不同耕作方式下冬小麥田N2O排放特征的差異性研究

陳曉龍，楊　威，江　波，殷寒旭，楊小兵，楊書運，馬友華

(1.安徽農業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 安徽 合肥 230036； 2.農業(yè)部合肥農業(yè)環(huán)境科學觀測試驗站， 安徽 合肥 230036；3.安徽省發(fā)展和改革委員會經濟研究院， 安徽 合肥 230001)

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不同耕作方式下冬小麥田N2O排放特征的差異性研究

陳曉龍1，2，楊威1，2，江波3，殷寒旭1，2，楊小兵1，楊書運1，馬友華1

(1.安徽農業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 安徽 合肥 230036； 2.農業(yè)部合肥農業(yè)環(huán)境科學觀測試驗站， 安徽 合肥 230036；3.安徽省發(fā)展和改革委員會經濟研究院， 安徽 合肥 230001)

摘要：采用靜態(tài)箱—氣相色譜法對空白對照(CK)、常規(guī)施肥(CG)、免耕(CB)、秸稈還田(CJ)4種處理小麥田的N2O排放通量進行原位監(jiān)測，同時測量土壤溫度、水分及等相關影響因子的變化情況。研究結果表明：(1) 4種處理方式下麥田N2O排放通量具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，N2O排放通量變化趨勢基本一致，其中空白對照各處理N2O的排放通量受季節(jié)性影響變化較小。(2) 在小麥生長季，4種處理方式下的農田均表現為N2O的排放源。與空白對照相比，常規(guī)耕作、免耕和秸稈還田處理下N2O的排放總量分別增加了0.89 kg·hm-2、0.41 kg·hm-2和1.02 kg·hm-2。(3) 氣溫和土壤5 cm、10 cm溫度與N2O排放通量不存在顯著的相關性，因而溫度不是影響麥田N2O排放的限制性因素。各處理N2O排放通量與土壤水分均呈現正相關(P<0.05)。通過對比幾次降水與施肥前后N2O排放通量的關系，發(fā)現降水后施肥能顯著減少N2O排放。降水引起的土壤水分增加是影響N2O排放通量劇烈變化的因素。(4) 免耕和秸稈還田分別在N2O減排與小麥增產方面效果最好。N2O減排與小麥增產作為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基本要求，秸稈還田處理效果最優(yōu)。

關鍵詞：N2O排放；冬小麥田；耕作方式；土壤水分；溫室氣體；減排

大量研究發(fā)現，不同施肥措施、水分管理措施、土壤質地和土壤含水率對麥田N2O排放通量有著重要的影響，如增施氮肥能顯著增加麥田N2O的排放[7-11]。據宋利娜等[12]報道，施肥和灌溉能顯著提高麥田N2O的排放通量，灌溉以及強降水為反硝化微生物營造了良好的厭氧環(huán)境，提高了反硝化過程中N2O的生成和排放。Lan等[13]研究發(fā)現，冬小麥田含水率較高的粘土比含水率較低的砂質土壤N2O排放通量更高。龐軍柱等[14]認為黃土高原冬小麥田N2O的排放量與土壤含水率(P<0.05)呈顯著相關性。在不同耕作方式對麥田N2O排放通量影響的報道中，大多數研究認為合理選擇耕作方式能有效促進麥田N2O減排[15-19]。據趙建波等[20]報道，免耕已成為我國實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要措施，特別是在華北地區(qū)已初具規(guī)模。但也有研究者[21]認為麥田免耕會增加農田N2O排放。關于麥田秸稈還田的報道很多，主要集中于不同秸稈還田方式對麥田N2O排放特征的影響[22-23]。但這些報道的試驗地較多集中于北方非稻麥輪作區(qū)，而有關耕作方式對南方稻麥輪作系統(tǒng)下冬小麥田N2O排放特征的研究則鮮有報道。因此，本研究設置了4種耕作處理方式，對稻麥輪作種植制度下不同耕作處理方式冬小麥田N2O排放特征進行研究，尋求稻麥輪作制度下不同耕作方式與土壤溫室氣體排放之間的聯系，以探討不同耕作方式對冬麥田N2O排放影響。這對于精確計算稻麥輪作種植制度下不同耕作方式的冬小麥N2O排放量和溫室氣體的科學減排有一定參考價值。

1材料與方法

1.1試驗點概況

監(jiān)測點位于安徽省巢湖市火同煬鎮(zhèn)安徽農業(yè)大學巢湖農業(yè)環(huán)境試驗站，農田溫室氣體監(jiān)測始于2011年的長期定位觀測。該監(jiān)測點屬于北亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫約16℃，年均降水量996 mm，四季分明，氣候溫和，光照充足，無霜期長，地勢平坦，土質肥沃。土壤有機質含量23.64 g·kg-1，pH值6.18，全氮含量1.30 g·kg-1。當地的耕作制度是單季稻和旱作作物(通常是冬小麥)輪作，本文主要研究巢湖流域冬小麥田N2O的排放特征。

1.2試驗設計

試驗小麥于2013年10月28日播種，2014年5月26日收獲，生育期共計211 d。供試小麥品種是揚麥16，播撒量為120 kg·hm-2。試驗田設置了4種處理，每種處理采用隨機3次重復，各小區(qū)面積均為4 m×7.5 m。4種處理分別為：(1) 空白對照(CK)，常規(guī)翻耕，全生育期不施肥；(2) 常規(guī)耕作(CG)，常規(guī)翻耕；(3) 免耕(CB)，實行免耕；(4) 秸稈還田(CJ),常規(guī)翻耕，經粉碎后的秸稈長度為3～5 cm，秸稈均勻撒施，翻埋入土，秸稈全量還田，還田量為7 500 kg·hm-2，之后進行撒播種子。前季水稻2013年6月13日移栽，9月27日收獲。按照巢湖市當地施肥標準，前季水稻田施N 180 kg·hm-2，P2O567.5 kg·hm-2, K2O 67.5 kg·hm-2，本季冬小麥田施N 210 kg·hm-2，P2O572 kg·hm-2，K2O 72 kg·hm-2，常規(guī)耕作、免耕處理和秸稈還田具體施肥管理情況見表1。小麥生長季無灌水，依靠地下水和降水補給。

1.3N2O的采集與測定

氣體的采集采用靜態(tài)箱法，2014年4月1日前，氣樣采集使用的暗箱規(guī)格為50 cm×50 cm× 60 cm，為適應小麥植株的增高，4月1日后，規(guī)格變?yōu)?0 cm×50 cm×120 cm。采氣中使用60 mL塑料注射器連接箱內。常規(guī)采氣時間為當日9∶00—11∶00，在此時間段內完成3個重復。9∶00開始采樣，每10 min完成一組，每組分別在第0 min、第10 min、第20 min和第30 min進行。每次采樣平均間隔為1—2周，隨小麥不同生長期和外部環(huán)境而調整，在施肥之后加密采樣。每次采氣的同時測定對應處理的土壤水分和5 cm、10 cm地溫。采用氣相色譜法,利用氣相色譜儀(Bruker450-GC)對氣體測定N2O的濃度。色譜柱溫度為50℃，檢測器ECD為300℃，載氣N2流量為300 ml·min-1。

1.4計算方法

(1) N2O排放通量用下式計算：

(1)

(2) 利用加權法計算N2O排放量的公式：

(2)

式中，Sum(N2O)為排放量(kg·hm-2)；Ek為第k次采樣時N2O的排放量(g·m-2·d-1)；Dk為第k次與第k+1次采樣間隔天數(d)。

W(N)=ρ×V×ts×10-3×1000/m

(3)

采用Origin8.5作圖，利用SPSS18.0進行N2O排放通量與氣溫、土壤溫度、土壤水分雙變量相關分析，使用Matlab進行數據曲線方程的擬合。不同處理之間N2O的排放通量采用ANOVA分析和LSD(P<0.05)。

2結果與分析

2.1氣溫和降水的逐日變化

監(jiān)測點的氣溫和降水等氣象數據由自動氣象站獲取。圖1是2013年10月25日至2014年5月31日試驗期間逐日平均氣溫與降水量變化圖。采樣期間，當地逐日平均氣溫基本呈現先降后升的季節(jié)性變化趨勢，氣溫最低值(0.4℃)、最高值(24.3℃)分別出現在12月和5月。在整個小麥生育期，當地總降水量為285.2 mm，2、3、4月降水量之和占總降水量的72.1%，小麥生育期中后期降水量較大。

圖1試驗期間逐日平均氣溫和降水量

Fig.1Seasonal patterns in daily mean air temperature

and precipitation during the wheat season

2.2不同耕作方式下麥田土壤N2O排放通量存在顯著的季節(jié)性變化

根據圖2可知，常規(guī)耕作(CG)、免耕(CB)與秸稈還田(CJ)分別出現了5次明顯的N2O排放通量峰值且時間基本重合，日期分別為2013-10-28、2013-12-19、2014-01-14、2014-02-16和2014-03-11。第1次、第3次和第5次均與施肥有關。第1次排放峰是在小麥播種后不久、施肥后第3天出現的，峰值為26.1 μg·m-2·h-1(秸稈還田處理)，時間持續(xù)近一周。受施基肥影響，且土壤中水分適宜、無機肥含量高，植株吸收氮素多，因此麥田呈現N2O較大排放峰。這與熊正琴等[26]的研究結果相吻合。值得注意的是,免耕的N2O排放通量在小麥播種后不久出現較高值，這與前人[20,27]的研究成果一致。肥料播撒在土壤表面，短時間內加速了其分解釋放，這為N2O的形成奠定了氮素基礎。麥田從前季水稻田的淹水環(huán)境變成旱作環(huán)境，土壤氮素的轉化給麥田土壤N2O的排放創(chuàng)造了條件[28]。第二次排放峰出現在12月中旬的一次規(guī)模較大的降水之后，這是因為土壤水分含量的增加促進了肥料釋放和反硝化的速率加快。

圖2不同耕作方式下冬小麥N2O排放通量的季節(jié)性變化

Fig.2Seasonal variation of N2O emission flux in winter wheat

under different tillage measures over three cropping seasons

經過分析發(fā)現，第3次和第5次N2O的排放峰不是在施肥之后立即出現，而是在降水2～3 d后出現，這與馬二登等[23]的報道結果相一致。兩次排放峰值分別是11.78 μg·m-2·h-1(常規(guī)耕作CG)、89.27 μg·m-2·h-1(常規(guī)耕作CG)。施用氮肥能夠為土壤提供充足的底物，為N2O的排放提供大量的基質。硝化和反硝化作為土壤中N2O產生的兩個最重要的生物過程，是在微生物參與下歷經復雜物理、化學、生物等過程完成的。土壤水分不僅會影響土壤中硝化及反硝化微生物的活性，還會影響反硝化產物的氣體組成和傳輸，這大大地影響了N2O的產生與排放。封克等[25]報道指出，N2O的最大排放峰出現在土壤含水率45%～75%時。因而，土壤缺少適宜的水分，就很難排放N2O。

圖3是施基肥后4次采樣，常規(guī)耕作、免耕和秸稈還田處理的N2O排放通量變化情況，擬合的曲線方程為y=-0.472x2+4.4046x+2.811(R2=0.9001，P=0.015)?？梢?，隨著土壤中N的增加和流失，N2O排放通量呈現先增加后減少的特征。

圖3排放通量與施肥后4次采樣的關系

Fig.3The relation between N2O emission flux and

sampling four times after fertilization

在小麥全生育期，4種處理下N2O排放通量存在著明顯的季節(jié)性變化。4種處理下N2O的排放通量均為正值，即冬小麥田表現為N2O的排放源。N2O排放通量在小麥越冬前隨氣溫的降低而減少，在春季隨溫度的升高而增加。值得注意的是，除空白對照處理N2O的排放通量季節(jié)性變化幅度相對較小外，常規(guī)耕作處理、免耕處理和秸稈還田處理N2O的排放通量季節(jié)性變化幅度都較大。

2.3影響麥田N2O排放的環(huán)境因素

由圖4可知，4種處理下土壤5 cm溫度范圍是0.2℃～25.3℃，空白對照、常規(guī)耕作、免耕和秸稈還田土壤5 cm平均溫度分別為9.6℃、9.4℃、9.2℃和9.7℃。各處理間5 cm和10 cm地溫相關性顯著(P<0.01)。由表2看出，各處理N2O排放與5 cm、10 cm、氣溫的相關性均未達到顯著水平(P<0.05)。土壤溫度主要是通過土壤有機質的分解和微生物分解代謝過程中相關酶的活性來調節(jié)土壤N2O的排放[29]。有前人研究結果[10,23]表明土壤5 cm、10 cm在0℃～20℃的溫度范圍內，冬小麥N2O的排放通量與土壤溫度不呈線性關系。

注：*和**分別表示在0.10和0.05水平上顯著相關。T5cm：5 cm地溫；T10cm：10 cm地溫；T：氣溫；WFPS：土壤空隙含水率。

Note： * Correlation is significant at the 0.10 level; ** Correlation is significant at the 0.05 level.T5cm: 5 cm temperature;T10cm：10 cm temperature;T: Air temperature;WFPS: Soil moisture rate.

圖6土壤銨態(tài)氮與N2O排放通量的關系

從表3可以看出，播種～返青期和返青～成熟期占全生育期N2O排放總量的比重分別是16.56%～43.24%、56.76%～83.44%，而返青～成熟期N2O的排放總量明顯多于播種～返青期。3月5日施返青肥，6天后出現了N2O排放通量的最高峰，3月21日出現了次排放峰，后者峰值為前者峰值的60%～87%。值得注意的是施用返青肥后，排放量一直處于高位。3月5日～4月22日共49 d的排放量占全生育期210 d排放量的比例分別為33.11%(空白對照)、47.75%(常規(guī)耕作)、40.81%(免耕)和54.22%(秸稈還田)。這說明施肥，尤其是施用返青肥對N2O的排放影響巨大，顯著地增加了全生育期N2O排放。相比常規(guī)耕作管理，免耕使土壤N2O排放量降低了29.45%。長期耕作土壤比未耕作土壤肥沃，土壤N有效性高，因此排放更多N2O。免耕土壤作為壓實土壤，其空氣中N2O濃度比其它處理高7倍，但土壤壓實對土壤中N2O向大氣排放有一定的阻隔作用，使得土壤N2O的排放通量降低[31]。從圖7可以看出，雖然空白處理未施肥，但返青～成熟期的排放總量仍然大于播種～返青期。這可能與本小麥季后期，在降水較多和溫度適宜條件下土壤硝化反硝化作用顯著增強有關。

注：同一列中a、b不同字母分別表示處理間方差分析達顯著水平(P<0.05)。

Note：Within a column a and b indicate significant difference atP<0.05 level.

圖7冬小麥田在不同生育階段N2O的排放量

Fig.7N2O emission from winter wheat field during different periods

2.4作物單位產量N2O排放量和N2O的溫室效應

CO2當量關注的是排放，而等效CO2則關系到所有溫室氣體在大氣中的濃度水平。根據IPCC的統(tǒng)計，N2O的溫室效應系數是298[2]，可計算出不同處理排放的N2O的溫室效應(100年)。換算成CO2當量后，表4中空白對照、常規(guī)耕作、免耕和秸稈還田處理的溫室效應分別為220.52 kg·hm-2、485.74 kg·hm-2、342.70 kg·hm-2和524.48 kg·hm-2。

由表4知，空白對照、常規(guī)耕作、免耕和秸稈還田處理的經濟產量分別為1 439、3 139、3 194 kg·hm-2和3 917 kg·hm-2。不同耕作方式對小麥產量的影響較大，與常規(guī)耕作相比，免耕的經濟產量幾乎持平，秸稈還田處理的經濟產量增加了24.78%，胡騰等[9]的研究結果為15.2%。秸稈還田處理的經濟產量比免耕處理增加了22.6%，但是單位面積糧食產量的減排并不是最優(yōu)的。因為糧食增產和減排是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基本要求，合理的減排措施應該是使作物單位產量的溫室氣體排放量處于較低水平[32]。全生育期4種處理小麥單位產量N2O排放量(排放總量/經濟產量)從小到大的關系依次為CB(0.36 g·kg-1)

3結論與討論

在小麥生育期，空白對照、常規(guī)耕作、免耕和秸稈還田處理均表現為N2O的排放源。常規(guī)耕作、免耕和秸稈還田處理的N2O排放通量具有明顯的季節(jié)性變化趨勢，空白對照排放通量隨季節(jié)性變化較小。4種處理排放通量大小：秸稈還田(17.03 μg·m-2·h-1)>常規(guī)管理(16.18 μg·m-2·h-1)>免耕(11.24 μg·m-2·h-1)>空白對照(7.76 μg·m-2·h-1)。

氣溫和土壤5 cm、10 cm溫度與冬小麥田N2O的排放通量不存在顯著相關性，溫度不是麥田排放N2O的限制性因素。4種處理N2O排放通量與土壤水分均呈現正相關(P<0.05)，通過對比幾次降水與施肥前后N2O排放通量的關系，發(fā)現降水后施肥能顯著減少N2O排放。

注：1)不同大寫字母代表處理間差異極顯著(P<0.01)；2)標準差與平均值之比；3)經濟產量與生物產量之比。

Note： 1) Different capital letters within a column indicate significant difference atP<0.01 level； 2) The ratio of the standard deviation and average； 3) The ratio of the economic yield and biological yield.

在N2O排放減排和小麥產量上，免耕和秸稈還田處理效果較好。與常規(guī)耕作對比，在小麥單位產量N2O排放通量指標上，秸稈還田減少了13.5%，免耕增加了30.8%。秸稈還田處理在小麥增產和N2O減排兩個方面都實現了較好的效果，因此就該研究區(qū)而言，秸稈還田是值得推廣的耕作方式。

冬小麥土壤N2O排放需要經過復雜的生物、化學過程完成，影響排放環(huán)境的因素有土壤氣溫、水分、肥料、土壤微生物、農業(yè)管理措施等，而不只是受單一因素的影響。冬小麥田N2O的產生主要來源于土壤水分的控制和調節(jié)，除了灌溉外，降水是麥田水分增加的主要原因。當土壤濕度適宜時，土壤溫度一定程度上調節(jié)了土壤N2O的排放。研究溫室氣體減排，對農田主要溫室氣體N2O的監(jiān)測及其排放規(guī)律的探討顯得極為重要。

免耕和秸稈覆蓋正被農業(yè)部門大力號召和大面積推廣，但目前對保護性耕作條件下農田主要溫室氣體的綜合研究評價不多見。冬小麥麥田主要表現為N2O的排放源，因此本文較詳細地探討了耕作方式對南方稻麥輪作系統(tǒng)下冬小麥田N2O排放特征的研究，不過本文并未對麥田另外兩種溫室氣體(CH4、CO2)的排放特征以及冬麥田溫室氣體的全球增溫潛勢(GWP)進行綜合估算。因此不同土地類型、不同氣象條件下三種主要溫室氣體的綜合評價以及計算增溫潛勢是以后研究的方向。秸稈還田利于改良農田土壤環(huán)境和提高作物質量，加強秸稈還田方式對溫室氣體排放的影響研究，運用同位素示蹤等技術明確秸稈對溫室氣體排放的直接和間接影響，以實現糧食增產同時減少N2O的排放是仍將是以后研究的重點。

致謝：感謝安徽農業(yè)大學資源與環(huán)境學院碩士研究生汪海歐和張彩林在采樣時的辛勤工作，傅陽和吳文春在文章寫作中給予的幫助！

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Characteristic variations of N2O flux in winter wheat field under different tillage methods

CHEN Xiao-long1,2, YANG Wei1,2, JIANG Bo3, YIN Han-xu1,2,YANG Xiao-bing1, YANG Shu-yun1, MA You-hua1

(1.SchoolofResourcesandEnvironment,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui230036,China;2.HefeiScientificObservingandExperimentalStationofAgro-Environment,MinistryofAgriculture,Hefei,Anhui230036,China;3.InstituteofEconomicResearch,AnhuiDevelopmentandReformCommission,Hefei,Anhui230001,China)

Keywords:N2O emission; winter wheat field; tillage methods; soil moisture; greenhouse gases; emissions reduction

Abstract：The N2O emission fluxes and seasonal variations by four treatments including blank control (CK), conventional tillage (CG), no tillage (CB), and straw application tillage (CJ) were sampled and measured by static chamber-gas chromatographic. The soil temperature, water content,, Eh and other related factors were monitored at the same time. The results indicated that N2O emission flux by four treatments showed significantly seasonal variations and each treatment displayed a consistent trend. However, emission flux of the blank control were less subjective to seasonal changes in volatility than others. In addition, during wheat growing season, all farmland treatments were N2O emission sources. Compared with the blank control, the N2O total emission fluxes by conventional tillage, no tillage and straw application tillage were increased by 0.89 kg·hm-2, 0.41 kg·hm-2and 1.02 kg·hm-2, respectively. Moreover, air temperature and soil temperature at 5 cm and 10 cm layers were not related to N2O emission flux, indicating that these were not the significant limiting factors as the wheat field N2O emissions flux. N2O emission fluxes by all treatments and soil moisture showed a positive correlation (P<0.05). By comparing the relationship between precipitation and pre and post fertilization, it was found that N2O emissions flux could be significantly reduced by fertilization after rains. The increase of water content caused by precipitation was the factor that affected the dramatic change of N2O emissions flux. Furthermore, no tillage and straw application tillage had the best effects on N2O emissions and wheat production among the four treatments. For N2O abatement and wheat yield, straw application tillage is the most appropriate approach.

文章編號：1000-7601(2016)03-0221-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.35

收稿日期：2015-05-27

基金項目：公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201103039)

作者簡介：陳曉龍(1989—)，男，安徽壽縣人，碩士，研究方向為農田溫室氣體。E-mail:xiaolong5130@126.com。 通信作者：楊書運(1972—)，男，博士，副教授，主要從事應用氣象學研究。E-mail:yangshy@ahau.edu.cn。 馬友華(1962—)，男，博士。E-mail:yhma@ahau.edu.cn。

中圖分類號：S181.3

文獻標志碼：A