显著(P＜0.05); 70%G水平下, N2O排放强度在36.01~82.31 mg·kg-1之间, S处理显著高于N和SB处理(P＜0.05), 而N和SB差异不显著(P>0.05), 该水平N和S处理的N2O排放强度显著低于G水平(P＜0.05).玉米季, G和70%G水平, N2O排放强度分别在71.04~157.97 mg·kg-1和37.88~88.04 mg·kg-1之间, 同等施氮水平, SB处理显著低于N和S处理(P＜0.05), N和S间差异不显著(P>0.05), 且70%G水平N、S和SB处理下的N2O排放强度显著低于G水平(P＜0.05).

2.5 N2O排放和土壤环境因素的显著性关系

如表 4所示, 全年尺度下N2O排放通量和土壤温度呈现显著正相关(GS处理除外), 其中GSB处理达到极显著水平(P＜0.01).在小麦季, GN、70%GN和70%GS处理下的N2O排放通量与NH4+-N含量呈极显著正相关(P＜0.01), GS和70%GSB呈显著正相关(P＜0.05), 玉米季70%GS和70%GSB除外, 其他处理N2O排放通量与NH4+-N含量均呈极显著正相关(P＜0.01), 全年尺度下, GN、GS和GSB N2O排放通量与NH4+-N含量呈极显著正相关(P＜0.01), 70% GN呈显著正相关(P＜0.05).而N2O排放通量和NO3--N含量及WFPS均无显著相关性.

表 4 N2O通量与土壤环境因素的相关性1) Table 4 Correlations between N2O flux and soil environmental factors1)

3 讨论 3.1 土壤环境因素对N2O排放的影响

农田土壤的硝化反硝化作用是产生N2O的主要途径[16], 因此土壤中无机氮含量跟N2O排放关系密切.本试验结果显示, N2O通量跟土壤NH4+-N含量具有明显的正相关关系, 而跟NO3--N含量并无显著性关系.原因可能是该地区土壤呈碱性, N2O还原酶Nos活性较强而硝酸还原酶Nar以及亚硝酸还原酶Nir活性较弱, 不利于反硝化作用生成N2O[17], 因此导致N2O通量跟NO3--N含量相关性较弱.土壤水热状况也是影响农田N2O排放的主要因素之一.有研究表明, N2O排放通量与土壤温度呈正相关, 当土壤温度达到5℃以上时, 硝化和反硝化微生物发挥生物活性而开始产生N2O, 且在25~35℃时达到最大排放通量[18].本研究中, 全年尺度上N2O排放通量和土壤温度呈现显著正相关(GS处理除外), 其中GSB处理达到极显著水平(P＜0.01), 充分显示了土壤温度对N2O排放的影响.土壤水分状况主要通过影响土壤通气状况、土壤氧化还原状态以及土壤中微生物活性来影响N2O排放[19].有研究表明, N2O通量与土壤WFPS呈显著正相关[20, 21], 但在本次试验中, 这两者并无显著相关关系, 可能的原因是, 在小麦和玉米播种后的5d内, 土壤WFPS呈连续下降趋势(图 3), 降幅为14%~35%和18%~28%, 但各处理N2O排放通量由于施肥的影响在此期间持续上升, 施肥对N2O排放的影响掩盖了土壤WFPS的效应, 因此导致了以上结果.但本次数据显示, 在两次降雨后N2O排放通量均出现了峰值, 说明WFPS对N2O排放的影响较大, 同时玉米季各个处理N2O排放总量比小麦季高, 占年排放总量的62%~72%, 这是由于玉米季雨热同期(图 1), 土壤平均温度为25.16℃, 达到N2O排放的最适温度, 且各处理土壤平均WFPS在56%~60%之间, 水分充足, 更有利于N2O的排放.

3.2 氮肥和秸秆还田方式对N2O排放的影响

减少施氮量是降低土壤N2O排放的最直接和有效的措施[22].有研究发现, 氮肥水平存在一个阈值, 高于或者低于此水平N2O排放量均会降低[23], 此种情况在于底物浓度(土壤中矿质态氮)是否是硝化和反硝化作用的限制因素[24].本试验结果显示, N、S和SB这3种秸秆还田方式在70%G水平的N2O年排放量比G水平分别减少48%、43%和40%, 其中N和S处理减排显著(P＜0.05), 且70%G水平的NO3--N和NH4+-N含量比G水平低8%~30%和11%~28%, 说明在70%G~G范围内, 矿质态氮是硝化和反硝化作用的限制因素, 减少30%施氮量降低了土壤氮素供应, 从而减少N2O排放.

在同等施氮水平下, N2O排放总量表现为秸秆还田处理(S)高于单施氮肥处理(N), 秸秆还田+生物炭处理(SB)低于单施氮肥处理(N).目前关于秸秆还田影响土壤N2O排放的研究结果不一致[25, 26].秸秆还田对N2O的增排效应主要是由于秸秆分解过程中产生的土壤无机氮和水溶性有机碳含量, 为硝化反硝化作用提供充足底物的同时, 增强氧气的消耗, 形成厌氧环境从而促进反硝化作用及N2O排放[27].本研究发现, 在同等氮水平, S处理下的NH4+-N和WFPS均值都高于其他处理, NO3--N含量也处于较高水平, 这为N2O排放提供了有利条件, 因此增加了N2O排放量.多数研究表明, 施用生物炭可降低农田N2O排放量[28~30].在秸秆还田的基础上添加生物炭, 一方面可增加土壤C/N, 固定土壤中氮素, 另一方面由于其疏松多孔的结构表面呈现电负性的特点可吸附N2O和NH4+, 从而抑制N2O排放[31].本试验发现, 在秸秆还田的基础上添加生物炭, NH4+-N含量平均值比单施秸秆降低了34%~35%, 这与前人研究结果相似[32], 说明生物炭可能吸附了部分NH4+, 减弱硝化作用, 因此抑制了N2O排放.

3.3 氮肥和秸秆还田方式对产量和N2O排放强度的影响

秸秆还田以及在秸秆还田的基础上添加生物炭可提高作物产量, 且后者增产幅度更大.主要因为秸秆还田可改善土壤理化性质, 提高作物水肥利用率, 从而实现增产[33], 而秸秆+生物炭还田使秸秆在适宜的水热条件下快速腐解释放大量养分, 改善了土壤养分状况, 提高了微生物数量和活性, 更有利于作物生长[34].有研究表明, 对我国小麦、玉米农田而言, 降低30%的施氮量对产量并无明显影响, 且能减少10%~18%的N2O排放[23].本结果显示在玉米季, 减30%施氮并没有造成显著减产, 全年尺度下也仅S处理减产显著, 基本符合上述结论, 但N2O年排放量减少了40%~48%, 可能与该地区土壤质地、施肥方式和耕作措施等因素有关. N2O排放强度整体表现为70%GSB处理最低, GS处理最高, 且玉米季70%G处理下的N2O排放强度显著低于所有处理.综合考虑, 对于整个麦玉轮作体系而言, 氮肥减量70%配合秸秆还田+生物炭的投入, 能在保证作物高产的前提下减少N2O的排放.本试验周期较短, 生物炭也只有一个水平(8t·hm-2), 而生物炭在土壤中可长期存在, 因此要想了解其不同梯度对N2O排放和产量的影响以及长期的累积效应, 还有待进一步研究.

4 结论

(1) N2O通量和土壤温度、NH4+-N含量呈现显著正相关.

(2) 两种施氮水平下, S处理可增加土壤无机氮含量和N2O排放, SB处理可降低土壤NH4+-N含量和N2O排放, 氮肥减量能减少土壤无机氮含量和N2O排放.

(3) 两种施氮水平下, S和SB处理均能显著增加作物产量, 且后者增产效果更好, 而氮肥减量30%对作物产量的影响不太明显.

(4) 70%GSB处理在保证作物高产的同时, N2O减排效果最好.

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