CO2浓度和温度升高对冬小麦土壤无机态氮及温室气体排放的影响

吕丹尼，郝兴宇，杨 净，宗毓铮，张东升，史鑫蕊，李 萍

（山西农业大学农学院，太谷 030801）

小麦（Triticum aestivumL.）是世界第二大粮食作物，且全球种植面积最大、总产最高［1］，其种植面积占粮食作物种植总面积的20%［2］。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次评估报告［3］指出，到本世纪末，大气CO2浓度将达到421～936 μmol/mol。CO2、CH4和N2O是最主要的三种温室气体［4］。早在2005年，我国温室气体排放量就已经达到70.46亿吨CO2量［5］。因此，研究CO2浓度和温度升高的条件下麦田温室气体的排放具有重要意义。

目前，国内外学者对关于CO2浓度升高和温度升高对农田温室气体排放的影响已开展了广泛的研究。增加土壤中无机氮含量会对温室气体排放产生影响。CO2浓度升高促进了有机氮的矿化，温度升高提高了较难利用的有机氮的矿化率［6］。温度和CO2浓度变化可能会促进氮矿化，影响农田温室气体的排放。大气中CO2浓度和温度的升高还促进了稻田表层土壤CH4和N2O的产生［7］。有研究者利用人工模拟温度升高（temperature of free air CO2enrichment，T-FACE）平台观测发现，升高CO2浓度和温度会显著增加稻田CH4的排放，且麦田生长季CH4排放很少［8］。旱地农田生态系统的土壤温室气体状态分别为CH4吸收状态、土壤CO2以及土壤N2O呈排放状态［9］。稻田轮作发现，N2O对全球综合温室效应（global warming potential，GWP）的贡献较小，而CH4对GWP的贡献率高达85%［10］。目前已有大量研究者探讨了升高温度和CO2浓度对作物生理指标的影响，但是对于农田温室气体排放通量、产量与GWP和温室气体排放强度（greenhouse gas emission intensity，GHGI）相互关系的研究还不够深入。为此，本研究拟开展CO2浓度和温度升高对冬小麦土壤硝态氮、铵态氮含量及温室气体排放通量和生长季排放量影响的研究，并结合冬小麦的产量计算GWP和GHGI，对CO2浓度和温度升高下黄土高原地区麦田温室气体进行估算，为气候变化下农业减排措施提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试冬小麦品种为‘中科2011’，由中国科学院遗传发育研究所培育。

1.2 试验设计

本试验开展于山西省晋中市山西农业大学太谷校区旱作小麦研究基地，在控制气室（铝合金框架玻璃结构，每个气室长8.0 m、宽3.0 m、高3.2 m）中进行，气室采用自然光，玻璃透光率为80%～90%。利用自动控制系统（邯郸冀南新区盛炎电子科技有限公司）进行大气CO2浓度和温度控制，对照（control check， CK）处理与大田温度和CO2浓度变化一致（实时控制，包括日变化及季节变化）。共设有4个独立气室，分别为T0C0（环境温度，环境CO2浓度400 μmol/mol）、T1C0（环境温度+2℃ ，环境 CO2浓度400 μmol/mol）、T0C1（环境温度，CO2浓度600 μmol/mol）、T1C1（环境温度+2℃，CO2浓度 600 μmol/mol）。

采集农田耕层（0～20 cm）的褐潮土自然风干后，过2 mm孔径的筛，剔除杂物后装入塑料整理箱中。整理箱底部有5个小孔用于排水，内装约28 cm的土。土壤有机质含量为2.45 g/kg、全氮含量为1.36 g/kg，有效磷含量为22.61 mg/kg，速效钾含量为289.70 mg/kg。每个整理箱中纵向播种2列冬小麦种子，每列播种60粒，每个气室每个处理种植4箱。2017年10月25日播种，施1.76 g尿素作为底肥，并浇水2 L。2017年11月25日浇水5 L。2018年3月3日施2 g尿素作追肥，并浇8 L水，3月27日浇水6 L。其余时间视土壤含水量状况对冬小麦进行浇水，浇水量为每盆4～6 L。

1.3 测定项目与方法

冬小麦播种到收获的整个生育期内每3～7 d进行一次冬小麦土壤温室气体的取样，施肥后加密观测，取样时间为上午9:00 —10:00。温室气体排放量采用静态箱法。试验开始前将底座埋入土壤中，采样时将顶盖罩在底座上，接口处用水密封［11］。静态箱顶盖上装有带三通阀的出气口，取样时用针管将箱内气体抽入真空管中，一周内用气相色谱仪（Agilent7890B，美国）测定CO2、N2O和CH4的浓度［12］。用2 mol/L的KCl溶液浸提-靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮含量，用双波长紫外分光光度法测定硝态氮含量［13］。

GWP和GHGI计算方法如下：

在100年的时间尺度上，CH4的增温潜势是等量CO2的25倍，N2O的增温潜势是等量CO2的298倍［14］，由此可计算出作物生长季的GWP（kg/hm2），公式为 ：

式（1）中，A为GWP；RN为N2O总排放量（kg/hm2）；RC为CH4总排放量（kg/hm2）；C为CO2总排放量（kg/hm2）。

作物生长季的GHGI（kg/kg）的计算公式为：

式（2）中，B为GHGI；A为GWP（kg/hm2）；Y表示单位面积的作物产量（kg/hm2）。

1.4 数据分析

2 结果与分析

2.1 CO2浓度和温度升高对冬小麦土壤硝态氮和铵态氮含量的影响

2.1.1 CO2浓度和温度升高对冬小麦土壤硝态氮含量的影响

拔节期，T1C0、T0C1及T1C1中冬小麦土壤的硝态氮含量较T0C0分别增加了263.35%（P＜0.05）、113.11%（P＜0.05）和237.96%（P＜0.05）。开花期，T1C1中冬小麦土壤的硝态氮含量较T0C0增加了100.01%（P＜0.05），而T1C0、T0C1对其无显著影响。灌浆期，T0C1中冬小麦土壤的硝态氮含量较T0C0减少了38.90%（P＜0.05），T1C1中冬小麦土壤的硝态氮含量较T0C0增加了37.02%（P＜0.05）（图1）。

图1 CO2浓度和温度升高对冬小麦土壤硝态氮含量的影响Fig. 1 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on soil nitrate nitrogen content of winter wheat

2.1.2 CO2浓度和温度升高对冬小麦土壤铵态氮含量的影响

拔节期，T1C0、T0C1及T1C1中冬小麦土壤的铵态氮含量较T0C0分别显著增加了54.25%（P＜0.05）、57.38%（P＜0.05）和53.68%（P＜0.05）。开花期，T1C0、T0C1及T1C1中冬小麦土壤的铵态氮含量较T0C0分别增加了47.74%（P＜0.05）、55.28%（P＜0.05）和36.84%（P＜0.05）。灌浆期，T1C0、T0C1及T1C1中冬小麦土壤的铵态氮含量较T0C0分别增加了65.68%（P＜0.05）、20.16%（P＜0.05）、8.96%（P＜0.05）（图2）。

图2 CO2浓度和温度升高对冬小麦土壤铵态氮含量的影响Fig. 2 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on soil ammonium nitrogen content of winter wheat

2.2 对冬小麦温室气体与生长季排放量的影响

2.2.1 对冬小麦土壤CO2排放通量和生长季排放量的影响

如图3所示，CO2排放通量在越冬期比较少。冬小麦返青后，CO2排放通量开始增加，但各处理波动较大，排放通量差异不明显。

图3 CO2浓度和温度升高对土壤CO2排放通量的影响Fig. 3 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on soil CO2 emission flux

T1C0、T0C1及T1C1的CO2生长季总排放量较T0C0分别显著增加了20.73%、22.18%和23.28%（图4）。

图4 CO2浓度和温度升高对冬小麦生长季CO2总排放量的影响Fig. 4 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on total CO2 emissions of winter wheat during growing season

2.2.2 对冬小麦土壤N2O排放通量和生长季排放总量的影响

在种植冬小麦后第3天（2017年10月27日），N2O排放量在T1C0条件下较高，之后在整个越冬期各处理N2O排放量一直维持在较低范围内。在返青期3月初对冬小麦进行浇水灌溉后，N2O排放迅速增长达到一个高峰，随后在2018年3月8日对冬小麦进行追肥，各处理N2O排放又出现一个小高峰，追肥后3月27日第一次浇水，各处理N2O排放迅速出现峰值，其中T1C0条件下N2O排放量最大，T1C1条件N2O排放量次之（图5）。

图5 CO2浓度和温度升高对土壤N2O排放通量的影响Fig. 5 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on soil N2O emission fluxes

T1C0及T1C1处理N2O生长季总排放量较T0C0分别显著降低了26.35%、18.41%。T0C1的N2O生长季总排放量较T0C0显著增加了3.85%（图6）。

图6 CO2浓度和温度升高对冬小麦生长季N2O总排放量的影响Fig. 6 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on total N2O emission in winter wheat growing season

2.2.3 对冬小麦土壤CH4排放量和生长季排放总量的影响

土壤CH4排放量在0值附近波动且波动幅度比较小。2017年11月20日T1C1中有个吸收峰（负值表示土壤吸收）（图7）。

图7 CO2浓度和温度升高对土壤CH4排放通量的影响Fig. 7 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on soil CH4 emission flux

T1C0中CH4生长季总吸收量较T0C0显著减少了93.56%，而T0C1及T1C1对其无显著影响（图8）。

图8 CO2浓度和温度升高对冬小麦生长季CH4总排放量的影响Fig. 8 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on total CH4 emission in winter wheat growing season

2.3 CO2浓度和温度升高背景下冬小麦土壤CO2和N2O阶段排放占比

T1C0中CO2冬前排放比例较T0C0增加了2.46%，越冬期较T0C0增加了45.24%，返青期（追肥）后较T0C0增加了5.39%，拔节-成熟期较T0C0减少了10.76%。T0C1中CO2冬前排放比例较T0C0增加了29.93%，越冬期较T0C0增加了178.19%，返青期（追肥）较T0C0减少了21.89%，拔节-成熟期较T0C0减少了18.72%。T1C1中CO2越冬期排放比例较T0C0增加了178.19%，返青期（追肥）较T0C0减少了21.89%，CO2冬前排放与拔节-成熟期较T0C0变化不显著，但从整个生育期来看，CO2排放量在拔节-成熟期所占比值较大（表1）。

表1 CO2浓度和温度升高下冬小麦土壤CO2和N2O排放占比Tab. 1 Proportion of soil CO2 and N2O emissions of winter wheat under elevated CO2 concentration and increased temperature unit: %

T1C0中N2O冬前排放比例较T0C0增加了6.02%，越冬期较T0C0减少了2.49%，返青期（追肥）较T0C0减少了5.20%，拔节-成熟期较T0C0增加了1.67%。T0C1中N2O的比例在冬小麦各时期较T0C0变化不显著。T1C1冬前排放N2O的比例较T0C0增加了4.55%，越冬期较T0C0减少了4.06%，而返青期（追肥）、拔节-成熟期较T0C0变化不显著，从整个生育期来看，N2O排放量在返青期（追肥）所占比值较大。

2.4 CO2浓度和温度升高背景下对冬小麦产量及全球增温潜势和温室气体排放强度的影响

T1C0的冬小麦产量较T0C0显著减少了19.93%，而T0C1和T1C1分别增加了15.36%（P＜0.05）、9.88%。冬小麦GWP在T1C0、T0C1和T1C1中较T0C0均显著增加（P＜0.05），分别增加了14.45%、19.73%和17.72%。冬小麦GIGH在T1C0中较T0C0显著增加了24.35%（P＜0.05），T0C1和T1C1处理下GHGI均低于T0C0，但不显著（表2）。

表2 CO2浓度和温度升高背景下冬小麦全球增温潜势和温室气体排放强度的影响Tab. 2 Influence of global warming potential and greenhouse gas emission intensity on winter wheat under elevated CO2 concentration and increased temperature

3 讨论

本研究表明，CO2浓度和温度升高条件下拔节期麦田土壤硝态氮、铵态氮的含量显著增加，由于返青后对冬小麦浇水施肥的缘故［16］，此时土壤N2O排放量出现峰值，其余在开花期、灌浆期土壤无机氮在CO2浓度和温度升高条件下变化不显著，且含量远低于拔节期，说明随着冬小麦生长需氮量增加，后期土壤无机氮含量下降。CO2浓度升高会促进植株地下部生物量和生物活动量增加，并且根系的变化可能引起土壤结构变松散，进而促进土壤排放N2O［17］。大气CO2浓度升高可提高作物光合作用，对植株氮素吸收代谢产生影响，进而影响土壤氮转化［18］。有研究表明，单一温度和CO2浓度升高以及二者同时增加会增加土壤NH4+-N含量［19］。本研究结果也证实了这一点。土壤硝态氮含量变化可能与田间水分管理有关，因为温度升高影响水分含量，进而影响土壤N2O的排放［20］。

CO2浓度和温度升高条件下冬小麦土壤的CO2生长季排放总量会显著增加，而N2O生长季排放总量在T0C1中会显著增加；T1C1处理冬小麦土壤CH4排放通量大致在0值附近波动，说明CH4是麦田土壤的吸收汇，且生长季排放总量只有在T1C0中会显著增加。T1C1中冬小麦土壤CO2、N2O和CH4排放通量有不同程度的增加，这与王颖等［21］的结果一致。CO2浓度增加可通过刺激作物地下部生物量为反硝化菌种群提供能量，从而加速生物分解作用，并促进N2O的排放［22］，同时可在短期内促进土壤呼吸，增加微生物活动，加快养分周转，提高土壤养分的有效性［23］。CO2浓度升高提高了水稻根系的生物量和通气性，从而使CO2向根部的输送增加，促进了甲烷氧化，进而减少CH4排放，CO2浓度高达700 μmol/mol时，稻田土壤的CH4排放被显著抑制［24］。

T0C1和T1C1条件下冬小麦产量较对照增加，这是因为CO2浓度升高对植物一般有施肥效应［25］。GWP为正，表明温室气体是大气的源，且对环境不利［26］。其他研究发现，T1C0、T0C1以及T1C1均可导致麦田GWP增加［27］。本研究中T1C0的GHGI值最高，产量最低，且与其他处理差异显著，可能是作物呼吸作用加强、增排减产的结果；其他三个处理T0C1、T1C1与T0C0中农田GHGI值彼此无显著差异，其中增CO2处理（T0C1/T1C1）的产量均显著高于T0C0，说明CO2浓度升高对植物有施肥效应，在促进作物生长的过程中会影响土壤微生物群落，使土壤CO2排放量增加，但由于作物产量提高，CO2的固定也随之增加。

本研究只测定了冬小麦全生育期的气体交换值及部分生育期土壤无机氮含量，并估计了GWP和GIGH，今后需更深入地从土壤-微生物系统来探讨影响冬小麦土壤温室气体排放的内在影响。土壤中碳的周转取决于土壤的管理和其他物理因素［28］，比如土壤团聚体大小会间接影响土壤温室气体排放。未来CO2浓度和温度升高条件下麦田温室气体排放的响应机制还需进一步探讨，为能找到一种科学方法减排温室气体并保证农业生产的可持续发展奠定基础。

综上所述，CO2浓度升高和温度升高条件下，拔节期麦田土壤硝态氮和铵态氮含量显著增加，CO2和N2O生长季总排放量均有不同程度的增加，CH4生长季总排放量在升温处理下会显著减少。从农田生态系统碳排碳汇综合分析，大气增温和增CO2对温室气体排放影响不大。农田生态系统是大气系统中温室气体的第二大碳源［29］，施肥、灌溉、农机等不合理的投入会增加温室气体的排放［30］。因此，农业减肥、减药、少免耕、轻简化栽培的绿色发展之路是当下和今后农业发展的方向。