CO2濃度緩增和氮肥減施對冬小麥田N2O排放的影響

摘要為探明麥田氧化亞氮（N2O）排放對二氧化碳（CO2）濃度緩增與氮肥減施的響應，選用揚麥22為試驗材料，基于開頂式氣室（OTC）構成的CO2濃度自動控制平臺開展田間試驗.在環境大氣CO2濃度（AC，對照）的基礎上設置CO2濃度緩增處理（EC，自2016—2017年冬小麥生長季起在AC基礎上逐年增加40 μmol·mol-1，至2018—2019年生長季CO2濃度比AC高120 μmol·mol-1）;在常規施氮量（N1，25 g·m-2）基礎上設置氮肥減施處理（N2，15 g·m-2）.使用靜態暗箱-氣相色譜法進行冬小麥田N2O的氣樣采集與通量測定.結果表明：冬小麥生育期內，不同CO2濃度與氮肥水平下冬小麥田N2O通量生長季變化較為一致，整體均呈現波動下降特征;AC處理下，與N1處理相比，N2處理使得N2O累積排放量顯著降低45.2%（P=0.004），EC處理下，不同氮肥水平對冬小麥田N2O排放無顯著影響;在冬小麥孕穗至乳熟期時，氮肥減施處理對麥田N2O排放的影響較為明顯;CO2濃度緩增與氮肥減施共同作用時，施氮量是影響麥田N2O排放量的主要因素.

關鍵詞冬小麥;CO2濃度;氮肥;N2O排放

中圖分類號S181;S512.11

文獻標志碼A

0 引言

近幾十年大氣中二氧化碳（CO2）濃度持續增加，預計全球大氣CO2濃度在21世紀末期將增加到800 μmol·mol-1 以上[1].受CO2等溫室氣體排放影響，全球氣溫持續升高，而氣候變暖會對人類社會可持續發展和自然生態系統穩定產生重要影響.同為重要溫室氣體的氧化亞氮（N2O），其在大氣環境中壽命較長，在百年時間尺度上對氣候變暖的貢獻率是CO2的298倍[2].研究表明，20世紀以來N2O濃度的增加趨勢很大程度是由于全球農業的擴張和集約化所驅動的，農業活動中N2O排放量占全球的60%[3].我國是農業大國，農業生產值占國內生產總值的12.5%[4].小麥是我國最重要的禾谷類作物之一，麥田生態系統作為農業活動的重要組成部分，對全球N2O排放有著顯著貢獻.因此，如何在保證小麥產量的情況下控制溫室氣體排放對我國應對氣候變暖具有重要意義.

近年來，學者們針對大氣CO2濃度增加條件下的農田生態系統N2O排放開展了許多研究與討論.Yao等[5]基于FACE（Free-Air CO2 Enrichment）平臺發現在氮肥充足條件下大氣CO2濃度增加會顯著抑制稻田N2O排放，并發現這種抑制可能與CO2濃度增加促進作物生長的同時會向下傳輸O2，促進了土壤對氮素的吸收有關.而王從等[6]通過FACE平臺的試驗發現大氣CO2增加能提高土壤的硝化與反硝化效率，進而顯著增加小麥季N2O排放.也有研究表明，CO2濃度升高對農田生態系統N2O排放影響較小[7].另外，作為植物生長過程中不可替代的一種營養元素，氮的使用對作物產量和農田溫室氣體排放的影響也十分重要.據統計，氮肥使全球糧食產量提升了約45%[8]，同時氮肥施用會提高土壤肥力，并且還會誘導硝化作用與反硝化作用[9-10]，進而導致N2O排放增加[11-13].研究表明，施氮量的增加會改變作物根系結構使作物從土壤中吸收更多的氨態氮與硝態氮，而土壤氨態氮與硝態氮含量減少直接影響N2O產生的微生物過程[14].Wang等[15]和Han等[16]的試驗結果同樣表明氮肥減施處理可以有效降低農田溫室氣體的排放.氮肥施用過多對環境造成的損失也是多方面的，如土壤酸化、地下水污染和溫室氣體排放[17-18].在小麥生產過程中減少氮肥投入對緩解環境問題至關重要.然而在麥田生態系統中，通過減少氮肥投入來提高氮肥利用率是一個具有挑戰性的問題，會導致小麥產量的降低[19].氮肥作物作為農田最直接的氮素輸入源，在提高氮肥利用率和降低環境風險的同時獲得目標小麥產量和效益至關重要.

綜上，目前關于農田N2O排放的研究大多基于單因素（CO2濃度、氮肥水平等）條件，對兩者之間的交互作用討論較少，且關于CO2濃度增加對N2O排放影響的結論并不一致.同時，實際大氣CO2濃度是緩慢增加的，而非短期內突然增加到某一濃度后保持不變.因此，本研究基于開頂式氣室（Open-Top Chambers，OTC）組成的CO2濃度自動控制平臺開展原位觀測試驗，分析CO2濃度緩增與氮肥減施及其交互處理對冬小麥N2O排放的影響，為氣候變暖背景下農田氮肥管理與溫室氣體減排提供一定的參考依據.

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016—2019年小麥生長季在南京信息工程大學農業氣象生態試驗站內開展（32.21°N，118.71°E;海拔高度為18.0 m），試驗田土壤質地為壤質黏土，處于亞熱帶季風氣候區.該試驗地全年日照數1 900 h以上，平均溫度約15.6 ℃，平均年降水量約1 100 mm，相對濕度76.0%.

1.2 試驗設計

試驗依托2016年建成并運行的CO2濃度自動控制平臺，該控制平臺包括開頂式氣室（OTC）、溫濕度自動檢測記錄儀、CO2濃度傳感器以及一套CO2濃度控制系統.大致工作流程為：OTC內CO2濃度傳感器每2 s監測實時CO2濃度并反饋給控制系統，如果低于預設濃度，控制系統打開閥門向氣室內補充CO2氣體，達到預設濃度則會關閉閥門停供CO2氣體.詳細情況可參考文獻[20].

試驗將CO2濃度緩增作為主處理，設置2個CO2濃度處理：環境大氣CO2濃度（AC，對照）和CO2緩增處理（EC，CO2濃度自2016—2017年冬小麥生長季起在AC基礎上逐年增加40 μmol·mol-1，至2018—2019年生長季CO2濃度比AC高120 μmol·mol-1）.副處理為氮肥減施，設置2個氮肥處理：常規施氮量（N1，25 g·m-2）和氮肥減施處理（N2，15 g·m-2）.組合處理為：ACN1、ECN1、ACN2、ECN2，每種處理4次重復.CO2濃度緩增處理從冬小麥返青期持續到成熟期.

本試驗選用當地廣泛種植的小麥品種揚麥22為試驗材料，表1為其主要生育期和肥料管理.基肥選用復合肥（N質量分數15.0%），返青肥和拔節孕穗肥選用尿素（N質量分數46.7%），分基肥、返青肥、拔節-孕穗肥3次施用（施用比為50.0%∶35.0%∶15.0%）.N1和N2的基肥、返青肥、拔節-孕穗肥施用量分別為83.3、18.7、8.0 g·m-2和50.0、11.2、4.8 g·m-2.

1.3 測定項目及方法

1.3.1 氣樣采集與N2O通量測定

測定2018—2019年冬小麥生長季的N2O通量.由于CO2濃度緩增處理從越冬后冬小麥生長活躍的返青期開始，所以氣體采樣也從返青期開始，持續到成熟期.提前在預設采樣區域安裝底座，插入深度為10 cm的土壤中，采樣底座為泥塑材料的圓形盆缽（高10 cm，內徑20 cm），上沿有內陷的凹槽（深約2 cm）.采用靜態暗箱-氣相色譜法測定N2O通量，靜態暗箱為聚氯乙烯材料（PVC）的圓筒（高1 m，內徑22 cm），頂端留有2個圓孔用于安裝放置溫度計與抽氣管道.圓筒四周（除底部外）均用隔熱鋁箔和不透光膠帶覆蓋，避免內部溫度波動，采樣時在凹槽中注入適量水以保證采樣系統密封.

氣體采樣時間選在08：00—11：30，此時土壤溫度接近日均值.在采樣箱密封的第0、10、20 min時各抽取箱內氣體一次，同時對箱體內部溫度進行記錄，每個氣室連續采集3個氣體樣本.使用Agilent-7890B型號氣相色譜儀測定采集的氣體樣本，采用線性法[21]將每組氣樣中的N2O混合比與間隔時間（0、10、20 min）線性回歸得到N2O的排放速率.

N2O累積排放量計算公式如下：

式中：E為小麥季N2O的累積排放量（mg·m-2）;常數24為時間換算系數（天數轉換為小時）;t為采樣次數;n為小麥季內總采樣次數;Ft、Ft-1分別為第t、t-1次采樣時N2O排放量（mg·m-2·h-1）;Dt-Dt-1為相鄰兩次采樣之間的間隔天數（d）.

1.3.2 環境因子的測定

采集氣樣時，使用土壤水分溫度測量儀（Hydra Probe Ⅱ，Stevens Water Monitoring Systems，USA）記錄土壤含水量與溫度.

1.4 數據統計

數據預處理使用Microsoft Excel軟件;方差分析使用SPSS 27.0（SPSS Inc.，Chicago，USA）軟件對不同處理進行顯著性分析（LSD）;制圖使用Origin 2022（OriginLab Corp.，Wellesley Hills，USA）軟件.

2 結果與分析

2.1 土壤含水量與溫度的動態變化

冬小麥生長季試驗點5 cm深土壤含水量與溫度的變化特征如圖1所示.土壤含水量表現出明顯的季節性變化，最大出現在2月25日，達到38.0%;而最小值則在5月13日，僅為12.9%.整體上，土壤含水量呈現逐漸減少的趨勢.此外，由于受降水影響，3月底土壤含水量急劇增加.同時在生長季內，土壤溫度也總體呈現上升趨勢，從2月25日最低溫度（7.3 ℃）到5月13日最高溫度（26.8 ℃），土壤溫度經歷了明顯的波動增加，這表明季節的變化對土壤溫度有著重要影響.

2.2 CO2緩增對麥田N2O排放的影響

2.2.1 N2O通量生長季變化

小麥生長季內麥田N2O通量在不同處理下變化趨勢較為一致，呈現波動下降趨勢，其中，孕穗期4種組合處理下均出現N2O排放峰（圖2）.N1處理下，AC存在2個N2O排放峰，分別出現在孕穗期（402.4±66.8 μg·m-2·h-1）與灌漿期（122.7±16.5 μg·m-2·h-1），EC同樣在孕穗期（653.4±31.2 μg·m-2·h-1）與灌漿期（107.1±56.2 μg·m-2·h-1）存在排放峰.在整個小麥生育期內，AC的N2O通量一般高于EC，生長前期差異較為明顯，生長中后期差異較小.N2處理下，AC僅孕穗期有較為明顯的峰值（266.9±148.4 μg·m-2·h-1），EC處理在返青期（86.5±63.5 μg·m-2·h-1）與孕穗期（314.1±137.9 μg·m-2·h-1）分別存在峰值.小麥生長前期EC的N2O通量始終高于AC，生長中后期AC、EC的N2O通量在一定范圍內波動，總體相差不大.

2.2.2 N2O累積排放量

由圖3可知：N1處理下，AC和EC全生育期累積排放量分別為131.1±10.5和126.5±18.5 g·m-2;N2處理下，AC和EC的全生育期累積排放量分別為71.8±23.6和103.7±2.0 g·m-2.其中，與AC處理相比，EC處理使得N1和N2處理下的N2O累積排放量分別降低了3.5%（P=0.677）和44.4%（P=0.053）.

2.3 不同施氮量對麥田N2O通量的影響

2.3.1 N2O通量生長季變化

圖4為同一CO2濃度不同氮肥處理下麥田N2O通量生長季變化.4種組合處理下的麥田N2O通量變化特征一致，基本在0～100 μg·m-2·h-1區間波動，孕穗期出現顯著峰值.AC處理下，小麥出苗至抽穗期N1的通量均明顯高于N2，揚花期至成熟期2個處理下N2O通量相差不大，但在灌漿期N1的通量出現峰值（122.70±16.49 μg·m-2·h-1）.EC處理下，大部分時期N1、N2的通量差異較小.

2.3.2 N2O累積排放量

同一CO2濃度不同氮肥處理下麥田N2O累積排放變化如圖5所示.不同CO2處理下，氮肥減施均在一定程度上降低了N2O排放.其中，在AC和EC處理下，與N1處理相比，N2處理分別使得N2O累積排放量降低了45.2%（P=0.004）和18.0%（P=0.083）.

2.4 CO2濃度緩增和氮肥減施對冬小麥田N2O累積排放量的影響

如表2所示，不同處理對冬小麥田N2O累積排放量的影響因生育期而異.在拔節期，與ACN1相比，ACN2處理的N2O累積排放量降低了39.3%（P=0.047），與ECN2相比，降低了31.0%（P=0.038）.在孕穗期，與ACN1相比，ACN2處理的N2O累積排放量降低了47.4%（P=0.022）.在灌漿期，與ECN1相比，ECN2處理的N2O累積排放量降低了38.1%（P=0.050）.在乳熟期，與ACN1相比，ACN2處理的N2O累積排放量降低了65.6%（P=0.036）;與ECN1相比，ECN2降低了53.6%（P=0.022）.由表2可知，氮肥減施對N2O累計排放量影響程度高于CO2濃度緩增對其影響，并且雙因素之間的交互作用并不明顯.

2.5 N2O通量與土壤溫度、土壤含水量的關系

2.5.1 N2O通量與土壤溫度的關系

如圖6所示，麥田N2O通量高值主要出現在土壤溫度10～20 ℃的區間.然而，在4種組合處理下N2O通量與土壤溫度之間的關系并未達到顯著水平.

2.5.2 N2O通量與土壤含水量的關系

通過比較CO2緩增與氮肥減施下土壤含水量與N2O通量關系（圖7），在土壤含水量為20%～30%的范圍內，N2O通量較高.特別是ACN2處理下，N2O通量與土壤含水量之間的關系達到顯著水平（P=0.048）.

3 討論

3.1 CO2緩增對冬小麥田N2O排放量的影響

本研究結果表明，CO2濃度緩增并沒有改變N2O的季節變化規律，整體呈現波動下降趨勢.由于前一天施用尿素且土壤含水量較大，肥料施于土壤表面為反硝化細菌提供大量氮源，促進硝化作用，孕穗期AC和EC試驗處理均出現麥田N2O排放量急劇增加的情況[22-23].

在常規施氮量下，麥田N2O通量多數時期都表現為ACgt;EC趨勢，而N2下通量則呈現ECgt;AC趨勢.可以推測：N1處理時，CO2濃度緩增可以在一定程度上減少麥田N2O通量;N2處理時，CO2濃度緩增可以一定程度地增加麥田N2O通量.于海洋等[24]曾用Meta分析方法發現CO2濃度增加會降低反硝化酶活性從而降低N2O通量，這與本研究中N1處理的結果一致.N2處理下，CO2濃度緩增反而使更多的碳進入土壤之中，為反硝化細菌提供了足夠的碳源和能量，進而促進了反硝化細菌的活性，導致麥田N2O通量增加[25].另一種說法認為：有機碳能加強微生物生命活動，土壤氧氣含量降低導致硝化作用減弱、反硝化作用增強;氮肥較少時，一定量的CO2增加反而抑制了微生物生命活動，從而促進了N2O排放.即常規氮肥水平CO2濃度適量提升能夠提高土壤氮素利用率，減少N2O產物，從而減少麥田N2O通量[26]，低氮條件下麥田N2O通量會隨CO2緩增而增加.也有研究表示，決定反硝化強弱的是土壤中的有效碳含量而非總碳量[27]，可能過高的CO2濃度反而會使土壤有效碳含量降低，所以低氮條件下CO2的增加使N2O通量增加，具體原因還需要有針對性地開展更細致的研究來探明其中的關系與影響機制.

3.2 氮肥減施對麥田N2O排放量的影響

氮是小麥生長發育必不可少的元素，施氮量與麥田N2O排放密切相關.在本研究中，同一CO2濃度處理下麥田N2O通量數據顯示不同施氮量下N2O排放規律較為一致.在相同CO2處理下，N2處理一定程度地降低了麥田N2O通量與累積排放量.氮肥減施處理下由于小麥自身生長消耗會降低土壤中的硝化與反硝化作用，使得麥田N2O通量顯著降低[28].有研究表明，最大施氮量處理下N2O通量處于峰值，并且排放量也會隨著施氮量增加呈指數增長趨勢[29].馬興華等[30]指出，增加施氮量會增加土壤中氨態氮的濃度，周慧等[31]也認為土壤中銨態氮濃度與麥田N2O排放量存在極顯著的正相關關系，這些結論都與本文試驗結果一致.在農田生態系統中，N2O的排放不僅與土壤氮含量有關，作物對氮肥的吸收率也會影響其排放.當施氮量恰好滿足作物所需量，土壤中大部分的氮肥都會被作物吸收，而如果施氮量過多，多余的氮肥將會作為N2O的底物，進而排放量增加.從冬小麥整個生育期來看，氮肥減施處理對降低麥田N2O排放量是有效的.其中，小麥N2O累積排放量在拔節、孕穗、灌漿和乳熟期受氮肥影響明顯，原因是這些時期冬小麥對氮肥吸收率較大，對氮肥減施處理較其他生育期敏感.

3.3 CO2濃度緩增和氮肥減施交互作用對麥田N2O排放量的影響

本次試驗結果顯示，CO2緩增處理對麥田N2O排放影響未達到顯著水平，氮肥減施處理對麥田N2O排放影響在返青期、拔節期與揚花期達到顯著水平，兩種處理對N2O排放影響的交互作用在返青期達到顯著水平.研究還表明，兩種處理對麥田N2O排放影響中施氮量為主要影響因素.黨慧慧等[32]通過試驗發現，在CO2增加與氮肥減施共同處理下，氮肥因素對小麥的生長過程影響更大，并且推測氮肥水平是通過影響作物光合作用過程進而影響其生長發育.在本次冬小麥生長季期間，氮肥減施處理有效地減少了麥田N2O排放，生長季中期小麥生長迅速并對外界環境變化較為敏感，氮肥影響明顯.CO2緩增與氮肥減施的交互作用在影響N2O排放量方面和單一CO2緩增效果類似，均未達到顯著水平，可能CO2緩增會降低氮肥對N2O排放量的促進作用.Bloom等[33]研究發現增加環境CO2濃度會改變作物對氮素吸收的形態偏好，即CO2濃度增加會導致C3作物對硝態氮的吸收能力下降，這可能是導致CO2緩增反而氮肥作用效果降低的原因.也有相關研究推測是復雜氮化合物合成不足或其他多因素影響（病蟲害、高溫）導致的[32，34].因此，在CO2緩增和氮肥減施的雙因素作用下麥田N2O的變化沒達到顯著水平.另外，CO2緩增對N2O的作用也可能受試驗品種對氮肥敏感度影響[35]，李俊志等[36]研究表明氮肥水平對不同小麥品種的產量與品質作用效果有所差異，所以需要設置更加細致的氮肥梯度來驗證緩增條件下排放變化.

4 結論

冬小麥生育期內，不同CO2濃度與氮肥處理下冬小麥田N2O通量變化趨勢較為一致，整體均呈現波動下降特征.CO2緩增處理在冬小麥生長季中對麥田N2O排放的影響均不顯著.氮肥減施處理能夠有效減少麥田N2O排放，大氣CO2濃度下氮肥減施降低了45.2%（P=0.004）的N2O累積排放量.在冬小麥孕穗至乳熟期時，氮肥減施處理對麥田N2O排放的影響較為明顯.本文亦表明CO2濃度緩增與氮肥減施共同作用時，施氮量是影響麥田N2O排放量的主要因素.

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Effects of gradually elevated CO2 concentration and reduced nitrogen

application on N2O emission in winter wheat field

Abstract To investigate the response of N2O emission in wheat field to the gradually elevated CO2 concentration and the reduction of nitrogen fertilizer application，we conducted field experiments using Yangmai 22 as the experimental material.The experiments were carried out on a field equipped with an automatic CO2 concentration control platform formed by Open-Top Chambers （OTC）.Under the condition of ambient atmospheric CO2 concentration （AC），a treatment of gradually elevated CO2 concentration （EC） was set up，which increased by 40 μmol·mol-1 annually from the winter wheat growing season of 2016-2017，reaching 120 μmol·mol-1 higher than AC in the wheat growing season of 2018-2019.The nitrogen fertilizer treatments were set as a conventional level （N1，25 g·m-2） and a reduced level （N2，15 g·m-2）.The N2O fluxes were measured by a static opaque chamber-gas chromatograph method.The results indicated that throughout the winter wheat growing period，the changes of N2O emission from winter wheat field were relatively consistent for all treatments with an overall fluctuating downward trend.No significant effect of EC treatment on N2O emission was observed during the winter wheat growing seasons.While the N2 treatment significantly reduced the cumulative N2O emission by 45.2% compared with the N1 treatment （P=0.004） under the AC，which was not significant under EC treatment.The impact of nitrogen reduction on N2O emission was evident during winter wheat stage from booting to milking.Under the combined effect of gradually elevated CO2 concentration and reduced nitrogen fertilizer application，the latter was the main factor affecting N2O emission in winter wheat field.

Key words winter wheat;CO2 concentration;nitrogen fertilizer;N2O emission