大气CO2浓度和温度升高对稻麦轮作生态系统N2O排放的影响

王从，李舒清，刘树伟，邹建文



大气CO2浓度和温度升高对稻麦轮作生态系统N2O排放的影响

王从，李舒清，刘树伟，邹建文

（南京农业大学资源与环境科学学院/江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室，南京 210095）

【目的】研究大气CO2浓度和温度升高条件下稻麦轮作生态系统N2O排放的响应规律，以期科学评估未来气候变化情境下，CO2浓度和温度升高对稻麦轮作生态系统N2O排放的影响，为中国应对未来气候变化提供数据支持。【方法】依托同步模拟自由大气CO2浓度升高和温度升高的T-FACE试验平台，设置本底大气CO2浓度和温度（Ambient）、500 μmol·mol-1CO2+本底大气温度（C）、本底大气CO2浓度+温度增加2℃（T）和500 μmol·mol-1CO2+温度增加2℃（C+T）等4个处理。采用静态暗箱-气相色谱法原位观测稻麦轮作生态系统N2O排放通量，研究稻麦轮作生态系统N2O排放对大气CO2浓度和温度升高的响应规律。【结果】（1）CO2浓度升高使水稻和小麦生物量和产量分别显著增加9.7%、11.3%和5.6%、5.7%（＜0.05）；温度升高使水稻和小麦生物量和产量分别显著减少21.1%、18.0%和31.6%、17.7%（＜0.05）；CO2浓度和温度的同步升高使水稻和小麦生物量和产量分别显著降低13.5%、8.7%和26.0%、10.3%（＜0.05）。（2）CO2浓度和温度升高，均未改变稻麦轮作系统N2O的季节排放模式。CO2浓度升高条件下，水稻季和小麦季N2O排放分别增加15.2%和39.9%，其中后者达显著水平（＜0.05）；温度升高未显著影响水稻季N2O排放，但显著增加小麦季N2O排放20.5%（＜0.05）；CO2浓度和温度同步升高对水稻季N2O排放的影响存在较大的年际差异，但总体上有促进N2O排放的趋势；CO2浓度和温度同步升高极显著增加小麦季N2O排放（46.0%，＜0.01）。（3）小麦季N2O排放与小麦生物量密切相关，在CO2浓度和温度升高条件下，小麦季N2O排放与小麦地下部生物量和ΔSOC之间具有显著的正相关关系。（4）与对照组相比，CO2浓度升高、温度升高以及两者的共同作用，分别导致稻麦轮作系统单位产量的N2O排放强度（GHGI）分别增加29.1%、66.3%和81.8%，其中温度升高和CO2浓度和温度同步升高处理达显著水平（＜0.05）。【结论】CO2浓度升高和温度升高均未改变稻麦轮作生态系统N2O的季节排放模式。CO2浓度升高导致稻麦轮作系统N2O排放显著增加；温度升高显著增加小麦季N2O排放，但未显著影响水稻季N2O排放。CO2浓度和温度升高导致稻麦轮作系统温室气体排放强度增加，各处理条件下温室气体排放强度的响应从大小依次为：C+T >T>C。可见，在未来CO2浓度和温度升高情境下，为保证现有粮食供应水平不变，由稻麦生产所导致的N2O排放强度变化可能会进一步加剧气候变化进程。

T-FACE；稻麦轮作；CO2；温度；生物量；产量；N2O；温室气体排放强度

0 引言

【研究意义】从全球范围来看，CO2、CH4和N2O排放分别占到温室气体人为排放源的76%、16%和6.2%[1]，并且目前仍分别以每年1.7 μmol·mol-1、6 nmol·mol-1和0.75 nmol·mol-1的速度增长[2]。IPCC第五次评估报告指出，N2O的全球增温潜势（global warming potential，GWP）是CO2的265倍[3]，且在大气中具有更长的平均寿命，故单位体积N2O对全球温室效应的贡献远高于CO2，因而备受关注。大量研究表明，人类的农业生产活动是N2O排放的主要人为排放源。在世界农业生产中，稻麦轮作系统是一种典型的水旱轮作种植模式，主要分布在南亚和东亚，种植面积约2.6×107hm2[4]。在全球气候变化背景下，研究稻麦轮作系统N2O在CO2浓度和温度升高条件下的排放响应，对于中国农业生产科学地应对未来气候变化挑战显得尤为重要。【前人研究进展】对农田温室气体的研究，始于20世纪70年代[5]。据统计，从1961年到2010年，全球种植业所产生的温室气体总排放量增加了163.8%[6]。其中，农田作为N2O的主要排放源，其排放量约占全球人为N2O排放源的64%—84%[7-8]。目前，围绕稻麦轮作系统N2O排放的相关研究较多，N2O的排放机制也较为明确。但是，对于CO2浓度、温度升高等条件下，稻麦轮作生态系统生产力和N2O排放响应的研究还相对较少，且结果也存在差异。Dijkstra等[9]通过研究表明，在有氮肥施用的陆地生态系统中，CO2浓度的升高会导致N2O排放量增加，而对于无氮肥施用的陆地生态系统，CO2浓度升高并未显著改变N2O的排放；SHUKEE等[10]通过冬小麦FACE（Free-air CO2enrichment）试验研究表明，在不同氮肥施用水平下，CO2浓度升高均导致麦田N2O排放量显著增加。与对照组相比CO2浓度升高处理条件下，麦田N2O排放量平均增加47%。为研究不同温度条件下，农田N2O的排放响应，DIJKSTRA等[9]通过文献分析研究表明，在温度升高条件下，不同旱地生态系统的N2O排放响应变异极大，温度升高导致N2O排放从减少111 mgCO2-eq·m-2·d-1（CO2-eq即CO2当量，下同）到增加56 mgCO2-eq·m-2·d-1均有报道。关于温度变化对稻麦轮作生态系统N2O排放的影响，郑循华等[11]通过对太湖地区稻麦轮作农田进行研究后发现，在15—25℃的温度范围内，温度是影响麦田N2O排放的关键因子，而在水稻生长期内，N2O排放的季节性变化与温度的关系不明显。【本研究切入点】对于全球气候变化背景下的农田温室气体排放研究，国际上多采用开放式大气CO2浓度升高、土壤-植物-大气研究单元（SPAR）、温度梯度气室（TGCs）和开顶室（Open Top Chamber，OTC）等方法。由于FACE 系统是开放式设计，克服了部分OTC等方法的缺点，因此被认为更接近未来气候变化下的真实情况。此外，本研究在设置了不同大气CO2浓度处理的基础上，增加了温度这一处理因素，以期进一步准确模拟未来气候变化情境下稻麦轮作生态系统N2O排放对CO2浓度和温度升高的响应情况。【拟解决的关键问题】本研究依托开放式大气CO2浓度和温度升高（Temperature+ Free-air CO2enrichment，T-FACE）试验平台，利用静态暗箱-气相色谱法，对稻麦轮作系统N2O排放进行原位观测，研究稻麦轮作系统N2O排放对大气CO2浓度和温度升高的响应。此外，结合稻麦轮作系统作物产量和N2O排放响应观测结果，对未来气候变化情境下稻麦粮食生产过程中，农田N2O排放响应所导致的综合温室效应做出科学评估。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究使用T-FACE田间试验平台，该平台设置在江苏省常熟市白茆镇（120°55′30″ E，31°35′25″ N），地处北亚热带南部湿润气候区，平均海拔为6 m，年均气温为15.4℃，日照1 813.9 h，降水量1 135.6 mm（统计至2015年）。试验地土壤为水稻土（乌栅土），有机碳和全氮含量分别为15.21 g·kg-1和1.29 g·kg-1，pH为6.7（水土比2.5﹕1）。

1.2 田间试验设计

1.2.1 T-FACE平台概况 常熟T-FACE田间试验平台（图1），是在典型FACE平台的基础上增加温度升高处理，以模拟自由大气条件下CO2浓度和温度升高环境。CO2浓度升高处理圈组是根据IPCC第4次评估报告的气候变化最大情景（2050年近地面大气CO2浓度升至500 μmol·mol-1）设置。T-FACE平台共设12个处理圈组，各圈组均为正八边形结构，外圈直径为18 m。通过CO2压缩储存罐体向FACE圈输送CO2气体，CO2气体释放于作物冠层顶空0.6 m处。FACE圈组内CO2实际浓度由CO2浓度传感器监测，通过传感器实时数据反馈，由无人值守控制器调节FACE圈组CO2释放量。监测结果表明，田间试验期间，CO2实际浓度范围为（500±26）μmol·mol-1，本底对照CO2浓度为（412±21）μmol·mol-1。

T-FACE加温处理圈组是根据IPCC第4次评估报告中气候变化2050年最大情景设置温控值，根据各圈组内温度传感器实时监测数据，采用电红外加热器对作物植株冠层空气进行加热，控制增温处理圈组内植株冠层大气温度始终高于环境温度2℃。对于未施加增温处理的圈组同样安装电红外加热器，试验过程中不开机，以减少各处理圈组间光照及通风等非处理因素差异。实际监测结果表明，试验过程中增温处理圈组实际温度升高（2.0±0.4）℃。

1.2.2 CO2浓度和温度升高处理设置 本研究的田间试验共设置4个处理：CO2浓度升高处理（C）、温度升高处理（T）、CO2浓度和温度协同升高处理（C+T）和空白对照处理（Ambient）。每个处理3次重复，共计12个处理圈组。每个圈组设置2个采样点，一个为包含植株的采样点，另一个为无植株采样点（用于测定土壤N2O排放的背景值）。无植株采样点和有植株采样点基座（详见1.4.1）在水稻季和小麦季开始前进行设置，其中无植株采样点基座在水稻季和小麦季开始后不进行移栽或播种。

1.2.3 供试作物和环境要素记录 小麦供试品种为扬麦14号，大田全生育期平均为210 d。小麦季田间观测试验开始于2012年11月，2015年6月结束，共进行了3个小麦季的田间原位观测试验。水稻供试品种为常优5号，移栽后的大田生育期平均为120 d。水稻季田间观测试验开始于2013年6月，2014年10月结束，共进行了2个水稻季的田间原位观测试验。田间管理按照当地常规稻麦生产技术操作，氮肥施用情况见表1。各稻麦生长季平均气温见表2。

1.3 稻麦生物量及产量测定

稻麦收获时在各处理圈组内齐根割取1 m2样方内的稻麦植株，测定地上部生物量和经济产量；在每个处理圈组内，分别采取50株水稻（0—20 cm土层范围内）和小麦（0—35 cm土层范围内）根系样本，采用淘洗法进行根土分离，测定地下部生物量。

图1 常熟T-FACE田间试验平台主要结构

表1 田间施肥情况

将稻麦地上部和洗净的根系样本置入烘箱，先110℃进行20 min杀青，然后85℃烘干至样品恒重，待样品冷却至接近室温称重并记录。稻麦地上部生物量通过称重获得，单位面积地下部生物量通过当季作物种植密度结合植株根系生物量均值经计算获得。

1.4 气样采集、分析和排放通量计算

1.4.1 气体样品采集 采用静态暗箱-气相色谱法对-FACE平台下的稻麦轮作生态系统中土壤-作物系统N2O排放速率进行测定。采样箱体由PVC材料制成，规格为10 cm（半径）×100 cm（高），外包海绵和铝箔以减缓箱内空气温度变化。于水稻移栽和小麦播种前将与箱体配套的陶制底座固定于土壤中，气体采集时将箱体嵌套入底座预留的液封槽内，并注水进行密封。田间设置栈桥，以减少对各圈组的人为扰动。水稻移栽后每3—4 d采样一次，烤田期每天一次，肥料施用后适当增加釆样频率。冬小麦生长季的隆冬季节釆样周期为一周，小麦返青后采样频率与水稻季相同。水稻生长季采样时间固定在上午8：00—10：00，小麦生长季固定在13：00— 15：00。釆样时间段内的土壤温度（Ts）和全天日平均土壤温度（Td）十分接近（水稻生长季，Td= 1.008 Ts，＜0.01；冬小麦生长季，Td=1.013 Ts，＜0.01）。基于试验小区处理的重复设置，釆用4箱体进行平行采样，采样时间分别为关箱后的0、5、10 min，每次采集气样50 mL。

表2 不同稻麦轮作季平均气温

1.4.2 气样检测与分析 采用改装后的Agilent 7890A气相色谱仪对气样N2O浓度进行检测，采用双阀双柱自动进样、反吹、分离和切换系统，ECD检测器。

1.4.3 N2O排放通量计算 假定采样箱横截面积为，有效高度为，采样箱内空气体积，则本研究中N2O排放通量的计算公式如下[12]：

=（1）

式中，为N2O排放通量（mg·m-2·h-1），为N2O气体的密度（g·L-1），为N2O的摩尔质量（44 g·mol-1），R为普适气体常数（8.314 Pa·m3·mol-1·K-1），为采样时箱内平均气温（℃）。为采样点大气压力，本研究中=1.013×105Pa。d/d为N2O排放速率（μmol·mol-1·min-1）。将有关常数代入式（1）后，经整理可得到N2O的排放通量的计算式为：

式（2）中，常数60为时间换算，将分转换为小时。为采样箱的有效高度（m），为采样时箱内平均气温（℃）。

各稻麦轮作季N2O累积排放量计算公式如下：

式（3）中，为该季N2O累积排放通量（mgN2O·m-2），常数24为时间换算，将天数转换为小时。D为该季开始后第次采样时的累积天数，F为对应的N2O排放通量（mg·m-2·h-1）。

1.4.4 温室气体排放强度计算 根据N2O在不同时间尺度上的全球增温潜势（global warming potential，GWP），可计算N2O在一定时间内的CO2排放当量（carbon dioxide equivalent，CDE，单位：kg，以CO2计）。本研究中，N2O在100年尺度上的GWP100yr参考值为265[3]。

根据温室气体排放强度（greenhouse gas intensity，GHGI）定义，通过TIMOTHY等[13]给出的GHGI计算方法，计算不同处理条件下的综合温室效应：

GHGI=CDE（N2O）/稻麦产量 （4）

式中，GHGI为温室气体排放强度，单位kgCO2-eq·kg-1。

1.5 数据处理与统计分析

本研究中相关分析、多因素方差分析和重复测量方差分析使用SPSS 20.0（IBM, USA, 2012）完成；BOX-COX转换使用Minitab 17.1.0（Minitab Inc., USA, 2015）完成。

2 结果

2.1 稻麦生物量和产量的响应

稻麦生物量和产量测定数据（2012—2015）汇总于表3。结果表明，C处理使稻麦生物量和产量均有不同程度增加，水稻总生物量和产量分别增加了9.7%和5.6%，小麦总生物量和产量分别增加了11.3%和5.7%，其中水稻生物量增加达到显著水平（＜0.05）。与对照组相比，CO2浓度升高使水稻地上部生物量和地下部生物量分别显著增加8.6%和41.1%（＜0.05），小麦地上部生物量和地下部生物量分别显著增加8.9%和39.6%。

温度升高对水稻和小麦的生物量和产量均产生不利影响。在T处理条件下，水稻总生物量和产量分别显著降低21.1%和31.6%（＜0.05），小麦总生物量和产量分别降低18.0%和17.7%。温度升高导致水稻地上部和地下部生物量分别降低21.1%和20.3%，小麦田上部和地下部生物量分别降低18.0 %和16.7%。此外，温度升高对水稻总生物量的影响还存在显著的年际差异。与对照组相比，2013年温度升高处理导致的水稻总生物量减少26.2%，而2014年为降低15.3%。

多因素方差分析结果表明，CO2浓度和温度升高对稻麦生物量和产量均无显著交互作用。与单纯温度升高处理相比，温度升高条件下的CO2浓度协同升高，部分减弱了温度升高对稻麦生物量和产量的不利影响，但仍然不能抵消温度升高所导致的减产。在CO2浓度和温度协同升高条件下，水稻生物量和产量分别降低13.5%和26.1%，小麦生物量和产量分别降低8.7%和10.3%。

2.2 水稻季N2O排放响应

从表4的结果可以看出，与对照组相比，C处理条件下稻田N2O累积排放量在2013和2014年水稻季分别增加16.5%和13.8%，2年的T升高处理均未显著改变稻田N2O的累积排放量。C+T处理使2014年水稻季N2O排放量显著增加了37.6%（＜0.05），但未显著影响2013年水稻季N2O的累积排放量。

表3 水稻和小麦的生物量和产量（kg·m-2，平均数±标准误）

同一列数值后不同的小写字母表示表示处理间差异显著（＜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的累积排放量（kgN2O-N·hm-2，平均数±标准误）

图2结果表明，不同处理条件下稻田N2O具有大致相同的季节排放动态模式。稻田N2O排放通量根据稻田灌溉条件的变化，具有不同的阶段性排放特征，除部分氮肥施用导致的N2O排放峰值出现外，水稻季N2O的排放峰值主要出现在烤田阶段，而稻田处在淹水期时稻田N2O排放则始终处于相对稳定的低通量状态。

方差分析结果显示，CO2浓度对水稻季N2O累积排放量具有显著影响；温度和年际变化因素对水稻季N2O排放无显著影响；处理因素之间以及处理因素与年际变化因素之间也无显著交互作用（表5）。

2.3 小麦季N2O排放响应

表6的结果表明，与对照组相比C处理在3个小麦季（2012—2013；2013—2014；2014—2015）中分别显著增加了小麦季N2O排放29.9%、45.4%和45.6%（＜0.05）。T处理未显著影响2012—2013年小麦季N2O排放，但温度升高使2013—2014年和2014—2015年小麦季N2O排放分别增加35.9%和29.4%，其中前者达到了显著水平（＜0.05）。C+T处理条件下，3个小麦季N2O排放分别显著或极显著增加25.3%（＜0.05）、48.6%（＜0.01）和65.0%（＜0.01）。在无植株参与条件下，C、T和C+T处理均未显著影响小麦田N2O排放。

图3结果表明，CO2浓度和温度升高未显著改变小麦季N2O的季节排放动态，N2O排放峰值的出现主要受氮肥施用影响。对3个小麦季N2O排放通量进行重复测量方差分析结果表明，在不同观测时间条件下的N2O排放通量，其观测值之间具有极显著差异（＜0.01），但时间效应与处理效应对小麦季N2O排放的影响未表现出显著的交互作用。不同CO2浓度和温度升高处理对N2O排放通量的效应在2012—2013年小麦季中达到了极显著（=12.317，＜0.001），但2013—2014年（=3.606，＞0.05）和2014—2015年（=2.598，＞0.05）小麦季的观测结果并无显著差异。

图2 2013和2014年水稻季各处理N2O排放的季节动态

表5 稻田N2O累积排放在CO2浓度、温度和年际差异间的方差分析

*表示在0.05水平上差异显著

*indicates significant difference at 0.05 level

表6 小麦季不同处理条件下N2O的累积排放量（kgN2O-N·hm-2，平均数±标准误）

方差分析结果显示，CO2浓度、温度和年际差异对小麦季N2O累积排放量具有显著或极显著影响；处理因素之间以及处理因素与年际变化因素之间无显著交互作用（表7）。

2.4 土壤有机碳含量响应

CO2浓度和温度升高条件下，小麦季N2O排放受作物植株生长状态的影响，小麦植株生物量的变化会直接影响土壤有机C源的供应，进而影响麦田土壤C、N循环进程。对小麦季作物植株地上部、地下部和总生物量与小麦季N2O累积排放量进行分析后表明，小麦地下部生物量与小麦季N2O累积排放量具有显著（＜0.05）正相关关系（图4），而小麦地上部生物量、总生物量与小麦季N2O排放量之间则未表现出明显的相关性。

对各稻麦季农田土壤起始（翻耕后）和该季结束（收获后）的土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）含量进行测定，并分别将水稻季和小麦季观测结果汇总于表8和表9。结果表明，水稻季和小麦季结束时，C处理和C+T处理条件下农田土壤SOC均显著高于对照组（＜0.05），而T处理条件下农田SOC含量与对照组之间无显著差异。

对各稻麦轮作季土壤SOC在每一季开始和结束时的含量变化进行计算，得到各季农田土壤ΔSOC值。分析表明，小麦田土壤ΔSOC与小麦田N2O累积排放量具有显著正相关关系（＜0.05）（图5）。水稻季土壤ΔSOC与水稻季N2O累计排放量之间则未表现出显著的相关关系。

图3 小麦季N2O排放动态

2.5 稻麦轮作周年N2O排放的温室气体排放强度

以2013年水稻季与2013—2014年小麦季、2014年水稻季与2014—2015年小麦季作为2个完整稻麦轮作周年，对稻麦轮作周年N2O排放引起的GWP进行计算，并将结果汇入表10。

表10结果表明，与对照组相比C和T处理均导致稻麦轮作生态系统周年的GWP有不同程度增加，其中前者达到显著水平（＜0.05）。与对照组相比，在T处理条件下2个轮作周年的GWP分别增加24.1%和22.9%，但未达到显著水平。C+T处理条件下，2个轮作周年的GWP分别增加33.9%和58.2%，其中后者达到极显著水平（＜0.01）。为进一步确定年际差异对稻麦轮作生态系统GWP的影响，将田间观测的年际差异定为影响因子，并对观测结果进行多因素方差分析。结果表明，田间观测的年际差异对GWP影响达到了极显著水平（=8.793，＜0.01），但CO2浓度和温度升高与年际差异之间未表现出显著的交互作用。

表7 小麦田N2O累积排放在CO2浓度、温度和年际差异间的方差分析

*表示在0.05水平上差异显著；**表示在0.01水平上差异显著

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

图4 小麦季N2O排放与小麦地下部生物量的线性相关关系

表8 不同处理条件下稻田SOC含量（g·kg-1，平均数±标准误）

表9 不同处理条件下小麦田SOC含量（g·kg-1，平均数±标准误）

图5 小麦季N2O排放与ΔSOC的线性相关关系

表10 不同处理条件下稻麦轮作周年N2O排放的GWP100yr(kgCO2-eq·hm-2，平均数±标准误)

结合2.1的稻麦产量数据和各轮作季N2O累积排放量，经计算得到各稻麦轮作季和2个完整稻麦轮作周年的GHGI（表11）。

表11 不同处理条件下N2O排放引起的稻麦轮作系统GHGI（kgCO2-eq·kg-1，平均数±标准误）

从不同轮作季看，与对照组相比2013—2014轮作周年中T处理和C+T处理均显著增加稻麦季GHGI（表11）。2014—2015轮作周年中C+T处理显著增加稻麦季GHGI；T处理显著增加小麦季GHGI，但并未显著影响水稻季GHGI。此外，C处理导致各稻麦季GHGI均有不同程度升高，但均未达到显著水平。从轮作周年来看，与对照组相比，C处理条件下2个稻麦轮作周年的GHGI分别增加27.8%和30.7%，但两年均未达到显著水平；T处理条件下GHGI分别极显著增加82. 6%和52.8%（＜0.01）；C+T处理条件下GHGI分别极显著增加80.3%和83.0%（＜0.01）。

上述结果表明，CO2浓度升高显著增加了稻麦轮作系统N2O排放引起的GWP，但是由于CO2浓度升高同时也增加了稻麦产量，因此降低了稻麦轮作系统GHGI的增幅；温度处理条件下，稻麦轮作系统GWP平均增加，但温度处理条件下的稻麦产量显著减少，从而导致T处理条件下GHGI显著增加。与T处理结果相似，C+T处理条件下稻麦轮作系统2个轮作周年的GWP分别增加67.2%和80.0%，同时稻麦产量也均有不同程度降低，从而导致C+T处理条件下的GHGI大幅增加。从2个稻麦轮作周年的平均值来看，稻麦轮作系统温室气体排放强度对各处理的响应强度从大小依次为：C+T＞T＞C。此外，将年际变化考虑为影响因子，进一步对2个轮作周年的GHGI数据进行多因素方差分析。结果表明，CO2浓度和温度因素均显著影响稻麦轮作系统的GHGI，但年际因素未显著影响稻麦轮作系统GHGI。此外，CO2浓度、温度和年际差异间均无显著的交互作用。

3 讨论

3.1 CO2浓度、温度升高对稻麦生长和土壤SOC的影响

有研究指出，CO2浓度升高显著增加水稻和小麦的干物质积累量[14-20]。本研究结果也表明，CO2浓度升高可显著增加稻麦生物量和产量。温度升高导致水稻和小麦生育期缩短、呼吸作用增强和降低植株水分利用率，进而减少干物质积累量[19-24]。本研究结果表明，在温度升高条件下，水稻和小麦的总生物量分别显著降低21.1%和18.0%，这表明在温度升高条件下，稻麦干物质积累均受到温度升高的不利影响，这也进一步印证了前人的研究观点。WHEELER等[25-26]研究表明，CO2浓度升高对小麦产量所产生的促进效应可以部分弥补温度升高所导致的减产效应，但总体上温度升高仍使小麦有减产的趋势。但BATTS等[27]研究发现，CO2浓度和温度协同升高对小麦生物量和产量的影响存在较大的年际差异，某些条件下CO2浓度和温度协同升高对小麦生物量和产量具有正交互效应。BATTS等认为，CO2浓度和温度升高对小麦生物量及产量的交互作用的年际间差异，主要是年际间环境因素差异所导致。与小麦相似，在CO2浓度和温度协同升高条件下，水稻生物量及产量也呈下降趋势[19-20]。本研究结果表明，与单纯温度升高处理相比，CO2浓度协同升高部分抵消了温度升高对稻麦生物量和产量的不利影响，但仍然不能完全抵消温度升高所造成的减产效应。

对稻麦轮作农田土壤SOC的观测结果表明，C处理和C+T处理显著增加稻麦轮作农田土壤SOC。其中，C处理条件下农田土壤SOC含量增加可能是由于稻麦生物量显著增加，进而影响稻麦植株光合产物向地下部输入增加所导致[28-29]。与对照组相比，C+T处理条件下稻麦生物量无显著差异，但土壤SOC显著增加。有研究认为，温度增高会导致作物秸秆快速分解，影响土壤有机质含量[30]。考虑到本研究中设置的增温处理主要作用于作物冠层，同时观测结果也表明温度升高处理与常温处理相比农田土壤温度无显著差异，因此C+T处理条件下土壤SOC增加并不适用于上述解释。温度升高会改变稻麦植株代谢速率，同时也影响稻麦植株光合产物的分配[31]，但温度升高条件下的稻麦干物质分配是否会影响农田土壤SOC仍需进一步研究予以阐明。本研究的结果还表明，两个轮作季之间农田SOC会有一定降低，这主要是由于休耕期农田土壤翻耕导致土壤有机质快速分解释放所导致[32]。

3.2 CO2浓度、温度升高对稻麦轮作生态系统N2O排放的影响

CO2浓度升高可显著增加稻麦轮作生态系统N2O排放，从不同轮作阶段来看，水稻季N2O排放受CO2浓度升高的影响较弱，温度升高处理对水稻季N2O排放的影响也不显著。徐仲均等[33]研究表明，在稻田生态系统中，CO2浓度的升高对稻田N2O的排放影响较小，主要是由于稻田水分条件不利于N2O的产生。本研究结果显示，水稻季N2O的排放主要集中在稻田非淹水状态下，此时稻田土壤处于还原氛围向氧化氛围转变的过程中，利于N2O的产生。烤田及湿润灌溉阶段稻田淹水状态被解除，也利于N2O向大气的释放，这也进一步提高了稻田土壤N2O的排放通量[34-35]。而在淹水条件下，由于土壤处于还原性条件，N2O产生过程受到抑制，N2O的排放也由于水层的存在也受到限制。在淹水或土壤水分趋近饱和条件下，即使CO2浓度的升高显著增加了水稻植株的生物量，但由于土壤通气条件的限制作用，N2O的产生仍旧会受到一定程度的抑制，而当稻田排干（如烤田）的条件下，CO2升高对N2O排放的影响效应才可能较为明显表现出来[36-37]。

SHUKEE等[10]通过研究FACE条件下的小麦田后发现，CO2浓度升高可显著增加小麦田N2O排放，并且N2O的累积排放量与土壤有机碳含量呈显著的正相关关系，这与本研究结果一致。对于CO2浓度升高导致的N2O排放增加，有研究认为主要是由于CO2浓度升高导致植物地下部生物量以及相应的根系分泌物增加，给土壤中的硝化和反硝化微生物提供了额外的能量和碳源，促进了土壤的碳、氮代谢速率加所导致[38-39]。本研究结果表明，CO2浓度升高显著增加小麦生物量和产量，同时N2O累积排放量与小麦植株地下部生物量和ΔSOC呈显著正相关关系，这一结果能够较好地印证上述假说。本研究还表明，温度升高能够增加小麦季N2O排放，但小麦生物量却呈显著下降的趋势。有研究认为，土壤温度的升高能够直接加快土壤的硝化和反硝化过程速率，但温度的升高同时也导致了土壤水分的快速流失，改变了土壤的通气条件进而影响土壤中N2O产生的相关过程[40-41]。本研究中，温度升高的影响范围主要集中在作物冠层大气，因此麦地土壤水分的含量受作物植株蒸腾作用的直接影响。通过对各温度处理条件下的土壤湿度进行原位测定，并对观测数据进行重复测量方差分析，结果表明各处理间土壤湿度变化无显著差异（=0.417，＞0.05）。因此，可以认为在本研究中温度升高导致的土壤温湿度变化不足以解释小麦季N2O排放的增加。

综合2个完整轮作周年的观测结果，CO2浓度和温度协同升高与单纯CO2浓度升高处理之间无显著差异。有研究认为，CO2浓度和温度的升高会导致作物植株总生物量的增加，植物在生长过程中可能会受到土壤氮含量短缺的胁迫[42]，从而造成植物与土壤微生物争夺可利用氮源，植物对氮的大量吸收利用会对土壤微生物N2O的产生过程产生竞争性抑制，进而减少土壤N2O的排放[43-44]。CAI等[23]的研究结果表明，在FACE条件下CO2浓度和温度升高均未显著改变小麦季作物植株的氮吸收量。这一结果表明，CO2浓度和温度升高条件下作物植株增加对土壤无机氮的吸收，进而影响土壤微生物可利用氮源的解释，并不能适用于本研究相关结果。考虑到本研究未设置不同氮肥施用水平处理，因此本研究结果可能不适用于稻麦轮作系统在氮胁迫条件下的N2O排放响应。

温室气体排放强度是一个综合评价指标，可以较为准确地反应稻麦轮作系统在生产过程导致的温室气体排放与生产力之间相互关系。本研究结果表明，CO2浓度升高、温度升高和两者的交互作用，均导致稻麦轮作系统GHGI不同程度增加，但各处理的GHGI响应机理存在差异。CO2浓度升高条件下，稻麦轮作系统GHGI升高主要是由于N2O排放显著增加所导致。但CO2浓度升高同时也使稻麦产量显著增加，从而部分减缓了CO2浓度升高引起的稻麦轮作系统GHGI的增幅。与之相反，温度升高条件下稻麦轮作系统GHGI显著增加，主要是由于稻麦产量的显著下降所导致了。对于CO2浓度和温度协同升高处理，N2O排放量的增加和稻麦产量的降低均导致了GHGI的升高，这也就导致了C+T处理条件下GHGI的增幅具有最高的响应。目前，国内外对CO2浓度和温度升高条件下，稻麦N2O排放响应导致的GHGI响应研究未见报道。GROENIGEN等[45]对CO2浓度和温度升高条件下，CH4排放引起的稻田GHGI变化进行的研究结果与本研究的相关结果具有一定比较意义。GROENIGEN等研究发现，CO2浓度升高条件下稻田GHGI显著增加，主要是由于CH4引起的GWP升高所导致；温度升高条件下稻田GHGI升高，主要是由于水稻产量的显著降低。上述结果与本研究中N2O排放引起的稻麦轮作系统GHGI响应机理基本一致。上述结果同时也表明，CO2浓度和温度升高所导致稻麦轮作系统的综合GHGI响应（包括N2O、CH4和CO2），要远大于单纯N2O引起的GHGI变化。

4 结论

CO2浓度升高显著增加稻麦轮作农田生态系统全年累积N2O排放量。从轮作阶段来看，CO2浓度和温度升高均显著增加小麦季N2O排放，但未显著影响水稻季N2O排放。CO2浓度和温度升高的协同作用增加稻麦轮作系统N2O排放，但与单纯CO2浓度升高处理相比，两者对稻麦轮作系统综合温室效应的影响无显著差异。

CO2浓度和温度升高条件下，小麦季N2O累积排放量与小麦地下部生物量以及ΔSOC呈显著正相关关系。该结果表明，作物生长状况是影响稻麦轮作系统N2O排放的重要因素。

CO2浓度、温度和两者的协同升高均导致稻麦轮作系统GHGI不同程度增加。其中，CO2浓度升高引起的稻麦轮作系统N2O排放量增加和温度升高导致的稻麦产量下降是引起GHGI升高的主要原因。因此，在未来CO2浓度和温度升高情境下，为保证现有粮食供应水平不变，由稻麦生产所导致的N2O排放对CO2浓度和温度升高的响应，可能会进一步加剧气候变化进程。

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（责任编辑 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

国家杰出青年科学基金（41225003）、江苏省高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）

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

邹建文，E-mail：jwzou21@njau.edu.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.13.009