碳氮水添加对华北小麦-玉米双季轮作系统碳平衡的影响

夏旭　李银坤　陈敏鹏　雷强

摘要：研究典型农田生态系统的碳平衡和不同农业措施的影响，对促进农业部门的减排增汇有十分重要的意义。试验在山东省淄博市桓台县进行，共有8个处理，即C0N0W1：空白对照;C0N1W1：常规氮输入+化肥氮+常规灌溉; C0N2W1：氮输入减量+化肥氮+常规灌溉;C1N2W1：氮输入减量+有机肥+常规灌溉;C2N2W1：氮输入减量+有机肥化肥配施+常规灌溉;C0N2W2：氮输入减量+化肥氮+减量灌溉;C1N2W2：氮输入减量+有机肥+减量灌溉;C2N2W2：氮输入减量+有机肥化肥配施+减量灌溉。研究表明，华北高产农田夏玉米季和冬小麦季都表现为大气CO2的吸收汇，周年NEP为5.99～9.64t C·hm-2，周年净生态系统生产力（NEP）固碳量 C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N2W1>C0N1W1>C1N2W2>C0N2W2>C0N0W1。

关键词：碳氮水添加;小麦玉米轮作;土壤呼吸;碳平衡;华北平原

中图分类号：S19

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－02－011

Effects of carbon， nitrogen and water addition on carbon balance of wheat－maize double rotation systemin North China Plain

XIA XuLI Yinkun CHEN Minpeng3， LEI Qiang4

Abstract： It is important for promoting mitigation in agricultural sector to study the carbon balance of typical agro－ecosystem and the effects of different agricultural practices. The experiment was conducted in Huantai County， Shandong Province， and we set eight treatments： C0N0W1， CK; C0N1W1： traditional nitrogen addition， chemical fertilizer， traditional irrigation; C0N2W1： reduced nitrogen addition， chemical fertilizer and traditional irrigation; C1N2W1： reduced nitrogen addition， organic fertilizer and half of traditional irrigation; C2N2W1： reduced nitrogen addition， chemical and organic fertilizer， and traditional irrigation; C0N2W2： reduced nitrogen addition， chemical fertilizer， and half of traditional irrigation; C1N2W2： reduced nitrogen addition， organic fertilizer， and traditional irrigation; C2N2W2： reduced nitrogen addition， chemical and organic fertilizer， and half of traditional irrigation. Results show that the Wheat－Maize Double Rotation System in North China Plain represents a net carbon sink， and annual net ecosystem productivity （NEP） carbon ranged from 5.99 t C·hm-2 to 9.64 t C·hm-2， and the NEP carbon： C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N2W1>C0N1W1>C1N2W2>C0N2W2>C0N0W1.

Key words： carbon， nitrogen and water addition; wheat－summer double rotation system; soil respiration; carbon balance; North China Plain

工业革命以来人类大量燃烧煤、石油、天然气等化石燃料以及对森林、草地等自然生态的破坏，加剧了全球大气中的温室气体浓度和温室效应。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（AR5）表明，1750—2011年，人类活动已经导致大气中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体的浓度增加到过去80万年以来前所未有的水平;1880—2012年全球平均温度升高了0.85℃（0.65～1.06℃）［1］。

农业是温室气体的主要排放源之一，全球农业、林业和土地利用（AFOLU）导致的温室气体排放占人为温室气体排放量的24％，其中农业源温室气体排放占人为温室气体排放的14％［1-2］。2014年，中国农业源温室气体排放为8.3亿吨CO2－eq，占全国温室气体排放总量（不包括土地利用、土地利用变化和林业）的6.7％，其中农业土壤排放的N2O为93万吨（2.88亿吨CO2－eq），占农业温室气体排放的34.7％［3］。另一方面，土壤碳库是全球碳循环的重要组成部分，农业土壤也有一定固碳潜力，通过合理的农作管理和土壤管理措施可以减少土壤呼吸、增加土壤有機碳含量，从而能在一定程度上抵消农业的碳排放［4-6］。因此，研究典型农田生态系统的碳平衡以及不同处理措施对农田生态系统碳平衡的影响，对促进农业部门的减排增汇和可持续发展有十分重要的意义［7］。

华北平原是中国最重要的商品粮生产基地之一，耕地面积占全国总耕地面积的25％，生产了全国70％以上的小麦和近30％的玉米［8］。华北平原粮食作物生产体系以“冬小麦-夏玉米”一年两作为主，生产集约化程度高，具有“投入高、产量高、环境影响大”的特点［4，7-8］。其中，山东省淄博市桓台县地处鲁中山区和鲁北平原的结合地带，是中国重要的商品粮生产基地之一和北方典型的农业生产集约区。因此，国内外针对华北平原典型种植系统的碳平衡开展了大量研究［9-11］，并分析了耕作方式［12-15］、施肥［7，16］、秸秆还田［17］、灌溉［18-19］等不同田间管理措施对碳平衡的影响，但对碳氮水综合性调控方案的研究比较少。山东省淄博市桓台县是中国1990年建成的江北“第一吨粮县”，此后一直保持着粮食产量高涨的势头，但是由于粮食高产伴随着化学投入品的大量使用加剧了农田温室气体排放并带来一系列环境问题，也影响了该区域农田的土壤碳平衡过程［20-21］。据梁龙等［22］报道，桓台粮区十几年的平均氮素投入是华北平原氮肥推荐施用量和山东省单位耕地面积施肥量的1.26～1.98倍和2.2～3.8倍，氮素的大量投入给当地农业的可持续发展带来了一系列问题。同时，由于降水量少，水资源不丰裕，该地区的灌溉农业也面临着农业节水的严峻挑战［23］。因此，以桓台县为例，研究不同碳氮水综合调控措施对华北典型冬小麦-夏玉米种植系统碳平衡的影响和规律，探索最优的调控策略，可为中国发展低碳农业和促进农业减排增汇提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在山东省桓台县华北集约农业生态系统实验站（117°58′E，36°57′N，海拔6.5～29.5m，平均海拔17m）碳氮水循环试验地进行（始于2010年6月）。桓台县地处暖温带大陆性季风气候带，多年平均气温为12.5℃；平均日照时数为2 270.8h；平均降水量为587mm，主要集中在6～8月；平均无霜期198d。试验地种植模式为冬小麦-夏玉米轮作，冬小麦和夏玉米的平均产量分别达7.5 t/hm2和8.5 t/hm2，是典型的冬小麦-夏玉米轮作高产区［24］。供试土壤为潮褐土，试验地耕层土壤（0～20cm）土壤理化性状见表1。

1.2 试验设计

试验布置于2010年6月，至2014年10月已完成4季冬小麦和5季夏玉米试验（其中第1季夏玉米无施肥和灌水）。试验设8个处理（具体方案见表3），每个处理3次重复，分别是① C0N0W1（空白对照+常规灌溉）;②C0N1W1（常规氮输入+化肥氮+常规灌溉），③C0N2W1（氮输入减量+化肥氮+常规灌溉），④C1N2W1（氮输入减量+有机肥+常规灌溉），⑤C2N2W1（氮输入减量+有机肥化肥配施+常规灌溉），⑥C0N2W2（氮输入减量+化肥氮+减量灌溉），⑦C1N2W2（氮输入减量+有机肥+减量灌溉），⑧C2N2W2（氮输入减量+有机肥化肥配施+减量灌溉）;其中减量氮输入比常规氮输入的总氮输入量减量30％，有机肥化肥配施处理中，有机肥和化肥的氮输入比重为1∶1;常规灌水量为100 mm·次-1，减量灌溉水平比常规灌溉水平用水量减少50％，由水表控制灌溉量。各小区面积为3.3 m×4 m，随机区组排列。

试验地采样期间为2013年6月至2014年5月， 其田间管理时间表详见表2。 试验中选用的玉米品种为郑单958， 小麦品种为鲁原502。 施用的氮化肥为含N 46％的尿素，施用的磷肥为含P2O530％的重过磷酸钙， 施用的钾肥为含K2O 50％的硫酸钾，其中90 kg·hm-2P2O5和90 kg·hm-2K2O在夏玉米播种时作为基肥一次施入，120 kg·hm-2的P2O5作为冬小麦的基肥一次施入。玉米季和小麦季施用的商品有机肥含氮量分别为1.02％和1.27％;所有处理人工播种收割，除了秸秆还田之外的处理秸秆都不还田。灌溉时间与当地农民的习惯灌溉时间保持一致，灌溉方式为管灌。

1.3 采样、测定和计算方法

1.3.1 土壤呼吸速率及其累积排放量 研究采用了静态箱法测定了2013年6月至2014年5月（下文提到周年皆指这段时间）的农田土壤呼吸速率。第一次采样时间为上季冬小麦收获和下季玉米播种之间，此时土壤未进行大的扰动之前，作为这段时期田间无作物情况下碳（C）排放量的平均值。播种（同时施肥）后连续一周采样，此后采样频率通常情况下为每周一次，若进行施肥、灌水等田间管理活动或者强降雨则进行连续一周的采样。具体的田间静态箱采样方法见李银坤等（2013）［7，26］。在进行气样采集的同时，读取静态箱内的气温和5 cm地温，并使用TDR同步测定土壤表层（0～10cm）体积水分。采集的CO2气体样本送到中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所用美国安捷伦公司生产的7890A型气相色谱进行测定，并确保测定在2～5 d内完成。CO2气体样品的测定条件、工作温度、标准气体和相对误差均见李银坤等（2013）［7］：

土壤呼吸速率或CO2排放通量（F，mg·m-2·h-1）的计算为公式（1）：

式（8）中：SOC为某一特定深度土壤有机碳储量（Mg·hm-2），ρ为土壤容重（g·cm-3），c为特定土层深度SOC的平均含量（g·kg-1），di为不同分层土层的厚度（cm），i为考虑的土壤分层数量。

1.3.5 其他项目的测定方法

本研究所需气象数据由试验区自动气象站采集，部分缺失数据来自山东省桓台县气象局。试验数据采用软件OriginPro 9.1绘图，采用SAS 9.3进行指标间的方差及差异性检验。

2 结果和分析

2.1 不同处理土壤呼吸通量的季节变化

试验期间周年日平均气温为13.9℃，比山东桓台县的多年平均气温（12.5℃）高1.4℃，变化幅度为-6.6℃（2014年2月10日）至31.7℃（2013年8月16日）;周年总降雨量为649mm，比山东桓台县的多年平均降雨量多62mm，最高降雨量为71.6mm，发生在2013年7月26日（图1）。其中夏玉米季（2013年6月—2013年9月）日平均氣温为24.4℃，累积降雨量557.8mm，高达周年降雨量的86％;冬小麦季（2013年10月—2014年6月）日平均气温为8.6℃，累积降雨量91.2mm，仅为周年降雨量的14％。

不同碳、氮、水处理措施土壤呼吸速率的季节变化都呈多峰模式，夏玉米季农田土壤呼吸速率显著高于冬小麦季（图2）。土壤呼吸速率在夏玉米播种（2013年6月17日）后波动上升，到大喇叭口期（2013年8月1日）达到周年峰值后开始下降;冬小麦播种时（2013年10月4日）出现土壤呼吸速率较小的峰值后下降，冬小麦越冬期（2013年11月26日至2014年2月17日）土壤呼吸速率下降到最低水平后，至小麦返青（2014年3月）又开始升高，土壤呼吸速率在小麦拔节期（2014年3月31日）和灌浆期出现峰值后再次小幅下降。影响土壤呼吸速率的农田管理措施包括播种施肥、追肥灌溉（夏玉米和冬小麦分别在大喇叭口期和拔节期追肥灌溉），两个时期均出现土壤呼吸峰值。土壤呼吸速率的最高峰峰值和谷值分别出现在夏玉米大喇叭口期和冬小麦越冬期，峰值分别为214.3～273.7 mg C·m-2·h-1和3.0～6.7mg C·m-2·h-1，其中峰值最高的是C1N2W1。

夏玉米季各处理平均土壤呼吸速率（以C计）为79.3～107.6 mg·m-2·h-1，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季土壤呼吸速率比C0N0W1分别变化-0.9％，6.6％，30.8％，18.2％，34.5％，11.9％和5.2％。冬小麦季各处理土壤呼吸速率为31.9～38.6 mg·m-2·h-1，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季土壤呼吸速率比C0N0W1分别变化1.2％，5.2％，21.1％，8.7％，19.8％，10.7％和0.0％。系统周年各处理年均土壤呼吸速率为49.6～63.8 mg·m-2·h-1，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季土壤呼吸速率比C0N0W1分别变化0.0％，6.1％，26.9％，14.3％，28.5％，11.4％和3.1％。

夏玉米季各处理土壤呼吸累积排放量（以C计）为1.99～2.65 t C·hm-2，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季土壤呼吸累积排放量比C0N0W1分别变化-9.6％，-3.6％，18.6％，6.4％，-1.8％，20.5％和3.2％，C1N2W2夏玉米季土壤呼吸累积排放量最高，C0N1W1夏玉米季土壤呼吸累积排放量最低，C1N2W2>C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N0W1>C0N2W1>C0N1W1（表4）。冬小麦季各处理土壤呼吸累积排放量为1.54～1.97 t C·hm-2，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2冬小麦季土壤呼吸累积排放量比C0N0W1分别变化6.5％，16.2％，27.9％，13.6％，9.1％，24.7％和20.8％，C1N2W1冬小麦季土壤呼吸累积排放量最高，C0N0W1冬小麦季土壤呼吸累积排放量最低，C1N2W1>C1N2W2>C2N2W2>C0N2W1>C2N2W1>C0N1W1>C0N0W1。周年各处理周年土壤呼吸累积排放量为3.64～4.58 t C·hm-2，C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2周年土壤呼吸累积排放量比C0N0W1分别变化-2.9％，4.5％，22.1％，9.3％，2.1％，22.1％和10.1％，C1N2W1周年土壤呼吸累积排放量最高，C0N1W1周年土壤呼吸累积排放量最低，C1N2W1>C1N2W2>C2N2W2>C2N2W1>C0N2W1>C0N0W1>C0N1W1，其中夏玉米季土壤呼吸累积排放量占比為周年累积排放量的54.1～58.7％。

可以看出，秸秆还田和有机肥配施会增加土壤夏玉米季和冬小麦季的CO2排放，在其他管理方式相同的情况下，秸秆还田和有机肥配施会导致土壤CO2周年排放分别增加16.8～19.6％和4.6～7.8％。其中，在其他管理方式相同的情况下，秸秆还田会促使夏玉米季和冬小麦季的CO2排放量分别增加22.7～23.1％和10.1～14.3％，对夏玉米季的影响大于冬小麦季;有机肥配施主要增加了玉米生育期CO2排放量， 增加了5.1～10.4％， 对冬小麦季的影响为-2.2～10.7％。 在其他管理措施不变的情况下， 节水灌溉可以使夏玉米季、 冬小麦季和周年CO2排放分别变化-3.0～1.9％，-6.1～6.3％和-2.3～0.7％，其中在秸秆还田的情况下，节水灌溉会增加夏玉米季的CO2排放和减少冬小麦季的CO2排放，周年CO2排放与常规灌溉相似;在有机肥配施的情况下，节水灌溉会略微促进CO2排放;在没有有机碳输入的情况下，节水灌溉会减少冬小麦季，但是增加夏玉米季的CO2排放，周年CO2排放低于常规灌溉。

2.2 不同处理土壤呼吸速率与地温和土壤含水量之间的关系

一般用Rs=a·ekT（Rs为土壤呼吸速率，T为土壤温度，a和k为回归系数常数）描述土壤呼吸与土壤5cm地温间的关系［7］。统计分析结果表明，不同处理下土壤5cm地温与土壤呼吸速率之间的关系拟合度均非常高，R2均在0.7以上，其中C0N2W2的R2最高，达到0.802，表明5cm地温是影响不同碳、氮、水处理下土壤呼吸速率的主要因素，可以解释其季节变化的71～81％（表5）。各处理土壤呼吸对地温的敏感性系数（Q10）为2.06～2.43，Q10最高的是对照处理C0N0W1，Q10最低的是处理C2N2W2。

土壤呼吸与土壤含水量之间的关系可以用多种模型来拟合，例如线性模型、二次方程和指数模型等，其中y表示土壤呼吸速率（以C计，单位为mg·m-2·h-1），x为土壤表层（0～10cm）体积含水量［7］。线性模型拟合结果表明，在整个夏玉米-冬小麦的生育期，所有拟合均未达到显著水平，R2也非常低，说明在整个夏玉米-冬小麦生育期土壤含水量的变化对土壤呼吸速率没有显著影响（表6）。若使用二次方程来拟合，当表层土壤（0～10 cm）体积含水量在15％以下时，土壤呼吸速率随着土壤体积含水量（0～10 cm）的增加而减小，当表层土壤（0～10 cm）体积含水量在15％至25％时，土壤呼吸速率随着土壤体积含水量（0～10 cm）的增加而增加。

2.3 不同处理的产量

夏玉米季各处理产量为5.05～8.45 t·hm-2，与对照相比，各处理都有显著的增产效果（p<0.05），C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季产量分别比C0N0W1增加56.2％，54.5％，66.9％，65.0％，56.0％，56.9％和67.3％，但非对照处理之间产量的差异则并不显著（表7）。冬小麦季各处理产量为6.65～8.17 t·hm-2，与对照相比，除C0N2W2的处理都有显著增产效果（p<0.05），C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C1N2W2，C2N2W2夏玉米季产量分别比C0N0W1增加13.2％，19.3％，21.6％，19.6％，12.2％和19.0％，但处理之间产量的差异也并不显著。各处理在夏玉米季的增产效果大于冬小麦季。

不同处理周年产量为11.80～16.60t·hm-2，各处理都比对照有显著的增产效果（p<0.05），C0N1W1，C0N2W1，C1N2W1，C2N2W1，C0N2W2，C1N2W2，C2N2W2周年产量分别比C0N0W1增加31.4％，33.9％，40.7％，39.0％，22.9％，32.2％和39.8％。其中，秸秆还田处理（C1N2W1和C1N2W2）可以使周年产量比常规处理（C0N1W1）和优化施肥處理（C0N2W1和C0N2W2）分别显著增加25.6％和26.4～30.1％（p<0.05）;有机肥处理（C2N2W1和C2N2W2）可以使夏玉米产量比常规处理（C0N1W1）和优化施肥处理（C0N2W1和C0N2W2）分别增加21.0％和21.8～31.2％（p<0.05）;但是秸秆还田处理和有机肥处理对2014—2016年夏玉米产量影响的差异性并不显著。

2.4 不同碳氮水处理的系统碳平衡

不同处理的系统碳平衡核算见表8。可以看出，不同处理夏玉米季的净初级生产力（NPP）固碳量为7.5～13.5 t C·hm-2，各处理间有比较显著的差异，夏玉米季NPP固碳量最高的是C1N2W1，最低的是C0N0W1;冬小麦季NPP固碳量为12.1～15.5t C·hm-2，各处理仅在不同的施氮量处理上差异明显，冬小麦季NPP固碳量最高的是C1N2W1和C2N2W1，最低的为C0N2W2。周年NPP固碳量为19.7～29.0t C·hm-2，周年NPP固碳量变化为： C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N2W1>C1N2W2>C0N1W1>C0N2W2>C0N0W1。因此，这表明施用氮肥可以通过增加产量提高周年的净初级生产力固碳量，但是有机碳输入（即秸秆还田或者有机肥配施）对周年NPP固碳量没有显著影响。

不同处理夏玉米季系统净碳输入为1.6～4.2t C·hm-2，表明夏玉米农田为大气CO2的“汇”;各处理间都比空白对照（即C0N0W1）有比较显著的差异，但是非对照处理间的差异不显著，其中夏玉米季NEP最高的是C0N2W1，最低的是C0N0W1。冬小麦季NEP固碳量为4.2～5.8t C·hm-2，冬小麦农田也为大气CO2的汇，各处理仅在不同的施氮量处理上差异明显，冬小麦季NPP固碳量最高的是C1N2W1，最低的是C0N2W2。周年NEP固碳量为6.0～9.6t C·hm-2，周年NEP固碳量 C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N2W1>C0N1W1>C1N2W2>C0N2W2>C0N0W1，与不同处理周年NPP固碳量的趋势一致，除了C1N2W2，其余处理的都显著高于空白对照（p<0.05）。

施用氮肥对系统碳平衡有双方面的作用，一方面氮肥施用可通过增强作物根系呼吸和微生物呼吸促进土壤呼吸［28-29］，增加了土壤呼吸释放的总碳量;另一方面，施用氮肥会通过增加产量提高系统净碳输入。本研究发现，在其他管理措施相同情况下，氮肥施用可以显著增加48～55％的周年系统NEP（p<0.05），其中会让夏玉米季的NEP显著增加150～158％，但是常规氮肥施用和优化氮肥施用对NEP的影响之间的差异不显著，这与李银坤等［7］对该系统早期的研究结论基本一致。有机碳输入（秸秆还田或者有机肥配施）由于同时增加了土壤碳输入和促进了土壤呼吸，对周年NEP固碳量没有显著影响。节水灌溉在没有秸秆还田或者有机肥配施的情况下，会显著减少冬小麦季的NEP，但对夏玉米季的NEP没有显著影响。

3 结 论

研究表明，华北高产农田夏玉米季和冬小麦季都表现为大气CO2的吸收汇，周年NEP为5.99～9.64t C·hm-2，周年NEP固碳量 C1N2W1>C2N2W1>C2N2W2>C0N2W1>C0N1W1>C1N2W2>C0N2W2>C0N0W1。在其他管理措施相同情况下，氮肥施用可以显著增加48～55％的周年系统NEP（p<0.05），其中会让夏玉米季的NEP显著增加150～158％，但是常规氮肥施用和优化氮肥施用对NEP的影响之间的差异不显著。有机碳输入（秸秆还田或者有机肥配施）由于同时增加了土壤碳输入和促进了土壤呼吸，对周年NEP固碳量没有显著影响。节水灌溉在没有秸秆还田或者有机肥配施的情况下，会显著减少冬小麦季的NEP，但对夏玉米季的NEP没有显著影响。

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（编 辑 亢小玉）

收稿日期：2019－11－20

基金项目：国家自然科学基金资助项目（71573260）

作者简介：夏旭，女，江苏场州人，从事土壤碳氮循环研究。

通信作者：陈敏鹏，女，江西鄱阳人，教授，从事农业温室气体减排和增汇研究。