熊 浩，张保成，李建柱，张 旭，石建华

（1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350； 2.北京中水科苑工程咨询有限公司，北京 100053）

0 引 言

【研究意义】全球变暖引发的极端气候事件已经成为人类面临的重要挑战之一。人类活动引起的温室气体排放作为导致全球变暖的关键因素已成为相关领域普遍关注的焦点[1-2]。氧化亚氮（N2O）、二氧化碳（CO2）是2 种主要的温室气体，农田土壤是其重要的排放源[3]，据估计，大气中每年80%～90%的N2O和5%～20%的CO2来源于土壤[4]，因此，研究农田土壤N2O 和CO2的排放规律，在温室气体排放研究中具有十分重要的意义。

【研究进展】目前对农田温室气体排放的研究主要集中在施肥、秸秆还田和耕作方式等方面[5-7]。李燕青等[8]发现施肥会显著增加农田土壤N2O 和CO2的排放总量。赵力莹等[9]的研究发现冬小麦季农田在长期旋耕基础上经深松和翻耕后，N2O 和CO2排放有显著变化。土壤水分是温室气体排放的关键驱动因子[10]，而人类活动中，灌溉是改变农田土壤水分的主要措施之一。灌溉通过改变土壤水分状况进而影响农田土壤N2O 和CO2排放，同时充足的灌水量也是作物保持高产的关键。灌溉量的多少、灌溉方式和灌溉的频率等都会对土壤N2O 和CO2的排放产生明显影响[11]。【切入点】目前研究灌溉对温室气体排放的影响主要在稻田、菜地和节水灌溉措施等方面[12-16]关于灌溉用水量对北方麦田温室气体排放的影响研究甚少。

王玉英等[17]对太行山前平原冬小麦-夏玉米轮作农田的试验研究表明施肥和灌溉会直接导致土壤N2O 和CO2排放通量增大，温度升高和干湿交替都会增大土壤N2O 和CO2的排放速率。郭树芳等[18]在华北平原西部的试验表明，温度和土壤水分是影响土壤N2O 及CO2排放通量的主要因素，且微喷灌溉下土壤N2O 和CO2排放均高于传统漫灌。刘晶晶等[19]的研究发现土壤呼吸与灌溉量正相关，但过量灌溉会降低土壤呼吸，在一定范围内灌溉量的增加增大了土壤N2O 的年际排放总量。

【拟解决的关键问题】本文以华北地区冬小麦农田土壤为研究对象，对不同灌溉水平下冬小麦全生育期土壤N2O 和CO2排放进行田间监测，分析土壤N2O和CO2的排放特征和综合温室效应，结合不同灌溉水平下小麦产量，为制定节水、减排的灌水定额提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择河北省石家庄市晋州市周家庄乡科学灌溉项目农田试验站作为试验区，该试验区位于河北省中南部，滹沱河流域，属东部季风气候区，主要种植制度为冬小麦-夏玉米轮作，一年二熟。区域年平均气温6.8～10.5 ℃，多年平均降雨量506 mm，全年降水主要集中在7、8、9 月，雨热同期。供试土壤为轻壤质土，试验开始前0～20 cm 土层土壤基本理化性质为：土壤体积质量1.26 g/cm3，有机质量为14.02 g/kg，速效磷量为11 mg/kg，速效钾量为85 mg/kg。

1.2 试验设计

以冬小麦农田土壤为研究对象，按灌水单因素设计试验，共设置6个灌水水平，分别为：CK（89.96 mm）、T1（80.96 mm，减少10%）、T2（71.97 mm，减少20%）、T3（62.97 mm，减少30%）、T4（53.98 mm，减少40%）、T5（44.98 mm，减少50%），CK 是按当地灌水定额换算的灌水量，6 个灌水量处理，每个处理2 次重复，共计12 个试验区，小区面积120 m2（15 m×8 m），每个小区之间设1.5 m 宽隔离带，试验小区周围设置保护区，保护区处理与相邻试验小区一致。前茬作物玉米收获后，旋耕机旋地2 次，深度20 cm，肥料为当地普遍使用的复合肥（N-P2O5-K2O 18-17-10），播种同时按750 kg/hm2施基肥，拔节期按322.5 kg/hm2追施尿素。供试小麦品种为“冀麦418”，于2018 年10月17 日播种，2019 年6 月10 日收获，大田生长期为236 d。主要生育期划分为苗期（10 月17 日—12月10 日）、越冬期（12 月11 日—3 月5 日）、返青—拔节期阶段（3 月6 日—4 月30 日）、拔节—灌浆期段（5 月1 日—5 月26 日）、成熟期（5 月27 日—6月10 日）。为保证冬小麦顺利出苗，试验各小区在播种前均灌水44.98 mm，整个生育期内于11 月28 日、4 月16 日和5 月18 日共灌水3 次，4 月16 日灌水的同时追施尿素，其他田间管理措施与当地常规管理保持一致。

1.3 田间采样与观测

试验用静态箱法采集气体（N2O、CO2）样品。静态箱底座于小麦播种后当天埋设在各试验小区中部，不再移动直至小麦收获，底座内无小麦植株，底座上端有4 cm 深的凹槽用以放置静态箱体，取样时往凹槽内注水密封防止周围空气与箱内气体交换。箱体由板厚1 mm 的不锈钢板制成，几何尺寸为50 cm×50 cm×100 cm，箱体外表面包有隔热泡沫板，防止取样期间阳光照射导致箱体内温度的剧烈升高，箱体内壁装有小风扇，每次取样前风扇转动以使箱内气体混合均匀。箱体侧部有温度计插孔和取气口（阀门），利用采气泵连接取气阀门抽出箱内气体并注入铝箔真空采样袋内，采集气体的同时读取安插在箱体侧部的水银温度计读数，用于计算气体排放通量。

小麦播种后第7 天开始田间原位气体采样，在冬小麦全生育期内各个关键时期进行气体样品的采集，平均7～10 d 取样1 次。在有效降雨（大于5 mm）或施肥灌水后增加采样频率，分别在第1、3、5 天取样，整个小麦季共进行了28 次取样。取样时间在上午10:00—11:30，此时间段气体排放通量最接近1 d 的平均排放通量[20]，为保证充足的准备时间，封箱（09:30）后30 min 开始第1 次取样，之后每隔20 min取样1 次，每个采样点共取样4 次，已验证按此法采样的气体通量计算结果在合理误差范围内，该方法是可行的。采样完成后将采样袋依次分组并标号，带回实验室进行分析。

1.4 指标测定方法

1.4.1 气体排放通量测定

气体样品采用Agilent hp5890 气相色谱分析仪进行测定分析，通过对每组4 个样品的目标气体混合比与相对应的采样时间间隔0、20、40、60 min 进行线性拟合，当回归系数R2＞0.75 时，视为有效数据，求得目标气体的排放通量。

CO2、N2O 排放通量（F）的计算式为：

式中：F 为气体的排放通量mg/（m2·h），负值表示土壤吸收该气体，正值表示土壤排放该气体。ρ 为标准状态下的气体密度（g/cm3）；h 为采样箱高度（1.0 m）；T 为采样时的箱内温度（℃）；dc/dt 为箱内气体浓度的变化率。

1.4.2 气体排放总量和综合温室效应计算

CO2、N2O 累积排放量计算式为：

式中：M 为全生育期内气体的累积排放量（kg/hm2）；F 为气体排放通量（mg/（m2·h））；i 为采样次数；t为采样时间（d）。

对于100 年时间尺度的气候变化，N2O 气体相对于CO2的GWPs（全球增温潜势）为298[2]，将N2O 的排放量乘以298，可得出N2O 排放量的CO2当量 （E-CO2），然后与CO2排放量相加，即得小麦季农田CO2和N2O 排放的综合温室效应（总CO2当量）[21]。

1.4.3 土壤温度和水分测定

土壤温度测定：在采集气体样品的同时，读取埋设在各试验区采样箱附近的地温计读数，并记录。

土壤水分测定：每次采集气体样品后，在采样箱底座周边进行土样的采集。分别取0～10、10～20 cm土层土壤，用烘干法在（105±2）℃测定各土层土壤含水率，并计算土壤孔隙度含水率（WFPS）。

1.4.4 小麦产量测定

小麦收获时，在每个试验区选取2 个1 m2的样点进行单独收割，风干脱粒后称取籽粒质量并计算产量，最终结果以单位面积产量（kg/hm2）表示。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉水平下土壤N2O 排放特征

2.1.1 不同灌溉水平下N2O 排放通量变化

图1 为各灌水量处理下冬小麦土壤N2O 排放通量动态变化图。由图1 可以看出，冬小麦整个生育期内各处理土壤N2O 排放通量的变化规律基本一致。在苗期（2018 年10 月24 日左右）各处理N2O 排放出现峰值，这与播种前旋耕土地和施肥有关，其中峰值最大的是T2 处理：872.29 μg/（m2·h），峰值最小的是T5 处理：530.43 μg/（m2·h）。随后N2O 的排放通量快速降低，这可能与土壤肥力逐渐减小有关，播种后38 d（2018 年11 月25 日）左右，各处理土壤N2O排放通量降至较低水平。11月26日—4月10日，各处理N2O 的排放通量都在较低水平范围内波动，波动范围为-55.07～109.05 μg/（m2·h）。4 月16 日施肥灌水后，各处理N2O 排放出现峰值，其中峰值最大的是T2 处理：120.68 μg/（m2·h），最小的是T5 处理：98.82 μg/（m2·h）。5 月18 日灌水后，各处理N2O 排放通量略有增大但变化不明显。

2.1.2 不同灌溉水平下冬小麦各生育期内土壤N2O 排放量

不同灌水量处理下冬小麦全生育期内土壤N2O的累积排放量如图2 所示。

由图2 可知，灌水量的减少能显著降低小麦生育期土壤N2O 的排放强度，CK 全生育期土壤N2O 累积排放量最大，T1 和T2 处理次之，T5 处理N2O 累积排放量最小。T1 处理较CK 减少了24.99%（P=0.18）；T2 处理较CK 减少了10.89%（P=0.53）；T3 处理较CK 减少了39.14%（P=0.06）；T4 处理较CK 减少了48.99%，差异显著（P＜0.05）；T5 处理较CK 减少了56.11%，差异显著（P＜0.05）。

图1 不同灌水量下土壤N2O 排放通量的变化 Fig.1 Temporal variation of N2O emission flux at different irrigation schemes

图2 不同灌水量下土壤N2O 累积排放量 Fig.2 Cumulative N2O emission of soil under stageat different irrigation schemes

冬小麦全生育期，各灌水量处理下土壤N2O 的平均排放通量表现为CK＞T1、T2 处理＞T3、T4 处理＞T5 处理（表1）。T4 处理比CK 减小48.30%，差异显著（P＜0.05）；T5 处理比CK 减小55.41%，差异显著（P＜0.05）；T5 处理比T2 处理减小50.65%，差异显著（P＜0.05）；其他处理之间无显著性差异（P＞0.05）。

冬小麦不同生育阶段内，各灌水量处理下土壤N2O 平均排放通量与整个生育期的变化规律基本一致。苗期，T1、T2 处理较CK 分别减小34.50%（P＜0.05）和18.22%（P＞0.05），T3、T4 处理较CK 分别减小58.37%和48.97%（P＜0.05），T5 处理较CK 显著减小64.43%（P＜0.01）。越冬期，T1—T5 处理较CK 分别减小32.61%、39.87%、31.59%、59.44%（P＜0.05）和36.79%，差异不显著。返青至拔节期，T1—T3 处理土壤N2O 平均排放通量较CK 分别增大28.72 μg/（m2·h）和32.72 μg/（m2·h），T4 和T5 处理较CK 分别减小4.09 μg/（m2·h）和9.85 μg/（m2·h）。拔节至灌浆期和成熟期，各处理土壤N2O 排放通量都处于较低水平，CK、T1 和T3 处理中土壤N2O 的平均排放通量出现负值，即土壤为N2O 的汇。

表1 不同灌水量下冬小麦各生育阶段土壤N2O 平均排放通量 Table 1 Soil N2O fluxes from wheat fields under different irrigation schemes at different growth stages μg/(m2·h)

2.2 不同灌溉水平下土壤CO2 排放特征

2.2.1 不同灌溉水平下CO2排放通量变化

各灌水量处理土壤CO2排放通量的变化规律基本一致（图3），在冬小麦出苗期（2018 年10 月24日左右）出现排放峰，其中峰值最大的为T5 处理：566.71 mg/（m2·h），最小的为T2 处理：287.91 mg/（m2·h），随后各处理CO2排放通量下降至较低水平，越冬期（2018 年12 月11 日—2019 年3 月5 日）各处理土壤CO2排放在较低水平范围内波动，波动范围为9.35～132.32 mg/（m2·h）。4 月16 日施肥和灌水后出现了CO2排放峰，峰值最大的是CK，268.45 mg/（m2·h）。5 月18 日灌水后出现CO2排放峰，峰值最大的是T2 处理：303.29 mg/（m2·h）。

2.2.2 不同灌溉水平下冬小麦各生育期内CO2排放量

冬小麦季土壤CO2累积排放量的变化如图4所示，各处理土壤CO2累积排放量的变化规律基本一致，土壤CO2累积排放量在冬小麦全生育期内逐渐增加。苗期各处理土壤CO2累积排放量快速增加，进入越冬期后累积增长速率逐渐减慢，返青—拔节期，土壤CO2累积排放量增长速率逐渐增大，拔节—灌浆阶段累积增长速率达到最大，直至冬小麦成熟。冬小麦全生育期内，土壤CO2累积排放量最大的是CK，7 923.83 kg/hm2，T1—T5处理较CK分别减少了5.47%、4.75%、9.65%、7.52%和12.33%（P＞0.05），差异不显著。各处理土壤CO2平均排放通量差异不显著（表2）。

图3 不同灌水量下土壤CO2 排放通量的变化 Fig.3 Temporal variation of CO2 emission flux at different irrigation schemes

图4 不同灌水量下小麦季土壤CO2 累积排放量 Fig.4 Cumulative CO2 emission of soil in wheat growth stage at different irrigation schemes

表2 不同灌水量下冬小麦各生育阶段土壤CO2 平均排放通量 Table 2 Soil CO2 fluxes from wheat fields under different irrigation schemes at different growth stages mg/(m2·h)

2.3 温度和含水率对N2O 和CO2 排放影响分析

2.3.1 不同灌溉水平下0～5 cm 土层温度变化

由图5 可知，整个冬小麦生育期内，不同处理下0～5 cm 土壤温度具有明显的季节变化规律。冬小麦播种后，随着气温的降低，土壤温度不断下降，最低温度出现在越冬期。进入返青期后，随着气温的升高，土壤温度也逐渐升高。随后0～5 cm 土壤温度一直呈上升趋势，直至冬小麦收获，灌水会使土壤温度出现短暂的下降。

2.3.2 不同灌溉水平下土层含水率变化

图6 为冬小麦季不同处理0～10 cm 和10～20 cm土壤含水率的动态变化图。由图6 可知，不同灌水量处理下的土壤孔隙度含水率（WFPS）的变化规律基本一致，WFPS 的变化主要受灌水和降雨的影响，在灌水和降雨后，WFPS 显著增大，随后逐渐降低。各处理0～10 cm 和10～20 cm 土壤WFPS 基本表现为CK、T1 处理最大，T4、T5 处理最小，且在灌水后这种现象较为明显。

图5 不同处理0～5 cm 土壤温度 Fig.5 Soil temperature of 0～5 cm under different treatments

图6 不同处理土层孔隙度含水率的变化 Fig.6 Soil WFPS changes under different treatments

表3 不同处理土壤CO2 排放与土壤温湿度的相关系数 Table 3 Correlation coefficients between CO2 emission and soil temperature and humidity under different treatments

2.3.3 土壤N2O、CO2排放通量与土壤温度、含水率相关性分析

考虑播种后土壤肥力对气体排放的影响占的权重较大，取气体排放通量稳定后的23 组数据进行相关性分析。表3 和表4 分别为不同灌水量处理土壤CO2排放与土壤温湿度的相关系数表和土壤N2O 排放与土壤温湿度的相关系数表。由表3 可知，土壤CO2排放通量与0～10 cm 土壤WFPS 存在一定正相关关系，相关系数在0.002～0.334；与10～20 cm 土壤WFPS 存在一定负相关关系， 相关系数在-0.410～-0.113；与土壤0～5 cm 地温间存在一定正相关关系，相关系数0.247～0.657。由表4 可知，土壤N2O排放通量与0～10 cm 土壤WFPS 存在一定正相关关系，相关系数0.077～0.377；与10～20 cm 土壤WFPS 存在一定正相关关系，相关系数0.095～0.433；与土壤0～5 cm 地温间存在一定正相关关系，相关系数0.080～0.428。

表4 不同处理土壤N2O 排放与土壤温湿度的相关系数 Table 4 Correlation coefficients between N2O emission and soil temperature and humidity under different treatments

2.4 不同灌溉水平对土壤N2O、CO2 排放综合温室效应和冬小麦产量的影响

由综合排放温室效应（表6）可知，与CK 相比，T1—T5 处理N2O 和CO2的综合排放温室效应分别减少了8.48%、5.70%、13.72%、13.91%和19.08%。从冬小麦产量情况来看（表5），T1、T3、T4 处理较CK 相比增产了3.4%、6.8%和3.4%，T2、T5 处理较CK 相比减产了3.4%和5.1%，T5 处理小麦产量最小（7 000 kg/hm2），随着灌水量的增加，产量有增加的趋势，T3 处理下产量达到最大（7 875 kg/hm2），此后随着灌水量的增加产量减小。综合考虑经济效益和环境效益，T3 处理的灌溉用水量最佳。

表5 冬小麦全生育期N2O 和CO2 累积排放量及产量 Table 5 Cumulative emission of N2O and CO2 and wheat yield during wheat entire growth period

表6 冬小麦全生育期麦田N2O 和CO2 综合排放温室效应 Table 6 GWPs of N2O and CO2 emission during wheat entire growth period kg/hm2

3 讨 论

3.1 不同灌溉水平对冬小麦土壤N2O 排放的影响

农田土壤N2O 排放主要来自氮素的硝化和反硝化作用，土壤水分、温度、质地等都会对N2O 的产生和扩散产生影响[22]，农业生产中施肥和灌水是影响土壤N2O 排放的重要因素[23-24]。本试验中，各处理N2O 排放主要集中在施肥播种后，播种后7 d 第1 次取样N2O 排放处于较高水平，到播种后26 d，各处理土壤N2O 排放通量均骤减到较低水平，这可能是因为播前灌底墒水和施加基肥，使土壤N2O 排放通量较大。随着苗期小麦生长，土壤肥力减弱，N2O 排放通量便随之迅速降低并维持在较低水平。各处理N2O 排放通量的峰值均出现在降雨或灌水以后，且峰值远小于播种前期排放水平，可见在不施肥的情况下，灌水量对土壤N2O 排放峰值的影响较施肥情况下小。4 月16 日灌水后各处理N2O 出现的峰值要高于5 月18 日灌水后N2O 的峰值，是因为4 月16 日灌水的同时追施尿素，而5 月18 日仅灌水没有施肥。同一处理，不同生育阶段土壤N2O 平均排放通量表现为苗期＞越冬期，返青至拔节期＞拔节至灌浆期＞成熟期，苗期平均排放通量最大与初期土壤肥力充足和土壤含水率高有关。

土壤湿度通过影响硝化及反硝化作用影响土壤N2O 的排放[25]。封克等[26]研究表明，在土壤WFPS为45%～75%时，硝化和反硝化共同作用产生较多的N2O。本试验小麦全生育期内，以CK 为例，高于整个观测期平均值97.1 μg/（m2·h）的N2O 排放通量，对应的 0～10 cm WFPS 在 37.39%～47.0%之间，10～20cm WFPS 在37.0%～55.03%之间。而低于32 μg/（m2·h）的N2O 排放通量中，72.7%对应的0～10 cm WFPS 在10.99%～31.37%之间，10～20 cm WFPS 在13.78%～31.65%之间，可以看出，WFPS＞37%的湿度条件利于N2O 的排放。

在旱地阶段，温度是影响N2O 排放季节变化的关键因子[27]。Bremner 等[28]研究发现N2O 排放速率的变化几乎与表层土壤温度同步。本试验相关性分析表明，各处理N2O 排放与土壤0～5 cm 地温间存在一定正相关关系，但未达到显著水平。同时，本试验中监测到N2O 排放通量出现负值的现象，关于这种现象出现的原因目前尚无定论。刘晔等[29]对北京森林生态系统的研究表明，当地表温度高于15 ℃时，N2O排放通量通常为正值，当温度在7～15 ℃时N2O 出现了负排放。Barton 等[30]发现在含氮量较低和土壤含水率较高条件下会出现N2O 的吸收。对此还有待进一步研究。

3.2 不同灌溉水平对冬小麦土壤CO2 排放的影响

小麦季土壤CO2排放通量具有明显的季节变化，播种、施肥和灌水后出现排放高峰，这与土壤水分、土壤温度、土壤微生物呼吸和作物根呼吸变化密切相关[31]。播种初期由于土壤肥力充足，加之旋耕使土壤疏松，各处理CO2排放均处于较高水平，随着土壤肥力减小和越冬期温度降低，CO2排放通量一直在较低水平范围内波动（图3）。进入返青期后，随着气温的升高，土壤温度不断增加，促进了土壤微生物活性和有机质降解等。土壤微生物呼吸逐渐增强，作物的根系呼吸也逐渐增强[32]，使得CO2排放通量逐渐增大并维持在较高水平。施肥和灌水后都出现明显排放高峰。

土壤水分和温度是影响土壤呼吸排放CO2的二大主要因素[33]。土壤水分通过影响作物根系呼吸、土壤微生物呼吸等多个方面影响土壤CO2的产生与排放[34]，其与土壤CO2排放之间的关系较为复杂，目前不同研究者对二者之间关系的研究结果有所不同。杨凡等[35]在关中地区夏玉米试验中发现土壤CO2排放通量对0～10 cm 土层WFPS 变化较10～20 cm 土层WFPS 的变化响应敏感。杨硕欢等[32]在玉米-小麦轮作试验中观测到土壤CO2排放通量与土壤水分（0～10、10～20 cm 土层）之间呈负相关关系，且相关性不显著。土壤CO2排放峰值出现时间同当次灌溉时间有滞后性，且高水分处理CO2排放通量并非全高于中、低水分处理[36]，这与本试验结果一致。过高的土壤含水率会阻碍土壤中O2扩散，抑制植物根系和好氧微生物的活动[37]，因此土壤CO2排放并非随土壤湿度增大而一直增大。有研究指出，土壤水分对土壤CO2排放量的影响取决于与土壤温度的相互协调作用[38]。本试验结果与之相符，从不同生育阶段各处理CO2平均排放通量的方差分析来看，除越冬期外，其他阶段各处理CO2排放没有显著性差异（表2）。可见在越冬期温度较低时，CO2排放处于较低水平，此时气体排放强度对土壤水分的改变有明显响应。Mcculley 等[39]研究表明，灌溉会显著增加土壤呼吸的温度敏感性，但当土壤含水率超过某个阈值，土壤呼吸的温度敏感性反而会降低；相关分析表明，本试验各处理CO2排放通量与土壤WFPS 间相关关系不明显，而与0～5 cm 土壤温度间存在一定正相关关系，且在T5 处理下相关性极显著（P＜0.01）。

4 结 论

1）小麦季各处理土壤N2O 排放季节性波动较小，变化趋势比较一致，均由苗期的峰值下降到较低水平范围内波动；不同灌水水平对小麦季土壤N2O 平均排放通量有一定影响，且灌水量对土壤N2O 排放的影响在施肥之后表现得更加显著。T4、T5 处理较CK 相比N2O累积排放通量显著减少48.99%和56.11%（P＜0.05）。

2）小麦季农田土壤CO2排放具有明显季节变化规律，各处理均呈先减小至较低水平后波动性升高的“U”形曲线；不同灌水水平土壤CO2平均排放通量存在差异，但均未达到显著水平。土壤CO2累积排放量最大的是CK：7 923.83 kg/hm2，T1—T5 处理较CK分别减少了5.47%、4.75%、9.65%、7.52%和12.33%（P＞0.05）。

3）土壤N2O 排放与0～10、10～20 cm 土壤WFPS和0～5 cm 土壤温度之间均存在一定正相关关系，土壤CO2排放与0～5 cm 土壤温度存在正相关关系，且在T5处理下相关性极显著（P＜0.01）。

4）与CK 相比T1—T5 处理，土壤N2O 和CO2的综合排放温室效应减少了5.70%～19.08%，T3 处理小麦产量最大（7 875 kg/hm2），T3 处理对应的灌溉水量能够在稳产的前提下达到节水、减排效果。