耕作措施对陇中黄土高原旱作春小麦田非生长季CO2排放通量的影响

张世康,闫丽娟,李广,杨传杰,吴江琪,刘帅楠,姚瑶,魏星星,张娟

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州 730070)

气候变暖是全球最严峻的环境问题之一[1]。据报道全球气候变暖已成为事实，仅1880～2012年间全球平均温度升高了0.85 ℃，而且升温速度正在加快，温度升高间接影响了各地区的降水格局[2]。人类活动向大气中释放大量的二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)以及甲烷(CH4)等温室气体(GHG)是导致全球气候变暖的根本原因[3]。而农业源温室气体的排放在全球人类活动造成的温室气体排放中占有很重的比例，其中农业源排放的CO2占全球人类活动造成的温室气体排放总量的25%[4]。农田温室气体排放的主要来源是农田土壤，据估计农田土壤每年向大气中排放的CO2占全部CO2总量的5%～20%[5]。因此，研究农田土壤CO2的排放对控制全球气候变化有重要作用[6]。

保护性耕作技术主要通过免耕或者少耕来减少对土壤的扰动，并且在土壤表面上增加作物秸秆和残渣覆盖，通过改变土壤结构、有机质含量、含水量等理化性质来改变土壤微生物含量及酶的活性，进而影响农田温室气体的排放[7-9]。一般认为，免耕可以减少CO2的排放，覆盖可以增加CO2的排放[10]，且CO2的排放与秸秆覆盖量有显著的正相关关系[11]，但是也有研究表明覆盖可以减少CO2的排放[12]。由于CO2的排放受到的影响因素较为繁杂，导致研究结果不一[10-12]。因此，研究保护性耕作技术对CO2排放的影响对控制农田土壤CO2的排放有着重要意义。

定西地处陇中黄土高原地区，是典型的黄土高原雨养农业区[13]，而黄土高原是世界上水土流失最严重、生态环境最敏感的地区，严重的水土流失导致土壤资源荒漠化，地表植被退化，土地生产力降低[14]。而以免耕和秸秆覆盖作为核心技术的保护性耕作措施可以减少水土流失[15]、改善土壤环境[16]。目前，已有许多学者对该地区进行了研究，其中吕锦慧等[17]的研究发现不同耕作措施下豌豆地土壤在测定期表现为CO2的排放源，且在生育期内CO2主要呈现为高排放，休闲期呈现低排放。汪婧等[11]的研究发现免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖和传统耕作结合秸秆还田等3种保护性耕作措施有助于减少土壤温室气体的排放量。但前人研究大多是研究耕作措施对小麦生长季的温室气体的影响[11,15]，对不同耕作措施非生长季CO2排放的变化及影响却鲜有报道。

因此，本研究依托于甘肃省定西市凤翔镇甘肃农业大学旱作实验基地，通过测定样地内CO2排放通量、土壤温度、含水量以及土壤养分状况(全氮、有机碳、全磷、铵、硝态氮)来探讨不同耕作措施下春小麦非生长季的CO2的排放特征及其响因素，以期为黄土高原雨养农业区春小麦田CO2的减排提供依据及参考并为该领域的研究提供一定的补充。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省定西市安定区凤翔镇安家坡村(E 104.65°，N 35.58°)，地处陇中黄土高原地区，属中温带半干旱地区，海拔2000m，该地区年均太阳辐射141.6×1.48 kJ/cm2，年均气温6.4 ℃，年均≥0 ℃积温2 933.5 ℃，年均≥10 ℃积温2 239.1 ℃，无霜期140 d，年均蒸发量1 531 mm，多年平均降水量385 mm，降水季节分配不均，主要集中在7～9月，降水量低而且不稳定，年际变异系数很大为18.5%。试验地土壤为黄绵土，抗侵蚀能力较弱，试验地土壤养分及水温状况见下表1，试验期内试验地气温及降水量见下图1。

1.2 试验设计

试验从2017年9月开始，采用随机区组设计，试验地种植春小麦。研究区域设置了4个不同耕作措施处理：传统耕作、传统+秸秆覆盖、免耕、免耕+秸秆覆盖(表1)。每个处理都在4 m×6 m固定研究样地内，每个处理的样地内随机设置0.5 m×0.5 m的固定采样区3个，用以测定该耕作类型下土壤温室气体排放规律。小麦播种时底肥为150 kg/hm2磷酸二铵，62.5 kg/hm2尿素。小麦品种为定西42，播种量为187.5 kg/hm2，每个样地内播种24行，行距25 cm。

表1 不同耕作措施下土壤的养分及水温状况

图1 试验期内试验地的日平均气温与降水量情况Figure 1 Daily average temperature and precipitation of the test site during the test period

表2 耕作措施描述

1.3 温室气体采样与测定

4种耕作措施的试验样地内于2017年9月埋设底座，每个固定研究样地内埋设1个底座。底座和采集箱都是中科院大气物理研究所研制的，底座尺寸为50 cm×50 cm×20 cm，板厚2.5 mm，底座上端有焊接宽度约2 cm的密封边，下端为不锈钢做成的刃口，以便于插入土壤中；采样箱的尺寸50 cm×50 cm×50 cm无底正方体，箱壁用1 mm厚304K薄不锈钢板制成，顶箱上端装有两个搅拌风扇用来使箱内空气混合均匀。

在春小麦非生长季(2018年11月～2019年3月，每月2次)内，早上9∶00～11∶00之间进行温室气体采样。采样前必须保证密封圈的完整(如果破损要及时更换)，在罩箱前，要事先检查采样管、风扇电源、温度测量接头是否良好。在罩箱后，开始计时并采集气样，分别在间隔0、9、18、27、36 min用100 mL带有三通阀并密封良好的塑料医用注射器抽取箱内气体，注入0.1 L密封气袋。采样结束后应尽快把样品带回实验室在气相色谱仪(A90)上进行分析(一周内完成)。采集气样的同时，用便携式测温表(JM624)测定箱内温度，用EM50测土壤水分、温度以及空气温度。

CO2排放通量采用下式计算[18]：

式中：F为气体通量(mg/(m2·h))，dc/dt为采样时为箱内目标气体浓度随时间变化的回归曲线斜率，M为被测气体摩尔质量(g/mol)，P0和T0为理想气体标准状态下的空气压力和气温(分别为1 013.25 hPa和273.15 K)，V0为标准状态下的气体摩尔体积(mL/mol)，即22.41 mL/mol，H为正方体采样箱内气室高度，P和T为采样时箱内的实际气压和气温。

1.4 数据分析

试验原始数据用Office 2019整理，利用SPSS 25对数据进行整理，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD法)对4种耕作措施间的CO2排放通量进行差异性。所有图表均在Office 2019中完成。

2 结果与分析

2.1 试验地土壤的养分、温度及含水量

在春小麦非生长季(2 018.11～2 019.3)，4种耕作措施间的土壤养分含量见表1。土壤全氮含量在土壤表层(0～10 cm)表现为TS>T>NT>NTS；在10～40 cm土层都表现为NT>TS>NTS>T。土壤有机碳含量在土壤表层表现为NTS>TS>T>NT，在10～20 cm土壤表现为TS>NTS>T>NT,在20～40 cm土壤表现为NTS>TS>T>NT。土壤全磷含量在土壤表层表现为NT>TS>T>NTS，在10～20 cm土壤表现为T>TS>NTS>NT,在20～40 cm土壤表现为TS>T>NT>NTS。土壤铵态氮含量在土壤表层表现为TS>T>NTS>NT，在10～20 cm土壤表现为NTS>T>NT>TS,在20～40 cm土壤表现为T>NTS>NT>TS。土壤硝态氮含量在土壤表层表现为T>TS>NTS>NT，其余两层都表现为T>TS>NT>NTS。

4种耕作措施下土壤含水量都为先降后升的趋势(图2)，都表现为2019年3月份最大，2018年12月份最小，2019年2月份有个小的峰值。样地的平均含水量为T最小，NTS最大(表1)。4种耕作措施间0～5 cm的土壤温度的变化趋势都表现为先降后升，且变化幅度都不大(图3)。4种耕作措施间5～10 cm的土壤温度变化除TS外，其他3种耕作措施的趋势相同，都为先降后升(图4)。试验样地的平均温度表现为：T最高， NTS最低(表1)。

图2 样地土壤含水量Figure 2 Soil moisture content of the sample plot

图3 0～5 cm不同耕作措施的土壤温度Figure 3 0～5 cm soil temperature of different tillage measures

2.2 CO2的平均排放通量

在春小麦非生长季(2 018.11～2 019.3)，4种耕作措施间的CO2的平均排放通量(图5)，表现为TS(10.98 mg/(m2·h))>T(10.79 mg/(m2·h))>NTS(8.88 mg/(m2·h))>NT(8.29 mg/(m2·h)).与T的CO2的平均排放通量相比，TS增加了1.76%，NT和NTS分别减少了23.16%和17.7%。由此可知，秸秆覆盖可以增加旱作春小麦田CO2的排放通量，免耕可以明显减少旱作春小麦田CO2的排放通量(P<0.05)。

图4 5～10 cm不同耕作措施土壤温度Figure 4 5～10 cm soil temperature of different tillage measures

图5 不同耕作措施下的CO2平均排放通量Figure 5 The average CO2 emission flux under different farming measures

2.3 CO2排放通量的季节变化

4种耕作措施间的CO2排放通量都表现为先降后升的趋势(图6)，排放最大值均在2018年11月份，且T的CO2排放通量明显小于其他3种耕作措施；最小值都在2019年2月份，且TS的CO2排放通量明显大于其他3种耕作措施；而且在一月份时CO2排放通量出现了一个小的峰值。T的变化幅度最大，而NT和NTS 的变化幅度都较小， TS的变化幅度最小。由此可知，TS的CO2排放通量明显大于其他3种耕作措施，NT的CO2排放通量明显小于其他3种耕作措施。

2.4 CO2排放通量与土壤温度、含水量及养分的相关性分析

4种耕作措施下CO2排放通量与土壤的0～5 cm温度、5～10 cm温度都呈正相关关系，NT和T的CO2排放通量与土壤的0～10 cm温度呈显著正相关(P<0.05)，NTS和TS的CO2排放通量与土壤的0～10 cm温度呈极显著正相关(P<0.01)。NT、T和TS的CO2排放通量与土壤含水量都呈正相关关系，且相关性都不大，T的最小。4种耕作措施下CO2排放通量与0～40 cm土壤有机碳的含量都呈正相关关系，与0～20 cm的有机碳含量呈极显著正相关(P<0.01)。4种耕作措施下CO2排放通量与三个土层的土壤全磷含量都呈正相关关系，与土壤表层(0～10 cm)的土壤全磷含量呈显著正相关(P<0.05)。4种耕作措施下CO2排放通量与0～40 cm的土壤全氮含量都呈正相关关系，但与0～10 cm的全氮含量呈显著正相关(P<0.05)。4种耕作措施下CO2排放通量与0～40 cm的土壤铵态氮含量呈正相关关系,CO2排放通量与0～10 cm的土壤铵态氮含量呈显著正相关(P<0.05)。4种耕作措施下CO2排放通量与0～40 cm的土壤硝态氮含量都呈正相关关系， 与10～40 cm的土壤硝态氮含量呈显著正相关(P<0.05)。由此可知，土壤CO2的排放通量与0～20 cm的土壤有机碳含量呈极显著正相关(P<0.01);与0～10 cm土壤全磷含量、土壤全氮含量、土壤铵态氮含量呈显著正相关(P<0.05)，与10～40 cm的土壤硝态氮呈显著正相关(P<0.05)。

图6 不同耕作措施下CO2排放通量的季节变化Figure 6 Seasonal changes of CO2 emission flux under different farming measures

*：在0.05级别，相关性显著；**:在 0.01 级别，相关性显著。*：The correlation is significant at the 0.05 level；**：The correlation is significant at the 0.01 level.图7 CO2排放通量与0～5 cm土壤温度的相关性Figure 7 Correlation between CO2 emission flux and 0～5 cm soil temperature

*：在0.05级别，相关性显著；**:在 0.01 级别，相关性显著。*：The correlation is significant at the 0.05 level；**：The correlation is significant at the 0.01 level.图8 CO2排放通量与5～10 cm土壤温度的相关性Figure 8 The correlation between CO2 emission flux and 5～10 cm soil temperature

*：在0.05级别，相关性显著；**:在 0.01 级别，相关性显著。*：The correlation is significant at the 0.05 level；**：The correlation is significant at the 0.01 level.图9 CO2排放通量与土壤含水量的相关性Figure 9 Correlation between CO2 emission flux and soil moisture content

3 讨论

3.1 耕作措施对CO2排放的影响

土壤CO2排放主要是土壤呼吸作用的结果，而在非生长季，由于植株根系死亡，土壤冻结使得土壤中的动物活动受限，故土壤的CO2排放基本上是由土壤微生物呼吸产生的，而耕作措施则是通过土壤温度、紧实度以及土壤养分状况来影响土壤CO2的排放[19]。本研究发现与传统耕作相比，秸秆覆盖可以增加CO2的排放通量，免耕可以显著减少CO2的排放通量，免耕的CO2的排放通量仅为传统耕作的76.84%，而传统耕作+秸秆覆盖的CO2的排放通量为传统耕作的101.76%(图5)，其原因是免耕减少了土壤的扰动，并使得土壤有机碳的暴露减少、降解速率变慢，进而使得CO2的排放量减少[20]；秸秆覆盖可以增加土壤含水量，提高土壤温度，有利于CO2的排放，同时覆盖的秸秆腐烂后又增加了土壤腐殖质的含量，为土壤微生物的呼吸作用提供了大量的底物，从而促进了CO2的排放。本研究结果与汪婧等[11]、谢燕等[21]及杜杰等[22]的研究一致。而于爱忠等[23]和李玮等[24]的研究结果也表明秸秆覆盖可以促进CO2的排放，其原因是秸秆覆盖能对雨滴直接击打地面造成的土壤板结起到缓解作用，从而增加了土壤的通透性，促进了CO2的排放。

*：在0.05级别，相关性显著；**:在 0.01 级别，相关性显著。*：The correlation is significant at the 0.05 level；**：The correlation is significant at the 0.01 level.图10 CO2排放通量与土壤有机碳含量的相关性Figure 10 Correlation between CO2 emission flux and soil organic carbon content

*：在0.05级别，相关性显著。*：The correlation is significant at the 0.05 level.图11 CO2排放通量与土壤全磷含量的相关性Figure 11 The correlation between CO2 emission flux and soil total phosphorus content

*：在0.05级别，相关性显著。*：The correlation is significant at the 0.05 level.图12 CO2排放通量与土壤全氮含量的相关性Figure 12 Correlation between CO2 emission flux and total soil nitrogen content

*：在0.05级别，相关性显著。*：The correlation is significant at the 0.05 level.图13 CO2排放通量与土壤铵态氮含量的相关性Figure 13 The correlation between CO2 emission flux and soil ammonium nitrogen content

*：在0.05级别，相关性显著。*：The correlation is significant at the 0.05 level.图14 CO2排放通量与土壤硝态氮含量的相关性Figure 14 Correlation between CO2 emission flux and soil nitrate nitrogen content

本研究发现在整个非生长季，4种耕作措施间的CO2排放都表现为先减小后升增加，排放最大值均在2018年11月份，最小值都在2019年2月份，且TS的CO2排放通量明显大于其他3种耕作措施。这是由于CO2排放受土壤温度和土壤含水量的影响较大,都呈正相关(图7～9)，而在非生长季土壤的温度和水分都先减小后增加(图1～3)。在2018年11月份土壤温度和含水量都较高，土壤微生物的数量和活性在整个非生长季都是最高的，而且还有土壤中动物的活动也会对CO2排放有影响，所以此时CO2排放通量是最高的；在2019年1月初 CO2排放通量出现了一个小的峰值，是由于样地的土壤温度和含水量都升高，土壤微生物的活性增强，从而导致CO2的排放通量变大。而在2月中旬出现土壤CO2的排放通量的最低值，在3月底又出现峰值的原因是在2月下旬农田土壤发生了的冻融交替，改变了土壤的团粒结构，暴露出了很多有机碳[25]；同时土壤冰晶中杀死的微生物在解冻后，细胞破裂会释放出大量供微生物呼吸的糖或氨基酸等底物[26]，但是，由于2月份的地温一直较低(低于0 ℃)，土壤微生物的活性受到抑制；直到3月份地温开始回升，土壤微生物的活性增强，从而导致3月份的CO2排放通量增加。而且有研究表明秸秆覆盖可以增加土壤水分[20]，从而促进了CO2排放；免耕由于减少了土壤有机碳的暴露[21]，从而减少了CO2的排放。由此可知，免耕相比于其他耕作措施，可以有效地减少CO2的排放，而秸秆覆盖相比于其他耕作措施，可以促进CO2的排放，这与大多数前人的研究结果[11,19-24]是一致的。

3.2 环境因素对CO2排放的影响

研究表明土壤温度和土壤含水量是影响土壤CO2的排放通量的主要因素[27]，但也有研究表明土壤含水量对CO2的排放通量的影响受环境因素的配置状况支配[28]。本研究发现在非生长季春小麦田的CO2排放通量与土壤温度和含水量都呈正相关关系，并且受温度的影响较大，受水分影响较小(图7～9)。因为随着土壤温度的降低，CO2的排放通量逐渐降低；温度回升后，CO2排放通量又逐渐升高(图6)，并且CO2排放通量与土壤温度呈显著正相关(P<0.05)，与土壤含水量呈正相关但不显著。这与前人[27-28]的研究结果相似。本研究发现在非生长季春小麦田的CO2排放通量与0～20 cm土壤有机碳呈极显著正相关(P<0.01)，与20～40 cm土壤有机碳呈正相关(图10)，原因土壤微生物主要在土壤表层，而土壤有机碳作为它的呼吸底物，其含量直接影响了土壤微生物的呼吸作用。这与谢慧慧等[27]和Bahn等[29]的研究结果相似，谢慧慧等[27]的研究发现，不同土地利用方式下的土壤CO2的排放通量与土壤有机碳含量有显著的正相关关系；Bahn等[29]的研究发现，在草地生态系统中土壤CO2的排放通量与表层土壤的有机碳含量呈显著正相关关系。而魏书精等[30]的研究发现,土壤的全磷含量的变化也会对土壤CO2的排放通量有影响，他们间有着显著的正相关关系，土壤全磷的含量增加会导致土壤CO2的排放通量增加。本研究结果与其相似，本研究发现土壤CO2的排放通量与0～40 cm土壤全磷的含量都呈正相关关系，并与土壤表层(0～10 cm)的全磷含量呈显著正相关。土壤CO2的排放通量受的0～10 cm的全磷含量影响较大，受的10～40 cm的全磷含量影响较小(图11)，原因是土壤微生物可以直接利用的全磷主要是土壤表层的全磷，而土壤全磷的增加会使得土壤呼吸的底物增加，从而导致CO2的排放通量增加。

土壤全氮作为土壤呼吸的底物之一，其含量对土壤CO2的排放通量有直接影响。游璟[31]的研究表明，土壤CO2的排放通量与上层土壤全氮呈显著正相关关系，而下层土壤(20～30 cm)全氮与土壤CO2的排放通量不具有显著相关性。本研究结果与之类似，本研究发现土壤CO2的排放通量受土壤0～10 cm的全氮含量影响较大，并呈显著正相关关系；受10～40 cm的全氮含量影响较小，也呈正相关关系但不显著，原因是土壤微生物主要分布在土壤表层，在春小麦非生长季可以直接利用的全氮也主要是土壤表层的全氮。而王进斌等[32]的研究结果也与本研究相似，他的结果表明在玉米生长季土壤碳排放仅与0～10 cm的土壤有机碳和土壤全氮呈显著正相关。有研究表明，铵态氮输入会增大农田土壤CO2排放的温度敏感系数[33]，而且野外控制试验发现，铵态氮和硝态氮的输入会促进土壤CO2的排放[34]。本研究发现农田土壤CO2的排放通量受土壤表层(0～10 cm)铵态氮的含量的影响较大，呈显著正相关关系；受10～40 cm的土壤铵态氮含量的影响较小，并呈正相关关系，但不显著(图13)；农田土壤CO2的排放通量与土壤硝态氮的含量呈正相关关系，并受10～40 cm的土壤硝态氮的含量影响较大，呈显著正相关关系，受0～10 cm的土壤硝态氮含量影响较小(图14)。与Liang等[35]的研究结果相似，其发现铵态氮、硝态氮与土壤呼吸呈极显著相关，本研究结果与其有差异的原因可能与试验地土壤的质地以及气候条件有关，具体原因有待进一步研究。

4 结论

1) 在春小麦非生长季，与传统耕作相比，免耕可以明显减少麦田CO2的排放，秸秆覆盖可以增加麦田CO2的排放。

2) 在春小麦非生长季，影响土壤CO2的排放主要因素为土壤温度，0～10 cm的土壤全氮、土壤全磷和铵态氮，0～20 cm的土壤有机碳和10～40 cm的土壤硝态氮。