大氣CO2濃度和溫度升高對稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的影響

王從，李舒清，劉樹偉，鄒建文

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大氣CO2濃度和溫度升高對稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的影響

王從，李舒清，劉樹偉，鄒建文

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/江蘇省固體有機(jī)廢棄物資源化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210095）

【目的】研究大氣CO2濃度和溫度升高條件下稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的響應(yīng)規(guī)律，以期科學(xué)評估未來氣候變化情境下，CO2濃度和溫度升高對稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的影響，為中國應(yīng)對未來氣候變化提供數(shù)據(jù)支持?！痉椒ā恳劳型侥M自由大氣CO2濃度升高和溫度升高的T-FACE試驗(yàn)平臺，設(shè)置本底大氣CO2濃度和溫度（Ambient）、500 μmol·mol-1CO2+本底大氣溫度（C）、本底大氣CO2濃度+溫度增加2℃（T）和500 μmol·mol-1CO2+溫度增加2℃（C+T）等4個處理。采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法原位觀測稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放通量，研究稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放對大氣CO2濃度和溫度升高的響應(yīng)規(guī)律?！窘Y(jié)果】（1）CO2濃度升高使水稻和小麥生物量和產(chǎn)量分別顯著增加9.7%、11.3%和5.6%、5.7%（＜0.05）；溫度升高使水稻和小麥生物量和產(chǎn)量分別顯著減少21.1%、18.0%和31.6%、17.7%（＜0.05）；CO2濃度和溫度的同步升高使水稻和小麥生物量和產(chǎn)量分別顯著降低13.5%、8.7%和26.0%、10.3%（＜0.05）。（2）CO2濃度和溫度升高，均未改變稻麥輪作系統(tǒng)N2O的季節(jié)排放模式。CO2濃度升高條件下，水稻季和小麥季N2O排放分別增加15.2%和39.9%，其中后者達(dá)顯著水平（＜0.05）；溫度升高未顯著影響水稻季N2O排放，但顯著增加小麥季N2O排放20.5%（＜0.05）；CO2濃度和溫度同步升高對水稻季N2O排放的影響存在較大的年際差異，但總體上有促進(jìn)N2O排放的趨勢；CO2濃度和溫度同步升高極顯著增加小麥季N2O排放（46.0%，＜0.01）。（3）小麥季N2O排放與小麥生物量密切相關(guān)，在CO2濃度和溫度升高條件下，小麥季N2O排放與小麥地下部生物量和ΔSOC之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。（4）與對照組相比，CO2濃度升高、溫度升高以及兩者的共同作用，分別導(dǎo)致稻麥輪作系統(tǒng)單位產(chǎn)量的N2O排放強(qiáng)度（GHGI）分別增加29.1%、66.3%和81.8%，其中溫度升高和CO2濃度和溫度同步升高處理達(dá)顯著水平（＜0.05）。【結(jié)論】CO2濃度升高和溫度升高均未改變稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O的季節(jié)排放模式。CO2濃度升高導(dǎo)致稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放顯著增加；溫度升高顯著增加小麥季N2O排放，但未顯著影響水稻季N2O排放。CO2濃度和溫度升高導(dǎo)致稻麥輪作系統(tǒng)溫室氣體排放強(qiáng)度增加，各處理?xiàng)l件下溫室氣體排放強(qiáng)度的響應(yīng)從大小依次為：C+T >T>C。可見，在未來CO2濃度和溫度升高情境下，為保證現(xiàn)有糧食供應(yīng)水平不變，由稻麥生產(chǎn)所導(dǎo)致的N2O排放強(qiáng)度變化可能會進(jìn)一步加劇氣候變化進(jìn)程。

T-FACE；稻麥輪作；CO2；溫度；生物量；產(chǎn)量；N2O；溫室氣體排放強(qiáng)度

0 引言

【研究意義】從全球范圍來看，CO2、CH4和N2O排放分別占到溫室氣體人為排放源的76%、16%和6.2%[1]，并且目前仍分別以每年1.7 μmol·mol-1、6 nmol·mol-1和0.75 nmol·mol-1的速度增長[2]。IPCC第五次評估報告指出，N2O的全球增溫潛勢（global warming potential，GWP）是CO2的265倍[3]，且在大氣中具有更長的平均壽命，故單位體積N2O對全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于CO2，因而備受關(guān)注。大量研究表明，人類的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動是N2O排放的主要人為排放源。在世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，稻麥輪作系統(tǒng)是一種典型的水旱輪作種植模式，主要分布在南亞和東亞，種植面積約2.6×107hm2[4]。在全球氣候變化背景下，研究稻麥輪作系統(tǒng)N2O在CO2濃度和溫度升高條件下的排放響應(yīng)，對于中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)地應(yīng)對未來氣候變化挑戰(zhàn)顯得尤為重要。【前人研究進(jìn)展】對農(nóng)田溫室氣體的研究，始于20世紀(jì)70年代[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1961年到2010年，全球種植業(yè)所產(chǎn)生的溫室氣體總排放量增加了163.8%[6]。其中，農(nóng)田作為N2O的主要排放源，其排放量約占全球人為N2O排放源的64%—84%[7-8]。目前，圍繞稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放的相關(guān)研究較多，N2O的排放機(jī)制也較為明確。但是，對于CO2濃度、溫度升高等條件下，稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和N2O排放響應(yīng)的研究還相對較少，且結(jié)果也存在差異。Dijkstra等[9]通過研究表明，在有氮肥施用的陸地生態(tài)系統(tǒng)中，CO2濃度的升高會導(dǎo)致N2O排放量增加，而對于無氮肥施用的陸地生態(tài)系統(tǒng)，CO2濃度升高并未顯著改變N2O的排放；SHUKEE等[10]通過冬小麥FACE（Free-air CO2enrichment）試驗(yàn)研究表明，在不同氮肥施用水平下，CO2濃度升高均導(dǎo)致麥田N2O排放量顯著增加。與對照組相比CO2濃度升高處理?xiàng)l件下，麥田N2O排放量平均增加47%。為研究不同溫度條件下，農(nóng)田N2O的排放響應(yīng)，DIJKSTRA等[9]通過文獻(xiàn)分析研究表明，在溫度升高條件下，不同旱地生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放響應(yīng)變異極大，溫度升高導(dǎo)致N2O排放從減少111 mgCO2-eq·m-2·d-1（CO2-eq即CO2當(dāng)量，下同）到增加56 mgCO2-eq·m-2·d-1均有報道。關(guān)于溫度變化對稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的影響，鄭循華等[11]通過對太湖地區(qū)稻麥輪作農(nóng)田進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，在15—25℃的溫度范圍內(nèi)，溫度是影響麥田N2O排放的關(guān)鍵因子，而在水稻生長期內(nèi)，N2O排放的季節(jié)性變化與溫度的關(guān)系不明顯?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】對于全球氣候變化背景下的農(nóng)田溫室氣體排放研究，國際上多采用開放式大氣CO2濃度升高、土壤-植物-大氣研究單元（SPAR）、溫度梯度氣室（TGCs）和開頂室（Open Top Chamber，OTC）等方法。由于FACE 系統(tǒng)是開放式設(shè)計(jì)，克服了部分OTC等方法的缺點(diǎn)，因此被認(rèn)為更接近未來氣候變化下的真實(shí)情況。此外，本研究在設(shè)置了不同大氣CO2濃度處理的基礎(chǔ)上，增加了溫度這一處理因素，以期進(jìn)一步準(zhǔn)確模擬未來氣候變化情境下稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放對CO2濃度和溫度升高的響應(yīng)情況。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究依托開放式大氣CO2濃度和溫度升高（Temperature+ Free-air CO2enrichment，T-FACE）試驗(yàn)平臺，利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法，對稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放進(jìn)行原位觀測，研究稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放對大氣CO2濃度和溫度升高的響應(yīng)。此外，結(jié)合稻麥輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量和N2O排放響應(yīng)觀測結(jié)果，對未來氣候變化情境下稻麥糧食生產(chǎn)過程中，農(nóng)田N2O排放響應(yīng)所導(dǎo)致的綜合溫室效應(yīng)做出科學(xué)評估。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究使用T-FACE田間試驗(yàn)平臺，該平臺設(shè)置在江蘇省常熟市白茆鎮(zhèn)（120°55′30″ E，31°35′25″ N），地處北亞熱帶南部濕潤氣候區(qū)，平均海拔為6 m，年均氣溫為15.4℃，日照1 813.9 h，降水量1 135.6 mm（統(tǒng)計(jì)至2015年）。試驗(yàn)地土壤為水稻土（烏柵土），有機(jī)碳和全氮含量分別為15.21 g·kg-1和1.29 g·kg-1，pH為6.7（水土比2.5﹕1）。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 T-FACE平臺概況 常熟T-FACE田間試驗(yàn)平臺（圖1），是在典型FACE平臺的基礎(chǔ)上增加溫度升高處理，以模擬自由大氣條件下CO2濃度和溫度升高環(huán)境。CO2濃度升高處理圈組是根據(jù)IPCC第4次評估報告的氣候變化最大情景（2050年近地面大氣CO2濃度升至500 μmol·mol-1）設(shè)置。T-FACE平臺共設(shè)12個處理圈組，各圈組均為正八邊形結(jié)構(gòu)，外圈直徑為18 m。通過CO2壓縮儲存罐體向FACE圈輸送CO2氣體，CO2氣體釋放于作物冠層頂空0.6 m處。FACE圈組內(nèi)CO2實(shí)際濃度由CO2濃度傳感器監(jiān)測，通過傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)反饋，由無人值守控制器調(diào)節(jié)FACE圈組CO2釋放量。監(jiān)測結(jié)果表明，田間試驗(yàn)期間，CO2實(shí)際濃度范圍為（500±26）μmol·mol-1，本底對照CO2濃度為（412±21）μmol·mol-1。

T-FACE加溫處理圈組是根據(jù)IPCC第4次評估報告中氣候變化2050年最大情景設(shè)置溫控值，根據(jù)各圈組內(nèi)溫度傳感器實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用電紅外加熱器對作物植株冠層空氣進(jìn)行加熱，控制增溫處理圈組內(nèi)植株冠層大氣溫度始終高于環(huán)境溫度2℃。對于未施加增溫處理的圈組同樣安裝電紅外加熱器，試驗(yàn)過程中不開機(jī)，以減少各處理圈組間光照及通風(fēng)等非處理因素差異。實(shí)際監(jiān)測結(jié)果表明，試驗(yàn)過程中增溫處理圈組實(shí)際溫度升高（2.0±0.4）℃。

1.2.2 CO2濃度和溫度升高處理設(shè)置 本研究的田間試驗(yàn)共設(shè)置4個處理：CO2濃度升高處理（C）、溫度升高處理（T）、CO2濃度和溫度協(xié)同升高處理（C+T）和空白對照處理（Ambient）。每個處理3次重復(fù)，共計(jì)12個處理圈組。每個圈組設(shè)置2個采樣點(diǎn)，一個為包含植株的采樣點(diǎn)，另一個為無植株采樣點(diǎn)（用于測定土壤N2O排放的背景值）。無植株采樣點(diǎn)和有植株采樣點(diǎn)基座（詳見1.4.1）在水稻季和小麥季開始前進(jìn)行設(shè)置，其中無植株采樣點(diǎn)基座在水稻季和小麥季開始后不進(jìn)行移栽或播種。

1.2.3 供試作物和環(huán)境要素記錄 小麥供試品種為揚(yáng)麥14號，大田全生育期平均為210 d。小麥季田間觀測試驗(yàn)開始于2012年11月，2015年6月結(jié)束，共進(jìn)行了3個小麥季的田間原位觀測試驗(yàn)。水稻供試品種為常優(yōu)5號，移栽后的大田生育期平均為120 d。水稻季田間觀測試驗(yàn)開始于2013年6月，2014年10月結(jié)束，共進(jìn)行了2個水稻季的田間原位觀測試驗(yàn)。田間管理按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)稻麥生產(chǎn)技術(shù)操作，氮肥施用情況見表1。各稻麥生長季平均氣溫見表2。

1.3 稻麥生物量及產(chǎn)量測定

稻麥?zhǔn)斋@時在各處理圈組內(nèi)齊根割取1 m2樣方內(nèi)的稻麥植株，測定地上部生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；在每個處理圈組內(nèi)，分別采取50株水稻（0—20 cm土層范圍內(nèi)）和小麥（0—35 cm土層范圍內(nèi)）根系樣本，采用淘洗法進(jìn)行根土分離，測定地下部生物量。

圖1 常熟T-FACE田間試驗(yàn)平臺主要結(jié)構(gòu)

表1 田間施肥情況

將稻麥地上部和洗凈的根系樣本置入烘箱，先110℃進(jìn)行20 min殺青，然后85℃烘干至樣品恒重，待樣品冷卻至接近室溫稱重并記錄。稻麥地上部生物量通過稱重獲得，單位面積地下部生物量通過當(dāng)季作物種植密度結(jié)合植株根系生物量均值經(jīng)計(jì)算獲得。

1.4 氣樣采集、分析和排放通量計(jì)算

1.4.1 氣體樣品采集 采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對-FACE平臺下的稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)中土壤-作物系統(tǒng)N2O排放速率進(jìn)行測定。采樣箱體由PVC材料制成，規(guī)格為10 cm（半徑）×100 cm（高），外包海綿和鋁箔以減緩箱內(nèi)空氣溫度變化。于水稻移栽和小麥播種前將與箱體配套的陶制底座固定于土壤中，氣體采集時將箱體嵌套入底座預(yù)留的液封槽內(nèi)，并注水進(jìn)行密封。田間設(shè)置棧橋，以減少對各圈組的人為擾動。水稻移栽后每3—4 d采樣一次，烤田期每天一次，肥料施用后適當(dāng)增加釆樣頻率。冬小麥生長季的隆冬季節(jié)釆樣周期為一周，小麥返青后采樣頻率與水稻季相同。水稻生長季采樣時間固定在上午8：00—10：00，小麥生長季固定在13：00— 15：00。釆樣時間段內(nèi)的土壤溫度（Ts）和全天日平均土壤溫度（Td）十分接近（水稻生長季，Td= 1.008 Ts，＜0.01；冬小麥生長季，Td=1.013 Ts，＜0.01）?；谠囼?yàn)小區(qū)處理的重復(fù)設(shè)置，釆用4箱體進(jìn)行平行采樣，采樣時間分別為關(guān)箱后的0、5、10 min，每次采集氣樣50 mL。

表2 不同稻麥輪作季平均氣溫

1.4.2 氣樣檢測與分析 采用改裝后的Agilent 7890A氣相色譜儀對氣樣N2O濃度進(jìn)行檢測，采用雙閥雙柱自動進(jìn)樣、反吹、分離和切換系統(tǒng)，ECD檢測器。

1.4.3 N2O排放通量計(jì)算 假定采樣箱橫截面積為，有效高度為，采樣箱內(nèi)空氣體積，則本研究中N2O排放通量的計(jì)算公式如下[12]：

=（1）

式中，為N2O排放通量（mg·m-2·h-1），為N2O氣體的密度（g·L-1），為N2O的摩爾質(zhì)量（44 g·mol-1），R為普適氣體常數(shù)（8.314 Pa·m3·mol-1·K-1），為采樣時箱內(nèi)平均氣溫（℃）。為采樣點(diǎn)大氣壓力，本研究中=1.013×105Pa。d/d為N2O排放速率（μmol·mol-1·min-1）。將有關(guān)常數(shù)代入式（1）后，經(jīng)整理可得到N2O的排放通量的計(jì)算式為：

式（2）中，常數(shù)60為時間換算，將分轉(zhuǎn)換為小時。為采樣箱的有效高度（m），為采樣時箱內(nèi)平均氣溫（℃）。

各稻麥輪作季N2O累積排放量計(jì)算公式如下：

式（3）中，為該季N2O累積排放通量（mgN2O·m-2），常數(shù)24為時間換算，將天數(shù)轉(zhuǎn)換為小時。D為該季開始后第次采樣時的累積天數(shù)，F為對應(yīng)的N2O排放通量（mg·m-2·h-1）。

1.4.4 溫室氣體排放強(qiáng)度計(jì)算 根據(jù)N2O在不同時間尺度上的全球增溫潛勢（global warming potential，GWP），可計(jì)算N2O在一定時間內(nèi)的CO2排放當(dāng)量（carbon dioxide equivalent，CDE，單位：kg，以CO2計(jì)）。本研究中，N2O在100年尺度上的GWP100yr參考值為265[3]。

根據(jù)溫室氣體排放強(qiáng)度（greenhouse gas intensity，GHGI）定義，通過TIMOTHY等[13]給出的GHGI計(jì)算方法，計(jì)算不同處理?xiàng)l件下的綜合溫室效應(yīng)：

GHGI=CDE（N2O）/稻麥產(chǎn)量 （4）

式中，GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度，單位kgCO2-eq·kg-1。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

本研究中相關(guān)分析、多因素方差分析和重復(fù)測量方差分析使用SPSS 20.0（IBM, USA, 2012）完成；BOX-COX轉(zhuǎn)換使用Minitab 17.1.0（Minitab Inc., USA, 2015）完成。

2 結(jié)果

2.1 稻麥生物量和產(chǎn)量的響應(yīng)

稻麥生物量和產(chǎn)量測定數(shù)據(jù)（2012—2015）匯總于表3。結(jié)果表明，C處理使稻麥生物量和產(chǎn)量均有不同程度增加，水稻總生物量和產(chǎn)量分別增加了9.7%和5.6%，小麥總生物量和產(chǎn)量分別增加了11.3%和5.7%，其中水稻生物量增加達(dá)到顯著水平（＜0.05）。與對照組相比，CO2濃度升高使水稻地上部生物量和地下部生物量分別顯著增加8.6%和41.1%（＜0.05），小麥地上部生物量和地下部生物量分別顯著增加8.9%和39.6%。

溫度升高對水稻和小麥的生物量和產(chǎn)量均產(chǎn)生不利影響。在T處理?xiàng)l件下，水稻總生物量和產(chǎn)量分別顯著降低21.1%和31.6%（＜0.05），小麥總生物量和產(chǎn)量分別降低18.0%和17.7%。溫度升高導(dǎo)致水稻地上部和地下部生物量分別降低21.1%和20.3%，小麥田上部和地下部生物量分別降低18.0 %和16.7%。此外，溫度升高對水稻總生物量的影響還存在顯著的年際差異。與對照組相比，2013年溫度升高處理導(dǎo)致的水稻總生物量減少26.2%，而2014年為降低15.3%。

多因素方差分析結(jié)果表明，CO2濃度和溫度升高對稻麥生物量和產(chǎn)量均無顯著交互作用。與單純溫度升高處理相比，溫度升高條件下的CO2濃度協(xié)同升高，部分減弱了溫度升高對稻麥生物量和產(chǎn)量的不利影響，但仍然不能抵消溫度升高所導(dǎo)致的減產(chǎn)。在CO2濃度和溫度協(xié)同升高條件下，水稻生物量和產(chǎn)量分別降低13.5%和26.1%，小麥生物量和產(chǎn)量分別降低8.7%和10.3%。

2.2 水稻季N2O排放響應(yīng)

從表4的結(jié)果可以看出，與對照組相比，C處理?xiàng)l件下稻田N2O累積排放量在2013和2014年水稻季分別增加16.5%和13.8%，2年的T升高處理均未顯著改變稻田N2O的累積排放量。C+T處理使2014年水稻季N2O排放量顯著增加了37.6%（＜0.05），但未顯著影響2013年水稻季N2O的累積排放量。

表3 水稻和小麥的生物量和產(chǎn)量（kg·m-2，平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤）

同一列數(shù)值后不同的小寫字母表示表示處理間差異顯著（＜0.05）。下同

The values followed by different lowercase letters in the same column indicate differences between treatments at＜0.05. Similarly here in after

表4 2013年和2014年水稻季N2O的累積排放量（kgN2O-N·hm-2，平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤）

圖2結(jié)果表明，不同處理?xiàng)l件下稻田N2O具有大致相同的季節(jié)排放動態(tài)模式。稻田N2O排放通量根據(jù)稻田灌溉條件的變化，具有不同的階段性排放特征，除部分氮肥施用導(dǎo)致的N2O排放峰值出現(xiàn)外，水稻季N2O的排放峰值主要出現(xiàn)在烤田階段，而稻田處在淹水期時稻田N2O排放則始終處于相對穩(wěn)定的低通量狀態(tài)。

方差分析結(jié)果顯示，CO2濃度對水稻季N2O累積排放量具有顯著影響；溫度和年際變化因素對水稻季N2O排放無顯著影響；處理因素之間以及處理因素與年際變化因素之間也無顯著交互作用（表5）。

2.3 小麥季N2O排放響應(yīng)

表6的結(jié)果表明，與對照組相比C處理在3個小麥季（2012—2013；2013—2014；2014—2015）中分別顯著增加了小麥季N2O排放29.9%、45.4%和45.6%（＜0.05）。T處理未顯著影響2012—2013年小麥季N2O排放，但溫度升高使2013—2014年和2014—2015年小麥季N2O排放分別增加35.9%和29.4%，其中前者達(dá)到了顯著水平（＜0.05）。C+T處理?xiàng)l件下，3個小麥季N2O排放分別顯著或極顯著增加25.3%（＜0.05）、48.6%（＜0.01）和65.0%（＜0.01）。在無植株參與條件下，C、T和C+T處理均未顯著影響小麥田N2O排放。

圖3結(jié)果表明，CO2濃度和溫度升高未顯著改變小麥季N2O的季節(jié)排放動態(tài)，N2O排放峰值的出現(xiàn)主要受氮肥施用影響。對3個小麥季N2O排放通量進(jìn)行重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明，在不同觀測時間條件下的N2O排放通量，其觀測值之間具有極顯著差異（＜0.01），但時間效應(yīng)與處理效應(yīng)對小麥季N2O排放的影響未表現(xiàn)出顯著的交互作用。不同CO2濃度和溫度升高處理對N2O排放通量的效應(yīng)在2012—2013年小麥季中達(dá)到了極顯著（=12.317，＜0.001），但2013—2014年（=3.606，＞0.05）和2014—2015年（=2.598，＞0.05）小麥季的觀測結(jié)果并無顯著差異。

圖2 2013和2014年水稻季各處理N2O排放的季節(jié)動態(tài)

表5 稻田N2O累積排放在CO2濃度、溫度和年際差異間的方差分析

*表示在0.05水平上差異顯著

*indicates significant difference at 0.05 level

表6 小麥季不同處理?xiàng)l件下N2O的累積排放量（kgN2O-N·hm-2，平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤）

方差分析結(jié)果顯示，CO2濃度、溫度和年際差異對小麥季N2O累積排放量具有顯著或極顯著影響；處理因素之間以及處理因素與年際變化因素之間無顯著交互作用（表7）。

2.4 土壤有機(jī)碳含量響應(yīng)

CO2濃度和溫度升高條件下，小麥季N2O排放受作物植株生長狀態(tài)的影響，小麥植株生物量的變化會直接影響土壤有機(jī)C源的供應(yīng)，進(jìn)而影響麥田土壤C、N循環(huán)進(jìn)程。對小麥季作物植株地上部、地下部和總生物量與小麥季N2O累積排放量進(jìn)行分析后表明，小麥地下部生物量與小麥季N2O累積排放量具有顯著（＜0.05）正相關(guān)關(guān)系（圖4），而小麥地上部生物量、總生物量與小麥季N2O排放量之間則未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

對各稻麥季農(nóng)田土壤起始（翻耕后）和該季結(jié)束（收獲后）的土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）含量進(jìn)行測定，并分別將水稻季和小麥季觀測結(jié)果匯總于表8和表9。結(jié)果表明，水稻季和小麥季結(jié)束時，C處理和C+T處理?xiàng)l件下農(nóng)田土壤SOC均顯著高于對照組（＜0.05），而T處理?xiàng)l件下農(nóng)田SOC含量與對照組之間無顯著差異。

對各稻麥輪作季土壤SOC在每一季開始和結(jié)束時的含量變化進(jìn)行計(jì)算，得到各季農(nóng)田土壤ΔSOC值。分析表明，小麥田土壤ΔSOC與小麥田N2O累積排放量具有顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.05）（圖5）。水稻季土壤ΔSOC與水稻季N2O累計(jì)排放量之間則未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖3 小麥季N2O排放動態(tài)

2.5 稻麥輪作周年N2O排放的溫室氣體排放強(qiáng)度

以2013年水稻季與2013—2014年小麥季、2014年水稻季與2014—2015年小麥季作為2個完整稻麥輪作周年，對稻麥輪作周年N2O排放引起的GWP進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果匯入表10。

表10結(jié)果表明，與對照組相比C和T處理均導(dǎo)致稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)周年的GWP有不同程度增加，其中前者達(dá)到顯著水平（＜0.05）。與對照組相比，在T處理?xiàng)l件下2個輪作周年的GWP分別增加24.1%和22.9%，但未達(dá)到顯著水平。C+T處理?xiàng)l件下，2個輪作周年的GWP分別增加33.9%和58.2%，其中后者達(dá)到極顯著水平（＜0.01）。為進(jìn)一步確定年際差異對稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)GWP的影響，將田間觀測的年際差異定為影響因子，并對觀測結(jié)果進(jìn)行多因素方差分析。結(jié)果表明，田間觀測的年際差異對GWP影響達(dá)到了極顯著水平（=8.793，＜0.01），但CO2濃度和溫度升高與年際差異之間未表現(xiàn)出顯著的交互作用。

表7 小麥田N2O累積排放在CO2濃度、溫度和年際差異間的方差分析

*表示在0.05水平上差異顯著；**表示在0.01水平上差異顯著

*Indicates significant difference at 0.05 level; ** Indicates significant difference at 0.01 level

圖4 小麥季N2O排放與小麥地下部生物量的線性相關(guān)關(guān)系

表8 不同處理?xiàng)l件下稻田SOC含量（g·kg-1，平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤）

表9 不同處理?xiàng)l件下小麥田SOC含量（g·kg-1，平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤）

圖5 小麥季N2O排放與ΔSOC的線性相關(guān)關(guān)系

表10 不同處理?xiàng)l件下稻麥輪作周年N2O排放的GWP100yr(kgCO2-eq·hm-2，平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤)

結(jié)合2.1的稻麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)和各輪作季N2O累積排放量，經(jīng)計(jì)算得到各稻麥輪作季和2個完整稻麥輪作周年的GHGI（表11）。

表11 不同處理?xiàng)l件下N2O排放引起的稻麥輪作系統(tǒng)GHGI（kgCO2-eq·kg-1，平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤）

從不同輪作季看，與對照組相比2013—2014輪作周年中T處理和C+T處理均顯著增加稻麥季GHGI（表11）。2014—2015輪作周年中C+T處理顯著增加稻麥季GHGI；T處理顯著增加小麥季GHGI，但并未顯著影響水稻季GHGI。此外，C處理導(dǎo)致各稻麥季GHGI均有不同程度升高，但均未達(dá)到顯著水平。從輪作周年來看，與對照組相比，C處理?xiàng)l件下2個稻麥輪作周年的GHGI分別增加27.8%和30.7%，但兩年均未達(dá)到顯著水平；T處理?xiàng)l件下GHGI分別極顯著增加82. 6%和52.8%（＜0.01）；C+T處理?xiàng)l件下GHGI分別極顯著增加80.3%和83.0%（＜0.01）。

上述結(jié)果表明，CO2濃度升高顯著增加了稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放引起的GWP，但是由于CO2濃度升高同時也增加了稻麥產(chǎn)量，因此降低了稻麥輪作系統(tǒng)GHGI的增幅；溫度處理?xiàng)l件下，稻麥輪作系統(tǒng)GWP平均增加，但溫度處理?xiàng)l件下的稻麥產(chǎn)量顯著減少，從而導(dǎo)致T處理?xiàng)l件下GHGI顯著增加。與T處理結(jié)果相似，C+T處理?xiàng)l件下稻麥輪作系統(tǒng)2個輪作周年的GWP分別增加67.2%和80.0%，同時稻麥產(chǎn)量也均有不同程度降低，從而導(dǎo)致C+T處理?xiàng)l件下的GHGI大幅增加。從2個稻麥輪作周年的平均值來看，稻麥輪作系統(tǒng)溫室氣體排放強(qiáng)度對各處理的響應(yīng)強(qiáng)度從大小依次為：C+T＞T＞C。此外，將年際變化考慮為影響因子，進(jìn)一步對2個輪作周年的GHGI數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素方差分析。結(jié)果表明，CO2濃度和溫度因素均顯著影響稻麥輪作系統(tǒng)的GHGI，但年際因素未顯著影響稻麥輪作系統(tǒng)GHGI。此外，CO2濃度、溫度和年際差異間均無顯著的交互作用。

3 討論

3.1 CO2濃度、溫度升高對稻麥生長和土壤SOC的影響

有研究指出，CO2濃度升高顯著增加水稻和小麥的干物質(zhì)積累量[14-20]。本研究結(jié)果也表明，CO2濃度升高可顯著增加稻麥生物量和產(chǎn)量。溫度升高導(dǎo)致水稻和小麥生育期縮短、呼吸作用增強(qiáng)和降低植株水分利用率，進(jìn)而減少干物質(zhì)積累量[19-24]。本研究結(jié)果表明，在溫度升高條件下，水稻和小麥的總生物量分別顯著降低21.1%和18.0%，這表明在溫度升高條件下，稻麥干物質(zhì)積累均受到溫度升高的不利影響，這也進(jìn)一步印證了前人的研究觀點(diǎn)。WHEELER等[25-26]研究表明，CO2濃度升高對小麥產(chǎn)量所產(chǎn)生的促進(jìn)效應(yīng)可以部分彌補(bǔ)溫度升高所導(dǎo)致的減產(chǎn)效應(yīng)，但總體上溫度升高仍使小麥有減產(chǎn)的趨勢。但BATTS等[27]研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度和溫度協(xié)同升高對小麥生物量和產(chǎn)量的影響存在較大的年際差異，某些條件下CO2濃度和溫度協(xié)同升高對小麥生物量和產(chǎn)量具有正交互效應(yīng)。BATTS等認(rèn)為，CO2濃度和溫度升高對小麥生物量及產(chǎn)量的交互作用的年際間差異，主要是年際間環(huán)境因素差異所導(dǎo)致。與小麥相似，在CO2濃度和溫度協(xié)同升高條件下，水稻生物量及產(chǎn)量也呈下降趨勢[19-20]。本研究結(jié)果表明，與單純溫度升高處理相比，CO2濃度協(xié)同升高部分抵消了溫度升高對稻麥生物量和產(chǎn)量的不利影響，但仍然不能完全抵消溫度升高所造成的減產(chǎn)效應(yīng)。

對稻麥輪作農(nóng)田土壤SOC的觀測結(jié)果表明，C處理和C+T處理顯著增加稻麥輪作農(nóng)田土壤SOC。其中，C處理?xiàng)l件下農(nóng)田土壤SOC含量增加可能是由于稻麥生物量顯著增加，進(jìn)而影響稻麥植株光合產(chǎn)物向地下部輸入增加所導(dǎo)致[28-29]。與對照組相比，C+T處理?xiàng)l件下稻麥生物量無顯著差異，但土壤SOC顯著增加。有研究認(rèn)為，溫度增高會導(dǎo)致作物秸稈快速分解，影響土壤有機(jī)質(zhì)含量[30]。考慮到本研究中設(shè)置的增溫處理主要作用于作物冠層，同時觀測結(jié)果也表明溫度升高處理與常溫處理相比農(nóng)田土壤溫度無顯著差異，因此C+T處理?xiàng)l件下土壤SOC增加并不適用于上述解釋。溫度升高會改變稻麥植株代謝速率，同時也影響稻麥植株光合產(chǎn)物的分配[31]，但溫度升高條件下的稻麥干物質(zhì)分配是否會影響農(nóng)田土壤SOC仍需進(jìn)一步研究予以闡明。本研究的結(jié)果還表明，兩個輪作季之間農(nóng)田SOC會有一定降低，這主要是由于休耕期農(nóng)田土壤翻耕導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)快速分解釋放所導(dǎo)致[32]。

3.2 CO2濃度、溫度升高對稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的影響

CO2濃度升高可顯著增加稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放，從不同輪作階段來看，水稻季N2O排放受CO2濃度升高的影響較弱，溫度升高處理對水稻季N2O排放的影響也不顯著。徐仲均等[33]研究表明，在稻田生態(tài)系統(tǒng)中，CO2濃度的升高對稻田N2O的排放影響較小，主要是由于稻田水分條件不利于N2O的產(chǎn)生。本研究結(jié)果顯示，水稻季N2O的排放主要集中在稻田非淹水狀態(tài)下，此時稻田土壤處于還原氛圍向氧化氛圍轉(zhuǎn)變的過程中，利于N2O的產(chǎn)生?？咎锛皾駶櫣喔入A段稻田淹水狀態(tài)被解除，也利于N2O向大氣的釋放，這也進(jìn)一步提高了稻田土壤N2O的排放通量[34-35]。而在淹水條件下，由于土壤處于還原性條件，N2O產(chǎn)生過程受到抑制，N2O的排放也由于水層的存在也受到限制。在淹水或土壤水分趨近飽和條件下，即使CO2濃度的升高顯著增加了水稻植株的生物量，但由于土壤通氣條件的限制作用，N2O的產(chǎn)生仍舊會受到一定程度的抑制，而當(dāng)?shù)咎锱鸥桑ㄈ缈咎铮┑臈l件下，CO2升高對N2O排放的影響效應(yīng)才可能較為明顯表現(xiàn)出來[36-37]。

SHUKEE等[10]通過研究FACE條件下的小麥田后發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高可顯著增加小麥田N2O排放，并且N2O的累積排放量與土壤有機(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，這與本研究結(jié)果一致。對于CO2濃度升高導(dǎo)致的N2O排放增加，有研究認(rèn)為主要是由于CO2濃度升高導(dǎo)致植物地下部生物量以及相應(yīng)的根系分泌物增加，給土壤中的硝化和反硝化微生物提供了額外的能量和碳源，促進(jìn)了土壤的碳、氮代謝速率加所導(dǎo)致[38-39]。本研究結(jié)果表明，CO2濃度升高顯著增加小麥生物量和產(chǎn)量，同時N2O累積排放量與小麥植株地下部生物量和ΔSOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果能夠較好地印證上述假說。本研究還表明，溫度升高能夠增加小麥季N2O排放，但小麥生物量卻呈顯著下降的趨勢。有研究認(rèn)為，土壤溫度的升高能夠直接加快土壤的硝化和反硝化過程速率，但溫度的升高同時也導(dǎo)致了土壤水分的快速流失，改變了土壤的通氣條件進(jìn)而影響土壤中N2O產(chǎn)生的相關(guān)過程[40-41]。本研究中，溫度升高的影響范圍主要集中在作物冠層大氣，因此麥地土壤水分的含量受作物植株蒸騰作用的直接影響。通過對各溫度處理?xiàng)l件下的土壤濕度進(jìn)行原位測定，并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測量方差分析，結(jié)果表明各處理間土壤濕度變化無顯著差異（=0.417，＞0.05）。因此，可以認(rèn)為在本研究中溫度升高導(dǎo)致的土壤溫濕度變化不足以解釋小麥季N2O排放的增加。

綜合2個完整輪作周年的觀測結(jié)果，CO2濃度和溫度協(xié)同升高與單純CO2濃度升高處理之間無顯著差異。有研究認(rèn)為，CO2濃度和溫度的升高會導(dǎo)致作物植株總生物量的增加，植物在生長過程中可能會受到土壤氮含量短缺的脅迫[42]，從而造成植物與土壤微生物爭奪可利用氮源，植物對氮的大量吸收利用會對土壤微生物N2O的產(chǎn)生過程產(chǎn)生競爭性抑制，進(jìn)而減少土壤N2O的排放[43-44]。CAI等[23]的研究結(jié)果表明，在FACE條件下CO2濃度和溫度升高均未顯著改變小麥季作物植株的氮吸收量。這一結(jié)果表明，CO2濃度和溫度升高條件下作物植株增加對土壤無機(jī)氮的吸收，進(jìn)而影響土壤微生物可利用氮源的解釋，并不能適用于本研究相關(guān)結(jié)果。考慮到本研究未設(shè)置不同氮肥施用水平處理，因此本研究結(jié)果可能不適用于稻麥輪作系統(tǒng)在氮脅迫條件下的N2O排放響應(yīng)。

溫室氣體排放強(qiáng)度是一個綜合評價指標(biāo)，可以較為準(zhǔn)確地反應(yīng)稻麥輪作系統(tǒng)在生產(chǎn)過程導(dǎo)致的溫室氣體排放與生產(chǎn)力之間相互關(guān)系。本研究結(jié)果表明，CO2濃度升高、溫度升高和兩者的交互作用，均導(dǎo)致稻麥輪作系統(tǒng)GHGI不同程度增加，但各處理的GHGI響應(yīng)機(jī)理存在差異。CO2濃度升高條件下，稻麥輪作系統(tǒng)GHGI升高主要是由于N2O排放顯著增加所導(dǎo)致。但CO2濃度升高同時也使稻麥產(chǎn)量顯著增加，從而部分減緩了CO2濃度升高引起的稻麥輪作系統(tǒng)GHGI的增幅。與之相反，溫度升高條件下稻麥輪作系統(tǒng)GHGI顯著增加，主要是由于稻麥產(chǎn)量的顯著下降所導(dǎo)致了。對于CO2濃度和溫度協(xié)同升高處理，N2O排放量的增加和稻麥產(chǎn)量的降低均導(dǎo)致了GHGI的升高，這也就導(dǎo)致了C+T處理?xiàng)l件下GHGI的增幅具有最高的響應(yīng)。目前，國內(nèi)外對CO2濃度和溫度升高條件下，稻麥N2O排放響應(yīng)導(dǎo)致的GHGI響應(yīng)研究未見報道。GROENIGEN等[45]對CO2濃度和溫度升高條件下，CH4排放引起的稻田GHGI變化進(jìn)行的研究結(jié)果與本研究的相關(guān)結(jié)果具有一定比較意義。GROENIGEN等研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高條件下稻田GHGI顯著增加，主要是由于CH4引起的GWP升高所導(dǎo)致；溫度升高條件下稻田GHGI升高，主要是由于水稻產(chǎn)量的顯著降低。上述結(jié)果與本研究中N2O排放引起的稻麥輪作系統(tǒng)GHGI響應(yīng)機(jī)理基本一致。上述結(jié)果同時也表明，CO2濃度和溫度升高所導(dǎo)致稻麥輪作系統(tǒng)的綜合GHGI響應(yīng)（包括N2O、CH4和CO2），要遠(yuǎn)大于單純N2O引起的GHGI變化。

4 結(jié)論

CO2濃度升高顯著增加稻麥輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)全年累積N2O排放量。從輪作階段來看，CO2濃度和溫度升高均顯著增加小麥季N2O排放，但未顯著影響水稻季N2O排放。CO2濃度和溫度升高的協(xié)同作用增加稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放，但與單純CO2濃度升高處理相比，兩者對稻麥輪作系統(tǒng)綜合溫室效應(yīng)的影響無顯著差異。

CO2濃度和溫度升高條件下，小麥季N2O累積排放量與小麥地下部生物量以及ΔSOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系。該結(jié)果表明，作物生長狀況是影響稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放的重要因素。

CO2濃度、溫度和兩者的協(xié)同升高均導(dǎo)致稻麥輪作系統(tǒng)GHGI不同程度增加。其中，CO2濃度升高引起的稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放量增加和溫度升高導(dǎo)致的稻麥產(chǎn)量下降是引起GHGI升高的主要原因。因此，在未來CO2濃度和溫度升高情境下，為保證現(xiàn)有糧食供應(yīng)水平不變，由稻麥生產(chǎn)所導(dǎo)致的N2O排放對CO2濃度和溫度升高的響應(yīng)，可能會進(jìn)一步加劇氣候變化進(jìn)程。

[1] IPCC.. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2014: 4-30.

[2] IPCC.. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2013: 159-218.

[3] IPCC.. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2013: 714.

[4] TIMSINA J, CONNOR D J. Productivity and management of rice-wheat cropping systems: issues and challenges., 2001, 69(2):93-132．

[5] HOLZAPFELPSCHORN A, CONRAD R, SEILER W. Production, oxidation and emission of methane in rice paddies., 1985, 31(6): 343-351.

[6] TUBIELLO F N, SALVATORE M, ROSSI S, FERRARA A, FITTON N, SMITH P. The FAOSTAT database of greenhouse gas emissions from agriculture., 2013, 8(1): 015009.

[7] SMITH P, MARTINO D, CAI Z, GWARY D, JANZEN H. Greenhouse gas mitigation in agriculture., 2008, 363(1492):789-813.

[8] SAGGAR S. Estimation of nitrous oxide emission from ecosystems and its mitigation technologies., 2010, 136(3/4): 189-191.

[9] DIJKSTRA F A, PRIOR S A, RUNION G B, TORBERT H A, TIAN H, LU C, VENTEREA R T. Effects of elevated carbon dioxide and increased temperature on methane and nitrous oxide fluxes: evidence from field experiments., 2012, 10(10): 520-527.

[10] SHUKEE L, NORTON R, LIN E D, ARMSTRONG R, CHEN D L, GILKES R G, PRAKONGKEP N. Soil gas fluxes of N2O, CO2and CH4under elevated carbon dioxide under wheat in northern China. Proceedings of the 19th World Congress of Soil Science: Soil solutions for a changing world, Brisbane, Australia, 1-6 August 2010. Congress Symposium 4: Greenhouse gases from soils, 2010: 216-219.

[11] 鄭循華, 王明星. 溫度對農(nóng)田N2O產(chǎn)生與排放的影響. 環(huán)境科學(xué), 1997(5): 1-5.

ZENG X H, WANG M X. Impacts of temperature on N2O production and emission., 1997(5): 1-5. (in Chinese)

[12] 劉樹偉. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變對稻作生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體(CO2、CH4和N2O)排放的影響[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

LIU S W. Shifts in agricultural production regime effect on greenhouse gases (CO2, CH4and N2O) emission from rice-based cropping system in southeast China[D]. Nanjing: Nanjing Agriculture University, 2012. (in Chinese)

[13] TIMOTHY H, JONATHAN P, KEVIN B.. World Resources Institute, Washington D. D., USA, 2006: 37.

[14] 楊連新, 李世峰, 王余龍, 黃建曄, 楊洪建, 董桂春, 朱建國, 劉鋼. 開放式空氣二氧化碳濃度增高對小麥產(chǎn)量形成的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2007, 18(1): 75-80.

YANG L X, LI S F, WANG Y L, HUANG J H, YANG H J, DONG G C, ZHU J G, LIU G. Effects of free-air CO2enrichment (FACE) on yield formation of wheat.2007, 18(1): 75-80. (in Chinese)

[15] 楊連新, 王余龍, 李世峰, 黃建曄, 董桂春, 朱建國, 劉鋼, 韓勇. 開放式空氣二氧化碳濃度增高對小麥物質(zhì)生產(chǎn)與分配的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2007, 18 (2): 339-346.

YANG L X, WANG Y L, LI S F, HUANG J H, DONG G C, ZHU J G, LIU G, HAN Y. Effects of free-air CO2enrichment (FACE) on dry matter production and allocation in wheat., 2007, 18 (2): 339-346. (in Chinese)

[16] 楊連新, 王云霞, 朱建國, T. Hasegawa, 王余龍. 開放式空氣中CO2濃度增高(FACE)對水稻生長和發(fā)育的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2010, 30(6): 1573-1585.

YANG L X, WANG Y X, ZHU J G, T HASEGAWA, WANG Y L. What have we learned from 10 years of free-air CO2enrichment (FACE) experiments on rice? Growth and development., 2010, 30(6): 1573-1585. (in Chinese)

[17] BAKER J T, JR ALLEN L H, BOOTE K J. Response of rice to carbon dioxide and temperature., 1992, 60(3/4): 153-166.

[18] KIM H Y, LIEFFERING M, KOBAYASHI K, OKADA M, SHU M. Seasonal changes in the effects of elevated CO2on rice at three levels of nitrogen supply: a free air CO2enrichment (FACE) experiment., 2003, 9(6): 826-837.

[19] BAKER J T, ALLEN L H, BOOTE K J. Temperature effects on rice at elevated CO2concentration., 1992, 43(252): 959-964.

[20] ZISKA L H, MANALO P A, ORDONEZ R A. Intraspecific variation in the response of rice (L.) to increased CO2and temperature: growth and yield response of 17 cultivars., 1996, 47(302):1353-1359.

[21] 李永庚, 蔣高明, 楊景成. 溫度對小麥碳氮代謝、產(chǎn)量及品質(zhì)影響. 植物生態(tài)學(xué)報, 2003, 27(2): 164-169.

LI Y G, JIANG G M, YANG J C. Effects of temperature on carbon and nitrogen metabolism, yield and quality of wheat., 2003, 27(2):164-169. (in Chinese)

[22] DONG W, CHEN J, ZHANG B, TIAN Y, ZHANG W. Responses of biomass growth and grain yield of midseason rice to the anticipated warming with FATI facility in East China., 2011, 123(3): 259-265.

[23] CAI C, YIN X, HE S, JIANG W, SI C, STRUIK P C, LUO W, LI G, XIE Y, XIONG Y. Responses of wheat and rice to factorial combinations of ambient and elevated CO2and temperature in FACE experiments., 2016, 22(2): 856-874.

[24] 李春華, 曾青, 沙霖楠, 張繼雙, 朱建國, 劉鋼. 大氣CO2濃度和溫度升高對水稻地上部干物質(zhì)積累和分配的影響. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2016, 25(8):1336-1342.

LI C H, ZENG Q, SHA L N, ZHANG J S, ZHU J G, LIU G. Impacts of elevated atmospheric CO2and temperature on above-ground dry matter accumulation and distribution., 2016, 25(8):1336-1342. (in Chinese)

[25] WHEELER T R, HONG T D, ELLIS R H, BATTS G R, MORISON J I L, HADLEY P. The duration and rate of grain growth, and harvest index, of wheat (L.) in response to temperature and CO2., 1996, 47(298): 623-630.

[26] WHEELER T R, BATTS G R, ELLIS R H, HADLEY P, JIL M. Growth and yield of winter wheat (Triticum aestivum) crops in response to CO2and temperature., 1996, 127(1): 37-48.

[27] BATTS G R, JIL M, ELLIS R H, HADLEY P, WHEELER T R. Effects of CO2and temperature on growth and yield of crops of winter wheat over four seasons., 1997, 25(1/3): 67-76.

[28] KUZYAKOV Y, SCHNECKENBERGER K. Review of estimation of plant rhizodeposition and their contribution to soil organic matter formation., 2004, 50(1): 115-132.

[29] HüTSCH B W, AUGUSTIN J, MERBACH W. Plant rhizodeposition — an important source for carbon turnover in soils., 2015, 165(4): 397-407.

[30] DEVêVRE O C, HORWáTH W R. Decomposition of rice straw and microbial carbon use efficiency under different soil temperatures and moistures., 2000, 32(11): 1773-1785.

[31] GIFFORD R M. Whole plant photosynthesis and respiration of wheat under increased CO2and temperature., 1995, 1(6): 385-396.

[32] 莊恒揚(yáng), 劉世平. 長期少免耕對稻麥產(chǎn)量及土壤有機(jī)質(zhì)與容重的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 1999, 32(4): 39-44.

ZHUANG H Y, LIU S P. The effects of minimum and no-tillage on soil organic matter and soil bulk density., 1999, 32(4): 39-44. (in Chinese)

[33] 徐仲均, 鄭循華, 王躍思, 韓圣慧, 黃耀, 朱建國. 開放式空氣CO2增高對稻田CH4和N2O排放的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2002, 13(10): 1245-1248.

XU Z J, ZHENG X H, WANG Y S, HAN S H, HUANG Y, ZHU J G. Effects of elevated atmospheric CO2on CH4and N2O emissions from paddy fields., 2002, 13 (10): 1245-1248. (in Chinese)

[34] ZOU J, HUANG Y, JIANG J, ZHENG X, SASS R L. A 3‐year field measurement of methane and nitrous oxide emissions from rice paddies in China: Effects of water regime, crop residue, and fertilizer application, 2005, 19(2):153-174.

[35] ZOU J, HUANG Y, ZHENG X, WANG Y. Quantifying direct N2O emissions in paddy fields during rice growing season in mainland China: Dependence on water regime., 2007, 41(37): 8030-8042.

[36] 徐華, 邢光熹, 蔡祖聰, 鶴田治雄. 土壤水分狀況和質(zhì)地對稻田N2O 排放的影響. 土壤學(xué)報, 2000, 37(4): 499-505.

XU H, XING G X, CAI Z C, YUJI TSULUTA. Effects of soil moisture and texture on N2O emission from a paddy field., 2000, 37(4): 499-505. (in Chinese)

[37] OTTMAN M J, KIMBALL B A, PINTER P J, WALL G W, VANDERLIP R L, LEAVITT S W, LAMORTE R L, MATTHIAS A D, BROOKS T J. Elevated CO2increases Sorghum biomass under drought conditions., 2001, 150(2): 261-273.

[38] III J A A, BOHLEN P J. Stimulated N2O flux from intact grassland monoliths after two growing seasons under elevated atmospheric CO2., 1998, 116(3): 331-335.

[39] KETTUNEN R, SAARNIO S, MARTIKAINEN P J, SILVOLA J. Can a mixed stand of N2-fixing and non-fixing plants restrict N2O emissions with increasing CO2concentration?, 2007, 39(10): 2538-2546.

[40] MCHALE P J, MITCHELL M J, BOWLES F P. Soil warming in a northern hardwood forest: trace gas fluxes and leaf., 1998, 28(9): 1365-1372.

[41] NEETAS B, CLAUDIAI C, DIANEE P, SHARONA B. Effects of temperature and fertilization on nitrogen cycling and community composition of an urban lawn., 2008, 14(9): 2119-2131.

[42] COTRUFO M F, INESON P, SCOTT A. Elevated CO2reduces the nitrogen concentration of plant tissues., 1998, 4(1): 43-54.

[43] HUNGATE B A, LUND C P, PEARSON H L, FSIII C. Elevated CO2and nutrient addition alter soil N cycling and N tracer gas fluxes with early season wet-up in a California annual grassland., 1997, 37(2): 89-109.

[44] MOSIER A R, MORGAN J A, KING J Y, LECAIN D, MILCHUNAS D G. Soil-atmosphere exchange of CH4, CO2, NOx, and N2O in the Colorado shortgrass steppe under elevated CO2., 2002, 240(2): 201-211.

[45] GROENIGEN K V, KESSEL C V, HUNGATE B A. Increased greenhouse gas intensity of rice production under future atmospheric conditions., 2013, 3(3): 288-291.

（責(zé)任編輯 李云霞）

Response of N2O Emissions to Elevated Atmospheric CO2Concentration and Temperature in Rice-wheat Rotation Agroecosystem

WANG Cong, LI ShuQing, LIU ShuWei, ZOU JianWen

(College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University/Jiangsu Province Key Laboratory for Organic Solid Waste Utilization, Nanjing 210095)

【Objective】This study was conducted to examine the effects of elevated atmospheric carbon dioxide (CO2) concentration and temperature on nitrous oxide (N2O) emissions from annual rice-wheat rotation systems, so as to gain an insight into N2O fluxes response to climate change.【Method】An in-situ field experiment was established in annual rice-winter wheat rotation systems under a T-FACE platform, consisting of four treatments under different CO2concentration and temperature levels (ambient CO2+ ambient temperature, ambient; 500 μmol·mol-1CO2+ ambient temperature, C; ambient CO2+ temperature increased by 2℃, T; 500 μmol·mol-1CO2+ temperature increased by 2℃, C+T) during 2012-2015. The fluxes of N2O from rice-wheat rotation fields were measured using static opaque chamber-gas chromatograph method.【Result】(1) On an average of two rice-growing seasons, elevated atmospheric CO2concentration significantly increased the biomass and yield of rice by 9.7% and 5.6%, respectively, and those increments of wheat were 11.3% and 5.7% over the three wheat-growing seasons（＜0.05）, respectively; Elevated temperature significantly reduced the biomass and yield of rice by 21.1% and 31.6%, and those reductions of wheat were 18.0% and 17.7%, respectively; The combination of elevated CO2and temperature significantly reduced the biomass and yield of rice by 13.5%（＜0.05）and 26.0%, and those reductions of wheat were 8.7% and 10.3%（＜0.05）, respectively. (2) Either elevated CO2concentration or temperature did not affect the seasonal patterns of N2O emission from rice-wheat rotation system. Elevated CO2concentration increased N2O emissions in rice and wheat season by 15.2% and 39.9%, respectively. Elevated temperature did not affect N2O emissions in rice season, but it significantly increased N2O emissions in wheat season by 20.5% (＜0.05). Despite of a considerable interannual variability, N2O emissions tended to be increased by the combined effect of elevated CO2concentration and temperature in rice season; the emissions of N2O in wheat season were significantly increased by 46.0% under the condition of C+T treatment. (3) The cumulative N2O emissions in wheat were positively correlated with belowground biomass of wheat and ΔSOC. (4) Elevated atmospheric CO2concentration, elevated temperature and their combination increased GHGI of rice-wheat rotation field by 29.1%, 66.3% and 81.8%, respectively.【Conclusion】All of these results showed that both elevated CO2concentration and temperature had a strong impact on the emission of N2O in rice-wheat rotation field. Elevated CO2concentration significantly increased the emission of N2O in both rice and wheat seasons; Elevated temperature significantly increased N2O emission in wheat season, but no significant change was observed in rice season. Elevated CO2concentration increased N2O-derived GHGI from rice-wheat rotation field, but it was not significantly different; Elevated temperature and the interactive between elevated CO2concentration and temperature significantly increased GHGI. The effects of different applied treatments on N2O-derived GHGI from rice-wheat rotation field from high to low in order were: C+T>T>C. It was suggested from this study that to ensure present crop supply level under the condition of high atmospheric CO2concentration and temperature would likely to exacerbate climate change by increasing N2O emission.

T-FACE; rice-wheat rotation; CO2; temperature; biomass; yield; N2O; GHGI

2017-12-15；

2018-02-27

國家杰出青年科學(xué)基金（41225003）、江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）

王從，Tel：18761865585；E-mail：edgar_j_wang@163.com。

鄒建文，E-mail：jwzou21@njau.edu.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.13.009