不同氮肥类型对泛滥平原土壤玉米-黑麦草轮作体系温室气体排放的影响研究

研究人员针对泛滥平原土壤雨养种植玉米(Zea maysL.)与黑麦草(Lolium multiflorumL.)的农业实践展开研究。尽管此类种植模式可降低甲烷(CH4)排放，但氮肥施用与土壤特性可能加剧氧化亚氮(N2O)释放。本研究旨在评估低有机质含量泛滥平原土壤中，不同氮源对玉米-黑麦草轮作体系的温室气体排放及全球增温潜势的影响。田间试验持续三个生长季，于淋溶土(Planosol)中设置对照(不施氮)、普通尿素、硝酸铵钙(CAN)及尿素+NBPT(脲酶抑制剂)四种处理，玉米与黑麦草施氮量分别为160 kg N ha−1和80 kg N ha−1，均采用撒施方式。研究人员测定了N2O与CH4的累积通量与排放量、驱动排放的土壤参数、部分全球增温潜势(pGWP)、产量尺度温室气体排放(YpGWP)、排放因子(EF)、作物籽粒/生物量产量及氮素利用效率(NUE)。结果表明，CAN处理的N2O排放量较其他处理高38.5%，其平均pGWP值较尿素和尿素+NBPT高约67.8%。2024年黑麦草季中，尿素+NBPT的pGWP最低且与对照无显著差异。66%的EF值超过政府间气候变化专门委员会(IPCC)估算的1.6%施氮量基准。尽管所有氮源均较对照提高N2O排放，但在泛滥平原土壤中，尿素与尿素+NBPT的YpGWP显著低于CAN。

研究背景与问题提出

气候变化的核心驱动因素为二氧化碳(CO₂)、氧化亚氮(N₂O)和甲烷(CH₄)等温室气体(GHG)浓度上升。农业活动具有双重角色：既是人为GHG排放的主要来源，又可通过土壤有机质(SOM)固存大气CO₂。巴西农业活动贡献了全国87%的N₂O排放与76%的CH₄排放，其中氮肥施用占该部门总排放的近70%。泛滥平原土壤传统用于灌溉水稻种植，近年逐渐转为雨养玉米、大豆与黑麦草种植。此类土壤具水成土特征，干湿交替频繁，中等降雨即可使土壤充水孔隙度(WFPS)超过65%，形成利于反硝化作用与N₂O排放的厌氧微域。然而，低有机质(SOM)含量的泛滥平原土壤中，不同氮源对雨养轮作体系GHG排放的影响仍不明确。硝酸铵钙(CAN)因同时提供铵态氮(NH₄⁺)与硝态氮(NO₃⁻)，在低SOM土壤中可提升作物吸氮量与产量，但其对N₂O排放的潜在影响尚未得到系统评估。脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)被提议用于减少尿素基肥料的氮损失，但其在泛滥平原系统中的效果存在争议。因此，本研究旨在通过三年田间试验，量化不同氮源对玉米-黑麦草轮作体系GHG排放、增温潜势及作物产量的综合影响。该研究发表于《Agriculture, Ecosystems & Environment》。

主要技术方法

研究于2022年12月至2025年3月在巴西南里奥格兰德州Capão do Leão的Pelotas联邦大学Palma农业中心开展，土壤类型为淋溶土(Planosol)，有机质含量为1.2%。采用随机完全区组设计，设四重复，处理包括对照、普通尿素(46% N)、尿素+NBPT(含550 ppm NBPT)及CAN(27% N)。玉米施氮量为160 kg N ha⁻¹，分两期(V3与V8期)撒施；黑麦草施氮量为80 kg N ha⁻¹，分两期(分蘖初期与第一茬刈割后)撒施。研究人员通过静态箱法采集气体样品，采用气相色谱仪测定N₂O与CH₄浓度，计算累积排放量。部分全球增温潜势(pGWP)以100年时间尺度核算(N₂O为CO₂的273倍，CH₄为27.2倍)。产量尺度排放(YpGWP)由pGWP除以作物产量获得。排放因子(EF)按(施肥处理累积N₂O排放−对照累积N₂O排放)/施氮量×100%计算。同步监测土壤矿质氮(NH₄⁺、NO₃⁻)、WFPS及土壤温度。作物产量通过实收测产获得，氮素利用效率(NUE)按(施肥处理产量−对照产量)/施氮量计算。数据经正态性检验后采用方差分析与Tukey多重比较进行统计分析。

研究结果

3.1 氨挥发

尿素处理在施氮后第3天出现NH₃挥发峰值，而尿素+NBPT峰值延迟至第5天，CAN无显著峰值。玉米季中，尿素+NBPT较尿素减少44.5%的累积NH₃损失，但仍高于CAN；黑麦草季中，CAN的累积NH₃损失最低，尿素与尿素+NBPT无显著差异。

3.2 温室气体排放

N₂O排放呈明显的年际差异与处理效应。玉米2022/23季因降雨较少，WFPS较低，各处理累积N₂O排放无显著差异(1.26–3.97 kg N₂O ha⁻¹)。2023/24与2024/25季降雨充沛，WFPS频繁超过70%，CAN处理的累积N₂O排放显著高于其他处理，最高达37.46 kg N₂O ha⁻¹。黑麦草季N₂O排放低于玉米季，但CAN仍持续表现最高排放(2024年达9.00 kg N₂O ha⁻¹)。CH₄排放整体极低，仅在玉米2024/25季尿素+NBPT处理出现较高值(7.40 kg CH₄ha⁻¹)，其余处理接近零或为负值(表现为CH₄吸收)。

3.3 部分全球增温潜势、产量尺度排放与排放因子

pGWP主要由N₂O贡献(占比99.9%)。CAN处理的pGWP平均较尿素与尿素+NBPT高67.8%，且在多数年份显著高于二者。YpGWP在CAN处理中最高，尤其在玉米2023/24季达1.31 kg CO₂当量 kg⁻¹籽粒，显著高于尿素与尿素+NBPT。EF值受气候与土壤水分调控，66%的观测值超过IPCC默认值1.6%，CAN处理的EF平均较其他处理高47.7%。

3.4 土壤矿质氮、WFPS与土壤温度

NH₄⁺浓度在施氮后迅速升高，尿素处理峰值最高。NO₃⁻浓度在CAN处理中普遍最高，且其峰值与N₂O排放峰值重合。WFPS在多数时期高于80%，仅玉米季部分时段低于65%。土壤温度在玉米季平均为22.8–25.1°C，黑麦草季降至13.1–14.2°C。

3.5 作物产量与氮素利用效率

所有氮肥处理均显著提高玉米与黑麦草产量，较对照增幅达78–161%，但不同氮源间无显著差异。CAN处理的NUE在黑麦草2024季显著高于尿素，玉米季各处理NUE无显著差异，且2024/25季NUE整体提升。

讨论与结论

讨论部分指出，CAN的高N₂O排放源于其直接提供NO₃⁻，在泛滥平原土壤高WFPS条件下成为反硝化作用的即时底物。降雨是驱动排放的关键因子，湿润年份WFPS>70%时排放剧增。黑麦草季低温限制了微生物活性，导致N₂O排放低于玉米季。研究强调，泛滥平原土壤的hydromorphic特性使其EF值普遍高于IPCC默认值，需针对性制定减排策略。尽管CAN提升了NUE，但其环境代价更高；尿素+NBPT有效降低氨挥发但未减少N₂O排放。雨养轮作体系将泛滥平原从CH₄高排放源(灌溉水稻)转化为低排放系统，但需优化氮源选择以平衡产量与环境效益。

结论明确：氮肥对维持泛滥平原土壤雨养轮作产量至关重要，但环境绩效高度依赖氮源与气候条件。CAN虽提升氮效率，却持续增加N₂O排放与产量尺度增温潜势，表明农艺增益不等同于环境收益。尿素+NBPT可有效抑制氨挥发，但未显著降低N₂O排放。降雨是调控N₂O排放的主导因子，土壤水分较施氮量本身更能决定排放强度。免耕雨养轮作体系可将泛滥平原转化为低CH₄排放系统，结合适宜氮管理可协同实现高产与减排目标。