姚凡云^,1, 刘志铭¹, 曹玉军¹, 吕艳杰¹, 魏雯雯¹, 吴兴宏¹, 王永军^,1,2, 谢瑞芝^,31吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/玉米国家工程实验室,长春 130033
²吉林农业大学农学院,长春 130118
³中国农业科学院作物科学研究所,北京 100081

Diurnal Variation of N₂O and CO₂ Emissions in Spring Maize Fields in Northeast China Under Different Nitrogen Fertilizers

YAO FanYun^,1, LIU ZhiMing¹, CAO YuJun¹, LÜ YanJie¹, WEI WenWen¹, WU XingHong¹, WANG YongJun^,1,2, XIE RuiZhi^,31Institute of Agricultural Resources and Environment, Jilin Academy of Agricultural Sciences/State Engineering Laboratory of Maize, Changchun 130033
²College of Agronomy, Jilin Agricultural University, Changchun 130118
³Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081

通讯作者: 王永军,E-mail： yjwang2004@126.com。 谢瑞芝,E-mail： xieruizhi@caas.cn

责任编辑: 杨鑫浩
收稿日期:2020-09-3接受日期:2020-10-30

基金资助:

国家重点研发计划(2017YFD0300303)

Received:2020-09-3Accepted:2020-10-30
作者简介 About authors
姚凡云,E-mail： yaofanyun@163.com。










摘要
【目的】探明不同类型氮肥对高纬度春玉米土壤N₂O和CO₂昼夜排放的影响,以期为高纬度地区农田氮肥高效利用管理和温室气体减排提供参考依据。【方法】通过田间微区施用缓释肥（SLN）、尿素添加硝化抑制剂+脲酶抑制剂（NIUI）和普通尿素（OU）试验,采用静态箱-气相色谱法,分别在苗前（S1）、苗期（S2）、拔节期（S3）、灌浆期（S4）、蜡熟期（S5）和休闲期（S6）6个时期取样测定,比较分析农田N₂O和CO₂的昼夜排放特性。【结果】施用不同类型氮肥,田间N₂O和CO₂昼夜排放均呈单峰变化趋势,S1—S6时期,土壤N₂O排放高峰出现在12：00—19：00,排放低谷出现在下半夜（0：00—6：00）,而S2—S5同一时期白天或夜晚各观测时段之间CO₂排放通量差异不显著。S1和S2时期,N₂O和CO₂白天排放量分别占全天总排放量的56.2%—82.3%和53.6%—66.5%,而S3—S6时期,白天排放比例分别为40.6%—59.6%和43.7%—55.4%。SLN处理减少了S1时期土壤N₂O的全天总排放量,而NIUI处理减少了S1、S2和S5时期土壤N₂O的全天总排放量,其主要减排时段为S1时期的4：00—16：00和S2时期的12：00—22：00,其中S2时期18：00—19：00减排量占所有减排时段总量的57.3%,S5时期昼夜各时段均表现为减排作用,且昼夜减排比例相当;SLN对土壤CO₂的主要减排时段为S1时期的全天和S3时期的15：00—4：00,其中S1时期12：00—23：00减排比例高达76.8%,S3时期夜晚减排比例占所有减排时段总量的68.1%;NIUI处理在玉米生长季5个测定日都表现出对CO₂的减排作用,但昼夜减排比例存在差异,白天平均减排46.9%,最高减排达73.2%。同时发现,N₂O和CO₂排放通量日均值与9：00—10：00观测值存在极显著正相关关系（r_N2O=0.938**,r_CO2=0.977**）,9：00—10：00可作为东北春玉米农田N₂O和CO₂昼夜排放研究的代表性取样时段。【结论】不同类型氮肥对土壤N₂O和CO₂昼夜排放通量的影响在不同时期表现各异。与常规施氮相比,缓释氮肥抑制了玉米苗前期土壤N₂O昼夜排放,减排时段主要在9：00—22：00,而在其他测定日均促进了土壤N₂O昼夜排放;尿素添加硝化抑制剂和脲酶抑制剂抑制了玉米苗前白天、苗期夜晚以及收获期白天和夜晚的土壤N₂O排放,对拔节期至灌浆期土壤N₂O的昼夜排放均表现为促进作用。在苗前测定日全天和拔节期测定日的夜晚,缓释肥对土壤CO₂表现出减排作用;尿素添加硝化抑制剂和脲酶抑制剂降低了6个测定日土壤CO₂的排放。
关键词： 不同氮肥;春玉米农田;N₂O和CO₂排放通量;昼夜变化

Abstract
【Objective】 The effects of different types of nitrogen fertilizers on the diurnal variation of N₂O and CO₂ fluxes from spring maize soil at high latitude were explored, in order to provide a reference for nitrogen fertilizer efficient utilization management and greenhouse gas emission reduction in farmland at high latitude. 【Method】 Field micro-plot trials and the static chamber-gas chromatography method were used to investigate the effects of slow release fertilizer (SLN), urea plus nitrification inhibitor and urease inhibitor (NIUI) and ordinary urea application (OU) on the diurnal variation of N₂O and CO₂ emissions from spring maize fields at high latitudes. The day-night emission characteristics of soil N₂O and CO₂ were compared and analyzed in 6 periods, including pre-emergence stage (S1), seedling stage (S2), jointing stage (S3), filling stage (S4), dough stage (S5), and fallow period (S6). 【Result】 The diurnal variation of N₂O and CO₂ emissions under different nitrogen fertilizers showed a single peak trend. From stage S1 to S6, the peak of N₂O emissions appeared in 13:00-19:00, and the peak valley occurred after midnight (0:00-6:00). However, there was no significant difference in CO₂ fluxes between observation periods during day or night at the same stage from S2 to S5. In stage S1 and S2, the daytime emissions of N₂O and CO₂ accounted for 56.2%-82.3% and 53.6%-66.5% of the total emissions of the whole day, respectively. From stage S3 to S5, the ratio of N₂O and CO₂ emission in the daytime was 40.6%-59.6% and 43.7%-55.4%, respectively. SLN treatment reduced the soil N₂O cumulative emission in stage S1, while NIUI treatment reduced the soil N₂O cumulative emission at stages S1, S2 and S5, and the emission reduction period was mainly from 4:00-16:00 in the daytime of stage S1 and 12:00 to 22:00 of stage S2, among which the emission reduction from 18:00-19:00 during stage S2 accounts for 57.3% of the total emission reduction period. All time periods of day and night showed the effect of emission reduction in stage S5, and the ratio of emission reduction during day and night was almost the same. The main emission reduction periods of SLN for soil CO₂ were the whole day in S1 stage and 15:00-4:00 in S3 stage, among which the emission reduction ratio of 12:00-23:00 during the S1 stage was as high as 76.8%, and the reduction ratio at night during S3 accounted for 68.1% of all emission reduction periods. NIUI treatment showed a reduction effect on CO₂ emission in five monitoring days of growing season of maize, but the ratio of day-night emission reduction was different, with an average reduction of 46.9% during the day and a maximum reduction of 73.2%. It was also found that there was an extremely significant positive correlation between the daily mean of N₂O and CO₂ fluxes, and the observed values of 9:00-10:00 (r_N2O=0.938**, r_CO2=0.977**). Therefore, 9:00-10:00 could be used as the representative sampling period when conducting long-term greenhouse gas emission research in spring maize fields in Northeast China. 【Conclusion】 The diurnal emission fluxes of soil N₂O and CO₂ responded differently to various nitrogen fertilizations at different maize growing stages. Compared with conventional nitrogen application, SLN inhibited the soil N₂O emission before maize seedling in day and night, and the emission reduction period was mainly between 9:00-22:00. SLN promoted the emission of N₂O in day and night in other monitoring days. NIUI inhibited the soil N₂O emission during the daytime before maize seedling, the night at the seedling stage, and the harvest stage day and night, while NIUI promoted the soil N₂O emission from jointing stage to filling stage. In the whole monitoring day before seedling and the night of the monitoring day at jointing stage, SLN had a reduction effect on soil CO₂. NIUI reduced soil CO₂ emissions in six monitoring days.
Keywords：different nitrogen fertilizers;spring maize field;N₂O and CO₂ fluxes;day and night emission dynamics


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本文引用格式
姚凡云, 刘志铭, 曹玉军, 吕艳杰, 魏雯雯, 吴兴宏, 王永军, 谢瑞芝. 不同类型氮肥对东北春玉米土壤N₂O和CO₂昼夜排放的影响. 中国农业科学, 2021, 54(17): 3680-3690 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.17.010
YAO FanYun, LIU ZhiMing, CAO YuJun, LÜ YanJie, WEI WenWen, WU XingHong, WANG YongJun, XIE RuiZhi. Diurnal Variation of N₂O and CO₂ Emissions in Spring Maize Fields in Northeast China Under Different Nitrogen Fertilizers. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(17): 3680-3690 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.17.010


开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0 引言

【研究意义】农业生产管理对农田土壤温室气体的排放起着十分重要作用,对全球温室效应的影响不容忽视^[1,2,3]。据统计,全球农业温室气体排放约占人类活动产生温室气体排放总量的10%—12%,而且随着农作物产量的增加,温室气体排放也在不断增加^[4]。氮肥不合理施用是造成我国农田温室气体尤其是N₂O排放上升的主要因素^[5],玉米生产中,通过施用缓释肥或添加抑制剂来调控氮素形态转化已被认为是实现温室气体减排的有效措施之一^[6,7,8]。在陆地温室气体排放的研究中,温室气体的昼夜变化观测数据对于校正机理模型参数,提高模型模拟效果具有重要作用^[9];同时,土壤温室气体排放通量的计算通常基于单个日测量进行,以表示1 d的平均排放通量^[10]。由于野外工作条件的限制,全自动观测系统在温室气体排放中的应用较少^[11],而静态箱制作成本较低,现场使用简单,易于推广,在农田温室气体监测中得到了广泛应用^[12]。对昼夜变化的观测可为确定代表性的观测时段提供参考,提高常规观测的准确性和代表性。【前人研究进展】由于土壤和大气间的水热交换需要一定的传导平衡时间^[13],因此,在不同时间尺度上土壤温室气体排放与环境因素的关系可能会有不同的表现形式^[14]。为了获得温室气体的代表性采样时间,前人已开展了较多温室气体昼夜排放特性的研究^[15],但受环境、地域等因素影响,土壤温室气体排放通量的昼夜变化规律并不一致^[16]。LIVESLEY等^[17]以长白山阔叶林红松林地为研究对象,测定了土壤释放的CO₂通量,研究发现,CO₂排放通量昼夜变化和空气温度及土壤温度关系密切。AKIYAMA等^[18]对3种氮肥（控释尿素、硫酸铵与尿素、硫酸铵与尿素掺加硝化抑制剂）条件下土壤N₂O昼夜排放通量的研究发现,N₂O排放通量白天较高,夜晚较低。然而,周存宇等^[19]对鼎湖山针阔叶混交林地表温室气体排放的日变化研究结果并不支持这一结论,有的研究还发现温度和通量最大值之间存在很大的滞后性^[20]。【本研究切入点】近年来,有关添加硝化抑制剂或脲酶抑制剂下农田温室气体排放规律及环境影响因素的报道逐渐增多,但前人的大多数研究是在季节等较大时间尺度上进行,针对昼夜变化规律的研究相对较少,且集中于作物生育后期。目前关于东北春玉米不同生育阶段农田土壤温室气体昼夜排放的研究鲜见报道,这不利于玉米生产过程温室气体排放规律的理解和减排技术的研发。【拟解决的关键问题】本研究通过田间微区施用缓释肥、尿素添加硝化抑制剂+脲酶抑制剂和普通尿素试验,采用静态箱-气相色谱法,研究了东北春玉米农田不同时期土壤CO₂和N₂O的昼夜排放规律,探明温室气体排放与空气温度、土壤温度及土壤水热间的关系,以确定最佳采样时间,以期为东北农田氮肥高效利用管理和温室气体减排提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年5月至11月在吉林省农业科学院长春院区内进行（43°50′ N,125°23′ E）,该区年平均气温4.6℃,年平均日照时数2712 h,无霜期140—150 d,年均降水量为600—700 mm。土壤类型为黑土,土壤质地为壤土,容重1.4 g·cm^-3,0—20 cm耕层土壤有机质25.2 g·kg^-1、碱解氮184.27 mg·kg^-1、土壤速效磷17.54 mg·kg^-1、速效钾137.6 mg·kg^-1,pH 7.6。

1.2 试验设计

试验设置3个处理,处理间氮素养分含量一致,每个处理重复3次,随机区组排列。每个小区6行,每行5 m,小区面积19.5 m²。3个处理分别为：

（1）普通尿素（OU）处理。氮、磷、钾肥用量分别为180、90、90 kg·hm^-2（以N、P₂O₅、K₂O计）,所用氮肥为尿素（含N 45%）,磷肥为重过磷酸钙（含P₂O₅ 46%）,钾肥为氯化钾（含K₂O 60%）,磷钾肥作为底肥在春玉米播种前一次性施入,氮肥基追比为1﹕1,拔节期（7月11日）追肥。

（2）缓释肥（SLN）处理。金正大树脂包膜缓释肥（含N 45%）,释放期为60 d,施用时期及方式与OU处理一致,磷钾养分与OU处理相同。

（3）尿素+硝化抑制剂（双氰胺）+脲酶抑制剂（氢醌）（NIUI）处理。双氰胺用量为尿素用量的6%,脲酶抑制剂用量为纯N的0.5%左右,尿素、硝化抑制剂和脲酶抑制剂中纯氮含量与普通尿素处理纯氮量相同,氮肥施用时期及方式与OU处理一致,磷钾养分与OU处理相同。

试验用品种为先玉335,种植密度为60 000株/hm²,于2018年5月23日播种,9月26日收获,玉米生育期间不进行灌溉。

1.3 气体的采集与样品分析

采用静态箱法取样,取样箱为不透明PVC材料制作的长方体箱,长60 cm,宽25 cm,高30 cm,箱体顶部装有三通阀用于取气,箱内顶部有一小风扇,用于混匀箱内气体。取样箱底座插入土壤中10 cm,箱体扣于底座凹槽上,并在凹槽中用水密封,且水不溢出。采样期间箱内不含作物和杂草,取样箱扣在2株玉米间的畦上且两边各覆盖半个行距,可以代表整行玉米田间的土面状况。分别在6月1日（苗前,S1）、6月29日（苗期,S2）、7月17日（拔节期,S3）、8月2日（灌浆期,S4）、9月11日（蜡熟期,S5）以及11月13日（休闲期,S6）观测土壤N₂O和CO₂昼夜变化动态。于每个采样日的6：00至次日5：00进行取样,分别在扣箱后的0、15、30 min打开取样箱顶部的开关阀,用注射器抽取30 mL气体于预抽为真空的12 mL血清瓶中;每3 h取一次,每次取样在1 h内完成。每次取气样的同时,用热敏电阻测定土壤5 cm处温度和箱内温度,用便携式土壤水分测定仪测定土壤水分体积含量。

样品分析采用岛津GC2010-plus气相色谱仪（岛津公司,日本）,气相色谱仪配有电子捕获检测器（ECD）、火焰离子检测器（FID）以及精阳流体GAS- 300A型气体进样器,仪器分析条件参考文献[21]。

1.4 温室气体排放通量

温室气体排放通量计算公式为：

（1）F=ρ×V/A×Δc/Δt×273/(273+θ)×60
式中,F为CO₂或N₂O排放通量（mg·m^-2·h^-1）;ρ为箱内气体密度（g·cm^-3）;V为采样箱内有效空间体积（L）;A为采样箱覆盖的土壤面积（m²）;Δc/Δt为取样箱内温室气体浓度随时间的变化率（×10^-9cm³·cm^-3·min^-1）;θ为扣箱测定期间取样箱内的平均温度（℃）^[22]。

（2）昼（夜）排放比例=昼（夜）累积排放量/全天总排放量 $\times$ 100%
排放通量差（ΔF）为某时间段SLN处理（F_SLN）或NIUI处理（F_NIUI）与常规施肥处理（F_OU）CO₂或N₂O排放通量的差值。ΔF<0时表现为减排作用,反之为增排。

1.5 数据处理

试验中所获得的数据采用Excel 2007进行初步整理,用SPSS 18进行描述性统计分析,运用Duncan法进行方差分析中的多重比较,利用Origin 2016软件作图和进行回归分析。

2 结果

2.1 不同类型氮肥对土壤N₂O和CO₂昼夜排放的影响

如图1所示,气温和0—5 cm地温均为单峰变化趋势（休闲期除外,因休闲期地温变化较小,地温计精度为0.5℃,所测地温无法显示出温度的变化）,苗前至拔节期（S1—S3）,0—10 cm土壤含水量呈昼高夜低趋势,但夜间变化不显著,灌浆期（S4）则呈昼低夜高的趋势,蜡熟期（S5）0—10 cm土壤含水量昼夜变化不大,休闲期（S6）呈单峰变化趋势,中午前后达到峰值。

图1

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图1不同时期气温、地温和土壤含水量的昼夜变化

图中S1—S6分别代表苗前、苗期、拔节期、灌浆期、蜡熟期和休闲期。下同
Fig. 1Diurnal variation of air temperature, soil temperature and soil water content in different periods

S1 to S6 in the figure represent pre-emergence stage, seedling stage, jointing stage, filling stage, dough stage and fallow period, respectively. The same as below


不同时期土壤N₂O排放通量差异较大（图2）。从全天平均排放通量来看,各处理均表现为拔节期（S3）>苗期（S2）>苗前（S1）>灌浆期（S4）>蜡熟期（S5）>休闲期（S6）。S1时期,缓释肥（SLN）、尿素添加硝化抑制剂和脲酶抑制剂（NIUI）和普通尿素（OU）处理土壤N₂O全天平均排放通量分别为42.8、47.8和52.5 μg·m^-2·h^-1,S2时期分别为152.3、94.8和106.7 μg·m^-2·h^-1,S3时期期分别为219.1、135.5和107.7 μg·m^-2·h^-1,S4时期分别为30.2、40.2和19.3 μg·m^-2·h^-1,S5时期分别为13.7、8.4和12.7 μg·m^-2·h^-1,S6时期分别为4.6、4.0和3.0 μg·m^-2·h^-1。从昼夜变化趋势来看,整体呈单峰曲线,与5 cm地温昼夜变化趋势基本一致。S1时期,各处理平均排放高峰出现在12：00—13：00;S2—S4时期,各处理平均排放峰值出现在15：00—16：00;S5—S6时期,各处理平均排放高峰出现在18：00—19：00;不同时期土壤N₂O最低排放通量通常出现在下半夜（0：00—6：00）。从昼夜排放比例来看,苗期至蜡熟期,各处理白天累积排放量逐渐降低,休闲期与蜡熟期无显著差异。具体表现为,苗前土壤N₂O白天排放比例为69.9%— 82.3%,苗期为56.2%—70.0%,拔节期为50.2%— 52.5%,灌浆期为48.2%—52.5%,蜡熟期为44.5%— 46.7%,休闲期为40.6%—50.4%。

图2

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图2不同时期N₂O排放通量的昼夜变化

Fig. 2Diurnal variation of N₂O flux in different stages



不同时期土壤CO₂排放通量也表现出较大差异性（图3）。从全天平均排放通量来看,SLN处理表现为S3>S5>S2>S4>S1>S6,NIUI处理和OU处理表现为S3>S5>S2>S1>S4>S6。S1时期,SLN、NIUI和OU处理土壤CO₂全天平均排放通量分别为248.2、330.9和344.8 mg·m^-2·h^-1,S2时期分别为486.5、349.5和453.2 mg·m^-2·h^-1,S3时期分别为684.0、565.7和731.7 mg·m^-2·h^-1,S4时期分别为450.1、269.3和333.2 mg·m^-2·h^-1,S5时期分别为572.6、441.7和482.2 mg·m^-2·h^-1,S6时期CO₂排放通量显著低于其他时期,分别为65.9、54.8和50.9 mg·m^-2·h^-1。从昼夜变化趋势来看,昼夜变化动态整体表现为单峰曲线,但苗期至成熟期同一时期白天或夜晚各观测时段CO₂排放通量间差异并不显著（图3）。从昼夜排放比例来看,S1—S4,各处理白天累积排放量整体表现为降低趋势,S5与S6无显著差异。具体表现为,S1—S6土壤CO₂白天排放比例分别为62.4%—65.7%、53.6%— 54.7%、49.8%—54.7%、49.3%—53.9%、52.2%—53.6%和43.7%—52.2%。

图3

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图3不同时期CO₂排放通量昼夜变化

Fig. 3Diurnal variation of CO₂ flux in different stages

2.2 不同类型氮肥对土壤N₂O和CO₂昼夜减排的影响

从减排情况来看,不同时期N₂O的排放通量差（ΔF_N2O）昼夜变化动态各异。如图4-a所示,与OU处理相比,苗前（S1）SLN处理整体表现为减排,减排时段主要在9：00—22：00,其中15：00—16：00减排量占全天减排时段总减排量的38.8%;苗期和拔节期（S2—S3）为N₂O增排的主要时期,且昼夜均表现为增排,S2时期3：00—10：00增排比例较高,占全天增排时段总增排量的70.9%,S3时期昼夜增排比例相当,分别为48.8%和51.2%;灌浆期至休闲期（S4—S6）,SLN处理整体表现为增排,但增排量较低。如图4-b所示,与OU处理相比,NIUI处理的减排作用主要发生在S1、S2和S5,且S1时期NIUI处理的减排主要发生在3：00—16：00,而S2时期的减排作用发生在12：00—22：00,其中18：00—19：00减排量占57.3%,S5时期昼夜均表现为减排作用,且昼夜减排比例相当;增排作用主要发生在S3和S4,且昼夜均表现为增排,S6时期增排量较小,可忽略不计。

图4

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图4不同时期（S1—S6）SLN（a）、NIUI（b）与OU处理N₂O排放通量差值的昼夜变化

图中每个时期从左到右8个长条分别代表从早6：00至次日3：00的8个观测时间。下同
Fig. 4Daily variation of N₂O flux difference between SLN and OU (a), or NIUI and OU (b) treatments in different periods (S1 to S6)

The eight bars from left to right in each period represent the eight sampling times from 6:00 am to 3:00 am the next day. The same as below


不同时期ΔF_CO2昼夜变化动态各异。如图5-a所示,与OU处理相比,SLN处理的CO₂减排作用主要发生S1和S3时期,在S1时期昼夜均表现为减排,其中白天减排比例占全天减排量的54.0%,S3时期CO₂减排主要发生在15：00—4：00,夜间减排比例占68.1%;S2、S4—S6时期SLN处理较OU处理增加了土壤CO₂的排放,S2时期昼夜增排比例相当,S4—S6时昼夜均表现为增排。如图5-b所示,与OU处理相比,NIUI处理在各时期均降低了土壤CO₂的排放,白天平均减排46.9%,最高减排73.2%。S1时期减排主要发生在12：00—1：00,S2时期减排主要发生在12：00—16：00,减排比例占67.2%,S3时期白天减排比例为73.2%,S4和S5时期减排主要发生在12：00—22：00,减排比例分别为93.4%和77.8%,S6时期整体表现为增排。

图5

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图5不同时期SLN（a）、NIUI（b）与OU处理CO₂排放通量差值昼夜变化

Fig. 5Daily variation of CO₂ flux difference between SLN and OU (a); or NIUI and OU (b) treatments in different periods

2.3 不同取样时间排放通量与全天平均排放通量的相关性分析

为确定东北地区土壤N₂O和CO₂排放量的代表性取样时间,对各处理不同取样时间的温室气体排放通量与全天平均排放通量进行了相关性分析（图6—7）,结果表明,各时间段土壤N₂O和CO₂排放通量与日均排放通量均存在显著相关关系,若同时对土壤N₂O和CO₂排放通量进行观测,9：00—10：00、18：00—19：00和3：00—4：00的平均相关系数r分别为0.959、0.972和0.958,而9：00—10：00和3：00—4：00的相关方程斜率（S）最接近于1。本研究9：00—10：00土壤N₂O和CO₂排放量与全天平均排放量的相关系数r分别为0.939和0.977,达到极显著水平（P<0.01）。因此,在东北春玉米田进行长时间尺度温室气体排放研究时,9：00—10：00可以作为代表性取样时段。

图6

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图6不同取样时间N₂O排放通量与全天平均排放通量的相关分析

**代表P<0.01。下同
Fig. 6Correlation analysis between daily mean N₂O flux and N₂O flux in different sampling periods

**means P<0.01. The same as below

图7

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图7不同取样时间CO₂排放通量与全天平均排放通量的相关分析

Fig. 7Correlation analysis between daily mean CO₂ and CO₂ fluxes in different sampling periods

3 讨论

树脂包膜缓释肥通过减缓养分释放速率,可避免施肥后土壤中无机氮过高或因氮素淋溶造成的N₂O排放;尿素配合氢醌和双氰胺施用能延缓土壤中尿素的水解,抑制土壤中铵态氮的硝化作用^[23]。缓释肥和抑制剂对土壤CO₂排放的影响结果不一致,且机理尚不明确^[21]。缓释肥和抑制剂对土壤温室气体的作用效果受温度、水分、通气条件以及尿素浓度等因素影响^[24]。在短时间尺度内,土壤养分、湿度及植物等状况相对稳定,温度是影响土壤温室气体排放的主要因素^{[14, 25]}。本研究表明,从整体来看,苗前至蜡熟期N₂O和CO₂排放通量变化几乎与5 cm处土壤温度变化一致,N₂O和CO₂昼夜排放均表现为单峰变化趋势,排放高峰出现在12：00—19：00,而排放低谷出现在0：00—6：00。BREMNER等^[26]和宋敏等^[27]研究也认为由于温室气体产生和扩散传输过程的综合作用,其排放通量变化几乎与表层土壤温度变化同步。而李发东等^[11]研究得出,白天高温对N₂O排放的促进作用存在滞后性,且该作用随季节而存在差异。出现这一现象的原因可能是大气温度向土壤下层传递需要一定的时间^[28]。

随着玉米生育期的进行,各处理土壤N₂O白天排放比例逐渐降低。施用基肥后土壤氮素含量较高,玉米对土壤氮素的需求很少,土壤中的微生物活性和温度的变化动态决定了土壤N₂O排放的大小;此时期较大的昼夜温差是造成土壤N₂O排放昼夜差异较大的原因^[16]。拔节期的采样在追肥后第6天,土壤排放通量达到最高。这可能是因为土壤氮素含量和温度较高所致;另外,此时期温度较高但日夜温差较小,土壤微生物活性可以一直维持较高的水平,故昼夜排放比例相当。而在玉米休闲期,土壤N₂O排放量低且昼夜差异较小,这可能与土壤氮残留较低和气温日较差较小有关。本研究得出,不同时期CO₂排放通量整体表现为白天大于夜晚,但苗期至休闲期昼夜排放差异相对较小。土壤CO₂的排放主要来源于土壤微生物呼吸、根呼吸和土壤动物呼吸,而这些呼吸强度在一定范围内都随温度升高而增强,因此不同时期土壤CO₂排放通量的昼夜变化随昼夜温差的增大而增大^[15]。

玉米出苗前,常规施肥处理（OU）土壤N₂O全天平均排放通量高于其他处理,缓释肥（SLN）和尿素添加硝化抑制剂和脲酶抑制剂（NIUI）处理对土壤N₂O的减排作用主要发生在白天。与OU处理相比,SLN处理促进了玉米苗期至休闲期5个测定日土壤N₂O的全天平均排放,昼夜减排比例在不同时期差异较大;而NIUI处理在拔节期、灌浆期和休闲期的3个测定日促进了土壤N₂O的排放,其他时期则对土壤N₂O的排放表现为抑制作用。同一时期不同处理间土壤N₂O排放的差异主要受所施氮肥的影响,在施氮量相等的条件下,不同氮肥氮素的释放速率和作物生长状况差异是造成不同处理土壤N₂O排放差异的主要因素,因而其减排效果在各时期的表现也存在显著差异。与OU处理相比,SLN处理对CO₂的减排作用发生苗前和拔节期,出苗前白天减排效果优于夜晚,而拔节期夜晚减排效果较好,其他时期则促进了土壤CO₂的排放。在玉米生长季的5个测定日,NIUI处理都表现出对CO₂的减排作用,休闲期则无减排效果。这可能是因为抑制剂使氮肥释放缓慢且多被作物利用,造成土壤中微生物活动受限,进而造成CO₂排放减少^[29],休闲期无减排效果可能与取样当日地温较低有关。而我们在前期研究中发现,SLN和NIUI处理对土壤CO₂周年累积排放通量无显著影响^[6],因此,研究时间尺度不同其减排效果也存在差异。

由于野外工作条件的限制,静态箱法取样通常是在上午9：00—11：00进行^[8,10,30-31]。众多研究表明,土壤温室气体排放的昼夜动态随季节的变化和植物的生长状况而异,代表性取样时间也会随之变化^[9,11,32]。徐钰等^[33]研究也表明,若不进行有效的矫正处理,会导致对北方设施菜地土壤典型日N₂O排放的估计偏高13.4%—240%或偏低13.1%—64.5%。本研究发现,尽管N₂O和CO₂排放峰值与低谷在不同时期出现的时间段有所不同,但是这对全天平均排放通量发生的时间影响并不大,9：00—10：00观测值N₂O和CO₂排放通量与全天平均排放量的相关系数显著相关,说明该时段可以作为东北春玉米田不同时期温室气体研究的代表性取样时段。

4 结论

在不同氮肥施用下春玉米田N₂O和CO₂昼夜排放趋势与5 cm处土壤温度变化一致。玉米生育期内的5个测定日,N₂O和CO₂排放高峰一般出现在午后,排放低谷一般出现在下半夜。苗前和苗期的2次N₂O和CO₂昼夜变化动态均呈昼高夜低的特征,拔节期和休闲期的2次昼夜排放比例相当。与常规施氮相比,缓释氮肥抑制了玉米苗前土壤N₂O昼夜排放,而在其他时期的测定日均促进了土壤N₂O昼夜排放;尿素添加硝化抑制剂和脲酶抑制剂抑制了玉米苗前白天、苗期夜晚以及收获期白天和夜晚的土壤N₂O排放,对玉米生长旺季土壤N₂O的昼夜排放均表现为促进作用。在苗前测定日全天和拔节期测定日的夜晚,缓释肥对土壤CO₂表现出减排作用;尿素添加硝化抑制剂和脲酶抑制剂降低了6个测定日土壤CO₂的排放。

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