葉桂香，史永暉，王良，陳玉潔，辛延斌，劉文茹，陳國(guó)慶*

秸稈還田的小麥–玉米農(nóng)田 N2O 周年排放的量化分析

葉桂香1，史永暉2，王良1，陳玉潔1，辛延斌1，劉文茹1，陳國(guó)慶1*

（1 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安 271018；2 濟(jì)南市土壤肥料站，山東濟(jì)南 250021）

【目的】N2O 是重要的溫室氣體之一，主要來(lái)源于農(nóng)田土壤。華北平原是我國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)，秸稈還田是該地區(qū)主要的農(nóng)田管理措施，明確不同秸稈還田量對(duì)小麥玉米農(nóng)田周年土壤溫度和含水量的影響以及與 N2O 排放之間的量化關(guān)系，對(duì)發(fā)揮秸稈還田的生態(tài)效應(yīng)，明確硝化和反硝化作用機(jī)制具有重要意義?！痉椒ā恳远←湣⑾挠衩诪檠芯繉?duì)象，設(shè)置 5 種不同秸稈還田量處理：小麥、玉米秸稈均不還田 (T0)；小麥秸稈 1875 kg/hm2+玉米秸稈 2000 kg/hm2還田 (T1)；小麥秸稈 3750 kg/hm2+ 玉米秸稈 4000 kg/hm2還田 (T2)；小麥秸稈 5625 kg/hm2+ 玉米秸稈 6000 kg/hm2還田 (T3)；小麥秸稈 7500 kg/hm2+ 玉米秸稈 8000 kg/hm2還田 (T4)。于 2014 年10 月～2015 年 10 月，采用靜態(tài)箱–氣相色譜法對(duì)農(nóng)田 N2O 排放進(jìn)行測(cè)定，探究不同秸稈還田量下小麥玉米農(nóng)田 N2O 排放的周年變化，并量化分析土壤溫度、含水量與 N2O 排放的關(guān)系。【結(jié)果】秸稈還田量顯著影響 N2O的排放，隨著秸稈還田量的增加，周年內(nèi) N2O 排放總量呈增加的趨勢(shì)，增加量為 1.33～3.50 kg/hm2，增加率為32.3%～85.0%；通量增加量為 15.52～40.87 μg/(m2·h)，增加率為 32.3%～85.1%。玉米季 N2O 排放通量和總量分別是小麥季的 2.42～2.62 和 1.05～1.14 倍。秸稈還田可提高 0—10 cm 土壤溫度和 0—20 cm 土壤含水量，增加范圍分別為 0.63～2.14℃ 和 0.6%～1.8%。相關(guān)性分析表明，各處理土壤溫度和 N2O 排放通量無(wú)相關(guān)關(guān)系(P > 0.05)。T0、T1、T2 處理土壤含水量與 N2O 排放通量呈顯著正相關(guān)(P < 0.05)，而 T3、T4 處理與 N2O 排放通量之間不相關(guān)(P > 0.05)?！窘Y(jié)論】隨著秸稈還田量的增加，N2O 排放通量和總量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且玉米季高于小麥季。秸稈還田顯著促進(jìn) N2O 排放并可提高 0—20 cm 土壤含水量和 0—10 cm 土壤溫度，周年秸稈還田量在7750 kg/hm2及以下時(shí)，N2O 排放通量與土壤含水量之間呈顯著正相關(guān)，而與土壤溫度之間不相關(guān)。

秸稈還田；氧化亞氮；土壤含水量；土壤溫度

N2O 是重要的溫室氣體之一，能夠破壞大氣平流層，引發(fā)溫室效應(yīng)[1]。其單分子百年尺度增溫潛勢(shì)(GWP，global warming potential) 是 CO2的 265 倍，對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率為 6%[2]。農(nóng)田土壤是 N2O的重要排放源，每年向大氣排放的 N2O 總量約為 N 3.5 × 106t，占人為源排放量的 61.4% 和全球總排放量的 23.8%[3]。土壤 N2O 排放是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，受氣象因素、土壤理化性質(zhì)和農(nóng)田管理措施等因素的綜合影響[4]。中國(guó)秸稈產(chǎn)量非常豐富[5]，秸稈還田是重要的農(nóng)田管理措施。華北平原是我國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)，冬小麥–夏玉米一年兩熟輪作為主體種植制度，秸稈還田是該地區(qū)主要的農(nóng)田管理措施[27]。在氣候變暖背景下，明確秸稈還田對(duì) N2O 排放的影響及量化關(guān)系具有重要意義[6–7]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于秸稈還田對(duì) N2O 排放的影響持有不同觀點(diǎn)，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田促進(jìn) N2O 排放[8–9]，同時(shí)也有學(xué)者認(rèn)為秸稈還田降低 N2O 排放[10–11]。秸稈既可作為基質(zhì)直接參與土壤硝化與反硝化過(guò)程，又可通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)來(lái)影響土壤硝化與反硝化過(guò)程來(lái)影響 N2O 排放[12–13]。秸稈還田對(duì)土壤溫度和含水量變化具有不同程度的影響[14–15]。秸稈具有增溫保墑的作用，可與地表形成一層與大氣熱交換的障礙層，減少土壤熱量向大氣中散發(fā)，并阻止熱量向土壤更深層次運(yùn)輸[16]。秸稈的保墑作用主要體現(xiàn)在秸稈可以減少土壤水分蒸發(fā)并阻止水分下滲[17–20]，與不還田相比，秸稈全量還田使春玉米生育期 0—10 cm 和11—20 cm 土層平均溫度分別增加 0.5℃ 左右[21]；秸稈還田顯著提高水旱輪作制度下 0—5 cm 和 5—15 cm土層的土壤含水量，半量還田和全量還田比不還田分別增加 3.2%～19.5% 和 4.5%～19.1%[22–23]。在一定的含水量條件下，土壤 N2O 排放通量隨著土壤溫度的增加呈指數(shù)增加[24–25]，與土壤含水量呈線(xiàn)性相關(guān)，灌溉和降水是造成 N2O 排放通量變化的主要原因[26]。

秸稈還田影響著土壤含水量和溫度，進(jìn)而也影響著土壤 N2O 的排放[28]，但不同秸稈還田量對(duì)小麥玉米農(nóng)田周年 N2O 排放的量化影響關(guān)系少有研究。本研究通過(guò)對(duì)農(nóng)田土壤 N2O 排放通量進(jìn)行周年觀測(cè)，量化不同秸稈還田量對(duì)土壤溫度和含水量的影響，以期為農(nóng)田溫室氣體減排、合理進(jìn)行秸稈還田提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

大田試驗(yàn)位于山東省泰安市岱岳區(qū)大汶口鎮(zhèn)(117°3′57″E、35°58′8″N)，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足。該地區(qū)年平均氣溫 13.0 ℃，年均日照時(shí)數(shù) 2627.1 h，年均降雨量 786.3 mm，具有華北平原的典型氣候特點(diǎn)。供試土壤為棕壤，土層深厚，地下水在 5 m 以下。試驗(yàn)地 0—20 cm 土層土壤含有機(jī)質(zhì) 13.30 g/kg、全氮 0.82 g/kg、水解氮85.87 mg/kg、有效磷 27.48 mg/kg、速效鉀 129.70 mg/kg、有效硫 43.35 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

試驗(yàn)采用小麥–玉米一年兩熟種植模式。小麥供試品種為‘濟(jì)麥 22’，2014 年 10 月 3 日播種，播種量 90 kg/hm2，行距 20 cm，2015 年 6 月 9 日收獲；玉米供試品種為‘鄭單 958’，2015 年 6 月 16日播種，種植密度為 7.5 × 104株/hm2，行距 60 cm，2015 年 10 月 1 日玉米收獲。各處理統(tǒng)一施肥模式，小麥季和玉米季分別施入純氮 225 kg/hm2，基追比為4∶6，基肥于小麥播種前 (2014 年 10 月 2 日) 和玉米播種前 (2015 年 6 月 15 日) 撒施，于小麥拔節(jié)期(2015 年 3 月 29 日) 和玉米大口期 (2015 年 8 月 7 日)溝施追肥，氮肥類(lèi)型為尿素。小麥季和玉米季施磷肥 (P2O5) 147 kg/hm2、鉀肥 (K2SO4) 450 kg/hm2、作為基肥隨氮肥一次性施入。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)置 5 種不同秸稈還田量處理，3 次重復(fù)。分別為 T0，小麥玉米均不還田；T1，小麥 1875 kg/hm2+玉米 2000 kg/hm2；T2，小麥 3750 kg/hm2+ 玉米4000 kg/hm2；T3，小麥 5625 kg/hm2+ 玉米 6000 kg/hm2；T4，小麥 7500 kg/hm2+ 玉米 8000 kg/hm2(表 1)。秸稈還田于冬小麥、夏玉米收獲后進(jìn)行，將上一季作物收割，留茬約 10 cm，通過(guò)收割機(jī)粉碎秸稈，粉碎后長(zhǎng)度為 5～10 cm。按照不同還田量將秸稈常規(guī)旋耕還田，還田深度約 15 cm，各處理于小麥拔節(jié)期 (2015 年 3 月 24 日) 澆水 75 mm。試驗(yàn)期間每日平均氣溫和降雨量變化如圖 1。

表1 試驗(yàn)各處理秸稈還田量 (kg/hm2)Table1 Amounts of straw returning in every experimental treatment

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 氣體采集與測(cè)定 采用靜態(tài)箱–氣相色譜法測(cè)定[11]。不銹鋼采樣箱 (規(guī)格為 50 cm × 50 cm × 50 cm)外覆絕熱材料，氣溫變化劇烈時(shí)保證觀測(cè)過(guò)程中箱內(nèi)溫度變化小于 2℃。采樣箱配帶有底槽的不銹鋼底座，座壁插入土壤 20 cm深，觀測(cè)期底座一直埋在田間固定位置，采樣時(shí)將采樣箱罩在該底座上并注水密封，箱內(nèi)裝有微型風(fēng)扇以保持氣體均勻混合。采樣箱一個(gè)側(cè)壁上有兩個(gè)圓孔，一個(gè)用于插溫度計(jì)測(cè)量箱內(nèi)溫度，另一個(gè)用于連接平衡管 (內(nèi)徑 7 mm、長(zhǎng)度 12 cm)，取樣時(shí)將平衡管打開(kāi)，其余罩箱時(shí)間關(guān)閉平衡管。采樣時(shí)間在上午 9:00～11:00 之間，采樣開(kāi)始前，將采樣箱放置在底座上。采樣開(kāi)始時(shí)記錄罩箱時(shí)間，隨后每間隔 15 min 用針筒從采樣箱內(nèi)抽取 50 mL 樣品，連續(xù)采集四次，準(zhǔn)確記錄每次從箱內(nèi)取樣時(shí)間和取樣時(shí)箱內(nèi)溫度。觀測(cè)頻率平時(shí) 7天 1 次，追肥后 2 天 1 次，連測(cè) 3 次，小麥季測(cè)定16 次，玉米季測(cè)定 17 次，其中小麥越冬期共取樣 2次，雨天推遲取樣。箱內(nèi)沒(méi)有作物，因此所測(cè)得的N2O 為土壤中的 N2O 排放量，而沒(méi)有考慮植物生長(zhǎng)的影響。所采氣樣及時(shí)用氣相色譜島津 (GC2010) 進(jìn)行測(cè)定，氣相色譜采用 4 m 長(zhǎng)的 Porpak Q填充柱，以 N2做載氣，檢測(cè)器為電子捕獲檢測(cè)器 (ECD)，設(shè)ECD 檢測(cè)溫度 300℃，逐項(xiàng)溫度為 45℃，載氣總流量 40 mL/min，尾吹流量 40 mL/min。

圖1 2014～2015年小麥玉米生育期內(nèi)氣溫和降雨量Fig. 1 Daily average atmospheric temperature and precipitation in wheat–maize growth periods during 2014–2015

N2O-N 通量計(jì)算公式為：

式中：F 為 N2O 排放通量[mg/(m2·h)]，T 為箱內(nèi)溫度(℃)，28 為每摩爾 N2O 分子中 N 的質(zhì)量數(shù)，22.4 為溫度 273 K 時(shí)的 N2O 摩爾體積，H 為采樣箱高度 (cm)，c 為 N2O 氣體濃度 (μL/L)，t 為關(guān)箱時(shí)間 (min)，dc/dt為采樣箱內(nèi) N2O 氣體濃度的變化率[μL/(L·min)]。

N2O-N 季節(jié)排放總量計(jì)算公式為：

式中：E 生育期累積排放量 (kg/hm2)，F(xiàn) 為 N2O 平均排放通量[mg/(m2·h)]，n 是生育期總天數(shù)，24 是每日的小時(shí)數(shù)，100000 為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)[29]。

N2O 平均排放通量為小麥季或玉米季通量之和與取樣次數(shù)的商。

1.3.2 箱內(nèi)溫度測(cè)定 采用 JM222 數(shù)字溫度計(jì)隨氣體進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3 (0—20 cm) 土壤含水量和 (0—10 cm) 土壤溫度測(cè)定 土壤含水量和溫度在作物生長(zhǎng)的主要生育時(shí)期隨氣體同步測(cè)定，小麥季和玉米季各測(cè)定 6 次，土壤含水量采用烘干法測(cè)定，土壤溫度采用 FOM/mts (TDR) 測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用 Excel 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用DPS 7.05 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行方差和相關(guān)性分析，用Sigma plot 10.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤 N2O 排放季節(jié)性變化

周年內(nèi) N2O 排放通量變化范圍為 0.12～206.55 μg/(m2·h)，施肥 + 灌溉或降雨事件后出現(xiàn)高峰，持續(xù)時(shí)間為 7～10 d，小麥季在灌溉和施肥后達(dá)到兩次高峰，灌溉后 T1、T2、T3、T4 處理通量分別比 T0增加 27.5%、34.5%、48.9%、54.0%，追肥后分別增加29.4%、36.9%、51.2%、57.3%；玉米季在追肥后第2 天即達(dá)到高峰，分別增加 9.8%、24.5%、33.3%、37.0% (圖 2)。隨著秸稈還田量的增加，周年內(nèi) N2O排放總量增加量為 1.33～3.50 kg/hm2，增加率為32.3%～85.0%；排放通量增加量為 15.52～40.87 μg/(m2·h)，增加率為 32.3%～85.1%。小麥季排放總量增加量為 0.52～1.48 kg/hm2，增加率為 32.7%～93.1%；玉米季排放總量增加量為 0.61～1.49 kg/hm2，增加率為 35.3%～86.1%。秸稈還田量對(duì) N2O 排放量的影響顯著 (P < 0.05)，周年內(nèi)還田量每增加 3875 kg/hm2，N2O 排放通量分別增加 32.3%、16.4%、11.3%和 8.0%。玉米季排放通量是小麥季的 2.42～2.62 倍，而季節(jié)排放總量是小麥季的 1.05～1.14 倍 (表 2)。

2.2 土壤溫度和含水量的季節(jié)性變化

圖2 不同秸稈還田量下小麥玉米周年 N2O 排放季節(jié)性變化Fig. 2 Annual variation of N2O flux under different treatments in wheat-maize system[注（Note）：“↓”表示施肥 Fertilization;“||”表示灌溉 Irrigation.]

表2 不同秸稈還田量下 N2O 的平均通量、季節(jié)排放量Table2 Average flux and seasonal emission of N2O under different treatments

觀測(cè)期內(nèi)不同秸稈還田量處理 0—10 cm 土層平均溫度表現(xiàn)為相似的變化趨勢(shì)，即先下降后逐漸上升。隨著秸稈還田量的增加，土壤溫度呈增加的趨勢(shì)，覆蓋量越大，對(duì)溫度的影響越明顯。周年內(nèi)土壤溫度增加量為 0.63～2.14℃，增加率為 2.7%～ 9.1%。其中小麥季土壤溫度變化范圍是 7.73～31.89℃，增加量為 0.80～2.53℃，增加率為 4.2%～13.2%；玉米季土壤溫度變化范圍是 22.30～33.42℃，增加量為0.46～1.76℃，增加率為 1.6%～6.3%。觀測(cè)期內(nèi)小麥返青期土壤溫度最低，各處理土壤溫度增加率為4.7%～21.2%；玉米拔節(jié)期土壤溫度最高，各處理土壤溫度增加率為 0.2%～6.9% (圖 3)。

秸稈還田量處理的 0—20 cm 土壤含水量高于不還田處理，還田量越大，對(duì)含水量的影響越明顯，周年內(nèi)含水量增加量為 0.6%～1.8%，增加 3.6～11.2個(gè)百分點(diǎn)。其中小麥季土壤含水量變化范圍是 12.9%～18.3%，增加量為 0.6%～2.1%；玉米季土壤含水量變化范圍是 13.1%～25.4%，增加量為 0.6%～1.4%。土壤含水量的變化受降雨與灌溉影響較大，小麥拔節(jié)期降雨 46.1 mm，4 月 23 日含水量達(dá)到觀測(cè)期內(nèi)高峰，玉米大口期之后由于降雨較多土壤含水量一直處于較高狀態(tài) (圖 1、圖 3)。與不還田相比，玉米季秸稈還田量處理與不還田處理間的差異較小麥季較小，T1、T2、T3、T4 處理小麥季含水量分別增加3.8、7.3、10.2、14.2 個(gè)百分點(diǎn)，玉米季分別增加3.5、5.8、8.1、8.5 個(gè)百分點(diǎn)。

2.3 土壤溫度、含水量和 N2O 排放的關(guān)系

利用 DPS 軟件將土壤 N2O 排放通量對(duì)溫度的敏感性采用指數(shù)函數(shù) (y = aebx) 進(jìn)行非線(xiàn)性回歸分析，對(duì)含水量的敏感性采用一次函數(shù) (y = ax + b) 進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析 (表 3)。對(duì)各處理土壤溫度、含水量與N2O 排放通量進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，各處理土壤溫度和 N2O 排放通量之間無(wú)相關(guān)關(guān)系 (P > 0.05)。T0、T1、T2 處理土壤含水量與 N2O 排放通量呈顯著正相關(guān) (P < 0.05)，而 T3 和 T4 處理土壤含水量與N2O 排放通量之間不相關(guān) (P > 0.05) (表 3)。

3 討論

3.1 不同秸稈還田量下土壤溫度和含水量變化特征

秸稈覆蓋既能影響土壤溫度又能影響土壤水分的變化，覆蓋量越大對(duì)土壤溫度的影響越明顯，秸稈通過(guò)影響土壤對(duì)光的吸收轉(zhuǎn)化及熱量的傳輸過(guò)程從而影響土壤溫度變化，對(duì)土壤具有“增溫”和“降溫”的雙重作用[30]，主要影響 10 cm 以?xún)?nèi)土壤溫度，增溫范圍為 0.2～9.3℃，對(duì) 10 cm 以下土壤溫度的調(diào)控作用不顯著[31]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著秸稈還田量的增加，土壤溫度呈增加的趨勢(shì)，觀測(cè)期內(nèi)土壤溫度增加量分別為 0.63～2.14℃，增加率為 2.7%～9.1% (圖 3)，可能是高還田量會(huì)減少土壤熱量向大氣中散發(fā)，與常曉慧等[32]的研究結(jié)果一致。王維鈺等[33]研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋減少地表徑流和地表水分蒸發(fā)，并提高土壤導(dǎo)水率從而增加水分入滲，這種擴(kuò)蓄增容的效應(yīng)隨著還田量增加而增強(qiáng)。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤含水量受降雨與灌溉影響較大，且隨還田量的增加而增大，周年內(nèi)增加量為 0.6%～1.8%，增加3.6個(gè)百分點(diǎn)～11.2 個(gè)百分點(diǎn) (圖 3)，玉米季土壤含水量 (13.1%～25.4%) 高于小麥季 (12.9%～18.3%)，且玉米季含水量增加率小于小麥季，可能是因?yàn)橛衩准窘邓?(268.7 mm) 高于小麥季 (152.6 mm) (圖 1)，減弱了秸稈還田量處理與不還田處理間的差異。不同生育時(shí)期秸稈對(duì)土壤的增溫保墑作用效果不同，可能與秸稈的腐解速度、降雨及植株的遮蔽效應(yīng)有關(guān)[6, 13]。

3.2 不同秸稈還田量下土壤 N2O 排放特征

圖3 0—10 cm 土層土壤溫度和 0—20 cm 土層土壤含水量變化Fig. 3 Variation of soil temperature at 0–10 cm layer and moisture at 0–20 cm layer[注（Note）：SS—苗期 Seedling stage；TGS—返青期 Turning green stage；JS—拔節(jié)期 Jointing stage；AS—開(kāi)花期 Anthesis stage；FS—灌漿期 Filling stage；MS—成熟期 Maturity stage；STS—小喇叭口期 Small trumpet stage；BMS—大喇叭口期 Bell-mouthed stage.]

表3 土壤溫度、含水量與 N2O 排放的相關(guān)性分析Table3 Correlation between soil temperature, moisture and N2O flux

秸稈通過(guò)影響農(nóng)田土壤物理化學(xué)性質(zhì)、微生物活性等影響農(nóng)田土壤 N2O 排放[34]。關(guān)于秸稈還田對(duì)N2O 排放的影響具有兩種截然不同的觀點(diǎn)，增加或減少 N2O 排放[8–11]。短期內(nèi)秸稈還田通過(guò)影響易分解有機(jī)碳、土壤無(wú)機(jī)氮含量、土壤含水量和土壤溫度等來(lái)影響硝化和反硝化作用；長(zhǎng)期內(nèi)秸稈還田通過(guò)改變土壤 C/N 從而影響微生物對(duì)氮源的吸收利用進(jìn)而影響 N2O 排放[10]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著秸稈還田量的增加，周年內(nèi) N2O 的排放總量呈增加的趨勢(shì) (表 2)，周年內(nèi)還田量每增加 3875 kg/hm2，N2O 排放通量增加范圍是 8.0%～32.3%，這可能與短期內(nèi)秸稈還田對(duì)土壤溫度和含水量的影響有關(guān)[13]。裴淑瑋等[35]研究發(fā)現(xiàn)，玉米季 N2O 排放強(qiáng)度和總量均高于小麥季，原因是玉米季高溫多雨適合硝化和反硝化作用的進(jìn)行，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果相同 (圖 1、圖 2、表 2)。

3.3 土壤溫度和含水量對(duì) N2O 排放的影響

研究發(fā)現(xiàn)，硝化作用的最適溫度范圍是 15～35℃，低于 5℃ 或大于 40℃ 抑制硝化作用的發(fā)生，反硝化作用的最適土壤溫度范圍是 5～75℃[36]。本試驗(yàn)觀測(cè)期內(nèi)土壤溫度最低為 7.73℃，最高為 33.42℃，說(shuō)明試驗(yàn)條件下溫度對(duì)硝化和反硝化過(guò)程均有影響。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，N2O 排放通量隨著土壤溫度的升高具有不同程度的增加，通常呈指數(shù)增長(zhǎng)[37]，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各處理土壤溫度與 N2O 排放之間相關(guān)性不顯著 (P > 0.05)。含水量較低時(shí) N2O 主要由硝化過(guò)程產(chǎn)生，此時(shí) N2O 排放與含水量變化趨勢(shì)相同；含水量較高時(shí) N2O 主要由反硝化過(guò)程產(chǎn)生，此時(shí)兩者之間無(wú)相關(guān)性[38]，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) T0、T1、T2 處理土壤含水量與 N2O 排放通量呈現(xiàn)顯著正相關(guān) (P < 0.05)，而 T3和 T4 處理土壤含水量與 N2O 排放通量之間不相關(guān)(P > 0.05)，可能是周年秸稈還田量在 7750 kg/hm2及以下時(shí)，土壤含水量顯著影響 N2O 排放，當(dāng)還田量再增加時(shí)對(duì)土壤含水量的影響越明顯，因此改變了土壤含水量對(duì) N2O 排放的影響 (圖 3、表 3)。N2O 排放峰值出現(xiàn)在小麥季灌溉 (3 月 24 日) 后第 2 天，之后逐漸降低到降雨前的水平，玉米季 N2O 排放通量較高的原因之一為降雨較多導(dǎo)致土壤含水量較高 (圖 1、圖 2)。但土壤 N2O 排放是土壤溫度、含水量、施氮量、作物生長(zhǎng)等因素綜合作用的結(jié)果，因此探究N2O 排放影響因素時(shí)，不可分裂開(kāi)來(lái)[25]。觀測(cè)期內(nèi)小麥越冬期土壤含水量較高，但溫度較低，N2O 排放較低，說(shuō)明此時(shí)溫度是限制 N2O 排放的主要因素；之后土壤溫度逐漸升高適合硝化和反硝化作用的進(jìn)行從而導(dǎo)致 N2O 排放通量增加；N2O 排放峰值出現(xiàn)在灌溉和施肥之后，此時(shí)施肥和灌溉共同影響 N2O排放；作物生長(zhǎng)后期由于土壤中氮素含量減少，導(dǎo)致硝化和反硝化作用的底物減少因而 N2O 排放減少；而玉米生長(zhǎng)季 (7 月～10 月) 由于持續(xù)性高溫多雨從而適宜微生物活動(dòng)導(dǎo)致 N2O 排放量較大 (圖 1、圖 2)。

4 結(jié)論

秸稈還田顯著促進(jìn) N2O 排放并可提高 0～20 cm土壤含水量和 0—10 cm 土壤溫度，周年秸稈還田量在 7750 kg/hm2及以下時(shí)，秸稈還田通過(guò)提高土壤含水量促進(jìn) N2O 排放。由于 N2O 排放具有典型的時(shí)空差異性，且是多種影響因素的綜合結(jié)果，而本試驗(yàn)只是短期的研究結(jié)果，因此關(guān)于長(zhǎng)期秸稈還田下N2O 的排放特征及影響因素仍需進(jìn)一步研究。

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Quantitative analysis of straw returning on annual soil N2O emission in the wheat–maize rotation system

YE Gui-xiang1, SHI Yong-hui2, WANG Liang1, CHEN Yu-jie1, XIN Yan-bin1, LIU Wen-ru1, CHEN Guo-qing1*
( 1 State Laboratory of Crop Biology/College of Agronomy of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018, China; 2 Jinan Soil and Fertilizer Station, Jinan, Shandong 250021, China )

【Objectives】Nitrous oxide (N2O) is one of the important greenhouse gases that mainly come from farmland soils. Straw returning is an effective ecological management in North China. Quantitative analysis of the N2O emission and the affecting factors is of great significance for deep understanding of nitrification and denitrification mechanism in the wheat-maize system.【Methods】A field experiment with five different amounts of straw incorporation was carried out in the winter wheat and summer maize, including without straw returning (T0), returning 1875 kg/hm2wheat straw and 2000 kg/hm2maize straw (T1), returning 3750 kg/hm2wheat straw and 4000 kg/hm2maize straw (T2), returning 5625 kg/hm2wheat straw and 6000 kg/hm2maize straw (T3), and returning 7500 kg/hm2wheat straw and 8000 kg/hm2maize straw (T4). From October 2014 to October 2015, the N2O flux was determined using static chamber technology combined with gas chromatography, the annual variation of N2O flux and their relationships with soil temperature and moisture were analyzed.【Results】The straw returning amounts affected the N2O flux significantly, which was increased with the increase of straw returning amounts. The seasonal N2O emission was increased by 1.33–3.50 kg/hm2in amount, or 32.3%–85.1% in rates. The average N2O flux were increased by 15.52–40.87 μg/(m2·h) in amount, or 32.3%–85.1% in rates. The average N2O flux and total emission during the maize season were respectively 2.42–2.62 times and 1.05–1.14 times of those in the wheat season. The straw returning increased the temperature in 0–10 cm layer of soil by 0.63–2.14℃ and moisture in 0–20 cm layer of soil by 0.6%–1.8%, respectively. The correlation analysis showed that the N2O flux had no correlation with soil temperature, had an exponential correlation with soil moisture in treatment T0, T1 and T2 (P < 0.05), but not with those in treatment T3 or T4.【Conclusions】With the increase of straw returning amounts, the average N2O flux and seasonal emission will be increased, which are higher in the maize season than in the wheat season. The straw returning could increase soil temperature in 0–10 cm layer and soil moisture in 0–20 cm layer significantly. The N2O flux has an exponential correlation with soil moisture when the annual straw returning amounts are less than 7500 kg/hm2, while had no correlation with soil temperature.

straw returning; nitrous oxide; soil moisture; soil temperature

2016–08–24 接受日期：2016–12–13

國(guó)家自然科學(xué)基金（31101083，31471414）資助。

葉桂香（1990—），女，漢族，山東泰安人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)信息化方面的研究。E-mail：yeguixiang2014@163.com。*通信作者 E-mail：gqchen@sdau.edu.cn