CO2濃度和溫度升高對冬小麥土壤無機態(tài)氮及溫室氣體排放的影響

呂丹尼，郝興宇，楊 凈，宗毓錚，張東升，史鑫蕊，李 萍

（山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，太谷 030801）

小麥（Triticum aestivumL.）是世界第二大糧食作物，且全球種植面積最大、總產(chǎn)最高［1］，其種植面積占糧食作物種植總面積的20%［2］。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告［3］指出，到本世紀末，大氣CO2濃度將達到421～936 μmol/mol。CO2、CH4和N2O是最主要的三種溫室氣體［4］。早在2005年，我國溫室氣體排放量就已經(jīng)達到70.46億噸CO2量［5］。因此，研究CO2濃度和溫度升高的條件下麥田溫室氣體的排放具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學者對關(guān)于CO2濃度升高和溫度升高對農(nóng)田溫室氣體排放的影響已開展了廣泛的研究。增加土壤中無機氮含量會對溫室氣體排放產(chǎn)生影響。CO2濃度升高促進了有機氮的礦化，溫度升高提高了較難利用的有機氮的礦化率［6］。溫度和CO2濃度變化可能會促進氮礦化，影響農(nóng)田溫室氣體的排放。大氣中CO2濃度和溫度的升高還促進了稻田表層土壤CH4和N2O的產(chǎn)生［7］。有研究者利用人工模擬溫度升高（temperature of free air CO2enrichment，T-FACE）平臺觀測發(fā)現(xiàn)，升高CO2濃度和溫度會顯著增加稻田CH4的排放，且麥田生長季CH4排放很少［8］。旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤溫室氣體狀態(tài)分別為CH4吸收狀態(tài)、土壤CO2以及土壤N2O呈排放狀態(tài)［9］。稻田輪作發(fā)現(xiàn)，N2O對全球綜合溫室效應(yīng)（global warming potential，GWP）的貢獻較小，而CH4對GWP的貢獻率高達85%［10］。目前已有大量研究者探討了升高溫度和CO2濃度對作物生理指標的影響，但是對于農(nóng)田溫室氣體排放通量、產(chǎn)量與GWP和溫室氣體排放強度（greenhouse gas emission intensity，GHGI）相互關(guān)系的研究還不夠深入。為此，本研究擬開展CO2濃度和溫度升高對冬小麥土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量及溫室氣體排放通量和生長季排放量影響的研究，并結(jié)合冬小麥的產(chǎn)量計算GWP和GHGI，對CO2濃度和溫度升高下黃土高原地區(qū)麥田溫室氣體進行估算，為氣候變化下農(nóng)業(yè)減排措施提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試冬小麥品種為‘中科2011’，由中國科學院遺傳發(fā)育研究所培育。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗開展于山西省晉中市山西農(nóng)業(yè)大學太谷校區(qū)旱作小麥研究基地，在控制氣室（鋁合金框架玻璃結(jié)構(gòu)，每個氣室長8.0 m、寬3.0 m、高3.2 m）中進行，氣室采用自然光，玻璃透光率為80%～90%。利用自動控制系統(tǒng)（邯鄲冀南新區(qū)盛炎電子科技有限公司）進行大氣CO2濃度和溫度控制，對照（control check， CK）處理與大田溫度和CO2濃度變化一致（實時控制，包括日變化及季節(jié)變化）。共設(shè)有4個獨立氣室，分別為T0C0（環(huán)境溫度，環(huán)境CO2濃度400 μmol/mol）、T1C0（環(huán)境溫度+2℃ ，環(huán)境 CO2濃度400 μmol/mol）、T0C1（環(huán)境溫度，CO2濃度600 μmol/mol）、T1C1（環(huán)境溫度+2℃，CO2濃度 600 μmol/mol）。

采集農(nóng)田耕層（0～20 cm）的褐潮土自然風干后，過2 mm孔徑的篩，剔除雜物后裝入塑料整理箱中。整理箱底部有5個小孔用于排水，內(nèi)裝約28 cm的土。土壤有機質(zhì)含量為2.45 g/kg、全氮含量為1.36 g/kg，有效磷含量為22.61 mg/kg，速效鉀含量為289.70 mg/kg。每個整理箱中縱向播種2列冬小麥種子，每列播種60粒，每個氣室每個處理種植4箱。2017年10月25日播種，施1.76 g尿素作為底肥，并澆水2 L。2017年11月25日澆水5 L。2018年3月3日施2 g尿素作追肥，并澆8 L水，3月27日澆水6 L。其余時間視土壤含水量狀況對冬小麥進行澆水，澆水量為每盆4～6 L。

1.3 測定項目與方法

冬小麥播種到收獲的整個生育期內(nèi)每3～7 d進行一次冬小麥土壤溫室氣體的取樣，施肥后加密觀測，取樣時間為上午9:00 —10:00。溫室氣體排放量采用靜態(tài)箱法。試驗開始前將底座埋入土壤中，采樣時將頂蓋罩在底座上，接口處用水密封［11］。靜態(tài)箱頂蓋上裝有帶三通閥的出氣口，取樣時用針管將箱內(nèi)氣體抽入真空管中，一周內(nèi)用氣相色譜儀（Agilent7890B，美國）測定CO2、N2O和CH4的濃度［12］。用2 mol/L的KCl溶液浸提-靛酚藍比色法測定土壤銨態(tài)氮含量，用雙波長紫外分光光度法測定硝態(tài)氮含量［13］。

GWP和GHGI計算方法如下：

在100年的時間尺度上，CH4的增溫潛勢是等量CO2的25倍，N2O的增溫潛勢是等量CO2的298倍［14］，由此可計算出作物生長季的GWP（kg/hm2），公式為 ：

式（1）中，A為GWP；RN為N2O總排放量（kg/hm2）；RC為CH4總排放量（kg/hm2）；C為CO2總排放量（kg/hm2）。

作物生長季的GHGI（kg/kg）的計算公式為：

式（2）中，B為GHGI；A為GWP（kg/hm2）；Y表示單位面積的作物產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度和溫度升高對冬小麥土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響

2.1.1 CO2濃度和溫度升高對冬小麥土壤硝態(tài)氮含量的影響

拔節(jié)期，T1C0、T0C1及T1C1中冬小麥土壤的硝態(tài)氮含量較T0C0分別增加了263.35%（P＜0.05）、113.11%（P＜0.05）和237.96%（P＜0.05）。開花期，T1C1中冬小麥土壤的硝態(tài)氮含量較T0C0增加了100.01%（P＜0.05），而T1C0、T0C1對其無顯著影響。灌漿期，T0C1中冬小麥土壤的硝態(tài)氮含量較T0C0減少了38.90%（P＜0.05），T1C1中冬小麥土壤的硝態(tài)氮含量較T0C0增加了37.02%（P＜0.05）（圖1）。

圖1 CO2濃度和溫度升高對冬小麥土壤硝態(tài)氮含量的影響Fig. 1 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on soil nitrate nitrogen content of winter wheat

2.1.2 CO2濃度和溫度升高對冬小麥土壤銨態(tài)氮含量的影響

拔節(jié)期，T1C0、T0C1及T1C1中冬小麥土壤的銨態(tài)氮含量較T0C0分別顯著增加了54.25%（P＜0.05）、57.38%（P＜0.05）和53.68%（P＜0.05）。開花期，T1C0、T0C1及T1C1中冬小麥土壤的銨態(tài)氮含量較T0C0分別增加了47.74%（P＜0.05）、55.28%（P＜0.05）和36.84%（P＜0.05）。灌漿期，T1C0、T0C1及T1C1中冬小麥土壤的銨態(tài)氮含量較T0C0分別增加了65.68%（P＜0.05）、20.16%（P＜0.05）、8.96%（P＜0.05）（圖2）。

圖2 CO2濃度和溫度升高對冬小麥土壤銨態(tài)氮含量的影響Fig. 2 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on soil ammonium nitrogen content of winter wheat

2.2 對冬小麥溫室氣體與生長季排放量的影響

2.2.1 對冬小麥土壤CO2排放通量和生長季排放量的影響

如圖3所示，CO2排放通量在越冬期比較少。冬小麥返青后，CO2排放通量開始增加，但各處理波動較大，排放通量差異不明顯。

圖3 CO2濃度和溫度升高對土壤CO2排放通量的影響Fig. 3 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on soil CO2 emission flux

T1C0、T0C1及T1C1的CO2生長季總排放量較T0C0分別顯著增加了20.73%、22.18%和23.28%（圖4）。

圖4 CO2濃度和溫度升高對冬小麥生長季CO2總排放量的影響Fig. 4 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on total CO2 emissions of winter wheat during growing season

2.2.2 對冬小麥土壤N2O排放通量和生長季排放總量的影響

在種植冬小麥后第3天（2017年10月27日），N2O排放量在T1C0條件下較高，之后在整個越冬期各處理N2O排放量一直維持在較低范圍內(nèi)。在返青期3月初對冬小麥進行澆水灌溉后，N2O排放迅速增長達到一個高峰，隨后在2018年3月8日對冬小麥進行追肥，各處理N2O排放又出現(xiàn)一個小高峰，追肥后3月27日第一次澆水，各處理N2O排放迅速出現(xiàn)峰值，其中T1C0條件下N2O排放量最大，T1C1條件N2O排放量次之（圖5）。

圖5 CO2濃度和溫度升高對土壤N2O排放通量的影響Fig. 5 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on soil N2O emission fluxes

T1C0及T1C1處理N2O生長季總排放量較T0C0分別顯著降低了26.35%、18.41%。T0C1的N2O生長季總排放量較T0C0顯著增加了3.85%（圖6）。

圖6 CO2濃度和溫度升高對冬小麥生長季N2O總排放量的影響Fig. 6 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on total N2O emission in winter wheat growing season

2.2.3 對冬小麥土壤CH4排放量和生長季排放總量的影響

土壤CH4排放量在0值附近波動且波動幅度比較小。2017年11月20日T1C1中有個吸收峰（負值表示土壤吸收）（圖7）。

圖7 CO2濃度和溫度升高對土壤CH4排放通量的影響Fig. 7 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on soil CH4 emission flux

T1C0中CH4生長季總吸收量較T0C0顯著減少了93.56%，而T0C1及T1C1對其無顯著影響（圖8）。

圖8 CO2濃度和溫度升高對冬小麥生長季CH4總排放量的影響Fig. 8 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on total CH4 emission in winter wheat growing season

2.3 CO2濃度和溫度升高背景下冬小麥土壤CO2和N2O階段排放占比

T1C0中CO2冬前排放比例較T0C0增加了2.46%，越冬期較T0C0增加了45.24%，返青期（追肥）后較T0C0增加了5.39%，拔節(jié)-成熟期較T0C0減少了10.76%。T0C1中CO2冬前排放比例較T0C0增加了29.93%，越冬期較T0C0增加了178.19%，返青期（追肥）較T0C0減少了21.89%，拔節(jié)-成熟期較T0C0減少了18.72%。T1C1中CO2越冬期排放比例較T0C0增加了178.19%，返青期（追肥）較T0C0減少了21.89%，CO2冬前排放與拔節(jié)-成熟期較T0C0變化不顯著，但從整個生育期來看，CO2排放量在拔節(jié)-成熟期所占比值較大（表1）。

表1 CO2濃度和溫度升高下冬小麥土壤CO2和N2O排放占比Tab. 1 Proportion of soil CO2 and N2O emissions of winter wheat under elevated CO2 concentration and increased temperature unit: %

T1C0中N2O冬前排放比例較T0C0增加了6.02%，越冬期較T0C0減少了2.49%，返青期（追肥）較T0C0減少了5.20%，拔節(jié)-成熟期較T0C0增加了1.67%。T0C1中N2O的比例在冬小麥各時期較T0C0變化不顯著。T1C1冬前排放N2O的比例較T0C0增加了4.55%，越冬期較T0C0減少了4.06%，而返青期（追肥）、拔節(jié)-成熟期較T0C0變化不顯著，從整個生育期來看，N2O排放量在返青期（追肥）所占比值較大。

2.4 CO2濃度和溫度升高背景下對冬小麥產(chǎn)量及全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度的影響

T1C0的冬小麥產(chǎn)量較T0C0顯著減少了19.93%，而T0C1和T1C1分別增加了15.36%（P＜0.05）、9.88%。冬小麥GWP在T1C0、T0C1和T1C1中較T0C0均顯著增加（P＜0.05），分別增加了14.45%、19.73%和17.72%。冬小麥GIGH在T1C0中較T0C0顯著增加了24.35%（P＜0.05），T0C1和T1C1處理下GHGI均低于T0C0，但不顯著（表2）。

表2 CO2濃度和溫度升高背景下冬小麥全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度的影響Tab. 2 Influence of global warming potential and greenhouse gas emission intensity on winter wheat under elevated CO2 concentration and increased temperature

3 討論

本研究表明，CO2濃度和溫度升高條件下拔節(jié)期麥田土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量顯著增加，由于返青后對冬小麥澆水施肥的緣故［16］，此時土壤N2O排放量出現(xiàn)峰值，其余在開花期、灌漿期土壤無機氮在CO2濃度和溫度升高條件下變化不顯著，且含量遠低于拔節(jié)期，說明隨著冬小麥生長需氮量增加，后期土壤無機氮含量下降。CO2濃度升高會促進植株地下部生物量和生物活動量增加，并且根系的變化可能引起土壤結(jié)構(gòu)變松散，進而促進土壤排放N2O［17］。大氣CO2濃度升高可提高作物光合作用，對植株氮素吸收代謝產(chǎn)生影響，進而影響土壤氮轉(zhuǎn)化［18］。有研究表明，單一溫度和CO2濃度升高以及二者同時增加會增加土壤NH4+-N含量［19］。本研究結(jié)果也證實了這一點。土壤硝態(tài)氮含量變化可能與田間水分管理有關(guān)，因為溫度升高影響水分含量，進而影響土壤N2O的排放［20］。

CO2濃度和溫度升高條件下冬小麥土壤的CO2生長季排放總量會顯著增加，而N2O生長季排放總量在T0C1中會顯著增加；T1C1處理冬小麥土壤CH4排放通量大致在0值附近波動，說明CH4是麥田土壤的吸收匯，且生長季排放總量只有在T1C0中會顯著增加。T1C1中冬小麥土壤CO2、N2O和CH4排放通量有不同程度的增加，這與王穎等［21］的結(jié)果一致。CO2濃度增加可通過刺激作物地下部生物量為反硝化菌種群提供能量，從而加速生物分解作用，并促進N2O的排放［22］，同時可在短期內(nèi)促進土壤呼吸，增加微生物活動，加快養(yǎng)分周轉(zhuǎn)，提高土壤養(yǎng)分的有效性［23］。CO2濃度升高提高了水稻根系的生物量和通氣性，從而使CO2向根部的輸送增加，促進了甲烷氧化，進而減少CH4排放，CO2濃度高達700 μmol/mol時，稻田土壤的CH4排放被顯著抑制［24］。

T0C1和T1C1條件下冬小麥產(chǎn)量較對照增加，這是因為CO2濃度升高對植物一般有施肥效應(yīng)［25］。GWP為正，表明溫室氣體是大氣的源，且對環(huán)境不利［26］。其他研究發(fā)現(xiàn)，T1C0、T0C1以及T1C1均可導(dǎo)致麥田GWP增加［27］。本研究中T1C0的GHGI值最高，產(chǎn)量最低，且與其他處理差異顯著，可能是作物呼吸作用加強、增排減產(chǎn)的結(jié)果；其他三個處理T0C1、T1C1與T0C0中農(nóng)田GHGI值彼此無顯著差異，其中增CO2處理（T0C1/T1C1）的產(chǎn)量均顯著高于T0C0，說明CO2濃度升高對植物有施肥效應(yīng)，在促進作物生長的過程中會影響土壤微生物群落，使土壤CO2排放量增加，但由于作物產(chǎn)量提高，CO2的固定也隨之增加。

本研究只測定了冬小麥全生育期的氣體交換值及部分生育期土壤無機氮含量，并估計了GWP和GIGH，今后需更深入地從土壤-微生物系統(tǒng)來探討影響冬小麥土壤溫室氣體排放的內(nèi)在影響。土壤中碳的周轉(zhuǎn)取決于土壤的管理和其他物理因素［28］，比如土壤團聚體大小會間接影響土壤溫室氣體排放。未來CO2濃度和溫度升高條件下麥田溫室氣體排放的響應(yīng)機制還需進一步探討，為能找到一種科學方法減排溫室氣體并保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

綜上所述，CO2濃度升高和溫度升高條件下，拔節(jié)期麥田土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量顯著增加，CO2和N2O生長季總排放量均有不同程度的增加，CH4生長季總排放量在升溫處理下會顯著減少。從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排碳匯綜合分析，大氣增溫和增CO2對溫室氣體排放影響不大。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是大氣系統(tǒng)中溫室氣體的第二大碳源［29］，施肥、灌溉、農(nóng)機等不合理的投入會增加溫室氣體的排放［30］。因此，農(nóng)業(yè)減肥、減藥、少免耕、輕簡化栽培的綠色發(fā)展之路是當下和今后農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。