施肥过度已经成为我国保证粮食充足供应常用措施，这不仅导致土壤营养不均衡，肥料利用率低下，还使大量肥料流失到环境中并带来严峻的环境问题(Ju et al., 2009; Cui et al., 2008).我国氮肥年消费量约2000多万吨，占世界总用量的30%以上(彭少兵等，2002)，但利用率仅为35% 左右，远低于发达国家水平(朱兆良，2006).研究表明全球人为排放的氧化亚氮(N₂O)的60%~90%直接来源于农田氮肥的施用，中国氮肥所引起的N₂O的直接排放量约占全球的20%(李晶等，2003).

为达到提高肥料氮利用率，减少肥料资源浪费，保护生态环境，在确保国家粮食安全的基础上实现农业可持续发展，农业部于2005年开始在全国范围内推广测土配方施肥技术.明确测土配方施肥技术对农田温室气体排放的影响对农田N₂O减排有重要意义.

已有研究表明N₂O排放量占施用氮肥量的0.001%~6.8%(Bouwman，1990；Eichner，1990)，不同施氮肥水平之间N₂O排放量存在明显差异(焦燕等，2008).测土配方施肥能显著提高化肥氮利用率，达到作物增产、节本增效的目的(黄国斌等，2010；黎远文等，2014).通过对测土配方施肥项目生命周期环境效益分析表明，测土配方施肥通过降低氮肥使用量不仅显著减少作物种植单元NH₃挥发和NO₃^--N淋失，还通过需求关系减少了对上游氮肥生产的需求，从而减缓了温室效应(王明新等，2012).李长江等(2013)也对陕西关中地区测土配方施肥项目减少温室气体排放的潜力进行了研究.

施肥与农田温室气体减排一直是农业与环境领域关注的热点问题，且测土配方施肥已成实践低碳农业战略的重要途径(程琨等，2011).但测土配方施肥技术来对农田温室气体排放量影响报道还很少见.作为一项有力的农业增产措施，对其减排量的估算对于国家正确评估测土配方施肥效果有着重要作用.本研究以湖北省为例，采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》(IPCC，2006)方法，根据国家发表的统计数据，从氮肥的减量、农作物增产这两个方面对湖北省测土配方施肥项目实施对N₂O总减排量进行分析.并在此基础上，对湖北省自2004年实施测土配方施肥项目以来氮肥用量的变化及农田N₂O减排特征和该项目的环境生态效应进行了分析，讨论湖北省不同地区、不同作物减排特征，为明确测土配方施肥项目的环境生态效应和在减排上的贡献及潜力提供科学依据.

湖北省测土配方施肥项目2004年到2013年各地区、各作物实施面积来源于2005年到2014年的《湖北农村统计年鉴》.若年鉴中各州市数据相加与湖北省总和不一致时以湖北省数据为准.研究中所提到的农田面积是指农作物播种面积，肥料按折纯法计算.作物每亩减少氮肥施用量以及该项目的增产量来源于湖北省土壤肥料站测土配方施肥应用效果汇总表以及年度测土配方施肥项目总结，最后分别取平均值作为每年各作物各自的节氮(N)量和增产量(表 1).每生产100 kg籽粒需N量来自于湖北省土壤肥料信息网.

表1(Table 1)

表1 作物节氮量和增产量表 Table 1 N saving and increased yield of crops

表1 作物节氮量和增产量表 Table 1 N saving and increased yield of crops 品种 小麦 早稻 中稻 晚稻 玉米 薯类 芝麻 油菜 花生 棉花 蔬菜 节氮量/(kg · hm-2) 15 10.5 6 6 72 12.3 12.3 14.25 12.3 27 12.6 增产量/(kg · hm-2) 281.1 433.5 373.5 391.5 219 462 180 97.5 180 133.5 1648.5

氮肥施用是土壤N₂O排放的重要影响因素(程琨等，2011)，测土配方施肥引起农田N₂O排放量变化的关键原因是测土配方施肥氮肥施用量相对减少，项目实施前后N输入量的差值即为氮肥减少而减少的N输入量.

作物产量增加，提高作物对土壤氮肥的吸收量，也就减少该部分氮肥在土壤中所产生的N₂O排放，即减少形成该部分产量的氮肥在土壤中所产生的温室气体N₂O量.

表2(Table 2)

表2 每生产100 kg籽粒需N量表 Table 2 Need of N for 100 kg grain0

表2 每生产100 kg籽粒需N量表 Table 2 Need of N for 100 kg grain0 品种 小麦 水稻 玉米 薯类 芝麻 油菜 花生 棉花 蔬菜 需氮量/kg 3 2.25 2.57 0.425 8.23 5.8 6.8 5 0.4

土壤中N₂O排放包括两部分：直接排放和间接排放.本研究通过比较常规施肥情况下农田N₂O的排放量和测土配方推荐施肥情况下的农田N₂O的排放量，其可以根据测土配方施肥实施所减少的N来计算.依据IPCC清单指南(IPCC，2006)，可采用以下公式估算测土配方施肥减排量.

化肥N的施用引起农田N₂O的直接排放量：

农田N₂O间接排放源于施肥土壤氮氧化物和氨挥发经过大气氮沉降，引起的N₂O排放，以及土壤氮淋溶或径流损失进入水体而引起的N₂O排放.

化肥N的投入引起的农田N₂O间接排放量：

N₂O-N_(间接)为管理土壤中的化肥投入产生的年度间接N₂O-N排放量(kg · a^-1).N₂O_(ATD)-N 为化肥施入管理土壤中挥发氮大气沉降产生的N₂O-N排放量(kg · a^-1).N₂O_(L)-N 为化肥施入管理土壤中氮淋溶和径流产生的N₂O-N排放量(kg · a^-1).管理土壤中挥发大气氮沉降中的N₂O排放量：

Frac_GASF为以NH₃和NO_x形式挥发的化肥N的比例(kg · kg^-1)(缺省值为0.10，不确定性范围为0.03~0.3).EF₂为在土壤和水面，N的大气沉积产生的N₂O排放的排放因子(缺省值为0.010，不确定性范围为0.002~0.05).

淋溶和径流发生地区淋溶和径流中产生的N₂O排放量：

Frac_LEACH-(H)为淋溶/径流发生地区，管理土壤中通过淋溶和径流损失的所有施加N的比例(kg · kg^-1).(缺省值为0.20，不确定性范围为0.1~0.8).EF₃ 为氮淋溶和径流引起的N₂O排放的排放因子(缺省值为0.0075，不确定性范围为0.0005~0.025).

采用下列公式将N₂O-N排放量换算成N₂O的直接排放量和农田N₂O的间接排放量，最终确定管理土壤的化肥施用产生的N₂O排放量：

由农田N₂O的直接排放量和农田N₂O的间接排放量，最终确定管理土壤的化肥施用产生的N₂O排放量.

测土配方施肥的减排量是区域习惯施肥情况下N₂O排放量减去测土配方施肥推广区N₂O排放量：

E为测土配方施肥减排潜力(kg)；B为习惯施肥情况下农田N₂O排放量(kg)；P为测土配方施肥情况下农田N₂O排放量(kg).B、P均按照IPCC2006中的计算公式来计算获得.

自2004年测土配方施肥项目开展以来，10年来实施面积共45989.19×10³ hm²，实施面积从2004年的4480.97×10³ hm²增长到2013年的5541.37×10³ hm².共节省纯N 74.739×10⁴ t，增产1898.051×10⁴ t.每年的总节N量从2004年的6.99×10⁴ t增长到2013年的9.40×10⁴ t，增产量从208.31×10⁴ t增长到233.39×10⁴ t.

湖北省测土配方施肥项目实施10年来共减少N₂O排放2.24×10⁴ t.2004年至2006年，N₂O减排量由2158.35 t下降到1490.51 t，在2006年以后呈现出逐年上升的趋势，到2013年N₂O减排量达到2835.56 t.从总体来看，2004到2013年的N₂O减排量增长率达到31.38%，年均增长75.25 t.

图1(Fig.1)

图1 湖北省测土配方施肥项目实施面积、节N量和增产量 Fig.1 Implementation area，N saving and increased yield of soil testing for formulated fertilization project in Hubei Province

湖北省测土配方施肥项目实施10年来N₂O直接减排量到达1.82×10⁴ t，占总减排量的81.34%.间接减排量只占到减排总量的18.66%，直接减排量远大于间接减排量.此外，淋溶径流产生的减排量大于挥发沉降产生的减排量.

表3(Table 3)

表3 湖北省测土配方施肥项目直接、间接减排量 Table 3 Direct and indirect N2O mitigates of soil testing for formulated fertilization project in Hubei Province

表3 湖北省测土配方施肥项目直接、间接减排量 Table 3 Direct and indirect N2O mitigates of soil testing for formulated fertilization project in Hubei Province 直接 间接 间接 挥发沉降 淋溶径流 N2O减排量/t 18228.30 4180.80 1672.32 2508.48 占比 81.34% 18.66% 7.46% 11.20%

湖北省实施测土配方施肥2004年的N₂O直接减排量为0.18×10⁴ t，到2013年的N₂O直接减排量达到0.23×10⁴ t.各地区10年N₂O直接减排量分布如图 2a所示，从图中可以看出，各地区10年N₂O直接减排量差异较大.其中贡献量最大的地区为襄阳市，10年N₂O直接减排总量为0.25×10⁴ t，占全省总减排量的13.90%.减排总量超过全省总量10%的地区还有荆州市、恩施自治州和宜昌市，直接减排量最小的地区为神龙架林区，只占总量的0.15%.

图2(Fig.2)

图2 测土配方施肥项目每年N2O直接、间接减排量在各地区分布的箱形图 Fig.2 Boxplot of the annual direct and indirct N2O mitigation of soil testing for formulated fertilization project of different areas

湖北省实施测土配方施肥项目10年间接减排总量中源于土壤氮氧化物和氨挥发经过大气氮沉 降引起的N₂O排放减排量为0.17×10⁴ t，因土壤氮淋溶或径流损失进入水体而引起的N₂O排放减排量为0.25×10⁴ t.2004年至2013年，N₂O减排量从0.040×10⁴ t上升到0.053×10⁴ t，增长率为31.37%.各地区10年N₂O间接排放量分布见图 2b.襄阳市N₂O间接减排量最大，达到0.058×10⁴ t，其次依次为荆州市、恩施自治州、宜昌市、黄冈市、孝感市、荆门市、十堰市、天门市、武汉市、咸宁市、随州市、黄石市、潜江市、仙桃市、鄂州市、神农架林区.

湖北省测土配方施肥项目实施10年来因氮肥施用量减少而产生的N₂O减排量为1.57×10⁴ t，占减排总量的69.90%，远大于因作物增产带来的减排量.

表4(Table 4)

表4 湖北省测土配方施肥项目不同来源减排量 Table 4 N2O mitigation of soil testing for formulated fertilization project from different sources in Hubei Province

表4 湖北省测土配方施肥项目不同来源减排量 Table 4 N2O mitigation of soil testing for formulated fertilization project from different sources in Hubei Province 氮肥减少产生的减排量 增产产生的减排量 N2O减排量/t 15663.96 6745.14 占比 69.90% 30.10%

从总体上看，10年时间里因氮肥施用量减少而产生的N₂O减排量从2004年的0.15×10⁴ t上升到2013年的0.20×10⁴ t，增长率为34.42%.从年际变化来看，前3年减排量出现小幅度的下降，由2004年的1471.75 t下降到2006年的1141.11 t，随后呈现出逐年上升的趋势.

测土配方施肥项目因产量增加而带来的N₂O 减排总量为0.67×10⁴ t.在所有作物中，水稻种植带来的N₂O减排量最大，达到了0.27×10⁴ t，占到了减排总量的40.65%，其它依次为小麦、油菜、蔬菜、棉花、玉米、花生、芝麻和薯类.

图3(Fig.3)

图3 湖北省测土配方施肥因产量增加而产生的减排量 Fig.3 N2O mitigation of soil testing for formulated fertilization project for increased yield in Hubei Province

湖北省不同地区测土配方施肥每年N₂O减排量如图 4所示.襄阳市、荆州市、恩施自治州和宜昌市的N₂O减排量显著高于其他地区，分别为0.31、0.26、0.23和0.23×10⁴ t，4个地区的总减排量占到湖北省总减排量的45.92%.其次，减排量较大的地区有黄冈市、孝感市、荆门市和十堰市.神龙架林区的N₂O减排总量最小，为0.0034×10⁴ t，只占到减排总量的0.15%.

图4(Fig.4)

图4 湖北省测土配方施肥项目N2O减排量地理分布 Fig.4 N2O mitigation of soil testing for formulated fertilization project of different areas in Hubei Province

湖北省实施测土配方施肥10年来，不同作物的N₂O减排总量见图 5.不同作物间N₂O减排量有很大差异，其中玉米和水稻的N₂O减排量显著高于其他作物，N₂O减排量分别达到0.54和0.49×10⁴ t，占湖北省10年N₂O减排总量的24.17%和21.77%.此外，油菜、小麦的减排量均超过了N₂O减排总量的10%，分别达到0.36×10⁴ t和0.32×10⁴ t.芝麻的N₂O减排总量最小，为0.018×10⁴ t，只占减排总量的0.80%.

图5(Fig.5)

图5 湖北省测土配方施肥项目N2O减排量作物分布表 Fig.5 N2O mitigation of soil testing for formulated fertilization project of different crops in Hubei Province

湖北省实施测土配方施肥10年来为我省农业N₂O减排做出巨大贡献，共减少N₂O排放2.24×10⁴ t.项目实施10年共节N肥折纯N 74.39×10⁴ t，由此带来的N₂O减排量为1.57×10⁴ t，占项目减排总量的69.90%；共增产粮食1898.05×10⁴ t，带来的N₂O减排量为0.67×10⁴ t.因氮肥施用量减少带来的减排量远大于因产量增加而带来的减排量，这与前人的研究一致(李长江等，2013).合理施肥可以有效提高作物产量(王旭等，2010；邹晓云等，2011；李源华等，2013)，虽然与减少肥料使用量所带来的减排相比，作物增产带来的减排并不大，但其效益不可忽略.2012年全国测土配方施肥工作会议总结指出，自2005年开始实施以来，全国推广面积超过12亿亩，若考虑到测土配方施肥在全国的推广面积，则其减排效益更加显著.

化肥N的投入引起的农田N₂O排放分为直接排放和间接排放.间接排放中，以NH₃和NO_x形式挥发的化肥氮的比例和管理土壤中所有通过淋溶和径流损失的施加氮的比例分别只占0.1和0.2，而所有的化肥N的施用都会引起农田N₂O的直接排放.所以，农田N₂O直接减排潜力远大于间接排放.本研究中测土配方施肥项目N₂O直接减排量占总减排量的81.34%，远大于间接减排量.

湖北省不同地区减排量，襄阳市N₂O减排量最大，达到0.25×10⁴ t，占全省N₂O减排总量的13.90%.其次分别为襄阳市、恩施自治州和宜昌市，N₂O减排量百分比均超过全省10%.

湖北省共有各类农地9948465 hm²，主要分布在荆州(14.03%)、襄阳(12.79%)、荆门(8.23%)、黄冈(8.20%)、恩施(8.01%)、武汉(8.00%)、宜昌(7.62%)及孝感(7.37%)等地(蔡银莺，2007).对比图 4可以发现农地面积大的地区N₂O减排量也相对而言较大，各地区减排量与其实施面积紧密相关.统计显示湖北省测土配方施肥技术推广面积现在已占全省农作物总播面的74.2%，尚有26.8%的农业用地可推广测土配方施肥措施，今后可重点在农地面积较大的几个市推广测土配方施肥，增加农田N₂O减排潜力.由于神农架林区以林区为主，农用地耕作面积较小，其N₂O减排量较低，只占全省N₂O减排量的0.15%.鄂州市对N₂O减排贡献也很小，主要是因为该地区耕作土壤管理较为合理，测土配方项目推广面积较少.今后应继续加强耕地土壤管理措施，使农地面积较小的地区农田N投入更加合理.

不同作物减排量的差异不仅来自于其实施面积，也与不同作物在项目下减少的氮肥用量、增产量和每生产100 kg籽粒需N量有关.

本研究选取9种主要农作物进行分析，结果表明玉米对N₂O减排贡献最大，其减排量占总减排量的24.17%.因为玉米实施测土配方施肥后，氮肥的施用量显著降低(表 5)，节氮效果远大于水稻，所以，虽然比较不同作物测土配方施肥面积，玉米推广面积远远小于水稻，但玉米减排量却大于水稻.由此表明氮肥使用量是N₂O减排的重要控制因素.水稻是湖北省最重要和最具优势的粮食作物，播种面积占湖北省粮食作物的50%(费镇江，2010)，今后可在稳定播种面积的基础上，继续推广测土配方施肥，增加水稻农地N₂O减排量.此外，芝麻和花生虽然种植面积小，推广面积有限，但是其每生产100 kg籽粒需氮量高，氮肥吸收效果好，可以继续优化施肥合理性达到减排目的.薯类虽然种植面积和每生产100 kg籽粒需氮量都不大，但是其实施测土配方施肥后增产量大，可以选育产量高的品种以提高其减排能力.

表5(Table 5)

表5 湖北省测土配方施肥项目不同作物相关参数 Table 5 Parameters of soil testing for formulated fertilization project of different crops in Hubei Province

表5 湖北省测土配方施肥项目不同作物相关参数 Table 5 Parameters of soil testing for formulated fertilization project of different crops in Hubei Province 作物 实施面积/103 hm2 节氮量/(kg · hm-2) 增产量/(kg · hm-2) 需氮量/kg N2O减排量/t 玉米 3315.58 72.0 219.0 2.57 5415.46 水稻 16486.45 6.5 399.5 2.25 4878.55 油菜 8545.77 14.3 97.5 5.80 3568.87 小麦 6568.26 15.0 281.1 3.00 3214.60 棉花 3066.02 12.3 180 8.23 2175.53 蔬菜 4986.97 12.6 1648.5 0.40 2004.02 薯类 1918.44 12.3 462 0.43 575.16 花生 783.40 12.3 180 6.80 398.07 芝麻 318.30 27.0 133.5 5.00 178.85

本研究对湖北省测土配方施肥项目从2004年开始实施至2013年对温室气体排放做出的总贡献做了初步计算，计算的过程中仍然存在一定的不确定性.

首先，不确定性来源于温室气体排放因子的选取.IPCC 对全球数据进行整合分析得出氧化亚氮的直接排放因子，不同区域间气候、作物、土壤类型等因素的差别将会导致排放因子的差异，采用单一的排放因子直接影响研究的准确性.其次，对于节肥量、产量等数据，本研究采用的是取多年平均值估算的方法，也存在一定的不确定性.

本研究的排放因子采用了《IPCC指南》(IPCC，2006)提供的推荐值.按照清单编制方法，其不确定性按《省级指南》给出的不确定性范围进行计算.

对源于统计年鉴活动水平数据的不确定性取为10%.氮肥投入引起的N₂O排放的排放因子不确定性范围为0.0026~0.022；以NH₃和NO_x形式挥发的化肥氮的比例不确定性范围为0.03~0.3；在土壤和水面，氮的大气沉积产生的N₂O排放的排放因子不确定性范围为0.002~0.05；淋溶/径流发生地区，管理土壤中通过淋溶和径流损失的所有施加氮的比例不确定性范围为0.1~0.8；氮淋溶和径流引起的N₂O排放的排放因子不确定性范围为0.0005~0.025.通过计算得出本研究中N₂O减排总量总体不确定性为34.54%.

根据不确定性来源分析，可以从以下几个方面降低不确定性：根据湖北省的实测数据来确定分区域分作物的农田N₂O排放因子；通过调查获得更精确的测土配方施肥各作物节氮量以及增产量.此外，需要强调的是虽然本研究存在一定不确定性，其结果仍可作为测土配方施肥对温室气体排放减排贡献分析的参考资料.

1)本研究表明测土配方施肥项目实施10年来，共减少N₂O排放总计为2.24×10⁴ t，按照当前湖北省最新碳交易市场成交价25元· t^-1，N₂O增温潜势310来计算(Amon et al., 2002)，10年减少温室气体排放共带来收益1.74亿元.测土配方施肥项目10年来共减少氮肥的施用量74.39×10⁴ t纯N，按照尿素市场价1600元· t^-1来算，共为我省节约成本25.51亿元.

2)不同地区由于所种作物不同，播种面积差异而表现出该项目带来的N₂O减排效果在不同地区有较大的差异，今后应继续扩大在农用地较为丰富的地区推广测土配方施肥项目的面积，对农用耕地面积较小的神农架林区和土壤管理较为合理的鄂州市采取控制耕地土壤管理措施的方法减少N₂O排放.

3)水稻的种植面积大，今后应继续在水稻种植过程中推广测土配方施肥项目；玉米实施测土配方施肥项目节氮肥量大且增产明显，可以扩大其推广面积，以提高经济和环境效益；对于其他作物而言，选育吸收氮量高，增产潜力大的品种是它们实现N₂O减排的有效方法.

4)虽然N₂O排放量并不高，但其是农业生产过程中最重要的气体温室，且主要来源于N的输入(Snyder et al., 2009)，而N素是土壤N₂O释放的重要原因(Li，2000).因此，提高氮肥利用率，减少氮肥使用量是N₂O减排的最主要方法.