摩洛哥雨养小麦系统中氧化亚氮排放对氮肥管理的差异化响应机制研究

《Farming System》：Nitrous oxide emissions and wheat yield responses to nitrogen rate and source in contrasting rainfed cropping systems in Morocco

本研究针对北非地中海地区缺乏农田N2O排放实测数据的现状，在摩洛哥两个气候对比站点（拉腊歇与塞塔特）开展了不同氮肥处理（CFP、RFP、MCDHS、HNL及对照组）的田间试验。结果表明：湿润区（拉腊歇）当施氮量超过140 kg ha-1时N2O排放呈指数增长（EF达1%），而干旱区（塞塔特）排放量在低氮水平即达平台期（EF为0.6%）；脲酶抑制剂MCDHS在拉腊歇可增产27%但未减排，广义加性模型揭示土壤孔隙含水率（WFPS）是驱动N2O通量的关键因子。本研究首次为摩洛哥小麦系统提供了Tier 2级排放因子本地化数据，对优化氮肥管理及完善国家温室气体清单具有重要意义。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，农业活动作为人为温室气体排放的重要来源备受关注。其中，氧化亚氮（N₂O）作为一种增温潜能高达二氧化碳（CO₂）273倍的强效温室气体，不仅加剧全球变暖，还参与平流层臭氧损耗的化学反应。农业领域贡献了全球60%以上的人为N₂O排放，而小麦作为种植面积占全球谷物30%的重要作物，其生产系统更是排放“重灾区”。然而，长期以来，北非地中海地区雨养农业系统的N₂O排放数据严重缺失，导致该区域在国家温室气体清单编制和减排策略制定时不得不依赖联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的Tier 1级默认排放因子，其准确性存疑。

摩洛哥作为典型的地中海农业国，小麦种植面积达280万公顷，但产量仅能满足国内40%的需求，存在高达4.12吨/公顷的产量差距。为追求高产，当地农民常采用高氮肥投入（120-145 kg N ha^-1），但氮肥利用率（NUE）普遍低于60%，甚至低至25%。这种“高投入、低效率”的模式不仅制约产量提升，更可能造成严重的氮素损失与环境风险。尽管脲酶抑制剂（UI）等增效肥料在欧洲地中海地区被证实可减排51%-86%，但其在摩洛哥农业环境中的适用性尚未经田间试验验证。这一知识空白使得摩洛哥在推进农业绿色转型时缺乏科学依据，也阻碍了全球N₂O排放估算精度的提升。

为填补这一空白，穆罕默德六世理工大学的研究团队在摩洛哥两个气候对比站点——年降水量700 mm的湿润沿海地区拉腊歇（Larache）和年降水量350 mm的半干旱内陆地区塞塔特（Settat），开展了为期一季的田间试验。研究设置了五种氮肥处理：不施肥对照（Control）、当地农民实践（CFP）、区域推荐施肥（RFP）、添加脲酶抑制剂MCDHS的RFP处理（MCDHS）以及高氮水平（HNL）。通过监测土壤N₂O通量、无机氮动态、小麦产量及氮素吸收等指标，系统解析了氮肥管理与环境因子的交互作用。

研究团队综合运用了多种关键技术方法：采用静态箱-气相色谱法高频监测N₂O排放通量，通过氯化钾浸提-流动分析仪测定土壤铵态氮（NH₄⁺）和硝态氮（NO₃^-）含量，基于重力法计算土壤孔隙含水率（WFPS），并利用凯氏定氮法分析植株氮积累量。为揭示驱动机制，研究还建立了广义加性模型（GAM），量化WFPS、无机氮浓度与N₂O通量的非线性关系。所有数据分析均在R语言环境中完成，确保统计严谨性。

环境条件与土壤无机氮动态

两地气候与土壤条件差异显著：拉腊歇土壤偏酸性（pH 6.9）、无碳酸钙且容重高（1.6 g cm^-3），而塞塔特土壤呈碱性（pH 8.0）、碳酸钙含量达26%。生长季内，拉腊歇WFPS波动于30%-60%，塞塔特则持续低于25%。值得注意的是，两地播种前土壤硝态氮均超200 μg g^-1，表明历史氮肥残留严重。施肥后，塞塔特土壤铵态氮增幅（+198 μg g^-1）为拉腊歇（+78 μg g^-1）的2.5倍，可能与碱性土壤中氨挥发加速有关。

氮肥管理对小麦产量与氮素利用的影响

拉腊歇站点中，MCDHS处理使谷物产量显著提升27%，但氮吸收效率（NRE）与RFP无差异，推测增产主要源于肥料中硫元素对氮转运的促进作用而非氮素利用改善。塞塔特站点因水分限制，各处理产量均低于1.6吨/公顷，且CFP与MCDHS出现负氮回收效率（-1.8%），反映干旱条件下氮素损失严重。相关性分析进一步揭示，塞塔特小麦产量与抽穗期氮吸收量显著相关（r=0.60），强调生殖阶段氮管理的重要性。

N₂O排放对氮肥管理的响应

拉腊歇的N₂O排放呈明显“阈值效应”：当施氮量超过140 kg ha^-1（HNL处理）时，累积排放量飙升至7.14 kg N₂O-N ha^-1（EF=1.9%），显著高于其他处理（EF=0.2%-1.1%）。追肥期铵态氮肥料（AMN）施用后出现短期排放峰值，而尿素施肥则延迟21天才诱发峰值，可能与尿素水解-硝化-反硝化耦合过程有关。塞塔特站点排放量整体较低（0.49-0.97 kg N₂O-N ha^-1），且CFP处理的EF（1.6%）反超HNL（0.1%），表明低氮条件下土壤本底排放占主导。

产量 scaled排放与驱动因子解析

尽管拉腊歇绝对排放量更高，但两地产量 scaled排放（YSNE）相近（0.6-0.8 kg N₂O-N t^-1），凸显低产田单位产量的环境成本同样高昂。广义加性模型表明，WFPS是两地N₂O通量的最关键预测因子：拉腊歇排放峰值出现在WFPS为40%-60%时（硝化主导），而塞塔特排放随WFPS升高线性增加（5%-25%范围内）。两站点中无机氮浓度对通量影响均不显著，但WFPS与硝态氮的交互作用在塞塔特显著，暗示干旱区反硝化潜势受水分微调。

本研究首次通过实地监测揭示了摩洛哥小麦系统N₂O排放的复杂机制：湿润区排放存在明确氮肥阈值，而干旱区排放受水分限制呈现非线性饱和特征。研究结果直接挑战了IPCC Tier 1默认排放因子（0.5%）在摩洛哥的适用性，拉腊歇站点平均EF（1%）显著高于此值。此外，脲酶抑制剂MCDHS的减排效果具有地域依赖性，其在湿润区的增产作用主要归因于硫元素而非氮素调控。这些发现强调，必须基于本地化数据制定氮肥管理策略，尤其需关注土壤本底氮积累与水分协同效应。该研究为摩洛哥建立Tier 2级排放清单提供了关键参数，也为全球干旱区农业温室气体核算模型优化提供了实证依据。未来研究应结合同位素示踪等技术，深入解析氮素转化微生物过程，并探索互补灌溉等协同提升产量与减排的路径。