环境科学  2024, Vol. 45 Issue (10): 6148-6156   PDF    
引用本文
蔡连凤, 王学霞, 王甲辰, 曹兵, 魏丹, 梁丽娜. 不同施氮措施对麦玉轮作系统N2O排放的影响[J]. 环境科学, 2024, 45(10): 6148-6156.
CAI Lian-feng, WANG Xue-xia, WANG Jia-chen, CAO Bing, WEI Dan, LIANG Li-na. Effects of Different Nitrogen Application Measures on N2O Emissions in Wheat-maize Rotation System[J]. Environmental Science, 2024, 45(10): 6148-6156.
不同施氮措施对麦玉轮作系统N2O排放的影响
蔡连凤1,2, 王学霞2,3, 王甲辰2,3, 曹兵2,3, 魏丹2,3, 梁丽娜2,3     
1. 东北农业大学资源与环境学院, 哈尔滨 150030;
2. 北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所, 北京 100097;
3. 北京市缓控释肥料工程技术研究中心, 北京 100097
收稿日期: 2023-11-20; 修订日期: 2024-01-30
基金项目: 北京市产业经济与政策创新团队项目（BAIC11-2024）；北京市农林科学院创新能力建设项目（KJCX20220420）；北京市农林科学院创新平台建设项目（KJCX20230304）；北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所科技能力提升项目（ZHS202402）
作者简介: 蔡连凤（1999~）, 女, 硕士研究生, 主要研究方向为农业固碳减排, E-mail：1395974214@qq.com
通信作者: 梁丽娜, E-mail：lianglinacau@163.com
摘要: 为探究华北麦玉轮作系统农田土壤N2O排放对不同施氮措施的响应及影响因素, 采用常规静态箱-气相色谱法, 分析了：不施肥（CK）、常规施氮（尿素, 追肥一次, U1）、优化施氮（减氮20%, 追肥一次, U2）、控释掺混肥一次性施肥（50%尿素+控释尿素50%, 减氮20%, SRU1）、控释氮肥一次性施肥（减氮20%, SRU2）和抑制剂型控释氮肥一次性施肥（减氮20%, ISRU）这6个处理下, N2O排放通量及土壤理化性质的差异. 结果表明, 麦玉轮作期间土壤N2O排放通量呈动态变化, CK、U1和U2处理玉米季N2O排放峰出现在基肥后4~7 d, 追肥后6~10 d, 小麦季排放峰出现在基肥后4~8 d, 追肥后6~9 d；玉米季和小麦季SRU1、SRU2和ISRU排放峰分别出现在基肥后10~21 d和12~20 d, 控释氮肥的施用显著降低N2O排放峰值和频次.与U1相比, 玉米季U2、SRU1、SRU2和ISRU处理N2O排放通量分别显著降低了8.5%、20.0%、33.8%和43.6%, 且玉米季N2O排放通量高于小麦季, 占整个轮作周期的58.1%~65.1%. 与U1相比, U2、SRU1处理产量分别降低了5.9%和1.9%, SRU2和ISRU处理产量分别增加了1.7%和7.0%. 玉米季, 与U1相比, ISRU产值增加了14.6%, 环境效益为581元, 净经济效益提高得最多达18.6%, 而小麦季产值和净经济效益出现下降的现象, 由此抑制剂控释氮肥一次性施入更适用于玉米季. N2O排放通量与土壤性质理化指标相关性分析发现, N2O与湿度、铵态氮、硝态氮以及微生物量碳、氮呈显著正相关关系. 由此, 抑制剂型控释氮肥一次性施肥在减少劳动力投入与降低环境效益方面起到积极作用, 可为华北地区玉米种植提供有效的氮肥管理方式.
关键词: 华北平原      麦玉轮作      N2O排放      控释氮肥      产量     
Effects of Different Nitrogen Application Measures on N2O Emissions in Wheat-maize Rotation System
CAI Lian-feng1,2 , WANG Xue-xia2,3 , WANG Jia-chen2,3 , CAO Bing2,3 , WEI Dan2,3 , LIANG Li-na2,3     
1. College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;
2. Institute of Plant Nutrition and Resource, Beijing Academy of Agricultural and Forestry Science, Beijing 100097, China;
3. Beijing Engineering Technology Research Center for Slow/Controlled-Release Fertilizer, Beijing 100097, China
Abstract: To investigate the response of N2O emissions from farmland soil to different nitrogen application measures and the factors affecting it in the wheat and jade rotation system in North China, we analyzed the results of the one-time application of fertilizer in the following six treatments: without fertilization (CK), conventional nitrogen application (urea, one instance of follow-up fertilization, U1), optimized nitrogen application (20% nitrogen reduction, one instance of follow-up fertilization, U2), one-time fertilization of controlled-release doped fertilizers (50% urea + controlled-release urea 50%, nitrogen reduction 20%, SRU1), controlled-release fertilizer one-time fertilization (nitrogen reduction 20%, SRU2), and inhibitor-type controlled-release fertilizer one-time fertilization (nitrogen reduction 20%, ISRU), and the differences in N2O emission fluxes and soil physicochemical properties were determined. The results showed that soil N2O emission fluxes were dynamic during the wheat and jade crop rotation, and the N2O emission peaks of the CK, U1, and U2 treatments appeared in the corn season at 4-7d of basal fertilizer and 6-10d of fertilizer, and out of the wheat season its emission peaks appeared in the basal fertilizer at 4-8 d and 6-9 d of fertilizer. The emission peaks of SRU1, SRU2, and ISRU appeared in the basal fertilizer at 10-21 d, 12-20 d, and 12-20 d of fertilizer, respectively, in the corn season and the wheat season. At 21 d and 12-20 d, the application of controlled-release fertilizer significantly reduced the peak and frequency of N2O emission. Compared with those in U1, the N2O emission fluxes of the U2, SRU1, SRU2, and ISRU treatments were significantly reduced by 8.5%, 20.0%, 33.8%, and 43.6%, respectively, and the N2O emission fluxes were higher in the corn season than in the wheat season, which accounted for 58.1%-65.1% of the whole crop rotation cycle. Yield was reduced by 5.9% and 1.9% for the U2 and SRU1 treatments and increased by 1.7% and 7.0% for the SRU2 and ISRU treatments, respectively, compared to that in U1. In the maize season, the ISRU yield increased by 14.6%, the environmental benefit was 1, and the net economic benefit increased by up to 18.6% compared to that in U1, whereas the wheat season showed a decrease in yield and net economic benefit, which resulted in a one-time application of the inhibitor controlled-release fertilizers being more suitable for the maize season. Correlation analysis of N2O emission fluxes with the physicochemical indices of soil properties revealed that N2O was correlated with moisture, ammonium N, nitrate N, and microbial carbon and nitrate N and nitrogen. N2O and moisture, ammonium N, nitrate N, and microbial amount of carbon and nitrogen were significantly positively correlated. Thus, the one-time application of inhibitor-type controlled-release fertilizers played a positive role in reducing labor inputs and environmental benefits, and it could be an effective method of N fertilizer management for maize cultivation in North China.
Key words: North China Plain      wheat-maize rotation      N2O emissions      controlled release nitrogen fertilizer      yield     

氧化亚氮（N2O）排放增加已制约全球自然生态系统环境的可持续发展, 一直受到国内外学术界的广泛关注[1]. 农业土壤贡献了全球人为N2O排放的52%, 对气候变化造成了极其不利的影响[2]. 而农田生态系统中N2O排放受农业管理措施（施肥、灌溉方式）[3, 4]、土壤理化性质（pH、含水量、养分等）[5~7]和气候条件（温度、降水等）[8, 9]等多种因素综合影响. 其中氮（N）肥管理措施是影响N2O排放的关键因素[10]. 山楠等[11]在华北地区小麦-玉米轮作系统的研究发现, 随着氮肥施用量的增加, 土壤N2O排放和单位面积N2O排放都呈现指数型增长, 尤其是超出最优施氮量后, N2O排放速率更快[12]. 由此, 深入研究农田土壤N2O排放与氮肥管理的关系可以为农田土壤N2O减排及减缓温室效应提供理论依据.

国内外学者研究表明, 控释尿素（CRU）和硝化抑制剂（NI）等增效肥料在提高氮利用效率和作物产量、减少温室气体排放方面发挥着积极的作用[13]. 其中控释氮肥作为一种新型肥料的出现, 在增产增效、减少氮素损失和温室气体排放等方面为实现农田固碳减排提供了新思路[14]. Yao等[15]研究表明, 在玉米上一次性基施CRU混肥较常规施肥的N2O排放降低了27%；也有研究表明, 与常规分次施氮相比, CRU掺混肥一次性基施的夏玉米产量增加了2.85%~20.87%[16]. CRU对粮食产量和氮素利用率（NUE）的促进作用在很大程度上取决于氮释放速率与作物对氮需求的同步[17]. CRU通过包膜减缓有效氮的释放, 影响了土壤NH4+-N和NO3--N含量, 改变了土壤硝化与反硝化微生物活性, 进而减少N2O的生成及排放[18]. 尽管控释氮肥可以通过其物理包膜控制养分的释放速率, 但它不能控制溶解尿素在土壤中的转化, 从而仍会造成一些氮损失[19], 此外, CRU根据土壤湿度和温度控制氮的释放速率[20], 玉米季高温高湿环境下, 可能影响CRU的N2O减排效果. 据此, 部分学者发现NI和CRU的联合应用是减少N2O的另一种有效方法, 可以控制土壤中的氮转化并提高NUE[21]. Fan等[22]证实, CRU和3, 4-二甲基吡唑磷酸酯（DMPP）可以减少和抑制露地蔬菜的N2O排放, CRU与DMPP联合使用的抑制效果更为显著；也有研究表明NI和CRU施用与传统氮肥相比, 在玉米、小麦和水稻3种作物以及不同土壤和管理条件下N2O排放量减少19%~38%[23]. 然而当前关于含有DMPP的CRU对大田土壤N2O排放研究较少. 因此应该加强抑制剂型控释氮肥（含有DMPP的CRU）在华北地区的系统研究, 为大田土壤N2O减排奠定基础.

华北麦玉轮作种植区是我国重要的商品粮基地, 其轮作农田化肥氮年均用量已高达545 kg·hm-2, 远远超过目前的氮平均用量378 kg·hm-2[24]. 过量的氮肥投入导致土壤氮素大量累积, 造成氮肥利用率下降, 增加了N2O的排放[25], 并对环境造成严重负面影响. 因此, 如何在保证经济效益的前提下, 有效地减少华北地区农田N2O的排放是当前迫切需要解决的问题. 本研究从氮肥管理的角度, 以麦玉轮作系统为研究对象, 采用静态箱-气相色谱法分析不同施肥措施下土壤N2O排放特征及影响因素, 全面评价不同氮肥运筹下N2O减排效果, 以寻求经济效益显著、可操作性强和环境友好的氮肥施用模式, 以期为指导华北区麦玉轮作合理施肥和减排增效提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验材料

田间试验点位于北京市房山区海东源生态农场（经度116.14°E, 纬度39.75°N）, 试验区域地处暖温带半湿润季风大陆性气候区, 年均气温12.5℃, 年降雨量590 mm, 无霜期约204 d. 试验开始前0~20 cm土壤基础性状为：ω（有机质）13.45 g·kg-1, ω（TN）0.15%, ω（TP）0.08%, ω（TK）1.49%, ω（NO3--N）17.33 mg·kg-1, ω（NH4+-N）2.73 mg·kg-1, ω（AP）12.74 mg·kg-1, ω（AK）135.44 mg·kg-1, pH值为7.84, 含水率9.2%, 电导率134.5 μS·cm-1, 总盐分1.19 g·kg-1, ω（黏粒）27.07%（< 0.002 mm）, ω（粉粒）33. 45%（0.02~0.002 mm）, ω（砂粒）39.46%（2~0.02 mm）. 供试作物玉米品种为京科968, 小麦为冀麦8号.

1.2 试验设计

田间试验共设6个处理, 分别为：不施肥（CK）、常规施氮（尿素, 追肥一次, U1）、优化施氮（减氮20%, 追肥一次, U2）、控释掺混肥一次性施肥（50%尿素+控释50%, 减氮20%, SRU1）、控释氮肥一次性施肥（减氮20%, SRU2）和抑制剂型控释氮肥一次性施肥（减氮20%, ISRU, DMPP占含N量的1%）, 各处理磷肥和钾肥用量相同且均基施用, P2O5 110 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2（表 1）. 2类控释氮肥由北京市农林科学院提供, 玉米季释放期60 d, 含N量45. 5%, 小麦季释放期80 d, 含N量45.5%；基肥所用磷肥为过磷酸钙[ω（P2O5）≥16%], 钾肥为硫酸钾[ω（K2O）≥50%]. 每处理4次重复（面积为120 m2）, 小麦2020年10月10日施底肥、播种, 2021年3月25日追肥, 6月15日收获；玉米2021年6月22日施底肥、播种, 8月5日追肥, 10月8日收获, 降雨量与气温如图 1所示.

表 1 各处理小麦氮肥施用量/kg·hm-2 Table 1 Nitrogen fertilizer application amount for wheat in each treatment/kg·hm-2

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

1.3 样品采集与测定 1.3.1 N2O排放监测

采用常规静态箱-气相色谱法, 测定时间均为天气晴朗的09：00~11：00. 基肥后20 d内, 每2 d取样1次；追肥后, 每2 d取样1次, 连续取3次；其余时段10 d测定1次. 静态箱采用不透明的PVC板制作, 其规格为：内径320 mm, 高200 mm. 测定前24 h将水槽底座插入土壤中5 cm, 取样时将其置于水槽底座中形成密闭空间, 分别在0、5、15和30 min后用密封气瓶收集箱内气体. 使用气相色谱仪（HP6890N, Agilent公司）测定其浓度, 测定N2O浓度的检测器为电子捕获检测器（ECD）, 测定温度为330 ℃, 色谱柱为PorpakQ填充柱, 柱温70 ℃.

N2O排放通量计算公式如下：

式中, F表示N2O气体排放通量, 单位为µg·（m2·h）-1；ρ表示标准状态下气体的密度（g·cm-3）；V表示采样箱体积（m3）；A为采样底座内土壤面积（m2）；Δc/Δt表示气体的排放速率；T表示采样时箱内的平均温度（℃）.

N2O累计排放量计算公式为：

式中, En表示测定气体的累计排放量（mg·hm-2）；Fi表示第i次测定时温室气体的排放通量；（ti+1-ti）表示相邻两次取样的间隔天数（d）.

1.3.2 土壤取样与测定

在苗期、追肥期和收获期进行土壤取样. 每个小区按照“S”字型取样, 用直径3.0 cm土钻取0~20 cm土壤, 每个小区取6钻, 混匀后作为一个样品. 土壤样品分为2部分, 一部分用于分析土壤理化性状, 一部分于-20℃冰箱保存用于检测NH4+-N、NO3--N和微生物生物量碳、氮. 铵态氮和硝态氮用2 mol·L-1 KCl浸提, 用流动分析仪（AA3, SEAL-Analytical, Germany）测定[26], 微生物生物量碳、氮使用自动TOC-TN分析仪（TOC-Lcph SHIMADZU, Japan）测定[27].

1.4 数据处理

利用SPSS 22.0软件对数据进行统计分析, 运用单因素方差分析, 比较不同温室气体N2O平均排放通量、总量和土壤理化性质等差异, 差异显著性水平为0.05. 文中数据均为平均数±标准误差, 用Origin 2021作图.

2 结果与分析 2.1 土壤N2O排放特征

2020~2021年各处理小麦和玉米季施氮肥后土壤N2O排放通量迅速上升, 不同处理N2O峰值出现时间不同[图 2（a）]. 小麦季, U1和U2处理N2O峰值出现在基肥后4~7 d, 追肥后6~10 d, 其中最大峰值为402.26 μg·（m2·h）-1, 玉米季峰值出现在基肥后4~8 d, 追肥后6~9 d, 其中最大峰值为598.01 μg·（m2·h）-1. SRU1、SRU2和ISRU处理N2O峰值均出现在基肥期, 排放峰值均出现在基肥后的10~15、11~17和16~21 d, 其排放峰值较U1处理显著降低, 小麦季降低了41.60%~55.27%, 玉米季降低了47.78%~57.83%. 由此, 控释氮肥能延迟排放峰值的出现, 且降低排放峰峰值.

不同小写字母表示差异显著（P < 0. 05） 图 2 不同处理麦玉轮作N2O排放动态变化、麦玉N2O平均排放通量和N2O累计排放量 Fig. 2 Dynamic changes in N2O emissions from different treatments, average N2O emission flux, and cumulative N2O emissions from wheat-maize rotation

不同施氮措施下小麦和玉米季N2O平均排放通量分别为34.86~87.90 μg·（m2·h）-1和26.27~151.85 μg·（m2·h）-1 [图 2（b）]. 小麦季, 与CK相比, U1、U2、SRU1、SRU2和ISRU处理N2O平均排放通量分别显著增加了152.2%、135.0%、149.2%、114.6%和86.8%（P < 0.05）；与U1相比, U2、SRU1、SRU2和ISRU处理N2O排放通量分别降低了6.8%、1.2%、14.9%和25.9%. 玉米季, 与CK相比, U1、U2、SRU1、SRU2和ISRU处理N2O平均排放通量分别显著增加了478.0%、428.7%、362.2%、282.9%和226.2%（P < 0.05）；与U1相比, U2、SRU1和SRU2处理N2O排放通量分别降低了8.5%、20.0%和33.8%, ISRU处理显著降低43.6%（P < 0.05）.

不同施氮措施下小麦和玉米季N2O累计排放量为1 692.29~6 445.13 μg·（m2·h）-1 [图 2（c）]. 玉米季N2O累计排放量明显高于小麦季（P < 0.05）, 占全年N2O排放总量的58.1%~65.1%. 与CK相比, U1、U2、SRU1、SRU2和ISRU处理N2O累计排放量分别显著增加了280.9%、251.1%、237.3%、179.0%和146.7%（P < 0.05）, 可见, 施氮显著增加了N2O累计排放量. 与U1相比, U2处理N2O累计排放量降低了7.8%（P < 0.05）, 可见, 优化施氮显著降低了N2O累计排放量. 与U2相比, SRU1、SRU2和ISRU处理N2O累计排放量分别降低了3.9%、显著降低了20.5%和29.7%（P < 0.05）, 可见, 控释氮肥降低了N2O累计排放量, 其中ISRU减排效果最佳.

2.2 作物产量估算

不同施氮措施下作物产量如表 2所示. 小麦产量, 与U1相比, SRU1、SRU2和ISRU处理产量分别显著降低了13.5%、15.4%和6.8%（P < 0.05）. 玉米产量, 与U1相比, SRU1、SRU2和ISRU处理产量分别显著增加了4.5%、11.2%和14.7%（P < 0. 05）. 小麦-玉米季, 与U1相比, U2和SRU1处理产量分别降低了5.9%和1.9%, SRU2和ISRU处理产量分别增加了1.7%和7.0%. 由此, ISRU保持产量效果最佳.

表 2 不同处理麦玉轮作产量1） Table 2 Yield under different treatments of wheat-corn rotation

2.3 土壤因子的变化特征 2.3.1 土壤铵态氮

不同施氮措施在小麦、玉米生育前期NH4+-N含量都处于较高水平, 后期处于较低水平且趋于平稳状态（图 3）.小麦季ω（NH4+-N）变化范围为1.87~10.89 mg·kg-1, 玉米季ω（NH4+-N）变化范围为2.50~15.10 mg·kg-1. 与U1相比, 控释氮肥提高了小麦玉米生育前期NH4+-N含量, 其中ISRU的NH4+-N含量较其他处理最高.

图 3 不同处理土壤NH4+-N含量动态变化 Fig. 3 Dynamic changes in NH4+-N content in soil under different treatments

2.3.2 土壤硝态氮

不同施氮措施在小麦、玉米生育前期NO3--N含量都处于较高水平, 后期处于较低水平且趋于平稳状态（图 4）. 小麦季ω（NO3--N）变化范围为6.98~30.17 mg·kg-1, 玉米季ω（NO3--N）变化范围为7.69~35.41 mg·kg-1. 与U1相比, 控释氮肥降低了小麦、玉米生育前期ω（NO3--N）含量, 其中ISRU的NO3--N含量较其他处理最低.

图 4 不同处理土壤NO3--N含量动态变化 Fig. 4 Dynamic changes in soil NO3--N content under different treatments

2.3.3 土壤微生物量碳氮

小麦季和玉米季, 不同处理土壤微生物量碳含量差异不显著（图 5）.小麦季苗期, 与U1相比, SRU1、SRU2和ISRU处理土壤微生物量氮含量分别显著降低了12.1%、14.1%和13.4%（P < 0.05）；玉米季苗期, 与U1相比, ISRU处理土壤微生物量氮含量降低了9.2%.

不同小写字母表示差异显著（P < 0.05） 图 5 不同处理土壤微生物量碳、氮变化 Fig. 5 Changes in soil microbial biomass carbon and nitrogen

2.4 N2O通量与土壤理化性质关系

土壤理化性质与温室气体N2O排放的相关性分析见表 3. N2O排放通量与湿度、铵态氮、硝态氮、微生物生物量碳和氮呈显著正相关关系（P < 0.01）.

表 3 N2O通量与土壤理化性质的相关性分析1） Table 3 Correlation analysis between N2O flux and soil physicochemical properties

2.5 不同施氮措施下经济效益的影响

玉米季, 与U1相比, SRU1、SRU2和ISRU产值增加了4.3%、11.1%和14.6%, 环境效益分别为276、472和581元, 净经济效益提高了6.7%、14.6%和18.6%（表 4）, 其中ISRU处理产值、环境效益以及净经济效益方面都更适合玉米季.而ISRU处理在小麦季产值和净经济效益出现下降的现象, 由此抑制剂控释氮肥一次性施入更适用于玉米季.

表 4 不同施氮措施下经济效益的影响1） Table 4 Impacts of different nitrogen application measures on economic benefits

环境效益计算公式如下：

式中, EBE为环境效益, En(N2O)为土壤N2O累计排放量.

3 讨论 3.1 不同施氮方式对麦玉轮作N2O减排效果及其影响因子的影响

土壤氮素含量、湿度、温度以及参与硝化和反硝化过程的微生物群落结构等土壤环境条件影响着土壤N2O的产生和释放[28, 29]. 氮素投入是N2O释放的主要驱动因子[30]. 这与本研究的结果一致, 减氮20%（U2处理）显著降低了土壤N2O排放通量. 这主要是因为施氮水平提高, 尿素水解产生的铵态氮增多, 向土壤中的NO3--N转化, 为硝化反硝化提供了充足的基质. 同时, 充足的基质也能增强硝化反硝化微生物的活性, 从而促进N2O的释放[31]. 因此, 适当减少施氮可以有效地减少因施用过量氮肥导致的N2O排放. 氮肥的种类也是影响农田土壤N2O排放的重要因素[32]. Ma等[33]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累计排放量显著降低了8.4%~18.5%, 且控释氮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, 常规施氮处理（U1）和优化施氮处理（U2）在麦玉轮作的两次施肥后均出现较高的N2O排放峰值, 而一次性底施的SRU1、SRU2和ISRU处理只有在施基肥后会出现峰值, 且控释氮肥的施入会降低N2O排放总量、排放峰值和排放频率[34, 35]. 究其原因可能是由于控释氮肥可以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[36]. 本研究中ISRU处理N2O的排放比U2处理显著降低了29.7%, 减排效果最明显, 这是由于ISRU包膜内的大颗粒尿素中含有硝化抑制剂, 抑制剂通过抑制土壤硝化反硝化微生物过程而降低土壤N2O产生, 降低其排放通量[37]. 由此ISRU集成包膜控释和硝化抑制的双重效果, 是实现麦玉轮作N2O减排的最有效氮肥管理措施.

有研究表明, 除了施肥对N2O释放有明显的作用, 土壤水热状况对N2O的释放也有重要影响[38, 39]. 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[40]. 土壤含水量会通过影响NH4+-N和NO3--N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, 有助于N2O的排放[41]. 在本研究中, 施氮处理在夏玉米季的N2O排放通量（均值）高于冬小麦季, 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. MBN作为土壤有机氮的重要组成部分, 对养分的供给与转化也起着重要作用, 反映了土壤微生物活性[42]. 在本研究中, 控释氮肥的施入会显著降低MBN的含量, 使其不能满足硝化作用土壤硝化细菌对底物和能量的需要, 从而降低了N2O的排放.

3.2 不同施氮方式对麦玉轮作产量以及经济效益的影响

合理降低氮肥用量可以在不影响产量的情况下, 提高经济效益[43], 这与本文的研究结果一致, 麦玉轮作一整季U2、SRU1、SRU2和ISRU处理均在保持产量的同时降低了N2O的排放. 有研究表明, 与常规施肥相比, 控释氮肥可减缓或控制养分的释放速率, 使其氮素供应更适合作物的生长需求[44]. 与常规分次施氮相比, 一次性施用控释氮肥的增收效果良好, 在减量施用的条件下, 也可起到稳产的效果[45]. 本研究表明, 控释氮肥一次性底施使玉米季产量增加, 增产率最高可达11.2%~14.7%, 而小麦季出现减产6.8%~15.4%的情况, 所以小麦季不适合抑制剂型控释氮肥一次性施入, 这可能是因为受到温度和湿度的影响, 小麦季低温冻融影响小麦生长, 玉米季高温高湿条件则有助于其生长.本文研究也表明, 与其他处理相比, ISRU处理更加有利于提高麦玉轮作玉米季经济效益. 抑制型控释氮肥一次性施用, 虽然增加了化肥成本, 但是因为不需要更多的人力, 田间管理方式与当地农户的习惯相一致, 所以在操作上并不困难, 还可以很好地解决当前农村青壮劳力不足的问题. 虽然小麦季产值和净经济效益出现下降的现象, 但是玉米季ISRU处理产值增加了14.6%, 环境效益为581元, 净经济效益提高得最多, 达18.6%, 从经济效益和实际操作两个角度看, 抑制型控释氮肥一次性底施这种施肥方式易于被当地农民接受, 更加适合华北地区玉米种植.

4 结论

（1）与常规施肥相比, 玉米季控释氮肥（SRU1、SRU2和ISRU）施入导致N2O的排放通量降低20.0%~43.6%, 产量增加了4.5%~14.7%, 净经济效益提高了6.7%~18.6%.

（2）综合评估各种施氮施肥措施, 减氮20%下抑制剂型控释氮肥一次性施入（ISRU）, 在保证玉米产量的同时, 减排增收效果优于其他措施, 适宜在华北地区种植中推广使用.

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