張世康,閆麗娟,李廣,楊傳杰,吳江琪,劉帥楠,姚瑤,魏星星,張娟

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學信息科學技術(shù)學院，甘肅 蘭州 730070)

氣候變暖是全球最嚴峻的環(huán)境問題之一[1]。據(jù)報道全球氣候變暖已成為事實，僅1880～2012年間全球平均溫度升高了0.85 ℃，而且升溫速度正在加快，溫度升高間接影響了各地區(qū)的降水格局[2]。人類活動向大氣中釋放大量的二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)以及甲烷(CH4)等溫室氣體(GHG)是導致全球氣候變暖的根本原因[3]。而農(nóng)業(yè)源溫室氣體的排放在全球人類活動造成的溫室氣體排放中占有很重的比例，其中農(nóng)業(yè)源排放的CO2占全球人類活動造成的溫室氣體排放總量的25%[4]。農(nóng)田溫室氣體排放的主要來源是農(nóng)田土壤，據(jù)估計農(nóng)田土壤每年向大氣中排放的CO2占全部CO2總量的5%～20%[5]。因此，研究農(nóng)田土壤CO2的排放對控制全球氣候變化有重要作用[6]。

保護性耕作技術(shù)主要通過免耕或者少耕來減少對土壤的擾動，并且在土壤表面上增加作物秸稈和殘渣覆蓋，通過改變土壤結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量、含水量等理化性質(zhì)來改變土壤微生物含量及酶的活性，進而影響農(nóng)田溫室氣體的排放[7-9]。一般認為，免耕可以減少CO2的排放，覆蓋可以增加CO2的排放[10]，且CO2的排放與秸稈覆蓋量有顯著的正相關關系[11]，但是也有研究表明覆蓋可以減少CO2的排放[12]。由于CO2的排放受到的影響因素較為繁雜，導致研究結(jié)果不一[10-12]。因此，研究保護性耕作技術(shù)對CO2排放的影響對控制農(nóng)田土壤CO2的排放有著重要意義。

定西地處隴中黃土高原地區(qū)，是典型的黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[13]，而黃土高原是世界上水土流失最嚴重、生態(tài)環(huán)境最敏感的地區(qū)，嚴重的水土流失導致土壤資源荒漠化，地表植被退化，土地生產(chǎn)力降低[14]。而以免耕和秸稈覆蓋作為核心技術(shù)的保護性耕作措施可以減少水土流失[15]、改善土壤環(huán)境[16]。目前，已有許多學者對該地區(qū)進行了研究，其中呂錦慧等[17]的研究發(fā)現(xiàn)不同耕作措施下豌豆地土壤在測定期表現(xiàn)為CO2的排放源，且在生育期內(nèi)CO2主要呈現(xiàn)為高排放，休閑期呈現(xiàn)低排放。汪婧等[11]的研究發(fā)現(xiàn)免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作結(jié)合秸稈還田等3種保護性耕作措施有助于減少土壤溫室氣體的排放量。但前人研究大多是研究耕作措施對小麥生長季的溫室氣體的影響[11,15]，對不同耕作措施非生長季CO2排放的變化及影響卻鮮有報道。

因此，本研究依托于甘肅省定西市鳳翔鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學旱作實驗基地，通過測定樣地內(nèi)CO2排放通量、土壤溫度、含水量以及土壤養(yǎng)分狀況(全氮、有機碳、全磷、銨、硝態(tài)氮)來探討不同耕作措施下春小麥非生長季的CO2的排放特征及其響因素，以期為黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)春小麥田CO2的減排提供依據(jù)及參考并為該領域的研究提供一定的補充。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家坡村(E 104.65°，N 35.58°)，地處隴中黃土高原地區(qū)，屬中溫帶半干旱地區(qū)，海拔2000m，該地區(qū)年均太陽輻射141.6×1.48 kJ/cm2，年均氣溫6.4 ℃，年均≥0 ℃積溫2 933.5 ℃，年均≥10 ℃積溫2 239.1 ℃，無霜期140 d，年均蒸發(fā)量1 531 mm，多年平均降水量385 mm，降水季節(jié)分配不均，主要集中在7～9月，降水量低而且不穩(wěn)定，年際變異系數(shù)很大為18.5%。試驗地土壤為黃綿土，抗侵蝕能力較弱，試驗地土壤養(yǎng)分及水溫狀況見下表1，試驗期內(nèi)試驗地氣溫及降水量見下圖1。

1.2 試驗設計

試驗從2017年9月開始，采用隨機區(qū)組設計，試驗地種植春小麥。研究區(qū)域設置了4個不同耕作措施處理：傳統(tǒng)耕作、傳統(tǒng)+秸稈覆蓋、免耕、免耕+秸稈覆蓋(表1)。每個處理都在4 m×6 m固定研究樣地內(nèi)，每個處理的樣地內(nèi)隨機設置0.5 m×0.5 m的固定采樣區(qū)3個，用以測定該耕作類型下土壤溫室氣體排放規(guī)律。小麥播種時底肥為150 kg/hm2磷酸二銨，62.5 kg/hm2尿素。小麥品種為定西42，播種量為187.5 kg/hm2，每個樣地內(nèi)播種24行，行距25 cm。

表1 不同耕作措施下土壤的養(yǎng)分及水溫狀況

圖1 試驗期內(nèi)試驗地的日平均氣溫與降水量情況Figure 1 Daily average temperature and precipitation of the test site during the test period

表2 耕作措施描述

1.3 溫室氣體采樣與測定

4種耕作措施的試驗樣地內(nèi)于2017年9月埋設底座，每個固定研究樣地內(nèi)埋設1個底座。底座和采集箱都是中科院大氣物理研究所研制的，底座尺寸為50 cm×50 cm×20 cm，板厚2.5 mm，底座上端有焊接寬度約2 cm的密封邊，下端為不銹鋼做成的刃口，以便于插入土壤中；采樣箱的尺寸50 cm×50 cm×50 cm無底正方體，箱壁用1 mm厚304K薄不銹鋼板制成，頂箱上端裝有兩個攪拌風扇用來使箱內(nèi)空氣混合均勻。

在春小麥非生長季(2018年11月～2019年3月，每月2次)內(nèi)，早上9∶00～11∶00之間進行溫室氣體采樣。采樣前必須保證密封圈的完整(如果破損要及時更換)，在罩箱前，要事先檢查采樣管、風扇電源、溫度測量接頭是否良好。在罩箱后，開始計時并采集氣樣，分別在間隔0、9、18、27、36 min用100 mL帶有三通閥并密封良好的塑料醫(yī)用注射器抽取箱內(nèi)氣體，注入0.1 L密封氣袋。采樣結(jié)束后應盡快把樣品帶回實驗室在氣相色譜儀(A90)上進行分析(一周內(nèi)完成)。采集氣樣的同時，用便攜式測溫表(JM624)測定箱內(nèi)溫度，用EM50測土壤水分、溫度以及空氣溫度。

CO2排放通量采用下式計算[18]：

式中：F為氣體通量(mg/(m2·h))，dc/dt為采樣時為箱內(nèi)目標氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率，M為被測氣體摩爾質(zhì)量(g/mol)，P0和T0為理想氣體標準狀態(tài)下的空氣壓力和氣溫(分別為1 013.25 hPa和273.15 K)，V0為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積(mL/mol)，即22.41 mL/mol，H為正方體采樣箱內(nèi)氣室高度，P和T為采樣時箱內(nèi)的實際氣壓和氣溫。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗原始數(shù)據(jù)用Office 2019整理，利用SPSS 25對數(shù)據(jù)進行整理，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD法)對4種耕作措施間的CO2排放通量進行差異性。所有圖表均在Office 2019中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗地土壤的養(yǎng)分、溫度及含水量

在春小麥非生長季(2 018.11～2 019.3)，4種耕作措施間的土壤養(yǎng)分含量見表1。土壤全氮含量在土壤表層(0～10 cm)表現(xiàn)為TS>T>NT>NTS；在10～40 cm土層都表現(xiàn)為NT>TS>NTS>T。土壤有機碳含量在土壤表層表現(xiàn)為NTS>TS>T>NT，在10～20 cm土壤表現(xiàn)為TS>NTS>T>NT,在20～40 cm土壤表現(xiàn)為NTS>TS>T>NT。土壤全磷含量在土壤表層表現(xiàn)為NT>TS>T>NTS，在10～20 cm土壤表現(xiàn)為T>TS>NTS>NT,在20～40 cm土壤表現(xiàn)為TS>T>NT>NTS。土壤銨態(tài)氮含量在土壤表層表現(xiàn)為TS>T>NTS>NT，在10～20 cm土壤表現(xiàn)為NTS>T>NT>TS,在20～40 cm土壤表現(xiàn)為T>NTS>NT>TS。土壤硝態(tài)氮含量在土壤表層表現(xiàn)為T>TS>NTS>NT，其余兩層都表現(xiàn)為T>TS>NT>NTS。

4種耕作措施下土壤含水量都為先降后升的趨勢(圖2)，都表現(xiàn)為2019年3月份最大，2018年12月份最小，2019年2月份有個小的峰值。樣地的平均含水量為T最小，NTS最大(表1)。4種耕作措施間0～5 cm的土壤溫度的變化趨勢都表現(xiàn)為先降后升，且變化幅度都不大(圖3)。4種耕作措施間5～10 cm的土壤溫度變化除TS外，其他3種耕作措施的趨勢相同，都為先降后升(圖4)。試驗樣地的平均溫度表現(xiàn)為：T最高， NTS最低(表1)。

圖2 樣地土壤含水量Figure 2 Soil moisture content of the sample plot

圖3 0～5 cm不同耕作措施的土壤溫度Figure 3 0～5 cm soil temperature of different tillage measures

2.2 CO2的平均排放通量

在春小麥非生長季(2 018.11～2 019.3)，4種耕作措施間的CO2的平均排放通量(圖5)，表現(xiàn)為TS(10.98 mg/(m2·h))>T(10.79 mg/(m2·h))>NTS(8.88 mg/(m2·h))>NT(8.29 mg/(m2·h)).與T的CO2的平均排放通量相比，TS增加了1.76%，NT和NTS分別減少了23.16%和17.7%。由此可知，秸稈覆蓋可以增加旱作春小麥田CO2的排放通量，免耕可以明顯減少旱作春小麥田CO2的排放通量(P<0.05)。

圖4 5～10 cm不同耕作措施土壤溫度Figure 4 5～10 cm soil temperature of different tillage measures

圖5 不同耕作措施下的CO2平均排放通量Figure 5 The average CO2 emission flux under different farming measures

2.3 CO2排放通量的季節(jié)變化

4種耕作措施間的CO2排放通量都表現(xiàn)為先降后升的趨勢(圖6)，排放最大值均在2018年11月份，且T的CO2排放通量明顯小于其他3種耕作措施；最小值都在2019年2月份，且TS的CO2排放通量明顯大于其他3種耕作措施；而且在一月份時CO2排放通量出現(xiàn)了一個小的峰值。T的變化幅度最大，而NT和NTS 的變化幅度都較小， TS的變化幅度最小。由此可知，TS的CO2排放通量明顯大于其他3種耕作措施，NT的CO2排放通量明顯小于其他3種耕作措施。

2.4 CO2排放通量與土壤溫度、含水量及養(yǎng)分的相關性分析

4種耕作措施下CO2排放通量與土壤的0～5 cm溫度、5～10 cm溫度都呈正相關關系，NT和T的CO2排放通量與土壤的0～10 cm溫度呈顯著正相關(P<0.05)，NTS和TS的CO2排放通量與土壤的0～10 cm溫度呈極顯著正相關(P<0.01)。NT、T和TS的CO2排放通量與土壤含水量都呈正相關關系，且相關性都不大，T的最小。4種耕作措施下CO2排放通量與0～40 cm土壤有機碳的含量都呈正相關關系，與0～20 cm的有機碳含量呈極顯著正相關(P<0.01)。4種耕作措施下CO2排放通量與三個土層的土壤全磷含量都呈正相關關系，與土壤表層(0～10 cm)的土壤全磷含量呈顯著正相關(P<0.05)。4種耕作措施下CO2排放通量與0～40 cm的土壤全氮含量都呈正相關關系，但與0～10 cm的全氮含量呈顯著正相關(P<0.05)。4種耕作措施下CO2排放通量與0～40 cm的土壤銨態(tài)氮含量呈正相關關系,CO2排放通量與0～10 cm的土壤銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(P<0.05)。4種耕作措施下CO2排放通量與0～40 cm的土壤硝態(tài)氮含量都呈正相關關系， 與10～40 cm的土壤硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(P<0.05)。由此可知，土壤CO2的排放通量與0～20 cm的土壤有機碳含量呈極顯著正相關(P<0.01);與0～10 cm土壤全磷含量、土壤全氮含量、土壤銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(P<0.05)，與10～40 cm的土壤硝態(tài)氮呈顯著正相關(P<0.05)。

圖6 不同耕作措施下CO2排放通量的季節(jié)變化Figure 6 Seasonal changes of CO2 emission flux under different farming measures

*：在0.05級別，相關性顯著；**:在 0.01 級別，相關性顯著。*：The correlation is significant at the 0.05 level；**：The correlation is significant at the 0.01 level.圖7 CO2排放通量與0～5 cm土壤溫度的相關性Figure 7 Correlation between CO2 emission flux and 0～5 cm soil temperature

*：在0.05級別，相關性顯著；**:在 0.01 級別，相關性顯著。*：The correlation is significant at the 0.05 level；**：The correlation is significant at the 0.01 level.圖8 CO2排放通量與5～10 cm土壤溫度的相關性Figure 8 The correlation between CO2 emission flux and 5～10 cm soil temperature

*：在0.05級別，相關性顯著；**:在 0.01 級別，相關性顯著。*：The correlation is significant at the 0.05 level；**：The correlation is significant at the 0.01 level.圖9 CO2排放通量與土壤含水量的相關性Figure 9 Correlation between CO2 emission flux and soil moisture content

3 討論

3.1 耕作措施對CO2排放的影響

土壤CO2排放主要是土壤呼吸作用的結(jié)果，而在非生長季，由于植株根系死亡，土壤凍結(jié)使得土壤中的動物活動受限，故土壤的CO2排放基本上是由土壤微生物呼吸產(chǎn)生的，而耕作措施則是通過土壤溫度、緊實度以及土壤養(yǎng)分狀況來影響土壤CO2的排放[19]。本研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)耕作相比，秸稈覆蓋可以增加CO2的排放通量，免耕可以顯著減少CO2的排放通量，免耕的CO2的排放通量僅為傳統(tǒng)耕作的76.84%，而傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋的CO2的排放通量為傳統(tǒng)耕作的101.76%(圖5)，其原因是免耕減少了土壤的擾動，并使得土壤有機碳的暴露減少、降解速率變慢，進而使得CO2的排放量減少[20]；秸稈覆蓋可以增加土壤含水量，提高土壤溫度，有利于CO2的排放，同時覆蓋的秸稈腐爛后又增加了土壤腐殖質(zhì)的含量，為土壤微生物的呼吸作用提供了大量的底物，從而促進了CO2的排放。本研究結(jié)果與汪婧等[11]、謝燕等[21]及杜杰等[22]的研究一致。而于愛忠等[23]和李瑋等[24]的研究結(jié)果也表明秸稈覆蓋可以促進CO2的排放，其原因是秸稈覆蓋能對雨滴直接擊打地面造成的土壤板結(jié)起到緩解作用，從而增加了土壤的通透性，促進了CO2的排放。

*：在0.05級別，相關性顯著；**:在 0.01 級別，相關性顯著。*：The correlation is significant at the 0.05 level；**：The correlation is significant at the 0.01 level.圖10 CO2排放通量與土壤有機碳含量的相關性Figure 10 Correlation between CO2 emission flux and soil organic carbon content

*：在0.05級別，相關性顯著。*：The correlation is significant at the 0.05 level.圖11 CO2排放通量與土壤全磷含量的相關性Figure 11 The correlation between CO2 emission flux and soil total phosphorus content

*：在0.05級別，相關性顯著。*：The correlation is significant at the 0.05 level.圖12 CO2排放通量與土壤全氮含量的相關性Figure 12 Correlation between CO2 emission flux and total soil nitrogen content

*：在0.05級別，相關性顯著。*：The correlation is significant at the 0.05 level.圖13 CO2排放通量與土壤銨態(tài)氮含量的相關性Figure 13 The correlation between CO2 emission flux and soil ammonium nitrogen content

*：在0.05級別，相關性顯著。*：The correlation is significant at the 0.05 level.圖14 CO2排放通量與土壤硝態(tài)氮含量的相關性Figure 14 Correlation between CO2 emission flux and soil nitrate nitrogen content

本研究發(fā)現(xiàn)在整個非生長季，4種耕作措施間的CO2排放都表現(xiàn)為先減小后升增加，排放最大值均在2018年11月份，最小值都在2019年2月份，且TS的CO2排放通量明顯大于其他3種耕作措施。這是由于CO2排放受土壤溫度和土壤含水量的影響較大,都呈正相關(圖7～9)，而在非生長季土壤的溫度和水分都先減小后增加(圖1～3)。在2018年11月份土壤溫度和含水量都較高，土壤微生物的數(shù)量和活性在整個非生長季都是最高的，而且還有土壤中動物的活動也會對CO2排放有影響，所以此時CO2排放通量是最高的；在2019年1月初 CO2排放通量出現(xiàn)了一個小的峰值，是由于樣地的土壤溫度和含水量都升高，土壤微生物的活性增強，從而導致CO2的排放通量變大。而在2月中旬出現(xiàn)土壤CO2的排放通量的最低值，在3月底又出現(xiàn)峰值的原因是在2月下旬農(nóng)田土壤發(fā)生了的凍融交替，改變了土壤的團粒結(jié)構(gòu)，暴露出了很多有機碳[25]；同時土壤冰晶中殺死的微生物在解凍后，細胞破裂會釋放出大量供微生物呼吸的糖或氨基酸等底物[26]，但是，由于2月份的地溫一直較低(低于0 ℃)，土壤微生物的活性受到抑制；直到3月份地溫開始回升，土壤微生物的活性增強，從而導致3月份的CO2排放通量增加。而且有研究表明秸稈覆蓋可以增加土壤水分[20]，從而促進了CO2排放；免耕由于減少了土壤有機碳的暴露[21]，從而減少了CO2的排放。由此可知，免耕相比于其他耕作措施，可以有效地減少CO2的排放，而秸稈覆蓋相比于其他耕作措施，可以促進CO2的排放，這與大多數(shù)前人的研究結(jié)果[11,19-24]是一致的。

3.2 環(huán)境因素對CO2排放的影響

研究表明土壤溫度和土壤含水量是影響土壤CO2的排放通量的主要因素[27]，但也有研究表明土壤含水量對CO2的排放通量的影響受環(huán)境因素的配置狀況支配[28]。本研究發(fā)現(xiàn)在非生長季春小麥田的CO2排放通量與土壤溫度和含水量都呈正相關關系，并且受溫度的影響較大，受水分影響較小(圖7～9)。因為隨著土壤溫度的降低，CO2的排放通量逐漸降低；溫度回升后，CO2排放通量又逐漸升高(圖6)，并且CO2排放通量與土壤溫度呈顯著正相關(P<0.05)，與土壤含水量呈正相關但不顯著。這與前人[27-28]的研究結(jié)果相似。本研究發(fā)現(xiàn)在非生長季春小麥田的CO2排放通量與0～20 cm土壤有機碳呈極顯著正相關(P<0.01)，與20～40 cm土壤有機碳呈正相關(圖10)，原因土壤微生物主要在土壤表層，而土壤有機碳作為它的呼吸底物，其含量直接影響了土壤微生物的呼吸作用。這與謝慧慧等[27]和Bahn等[29]的研究結(jié)果相似，謝慧慧等[27]的研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下的土壤CO2的排放通量與土壤有機碳含量有顯著的正相關關系；Bahn等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，在草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤CO2的排放通量與表層土壤的有機碳含量呈顯著正相關關系。而魏書精等[30]的研究發(fā)現(xiàn),土壤的全磷含量的變化也會對土壤CO2的排放通量有影響，他們間有著顯著的正相關關系，土壤全磷的含量增加會導致土壤CO2的排放通量增加。本研究結(jié)果與其相似，本研究發(fā)現(xiàn)土壤CO2的排放通量與0～40 cm土壤全磷的含量都呈正相關關系，并與土壤表層(0～10 cm)的全磷含量呈顯著正相關。土壤CO2的排放通量受的0～10 cm的全磷含量影響較大，受的10～40 cm的全磷含量影響較小(圖11)，原因是土壤微生物可以直接利用的全磷主要是土壤表層的全磷，而土壤全磷的增加會使得土壤呼吸的底物增加，從而導致CO2的排放通量增加。

土壤全氮作為土壤呼吸的底物之一，其含量對土壤CO2的排放通量有直接影響。游璟[31]的研究表明，土壤CO2的排放通量與上層土壤全氮呈顯著正相關關系，而下層土壤(20～30 cm)全氮與土壤CO2的排放通量不具有顯著相關性。本研究結(jié)果與之類似，本研究發(fā)現(xiàn)土壤CO2的排放通量受土壤0～10 cm的全氮含量影響較大，并呈顯著正相關關系；受10～40 cm的全氮含量影響較小，也呈正相關關系但不顯著，原因是土壤微生物主要分布在土壤表層，在春小麥非生長季可以直接利用的全氮也主要是土壤表層的全氮。而王進斌等[32]的研究結(jié)果也與本研究相似，他的結(jié)果表明在玉米生長季土壤碳排放僅與0～10 cm的土壤有機碳和土壤全氮呈顯著正相關。有研究表明，銨態(tài)氮輸入會增大農(nóng)田土壤CO2排放的溫度敏感系數(shù)[33]，而且野外控制試驗發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的輸入會促進土壤CO2的排放[34]。本研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤CO2的排放通量受土壤表層(0～10 cm)銨態(tài)氮的含量的影響較大，呈顯著正相關關系；受10～40 cm的土壤銨態(tài)氮含量的影響較小，并呈正相關關系，但不顯著(圖13)；農(nóng)田土壤CO2的排放通量與土壤硝態(tài)氮的含量呈正相關關系，并受10～40 cm的土壤硝態(tài)氮的含量影響較大，呈顯著正相關關系，受0～10 cm的土壤硝態(tài)氮含量影響較小(圖14)。與Liang等[35]的研究結(jié)果相似，其發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與土壤呼吸呈極顯著相關，本研究結(jié)果與其有差異的原因可能與試驗地土壤的質(zhì)地以及氣候條件有關，具體原因有待進一步研究。

4 結(jié)論

1) 在春小麥非生長季，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕可以明顯減少麥田CO2的排放，秸稈覆蓋可以增加麥田CO2的排放。

2) 在春小麥非生長季，影響土壤CO2的排放主要因素為土壤溫度，0～10 cm的土壤全氮、土壤全磷和銨態(tài)氮，0～20 cm的土壤有機碳和10～40 cm的土壤硝態(tài)氮。