2017, Vol. 23 
doi: 
2. 济南市土壤肥料站，山东济南 250021
2. Jinan Soil and Fertilizer Station, Jinan, Shandong 250021, China
N2O 是重要的温室气体之一，能够破坏大气平流层，引发温室效应[1]。其单分子百年尺度增温潜势 (GWP，global warming potential) 是 CO2 的 265 倍，对全球温室效应的贡献率为 6%[2]。农田土壤是 N2O 的重要排放源，每年向大气排放的 N2O 总量约为 N 3.5 × 10 6 t，占人为源排放量的 61.4% 和全球总排放量的 23.8%[3]。土壤 N2O 排放是一个复杂的生物化学过程，受气象因素、土壤理化性质和农田管理措施等因素的综合影响[4]。中国秸秆产量非常丰富[5]，秸秆还田是重要的农田管理措施。华北平原是我国的粮食主产区，冬小麦–夏玉米一年两熟轮作为主体种植制度，秸秆还田是该地区主要的农田管理措施[27]。在气候变暖背景下，明确秸秆还田对 N2O 排放的影响及量化关系具有重要意义[6–7]。
国内外关于秸秆还田对 N2O 排放的影响持有不同观点，有学者研究发现，秸秆还田促进 N2O 排放[8–9]，同时也有学者认为秸秆还田降低 N2O 排放[10–11]。秸秆既可作为基质直接参与土壤硝化与反硝化过程，又可通过改变土壤理化性质来影响土壤硝化与反硝化过程来影响 N2O 排放[12–13]。秸秆还田对土壤温度和含水量变化具有不同程度的影响[14–15]。秸秆具有增温保墒的作用，可与地表形成一层与大气热交换的障碍层，减少土壤热量向大气中散发，并阻止热量向土壤更深层次运输[16]。秸秆的保墒作用主要体现在秸秆可以减少土壤水分蒸发并阻止水分下渗[17–20]，与不还田相比，秸秆全量还田使春玉米生育期 0—10 cm 和 11—20 cm 土层平均温度分别增加 0.5℃ 左右[21]；秸秆还田显著提高水旱轮作制度下 0—5 cm 和 5—15 cm 土层的土壤含水量，半量还田和全量还田比不还田分别增加 3.2%～19.5% 和 4.5%～19.1%[22–23]。在一定的含水量条件下，土壤 N2O 排放通量随着土壤温度的增加呈指数增加[24–25]，与土壤含水量呈线性相关，灌溉和降水是造成 N2O 排放通量变化的主要原因[26]。
秸秆还田影响着土壤含水量和温度，进而也影响着土壤 N2O 的排放[28]，但不同秸秆还田量对小麦玉米农田周年 N2O 排放的量化影响关系少有研究。本研究通过对农田土壤 N2O 排放通量进行周年观测，量化不同秸秆还田量对土壤温度和含水量的影响，以期为农田温室气体减排、合理进行秸秆还田提供数据支持和科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况大田试验位于山东省泰安市岱岳区大汶口镇 (117°3′57″E、35°58′8″N)，属于温带大陆性季风气候，四季分明，光照充足。该地区年平均气温 13.0 ℃，年均日照时数 2627.1 h，年均降雨量 786.3 mm，具有华北平原的典型气候特点。供试土壤为棕壤，土层深厚，地下水在 5 m 以下。试验地 0—20 cm 土层土壤含有机质 13.30 g/kg、全氮 0.82 g/kg、水解氮 85.87 mg/kg、有效磷 27.48 mg/kg、速效钾 129.70 mg/kg、有效硫 43.35 mg/kg。
1.2 试验设计与田间管理试验采用小麦–玉米一年两熟种植模式。小麦供试品种为‘济麦 22’，2014 年 10 月 3 日播种，播种量 90 kg/hm2，行距 20 cm，2015 年 6 月 9 日收获；玉米供试品种为‘郑单 958’，2015 年 6 月 16 日播种，种植密度为 7.5 × 10 4 株/hm2，行距 60 cm，2015 年 10 月 1 日玉米收获。各处理统一施肥模式，小麦季和玉米季分别施入纯氮 225 kg/hm2，基追比为 4∶6，基肥于小麦播种前 (2014 年 10 月 2 日) 和玉米播种前 (2015 年 6 月 15 日) 撒施，于小麦拔节期 (2015 年 3 月 29 日) 和玉米大口期 (2015 年 8 月 7 日) 沟施追肥，氮肥类型为尿素。小麦季和玉米季施磷肥 (P2O5) 147 kg/hm2、钾肥 (K2SO4) 450 kg/hm2、作为基肥随氮肥一次性施入。试验采用单因素随机区组排列，设置 5 种不同秸秆还田量处理，3 次重复。分别为 T0，小麦玉米均不还田；T1，小麦 1875 kg/hm2 + 玉米 2000 kg/hm2；T2，小麦 3750 kg/hm2 + 玉米 4000 kg/hm2；T3，小麦 5625 kg/hm2 + 玉米 6000 kg/hm2；T4，小麦 7500 kg/hm2 + 玉米 8000 kg/hm2 (表 1)。秸秆还田于冬小麦、夏玉米收获后进行，将上一季作物收割，留茬约 10 cm，通过收割机粉碎秸秆，粉碎后长度为 5～10 cm。按照不同还田量将秸秆常规旋耕还田，还田深度约 15 cm，各处理于小麦拔节期 (2015 年 3 月 24 日) 浇水 75 mm。试验期间每日平均气温和降雨量变化如图 1。
| 表1 试验各处理秸秆还田量 (kg/hm2) Table 1 Amounts of straw returning in every experimental treatment |
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| 图1 2014～2015年小麦玉米生育期内气温和降雨量 Fig. 1 Daily average atmospheric temperature and precipitation in wheat–maize growth periods during 2014–2015 |
1.3.1 气体采集与测定 采用静态箱–气相色谱法测定[11]。不锈钢采样箱 (规格为 50 cm × 50 cm × 50 cm) 外覆绝热材料，气温变化剧烈时保证观测过程中箱内温度变化小于 2℃。采样箱配带有底槽的不锈钢底座，座壁插入土壤 20 cm深，观测期底座一直埋在田间固定位置，采样时将采样箱罩在该底座上并注水密封，箱内装有微型风扇以保持气体均匀混合。采样箱一个侧壁上有两个圆孔，一个用于插温度计测量箱内温度，另一个用于连接平衡管 (内径 7 mm、长度 12 cm)，取样时将平衡管打开，其余罩箱时间关闭平衡管。采样时间在上午 9:00～11:00 之间，采样开始前，将采样箱放置在底座上。采样开始时记录罩箱时间，随后每间隔 15 min 用针筒从采样箱内抽取 50 mL 样品，连续采集四次，准确记录每次从箱内取样时间和取样时箱内温度。观测频率平时 7 天 1 次，追肥后 2 天 1 次，连测 3 次，小麦季测定 16 次，玉米季测定 17 次，其中小麦越冬期共取样 2 次，雨天推迟取样。箱内没有作物，因此所测得的 N 2O 为土壤中的 N2O 排放量，而没有考虑植物生长的影响。所采气样及时用气相色谱岛津 (GC2010) 进行测定，气相色谱采用 4 m 长的 Porpak Q 填充柱，以 N2 做载气，检测器为电子捕获检测器 (ECD)，设 ECD 检测温度 300℃，逐项温度为 45℃，载气总流量 40 mL/min，尾吹流量 40 mL/min。
N2O-N 通量计算公式为：
| $F = \frac{{273}}{{273 + T}} \times \frac{{28}}{{22.4}} \times 60 \times {10^{ - 3}} \times H \times \frac{{{\rm d}c}}{{{\rm d}t}}$ |
式中：F 为 N2O 排放通量[mg/(m2·h)]，T 为箱内温度 (℃)，28 为每摩尔 N2O 分子中 N 的质量数，22.4 为温度 273 K 时的 N2O 摩尔体积，H 为采样箱高度 (cm)，c 为 N2O 气体浓度 (μL/L)，t 为关箱时间 (min)，dc/dt 为采样箱内 N2O 气体浓度的变化率[μL/(L·min)]。
N2O-N 季节排放总量计算公式为：
| $E = \frac{{F \times 24 \times n}}{{10000}}$ |
式中：E 生育期累积排放量 (kg/hm2)，F 为 N2O 平均排放通量[mg/(m2·h)]，n 是生育期总天数，24 是每日的小时数，100000 为单位转换系数[29]。
N2O 平均排放通量为小麦季或玉米季通量之和与取样次数的商。
1.3.2 箱内温度测定 采用 JM222 数字温度计随气体进行测定。
1.3.3 (0—20 cm) 土壤含水量和 (0—10 cm) 土壤温度测定 土壤含水量和温度在作物生长的主要生育时期随气体同步测定，小麦季和玉米季各测定 6 次，土壤含水量采用烘干法测定，土壤温度采用 FOM/mts (TDR) 测定。
1.4 数据处理试验数据用 Excel 软件对数据进行处理，采用 DPS 7.05 数据分析系统进行方差和相关性分析，用 Sigma plot 10.0 软件作图。
2 结果与分析 2.1 土壤 N2O 排放季节性变化周年内 N2O 排放通量变化范围为 0.12～206.55 μg/(m2·h)，施肥 + 灌溉或降雨事件后出现高峰，持续时间为 7～10 d，小麦季在灌溉和施肥后达到两次高峰，灌溉后 T1、T2、T3、T4 处理通量分别比 T0 增加 27.5%、34.5%、48.9%、54.0%，追肥后分别增加 29.4%、36.9%、51.2%、57.3%；玉米季在追肥后第 2 天即达到高峰，分别增加 9.8%、24.5%、33.3%、37.0% (图 2)。随着秸秆还田量的增加，周年内 N2O 排放总量增加量为 1.33～3.50 kg/hm2，增加率为 32.3%～85.0%；排放通量增加量为 15.52～40.87 μg/(m2·h)，增加率为 32.3%～85.1%。小麦季排放总量增加量为 0.52～1.48 kg/hm2，增加率为 32.7%～93.1%；玉米季排放总量增加量为 0.61～1.49 kg/hm2，增加率为 35.3%～86.1%。秸秆还田量对 N2O 排放量的影响显著 (P < 0.05)，周年内还田量每增加 3875 kg/hm 2，N2O 排放通量分别增加 32.3%、16.4%、11.3% 和 8.0%。玉米季排放通量是小麦季的 2.42～2.62 倍，而季节排放总量是小麦季的 1.05～1.14 倍 (表 2)。
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图2
不同秸秆还田量下小麦玉米周年 N2O 排放季节性变化
Fig. 2
Annual variation of N2O flux under different treatments in wheat-maize system
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| 表2 不同秸秆还田量下 N2O 的平均通量、季节排放量 Table 2 Average flux and seasonal emission of N2O under different treatments |
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观测期内不同秸秆还田量处理 0—10 cm 土层平均温度表现为相似的变化趋势，即先下降后逐渐上升。随着秸秆还田量的增加，土壤温度呈增加的趋势，覆盖量越大，对温度的影响越明显。周年内土壤温度增加量为 0.63～2.14℃，增加率为 2.7%～9.1%。其中小麦季土壤温度变化范围是 7.73～31.89℃，增加量为 0.80～2.53℃，增加率为 4.2%～13.2%；玉米季土壤温度变化范围是 22.30～33.42℃，增加量为 0.46～1.76℃，增加率为 1.6%～6.3%。观测期内小麦返青期土壤温度最低，各处理土壤温度增加率为 4.7%～21.2%；玉米拔节期土壤温度最高，各处理土壤温度增加率为 0.2%～6.9% (图 3)。
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图3
0—10 cm 土层土壤温度和 0—20 cm 土层土壤含水量变化
Fig. 3
Variation of soil temperature at 0–10 cm layer and moisture at 0–20 cm layer
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秸秆还田量处理的 0—20 cm 土壤含水量高于不还田处理，还田量越大，对含水量的影响越明显，周年内含水量增加量为 0.6%～1.8%，增加 3.6～11.2 个百分点。其中小麦季土壤含水量变化范围是 12.9%～18.3%，增加量为 0.6%～2.1%；玉米季土壤含水量变化范围是 13.1%～25.4%，增加量为 0.6%～1.4%。土壤含水量的变化受降雨与灌溉影响较大，小麦拔节期降雨 46.1 mm，4 月 23 日含水量达到观测期内高峰，玉米大口期之后由于降雨较多土壤含水量一直处于较高状态 (图 1、图 3)。与不还田相比，玉米季秸秆还田量处理与不还田处理间的差异较小麦季较小，T1、T2、T3、T4 处理小麦季含水量分别增加 3.8、7.3、10.2、14.2 个百分点，玉米季分别增加 3.5、5.8、8.1、8.5 个百分点。
2.3 土壤温度、含水量和 N2O 排放的关系利用 DPS 软件将土壤 N2O 排放通量对温度的敏感性采用指数函数 (y = aebx) 进行非线性回归分析，对含水量的敏感性采用一次函数 (y = ax + b) 进行线性回归分析 (表 3)。对各处理土壤温度、含水量与 N2O 排放通量进行双变量相关性分析发现，各处理土壤温度和 N2O 排放通量之间无相关关系 (P > 0.05)。T0、T1、T2 处理土壤含水量与 N 2O 排放通量呈显著正相关 (P < 0.05)，而 T3 和 T4 处理土壤含水量与 N 2O 排放通量之间不相关 (P > 0.05) ( 表 3)。
| 表3 土壤温度、含水量与 N2O 排放的相关性分析 Table 3 Correlation between soil temperature, moisture and N2O flux |
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秸秆覆盖既能影响土壤温度又能影响土壤水分的变化，覆盖量越大对土壤温度的影响越明显，秸秆通过影响土壤对光的吸收转化及热量的传输过程从而影响土壤温度变化，对土壤具有“增温”和“降温”的双重作用[30]，主要影响 10 cm 以内土壤温度，增温范围为 0.2～9.3℃，对 10 cm 以下土壤温度的调控作用不显著[31]。本研究发现随着秸秆还田量的增加，土壤温度呈增加的趋势，观测期内土壤温度增加量分别为 0.63～2.14℃，增加率为 2.7%～9.1% (图 3)，可能是高还田量会减少土壤热量向大气中散发，与常晓慧等[32]的研究结果一致。王维钰等[33]研究结果表明，秸秆覆盖减少地表径流和地表水分蒸发，并提高土壤导水率从而增加水分入渗，这种扩蓄增容的效应随着还田量增加而增强。本试验发现土壤含水量受降雨与灌溉影响较大，且随还田量的增加而增大，周年内增加量为 0.6%～1.8%，增加 3.6个百分点～11.2 个百分点 (图 3)，玉米季土壤含水量 (13.1%～25.4%) 高于小麦季 (12.9%～18.3%)，且玉米季含水量增加率小于小麦季，可能是因为玉米季降水量 (268.7 mm) 高于小麦季 (152.6 mm) (图 1)，减弱了秸秆还田量处理与不还田处理间的差异。不同生育时期秸秆对土壤的增温保墒作用效果不同，可能与秸秆的腐解速度、降雨及植株的遮蔽效应有关[6, 13]。
3.2 不同秸秆还田量下土壤 N2O 排放特征秸秆通过影响农田土壤物理化学性质、微生物活性等影响农田土壤 N2O 排放[34]。关于秸秆还田对 N2O 排放的影响具有两种截然不同的观点，增加或减少 N2O 排放[8–11]。短期内秸秆还田通过影响易分解有机碳、土壤无机氮含量、土壤含水量和土壤温度等来影响硝化和反硝化作用；长期内秸秆还田通过改变土壤 C/N 从而影响微生物对氮源的吸收利用进而影响 N2O 排放[10]。本试验发现随着秸秆还田量的增加，周年内 N2O 的排放总量呈增加的趋势 (表 2)，周年内还田量每增加 3875 kg/hm2，N2O 排放通量增加范围是 8.0%～32.3%，这可能与短期内秸秆还田对土壤温度和含水量的影响有关[13]。裴淑玮等[35]研究发现，玉米季 N2O 排放强度和总量均高于小麦季，原因是玉米季高温多雨适合硝化和反硝化作用的进行，这与本试验研究结果相同 (图 1、图 2、表 2)。
3.3 土壤温度和含水量对 N2O 排放的影响研究发现，硝化作用的最适温度范围是 15～35℃，低于 5℃ 或大于 40℃ 抑制硝化作用的发生，反硝化作用的最适土壤温度范围是 5～75℃[36]。本试验观测期内土壤温度最低为 7.73℃，最高为 33.42℃，说明试验条件下温度对硝化和反硝化过程均有影响。多数研究发现，N2O 排放通量随着土壤温度的升高具有不同程度的增加，通常呈指数增长[37]，本试验发现各处理土壤温度与 N2O 排放之间相关性不显著 (P > 0.05)。含水量较低时 N 2O 主要由硝化过程产生，此时 N2O 排放与含水量变化趋势相同；含水量较高时 N2O 主要由反硝化过程产生，此时两者之间无相关性[38]，本试验发现 T0、T1、T2 处理土壤含水量与 N2O 排放通量呈现显著正相关 (P < 0.05)，而 T3 和 T4 处理土壤含水量与 N 2O 排放通量之间不相关 (P > 0.05)，可能是周年秸秆还田量在 7750 kg/hm 2 及以下时，土壤含水量显著影响 N2O 排放，当还田量再增加时对土壤含水量的影响越明显，因此改变了土壤含水量对 N2O 排放的影响 (图 3、表 3)。N2O 排放峰值出现在小麦季灌溉 (3 月 24 日) 后第 2 天，之后逐渐降低到降雨前的水平，玉米季 N2O 排放通量较高的原因之一为降雨较多导致土壤含水量较高 (图 1、图 2)。但土壤 N2O 排放是土壤温度、含水量、施氮量、作物生长等因素综合作用的结果，因此探究 N2O 排放影响因素时，不可分裂开来[25]。观测期内小麦越冬期土壤含水量较高，但温度较低，N2O 排放较低，说明此时温度是限制 N2O 排放的主要因素；之后土壤温度逐渐升高适合硝化和反硝化作用的进行从而导致 N2O 排放通量增加；N2O 排放峰值出现在灌溉和施肥之后，此时施肥和灌溉共同影响 N2O 排放；作物生长后期由于土壤中氮素含量减少，导致硝化和反硝化作用的底物减少因而 N2O 排放减少；而玉米生长季 (7 月～10 月) 由于持续性高温多雨从而适宜微生物活动导致 N2O 排放量较大 (图 1、图 2)。
4 结论秸秆还田显著促进 N2O 排放并可提高 0～20 cm 土壤含水量和 0—10 cm 土壤温度，周年秸秆还田量在 7750 kg/hm2 及以下时，秸秆还田通过提高土壤含水量促进 N2O 排放。由于 N2O 排放具有典型的时空差异性，且是多种影响因素的综合结果，而本试验只是短期的研究结果，因此关于长期秸秆还田下 N2O 的排放特征及影响因素仍需进一步研究。
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