周永杰，谢军红✉，李玲玲，王林林，罗珠珠，王进斌

1甘肃农业大学农学院，兰州 730070；2省部共建干旱生境作物学国家重点实验室（甘肃农业大学），兰州 730070；3甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070

0 引言

【研究意义】粮食安全与CO2排放是人类社会广泛关注的焦点，CO2是最重要的温室气体之一，在农田生态系统中具有不同的“源”“汇”功能。土壤呼吸是陆地生态系统中第二大碳通量，其微小的变化对大气CO2浓度产生巨大影响，从而加剧或缓解全球气温变化[1]。增加土壤有机质，扩大土壤碳库，减少CO2排放不仅可以缓解温室效应，又能提高土地生产力水平和生态系统服务功能[2]，因此农田 CO2减排对农业可持续发展具有重要意义。旱作农业对于保障粮食安全发挥积极作用。黄土高原半干旱区是旱作农业的典型区域。以“旱寒瘠”为特点的生态环境条件十分不利于农业生产，落后的传统观念和经济水平更加限制了农业现代化进程，因此，通过改善农艺措施以提高土地生产力是黄土高原旱作农业发展的重点[3]。【前人研究进展】新世纪以来，以全膜双垄沟播玉米播种技术的发明和推广极大地提高土地生产力水平和水分利用效率，但同时增加农田CO2排放量[4-5]。研究表明农田的土壤呼吸主要包括三个生物学过程和一个非生物学过程，其中生物学过程主要有根系呼吸的自养呼吸和以微生物呼吸、动物呼吸为主的异养呼吸；而非生物学过程主要是含碳矿物质的氧化和分解[6]，大量研究表明，不同农艺措施通过改变影响土壤碳排放的物理、化学和生物因子（如土壤温度、湿度、pH、通气性、营养状况及土壤微生物等）进而影响土壤呼吸[7]。其中，翻耕、旋耕等将不同层次的土壤直接暴露在土层表面，改变了土壤通气性、温度及湿度，使土壤微生物活性增强，加剧土壤有机碳的氧化，促进土壤异养呼吸[8-9]，少免耕为主的保护性耕作通过改善土壤理化性状，促进蓄水保墒，提高作物产量，降低土壤碳排放量[10-11]。氮肥高效利用是作物增产的主要途径，过量施氮使得植物根系和微生物生物量的增加直接促进土壤呼吸，提高碳排放效率[12-13]；PENG等研究表明增施氮肥增强了土壤有机质稳定性，降低了CO2排放量，增加了土壤表层有机碳含量[14]。但也有研究表明少耕轮作条件下减施氮肥能保证稳产水平，降低CO2排放量，实现节本增效[15-16]。全膜双垄沟播玉米良好的水热条件，促进了干物质的积累和产量的提高，然而在这种良好的土壤微生态环境条件下，活跃了土壤根呼吸和异养呼吸，进而促进土壤呼吸[17]，使得全膜双垄沟播玉米农田土壤呼吸的研究变得愈加困难。【本研究切入点】近年来，增产不增效及较高的碳排放成为黄土高原全膜双垄沟播玉米种植体系新的科学问题，既能提高玉米产量又能降低土壤碳排放的农艺措施亟待探寻。【拟解决的关键问题】本研究依托长期定位试验研究氮肥减量条件下耕作方式对土壤呼吸、碳排放、作物产量的影响，探讨作物生长与土壤碳排放的关系，为黄土高原半干旱区氮肥减量与高产低碳生产技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于 2018—2019年在位于甘肃省定西市安定区的甘肃农业大学旱作农业综合实验站进行。该区属中温带半干旱偏旱区，多年平均日照时数 2477h，太阳辐射量为593 kJ·cm-2；年均气温6.4 ℃，变化在5.8—6.8℃之间，≥0℃积温为2 934℃，≥10℃积温为2 239℃，年均无霜期为140 d；多年平均降水量为391 mm，年际、年内变化率大，80%保证率的降水量为365 mm，年蒸发量1 531 mm。2018年与2019年降水量为472.1和491.6 mm（图1）。试区土壤为黄绵土，土质较绵软，质地均匀，贮水性能良好。

1.2 试验设计

在全膜双垄沟播的基础上，采取二因素裂区设计，主区为4种耕作方式：翻耕（T1）；旋耕（T2）；深松（T3）和免耕（T4）。副区处理为两个施氮水平：氮肥减施（N1：基施纯氮 200 kg·hm-2）和传统施氮（N2：基施 200 kg·hm-2+拔节期 100 kg·hm-2），8 个处理组合，3次重复，共24个小区，主区面积为88 m2（20 m×4.4 m），副区面积为44 m2（10 m×4.4 m）。

1.3 田间操作及管理

在2017年玉米收获后，除根茬外，移除全部秸秆，不揭膜，将农田免耕至翌年3月下旬（土壤解冻后），然后尽快揭去旧膜，各处理基施200 kg N·hm-2、150 kg P2O5·hm-2，磷肥为过磷酸钙（P2O516%），氮肥为尿素（N 46%）后，及时完成耕作与起垄覆膜作业，所有处理均使用全膜双垄沟播技术。具体为：传统耕作以兰驼1LF铧式犁翻耕，作业深度为20 cm，后用人工全膜双垄沟播起垄机起大小双垄（大垄：垄高15 cm，垄宽70 cm；小垄：垄高20 cm，垄宽40 cm），用宽140 cm、厚0.01 mm的白色地膜全地表覆盖, 于沟内间隔50 cm留渗水孔。旋耕以东方红1GQN-125型旋耕机旋耕，作业深度为15 cm；深松耕用平凉红牛机械制造厂生产的间隔深松机进行深松，作业深度为35 cm，深松铲宽度间隔40 cm，深松时，保证深松缠轨迹在玉米种植沟内；旋耕和深松耕处理的起垄覆膜同翻耕；免耕：对土壤不耕作，用人工全膜双垄沟播起垄机进行简单的培垄整理后完成覆膜作业。耕作完成后各处理4月下旬用点播器进行播种，拔节期在副区用点播器穴施100 kg N·hm-2。供试玉米（Zea mays L.）品种为先玉335，密度为5.25万株/hm2（株距35 cm）。玉米生长期内，人工除草，及时防治病虫害，10月上旬收获，其他管理同大田，2019年同2018。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 干物质积累量、玉米生长率（CGR）和净同化率（NAR） 于2019年在玉米拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期每小区取3株，用以测定干物质积累量；并计算玉米生长率（ CGR）和玉米净同化率（NAR）。玉米生长率为单位时间内单株玉米所增加的干物质重量（g·plant-1·d-1），玉米净同化率为某一段时间内单位叶面积干物质的增长量（g·m-2·d-1）[18]。

式中，W2-W1表示一段时间内每株玉米植株干重的净增长数量，t2-t1为2次测定时期的间隔天数。W1、W2为第 t1和 t2天玉米的干物质重，L1和 L2分别为第 t1和t2天的叶面积。

1.4.2 土壤有机碳 于2019年采用五点采样法分别采取玉米收获后各小区 0—5、5—10和10—30 cm土层土样，混匀后除去根系等杂物，带回实验室，风干、过筛后用重铬酸钾外加热法测定0—30 cm土层有机碳含量。

1.4.3 土壤呼吸速率 在2018年和2019年玉米生长期内，用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统（LI-COR Inc, Lincoln，NE，USA）从播种后每隔15 d左右测定一次，在早上9：00—11：00测定[19]。

1.4.4 土壤碳排放量 根据土壤呼吸速率及测定时间，计算整个生育期的土壤碳排放量CE（kg C·hm-2)。

式中，R为作物生长季土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1），i+1和 i是前后两次采样时间，t为播种后的天数。0.1584 是将 μmol CO2·m-2·s-1转化为 g CO2·m-2·s-1的转换系数，0.2727 是将 g CO2·m-2·h-1转化为 g C·m-2·h-1的转换系数，24和 10是将碳排放单位由 g C·m-2·h-1转化为kg C·hm-2的转换系数[19]。

1.4.5 碳排放效率计算

式中，Y为作物籽粒产量，CE为土壤碳排放量，CEE为每释放1 000 g碳所产生的产量（kg·kg-1）[19]。

1.4.6 土壤碳平衡的计算 采用净生态系统生产力（net ecosystem production，NEP）来表示生态系统碳平衡。当NEP为正值时，表明此系统是大气 CO2的“汇”，反正，则为大气CO2的“源”。计算公式为：

式中，NPP 表示玉米地上、地下部分所固定的碳，地上部生物量即为玉米收获后所有地上生物量，地下部分生物量即为根生物量，用玉米籽粒产量的58%计算，作物地上部组织和根的含碳量取45%（据估算，作物利用光合作用合成1 g有机质需要吸收C 0.45 g）；Rm为土壤微生物异养呼吸碳排放量，CE为玉米生长期的碳排放量[22]。

1.5 数据分析

采用 Excel 2016进行试验数据整理汇总，采用SPSS 19.0对干物质积累量、生长率、净同化率、有机碳含量等进行方差分析（ANOVA），用多重比较法中的最小显著性差异法（LSD）对耕作方式、施氮水平下的土壤呼吸速率进行检测（P＜0.05），用Sigmaplot12.5作图。

2 结果

2.1 耕作方式及施氮水平对玉米生长的影响

2.1.1 玉米干物质积累量 由表1可知，耕作方式、施氮水平及二者的交互效应对不同生育时期玉米干物质积累量显著影响。其中，耕作方式对干物质积累的影响主要在灌浆期和成熟期，T4处理的干物质积累量较高，较T2处理分别增加9.4%和11.7%；施氮水平的影响在开花期，与N2处理相比，N1处理的干物质积累量降低了9.4%；所有处理组合中，T3N2在拔节期的干物质积累量较T2N2增加22.1%；T4N2在成熟期的干物质积累量较T2N1增加16.8%。

2.1.2 玉米生长率和净同化率 由表2可知，2019年，随着玉米生长，各处理生长率先升高后降低，净同化率呈减小趋势。施氮水平显著影响玉米生长率和净同化率，拔节期—开花期生长率N2比N1高12.8%，拔节期—开花期净同化率N2比N1高14.8%，差异显著。耕作方式和施氮水平交互效应对出苗期—拔节期—开花期的生长率和净同化率影响显著，出苗期—拔节期生长率T3N2较T2N2提高22.7%，拔节期—开花期生长率T2N2、T4N2与T2N1、T3N1差异显著，拔节期—开花期净同化率T2N2较T1N1、T2N1、T3N1分别提高了27.7%、28.3%、31.6%。

表2 耕作方式及施氮水平对玉米生长率和净同化率的影响Table 2 Effects of different tillage practices and nitrogen levels on growth rate ( g·plant-1·d-1) and net assimilation rate ( g·m-2·d-1)

2.2 耕作方式及施氮水平对土壤有机碳的影响

由图2可知，在N1水平下，T4处理下0—5 cm土层有机碳含量最高，为10.73 g·kg-1，与T2差异显著。5—10 cm土层T1处理的有机碳含量最高且与T2处理差异显著。10—30 cm土层各处理的有机碳含量差异不显著。N2水平下，0—5 cm土层有机碳含量以T2和T4最高，5—10 cm以T3最高，10—30 cm以T1、T2最高，T3最低，差异显著。由表3可知，耕作方式对土壤有机碳的影响主要在土壤表层，0—5 cm土层有机碳含量以 T4免耕最高，较其他处理提高9.3%—11.7%，差异显著；耕作方式与施氮水平交互效应显著影响0—30 cm土层有机碳含量，其中0—5 cm土层T4N1处理的有机碳含量为10.73 g·kg-1，5—10 cm土层的T1N1较T2N1、T2N2、T4N2处理有机碳含量分别提高20.2%、19.5%、24.9%，10—30 cm土层 T3N2较T2N2降低17.3%，差异显著。通过加权平均计算0—30 cm土层有机碳含量可知，所有处理差异均不显著。

表3 耕作方式及施氮水平对0—30 cm土层有机碳含量的影响Table 3 Effects of different tillage practices and nitrogen levels on soil (0-30 cm) organic carbon content (g·kg-1)

2.3 耕作方式及施氮水平对土壤呼吸速率的影响

由图3、4可知，2个生长周期内，随着生育时期的推进，各处理土壤呼吸速率均呈先上升后降低的单峰曲线，4月下旬到7月中旬上升较快，在7月中下旬（大喇叭口期—开花期）达到最高值，10月中旬降到最低。总体上 T3处理的土壤平均呼吸速率最高，T1和T2次之，免耕处理最低。N1水平下2018年5月13日（苗期）和10月14日（成熟期）呼吸速率T3和T4差异显著，T3处理较其他处理土壤呼吸速率高 0.69—1.81 μmol·m-2·s-1；N2 水平下 4 月 15 日（播前）T1与其他处理差异显著，T2、T3、T4 较T1降低 1.01—1.09 μmol·m-2·s-1，大喇叭口期、成熟期 T4呼吸速率较T3降低了21.1%（图3），N1水平下7月5日拔节期（2019年）T2、T4比 T3处理分别降低了43.6%、40.5%，差异显著；N2水平下6月8日、7月5日和8月30日T3比T4处理呼吸速率分别升高了 0.7—2.9 μmol·m-2·s-1，差异显著（图 4） 。

2.4 耕作方式及施氮水平对产量、土壤碳排放及碳排放效率的影响

由表4可知，耕作方式和耕作方式与施氮水平的交互效应显著影响玉米的籽粒产量、碳排放总量及碳排放效率。2018年 T2、T3、T4下的籽粒产量较 T1分别增加9.4%、9.8%和12.0%，2019年T4较T1、T2分别增加14.8%和11.2%；2018和2019年T4下的碳排放总量较T3分别降低29.8%和36.1%，差异极显著（P＜0.01），T4的碳排放效率在2018和2019年较T3分别提高47.2%、64.3%，差异极显著（P＜0.01）；减施氮肥仅减少了2018年籽粒产量，但耕作方式与施氮水平交互效应显著影响籽粒产量、碳排放总量及碳排放效率。2018年T3N2的籽粒产量较T1N1、T1N2分别增加16.3%和15.5%，差异极显著（P＜0.01）；2018年 T2N1、T4N1、T4N2的碳排放总量较 T3N2分别减少21.2%、30.3%和31.0%，T4N1、T4N2碳排放总量在2019年较T3N2分别减少29.4%和37.3%；T4N2下的碳排放效率最高，与T1N1、T1N2、T3N1和T3N2差异显著 （P＜0.05）。

表4 耕作方式及施氮水平对碳排放效率的影响Table 4 Effects of different tillage practices and nitrogen levels on carbon emission efficiency

2.5 耕作方式及施氮水平对碳平衡的影响

采用净系统生产力（NEP）判断碳平衡（表5），各处理 NEP均为正值，说明均表现为大气 CO2的“汇”。耕作方式对异养呼吸（Rm）影响显著，T1较T3处理降低12.9%，与T4差异极显著（P＜0.01），各处理表现为T3＞T2＞T1＞T4，NEP为T4＞T2＞T3＞T1，T4较T1提高21.9%，差异显著（P＜0.05）。T4N1和T4N2下的Rm较T1N1、T1N2、T3N1、T3N2降低 7.6%—37.3%，差异显著， T4N2下的 NEP在2019年较T1N1和T1N2分别提高21.7%和32.0%，差异显著（P＜0.05）。

表5 耕作方式及施氮水平下玉米农田碳平衡的变化Table 5 Changes in carbon budget under different tillage practices and nitrogen levels

2.6 不同处理下玉米生长与碳排放的关系

由表6可知，碳排放效率与干物质积累（r= 0.511*）、生长率（r = 0.408*）和净同化率（r = 0.487*）呈显著正相关关系，与有机碳呈极显著负相关关系（r=-0.93**）；干物质积累与生长率（r=0.845**）、净同化率（r= 0.676**）呈极显著正相关关系。

表6 碳排放效率、土壤有机碳含量和玉米生长之间的关系Table 6 The relationship among carbon emission efficiency, organic carbon content,and maize growth characteristics under different treatments

3 讨论

3.1 耕作方式及施氮水平对玉米生长及产量的影响

作物生育期内干物质的积累对作物产量形成至关重要，干物质积累水平决定最终籽粒产量的高低[23]。本研究发现，耕作方式对干物质积累的影响主要在灌浆期和成熟期，免耕下干物质积累量在这两个时期较旋耕增加 9.4% 和 11.7%，差异显著，且免耕和深松耕获得较高的籽粒产量，说明深松耕和免耕不仅增加玉米干物质积累而且提高干物质转化效率；谢军红和UWAMUNGU等[24-25]认为深松耕和免耕可以改善土壤理化性状，蓄水保墒，防止土壤侵蚀，提高自然降水利用率，为旱作玉米生长创造良好的土壤水分环境，促进玉米生长和产量提高，但本研究下由于试验年度均是丰水年，且生长后期，降水较多，存在水分胁迫的可能性小，深松耕、免耕协调了生物产量与籽粒产量的关系，提高了干物质转化效率、进而促进了籽粒产量的提高，主要原因可能与深松耕、免耕处理下良好的土壤理化性状有利于根系的生长发育有关[26]。施氮水平对干物质的影响主要发生在拔节—开花期，此阶段增施氮肥提高了玉米的干物质积累量，但 N1与 N2相比，干物质积累量仅降低了9.4%，到灌浆期和成熟期，干物质积累的差异进一步缩小。两个试验年度施氮水平间籽粒产量不同，过多的降水加速了氮的淋失，追肥增加了 NH3的挥发损失[27]，同时，也可能与试区降水格局与低温，以及后期光照不足有关，综合两年的产量表现，本研究认为，在丰水年200 kg·hm-2的施氮水平能满足玉米的氮素需求，且结合免耕措施对作物生产有了一定补偿效应，而增加施氮量则增加了种植成本和环境代价。本研究中N2水平在拔节期追施氮肥，主要目的是缓解覆膜玉米后期脱肥问题，但在本试验中发现，丰水年没有脱肥问题，因此覆膜玉米脱肥问题的解决可借鉴周宝元等[28-29]提出的应用缓释肥的策略，而不一定要增加施氮量。

3.2 耕作方式及施氮水平对玉米农田土壤呼吸的影响

土壤呼吸速率随着玉米的生长各处理均呈先升高后降低的单峰曲线，在 7月中下旬达到最高值，这是因为该时间段玉米生长最旺盛，这与HAN等[30]研究结果相似。不同耕作方式对土壤呼吸速率的影响不同，本试验中4种耕作方式土壤呼吸速率表现为：深松耕＞翻耕＞旋耕＞免耕，免耕较旋耕、翻耕和深松耕土壤呼吸速率分别降低4.3%、12.9%和24.3%，主要原因是传统翻耕、旋耕、深松耕都对土壤进行不同程度扰动，改变了土壤环境，使土壤疏水通气，深松耕更有利于玉米根系的生长，提高了根及根际微生物的呼吸强度，使呼吸速率比其他耕作方式更早达到最高值，也使土壤碳排放量增加[31-33]。另一方面也于耕作强度会对土壤富碳团聚体造成破坏，使部分有机碳矿化，而免耕对土壤的扰动较少，降低了土壤通透性和有机碳的矿化率，所以呼吸速率较低[34]。深松耕是对30—50 cm土层进行松动，打破土壤犁底层，更大程度上增加了土壤的通透性，从而使更多的有机碳被矿化，从而导致土壤有机碳快速损失，这也是此研究中异养呼吸碳排放量显著高于其他处理的原因[8,35]。翻耕将部分深层的有机碳翻至表层，较旋耕 5—10 cm土层土壤有机碳含量增加 10.9%，然而此过程中，也有部分有机碳被暴露在土壤表面，加快有机碳矿化，同时翻入土壤深层的玉米残茬腐解加快，增加土壤碳输入和输出，导致翻耕下的土壤呼吸速率和碳排放量较高，仅次于深松耕[36]。免耕下0—5 cm土层有机碳含量较翻耕和旋耕分别提高11.3%、9.3%，其原因可能是免耕对深层土壤无扰动，玉米残茬多存留于土壤表层，从而增加0—5 cm土层有机碳含量；深松耕消耗较多的深层有机碳，从而对深层土壤增碳效果不明显，这与王立刚等[37]研究结果相似。过量施肥提高以碳源为呼吸底物的土壤微生物活性，增强土壤微生物呼吸，导致土壤有机碳含量下降，土壤碳排放量增加[38]，但也有研究表明施氮能降低作物根茬C/N，加快根系分解，有助于有机碳的形成[39]，本研究中，减施氮肥0—10 cm土层的有机碳含量较传统施氮提高5.8%，相反，减施氮肥（N1）碳排放总量较传统施氮（N2）降低 216 kg·hm-2。总体来看，通过两年平均计算，免耕配合氮肥减量较其他处理碳排放总量降低 489—1 917.5 kg·hm-2，碳排放效率提高20.1%—56.2%，说明免耕减施氮肥既能提高籽粒产量，还能减少温室气体排放，具有明显的产量效益和环境效益。

3.3 耕作方式及施氮水平对玉米农田固碳及碳平衡的影响

本研究采用净生态系统生产力（NEP）作为评价农田土壤碳平衡的方法[40]。研究表明，农艺措施通过改变影响碳排放的物理、化学和生物因子而影响土壤碳平衡，不合理的农艺方法在强化排放源的同时，可弱化吸收汇的作用[41-42]，本研究结果显示，全膜双垄沟播玉米在4种耕作方式下均能取得较高生物量，提高了农田固碳总量，提高了碳排放效率，各处理下的净生态系统生产力（NEP）均为正值，说明4种耕作方式下旱作玉米农田均表现为大气CO2的“汇”。研究还发现由于免耕降低了碳排放总量，2018年和2019年免耕NEP为最高，较传统翻耕高21.9%。两种施氮水平下各处理NEP均大于0，表现为大气CO2的“汇”，碳排放效率与干物质积累、生长率和净同化率呈显著正相关关系，可能是因为耕作方式和施氮促进玉米光合能力，捕获更多CO2，提高了玉米固碳能力，这与YONG等[14]研究结果一致。而碳排放效率与土壤有机碳呈极显著负相关关系，可能是良好的土壤环境促进根系或微生物呼吸，从而增加土壤碳排放总量。所以，以免耕为主的保护性耕作配合减氮可以提升全膜双垄沟播玉米的稳增产水平，降低碳排放，促进碳平衡。

4 结论

4.1 耕作方式及施氮水平对全膜双垄沟播玉米生长过程影响不同，免耕处理显著提高干物质积累量、生长率和净同化速率；免耕较其他耕作方式籽粒产量提高2%—15%，2019年，同一耕作方式下N1与 N2产量差异不显著。

4.2 土壤呼吸速率呈先升高后降低的单峰曲线，在大喇叭口期—开花期达到峰值。耕作方式对土壤呼吸、碳排放量及碳排放效率的影响大于施氮水平，免耕较其他耕作方式降低了土壤呼吸速率、总碳排放量，提高了碳排放效率；免耕结合传统施氮较其他模式既提高籽粒产量，又减少温室气体排放。

4.3 各处理均表现为大气 CO2的“汇”，其中免耕表现出更强的碳汇效应，其0—5 cm土层有机碳含量较传统翻耕显著增加11.3%，减施氮肥处理0—10 cm土层的有机碳含量较传统施氮提高5.8%。

4.4 全膜双垄沟播玉米碳排放效率与干物质积累量、生长率和净同化率呈显著正相关关系，玉米碳排放效率与土壤有机碳呈极显著负相关，可能是因为耕作方式和施氮促进玉米光合能力，捕获更多CO2，提高了玉米固碳能力。

综上，在472—491 mm的年降水条件下，免耕氮肥减量（基施氮量200 kg·hm-2）既能保持陇中旱农区全膜双垄沟播玉米稳增产水平，又能降低土壤碳排放，提高碳排放效率。