碳氮水添加對(duì)華北小麥-玉米雙季輪作系統(tǒng)碳平衡的影響

夏旭　李銀坤　陳敏鵬　雷強(qiáng)

摘要：研究典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡和不同農(nóng)業(yè)措施的影響，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)部門的減排增匯有十分重要的意義。試驗(yàn)在山東省淄博市桓臺(tái)縣進(jìn)行，共有8個(gè)處理，即C0N0W1：空白對(duì)照;C0N1W1：常規(guī)氮輸入+化肥氮+常規(guī)灌溉; C0N2W1：氮輸入減量+化肥氮+常規(guī)灌溉;C1N2W1：氮輸入減量+有機(jī)肥+常規(guī)灌溉;C2N2W1：氮輸入減量+有機(jī)肥化肥配施+常規(guī)灌溉;C0N2W2：氮輸入減量+化肥氮+減量灌溉;C1N2W2：氮輸入減量+有機(jī)肥+減量灌溉;C2N2W2：氮輸入減量+有機(jī)肥化肥配施+減量灌溉。研究表明，華北高產(chǎn)農(nóng)田夏玉米季和冬小麥季都表現(xiàn)為大氣CO2的吸收匯，周年NEP為5.99～9.64t C·hm-2，周年凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）固碳量 C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N2W1>C0N1W1>C1N2W2>C0N2W2>C0N0W1。

關(guān)鍵詞：碳氮水添加;小麥玉米輪作;土壤呼吸;碳平衡;華北平原

中圖分類號(hào)：S19

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－02－011

Effects of carbon， nitrogen and water addition on carbon balance of wheat－maize double rotation systemin North China Plain

XIA XuLI Yinkun CHEN Minpeng3， LEI Qiang4

Abstract： It is important for promoting mitigation in agricultural sector to study the carbon balance of typical agro－ecosystem and the effects of different agricultural practices. The experiment was conducted in Huantai County， Shandong Province， and we set eight treatments： C0N0W1， CK; C0N1W1： traditional nitrogen addition， chemical fertilizer， traditional irrigation; C0N2W1： reduced nitrogen addition， chemical fertilizer and traditional irrigation; C1N2W1： reduced nitrogen addition， organic fertilizer and half of traditional irrigation; C2N2W1： reduced nitrogen addition， chemical and organic fertilizer， and traditional irrigation; C0N2W2： reduced nitrogen addition， chemical fertilizer， and half of traditional irrigation; C1N2W2： reduced nitrogen addition， organic fertilizer， and traditional irrigation; C2N2W2： reduced nitrogen addition， chemical and organic fertilizer， and half of traditional irrigation. Results show that the Wheat－Maize Double Rotation System in North China Plain represents a net carbon sink， and annual net ecosystem productivity （NEP） carbon ranged from 5.99 t C·hm-2 to 9.64 t C·hm-2， and the NEP carbon： C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N2W1>C0N1W1>C1N2W2>C0N2W2>C0N0W1.

Key words： carbon， nitrogen and water addition; wheat－summer double rotation system; soil respiration; carbon balance; North China Plain

工業(yè)革命以來(lái)人類大量燃燒煤、石油、天然氣等化石燃料以及對(duì)森林、草地等自然生態(tài)的破壞，加劇了全球大氣中的溫室氣體濃度和溫室效應(yīng)。政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告（AR5）表明，1750—2011年，人類活動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致大氣中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）等溫室氣體的濃度增加到過去80萬(wàn)年以來(lái)前所未有的水平;1880—2012年全球平均溫度升高了0.85℃（0.65～1.06℃）［1］。

農(nóng)業(yè)是溫室氣體的主要排放源之一，全球農(nóng)業(yè)、林業(yè)和土地利用（AFOLU）導(dǎo)致的溫室氣體排放占人為溫室氣體排放量的24％，其中農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放占人為溫室氣體排放的14％［1-2］。2014年，中國(guó)農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放為8.3億噸CO2－eq，占全國(guó)溫室氣體排放總量（不包括土地利用、土地利用變化和林業(yè)）的6.7％，其中農(nóng)業(yè)土壤排放的N2O為93萬(wàn)噸（2.88億噸CO2－eq），占農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的34.7％［3］。另一方面，土壤碳庫(kù)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，農(nóng)業(yè)土壤也有一定固碳潛力，通過合理的農(nóng)作管理和土壤管理措施可以減少土壤呼吸、增加土壤有機(jī)碳含量，從而能在一定程度上抵消農(nóng)業(yè)的碳排放［4-6］。因此，研究典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡以及不同處理措施對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)部門的減排增匯和可持續(xù)發(fā)展有十分重要的意義［7］。

華北平原是中國(guó)最重要的商品糧生產(chǎn)基地之一，耕地面積占全國(guó)總耕地面積的25％，生產(chǎn)了全國(guó)70％以上的小麥和近30％的玉米［8］。華北平原糧食作物生產(chǎn)體系以“冬小麥-夏玉米”一年兩作為主，生產(chǎn)集約化程度高，具有“投入高、產(chǎn)量高、環(huán)境影響大”的特點(diǎn)［4，7-8］。其中，山東省淄博市桓臺(tái)縣地處魯中山區(qū)和魯北平原的結(jié)合地帶，是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地之一和北方典型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約區(qū)。因此，國(guó)內(nèi)外針對(duì)華北平原典型種植系統(tǒng)的碳平衡開展了大量研究［9-11］，并分析了耕作方式［12-15］、施肥［7，16］、秸稈還田［17］、灌溉［18-19］等不同田間管理措施對(duì)碳平衡的影響，但對(duì)碳氮水綜合性調(diào)控方案的研究比較少。山東省淄博市桓臺(tái)縣是中國(guó)1990年建成的江北“第一噸糧縣”，此后一直保持著糧食產(chǎn)量高漲的勢(shì)頭，但是由于糧食高產(chǎn)伴隨著化學(xué)投入品的大量使用加劇了農(nóng)田溫室氣體排放并帶來(lái)一系列環(huán)境問題，也影響了該區(qū)域農(nóng)田的土壤碳平衡過程［20-21］。據(jù)梁龍等［22］報(bào)道，桓臺(tái)糧區(qū)十幾年的平均氮素投入是華北平原氮肥推薦施用量和山東省單位耕地面積施肥量的1.26～1.98倍和2.2～3.8倍，氮素的大量投入給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了一系列問題。同時(shí)，由于降水量少，水資源不豐裕，該地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)也面臨著農(nóng)業(yè)節(jié)水的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［23］。因此，以桓臺(tái)縣為例，研究不同碳氮水綜合調(diào)控措施對(duì)華北典型冬小麥-夏玉米種植系統(tǒng)碳平衡的影響和規(guī)律，探索最優(yōu)的調(diào)控策略，可為中國(guó)發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)和促進(jìn)農(nóng)業(yè)減排增匯提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在山東省桓臺(tái)縣華北集約農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)站（117°58′E，36°57′N，海拔6.5～29.5m，平均海拔17m）碳氮水循環(huán)試驗(yàn)地進(jìn)行（始于2010年6月）?；概_(tái)縣地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候帶，多年平均氣溫為12.5℃；平均日照時(shí)數(shù)為2 270.8h；平均降水量為587mm，主要集中在6～8月；平均無(wú)霜期198d。試驗(yàn)地種植模式為冬小麥-夏玉米輪作，冬小麥和夏玉米的平均產(chǎn)量分別達(dá)7.5 t/hm2和8.5 t/hm2，是典型的冬小麥-夏玉米輪作高產(chǎn)區(qū)［24］。供試土壤為潮褐土，試驗(yàn)地耕層土壤（0～20cm）土壤理化性狀見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)布置于2010年6月，至2014年10月已完成4季冬小麥和5季夏玉米試驗(yàn)（其中第1季夏玉米無(wú)施肥和灌水）。試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理（具體方案見表3），每個(gè)處理3次重復(fù)，分別是① C0N0W1（空白對(duì)照+常規(guī)灌溉）;②C0N1W1（常規(guī)氮輸入+化肥氮+常規(guī)灌溉），③C0N2W1（氮輸入減量+化肥氮+常規(guī)灌溉），④C1N2W1（氮輸入減量+有機(jī)肥+常規(guī)灌溉），⑤C2N2W1（氮輸入減量+有機(jī)肥化肥配施+常規(guī)灌溉），⑥C0N2W2（氮輸入減量+化肥氮+減量灌溉），⑦C1N2W2（氮輸入減量+有機(jī)肥+減量灌溉），⑧C2N2W2（氮輸入減量+有機(jī)肥化肥配施+減量灌溉）;其中減量氮輸入比常規(guī)氮輸入的總氮輸入量減量30％，有機(jī)肥化肥配施處理中，有機(jī)肥和化肥的氮輸入比重為1∶1;常規(guī)灌水量為100 mm·次-1，減量灌溉水平比常規(guī)灌溉水平用水量減少50％，由水表控制灌溉量。各小區(qū)面積為3.3 m×4 m，隨機(jī)區(qū)組排列。

試驗(yàn)地采樣期間為2013年6月至2014年5月， 其田間管理時(shí)間表詳見表2。 試驗(yàn)中選用的玉米品種為鄭單958， 小麥品種為魯原502。 施用的氮化肥為含N 46％的尿素，施用的磷肥為含P2O530％的重過磷酸鈣， 施用的鉀肥為含K2O 50％的硫酸鉀，其中90 kg·hm-2P2O5和90 kg·hm-2K2O在夏玉米播種時(shí)作為基肥一次施入，120 kg·hm-2的P2O5作為冬小麥的基肥一次施入。玉米季和小麥季施用的商品有機(jī)肥含氮量分別為1.02％和1.27％;所有處理人工播種收割，除了秸稈還田之外的處理秸稈都不還田。灌溉時(shí)間與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的習(xí)慣灌溉時(shí)間保持一致，灌溉方式為管灌。

1.3 采樣、測(cè)定和計(jì)算方法

1.3.1 土壤呼吸速率及其累積排放量 研究采用了靜態(tài)箱法測(cè)定了2013年6月至2014年5月（下文提到周年皆指這段時(shí)間）的農(nóng)田土壤呼吸速率。第一次采樣時(shí)間為上季冬小麥?zhǔn)斋@和下季玉米播種之間，此時(shí)土壤未進(jìn)行大的擾動(dòng)之前，作為這段時(shí)期田間無(wú)作物情況下碳（C）排放量的平均值。播種（同時(shí)施肥）后連續(xù)一周采樣，此后采樣頻率通常情況下為每周一次，若進(jìn)行施肥、灌水等田間管理活動(dòng)或者強(qiáng)降雨則進(jìn)行連續(xù)一周的采樣。具體的田間靜態(tài)箱采樣方法見李銀坤等（2013）［7，26］。在進(jìn)行氣樣采集的同時(shí)，讀取靜態(tài)箱內(nèi)的氣溫和5 cm地溫，并使用TDR同步測(cè)定土壤表層（0～10cm）體積水分。采集的CO2氣體樣本送到中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所用美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的7890A型氣相色譜進(jìn)行測(cè)定，并確保測(cè)定在2～5 d內(nèi)完成。CO2氣體樣品的測(cè)定條件、工作溫度、標(biāo)準(zhǔn)氣體和相對(duì)誤差均見李銀坤等（2013）［7］：

土壤呼吸速率或CO2排放通量（F，mg·m-2·h-1）的計(jì)算為公式（1）：

式（8）中：SOC為某一特定深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（Mg·hm-2），ρ為土壤容重（g·cm-3），c為特定土層深度SOC的平均含量（g·kg-1），di為不同分層土層的厚度（cm），i為考慮的土壤分層數(shù)量。

1.3.5 其他項(xiàng)目的測(cè)定方法

本研究所需氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)區(qū)自動(dòng)氣象站采集，部分缺失數(shù)據(jù)來(lái)自山東省桓臺(tái)縣氣象局。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用軟件OriginPro 9.1繪圖，采用SAS 9.3進(jìn)行指標(biāo)間的方差及差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同處理土壤呼吸通量的季節(jié)變化

試驗(yàn)期間周年日平均氣溫為13.9℃，比山東桓臺(tái)縣的多年平均氣溫（12.5℃）高1.4℃，變化幅度為-6.6℃（2014年2月10日）至31.7℃（2013年8月16日）;周年總降雨量為649mm，比山東桓臺(tái)縣的多年平均降雨量多62mm，最高降雨量為71.6mm，發(fā)生在2013年7月26日（圖1）。其中夏玉米季（2013年6月—2013年9月）日平均氣溫為24.4℃，累積降雨量557.8mm，高達(dá)周年降雨量的86％;冬小麥季（2013年10月—2014年6月）日平均氣溫為8.6℃，累積降雨量91.2mm，僅為周年降雨量的14％。

不同碳、氮、水處理措施土壤呼吸速率的季節(jié)變化都呈多峰模式，夏玉米季農(nóng)田土壤呼吸速率顯著高于冬小麥季（圖2）。土壤呼吸速率在夏玉米播種（2013年6月17日）后波動(dòng)上升，到大喇叭口期（2013年8月1日）達(dá)到周年峰值后開始下降;冬小麥播種時(shí)（2013年10月4日）出現(xiàn)土壤呼吸速率較小的峰值后下降，冬小麥越冬期（2013年11月26日至2014年2月17日）土壤呼吸速率下降到最低水平后，至小麥返青（2014年3月）又開始升高，土壤呼吸速率在小麥拔節(jié)期（2014年3月31日）和灌漿期出現(xiàn)峰值后再次小幅下降。影響土壤呼吸速率的農(nóng)田管理措施包括播種施肥、追肥灌溉（夏玉米和冬小麥分別在大喇叭口期和拔節(jié)期追肥灌溉），兩個(gè)時(shí)期均出現(xiàn)土壤呼吸峰值。土壤呼吸速率的最高峰峰值和谷值分別出現(xiàn)在夏玉米大喇叭口期和冬小麥越冬期，峰值分別為214.3～273.7 mg C·m-2·h-1和3.0～6.7mg C·m-2·h-1，其中峰值最高的是C1N2W1。

夏玉米季各處理平均土壤呼吸速率（以C計(jì)）為79.3～107.6 mg·m-2·h-1，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季土壤呼吸速率比C0N0W1分別變化-0.9％，6.6％，30.8％，18.2％，34.5％，11.9％和5.2％。冬小麥季各處理土壤呼吸速率為31.9～38.6 mg·m-2·h-1，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季土壤呼吸速率比C0N0W1分別變化1.2％，5.2％，21.1％，8.7％，19.8％，10.7％和0.0％。系統(tǒng)周年各處理年均土壤呼吸速率為49.6～63.8 mg·m-2·h-1，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季土壤呼吸速率比C0N0W1分別變化0.0％，6.1％，26.9％，14.3％，28.5％，11.4％和3.1％。

夏玉米季各處理土壤呼吸累積排放量（以C計(jì)）為1.99～2.65 t C·hm-2，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季土壤呼吸累積排放量比C0N0W1分別變化-9.6％，-3.6％，18.6％，6.4％，-1.8％，20.5％和3.2％，C1N2W2夏玉米季土壤呼吸累積排放量最高，C0N1W1夏玉米季土壤呼吸累積排放量最低，C1N2W2>C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N0W1>C0N2W1>C0N1W1（表4）。冬小麥季各處理土壤呼吸累積排放量為1.54～1.97 t C·hm-2，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2冬小麥季土壤呼吸累積排放量比C0N0W1分別變化6.5％，16.2％，27.9％，13.6％，9.1％，24.7％和20.8％，C1N2W1冬小麥季土壤呼吸累積排放量最高，C0N0W1冬小麥季土壤呼吸累積排放量最低，C1N2W1>C1N2W2>C2N2W2>C0N2W1>C2N2W1>C0N1W1>C0N0W1。周年各處理周年土壤呼吸累積排放量為3.64～4.58 t C·hm-2，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2周年土壤呼吸累積排放量比C0N0W1分別變化-2.9％，4.5％，22.1％，9.3％，2.1％，22.1％和10.1％，C1N2W1周年土壤呼吸累積排放量最高，C0N1W1周年土壤呼吸累積排放量最低，C1N2W1>C1N2W2>C2N2W2>C2N2W1>C0N2W1>C0N0W1>C0N1W1，其中夏玉米季土壤呼吸累積排放量占比為周年累積排放量的54.1～58.7％。

可以看出，秸稈還田和有機(jī)肥配施會(huì)增加土壤夏玉米季和冬小麥季的CO2排放，在其他管理方式相同的情況下，秸稈還田和有機(jī)肥配施會(huì)導(dǎo)致土壤CO2周年排放分別增加16.8～19.6％和4.6～7.8％。其中，在其他管理方式相同的情況下，秸稈還田會(huì)促使夏玉米季和冬小麥季的CO2排放量分別增加22.7～23.1％和10.1～14.3％，對(duì)夏玉米季的影響大于冬小麥季;有機(jī)肥配施主要增加了玉米生育期CO2排放量， 增加了5.1～10.4％， 對(duì)冬小麥季的影響為-2.2～10.7％。 在其他管理措施不變的情況下， 節(jié)水灌溉可以使夏玉米季、 冬小麥季和周年CO2排放分別變化-3.0～1.9％，-6.1～6.3％和-2.3～0.7％，其中在秸稈還田的情況下，節(jié)水灌溉會(huì)增加夏玉米季的CO2排放和減少冬小麥季的CO2排放，周年CO2排放與常規(guī)灌溉相似;在有機(jī)肥配施的情況下，節(jié)水灌溉會(huì)略微促進(jìn)CO2排放;在沒有有機(jī)碳輸入的情況下，節(jié)水灌溉會(huì)減少冬小麥季，但是增加夏玉米季的CO2排放，周年CO2排放低于常規(guī)灌溉。

2.2 不同處理土壤呼吸速率與地溫和土壤含水量之間的關(guān)系

一般用Rs=a·ekT（Rs為土壤呼吸速率，T為土壤溫度，a和k為回歸系數(shù)常數(shù)）描述土壤呼吸與土壤5cm地溫間的關(guān)系［7］。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，不同處理下土壤5cm地溫與土壤呼吸速率之間的關(guān)系擬合度均非常高，R2均在0.7以上，其中C0N2W2的R2最高，達(dá)到0.802，表明5cm地溫是影響不同碳、氮、水處理下土壤呼吸速率的主要因素，可以解釋其季節(jié)變化的71～81％（表5）。各處理土壤呼吸對(duì)地溫的敏感性系數(shù)（Q10）為2.06～2.43，Q10最高的是對(duì)照處理C0N0W1，Q10最低的是處理C2N2W2。

土壤呼吸與土壤含水量之間的關(guān)系可以用多種模型來(lái)擬合，例如線性模型、二次方程和指數(shù)模型等，其中y表示土壤呼吸速率（以C計(jì)，單位為mg·m-2·h-1），x為土壤表層（0～10cm）體積含水量［7］。線性模型擬合結(jié)果表明，在整個(gè)夏玉米-冬小麥的生育期，所有擬合均未達(dá)到顯著水平，R2也非常低，說(shuō)明在整個(gè)夏玉米-冬小麥生育期土壤含水量的變化對(duì)土壤呼吸速率沒有顯著影響（表6）。若使用二次方程來(lái)擬合，當(dāng)表層土壤（0～10 cm）體積含水量在15％以下時(shí)，土壤呼吸速率隨著土壤體積含水量（0～10 cm）的增加而減小，當(dāng)表層土壤（0～10 cm）體積含水量在15％至25％時(shí)，土壤呼吸速率隨著土壤體積含水量（0～10 cm）的增加而增加。

2.3 不同處理的產(chǎn)量

夏玉米季各處理產(chǎn)量為5.05～8.45 t·hm-2，與對(duì)照相比，各處理都有顯著的增產(chǎn)效果（p<0.05），C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季產(chǎn)量分別比C0N0W1增加56.2％，54.5％，66.9％，65.0％，56.0％，56.9％和67.3％，但非對(duì)照處理之間產(chǎn)量的差異則并不顯著（表7）。冬小麥季各處理產(chǎn)量為6.65～8.17 t·hm-2，與對(duì)照相比，除C0N2W2的處理都有顯著增產(chǎn)效果（p<0.05），C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季產(chǎn)量分別比C0N0W1增加13.2％，19.3％，21.6％，19.6％，12.2％和19.0％，但處理之間產(chǎn)量的差異也并不顯著。各處理在夏玉米季的增產(chǎn)效果大于冬小麥季。

不同處理周年產(chǎn)量為11.80～16.60t·hm-2，各處理都比對(duì)照有顯著的增產(chǎn)效果（p<0.05），C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2周年產(chǎn)量分別比C0N0W1增加31.4％，33.9％，40.7％，39.0％，22.9％，32.2％和39.8％。其中，秸稈還田處理（C1N2W1和C1N2W2）可以使周年產(chǎn)量比常規(guī)處理（C0N1W1）和優(yōu)化施肥處理（C0N2W1和C0N2W2）分別顯著增加25.6％和26.4～30.1％（p<0.05）;有機(jī)肥處理（C2N2W1和C2N2W2）可以使夏玉米產(chǎn)量比常規(guī)處理（C0N1W1）和優(yōu)化施肥處理（C0N2W1和C0N2W2）分別增加21.0％和21.8～31.2％（p<0.05）;但是秸稈還田處理和有機(jī)肥處理對(duì)2014—2016年夏玉米產(chǎn)量影響的差異性并不顯著。

2.4 不同碳氮水處理的系統(tǒng)碳平衡

不同處理的系統(tǒng)碳平衡核算見表8?？梢钥闯?，不同處理夏玉米季的凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）固碳量為7.5～13.5 t C·hm-2，各處理間有比較顯著的差異，夏玉米季NPP固碳量最高的是C1N2W1，最低的是C0N0W1;冬小麥季NPP固碳量為12.1～15.5t C·hm-2，各處理僅在不同的施氮量處理上差異明顯，冬小麥季NPP固碳量最高的是C1N2W1和C2N2W1，最低的為C0N2W2。周年NPP固碳量為19.7～29.0t C·hm-2，周年NPP固碳量變化為： C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N2W1>C1N2W2>C0N1W1>C0N2W2>C0N0W1。因此，這表明施用氮肥可以通過增加產(chǎn)量提高周年的凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量，但是有機(jī)碳輸入（即秸稈還田或者有機(jī)肥配施）對(duì)周年NPP固碳量沒有顯著影響。

不同處理夏玉米季系統(tǒng)凈碳輸入為1.6～4.2t C·hm-2，表明夏玉米農(nóng)田為大氣CO2的“匯”;各處理間都比空白對(duì)照（即C0N0W1）有比較顯著的差異，但是非對(duì)照處理間的差異不顯著，其中夏玉米季NEP最高的是C0N2W1，最低的是C0N0W1。冬小麥季NEP固碳量為4.2～5.8t C·hm-2，冬小麥農(nóng)田也為大氣CO2的匯，各處理僅在不同的施氮量處理上差異明顯，冬小麥季NPP固碳量最高的是C1N2W1，最低的是C0N2W2。周年NEP固碳量為6.0～9.6t C·hm-2，周年NEP固碳量 C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N2W1>C0N1W1>C1N2W2>C0N2W2>C0N0W1，與不同處理周年NPP固碳量的趨勢(shì)一致，除了C1N2W2，其余處理的都顯著高于空白對(duì)照（p<0.05）。

施用氮肥對(duì)系統(tǒng)碳平衡有雙方面的作用，一方面氮肥施用可通過增強(qiáng)作物根系呼吸和微生物呼吸促進(jìn)土壤呼吸［28-29］，增加了土壤呼吸釋放的總碳量;另一方面，施用氮肥會(huì)通過增加產(chǎn)量提高系統(tǒng)凈碳輸入。本研究發(fā)現(xiàn)，在其他管理措施相同情況下，氮肥施用可以顯著增加48～55％的周年系統(tǒng)NEP（p<0.05），其中會(huì)讓夏玉米季的NEP顯著增加150～158％，但是常規(guī)氮肥施用和優(yōu)化氮肥施用對(duì)NEP的影響之間的差異不顯著，這與李銀坤等［7］對(duì)該系統(tǒng)早期的研究結(jié)論基本一致。有機(jī)碳輸入（秸稈還田或者有機(jī)肥配施）由于同時(shí)增加了土壤碳輸入和促進(jìn)了土壤呼吸，對(duì)周年NEP固碳量沒有顯著影響。節(jié)水灌溉在沒有秸稈還田或者有機(jī)肥配施的情況下，會(huì)顯著減少冬小麥季的NEP，但對(duì)夏玉米季的NEP沒有顯著影響。

3 結(jié) 論

研究表明，華北高產(chǎn)農(nóng)田夏玉米季和冬小麥季都表現(xiàn)為大氣CO2的吸收匯，周年NEP為5.99～9.64t C·hm-2，周年NEP固碳量 C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N2W1>C0N1W1>C1N2W2>C0N2W2>C0N0W1。在其他管理措施相同情況下，氮肥施用可以顯著增加48～55％的周年系統(tǒng)NEP（p<0.05），其中會(huì)讓夏玉米季的NEP顯著增加150～158％，但是常規(guī)氮肥施用和優(yōu)化氮肥施用對(duì)NEP的影響之間的差異不顯著。有機(jī)碳輸入（秸稈還田或者有機(jī)肥配施）由于同時(shí)增加了土壤碳輸入和促進(jìn)了土壤呼吸，對(duì)周年NEP固碳量沒有顯著影響。節(jié)水灌溉在沒有秸稈還田或者有機(jī)肥配施的情況下，會(huì)顯著減少冬小麥季的NEP，但對(duì)夏玉米季的NEP沒有顯著影響。

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（編 輯 亢小玉）

收稿日期：2019－11－20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（71573260）

作者簡(jiǎn)介：夏旭，女，江蘇場(chǎng)州人，從事土壤碳氮循環(huán)研究。

通信作者：陳敏鵬，女，江西鄱陽(yáng)人，教授，從事農(nóng)業(yè)溫室氣體減排和增匯研究。