耕作方式与氮肥减施对黄褐土麦田土壤酶活性及温室气体排放的影响

张志勇，于旭昊，熊淑萍，马新明*，王小纯，刘 洋，闫广轩，李永革

CO2、CH4和N2O是3种主要的温室气体（Greenhouse gas，GHG），大气中这3种气体浓度的日益增加是全球气候变暖的重要原因之一[1]。农业源温室气体排放量占全球人为活动产生温室气体排放总量的10%～12%[2]，而我国的农业源温室气体排放量更是超过了全国温室气体排放总量的15%[3]。农田土壤作为农业源温室气体排放的主要来源，对全球温室效应的影响不容忽视[4]。自2010年，联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）提出气候智慧型农业（Climate-smart agriculture，CSA）的概念以来，以可持续地增加农业生产力和收入、适应气候变化和尽可能减少或消除GHG排放为3个主要目标的气候智慧型农业正成为全球应对气候变化的农业发展新模式[5]。因此，减少农田土壤CO2、CH4和N2O的排放对减少农业源温室气体排放、缓解温室效应及发展气候智慧型农业有着重要意义。

研究表明，秸秆还田、施肥、耕作等农业管理措施均影响农田温室气体排放，并通过改变土壤温湿度、土壤有机质、土壤结构、土壤酶活性等理化性质来改变农田土壤温室气体的排放[6-7]。秸秆还田和免耕等保护性耕作措施，减少了对土壤的扰动，增加了土壤表面覆盖，提高了土壤有机质和碳含量，从而影响温室气体的排放[8]。一般认为，秸秆还田可提高土壤CO2排放速率，增加CO2排放量[9-10]，但也有研究显示秸秆还田能够减少CO2排放[11]。多数研究表明，秸秆还田可明显降低N2O排放，但也有部分研究得出了相反的结论[12-14]。此外，通过耕作方式改变土壤结构、团粒大小和通气状况等对农田温室气体排放也有重要影响，一般认为免耕减少CO2和N2O排放，但Badagliacca等[15]认为免耕相比于翻耕能促进N2O排放。农田土壤温室气体的一个重要来源是化肥的施用，大量研究表明温室气体（特别是N2O）的排放随着施肥量的增加而增加，且土壤酶系统的生物化学过程（如植物残体的降解、土壤有机质的矿质化、土壤N的氧化还原反应等）均与温室气体的产生过程密切相关，氮肥减施能够有效降低温室气体排放[16-19]，因此实现农田可持续发展和固碳减排，需综合考虑农田土壤生态系统的物质转化和能量代谢[20]。

综上所述，前人研究多集中于秸秆还田、免耕、施肥等单因素的影响，但是目前在贡献了全国粮食总产量三分之一的黄淮海小麦玉米轮作区[21]，秸秆粉碎还田技术普遍应用和氮肥减量施用的背景下，研究不同耕作方式及氮肥减施对土壤酶活性及温室气体排放的影响鲜有报道。因此，本文通过分析两年不同处理下土壤脲酶、蔗糖酶的活性，温室气体排放通量及其与土壤酶活性的相关关系，以期发现适合固碳减排的合理耕作方式与氮肥减施措施，为黄淮海地区气候智慧型农业的发展提供理论基础和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年至2017年在河南叶县龙泉乡牛杜庄村（33°31'N，113°22'E）进行。该地位于河南省西南部，温带大陆季风气候。土壤为黄褐土，土质为壤质黏土，0～10、10～20 cm和20～40 cm土层容重分别为 1.08、1.22 g·cm-3和 1.32 g·cm-3，0～20 cm 和 20～40 cm耕层土壤中有机质含量分别为8.34 g·kg-1和5.88 g·kg-1，全氮含量分别为0.96 g·kg-1和0.73 g·kg-1，0～20 cm土层中速效磷和速效钾含量分别为26.45 mg·kg-1和168.03 mg·kg-1。试验用地为农户连续10年的冬小麦-夏玉米轮作种植体系，其间秸秆全量粉碎还田。

1.2 试验设计

试验为耕作方式和施氮量双因素裂区试验，设耕作方式为主区：包括翻耕（PT），深度25 cm；旋耕（RT），深度15 cm；免耕（NT），仅免耕播种机播种时耧腿处土壤有少量扰动，深度5 cm。副区设减氮（LN，120 kg N·hm-2）、常规施氮（CN，225 kg N·hm-2）两个施氮水平。小区面积15 m×50 m，设置3次重复。氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾，磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）用量均为150 kg·hm-2，作为基肥在耕作前一次性施入，拔节期追施尿素并灌水，氮肥的基追肥比为5∶5。供试小麦品种为周麦27，两年播期均为10月 13日，播量皆为180 kg·hm-2，25 cm/10 cm宽窄行播种。其他管理措施同高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤酶活性

分别于2016年和2017年小麦生长季的返青期（Re）、拔节期（Jo）、开花期（Fl）、灌浆期（Fi）、成熟期（Ma），采用三点取样法用土钻取0～20 cm和20～40 cm土层土样，风干后过100目筛备用。土壤脲酶用改良靛酚蓝比色法[22]测定，活性用mg NH3-N·g-1·d-1表示；土壤蔗糖酶用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，活性用mg glucose·g-1·d-1表示。

1.3.2 温室气体排放通量的测定

温室气体的采集与测定采用静态箱-气相色谱法[23]。采样箱为暗箱，由箱体和底座两部分组成，箱体规格为50 cm×50 cm×100 cm，底座为50 cm×50 cm×20 cm。每个小区固定3个底座，每个底座内均包含窄行两边两行小麦，底座上端有宽2 cm、深2 cm的水封槽，采样时槽中注水防止箱体和底座的接触处漏气。箱体框架为不锈钢角铁，四周和顶部材料由外及内分别为铝塑板、白色泡沫和锡箔。采样箱内有小风扇和温度传感器，同步测量采样时的箱内温度和地下5 cm土壤温度，箱子顶部安装有自动记录温度和采气的自动模块。采样时间均在上午8：00—11：00之间，每次罩箱时间为24 min。从采样箱密封放置到底座上，开始采集第一个气体样品，之后每6 min采样一次，共采集5个气体样品。采集的气体样品置于0.5 L的铝塑复合气袋中。采样频率为每10 d采样1次；小麦施基肥后，加强监测频率，连续监测7 d；小麦追肥后，加强观测频率，连续监测7 d；气体样品均在采样结束3 d内测定完毕。利用气相色谱仪（Agilent 6820、Agilent 6890，Agilent，USA）对 CO2、CH4、N2O 含量进行检测：氢火焰离子化检测器（FID）测定CO2、CH4含量，CH4直接通过FID检测，CO2先通过镍触媒还原成CH4后再通过FID检测；电子捕获检测器（ECD）测定N2O含量。

农田中3种主要温室气体（CO2、CH4、N2O）排放通量计算公式如下[24]：

式中：F为温室气体（CO2、CH4、N2O）排放通量，mg·m-2·h-1；t为气样采集过程中的平均温度体浓度随时间的初始变化率，mL·m-2·h-1；P0为标准大气压，101.3 kPa；P为箱内气压，该试验地海拔低，气压影响可以忽略不计；ρ为温室气体在标况下的密度，CO2为 1.964 kg·m-3、CH4为 0.714 kg·m-3、N2O 为1.964 kg·m-3；H为采集箱高度，m。

1.4 数据分析

数据经过Excel 2013整理后，用SPSS 24.0软件One-way ANOVA进行方差分析，Pearson相关性分析，数据图表的绘制用Office 2013和GraphPad Prism 6.0完成。

2 结果与分析

2.1 耕作方式和减氮处理对土壤酶活性的影响

2.1.1 对土壤脲酶活性的影响

冬小麦返青期至成熟期间，脲酶活性呈现出先升高再降低，再升高再降低的趋势（图1）。脲酶活性随季节而变化，在拔节期和灌浆期出现峰值。其中，拔节期土壤脲酶活性最高，开花期最低。2015—2016季，0～20 cm和20～40 cm土层脲酶活性最大值均出现在拔节期的RT+CN处理，分别为1.774 mg NH3-N·g-1·d-1和1.046 mg NH3-N·g-1·d-1。2016—2017季，0～20 cm和20～40 cm土层脲酶活性最大值分别出现在拔节期的RT+CN处理和灌浆期的PT+CN处理，分别为1.645 mg NH3-N·g-1·d-1和0.883 mg NH3-N·g-1·d-1。在拔节期及之前，3种耕作方式两两之间的脲酶活性存在极显著差异，拔节期之后差异显著降低。在小麦成熟期，LN与CN处理的脲酶活性达显著差异。综合连续两年数据，与PT+CN相比，NT+LN、RT+LN、PT+LN、NT+CN的脲酶活性分别平均降低了27.38%、8.12%、14.73%、13.41%，RT+CN平均增加了7.96%。

图1 小麦季各生育期不同土层不同处理的土壤脲酶活性Figure 1 Soil urease activity in different soil layers at different growth stages

2.1.2 对土壤蔗糖酶活性的影响

冬小麦返青期至成熟期间，蔗糖酶活性总体呈现出先升高再降低，之后缓慢升高的趋势（图2），在小麦拔节期最高，开花期最低。在不同土层中，CN和LN处理间，蔗糖酶活性普遍达到差异显著水平或极显著水平，且0～20 cm土层大于20～40 cm。2015—2016季和2016—2017季，0～20 cm土层中3种耕作方式的蔗糖酶活性各时期均表现为NT＞RT＞PT，而在20～40 cm土层中，不同耕作方式间的蔗糖酶活性呈现出NT＜RT＜PT。综合两年数据，与PT+CN相比，NT+LN、RT+LN、PT+LN的整体蔗糖酶活性分别平均降低了10.96%、9.9%、10.01%，NT+CN、RT+CN蔗糖酶活性分别增加2.04%、1.65%。

2.2 耕作方式和减氮处理对温室气体排放通量的影响

2.2.1 对CH4气体排放通量的影响

由图3可知，不同处理下，小麦田CH4排放通量均为负值，表明麦田对CH4气体主要为吸收。小麦返青期到成熟期，CH4气体的排放通量随小麦生育期的进行，呈现出先降低后升高再降低的趋势。在拔节期，CH4排放通量有最小值，且CN和LN处理间差异均达到显著水平。不同耕作方式之间的排放通量呈现出NT＞RT＞PT。两个氮肥用量之间表现为LN＞CN，在拔节期差异最为显著。

2.2.2 对CO2气体排放通量的影响

由图4可知，麦田对CO2气体主要表现为排放，排放通量趋势为先升高，后降低。在小麦返青期至成熟期间，CO2排放通量在拔节期出现排放高峰，且不同氮处理间差异均达到显著或极显著水平。耕作方式之间呈现出NT＜RT＜PT。LN与CN处理下的CO2排放通量，整体呈现出LN＜CN。在拔节期，NT、RT和PT下的LN与CN处理CO2排放通量差异显著，第一年分别降低5.87%、8.82%和15.70%，第二年分别降低4.14%、5.97%和10.15%。

图2 小麦季各生育期不同土层不同处理的土壤蔗糖酶活性Figure 2 Soil sucrase activity in different soil layers at different growth stages

图3 氮肥减施和耕作方式对CH4排放通量的影响Figure 3 Effect of nitrogen fertilizer reduction and tillage methods on CH 4 emission flux

2.2.3 对N2O气体排放通量的影响

由图5可以看出，N2O排放通量趋势也表现为先升高后下降，最后趋于平稳的趋势，且在拔节期时排放速率最快。与传统的PT处理相比，第一年NT和RT能明显降低麦田N2O排放通量13.53%和1.60%，第二年分别降低15.69%和4.82%。LN与CN处理在拔节期差异最显著，第一年，NT、RT、PT 3种耕作方式下，LN处理下N2O排放速率依次降低27.83%、22.25%、16.70%，第二年分别降低了13.25%、26.73%和18.79%。

图5 氮肥减施和耕作方式对N2O排放通量的影响Figure 5 Effect of nitrogen fertilizer reduction and tillage methods on N2Oemission flux

2.3 土壤酶活性与气体排放通量的相关性分析

两年小麦季内土壤脲酶活性和蔗糖酶活性与气体排放通量间的相关关系如图6和图7所示。其中，0～20 cm土层脲酶活性变化范围为0.33～1.77 mg NH3-N·g-1·d-1，蔗糖酶活性变化范围为39.00～111.21 mg glucose·g-1·d-1。土壤脲酶活性与 RT+LN 和RT+CN处理中，CH4排放通量之间存在显著负相关关系，与其他处理的相关性均未达到显著水平；虽然土壤-作物系统CO2排放通量随脲酶活性增加表现出上升趋势，但均未达到显著水平；LN条件下，NT和RT处理中脲酶活性与N2O排放通量存在显著相关关系，RT+CN处理下脲酶活性与N2O排放通量呈极显著正相关，其他处理相关关系不显著。各处理间土壤蔗糖酶活性与CH4排放通量存在显著负相关关系，相关系数为-0.694～-0.841；蔗糖酶活性与N2O排放通量之间呈显著正相关关系，相关系数为0.671～0.818；虽然CO2排放通量随蔗糖酶活性增加整体呈上升趋势，但两者之间相关性不显著。

20～40 cm土层脲酶活性变化范围为0.23～1.05 mg NH3-N·g-1·d-1，蔗糖酶活性变化范围为 21.60～73.05 mg glucose·g-1·d-1。其中，除PT+CN处理土层脲酶活性与N2O排放通量之间相关系数为0.583，未达到显著水平外，其他处理两者之间的相关关系均达到显著水平；虽然整体上CH4排放通量随脲酶活性降低而减小，CO2排放通量随脲酶活性增强而变大，但均未达到显著水平。土层蔗糖酶活性与CH4、CO2及N2O排放通量之间相关关系均不显著。

3 讨论

图6 土壤脲酶与温室气体排放的关系Figure 6 Relationship between soil urease and greenhouse gas emissions

土壤酶主要来源于土壤微生物和植物根系的分泌物及动植物残体分解释放的酶。土壤脲酶可催化尿素水解生成氨和二氧化碳，而氨先通过亚硝化细菌的亚硝化作用生成NO-2，进而NO2-被硝化细菌经硝化作用生成NO-3供作物吸收利用，其活性在一定程度上反映了土壤的供氮能力，与土壤氮素循环息息相关[25]。土壤蔗糖酶催化土壤中蔗糖水解成的葡萄糖和果糖，是土壤微生物和植物根系发育的营养物质，蔗糖酶活性在一定程度上反映了土壤的营养状况[25]。本研究中，脲酶和蔗糖酶活性随小麦生育期推进而变化，均在小麦拔节期活性最高，这种现象应该与小麦拔节期前追施尿素有关。由于脲酶作用下的底物和产物均增多，一方面使得NO-3参与下的根系形态建成加快，另一方面根系分泌物增多，根际微生物活动旺盛，促进了对相关土壤酶的分泌释放，根系和微生物的连锁效应协同促进了脲酶和蔗糖酶酶促反应能力的提升，这与甄丽莎等[26]的研究结果一致。同时本研究发现脲酶和蔗糖酶对土层的反应敏感程度不同，0～20 cm土层脲酶活性变化在不同时期间差异较大，20～40 cm土层活性变化差异较小，而蔗糖酶在两个土层的变化幅度均较小。这一方面可能是由尿素表施引起的0～20 cm土层中尿素含量变动导致，而蔗糖酶的酶促底物含量相对稳定，另一方面由于上下耕层根系生物量和形态的差异，根际微生物群落的差异和活动对酶活性也有一定影响。此外，相关研究也证明了脲酶、蔗糖酶的活性随土层加深而降低[27]，随施氮量的增加而增强[28]，减少施氮量显著降低脲酶活性[29]。拔节期前，3种耕作方式之间NT脲酶活性最小，PT脲酶活性最大，且存在极显著差异，这是由于脲酶的酶促反应为需氧反应，翻耕的土壤孔隙度较大，通透性好导致土壤氧含量较高，而免耕的土壤反之，故翻耕土壤为脲酶提供了更好的酶促动力学条件，增强了土壤脲酶的活性。

图7 土壤蔗糖酶活性与温室气体排放的关系Figure 7 Relationship between soil Sucrase and greenhouse gasemissions

土壤通气状况是CH4发挥源/汇作用的主要原因[19]。本研究中，不同处理间由于耕作方式的不同，形成了不同的土壤通透性，对CH4的排放通量呈现出NT＞RT＞PT，麦田土壤对CH4气体表现为吸收，与田慎重等[30]的研究结果一致。因为在旱地土壤中较多的CH4氧化菌消耗和吸收了地表大气中的CH4，使旱地土壤成为一个弱的CH4汇[31]。另外，本研究发现减少施氮量能够显著增加土壤对CH4吸收的主要原因可能是NH+4-N抑制了CH4氧化菌的活性，从而抑制了CH4的氧化[32]。拔节期追施尿素增加了土壤中NH+4-N的含量，灌水降低了土壤通透性，降低了土壤对CH4的吸收。开花期之后随着小麦生长对土壤中NH+4-N的吸收和气温的升高，CH4的排放通量逐渐增大。

土壤CO2排放主要是由微生物活动和根系呼吸作用产生，受土壤养分状况、环境温度、农田管理措施等多方面因素的影响[19]。耕作措施通过改变土壤团粒大小、湿度、紧实度、通透性及养分的物质和能量转化等方式调节土壤有机质的分解环境[33]，进而影响温室气体的吸收和排放[34-35]。本研究中，不同耕作方式间的土壤CO2排放顺序为PT＞RT＞NT。一方面，相较于不同程度增加土壤通透性的RT和PT，NT减少土壤干扰的同时，增加了团聚体的稳定性，有利于难分解碳的形成，从而减少土壤CO2的排放；另一方面，NT处理的秸秆覆盖在表层维持土壤温度和湿度的稳定，也减少了CO2排放[35-36]。LN与CN处理下的CO2排放通量整体呈现出CN＞LN，与李新华等[37]的研究结果一致，即减少施氮量能有效减少CO2的排放。

施肥、耕作及气候等因素直接影响着土壤的硝化与反硝化过程[38]，而农田N2O的排放主要来自土壤的反硝化过程，该过程主要受外源C、N供应水平的制约[39]。本研究中，N2O的排放在拔节期追肥后出现峰值（图5），这可能是因为追肥为N2O的释放提供了足够的氮素[40]。NT、RT、PT 3种耕作模式下LN与CN处理相比，N2O排放通量显著降低，主要原因是氮肥的减施减少了反硝化作用的底物供应，使反硝化过程中反硝化细菌所需的有效氮源不足，从而减少了N2O的排放[41]。PT和RT不同程度地改善了土壤通透性，加速了土壤中N2O的排放，NT对土壤扰动小被认为是减少N2O排放的有效措施，但也有研究认为免耕降低了土壤中氧气的浓度，可能会增加反硝化引起的N2O的排放[42]。另外，与传统的PT相比，第一年NT和RT能明显降低13.53%和1.60%麦田N2O排放通量，第二年分别降低15.69%和4.82%，说明整体排放第二年较第一年降低更多，表明连续保护性耕作和秸秆还田对于NO2排放的降低具有较大潜力，这可能是由于秸秆的分解促进了反硝化过程，从而减少N2O的排放[43]，但是需要多年的试验进一步验证。

温室气体的排放与土壤生态系统，特别是土壤酶系统的生物化学过程中的C/N物质和能量循环关系密切。已有研究表明，添加脲酶抑制剂能有效减少温室气体的排放，脲酶活性与温室气体的排放密切相关[44]。本研究中，脲酶活性与N2O排放通量之间呈现出明显的正相关关系，不同土层和耕作措施的相关性均在0.6以上，表明脲酶作为作用于线型酰胺C—N键（非肽）的水解酶，通过酶促反应将尿素水解成氨，增加了N2O的反应底物；脲酶与CH4排放通量也为正相关，但是相关性不显著。蔗糖酶在0～20 cm和20～40 cm的土层中与CO2和N2O的相关性不同，在0～20 cm土层环境中，蔗糖酶活性与CO2和N2O的排放通量为正相关，但是在20～40 cm土层中，相关性呈现先升高，后下降的趋势，即温室气体排放通量活性随酶活性的升高而下降。土壤蔗糖酶主要作用于呋喃果糖甘末端残基的水解，是受土壤空气影响的诸多酶的一种，与土壤的呼吸强度有关。故当20～40 cm土层氧气的消耗达到蔗糖酶的临界阈值时，酶活性受到抑制，这可能是导致温室气体排放通量下降的原因。这与张俊丽等[45]的研究结果不尽一致，可能与不同土壤质地、作物品种以及试验季节气候等有关，有待进一步论证。也需要进一步从植物残茬的腐烂降解、土壤微生物、土壤酶系统和大气环境中C、N等元素循环及其互动机理出发，整合土壤微生物学、分子生物学和土壤学等多学科交叉进行深入探讨。

4 结论

（1）本研究中不同处理下，小麦田表现为CH4的汇和CO2与N2O的源。

（2）减少施氮量显著降低了土壤脲酶和蔗糖酶的活性；旋耕与翻耕相比，浅层土壤的蔗糖酶和脲酶活性提升显著。土壤酶活性随着耕作方式对耕层微环境的改变影响温室气体排放通量。

（3）脲酶与CH4排放通量呈负相关，与CO2、N2O排放通量呈正相关；蔗糖酶与CH4排放呈负相关，与N2O排放呈正相关，但20～40 cm耕层相关性不显著。

（4）在麦玉轮作秸秆还田、化肥减控的耕作措施下，旋耕加氮肥减施是保障小麦稳产、维持土壤酶活性和降低农田温室气体排放的有效措施。