董李冰，郭李萍，馬 芬，牛曉光，刁田田，李 明，柳 瀛，郝興宇*

（1．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801；2．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

以大氣CO2濃度升高為主要特征及緣由的氣候變化已被各國政府及國際科學(xué)界所公認(rèn)，大氣中溫室氣體CO2和N2O的濃度到2021年已經(jīng)分別從工業(yè)化革命前的280 μmol·mol-1和270 nmol·mol-1提高了46%和23%，達(dá)到工業(yè)化前水平的1.46和1.23倍［1-2］。根據(jù)不同的排放情景，政府間氣候變化專業(yè)委員會在第5次評估報告指出，21世紀(jì)末大氣CO2濃度可能升高到550～936 μmol·mol-1，這將對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物生產(chǎn)及土壤養(yǎng)分循環(huán)等諸多方面產(chǎn)生相應(yīng)的影響，并進(jìn)一步影響農(nóng)業(yè)源溫室氣體，如旱地N2O及稻田CH4的排放［3］。

土壤中的N2O主要由微生物主導(dǎo)的生物化學(xué)過程所產(chǎn)生，其中包括硝化作用和反硝化作用等［4］。硝化作用在好氧條件下發(fā)生；反硝化作用則在厭氧條件下進(jìn)行，而且需要有機(jī)碳作為反硝化微生物的電子供體和活動能源［5］；此外，旱地在施肥加灌溉后的短暫低氧條件下，硝化細(xì)菌的反硝化作用產(chǎn)生的N2O也大幅增加［6］。由于土壤的異質(zhì)性，土壤中經(jīng)常同時存在硝化作用和反硝化作用的不同位點。關(guān)于大氣CO2濃度升高（簡稱eCO2）下土壤中N2O排放的田間測定，前人有過一些報道，如基于自由大氣CO2富集平臺（簡稱FACE）在德國草地及國內(nèi)稻麥系統(tǒng)上均有報道［7-8］。匯總一些其它FACE試驗的報道，總體上大氣CO2濃度升高使土壤N2O排放量平均增加了19%（范圍為5%～36%）［9-10］，而土壤中CO2排放也同時增加了15%～41%［11-12］。澳大利亞FACE平臺測定結(jié)果顯示，eCO2使小麥地 N2O 排放量增加了108%［8］。本課題組基于FACE試驗地早期進(jìn)行的一些測定也顯示，eCO2使小麥地農(nóng)田N2O排放增加了60%［11］。但是關(guān)于eCO2下華北典型農(nóng)田主要作物種植系統(tǒng)如玉米地的N2O排放還鮮見報道，主要原因有FACE平臺建設(shè)及維護(hù)費用昂貴、長期持續(xù)進(jìn)行的試驗少，不同種植系統(tǒng)下的研究測試平臺則更少。

CO2是作物進(jìn)行光合作用的重要原料之一，eCO2下植物的光合作用增強(qiáng)，地下部的碳沉積也相應(yīng)增加［13］，這同時會使土壤的硝化潛勢和反硝化潛勢有不同程度的增加［14］。在eCO2條件下，植物的光合作用一般會表現(xiàn)為增強(qiáng)［7］，同時光合產(chǎn)物向地下部的分配或碳沉積也顯示增加［13］，如細(xì)根數(shù)量增加［15］、根系分泌物增加［16-17］、土壤中可溶性有機(jī)碳增加［18］等，因此土壤呼吸作用相應(yīng)表現(xiàn)為增加，并使土壤中氧氣濃度降低［19］，低氧條件下來自氨氧化之后的硝化細(xì)菌的反硝化作用產(chǎn)生的N2O更有可能大幅增加［6］。此外，由于eCO2下氣孔導(dǎo)度降低［20］、蒸騰作用降低［7］、土壤水分利用效率提高，土壤中水分含量可能有所提高，土壤中反硝化作用排放的N2O也有可能增加。土壤中排放的CO2主要來自生物學(xué)和生物化學(xué)過程，包括自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸，其中，自養(yǎng)呼吸包括植物根系呼吸及根際微生物呼吸，所消耗的有機(jī)碳底物直接來源于植物光合作用向地下分配的部分；異養(yǎng)呼吸則是土壤中微生物及動物分解土壤中有機(jī)碳所釋放出的CO2［21］。由于eCO2下根際碳沉積增加，土壤呼吸作用排放的CO2也可能增加。

鑒于eCO2下華北典型玉米地農(nóng)田N2O排放特征及原因鮮有研究，本文擬針對eCO2下華北旱地農(nóng)田典型C4作物夏玉米農(nóng)田土壤N2O排放影響進(jìn)行研究，并通過對土壤CO2排放通量及硝化、反硝化潛勢的測定及分析，初步闡釋eCO2對N2O排放的影響，為未來氣候變化下“土壤-作物”系統(tǒng)碳氮互作的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及低排放可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地及試驗平臺概況

本研究在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所于2007年建立的FACE平臺上進(jìn)行，位于北京市昌平區(qū)（40.13°N，116.14°E），該地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，年均溫14℃，年降水量600 mm，其中60%的降水集中在7～9月。

該試驗點土壤類型為潮褐土，平臺自建立以來的種植模式為“冬小麥-夏玉米（夏大豆）”。該系統(tǒng)為全開放式的室外試驗系統(tǒng)，可模擬研究未來近地表大氣CO2濃度升高對農(nóng)作物生長的影響。FACE系統(tǒng)主要包括CO2傳感器、控制系統(tǒng)和CO2氣體供應(yīng)裝置。FACE小區(qū)由8根CO2氣管帶圍成正八邊形，直徑為4 m，分別有6個常規(guī)圈和6個高CO2圈。各小區(qū)間間隔大于14 m，以消除各小區(qū)之間的干擾［22］。

1.2 試驗設(shè)計

2017年夏玉米田間試驗設(shè)置了2個大氣CO2濃 度 處 理，aCO2（400 μmol·mol-1）和eCO2（550 μmol·mol-1），aCO2和eCO2各有6個圈并在田間呈隨機(jī)區(qū)組排列。2018年在2017年的基礎(chǔ)上，又增設(shè)氮肥的副處理，即低氮（LN，N 72 kg·hm-2）和高氮（HN，N 180 kg·hm-2），共有4個處理，分別為aCO2-LN、eCO2-LN、aCO2-HN、eCO2-HN；每個CO2濃度下LN和HN各3個圈，共12個圈，田間隨機(jī)區(qū)組排列。各小區(qū)磷鉀肥用量均相同，分別 為P2O5150 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2。氮 肥基追比為4∶6，磷肥和鉀肥全部作為基肥一次性施入。基肥和追肥都結(jié)合灌溉進(jìn)行，灌溉量40 mm每次。2017和2018年夏玉米季土壤5 cm處土壤溫度及土壤水分含量見圖1。

圖1 2017年（a）和2018年（b）夏玉米季土壤5 cm處土壤溫度和水分含量

1.3 取樣及測定方法

1.3.1 氣體樣品

氣體樣品取樣及測定采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，取樣箱田間扣箱位置包括1個完整的玉米行和1個行間，寬度為玉米株距。不透明取樣箱分為箱體和底座兩部分，頂部有開關(guān)以供抽取氣樣用；底座插入土中10 cm，取氣時箱體扣在底座之上，底座槽中加水以保持箱體與底座之間密封［23］。氣樣在夏玉米基肥和追肥后各連續(xù)取7 d、雨后連續(xù)加測2 d。取氣時間在每日的9：00～10：00，扣箱時間為20 min（此間氣體排放速率為線性增加），每次取樣30 mL于12 mL真空血清瓶中。取樣后一周內(nèi)用氣相色譜儀（Agilent7890B）測定CO2和N2O濃度。取氣的同時，在土壤5 cm處安置探頭，測定5 cm處土壤溫度和土壤水分含量。

1.3.2 土壤樣品

在玉米喇叭口期追肥前采用土鉆法取土樣，用搖漿法和乙炔抑制法分別測定硝化潛勢和反硝化潛勢，測定方法詳見魯如坤《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［24］。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣CO2濃度升高對土壤N2O排放的影響

由圖2可見，夏玉米地2017年土壤N2O排放通量在N 9.2～396.5 μg·m-2·h-1范圍內(nèi)，排放峰主要發(fā)生在基肥后、追肥后和隨后的灌溉和降雨事件后，排放通量峰值一般出現(xiàn)在施肥后第2 d，一直到第5～7 d排放峰下降到背景排放數(shù)值。eCO2處理下基肥和追肥后的2個排放峰分別為（354.6±20.1）和（396.5±19.2）μg·m-2·h-1；而aCO2處理的這2個排放峰數(shù)值僅分別為eCO2處理的56.0%和53.4%。期間的幾個小峰，主要發(fā)生在灌溉和降雨后土壤中水分狀況有所提升的時期（圖2中虛線箭頭所示）。整個玉米生育期內(nèi)eCO2和aCO2處理的土壤N2O平均排放通量分別為N（163.4±6.6）和（94.3±8.3）μg·m-2·h-1。

圖2 2017年夏玉米地農(nóng)田N2O排放通量

2017年夏玉米生育期eCO2下N2O累積排放量比aCO2高65.9%（表1），各個階段的增加幅度不同，增加幅度依次為苗期＞喇叭口期＞抽雄-成熟期＞拔節(jié)期。具體來講，在基肥后的苗期和追肥后的喇叭口期增加幅度較大，分別增加了117.5%和60.0%；抽雄-成熟期由于氣溫較高且時間跨度長，eCO2處理的N2O階段累積排放量比aCO2處理增加了52.0%；而由于拔節(jié)期（6～12葉期）還未追肥，該期eCO2處理相比aCO2處理的N2O增加幅度較低，為20.9%。

表1 2017年夏玉米N2O累積排放量及排放系數(shù)

由圖3可見，2018年玉米生育期間土壤N2O排放通量在6.1～543.2 μg·m-2·h-1之間，各處理的N2O排放通量數(shù)值依次為eCO2-CN ＞ aCO2-CN ＞eCO2-LN ＞ aCO2-LN。同樣的，排放峰也主要發(fā)生在基肥后、追肥后和隨后的灌溉和降雨事件后。由于2018年玉米基肥后溫度較高，基肥后的N2O排放峰數(shù)值高于2017年；追肥后的N2O排放峰數(shù)值和2017年接近。不施氮的處理由于施肥后統(tǒng)一進(jìn)行灌溉的緣故，在播種灌溉后也出現(xiàn)了較小的排放峰。在施氮條件下，基肥后和追肥后eCO2處理的N2O排放峰分別比aCO2處理高46.2%和27.5%，在LN情況下，eCO2和aCO2處理的排放量接近。

圖3 2018年玉米地N2O排放通量

由于2018年非施肥期的灌溉和降雨次數(shù)多于2017年，而2017年的灌溉和降雨事件與施肥時間有重合，因此，2018年各階段分區(qū)按照施肥、灌溉和降雨事件結(jié)合生育期劃分為5個階段（表2），數(shù)據(jù)顯示，除了基肥和追肥后的N2O排放量占比較高，分別占生育期總排放量的27.7%～40.4%和12.7%～24.4%；其次是時期較長的苗期和抽雄期，這2個時期的N2O累積排放量分別占到生育期總排放量的15.9%～23.9%和18.0%～23.8%；灌漿-成熟期持續(xù)時間也較長，但后期作物生長和氮素吸收量較高，沒有再行追肥，N2O排放占比較低（9.9%～13.3%）。不同時期，LN和HN水平下，eCO2階段累積排放量比aCO2分別高13.3%～112.6%和38.8%～80.7%。

表2 2018年玉米地N2O累積排放量及排放系數(shù)

N2O累積排放總量在LN和HN條件下，eCO2處理比aCO2處理分別顯著提高45.5%和51.5%。估算的N2O排放系數(shù)在LN和HN下分別為0.18%～0.30%和0.35%～0.58%，低氮下的排放系數(shù)低于高氮水平。

2.2 大氣CO2濃度升高對土壤CO2排放的影響

由圖4可見，2017年玉米季土壤CO2排放通量在C 67.6～336.8 mg·m-2·h-1之間波動，aCO2和eCO2下生育期內(nèi)土壤CO2平均排放通量分別為C（189.6±10.3）和（221.2±11.1）mg·m-2·h-1，eCO2下的平均排放通量比aCO2下高16.6%。總體來看，各處理間的季節(jié)動態(tài)趨勢基本一致，主要受溫度、水分及玉米生長時期的綜合影響?；屎笙喈?dāng)長一段時間內(nèi)地面覆蓋較少、氣溫較高，因此排放通量較高；之后到拔節(jié)-喇叭口期，屬玉米營養(yǎng)生長的旺盛期，根際碳沉積較為活躍，CO2排放通量較高。2個處理各時期土壤CO2平均排放通量依次為喇叭口期［C（72.6±3.2）mg·m-2·h-1］＞苗期［C（57.1±2.8）mg·m-2·h-1］＞拔節(jié)期［C（48.9±2.4）mg·m-2·h-1］＞抽雄-成熟期［C（36.3±1.8）mg·m-2·h-1］。

圖4 2017年玉米地土壤CO2排放通量

由表3可 知，與aCO2處理相比，eCO2處理在夏玉米生育期的土壤CO2累積排放量顯著增加16.7%。其中eCO2處理在拔節(jié)期和喇叭口期的累積排放量較aCO2處理增加幅度較高，分別為19.5%和22.7%；苗期和后期（抽雄-成熟期）eCO2處理的累積排放量增加幅度略低，分別為14.5%和14.2%。后期（抽雄-成熟期）持續(xù)時長較長，其排放量占生育期內(nèi)總排放量的比例較高（39.4%～40.3%）。

表3 2017年玉米地土壤CO2累積排放量

由圖5可知，2018年夏玉米生育期土壤CO2排放通量在C 66.8～336.9 mg·m-2·h-1之間，與2017年的范圍大致相同。各處理平均排放通量在C 521.4～737.6 mg·m-2·h-1之間，排放通量數(shù)值大小依次為eCO2-HN ＞ aCO2-HN ＞ eCO2-LN ＞ aCO2-LN。土壤CO2排放峰主要出現(xiàn)在苗期及拔節(jié)期后，HN水平下，eCO2處理在這2個時期的排放峰分別為（335.6±15.1）和（336.8±14.7）mg·m-2·h-1。就生育期平均排放通量而言，LN和HN下，eCO2與aCO2處理的土壤CO2排放通量增幅接近，分別增加了20.6%和19.2%。

圖5 2018年玉米地土壤CO2排放通量

由表4可知，eCO2和氮肥施用均可以增加土壤CO2的排放量，其中eCO2和高量氮肥配合對CO2排放的促進(jìn)作用更大：eCO2處理的土壤CO2累積排放量相較于aCO2提高了17.4%～17.6%；HN與LN相比，土壤CO2累積排放量提高了17.0%～17.3%。HN的土壤CO2累積排放量比LN提高17%（eCO2）和17.3%（aCO2）。其中，播種-出苗和抽雄期這2個階段的累積排放量增幅較高，eCO2處理比aCO2處理的CO2累積排放量在這2個階段分別平均增加了29.7%和21.1%，其余各時期的平均增幅在13.0%～17.5%之間。

表4 2018年玉米地CO2累積排放量及排放系數(shù)

2.3 大氣CO2濃度升高對土壤硝化潛勢和反硝化潛勢的影響

為了初步探討大氣CO2濃度升高影響土壤N2O排放的機(jī)理，本研究測定了關(guān)鍵生育期（喇叭口期）的土壤硝化潛勢和反硝化潛勢，以了解大氣CO2濃度升高對土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的影響。

土壤硝化潛勢能反映土壤中氮素的硝化作用能力，以銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的能力所表示，由氨氮逐步轉(zhuǎn)化為羥氨、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，期間伴隨有N2O排放并產(chǎn)生一定的氮損失。測定數(shù)據(jù)顯示（圖6a），aCO2處理的硝化潛勢為NO3--N（121.8±6.1）μg·kg-1·h-1，而eCO2處理的硝化潛勢比aCO2高36.4%。

反硝化作用是土壤中硝態(tài)氮逐步還原為亞硝態(tài)氮、NO、N2O及N2的過程，其間伴隨N2O的排放及無機(jī)氮的損失。圖6b顯示，aCO2和eCO2的反硝化潛勢分別為（20.5±1.0）和（32.5±1.5）μg·g-1·h-1，eCO2處理相比aCO2處理顯著提高了59.0%。

圖6 不同處理的土壤硝化潛勢和反硝化潛勢

可以看出，在eCO2條件下，土壤中氮素轉(zhuǎn)化的硝化潛勢和反硝化潛勢都得到了增強(qiáng)，其數(shù)值分別比aCO2處理提高了36.4%和59.0%，對反硝化潛勢的促進(jìn)作用更明顯一些。

3 討論

土壤中N2O及CO2排放受多種因素的綜合影響，N2O主要受施肥、灌溉和降雨的影響，排放峰出現(xiàn)在施肥和降雨后即為最明顯的表現(xiàn)；而CO2排放主要受氣溫、土壤水分及作物生育期的影響，不同生育期由于植物生長的影響及其根際碳沉積（如根系分泌物、更新死亡的根系、凋落的根尖細(xì)胞等）的不同而表現(xiàn)的不盡相同。

本研究中，eCO2處理的土壤N2O排放在2017和2018年都顯著高于aCO2處理（圖2和4），特別是在基肥后和追肥后以及緊接著追肥后的灌溉和降雨期（表3和5），即營養(yǎng)生長期間的增幅較高。這與文獻(xiàn)中的報道一致，即在玉米營養(yǎng)生長階段的N2O累積排放量在整個生育期的占比高于生殖生長期的占比，這主要由于前期玉米根系沒有完全建成、吸收的氮素較少，施肥后硝化作用及反硝化作用產(chǎn)生的氮損失及N2O排放較高［25］。

本研究中，2017和2018年的eCO2處理相比aCO2處理在玉米生育期的土壤N2O累積排放量排放分別增加了65.9%和48.5%（LN和HN下分別增加了45.5%和51.5%），這與其它報道一致，不過本研究中eCO2下的N2O增幅低于大部分其它FACE農(nóng)田的報道，可能是因為本研究FACE試驗?zāi)攴莩掷m(xù)較長（已是持續(xù)高CO2供應(yīng)的第10和11年），eCO2效應(yīng)隨時間的延續(xù)有降低的趨勢，植物對高CO2具有了適應(yīng)性，各項反應(yīng)（其中包括根際碳沉積及N2O排放）會隨之減弱的緣故［26-27］。例如，澳大利亞小麥FACE第3年試驗表明，eCO2使小麥地N2O排放量增加了108%，而且在營養(yǎng)生長期的增加幅度高于生殖生長期［8］；本FACE試驗早年的eCO2下N2O排放量相比aCO2下的排放量增加率［11］也相應(yīng)高于本文測定的結(jié)果。

2017年玉米生育期總降水量442.6 mm，發(fā)生降水事件約12次，但單次降水量僅有3次高于50 mm，還 有3次 介 于20～430 mm之 間。2018年夏玉米生育期總降水量349.6 mm，共發(fā)生降水21次，其中80%的降水量在5 mm以上，大部分降水事件的單次降水量在8 mm以上，有5次降水量在20～35 mm之間；因此整體上來講，2018年土壤水分狀況較好，水分含量大于25%（v/v）的時期較多（圖1）。此外，2018年追肥后N2O排放峰出現(xiàn)略晚的原因主要是由于2018年追肥和灌溉時間比2017年遲，數(shù)據(jù)也體現(xiàn)出施肥和灌溉是引起N2O排放的主要因素，這與文獻(xiàn)報道相一致［28-29］。

eCO2處理的土壤CO2排放量也同樣顯示增加，這與Lam等［8］的研究一致，其報道顯示在550 μmol·mol-1的大氣CO2濃度下，CO2排放量增加了29%，尤其是在營養(yǎng)生長階段更為明顯。這可能是由于大氣CO2濃度的升高，植物營養(yǎng)生長盛期向根系輸送的光合產(chǎn)物增加，包括根系分泌物及根系更新后的死亡殘體等［10］，這部分增加的根際碳沉積物被土壤微生物分解［30］，一部分以CO2的形式釋放到大氣中［31］，從而導(dǎo)致土壤CO2的排放量增加。低氮可以減少CO2排放，特別是CO2的累積排放量降低，可能是低氮下光合產(chǎn)物及根際碳沉積較低所致［25，32-33］。

本研究測定數(shù)據(jù)顯示，eCO2處理的土壤硝化潛勢和反硝化潛勢都比aCO2處理明顯提升、且反硝化潛勢的增加幅度更高（59.0% vs 36.4%），可能來自反硝化及硝化作用的N2O排放都對土壤N2O排放有貢獻(xiàn)，這與Ambus等［34］和Carnol等［35］的研究結(jié)果相似?？赡苁且驗榇髿釩O2濃度的升高從而促進(jìn)了玉米的光合作用［21］，使土壤中的活性有機(jī)碳增加［13，15］，進(jìn)而極大地促進(jìn)了反硝化潛勢。此外，由于eCO2下土壤呼吸增加，土壤中氧分壓可能降低，來自硝化作用中硝化細(xì)菌的反硝化作用步驟的N2O貢獻(xiàn)也有可能大幅增加［6］，這些過程都對eCO2下土壤N2O排放增加有貢獻(xiàn)，具體各過程及步驟對eCO2下N2O排放貢獻(xiàn)的份額，有待之后進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

4 結(jié)論

本研究通過2年的FACE平臺夏玉米試驗，得到如下主要結(jié)果：

（1）大氣CO2濃度升高條件下，夏玉米生育期土壤N2O累積排放量增加了45.5%～65.9%，高氮條件下的幅度高于低氮條件。夏玉米季，土壤溫度不是限制因子，N2O排放主要受施肥、降水和灌溉的共同影響。

（2）大氣CO2濃度升高條件下，夏玉米生育期土壤CO2的累積排放量增加了16.7%～20.6%。其中在營養(yǎng)生長期的增加幅度較高，土壤CO2排放主要受土壤溫度、土壤水分和玉米生育階段的共同影響。

（3）大氣CO2濃度升高條件下土壤硝化潛勢和反硝化潛勢分別提高了36.4%和59.0%，對N2O排放增加有貢獻(xiàn)。