长期秸秆还田和不同氮肥施用对关中地区小麦生态系统碳氮足迹的影响

引用本文

王艳, 宋幸徽, 郑旭鹤, 刘长月, 原建强, 张阿凤, 来航线, 周建斌. 长期秸秆还田和不同氮肥施用对关中地区小麦生态系统碳氮足迹的影响[J]. 环境科学, 2026, 47(6): 4084-4093.

WANG Yan, SONG Xing-hui, ZHENG Xu-he, LIU Chang-yue, YUAN Jian-qiang, ZHANG A-feng, LAI Hang-xian, ZHOU Jian-bin. Effects of Long-term Straw Returning and Different Nitrogen Fertilizer Applications on the Carbon and Nitrogen Footprint of Wheat Ecosystem in Guanzhong Area[J]. Environmental Science, 2026, 47(6): 4084-4093.

长期秸秆还田和不同氮肥施用对关中地区小麦生态系统碳氮足迹的影响

王艳¹, 宋幸徽¹, 郑旭鹤², 刘长月², 原建强², 张阿凤^1,3, 来航线^1,3, 周建斌^1,3

1. 西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100;
2. 陕煤集团神木红柳林矿业有限公司，神木 719313;
3. 农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，杨陵 712100

收稿日期: 2025-04-02; 修订日期: 2025-07-18

基金项目: 国家重点研发计划项目（2023YFD1900300）；陕西省重点研发项目（2024NC-ZDCYL-02-07）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2025JC-YBMS-253）；陕煤集团神木红柳林矿业公司集团级科研项目（2020SMHKJ-A-J-03-02/02）

作者简介: 王艳（2002~），女，硕士研究生，主要研究方向为土壤碳氮循环和温室气体排放，E-mail：19937692357@163.com

通信作者: 张阿凤, E-mail：zhangafeng@nwsuaf.edu.cn

摘要: 秸秆还田和氮肥施用对提升生态系统生产力有重要的作用，但其对温室气体排放和碳氮足迹的影响仍存在不确定性，为阐明秸秆还田和施氮量对土壤性质和冬小麦碳氮足迹的影响，基于长期定位试验（始于2003年），研究不同秸秆管理措施[秸秆不还田（C）、秸秆还田（F）]和氮肥处理（N0、N120、N240）共计6个试验处理分别为CN0、CN120、CN240、FN0、FN120和FN240. 结果表明：①秸秆还田和氮肥施用增加了生态系统CO₂和N₂O的排放，氮肥用量的增加进一步加剧了这种效应. 秸秆还田对CO₂和N₂O的排放贡献率分别为8.52%~10.52%和30.31%~48.36%. ②氮肥施用增加了小麦产量（P < 0.05），与CN0处理相比，CN120和CN240处理下年均产量分别增加112.58%和89.22%；与FN0处理相比，FN120和FN240处理下年均产量分别增加95.78%和106.66%. ③氮肥施用和土壤有机碳储量的年变化率对碳足迹的贡献率分别为2.91%~86.07%和22.35%~59.17%，NH₃挥发和NO₃^-淋溶对氮足迹的贡献率分别为0%~57.70%和0%~36.60%；秸秆还田降低生态系统碳足迹，但氮肥施用增加了生态系统碳足迹，其中FN120处理下碳足迹值最低，为-5 726.64 kg·（hm²·a）^-1；另外秸秆还田和施肥均增加生态系统氮足迹. 综合考虑作物产量和碳、氮足迹，秸秆还田配施120 kg·hm^-2氮肥是关中地区最佳的农田管理措施，可为优化秸秆管理和减少农田生态系统温室气体排放提供参考.

关键词: 长期定位试验秸秆还田氮肥施用碳足迹氮足迹关中平原

Effects of Long-term Straw Returning and Different Nitrogen Fertilizer Applications on the Carbon and Nitrogen Footprint of Wheat Ecosystem in Guanzhong Area

WANG Yan¹ , SONG Xing-hui¹ , ZHENG Xu-he² , LIU Chang-yue² , YUAN Jian-qiang² , ZHANG A-feng^1,3 , LAI Hang-xian^1,3 , ZHOU Jian-bin^1,3

1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
2. Shanxi Coal Industry Group Shenmu Hongliulin Mining Co., Ltd., Shenmu 719313, China;
3. Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agro-Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, China

Abstract: Straw return and nitrogen fertilizer application play a significant role in enhancing ecosystem productivity, but their impacts on greenhouse gas emissions and carbon-nitrogen footprints remain uncertain. To elucidate the effects of straw return and nitrogen application rates on soil properties and winter wheat carbon-nitrogen footprints, this study was based on a long-term field experiment (initiated in 2003), examining different straw management practices [straw not returned to the field (C) and straw returned to the field (F)] and nitrogen fertilizer treatments (N0, N120, and N240), resulting in six experimental treatments: CN0, CN120, CN240, FN0, FN120, and FN240. The results indicate: ① Straw incorporation and nitrogen fertilizer application increased CO₂ and N₂O emissions from the ecosystem, with higher nitrogen fertilizer rates further exacerbating this effect. Straw incorporation contributed 8.52%-10.52% to CO₂ emissions and 30.31%-48.36% to N₂O emissions. ② Nitrogen fertilizer application increased wheat yield (P < 0.05). Compared with that under the CN0 treatment, the average annual yield increased by 112.58% and 89.22% under the CN120 and CN240 treatments, respectively; compared with that under the FN0 treatment, the average annual yield increased by 95.78% and 106.66% under the FN120 and FN240 treatments, respectively. ③ The contribution rates of nitrogen fertilizer application and annual changes in soil organic carbon storage to the carbon footprint were 2.91%-86.07% and 22.35%-59.17%, respectively. NH₃ volatilization and NO₃⁻ leaching contributed 0%-57.70% and 0%-36.60%, respectively, to the nitrogen footprint. Straw return reduced the ecosystem carbon footprint, but nitrogen fertilizer application increased the ecosystem carbon footprint, with the lowest carbon footprint value of -5 726.64 kg·(hm²·a)⁻¹ under the FN120 treatment. Additionally, straw return and fertilization both increased the ecosystem nitrogen footprint. Considering crop yield and carbon and nitrogen footprints comprehensively, straw return combined with 120 kg·hm⁻² nitrogen fertilizer application is the optimal farmland management measure in the Guanzhong Region, providing a reference for optimizing straw management and reducing greenhouse gas emissions from farmland ecosystems.

Key words: long-term experiment straw returning application of nitrogen fertilizer carbon footprint nitrogen footprint Guanzhong plain

在全球气候变化日益严重的背景下，农业活动对温室气体排放的影响已成为气候变化研究的重要议题^[1]. 据统计，中国农业源温室气体排放约占全国碳排放总量的14%^[2]. 随着粮食需求的增加，农业活动的强度和规模仍面临扩张压力^[3]，温室气体（GHG）排放，特别是二氧化碳（CO₂）、氧化亚氮（N₂O）和甲烷（CH₄）的排放，又对全球变暖具有显著贡献^[4]. 因此，深入研究优化农田管理措施对于减缓农田温室气体排放的影响，不仅关乎粮食安全，对于促进农业可持续发展和有效应对气候变化具有重要意义.

秸秆还田对于农田系统的固碳减排具有重要作用^[5]. Zhao等^[6]研究表明秸秆综合利用实现的固碳减排总量（以碳当量计）达到6 300万t. 秸秆还田能提高有机质含量，改善土壤结构^[7]，还能促进微生物活动，从而对土壤中的氮素矿化、硝化和反硝化过程产生显著影响^[8]，进而对GHG排放产生影响. 秸秆分解增加了可利用C、N含量，刺激微生物活性，促进了CO₂和N₂O排放^[9]，Chen等^[10]进行的两年秸秆还田研究则表明其会降低温室气体排放，Huang等^[11]认为长期来看，秸秆还田对总温室气体排放的影响是呈现动态变化，这可能与秸秆还田方式、还田时间和秸秆碳氮比有关^[12]，可见秸秆还田对于农田GHG排放的影响是复杂的.

在农业生产中，氮肥是影响作物产量的主要因素，同时能提高土壤固碳能力^[13]. 然而，氮肥过量施用导致土壤中残留氮积累显著，降低土壤SOC固存率并促进温室气体排放^[14]. 在关中地区，化肥过量施用现象较为突出，导致氮肥利用率低，硝态氮累积量增加，进而影响GHG排放^[15]. Zheng等^[16]采用全球Meta分析结果表明，氮肥输入均会增加N₂O排放，适量的氮肥结合秸秆应用能提高土壤碳的固定效率^[11]，Zhang等^[17]在西北地区进行的裂区试验表明减氮15%会在小麦季节减少5.8%的碳排放，这说明合理的氮肥施用对固碳体减排有一定影响.

因此，合理的田间管理措施对于维持农田生态系统碳平衡与农业可持续发展具有重要作用. 碳氮足迹是衡量农业生产过程中碳和氮排放的重要指标，它反映了农业生产对环境的影响程度^[18]，近年来已经被许多研究人员采纳使用，如Han等^[15]利用生命周期（LCA）方法评估化肥减施和有机肥替代对黄土高原果园生态系统碳氮足迹的影响，有机肥替代策略降低了苹果生产过程中的碳氮足迹. He等^[19]研究表明免耕和深松措施增加了渭北旱塬农田有机碳储量，降低了农业生产过程中的碳足迹. 尽管已有大量研究针对秸秆还田或施肥等单一因素对作物产量及温室气体排放的影响开展了系统分析，然而，目前基于生命周期评价（LCA）方法，探究长期秸秆还田与施肥措施交互作用对小麦生态系统碳氮足迹及温室气体排放影响的综合研究仍较为缺乏. 基于此，本文基于长期定位试验，研究长期秸秆还田和不同氮肥用量对关中地区旱地小麦生态系统碳氮足迹的影响，探索最佳田间管理措施，以期为旱地农业的低碳绿色发展提供数据支撑，对于应对气候变化和保障粮食安全也具有重要意义.

1 材料与方法 1.1 试验地点

试验田位于陕西省咸阳市杨凌区（108°04′07″E，34°17′56″N），西北农林科技大学农作一站，陕西省关中平原中部. 该区是典型的冬小麦-夏玉米轮作系统. 气候类型为温带大陆性季风气候，年平均降水量600 mm左右，主要集中于夏季，年平均气温为13 ℃. 土壤类型为塿土，供试土壤0~20 cm的基础理化性质为pH 8.25、ω[全氮（TN）]0.67 g·kg^-1、ω[有机碳（SOC）]8.83 g·kg^-1、ω[硝态氮（NO₃^--N）]13.5 mg·kg^-1，ω[铵态氮（NH₄⁺-N）] 1.9 mg·kg^-1.

图 1 研究区概况 Fig. 1 Overview of the study area

1.2 试验设计

长期定位试验始于2003年，试验采用二因素随机区组设计，分别为秸秆还田（F）和无秸秆还田处理（C），施肥处理（以N计，0、120和240 kg·hm^-2，分别用N0、N120和N240表示），共6个处理（表 1），每个处理设置3个重复. 小区为随机区组排列，面积为4 m×4.5 m，灌溉量为40 mm，秸秆还田处理无灌溉. 本研究供试小麦品种为小偃22，行播方式，每小区种21行. 10月中旬播种，6月中旬收获，耕作方式为旋耕，田间试验监测从2019年10月开始至2022年6月结束.

表 1 不同处理秸秆还田量和施肥量/kg·hm^-2 Table 1 Amount of straw mulch and fertilizer applied under different treatments/kg·hm^-2

1.3 测定内容及其方法 1.3.1 温室气体测定与分析

气体样品的采集使用静态暗箱法，静态暗箱由带有反光泡沫包裹的箱体和带有3 cm凹槽的底座两部分组成，箱体的规格为50 cm（长）×50 cm（宽）×50 cm（高）；气箱内装有小风扇用于混匀空气. 在小麦播种前插入土壤，采集小麦和土壤排放的气体，底座内外种植密度保持一致，采气前用水密封凹槽；采样时间一般为09：00~11：00，在气箱密闭后用注射器分别于0、10、20和30 min抽取箱体的气体，分别注入铝塑复合气袋中，同时记录暗箱内温度. 将气体带回实验室用气相色谱仪分析测定气体的浓度，气体排放速率由4个气样的浓度与时间的斜率求得.

温室气体通量计算公式如下：

F = \frac{M}{V_{0}} \times h \times \frac{d c}{d t} \times \frac{273}{273 + T}

(1)

式中，F为CH₄、CO₂或N₂O排放通量[mg·（m²·h）^-1、mg·（m²·h）^-1或μg·（m²·h）^-1]；M为气体的摩尔质量（g·mol^-1）； $V_{0}$ 为标况下单位物质的量的气体所占的摩尔体积（22.4 L·mol^-1）；h为箱高（0.5 m）； $\frac{d c}{d t}$ 为气箱内温室气体浓度变化率[mg·（kg·h）^-1或μg·（kg·h）^-1]；T为采样箱内平均温度（℃）.

温室气体累计排放量计算公式如下：

\bar{F} = \frac{\sum_{i = 1}^{n} F_{i} \times d_{i}}{d}

(2)

S = \frac{\bar{F} \times d \times 24}{100} \times \frac{M}{M_{0}}

(3)

式中， $\bar{F}$ 为CH₄、CO₂或N₂O平均通量[mg·（m²·h）^-1、mg·（m²·h）^-1或μg·（m²·h）^-1]； $F_{i}$ 为第 $i$ 天通量[mg·（m²·h）^-1、mg·（m²·h）^-1或μg·（m²·h）^-1]； $d_{i}$ 为第 $i$ 次采样时间（ $d$ ）； $d$ 为总天数；S为温室气体总量（kg·hm^-2）；M为气体的摩尔质量（g·mol^-1）； $M_{0}$ 为CH₄、CO₂和N₂O中C或N的摩尔质量（12 g·mol^-1或28 g·mol^-1）.

1.3.2 碳氮足迹边界

使用LCA进行评估碳氮足迹，利用系统边界核算（图 2）. N肥施用的直接排放和农资生产投入（如种子、肥料、柴油、灌溉和人力等）的间接排放.

图 2 碳氮足迹系统边界 Fig. 2 Carbon and nitrogen footprint system boundary

计算公式：

B D = 1.377 \times e x p (- 0.004 8 \times S O C)

(4)

$ \begin{aligned} \mathrm{SOCSR}= & \left(\mathrm{SOC}_t-\mathrm{SOC}_0\right) / t \times \mathrm{BD} \times H \times \\ & \left(1-\delta_{2 \mathrm{~mm}} / 100\right) \times 100 \end{aligned} $

(5)

N G W P = 25 \times C H_{4} + 298 \times N_{2} O - (44 / 12) \times S O C S R

(6)

$ \begin{aligned} \mathrm{CF}= & \sum\left(A_i \times \mathrm{EF}_j\right)+25 \times \mathrm{CH}_4+\mathrm{N}_2 \mathrm{O}_{\text {总 }}- \\ & (44 / 12) \times \mathrm{SOCSR} \end{aligned} $

(7)

N_{2} O_{总} = N_{2} O_{直} + N_{2} O_{间}

(8)

$ \begin{aligned} \mathrm{N}_2 \mathrm{O}_{\text {间 }}= & \left(F_{\mathrm{SN}} \times \mathrm{FRAC}_{\text {挥发 }} \times \mathrm{EF}_{\text {挥发 }}+F_{\mathrm{SR}} \times\right. \\ & \left.\mathrm{FRAC}_{\text {淋溶 }} \times \mathrm{EF}_{\text {淋溶 }}\right) \times 44 / 12 \end{aligned} $

(9)

C F_{y} = \frac{C F}{Y i e l d}

(10)

式中，BD为土壤容重（g·cm^-3）；SOCSR为有机碳固存[以C计，kg·（hm²·a）^-1]；H为土壤深度（0~20 cm）；δ_2mm为砾石含量（%）；NGWP为全球净增温潜势（以CO₂-eq计，kg·hm^-2）；CF为碳足迹，[以CO₂-eq计，kg·（hm²·a）^-1]； $A_{i}$ 为整个生产过程中农业投入总量（表 2，kg·hm^-2）；$\mathrm{EF}_j$为排放参数（表 3）；F_SN为氮肥施用量（kg·hm^-2）；F_SR为作物秸秆含氮量（g·kg^-1）；FRAC_挥发和FRAC_淋溶分别为N挥发和淋溶的百分比（%）；CF_y 为作物单位产量碳足迹（以CO₂计，g·kg^-1）；Yield为小麦产量（kg·hm^-2）.

N F = \sum (A_{i} \times N F_{j}) + E_{N_{2} O} + V_{N H_{3}} + N_{N {O_{3}}^{-}} + N_{N {H_{4}}^{+}}

(11)

V_{N H_{3}} = N_{i n p u t} \times Φ \times \frac{17}{14} \times 0.833

(12)

N_{N {O_{3}}^{-}} = N_{i n p u t} \times δ \times \frac{62}{14} \times 0.238

(13)

N_{N {H_{4}}^{+}} = N_{i n p u t} \times θ \times \frac{18}{14} \times 0.786

(14)

N F_{y} = \frac{N F}{Y i e l d}

(15)

表 2 2019~2022年小麦生产年度农业投入^1） Table 2 Annual agricultural inputs in wheat production from 2019 to 2022

表 3 冬小麦生产中农业投入品以及土壤的温室气体排放系数和活性氮排放系数^1） Table 3 Greenhouse gas emission and active nitrogen emission coefficients of agricultural inputs and soil for wheat production

式中，NF为氮足迹（以N-eq计，kg·kg^-1）； $A_{i}$ 为整个生产过程中农业投入总量（表 2，kg·hm^-2）；$\mathrm{EF}_j$为排放参数（表 3）； $E_{N_{2} O}$ 为N₂O直接排放总量（kg·hm^-2）； $V_{N H_{3}}$ 、 $N_{N {O_{3}}^{-}}$ 和 $N_{N {H_{4}}^{+}}$ 分别为NH₃挥发、NO₃^-和NH₄⁺淋溶（以N-eq计，kg·kg^-1）；N_input为农田投入氮（以N-eq计，kg·kg^-1）；Φ为小麦的NH₃挥发，为0.23；δ和θ为小麦的NO₃^-和NH₄⁺淋溶系数，分别为0.14和0.19；0.833、0.238和0.786分别为NH₃、NO₃^-和NH₄⁺的富营养化潜在因子；NF_y为作物单位产量氮足迹（以N-eq计，kg·kg^-1）.

1.4 数据处理

本研究的所有数据均以3次重复的平均值±标准差表示，采用Microsoft Excel 2021软件对数据进行处理，采用DPS（15.0）软件的LSD方法对本试验秸秆还田和不同氮肥施用量双因素试验的结果进行多重比较分析，通过方差分析判断各因素及其交互作用对相应变量（GHG排放和产量）的影响显著后，对不同处理组的均值进行两两比较，利用Origin 2024软件绘制相关数据图及相关性分析.

2 结果与分析 2.1 温室气体排放

不同处理间的CH₄排放通量没有显著差异，CH₄排放通量都保持着较低的水平，表现为CH₄的汇（图 3）. 第1 a CH₄吸收通量呈现先降低后增加的趋势，峰值出现在12月越冬期，为0.133 mg·（m²·h）^-1. 第2 a和第3 a在小麦生长初期CH₄吸收通量较大，峰值均在分蘖期，分别为FN0处理的0.169 mg·（m²·h）^-1和FN240处理的0.18 mg·（m²·h）^-1，而后降低，4月至进入收获期又逐渐呈升高趋势. CH₄的累计排放量（以CH₄计，下同）介于-2.93~-0.61 kg·hm^-2（图 4），小麦生态系统CH₄的累计排放总量存在年际间的差异. 平均来看，与CN0处理相比，CN120和CN240处理下CH₄的年均排放总量分别增加了32.25%和8.17%，与FN0处理相比，FN120处理下CH₄的年均排放总量增加了40.43%，FN240处理下则降低了3.32%.

箭头表示施肥图 3 秸秆还田和施肥对温室气体排放通量的影响 Fig. 3 Effects of straw returning and fertilization on greenhouse gas emission fluxes

F为秸秆还田，N为施肥处理，C为秸秆不还田；大写字母和小写字母分别表示秸秆是否还田和不同施氮水平之间差异显著（P < 0.05）图 4 秸秆还田和施肥对温室气体累计排放量的影响 Fig. 4 Effects of straw returning and fertilization on cumulative greenhouse gas emissions

小麦生态系统CO₂排放通量在每年呈现先降低后升高的趋势，有相对明显的季节变化特点（图 3）. 不同处理下小麦生态系统CO₂排放规律基本一致，小麦播种后和生长初期CO₂排放通量均较高，而后随着温度的降低排放通量也以一个较小的波动范围逐渐降低；第1 a小麦生长期内CO₂排放通量至5月初开花期达到峰值，以FN240处理最高，为171.56 mg·（m²·h）^-1，第2 a和第3 a在小麦越冬期后CO₂排放通量开始逐渐提升，均在4月拔节期出现峰值，分别为FN120处理的171.24 mg·（m²·h）^-1和324.09 mg·（m²·h）^-1. CO₂累计排放总量存在年际间的差异（图 4）. 总体来看，秸秆还田和施肥均对CO₂排放总量有显著影响（P < 0.05），平均来看，与CN0处理相比，CN120处理和CN240处理下CO₂年均排放总量分别增加32.61%和27.08%；与FN0处理相比，FN120和FN240处理下CO₂年均排放总量分别增加68.36%和147.87%；同一施肥水平下，秸秆还田处理CO₂排放总量增加了8.52%~10.52%.

第1 a N₂O排放通量波动较为强烈，播种和施肥后，N₂O排放量快速增加，在小麦生长初期就出现峰值，不同处理间N₂O排放通量差异较大，其中FN240处理的季节排放通量最高[329.50 μg·（m²·h）^-1]. 第2 a和第3 a排放规律较为相似，峰值均出现在越冬期，为CN240处理的126.30 μg·（m²·h）^-1和208.94 μg·（m²·h）^-1，分别在越冬前期和越冬后期逐渐趋于平稳. 秸秆还田和施肥对N₂O排放总量有显著影响（P < 0.05，图 4），N₂O排放总量每年变化规律较为相似，均随着施氮量的增加而增加，在相同施肥水平下，秸秆还田也会增加N₂O的排放，N₂O排放总量大小均呈现FN240 > CN240 > FN120 > CN120 > FN0 > CN0的趋势，N₂O平均年际排放总量范围为0.62~2.22 kg·hm^-2（图 4）. 与CN0处理相比，CN120和CN240处理下N₂O年均排放总量分别增加81.55%和175.37%；与FN0处理相比，FN120和FN240处理下N₂O年均排放总量分别增加30.20%和25.95%. 同一施肥水平下，秸秆还田处理N₂O排放总量增加了30.31%~48.36%.

2.2 产量

小麦产量存在年际间的差异（图 5），3 a试验间小麦年产量波动范围为2 197.03~4 670.46 kg·hm^-2. 总体来看，秸秆还田对小麦产量无显著影响（P > 0.05），但氮肥施用显著影响了小麦产量（P < 0.05）. 平均来看，小麦年均产量大小依次为：CN120 > FN240 > FN120 > CN240 > FN0 > CN0，与CN0处理相比，CN120和CN240处理下年均产量分别增加112.58%和89.22%；与FN0处理相比，FN120和FN240处理下年均产量分别增加95.78%和106.66%. 在施氮量为240 kg·hm^-2时，秸秆还田处理比秸秆不还田处理下产量增加了12.04%.

F为秸秆还田，N为施肥处理，C为秸秆不还田；大写字母和小写字母分别表示秸秆是否还田和不同施氮水平之间差异显著（P < 0.05）图 5 秸秆还田和施肥对作物产量的影响 Fig. 5 Effects of straw returning and fertilization on crop yields

2.3 碳氮足迹

由小麦生态系统的碳氮足迹构成可知，碳排放的主要来源是肥料和SOC储量变化，对于各处理中碳源总量的贡献率分别为16.34%~75.27%和23.11~51.75%；氮排放的主要来源是NH₃挥发和NO₃^--N淋溶，对于各处理中氮足迹总量的贡献率分别为0%~57.70%和0%~36.60%（图 6）；不同处理之间的总的碳氮足迹值和单位产量碳氮足迹差异均较大（表 4）；平均来看，与CN0处理相比，CN120处理下碳足迹降低了50.01%，CN240处理则增加了44.86%；与FN0处理相比，FN120处理下碳足迹降低了29.17%，FN240处理则增加了31.29%；与CN0处理相比，CN120和CN240处理下氮足迹分别增加了163.93倍和327.98倍；与FN0处理相比，FN120和FN240处理下氮足迹分别增加了4.23倍和8.46倍. 同一施肥水平下，秸秆还田处理碳足迹降低了5.61~26.10倍，氮足迹则增加了0.12~37.80倍.

图 6 不同处理下碳氮足迹构成 Fig. 6 Components of carbon and nitrogen footprint under different treatments

表 4 不同管理措施下小麦生产中的碳氮足迹^1） Table 4 Carbon and nitrogen footprints in wheat production under different management practices

3 讨论 3.1 施用氮肥和秸秆还田对温室气体排放的影响

秸秆还田直接向土壤提供外源碳，增加土壤有机碳储量和温室气体排放总量. 旱地一般为CH₄的汇，秸秆还田对于CH₄吸收的影响较小（P > 0.05），且与土壤含水量没有密切相关性（图 7），这与Stewart等^[22]的研究结果一致，氮肥施用对CH₄排放的直接影响有限，但可以通过改变土壤微生物群落和土壤理化性质间接影响CH₄的氧化过程，本研究表明，当施肥量为120 kg·hm^-2时，小麦和土壤对CH₄的累计吸收量最小，Schimel^[23]认为氮肥增加了植物生长和对甲烷生产者的碳供应，刺激了土壤中的甲烷流出，导致甲烷排放量增加.

SWC为土壤含水量；不同大小和不同深浅的圆表示不同的相关性强度，没有圆圈的格子表示两因素的相关性无限接近于0；红色表示呈正相关，蓝色表示呈负相关；*表示P < 0.05，**表示P < 0.01 图 7 温室气体排放与土壤理化性质和产量之间的相关关系 Fig. 7 Correlation between greenhouse gas emissions and soil physicochemical properties

秸秆还田和氮肥施用增加了小麦生态系统的CO₂排放（图 4）. Hua等^[24]的一项田间试验表明秸秆直接还田和秸秆深沟还田处理均会导致土壤CO₂排放增加，这与本研究结果一致，而武开阔等^[25]研究表明土壤CO₂累计排放量与施氮量呈显著正相关；秸秆中含有丰富的碳源，秸秆还田后，SOC含量会增加，微生物活性增强，进而促进土壤呼吸，导致CO₂排放增加^[26]. 氮肥施用不仅提高了小麦的产量和生物量，还促进了根系生长，增加了根系分泌物的含量. 以上分泌物为土壤中的微生物提供了丰富的碳源，激活了自养和异养微生物的呼吸作用，导致其代谢活动加剧. 随着微生物活性的增强，CO₂的排放量显著增加，从而加剧了土壤的温室气体排放^[27].

秸秆还田和施肥均增加了农田系统N₂O排放总量（P < 0.05），目前关于秸秆还田对N₂O排放影响还存在不确定性，秸秆还田可以为农业生态系统提供额外的氮源，从而影响硝化或反硝化过程，进而促进N₂O的排放^[28]，高尚洁等^[29]在山东进行3 a定位试验表明，全量秸秆还田使N₂O排放总量提高了23.6%，这可能由于秸秆分解过程中释放的铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃⁻-N）可为土壤微生物提供充足的氮源，进而促进硝化与反硝化作用，提升N₂O排放水平^[30]. 但也有研究发现，秸秆还田有时会抑制N₂O排放，其原因可能是高碳氮比的秸秆在土壤中吸附氮素，降低了可供微生物利用的氮底物^[31]. 秸秆的C/N比是影响N₂O排放的关键因素之一，Li等^[5]采用Meta分析的结果表明，C∶N < 30和 > 60时N₂O排放总量分别提高了98.81%和23.20%. Zhao等^[32]通过在关中平原长期定位试验发现，施氮增加了土壤硝化和反硝化基因的丰度，N₂O是由微生物参与的硝化和反硝化过程的产物，进而促进N₂O的释放，秸秆还田和施肥均降低了土壤pH，N₂O排放量又与pH呈现显著负相关关系（图 7），Aamer等^[33]认为以上田间管理措施引发的pH降低会抑制N₂O还原酶活性，从而促进N₂O的排放.

在秸秆还田和施氮处理中，农田系统N₂O排放量与TN和NO₃^--N含量呈现显著正相关关系（P < 0.05，图 7），与SWC和pH值呈现极显著负相关关系（P < 0.01）；CO₂排放量与SWC值呈显著负相关；CH₄排放量则与土壤相关性质无明显的相关关系.

3.2 施用氮肥和秸秆还田对小麦产量的影响

氮肥是小麦生长发育的重要营养元素之一，适量施用氮肥能够促进小麦的分蘖、生长和籽粒形成，从而提高小麦产量^[34]. 秸秆还田和施肥的协同作用提高了小麦的产量，但是施用240 kg·hm^-2与120 kg·hm^-2的施氮量之间冬小麦产量没有显著差异（图 5），与王淑娟等^[35]在陕西关中平原进行的田间试验研究结果一致，说明作物产量和氮肥用量之间并不存在线性相关，过量施氮可能会导致作物产量下降，Li等^[36]在黄土高原的研究中发现，超过240 kg·hm^-2的氮施用量会限制干物质和氮的转运，最终降低小麦产量，氮肥施用超过作物的吸收能力还会在土壤中过度积累，对作物生长发育有抑制作用；Wan等^[37]研究表明常规化肥配合秸秆还田处理的冬小麦产量分别比仅施用常规化肥处理增加了6.20%~19.29%，不同秸秆还田方式对作物产量的提高幅度也有一定的影响，氨化还田更能提高作物产量^[38]，可见影响作物产量的因素是多样复杂的. 优化氮肥管理策略并与秸秆还田相结合，能维持作物的高产水平，增强增产效果.

3.3 施用氮肥和秸秆还田对碳氮足迹的影响

本研究表明，长期秸秆还田可以显著提高SOC和TN含量，有研究表明长期秸秆还田可以显著增加0~20 cm土层的总有机碳（SOC）、轻组有机碳（LFOC）、微生物量碳（MBC）、水溶性有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）含量^[39]. 这些增加的有机碳和氮组分有助于提高土壤的碳氮储存能力，从而减少碳氮足迹，这与本研究结果部分相似，本研究结果表明，秸秆还田会降低碳足迹（表 4），Luo等^[40]比较了秸秆覆盖和塑料覆盖处理对关中地区碳足迹的影响，秸秆覆盖处理在所有季节的所有处理中碳足迹最低，使碳足迹降低了13%；Ji等^[41]将秸秆与分解接种剂混合施入土壤，会提高土SOC储量，抵消了总温室气体排放量的46%，降低碳足迹值；以上与本研究的发现一致；氮肥是影响GHG排放和碳足迹的主要因素，施肥会增加碳足迹（表 4），减少氮肥施用和施用控释肥料能够降低碳足迹^[42].

秸秆还田和施肥均会使氮足迹增加（表 4），而Wang等^[43]在甘肃春小麦-豌豆轮作体系表明秸秆覆盖对氮足迹无显著影响，可能由于豌豆具固氮能力，会提升土壤氮素供给，因此秸秆覆盖对土壤氮影响可能不显著. Liu等^[44]在山东开展的大蒜-玉米轮作试验表明，合理调整氮肥施用量可以进一步减少氮足迹，减少氮肥施用量不仅降低了氮肥的损失，还减少了因氮肥过量施用导致的温室气体排放.

综上来看，秸秆还田配施适量氮肥是中国黄土高原冬小麦生产中提高产量和降低碳足迹的首选措施，优化氮肥使用量是减缓农业温室气体排放的关键策略之一. 此外，长期定位试验与LCA的结合，将有助于更全面评估不同农艺措施对碳氮足迹的影响，尽管本研究通过3 a田间试验明确了关中地区小麦生态系统的最佳田间管理措施，但仍存在一定局限性，未来应进一步加强区域差异化研究，深入探究土壤微生物群落结构与功能变化对碳氮循环的影响，可为农田系统固碳减排提供更强有力的科学依据，实现农业的可持续发展.

4 结论

（1）秸秆还田和施肥总体上均会促进CO₂和N₂O排放，对农田CH₄排放没有显著影响，N₂O排放会随着施肥量的增加而增加，而高施肥水平下CO₂排放相对较低（P < 0.05）；

（2）秸秆还田和施肥均有利于提高冬小麦产量，其中施肥对产量的影响较为显著（P < 0.05）.

（3）秸秆还田会降低碳足迹值，而施肥会提高碳足迹；秸秆还田和施肥均增加氮足迹值，在施肥量为120 kg·hm^-2时，秸秆还田使小麦生产过程中碳足迹减少了403.56%，氮足迹增加了18.55%. 秸秆还田配施120 kg·hm^-2氮肥对于关中地区农田固碳减排，提高冬小麦产量有明显的促进作用.

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