随着人类活动对地球环境的影响日益加剧，人为引起的气候变暖成为人们目前广泛关注的环境问题.研究发现CH₄、N₂O作为大气中主要的温室气体，是全球气候变暖的重要影响因素.相关报道还指出CH₄与N₂O气体对气候变暖的贡献率分别达20%和8%，增温效应分别是CO₂的15~30倍和150~200倍(IPCC，2001)，远远大于CO₂的增温潜势，成为人们重点关注的两种温室气体.而土壤作为CH₄与N₂O的吸收汇和排放源的一部分，每年有15%～30%的CH₄，80%～90%的N₂O由土壤排放于大气中(Metz et al., 2007)，在以种植业为主的西北干旱区，人们的生产受土壤肥力因素制约，作物对土壤外源氮需求量大，农业管理中人们为提高产量广泛使用化肥氮补充植物生长所需求的氮素，使农田土壤在生产生活中受人为扰动频繁，但旱区植物对氮肥利用率低，再加之其他环境因子的影响，导致植物-土壤系统中的氮素冗余(彭琴等，2008)，造成农田土壤对大气环境的污染.因为在前人研究中发现土地利用方式和农业生产力水平等人为控制因素通过影响土壤和作物生长条件来影响农田土壤温室气体的产生(张玉铭等，2011；高会议等，2010).所以，在温室气体排放的研究中农田土壤的排放作用不容忽视.在采取施氮措施提高产量的同时，土壤中长期残留的氮素会引起土壤环境和大气环境变化(朱小红等，2008)，所以氮肥施用量所引起的农田土壤CH₄和N₂O气体通量变化的研究是非常必要的.本文旨在通过研究干旱区典型雨养农田在5种不同施氮量处理下，全生育期春小麦田CH₄和N₂O的连续变化特征，以及不同施氮量和相关环境因子对CH₄和N₂O气体通量的影响，为旱作农业区合理施氮和温室气体减排提供科学依据.

该试验设在甘肃省中部偏南的定西市安定区李家堡镇甘肃农业大学旱农试验站，属温带半湿润向半干旱过度性气候，大陆性特征明显.区域内平均海拔高度1971 m，年均太阳辐射594.9 kJ · cm^-2，日照时数2300 h，无霜期 149 d.年均降水量约 380 mm，年蒸发量 1500 mm，80%保证率的降水量为365 mm，干燥度2.53.多年平均气温6.5 ℃，变化在5.8~6.8 ℃之间，绝对最低气温零下26.9 ℃，绝对最高气温33.7 ℃.试验地土壤有机质含量为12.01 g · kg^-1，全氮0.76 g · kg^-1，全磷(P₂O₅)1.77 g · kg^-1，pH值8.36.土壤为黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，为典型雨养旱作农业区.

本试验以长期施氮春小麦田为供试土壤.试验田从2005年开始进行施氮试验至今.设5个施氮处理(N1～N5)，3次重复，随机区组分布.共计15个小区，小区面积30.各小区依照5个施氮梯度每四年为一个施氮周期.2013—2014年，各小区开始施N肥.年度施肥量分别如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 试验设计及各年度氮肥施用量 Table 1 Application rate of nitrogen in different years and experiment design

表 1 试验设计及各年度氮肥施用量 Table 1 Application rate of nitrogen in different years and experiment design 处理号 氮肥施用量/(kg·hm-2) 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 N1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 N2 52.5 52.5 52.5 52.5 0 0 0 0 52.5 52.5 N3 105.0 105.0 105.0 105.0 0 0 0 0 105.0 105.0 N4 157.5 157.5 157.5 157.5 0 0 0 0 157.5 157.5 N5 210.0 210.0 210.0 210.0 0 0 0 0 210.0 210.0

试验对小区进行2014年小麦全生育期连续观测，供试春小麦品种为‘定西35号’.播种前按照试验设计一次性分区撒施氮磷肥，不再追肥.氮肥来源为尿素(N 46%)，磷肥为105 kg · hm^-2(过磷酸钙，P₂O₅ 14%).2014年3月下旬播种，7月底收获.播种量187.5 kg · hm^-2，行距20 cm，播深7 cm.

CH₄与N₂O气体样品采用静态暗箱密闭法收集(刘博等，2010).采样时间为2014年4—8月，每15 d进行1次.每次采样时间为早晨8:30~11:30，按照小区图依次采集气体样本.

采样箱包括底座和顶箱，均为圆柱形，箱高35 cm，直径为38 cm.箱内壁设小风扇用以搅匀气体浓度，箱外包反光保温膜，防止太阳照射.底座高16 cm，内径36.5 cm，上端设密封水槽.在施肥播种后将底圈栽入小区，原地定位.准备采样前，将箱体嵌入底座，在水槽中加水密封，同时将温度计插入箱体顶部预设小孔，使箱内空气与外部彻底隔绝，接通风扇电源后，静置5 min.静置完毕，使用注射器分别于0 min，10 min，20 min时取3次气体样品，置于150 mL密闭气袋中带回实验室进行气体浓度分析.

气体浓度采用安捷伦7890A型气相色谱仪进行分析.色谱柱：ParkQ15 m×0.53 mm×25 μm.CH₄采用前检测器FID(检测温度200 ℃，柱温55 ℃)，载气为高纯N₂；N₂O采用后检测器(u)ECD(检测温度300 ℃，柱温45 ℃)，载气为高纯N₂，气体排放通量F计算公式如下：

式中：F为气体排放通量(mg · m^-2 · h^-1)；A为取样箱底面积(m²)；V为体积(m³)；M₀为气体分子量；C₁，C₂分别为测定箱关闭时和测定箱开启前箱内温室气体的体积浓度单位为(mol · mol)；T₁、T₂分别为测定箱关闭时和测定箱开启前箱内温度(K)，t₁、t₂为测定开始和结束的时间(h).

CH₄与N₂O 气体累积排放量M(CH₄/N₂O)计算公式如下：

式中，M为全生育期内气体累积排放量(kg · hm^-2)，F为气体排放速率(mg · m^-2 · h^-1)，N为采样次数，t为采样时间即距初次采样的天数.

土壤温度：采用标准曲管温度计法，同步观测记录0~5 cm，5~10 cm，10~15 cm，15~20 cm，20~25 cm 5个层次地温.

土壤含水量：在每次采集气体时，随机选取靠近底座一点，分别取0~5 cm，5~10 cm和10~30 cm土层土壤，用烘干法((105±2)℃)测定.

采用Microsoft Excel 2007将原始试验数据汇总整理后，再利用SPSS17.0软件进行显著性和相关性分析.

图 1为不同施氮水平下全生育期小麦地CH₄气体通量的动态变化曲线.如图 1所示，5种施氮处理下，观测期内小麦地CH₄气体通量随生育期变化特征明显.抽穗-灌浆期通量波动幅度最大，拔节期次之，播种期最低.全生育期吸收通量的波动范围在-0.0001~-0.005 mg · m^-2 · h^-1之间，排放通量的波动范围0.00008~0.00168 mg · m^-2 · h^-1.全生育期土壤CH₄吸收通量明显大于排放通量.因此，春小麦地在整个生育期内为CH₄的吸收汇.

图 1(Fig. 1)

图 1 不同施氮水平下春小麦地生育期CH4通量动态变化曲线 Fig. 1 Dynamic variations of soil CH4 fluxes in different nitrogen fertilizer application rates in spring wheat fields

观测期内，小麦地CH₄吸收峰的出现和高低与小麦生育时期、施氮量具有一定关系.5种处理下的土壤于播种、灌浆、收获后3个生育时段出现对CH₄的完全吸收状态，3个时段中N1处理的吸收通量分别大于同时期其他施氮处理，灌浆期各处理下的CH₄吸收峰高于播种期和收获后.随生育时期和环境因子的变化，第1次吸收峰出现于施肥播种后(4月6日)；各处理下的土壤CH₄的第2次吸收峰出现于灌浆期(7月6日前后)，这一时期的温湿变化在整个生育期中最频繁，不同的施氮量作为基肥底墒供应充足，促进了甲烷氧化菌对空气中CH₄的氧化，且各处理下的土壤CH₄的吸收峰趋势一致，N1处理吸收峰最大；生育期推进至小麦收获后(8月1日)时，因地表已无植株覆盖，各处理下的土壤CH₄通量呈现出第3次CH₄吸收峰.

5种施氮处理下小麦地CH₄通量因生育期的推进在不同时段交替出现排放与吸收现象，但就小麦的全生育期而言，各处理下的小麦地为累积吸收通量，且累积吸收通量随施氮水平的升高变小.N1，N2，N3，N4，N5的累积吸收通量分别为0.0302 kg · hm^-2、0.0249 kg · hm^-2、0.0218 kg · hm^-2、0.0183 kg · hm^-2、0.0149 kg · hm^-2.

图 2为全生育期不同施氮处理下小麦地N₂O通量动态变化曲线.如图 2所示，观测期内各施氮处理下的小麦地N₂O通量随季节变化趋势一致，随生育期变化特征明显.分蘖期以前(5月21日前)，各处理下的N₂O排放量较低，排放峰平缓，在这一时段小麦生长所需营养都来自于种子能量，受环境因子影响，外源氮作用不强，因此，各处理下的N₂O通量区别不大.从拔节期(6月6日)以后至小麦成熟期(7月21日)，各施氮处理下土壤N₂O分别出现双峰型排放、单峰型吸收曲线.第一次排放峰出现于拔节期(6月6日前后)，其中N4排放峰最高，第二次排放峰出现于灌浆期(7月6日前后)，N5处理的排放峰最高，N1处理的排放峰最低，且灌浆期排放峰整体高于拔节期排放峰.单次吸收峰出现于抽穗期(6月21日)，可能由于采样前的一次降雨造成.全生育期内N₂O的排放通量波动范围为0.00176~0.9998 mg · m^-2 · h^-1，吸收通量波动范围为-0.0006~-0.6608 mg · m^-2 · h^-1.全生育期小麦地吸收通量小于排放通量.因此，整个生育期内春小麦田为N₂O通量的排放源.

图 2(Fig. 2)

图 2 不同施氮水平下春小麦地生育期N2O通量动态变化曲线 Fig. 2 Dynamic variations of soil N2O fluxes in different nitrogen fertilizer application rates in spring wheat fields

对各生育期小麦地的N₂O数据分析可得，随生育期不同小麦地N₂O通量在不同生育期表现为不同的吸收通量或排放通量，但全生育期小麦地土壤N₂O的累积通量为排放通量，且累积排放通量随施氮量的增大而增大.其中，N5累积排放通量最大，为4.8922 kg · hm^-2.N1累积排放通量最小，为0.6979 kg · hm^-2.

表 2为CH₄、N₂O两种温室气体全生育期的通量差异.由于整个生育期中各时段的气体通量变化只能反映一个生育时段的吸收或排放状况，用全生育期气体平均通量核算有利于避免由于特别天气引起的全生育期气体通量变化的偏差.因此，对整个生育期各施氮处理下的CH₄平均通量与N₂O平均通量进行方差分析和多重比较(表 2)，来估算全生育期各处理对CH₄与N₂O气体影响.可以得出：N1处理下的CH₄平均通量显著高于N3、N4、N5处理，分别高出0.0289、0.0431、0.0508 mg · m^-2 · h^-1.N1处理与N2处理不显著，且N2、N3、N4、N5之间均不显著.说明，不施氮处理下的CH₄平均吸收通量显著大于高施氮处理，当施氮量达到并超过一定量时，春小麦地CH₄的吸收通量显著变小.高施氮处理显著低于不施氮处理2倍.由蔡祖聪和蔡祖聪(2001)发现，在高施氮情况下，甲烷氧化菌氧化大气的稳定状态被破坏，有机质层所含有机质增大，从而抑制了甲烷吸收.郑聚锋等(2008)研究发现长期单一施用氮肥为主的化肥显著降低了土壤对甲烷的氧化能力，同时显著降低了稻田土壤甲烷氧化菌的多样性和丰富度.

表 2(Table 2)

表 2 不同施氮水平下小麦地CH4和N2O的通量平均值及多重比较 Table 2 Means of CH4 and N2O fluxes of different rates of nitrogen fertilizer in spring wheat soils

表 2 不同施氮水平下小麦地CH4和N2O的通量平均值及多重比较 Table 2 Means of CH4 and N2O fluxes of different rates of nitrogen fertilizer in spring wheat soils 处理 Treatment CH4通量 CH4 flux/(10-2mg·m-2·h-1) N2O通量 N2O flux/(mg·m-2·h-1) N1 -0.101 3±0.007 2Bb 0.032 6±0.029 0b N2 -0.078 8±0.009 4ab 0.035 3±0.017 5b N3 -0.072 4±0.019 2a 0.070 2±0.044 6ab N4 -0.058 2±0.013 4Aa 0.105 2±0.029 3ab N5 -0.050 5±0.008 2Aa 0.137 0±0.048 6a 注：不同大小写字母表示处理间 0.05 水平上差异显著，大写字母为0.01水平上差异显著.Different small letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level and big letters indicate at 0.01 level.

5种施氮处理对CH₄的吸收通量和N₂O的排放通量产生相对规律性的作用(李琳等，2006).从表 2中看出，N5处理显著高于N1、N2水平76.20%，74.23%.但N5与N3、N4以及N1、N2和N3、N4之间均无显著性差异.说明，在不施氮处理和低施氮处理时，N₂O的排放通量不受氮素水平的影响，基本一致，在157.5 kg · hm²的施氮量水平下N3、N4处理大于N1、N2水平，但不显著.只有当氮素达到最大值210 kg · hm²时，N₂O的平均排放通量才会显著大于低施氮和不施氮处理.证明，春小麦地N₂O气体排放通量随施氮水平的升高而增加.这与马银丽等(2012)研究的冬小麦-夏玉米体系中的结果相一致.

小麦全生育期耕层环境因子变化对土壤CH₄与N₂O通量具有一定影响，但在比较分析时相关性最为显著的是耕层0~5 cm和5~10 cm两个层次，土壤其他各层虽分别出现正负相关性，但相关系数不高，所以未列出.具体分析结果如下.

旱地春小麦田温室气体排放受一定环境因子的影响，耕层温度对全生育期CH₄与N₂O的平均通量影响最显著.由表 3得出：全生育期CH₄平均吸收通量与耕层土壤温度均表现出负相关关系，这与丁维新和蔡祖聪(2001)的研究结果一致.其中，在0~5 cm，5~10 cm两个层次CH₄平均吸收通量与温度呈极显著负相关性(p＜0.01)，且呈线性函数关系，相关系数分别是：-0.895，-0.838.土壤其余各层均为负相关，相关系数不高.全生育期N₂O平均排放通量与土壤温度之间存在正相关关系，与高春雨等(2011)研究结果一致.在0~5 cm显著相关(p＜0.05)，相关系数r=0.555.在5~10 cm存在极显著相关性(p＜0.01，r=0.752)，且呈线性函数关系.

旱地小麦田的CH₄吸收通量与N₂O排放通量随土壤含水量的变化出现差异.由表 3可以得出：全生育期CH₄吸收通量与各层次土壤含水量都呈正相关关系，在5~10 cm层次上极显著正相关(p＜0.05，r=0.694).N₂O排放通量与各层次土壤含水量呈一致的负相关关系，与 CH₄吸收通量在5~10 cm层次出现显著关系，为显著的负相关(p＜0.05，r=-0.516).

表 3(Table 3)

表 3 不同施氮处理下CH4、N2O通量(y)与土壤温度、土壤水分之间的回归方程 Table 3 Regression equation between CH4 /N2O fluxes(y) and soil temperature and soil moisture in difference nitrogen treatments

表 3 不同施氮处理下CH4、N2O通量(y)与土壤温度、土壤水分之间的回归方程 Table 3 Regression equation between CH4 /N2O fluxes(y) and soil temperature and soil moisture in difference nitrogen treatments 环境因子 处理 土层/cm 回归方程 R2 F Sig. 样本个数 温度 CH4平均通量 0~5 cm y=-0.038x+0.764 0.801 52.444 ＜0.01 15 5~10 cm y=-0.029x+0.561 0.703 30.766 ＜0.01 15 温度 N2O平均通量 0~5 cm y=0.058x-0.963 0.308 5.787 ＜0.05 15 5~10 cm y=0.062x-0.987 0.565 16.898 ＜0.01 15 水分 CH4平均通量 5~10 cm y=3.852x-0.417 0.481 12.068 ＜0.05 15 水分 N2O平均通量 5~10 cm y=-6.953x+0.959 0.267 4.727 ＜0.05 15

关于氮肥用量对农田土壤CH₄与N₂O通量变化的影响已有很多研究，但结果不一(王玉英和胡春胜，2011；易琼等，2013；焦燕等，2008；张中杰等，2005).本研究结果显示:全生育期春小麦地为CH₄吸收累积通量的汇，通量随施氮量增大而降低；全生育期春小麦地作为N₂O排放累积通量的源，通量随施氮量增大而增大.很多前人研究中分析了农田土壤为CH₄和N₂O汇或源的问题(汪婧等，2011；刘博等，2010；胡荣桂，2004；丁维新和蔡祖聪，2001；郑聚锋等，2008).而在旱区农业研究中土壤为CH₄的汇，有分析证明甲烷氧化菌广泛分布于好氧土壤中(郑聚锋等，2008)，温湿环境适宜时，甲烷氧化菌对于大气中CH₄(吸收)氧化能力加强.且在长期施氮情况下，土壤中残留氮素对甲烷氧化菌的氧化能力有直接影响(Hütsch et al., 1993; Willison et al., 1996).旱区农业的生产方式中多施用化肥氮，导致硝化与反硝化过程增加了土壤中N₂O气体产生，使旱作土壤成为N₂O的排放源，这与Ruser等(2001)研究的细质土壤的中氮肥施用对N₂O产生原理一致.施氮会改变CH₄与N₂O在土壤-大气中的循环方式，而且氮肥量的大小也同时影响着两种气体排放与吸收通量的大小.王玉英和胡春胜(2011)研究证明，冬小麦在返青追肥后，氮肥开始对土壤CH₄吸收起抑制作用，且CH₄通量随施氮量的增加降低，这与本文研究结果一致.不同的是当水热条件改变或供试作物改变为玉米时，土壤N₂O随氮肥输入呼吸强度增大(Song and Zhang， 2009).当供试作物改变为水稻时，氮肥施用量对农田土壤CH₄排放通量有促进作用.易琼等(2013)对稻田研究发现，稻田土壤的厌氧环境更有利于CH₄ 气体的产生.对于土壤N₂O通量而言，有研究证明无外源氮施入时，植物硝化与反硝化过程会消耗大量氮素，减少N₂O产生的机会(焦燕等，2008)，以致外源氮的输入成为农田土壤N₂O排放的主要限制因子，土壤有效氮的冗余成为农田N₂O产生的前提条件(张中杰等，2005).所以旱区农业生产中氮肥量的变化直接影响着土壤N₂O排放通量.

一般旱作农业中，土壤温室气体排放同时受控于氮肥施用量和环境因子等条件.本试验结果表明，在抽穗-灌浆期氮肥是影响春小麦地CH₄和N₂O通量的主要因子，但就整个生育期而言，温度与水分协同氮肥对土壤CH₄与N₂O气体形成影响.对于土壤温湿度与旱地土壤CH₄通量之间的相关性研究存在不同观点.张中杰等(2005)研究证明，土壤环境因子对土壤CH₄吸收通量无显著影响.但也有相关文献显示CH₄吸收通量与土壤温度呈正相关关系.因为在适宜温度(20~30 ℃)时，土壤甲烷菌得到了稳定的活动环境，氧化能力也加剧(胡荣桂，2004).但在稻田土壤温度低于5 ℃或高于50 ℃时，CH₄氧化作用已经停止(丁维新和蔡祖聪，2001).旱作农田耕层地表日照强烈，影响耕层土壤温度，试验中测得试验地全生育期旱作小麦田温度在9.4～23.9 ℃之间，土壤含水量则为6.16%～21.43%之间，平均温湿度均低于旱地甲烷氧化菌适宜温度最低值但高于存活度，与稻田环境因子相比在全生育期具有明显差异，因此甲烷氧化菌无稳定环境氧化时，土壤温度与CH₄吸收通量呈负相关关系.对旱地土壤N₂O通量而言，本文结论与大多数研究结论一致，抽穗-灌浆期频繁暴雨使土壤空隙阻滞，会影响着气体排放正常输送(Liu et al., 2007)，但土壤温度升高使硝化和反硝化作用加强，蒸发量增大时集聚于土壤的气体又大量排出，所以旱地土壤N₂O通量随土壤温度升高而增大，随土壤含水量增大而减小.

1)5种施氮处理下，全生育期春小麦田土壤表现为CH₄累积吸收通量的汇、N₂O累积排放通量的源.CH₄累积吸收通量随施氮量的增加而降低，N₂O累积排放通量随施氮量的增加而增大.N5处理下的CH₄平均吸收通量显著低于N1处理.N5处理下的N₂O平均排放通量显著高于N1、N2处理.施氮量为210 kg/hm²时与不施氮比较，对土壤CH₄和N₂O通量影响最显著.

2)随生育期推进，植物-土壤系统中湿热等环境因子相应的变化，使各施氮处理下的土壤CH₄与N₂O通量在播种和苗期时小于其他生育时期，并且抽穗-灌浆期时各施氮处理下的CH₄与N₂O通量大于其他生育时期.

3)0~5 cm层次上N₂O平均排放通量与土壤温度显著正相关.在耕层5~10 cm层次，土壤CH₄平均通量与土壤温度极显著负相关，与土壤含水量极显著正相关.土壤N₂O平均通量在耕层5~10 cm层次与土壤温度显著正相关，与土壤含水量显著负相关.