不同施氮量對旱作春小麥農田土壤溫室氣體排放的影響

郭高文，齊 鵬，2，3*，王曉嬌，甘 潤，蔡立群，2，3，張仁陟，2，3

（1. 甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅農業大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅省節水農業工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730070；4. 甘肅農業大學管理學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

氣候變暖引發的環境問題受到全球的密切關注[1]。溫室氣體是全球氣候變化的一個重要驅動因素[2-3]，農田作為陸地生態系統重要組成部分之一，研究其CH4、CO2和N2O 等溫室氣體排放對減緩氣候變暖有重要意義。

氮肥是影響作物產量的主要因素，為了滿足日益增長的糧食需求，我國每年氮肥使用量高達3 000 萬噸，約占全球的1/3[4]。無機氮肥提供作物生長所需氮素的同時也為N2O 的產生提供了充足的氮源。研究發現，隨施氮量增加，土壤N2O 排放有不同程度的增加[5-7]。另外，氮肥的施用對土壤微生物的異養呼吸和植物根系的自養呼吸有不同程度的影響[8-10]，進而影響土壤CO2排放。CH4也是主要的溫室氣體之一，有研究表明，施氮會增加[11-12]或者減少[13]土壤CH4排放，但是也有人認為，施氮對土壤CH4排放無顯著影響[14-15]?？赡苁且驗檠芯繀^域不同所致，施氮對土壤溫室氣體排放的影響尚無定論。施氮對土壤溫室氣體排放的影響已有大量的研究，但相關研究大多集中于種植作物土壤，而對于種植作物與未種植作物土壤溫室氣體排放的綜合研究卻鮮有報道。

隴中黃土高原是典型的旱作農業區，探究農田氮肥管理可以促進農田可持續發展和減緩溫室氣體減排。因此，依托于設置在隴中黃土高原定西市李家堡鎮麻子川村的定位施氮量試驗, 測定不同施氮量下春小麥農田種植小麥與未種植小麥土壤溫室氣體排放特征，并分析影響其排放的環境因素，探討施氮量對小麥農田土壤溫室氣體排放的差異，為隴中黃土高原旱作農業區農田溫室氣體減排和碳中和提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區的甘肅農業大學旱作農業綜合試驗站（甘肅省定西市李家堡鎮麻子川村）。試區農田土壤為典型的黃綿土，質地均勻、土質綿軟。平均海拔2 000 m，無霜期140 d，年均日照時數2 476.6 h，年均太陽輻射594.7 kJ·cm-2，年均氣溫6.4℃，≥0℃積溫2 933.5℃，≥10℃積溫2 239.1℃，屬中溫帶半干旱區；多年平均降水390.9 mm（圖1），年蒸發量1 531 mm，80%保證率的降水量為365 mm，變異系數為24.3%，為典型的雨養農業區。

圖1 2021 年研究區春小麥生長期月降水量分布

1.2 試驗設計

本試驗采用兩因素裂區試驗設計，主因素為氮肥（N），包括N0、N1、N2、N3，施氮量依次為0、75、115、190 kg·hm-24 個水平；副因素為耕地利用方式（C），包括種植小麥（W），未種植小麥（NW)2 個水平，共8 個處理，3 次重復，各處理小區面積為27 m2（4.5 m×6 m）。2021 年3 月下旬播種，7 月下旬收獲，行距20 cm，播深7 cm，播種量187.5 kg·hm-2；氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O512%），各小區均施磷肥（P2O5）115 kg·hm-2，于播種前作基肥一次性施入，不追肥。前茬作物收獲后三耕兩耱，供試作物為春小麥（品種為“定西40 號”）。其他管理同大田。

1.3 溫室氣體采集與分析

1.3.1 溫室氣體采集

溫室氣體采用靜態暗箱法采集。靜態暗箱由直徑39 cm、高35 cm 的圓形不銹鋼箱體和內徑35.3 cm、高17 cm 帶有密封凹槽的不銹鋼底座2 部分組成。采集時間從2021 年3 月24 日至2021 年8 月2 日，每次采樣間隔為15 d，若出現雨雪天氣，可適當調整采集時間。氣體采集時間均為上午9：00～11：00，靜態箱封閉時立刻開始記時，分別在0 min、10 min、20 min 用100 mL 注射器采集溫室氣體，分別注入0.2 L 鋁塑復合氣袋中，并同步記錄暗箱內溫度，將采集氣體樣品于當日帶回實驗室測定分析。用105±2℃烘干法測定土壤質量含水量，記錄土壤溫度（直角地溫計）。

1.3.2 溫室氣體分析方法

溫室氣體分析采用安捷倫（7890B）氣相色譜儀。CO2和CH4采用FID 檢測器，N2O 采用ECD 檢測器，載氣為高純N2。溫室氣體排放通量計算公式為[16]：

在上式中，F為溫室氣體排放通量，CO2單位為：（mg·m-2·h-1），N2O 單位為：（mg·m-2·h-1），CH4單位為：（mg·m-2·h-1）；H為采樣暗箱高度（m）；M0為氣體相對分子質量；C1、C2分別為靜態箱關閉時（0 min）和測定結束時（20 min）箱內溫室氣體的體積濃度（μmol·mol-1）；T1、T2分別為靜態暗箱關閉和開啟時暗箱內溫度（K）；△t 為第20 min 和第0 min 時間之差（h）。溫室氣體累積排放量計算公式為[16]：

式中，M為測定時期內溫室氣體累積排放量（kg·hm-2）；F為溫室氣體排放通量（mg·m-2·h-1）；N為采樣次數；tN+1-tN為兩次采樣之間的間隔天數。CO2、N2O 和CH4的全球增溫潛勢效應（GWP）計算公式為[17]：

式中：GWP為全球增溫潛勢效應；MCO2、MN2O和MCH4分別為測定時期內CO2、N2O 和CH4的累積排放量（kg·hm-2）。

1.4 數據分析

數據經過Excel 2010 整理后，用SPSS 21.0 軟件進行單因素方差分析和線性及指數回歸分析，數據圖表使用Office 2010 和SigmaPlot 14.0 完成。

2 結果

2.1 土壤CO2 排放特征

不同處理土壤總呼吸CO2排放動態變化如圖2a所示，在小麥生長期間，土壤CO2為排放源，變化范圍為63.50～555.29 mg·m-2·h-1，排放規律為先升高再降低，由于雨雪天氣和降溫原因，4 月12 日土壤CO2排放通量降低，拔節期（5 月27 日）出現第一次排放峰，且處理之間差異較大，大小表現為N0＜N1＜N2＜N3，N0、N1、N2 和N3 分別為236.94、242.49、282.99 和395.55 mg·m-2·h-1；開花期（6 月28 日）土壤CO2排放通量達到最大，大小表現為N0＜N2＜N1＜N3，N0、N1、N2和N3 分別為360.00、417.45、403.40 和555.29 mg·m-2·h-1，兩次排放峰可以發現，土壤CO2排放通量最小值均為N0 處理。由圖2b 可知，異養呼吸排放的CO2變化范圍為28.61～252.26 mg·m-2·h-1，與總呼吸變化趨勢一致，4 月12 日土壤CO2排放通量降低，6 月28日N1 處理CO2排放通量達到最高252.26 mg·m-2·h-1，不同處理土壤CO2排放動態變化規律不一致，且同時期不同處理間差異較大。由圖2 可知，在生育期內，農田土壤為CO2排放源，不同處理土壤總呼吸CO2排放動態變化規律一致，同時期不同處理間差異較大，不同處理土壤異養呼吸CO2排放通量變化規律不一致。

圖2 總呼吸（a）和異養呼吸（b）動態變化

2.2 土壤N2O 排放特征

種植小麥土壤N2O 排放通量如圖3a 所示，在小麥生長期間，不同生育期土壤N2O 排放通量變化較大，變化范圍為-0.02～0.12 mg·m-2·h-1，排放規律為先升高再降低，抽穗期（6 月13 日）出現排放最高值，大小表現為N1＜N0＜N2＜N3，N0、N1、N2 和N3 分別為0.07、0.05、0.09 和0.12 mg·m-2·h-1，土壤N2O 排放最大值出現在N3 處理下。未種植小麥土壤N2O 排放動態變化如圖3b 所示，整體呈現先升高再降低的變化趨勢，變化范圍為-0.03～0.15 mg·m-2·h-1，6 月13 日N3 處理N2O 排放通量達到最高0.15 mg·m-2·h-1，不同處理土壤N2O 排放動態變化規律一致，同時期不同處理間差異較大，未種植小麥土壤N2O 排放主要受施肥量和微生物活動的影響。由圖3 可知，在生育期內，農田土壤為N2O 排放源，施氮增加了種植小麥土壤和裸土N2O 排放通量，種植小麥顯著降低了土壤N2O 排放變異范圍，排放峰值受到作物的影響。

2.3 土壤CH4 排放特征

種植小麥土壤CH4排放通量如圖4a 所示，在小麥生長期間，土壤CH4排放表現為CH4匯，不同生育期土壤CH4排放通量變化較大，具有明顯的季節變化特征，變化范圍為-0.25～-0.06 mg·m-2·h-1。從種植期（3 月22日）到分蘗期（5 月14 日）吸收通量呈上升趨勢，分蘗期出現一次吸收峰，大小表現為N0＜N3＜N2＜N1，N0、N1、N2 和N3 分別為0.20、0.25、0.23 和0.21 mg·m-2·h-1，拔節期（5 月27 日）出現第一次吸收谷，N3 處理吸收通量最大，拔節期（5 月27 日）至成熟期（8 月2 日）吸收通量呈升高趨勢，開花期（6 月28 日）出現第二次吸收谷，N0 處理吸收通量最大。不同時期各處理動態變化趨勢基本一致。未種植小麥土壤CH4排放動態變化如圖4b 所示，在整個生育期表現為CH4匯，具有明顯的季節變化特征，變化范圍為-0.34～-0.02 mg·m-2·h-1。在分蘗期（5 月14 日）出現一次吸收峰，從播種到分蘗期逐漸減小，吸收CH4能力增強，從拔節期（5 月27 日）到成熟期（8 月2 日）排放通量呈下降趨勢，N0處理成熟期（8 月2 日）吸收通量達到最大值0.34 mg·m-2·h-1。除分蘗期（5 月14 日）和抽穗期（6 月13 日），N0 處理CH4吸收通量高于施氮各處理。不同處理土壤CH4排放動態變化規律一致，同時期不同處理間差異較大。由圖4 可知，施氮降低了土壤CH4吸收通量，種植小麥顯著降低了土壤CH4吸收變異范圍，排放峰值受到作物的影響。

圖4 土壤CH4 排放通量動態變化

2.4 不同施氮量對溫室氣體累積排放量及增溫潛勢的影響

由表1 可知，施肥量和呼吸組分及其交互效應均對土壤CO2累積排放量有顯著影響。異養呼吸土壤CO2累積排放量N1、N2 和N3 均顯著高于N0，分別增加23.23%、11.54%和10.61%，隨施氮量增加，施氮處理土壤CO2累積排放量增幅逐漸減小，施氮顯著增加了土壤CO2排放量，過量的氮肥減緩了土壤CO2排放的增加（P＜0.05）。施氮量對土壤總呼吸過程CO2排放量影響顯著，與N0 相比，N1 處理土壤CO2累積排放量無顯著差異，N2 和N3 顯著增加了土壤CO2累積排放量（P＜0.05），分別增加了8.57%和19.34%，低氮處理對土壤CO2排放量影響不顯著，中氮和高氮處理顯著增加了CO2排放量。土壤總呼吸排放的CO2顯著高于異養呼吸（P＜0.01），N0、N1、N2 和N3 處理分別增加了61.29%、24.94%、57.00%和74.03%。

表1 施肥量對土壤總呼吸和異養呼吸CO2 累積排放量的影響

由表2 可知，施肥量和種植小麥對土壤N2O 累積排放量影響顯著。與CK 相比，施氮增加了土壤N2O 累積排放量，較N0，施氮N1、N2 和N3 處理土壤N2O 累積排放量分別增加5.91%、72.89%和86.78%；種植小麥對土壤N2O 累積排放量有影響，種植小麥（W）土壤N2O 累積排放量較未種植小麥土壤（NW） 顯著降低39.44%（P＜0.01）。不同施氮量和種植小麥的交互作用對土壤N2O 排放總量無顯著影響（P＞0.05）。

表2 施肥量和種植小麥對土壤N2O 累積排放量的影響

土壤CH4累積排放量如表3 所示，施肥量和種植小麥對土壤CH4累積排放量無顯著影響（P＞0.05）。在小麥生育期內，土壤CH4排放特征表現為CH4匯。施氮降低了土壤對CH4的吸收，N1、N2、N3 分別降低了34.48%、19.31%、23.45%。種植小麥對土壤CH4的吸收量無顯著影響，不同施氮量和種植小麥的交互作用對土壤N2O 排放總量無顯著影響（P＞0.05）。

表3 施肥量和種植小麥對土壤CH4 累積排放量的影響

如表4 所示，施氮量和種植小麥及其交互效應顯著影響土壤GWP。未種植小麥土壤，不同處理增溫潛勢效應N1＞N3＞N2＞N0，施氮處理較N0，N1、N2、N3 處理綜合增溫潛勢分別顯著增加23.83%、17.19%、18.01%（P＜0.05）。種植小麥土壤，不同處理增溫潛勢效應N3＞N2＞N0＞N1，施氮處理較N0，N2、N3 處理GWP分別顯著增加11.03%、21.81%（P＜0.05）。在小麥生育期內，較未種植小麥土壤，種植小麥顯著增加了土壤CO2、N2O 和CH4綜合增溫潛勢（P＜0.05），N0、N1、N2、N3 分別增加了53.24%、18.71%、45.20%、58.18%。

表4 施肥量和種植小麥對土壤溫室氣體全球增溫潛勢的影響

2.5 溫室氣體排放與水熱條件的相關性

種植小麥土壤溫室氣體與水熱條件的相關性如圖5 所示，N1 和N3 處理土壤CO2排放通量與土壤含水量呈極顯著負相關（P＜0.01），土壤CO2排放通量與土壤溫度未表現出顯著相關性（P＜0.05）。各處理土壤N2O 排放通量與土壤含水量和土壤溫度均未表現出顯著相關性（P＜0.05）。各處理土壤CH4排放通量與土壤含水量均未表現出顯著相關性，N1 處理土壤CH4排放通量與土壤溫度呈顯著負相關，其他處理均未表現出顯著相關性（P＜0.05）。由此可見，土壤水熱因子是影響種植小麥土壤CO2和CH4排放的關鍵因素。

圖5 種植小麥土壤水熱條件與溫室氣體排放通量的關系

未種植小麥土壤溫室氣體與水熱條件的相關性如圖6 所示，土壤CO2和N2O 排放通量與土壤含水量和土壤溫度均未表現出顯著相關性（P＜0.05）。N1 和N2處理土壤CH4排放通量與土壤含水量呈顯著正相關，N1 處理土壤CH4排放通量與土壤溫度呈顯著負相關（P＜0.05）。說明在未種植小麥體系中，土壤水熱條件是影響土壤CH4排放的關鍵因素。

圖6 未種植小麥土壤水熱條件與溫室氣體排放通量的關系

3 討論

3.1 施氮對土壤CO2 排放的影響

土壤CO2排放主要是土壤微生物和植物根系呼吸作用產生，受到土壤水分、溫度、養分含量和氣溫等因素的影響[18]，主要來源于土壤微生物的異養呼吸[19]。本研究發現，該小麥農田土壤總呼吸CO2排放具有顯著的變化特征，并與土壤含水量呈極顯著負相關，這與其他學者研究結果一致[20-21]。在小麥生育期內，拔節期和開花期CO2排放通量出現排放峰，這兩個時期為小麥營養生長和生殖生長旺盛期[22]，且降雨促進了土壤微生物和小麥根系呼吸，增加CO2排放[23]。抽穗期前小麥次生根數量達到最多[24]，抽穗期后小麥根系成熟或死亡，小麥根系呼吸減弱，因此，開花期至成熟期，土壤CO2排放逐漸降低。

土壤異養呼吸主要由微生物活動引起，土壤CO2排放先升高再降低。前期隨溫度升高，土壤微生物豐度及活性增加，增強土壤異養呼吸[25]，CO2排放增加。后期CO2排放降低可能是因為溫度過高，表層土壤水分蒸發較快，減少了微生物活動所需的水分，抑制了微生物呼吸。土壤總呼吸CO2排放總量是異養呼吸的1.25～1.74 倍，說明異養呼吸是土壤CO2排放的主要方式，植物生長顯著增加了土壤CO2排放（P＜0.05）。本研究得出，氮肥添加促進土壤呼吸，增加了土壤CO2排放。較N0 處理，N2 和N3 處理總呼吸CO2排放總量顯著高8.57%和19.34%（P＜0.05），N1、N2 和N3 處理異養呼吸CO2排放總量顯著高于N0（P＜0.05），說明氮肥添加促進土壤異養呼吸作用，這與Zengming Chen 等[26]研究結果相似。但是也有學者研究表明，隨著施氮量增加土壤CO2排放降低，原因是長期施氮消耗土壤有機質，抑制土壤CO2排放[27]。

3.2 施氮對土壤N2O 排放的影響

土壤N2O 是在好氧和厭氧條件下的硝化和反硝化過程產生[28]，這個過程受很多因素調節，如土壤水分、溫度、pH 和其他營養物質[29]，農田施用氮肥對N2O排放貢獻率最大[30]。本研究發現，種植小麥土壤和未種植小麥土壤不同生育期N2O 排放通量變化特征相似，均在拔節期出現峰值，可能是因為黃土高原常年干旱少雨，降雨提供了土壤硝化和反硝化細菌活動所需的水分，且該時期N3 處理土壤N2O 排放通量顯著高于其他處理，說明過量施氮顯著增加土壤N2O 排放。小麥生長和土壤微生物活動會消耗大量的氮，減少硝化和反硝化過程需要的底物[31]，進而減少N2O 排放。本研究表明，種植小麥減少了土壤N2O 排放，未種植小麥土壤N2O 排放總量是生長小麥土壤的1.65 倍，未種植小麥土壤顯著高于種植小麥土壤（P＜0.05），土壤N2O排放總量隨施氮量增加而增加，說明施氮增加了土壤N2O 排放，這與其他學者研究結果相同[32-35]。

3.3 施氮對土壤CH4 排放的影響

甲烷是厭氧條件下CO2或有機碳生物還原的最終產物，主要在淹水條件下產生。農田土壤CH4的排放受多種因素共同制約，如土壤理化性質（土壤有機質、溫度、含水量和pH）、土壤微生物、農業管理措施（施肥和土地利用方式）等[36]。本研究表明，在整個生育期種植小麥和未種植小麥土壤為CH4匯，且與土壤含水量呈顯著正相關，與土壤溫度呈顯著負相關（P＜0.05）。種植小麥土壤，從種植到分蘗期（5 月14 日）吸收通量呈上升趨勢，因為前期降雨量極少，且溫度較低，抑制了產甲烷微生物活性，從而抑制了CH4的產生[37]；拔節期（5 月27 日）和開花期（6 月28 日）這兩個月降雨增加了土壤水分含量，增加了土壤微生物分解有機碳的速率，從而促進了CH4的產生[38]，降低了CH4吸收。本試驗表明，在生育期內，未種植小麥土壤施氮顯著降低了土壤對CH4的吸收，原因可能是氮肥的施入降低了甲烷氧化菌的多樣性和豐富度[39]，從而降低了土壤對甲烷的氧化能力。本研究表明，在整個生育期土壤CH4表現為匯，施氮抑制土壤對CH4的吸收，這與其他人研究結果一致[40-42]。

GWP是農田溫室效應的基本指標，土壤理化性質、種植作物和施氮量對土壤的GWP有顯著影響[43]。有研究表明，少耕和免耕可以增加土壤有機碳固存，進而減少溫室氣體排放[44]。本研究表明，施氮對CO2、N2O和CH4綜合增溫潛勢影響顯著，較N0 處理，種植小麥土壤N2、N3 處理綜合增溫潛勢效應分別顯著增加11.03%、21.81%，未種植小麥土壤N1、N2、N3 處理綜合增溫潛勢分別顯著增加23.83%、17.19%、18.01%（P＜0.05）。原因是CO2濃度遠遠高于N2O 和CH4，占溫室氣體的主要部分，施氮顯著增加了土壤CO2排放。

4 結論

在生育期內，農田土壤為CO2和N2O 排放源、CH4匯，CO2排放和CH4吸收與土壤含水量均呈顯著負相關，CH4吸收與土壤溫度呈顯著正相關；施氮促進了土壤異養呼吸、土壤N2O 排放、抑制了對CH4吸收；小麥生長增加了土壤CO2排放量、減少了N2O 排放量。