閆翠萍張玉銘胡春勝董文旭王玉英李曉欣秦樹(shù)平（. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022； 2. 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所 臨汾 04000； . 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 福州 50002）

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不同耕作措施下小麥-玉米輪作農(nóng)田溫室氣體交換及其綜合增溫潛勢(shì)*

閆翠萍2?張玉銘1?**胡春勝1董文旭1王玉英1李曉欣1秦樹(shù)平3
（1. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022； 2. 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所 臨汾 041000； 3. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 福州 350002）

摘 要研究不同耕作措施下小麥-玉米輪作農(nóng)田N2O、CO2和CH4等溫室氣體的綜合增溫潛勢(shì)， 有助于科學(xué)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)管理措施在減少溫室氣體排放和減緩全球變暖方面的作用， 為制定溫室氣體減排措施提供依據(jù)。基于2001年開(kāi)始的位于華北太行山前平原中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站的不同耕作與秸稈還田方式定位試驗(yàn)， 應(yīng)用靜態(tài)箱/氣相色譜法于2008年10月冬小麥播種時(shí)開(kāi)始， 連續(xù)兩個(gè)作物輪作年動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了秸稈整秸覆蓋免耕播種（M1）、秸稈粉碎覆蓋免耕（M2）、秸稈粉碎還田旋耕（X）、秸稈粉碎還田深翻耕（F）和無(wú)秸稈還田深翻耕（CK， 代表傳統(tǒng)耕作方式）5種情況下冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田土壤N2O、CO2和CH4排放通量， 并估算其排放總量。試驗(yàn)期間同步記錄每項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)機(jī)械燃油量、灌溉耗電量、施肥量， 依據(jù)燃油、耗電和單位肥料量的碳排放系數(shù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為等碳當(dāng)量， 測(cè)定作物產(chǎn)量、地上部生物量， 估算農(nóng)田碳截存量， 根據(jù)每個(gè)分支項(xiàng)對(duì)溫室效應(yīng)的作用估算了5個(gè)處理的綜合增溫潛勢(shì)。結(jié)果表明， 華北小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤是N2O和CO2的排放源， 是CH4的吸收匯， 每年M1、M2、X、F和CK農(nóng)田土壤N2O排放總量依次為2.06 kg（N2O-N）·hm-2、2.28 kg（N2O-N）·hm-2、2.54 kg（N2O-N）·hm-2、3.87 kg（N2O-N）·hm-2和2.29 kg（N2O-N）·hm-2， CO2排放總量依次為6 904 kg（CO2-C）·hm-2、7 351 kg（CO2-C）·hm-2、8 873 kg（CO2-C）·hm-2、9 065 kg（CO2-C）·hm-2和7 425 kg（CO2-C）·hm-2，CH4吸收量依次為2.50 kg（CH4-C）·hm-2、1.77 kg（CH4-C）·hm-2、1.33 kg（CH4-C）·hm-2、1.38 kg（CH4-C）·hm-2和1.57 kg（CH4-C）·hm-2。M1和M2處理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)綜合增溫潛勢(shì)（GWP）均為負(fù)值， 表明免耕情況下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為大氣的碳匯， 去除農(nóng)事活動(dòng)引起的直接或間接排放的等當(dāng)量碳， 每年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈截留碳947～1 070 kg（C）·hm-2；其他處理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的GWP值均為正值， 表明溫室氣體是由系統(tǒng)向大氣排放， CK、F和X每年向大氣分別排放等當(dāng)量碳3 364 kg（C）·hm-2、989 kg（C）·hm-2和343 kg（C）·hm-2。故華北小麥-玉米輪作體系中， 秸稈粉碎還田旋耕是最優(yōu)化的耕作措施， 其溫室效應(yīng)相對(duì)較低， 而又能保證較高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞耕作措施 秸稈還田 溫室氣體 溫室效應(yīng) 增溫潛勢(shì) 小麥-玉米輪作系統(tǒng)

全球氣候變化已引起國(guó)際社會(huì)高度重視， 對(duì)溫室效應(yīng)、溫室氣體減排和節(jié)能減排的研究已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。大氣中CO2、CH4和N2O是最重要的溫室氣體， 對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率近80%［1］。其中CO2對(duì)增強(qiáng)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率最大， 約占60%， 是最重要的溫室氣體［2］； 其次是CH4， 溫室效應(yīng)潛能是CO2的21～25倍， 對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占15%［3］； N2O增溫效應(yīng)是CO2的296～310倍［4］， 對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占5%。由于CO2、CH4和N2O的增溫效應(yīng)不同， 它們對(duì)全球變暖的影響亦不相同。當(dāng)這3種氣體從一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)排放時(shí)， 需計(jì)算它們作用的綜合效果才能了解該系統(tǒng)或某一農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)綜合增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)綜合增溫潛勢(shì)（Global Warming Potential， GWP）除了包含農(nóng)田土壤溫室氣體排放引起的溫室效應(yīng)外， 還包含農(nóng)事活動(dòng)中農(nóng)機(jī)具燃油引起的CO2直接排放、化肥生產(chǎn)與運(yùn)輸和灌溉耗費(fèi)電能等引起CO2間接排放所造成的溫室效應(yīng)； 此外，還應(yīng)考慮農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)碳的截存在削減農(nóng)田溫室效應(yīng)方面的貢獻(xiàn)。因此， 在對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室效應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)估時(shí)， 不僅要關(guān)注農(nóng)田土壤引起的溫室氣體直接排放， 還應(yīng)考慮各項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)直接或間接引起的溫室氣體排放以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳的截存，并將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為碳當(dāng)量［5］（carbon equivalent）， 從而才能精確評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)或某一農(nóng)業(yè)管理措施的綜合增溫潛勢(shì)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于增溫潛勢(shì)的研究大多集中在土壤特性以及施肥、灌溉對(duì)土壤溫室氣體排放的影響方面， 忽略了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械燃油、肥料生產(chǎn)與運(yùn)輸、灌溉耗能引起的CO2直接或間接排放的溫室效應(yīng)以及農(nóng)作物的碳截存效果。眾所周知，耕作措施不僅對(duì)作物產(chǎn)量有影響， 也是影響農(nóng)田土壤溫室氣體排放及綜合增溫潛勢(shì)的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式之一， 目前關(guān)于耕作措施對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)綜合增溫潛勢(shì)影響的定量研究依然較少［6］。本研究基于2001年開(kāi)始的不同秸稈還田方式和不同耕作措施的定位試驗(yàn)， 對(duì)華北小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤溫室氣體排放、農(nóng)業(yè)投入引起的CO2排放、作物生長(zhǎng)對(duì)碳的截存進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)， 綜合分析了不同耕作措施下農(nóng)田土壤溫室氣體（CO2、CO4、N2O）排放的增溫潛勢(shì)、不同耕作體系綜合增溫效應(yīng)以及保護(hù)性耕作措施對(duì)減緩農(nóng)田溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)， 為制定溫室氣體減排措施提供依據(jù)， 為減少氣候變化預(yù)測(cè)的不確定性提供參考。

1　材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站進(jìn)行， 該站位于華北太行山前平原， 北緯37°50′， 東經(jīng)114°40′， 海拔高度50.1 m， 屬中國(guó)東部暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候， 年平均氣溫12.2 ℃， 年降雨量平均536.8 mm， 主要集中在7、8、9月， 雨熱同期， 年無(wú)霜期200 d左右， 土壤類(lèi)型為潮褐土。

冬小麥-夏玉米輪作是當(dāng)?shù)刂饕姆N植制度，冬小麥于10上旬播種， 6月初收獲； 夏玉米于小麥?zhǔn)斋@后進(jìn)行機(jī)械播種， 9月底收獲； 兩季作物均實(shí)行秸稈還田。一般小麥季施兩次肥， 播種前施一次底肥，撒施然后翻耕， 追肥于撥節(jié)期施用， 表面撒施后灌溉。玉米季于大喇叭口期追肥， 表面撒施后灌溉。

本試驗(yàn)于2008年10月至2010年9月在耕作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)（2001年開(kāi)始的定位試驗(yàn)）場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行， 根據(jù)冬小麥播種時(shí)的土壤耕作方式， 試驗(yàn)處理設(shè)深翻耕、旋耕和免耕， 每種耕作方式中按照有無(wú)玉米秸稈還田和秸稈還田方式的不同分為： 秸稈整秸覆蓋免耕播種（M1）、秸稈粉碎覆蓋免耕播種（M2）、秸稈粉碎還田旋耕（X）、秸稈粉碎還田深翻耕（F）和無(wú)玉米秸稈還田深翻耕（CK， 代表傳統(tǒng)耕作方式）。深耕： 先用秸稈粉碎機(jī)將玉米秸稈機(jī)械粉碎2遍， 后用傳統(tǒng)的深耕犁深耕（20 cm）， 平整土地， 播種。旋耕： 先用秸稈粉碎機(jī)將玉米秸稈機(jī)械粉碎2遍， 后用旋耕犁旋耕2遍（15 cm）， 秸稈和表土形成混合層， 播種。M1處理為玉米秸稈整秸覆蓋直接用2BMFS-5/10型免耕覆蓋施肥播種機(jī)播種。M2為先用秸稈粉碎機(jī)將玉米秸稈機(jī)械粉碎2遍， 后用2BMFS-5/10型免耕覆蓋施肥播種機(jī)播種。CK和F處理的播種量為195 kg·hm-2， X處理為210 kg·hm-2， M1、M2播種量為285 kg·hm-2。每個(gè)處理底肥和追肥量相同， 底肥為300 kg·hm-2二銨、75 kg·hm-2尿素； 春季追施尿素300 kg·hm-2。小麥生長(zhǎng)期灌溉量均為157.5 mm。每年小麥采用聯(lián)合收割機(jī)收獲， 秸稈全部覆蓋還田。玉米季大喇叭口期追施尿素435 kg·hm-2， 灌溉量70 mm。

1.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.1 土壤溫室氣體采集與環(huán)境要素監(jiān)測(cè)

氣體樣品采集采用靜態(tài)明箱法。采樣箱由箱體和底座組成， 箱體長(zhǎng)60 cm、寬20 cm、高40 cm， 頂部有一風(fēng)扇和采氣孔。箱底座深度均為15 cm， 作物播種后底座埋入作物的行間， 以測(cè)定土壤排放的溫室氣體。

氣體采集時(shí)間定在上午8：00—12：00間。取氣前1 min蓋上箱體并用水密封， 打開(kāi)風(fēng)扇電源， 風(fēng)扇運(yùn)行使箱內(nèi)氣體混合均勻。以此為0時(shí)刻， 用50 mL醫(yī)用注射器連續(xù)采集0 min、15 min、30 min和45 min 4個(gè)時(shí)刻的氣樣用于分析計(jì)算不同處理的溫室氣體排放/吸收通量。為了更準(zhǔn)確估算土壤呼吸排放的CO2總量， 平時(shí)氣樣采集頻度1次·周-1， 冬季為0.5～1次·周-1， 施氮肥后加大采樣密度。所采氣體于當(dāng)天用安捷倫6820型氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定。氣相色譜儀檢測(cè)器為電子捕獲檢測(cè)器， 色譜分離柱4 m×4 mm，填充PorapackQ（80～100目）， 柱溫70 ℃， 檢測(cè)器溫度300 ℃， 高純氮（99.999%）為載氣， 流速20 mL·min-1，氣體進(jìn)樣量2 mL。

采集氣樣時(shí)， 同步監(jiān)測(cè)大氣、地表溫度、5 cm地溫， 采集0～10 cm土壤樣品， 測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量、含水量。為利用土壤呼吸與土壤溫濕度的高度相關(guān)關(guān)系更準(zhǔn)確估算兩次相鄰監(jiān)測(cè)期間每天的土壤呼吸速率以及土壤呼吸排放的CO2總量， 每天監(jiān)測(cè)5 cm地溫和0～10 cm土壤含水量。

1.2.2 土壤溫室氣體排放通量與總量

由于在一定的時(shí)間段內(nèi)， 農(nóng)田溫室氣體排放濃度的變化呈線(xiàn)性增長(zhǎng)（減少）［7］， 所以可以根據(jù)箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間變化來(lái)計(jì)算農(nóng)田氣體排放通量：

式中： F為氣體排放通量（mg·m-2·h-1）； ρ為氣體密度；R為氣體常數(shù)； dm和dc分別為dt時(shí)間內(nèi)采集箱內(nèi)氣體質(zhì)量和濃度的變化； h、A、V分別為氣箱高度（m）、底面積（m2）和體積（m3）； M為氣體分子量； T為氣箱內(nèi)絕對(duì)溫度； P為氣箱內(nèi)氣壓。氣體通量F為負(fù)值時(shí)表示土壤或土壤-作物體系從大氣中吸收該氣體； F為正值時(shí)表示土壤或土壤-作物體系向大氣排放該氣體。

為了更準(zhǔn)確估算監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)土壤呼吸排放的CO2總量， 建立土壤呼吸速率與土壤溫濕度關(guān)系［8］：

式中： R為土壤呼吸速率； T為5 cm處土壤溫度；W為0～10 cm土壤含水量； a、b、c為擬合參數(shù)。

根據(jù)式（1）中計(jì)算的CO2排放通量及同步測(cè)定的5 cm地溫和0～10 cm土壤含水量， 獲得每個(gè)處理土壤呼吸與溫濕度的指數(shù)關(guān)系式， 再依據(jù)每天監(jiān)測(cè)的土壤溫濕度估算每日土壤呼吸速率。再利用式（3）估算監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)土壤呼吸排放CO2總量：

式中： Y為土壤呼吸排放CO2總量（kg·hm-2）。

N2O和CH4排放總量通過(guò)式（4）計(jì)算：

式中： Y為土壤N2O或CH4排放總量（kg·hm-2）； X 為N2O或CH4排放速率（mg·m-2·h-1）； i為第i次測(cè)定；為相鄰兩次測(cè)定間隔天數(shù)； n為測(cè)定次數(shù)。

1.2.3 土壤排放溫室氣體增溫潛勢(shì)（GWPsoilexport）

由于CO2、CH4和N2O的增溫效應(yīng)不同， 它們對(duì)全球變暖的影響亦不相同。當(dāng)這3種氣體從一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)排放時(shí)， 只有計(jì)算它們作用的綜合效果才能了解該系統(tǒng)或某一農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)。根據(jù)IPCC的報(bào)告［4］， 以100年影響尺度為計(jì)， 1 kg CH4的增溫效應(yīng)是1 kg CO2的25倍， 而1 kg N2O的增溫效應(yīng)是1 kg CO2的298倍， 用增溫潛勢(shì)（GWP）來(lái)表示3種溫室氣體的聯(lián)合作用［9］。土壤直接排放溫室氣體增溫潛勢(shì)（GWPsoilexport）的計(jì)算公式如下：

試驗(yàn)期間記錄各種農(nóng)事活動(dòng)的物資投入種類(lèi)和用量， 用于計(jì)算農(nóng)田溫室氣體間接排放量， 主要包括由灌溉、機(jī)械和肥料投入所造成的CO2排放量。計(jì)算灌溉耗電、機(jī)械燃油和化肥施用等農(nóng)業(yè)投入CO2等當(dāng)量排放系數(shù)時(shí)， 需要綜合考慮其生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中的總能耗， 將其折算為 CO2排放當(dāng)量，各農(nóng)事活動(dòng)耗能CO2等當(dāng)量排放系數(shù)如表1所示。

表1 農(nóng)事活動(dòng)耗能CO2等當(dāng)量排放系數(shù)Table 1 Index of equivalent CO2emission of energy consumption by different agricultural managements

農(nóng)事活動(dòng)間接引起溫室氣體排放增溫潛勢(shì)計(jì)算公式：

式中： In和Cn分別為第n種物資的用量和CO2等當(dāng)量排放系數(shù)。

1.2.5 凈初級(jí)生產(chǎn)力增溫潛勢(shì)（GWPNPP）

試驗(yàn)期間每季作物收獲時(shí)測(cè)定作物產(chǎn)量和地上部生物量， 計(jì)算植株地上和地下部分轉(zhuǎn)化為凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的增溫潛勢(shì)（GWPNPP）。具體計(jì)算方法如下：

式中： 系數(shù)0.68是碳水化合物對(duì)CO2的轉(zhuǎn)化比率（［CH2O］/［CO2］=0.68）； 0.85是生物量對(duì)碳水化合物的轉(zhuǎn)化比率（［Biomass］/［CH2O］=0.85）， 即光合產(chǎn)物對(duì)干物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率約為0.6［13］； TAGB（total above ground biomass）為地上部總生物量（kg·hm-2）； 1.15為地上總生物量轉(zhuǎn)換為植株總生物的系數(shù)， 華北平原夏玉米根系生物量（root biomass）約占地上生物量（TAGB）的0.10～0.15， 冬小麥根系生物量約占地上生物量的0.15～0.20［14］， 這里統(tǒng)一取0.15作為根系占地上部生物量的系數(shù)； NPP（net primary production）為凈初級(jí)生產(chǎn)力（kg·hm-2）。

1.2.6 綜合全球增溫潛勢(shì)（ΔGWP）

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流特點(diǎn)是固碳和耗碳共存。本研究綜合考慮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體的源與匯功能， 借鑒劉巽浩等［15］全環(huán)式考慮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流路徑的學(xué)術(shù)思想， 計(jì)算綜合增溫潛勢(shì)：

式中： ΔGWP為全球增溫潛勢(shì)或溫室氣體凈增減量，當(dāng)其為正值時(shí)， 代表系統(tǒng)為溫室氣體的源， 反之則為匯； GWPΔSOC為土壤有機(jī)碳量的增溫潛勢(shì)（此項(xiàng)短期試驗(yàn)可忽略）； GWPNPP、GWPsoilexport和GWPindirect如前所述。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用方差分析（ANOVA）、回歸分析（regression analysis）相關(guān)分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 處理間差異的多重比較采用Least-significant difference（LSD）法完成。所有數(shù)據(jù)分析均在Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0環(huán)境下進(jìn)行， 畫(huà)圖采用Sigmaplot 11.0。

2　結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施下農(nóng)田土壤溫室氣體排放特征

2008年10月冬小麥播種時(shí)開(kāi)始至2010年9月底玉米收獲， 連續(xù)兩個(gè)作物輪作年利用靜態(tài)箱式法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了農(nóng)田土壤N2O、CH4和CO2的排放通量，目的是了解不同耕作措施對(duì)溫室氣體排放通量季節(jié)性變化規(guī)律的影響， 為優(yōu)化利于溫室氣體減排的耕作措施提供參考。

2.1.1 農(nóng)田土壤N2O排放特征

圖1給出了兩個(gè)作物輪作年每個(gè)月N2O排放通量監(jiān)測(cè)值的平均值。由圖1可以看出， 每個(gè)小麥-玉米輪作年中存在3個(gè)N2O排放高峰期， 第1個(gè)出現(xiàn)在小麥底肥和播種后， 第2個(gè)出現(xiàn)在小麥拔節(jié)肥后，第 3個(gè)出現(xiàn)在玉米大喇叭口期施肥后， 其余時(shí)間N2O排放通量維持在一個(gè)較低的基礎(chǔ)背景排放值附近波動(dòng)。從不同作物生長(zhǎng)季來(lái)看， 玉米季N2O排放通量明顯高于小麥季。究其原因， N2O排放通量的季節(jié)性變化主要是施肥、灌溉和季節(jié)性氣候變化造成的土壤溫濕度變化引起的。小麥季和玉米季總施氮量相同， 小麥季分作底肥和追肥兩次施用， 每次各占季施用總量的1/2， 而玉米季只在大喇叭口期施肥一次， 單次施氮量比小麥季高一倍， 造成玉米季施肥后土壤NH-N、NO-N瞬時(shí)含量高于小麥季， 為硝化、反硝化過(guò)程提供了充足底物； 此外， 玉米季正值本區(qū)域高溫多雨季節(jié)， 土壤溫濕度明顯高于小麥季， 為反硝化微生物營(yíng)造了良好的生存條件， 促進(jìn)了反硝化過(guò)程的發(fā)生， 提高了N2O產(chǎn)生速率與排放通量。

耕作措施與秸稈還田方式的不同， 是引起不同處理間N2O排放通量存在差異的主要原因。10月上旬開(kāi)始小麥播種， 由于播種前的施肥灌水與耕作， 激發(fā)了土壤N2O的產(chǎn)生與排放， 使10月份N2O排放出現(xiàn)小麥生長(zhǎng)季的第1個(gè)小高峰， 此時(shí)， 秸稈粉碎還田深翻耕處理（F）N2O排放通量［41.8 g（N2O-N）·hm-2·d-1］顯著高于其他處理（（P＜0.05）， 其他各處理間差異不顯著［6.5～12.2 g（N2O-N）·hm-2·d-1］。進(jìn)入11月到翌年2月份， 冬小麥處于越冬期， 由于土壤溫度的限制，微生物活性微弱， 農(nóng)田N2O排放維持在一個(gè)極低的基礎(chǔ)水平， 各處理間差異不顯著， 平均通量范圍-1.2～4.0 g（N2O-N）·hm-2·d-1。進(jìn)入3月份， 隨著天氣轉(zhuǎn)暖， 土壤溫度回升， 農(nóng)田土壤N2O排放略有增加，至 4月份， 小麥進(jìn)入生長(zhǎng)旺季， 拔節(jié)肥施過(guò)之后激發(fā)了小麥生長(zhǎng)季的第2個(gè)N2O排放峰， 4月份不同耕作方式N2O排放通量平均值CK為16.5 g（N2O-N）·hm-2·d-1、M1為17.9 g（N2O-N）·hm-2·d-1、M2為20.8 g（N2O-N）·hm-2·d-1、F為32.8 g（N2O-N）·hm-2·d-1、X為36.2 g（N2O-N）·hm-2·d-1，秸稈粉碎還田后旋耕（X）和深翻耕（F）處理 N2O排放通量顯著高于其他處理（（P＜0.05）。進(jìn)入 5月份至 6月初小麥?zhǔn)斋@， 由于小麥生長(zhǎng)對(duì)水肥吸收利用， 使得土壤水分和 NO3-N含量不斷降低， 減弱了土壤N2O的排放。

圖1 不同耕作措施下農(nóng)田土壤N2O排放通量季節(jié)性變化規(guī)律Fig. 1 Seasonal change of N2O fluxes under different tillage treatments M1： 秸稈整秸覆蓋免耕播種； M2： 秸稈粉碎覆蓋免耕播種； X： 秸稈粉碎還田旋耕； F： 秸稈粉碎還田深翻耕； CK： 無(wú)玉米秸稈還田深翻耕。施底肥時(shí)間為10月小麥播種前， 于4月小麥拔節(jié)期和7月玉米大喇叭口期追肥并灌溉。下同。M1： no-tillage with whole maizeresidue mulching； M2： no-tillage sowing with chopped maize residue mulching； X： rotary tillage with chopped maize residue incorporation； F：mouldboard ploughing with chopped maize residue incorporation； CK： mouldboard ploughing with maize residue remove （conventional pattern）. Fertilizer was applied in October （before wheat sowing）， April （wheat jointing stage） and July （maize bit trumpet period） with irrigation management， respectively. The same below.

6月初至9月底是玉米生長(zhǎng)季， 6月份玉米處于苗期， 該時(shí)期華北地區(qū)降雨量較少， 土壤濕度低，加之前茬作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用使土壤中 NO-N、 NH-N含量較低， 硝化、反硝化過(guò)程微弱， N2O排放較低。進(jìn)入7月份， 玉米進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)時(shí)期， 大喇叭口期灌溉施肥后N2O排放通量顯著提高， 7月份是一年中 N2O排放通量最高的月份， 通量范圍為 48.1～100.3 g（N2O-N）·hm-2·d-1， 此時(shí)， 不同耕作處理 N2O排放通量差異最為顯著， 以秸稈還田深翻耕處理（F）最高， 秸稈整秸覆蓋免耕播種處理（M1）最低， 兩處理的平均N2O排放通量相差52%。進(jìn)入8月份， 玉米正值旺盛生長(zhǎng)期， 隨著作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，土壤中的NO-N、NH-N含量逐漸減少， N2O排放通量下降， 9月份， 主要雨季已過(guò)， 土壤溫濕度下降，土壤 N2O主要來(lái)源由反硝化過(guò)程轉(zhuǎn)為硝化過(guò)程，N2O排放通量降至玉米生長(zhǎng)季的基礎(chǔ)背景值， 此時(shí)，各耕作處理間N2O排放差異不顯著。

2.1.2 農(nóng)田土壤CH4排放/吸收通量

圖2給出了不同處理兩年觀(guān)測(cè)結(jié)果每個(gè)月CH4排放通量的平均值， 正通量表示土壤向大氣排放CH4， 負(fù)通量表示土壤從大氣中吸收CH4。研究結(jié)果表明， 多數(shù)情況下北方小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤CH4排放通量為負(fù)值， 即土壤為大氣 CH4的吸收“匯”。不同耕作方式和秸稈還田方式下CH4吸收/排放的季節(jié)性變化規(guī)律存在差異， 每年 10月這種差異最顯著。無(wú)秸稈還田深翻耕（CK）、秸稈粉碎還田旋耕（X）和深翻耕（F）3個(gè)處理 CH4通量均為正值， 排放通量依次為1.1 g（CH4-C）·hm-2·d-1、3.5 g（CH4-C）·hm-2·d-1和0.5 g（CH4-C）·hm-2·d-1， 表明3個(gè)處理此階段均有CH4排向大氣。旋耕和深翻耕均對(duì)土壤有所擾動(dòng)，破壞了土壤原有結(jié)構(gòu)， 提高了表層土壤孔隙度， 促進(jìn)了郁閉于土壤空氣中的CH4向大氣的排放， 大大降低土壤 CH4匯的強(qiáng)度［15］。也有報(bào)道［16］認(rèn)為翻耕初期會(huì)增加CH4的排放， 但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間（6～8 h）后，則有降低 CH4排放通量的趨勢(shì)。而兩個(gè)免耕處理（M1、M2）全年內(nèi)均為負(fù)通量， 10月份通量值相對(duì)其他月份較高， 可能是因?yàn)樵摃r(shí)期本地區(qū)正處于耕種時(shí)期， 傳統(tǒng)的耕種方式提高了土壤向大氣的CH4排放量， 短時(shí)間內(nèi)提高了近地表大氣 CH4濃度， 導(dǎo)致該處理區(qū)大氣與土壤空氣 CH4濃度梯度加大， 增加了土壤對(duì)大氣 CH4的吸收量， 故其負(fù)通量絕對(duì)值較大。

圖2 不同耕作措施下農(nóng)田土壤CH4排放通量季節(jié)性變化規(guī)律Fig. 2 Seasonal change of CH4fluxes under different tillage measurements

玉米生長(zhǎng)初期（6月份）， 由于土壤含水量低， 土壤空氣孔隙度高， 利于土壤對(duì) CH4的吸收氧化， 對(duì)于大多數(shù)耕作處理而言， 6月份是玉米生長(zhǎng)季CH4負(fù)通量絕對(duì)值最大的時(shí)期， 即土壤作為大氣CH4吸收“匯”較強(qiáng)烈時(shí)期， 各處理土壤月平均吸收CH4-C量差異顯著， 分別為： CK 20.1 g（CH4-C）·hm-2·d-1、F 9.3 g（CH4-C）·hm-2·d-1、M2 8.1 g（CH4-C）·hm-2·d-1、X 5.3 g（CH4-C）·hm-2·d-1、M1 2.0 g（CH4-C）·hm-2·d-1， 以多年秸稈移除深翻耕處理（CK）對(duì)CH4吸收強(qiáng)度最高，而秸稈整秸覆蓋免耕處理（M1）最低。由于CK處理多年沒(méi)有秸稈還田， 土壤有機(jī)碳含量顯著低于其他處理， 可能會(huì)導(dǎo)致土壤空氣中 CH4濃度低于其他處理， 故其對(duì)CH4的吸收量最高。進(jìn)入7月份以后， 所有處理 CH4吸收量大大降低， 7—9月份是一年中CH4吸收量最低的時(shí)期， 各處理間差異不顯著， 通量范圍為-4.7～+1.5g（CH4-C）·hm-2·d-1。7月中下旬，玉米進(jìn)入大喇叭口期， 進(jìn)行施肥灌水， 加之此時(shí)正值高溫多雨季節(jié)， 一方面土壤濕度大， 利于土壤顆粒微域形成厭氧環(huán)境， 利于提高甲烷細(xì)菌活性，產(chǎn)生CH4， 提高土壤空氣CH4濃度， 縮小了大氣與土壤空氣間 CH4的濃度梯度， 減弱了土壤對(duì)大氣CH4的吸收； 另一方面， 土壤孔隙含水量提高， 減少了大氣CH4進(jìn)入土壤的通道， 降低了土壤對(duì)大氣CH4的吸收； 最重要的是 7月中下旬施肥， 提高了土壤中NO3-N和NH4-N含量， 抑制了土壤對(duì)CH4的氧化［16-18］， 從而弱化了土壤對(duì)大氣 CH4吸收匯的特征。

2.1.3 農(nóng)田土壤CO2排放通量

本研究采用靜態(tài)箱法測(cè)定了土壤表觀(guān)呼吸排放的CO2通量。土壤表觀(guān)呼吸主要包括土壤原有有機(jī)質(zhì)和植物殘留物分解、根系分泌物分解和植物根系呼吸作用釋放的CO2總和。圖3給出了不同處理兩年觀(guān)測(cè)結(jié)果每個(gè)月 CO2排放通量的平均值， 不難看出， CO2排放通量的季節(jié)性變化與土壤溫度的季節(jié)性變化規(guī)律極度吻合， 玉米季高溫多雨， CO2排放通量明顯高于小麥季。每年的7—8月， 正值玉米生長(zhǎng)旺季， 根系呼吸作用強(qiáng)烈， 根系呼吸產(chǎn)生大量 CO2，且此時(shí)是土壤溫濕度最高時(shí)期， 微生物活性增強(qiáng)，加速了土壤有機(jī)質(zhì)分解速率和土壤呼吸速率， 提高了土壤中CO2濃度， 促進(jìn)農(nóng)田土壤CO2排放［19］。該階段以秸稈粉碎還田深翻耕（F）和旋耕（X）處理CO2排放量相對(duì)較高， 排放通量分別為 43.7～54.2 kg（CO2-C）·hm-2·d-1和50.7～53.4 kg（CO2-C）·hm-2·d-1，以秸稈移除深翻耕（CK）和秸稈整秸覆蓋免耕（M1）處理 CO2排放通量較低， 排放通量分別為 40.0～42.3 kg（CO2-C）·hm-2·d-1和32.3～39.2 kg（CO2-C）·hm-2·d-1。

每年的10月至翌年的6月初是冬小麥生長(zhǎng)季節(jié)。10月初， 由于施肥、耕種的影響， 各處理CO2排放通量相對(duì)較高， 以秸稈粉碎還田深翻耕處理（F）CO2排放通量最高， 達(dá) 24.2 kg（CO2-C）·hm-2·d-1， 以秸稈移除深翻耕處理（CK）最低［13.2 kg（CO2-C）·hm-2·d-1］，其他各處理間差異不顯著， 通量范圍為 15.8～15.9 kg（CO2-C）·hm-2·d-1。進(jìn)入12月份， CO2排放通量急劇下降， 至越冬期， CO2排放通量一直維持在一個(gè)較低水平， 此時(shí)各處理間 CO2排放通量差異不明顯，其通量范圍2.7～6.3 kg（CO2-C）·hm-2·d-1。進(jìn)入3月份隨著土壤溫度的回升和作物生長(zhǎng)速度的加快， CO2排放通量開(kāi)始升高， 至4月份到達(dá)小麥生長(zhǎng)季的CO2排放高峰期， CO2排放通量以F和X處理最高， 分別為36.2 kg（CO2-C）·hm-2·d-1和36.5 kg（CO2-C）·hm-2·d-1， 兩個(gè)免耕處理（M1、M2）較低， 分別為22.9 kg（CO2-C）·hm-2·d-1和22.7 kg（CO2-C）·hm-2·d-1。

圖3 不同耕作措施下農(nóng)田土壤CO2排放通量及5 cm土壤溫度的季節(jié)性變化規(guī)律Fig. 3 Seasonal changes of CO2fluxes under different tillage treatments and soil temperature at 5 cm

從周年 CO2排放通量動(dòng)態(tài)變化來(lái)看， 每個(gè)月不同處理CO2排放表現(xiàn)不盡相同。在秸稈還田情況下，深翻耕和旋耕 CO2排放通量較免耕高， 這可能是耕作方式不同和秸稈還田方式不同雙重作用的結(jié)果。一方面頻繁耕作或?qū)ν寥罃_動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的大量損失， CO2釋放量增加， 而免耕則能有效控制土壤有機(jī)碳損失， 增加有機(jī)碳的儲(chǔ)量， 降低 CO2釋放量［20］； 另一方面， 免耕處理為秸稈表覆， 腐解較慢，減緩了因秸稈腐解造成的CO2釋放。在同樣耕作條件下， 秸稈還田會(huì)增加農(nóng)田土壤 CO2排放量， 秸稈還田后一部分殘留于土壤中成為土壤有機(jī)質(zhì)的來(lái)源，另一部分將會(huì)以CO2氣體的形式散逸到大氣中。因此， 隨著秸稈還田量的增加 CO2排放也會(huì)增加， 這也是F處理CO2排放通量高于CK處理的主要原因。

2.2 農(nóng)田土壤溫室氣體排放總量

利用數(shù)值積分法對(duì)每季作物動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的溫室氣體排放通量進(jìn)行積分， 獲得小麥、玉米生長(zhǎng)季和周年溫室氣體排放總量（表2）。結(jié)果表明華北平原小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤是CO2和N2O排放的源， 是CH4的吸收“匯”。小麥季和玉米季溫室氣體的源/匯強(qiáng)度存在差異， 玉米季土壤作為CO2和N2O的排放源強(qiáng)度大于小麥季， 而作為 CH4吸收匯的強(qiáng)度又低于小麥季，玉米季土壤排放N2O總量為1.21～2.07 kg（N2O-N）·hm-2，CO2總量為3 804～4 941 kg（CO2-C）·hm-2， 吸收CH4總量為0.30～0.79 kg（CH4-C）·hm-2。小麥季土壤排放N2O總量為0.83～1.80 kg（N2O-N）·hm-2， 較玉米季低 13%～31%； CO2排放總量為 2 835～4 438kg（CO2-C）·hm-2， 較玉米季低10%～25%； CH4吸收總量 0.78～2.20 kg（CH4-C）·hm-2， 除對(duì)照處理外， 較玉米季增加了1.3～6.4倍。因此， 玉米季是土壤排放溫室氣體的主要時(shí)期， 其溫室效應(yīng)遠(yuǎn)大于小麥季。

不同耕作措施和秸稈還田方式對(duì)不同溫室氣體的排放源和吸收匯強(qiáng)度的影響不同。對(duì)于農(nóng)田土壤N2O 排放， 全年排放總量由大到小的順序?yàn)榉‵）＞旋耕（X）＞免耕2（M2）＞對(duì)照（CK）＞免耕1（M1）， F處理 N2O排放量顯著高于其他處理（P＜0.05）， 其他處理間無(wú)顯著性差異。對(duì)于農(nóng)田土壤 CO2排放， 全年排放總量由大到小的順序與N2O排放順序相同， F處理顯著高于CK和兩個(gè)免耕（M1、M2）處理（P＜0.05），與X處理間無(wú)顯著性差異， X顯著高于M1（P＜0.05），與CK和M2之間無(wú)顯著性差異。M1處理CO2排放量最低， 但與CK和M2之間無(wú)顯著差異。對(duì)于農(nóng)田土壤對(duì)大氣 CH4的吸收， 耕作措施與還田方式的影響小麥季高于玉米季， 究其原因主要是由于耕作與秸稈還田活動(dòng)于小麥播種前進(jìn)行， 對(duì)土壤擾動(dòng)強(qiáng)烈的處理出現(xiàn)短時(shí) CH4排放， 減弱了整季吸收量， 以玉米秸整秸覆蓋免耕處理（M1）吸收量最高， 秸稈移出深翻耕處理（CK）最低， 全年吸收總量由高到低的順序?yàn)镸1＞M2＞CK＞F＞X， M1處理土壤對(duì)大氣CH4吸收量顯著高于其他處理（P＜0.05）， M2處理顯著高于F和X處理（P＜0.05）， 但與CK處理間無(wú)顯著性差異， F和X處理對(duì)CH4的吸收氧化能力最低。

2.3 不同耕作體系綜合溫室效應(yīng)估算

在農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中， 不僅僅是農(nóng)田土壤排放溫室氣體， 各項(xiàng)農(nóng)田管理活動(dòng)如耕作、播種、收獲、灌溉、施肥等均可直接或間接引起CO2以及其他溫室氣體排放。因此， 在對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室效應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)估時(shí)， 除了關(guān)注農(nóng)田土壤引起的溫室氣體直接排放外， 還應(yīng)考慮各項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)直接或間接引起的溫室氣體排放， 并將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為碳當(dāng)量（carbon equivalent）。

2.3.1 農(nóng)事活動(dòng)引起的碳排放

在試驗(yàn)過(guò)程中需要進(jìn)行翻地、播種、收獲或秸稈還田等操作， 這些過(guò)程均有機(jī)械的參與， 而機(jī)械燃油會(huì)產(chǎn)生大量的 CO2， 不同的耕作方式及秸稈還田制度會(huì)影響機(jī)械能的投入和等量 CO2的投入， 可以通過(guò)機(jī)械燃油量來(lái)計(jì)算 CO2產(chǎn)生量， 燃油的 CO2排放系數(shù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)期間， 記錄了每個(gè)處理的具體油耗， 如表3所示。結(jié)果表明不同處理間的油耗存在很大差異， 由此引起的 CO2排放亦存在明顯差異， 以旋耕（X）和翻耕（F）處理機(jī)械耗油最多， 由此引起的CO2排放量也最高。

表2 不同耕作措施下農(nóng)田土壤溫室氣體排放總量估算Table 2 Total emission of greenhouse gases from agricultural soil under different tillage treatments

表3 不同耕作處理的機(jī)械油耗與等當(dāng)量CO2投入量Table 3 Fuel consumption and equivalent CO2inputs under different tillage treatments

在作物種植過(guò)程中需要進(jìn)行灌溉， 灌溉水來(lái)自地下水， 灌溉時(shí)用水泵將水抽至地面， 在這個(gè)過(guò)程中需要消耗電能， 間接通過(guò)發(fā)電引起了碳排放。Mosier等［11］研究表明每從地下泵出1 cm水進(jìn)行灌溉大致需要14.8度電， 可引起1.29 kg（CO2-C）等當(dāng)量排放。試驗(yàn)期間小麥季平均灌溉量157.5 mm， 玉米季平均70 mm， 每年灌溉耗電引起的CO2排放相當(dāng)于29.3 kg（CO2-C）·hm-2·a-1。

施肥不僅可以直接影響農(nóng)田土壤溫室氣體排放，在其生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程中亦會(huì)引起溫室氣體排放。目前關(guān)于肥料生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生等當(dāng)量CO2的研究結(jié)果不一， Robertson等［10］認(rèn)為每生產(chǎn)、運(yùn)輸、施用1 kg N大約可引起CO2的排放量為4.51 kg（CO2）·kg-1（N）， 而Adviento-Borbe等［7］和West等［12］的研究結(jié)果分別為4.05～4.51 kg（CO2）· kg-1（N）和2.6～3.24.51 kg（CO2）·kg-1（N）。在此取其平均值3.59 kg（CO2）·kg-1（N）。磷肥生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中引起的CO2排放量為0.61 kg（CO2）·kg-1（P）。試驗(yàn)期間每年施用氮肥426 kg（N）·hm-2， 磷肥60 kg（P）·hm-2，每年因?yàn)槭┓室鸬牡犬?dāng)量CO2排放量為1 567 kg（CO2）·hm-2。

2.3.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)初級(jí)生產(chǎn)力碳截存

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)光合作用產(chǎn)物將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為生物能， 在此過(guò)程中固定CO2， 這是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為大氣CO2匯的功能。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣CO2固定通常用作物凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）表示， 固碳量可參照公式（7）～（8）計(jì)算。

試驗(yàn)期間每季作物收獲時(shí)測(cè)定作物產(chǎn)量和地上部生物量， 根據(jù)式（7）和式（8）計(jì)算了植株地上和地下部分轉(zhuǎn)化為NPP的碳總量（表4）。結(jié)果表明， 旋耕（X）處理經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和對(duì)碳的截獲量最高， 不同耕作處理籽粒產(chǎn)量由高到低的順序?yàn)樾╔）＞翻耕（F）＞免耕2（M2）＞對(duì)照（CK）＞免耕1（M1）； 植株轉(zhuǎn)化為凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的碳量由大到小的順序旋耕（X）＞免耕2（M2）＞翻耕（F）＞對(duì)照（CK）＞免耕1（M1）。由此可見(jiàn)，旋耕處理無(wú)論是作物經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)能力還是碳的截獲能力均為最高， 而多年秸稈整秸覆蓋免耕處理（M1）經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和碳截獲量均最低。多年秸稈整秸覆蓋免耕致使耕層土壤緊實(shí)度增加， 影響作物根系下扎； 此外， 秸稈整秸覆蓋不能使秸稈很好與土壤混合， 影響秸稈腐解和土壤有機(jī)質(zhì)的形成， 對(duì)提升土壤肥力有一定影響， 故其生產(chǎn)能力較差。對(duì)照處理因?yàn)槊磕赀M(jìn)行翻耕， 且無(wú)秸稈還田， 對(duì)土壤的頻繁擾動(dòng)加速了其土壤原有有機(jī)質(zhì)的分解， 降低了土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量， 對(duì)提升土壤地力和作物生產(chǎn)能力不利，其作物產(chǎn)量和碳截獲量均明顯低于除M1以外的其他處理。

表4　不同耕作處理作物產(chǎn)量及植物碳截獲量（GWPNPP）Table 4　Crop yield and plant carbon capture （global warming potential based on NPP， GWPNPP） of different tillage treatments

2.3.3 不同耕作體系綜合溫室效應(yīng)評(píng)價(jià)

對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合溫室效應(yīng)評(píng)價(jià)時(shí)， 應(yīng)全面考慮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳流， 不應(yīng)僅僅是土壤表觀(guān)呼吸排放的CO2量， 還應(yīng)涵蓋灌溉、機(jī)械和肥料施用等農(nóng)事活動(dòng)所造成的CO2排放量， 以及作物轉(zhuǎn)化為NPP的碳量（GWPNPP）。在此因?yàn)槭怯?jì)算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2凈排放量， 故此處的GWPNPP只能包括殘留在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的那部分植物轉(zhuǎn)化為NPP的碳量， 如果進(jìn)行秸稈還田， 那么GWPNPP包含生產(chǎn)地下部根系和地上部植株（秸稈）時(shí)轉(zhuǎn)化為NPP的碳量，如果秸稈移出， 那么GWPNPP就只包含生產(chǎn)地下部根系時(shí)轉(zhuǎn)化為NPP的碳量（如對(duì)照處理）， 所有處理生產(chǎn)成籽粒部分轉(zhuǎn)化為NPP的碳量不包含在內(nèi)。根據(jù)式（5）～（9）可計(jì)算出農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綜合增溫潛勢(shì)（表5）， 結(jié)果表明兩個(gè)免耕處理GWP均為負(fù)值， 表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為大氣的碳匯， 去除農(nóng)事活動(dòng)引起的直接或間接排放的CO2或CO2當(dāng)量后， 每年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈截留947～1 070 kg（C）·hm-2； 其他3個(gè)處理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的GWP值均為正值， 表明溫室氣體是由系統(tǒng)向大氣排放， 其GWP由大到小的順序?yàn)閷?duì)照（CK）＞翻耕（F）＞旋耕（X）。

如果僅評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綜合增溫效應(yīng)， 兩個(gè)秸稈覆蓋免耕措施是溫室效應(yīng)最低的， 對(duì)環(huán)境最有益， 但其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量很低， 不能滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效可持續(xù)發(fā)展的要求。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)是提升經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和可持續(xù)發(fā)展， 在進(jìn)行農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綜合增溫效應(yīng)評(píng)價(jià)時(shí)要兼顧經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)， 故在華北小麥-玉米輪作體系中， 耕作制度與秸稈管理上實(shí)施秸稈粉碎還田旋耕將是最優(yōu)化的耕作措施， 其溫室效應(yīng)相對(duì)較低， 而又能保證較高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。在采用該耕作措施時(shí)， 應(yīng)特別注重農(nóng)田氮素管理， 最大限度減少N2O排放， 降低其增溫潛勢(shì)。

表5　不同耕作體系溫室氣體的增溫潛勢(shì)Table 5　Global warming potential （GWP） under different tillage treatments

3　討論

3.1 耕作措施與秸稈還田方式對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響

由于農(nóng)事活動(dòng)以及氣候條件的影響， 耕作、施肥、灌水后以及高溫多雨的夏玉米季是農(nóng)田土壤溫室氣體排放的主要時(shí)期， 此時(shí)不同處理間溫室氣體排放通量差異較顯著。10月份， 冬小麥播種前是耕作措施實(shí)施期， 秸稈粉碎還田深翻耕處理（F）溫室氣體排放通量最高， 一方面深翻耕加速了郁閉于土壤中的溫室氣體的排放， 另一方面新鮮有機(jī)物質(zhì)翻耕進(jìn)入土壤， 加之播種前的底墑水肥， 加速了微生物的活動(dòng)， 急劇提高了溫室氣體排放量。對(duì)于無(wú)秸稈還田深翻耕處理（CK）， 雖然翻耕亦加速了郁閉于土壤中溫室氣體排放， 但由于多年沒(méi)有秸稈還田， 土壤有機(jī)碳源遠(yuǎn)沒(méi)有秸稈還田處理充足， 導(dǎo)致CK處理溫室氣體排放通量低于其他處理； 此外， 由于翻耕加速了土壤蒸發(fā)， 水分含量下降較快， 土壤厭氧環(huán)境維持時(shí)間較短， 使得該處理翻耕后溫室氣體排放峰持續(xù)時(shí)間較短， 導(dǎo)致10月份CK處理溫室氣體平均排放通量在所有處理中最低。對(duì)于旋耕處理（X），盡管秸稈進(jìn)行了粉碎還田， 由于旋耕不能使秸稈很好與土壤混合， 土壤孔隙較大， 加速了土壤水分的蒸發(fā)， 明顯減低了土壤含水量， 不利于新鮮有機(jī)物質(zhì)的腐解以及反硝化過(guò)程的發(fā)生； 此外， 由于土壤擾動(dòng)沒(méi)有翻耕力度大， 郁閉于土壤中的氣體難于充分釋放， 導(dǎo)致10月份旋耕處理氣體排放（CH4除外）低于其他秸稈還田處理。對(duì)于兩個(gè)免耕處理， 由于秸稈只是覆蓋于土壤表面， 土壤未經(jīng)擾動(dòng)， 郁閉于土壤中的氣體難于釋放， 故該處理比同樣是秸稈還田的翻耕處理低很多； 另一方面， 秸稈覆蓋降低了土壤蒸發(fā)， 利于保持土壤水分和土壤的厭氧環(huán)境，加速了土壤反硝化過(guò)程， 從而提高了N2O排放通量，這是小麥播種后短時(shí)間內(nèi)免耕處理比旋耕處理N2O排放通量高的主要原因。隨著小麥進(jìn)入越冬期， 各處理溫室氣體排放急劇下降， 處理間差異也不再明顯， 但F處理N2O排放通量持續(xù)比其他處理偏高。3月底4月初， 小麥進(jìn)入拔節(jié)期， 施肥灌溉引起的溫室氣體排放急劇增加， 各處理間氣體排放通量再度出現(xiàn)明顯差異， X和F處理N2O和CO2排放通量顯著高于其他處理， 二者之間無(wú)顯著差異。主要原因是這兩個(gè)處理的秸稈還田方式有助于秸稈腐解和有機(jī)碳在土壤中的固持， 土壤碳源豐富［21］， 微生物數(shù)量和活性均較高［22］， 一旦施肥灌水， 會(huì)急劇促進(jìn)微生物參與的反硝化過(guò)程和土壤呼吸強(qiáng)度， 顯著提高N2O和CO2的生成量和排放量。在此值得一提的是，經(jīng)過(guò)近半年的淀積， 旋耕（X）處理的秸稈與土壤已能充分混勻， 此時(shí)輔以施肥灌溉， 更能激發(fā)秸稈的腐解速度， 促進(jìn)CO2產(chǎn)生與排放； 同時(shí)一方面消耗土壤空氣中的氧氣， 為反硝化微生物營(yíng)造更好的厭氧環(huán)境， 另一方面為微生物提供了更多的碳源、底物，促進(jìn)反硝化過(guò)程及其中間產(chǎn)物N2O的生成與排放，這也是該時(shí)期旋耕處理CO2和N2O排放通量最高的主要原因。

通常在7月中旬玉米大喇叭口期進(jìn)行追肥和灌溉， 短時(shí)間內(nèi)在表層土壤中累積了大量NH-N和NO-N， 為硝化和反硝化微生物提供了充足的底物，激發(fā)其活性； 此時(shí)亦正值高溫多雨季節(jié)， 土壤孔隙含水量（WFPS）一般高于60%， 多為80%左右， 5 cm地溫保持在25～32 ℃， 土壤溫濕度適宜于各類(lèi)微生物活動(dòng)， 促進(jìn)了還田秸稈的腐解和反硝化過(guò)程的強(qiáng)烈發(fā)生， 導(dǎo)致此階段N2O和CO2排放通量的激增，這也是全年中7月份N2O和CO2排放通量最高的主要原因。

研究結(jié)果表明， 耕作措施和秸稈還田方式顯著影響農(nóng)田土壤溫室氣體排放， 翻耕比免耕更有利于農(nóng)田溫室氣體排放， 主要是土壤擾動(dòng)促進(jìn)了郁閉于土壤內(nèi)的氣體釋放； 秸稈深施較秸稈表面覆蓋更有利于農(nóng)田土壤溫室氣體排放， 秸稈深施較表覆更易于分解［23］， 為反硝化微生物提供了充足的能源物質(zhì)和微域厭氧環(huán)境， 利于反硝化過(guò)程的進(jìn)行， 促進(jìn)了N2O的生成與排放； 同時(shí)， 秸稈腐解過(guò)程中釋放大量CO2， 提高了CO2排放通量。

3.2 耕作與秸稈還田對(duì)溫室氣體排放總量及其增溫潛勢(shì)的影響

綜合考慮耕作措施與秸稈還田方式對(duì)3種溫室氣體的排放和吸收的影響， 秸稈粉碎還田深翻耕對(duì)溫室氣體的排放和吸收影響最大， 不僅強(qiáng)化了土壤作為CO2和N2O排放源的特征， 也強(qiáng)化了土壤作為CH4吸收匯的特征， 主要源于該處理不僅為土壤增加了有機(jī)物質(zhì)， 還對(duì)土壤進(jìn)行了較大強(qiáng)度的擾動(dòng)，使還田秸稈能與土壤較好地混合接觸， 不僅為土壤微生物提供了能源物質(zhì)， 還為其營(yíng)造了適宜的土壤環(huán)境， 利于提高各類(lèi)微生物的活性， 激發(fā)微生物參與的各類(lèi)生物化學(xué)過(guò)程。M1是溫室效應(yīng)最低的一個(gè)處理， 其CO2和N2O排放量最低， CH4吸收量卻是最高， 究其原因， 很可能是常年未對(duì)土壤進(jìn)行擾動(dòng)，不僅抑制了郁閉于土壤空氣中的溫室氣體的排放，還增加了N2O的還原量。曾有報(bào)道認(rèn)為對(duì)未擾動(dòng)土壤進(jìn)行耕作可大大降低土壤CH4匯的強(qiáng)度［15］， 耕作破壞了土壤原有結(jié)構(gòu)， 減少了土壤CH4氧化程度，這從另一角度為M1處理CH4吸收量最高提供了佐證。萬(wàn)運(yùn)帆等［23］的研究結(jié)果認(rèn)為， 秸稈還田和免耕措施促進(jìn)土壤對(duì)CH4的吸收， 秸稈深施對(duì)土壤吸收CH4的影響大于秸稈表覆與免耕， 主要是由于改善了土壤通氣狀況， 更有利于CH4的氧化和對(duì)空氣中CH4的吸收。而張雪松等［24］在同一地區(qū)開(kāi)展的麥田土壤CH4吸收特征結(jié)果表明， 秸稈還田后不利于土壤對(duì)CH4的吸收。由于農(nóng)田CH4的排放受諸多因素的影響， 且CH4的排放機(jī)理也非常復(fù)雜， 耕作引起CH4吸收/排放的結(jié)果還有待進(jìn)一步研究。

傳統(tǒng)耕作措施下綜合溫室效應(yīng)顯著高于免耕。傳統(tǒng)耕作一方面因其機(jī)械投入多， 對(duì)土壤擾動(dòng)強(qiáng)烈，通過(guò)燃油消耗和土壤向大氣直接排放大量溫室氣體，另一方面地上部秸稈的全部移出降低了系統(tǒng)對(duì)碳的截存。當(dāng)前本區(qū)域秸稈移出農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)后尚無(wú)其他可利用途徑情況下， 這種傳統(tǒng)耕作方式強(qiáng)化了農(nóng)田系統(tǒng)對(duì)碳的輸出， 提高了其溫室效應(yīng)。免耕措施一方面機(jī)械燃油消耗、各種溫室氣體排放所造成的農(nóng)田系統(tǒng)輸出碳當(dāng)量明顯低于其他耕作方式， 另一方面， 秸稈還田造成農(nóng)田系統(tǒng)截存大量碳， 使得免耕措施下農(nóng)田系統(tǒng)的溫室效應(yīng)最低。在綜合增溫潛勢(shì)的估算中， 秸稈處理方式是影響綜合增溫潛勢(shì)的一個(gè)重要分項(xiàng)， 倘若秸稈還田， 則表明秸稈中的碳被農(nóng)田系統(tǒng)截存， 其增溫效應(yīng)為負(fù)， 在計(jì)算綜合增溫潛勢(shì)時(shí)要扣除秸稈截存的碳當(dāng)量； 倘若秸稈被移出， 秸稈中的碳被完全輸出農(nóng)田系統(tǒng)， 在此暫且認(rèn)為被移出農(nóng)田的秸稈無(wú)論作何用途其所含碳最終均以CO2形式排向大氣， 其增溫效應(yīng)為正， 在計(jì)算綜合增溫潛勢(shì)要累加秸稈的碳當(dāng)量。對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)溫室氣體增溫潛勢(shì)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為碳當(dāng)量后， 秸稈移出深翻耕情況下， 農(nóng)田每年每公頃排放CO2當(dāng)量為12.3 t，顯著高于其他耕作措施。

4　結(jié)論

北方小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤是N2O和CO2的排放源， 是CH4的弱吸收匯。麥季和玉米季溫室氣體的源/匯強(qiáng)度存在差異， 玉米季土壤作為CO2和N2O的排放源強(qiáng)度大于小麥季， 而作為CH4吸收匯的強(qiáng)度又低于小麥季。耕作是影響農(nóng)田溫室氣體排放的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式， 翻耕比免耕更有利于農(nóng)田土壤N2O與CO2排放， 秸稈還田比秸稈移出、秸稈深施比秸稈表面覆蓋更有利于土壤N2O與CO2排放，秸稈還田可增加土壤對(duì)CH4的氧化吸收， 提高土壤作為大氣CH4吸收匯的特征。

免耕處理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)綜合增溫潛勢(shì)（ΔGWP）均為負(fù)值， 表明該耕作方式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為大氣的碳匯， 去除農(nóng)事活動(dòng)引起的直接或間接排放的CO2后， 每年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈截留947～1 070 kg（C）·hm-2；其他處理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的ΔGWP值均為正值， 表明溫室氣體是由系統(tǒng)向大氣排放， 其綜合ΔGWP由大到小的順序?yàn)闊o(wú)秸稈還田深翻耕（CK）＞秸稈粉碎還田深翻耕（F）＞秸稈粉碎還田旋耕（X）。如果單單評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綜合增溫效應(yīng)， 兩個(gè)秸稈覆蓋免耕措施溫室效應(yīng)最低， 對(duì)環(huán)境最有益， 但其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量很低， 不能滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高產(chǎn)高效可持續(xù)發(fā)展的要求。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)是提升經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和可持續(xù)發(fā)展， 在進(jìn)行農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綜合增溫效應(yīng)評(píng)價(jià)時(shí)要兼顧經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)雙贏(yíng)， 故在華北小麥-玉米輪作體系中， 秸稈粉碎還田旋耕是最優(yōu)化的耕作措施， 其溫室效應(yīng)相對(duì)較低， 而又能保證較高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

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* 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41571291）、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41530859）、中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（KFJ-EW-STS-055-2，KFJ-SW-STS-142）和國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD05B00）資助

**通訊作者： 張玉銘， 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分管理及環(huán)境效應(yīng)研究， E-mail： ymzhang@sjziam.ac.cn

? 同等貢獻(xiàn)者： 閆翠萍， 主要研究方向?yàn)樵鰷貙?duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響的研究， E-mail： zdyi888@163.com； 張玉銘， 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分管理及環(huán)境效應(yīng)研究， E-mail： ymzhang@sjziam.ac.cn收稿日期： 2016-01-22 接受日期： 2016-03-22

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China （No. 41571291， 41530859）， the Science and Technology Service Program of the Chinese Academy of Sciences （No. KFJ-EW-STS-055-2， KFJ-SW-STS-142） and the National Key Technologies R & D Program of China （2013BAD05B00）.

** Corresponding author， E-mail： ymzhang@sjziam.ac.cn Received Jan. 22， 2016； accepted Mar. 22， 2016

中圖分類(lèi)號(hào)：S341

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-3990（2016）06-0704-12

DOI：10.13930/j.cnki.cjea.160261

Greenhouse gas exchange and comprehensive global warming potential under different wheat-maize rotation patterns*

YAN Cuiping2?， ZHANG Yuming1?**， HU Chunsheng1， DONG Wenxu1， WANG Yuying1， LI Xiaoxin1， QIN Shuping3
（1. Key Laboratory of Agricultural Water Resources， Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture / Center for Agricultural Resources Research， Institute of Genetics & Developmental Biology， Chinese Academy of Sciences， Shijiazhuang 050022， China； 2. Institute of Wheat Research， Shanxi Academy of Agricultural Sciences， Linfen 041000，China； 3. College of Resources and Environmental Sciences， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China）

AbstractStudies on the emissions of greenhouse gases and global warming potential （GWP） under different tillage systems have benefited scientific research on the effects of agricultural management on mitigating greenhouse gas emission and reducing global warming. Such studies have also laid the theoretical basis for establishing measures to reduce global greenhouse gas emissions. Long term tillage and straw return to soil experiments were set up in 2001 at the Luancheng Agro-ecosystem Experimental Station （LAES） of Chinese Academy of Sciences. The experiments included 5 treatments — no-tillage with whole maize residue mulching （M1）， no-tillage with chopped maize residue mulching （M2）， rotary tillage with chopped maize residue incorporation （X）， mouldboard ploughing with chopped maize residue incorporation （F） and mouldboard ploughing with maize residue remove （CK， representing conventional tillage method）. The experiment monitored N2O， CO2and CH4fluxes in wheat-maize rotation fields using the static chamber method / gas chromatography technique for the period from October 2008 to September 2010. Total greenhouse gas emissions and GWP were also estimated. Meanwhile， during the experimental period， the amount of fuel consumed by farm machines and power consumed during irrigation and fertilizer application were recorded and transformed to carbon equivalent using a transformation coefficient. In the study， crop yield and aboveground biomasses were measured and carbon sequestration calculated. The total GWP under the 5 tillage treatments were estimated based on the identified parameters of greenhouse effect. The results indicated that wheat-maize rotation fields served as the source of N2O and CO2， and also the sink of CH4. In M1， M2， X， F and CK treatments， total N2O emissions from soil were 2.06 kg（N2O-N）·hm-2·a-1， 2.28 kg（N2O-N）·hm-2·a-1， 2.54 kg（N2O-N）·hm-2·a-1， 3.87 kg（N2O-N）·hm-2·a-1and 2.29 kg（N2O-N）·hm-2·a-1； total CO2emissions from soil of 6 904 kg（CO2-C）·hm-2·a-1， 7 351 kg（CO2-C）·hm-2·a-1， 8 873 kg（CO2-C）·hm-2·a-1， 9 065 kg（CO2-C）·hm-2·a-1and 7 425 kg（CO2-C）·hm-2·a-1； and total CH4sink of 2.50 kg（CH4-C）·hm-2·a-1，1.77 kg（CH4-C）·hm-2·a-1， 1.33 kg（CH4-C）·hm-2·a-1， 1.38 kg（CH4-C）·hm-2·a-1and 1.57 kg（CH4-C）·hm-2·a-1， respectively. GWPs in M1 and M2 treatments were negative， which indicated that farmland ecosystems under no-tillage with straw served as carbon sink， with annual carbon retention of 947-1 070 kg（C）·hm-2after subtracting directly or indirectly carbon equivalent emitted from the system. GWPs for other treatments were positive， with GWPs for CK， F and X of 3 364 kg（C）·hm-2， 989 kg（C）·hm-2and 343 kg（C）·hm-2， respectively. This suggested that for wheat-maize rotation system in the North China， chopped crop residue incorporation with rotary tillage was optimal tillage practice with relatively lower greenhouse effects and higher grain yield.

KeywordsTillage measure； Straw return； Greenhouse gas； Greenhouse effect； Global warming potential； Wheat-maize rotation system