2024, Vol. 45
2. 河北农业大学资源与环境科学学院, 保定 071000;
3. 北京市缓控释肥料工程技术研究中心, 北京 100097;
4. 德州市农业科学研究院, 德州 253015
, WANG Xue-xia1,3 , XIE Jian-zhi2 , CHEN Yan-hua1,3 , NI Xiao-hui1,3 , WANG Jia-chen1,3 , DONG Yan-fang4 , LI Zi-shuang4
, CAO Bing1,3
2. College of Resources & Environmental Sciences, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China;
3. Beijing Engineering Technology Research Center for Slow, Controlled-Release Fertilizer, Beijing 100097, China;
4. Dezhou Academy of Agricultural Sciences, Dezhou 253015, China
温室气体（N2O、CO2和CH4）排放所引起的全球变暖已成为人类面临的世界性环境问题[1]. 农业生产活动是温室气体排放的重要来源, 约占人类生产活动总量的12%, 其中CH4和N2O的排放量大约分别占到人为排放总量的40%和80%[2, 3]. 因此, 如何通过有效的农业管理措施来降低农田温室气体排放已成为应对气候变化的研究热点之一[4]. 氮作为植物生长发育的关键生命元素, 在我国粮食增产的过程中发挥着不可替代的作用[5], 但在实际生产中, 农民为了获得高产, 过量施用氮肥的现象普遍发生, 氮肥的过量施用不仅降低了氮肥利用率, 还引起了土壤酸化, 温室气体排放等一系列环境问题[6, 7]. 相关研究表明, N2O排放随着施氮量的增加呈线性或指数增加[8], 农田系统中因氮肥施用造成的N2O排放量大约可占到50%[9]. 因此, 在保证粮食安全的前提下, 氮肥的优化管理是实现农田温室气体减排的重要措施之一[10].
控释肥（controlled-release fertilizer）因其养分缓慢释放的特点可以满足作物在整个生长期的养分需求, 弥补了速效性化肥肥效期短、养分供应与作物需求不匹配的缺点, 且其一次性施肥特点相比于常规化肥的分次施用更加省时省力[11, 12]. 控释肥作为一种新型肥料的出现, 其增产增效, 减少氮素损失和温室气体排放的优点为实现农田固碳减排提供了新的思路[13]. Yang等[14]通过Meta分析结果表明, 施用控释肥的作物产量和氮素利用率分别提高了7.7%和12.6%, 综合产量、N2O排放、NH3挥发和硝酸盐淋溶等多方面考虑, 控释肥能够发挥更大的环境效益. 但是控释肥的价格与普通氮肥相比较高, 单纯施用控释肥价格昂贵, 并且控释肥前期养分释放缓慢, 易使作物出现前期养分不足后期贪青晚熟的问题[15]. 因此采用控释氮肥与普通氮肥配施的方式可以有效弥补上述问题. 目前我国在粮食作物（小麦、玉米和水稻）上多采用控释掺混肥一次性基施方式[16~18], 控释掺混肥可以较好地满足作物生长期的养分需求, 其增产、提高氮素利用率和减少氮素损失的效果良好, 并且与只施用控释肥相比还降低了肥料成本[19]. Yao等[17]研究表明, 在多个施氮水平下, 在玉米上一次性基施控释掺混肥较常规施肥的硝酸盐淋溶、NH3挥发和N2O排放分别降低了24%、18%和27%, 同时显著提高了氮肥利用率和经济效益. Zhang等[18]采用生命周期评价的方法研究发现, 与常规施肥相比, 控释掺混肥显著降低了冬小麦生长期间的温室气体排放（16% ~ 35%）, 在实现高产的同时提高了生态系统经济效益（ecosystem economic benefits, EEB）.
麦玉（冬小麦和夏玉米）轮作是华北平原的主要粮食生产模式[20]. 本地区麦玉轮作体系的氮肥施用严重超标, 过量氮肥施用所引起的土壤、地下水、大气等环境问题日益显现[21, 22]. 目前有关控释掺混肥在冬小麦和夏玉米的研究多以单季作物的产量和氮肥利用率为主, 对于控释掺混肥施用的周年作物产量和环境效应定位研究较少, 为此本研究以华北平原麦玉轮作农田为研究对象, 通过设置不同的施肥处理, 对比分析其对麦玉轮作体系作物产量、氮肥利用率和温室气体排放等影响的差异, 并结合作物产量和全球增温潜势等指标综合评价不同施肥处理的经济效益和环境效应, 探索施用控释掺混肥代替普通速效性氮肥的可行性, 以期为华北平原粮食的清洁生产提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况田间试验布置在山东省德州市现代农业科技园区（37.44°N, 116.30°E）, 属温带大陆性季风气候, 年平均温度为12.9℃, 年平均日照时数为2 592 h, 年平均降雨量为547.5 mm. 试验期间的降水量与气温分布如图 1所示. 本试验地土壤类型为潮土, 试验前0 ~ 20 cm土层土壤pH值为8.40, ω（有机质）为13.31 g·kg-1, ω（全氮）为0.80 g·kg-1, ω（有效磷）为28.66 mg·kg-1, ω（速效钾）为170.35 mg·kg-1.
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图 1 试验期间降水量与气温动态变化 Fig. 1 Dynamic changes in precipitation and temperature during the test |
田间试验每种作物均设计5个施肥处理, 其中夏玉米季为不施氮对照（CK）、农户习惯施氮（基追比为1∶2, FFP）；优化施氮（基追比为1∶2, OPT）；30%控释氮肥与普通尿素掺混一次性基施（CRU1）；50%控释氮肥与普通尿素掺混一次性基施（CRU2）, 所有处理均底施P2O5 105 kg·hm-2和K2O 135 kg·hm-2. 冬小麦季为不施氮对照（CK）、农户习惯施氮（基追比为1∶1, FFP）；优化施氮（基追比为1∶1, OPT）；50%控释氮肥与普通尿素掺混一次性基施（CRU1）；70%控释氮肥与普通尿素掺混一次性基施（CRU2）, 所有处理均底施P2O5 105 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2. 普通尿素N含量为46%, 控释氮肥由北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所自制, 小麦季控释氮肥N含量44.4%, 玉米季控释氮肥N含量44.7%, 磷钾肥分别为重过磷酸钙（含P2O5 46%）和硫酸钾（含K2O 52 %）. 本试验开始于2020年6月, 夏玉米在出苗后施入基肥, 于大喇叭口期追肥. 冬小麦施基肥后旋地播种, 在拔节期追肥. 供试夏玉米品种为郑单958, 冬小麦供试品种为济麦22. 每个处理3次重复, 小区面积42 m2, 随机排列. 夏玉米株行距为23 cm × 60 cm, 冬小麦行距为16.6 cm, 冬小麦、夏玉米秸秆全部还田, 田间管理参照当地农民习惯. 各处理施氮量详见表 1.
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表 1 不同处理施氮量/ kg·hm-2 Table 1 N application rate with different treatments / kg·hm-2 |
1.3 测定项目与方法 1.3.1 籽粒产量
在夏玉米收获时, 每小区选取中间两行有代表性的20株玉米进行人工收割, 风干脱粒计算玉米籽粒产量（水分含量14%）；在冬小麦收获时, 每小区选取中间3行10 m的小麦进行人工收割, 风干脱粒计算小麦籽粒产量（水分含量12%）.
1.3.2 氮肥利用效率于作物成熟期收取整株作物, 将所取的植株样品分为秸秆和籽粒以测定植株养分含量, 样品置于烘箱105℃杀青30 min, 75℃下烘干至恒重, 然后将烘干后样品粉碎混匀, 采用凯氏定氮法测定样品的全氮含量.
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式中, NF和NC分别为施氮区和不施氮区地上部植株氮素积累量, kg·hm-2, N为当季施氮肥量, kg·hm-2.
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式中, Ya和Yb分别为施氮区和对照区产量, kg·hm-2.
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式中, Y为总产量, kg·hm-2.
1.3.3 温室气体的采集与测定温室气体排放通量采用静态暗箱-气相色谱法进行采集与测定. 静态箱由箱体和底座两部分组成. 箱体为直径31.5 cm, 高60 cm的PVC圆柱形, 静态箱外部用黑色泡沫包裹, 表面覆有隔热层. 静态箱底座附有凹槽, 在种植作物后将底座埋入土壤约10 cm深, 取样时将底座凹槽注满水, 将箱体置于水槽底座中形成密闭空间, 随后分别在放置箱子后的第0、5、15、30 min用20 mL注射器收集箱内气体并打入10 mL密封气瓶中用于测定. 底座均置于小区中央, 每小区均放置一个静态箱. 在冬小麦和夏玉米施基肥后开始取样, 取样时间均为晴朗上午9：00 ~ 11：00, 平时1到2周取样一次, 具体取样频率视实际情况而定, 冬小麦季周期长可适当拉长取样频率, 越冬期为每半月或每月一次, 遇施肥或降雨则加密采集次数, 在采样的同时记录取样箱内温度. 利用气相色谱仪（HP6890N, Agilent公司）测定采集气体样品的浓度.
温室气体排放通量计算公式：
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式中, F为N2O、CO2和CH4气体排放通量, 单位分别为µg·（m2·h）-1、mg·（m2·h）-1和µg·（m2·h）-1；ρ表示标准状态下气体的密度, g·cm-3；V为采样箱体积, m3；A为采样底座内土壤表面积, m2；Δc/Δt表示气体的排放速率；T为采样时箱内的平均温度, ℃.
温室气体累积排放量计算公式：
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式中, En为测定气体的累积排放量, kg·hm-2；Fi为第i次测定时温室气体的排放通量；（ti+1-ti）为相邻两次取样的间隔天数, d.
1.3.4 全球增温潜势与温室气体排放强度全球增温潜势（global warming potential, GWP）常被用来评价不同温室气体对全球变暖的相对影响, 一般以CO2为标准, 用CO2当量来表示, 在100 a的时间尺度下, CH4和N2O的增温潜势分别为CO2的25和298倍[23]. 全球增温潜势计算公式为：
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式中, GWP为全球增温潜势, kg·hm-2；En（CO2）、En（CH4）和En（N2O）分别为土壤CO2、CH4和N2O累积排放量, kg·hm-2.
温室气体排放强度（greenhouse gas intensity, GHGI）计算公式为：
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式中, GHGI为温室气体排放强度, kg·t-1；Y为产量, t·hm-2.
1.3.5 数据统计与分析方法采用Excel 2021和Origin 2021对数据进行处理和绘图, 采用SPSS 22.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）对数据进行显著方差分析（Duncan, P < 0.05）, 年际间差异采用一般线性模型双因素方差分析进行. 文中数据均为平均数±标准误.
2 结果与分析 2.1 作物产量和氮肥利用效率由表 2可知, 施氮显著增加了作物产量（P < 0.05）, 各施氮处理的夏玉米产量均以CRU2处理为最高, 2 a分别为11.98 t·hm-2和9.32 t·hm-2；冬小麦产量则以CRU1处理为最高, 2 a分别为8.79 t·hm-2和10.70 t·hm-2. 施氮处理间的夏玉米和冬小麦产量2 a均无显著差异（P > 0.05）. CRU1和CRU2处理第1年的夏玉米产量较FFP处理分别提高了0.4%和2.0%；冬小麦产量较FFP处理分别提高了4.1%和-5.4%. CRU1和CRU2处理第2年的夏玉米产量较FFP处理分别提高了1.6%和5.6%；冬小麦产量较FFP处理分别提高了4.0%和-0.9%. 施氮处理的周年总产量较CK处理2 a分别提高了76.4% ~ 84.7%和63.2% ~ 69.6%, 差异显著（P < 0.05）, 施氮处理间无显著差异（P > 0.05）. 施氮处理的周年总产量均以CRU1处理为最高, 2 a分别为20.22 t·hm-2和19.66 t·hm-2. 与FFP相比, CRU1处理的周年总产量2 a分别提高了2.0%和3.9%, CRU2处理2 a分别提高了-1.1%和2.1%. 方差分析表明处理对夏玉米、冬小麦和周年产量均有极显著影响；年份对夏玉米和冬小麦产量均有极显著影响, 对周年产量无显著影响；处理和年份互作对夏玉米、冬小麦和周年产量均无显著影响. 总体来看, 控释掺混肥处理（CRU1和CRU2）的冬小麦、夏玉米和周年产量与农户习惯施氮处理（FFP）无显著差异, 实现了在减氮的条件下稳产, 且50%的控释掺混肥比例对麦玉轮作体系的稳产效果更佳.
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表 2 不同处理的冬小麦和夏玉米产量1）/t·hm-2 Table 2 Winter wheat and summer maize yield with different treatments / t·hm-2 |
表 3和表 4分别是夏玉米和冬小麦的氮肥利用效率. 各施氮处理夏玉米的氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率均无显著差异（P > 0.05）, 氮肥吸收利用率均呈现CRU2 > CRU1 > OPT > FFP的趋势, 氮肥农学利用率均呈现CRU2 > OPT > CRU1 > FFP趋势. 与FFP相比, CRU1和CRU2处理的氮肥偏生产力2 a显著提高了5.91 ~ 8.09 kg·kg-1（P < 0.05）. 各施氮处理2 a冬小麦季的氮肥吸收利用率均无显著差异（P > 0.05）；与FFP相比, CRU1和CRU2处理的冬小麦氮肥农学利用率在第1年提高了2.43 ~ 5.97 kg·kg-1, 其中CRU1处理差异显著（P < 0.05）, 第2年提高了3.15 ~ 6.24 kg·kg-1, 均无显著差异（P > 0.05）；CRU1和CRU2处理的冬小麦氮肥偏生产力较FFP处理2 a提高了4.24 ~ 10.13 kg·kg-1, 其中CRU1处理差异显著（P < 0.05）. 方差分析结果表明, 处理对夏玉米和冬小麦的氮肥偏生产力均有极显著影响, 对夏玉米和冬小麦的氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率均无显著影响；年份对夏玉米和冬小麦的氮肥吸收利用率和氮肥偏生产力均有极显著影响, 对夏玉米氮肥农学利用率有显著影响, 对冬小麦氮肥农学利用率则无显著影响；处理和年份互作对夏玉米和冬小麦的氮肥利用效率则均无显著影响. 总体来看, 与农户习惯施氮（FFP）相比, 控释掺混肥处理（CRU1和CRU2）均可显著提高夏玉米的氮肥偏生产力, CRU1处理对冬小麦的氮肥偏生产力也有明显提高, CRU2处理则效果不明显, CRU1和CRU2处理对冬小麦和夏玉米的氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率影响不大.
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表 3 不同处理的夏玉米氮肥利用效率 Table 3 Nitrogen use efficiency of summer maize with different treatments |
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表 4 不同处理的冬小麦氮肥利用效率 Table 4 Nitrogen use efficiency of winter wheat with different treatments |
2.2 经济效益
不同施肥处理的周年净收益见表 5所示. 与CK相比, 各施氮处理均显著提高了作物产值和周年净收益（P < 0.05）, 2 a分别增收19 284 ~ 22 481元·hm-2和17 106 ~ 20 137元·hm-2, 增幅分别为80.4% ~ 88.4%和55.5% ~ 65.3%. 施氮处理间的周年净收益无显著差异（P > 0.05）, 均以CRU1处理为最高, 2 a分别为47 913元·hm-2和50 952元·hm-2. CRU1处理的周年净收益较FFP处理2 a分别提高了4.5%和6.3%；CRU2处理的周年净收益较FFP处理2 a分别提高了0.2%和4.1%. 由此可见, 虽然控释掺混肥处理在一定程度上增加了肥料成本, 但一次性施肥减少了追肥所需劳动力投入, 部分抵消了肥料成本. 综合来看, 与农户习惯施氮（FFP）相比, 控释掺混肥处理（CRU1和CRU2）可以在保证麦玉轮作体系周年产量的同时, 在一定程度上提高其周年净收益.
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表 5 不同处理的经济效益1）/元·hm-2 Table 5 Economic benefits with different treatments/Yuan·hm-2 |
2.3 温室气体排放 2.3.1 温室气体排放通量
不同处理的土壤N2O排放通量动态变化如图 2（a）所示, 从中可以看到, 各施氮处理的土壤N2O均在施肥后出现排放高峰, 并且均在玉米季施基肥后出现周年日排放通量峰值, 且2 a均以FFP处理为最高, 平均值为1 754.4 μg·（m2·h）-1. 相比FFP和OPT处理, CRU1和CRU2处理只有在冬小麦和夏玉米施基肥后出现较高的N2O排放通量峰值, 而其在追肥后的N2O排放通量峰值2 a在124.3 ~ 269.2 μg·（m2·h）-1之间, 远低于FFP和OPT处理. 此外, 各施氮处理均在2月出现较小的N2O排放峰, 这可能是由于此阶段土壤发生冻融交替过程所致. 不同处理的土壤CO2排放通量动态变化如图 2（b）所示, 不同处理的土壤CO2排放通量表现出相似的季节规律, 总体呈现出先增后降的趋势, 排放高峰主要集中在冬小麦和夏玉米的生长前期, 这可能与此期间土壤的水热条件等有关. 各施肥处理的土壤CO2日排放通量2 a在13.1 ~ 466.5 mg·（m2·h）-1之间, 周年日排放通量峰值均出现在夏玉米种植初期, 且均以FFP处理为最高, 平均值为401.8 mg·（m2·h）-1. 图 2（c）给出了不同施肥处理的土壤CH4排放通量动态变化, 正值表示土壤向大气排放CH4, 负值表示土壤从大气中吸收CH4. 各施肥处理的CH4日排放通量2 a在-8.47 ~ 33.48 μg·（m2·h）-1之间, 各施肥处理的土壤CH4排放通量没有明显的变化规律, 在夏玉米和冬小麦生育期内既有排放特征也有吸收特征.
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图 2 不同处理的N2O、CO2和CH4的排放通量动态变化 Fig. 2 Dynamics of N2O, CO2 and CH4 emission flux variation with different treatments |
与CK相比, 各施氮处理均显著增加了土壤N2O排放通量（均值）（P < 0.05）且各施氮处理在夏玉米季的N2O排放通量（均值）整体高于冬小麦季（图 3）. 各施氮处理在夏玉米季的土壤N2O排放通量（均值）呈现FFP > OPT > CRU1 > CRU2的趋势, 其中CRU1和CRU2处理较FFP处理2 a显著降低了22.8% ~ 38.7%, 差异显著（P < 0.05）. 各施氮处理在冬小麦季的土壤N2O排放通量（均值）呈现FFP > CRU1 > CRU2 > OPT的趋势, 其中CRU2处理较FFP处理2 a分别降低了4.1%和8.6%, 差异显著（P < 0.05）, 而CRU1处理与FFP处理相比2 a均未达到显著水平（P > 0.05）. CRU1和CRU2处理在冬小麦季的土壤N2O排放通量（均值）高于OPT处理, 这可能是由于冬小麦季冻融期促进控释氮肥的释放, 导致此阶段的土壤N2O排放通量高于OPT处理. 总体来看, 控释掺混肥处理（CRU1和CRU2）较农户习惯施氮处理（FFP）均可有效降低冬小麦和夏玉米季的土壤N2O排放, 尤其是夏玉米季的效果更明显.
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箱线图中空心点表示均值, 不同小写字母表示处理之间差异显著（P < 0.05）, 下同 图 3 N2O排放通量 Fig. 3 N2O emission flux |
各施氮处理的土壤CO2排放通量（均值）显著高于CK处理（P < 0.05）并且夏玉米季的CO2排放通量（均值）整体高于冬小麦季（图 4）. 施氮处理在夏玉米季的土壤CO2排放通量（均值）呈现FFP > OPT > CRU2 > CRU1的趋势, 但相互之间未达到显著水平（P > 0.05）. 施氮处理在冬小麦季的土壤CO2排放通量（均值）呈现FFP > OPT > CRU1 > CRU2的趋势, 与FFP相比, CRU1和CRU2处理的土壤CO2排放通量（均值）2 a显著降低了1.9% ~ 6.4%（P < 0.05）. 由此可见, 与农户习惯施氮处理（FFP）相比, 控释掺混肥处理（CRU1和CRU2）均可在一定程度上降低其在冬小麦和夏玉米生育期的土壤CO2排放.
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图 4 CO2排放通量 Fig. 4 CO2 emission flux |
土壤对CH4的吸收作用较弱, 所有处理的CH4排放通量（均值）均呈现正排放（图 5）. 各施肥处理在夏玉米季的土壤CH4排放通量（均值）2 a分别在9.60 ~ 11.44 μg·（m2·h）-1和10.27 ~ 10.86 μg·（m2·h）-1之间；冬小麦季的土壤CH4排放通量（均值）2 a分别在1.02 ~ 1.18 μg·（m2·h）-1和1.89 ~ 2.37 μg·（m2·h）-1之间, 夏玉米季的CH4排放通量（均值）整体高于冬小麦季, 这可能是由于华北平原夏玉米季高温高湿的特点使土壤含水量较高, 易使土壤形成厌氧环境从而促进产甲烷菌产生CH4导致. 各施氮处理间在冬小麦和夏玉米季的CH4排放通量（均值）均未达到显著水平（P > 0.05）. 由此可见, 控释掺混肥对麦玉轮作体系的土壤CH4排放没有明显影响.
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图 5 CH4排放通量 Fig. 5 CH4 emission flux |
不同处理的温室气体周年累积排放量如图 6所示, 施氮显著增加了土壤N2O的周年累积排放量（P < 0.05）. 与CK相比, 施氮处理的N2O周年累积排放量显著增加了5.35 ~ 8.93 kg·hm-2. 施氮处理的N2O周年累积排放量2 a均呈现：FFP > OPT > CRU1 > CRU2, 其中CRU1和CRU2处理的N2O周年累积排放量较FFP处理2 a降低了23.4% ~ 30.2%, 差异显著（P < 0.05）；较OPT处理2 a降低了5.4% ~ 15.8%, 差异显著（P < 0.05）. 与CK相比, 施氮显著增加了CO2的周年排放总量（P < 0.05）. CRU1和CRU2处理的CO2周年排放总量较FFP处理2 a分别降低了4.6% ~ 7.2%和1.8% ~ 3.3%, 其中在第1年均达到差异显著水平（P < 0.05）. 所有处理的CH4周年累积排放量均呈现正排放, 各施氮处理的CH4周年排放总量与CK均无显著差异（第1年FFP除外）. 总体来看, 施氮显著增加了麦玉轮作体系的土壤N2O和CO2的周年排放总量, 控释掺混肥处理（CRU1和CRU2）与农户习惯施氮处理（FFP）相比可有效降低麦玉轮作体系的土壤N2O和CO2周年排放总量, 而其对土壤的CH4排放没有明显影响.
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图 6 不同处理的温室气体累积排放量 Fig. 6 Cumulative greenhouse gas emissions with different treatments |
不同处理的周年全球增温潜势（GWP）与温室气体排放强度（GHGI）如表 6所示, 从中可以看到, 施氮显著增加了麦玉轮作体系的周年GWP（P < 0.05）, 各施氮处理较CK处理2 a分别增加了27.2% ~ 43.7%和34.6% ~ 51.3%. 施氮处理的周年GWP均呈现：FFP > OPT > CRU1 > CRU2, 其中CRU1、CRU2处理的周年GWP较FFP处理显著降低了9.6% ~ 11.5%（P < 0.05）, 较OPT处理显著降低了3.3% ~ 5.1%（P < 0.05）, CRU1和CRU2处理彼此间均无显著差异（P > 0.05）. 由于施氮处理能够通过显著提高产量从而降低GHGI, 因此CK处理的周年GHGI反而最高. 各施氮处理的周年GHGI均呈现：FFP > OPT > CRU2 ≈ CRU1, 与FFP相比, CRU1和CRU2处理的周年GHGI降低了11.2% ~ 13.8%（P > 0.05）. 由此可见, 与农户习惯施氮（FFP）相比, 控释掺混肥（CRU1和CRU2）在减氮的条件下显著降低了华北平原麦玉轮作体系的全球增温潜势, 同时降低了温室气体排放强度.
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表 6 不同处理的周年全球增温潜势和温室气体排放强度 Table 6 Annual global warming potential and greenhouse gas intensity with different treatments |
3 讨论 3.1 控释掺混肥对麦玉轮作体系产量和氮肥利用效率的影响
控释肥可以减缓或控制养分的释放速率, 使其氮素供应相比速效氮肥更适合作物的生长情况, 在减少施氮量的条件下不会降低作物产量, 还能够在一定程度上提高作物的氮肥利用率[20, 21]. 受肥料种类、施肥方式以及农业管理措施等因素的影响, 关于控释肥对作物产量影响的研究结果也不尽相同. 张英鹏等[24]研究表明, 在减氮11% ~ 15%条件下, 控释肥处理的冬小麦、夏玉米以及周年产量与农民施肥措施相比均无显著差异, 起到了稳产的作用. 谢勇等[25]研究表明, 在用量减少10% ~ 20%条件下, 施用控释肥可以提高玉米产量, 但与普通尿素处理相比无显著差异. 曹兵等[26]研究表明, 在减氮10%的条件下, 包膜尿素与普通尿素混合施用较常规施氮处理可显著提高夏玉米的产量, 其氮肥利用率显著提高了89.3% ~ 118%. 在本研究中, 控释掺混肥处理（CRU1和CRU2）在减氮12.5%的条件下, 冬小麦和夏玉米产量与农户习惯施氮处理（FFP）相比均无显著差异, 周年总产量与之差异在-1.1% ~ 3.9%之间（表 2）. 在氮肥利用效率方面, 除CRU2处理在2021年降低了小麦的氮肥吸收利用率以外, 控释掺混肥处理的氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力较农户习惯施氮处理均有着不同程度的提高（表 3和表 4）. 可见控释掺混肥在减氮的条件下能对麦玉轮作体系的周年产量起到稳产的效果, 并在一定程度上提高了氮肥利用效率, 与相关的研究结果类似[20, 21]. 这是由于控释氮肥的氮素释放特征与作物的吸氮规律较吻合, 其与普通尿素混施不仅能保证在作物关键生育期的氮素供应, 还保持了作物在生长后期不脱肥, 从而保证了作物产量, 提高了氮肥利用效率[26]. 另外, 本研究的冬小麦氮肥吸收利用率在39.4% ~ 63.2%之间（表 4）, 其利用率偏高, 但各施氮处理间均无显著差异, 这与本试验所选用的对照为连续不施氮的CK处理有关. 王文岩等[20]研究表明, 以定位试验的连续不施氮肥处理为对照, 各施氮处理的氮肥表观利用率在42.4% ~ 57.9%之间, 略高于当地一般研究结果的范围. 在本研究中, 年份对夏玉米和冬小麦的产量均有极显著影响（表 2）. 2021年夏玉米产量整体低于2020年, 可能是由于受气候等因素的影响使得这一年夏玉米锈病发病较为严重, 影响了夏玉米的灌浆速率所致[27]. 相关调查显示, 2021年黄淮海区域玉米锈病大面积发生, 其对产量的影响较往年偏大[28]. 2021年冬小麦产量整体低于2022年, 其原因可能是2020年冬季遭遇极冷天气, 气温在冬小麦越冬期下降较快使得冬小麦在苗期遭受一定程度的冻害, 影响了冬小麦的干物质积累从而造成产量降低[29]. 经济效益作为农业生产中重要的考量因素, 较高的经济收入是广大农民接纳新技术的最主要驱动力. 控释氮肥相比普通尿素, 其氮素供应更适合作物的生长情况, 但单纯施用控释氮肥价格昂贵, 农民普遍不愿接受[26], 因此采用控释氮肥掺混普通尿素混合施用的方式既可以满足作物产量又在一定程度上降低了肥料成本. 本研究结果表明, 控释掺混肥处理的周年净收益较农户习惯施氮处理均可起到一定的增收效果（表 5）, 其增幅在0.2% ~ 6.3%之间. 可见虽然控释掺混肥的价格高于速效性化肥, 但其凭借在保证产量的前提下减氮和一次性施肥的优势, 降低了肥料和劳动力投入成本, 其经济效益反而优于农户习惯施肥.
3.2 控释掺混肥对麦玉轮作体系土壤温室气体排放的影响旱地N2O的产生主要源于土壤中的硝化与反硝化作用, 而土壤N2O排放受施肥、气候以及农业措施等因素的综合影响, 其中施氮是影响土壤N2O排放的主要因素之一[30, 31]. 本研究通过连续2 a的监测发现, 各施氮处理均在施肥后出现土壤N2O排放通量高峰（图 2）, 且各施氮处理的N2O周年排放总量较CK处理显著增加了5.35 ~ 8.93 kg·hm-2（图 6）. 这是由于外源氮肥的输入为土壤提供了大量的无机氮源, 使硝化与反硝化作用的底物迅速增加, 从而促进土壤N2O的排放[32]. 因此, 提高氮肥的利用效率是降低土壤N2O排放的关键举措. 本研究中, 与农户习惯施氮（FFP）相比, 各减氮处理（OPT、CRU1和CRU2）均降低了其在冬小麦和夏玉米季的平均N2O排放通量（图 3）, 可见减少不合理的施氮量和施用控释掺混肥是降低农田N2O排放通量的有效措施之一. 当控释氮肥的氮素释放速率与作物的吸氮规律相同步时, 其可在保证产量的前提下降低N2O的排放[33]. Ma等[8]研究表明, 在冬小麦上施用控释氮肥, 其与普通尿素处理相比降低了土壤N2O的排放通量峰值, N2O累积排放量显著降低了8.4% ~ 18.5%, 且控释肥处理均在不同程度上提高了作物产量. 与之前的研究结果类似, 本研究发现, 农户习惯施氮处理（FFP）和优化施氮处理（OPT）在冬小麦和夏玉米季的两次施肥后均出现较高的N2O排放峰值, 而控释掺混肥处理（CRU1和CRU2）只有在施基肥后会出现较高的N2O排放峰值, 其余时间的峰值较低, N2O排放通量没有明显波动. 可见本研究的控释氮肥在作物的整个生长期都保持了良好的控释效果, 并且凭借其一次性施肥的特点可以显著降低作物生长中后期的土壤N2O排放, 因此在周年排放总量上, 控释掺混肥处理较农户习惯施氮处理显著降低了23.4% ~ 30.2%, 并且在等氮的条件下, 与优化施氮处理（OPT）相比同样显著降低了5.4% ~ 15.8%. 可见控释掺混肥处理可在稳产的前提下对土壤N2O表现出明显的减排作用. 究其原因可能是由于控释氮肥可通过调控养分释放速率, 使其与作物的生长需求相同步, 促进了作物对无机氮养分的吸收, 提高了氮肥利用效率, 使土壤中硝化与反硝化细菌的底物（NH4+-N和NO3--N）减少, 抑制了土壤的硝化与反硝化作用从而降低了N2O排放[32]. 本研究中, 控释掺混肥处理的周年N2O排放系数在1.2% ~ 1.4%之间, 高于IPCC的平均值（1%）[34], 与相关的研究结果相比较高[34, 35], 这可能与肥料种类、环境因子以及土壤性质等因素有关. 除施肥可显著影响土壤N2O排放以外, 土壤的水热条件也是影响N2O排放的重要环境因子[30, 34]. 土壤温度通过影响微生物的代谢活动以及硝化与反硝化作用, 进而影响N2O的排放速率, 在一定范围内, 土壤N2O的排放通量随温度的升高而升高[30]. 土壤含水量会通过影响NH4+、NO3-在土壤中的迁移过程进而影响硝化与反硝化作用, 一般认为当土壤孔隙含水量（WFPS）在60% ~ 80%时, 较适宜N2O的排放[35]. 在本研究中, 施氮处理在夏玉米季和冬小麦季的N2O排放通量（均值）分别在144.53 ~ 495.36 μg·（m2·h）-1和34.02 ~ 140.02 μg·（m2·h）-1之间, 且夏玉米季的土壤N2O排放通量峰值显著高于冬小麦季, 其原因可能是由于华北平原夏玉米季生长期雨热同季, 适宜的土壤温度和水分状况使微生物活性增强, 促进了土壤的硝化与反硝化作用导致. 此外, 还有研究表明土壤的冻融交替过程会通过增强土壤中的微生物活性从而在一定程度上促进土壤N2O的排放, 且在冻融明显的西北和东北地区, 其在冻融期的N2O排放通量峰值甚至高于施肥期[36]. 在本研究中, 各施氮处理均在2月出现较小的N2O排放峰, 这可能是由于此阶段是由冬季向春季过渡, 土壤常发生冻融交替过程所致. 但本研究只进行了系统监测, 对于本地区土壤冻融交替期的N2O排放没有做针对性研究, 且关于土壤冻融交替过程对控释氮肥释放的影响也没有深入研究, 因此对于本地区的土壤冻融交替过程对N2O排放以及对控释氮肥释放的影响需要更进一步研究.
土壤CO2的排放主要来自于土壤微生物活动和作物根系呼吸作用, 土壤温度和水分是影响CO2排放的重要环境因子[37]. 在本研究中, 各施肥处理的土壤CO2高排放通量均集中在冬小麦和夏玉米的生长前期并出现排放峰值, 这是由于在夏玉米和冬小麦种植初期, 土壤温度与含水量较高从而促进了作物根系和微生物活性导致[38], 尤其是在夏玉米拔节期, 这一阶段玉米生长旺盛, 根系呼吸作用强烈, 并且伴随降雨会使土壤微生物产生Birch效应[39], 进而提高了土壤CO2的排放速率. 而在冬小麦越冬期, 此时的土壤温度较低, 土壤微生物活性和作物根系呼吸作用较弱, 使得CO2排放通量在此阶段达到最低. 与不施氮处理相比, 施氮显著增加了土壤CO2的周年排放总量, 其中农户习惯施氮处理增幅最高（图 6）. 可见施氮会显著影响土壤CO2的排放, 且CO2累积排放量随着施氮量的增加而增加[40]. 这是因为外源氮肥的施入为土壤提供了矿质氮养分, 促进了根系呼吸作用和微生物活性, 进而增加了土壤CO2的排放[41]. 受肥料种类、环境因子及农业管理措施等因素的影响, 关于控释肥对土壤CO2排放的影响也有着不同的研究结果. 姚凡云等[42]研究表明, 与常规施肥相比, 施用控释氮肥对土壤CO2周年累积排放量并无显著影响. 周君玺等[41]研究表明, 在同等施氮水平下施用控释氮肥可显著降低土壤CO2的累积排放量. 本研究的控释掺混肥处理在减氮和同等施氮水平下, 均在一定程度上降低了其CO2周年排放总量, 但除第1年与FFP处理差异显著外, 其余并无显著差异, 控释掺混肥对麦玉轮作体系的土壤CO2减排效果不大. 氮肥施用对土壤CH4排放的影响较为复杂且具有不确定性, 有研究认为氮肥的施用会为土壤中的产甲烷菌提供可利用的氮源从而促进CH4的排放[43], 然而也有研究认为, 当土壤中的有机碳和全氮含量较高时, 施用氮肥并不会显著影响土壤的CH4排放[42]. 在本研究中, 除FFP处理在第1年的CH4排放总量显著高于CK处理外, 各施肥处理间均无显著差异（图 6）. 可见施氮对土壤的CH4排放影响较小, 这与孙磊等[44]的研究结果一致. 本研究中, 土壤对CH4的吸收作用较弱, 各施肥处理的CH4年排放总量均为正排放, 这与多数研究的旱地农田土壤为CH4的弱吸收汇结果不一致, 这可能与土壤中的有机碳含量、土壤性质和环境因子等因素有关[30, 42].
相关研究表明, 当处理之间的CO2累积排放量出现显著差异时, CO2则不能再被视为非人为活动温室气体排放源[38], 因此本研究的增温潜势包含了N2O、CO2和CH4. 前人的研究表明, 土壤CO2和N2O是全球增温潜势中占主导地位的温室气体, CH4对GWP的贡献较小[45, 46]. 与不施氮处理相比, 施氮处理显著增加了周年GWP（表 6）, 这是因为氮肥的施入为土壤提供了无机氮源, 促进了作物根系和微生物活性, 为土壤的硝化与反硝化作用提供了充足底物, 从而显著增加了GWP中主要贡献气体（N2O和CO2）的排放量（图 6）. 本研究的控释掺混肥处理较农户习惯施氮处理显著降低了周年GWP（9.6% ~ 11.5%）, 这与郝小雨等[46]在玉米田上施用控释氮肥的研究结果一致. 究其原因是由于控释掺混肥处理较农户习惯施氮处理可降低N2O和CO2的累积排放量, 特别是其通过控制氮素的溶出速率, 使其与作物的生长需求相同步, 减少了气态氮素损失, 从而显著降低了N2O的累积排放量. 施氮虽然显著增加了因温室气体排放造成的GWP, 但同时又显著提高了粮食产量, 因此各施氮处理的GHGI反而低于不施氮处理CK, 这说明提高作物产量是降低GHGI的有效措施[45]. 本研究结果表明, 控释掺混肥处理较农户习惯施氮处理通过稳产、降低温室气体排放和周年GWP能有效降低GHGI, 本研究中的降幅为11.2% ~ 13.8%. 由此可见, 在华北平原麦玉轮作体系上施用控释掺混肥可在保证产量和经济效益的同时, 减少对环境的污染.
4 结论（1）控释掺混肥处理的冬小麦、夏玉米和麦玉轮作周年产量与农户习惯施氮处理均无显著差异（P > 0.05）, 在减氮和一次性施肥的条件实现了稳产, 并同时提高了氮肥利用效率. 控释肥虽然价格高于普通速效性肥料, 但其凭借减氮和一次性施肥的优势减少了肥料和人工投入, 其周年净收益反而优于农户习惯施肥.
（2）与农户习惯施氮相比, 不同配比的控释掺混肥均有效降低了麦玉轮作体系的N2O周年排放总量（P < 0.05）, 在保证产量的同时实现了N2O减排. 同时有效降低了麦玉轮作体系的周年全球增温潜势（9.6% ~ 11.5%）和温室气体排放强度（11.2% ~ 13.8%）. 施氮显著提高了全球增温潜势, 但施氮处理通过提高作物产量降低了温室气体排放强度.
（3）综合考虑作物产量、经济效益、全球增温潜势和温室气体排放强度, 一次性减量施用控释掺混肥可推荐为华北平原麦玉轮作体系保证稳产和降低温室气体排放的有效氮肥管理措施.
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