2017, Vol. 38
N2O是重要的温室气体之一，在100年尺度上，其增温潜势为CO2的298倍[1]。2007年我国农田土壤的N2O-N直接排放量达到288.4 Gg，其中化学氮肥投入的贡献率高达77.64 % [2]。
农田土壤排放的N2O中，一部分为土壤直接排放，另一部分为植株体产生的N2O[3-4]。土壤性质(含水量、质地、有机质含量、pH)、作物类型、气候因素、氮肥等影响N2O的产生和排放[5]。不同植物-土壤系统下，土壤N2O排放的规律、数量和强度相差很大[6]。农田种植作物与否，N2O排放规律及排放量明显不同。施用常规氮肥硫酸铵时，种植玉米后土壤N2O排放的季节变化规律改变，排放总量比裸土减少87%~92%[6]。氮肥类型不同，N2O排放量不同，施用缓释肥和长效肥料可以降低农田N2O的排放[7-10]。氮素的释放速率影响土壤氮素硝化反硝化活性，进而影响N2O的排放[11]。缓控释肥肥效期不同，其氮素释放速率亦不同，因而土壤中有效氮含量相差较大，N2O排放规律及排放量随之改变。在高羊茅Festuca arundinacea草坪施用控释肥的结果表明，肥效期为30 d的包膜尿素的N2O排放量大于肥效期60 d的包膜尿素N2O排放量[12]。然而，目前控释肥料对土壤N2O排放影响的研究多侧重于种植作物条件下，控释肥、常规氮肥或常规氮肥添加抑制剂之间的对比研究，鲜见肥效期不同的控释肥料在裸地与栽培作物的对比条件下对土壤N2O减排效果的研究，故本研究采用试验条件相对可控的盆栽试验，对比研究3个肥效期的控释肥分别在裸地和栽培香蕉条件下，土壤N2O排放规律及温室效应，探讨控释肥肥效期和香蕉生长对土壤N2O减排效果的影响，为研究大田条件下控释肥肥效期对土壤N2O减排效果的影响提供参考，同时为农业生产中土壤温室气体的减排提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤为赤红壤发育的水稻土。土壤的理化性质为：pH 5.70，容重1.29 g·cm-3，有机质15.66 g·kg-1，全氮1.93 g·kg-1，碱解氮62.26 mg·kg-1，矿质态氮(NH4+-N和NO3--N)16.4 mg·kg-1，速效磷(P2O5)11.62 mg·kg-1，速效钾(K2O)229.8 mg·kg-1。
香蕉苗为广东省果树研究所培育的巴西香蕉(Musa AAA Giant Cavendish cv. Brazil)杯苗。控释肥(Controlled-release fertilizer, CRF)为植物油包膜控释肥(N、P2O5、K2O质量分数均为14.4%)，肥效期为1个月(1 Mon)、3个月(3 Mon)和5个月(5 Mon)3种，分别标记为CRF 1Mon、CRF 3Mon和CRF 5Mon，包膜材料为植物油，包膜工艺为流化包膜。3种控释肥料在静水条件下的氮素释放曲线见图 1。复合肥为控释肥料的核心肥(N、P2O5、K2O质量分数均为15%)，标记为CF。盆钵规格为30 cm×20 cm×25 cm(上口径×下口径×高)。
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图 1 控释肥静水条件下氮素释放特征 Figure 1 Nitrogen release characteristics of controlled-release fertilizer under water condition |
盆栽试验采用裂区设计，主因素为作物栽培状况，分别为裸地和栽培香蕉，副因素为肥料处理，包括CRF 1Mon、CRF 3Mon、CRF 5Mon及CF，同时设置无肥处理作对照(CK)，每处理重复3次。每盆装风干土13 kg，土壤N肥用量为150 mg·kg-1。香蕉于5月29日移栽，每盆1株，肥料在缓苗1周后采用穴施的方法一次性施入土壤，在蕉苗周围均匀开3穴将肥料施入，穴深5 cm，9月7日施肥处理气体排放量与无肥对照无差异，试验结束，收获栽培香蕉，处理香蕉地上部、地下部，称质量，测定氮含量。整个试验过程中，各处理土壤含水量为田间持水量的80%。
1.3 N2O的采集与测定N2O采用静态箱法采集[13-14]。气体样品采集的装置是由顶部安装了小型电风扇、长×宽×高为50 cm × 60 cm × 90 cm的有机玻璃气罩和连通水槽构成的静态箱。收集气体时，为保证箱体密闭，将盆钵架置在水槽中间，收集箱罩在盆钵上方，槽中灌水密封，以免收集箱内气体与大气连通。气体采集箱密闭0、10、20和30 min时，用带有三通阀的60 mL注射器采集气体样品，同时测定箱内气温和水层高度。采样时间为08:00—10:00，采样结束后，测定土下5 cm土壤温度(图 2)。在施肥后1个月内每天采样1次，1个月后每3 ~ 5 d采样1次。N2O浓度用装配十通阀和六通阀及不锈钢前置柱(Porapac Q，1.0 m)反吹系统的气相色谱(Thermo Fisher TRACE 2000) 测定。标准气体(购于国家标准物质研究中心)为CH4和N2O的混合气，其中N2O为0.314 × 10-6 mol·mol-1，CH4为9.67 × 10-6 mol·mol-1，填充气为N2。气体样品采用外标一点法进行质量控制，12 h内完成检测。
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图 2 5 cm深土壤温度变化 Figure 2 Changes of soil temperatures at 5 cm depth |
| $ F\left( X \right)=\rho h\frac{\Delta c}{\Delta t}\times \frac{273}{\left( 273+\theta \right)}, $ | (1) |
式中，F(X)为CH4和N2O排放通量(mg·m-2·h-1)；ρ为CH4和N2O在0 ℃、大气压力1.013 3×105 Pa条件下的气体密度(g·L-1)；h为该采样箱的高度(90 cm)与基座内水面到基座上水槽下平面的高度之和(cm)；t为取样时间(min)，c为t时间的CH4和N2O体积分数测定值(mL·m-3)，△c/△t为单位时间密闭箱内CH4和N2O体积分数的变化量；θ为不同取样时间(0、10、20和30 min)密闭箱内的温度(℃)。
N2O累积排放量由实测值推算，累积排放量的计算公式[15-16]为：
| $ {{\mathit{Y}}_{\mathit{i}}}=\sum\limits_{n=1}^{i}{{{F}_{i}}}, \ {{F}_{i}}=F{{\left( X \right)}_{i}}\times 24, $ | (2) |
式中，Yi为N2O在i d内的累计排放量(kg·hm-2)。Fi为生长期内第i天的平均排放通量[F(X)i]与时间(24 h)的乘积，即第i天的累积排放量。
N2O排放系数指肥料中的氮素以N2O形式损失的百分比，计算公式[17]为：
| $ 排放系数=\left( \rm{施肥处理}{{\rm{N}}_{\rm{2}}}\rm{O排放量-无肥处理}{{\rm{N}}_{\rm{2}}}\rm{O排放量} \right)\left( 28/44 \right)/施入总氮量\times 100 \%。$ | (3) |
根据各温室气体在不同时间尺度上的相对全球增温潜势(Global warming potential，GWP)，按100年尺度计算，CO2换算系数为1，N2O换算系数为298[1]。可计算N2O温室气体排放CO2当量(Carbon dioxide equivalent，CDE)，计算公式为：
| $ \rm{CDE}=298\mathit{Y}, $ | (4) |
式中，Y表示N2O累计排放量(kg·hm-2)。
本试验数据采用Microsoft excel 2007和SPSS 16.0等软件进行统计分析。
2 结果与分析 2.1 控释肥肥效期对氮素吸收利用的影响栽培香蕉各处理的香蕉吸氮量及氮素利用率见表 1。在盆栽无淋失的条件下，肥料类型和控释肥肥效期对香蕉吸氮量和氮素利用率有显著影响。CRF 5Mon香蕉吸氮量和氮肥利用率显著小于复合肥处理和CRF 1Mon、CRF 3Mon，后三者之间无显著差异。CRF 5Mon释放期为5个月，而本试验周期为99 d，试验结束时，CRF 5Mon氮素没有完全释放，故其香蕉吸氮量和氮素利用率低于其他3个处理。
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表 1 控释肥肥效期对香蕉吸氮量及氮素利用率的影响1) Table 1 Effect of controlled-release fertilizer longevity on banana nitrogen uptake and nitrogen use efficiency |
图 3为裸地N2O日排放通量动态变化图。由图 3可见，肥料种类和控释肥肥效期均影响N2O日排放通量。在整个观测期中，无肥对照处理仅有少量的N2O排放，且未出现明显的N2O排放峰；复合肥处理持续有较高的N2O排放，自观测中期，N2O排放量减少，但在施肥后第73天出现N2O排放峰。
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图 3 裸地N2O日排放通量动态变化 Figure 3 Change of daily N2O flux in bare soil |
观测前期，控释肥料处理土壤N2O排放通量较复合肥处理低，但在观测的中后期出现了排放峰。3个肥效期的控释肥处理，土壤的N2O日排放规律不同，表现为排放峰数量和最大排放通量不同。CRF 1Mon、CRF 3Mon和CRF 5Mon分别出现了5、3和3个排放峰，最大排放峰依次为21.64、15.53和6.83 mg·m-2·h-1，施肥后的第38天起, N2O排放通量开始增加，进而出现排放峰，且CRF 1Mon＞CRF 3Mon＞CRF 5Mon，差异显著(Duncan’s，P＜0.05)。
2.2.2 对栽培香蕉土壤N2O日排放通量的影响图 4为栽培香蕉土壤N2O日排放通量动态变化图。由图 4可见，肥料种类和控释肥肥效期不同，栽培香蕉土壤的N2O日排放动态各异，同裸地规律一致。无肥对照处理的栽培香蕉土壤N2O排放通量低且无排放峰。复合肥处理的N2O排放通量高且呈现逐渐降低的趋势，而控释肥处理的N2O排放通量明显低于复合肥处理。CRF 1Mon和CRF 3Mon的土壤N2O排放峰分别为1和3个，最大排放峰分别为5.62和3.60 mg·m-2·h-1，且出现在观测前中期，而CRF 5Mon处理没有明显N2O排放峰。
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图 4 栽培香蕉土壤N2O日排放通量动态变化 Figure 4 Changes of daily N2O flux in banana-planted soil |
为了进一步比较控释肥肥效期对N2O排放的影响，将N2O平均排放通量进行了统计分析，结果见表 2。从表 2可见，栽培香蕉土壤N2O平均排放通量显著低于裸地；其控释肥处理的N2O平均排放通量显著低于复合肥处理，且CRF 3Mon和CRF 5Mon的平均排放通量显著低于CRF1 Mon。
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表 2 控释肥肥效期对N2O平均排放通量的影响1) Table 2 Effect of controlled-release fertilizer longevity on mean N2O flux |
裸地时，施用氮肥(即复合肥和控释肥)均增加了N2O平均排放通量，复合肥处理以及CRF 1Mon、CRF 3Mon和CRF 5Mon处理的N2O平均排放通量分别为无肥处理的17.73、17.45、11.64和11.73倍，CRF 3Mon和CRF 5Mon的N2O平均排放通量显著低于复合肥处理，而3个控释肥处理则表现为CRF 1Mon＞CRF 3Mon ≥ CRF 5Mon。由此可以推论，裸地施用含氮肥料，可显著增加N2O排放，但施用控释肥可降低N2O排放的增加量，且控释肥的肥效期越长，其减排效果越明显。
栽培香蕉的土壤，施用氮肥(即复合肥和控释肥)也增加了N2O平均排放通量，复合肥处理以及CRF 1Mon、CRF 3Mon和CRF 5Mon处理的N2O平均排放通量分别为无肥处理的14.81、7.38、5.81和4.44倍。3个控释肥处理的N2O平均排放通量为CRF 1Mon＞CRF 3Mon＞CRF 5Mon，且均显著低于复合肥处理。可见，在栽培香蕉时施用含氮肥料可显著增加N2O排放，但施用控释肥可降低N2O排放的增加量，且控释肥的肥效期越长，其减排效果越明显。
对比裸地和栽培香蕉土壤的数据可知，控释肥对栽培香蕉土壤的N2O减排效果优于裸地，且施用肥效期长的控释肥对N2O减排效果也表现为栽培香蕉土壤优于裸地。
2.3 控释肥肥效期对土壤N2O累积排放量、增温潜势和排放系数的影响累积排放量是N2O排放峰大小及其持续时间的综合反应，盆栽试验累积排放量通常用mg·盆-1表示，控释肥肥效期对N2O累积排放量的影响见表 3。由表 3可知，栽培香蕉土壤的N2O累积排放量显著低于裸地，仅为裸地的46.28 %；4种肥料之间，控释肥CRF 1Mon、CRF 3Mon和CRF 5Mon的N2O累积排放量显著低于复合肥处理，分别降低了24.06%、48.83%和52.81%，同时控释肥肥效期也影响N2O累积排放量，CRF 3Mon和CRF 5Mon的N2O累积排放量显著低于CRF 1Mon。裸地时，3个肥效期控释肥CRF 1Mon、CRF 3Mon和CRF 5Mon的N2O累积排放量较复合肥分别降低了1.94%、36.69%和36.28%，CRF 3Mon和CRF 5Mon的N2O累积排放量显著低于CRF 1Mon；而栽培香蕉的土壤，3个肥效期控释肥CRF 1Mon、CRF 3Mon和CRF 5Mon的N2O累积排放量较复合肥分别降低了54.22%、65.38%和75.34%，表现为CRF 1Mon＞CRF 3Mon＞CRF 5Mon。由此推测，控释肥肥效期对栽培香蕉土壤的N2O累积排放量减排效果优于裸地。
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表 3 控释肥肥效期对N2O累积排放量、增温潜势和排放系数的影响1) Table 3 Effects of controlled-release fertilizer longevity on cumulative emission, global warming potential, and emission coefficient of N2O |
控释肥肥效期对N2O全球增温潜势、排放系数的影响规律与对累积排放量的影响一致。栽培香蕉可显著降低N2O的全球增温潜势和排放系数，减少N2O态氮素损失；控释肥处理全球增温潜势和排放系数显著低于复合肥处理，即施用控释肥较施用复合肥能显著降低N2O排放造成的温室效应，并减少N2O态氮素损失，且肥效期长的CRF 3Mon和CRF 5Mon效果优于肥效期相对较短的CRF 1Mon。裸地时，CRF 3Mon和CRF 5Mon的N2O全球增温潜势和排放系数显著低于CRF 1Mon；而栽培香蕉的土壤，3个控释肥处理之间N2O的全球增温潜势和排放系数差异显著，表现为CRF 1Mon＞CRF 3Mon＞CRF 5Mon。可见，栽培香蕉时，控释肥肥效期对降低N2O温室效应和减少N2O态氮素损失的效果的影响大于无作物的裸地，即在栽培香蕉时，降低温室效应和减少N2O态氮素损失的作用更明显。
3 讨论与结论 3.1 控释肥与土壤N2O排放控释肥通过在水溶性肥料表面包覆一层树脂，从而达到有效防止肥料迅速溶解和尽量减少铵态氮硝化、硝态氮反硝化的目的，肥料包膜后的养分释放时间明显延长。控释肥的氮素释放速率随着肥效期延长而减缓，且释放特性亦不同，因此施入土壤后，土壤有效氮的含量明显小于其核心复合肥，肥效期长的控释肥的土壤有效氮含量小于肥效期短的控释肥。同种种植模式和施肥条件下，土壤有效氮的含量制约着N2O的排放，因而控释肥可以有效地降低土壤N2O的排放。本研究结果表明，3个控释肥处理CRF 1Mon、CRF 3Mon和CRF 5Mon的土壤N2O排放量显著降低，累积排放量较复合肥分别降低了24.06%、48.83%和52.81%，其N2O累积排放量大小顺序为CRF 1Mon＞CRF 3Mon ≥ CRF 5Mon，随着控释肥肥效期的延长，土壤N2O的累积排放量降幅逐渐增大，减排效果越显著。李方敏等[16]、张怡等[18]在水稻上的研究结果表明，施用控释肥可降低土壤N2O的排放，谷佳林等[12]在高羊茅草坪上的控释肥试验也得到相同的结果，同时研究发现，肥效期为60 d的包膜尿素的N2O排放量(6.92 kg·hm-2)显著低于30 d的包膜尿素的排放量(8.14 kg·hm-2)[12]，与本研究结果一致，即随着施用的控释肥肥效期的延长，N2O的减排效果越明显。
3.2 裸地和栽培作物土壤与N2O排放植物生长影响着土壤N2O的排放过程及排放量。相同施肥条件下，种植香蕉的土壤N2O日排放通量、累积排放量与裸地有较大差异。土壤中存在多余的有效氮是土壤N2O产生的前提条件之一[19]。种植香蕉的土壤，香蕉生长吸收了大量的有效氮，因而减少了土壤中的有效氮含量，从而降低了可能进行硝化、反硝化作用的有效氮源，因此减少了N2O的排放。香蕉根系分泌物和残留物的降解，提高了土壤的碳氮比，引起了微生物对氮源的争夺利用，氮素利用充分，从而减少了硝化、反硝化过程的中间产物N2O的排放[20]。同时，香蕉的蒸腾作用可降低土壤含水量，进而抑制硝化和反硝化作用，减少N2O的排放[21]。与裸地相比，栽培香蕉土壤的N2O累积排放量显著降低，仅为裸地累积排放量的46.28%，而且生长香蕉土壤的控释肥处理对N2O的减排效果优于复合肥，栽培香蕉的控释肥处理较裸地的相应处理降幅为59.88 %~71.61 %，而复合肥降幅仅为26.64%。杨兰芳等[6]的研究结果也表明，同一土壤施氮水平下，裸地的N2O排放量显著高于种植玉米土壤的N2O排放量。高氮处理时，裸地的N2O排放总量是种植玉米土壤的12倍(P＜0.01)，低氮处理时，是种植玉米土壤的6.5倍(P＜0.01)。在盆栽无淋失的条件下，控释肥料的氮素随时间缓慢释放，肥效期越长，释放率越小，释放的氮素越接近香蕉的吸收量，故土壤中多余的有效氮少，N2O排放量低；复合肥为水溶性肥料，施入土壤后即转化为有效氮，其数量显著大于香蕉的吸收量，特别是在试验前期香蕉苗较小时，土壤中有多余的有效氮，故N2O排放量高于控释肥。
在一定施氮量下，裸地的N2O排放速率主要受温度的控制[6]。本研究中，裸地的控释肥处理在施肥后第44天出现的N2O排放峰，可能与第32天起的持续高温有关。一方面，温度升高，控释肥的养分释放加快[22-23]，土壤中有效氮增加，为硝化、反硝化作用产生N2O提供了有效氮源；另一方面，土壤微生物的活性、反硝化及硝化的N2O排放速率一般都随土壤温度升高而增加。而复合肥处理由于其养分为速效态氮，土壤中残留较高浓度的有效氮，造成试验前期有持续较高的N2O排放，即使土壤温度持续偏高，但因土壤的有效氮数量较前期减少，故在第44天未出现明显的排放峰。在种植香蕉时，由于香蕉的吸收、微生物参与竞争土壤有效氮，致使土壤有效氮的含量减少，所以在同期也未出现明显的N2O排放峰。
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