陳津賽 ，王廣帥，張瑩瑩，高 陽*，劉 坤

（1.中國農業(yè)科學院 農田灌溉研究所/農業(yè)農村部作物需水與調控重點實驗室，河南 新鄉(xiāng)453002； 2.中國農業(yè)科學院 研究生院，北京100081；3.上海海洋大學 經濟管理學院，上海 201306）

0 引 言

【研究意義】溫室氣體是導致全球氣候變暖的最重要因素，N2O、CH4和CO2是其中3 種主要的溫室氣體[1]。N2O 不僅有強烈的增溫效應，而且增溫潛勢巨大[2]。農業(yè)是主要的溫室氣體排放源[3]，在我國農業(yè)N2O 排放源中，土壤源占農業(yè)N2O 年排放量的72%左右[4]。土壤中過多的氮素存留是造成農田N2O 排放增加的主要原因[5]。因此，提高氮素利用率是降低農田土壤溫室氣體排放的有效途徑。【研究進展】禾豆間作可以有效地提高間作群體的氮素利用率[6-8]，增加作物的氮素吸收量[8-9]；從而降低土壤中的微生物可利用的氮素，進而降低間作農田土壤的N2O 排放[10]。已有研究表明，玉米大豆間作群體的產量高于單作種植，具有很明顯的產量優(yōu)勢[11]。目前的間作研究大多集中于不同間作種植模式的種間互補與競爭關系[12]、種間的鐵氮互惠作用[13]及如何提高系統(tǒng)產量和土地當量比[14-15]等方面。這些研究都是圍繞著如何實現作物高產高效，而對間作農田土壤“溫室氣體排放”這個重要的農田生態(tài)環(huán)境問題關注不足。雖然間作農田溫室氣體排放規(guī)律已經有了一些研究結果，但由于間作模式不同且采樣方法也不盡相同，使得研究結果并不一致。例如胡發(fā)龍等[5]在研究玉米/豌豆間作種植模式下的土壤呼吸時，取樣點選擇在間作小區(qū)內不同作物條帶的中心。Huang 等[16]對于間作模式下的取樣方法是分別在2 種作物的條帶間取樣，這樣的取樣方法減弱了間作作物間的相互作用。沈亞文等[17]采用水封法采集溫室氣體樣品，若采用水封法在間作群體取樣時，靜態(tài)箱的底座會影響兩作物根際間的互惠作用及作物根系生長[13]。本研究將采用土封法固定靜態(tài)箱并在兩作物條帶之間取樣，土封法固定靜態(tài)箱無需將底座插入土壤中，因而對作物根系間的交互作用影響較小。

【切入點】諸多研究表明，土壤水分和含氮量顯著影響土壤N2O 的產生和排放。當土壤含水率低于田間持水率（壤土）的80%時，土壤N2O 排放通量與土壤含水率成正相關關系，當土壤孔隙含水率低于30%時，N2O 的排放會明顯受到抑制[4,18]。土壤中NH4+-N 和NO3--N 是硝化和反硝化的直接底物，其質量分數的大小直接影響土壤N2O 的產生與排放[19]。間作豆科作物可產生直接或間接的氮素轉移供給禾本科作物，而禾本科作物可以減緩化學氮肥對豆科作物的“氮阻遏”[20]。玉米與大豆根系間的互作可以促進玉米對氮素的吸收，從而降低土壤中的含氮量。在禾/豆間作中不同處理生育期0～30 cm 平均土壤充氣孔隙率受種植模式的顯著影響，但研究結果卻不全一致[5,21]。由此看來，關于間作種植對土壤水氮動態(tài)影響的認識尚不明晰，這也限制深入理解間作農田土壤的N2O 排放規(guī)律?！緮M解決的關鍵問題】為此，本研究設置了4 個處理（玉米/大豆間作、大豆單作、氮素施用量為120 kg/hm2的玉米單作、氮素施用量為240 kg/hm2的玉米單作），對比分析間作種植模式對農田土壤N2O 排放的影響，將為玉米/大豆間作種植模式發(fā)展及農田溫室氣體減排提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2018 年6―9 月在中國農業(yè)科學院新鄉(xiāng)綜合試驗基地（N35°14′、E113°76′，海拔74 m）進行?；匚挥诤幽鲜⌒锣l(xiāng)市新鄉(xiāng)縣七里營鎮(zhèn)，地處黃淮海中部偏西的人民勝利渠引黃灌區(qū)內，屬暖溫帶大陸性季風氣候，日照時間2 399 h，年平均氣溫14 ℃，年平均降水量582 mm，2018 年6—9 月降水量為357.4 mm，生育期內最高氣溫39.6 ℃，最低氣溫8.8 ℃，平均溫度為28.4 ℃。試驗期間氣溫和降水量見圖1。土壤類型為壤土（潮土），成土母質為黃河沖積后的沉淀物，地下水埋深大于5 m[22-23]。試驗地耕層（0～20 cm）土壤參數見表1。播種前0～100 cm 土壤總氮為0.5 g/kg，0～120 cm 無機氮量為62.0 mg/kg。

圖1 2018 年試驗期氣溫和降水量 Fig. 1 Air temperature and rainfall during the trial period in 2018

表1 試驗地0～20 cm 土壤參數 Table 1 Soil parameters of 0～20 cm at test site

1.2 試驗設計

玉米品種為“登海605”、大豆品種為“冀豆17”。本研究參照當地常規(guī)玉米種植的施氮水平240 kg/hm2，設計了單作玉米施肥 240 kg/hm2處理（SM240）?？紤]到大豆的固氮作用，基于課題組前期研究基礎，設計了單作大豆（SS，施氮量120 kg/hm2）和玉米/大豆間作處理（IMS，施氮量120 kg/hm2）。為了對比分析相同施氮水平下單作玉米和間作群體的N2O 排放差異，同時設置了單作玉米施氮120 kg/hm2處理（SM120）。每個處理3 個重復，每個小區(qū)寬7 m，長10 m，面積70 m2，南北種植。單作玉米行距為60 cm，株距25 cm；單作大豆行距30 cm，株距20 cm，每穴2 粒；玉米/大豆間作群體的大豆行距30 cm，株距20 cm，玉米行距40 cm，株距20 cm；大豆與玉米條帶間距35 cm。

2018 年玉米和大豆播種日期為6 月10 日，收獲日期為9 月15 日。播前所有處理基肥的磷肥與鉀肥用量一致，即K2SO4施用量105 kg/hm2，P2O5元素施用量120 kg/hm2，IMS、SM120、SS 處理的氮肥施用量相同，均為120 kg/hm2。SM240 基肥的氮素施用量為240 kg/hm2。氮肥分2 次施入，基追比為5∶5，即IMS、SS、SM120 處理第2 次施入氮素60 kg/hm2，SM240 施入氮素120 kg/hm2，追肥時間為7 月12 日。全生育期共灌水2 次，第1 次灌水日期為6 月11 日，灌溉方式為噴灌，灌水定額為45 mm，第2 次灌水日期為8 月29 日，灌水方式為地面灌，灌水定額為45 mm。

1.3 測試指標與方法

1）N2O 氣體采樣與測定分析

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對N2O 進行取樣與測定分析，全生育期共取樣11 次。靜態(tài)箱的尺寸為：長×寬×高=100 cm×50 cm×10 cm，靜態(tài)箱材質為亞克力板，厚度為5 mm。箱體上面開口，供植物生長及采集氣體樣品，采用土封法將靜態(tài)箱密封、固定在每個采樣點上（靜態(tài)箱的放置如圖2），圖2 左側是3 種靜態(tài)箱的結構示意圖，右側為靜態(tài)箱在3 種種植模式下的放置位置，圖中陰影代表的是玉米，“+”代表的是大豆。在每個小區(qū)內布設3 個靜態(tài)箱，數據采用3 次觀測的平均值。土壤N2O 氣體取樣從6 月29 日（播種后的第19 天的苗期開始，每7 天取1 次，如遇到較大降雨，則在降雨后第3 天取樣，目的是避開降雨后因為土壤充水孔隙度（WFPS）的升高而產生的N2O排放通量的峰值。取樣在08:00—10:00 進行，在旋緊靜態(tài)箱上所有蓋子后的第0、10、20 min 分別取30 mL的氣體樣品[24]，用秒表記錄時間。取樣結束后旋開所有的蓋子，使靜態(tài)箱內氣體可以與大氣進行氣體交換，確保作物的正常生長。

圖2 靜態(tài)箱的構造及放置 Fig. 2 Construction and placement of static box

采集到的氣體樣品帶回實驗室，采用氣相色譜儀（島津2010plus）進行測定。測定條件為：ECD 檢測器溫度為250 ℃，色譜柱溫度為50 ℃，載氣為高純氬甲烷氣，流速為40 mL/min。氣體排放通量的計算式為：

式中：F 為氣體的排放通量（mg/（m2·h））；M 為氣體的分子質量（g）；V 為標準狀態(tài)下1 mol 氣體的體積（L）；h 為采樣箱的凈高度（m）；dc/dt 為單位時間內采樣箱內氣體的質量濃度變化率；273 為氣態(tài)方程常數；T 為采樣過程中采樣箱內的平均溫度（℃）。

2）土壤無機氮

土壤無機氮的取樣：在每次溫室氣體取樣的同時，取0～20 cm 的土壤樣品，用于測定土壤的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮量。對于單作種植模式，在作物的行間取0～20 cm 的土壤樣品；對于玉米/大豆間作模式，在玉米和大豆條帶相鄰行間取0～20 cm 的土壤樣品，每個取樣點3 次重復。將取回的鮮土溶于物質的量濃度為2 mol/L 的KCL（優(yōu)級純）溶液中，土水比為1∶5，于振蕩器上以200 r/min 恒溫震蕩30 min，然后過濾，將收集到的濾液使用AA3 流動分析儀測定土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮量。土壤無機氮計算式為：

式中：SMN 為土壤無機氮（kg/hm2）；T 為土層深度，取值20 cm；BD 為土壤體積質量，取值1.51 g/cm3；N1、N2分別為0～20 cm 土層中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮量（mg/kg）[5]。

3）土壤充水孔隙度

在土壤無機氮取樣混勻后，取出一部分裝入鋁盒中，用烘干法測定表層0～20 cm 土壤質量含水率計算土壤充水孔隙度（Water-Filled Pore Space，WFPS）[25]，計算式為：

式中：VSWC 為土壤體積含水率（VSWC=土壤質量含水量×BD）；BD 為土壤體積質量取平均值1.51 g/cm3；PD 為土壤密度，取值2.65 g/cm3。

4）土壤溫度

在進行氣體取樣的同時，用Testo 迷你探針型溫度計分別在靜態(tài)箱附近測定0 和10 cm 的土壤溫度，計算2 個深度的平均值，代表0～10 cm 土壤的平均溫度。

5）N2O 累計排放量與全球增溫潛勢

采用線性內插法估算整個生育期的N2O 累計排放量[25]，計算式為：

式中：TN 為作物全生育季節(jié)的N2O 累計排放總量（kg/hm2）；Fi+1為本次試驗的N2O 平均排放通量（μg/（m2·h））；Fi為上次試驗的N2O 平均排放通量（μg/（m2·h））；（Ti+1-Ti）為本次試驗與上次試驗間隔天數。

N2O 全球增溫潛勢計算式[26]為：

式中：TN 為N2O 累計排放總量（kg/hm2）；265 為N2O 全球增溫潛勢系數。

1.4 數據統(tǒng)計分析

采用Excel 對試驗數據進行統(tǒng)計，使用SPSS-22.0軟件中的單因素方差分析進行顯著性檢驗，使用Origin 軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤水分與溫度動態(tài)變化特征

圖3 給出了不同處理土壤溫度和充水孔隙度的變化趨勢。對于土壤水分來說，相同點是各處理的土壤充水孔隙度（WFPS）都會在降雨或者灌溉后出現峰值，不同點是SM120 處理的土壤充水孔隙度總體較高。SM120 處理生育期內平均WFPS 顯著高于IMS和SS 處理（P<0.05）（表2）。

對于土壤溫度來說，相同點是各處理的土壤溫度變化趨勢相近，總體呈隨生育期進行先升高而后降低的趨勢，在生育期末，溫度降到最低（圖3（a））；差異之處在于SM120處理的生育期平均土壤溫度最高，單作大豆（SS）處理平均溫度顯著低于SM120 處理的。在土壤水分方面，玉米/大豆間作較單作玉米顯著降低了0～20 cm 的平均土壤WFPS，與單作大豆間的差異并不顯著。在土壤溫度方面，間作模式與單作種植模式間沒有顯著性差異。

圖3 不同處理的土壤溫度及充水孔隙度變化 Fig. 3 Changes of soil temperature and water-filled pore space (WFPS) in different treatments

表2 不同處理土壤充水孔隙度和溫度平均值 Table 2 Average values of soil water-filled porosity and temperature in different treatments

2.2 不同種植模式對土壤無機氮量的影響

圖4（a）給出了4 個處理下的平均土壤無機氮水平。由單因素方差分析可知，種植模式對整個作物季節(jié)的土壤無機氮量影響顯著（P<0.05）。IMS 處理的生育期平均土壤無機氮量比SS 處理降低了24.0%，比SM120 處理降低了5.3%，比SM240 處理降低了29.3%，表明玉米/大豆間作模式顯著降低了土壤無機氮量。圖4（b）給出了生育期內4 個處理0～20 cm無機氮的動態(tài)變化。結合圖3（b）可以看出，土壤無機氮量的峰值與土壤WFPS 的峰值同時出現，表明隨著土壤WFPS 的增加，無機氮的生成速率也會提高[27]。由單因素方差分析可知，種植模式對整個生育期0～20 cm 土壤硝態(tài)氮量影響顯著（P<0.05）。IMS處理的生育期平均土壤硝態(tài)氮量比SS 處理降低了32.5%，比SM240 處理降低了41.2%。圖4（c）與圖4（d）分別給出了試驗期內各處理0～20 cm 土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮量的動態(tài)變化。不同處理間0～20 cm土壤銨態(tài)氮量無顯著差異，0～20 cm 土壤硝態(tài)氮量大于銨態(tài)氮量，說明在生育期內的土壤環(huán)境適合硝化反應的進行。

圖4 生育期內不同處理土壤無機氮量的變化規(guī)律 Fig. 4 Variation of soil inorganic nitrogen content in different treatments during the trial period

2.3 不同處理對土壤N2O 排放通量及全球增溫潛勢值的影響

圖5 給出了各處理土壤N2O 排放通量的動態(tài)變化。從圖5 可以看出，各處理的N2O 峰值都是在降雨后出現的，這是由于降雨后土壤WFPS 增加，提高了土壤中硝化和反硝化細菌的活性，促進了硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的生成速率，進而顯著增加N2O 的生成速率[27-28]。土壤中硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的質量濃度與N2O 的排放速率呈顯著正相關關系[28]，因而在降雨后各處理的N2O 排放通量都出現了峰值。由圖5 還可以看出，IMS 處理的土壤N2O 平均排放通量低于其他3 個處理。

圖5 不同處理N2O 排放通量動態(tài)變化 Fig. 5 Dynamic of soil N2O emission flux in different treatments

IMS 處理的平均N2O 排放通量分別比SM120、SM240、SS 處理顯著降低了31.98%、39.16%、47.80%（P<0.001），表明玉米/大豆間作種植可以顯著降低土壤的N2O 排放通量。SM120、SM240 和SS 處理間N2O 平均排放通量的差異也達到極顯著水平。

表3 給出了4 個處理的N2O 累計排放量和全球增溫潛勢。由表3 可知，IMS 處理顯著降低了土壤的N2O 累計排放量及全球增溫潛勢值。由單因素方差分析可知，IMS 處理與其余3 個處理間的N2O 平均累計排放量和全球增溫潛勢的差異呈極顯著水平（P<0.001），但SS、SM120 和SM240 處理間的差異并不顯著。IMS 處理的平均累計排放量分別比SM120、SM240、SS 處理降低了36.70%、41.52%、49.03%。從式（3）和式（4）可以看出，N2O 排放通量的高低直接影響到全生育期的累計排放量以及全球增溫潛勢，所以不難理解玉米/大豆間作種植模式與其他3種單作模式相比可以極顯著的降低N2O 的累計排放量及全球增溫潛勢。表4 給出了不同處理的土壤水分、無機氮與N2O 平均排放通量間的線性回歸方程。不同處理間的土壤水分、無機氮量與N2O 平均排放通量的回歸系數存在差異，但均呈線性正相關。

表3 N2O 累計排放量和全球增溫潛勢 Table 3 Cumulative N2O emissions and global warming potential in different treatments

表4 土壤水分、無機氮與N2O 平均排放通量的線性回歸方程 Table 4 Linear regression equations between soil N2O average flux and soil water, and inorganic nitrogen

3 討 論

3.1 間作種植模式對農田土壤N2O 排放的影響

間作種植模式可以提高作物系統(tǒng)的產量、土地當量比以及資源利用效率[14]。陳素云等[29]對小麥/大蒜間作群體的研究結果表明，間作種植不僅提高了小麥的產量還降低了CH4的排放。黃堅雄等[25]在華北平原玉米/大豆間作群體溫室氣體排放的研究中，也得出了間作模式可以顯著降低農田土壤N2O 排放的結論，這與本研究的結果相一致。但在黃堅雄等[25]的研究結果中，土壤N2O 累計排放量最高的是單作玉米處理，本研究結果卻是單作大豆處理的累計N2O 排放量最高，結論不一致可能是由于2 個研究中單作大豆處理的種植密度與氮肥的施用量不同。本研究的大豆種植密度較高，氮肥施用量較低，所以造成了單作大豆的固氮與氮素利用能力的改變，從而造成了2 個研究中土壤N2O 排放的差異[30]。Dyer 等[31]也給出了玉米/大豆間作模式可以降低農田土壤溫室氣體排放的結論。但劉輝娟[32]在玉米/豌豆間作種植對溫室氣體排放的研究中得出了不同結論：玉米間作豌豆N2O平均排放通量大于單作玉米。對比分析后發(fā)現，此現象可能是由于種植品種、種植密度、氮素使用量以及間作種植中的禾本科和豆科作物的比例不同導致的。由此可見對于禾/豆間作種植模式，不同作物的種植組合對農田溫室氣體的排放影響的結論也不盡相同，因此，需要繼續(xù)開展不同類型的禾/豆間作模式對土壤溫室氣體排放的影響，以便深入理解間作種植對農田土壤碳氮動態(tài)的影響。

3.2 農田土壤N2O 排放量的影響因素分析

農田土壤N2O 被普遍認為是在硝化與反硝化細菌主導的硝化與反硝化進程中產生的，所以能夠影響土壤微生物活動的因素都可以直接或間接影響農田土壤N2O 的產生與排放，比如土壤充水孔隙度（WFPS），土壤pH 值、EC 值、溫度、肥料的使用，耕作制度、作物種植類型等[10]。當土壤濕度為田間持水率的97%～100%或WFPS 為84%～86%時，N2O 的排放最強；低于此濕度范圍時，N2O 排放量與土壤濕度呈正相關[4]。而本研究的土壤WFPS 均低于84%～86%，因此，間作種植降低土壤的WFPS，是N2O 排放通量降低的一個主要因素。生育期末0～20 cm 土壤無機氮量呈上升趨勢，但N2O 排放速率卻降低了，這可能是由于生育期末0～10 cm 土壤溫度降低至20 ℃左右，溫度的降低成為影響N2O 產生的主導因素，這在謝軍飛等[33]的研究中得到了驗證。在4 種不同的種植模式中，玉米/大豆種植模式0～20 cm 的土壤無機氮量最低；無機氮又是硝化-反硝化作用的直接底物，其量的高低決定著N2O 的產出和排放過程[34-35]。這可以得出如下推論：玉米/大豆間作通過降低土壤無機氮水平而顯著降低土壤N2O 的產生和排放。

本研究重點關注了種植模式導致的農田土壤N2O排放差異，原因主要在于間作模式能改變作物-土壤系統(tǒng)的微環(huán)境。相對于單作，間作能明顯影響作物根系土壤菌落組成、促進土壤酶活性、提高土壤養(yǎng)分利用率[36]。本研究也證明了間作模式對土壤的水熱狀況有顯著影響。禾/豆間作種植模式對作物系統(tǒng)內的氮素營養(yǎng)協同利用是實現氮素高效利用的重要模式[5,13]，又由于玉米/大豆間作相比單作種植提高了氮素吸收量[6-8]，進而降低了土壤無機氮的存有量，形成了降低農田N2O 排放量的基礎。

4 結 論

1）玉米/大豆間作群體的土壤充水孔隙度低于其他處理，且全生育期土壤充水孔隙度均在80%以下。IMS處理0～10 cm土壤溫度與其他處理相比無顯著差異。IMS處理的土壤無機氮量分別比SM240、SM120、SS處理降低了29.3%、5.3%、24.0%，表明IMS處理可以降低土壤無機氮量。

2）IMS處理的N2O累計排放量分別比SM120、SM240、SS處理降低了36.70%、41.52%、49.03%。土壤N2O平均排放通量與土壤水分和無機氮量間顯著線性正相關。玉米/大豆間作種植可以減少土壤N2O的產生和排放，進而降低累計排放量和全球增溫潛勢。