施氮对陇中黄土高原旱作麦田N₂O和CO₂排放的影响

Effects of different nitrogen application amounts on N₂O and CO₂ emissions from dryland wheat fields in the Loess Plateau of central Gansu

摘要

目的 探究陇中黄土高原半干旱区旱作麦田土壤N₂O和CO₂排放对不同施氮量的响应，阐明旱作麦田N₂O和CO₂排放特征及其主要影响因素，以期为该地区旱作麦田温室气体减排和氮肥管理提供依据。 方法 以陇中黄土高原旱作麦田为研究对象，采用大田定位试验和室内指标测定相结合的方法，布设CK（不施肥）、LN（低量氮肥）、MN（中量氮肥）和HN（高量氮肥）共4个施氮梯度，分析不同施氮量对旱作麦田土壤硝态氮（NO₃^--N）、铵态氮（NH₄⁺-N）、有机碳（SOC）、土壤温度、含水量及土壤N₂O和CO₂排放的影响。 结果 0~10 cm土层土壤中，HN、MN、LN较CK处理，NO₃^--N平均含量增幅为21.55%、26.06%和34.11%；NH₄⁺-N平均含量增幅为21.77%、31.42%和39.20%；SOC平均含量增幅为20.43%、25.80%和35.9%。HN、MN、LN较CK处理，N₂O累计排放量增幅为78.63%、130.47%、217.51%；CO₂累计排放量增幅为5.73%、10.63%、21.75%。皮尔逊相关关系表明，不同施氮处理中，麦田0~10 cm土层土壤中NO₃^--N、NH₄⁺-N和SOC平均含量与N₂O、CO₂累计排放量呈极显著正相关关系（P<0.001），土壤温度与N₂O和CO₂累计排放量呈显著正相关关系（P<0.05），土壤含水量与N₂O累计排放量呈显著的负相关关系（P<0.05），与CO₂累计排放量相关关系不显著。 结论 施氮可以增加黄土高原旱作麦田表层土壤中NO₃^--N、NH₄⁺-N和SOC含量，进而增加了N₂O和CO₂累计排放量，是该地区麦田N₂O和CO₂排放的主要驱动因子，表层土温和土壤含水量也一定程度上影响着N₂O和CO₂的排放。

Abstract

Objective This study aimed to investigate the response of soil N₂O and CO₂ emissions to different nitrogen application rates in dryland wheat fields in the semi-arid region of the Loess Plateau of central Gansu Province.The objective was to understand the emission characteristics and main influencing factors of N₂O and CO₂ emissions in dryland wheat fields，providing basis for greenhouse gas emission reduction and nitrogen fertilizer management in dryland wheat fields in this region. Method Field positioning tests and laboratory measurements were used to establish four nitrogen application gradients: CK (no fertilization)，LN (low nitrogen fertilizer)，MN (medium nitrogen fertilizer)，and HN (high nitrogen fertilizer).The effects of these application rates on nitrate nitrogen (NO₃^--N)，ammonium nitrogen (NH₄⁺-N)，organic carbon (SOC)，soil temperature，water content，and N₂O and CO₂ emissions from the dryland wheat were analyzed. Result The results showed that in the 0~10 cm soil layer，the average content of NO₃^--N increased by 21.55%，26.06% and 34.11% in HN，MN and LN treatment compared to the CK treatment.The average content of NH₄⁺-N increased by 21.77%，31.42% and 39.20%，while the average SOC content increased by 20.43%，25.80% and 35.9%.Cumulative N₂O emissions increased by 78.63%，130.47% and 217.51%，and cumulative CO₂ emissions increased by 5.73%，10.63% and 21.75%.Pearson correlation analysis revealed positive correlations between the average contents of NO₃^--N，NH₄⁺-N，SOC，and cumulative emissions of N₂O and CO₂ under different nitrogen application treatments (P<0.001).Soil temperature exhibited a significant positive correlation with cumulative emissions of N₂O and CO₂ (P<0.05)，while soil moisture content showed a significant negative correlation with cumulative emissions of N₂O (P<0.05)，but no significant correlation with cumulative emissions of CO₂. Conclusion Nitrogen addition increased N₂O and CO₂ emissions by increasing the contents of NO₃^--N，NH₄⁺-N and SOC in the surface soil of dryland wheat fields in the Loess Plateau，representing the primary driving factor for emissions in the region.Soil temperature and moisture content also influenced emissions to some extent.

Graphical abstract

关键词

旱作麦田 / 施氮量 / N₂O / CO₂ / 排放通量 / 陇中黄土高原

Key words

dry-cropped wheat fields / nitrogen rate / N₂O / CO₂ / emission fluxes / the Loess Plateau of central Gansu Province

Author summay

何锦煜，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

当今世界由人类工农业活动引起的温室效应已成为导致全球气候变暖的主要因素^［1］，据大气温室气体水平和气候敏感性的模型预测，全球平均气温将继续以每10 a （0.2±0.1） ℃的速度上升^［2］。京都议定书规定的CO₂、CH₄、N₂O、HFCs、PFCs、SF₆ 6种主要温室气体中^［3］，农田土壤是N₂O和CO₂重要的排放源。据统计，大气中每年有80%~90%的N₂O和5%~20%的CO₂来源于农田土壤^［4］。其中，土壤氮组分又是影响N₂O和CO₂排放的关键因素，氮通过矿化作用、硝化作用和反硝化作用在土壤中进行转化、固持和释放，其含量变化直接影响着全球碳、氮平衡，进而影响全球气候变化^［5］。

据研究，农田生态系统中施入土壤的氮肥只有约不到一半被作物携出^［6］，剩余的一部分残留在土壤中，而另一部分则以氮氧化合物气体等形式损失^［7-8］。过量的氮肥施入既不会促进作物的生长和产量的提升，又降低了生态、经济效益^［9］。不合理的施氮，通过加剧土壤微生物的硝化和反硝化作用，增大气态氮（N₂O）的排放；也通过促进作物根系的生长及根系分泌物的增多，进而促进着微生物、土壤动物和相关酶活性的变化，加强了SOC的分解释放，从而增强土壤呼吸，导致土壤CO₂排放量的提升^［10］。陇中黄土高原地处中国中北部，干旱和水土流失制约着该地区的土壤生产力^［11］。然而，在现阶段农业生产过程，为解决粮食供需矛盾，当地农民不得不投入更多的氮肥来增加作物产量，这更造成黄土高原农田土壤贫瘠，土地承载力低下，温室气体排放增加等生态问题。施氮量会增加农田土壤N₂O、CO₂的排放，但是以往研究^［12-13］多侧重于有机氮与化学氮肥单施与配施对N₂O和CO₂排放及作物产量的影响，而对于黄土高原地区旱作农田所广泛施用的尿素，及其对N₂O和CO₂排放的影响及相关的机理，还缺乏针对性的研究，这无疑导致当地农田N₂O和CO₂的排放通量对于不同施氮水平的响应机制尚不明确。

为了更加具体明确地揭示不同施氮水平对陇中黄土高原旱作麦田土壤理化性质及N₂O和CO₂排放规律的影响，本试验以陇中黄土高原4种不同施氮水平下的旱作麦田为研究对象，对春小麦全生育期内不同施氮水平下的土壤N₂O和CO₂排放进行了长期定点定位观测，并测定土壤中SOC、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N和NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N的含量，研究N₂O和CO₂的排放特征及其影响因素，探究二者之间的关系，进而为陇中黄土高原旱作农田生态系统科学合理施用氮肥及生态环境建设提供理论依据，为预测区域内农田温室气体排放对施氮的响应以及维持当地环境友好型农业发展起到指导作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验选择在甘肃省定西市安定区安家坡村甘肃农业大学旱农综合试验站（35°64′ N，104°64′ E）进行，该区为典型的温带半干旱气候，属陇中黄土高原半干旱雨养农业区，海拔2 000 m左右，年平均气温约6.4 ℃，年平均≥0 ℃积温2 933.5 ℃，≥10 ℃年积温2 239.1 ℃，年均降水量394.1 mm。试验地平坦无起伏，土壤类型为黄绵土，土层深厚，土质绵软，质地均匀且蓄水性能良好。土壤容重为1.19 g/cm³，土壤有机质12.01 g/kg，全氮0.76 g/kg，全磷1.77 g/kg^［14］。

1.2 试验设计

大田试验于2016年3月春小麦季开始，已持续定位5 a，本试验采用2021年春小麦生育期数据。试验为随机区组设计，共设4种不同施氮水平：1） 不施肥（CK）；2） 低量氮肥（LN），施尿素量为当地经验施肥量［（220 kg/（hm²·a）］的 1/4，即 55 kg/（hm^-2·a）；3）中量氮肥（MN），施尿素量为当地经验施肥量的1/2，即110 kg/（hm²·a）；4） 高量氮肥（HN），施尿素量为当地经验施肥量，即220 kg/（hm²·a）。试验共计4个处理，每个处理设3个重复试验小区，共计12个试验小区，各小区间行距25 cm，小区面积统一为24 m³。选用当地春小麦品种甘春27号作为指示作物，播种量187.5 kg/hm²。其他田间管理水平与当地常规生产水平一致。

1.3 土壤气体的采集与分析

土壤N₂O和CO₂通量采用静态箱-气相色谱法测定，该方法是研究陆地生态系统N₂O和CO₂排放通量的重要手段。自春小麦开始播种到收获，每隔20 d采集并测定气体1次，每块样地均设置3个暗箱进行重复试验。采样时间集中在每天上午10∶00~11∶40（此段时间气体排放通量接近当天的平均排放通量）^［15］。集气的暗箱采用尺寸为50 cm×50 cm×50 cm无底正方体，箱壁厚度1 mm，以304K薄不锈钢板材质制成，并用隔温材料包裹，防止取样过程中因阳光照射导致箱体内温度上升，箱顶内侧上端装有两个空气搅拌风扇，箱体侧边装有风扇电源插头、取气口阀门和温度计插口。不锈钢底座尺寸为50 cm×50 cm×20 cm，上部有密封水槽，固定于麦田土壤中。采样时往底座水槽内注水以隔绝箱体内外气体交换。扣箱后立刻用100 mL注射器采集第一次样品注入集气袋中，取样时间共计32 min，每间隔8 min抽取暗箱内气体样品，共取样5次。采样后立即将样品进行分组编号，带回实验室并于72 h内对土壤N₂O和CO₂进行分析，确定不同处理下N₂O和CO₂排放特征。

测定期内N₂O和CO₂排放通量计算公式：

F=\frac{C_{\mathrm{2}}\times V_{\mathrm{0}}\times M_{\mathrm{0}}\times \mathrm{273}/T_{\mathrm{2}}-C_{\mathrm{1}}\times V\times M_{\mathrm{0}}\times \mathrm{273}/T_{\mathrm{1}}}{A\times \left(t_{\mathrm{2}}-t_{\mathrm{1}}\right)\times \mathrm{22.4}}

式中：F为土壤N₂O/CO₂排放通量［mg/（m²·h）］；A为采样箱底面积（m²）；V为采样箱体积（m³）；M₀ 为气体分子量；C₁，C₂ 分别为采样箱关闭时和开启前箱内气体的浓度，（mg/m³）；T₁ 、T₂ 分别为采样箱关闭和开启前箱内温度（K），t₁ 、t₂ 为测定开始和结束的时间。

农田土壤N₂O和CO₂累计排放量计算公式：

M=∑（F_N+1+F_N）×0.5×（t_N+1+t_N）×24×10^-2

式中：M为整个生育期内土壤N₂O/CO₂排放量（kg/hm^-2）；F为土壤N₂O/CO₂排放通量［mg/（m²·h）］；N为采样次数；t为距离初次采样的时间。

1.4 土壤样品的采集与处理

在春小麦主要生育期（出苗期、分蘖期、拔节期、开花期、成熟期）对土壤部分理化性质进行测定。在每块样地中随机取3个采样点，使用直径为5 cm的土钻取0~10 cm土层土壤样品，剔除枯枝落叶残根等杂质后装入自封袋内，再将其放置于装有冰袋的样品箱中低温运输，带回实验室测定各项指标^［16］。其中土壤含水量采用铝盒烘干法^［17］测定；土壤NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N和NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N采用 MgO-代氏合金蒸馏法^［18］测定；SOC采用重铬酸钾氧化-分光光度法^［19］测定；土壤温度用EM50进行长期监测^［20］。

1.5 数据处理

使用SPSS 26.0进行试验数据分析，Origin 2021作图。土壤N₂O和CO₂排放与土壤理化指标的相互关系使用Pearson相关分析描述。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对麦田土壤N₂O和CO₂的排放通量的影响

2.1.1 春小麦生长季N₂O排放通量

不同施氮处理下麦田土壤N₂O排放通量如图1所示。在播种前，N₂O排放通量均处于较低水平。随着春小麦的生长发育，N₂O排放通量开始小幅度缓慢升高，在4月5日出现首个排放峰，表现为HN>MN>LN> CK，HN、MN、LN、CK处理排放通量分别为0.142 2、0.110 9、0.074 8、0.036 5 mg/（m²·h）。随后N₂O排放通量平稳下降，在4月25日到达最低谷后又开始迅速上升，在5月15日N₂O排放通量出现第2个排放峰，且各处理下麦田土壤N₂O排放通量均达到春小麦生育期内最大值，其中HN处理最高，为0.228 4 mg/（m²·h），其次是MN、LN、CK处理分别为0.139 6、0.089 4、0.042 4 mg/（m²·h）。进入春小麦拔节期后，各处理下麦田土壤N₂O排放通量均大幅度下降，随后在春小麦的灌浆期和成熟期中，各处理间麦田土壤N₂O排放通量变化特征呈现出较小差异，但总体呈下降趋势。

2.1.2 春小麦生长季CO₂排放通量

由图2可见，各处理下麦田土壤CO₂排放通量变化趋势基本一致。自3月25日播种后，各处理下土壤CO₂排放通量开始大幅上升，随后，CO₂排放通量随着春小麦生育期的推进继续升高，在7月15日各处理麦田土壤CO₂排放通量均达到最大值，其中CK、LN、MN、HN处理CO₂排放通量分别为110.44、117.45、123.87、137.46 mg/（m²·h），春小麦进入成熟期后根系呼吸减弱，CO₂排放通量也随之大幅下降。可以看出，在整个春小麦生育期内CO₂排放通量大小基本呈现HN>MN>LN>CK的规律，说明在一定范围内，施氮可以增大春小麦田土壤CO₂排放。

2.2 不同施氮量对麦田土壤N₂O和CO₂累计排放量的影响

由表1可知，不同施氮处理下，麦田土壤N₂O和CO₂累计排放量均表现为HN>MN>LN>CK，且各处理间差异显著。其中N₂O累计排放量中，LN、MN、HN处理分别比CK处理高78.63%、130.47%、217.51%；CO₂累计排放量中，LN、MN、HN处理分别比CK处理高5.73%、10.63%、21.75%，由此可见，在一定范围内，麦田土壤N₂O和CO₂的排放量随着氮肥用量的增加而增大，且施氮对N₂O增排的影响要大于对CO₂增排的影响。

2.3 不同施氮量对麦田土壤温度和含水量的影响

不同施氮处理下0~10 cm土层中土壤温度变化情况如表2所示。整体看来，土壤最低温均出现在3月25日左右，处理间最低温为CK和LN处理，仅 6 ℃。并随气温回升，土壤温度呈波动上升，至8月5日左右各处理达到最大值，其中LN处理最高为27.2 ℃。在同一时期，施氮处理（LN、MN、HN）中0~10 cm土层土壤温度均不同程度显著高于CK处理（P<0.05）。

不同处理下麦田土壤含水量基本呈“M型”变化趋势，且在整个生育期内波动相对稳定，波动范围为9.31%~12.42%。具体变化特征如表3所示。施氮处理（LN、MN、HN）下，作物需水量增大，其土壤含水量均不同程度显著低于CK处理（P<0.05）。

2.4 不同施氮量对麦田土壤硝态氮、铵态氮和有机碳影响

2.4.1 不同施氮量对0~10 cm土层土壤有机碳的影响

不同施氮处理下土壤SOC含量变化情况基本一致（图3）。自春小麦出苗期至开花期，由于作物的生长发育所需，各处理下土壤SOC含量总体呈现缓慢下降趋势，其中CK、LN、MN和HN处理下，降幅分别为20.11%、18.37%、21.03%、18.56%，至春小麦成熟期略微有所回升。氮素添加促进了作物的新陈代谢，增强了土壤微生物的活动强度和酶活性，因此各施氮处理下的SOC含量均大于CK处理，其中LN、MN和HN处理下SOC平均含量较CK处理分别提高20.43%、25.80%和35.9%。

2.4.2 不同施氮量对0~10 cm土层土壤硝态氮和铵态氮的影响

如图4、5所示，CK处理下0~10 cm土层土壤中NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量在春小麦全生育期内，总体呈现下降趋势；由于基肥和追肥提供了氮素，各施氮处理下，土壤NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量均呈现先上升，在春小麦分蘖期达到峰值后下降的总体趋势。土壤NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N中，施氮处理的LN、MN和HN分别比CK高21.55%、26.06%和34.11%；土壤NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N中，施氮处理的LN、MN和HN分别比CK高21.77%、31.42%和39.20%，表明施氮量的增加促进了表层土壤中NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N的积累，同时也造成了NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N的残留。

2.5 不同施氮量下麦田土壤N₂O、CO₂排放与土壤理化性质的相关性

对不同施氮量下麦田土壤N₂O、CO₂累计排放量与0~10 cm土层土壤中的部分理化性质进行双变量相关性分析。由图6、7可知，不同处理下麦田0~10 cm土层土壤SOC、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N和NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N平均含量与N₂O、CO₂累计排放量均呈极其显著的正相关关系（P<0.001），说明土壤中NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N和SOC含量的高低极大程度地决定了N₂O、CO₂的排放量的升降。0~10 cm土层土壤温度与N₂O和CO₂累计排放量均呈显著的正相关关系（P<0.05），0~10 cm土层土壤含水量与N₂O累计排放量呈显著的负相关关系（P<0.05），与CO₂累计排放量相关关系不显著。

3 讨论

3.1 春小麦的N₂O、CO₂排放通量和累计排放量

本研究发现，在基肥和追肥的施用后，N₂O会出现排放峰，这是因为施肥后短时间内，土壤表层积累了大量的NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N和NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N，为硝化和反硝化反应提供了丰富的底物，增大了土壤N₂O的排放量^［21］。相关研究^［22］也表明：旱地农田不同处理中N₂O排放规律基本一致，排放峰发生在施肥和降水之后。土壤CO₂的排放来源于土壤呼吸，播种所带来的人为和机械扰动促进了土壤呼吸，造成播种后土壤CO₂的排放明显提升。本研究还发现：施氮可以显著提升麦田土壤CO₂的排放通量和累计排放量，且随着施氮量的增大，其排放通量和累计排放量也越大。这可能是因为氮肥的施入增加了土壤矿质氮的含量，改变了土壤有机质组分，增强了土壤微生物的活性，也通过增大作物根生物量而加强根系呼吸，增强了土壤的呼吸作用，从而促进了土壤中CO₂的排放。有研究表明^［23-24］：施尿素、有机肥及二者配施均能显著增强土壤呼吸，增大农田土壤中CO₂的排放。但李叶杉等^［25］对麦田土壤的研究却表明，春小麦生育期内，CO₂的平均排放通量随施氮量的升高而降低。这可能是因为长期定位试验已经历3个施氮周期，而长期施氮导致土壤中有机质快速消耗后，反而对土壤CO₂的排放产生抑制作用，本试验供试土壤为第一年施氮，且基肥和追肥分步投入，肥效发挥贯穿春小麦生育期，增强了土壤的呼吸作用。由此可见，由于试验地的环境因子、施肥制度及年限所带来的差异，也会导致土壤CO₂的排放特征产生变化。

3.2 不同施氮量对旱作麦田土壤理化性质的影响

本研究表明，施氮处理下麦田0~10 cm土层土壤NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N和SOC含量显著高于不施氮处理，本结果与王子凤等^［26］的研究结论相似。本试验施用氮肥为尿素，是一种主流的中性速效酰胺态氮肥，施用后经过脲酶作用水解为碳酸铵，造成在施肥和追肥后，麦田浅层土壤NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N的含量提升。随着春小麦生长，作物生长进入活跃期，对土壤养分的摄取量持续升高，土壤NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N和NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量不断减少，且NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量的下降速率要快于NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N。这一现象可能是由于在传统耕作中，人为活动破坏了土壤耕层，造成耕层土壤中养分流失，水分减少，土壤通气性增强，NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N更易转化为NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N，且随着土层中硝化反应的加剧，土壤中NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N开始大量分解产生硝化反应的底物NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N，从而造成NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量的损失和NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量的增加^［27-28］，与文献报道一致，本研究也发现，相比不施氮处理，施氮处理显著提高了0~10 cm土层SOC含量，这可能是由于碳氮之间具有一定的协同性，氮的投入显著影响着碳的转化途径，外源氮素的大量输入刺激了微生物的活动、增强了土壤酶活性，起到了以氮促碳的作用。在春小麦生长末期，0~10 cm土层中SOC含量有所回升，一方面因为春小麦接近成熟，植株枯落物增多，且枯落物中的木质素和纤维素含量升高，导致C/N升高，枯落物经分解后对土层中SOC进行补充；另一方面春小麦进入成熟期，生长发育趋于停止，对各营养物质需求减弱，造成SOC含量回升。在施氮的处理中，由于氮肥改善了黄土高原缺氮少磷的土壤状况，有效减轻了作物生长发育中氮素的胁迫，增加了作物的生物量，相应增加了土壤中枯落物及植物残体等有机物的还田量。

浅层土壤温度和含水量主要受到当地气温、降水量和日照强度的影响。本研究结果表明，在施入基肥和追肥后，施氮处理下麦田0~10 cm土层土温均略微高于CK处理，前人研究^［29］也表明，施肥提升了0~25 cm土层土壤的平均温度。充足的氮素能够促进作物根系对水分的吸收利用^［30］，本研究发现，0~10 cm土层土壤含水量表现为CK>LN>HN> MN，这是因为春季至夏初偶有降水但气温较低，水分蒸发量低，入夏之后虽降水增多，但气温上升，晴天增多日照时间增大，导致浅层土壤水分蒸发量显著增大；且春小麦进入生育关键期，需水量增大，多种原因造成土壤含水量下降。另外施肥增强春小麦的根系吸收能力，增强作物的水氮协同效应，增大了春小麦的生物量，最终造成春小麦需水量的增多。

3.3 影响麦田土壤N₂O、CO₂排放的关键因子

影响麦田土壤N₂O、CO₂排放的因素包括生物因素和非生物因素，其中生物因素包括土壤微生物的种类和数量^［31］，而非生物因素则主要包括土壤温度、土壤含水量、土壤电导率和土壤氮^［32］。本研究表明，土壤温度与土壤N₂O和CO₂排放呈显著的正相关关系（P<0.05），土壤温度每升高10 ℃，反硝化细菌的活性则会提高1.5~3.0倍^［33］，这对土壤N₂O的释放产生积极作用；另外，温度升高加剧了微生物呼吸和植物根系呼吸，促进了土壤凋落物和有机质分解，这又增大了土壤中的CO₂向大气排放^［34］。土壤含水量通过直接调节土壤中氧气的可利用性，从而直接影响土壤中硝化和反硝化的生物化学平衡状态^［35］。本试验中，由于土壤含水量的升高，限制了硝化进程中底物的供应，使得土壤通气状况变差，阻碍了N₂O的扩散，从而降低了N₂O的排放，导致土壤含水量与土壤N₂O排放呈显著的负相关关系（P<0.05）。土壤含水量与土壤呼吸的关系较为复杂，土壤含水量是影响干旱区土壤呼吸的重要因子，但农田生态系统由于受到不同程度的人为干预，只有在极端条件下水分才会成为土壤呼吸的限制因素^［36］。本试验相关分析表明，土壤含水量与CO₂排放相关关系不显著，这可能是施氮冲淡和掩盖了土壤含水量对CO₂排放的影响。试验中向土壤添加无机氮会为造成土壤中NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量的提高，这也为土壤微生物活动和硝化、反硝化反应提供了充足的氮源和底物，促进了土壤N₂O的排放。而充足的氮源能够刺激微生物对土壤有机质的矿化分解，进而促进土壤CO₂的排放^［37］。本试验的研究结果也表明，土壤SOC、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N和NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N对土壤N₂O和CO₂排放均产生极其显著的正相关关系。

4 结论

从整个生育期来看，麦田土壤都是N₂O和CO₂的排放源，其累计排放量均随施氮量的增加而增大。研究表明，N₂O的排放高峰主要出现在施肥和降雨后，CO₂的排放则呈现出随气温升高而增大的趋势。土壤NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N和SOC含量均随施氮量的增加而增加，相关分析表明土壤NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N和SOC是决定N₂O和CO₂排放量增加的主要驱动因子。同时，表层土壤的温度和含水量也在一定程度上影响着N₂O和CO₂的排放。综上，施氮量可显著影响土壤理化性质，进而影响温室气体的排放。

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基金资助

国家自然科学基金项目(32360438)

甘肃省优秀博士生项目(22JR5RA843)

甘肃省优秀研究生“创新之星”项目(2022CXZX-641)

甘肃省重点人才项目(LRYCZ-2020-1)

甘肃省产业支持计划项目(2021CYZC-15)