不同耕作方法和施氮量对旱作农田土壤CO2排放及碳平衡的影响

齐鹏，王晓娇，姚一铭，陈晓龙，武均，蔡立群

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州730070；2.甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃兰州730070；3.甘肃省节水农业工程技术研究中心，甘肃 兰州730070；4.甘肃农业大学管理学院，甘肃兰州730070；5.甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州730050）

碳循环是陆地生态系统三大物质循环之一［1−3］。土壤CO2排放是碳循环的重要组成部分，其排放量增大会导致碳循环紊乱，进而影响气候变化［2−7］。农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分之一，其土壤CO2排放对全球碳循环也会产生重要影响。

农田生态系统是人类干预最多的生态系统之一，耕作方式和施肥是重要的人为干预措施。我国北方农田的农作物耕作方式主要包括免耕、深松耕、翻耕和旋耕［8］，通过对土壤扰动，可以改变土壤水分、温度、微生物活性及根系变化，进而影响土壤呼吸［8−20］。深松耕因打破犁底层、有效促进作物根系生长、提高水分利用效率而被广泛应用［8，17−18］。翻耕、深松耕、旋耕和免耕可改变土壤CO2排放量，温度和水分起到了决定作用［15，17］。常规耕作转变为免耕后，土壤CO2排放量呈增大趋势［21］。氮肥施用量对土壤呼吸的影响目前尚无共识，旱作玉米农田中土壤呼吸速率随施氮量的增加而增大［22−23］，而小麦（Triticum aestivum）农田中施用氮肥对土壤CO2排放无显著影响［24］。现有农田土壤CO2排放量的研究大多集中于耕作方式、施氮量等单一因素，目前有关上述两因素对黄土高原旱区玉米（Zea mays）农田土壤CO2排放和碳平衡影响的研究较少。

黄土高原是典型的北方旱作农业区。此地区旱作玉米主要生产技术为全膜双垄沟播技术，其耕作方法以免耕、深松耕、翻耕和旋耕为主，基于此，本研究拟选择黄土高原西部的甘肃陇中半干旱丘陵沟壑区为研究区域，研究玉米农田中不同耕作方式和施氮量对土壤CO2排放量日变化、生育期变化和碳平衡的影响，探究种植玉米的农田碳排放效率和潜力的评价，为选择北方旱区全膜双垄沟播模式下较好农田耕作方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点设于甘肃省定西市安定区李家堡镇麻子川村的甘肃农业大学旱农长期定位试验站，属黄土高原西部半干旱丘陵沟壑区。该区是典型的旱作雨养农业区，海拔2000 m 左右，日照时数2476.6 h，年均太阳辐射594.7 kJ·cm−2，年均气温6.4 ℃，≥10 ℃积温为2239.1 ℃，年均无霜期140 d，多年平均降水量390.9 mm，2018 年降水量472.05 mm（图1），年蒸发量达到1531 mm，干燥度2.53；土壤为典型的黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，储水性能良好，耕层主要理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验采用二因素裂区试验设计，随机区组排列，2012 年布设，主因素为耕作方法，包括翻耕（T1），旋耕（T2），深松耕（T3）和免耕（T4）；副因素为施肥措施，包括N1（基 肥200 kg N·hm−2），N2（基 肥200 kg N·hm−2+拔节期100 kg N·hm−2），共8 个处理，3 次重复，小区面积44 m2（4.4 m×10.0 m）。主因素具体操作为：翻耕（T1），用铧式犁进行，土壤深度为20 cm 左右；旋耕（T2），用旋耕机进行，土壤深度为15 cm 左右；深松耕（T3），用深松机进行，土壤深度为35 cm 左右；所有处理均起垄，白色地膜覆盖，覆膜方式为全膜双垄沟，地膜厚度0.008 mm，沟内间隔50 cm 留渗水孔。氮肥为尿素（含N 46%），基肥为磷肥（150 kg·hm−2，过磷酸钙，含P2O516%），供试玉米品种为“先玉335”，穴播（沟内），4 月30 日左右播种，密度为5.25 万株·hm−2，10 月中旬收获。

图1 2018 年月降水量分布图Fig.1 Monthly precipitation distribution in 2018

表1 试验地土壤主要理化性质Table 1 Soil chemical and physical properties

1.3 指标测定与方法

1.3.1 土壤CO2排放速率测定 2018 年4 月30 日开始采用LI-8100A 开路式土壤碳通量测量系统（LI-COR，USA）进行田间土壤呼吸速率测定。每隔15 d 左右测定一次，选择晴朗或少云天气，每次测定时间为上午9：00－11：00［17，25−26］，每个小区重复测定3 次，每次测定时长为90 s［27］。在该时间段所测土壤呼吸速率可以代表日平均值。在每次测定前1 d，揭开地膜，去除基座腔室内土壤表层的一切活体及凋落物，在整个生育期基座埋设位置保持不变。土壤CO2排放速率日动态测定：在玉米生长旺盛的大喇叭口期和花期交替期（2018 年7 月20 日）上午8：00 开始第一次测定，随后每隔2 h 测定一次，共测12 次。

1.3.2 籽粒产量与生物量测定 玉米收获期，每个小区剔除边行，随机选取10 株玉米植株，采集其地上、地下部分，地下部分采用挖坑冲洗法［17］，105 ℃烘0.5 h 杀青，然后80 ℃烘干至恒量，采用干烧法［28］测定根系含碳量。各小区实打实收，根据种植密度并按照籽粒含水率12%折算产量［17］。

1.4 分析方法

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

式中：R为CO2排放速率（μmol·m−2·s−1）；i+1与i表示两次测量之间相隔时间，t表示播种后的天数；系数0.1584表示将C 排放数值单位μmol CO2·m−2·s−1转换为g CO2·m−2·h−1，系数0.2727 表示将单位g CO2·m−2·h−1转换为g C·m−2·h−1；24 与10 表示将C排放数值单位由g C·m−2·h−1转换为kg C·hm−2。

1.4.2 作物碳排放效率（CEE）［17］

式中：Y（yield）为作物籽粒产量，CEE（carbon emission efficiency）为作物每释放单位千克碳所生产的产量，单位为kg·kg−1。

1.4.3 农田生态系统碳平衡［27］

式中：NEP-C（net ecosystem productivity）表示生态系统碳平衡；NPP-C（net primary productivity）表示净初级生产力固碳量；Rm-C（microbial respiration）表示土壤微生物异氧呼吸碳释放量。地上部组织和根的碳含量经测定取48%。NPP-C/CE表示生态系统固碳潜力，其值越大，表明固碳潜力越强。

1.5 数据分析

所有数据均采用Excel 2010 整理，采用SPSS 24.0 软件进行统计分析，裂区分析采用“一般线性模型−单变量”，多重比较采用Duncan 法，利用SigmaPlot 12.5 绘制图表。

2 结果与分析

2.1 耕作方式和施氮量对土壤CO2日排放速率的影响

2.1.1 土壤CO2日排放速率 土壤CO2排放速率昼高夜低，呈现单峰曲线，变化趋势与大气温度变化趋势基本一致（图2）。各处理下土壤CO2排放速率的日变化范围为：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排放速率峰值出现在12：00−14：00；土壤CO2排放速率谷值出现在凌晨4：00−6：00。土壤CO2排放速率在T3N2处理下最小［（3.64±0.09）μmol·m−2·s−1］，T1N1处理下最大［（4.20±0.30）μmol·m−2·s−1］（图2）。

为了解不同时间段土壤CO2排放速率与土壤CO2排放日平均速率的关系，通过计算同一处理某一测定时间段土壤CO2排放速率与土壤CO2排放日平均速率的比值，再将比值按时间段平均，8：00−10：00、10：00−12：00、20：00−22：00 3 个时间段的值分别为0.96、0.98、1.01，说明8：00−12：00 的测定值均能较好地反映土壤CO2排放日平均速率。

图2 耕作方法和施肥量对土壤CO2日排放速率的影响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处理最低，分别较T1和T2显著降低4.33%和4.12%（P＜0.05），在其他耕作处理、施肥处理、耕作方式与施氮量交互作用间均无显著差异（P＞0.05，表2）。

2.2 耕作方式和施氮量对不同生育期土壤CO2排放速率的影响

土壤CO2排放速率在整个生育期基本呈先增后降的趋势。不同耕作方式下，土壤CO2排放速率在7月29 日前变化无显著规律，随成熟期（10 月12 日）的临近呈降低趋势（图3）。

4 月30 日（播种期）、6 月14 日（拔节末期小喇叭初期）和7 月14 日（大喇叭口末期花期初期），土壤CO2排放速率出现峰值。4 月30 日出现第1 个峰值，平均值为（4.22±0.89）μmol·m−2·s−1，T1N2处理下的排放速率最大［（5.47±0.11）μmol·m−2·s−1］，T3N2的土壤CO2排放速率最小［（3.56±0.40）μmol·m−2·s−1］。6月14 日出 现 第2 个峰值，平 均 值为［（5.57±0.70）μmol·m−2·s−1］，T1N1处 理 下 的 排 放 速 率 最 大［（6.82±0.46）μmol·m−2·s−1］，T2N2的土壤CO2排放速率最小［（4.73±0.33）μmol·m−2·s−1］，T2N2处理比T1N1处理下的土壤CO2排放速率减少了30.80%。7月14 日，是玉米生长最为旺盛的时期之一，玉米农田土壤CO2排放速率也随之达到了第3 个峰值。土壤CO2排放速率均达到了最大值，平均值为（6.26±0.56）μmol·m−2·s−1，土 壤CO2排 放 速 率 由 大 到 小 依 次 为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］。从几次峰值可以看出，土壤CO2排放速率最大值均出现在T1耕作方式下。

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

图3 耕作方式和施氮量对不同生育期土壤CO2排放速率的影响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排放速率出现谷值。5 月15 日出现第1 个谷值，平均值为（2.31±0.83）μmol·m−2·s−1，T1N1处理下 的 排 放 速 率 最 小［（1.26±0.71）μmol·m−2·s−1］。6 月29 日 出 现 第2 个 谷 值，平 均 值为（4.24±0.59）μmol·m−2·s−1，T3N1处理下的排放速率最小［（3.25±0.28）μmol·m−2·s−1］。从两次谷值可以看出，土壤CO2排放速率最小值均出现在N1施肥方式下。在玉米的整个生育期，土壤CO2排放速率的均值由大到小依次为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时玉米生育期土壤CO2平均排放速率 最 高，T2、T3、T4分 别 较T1降 低7.42%、7.93% 和8.95%，T2、T3和T4处理间无显著差异（P＞0.05）。N2处理玉米生育期土壤CO2平均排放速率较N1处理显著增加5.31%（P＜0.05）。耕作方式和氮肥施用量均能单独显著影响旱作玉米各生育期平均土壤CO2排放速率，二者交互作用无显著影响（P＞0.05，表3）。

2.3 耕作方式和施肥量对玉米农田碳排放强度及碳平衡的影响

2.3.1 作物碳排放效率 耕作方式对籽粒产量、总生物量、CE、CEE 影响显著。T3处理籽粒产量最高，分别较T1、T2处理显著增加7.43%和4.93%（P＜0.05，表4），T2处理较T1处理显著增加2.38%（P＜0.05，表4）；T3处理总生物量最高，分别较T1、T4处理显著增加5.54%和6.00%（P＜0.05，表4），T2处理较T4处理显著增加4.10%（P＜0.05，表4）；土壤碳排放量（CE）和CEE 在耕作方式间变化趋势一致，T1处理二者均最高，T2、T3、T4处理分别较T1处理显著降低8.22%、10.57%、10.77%和10.71%、17.86%、12.50%（P＜0.01，表4）。不同施氮量处理仅对CE 有影响，N2处理土壤碳排放总量较N1显著增加3.78%（P＜0.05，表4）。不同耕作方式和施氮量的交互作用对籽粒产量、总生物量、土壤碳排放和CEE 均无显著差异（P＞0.05，表4）。

表3 耕作方式和氮肥处理对生育期土壤CO2排放平均速率的影响Table 3 Average soil CO2 flux during growth period in different treatments of tillage and nitrogen application

表4 耕作方式和氮肥处理对农田作物产量和碳排放效率的影响Table 4 Effects of crop yield and carbon emission efficiency in different treatments of tillage and nitrogen application

2.3.2 玉米农田生态系统碳平衡 耕作方式对碳固定量影响显著（P＜0.05，表5），变化趋势同总生物量变化一致。耕作方式对土壤微生物呼吸影响显著（P＜0.05，表5），T1处理土壤微生物呼吸最高，T2、T3和T4处理分别较T1处理显著降低了8.22%、10.57%和10.77%（P＜0.05，表5）。

耕作方式对净生态系统生产力（NEP）、NPP-C/CE 影响显著（P＜0.05，表5），T3处理二者均最高，分别较T1显著增加18.72%、18.56%（P＜0.05，表5），T2和T4分别较T1显著增加13.07%、7.98%和12.89%、11.86%（P＜0.05，表5）。不同施氮量处理仅对土壤微生物呼吸有显著影响，N2处理土壤碳排放总量较N1显著增加3.78%（P＜0.05，表5）。耕作方式和不同施氮量的交互作用对以上4 个指标均无显著影响（P＞0.05，表5）。

表5 耕作方式和氮肥处理对农田系统碳平衡的影响Table 5 The carbon balance of farmland system during the growth period in different treatments of tillage and nitrogen application

3 讨论与结论

考虑经济和固碳减排效益，研究不同耕作方式和施氮水平对旱作农田土壤呼吸速率及碳平衡的影响，进而制定合理的农田管理模式对农业固碳长效机制具有重要意义［5］。本研究基于此目的开展并达到了预期的结果，明确了不同耕作方法和施氮量下土壤CO2排放的日变化、生育期变化、碳排放效率和碳平衡。

土壤CO2日排放速率具有明显的抛物线模式，在12：00−14：00 出现峰值，处理间差异不显著（P＞0.05），在4：00−6：00 出现谷值，与大气温度的变化基本一致（图2），表明土壤CO2日排放速率受温度的影响大于耕作方式和氮肥量。这种变化模式和已有研究［25，29］相似，时秀焕［25］在东北黑土的研究就得出在13：00−15：00 土壤CO2排放达到最大，在5：00−7：00 最低。水分、大气温度、土壤温度、耕作方式和氮肥量均能影响土壤呼吸，进而改变土壤CO2日排放速率。在西北旱区，水分是限制因子，温度是决定因子，一定范围内土壤温度增加可提高土壤微生物活性，进而促使土壤呼吸和土壤CO2日排放速率增加；同时相关分析也表明土壤CO2排放量与气温呈极显著正相关［29−31］。土壤温度较高时，耕作方式对土壤CO2排放速率无显著影响（P＞0.05），反之极低时，深松耕会导致土壤CO2日排放速率显著低于其他耕作方式（P＜0.05，图2），这可能是由于深松耕耕作方式引起土壤孔隙度增大、通气性增强，进而土壤微生物活性和土壤温度快速降低，致使呼吸速率降低幅度最大［32−33］，这也是深松耕处理的土壤CO2日排放均值显著低于其他处理（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趋势，随拔节期、大小喇叭口期、花期的来临逐渐增大，后逐渐减低，在收获期（10 月15 日）降至最低（图3），从旱作玉米的整个生育期看，土壤CO2排放速率表现为生长发育期高于成熟期，张俊丽［17］、张前兵等［34］、牛灵安等［35］也有类似研究结果。这主要是由于生长发育期土壤温度普遍高于成熟期。生长发育期土壤CO2排放速率无明显的规律，在4 月30 日（翻耕期）、6 月14 日（拔节期、大喇叭）和7 月14 日（花期交替期）出现峰值，在5 月15 日、6 月20 日出现谷值（图3）。土壤CO2排放速率出现峰值的原因是：1）4 月28 日玉米地进行耕作，扰动土壤，水分、温度和通气性等物理性状均发生变化，土壤空隙温度、动物和微生物活动增加，导致土壤CO2排放速率提升；2）6 月14 日，农作物玉米拔节期，是其营养生长较为旺盛的阶段，其土壤温度在26～33 ℃间，少量降水（降水量为3.7 mm）促进土壤动物和微生物活动增加，产生Birch 效应［16］，进而提高土壤CO2排放速率；3）7 月14 日，大喇叭口末期和花期的交接时期，是玉米营养生长和生殖生长并进的阶段，土壤根系、微生物呼吸增强，加之该时间段土壤温度高（19.5～29.5 ℃，7 月11−14 日天气晴朗）、施肥（6 月28 日追肥）、降水（7 月2−10 日降水达到66.8 mm），由于这些因素的影响，导致土壤CO2排放速率大幅度提升。土壤CO2排放速率出现低谷的原因是：5 月14 日、6 月24−27 日多降水，降水量分别为10.8 和44.3 mm。降水量影响土壤含水率，土壤含水率增加，降低CO2在土壤孔隙中的扩散速率、增加CO2在土壤和水中的溶解量，导致呼吸速率下降。已有研究也表明土壤CO2排放量与土壤较大水分含量呈极显著负相关关系［16］。

本研究得出耕作方式对生育期土壤CO2排放平均速率有显著影响（P＜0.05），翻耕处理土壤CO2排放平均速率最大，旋耕、深松耕和免耕间无显著差异（P＞0.05），同时得出不同耕作方式土壤碳排放总量范围为6436.87～7213.78 kg C·hm−2，翻耕处理最大、深松耕处理最低，且深松耕处理与旋耕、免耕处理之间无显著差异（P＞0.05，表5），部分研究［36−37］也有类似报道。翻耕是在耕地20 cm 深处用铧式犁翻耕后及时耙耱，对土壤扰动大，改变土壤的通气性、水分条件、有机质的分解环境，进而改变土壤CO2排放［29，38］。张俊丽［17］和禄兴丽［18］在陕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，这与本研究结果有一定的差异，分析其原因：本研究因进行了地膜覆盖，深松耕虽能导致土壤扰动，但其影响土层主要是在45～55 cm，对于0～30 cm 的表层土壤扰动不明显，加之深松耕能提高土壤的贮水量，增加了土壤的空隙含水量，降低了通气性［8，16，39］，其深入机制还有待进一步研究。本研究也得出，生育期土壤CO2排放平均速率、排放量随施氮量的增加而增大，与已有结果一致［17，34］。主要是由于，氮肥的增加增大了土壤根系呼吸，同时使土壤C/N 降低，进而影响微生物C/N，促进微生物呼吸增大。本试验中，不同耕作方式和施氮量下玉米农田NPP-C 在13936.16～14781.00 kg C·hm−2，其中，深松耕处理最高，较翻耕处理显著增加5.66%（P＜0.05，表5），张俊丽［17］也有类似报道。主要原因是深松耕打破了犁底层，促使水分由底层向上运移，提高植株水分利用率，从而增加了产量和NPP［8，39］。

本研究发现8：00−12：00 的测定值均能较好地反映土壤CO2排放日平均速率。部分学者在黑土、红壤等土壤类型研究得出9：00−11：00 为一天中土壤CO2释放速率的最佳测量时间，张俊丽［17］、Stephen 等［26］均运用此时间段在塿土、黄绵土上开展了相关研究，本研究综合考虑选择了9：00−11：00 为生育期测定时间段。本研究测定均选择在晴天进行，这个时间段能否应用于阴天或雨天还有待进一步研究。

通过以上分析，在黄土高原地区，地膜覆盖下深松耕、旋耕、免耕处理比翻耕处理均能降低土壤碳排放量和作物碳排放效率，且深松耕处理能显著提高玉米产量、生物量、农田生态系统净生态系统生产力、固碳潜力（P＜0.05）。土壤碳排放量随施氮量增加而增大。从经济和固碳减排的角度，深松耕措施结合200 kg·hm−2的施氮量，可作为西北旱区玉米种植的较好模式。