劉 敏，張 翀，巨曉棠 *，蘇 芳 *，陳新平，江榮風(fēng)

（1.農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點實驗室，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.欽州學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，廣西欽州 535000）

N2O是一種重要的溫室氣體，其在百年尺度上的全球增溫潛勢是同等質(zhì)量CO2的298倍，同時N2O能夠參與平流層的光化學(xué)反應(yīng)而破環(huán)臭氧層[1]。人類活動已改變了全球氮循環(huán)并深刻影響N2O排放，大氣中N2O濃度已由19世紀(jì)中葉的275 μL·m-3上升至2015年的328 μL·m-3，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動排放的N2O可占全球人為N2O排放總量的66%，農(nóng)業(yè)已成為最大的人為N2O排放源[2-3]。農(nóng)業(yè)源N2O排放主要是由農(nóng)田土壤化肥和有機肥施用引起的[4]，農(nóng)田土壤N2O產(chǎn)生機理及減排措施研究已引起科學(xué)家和政策制定者的普遍關(guān)注并成為研究熱點問題之一。然而，準(zhǔn)確地定量農(nóng)田N2O排放是制定排放清單及減排措施的前提。靜態(tài)箱法因成本低、便于在面積較小的田塊測定等優(yōu)點被廣泛用于農(nóng)田溫室氣體的測定[5]。

不同的研究者設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的靜態(tài)箱來觀測農(nóng)田N2O排放。為了完全考慮地上部作物對N2O排放的影響，Qin 等[6]采用了長×寬×高=50 cm×50 cm×95 cm的頂箱，玉米株高超過95 cm時，在靜態(tài)箱底座和頂箱中間加一個無頂?shù)闹邢洌赃_到采樣時能夠完全覆蓋作物的目的。Liu等[7]認(rèn)為，只要在保持作物生長良好的前提下，箱內(nèi)是否完全覆蓋植物對N2O排放通量測定結(jié)果無顯著影響，并在研究夏玉米季農(nóng)田N2O排放時，采用了兩種尺寸的靜態(tài)箱：即在玉米株高小于150 cm時，使用的箱體為頂部、中部和底部長×寬×高均為50 cm×50 cm×50 cm的箱體，隨著玉米的生長逐漸疊加到3層；當(dāng)玉米株高超過150 cm后，采用長×寬×高=50 cm×30 cm×20 cm的采樣箱，該采樣箱由長×寬×高=25 cm×30 cm×20 cm的兩部分組成，在其頂部中央有一個方形孔，使玉米莖能夠通過采樣箱頂部。在研究夏玉米季N2O排放時，也有研究者為了減少采樣時罩箱的復(fù)雜度，同時在一定程度上考慮作物對N2O排放的影響，在作物超過靜態(tài)箱高度時，將玉米切斷[8-9]。上述所有尺寸的靜態(tài)箱中，將玉米切斷是操作最為簡單的一種，但該方法造成的玉米生長不良可能會影響N2O的排放。

靜態(tài)箱法測定氣體通量是用罩箱后箱內(nèi)氣體濃度變化率所代表的通量值來近似罩箱前自然狀態(tài)下的氣體通量[10-12]，通常有直線回歸和曲線回歸兩種算法來完成這種近似。在計算農(nóng)田N2O排放通量時，直線算法作為一種簡易的計算氣體排放通量的方法被廣泛使用[13-16]，而Kroon等[17]在草地上的觀測結(jié)果表明，直線算法會比曲線算法低估N2O累積排放量。因此，有研究者在計算同一研究的N2O排放通量時，會根據(jù)直線或曲線回歸模型擬合的實際情況，來選擇最優(yōu)算法（即曲線并直線算法）計算不同采樣小區(qū)的N2O 排放通量[8-9，18]。

華北平原在夏玉米季具有高溫高濕的氣候條件，農(nóng)民傳統(tǒng)的氮肥管理具有高投入和高損失的特點[19-20]。這樣的土壤、氣候及管理特點會造成農(nóng)田N2O排放具有獨特的特征。高氮肥投入量和高強度降雨可能是驅(qū)動該地區(qū)夏玉米季N2O排放峰的重要因素，因此我們認(rèn)為箱體結(jié)構(gòu)和計算方法對華北夏玉米N2O排放總量無顯著影響。為了驗證上述假設(shè)，本研究在2012年和2013年在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實驗站比較了不同箱體結(jié)構(gòu)和算法下夏玉米季農(nóng)田N2O排放通量的結(jié)果，以期為準(zhǔn)確定量農(nóng)田N2O排放通量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點位于河北省邯鄲市曲周縣中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實驗站（36.87°N，115.02°E），海拔高度為 37 m。該地區(qū)屬典型溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為13.1℃，年平均降雨量為556 mm，其中約三分之二的降雨集中在6—9月。土壤類型為潮土，供試土壤基礎(chǔ)理化性狀：容重為1.32 g·cm-3，土壤pH為8.2（土水比為 1∶2.5），有機質(zhì)含量為 13.7 g·kg-1，全氮含量為 0.8 g·kg-1，速效磷含量為 6.7 mg·kg-1，速效鉀含量為 114 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

本研究依托于自2007年開始的“冬小麥/夏玉米輪作體系氮素實時監(jiān)控技術(shù)研究”長期定位試驗[21]，選取其中的一個處理作為本研究的對象，該處理設(shè)4次重復(fù)，小區(qū)面積為20 m×15 m=300 m2。本研究于2012年和2013年夏玉米季進行。玉米品種為鄭單958，行距為60 cm，株距為25 cm。2012年6月15日收獲冬小麥并將秸稈還田，之后用機器播種夏玉米并灌水90 mm。2012年7月3號開溝施肥，施氮量為100 kg N·hm-2，7月13號撒施氮肥，施氮量為150 kg N·hm-2。2013年6月15日收獲冬小麥并進行秸稈還田后，于6月16日均勻撒施肥料并翻耕，施氮量為45 kg N·hm-2，施肥后人工點種夏玉米并灌水75 mm。2013年7月19日追施氮肥，施氮量為90 kg N·hm-2。2013年8月13日第二次追施氮肥，施氮量為30 kg N·hm-2。以上氮肥品種均為尿素。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 N2O的采集與測定

N2O的采集與測定采用靜態(tài)箱-氣相色譜法。在上述4個重復(fù)小區(qū)內(nèi)布置兩種不同尺寸的靜態(tài)箱采集N2O。其中大靜態(tài)箱尺寸：頂箱60 cm×50 cm×50 cm（長×寬×高），地箱 60 cm×50 cm×15 cm（長×寬×高）。每個大靜態(tài)箱種植2株玉米，當(dāng)玉米高度超過50 cm時，在每次采氣時頂箱會將其自然壓彎。小靜態(tài)箱頂箱尺寸為 50 cm×30 cm×20 cm（長×寬×高），由長×寬×高為25 cm×30 cm×20 cm的左右對稱的兩部分組成，其左右兩部分頂部安裝有搭扣且銜接處安裝有密封條，罩箱時將左右箱體對齊扣緊確保完全密封。地箱尺寸為50 cm×30 cm×15 cm（長×寬×高）。小靜態(tài)箱頂箱頂部中央留一個7 cm×7 cm（長×寬）的孔，使生長后期玉米莖能夠通過采樣箱頂部。在玉米株高不超過20 cm時，采樣時直接將小箱頂部中央的孔用保鮮膜密封；在玉米株高超過20 cm時，采氣時高于20 cm的植株部分將露出箱體，此時需要用保鮮膜（日本生產(chǎn)，1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，其O2透過率為2.9 cm3·m-2·h-1，CO2透過率為 14.9 cm3·m-2·h-1，H2O 透過率為0.42 g·m-2·d-1）將玉米莖和箱體連接處密封，每個小箱內(nèi)種植1株玉米植株。安裝兩種尺寸的靜態(tài)箱地箱時，使玉米行平行于地箱短邊并處于長邊正中央。試驗開始前3 d將地箱打入土壤中15 cm深處，以避免打地箱產(chǎn)生的土壤擾動對N2O排放的影響。兩種規(guī)格的靜態(tài)箱外層均包有3 cm厚的泡沫板，以保證采氣期間箱內(nèi)的溫度變化小于3℃。頂箱內(nèi)部裝有長4 m、內(nèi)徑4.17 mm的采氣管，另一端為連接采氣注射器的3通閥，除采氣外，其他時間均保持三通閥關(guān)閉。頂箱內(nèi)部頂端的兩個對角裝有兩個12 V的風(fēng)扇，采氣時連接電源，將箱內(nèi)氣體混合均勻。

N2O的采集在當(dāng)?shù)貢r間上午8：30至11：00之間進行，氣體采集前先將頂箱罩上地箱，將密封條壓實，并用強力夾將頂箱與地箱夾緊從而保證氣密性。氣體采集時將頂箱罩45 min，以罩箱開始為“0”時刻并用50 mL注射器采集第一針氣體，隨后分別在罩箱第15 min、30 min和45 min時分別抽取一次箱內(nèi)氣體，每次抽取20 mL。采氣時先用注射器抽取箱內(nèi)氣體，并緩慢推回箱內(nèi)，如此重復(fù)兩次，以保證所采集氣體混勻。氣體樣品直接密封于注射器中，并帶回實驗室用氣相色譜于24 h內(nèi)測定完畢。施肥后，連續(xù)采集10 d；在灌水或較大降雨（＞ 20 mm）后，連續(xù)采集3 d；平時每4 d采集一次。氣相色譜儀型號為島津GC-14B（SHIMADZU，Kyoto，日本），安裝有ECD（Electron Capture Detector）和 FID（Flame Ionization Detector）檢 測器。采用99.999%的高純N2作載氣，并以10%的CO2作為補償氣，從而避免氣體樣品中CO2濃度改變對N2O濃度測定的影響。

1.3.2 溫度與降雨量

靜態(tài)箱頂箱安裝有溫度傳感器（JM20，天津今明儀器有限公司），N2O氣體采集的開始和結(jié)束時，將其連接數(shù)字溫度計（JM624，天津今明儀器有限公司）直接讀取溫度數(shù)據(jù)。試驗期間的氣溫和降雨量數(shù)據(jù)來自實驗站內(nèi)的氣象站。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

N2O排放通量計算公式：

F=k1×P0/P×273/（273+T）×M/V×H×dc/dt

式中：F 代表氣體排放通量，μg N2O-N·m-2·h-1；k1是單位量綱之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)（1000）；P0是箱內(nèi)大氣壓力，hPa；P是試驗地點的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，1013 hPa；因試驗地的海拔接近海平面（僅有37 m），P0/P≈1；T是罩箱時間內(nèi)箱內(nèi)的平均大氣溫度，℃；M代表N2O-N中 N 的摩爾質(zhì)量（28 g·mol-1）；V 為標(biāo)準(zhǔn)狀況下（273 K，1013 hPa）的氣體摩爾體積（22.4 L·mol-1）；H 是采樣箱高度，m；c是指箱內(nèi) N2O 的濃度，μL·L-1；t為罩箱時間，h；dc/dt表示罩箱時間內(nèi)N2O濃度的變化速率，μL·L-1·h-1；P0/P×273/（273+T）是利用采氣時的溫度和壓力校正標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體摩爾體積所采用的校正系數(shù)。

其中dc/dt有兩種計算方法，第一種算法為直線算法，即采用直線回歸法計算4個采樣時間點的dc/dt，若R2＞0.90則接受上述結(jié)果，否則舍棄一個點的數(shù)據(jù)繼續(xù)進行直接回歸擬合，若R2＞0.90則接受3個點的擬合結(jié)果，以上條件均未滿足，則數(shù)據(jù)被認(rèn)為無效，排放視為0；第二種算法為曲線并直線算法[8-9，18]，即分別采用二次曲線回歸和直線回歸來擬合4個點的相關(guān)關(guān)系并分別計算初始斜率。同時對兩種擬合方法所得到的方程在P＜0.05的水平上進行檢測，只有當(dāng)所得到的方程在P＜0.05的水平上達到顯著時，其初始斜率才被認(rèn)為有效而被接受，否則被認(rèn)為無效。如果二次曲線回歸和直線回歸所得到的方程都達到顯著，則比較二者的R2和初始斜率的值，只有當(dāng)二次曲線的R2和初始斜率都比直線的要高時，才采納二次曲線的值，否則用直線的初始斜率。其次，如果用4個點擬合所得到的二次曲線回歸方程和直線回歸方程都沒有達到顯著，則考慮去掉其中的一個點，然后用3個點的數(shù)據(jù)進行直線回歸擬合，選擇R2最大的結(jié)果，同時在P＜0.05的水平上進行檢測，只有當(dāng)所得到的方程在P＜0.05的水平上達到顯著時，其初始斜率才被認(rèn)為有效而被采納，否則被認(rèn)為無效，排放視為0。最后，如果依據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)而獲得的初始斜率小于0，那么該排放也視為0。采用線性插值法估算未測定日期的N2O排放通量，然后將每日的排放量求和來計算整個夏玉米季的N2O累積排放量。

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007處理，SPSS 17.0軟件進行α=0.05水平下的顯著性檢驗，采用Sigmaplot 12.0繪圖。

圖1 試驗期間的氣溫和降雨量Figure1 Air temperature and precipitation during the summer maize season

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗期間的氣溫及降雨量

2012年和2013年夏玉米季N2O測定期間的氣溫和降雨量變化如圖1所示。由圖1可以看出，2012年試驗期間的大氣溫度整體低于2013年同時期的大氣溫度，2012年和2013年N2O觀測期間大氣日平均溫度分別為23.3℃和25.8℃。夏玉米季降雨頻繁集中，2012年和2013年夏玉米季試驗期間降雨量分別為430 mm和348 mm，兩年的日最高降雨量分別為66 mm和53 mm，均低于同年夏玉米播種時的灌水量。

2.2 不同處理的N2O排放通量

圖2為2012年和2013年夏玉米季N2O排放通量。由圖2可知，在整個觀測期間不同箱體結(jié)構(gòu)和計算方法所得到的N2O排放通量趨勢一致，數(shù)值差異很小。2012年夏玉米季期間共出現(xiàn)3個N2O排放高峰：第一個N2O排放高峰出現(xiàn)在播種灌水之后，雖然沒有使用任何氮肥，但由于灌水量較大（90 mm），引起了土壤強烈的干-濕交替，從而導(dǎo)致N2O的強烈排放；第二個和第三個N2O排放高峰均出現(xiàn)于施肥之后，最大日排放通量分別約為 1200、1100 μg N2O-N·m-2·h-1，這與施肥時高溫高濕的氣候條件及高施氮量有關(guān)，排放高峰出現(xiàn)前的兩次施氮量分別為100、150 kg N·hm-2。2013年夏玉米季期間也出現(xiàn)3個N2O排放高峰：第一個排放高峰出現(xiàn)于施肥并灌水后，第二個和第三個排放高峰都發(fā)生于施肥后，但由于兩次施氮量均較少（分別為 90、30 kg N·hm-2），兩個排放峰均小于2012年兩次追肥的N2O最大日排放通量。整體而言，N2O排放高峰的出現(xiàn)均與人為對土壤的擾動，即施肥、灌水和翻耕有關(guān)。夏玉米播種時灌溉量較大，2012年和2013年灌水量分別為90 mm和75 mm，因此，無論在不施氮（2012年夏玉米季第一次施肥）還是施很少氮（2013年夏玉米季第一次施肥）的情況下，灌水均導(dǎo)致了N2O的強烈排放。相對而言，在整個夏玉米季期間，因降雨導(dǎo)致的N2O排放高峰要弱于因灌水出現(xiàn)的N2O排放高峰。

2.3 不同處理的N2O累積排放量

表1為2012年和2013年夏玉米季生長期間的N2O累積排放量，由表1可知在兩年夏玉米季N2O監(jiān)測期間，使用小箱以及曲線并直線算法得到的N2O累積排放量，在數(shù)值上均高于其他3個處理，比其他處理的總排放量高5%～6%。但無論2012年還是2013年，使用不同箱法和算法得出的N2O累積排放量均無顯著差異（P＜0.05）。

圖2 不同箱體結(jié)構(gòu)和計算方法下的N2O排放通量Figure2 Dynamics of N2O flux under different chamber size and calculation method

表1 不同處理N2O累積排放量（g N2O-N·hm-2）Table1 N2O cumulative emissions of different treatments（g N2O-N·hm-2）

3 討論

3.1 箱體結(jié)構(gòu)對N2O排放通量的影響

由于玉米植株較高，玉米季N2O排放通量的觀測不同于草地生態(tài)系統(tǒng)或小麥季等，不同研究者采用了不同結(jié)構(gòu)的靜態(tài)箱對玉米季N2O排放進行觀測。有研究者完全考慮了玉米植株對N2O排放的影響，即在玉米不同的生育期采用不同高度的靜態(tài)箱將玉米植株完全覆蓋[6]。但上述方法操作復(fù)雜，更重要的是，玉米生育后期靜態(tài)箱內(nèi)部體積很大，容易造成采樣不具代表性且樣品濃度低，更增加了測定結(jié)果的不確定性。因此，一些研究者在觀測農(nóng)田玉米季N2O排放時，部分考慮了玉米生長，即在玉米植株超過靜態(tài)箱箱高時，將玉米切斷或壓彎[8-9，18]。但上述的切斷或壓彎均會影響玉米的正常生長，影響了玉米生長后期根系的生長、根系對水分和氮素的吸收及地上部光合產(chǎn)物向土壤的供應(yīng)，最終可能會改變土壤的碳氮轉(zhuǎn)化過程和N2O的排放。保瓊莉等[22]對比了夏玉米根系密集區(qū)與行間土壤N2O濃度，結(jié)果表明，玉米根系密集區(qū)和行間的根系非密集區(qū)土壤N2O濃度無顯著差異。上述研究結(jié)論在一定程度上驗證了本研究的結(jié)果，即在定量華北夏玉米農(nóng)田土壤N2O排放時，與不破壞玉米根系正常生長的測定相比，因罩箱時折彎或折斷玉米造成的根系的生長不良，不會影響N2O排放通量的測定。主要是因為華北平原農(nóng)田N2O排放的主要驅(qū)動因子是施肥和灌水[9，23]，與以上兩個因子相比，根系對于夏玉米季N2O累積排放量的影響很小。

3.2 計算方法對N2O氣體排放通量的影響

本研究表明，在華北夏玉米季曲線并直線算法和直線算法得到的N2O累積排放量無顯著差異。為進一步證實上述結(jié)論，我們對比了不同計算方法下得到的N2O日排放通量（表2）。表中（FQ/L-FL）/FL指曲線并直線算法計算得到的N2O排放通量高于直線算法的N2O通量的比例，比值越大，表明曲線并直線算法越高于直線算法。從表2可以看出，僅在利用大靜態(tài)箱定量N2O排放時，會出現(xiàn)曲線并直線算法低于直線算法的情況，但對應(yīng)的樣本數(shù)占總樣本的比例可忽略不計。直線算法得到的N2O排放通量，一般會在不同程度上低于曲線并直線算法得到的N2O排放通量。由表2還可以看出，在N2O排放通量較高時，兩種算法得到的N2O日排放通量很接近；而在N2O排放通量較小時，曲線并直線算法得到的N2O排放通量高于直線算法。我們進一步選取了兩年N2O測定期間大箱和小箱的最大和最小日排放量驗證上述結(jié)論。如圖3所示，無論大箱和小箱，在N2O排放通量最高時，直線算法的dc/dt值大于曲線算法，此時曲線并直線算法要取直線算法的dc/dt值，因此曲線并直線算法與直線算法得到的N2O排放通量結(jié)果一致；在N2O排放通量最小時，曲線算法的dc/dt值大于直線算法，此時曲線并直線算法要取曲線算法的dc/dt值，因此曲線并直線算法要大于直線算法得到的N2O排放通量。盡管此時曲線并直線算法的結(jié)果大于直線算法，但由于以上結(jié)果均發(fā)生于N2O排放通量較低的時候，且施肥和灌水等事件引起的排放高峰對季/周年N2O排放總量占主要比例[9，23]，此時因直線算法低估的N2O日排放通量對季/年的N2O排放總量的影響很小。綜上所述，在華北農(nóng)田夏玉米季N2O排放通量較高時，曲線并直線算法與直線算法得到的結(jié)果一致；而在N2O排放通量較小時，曲線并直線算法高于直線算法。由于N2O排放較弱時的通量對夏玉米季累積排放量貢獻很小，因此，采用直線并直線或直線算法得到的華北平原夏玉米季N2O累積排放量無顯著差異。

表2 曲線并直線算法和直線算法計算N2O排放通量對比Table2 Comparison of N2O flux between quadratic/linear model and linear model

4 結(jié)論

（1）在定量華北夏玉米農(nóng)田土壤N2O排放時，與不破壞玉米根系正常生長的小箱測定相比，因使用大箱罩箱壓彎玉米造成的玉米生長不良，不會顯著影響N2O累積排放通量的測定結(jié)果。

（2）曲線并直線和直線算法在計算華北平原夏玉米季N2O累積排放量時并無顯著差異。

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