农业生产过程中，农田土壤N₂O和NH₃产生及其向大气环境释放是土壤氮素气态损失的两个引人关注的肥料资源流失去向。N₂O是《京都议定书》中明确规定要减少的6种温室气体之一^[1]，是除CO₂和CH₄以外的第三大温室气体，具有很大的增温潜能，1 kg N₂O的增温效应相当于296~310 kg CO₂的，对温室效应的贡献率约为5%^{[2, 3]}。土壤向大气排放的N₂O占生物圈释放到大气中N₂O总量的90%^[4]，且其中80%~90%的N₂O排放来自于农田土壤^[5]，故农田土壤是全球重要的N₂O排放源^[6]。NH₃的挥发是土壤养分NH₄⁺的气态损失，既浪费了养分资源，又带来了许多环境问题，如大气沉降、NH₃和NH+4累积导致的水体富营养化，同时在大气中转化为氮氧化物等温室气体，造成空气质量恶化^[7]。

我国农业生产高氮肥投入的现象很突出，在占全球9%的耕地上消耗了世界上35%的肥料^[8]，而且氮肥利用率仅为30%~35%，损失率平均高达45%^[9]。氮肥施入土壤后，部分被作物吸收，剩余的随降水和灌溉水淋失进入土壤深层或地下水、地表水，或经过氨挥发、硝化反硝化作用以NH₃、NO_x等气态形式进入大气，其中氨挥发是氮肥气态损失的重要途径。研究表明，我国北方潮土上种植的水稻、玉米和小麦施肥后氨挥发损失率分别为30%~39%、11%~48%和1%~20%^[10]。据全球范围内估计，农业土壤因施用化肥而直接导致N₂O排放量达36%，田间监测数据表明绝大部分N₂O-N排放系数变化于0.1%~2.0%之间^{[11, 12]}。

N₂O排放和氨挥发受土壤理化性状（质地、pH、含水量等），气候条件（温度、降水、光照），农业措施（氮肥品种、施肥量、施肥及灌溉方式）等的影响。而运用科学合理的农业管理措施（施肥量、施肥时间或施肥方式等）是降低气态氮素损失的重要途径。大量研究表明，N₂O排放量和氨挥发损失是随着施氮量的增加而增加的^{[13, 14]}。不同施肥方式对土壤N₂O排放和氨挥发损失的研究也较多。如曹兵等^[15]研究表明，基肥尿素表施方式下氨挥发损失率最高达46.1%，而深施和表施结合灌溉处理方式下的氨挥发损失率分别为6.2%和3.8%；李鑫等^[16]认为，撒施后翻耕和条施后覆土能有效抑制氨挥发和N₂O排放损失。肥料品种的选用也是降低损失的关键，近年来选择控释肥已经成为热点。已有研究表明，施用控释肥可明显降低因氮肥施用而产生的土壤N₂O排放和氨挥发损失^{[17, 18]}。本试验在研究氮循环的过程中对南方丘陵地区春玉米氮肥施用造成N₂O排放和氨挥发进行了研究，以了解施肥种类和施肥量的变化对环境污染的程度，为合理施肥、减少氮肥的气态损失、提高肥料利用率、保护农业环境提供研究依据和方法。

供试玉米：品种掖单13号，由山东省莱州市明星种业公司提供。

供试肥料：普通尿素（N：46%），湖南省湘农农业生产资料集团有限公司生产；树脂包膜控释尿素（N：42%，养分释放期有1、2、3个月三种），山东金正大生态工程股份有限公司生产；钙镁磷肥（P₂O₅：12%），湖北祥云化工股份有限公司生产；氯化钾（K₂O：60%），俄罗斯生产。

试验于2014年在湖南省浏阳市原种场（沿溪镇花园村）长期定位试验基地进行。该地区属亚热带季风性湿润气候，全年的降水集中在6—9月，降水量为1552 mm，年平均气温17.3 ℃。供试土壤为河潮土，其部分理化性质为：pH 值5.75，有机质14.57 g·kg^-1，全氮 3.51 g·kg^-1，碱解氮 49.30 mg·kg^-1，全磷 0.47 g·kg^-1，速效磷 11.80 mg·kg^-1，全钾 14.51 g·kg^-1，速效钾 157.10 mg·kg^-1。

本试验共设6个处理：处理1，不施氮肥（CK，T1）；处理2，常量施肥（普通尿素纯N量240 kg·hm^-2，T2）；处理3，常量控释尿素（树脂尿素纯N量240 kg·hm^-2，T3）；处理4，控释尿素减氮10%（树脂尿素纯N量216 kg·hm^-2，T4）；处理5，控释尿素减氮20%（树脂尿素纯N量192 kg·hm^-2，T5）；处理6，控释尿素减氮30%（树脂尿素纯N量168 kg·hm^-2，T6）。所有处理的施磷量和施钾量均为150 kg·hm^-2。为保证普通尿素和控释氮肥施肥方式一致，控释氮肥也根据肥料释放期的长短分3 次施入土壤，按施氮量的40%作基肥（3个月释放期的控释氮肥），30%作苗肥（2个月释放期的控释氮肥），30%作穗肥（大喇叭口期施，1个月释放期的控释氮肥）；磷肥全作基肥施用；钾肥施用量各小区按处理的50%作基肥，50%作穗肥（大喇叭口期施）。各处理小区以水泥砂浆筑埂分隔而成，水泥埂高为110 cm，筑埂后填土80 cm，使田埂上表面距土面高30 cm，小区面积为4 m×5 m，每个处理设3次重复，共18个小区，随机排列，种植112株玉米，种植密度为56 000株·hm^-2。玉米施肥方式为撒施后覆土混匀，每次施肥后都浇水灌溉，其他栽培管理都按照常规方法进行。

玉米于2014年3月25日施基肥、播种（播种后的第1~27 d记为基肥期），4月22日施苗肥（播种后的第28~74 d记为苗肥期），6月7日施穗肥（播种后的第75~106 d记为穗肥期），7月9日收获，全生育期为106 d。

N₂O采用密闭式静态箱法测定。采样箱由两部分构成，即箱体和底座。箱体为不锈钢材料（规格：60 cm×50 cm×50 cm），外表面被绝热材料包裹，侧面上部固定位置设一气密性气体取样口和箱温监测接口，底部开口可以罩在底座上。底座上表面为四周有水槽的正方形设计（边长50 cm），测定前将底座插入20 cm土中。测定时，水槽内注满水，然后将箱体罩上，形成一个密闭性气体空间，再从取样口用注射器取气体样品。施肥后第1、2、3、5、7 d采样，以后每周采样1次。采样时间是每天的9：00—11：00，采样时每隔10 min采集1次，共采集3次，每次取样40 mL，同时测定气温、箱内温度和5 cm土温。采集好的样品带回实验室，立即用Clarus580气相色谱仪分析测定，气体排放通量由3个气样浓度经线性回归分析得出。N₂O排放通量计算公式为：

N₂O累积排放量以每次采样时N₂O排放通量平均值与相邻两次采样间隔时间相乘后再相加而得；N₂O-N损失率是施氮处理与CK处理的N₂O累积排放量差值占该施氮处理施氮量的百分比。

氨挥发的田间原位测定采用密闭室间歇式通气法，其原理和示意图参见文献^[16]。每次施肥后连续10 d采样，之后每周采集1次，直至测定的氨挥发量与对照无差异时为止。每日测定的时间是上午10：00—11：00和下午4：00—5：00，该时间段为土壤全天产生气态氨的平均水平^[19]。当遇到降雨时，氨挥发的测定加密。测定时，将罩子扣入土壤表面10 cm深，位置在小区内任选。氨挥发通量计算公式如下：

累积氨挥发量是各测定时期的氨挥发通量之和；NH₃-N损失率是施氮处理与CK处理的累积氨挥发量差值占该施氮处理施氮量的百分比。

按小区收获分别计产。

试验数据采用Excel 2007和DPSv14.10软件进行统计分析，用单因素方差分析（One-way ANOVA）和新复极差法（SSR）比较不同数据组间的差异。

由图 1可知，各处理N₂O排放通量动态变化随着处理的不同而不同。玉米生长期内，T2处理的N₂O排放通量出现了3次排放高峰，分别达到0.14、0.15、0.13 mg·m^-2·h^-1，且都是在施肥后的2～3 d发生。这是因为普通尿素施肥前后土温保持在20～30 ℃之间，并伴有30～70 mm的降水，使得尿素在2~3 d内发生完全水解，大量氮素养分进入土壤，为土壤氮素的硝化和反硝化作用提供了充足的反应底物。

图 1 N2O排放通量动态变化 Figure 1 Dynamic changes of N2O emission fluxes in different treatments

图选项

控释肥T3~T6处理N₂O排放通量动态变化相对平稳，趋势大体一致，平均值分别为0.061、0.049、0.045、0.040 mg·m^-2·h^-1，玉米生长周期内N₂O平稳排放主要是由于控释尿素养分缓慢释放于土壤中，基本保持与作物养分需求同步，在持续给土壤供给氮素和作物吸收的情况下，保持了土壤氮素含量的相对稳定。另外，试验分析发现，控释肥处理苗肥期的N₂O排放通量略低于基肥期和穗肥期，即苗肥期T3~T6处理N₂O排放通量的平均值分别为0.045、0.044、0.038、0.044 mg·m^-2·h^-1，基肥期的分别为0.069、0.051、0.048、0.043 mg·m^-2·h^-1，穗肥期的分别为0.069、0.053、0.050、0.034 mg·m^-2·h^-1。苗肥期略低可能是因为这个时期玉米生长旺盛，氮素养分吸收能力激增，吸收量大，土壤有效氮含量降低；同时该期间降水总量高达427 mm，占全生育期降水的57.70%，极易产生土壤氮素养分地表径流和渗漏的迁移损失。T3~T6处理N₂O排放通量动态变化趋势显示施肥量越多，N₂O排放通量相应也会有所提高。

如表 1所示，2014年春玉米种植期间，不同施肥处理的土壤N₂O累积排放情况是T2>T3>T4>T5>T6>T1，表明随着施氮量的减少，N₂O排放量相应减少。施用普通尿素的T2处理造成旱地N₂O累积排放量高达2.05 kgN·hm^-2，损失率为0.70%，施用控释肥的T3~T6分别为1.48、1.36、1.11、0.92 kgN·hm^-2，损失率在0.30%~0.50%之间。与T2比较，T3、T4分别减少了27.80%、33.66%，但差异不显著（P>0.05），T5、T6分别减少了45.85%、55.12%，差异显著（P<0.05）。可知，控释肥减氮20%~30%时，N₂O减排效果明显。

表 1 不同施肥处理下N₂O的排放量 Table 1 Cumulative N₂O emissions under different fertilization treatments

（kgN·hm-2）

表选项

多重比较结果表明，各个时期不同处理间N₂O排放量呈现一定的差异，与T2比较，控释肥处理T3~T6的N₂O排放量在基肥期和穗肥期差异不显著（P>0.05），苗肥期达显著差异水平（P<0.05）。这可能是不同施肥期影响N₂O排放的主导因子不同而导致的差异。基肥期温度较低，降水较少，尿素氮形态转化慢；穗肥期土壤氮素含量偏低和强降水导致氮素流失大，降低了N₂O排放的差异；苗肥期的土壤温度适宜（25 ℃左右），降水充沛（395 mm以上），肥料释放量增多，给土壤提供了较多的氮源，利于土壤硝化反硝化作用的同时进行，苗肥期T1~T6处理N₂O累积排放量占整个玉米生长周期的比例分别达55.26%、45.85%、34.46%、34.56%、38.74%、45.65%。由此可知，苗肥期施用尿素导致N₂O排放量接近累积排放总量的一半，此时期施用控释肥处理N₂O排放量占累积排放总量的比重随着施氮量的减少而增大。苗肥期排放通量的结论与其截然相反，可能表明本试验苗期周期长（约占玉米生长的半个周期）是个关键因子。综上可知，本实验条件下，春玉米苗肥期是N₂O排放的关键时期，适当减量施肥是控制减少N₂O排放的有效措施。

由图 2可知，控释尿素不同施氮水平下，春玉米生长周期内基肥、苗肥和穗肥三阶段的土壤氨挥发速率存在明显差异。T2~T6处理三次施肥后，各自土壤氨挥发速率达到峰值的时间和大小有差异，T2处理均在施肥后的2～4 d内达到峰值，分别为3.73、2.20、2.74 kgN·hm^-2·d^-1，而T3~T6处理达到峰值的时间基本一致，基肥期是在施肥后的第9 d，峰值分别为1.83、1.59、1.52、1.05 kgN·hm^-2·d^-1，苗肥期是在施肥后的第6 d，峰值分别为1.56、1.58、1.46、1.21 kgN·hm^-2·d^-1，穗肥期是在施肥后的1～2 d，峰值分别为1.05、1.12、1.19、0.76 kgN·hm^-2·d^-1。这可能是由于温度越来越高和降水的增减以及作物生长养分需要导致控释尿素养分释放和土壤氮素残留水平的差异，进而影响土壤氨挥发速率。T2达到排放高峰后迅速下降趋近于T1，说明本试验条件下普通尿素的水解作用在4 d内基本完成，此时也是氨挥发损失最大时。T3~T6各自达到排放高峰后，缓慢降低，逐渐趋于平稳。基肥期和苗肥期在施肥第17 d之后，氨挥发速率与T1、T2无明显差异，但穗肥期在施肥第17 d之后的氨挥发速率略高于T1、T2。这可能是由于在基肥后期土温稍低，降水相对较少，控释尿素养分释放慢且少，而作物开始了部分吸收，抑制了肥料的土壤氨挥发损失；在苗肥后期玉米进入营养生长和生殖生长旺盛期，养分需求大，控释尿素释放的养分被作物大量吸收，一定程度上降低了土壤氨挥发损失；在穗肥后期玉米停止了旺盛营养生长，养分吸收少，控释尿素仍然释放养分，使得土壤氨挥发比T1、T2偏高。

图 2 不同施肥条件下对春玉米耕作土壤氨挥发动态监测 Figure 2 Changes of ammonia volatilization rates from spring maize soil under different fertilization

图选项

由表 2可知，T1~T6处理的累积氨挥发量分别达10.48、31.05、33.54、31.35、28.30、25.88 kgN·hm^-2，即T3>T4>T2>T5>T6>T1。与T2比较，T3、T4氨挥发累积量分别高出8.02%和0.97%，但差异不显著（P>0.05），T5、T6氨挥发累积量分别减少8.86%和16.65%。T3、T4氨挥发累积量高于T2的可能原因在于控释氮肥养分释放慢，径流和下渗损失小，普通尿素则相反。相同施氮水平下，T2和T3氨挥发在各个时期的排放量和累积挥发量存在差异，苗肥期差异极显著（P<0.01）。T2在基肥期和穗肥期氨挥发量比苗期明显多58.37%～64.08%，这是因为苗期作物生长吸收了大量的养分和强降水养分的下渗和径流损失，极大减少了氨挥发底物来源；T3在各个时期的挥发量无明显差异（P>0.05），这是控释氮肥释放特征调控了土壤养分含量的稳定所致。控释氮肥处理下土壤氨挥发量随施氮量的减少而减少。T3和T6在基肥期氨挥发量差异不显著（P>0.05），苗肥期仅有T6与T3差异达到显著水平（P<0.05），穗肥期与T3比较，T5、T6差异均极显著（P<0.01），说明玉米生长后期氨挥发损失受施肥量的影响较显著。从玉米全生育期累积氨挥发量来看，T3和T5、T4和T6之间存在显著差异（P<0.05），T3和T6之间达极显著差异（P<0.01），其他均无显著差异（P>0.05）。所以在T3施氮量的基础上控释氮肥减氮30%施用，可以显著降低氨挥发损失。

表 2 不同施肥处理下氨累积挥发量 Table 2 Cumulative NH₃ volatilization under different fertilization treatments

表选项

通过表 1、表 2的试验结果分析得到的结论是：控释肥施氮量与土壤N₂O排放量和氨挥发量的关系呈正相关，施氮量减少，气态损失也减少。经过相关性作图分析发现（图 3），占气态损失比例较少的N₂O排放的氮素损失量与控释肥施氮量之间呈极显著性指数关系（y=0.372e^0.005x，R²=0.993，P<0.01），而损失比例较大的氨挥发氮素损失与控释肥施氮量之间呈极显著线性关系（y=0.094x+10.54，R²=0.997，P<0.01）。施用一定量的氮肥可促进旱地玉米土壤气态氮素损失，所以对于南方高温多雨的玉米种植期间，减量施用控释肥能够极大降低氨挥发损失和N₂O排放损失，有效减少肥料成本投入。

图 3 施氮量对土壤气态氮素损失的影响规律 Figure 3 Effects of N application levels on gaseous nitrogen losses in soil

图选项

如图 4所示，各施氮肥处理间玉米产量没有显著差异，但均与不施肥处理（T1）差异极显著（P<0.01）。等量施氮240 kg·hm^-2水平下，控释氮肥处理（T3）较普通尿素处理（T2）玉米产量高6.95%（P>0.05），说明施用控释氮肥对玉米产量的增收具有一定的促进作用。减量施用控释氮肥的处理（T4~T6）与T3比较，T4、T5和T6的玉米产量分别降低了3.01%（P>0.05）、4.69%（P>0.05）和7.17%（P>0.05）。同时发现，T4和T5的玉米产量较T2分别高出3.73%（P>0.05）和1.93%（P>0.05），T6较T2减产0.72%（P>0.05）。可见，相比普通尿素的施用，控释氮肥减少10%~20%的氮肥投入，能够促进玉米产量的稳产增收；减少30%的氮肥投入，玉米有一定的减产，但影响不明显。

不同大、小写字母分别表示处理间差异极显著（P<0.01）或显著（P<0.05） Different capital and small letters mean significant difference at 0.01 and 0.05 levels, respectively 图 4 不同施氮处理对玉米产量的影响 Figure 4 Effects of different nitrogen fertilizer treatments on yields of maize

图选项

本试验区春玉米生长时期内，温度缓慢上升，降雨增多，而生产中一般都是在施肥后浇水或降雨，这样的施肥方式和气候条件使施入的氮肥极易发生硝化反硝化作用和氨挥发，导致氮素的大量气态损失。T2处理普通尿素施入土壤后2～4 d内迅速水解为铵态氮，此时N₂O排放和氨挥发均达到峰值，与李鑫等^[16]的研究发现一致，一方面大量铵态氮很快与土壤、水结合，以较快的速度形成很高的氨分压，极易导致直接的较多氨挥发损失，另一方面土壤铵态氮含量的增加促进了土壤硝化作用，产生少量N₂O，同时硝化作用所形成的硝态氮随降水或灌溉水淋溶到土壤深层，继而发生反硝化作用产生较多N₂O。3次施肥后产生的N₂O排放峰值无差异，这是每次施肥的施氮量、土温、土壤含水量和作物生长差异交互作用的结果，但氨挥发排放峰值苗肥期最低，是由于玉米生长旺盛期吸收了大量的土壤有效氮，尿素分解后残留在土壤中的氮素相对较少，降低了土壤液相中NH+4-N的浓度，从而削弱了氨挥发。同等施氮量的T3处理施用的是控释尿素，N₂O排放通量波动不大，趋于平稳，无明显峰值，主要是由于控释尿素与普通尿素不同，它的包膜材料有疏水性，可有效减缓膜内尿素溶出过程所需水分的运移补充^{[20, 21]}，在较高施氮量的情况下仍能保持较好的控释效果，不会造成土壤有效氮素含量忽高忽低变化，与李方敏等^[22]在稻田试验得出的结论一致。控释肥处理（T3~T6）氨挥发出现3次排放高峰，分别是在施肥后的第9、6、1～2 d，基肥期的出峰时间与赵斌等^[23]的研究结果一致，但在苗肥期和穗肥期出峰时间有所提前。这可能是春玉米种植中后期追施的氮肥和前面未释放完全的氮肥在土温适宜（25 ℃左右）、降水较多（约601 mm）的条件下，增大了控释尿素的养分释放速率和释放量，有利于激发土壤氨挥发。从累积排放量来看，丁洪等^[24]在实验室培养条件下研究认为，等氮量控释氮肥处理的N₂O累积排放量略高于尿素处理，但无显著差异（P>0.05），本试验T2低于T3处理的N₂O排放量，也并没有显著差异（P>0.05），结论相一致。T2和T3处理N₂O和氨挥发累积排放量差异的不显著（P>0.05），表明等量施氮条件下，控释氮肥对于减少氮肥施用的气态损失没有优越性，需要通过改变施肥量、施肥方式等条件来进一步研究。本试验结果表明，在减氮30%的条件下，T6处理N₂O排放量与T3的差异不显著（P>0.05），但与T2的差异显著（P<0.05），而氨挥发损失量与T3的差异极显著（P<0.01），与T2的差异显著（P<0.05）。

监测周期内，T3~T6各处理的N₂O排放通量和氨挥发速率变化趋势均一致，累积损失量都是随着施氮量的减少而降低。本试验的T4~T6处理在T3处理基础上，施氮量降低10%～30%，对应的N₂O累积排放量减少了8.11%～37.84%，并与施氮量呈极显著的指数函数关系（图 3）。梁东丽等^[25]研究发现，土壤N₂O排放量随着施肥量的增加而上升；邱炜红等^[26]也发现在蔬菜地里存在类似变化趋势，并指出不同蔬菜季N₂O排放总量均与施氮量呈显著的指数函数关系，说明土壤N₂O排放量随着施氮量的增加而缓慢上升，当超过了一定施氮量水平，土壤N₂O排放量会急剧增加，所以适当减少施氮量是减少土壤N₂O排放量的关键。另外，受施氮量增加的影响，N₂O-N损失率也有上升趋势。邱炜红等^[26]对菜地研究发现，N₂O-N损失率为0.40%～1.4%，丁洪等^[27]在田间条件下研究了玉米地的N₂O-N损失率为6.90%，而本试验N₂O-N损失率为0.30%~0.70%，对应的氨挥发量也减少了6.53%～22.84%，并与施氮量呈显著的线性函数关系（图 3）。这与施氮量显著影响土壤氨挥发的结论一致^{[14, 28]}。李银坤等^[29]在温室土壤中的研究发现，减施氮25%处理与减施氮50%处理的氨挥发量分别减少了22.10%和37.20%，与本试验研究结果趋势一致。

（1）控释肥施用对春玉米土壤N₂O排放通量和氨挥发排放通量的动态变化有一定的影响。与普通尿素相比，各控释氮肥处理N₂O排放通量变化趋势平稳，无明显峰值，且苗肥期排放通量较低；氨挥发排放通量在施肥后存在明显的峰值，且出峰时间各有不同。

（2）减少控释氮肥施氮量既对春玉米土壤N₂O和氨挥发的减排有一定的作用，又能稳产增收。玉米生育期内，N₂O排放量和氨挥发量均随施氮量的减少而减少。控释氮肥减氮20%时，相比普通尿素既能降低33.66%（P>0.05）的N₂O排放量和8.86%（P>0.05）的氨挥发量，又能增产1.93%（P>0.05）。

（3）土壤N₂O排放量与控释肥施氮量呈极显著性指数关系y=0.372e^0.005x（R²=0.993，P<0.01），累积氨挥发量与之呈极显著线性关系y=0.094x+10.54（R²=0.997，P<0.01）。