大气温室气体浓度增加加剧了气候变暖，陆地生态系统碳氮循环过程及机制已成为全球变化生态研究热点. CO₂和N₂ O是重要的温室气体，大气中N₂ O浓度虽低，但其百年尺度的增温潜势是CO₂的298倍^[1]. 农田土壤是CO₂的重要源/汇和N₂ O的重要排放源，通过合适的耕作措施来促进农田增汇减排以减缓气候变暖有着巨大潜力^[2].

农田保护性耕作是农业温室气体减排的重要技术之一^[3]. 在美国、 澳大利亚、 加拿大、 俄罗斯等发达国家，保护性耕作已成为可持续农业的主导技术之一^[4]. 保护性耕作能减少对土壤的扰动，增加地表覆盖，改变土壤理化性质，影响农田土壤生态效应，如促进土壤有机碳的积累^[5]，改变硝化反硝化速率^[6]，抑制土壤有机质矿化速率，从而减少CO₂和N₂ O的排放^[7]. Kern等^[8]估计，到2020年，如果57%的耕地采用保护性耕作技术，美国土壤的固碳能力将达到80~129 Tg. 但也有学者对保护性耕作能否减少土壤CO₂和N₂ O排放持保留或否定的态度，如Lal^[9]认为，保护性耕作会增加土壤CO₂排放. 不同的保护性耕作措施、 水肥管理方案对土壤温室气体排放的影响程度也各不相同^[10,11]. 因此，保护性耕作对土壤CO₂和N₂ O排放的影响规律仍需深入研究.

目前，有关保护性耕作对农田温室气体影响的研究多集中在当季作物生长阶段^[12]，而对后茬作物时期土壤CO₂和N₂ O排放的研究较少. 考虑到秸秆分解过程较慢，难以在一个作物生长季完全分解，有必要对后茬作物生长季进行研究. 本研究为大豆-冬小麦轮作系统，在大豆播种时进行免耕和秸秆施用处理，观测后茬冬小麦生长季土壤CO₂和N₂ O的排放通量，探讨保护性耕作对后茬农田土壤CO₂和N₂ O排放的影响特征，有助于估算保护性耕作措施下区域农田温室气体的排放量，以期为农业固碳提供理论依据.

田间试验在南京信息工程大学农业气象与生态试验站进行. 土壤为灰马肝土属，土壤质地为壤质黏土，耕层土壤黏粒含量26.1%，土壤pH(H₂O)值为6.22，有机碳和全氮的含量分别为37.38 g ·kg^-1和0.59 g ·kg^-1. 冬小麦品种为宁麦12号，主要生育期及肥料管理见表 1.

表1(Table 1)

表 1 冬小麦主要生育期及肥料管理 Table 1 Main growth stages of winter wheat and fertilization schedule 日期 生育期及肥料管理 日期 生育期及肥料管理 2011-11-08 播种，基肥(复合肥，40 g ·m-2，含 N 18%，P2O5 46%) 2012-04-12 孕穗 2011-11-21 出苗 2012-04-19 抽穗 2012-01-03 越冬肥(复合肥，40 g ·m-2，含 N 18%，P2O5 46%) 2012-04-26 扬花 2012-02-06 返青肥(尿素，21 g ·m-2) 2012-05-03 灌浆 2012-03-01 返青 2012-05-16 成熟 2012-04-05 拔节 2012-05-24 收获

表 1 冬小麦主要生育期及肥料管理 Table 1 Main growth stages of winter wheat and fertilization schedule

在大豆播种前进行如下处理：常规翻耕(T)、 免耕(NT)、 常规翻耕+秸秆施用(TS)、 免耕+秸秆覆盖(NTS)这4种处理. 每个处理区的面积是4 m×5 m，处理区之间设有15 cm深30 cm宽的间隔，再将每个处理区分为3个试验小区，计12个试验小区. T和TS处理区进行人工翻耕，深度约为15 cm. 施用秸秆为水稻秸秆，切为2~3 cm长的小段，均匀覆盖在TS和NTS的土壤表面，TS的秸秆被翻耕到土壤中. 秸秆施用量(干重)为225 g ·m^-2. 大豆收获后，在试验小区种植冬小麦，常规翻耕和免耕的处理依然采用人工翻耕和免耕方式，但不再施用秸秆.

气体样品的采集与分析采用静态箱-气相色谱法^[13]. 采样底座为高10 cm、 直径22 cm的无底圆形盆钵，上沿有1.5 cm深的凹槽以注水与采样箱密封. 底座安装在植株间的土壤中，底座内去除作物和杂草. 采样箱为高1 m的PVC圆柱，包裹有海绵和铝箔，以避免因太阳辐射引起箱内温度的变化. 采样时将采样箱套在底座上，注水密封，连接好采气设备和温度计后，用带有三通阀的医用针筒每隔10 min采集一次气体，即于关箱后的0、 10、 20 min采气，每次抽样60 mL. 同时记录箱内温度，用WET-2土壤水分温度电导率速测仪(Delta-T Devices Ltd.，Cambridge，UK)测定5 cm深土壤温湿度. 考虑到冬小麦在越冬期停止生长，返青后小麦开始快速生长，所以本实验从返青期开始采样分析，每周1次，采样时间为09:00~10:00. 气样用改装的Agilent-6890N气相色谱仪同步检测CO₂和N₂ O的混合比，根据大气压力、 温度、 采样箱高度、 普适气体常数等，可求得单位面积的排放量^[14].

冬小麦成熟后，将单位面积植株连根整株收获，用自来水细流仔细清洗根系土壤. 分植株地上部分和根，80℃烘干至恒重，测定生物量.

用Excel 2003计算土壤CO₂和N₂ O的排放通量和累积排放量并绘图，用SPSS 17.0(SPSS Inc.，Chicago,USA)统计软件分析不同处理之间CO₂和N₂ O累积排放量的差异性.

图 1为冬小麦田土壤5 cm深处土壤温度与土壤湿度. 土壤温度变化范围为4.8~22.1℃，平均土壤温度为14.3℃，在冬小麦生长季呈上升趋势. 土壤湿度变化范围为7.59%~23.13%，平均湿度为13.52%，在冬小麦生长季呈一定的下降趋势.

图 1 土壤温湿度的变化 Fig. 1 Dynamic variation of soil temperature and soil moisture

由图 2可见，各处理CO₂排放通量的季节性变化模式基本相同，在返青期和拔节-孕穗期土壤CO₂排放通量逐渐增加，进入抽穗期后逐渐降低，在抽穗-灌浆期和成熟期土壤CO₂排放通量较低. 不同耕作措施没有改变后茬冬小麦土壤CO₂排放通量的季节性变化规律.

图 2 保护性耕作对土壤CO2排放通量的影响 Fig. 2 Effects of conservation tillage on CO2 emission flux from soil Ⅰ：返青期，Ⅱ：拔节-孕穗期，Ⅲ：抽穗-灌浆期，Ⅳ：成熟期，下同

图 3是不同生育期土壤CO₂累积排放量. 与T相比，在返青期，TS、 NT、 NTS的土壤CO₂累积排放量分别降低了31.56%、 35.47%、 15.98%; 在拔节-孕穗期，各处理的土壤CO₂累积排放量差异不明显; 在抽穗-灌浆期，NT、 NTS的土壤CO₂累积排放量降低了9.58%和16.80%，TS的土壤CO₂累积排放量略有增加，但差异性不显著; 在成熟期，NT、 NTS、 TS的土壤CO₂累积排放量分别降低10.10%、 10.92%、 11.06%. 全生育期来看，TS、 NT、 NTS降低了土壤CO₂累积排放量，降幅分别为5.95%(P=0.132)、 12.94%(P=0.007)和13.91%(P=0.004). 可见，免耕和秸秆覆盖保护性耕作减少了后茬冬小麦生长季土壤的CO₂累积排放量.

图 3 保护性耕作对土壤CO2累积排放量的影响 Fig. 3 Effects of conservation tillage on the accumulative amount of CO2 emission from soil

各处理的土壤N₂ O排放通量见图 4，N₂ O排放通量的变化模式基本相同，在返青期土壤N₂ O排放通量较高，可能由于施加返青肥所致. 进入抽穗期后降低，在抽穗-灌浆期和成熟期土壤N₂ O排放通量较低，不同耕作措施没有改变后茬土壤N₂ O排放通量的季节性变化规律.

图 4 保护性耕作对土壤N2 O排放通量的影响 Fig. 4 Effects of conservation tillage on N2 O emission flux from soil

图 5是不同生育期土壤N₂ O累积排放量. 从中可见，与T相比，在返青期TS、 NT和NTS的土壤N₂ O累积排放量比T分别减少了36.72%、 66.61%和11.91%; 在拔节-孕穗期TS、 NT和NTS的土壤N₂ O累积排放量分别减少了57.68%、 67.40%和76.32%; 在抽穗-灌浆期TS、 NT和NTS的土壤N₂ O累积排放量分别减少了2.24%、 48.41%和31.40%; 在成熟期NT、 NTS的土壤N₂ O累积排放量分别减少了49.61%、 33.90%，但TS升高了8.45%. TS、 NT和NTS降低了全生育期土壤N₂ O累积排放量，降幅分别为31.32%(P=0.000)、 61.29%(P=0.000)和33.08%(P=0.000). 可见，免耕和秸秆施用减少了后茬土壤N₂ O累积排放量，在返青期和拔节-孕穗期降幅较大.

图 5 保护性耕作对不同生育期土壤N2 O累积排放量的影响 Fig. 5 Effects of conservation tillage on the accumulative amount of N2 O emission from soil

保护性耕作对冬小麦收获生物量的影响如表 2所示，T与TS、 NT、 NTS处理间冬小麦的总生物量、 地上生物量、 地下生物量均不存在显著性差异，保护性耕作对后茬冬小麦生物量无明显的影响.

表2(Table 2)

表 2 保护性耕作对冬小麦生物量的影响 /kg ·m-2 Table 2 Effects of conservation tillage on biomass of winter wheat/kg ·m-2 处理 地上生物量 地下生物量 总生物量 T 2.03±0.45 0.09±0.04 2.12±0.49 TS 2.11±0.17 0.08±0.01 2.19±0.16 NT 1.55±0.17 0.15±0.07 1.70±0.22 NTS 1.84±0.86 0.11±0.03 1.98±0.88

表 2 保护性耕作对冬小麦生物量的影响 /kg ·m-2 Table 2 Effects of conservation tillage on biomass of winter wheat/kg ·m-2

免耕和秸秆施用降低了后茬土壤CO₂累积排放量，这与万运帆等^[15]、 Reicosky等^[16]对冬闲农田和美国东南沿海平原的研究结果一致. 保护性耕作对CO₂排放的影响与土壤质地以及空隙度密切相关^[17]，土壤透气性越强，越有利于CO₂的排放. 免耕和秸秆覆盖降低了土壤透气性，抑制了土壤CO₂排放. 同时，免耕避免对土壤的翻动，减少深层土壤与空气的接触，减低了原土壤有机质的氧化和矿化速率，同时免耕可以增加土壤团聚体的稳定性，通过化学结合机制与物理保护促进土壤有机碳的积累^[18]. He等^[19]研究发现，长期免耕使土壤表层的有机碳比翻耕增加16.1%. 并且秸秆覆盖通过降解、 腐殖化等作用把秸秆转化为土壤有机碳，从而增加土壤有机碳含量. 研究表明，还田秸秆中8%~35.7%的碳以土壤有机碳的形式在土壤碳库中保存下来^[20]. 保护性耕作增加土壤有机碳含量，减少温室气体排放^[21]. 在日本北海道农田的研究也发现，在少耕情况下，每hm²可减少125.5 kg CO₂的排放量，相比传统耕作减少了15%~29%^[22]. 但也有研究表明，保护性耕作增加土壤温度、 含水量^[23]，提高土壤呼吸^[24]、 土壤酶活性^[25]、 土壤微生物数量^[26]，在一定程度上能增加CO₂的排放. Franzluebbers等^[27]在美国德克萨斯州的长期耕作试验发现，常规耕作比保护性耕作释放更少的CO₂.

结合图 1和图 2可见，在4月12日之前土壤温度低于15℃，CO₂排放通量随着土壤温度的升高而增加，此时CO₂排放通量以土壤微生物代谢呼吸为主^[28],土壤温度是微生物代谢活动的主要限制因素,对CO₂排放影响显著; 但4月12日之后土壤温度对CO₂的影响并不显著，小麦根系生长处于高峰期,根系呼吸所占比重增大,影响CO₂排放的关键因素不再是土壤温度，此时作物生长成为影响CO₂排放的关键因素，这与陈述悦等^[29]研究结果一致.

免耕提高土壤容重、 降低气体扩散速率^[30]，进而使得硝化反硝化过程产生的N₂ O在扩散逸出土面之前被进一步还原为N₂，从而会降低N₂ O排放^[6]. 本研究即发现免耕和秸秆覆盖降低了后茬土壤N₂ O排放，这与蒋静艳等^[31]对当季作物的研究结果一致. 但Rochette等^[32]、 Venterea等^[33]认为，免耕和秸秆覆盖可以提高土壤含水量和底物有效性，并促进厌氧微环境的形成，有利于反硝化作用的发生，能增加土壤N₂ O含量.

土壤温度影响微生物的代谢活动，土壤温度升高，促进土壤微生物硝化和反硝化作用，N₂ O排放增加. 陈卫卫等^[34]对三江平原农田的研究表明，温度是N₂ O排放的主要影响因素. 土壤湿度不仅影响微生物的活性，同时也影响着N₂ O在土壤中的运输及向大气中的扩散. 姚志生等^[35]研究表明，土壤湿度低于75% WFPS，N₂ O排放与土壤湿度呈正相关，反之则呈负相关. 本研究在返青期土壤N₂ O排放通量较高，进入抽穗期后N₂ O排放降低. 这可能是由于施加返青肥所致，氮肥的施用促进土壤N₂ O排放，是农业土壤中N₂ O的最大来源^[36].

秸秆施用对N₂ O排放的影响与土壤C/N、 秸秆还田量以及水肥管理方式存在一定的关系. 秸秆施用提高了土壤的C/N比，引起微生物对N源的争夺利用，N素利用充分，减少了硝化反硝化过程的中间产物N₂ O的排出^[5]. 肖嫩群等^[10]研究认为秸秆还田量间接影响着土壤中N₂ O的排放，适量的稻草还田后，能增强土壤氨化和硝化作用; 而过量的稻草还田反而不利于氨化和硝化细菌的繁殖. 有学者提出不施氮或低施氮时，秸秆还田可促进N₂ O排放; 高施氮时，秸秆还田抑制N₂ O排放^[11].

免耕和秸秆施用有利于有机氮矿化，增加土壤中有效氮素含量，减少N₂ O排放. 汪娟等^[37]研究表明，表层土壤全氮含量表现为NTS>TS>NT>T. 但是，秸秆施用增加土壤含水量和温度，更容易引起氨的挥发损失与硝态氮的下渗淋失^[38]. 因此，不同水热条件下保护性耕作对土壤氮素的影响不同. 本研究中保护性耕作对后茬冬小麦生物量无明显的影响，表明保护性耕作对后茬土壤CO₂和N₂ O排放的影响并非由于作物生长差异引起，而是因为保护性耕作改变了土壤环境，比如土壤温度、 含水量、 土壤碳氮含量等因素，导致土壤CO₂和N₂ O排放差异的出现.

(1) 免耕与秸秆施用没有改变后茬冬小麦生长季土壤CO₂和N₂ O排放通量的季节性变化规律.

(2) 免耕与秸秆施用降低了后茬冬小麦生长季土壤CO₂累积排放量.

(3) 免耕与秸秆施用减少了后茬土壤N₂ O累积排放量，特别是在返青期和拔节-孕穗期，土壤N₂ O减少的幅度较大.