齊鵬，王曉嬌，姚一銘，陳曉龍，武均，蔡立群

（1.甘肅農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅農業(yè)大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅蘭州730070；3.甘肅省節(jié)水農業(yè)工程技術研究中心，甘肅 蘭州730070；4.甘肅農業(yè)大學管理學院，甘肅蘭州730070；5.甘肅省地礦局第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州730050）

碳循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)三大物質循環(huán)之一［1?3］。土壤CO2排放是碳循環(huán)的重要組成部分，其排放量增大會導致碳循環(huán)紊亂，進而影響氣候變化［2?7］。農田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，其土壤CO2排放對全球碳循環(huán)也會產生重要影響。

農田生態(tài)系統(tǒng)是人類干預最多的生態(tài)系統(tǒng)之一，耕作方式和施肥是重要的人為干預措施。我國北方農田的農作物耕作方式主要包括免耕、深松耕、翻耕和旋耕［8］，通過對土壤擾動，可以改變土壤水分、溫度、微生物活性及根系變化，進而影響土壤呼吸［8?20］。深松耕因打破犁底層、有效促進作物根系生長、提高水分利用效率而被廣泛應用［8，17?18］。翻耕、深松耕、旋耕和免耕可改變土壤CO2排放量，溫度和水分起到了決定作用［15，17］。常規(guī)耕作轉變?yōu)槊飧螅寥繡O2排放量呈增大趨勢［21］。氮肥施用量對土壤呼吸的影響目前尚無共識，旱作玉米農田中土壤呼吸速率隨施氮量的增加而增大［22?23］，而小麥（Triticum aestivum）農田中施用氮肥對土壤CO2排放無顯著影響［24］?，F有農田土壤CO2排放量的研究大多集中于耕作方式、施氮量等單一因素，目前有關上述兩因素對黃土高原旱區(qū)玉米（Zea mays）農田土壤CO2排放和碳平衡影響的研究較少。

黃土高原是典型的北方旱作農業(yè)區(qū)。此地區(qū)旱作玉米主要生產技術為全膜雙壟溝播技術，其耕作方法以免耕、深松耕、翻耕和旋耕為主，基于此，本研究擬選擇黃土高原西部的甘肅隴中半干旱丘陵溝壑區(qū)為研究區(qū)域，研究玉米農田中不同耕作方式和施氮量對土壤CO2排放量日變化、生育期變化和碳平衡的影響，探究種植玉米的農田碳排放效率和潛力的評價，為選擇北方旱區(qū)全膜雙壟溝播模式下較好農田耕作方式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點設于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村的甘肅農業(yè)大學旱農長期定位試驗站，屬黃土高原西部半干旱丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)是典型的旱作雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，海拔2000 m 左右，日照時數2476.6 h，年均太陽輻射594.7 kJ·cm?2，年均氣溫6.4 ℃，≥10 ℃積溫為2239.1 ℃，年均無霜期140 d，多年平均降水量390.9 mm，2018 年降水量472.05 mm（圖1），年蒸發(fā)量達到1531 mm，干燥度2.53；土壤為典型的黃綿土，土質綿軟，土層深厚，質地均勻，儲水性能良好，耕層主要理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗采用二因素裂區(qū)試驗設計，隨機區(qū)組排列，2012 年布設，主因素為耕作方法，包括翻耕（T1），旋耕（T2），深松耕（T3）和免耕（T4）；副因素為施肥措施，包括N1（基 肥200 kg N·hm?2），N2（基 肥200 kg N·hm?2+拔節(jié)期100 kg N·hm?2），共8 個處理，3 次重復，小區(qū)面積44 m2（4.4 m×10.0 m）。主因素具體操作為：翻耕（T1），用鏵式犁進行，土壤深度為20 cm 左右；旋耕（T2），用旋耕機進行，土壤深度為15 cm 左右；深松耕（T3），用深松機進行，土壤深度為35 cm 左右；所有處理均起壟，白色地膜覆蓋，覆膜方式為全膜雙壟溝，地膜厚度0.008 mm，溝內間隔50 cm 留滲水孔。氮肥為尿素（含N 46%），基肥為磷肥（150 kg·hm?2，過磷酸鈣，含P2O516%），供試玉米品種為“先玉335”，穴播（溝內），4 月30 日左右播種，密度為5.25 萬株·hm?2，10 月中旬收獲。

圖1 2018 年月降水量分布圖Fig.1 Monthly precipitation distribution in 2018

表1 試驗地土壤主要理化性質Table 1 Soil chemical and physical properties

1.3 指標測定與方法

1.3.1 土壤CO2排放速率測定 2018 年4 月30 日開始采用LI-8100A 開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)（LI-COR，USA）進行田間土壤呼吸速率測定。每隔15 d 左右測定一次，選擇晴朗或少云天氣，每次測定時間為上午9：00－11：00［17，25?26］，每個小區(qū)重復測定3 次，每次測定時長為90 s［27］。在該時間段所測土壤呼吸速率可以代表日平均值。在每次測定前1 d，揭開地膜，去除基座腔室內土壤表層的一切活體及凋落物，在整個生育期基座埋設位置保持不變。土壤CO2排放速率日動態(tài)測定：在玉米生長旺盛的大喇叭口期和花期交替期（2018 年7 月20 日）上午8：00 開始第一次測定，隨后每隔2 h 測定一次，共測12 次。

1.3.2 籽粒產量與生物量測定 玉米收獲期，每個小區(qū)剔除邊行，隨機選取10 株玉米植株，采集其地上、地下部分，地下部分采用挖坑沖洗法［17］，105 ℃烘0.5 h 殺青，然后80 ℃烘干至恒量，采用干燒法［28］測定根系含碳量。各小區(qū)實打實收，根據種植密度并按照籽粒含水率12%折算產量［17］。

1.4 分析方法

1.4.1 土壤CO2總排放量 利用公式（1）計算土壤CO2碳排放量（carbon emission，CE）［27］：

式中：R為CO2排放速率（μmol·m?2·s?1）；i+1與i表示兩次測量之間相隔時間，t表示播種后的天數；系數0.1584表示將C 排放數值單位μmol CO2·m?2·s?1轉換為g CO2·m?2·h?1，系數0.2727 表示將單位g CO2·m?2·h?1轉換為g C·m?2·h?1；24 與10 表示將C排放數值單位由g C·m?2·h?1轉換為kg C·hm?2。

1.4.2 作物碳排放效率（CEE）［17］

式中：Y（yield）為作物籽粒產量，CEE（carbon emission efficiency）為作物每釋放單位千克碳所生產的產量，單位為kg·kg?1。

1.4.3 農田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡［27］

式中：NEP-C（net ecosystem productivity）表示生態(tài)系統(tǒng)碳平衡；NPP-C（net primary productivity）表示凈初級生產力固碳量；Rm-C（microbial respiration）表示土壤微生物異氧呼吸碳釋放量。地上部組織和根的碳含量經測定取48%。NPP-C/CE表示生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力，其值越大，表明固碳潛力越強。

1.5 數據分析

所有數據均采用Excel 2010 整理，采用SPSS 24.0 軟件進行統(tǒng)計分析，裂區(qū)分析采用“一般線性模型?單變量”，多重比較采用Duncan 法，利用SigmaPlot 12.5 繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 耕作方式和施氮量對土壤CO2日排放速率的影響

2.1.1 土壤CO2日排放速率 土壤CO2排放速率晝高夜低，呈現單峰曲線，變化趨勢與大氣溫度變化趨勢基本一致（圖2）。各處理下土壤CO2排放速率的日變化范圍為：T1N1［（4.11±0.15）～（5.42±0.08）μmol·m?2·s?1］、T1N2［（4.20±0.31）～（5.60±0.34）μmol·m?2·s?1］、T2N1［（3.92±0.15）～（5.72±0.46）μmol·m?2·s?1］、T2N2［（3.69±0.37）～（5.72±0.07）μmol·m?2·s?1］、T3N1［（3.64±0.09）～（5.67±0.13）μmol·m?2·s?1］、T3N2［（3.80±0.25）～（5.41±0.13）μmol·m?2·s?1］、T4N1［（3.80±0.16）～（5.86±0.11）μmol·m?2·s?1］和T4N2［（3.95±0.31）～（5.59±0.35）μmol·m?2·s?1］。土壤CO2排放速率峰值出現在12：00?14：00；土壤CO2排放速率谷值出現在凌晨4：00?6：00。土壤CO2排放速率在T3N2處理下最?。郏?.64±0.09）μmol·m?2·s?1］，T1N1處理下最大［（4.20±0.30）μmol·m?2·s?1］（圖2）。

為了解不同時間段土壤CO2排放速率與土壤CO2排放日平均速率的關系，通過計算同一處理某一測定時間段土壤CO2排放速率與土壤CO2排放日平均速率的比值，再將比值按時間段平均，8：00?10：00、10：00?12：00、20：00?22：00 3 個時間段的值分別為0.96、0.98、1.01，說明8：00?12：00 的測定值均能較好地反映土壤CO2排放日平均速率。

圖2 耕作方法和施肥量對土壤CO2日排放速率的影響Fig.2 Soil CO2 flux in different treatments of tillage and nitrogen application

2.1.2 土壤CO2日平均排放速率 土壤CO2日平均排放速率在T3處理最低，分別較T1和T2顯著降低4.33%和4.12%（P＜0.05），在其他耕作處理、施肥處理、耕作方式與施氮量交互作用間均無顯著差異（P＞0.05，表2）。

2.2 耕作方式和施氮量對不同生育期土壤CO2排放速率的影響

土壤CO2排放速率在整個生育期基本呈先增后降的趨勢。不同耕作方式下，土壤CO2排放速率在7月29 日前變化無顯著規(guī)律，隨成熟期（10 月12 日）的臨近呈降低趨勢（圖3）。

4 月30 日（播種期）、6 月14 日（拔節(jié)末期小喇叭初期）和7 月14 日（大喇叭口末期花期初期），土壤CO2排放速率出現峰值。4 月30 日出現第1 個峰值，平均值為（4.22±0.89）μmol·m?2·s?1，T1N2處理下的排放速率最大［（5.47±0.11）μmol·m?2·s?1］，T3N2的土壤CO2排放速率最?。郏?.56±0.40）μmol·m?2·s?1］。6月14 日出 現 第2 個峰值，平 均 值為［（5.57±0.70）μmol·m?2·s?1］，T1N1處 理 下 的 排 放 速 率 最 大［（6.82±0.46）μmol·m?2·s?1］，T2N2的土壤CO2排放速率最?。郏?.73±0.33）μmol·m?2·s?1］，T2N2處理比T1N1處理下的土壤CO2排放速率減少了30.80%。7月14 日，是玉米生長最為旺盛的時期之一，玉米農田土壤CO2排放速率也隨之達到了第3 個峰值。土壤CO2排放速率均達到了最大值，平均值為（6.26±0.56）μmol·m?2·s?1，土 壤CO2排 放 速 率 由 大 到 小 依 次 為T1N2［（7.15±0.11）μmol·m?2·s?1］、T1N1［（6.68±0.46）μmol·m?2·s?1］、T3N2［（6.46±0.19）μmol·m?2·s?1］、T2N2［（6.33±0.34）μmol·m?2·s?1］、T4N2［（6.32±0.65）μmol·m?2·s?1］、T3N1［（6.15±0.41）μmol·m?2·s?1］、T4N1［（5.66±0.56）μmol·m?2·s?1］、T2N1［（5.36±0.55）μmol·m?2·s?1］。從幾次峰值可以看出，土壤CO2排放速率最大值均出現在T1耕作方式下。

表2 耕作方式和施肥量對土壤CO2日排放平均速率的影響Table 2 Daily average soil CO2 flux in different treatments of tillage and nitrogen application

圖3 耕作方式和施氮量對不同生育期土壤CO2排放速率的影響Fig.3 Growth stage changes of soil CO2 flux in different treatments of tillage and nitrogen application

5 月15 日、6 月29 日，土壤CO2排放速率出現谷值。5 月15 日出現第1 個谷值，平均值為（2.31±0.83）μmol·m?2·s?1，T1N1處理下 的 排 放 速 率 最 ?。郏?.26±0.71）μmol·m?2·s?1］。6 月29 日 出 現 第2 個 谷 值，平 均 值為（4.24±0.59）μmol·m?2·s?1，T3N1處理下的排放速率最小［（3.25±0.28）μmol·m?2·s?1］。從兩次谷值可以看出，土壤CO2排放速率最小值均出現在N1施肥方式下。在玉米的整個生育期，土壤CO2排放速率的均值由大到小依次為T1N2［（4.06±0.24）μmol·m?2·s?1］、T3N2［（3.81±0.34）μmol·m?2·s?1］、T1N1［（3.76±0.12）μmol·m?2·s?1］、T2N1［（3.64±0.28）μmol·m?2·s?1］、T2N2［（3.61±0.21）μmol·m?2·s?1］、T4N2［（3.59±0.12）μmol·m?2·s?1］、T4N1［（3.53±0.34） μmol·m?2·s?1］、T3N1［（3.39±0.44）μmol·m?2·s?1］。

耕作方式T1時玉米生育期土壤CO2平均排放速率 最 高，T2、T3、T4分 別 較T1降 低7.42%、7.93% 和8.95%，T2、T3和T4處理間無顯著差異（P＞0.05）。N2處理玉米生育期土壤CO2平均排放速率較N1處理顯著增加5.31%（P＜0.05）。耕作方式和氮肥施用量均能單獨顯著影響旱作玉米各生育期平均土壤CO2排放速率，二者交互作用無顯著影響（P＞0.05，表3）。

2.3 耕作方式和施肥量對玉米農田碳排放強度及碳平衡的影響

2.3.1 作物碳排放效率 耕作方式對籽粒產量、總生物量、CE、CEE 影響顯著。T3處理籽粒產量最高，分別較T1、T2處理顯著增加7.43%和4.93%（P＜0.05，表4），T2處理較T1處理顯著增加2.38%（P＜0.05，表4）；T3處理總生物量最高，分別較T1、T4處理顯著增加5.54%和6.00%（P＜0.05，表4），T2處理較T4處理顯著增加4.10%（P＜0.05，表4）；土壤碳排放量（CE）和CEE 在耕作方式間變化趨勢一致，T1處理二者均最高，T2、T3、T4處理分別較T1處理顯著降低8.22%、10.57%、10.77%和10.71%、17.86%、12.50%（P＜0.01，表4）。不同施氮量處理僅對CE 有影響，N2處理土壤碳排放總量較N1顯著增加3.78%（P＜0.05，表4）。不同耕作方式和施氮量的交互作用對籽粒產量、總生物量、土壤碳排放和CEE 均無顯著差異（P＞0.05，表4）。

表3 耕作方式和氮肥處理對生育期土壤CO2排放平均速率的影響Table 3 Average soil CO2 flux during growth period in different treatments of tillage and nitrogen application

表4 耕作方式和氮肥處理對農田作物產量和碳排放效率的影響Table 4 Effects of crop yield and carbon emission efficiency in different treatments of tillage and nitrogen application

2.3.2 玉米農田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡 耕作方式對碳固定量影響顯著（P＜0.05，表5），變化趨勢同總生物量變化一致。耕作方式對土壤微生物呼吸影響顯著（P＜0.05，表5），T1處理土壤微生物呼吸最高，T2、T3和T4處理分別較T1處理顯著降低了8.22%、10.57%和10.77%（P＜0.05，表5）。

耕作方式對凈生態(tài)系統(tǒng)生產力（NEP）、NPP-C/CE 影響顯著（P＜0.05，表5），T3處理二者均最高，分別較T1顯著增加18.72%、18.56%（P＜0.05，表5），T2和T4分別較T1顯著增加13.07%、7.98%和12.89%、11.86%（P＜0.05，表5）。不同施氮量處理僅對土壤微生物呼吸有顯著影響，N2處理土壤碳排放總量較N1顯著增加3.78%（P＜0.05，表5）。耕作方式和不同施氮量的交互作用對以上4 個指標均無顯著影響（P＞0.05，表5）。

表5 耕作方式和氮肥處理對農田系統(tǒng)碳平衡的影響Table 5 The carbon balance of farmland system during the growth period in different treatments of tillage and nitrogen application

3 討論與結論

考慮經濟和固碳減排效益，研究不同耕作方式和施氮水平對旱作農田土壤呼吸速率及碳平衡的影響，進而制定合理的農田管理模式對農業(yè)固碳長效機制具有重要意義［5］。本研究基于此目的開展并達到了預期的結果，明確了不同耕作方法和施氮量下土壤CO2排放的日變化、生育期變化、碳排放效率和碳平衡。

土壤CO2日排放速率具有明顯的拋物線模式，在12：00?14：00 出現峰值，處理間差異不顯著（P＞0.05），在4：00?6：00 出現谷值，與大氣溫度的變化基本一致（圖2），表明土壤CO2日排放速率受溫度的影響大于耕作方式和氮肥量。這種變化模式和已有研究［25，29］相似，時秀煥［25］在東北黑土的研究就得出在13：00?15：00 土壤CO2排放達到最大，在5：00?7：00 最低。水分、大氣溫度、土壤溫度、耕作方式和氮肥量均能影響土壤呼吸，進而改變土壤CO2日排放速率。在西北旱區(qū)，水分是限制因子，溫度是決定因子，一定范圍內土壤溫度增加可提高土壤微生物活性，進而促使土壤呼吸和土壤CO2日排放速率增加；同時相關分析也表明土壤CO2排放量與氣溫呈極顯著正相關［29?31］。土壤溫度較高時，耕作方式對土壤CO2排放速率無顯著影響（P＞0.05），反之極低時，深松耕會導致土壤CO2日排放速率顯著低于其他耕作方式（P＜0.05，圖2），這可能是由于深松耕耕作方式引起土壤孔隙度增大、通氣性增強，進而土壤微生物活性和土壤溫度快速降低，致使呼吸速率降低幅度最大［32?33］，這也是深松耕處理的土壤CO2日排放均值顯著低于其他處理（P＜0.05）的主要原因。

研究表明，土壤CO2排放速率在旱作玉米生育期基本呈先增后降的趨勢，隨拔節(jié)期、大小喇叭口期、花期的來臨逐漸增大，后逐漸減低，在收獲期（10 月15 日）降至最低（圖3），從旱作玉米的整個生育期看，土壤CO2排放速率表現為生長發(fā)育期高于成熟期，張俊麗［17］、張前兵等［34］、牛靈安等［35］也有類似研究結果。這主要是由于生長發(fā)育期土壤溫度普遍高于成熟期。生長發(fā)育期土壤CO2排放速率無明顯的規(guī)律，在4 月30 日（翻耕期）、6 月14 日（拔節(jié)期、大喇叭）和7 月14 日（花期交替期）出現峰值，在5 月15 日、6 月20 日出現谷值（圖3）。土壤CO2排放速率出現峰值的原因是：1）4 月28 日玉米地進行耕作，擾動土壤，水分、溫度和通氣性等物理性狀均發(fā)生變化，土壤空隙溫度、動物和微生物活動增加，導致土壤CO2排放速率提升；2）6 月14 日，農作物玉米拔節(jié)期，是其營養(yǎng)生長較為旺盛的階段，其土壤溫度在26～33 ℃間，少量降水（降水量為3.7 mm）促進土壤動物和微生物活動增加，產生Birch 效應［16］，進而提高土壤CO2排放速率；3）7 月14 日，大喇叭口末期和花期的交接時期，是玉米營養(yǎng)生長和生殖生長并進的階段，土壤根系、微生物呼吸增強，加之該時間段土壤溫度高（19.5～29.5 ℃，7 月11?14 日天氣晴朗）、施肥（6 月28 日追肥）、降水（7 月2?10 日降水達到66.8 mm），由于這些因素的影響，導致土壤CO2排放速率大幅度提升。土壤CO2排放速率出現低谷的原因是：5 月14 日、6 月24?27 日多降水，降水量分別為10.8 和44.3 mm。降水量影響土壤含水率，土壤含水率增加，降低CO2在土壤孔隙中的擴散速率、增加CO2在土壤和水中的溶解量，導致呼吸速率下降。已有研究也表明土壤CO2排放量與土壤較大水分含量呈極顯著負相關關系［16］。

本研究得出耕作方式對生育期土壤CO2排放平均速率有顯著影響（P＜0.05），翻耕處理土壤CO2排放平均速率最大，旋耕、深松耕和免耕間無顯著差異（P＞0.05），同時得出不同耕作方式土壤碳排放總量范圍為6436.87～7213.78 kg C·hm?2，翻耕處理最大、深松耕處理最低，且深松耕處理與旋耕、免耕處理之間無顯著差異（P＞0.05，表5），部分研究［36?37］也有類似報道。翻耕是在耕地20 cm 深處用鏵式犁翻耕后及時耙耱，對土壤擾動大，改變土壤的通氣性、水分條件、有機質的分解環(huán)境，進而改變土壤CO2排放［29，38］。張俊麗［17］和祿興麗［18］在陜西塿土的研究表明翻耕和深松耕均可增加土壤CO2排放速率，這與本研究結果有一定的差異，分析其原因：本研究因進行了地膜覆蓋，深松耕雖能導致土壤擾動，但其影響土層主要是在45～55 cm，對于0～30 cm 的表層土壤擾動不明顯，加之深松耕能提高土壤的貯水量，增加了土壤的空隙含水量，降低了通氣性［8，16，39］，其深入機制還有待進一步研究。本研究也得出，生育期土壤CO2排放平均速率、排放量隨施氮量的增加而增大，與已有結果一致［17，34］。主要是由于，氮肥的增加增大了土壤根系呼吸，同時使土壤C/N 降低，進而影響微生物C/N，促進微生物呼吸增大。本試驗中，不同耕作方式和施氮量下玉米農田NPP-C 在13936.16～14781.00 kg C·hm?2，其中，深松耕處理最高，較翻耕處理顯著增加5.66%（P＜0.05，表5），張俊麗［17］也有類似報道。主要原因是深松耕打破了犁底層，促使水分由底層向上運移，提高植株水分利用率，從而增加了產量和NPP［8，39］。

本研究發(fā)現8：00?12：00 的測定值均能較好地反映土壤CO2排放日平均速率。部分學者在黑土、紅壤等土壤類型研究得出9：00?11：00 為一天中土壤CO2釋放速率的最佳測量時間，張俊麗［17］、Stephen 等［26］均運用此時間段在塿土、黃綿土上開展了相關研究，本研究綜合考慮選擇了9：00?11：00 為生育期測定時間段。本研究測定均選擇在晴天進行，這個時間段能否應用于陰天或雨天還有待進一步研究。

通過以上分析，在黃土高原地區(qū)，地膜覆蓋下深松耕、旋耕、免耕處理比翻耕處理均能降低土壤碳排放量和作物碳排放效率，且深松耕處理能顯著提高玉米產量、生物量、農田生態(tài)系統(tǒng)凈生態(tài)系統(tǒng)生產力、固碳潛力（P＜0.05）。土壤碳排放量隨施氮量增加而增大。從經濟和固碳減排的角度，深松耕措施結合200 kg·hm?2的施氮量，可作為西北旱區(qū)玉米種植的較好模式。