全球气候变化已引起国际社会高度重视，对温室气体减排研究已成为科学家关注的焦点。CO₂、CH₄、N₂O是主要的温室气体，对温室效应的贡献率近80%^[1]。其中，CO₂的贡献率约占60%^[2]，是最重要的温室气体，其次是CH₄，百年尺度上的增温潜势是CO₂的34倍^[3]，N₂O是CO₂的298倍^[4]。农业活动是温室气体排放的主要来源，贡献率高达20%^[5]，控制农业源温室气体排放可有效缓解全球气候变暖。施肥是农业可持续生产的重要管理方式^[6-7]，减少施肥量对减缓温室气体排放有重要影响^[8-9]。秸秆是农业生产、加工过程中产生的副产品，我国每年因农业产生的秸秆为7.55亿t^[10]。秸秆含有多种养分，具有较好的培肥土壤效果，将其直接还田是农业废弃物利用的主要途径之一^[11]。蓝妮等^[12]研究发现，秸秆还田会增加茉莉园CO₂的排放，但对N₂O没有显著影响。冯晓赟等^[13]指出，单一秸秆还田会显著增加CO₂的排放量，但配施氮肥可显著降低N₂O的排放量。可见，秸秆与复合肥配施对农田温室气体排放或抑制尚无明确定论。

2014年“福建福州茉莉花与茶文化系统”入选联合国粮农组织全球重要农业文化遗产(GIAHS)名录^[14]。茉莉花种植园作为福州河滨土地利用的主要方式，其在护岸促淤、调节气候、保障生物多样性等方面发挥着重要作用，但种植园也是温室气体的排放源。随着福州茉莉花茶产业的快速发展，对茉莉花需求量不断升高，其施肥量也相应增加，但目前有关茉莉花最适施肥量尚存争议。因此，开展秸秆还田条件下，施加不同剂量复合肥对福州茉莉园温室气体排放影响的研究，对促进福州茉莉花全球重要农业文化遗产系统生态功能提升具有重要意义。

1 材料与方法 1.1 研究区概况及供试材料

研究区位于福建省福州市帝封江闽榕茶业有限公司茉莉种植园(119°20′7″E、25°59′10″N)，地处闽江沿岸，为亚热带季风气候，雨热同期，气候暖和湿润，年均降水量为800~1 500 mm，主要集中于5—10月，全年无霜期为326 d^[15]。观测期研究区的大气温度变化范围为18.4~35.4 ℃，相对湿度为46.6%~84.2%(表 1)。土壤粉砂粒、砂砾、粘粒的质量分数分别为59%、25%、16%，土壤pH为4.4，盐度为0.15 mS·cm^-1，碳、氮、磷和钾含量分别为11.7、1.1、0.5和13.3 g·kg^-1[16]。

供试茉莉品种为双瓣茉莉(Jasminum sambac)，2008年4月进行人工扦插种植(高10 cm)。茉莉生长阶段分为：枝叶生长期(4月初至5月初)、花蕾萌芽期(5月初至5月下旬)、盛花期(6月初至9月)。秸秆还田量约3 500 kg·hm^-2，4月中旬进行第1次施肥，第1茬茉莉花采摘结束后进行第2次施肥。肥料类型为俄罗斯产复合肥，其中N、P₂O₅、K₂O均占总养分的16%^[17]。

1.2 试验设计

试验于2015年5月至2016年3月进行，每月采集1次。共设置4个处理组，分别为对照(未施肥+正常秸秆量，CK)、减半(一半施肥量+正常秸秆量)、正常(正常施肥量+正常秸秆量)、倍增(双倍施肥量+正常秸秆量)。第1次施肥：CK处理不施肥；减半、正常、倍增配施处理施肥量分别为65、130、260 kg·hm^-2。第2次施肥：CK处理不施肥；减半、正常、倍增配施处理施肥量分别为50、100、200 kg·hm^-2。茉莉为条带状种植方式，行距0.5 m，株距0.25 m^[17]，样地内设置3个样区，每个样区面积约20 m²。将静态箱底座固定在样点，每个静态箱底座内施加3 500 kg·hm^-2秸秆^[18]，并与表层土壤混合均匀。对各处理茉莉花进行统一管理。

1.3 样品采集与测定 1.3.1 气体

CO₂、CH₄和N₂O均采用静态暗箱法采集。静态箱由底座和顶箱两部分组成，底座长×宽×高分别为30 cm×30 cm×30 cm，上沿设有凹槽，便于顶箱置于其上并加水密封，下部均匀打上圆孔，以便保持水肥养分流通；顶箱长×宽×高分别为30 cm×30 cm×100 cm，侧面设有抽气孔，便于采集相应气体。采集时将静态箱顶箱盖在底座上，底座内加水密封，立即抽取40 mL气体注入铝箔气样袋内，每隔15 min抽气1次，共抽取3次，每次抽气时间为9:00~11:00，并记录箱内温度。

采用日本岛津公司生产的Shimadzu GC-2010型气相色谱仪测定CO₂和CH₄样品浓度；采用Shimadzu GC-2014型气相色谱仪测定N₂O样品浓度^[19]。

1.3.2 土壤

用采土器采集CK、减半、正常、倍增配施处理，共12个采样点耕层0~15 cm土壤，装入自封袋密封保存，带回实验室。挑去植物残体根系后，将土壤分成两份，一份置于4 ℃冰箱冷藏，备用；一份自然风干后装入自封袋保存，备用。

采用烘干法测定土壤含水量^[20]；保持水土质量比为5：1，称取过2 mm筛的风干土壤样品5.0 g，加入25 mL无CO₂蒸馏水，振荡0.5 h，静置至上清液澄清时，用便携式IQ 150 pH计测定土壤pH^[20]；土壤温度和电导率采用2265FS便捷式电导盐分计(Spectrum Technologies Inc，美国)测定；用0.5 mol·L^-1 HCl浸提土壤24 h，采用邻菲啰呤比色法测定Fe，用盐酸羟胺将Fe³⁺还原成Fe²⁺后比色分析，差值即为Fe^3+[20]。

1.4 数据处理

温室气体排放通量按照公式(1)计算；CO₂、CH₄、N₂O的全球综合增温潜势(global warming potential, GWP)按照公式(2)及公式(3)计算^[3]：

$ F=\frac{M}{V}\cdot \frac{dc}{dt}\cdot H\cdot \left( \frac{273}{273+T} \right) $

(1)

$ f=F\cdot t~ $

(2)

$ \text{GWP}={{f}_{\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}}}+34{{f}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}+298{{f}_{{{\text{N}}_{\text{2}}}\text{O}}} $

(3)

式(1)中，F为温室气体排放通量(CO₂排放通量的单位为mg·m^-2·h^-1，CH₄、N₂O排放通量的单位为μg·m^-2·h^-1)；M为温室气体分子量/(g·mol^-1)；V为标准状态下1 mol温室气体的体积/L；dc/dt为单位时间内采样箱内温室气体浓度变化梯度/(μmol·mol^-1·h^-1)；T为静态箱内温度/℃；H为静态箱箱高/m。式(2)中，f表示整个样地采样期间不同温室气体的排放量/(kg·hm^-2)，t表示采样周期/d。式(3)GWP表示以CO₂为参照气体，以百年影响尺度为计，整个样地采样期单位面积温室气体综合增温潜势/(kg·hm^-2)。

运用Excel 2013、Origin 8.6、SPSS 20.0统计分析软件对数据进行整理与分析。原始数据的平均值及标准差采用Excel 2013分析。不同处理样地土壤CO₂、CH₄、N₂O的排放通量以及环境因子变化采用Origin 8.6软件作图。采用单因素方差分析法检验不同处理样地土壤CO₂、CH₄、N₂O综合增温潜势变化差异。采用重复测量方差分析法分析处理、时间及其交互作用对土壤CO₂、CH₄、N₂O排放通量的影响。采用Pearson相关性分析法分析土壤CO₂、CH₄、N₂O排放通量与土壤理化性质的关系。

2 结果与分析 2.1 秸秆还田配施复合肥对茉莉园CO₂、CH₄、N₂O排放通量的影响

图 1为秸秆还田配施不同剂量复合肥下茉莉园CO₂、CH₄、N₂O排放通量变化特征。表 2为茉莉园主要温室气体排放通量的重复测量方差分析结果。由图 1可知，CK、减半、正常和倍增配施处理CO₂排放通量变化范围依次为：66.45~972.69、47.32~1 236.82、33.82~1 444.05、49.73~1 671.95 mg·m^-2·h^-1，均值大小为：倍增>正常>减半>CK。从整体上看，CO₂排放通量呈现先上升后下降的趋势，在7、8月份达最大值，随后逐渐降低，在1、2、3月份达到最小值，即夏季CO₂排放通量最高，冬春季则最低。倍增、减半、正常配施处理CO₂累积排放通量分别比CK增加93.62%、13.16%、19.89%。与CK相比，减半、正常、倍增配施处理CO₂排放通量均有显著差异(P＜0.01)。由表 2可知，时间以及秸秆复合肥配施处理和时间的交互作用对茉莉园CO₂排放通量影响显著。

CK、减半、正常和倍增配施处理CH₄排放通量变化范围依次为：-392.59~549.16、-92.52~368.61、-42.61~813.59、-79.90~79.09 μg·m^-2·h^-1，均值大小为：正常>CK>减半>倍增。从整体上看，与CK相比，减半、正常、倍增处理CH₄排放通量均无显著差异(P＞0.05)。由表 2可知，时间以及秸秆复合肥配施处理和时间的交互作用对茉莉园CH₄排放通量影响显著。

CK、减半、正常和倍增配施处理N₂O排放通量变化范围依次为：-26.70~313.45、-91.19~89.32、-30.06~168.41、-63.31~42.60 μg·m^-2·h^-1，均值大小为：正常>CK>倍增>减半。从整体上看，N₂O排放通量在6、8月份较大，在2、3、10、11月份较小。与CK相比，减半、正常、倍增配施处理N₂O排放通量差异不显著(P＞0.05)。由表 2可知，时间、秸秆复合肥配施处理及两者的交互作用对茉莉园N₂O排放通量影响显著。

2.2 秸秆还田配施复合肥对茉莉园温室气体综合增温潜势的影响

减半、正常、倍增配施处理综合增温潜势分别比CK增加10.42%、19.44%、81.38%(表 3)，减半配施处理的综合增温潜势明显低于正常和倍增配施处理。4个处理CO₂的增温潜势均明显高于CH₄、N₂O。CO₂对温室效应的贡献率最高，CK、减半、正常与倍增处理分别为96.92%、99.33%、97.28%和99.64%，说明随着复合肥剂量的增加，其贡献率呈上升趋势。统计分析表明，倍增配施处理CO₂增温潜势与CK、减半、正常配施处理存在显著差异(P＜0.05)；正常配施处理CH₄增温潜势与倍增配施处理存在显著差异(P＜0.05)，而与CK、减半配施处理无显著差异(P＞0.05)；正常配施处理N₂O增温潜势与减半、倍增配施处理间存在显著差异(P＜0.05)。在综合增温潜势中，倍增配施处理与CK、减半、正常配施处理存在显著差异(P＜0.05)。

2.3 秸秆还田配施复合肥对环境因子的影响

试验期间，CK、减半、正常及倍增配施处理土壤温度、含水率、电导率、pH等性质均有较大差异(图 2)。4种处理环境因子随时间推移呈现相似的变化规律，因此秸秆还田配施不同剂量复合肥并未改变环境因子的时间变化。CK、减半、正常及倍增配施处理土壤温度平均值分别为(21.06±0.05)、(21.17±0.11)、(21.34±0.04)和(21.79±0.27) ℃，不同施肥处理土壤温度与CK差异极显著(P＜0.01)；含水量平均值分别为(43.61±1.54)%、(30.30±4.94)%、(45.45±2.28)%和(32.29±1.50)%，减半和倍增配施处理含水量分别比CK降低了30.52%和25.96%，且CK与减半配施处理有显著差异(P＜0.05)，与倍增配施处理有极显著差异(P＜0.01)；土壤电导率平均值分别为(0.17±0.04)、(0.09±0.02)、(0.21±0.05)和(0.10±0.05) mS·cm^-1，与CK相比，正常配施处理电导率提高了23.53%，差异不显著(P＞0.05)，倍增配施处理降低了41.18%，达显著差异水平(P＜0.05)，减半配施处理则降低了47.06%，并达极显著差异水平(P＜0.01)；土壤pH平均值分别为5.53±0.01、5.25±0.01、5.34±0.01和5.18±0.04，与CK相比，减半、正常和倍增配施处理土壤pH分别降低了5.06%、3.44%和6.33%，并达极显著差异水平(P＜0.01)。

2.4 环境因子与温室气体排放的相关性分析

由表 4可知，土壤温度与各处理CO₂排放均极显著正相关(P＜0.01)，而pH、总铁、Fe³⁺与各处理CO₂排放均极显著负相关(P＜0.01)；CK处理Fe²⁺与CO₂排放显著负相关(P＜0.05)，但综合Fe²⁺、含水率与CO₂排放极显著负相关(P＜0.01)。CK处理的土壤温度与CH₄排放极显著负相关(P＜0.01)，Fe²⁺与CH₄排放极显著正相关(P＜0.01)。CK处理N₂O排放与pH极显著负相关(P＜0.01)；减半配施处理N₂O排放与土壤温度、电导率极显著正相关(P＜0.01)、而与pH、Fe³⁺极显著负相关(P＜0.01)；正常配施处理N₂O排放与pH极显著负相关(P＜0.01)，与土壤温度显著正相关(P＜0.05)，与总铁、Fe³⁺显著负相关(P＜0.05)；倍增配施处理N₂O排放与总铁、Fe²⁺、Fe³⁺极显著负相关(P＜0.01)。综合N₂O排放与土壤温度、电导率极显著正相关(P＜0.01)，与pH、总铁、Fe³⁺极显著负相关(P＜0.01)。

3 讨论与小结 3.1 秸秆还田配施复合肥对茉莉园CO₂、CH₄、N₂O排放通量的影响

本研究表明，与CK相比，秸秆还田配施不同剂量复合肥处理均显著增加了CO₂的排放通量，主要是因为复合肥和秸秆的施用增加了土壤有机质及其活性有机质组分与微生物含量^[21]。土壤有机质是土壤呼吸的主要碳源，不仅为微生物活动提供能量，对土壤性质和土壤CO₂排放也有重要影响^[22]。Wang et al^[23]研究发现，有机质分解在种植季对土壤CO₂排放贡献率产生近20%~50%影响，在非种植季对土壤CO₂排放贡献率产生近100%影响。且施用秸秆后存在激发效应^[24]，提高了土壤微生物活性，进而提高土壤的矿化速率，加快土壤释放CO₂的速度，尤其是新鲜的秸秆施入土壤后，更易被土壤微生物分解，从而释放更多的CO₂^[25]。此外，复合肥特别是氮素的施加对CO₂的排放具有促进作用^[26]，因为复合肥可直接为植物和微生物提供生长所需的氮素，生成更多的底物和养分，从而通过调节微生物活性与数量促进CO₂的产生与排放^[27]。

随着秸秆与复合肥配施量的增加，CH₄排放通量均值呈波动变化，但总体上呈较低水平。与CK相比，减半、正常、倍增配施处理CH₄排放通量均无显著差异。这可能是因为茉莉生长虽为喜湿生境，但仍为旱作农业，土壤环境比较干燥，不利于厌氧环境的形成，以及产CH₄微生物的生长和产CH₄过程的发生，且在好氧土壤中，CH₄氧化菌得以快速生长与繁殖，从而提高了CH₄氧化速率，使得最终CH₄排放通量较低^[28]。高洪军等^[29]认为配施改善了土壤理化性质，为甲烷氧化菌的生长提供适宜环境条件，更有利于CH₄的氧化。但关于施肥量对CH₄排放的影响尚无确切的结论，吴家梅等^[30]认为施用肥料可以促进CH₄排放，但也有研究显示施用肥料可以抑制CH₄排放^[31-32]。本研究表明，秸秆与复合肥配施对CH₄排放的影响虽不显著，但总体来看，减半与倍增配施处理一定程度上降低了CH₄排放，而正常配施处理则增加了CH₄排放，这是茉莉园土壤性状、气候特征、水肥管理等诸多因子对CH₄排放影响的综合效应所致。

随着秸秆与复合肥配施量的增加，N₂O排放通量均值呈减小趋势。与CK相比，减半和倍增配施处理均降低了N₂O排放通量，正常处理则略微增加了N₂O排放通量，但均未达显著差异。N₂O排放通量降低可能是由于秸秆还田量的添加在一定范围内提高土壤C/N，在环境条件中C/N大于30的土壤生态系统表现为氮源不足而碳源过剩，微生物为满足自身生物物质的合成需求而被迫利用土壤其他可利用氮源，使硝化与反硝化作用所需底物减少，从而对N₂O形成与排放具有抑制作用^[33-34]，因此，减半与倍增配施处理一定程度上降低了N₂O排放。目前秸秆还田配施不同剂量复合肥对农田N₂O排放的影响暂无定论^[35]，有研究表明，小麦秸秆与氮肥配施会促进土壤中全氮、全磷和有机质的提高^[36]，氮磷配施提高了磷酸酶活性^[37]，促进作物利用肥料效率，并能固持肥料氮，增加微生物量氮的含量^[38]，降低土壤硝化—反硝化底物含量，进而实现N₂O减排。而李涛等^[39]指出，施用秸秆能为微生物提供碳源，增强微生物的呼吸作用，加快氧气的消耗，土壤更易形成厌氧环境，从而增加微生物的反硝化作用，使N₂O排放通量增加。

因此，秸秆还田配施不同剂量复合肥在一定程度上增加了福州茉莉园CO₂排放通量，减半配施处理则降低了CH₄和N₂O排放通量。CO₂的增温潜势显著高于CH₄和N₂O，说明CO₂是福州茉莉园温室效应的主要贡献者。单施秸秆的综合温室效应明显低于秸秆还田配施不同剂量复合肥，说明秸秆复合肥配施处理增加了茉莉园温室气体的综合温室效应。

3.2 茉莉园CO₂、CH₄、N₂O排放通量的影响因子

本研究表明，CO₂排放通量在茉莉花生长前期较低，盛花期达到最大值，与土壤温度呈极显著正相关。主要由于茉莉花生长前期温度较低，使得土壤微生物活性较低，导致有机质分解速度较慢，产生的CO₂较少。茉莉花进入盛花期后，气温与土壤表层温度上升，降水量逐渐增加，农作物根系呼吸作用加快，土壤微生物呼吸作用增强，使得CO₂排放量升高^[40]，这与龚振平等^[41]的研究结论类似。CO₂排放通量与土壤含水量极显著负相关，主要是因为在秸秆肥料配施的影响下，土壤含水量增加，水分作用掩盖了土壤温度的作用^[42]，且水分越高越不利于有机底物的分解与根系的呼吸，从而降低CO₂排放通量。CO₂排放通量与土壤总铁、Fe²⁺、Fe³⁺含量极显著负相关，主要是因为有机质为土壤提供了大量电子，并且有机质是铁的络合剂，加剧了土壤有机质与铁的络合^[43]，随着铁铝结合物增多，施肥必然导致土壤有机质含量增加，腐殖质随之增多，微生物活性增大，土壤耗氧量增加，影响土壤中铁的氧化还原反应，增加了Fe²⁺，起到固碳减排的作用。此外，有研究表明，土壤中存在光合型亚铁氧化微生物，可以驱动Fe²⁺氧化过程且耦合CO₂固定^[44]，这也是对铁碳关系的一种新的诠释。

CK处理CH₄排放通量与土壤温度呈极显著负相关，而综合CH₄排放通量与土壤温度并无相关性，说明温度并非影响CH₄产生的关键因子。总体而言，本研究中CH₄排放通量较低，可能是茉莉作为旱作农业，供氧充足，为甲烷氧化菌提供了适宜的条件，促进CH₄氧化，减少了CH₄的排放^[42]。由于受到土壤理化性质、植物群落、微生物、人类活动等因素的影响^[45]，特别是作为旱作农业，茉莉种植期间降水与温度差异极大，土壤理化性质差异明显，加上台风等不可控因素的影响，导致CH₄排放通量的不确定性。

N₂O排放通量与土壤温度呈极显著正相关。可能是由于15~35 ℃是硝化作用微生物活动的适宜温度范围，在该范围内，随着温度的升高，土壤微生物的硝化和反硝化作用加强^[46]，且较高的温度也会提高气体传输效率，旱地土壤N₂O排放通量随土壤温度升高而增多^[47]。N₂O排放通量与土壤pH呈极显著负相关，可能是随着茉莉花进入盛花期，土壤酸化程度逐步累积，使土壤中产N₂O的真菌群落更丰富，提高了土壤产N₂O潜力^[48]。

综上所述，CO₂、N₂O排放通量与土壤温度极显著正相关，CO₂排放通量与土壤含水量极显著负相关，N₂O排放通量与土壤pH和总铁极显著负相关。