不同耕作方式下冬小麦田N2O排放特征的差异性研究

陈晓龙，杨　威，江　波，殷寒旭，杨小兵，杨书运，马友华

(1.安徽农业大学资源与环境学院， 安徽 合肥 230036； 2.农业部合肥农业环境科学观测试验站， 安徽 合肥 230036；3.安徽省发展和改革委员会经济研究院， 安徽 合肥 230001)



不同耕作方式下冬小麦田N2O排放特征的差异性研究

陈晓龙1，2，杨威1，2，江波3，殷寒旭1，2，杨小兵1，杨书运1，马友华1

(1.安徽农业大学资源与环境学院， 安徽 合肥 230036； 2.农业部合肥农业环境科学观测试验站， 安徽 合肥 230036；3.安徽省发展和改革委员会经济研究院， 安徽 合肥 230001)

摘要：采用静态箱—气相色谱法对空白对照(CK)、常规施肥(CG)、免耕(CB)、秸秆还田(CJ)4种处理小麦田的N2O排放通量进行原位监测，同时测量土壤温度、水分及等相关影响因子的变化情况。研究结果表明：(1) 4种处理方式下麦田N2O排放通量具有明显的季节性变化规律，N2O排放通量变化趋势基本一致，其中空白对照各处理N2O的排放通量受季节性影响变化较小。(2) 在小麦生长季，4种处理方式下的农田均表现为N2O的排放源。与空白对照相比，常规耕作、免耕和秸秆还田处理下N2O的排放总量分别增加了0.89 kg·hm-2、0.41 kg·hm-2和1.02 kg·hm-2。(3) 气温和土壤5 cm、10 cm温度与N2O排放通量不存在显著的相关性，因而温度不是影响麦田N2O排放的限制性因素。各处理N2O排放通量与土壤水分均呈现正相关(P<0.05)。通过对比几次降水与施肥前后N2O排放通量的关系，发现降水后施肥能显著减少N2O排放。降水引起的土壤水分增加是影响N2O排放通量剧烈变化的因素。(4) 免耕和秸秆还田分别在N2O减排与小麦增产方面效果最好。N2O减排与小麦增产作为农业可持续发展的基本要求，秸秆还田处理效果最优。

关键词：N2O排放；冬小麦田；耕作方式；土壤水分；温室气体；减排

大量研究发现，不同施肥措施、水分管理措施、土壤质地和土壤含水率对麦田N2O排放通量有着重要的影响，如增施氮肥能显著增加麦田N2O的排放[7-11]。据宋利娜等[12]报道，施肥和灌溉能显著提高麦田N2O的排放通量，灌溉以及强降水为反硝化微生物营造了良好的厌氧环境，提高了反硝化过程中N2O的生成和排放。Lan等[13]研究发现，冬小麦田含水率较高的粘土比含水率较低的砂质土壤N2O排放通量更高。庞军柱等[14]认为黄土高原冬小麦田N2O的排放量与土壤含水率(P<0.05)呈显著相关性。在不同耕作方式对麦田N2O排放通量影响的报道中，大多数研究认为合理选择耕作方式能有效促进麦田N2O减排[15-19]。据赵建波等[20]报道，免耕已成为我国实现农业可持续发展的主要措施，特别是在华北地区已初具规模。但也有研究者[21]认为麦田免耕会增加农田N2O排放。关于麦田秸秆还田的报道很多，主要集中于不同秸秆还田方式对麦田N2O排放特征的影响[22-23]。但这些报道的试验地较多集中于北方非稻麦轮作区，而有关耕作方式对南方稻麦轮作系统下冬小麦田N2O排放特征的研究则鲜有报道。因此，本研究设置了4种耕作处理方式，对稻麦轮作种植制度下不同耕作处理方式冬小麦田N2O排放特征进行研究，寻求稻麦轮作制度下不同耕作方式与土壤温室气体排放之间的联系，以探讨不同耕作方式对冬麦田N2O排放影响。这对于精确计算稻麦轮作种植制度下不同耕作方式的冬小麦N2O排放量和温室气体的科学减排有一定参考价值。

1材料与方法

1.1试验点概况

监测点位于安徽省巢湖市火同炀镇安徽农业大学巢湖农业环境试验站，农田温室气体监测始于2011年的长期定位观测。该监测点属于北亚热带湿润季风气候，年均气温约16℃，年均降水量996 mm，四季分明，气候温和，光照充足，无霜期长，地势平坦，土质肥沃。土壤有机质含量23.64 g·kg-1，pH值6.18，全氮含量1.30 g·kg-1。当地的耕作制度是单季稻和旱作作物(通常是冬小麦)轮作，本文主要研究巢湖流域冬小麦田N2O的排放特征。

1.2试验设计

试验小麦于2013年10月28日播种，2014年5月26日收获，生育期共计211 d。供试小麦品种是扬麦16，播撒量为120 kg·hm-2。试验田设置了4种处理，每种处理采用随机3次重复，各小区面积均为4 m×7.5 m。4种处理分别为：(1) 空白对照(CK)，常规翻耕，全生育期不施肥；(2) 常规耕作(CG)，常规翻耕；(3) 免耕(CB)，实行免耕；(4) 秸秆还田(CJ),常规翻耕，经粉碎后的秸秆长度为3～5 cm，秸秆均匀撒施，翻埋入土，秸秆全量还田，还田量为7 500 kg·hm-2，之后进行撒播种子。前季水稻2013年6月13日移栽，9月27日收获。按照巢湖市当地施肥标准，前季水稻田施N 180 kg·hm-2，P2O567.5 kg·hm-2, K2O 67.5 kg·hm-2，本季冬小麦田施N 210 kg·hm-2，P2O572 kg·hm-2，K2O 72 kg·hm-2，常规耕作、免耕处理和秸秆还田具体施肥管理情况见表1。小麦生长季无灌水，依靠地下水和降水补给。

1.3N2O的采集与测定

气体的采集采用静态箱法，2014年4月1日前，气样采集使用的暗箱规格为50 cm×50 cm× 60 cm，为适应小麦植株的增高，4月1日后，规格变为50 cm×50 cm×120 cm。采气中使用60 mL塑料注射器连接箱内。常规采气时间为当日9∶00—11∶00，在此时间段内完成3个重复。9∶00开始采样，每10 min完成一组，每组分别在第0 min、第10 min、第20 min和第30 min进行。每次采样平均间隔为1—2周，随小麦不同生长期和外部环境而调整，在施肥之后加密采样。每次采气的同时测定对应处理的土壤水分和5 cm、10 cm地温。采用气相色谱法,利用气相色谱仪(Bruker450-GC)对气体测定N2O的浓度。色谱柱温度为50℃，检测器ECD为300℃，载气N2流量为300 ml·min-1。

1.4计算方法

(1) N2O排放通量用下式计算：

(1)

(2) 利用加权法计算N2O排放量的公式：

(2)

式中，Sum(N2O)为排放量(kg·hm-2)；Ek为第k次采样时N2O的排放量(g·m-2·d-1)；Dk为第k次与第k+1次采样间隔天数(d)。

W(N)=ρ×V×ts×10-3×1000/m

(3)

采用Origin8.5作图，利用SPSS18.0进行N2O排放通量与气温、土壤温度、土壤水分双变量相关分析，使用Matlab进行数据曲线方程的拟合。不同处理之间N2O的排放通量采用ANOVA分析和LSD(P<0.05)。

2结果与分析

2.1气温和降水的逐日变化

监测点的气温和降水等气象数据由自动气象站获取。图1是2013年10月25日至2014年5月31日试验期间逐日平均气温与降水量变化图。采样期间，当地逐日平均气温基本呈现先降后升的季节性变化趋势，气温最低值(0.4℃)、最高值(24.3℃)分别出现在12月和5月。在整个小麦生育期，当地总降水量为285.2 mm，2、3、4月降水量之和占总降水量的72.1%，小麦生育期中后期降水量较大。

图1试验期间逐日平均气温和降水量

Fig.1Seasonal patterns in daily mean air temperature

and precipitation during the wheat season

2.2不同耕作方式下麦田土壤N2O排放通量存在显著的季节性变化

根据图2可知，常规耕作(CG)、免耕(CB)与秸秆还田(CJ)分别出现了5次明显的N2O排放通量峰值且时间基本重合，日期分别为2013-10-28、2013-12-19、2014-01-14、2014-02-16和2014-03-11。第1次、第3次和第5次均与施肥有关。第1次排放峰是在小麦播种后不久、施肥后第3天出现的，峰值为26.1 μg·m-2·h-1(秸秆还田处理)，时间持续近一周。受施基肥影响，且土壤中水分适宜、无机肥含量高，植株吸收氮素多，因此麦田呈现N2O较大排放峰。这与熊正琴等[26]的研究结果相吻合。值得注意的是,免耕的N2O排放通量在小麦播种后不久出现较高值，这与前人[20,27]的研究成果一致。肥料播撒在土壤表面，短时间内加速了其分解释放，这为N2O的形成奠定了氮素基础。麦田从前季水稻田的淹水环境变成旱作环境，土壤氮素的转化给麦田土壤N2O的排放创造了条件[28]。第二次排放峰出现在12月中旬的一次规模较大的降水之后，这是因为土壤水分含量的增加促进了肥料释放和反硝化的速率加快。

图2不同耕作方式下冬小麦N2O排放通量的季节性变化

Fig.2Seasonal variation of N2O emission flux in winter wheat

under different tillage measures over three cropping seasons

经过分析发现，第3次和第5次N2O的排放峰不是在施肥之后立即出现，而是在降水2～3 d后出现，这与马二登等[23]的报道结果相一致。两次排放峰值分别是11.78 μg·m-2·h-1(常规耕作CG)、89.27 μg·m-2·h-1(常规耕作CG)。施用氮肥能够为土壤提供充足的底物，为N2O的排放提供大量的基质。硝化和反硝化作为土壤中N2O产生的两个最重要的生物过程，是在微生物参与下历经复杂物理、化学、生物等过程完成的。土壤水分不仅会影响土壤中硝化及反硝化微生物的活性，还会影响反硝化产物的气体组成和传输，这大大地影响了N2O的产生与排放。封克等[25]报道指出，N2O的最大排放峰出现在土壤含水率45%～75%时。因而，土壤缺少适宜的水分，就很难排放N2O。

图3是施基肥后4次采样，常规耕作、免耕和秸秆还田处理的N2O排放通量变化情况，拟合的曲线方程为y=-0.472x2+4.4046x+2.811(R2=0.9001，P=0.015)。可见，随着土壤中N的增加和流失，N2O排放通量呈现先增加后减少的特征。

图3排放通量与施肥后4次采样的关系

Fig.3The relation between N2O emission flux and

sampling four times after fertilization

在小麦全生育期，4种处理下N2O排放通量存在着明显的季节性变化。4种处理下N2O的排放通量均为正值，即冬小麦田表现为N2O的排放源。N2O排放通量在小麦越冬前随气温的降低而减少，在春季随温度的升高而增加。值得注意的是，除空白对照处理N2O的排放通量季节性变化幅度相对较小外，常规耕作处理、免耕处理和秸秆还田处理N2O的排放通量季节性变化幅度都较大。

2.3影响麦田N2O排放的环境因素

由图4可知，4种处理下土壤5 cm温度范围是0.2℃～25.3℃，空白对照、常规耕作、免耕和秸秆还田土壤5 cm平均温度分别为9.6℃、9.4℃、9.2℃和9.7℃。各处理间5 cm和10 cm地温相关性显著(P<0.01)。由表2看出，各处理N2O排放与5 cm、10 cm、气温的相关性均未达到显著水平(P<0.05)。土壤温度主要是通过土壤有机质的分解和微生物分解代谢过程中相关酶的活性来调节土壤N2O的排放[29]。有前人研究结果[10,23]表明土壤5 cm、10 cm在0℃～20℃的温度范围内，冬小麦N2O的排放通量与土壤温度不呈线性关系。

注：*和**分别表示在0.10和0.05水平上显著相关。T5cm：5 cm地温；T10cm：10 cm地温；T：气温；WFPS：土壤空隙含水率。

Note： * Correlation is significant at the 0.10 level; ** Correlation is significant at the 0.05 level.T5cm: 5 cm temperature;T10cm：10 cm temperature;T: Air temperature;WFPS: Soil moisture rate.

图6土壤铵态氮与N2O排放通量的关系

从表3可以看出，播种～返青期和返青～成熟期占全生育期N2O排放总量的比重分别是16.56%～43.24%、56.76%～83.44%，而返青～成熟期N2O的排放总量明显多于播种～返青期。3月5日施返青肥，6天后出现了N2O排放通量的最高峰，3月21日出现了次排放峰，后者峰值为前者峰值的60%～87%。值得注意的是施用返青肥后，排放量一直处于高位。3月5日～4月22日共49 d的排放量占全生育期210 d排放量的比例分别为33.11%(空白对照)、47.75%(常规耕作)、40.81%(免耕)和54.22%(秸秆还田)。这说明施肥，尤其是施用返青肥对N2O的排放影响巨大，显著地增加了全生育期N2O排放。相比常规耕作管理，免耕使土壤N2O排放量降低了29.45%。长期耕作土壤比未耕作土壤肥沃，土壤N有效性高，因此排放更多N2O。免耕土壤作为压实土壤，其空气中N2O浓度比其它处理高7倍，但土壤压实对土壤中N2O向大气排放有一定的阻隔作用，使得土壤N2O的排放通量降低[31]。从图7可以看出，虽然空白处理未施肥，但返青～成熟期的排放总量仍然大于播种～返青期。这可能与本小麦季后期，在降水较多和温度适宜条件下土壤硝化反硝化作用显著增强有关。

注：同一列中a、b不同字母分别表示处理间方差分析达显著水平(P<0.05)。

Note：Within a column a and b indicate significant difference atP<0.05 level.

图7冬小麦田在不同生育阶段N2O的排放量

Fig.7N2O emission from winter wheat field during different periods

2.4作物单位产量N2O排放量和N2O的温室效应

CO2当量关注的是排放，而等效CO2则关系到所有温室气体在大气中的浓度水平。根据IPCC的统计，N2O的温室效应系数是298[2]，可计算出不同处理排放的N2O的温室效应(100年)。换算成CO2当量后，表4中空白对照、常规耕作、免耕和秸秆还田处理的温室效应分别为220.52 kg·hm-2、485.74 kg·hm-2、342.70 kg·hm-2和524.48 kg·hm-2。

由表4知，空白对照、常规耕作、免耕和秸秆还田处理的经济产量分别为1 439、3 139、3 194 kg·hm-2和3 917 kg·hm-2。不同耕作方式对小麦产量的影响较大，与常规耕作相比，免耕的经济产量几乎持平，秸秆还田处理的经济产量增加了24.78%，胡腾等[9]的研究结果为15.2%。秸秆还田处理的经济产量比免耕处理增加了22.6%，但是单位面积粮食产量的减排并不是最优的。因为粮食增产和减排是农业可持续发展的基本要求，合理的减排措施应该是使作物单位产量的温室气体排放量处于较低水平[32]。全生育期4种处理小麦单位产量N2O排放量(排放总量/经济产量)从小到大的关系依次为CB(0.36 g·kg-1)

3结论与讨论

在小麦生育期，空白对照、常规耕作、免耕和秸秆还田处理均表现为N2O的排放源。常规耕作、免耕和秸秆还田处理的N2O排放通量具有明显的季节性变化趋势，空白对照排放通量随季节性变化较小。4种处理排放通量大小：秸秆还田(17.03 μg·m-2·h-1)>常规管理(16.18 μg·m-2·h-1)>免耕(11.24 μg·m-2·h-1)>空白对照(7.76 μg·m-2·h-1)。

气温和土壤5 cm、10 cm温度与冬小麦田N2O的排放通量不存在显著相关性，温度不是麦田排放N2O的限制性因素。4种处理N2O排放通量与土壤水分均呈现正相关(P<0.05)，通过对比几次降水与施肥前后N2O排放通量的关系，发现降水后施肥能显著减少N2O排放。

注：1)不同大写字母代表处理间差异极显著(P<0.01)；2)标准差与平均值之比；3)经济产量与生物产量之比。

Note： 1) Different capital letters within a column indicate significant difference atP<0.01 level； 2) The ratio of the standard deviation and average； 3) The ratio of the economic yield and biological yield.

在N2O排放减排和小麦产量上，免耕和秸秆还田处理效果较好。与常规耕作对比，在小麦单位产量N2O排放通量指标上，秸秆还田减少了13.5%，免耕增加了30.8%。秸秆还田处理在小麦增产和N2O减排两个方面都实现了较好的效果，因此就该研究区而言，秸秆还田是值得推广的耕作方式。

冬小麦土壤N2O排放需要经过复杂的生物、化学过程完成，影响排放环境的因素有土壤气温、水分、肥料、土壤微生物、农业管理措施等，而不只是受单一因素的影响。冬小麦田N2O的产生主要来源于土壤水分的控制和调节，除了灌溉外，降水是麦田水分增加的主要原因。当土壤湿度适宜时，土壤温度一定程度上调节了土壤N2O的排放。研究温室气体减排，对农田主要温室气体N2O的监测及其排放规律的探讨显得极为重要。

免耕和秸秆覆盖正被农业部门大力号召和大面积推广，但目前对保护性耕作条件下农田主要温室气体的综合研究评价不多见。冬小麦麦田主要表现为N2O的排放源，因此本文较详细地探讨了耕作方式对南方稻麦轮作系统下冬小麦田N2O排放特征的研究，不过本文并未对麦田另外两种温室气体(CH4、CO2)的排放特征以及冬麦田温室气体的全球增温潜势(GWP)进行综合估算。因此不同土地类型、不同气象条件下三种主要温室气体的综合评价以及计算增温潜势是以后研究的方向。秸秆还田利于改良农田土壤环境和提高作物质量，加强秸秆还田方式对温室气体排放的影响研究，运用同位素示踪等技术明确秸秆对温室气体排放的直接和间接影响，以实现粮食增产同时减少N2O的排放是仍将是以后研究的重点。

致谢：感谢安徽农业大学资源与环境学院硕士研究生汪海欧和张彩林在采样时的辛勤工作，傅阳和吴文春在文章写作中给予的帮助！

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Characteristic variations of N2O flux in winter wheat field under different tillage methods

CHEN Xiao-long1,2, YANG Wei1,2, JIANG Bo3, YIN Han-xu1,2,YANG Xiao-bing1, YANG Shu-yun1, MA You-hua1

(1.SchoolofResourcesandEnvironment,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui230036,China;2.HefeiScientificObservingandExperimentalStationofAgro-Environment,MinistryofAgriculture,Hefei,Anhui230036,China;3.InstituteofEconomicResearch,AnhuiDevelopmentandReformCommission,Hefei,Anhui230001,China)

Keywords:N2O emission; winter wheat field; tillage methods; soil moisture; greenhouse gases; emissions reduction

Abstract：The N2O emission fluxes and seasonal variations by four treatments including blank control (CK), conventional tillage (CG), no tillage (CB), and straw application tillage (CJ) were sampled and measured by static chamber-gas chromatographic. The soil temperature, water content,, Eh and other related factors were monitored at the same time. The results indicated that N2O emission flux by four treatments showed significantly seasonal variations and each treatment displayed a consistent trend. However, emission flux of the blank control were less subjective to seasonal changes in volatility than others. In addition, during wheat growing season, all farmland treatments were N2O emission sources. Compared with the blank control, the N2O total emission fluxes by conventional tillage, no tillage and straw application tillage were increased by 0.89 kg·hm-2, 0.41 kg·hm-2and 1.02 kg·hm-2, respectively. Moreover, air temperature and soil temperature at 5 cm and 10 cm layers were not related to N2O emission flux, indicating that these were not the significant limiting factors as the wheat field N2O emissions flux. N2O emission fluxes by all treatments and soil moisture showed a positive correlation (P<0.05). By comparing the relationship between precipitation and pre and post fertilization, it was found that N2O emissions flux could be significantly reduced by fertilization after rains. The increase of water content caused by precipitation was the factor that affected the dramatic change of N2O emissions flux. Furthermore, no tillage and straw application tillage had the best effects on N2O emissions and wheat production among the four treatments. For N2O abatement and wheat yield, straw application tillage is the most appropriate approach.

文章编号：1000-7601(2016)03-0221-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.35

收稿日期：2015-05-27

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201103039)

作者简介：陈晓龙(1989—)，男，安徽寿县人，硕士，研究方向为农田温室气体。E-mail:xiaolong5130@126.com。 通信作者：杨书运(1972—)，男，博士，副教授，主要从事应用气象学研究。E-mail:yangshy@ahau.edu.cn。 马友华(1962—)，男，博士。E-mail:yhma@ahau.edu.cn。

中图分类号：S181.3

文献标志码：A