大氣CO2濃度升高對華北夏玉米地溫室氣體排放的影響

董李冰，郭李萍，馬 芬，牛曉光，刁田田，李 明，柳 瀛，郝興宇*

（1．山西農業(yè)大學農學院，山西 太谷 030801；2．農業(yè)農村部農業(yè)環(huán)境重點實驗室，中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

以大氣CO2濃度升高為主要特征及緣由的氣候變化已被各國政府及國際科學界所公認，大氣中溫室氣體CO2和N2O的濃度到2021年已經分別從工業(yè)化革命前的280 μmol·mol-1和270 nmol·mol-1提高了46%和23%，達到工業(yè)化前水平的1.46和1.23倍［1-2］。根據(jù)不同的排放情景，政府間氣候變化專業(yè)委員會在第5次評估報告指出，21世紀末大氣CO2濃度可能升高到550～936 μmol·mol-1，這將對農業(yè)生產中作物生產及土壤養(yǎng)分循環(huán)等諸多方面產生相應的影響，并進一步影響農業(yè)源溫室氣體，如旱地N2O及稻田CH4的排放［3］。

土壤中的N2O主要由微生物主導的生物化學過程所產生，其中包括硝化作用和反硝化作用等［4］。硝化作用在好氧條件下發(fā)生；反硝化作用則在厭氧條件下進行，而且需要有機碳作為反硝化微生物的電子供體和活動能源［5］；此外，旱地在施肥加灌溉后的短暫低氧條件下，硝化細菌的反硝化作用產生的N2O也大幅增加［6］。由于土壤的異質性，土壤中經常同時存在硝化作用和反硝化作用的不同位點。關于大氣CO2濃度升高（簡稱eCO2）下土壤中N2O排放的田間測定，前人有過一些報道，如基于自由大氣CO2富集平臺（簡稱FACE）在德國草地及國內稻麥系統(tǒng)上均有報道［7-8］。匯總一些其它FACE試驗的報道，總體上大氣CO2濃度升高使土壤N2O排放量平均增加了19%（范圍為5%～36%）［9-10］，而土壤中CO2排放也同時增加了15%～41%［11-12］。澳大利亞FACE平臺測定結果顯示，eCO2使小麥地 N2O 排放量增加了108%［8］。本課題組基于FACE試驗地早期進行的一些測定也顯示，eCO2使小麥地農田N2O排放增加了60%［11］。但是關于eCO2下華北典型農田主要作物種植系統(tǒng)如玉米地的N2O排放還鮮見報道，主要原因有FACE平臺建設及維護費用昂貴、長期持續(xù)進行的試驗少，不同種植系統(tǒng)下的研究測試平臺則更少。

CO2是作物進行光合作用的重要原料之一，eCO2下植物的光合作用增強，地下部的碳沉積也相應增加［13］，這同時會使土壤的硝化潛勢和反硝化潛勢有不同程度的增加［14］。在eCO2條件下，植物的光合作用一般會表現(xiàn)為增強［7］，同時光合產物向地下部的分配或碳沉積也顯示增加［13］，如細根數(shù)量增加［15］、根系分泌物增加［16-17］、土壤中可溶性有機碳增加［18］等，因此土壤呼吸作用相應表現(xiàn)為增加，并使土壤中氧氣濃度降低［19］，低氧條件下來自氨氧化之后的硝化細菌的反硝化作用產生的N2O更有可能大幅增加［6］。此外，由于eCO2下氣孔導度降低［20］、蒸騰作用降低［7］、土壤水分利用效率提高，土壤中水分含量可能有所提高，土壤中反硝化作用排放的N2O也有可能增加。土壤中排放的CO2主要來自生物學和生物化學過程，包括自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸，其中，自養(yǎng)呼吸包括植物根系呼吸及根際微生物呼吸，所消耗的有機碳底物直接來源于植物光合作用向地下分配的部分；異養(yǎng)呼吸則是土壤中微生物及動物分解土壤中有機碳所釋放出的CO2［21］。由于eCO2下根際碳沉積增加，土壤呼吸作用排放的CO2也可能增加。

鑒于eCO2下華北典型玉米地農田N2O排放特征及原因鮮有研究，本文擬針對eCO2下華北旱地農田典型C4作物夏玉米農田土壤N2O排放影響進行研究，并通過對土壤CO2排放通量及硝化、反硝化潛勢的測定及分析，初步闡釋eCO2對N2O排放的影響，為未來氣候變化下“土壤-作物”系統(tǒng)碳氮互作的養(yǎng)分轉化及低排放可持續(xù)農業(yè)生產提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地及試驗平臺概況

本研究在中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所于2007年建立的FACE平臺上進行，位于北京市昌平區(qū)（40.13°N，116.14°E），該地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，年均溫14℃，年降水量600 mm，其中60%的降水集中在7～9月。

該試驗點土壤類型為潮褐土，平臺自建立以來的種植模式為“冬小麥-夏玉米（夏大豆）”。該系統(tǒng)為全開放式的室外試驗系統(tǒng)，可模擬研究未來近地表大氣CO2濃度升高對農作物生長的影響。FACE系統(tǒng)主要包括CO2傳感器、控制系統(tǒng)和CO2氣體供應裝置。FACE小區(qū)由8根CO2氣管帶圍成正八邊形，直徑為4 m，分別有6個常規(guī)圈和6個高CO2圈。各小區(qū)間間隔大于14 m，以消除各小區(qū)之間的干擾［22］。

1.2 試驗設計

2017年夏玉米田間試驗設置了2個大氣CO2濃 度 處 理，aCO2（400 μmol·mol-1）和eCO2（550 μmol·mol-1），aCO2和eCO2各有6個圈并在田間呈隨機區(qū)組排列。2018年在2017年的基礎上，又增設氮肥的副處理，即低氮（LN，N 72 kg·hm-2）和高氮（HN，N 180 kg·hm-2），共有4個處理，分別為aCO2-LN、eCO2-LN、aCO2-HN、eCO2-HN；每個CO2濃度下LN和HN各3個圈，共12個圈，田間隨機區(qū)組排列。各小區(qū)磷鉀肥用量均相同，分別 為P2O5150 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2。氮 肥基追比為4∶6，磷肥和鉀肥全部作為基肥一次性施入?；屎妥贩识冀Y合灌溉進行，灌溉量40 mm每次。2017和2018年夏玉米季土壤5 cm處土壤溫度及土壤水分含量見圖1。

圖1 2017年（a）和2018年（b）夏玉米季土壤5 cm處土壤溫度和水分含量

1.3 取樣及測定方法

1.3.1 氣體樣品

氣體樣品取樣及測定采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，取樣箱田間扣箱位置包括1個完整的玉米行和1個行間，寬度為玉米株距。不透明取樣箱分為箱體和底座兩部分，頂部有開關以供抽取氣樣用；底座插入土中10 cm，取氣時箱體扣在底座之上，底座槽中加水以保持箱體與底座之間密封［23］。氣樣在夏玉米基肥和追肥后各連續(xù)取7 d、雨后連續(xù)加測2 d。取氣時間在每日的9：00～10：00，扣箱時間為20 min（此間氣體排放速率為線性增加），每次取樣30 mL于12 mL真空血清瓶中。取樣后一周內用氣相色譜儀（Agilent7890B）測定CO2和N2O濃度。取氣的同時，在土壤5 cm處安置探頭，測定5 cm處土壤溫度和土壤水分含量。

1.3.2 土壤樣品

在玉米喇叭口期追肥前采用土鉆法取土樣，用搖漿法和乙炔抑制法分別測定硝化潛勢和反硝化潛勢，測定方法詳見魯如坤《土壤農業(yè)化學分析方法》［24］。

2 結果與分析

2.1 大氣CO2濃度升高對土壤N2O排放的影響

由圖2可見，夏玉米地2017年土壤N2O排放通量在N 9.2～396.5 μg·m-2·h-1范圍內，排放峰主要發(fā)生在基肥后、追肥后和隨后的灌溉和降雨事件后，排放通量峰值一般出現(xiàn)在施肥后第2 d，一直到第5～7 d排放峰下降到背景排放數(shù)值。eCO2處理下基肥和追肥后的2個排放峰分別為（354.6±20.1）和（396.5±19.2）μg·m-2·h-1；而aCO2處理的這2個排放峰數(shù)值僅分別為eCO2處理的56.0%和53.4%。期間的幾個小峰，主要發(fā)生在灌溉和降雨后土壤中水分狀況有所提升的時期（圖2中虛線箭頭所示）。整個玉米生育期內eCO2和aCO2處理的土壤N2O平均排放通量分別為N（163.4±6.6）和（94.3±8.3）μg·m-2·h-1。

圖2 2017年夏玉米地農田N2O排放通量

2017年夏玉米生育期eCO2下N2O累積排放量比aCO2高65.9%（表1），各個階段的增加幅度不同，增加幅度依次為苗期＞喇叭口期＞抽雄-成熟期＞拔節(jié)期。具體來講，在基肥后的苗期和追肥后的喇叭口期增加幅度較大，分別增加了117.5%和60.0%；抽雄-成熟期由于氣溫較高且時間跨度長，eCO2處理的N2O階段累積排放量比aCO2處理增加了52.0%；而由于拔節(jié)期（6～12葉期）還未追肥，該期eCO2處理相比aCO2處理的N2O增加幅度較低，為20.9%。

表1 2017年夏玉米N2O累積排放量及排放系數(shù)

由圖3可見，2018年玉米生育期間土壤N2O排放通量在6.1～543.2 μg·m-2·h-1之間，各處理的N2O排放通量數(shù)值依次為eCO2-CN ＞ aCO2-CN ＞eCO2-LN ＞ aCO2-LN。同樣的，排放峰也主要發(fā)生在基肥后、追肥后和隨后的灌溉和降雨事件后。由于2018年玉米基肥后溫度較高，基肥后的N2O排放峰數(shù)值高于2017年；追肥后的N2O排放峰數(shù)值和2017年接近。不施氮的處理由于施肥后統(tǒng)一進行灌溉的緣故，在播種灌溉后也出現(xiàn)了較小的排放峰。在施氮條件下，基肥后和追肥后eCO2處理的N2O排放峰分別比aCO2處理高46.2%和27.5%，在LN情況下，eCO2和aCO2處理的排放量接近。

圖3 2018年玉米地N2O排放通量

由于2018年非施肥期的灌溉和降雨次數(shù)多于2017年，而2017年的灌溉和降雨事件與施肥時間有重合，因此，2018年各階段分區(qū)按照施肥、灌溉和降雨事件結合生育期劃分為5個階段（表2），數(shù)據(jù)顯示，除了基肥和追肥后的N2O排放量占比較高，分別占生育期總排放量的27.7%～40.4%和12.7%～24.4%；其次是時期較長的苗期和抽雄期，這2個時期的N2O累積排放量分別占到生育期總排放量的15.9%～23.9%和18.0%～23.8%；灌漿-成熟期持續(xù)時間也較長，但后期作物生長和氮素吸收量較高，沒有再行追肥，N2O排放占比較低（9.9%～13.3%）。不同時期，LN和HN水平下，eCO2階段累積排放量比aCO2分別高13.3%～112.6%和38.8%～80.7%。

表2 2018年玉米地N2O累積排放量及排放系數(shù)

N2O累積排放總量在LN和HN條件下，eCO2處理比aCO2處理分別顯著提高45.5%和51.5%。估算的N2O排放系數(shù)在LN和HN下分別為0.18%～0.30%和0.35%～0.58%，低氮下的排放系數(shù)低于高氮水平。

2.2 大氣CO2濃度升高對土壤CO2排放的影響

由圖4可見，2017年玉米季土壤CO2排放通量在C 67.6～336.8 mg·m-2·h-1之間波動，aCO2和eCO2下生育期內土壤CO2平均排放通量分別為C（189.6±10.3）和（221.2±11.1）mg·m-2·h-1，eCO2下的平均排放通量比aCO2下高16.6%。總體來看，各處理間的季節(jié)動態(tài)趨勢基本一致，主要受溫度、水分及玉米生長時期的綜合影響。基肥后相當長一段時間內地面覆蓋較少、氣溫較高，因此排放通量較高；之后到拔節(jié)-喇叭口期，屬玉米營養(yǎng)生長的旺盛期，根際碳沉積較為活躍，CO2排放通量較高。2個處理各時期土壤CO2平均排放通量依次為喇叭口期［C（72.6±3.2）mg·m-2·h-1］＞苗期［C（57.1±2.8）mg·m-2·h-1］＞拔節(jié)期［C（48.9±2.4）mg·m-2·h-1］＞抽雄-成熟期［C（36.3±1.8）mg·m-2·h-1］。

圖4 2017年玉米地土壤CO2排放通量

由表3可 知，與aCO2處理相比，eCO2處理在夏玉米生育期的土壤CO2累積排放量顯著增加16.7%。其中eCO2處理在拔節(jié)期和喇叭口期的累積排放量較aCO2處理增加幅度較高，分別為19.5%和22.7%；苗期和后期（抽雄-成熟期）eCO2處理的累積排放量增加幅度略低，分別為14.5%和14.2%。后期（抽雄-成熟期）持續(xù)時長較長，其排放量占生育期內總排放量的比例較高（39.4%～40.3%）。

表3 2017年玉米地土壤CO2累積排放量

由圖5可知，2018年夏玉米生育期土壤CO2排放通量在C 66.8～336.9 mg·m-2·h-1之間，與2017年的范圍大致相同。各處理平均排放通量在C 521.4～737.6 mg·m-2·h-1之間，排放通量數(shù)值大小依次為eCO2-HN ＞ aCO2-HN ＞ eCO2-LN ＞ aCO2-LN。土壤CO2排放峰主要出現(xiàn)在苗期及拔節(jié)期后，HN水平下，eCO2處理在這2個時期的排放峰分別為（335.6±15.1）和（336.8±14.7）mg·m-2·h-1。就生育期平均排放通量而言，LN和HN下，eCO2與aCO2處理的土壤CO2排放通量增幅接近，分別增加了20.6%和19.2%。

圖5 2018年玉米地土壤CO2排放通量

由表4可知，eCO2和氮肥施用均可以增加土壤CO2的排放量，其中eCO2和高量氮肥配合對CO2排放的促進作用更大：eCO2處理的土壤CO2累積排放量相較于aCO2提高了17.4%～17.6%；HN與LN相比，土壤CO2累積排放量提高了17.0%～17.3%。HN的土壤CO2累積排放量比LN提高17%（eCO2）和17.3%（aCO2）。其中，播種-出苗和抽雄期這2個階段的累積排放量增幅較高，eCO2處理比aCO2處理的CO2累積排放量在這2個階段分別平均增加了29.7%和21.1%，其余各時期的平均增幅在13.0%～17.5%之間。

表4 2018年玉米地CO2累積排放量及排放系數(shù)

2.3 大氣CO2濃度升高對土壤硝化潛勢和反硝化潛勢的影響

為了初步探討大氣CO2濃度升高影響土壤N2O排放的機理，本研究測定了關鍵生育期（喇叭口期）的土壤硝化潛勢和反硝化潛勢，以了解大氣CO2濃度升高對土壤氮素轉化過程的影響。

土壤硝化潛勢能反映土壤中氮素的硝化作用能力，以銨態(tài)氮轉化為硝態(tài)氮的能力所表示，由氨氮逐步轉化為羥氨、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，期間伴隨有N2O排放并產生一定的氮損失。測定數(shù)據(jù)顯示（圖6a），aCO2處理的硝化潛勢為NO3--N（121.8±6.1）μg·kg-1·h-1，而eCO2處理的硝化潛勢比aCO2高36.4%。

反硝化作用是土壤中硝態(tài)氮逐步還原為亞硝態(tài)氮、NO、N2O及N2的過程，其間伴隨N2O的排放及無機氮的損失。圖6b顯示，aCO2和eCO2的反硝化潛勢分別為（20.5±1.0）和（32.5±1.5）μg·g-1·h-1，eCO2處理相比aCO2處理顯著提高了59.0%。

圖6 不同處理的土壤硝化潛勢和反硝化潛勢

可以看出，在eCO2條件下，土壤中氮素轉化的硝化潛勢和反硝化潛勢都得到了增強，其數(shù)值分別比aCO2處理提高了36.4%和59.0%，對反硝化潛勢的促進作用更明顯一些。

3 討論

土壤中N2O及CO2排放受多種因素的綜合影響，N2O主要受施肥、灌溉和降雨的影響，排放峰出現(xiàn)在施肥和降雨后即為最明顯的表現(xiàn)；而CO2排放主要受氣溫、土壤水分及作物生育期的影響，不同生育期由于植物生長的影響及其根際碳沉積（如根系分泌物、更新死亡的根系、凋落的根尖細胞等）的不同而表現(xiàn)的不盡相同。

本研究中，eCO2處理的土壤N2O排放在2017和2018年都顯著高于aCO2處理（圖2和4），特別是在基肥后和追肥后以及緊接著追肥后的灌溉和降雨期（表3和5），即營養(yǎng)生長期間的增幅較高。這與文獻中的報道一致，即在玉米營養(yǎng)生長階段的N2O累積排放量在整個生育期的占比高于生殖生長期的占比，這主要由于前期玉米根系沒有完全建成、吸收的氮素較少，施肥后硝化作用及反硝化作用產生的氮損失及N2O排放較高［25］。

本研究中，2017和2018年的eCO2處理相比aCO2處理在玉米生育期的土壤N2O累積排放量排放分別增加了65.9%和48.5%（LN和HN下分別增加了45.5%和51.5%），這與其它報道一致，不過本研究中eCO2下的N2O增幅低于大部分其它FACE農田的報道，可能是因為本研究FACE試驗年份持續(xù)較長（已是持續(xù)高CO2供應的第10和11年），eCO2效應隨時間的延續(xù)有降低的趨勢，植物對高CO2具有了適應性，各項反應（其中包括根際碳沉積及N2O排放）會隨之減弱的緣故［26-27］。例如，澳大利亞小麥FACE第3年試驗表明，eCO2使小麥地N2O排放量增加了108%，而且在營養(yǎng)生長期的增加幅度高于生殖生長期［8］；本FACE試驗早年的eCO2下N2O排放量相比aCO2下的排放量增加率［11］也相應高于本文測定的結果。

2017年玉米生育期總降水量442.6 mm，發(fā)生降水事件約12次，但單次降水量僅有3次高于50 mm，還 有3次 介 于20～430 mm之 間。2018年夏玉米生育期總降水量349.6 mm，共發(fā)生降水21次，其中80%的降水量在5 mm以上，大部分降水事件的單次降水量在8 mm以上，有5次降水量在20～35 mm之間；因此整體上來講，2018年土壤水分狀況較好，水分含量大于25%（v/v）的時期較多（圖1）。此外，2018年追肥后N2O排放峰出現(xiàn)略晚的原因主要是由于2018年追肥和灌溉時間比2017年遲，數(shù)據(jù)也體現(xiàn)出施肥和灌溉是引起N2O排放的主要因素，這與文獻報道相一致［28-29］。

eCO2處理的土壤CO2排放量也同樣顯示增加，這與Lam等［8］的研究一致，其報道顯示在550 μmol·mol-1的大氣CO2濃度下，CO2排放量增加了29%，尤其是在營養(yǎng)生長階段更為明顯。這可能是由于大氣CO2濃度的升高，植物營養(yǎng)生長盛期向根系輸送的光合產物增加，包括根系分泌物及根系更新后的死亡殘體等［10］，這部分增加的根際碳沉積物被土壤微生物分解［30］，一部分以CO2的形式釋放到大氣中［31］，從而導致土壤CO2的排放量增加。低氮可以減少CO2排放，特別是CO2的累積排放量降低，可能是低氮下光合產物及根際碳沉積較低所致［25，32-33］。

本研究測定數(shù)據(jù)顯示，eCO2處理的土壤硝化潛勢和反硝化潛勢都比aCO2處理明顯提升、且反硝化潛勢的增加幅度更高（59.0% vs 36.4%），可能來自反硝化及硝化作用的N2O排放都對土壤N2O排放有貢獻，這與Ambus等［34］和Carnol等［35］的研究結果相似?？赡苁且驗榇髿釩O2濃度的升高從而促進了玉米的光合作用［21］，使土壤中的活性有機碳增加［13，15］，進而極大地促進了反硝化潛勢。此外，由于eCO2下土壤呼吸增加，土壤中氧分壓可能降低，來自硝化作用中硝化細菌的反硝化作用步驟的N2O貢獻也有可能大幅增加［6］，這些過程都對eCO2下土壤N2O排放增加有貢獻，具體各過程及步驟對eCO2下N2O排放貢獻的份額，有待之后進行進一步的深入研究。

4 結論

本研究通過2年的FACE平臺夏玉米試驗，得到如下主要結果：

（1）大氣CO2濃度升高條件下，夏玉米生育期土壤N2O累積排放量增加了45.5%～65.9%，高氮條件下的幅度高于低氮條件。夏玉米季，土壤溫度不是限制因子，N2O排放主要受施肥、降水和灌溉的共同影響。

（2）大氣CO2濃度升高條件下，夏玉米生育期土壤CO2的累積排放量增加了16.7%～20.6%。其中在營養(yǎng)生長期的增加幅度較高，土壤CO2排放主要受土壤溫度、土壤水分和玉米生育階段的共同影響。

（3）大氣CO2濃度升高條件下土壤硝化潛勢和反硝化潛勢分別提高了36.4%和59.0%，對N2O排放增加有貢獻。