灌水量對(duì)冬小麥農(nóng)田土壤N2O 與CO2 排放的影響

熊 浩，張保成，李建柱，張 旭，石建華

（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350； 2.北京中水科苑工程咨詢(xún)有限公司，北京 100053）

0 引 言

【研究意義】全球變暖引發(fā)的極端氣候事件已經(jīng)成為人類(lèi)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。人類(lèi)活動(dòng)引起的溫室氣體排放作為導(dǎo)致全球變暖的關(guān)鍵因素已成為相關(guān)領(lǐng)域普遍關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。氧化亞氮（N2O）、二氧化碳（CO2）是2 種主要的溫室氣體，農(nóng)田土壤是其重要的排放源[3]，據(jù)估計(jì)，大氣中每年80%～90%的N2O和5%～20%的CO2來(lái)源于土壤[4]，因此，研究農(nóng)田土壤N2O 和CO2的排放規(guī)律，在溫室氣體排放研究中具有十分重要的意義。

【研究進(jìn)展】目前對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的研究主要集中在施肥、秸稈還田和耕作方式等方面[5-7]。李燕青等[8]發(fā)現(xiàn)施肥會(huì)顯著增加農(nóng)田土壤N2O 和CO2的排放總量。趙力瑩等[9]的研究發(fā)現(xiàn)冬小麥季農(nóng)田在長(zhǎng)期旋耕基礎(chǔ)上經(jīng)深松和翻耕后，N2O 和CO2排放有顯著變化。土壤水分是溫室氣體排放的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子[10]，而人類(lèi)活動(dòng)中，灌溉是改變農(nóng)田土壤水分的主要措施之一。灌溉通過(guò)改變土壤水分狀況進(jìn)而影響農(nóng)田土壤N2O 和CO2排放，同時(shí)充足的灌水量也是作物保持高產(chǎn)的關(guān)鍵。灌溉量的多少、灌溉方式和灌溉的頻率等都會(huì)對(duì)土壤N2O 和CO2的排放產(chǎn)生明顯影響[11]?！厩腥朦c(diǎn)】目前研究灌溉對(duì)溫室氣體排放的影響主要在稻田、菜地和節(jié)水灌溉措施等方面[12-16]關(guān)于灌溉用水量對(duì)北方麥田溫室氣體排放的影響研究甚少。

王玉英等[17]對(duì)太行山前平原冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田的試驗(yàn)研究表明施肥和灌溉會(huì)直接導(dǎo)致土壤N2O 和CO2排放通量增大，溫度升高和干濕交替都會(huì)增大土壤N2O 和CO2的排放速率。郭樹(shù)芳等[18]在華北平原西部的試驗(yàn)表明，溫度和土壤水分是影響土壤N2O 及CO2排放通量的主要因素，且微噴灌溉下土壤N2O 和CO2排放均高于傳統(tǒng)漫灌。劉晶晶等[19]的研究發(fā)現(xiàn)土壤呼吸與灌溉量正相關(guān)，但過(guò)量灌溉會(huì)降低土壤呼吸，在一定范圍內(nèi)灌溉量的增加增大了土壤N2O 的年際排放總量。

【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文以華北地區(qū)冬小麥農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，對(duì)不同灌溉水平下冬小麥全生育期土壤N2O 和CO2排放進(jìn)行田間監(jiān)測(cè)，分析土壤N2O和CO2的排放特征和綜合溫室效應(yīng)，結(jié)合不同灌溉水平下小麥產(chǎn)量，為制定節(jié)水、減排的灌水定額提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇河北省石家莊市晉州市周家莊鄉(xiāng)科學(xué)灌溉項(xiàng)目農(nóng)田試驗(yàn)站作為試驗(yàn)區(qū)，該試驗(yàn)區(qū)位于河北省中南部，滹沱河流域，屬東部季風(fēng)氣候區(qū)，主要種植制度為冬小麥-夏玉米輪作，一年二熟。區(qū)域年平均氣溫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，雨熱同期。供試土壤為輕壤質(zhì)土，試驗(yàn)開(kāi)始前0～20 cm 土層土壤基本理化性質(zhì)為：土壤體積質(zhì)量1.26 g/cm3，有機(jī)質(zhì)量為14.02 g/kg，速效磷量為11 mg/kg，速效鉀量為85 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以冬小麥農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，按灌水單因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)，共設(shè)置6個(gè)灌水水平，分別為：CK（89.96 mm）、T1（80.96 mm，減少10%）、T2（71.97 mm，減少20%）、T3（62.97 mm，減少30%）、T4（53.98 mm，減少40%）、T5（44.98 mm，減少50%），CK 是按當(dāng)?shù)毓嗨~換算的灌水量，6 個(gè)灌水量處理，每個(gè)處理2 次重復(fù)，共計(jì)12 個(gè)試驗(yàn)區(qū)，小區(qū)面積120 m2（15 m×8 m），每個(gè)小區(qū)之間設(shè)1.5 m 寬隔離帶，試驗(yàn)小區(qū)周?chē)O(shè)置保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)處理與相鄰試驗(yàn)小區(qū)一致。前茬作物玉米收獲后，旋耕機(jī)旋地2 次，深度20 cm，肥料為當(dāng)?shù)仄毡槭褂玫膹?fù)合肥（N-P2O5-K2O 18-17-10），播種同時(shí)按750 kg/hm2施基肥，拔節(jié)期按322.5 kg/hm2追施尿素。供試小麥品種為“冀麥418”，于2018 年10月17 日播種，2019 年6 月10 日收獲，大田生長(zhǎng)期為236 d。主要生育期劃分為苗期（10 月17 日—12月10 日）、越冬期（12 月11 日—3 月5 日）、返青—拔節(jié)期階段（3 月6 日—4 月30 日）、拔節(jié)—灌漿期段（5 月1 日—5 月26 日）、成熟期（5 月27 日—6月10 日）。為保證冬小麥順利出苗，試驗(yàn)各小區(qū)在播種前均灌水44.98 mm，整個(gè)生育期內(nèi)于11 月28 日、4 月16 日和5 月18 日共灌水3 次，4 月16 日灌水的同時(shí)追施尿素，其他田間管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理保持一致。

1.3 田間采樣與觀測(cè)

試驗(yàn)用靜態(tài)箱法采集氣體（N2O、CO2）樣品。靜態(tài)箱底座于小麥播種后當(dāng)天埋設(shè)在各試驗(yàn)小區(qū)中部，不再移動(dòng)直至小麥?zhǔn)斋@，底座內(nèi)無(wú)小麥植株，底座上端有4 cm 深的凹槽用以放置靜態(tài)箱體，取樣時(shí)往凹槽內(nèi)注水密封防止周?chē)諝馀c箱內(nèi)氣體交換。箱體由板厚1 mm 的不銹鋼板制成，幾何尺寸為50 cm×50 cm×100 cm，箱體外表面包有隔熱泡沫板，防止取樣期間陽(yáng)光照射導(dǎo)致箱體內(nèi)溫度的劇烈升高，箱體內(nèi)壁裝有小風(fēng)扇，每次取樣前風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)以使箱內(nèi)氣體混合均勻。箱體側(cè)部有溫度計(jì)插孔和取氣口（閥門(mén)），利用采氣泵連接取氣閥門(mén)抽出箱內(nèi)氣體并注入鋁箔真空采樣袋內(nèi)，采集氣體的同時(shí)讀取安插在箱體側(cè)部的水銀溫度計(jì)讀數(shù)，用于計(jì)算氣體排放通量。

小麥播種后第7 天開(kāi)始田間原位氣體采樣，在冬小麥全生育期內(nèi)各個(gè)關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行氣體樣品的采集，平均7～10 d 取樣1 次。在有效降雨（大于5 mm）或施肥灌水后增加采樣頻率，分別在第1、3、5 天取樣，整個(gè)小麥季共進(jìn)行了28 次取樣。取樣時(shí)間在上午10:00—11:30，此時(shí)間段氣體排放通量最接近1 d 的平均排放通量[20]，為保證充足的準(zhǔn)備時(shí)間，封箱（09:30）后30 min 開(kāi)始第1 次取樣，之后每隔20 min取樣1 次，每個(gè)采樣點(diǎn)共取樣4 次，已驗(yàn)證按此法采樣的氣體通量計(jì)算結(jié)果在合理誤差范圍內(nèi)，該方法是可行的。采樣完成后將采樣袋依次分組并標(biāo)號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.4 指標(biāo)測(cè)定方法

1.4.1 氣體排放通量測(cè)定

氣體樣品采用Agilent hp5890 氣相色譜分析儀進(jìn)行測(cè)定分析，通過(guò)對(duì)每組4 個(gè)樣品的目標(biāo)氣體混合比與相對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間間隔0、20、40、60 min 進(jìn)行線性擬合，當(dāng)回歸系數(shù)R2＞0.75 時(shí)，視為有效數(shù)據(jù)，求得目標(biāo)氣體的排放通量。

CO2、N2O 排放通量（F）的計(jì)算式為：

式中：F 為氣體的排放通量mg/（m2·h），負(fù)值表示土壤吸收該氣體，正值表示土壤排放該氣體。ρ 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度（g/cm3）；h 為采樣箱高度（1.0 m）；T 為采樣時(shí)的箱內(nèi)溫度（℃）；dc/dt 為箱內(nèi)氣體濃度的變化率。

1.4.2 氣體排放總量和綜合溫室效應(yīng)計(jì)算

CO2、N2O 累積排放量計(jì)算式為：

式中：M 為全生育期內(nèi)氣體的累積排放量（kg/hm2）；F 為氣體排放通量（mg/（m2·h））；i 為采樣次數(shù)；t為采樣時(shí)間（d）。

對(duì)于100 年時(shí)間尺度的氣候變化，N2O 氣體相對(duì)于CO2的GWPs（全球增溫潛勢(shì)）為298[2]，將N2O 的排放量乘以298，可得出N2O 排放量的CO2當(dāng)量 （E-CO2），然后與CO2排放量相加，即得小麥季農(nóng)田CO2和N2O 排放的綜合溫室效應(yīng)（總CO2當(dāng)量）[21]。

1.4.3 土壤溫度和水分測(cè)定

土壤溫度測(cè)定：在采集氣體樣品的同時(shí)，讀取埋設(shè)在各試驗(yàn)區(qū)采樣箱附近的地溫計(jì)讀數(shù)，并記錄。

土壤水分測(cè)定：每次采集氣體樣品后，在采樣箱底座周邊進(jìn)行土樣的采集。分別取0～10、10～20 cm土層土壤，用烘干法在（105±2）℃測(cè)定各土層土壤含水率，并計(jì)算土壤孔隙度含水率（WFPS）。

1.4.4 小麥產(chǎn)量測(cè)定

小麥?zhǔn)斋@時(shí)，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)選取2 個(gè)1 m2的樣點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)收割，風(fēng)干脫粒后稱(chēng)取籽粒質(zhì)量并計(jì)算產(chǎn)量，最終結(jié)果以單位面積產(chǎn)量（kg/hm2）表示。

2 結(jié)果與分析

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 排放通量變化

圖1 為各灌水量處理下冬小麥土壤N2O 排放通量動(dòng)態(tài)變化圖。由圖1 可以看出，冬小麥整個(gè)生育期內(nèi)各處理土壤N2O 排放通量的變化規(guī)律基本一致。在苗期（2018 年10 月24 日左右）各處理N2O 排放出現(xiàn)峰值，這與播種前旋耕土地和施肥有關(guān)，其中峰值最大的是T2 處理：872.29 μg/（m2·h），峰值最小的是T5 處理：530.43 μg/（m2·h）。隨后N2O 的排放通量快速降低，這可能與土壤肥力逐漸減小有關(guān)，播種后38 d（2018 年11 月25 日）左右，各處理土壤N2O排放通量降至較低水平。11月26日—4月10日，各處理N2O 的排放通量都在較低水平范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍為-55.07～109.05 μg/（m2·h）。4 月16 日施肥灌水后，各處理N2O 排放出現(xiàn)峰值，其中峰值最大的是T2 處理：120.68 μg/（m2·h），最小的是T5 處理：98.82 μg/（m2·h）。5 月18 日灌水后，各處理N2O 排放通量略有增大但變化不明顯。

2.1.2 不同灌溉水平下冬小麥各生育期內(nèi)土壤N2O 排放量

不同灌水量處理下冬小麥全生育期內(nèi)土壤N2O的累積排放量如圖2 所示。

由圖2 可知，灌水量的減少能顯著降低小麥生育期土壤N2O 的排放強(qiáng)度，CK 全生育期土壤N2O 累積排放量最大，T1 和T2 處理次之，T5 處理N2O 累積排放量最小。T1 處理較CK 減少了24.99%（P=0.18）；T2 處理較CK 減少了10.89%（P=0.53）；T3 處理較CK 減少了39.14%（P=0.06）；T4 處理較CK 減少了48.99%，差異顯著（P＜0.05）；T5 處理較CK 減少了56.11%，差異顯著（P＜0.05）。

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

圖2 不同灌水量下土壤N2O 累積排放量 Fig.2 Cumulative N2O emission of soil under stageat different irrigation schemes

冬小麥全生育期，各灌水量處理下土壤N2O 的平均排放通量表現(xiàn)為CK＞T1、T2 處理＞T3、T4 處理＞T5 處理（表1）。T4 處理比CK 減小48.30%，差異顯著（P＜0.05）；T5 處理比CK 減小55.41%，差異顯著（P＜0.05）；T5 處理比T2 處理減小50.65%，差異顯著（P＜0.05）；其他處理之間無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

冬小麥不同生育階段內(nèi)，各灌水量處理下土壤N2O 平均排放通量與整個(gè)生育期的變化規(guī)律基本一致。苗期，T1、T2 處理較CK 分別減小34.50%（P＜0.05）和18.22%（P＞0.05），T3、T4 處理較CK 分別減小58.37%和48.97%（P＜0.05），T5 處理較CK 顯著減小64.43%（P＜0.01）。越冬期，T1—T5 處理較CK 分別減小32.61%、39.87%、31.59%、59.44%（P＜0.05）和36.79%，差異不顯著。返青至拔節(jié)期，T1—T3 處理土壤N2O 平均排放通量較CK 分別增大28.72 μg/（m2·h）和32.72 μg/（m2·h），T4 和T5 處理較CK 分別減小4.09 μg/（m2·h）和9.85 μg/（m2·h）。拔節(jié)至灌漿期和成熟期，各處理土壤N2O 排放通量都處于較低水平，CK、T1 和T3 處理中土壤N2O 的平均排放通量出現(xiàn)負(fù)值，即土壤為N2O 的匯。

表1 不同灌水量下冬小麥各生育階段土壤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排放通量變化

各灌水量處理土壤CO2排放通量的變化規(guī)律基本一致（圖3），在冬小麥出苗期（2018 年10 月24日左右）出現(xiàn)排放峰，其中峰值最大的為T(mén)5 處理：566.71 mg/（m2·h），最小的為T(mén)2 處理：287.91 mg/（m2·h），隨后各處理CO2排放通量下降至較低水平，越冬期（2018 年12 月11 日—2019 年3 月5 日）各處理土壤CO2排放在較低水平范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍為9.35～132.32 mg/（m2·h）。4 月16 日施肥和灌水后出現(xiàn)了CO2排放峰，峰值最大的是CK，268.45 mg/（m2·h）。5 月18 日灌水后出現(xiàn)CO2排放峰，峰值最大的是T2 處理：303.29 mg/（m2·h）。

2.2.2 不同灌溉水平下冬小麥各生育期內(nèi)CO2排放量

冬小麥季土壤CO2累積排放量的變化如圖4所示，各處理土壤CO2累積排放量的變化規(guī)律基本一致，土壤CO2累積排放量在冬小麥全生育期內(nèi)逐漸增加。苗期各處理土壤CO2累積排放量快速增加，進(jìn)入越冬期后累積增長(zhǎng)速率逐漸減慢，返青—拔節(jié)期，土壤CO2累積排放量增長(zhǎng)速率逐漸增大，拔節(jié)—灌漿階段累積增長(zhǎng)速率達(dá)到最大，直至冬小麥成熟。冬小麥全生育期內(nèi)，土壤CO2累積排放量最大的是CK，7 923.83 kg/hm2，T1—T5處理較CK分別減少了5.47%、4.75%、9.65%、7.52%和12.33%（P＞0.05），差異不顯著。各處理土壤CO2平均排放通量差異不顯著（表2）。

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

圖4 不同灌水量下小麥季土壤CO2 累積排放量 Fig.4 Cumulative CO2 emission of soil in wheat growth stage at different irrigation schemes

表2 不同灌水量下冬小麥各生育階段土壤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 溫度和含水率對(duì)N2O 和CO2 排放影響分析

2.3.1 不同灌溉水平下0～5 cm 土層溫度變化

由圖5 可知，整個(gè)冬小麥生育期內(nèi)，不同處理下0～5 cm 土壤溫度具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。冬小麥播種后，隨著氣溫的降低，土壤溫度不斷下降，最低溫度出現(xiàn)在越冬期。進(jìn)入返青期后，隨著氣溫的升高，土壤溫度也逐漸升高。隨后0～5 cm 土壤溫度一直呈上升趨勢(shì)，直至冬小麥?zhǔn)斋@，灌水會(huì)使土壤溫度出現(xiàn)短暫的下降。

2.3.2 不同灌溉水平下土層含水率變化

圖6 為冬小麥季不同處理0～10 cm 和10～20 cm土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化圖。由圖6 可知，不同灌水量處理下的土壤孔隙度含水率（WFPS）的變化規(guī)律基本一致，WFPS 的變化主要受灌水和降雨的影響，在灌水和降雨后，WFPS 顯著增大，隨后逐漸降低。各處理0～10 cm 和10～20 cm 土壤WFPS 基本表現(xiàn)為CK、T1 處理最大，T4、T5 處理最小，且在灌水后這種現(xiàn)象較為明顯。

圖5 不同處理0～5 cm 土壤溫度 Fig.5 Soil temperature of 0～5 cm under different treatments

圖6 不同處理土層孔隙度含水率的變化 Fig.6 Soil WFPS changes under different treatments

表3 不同處理土壤CO2 排放與土壤溫濕度的相關(guān)系數(shù) Table 3 Correlation coefficients between CO2 emission and soil temperature and humidity under different treatments

2.3.3 土壤N2O、CO2排放通量與土壤溫度、含水率相關(guān)性分析

考慮播種后土壤肥力對(duì)氣體排放的影響占的權(quán)重較大，取氣體排放通量穩(wěn)定后的23 組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。表3 和表4 分別為不同灌水量處理土壤CO2排放與土壤溫濕度的相關(guān)系數(shù)表和土壤N2O 排放與土壤溫濕度的相關(guān)系數(shù)表。由表3 可知，土壤CO2排放通量與0～10 cm 土壤WFPS 存在一定正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.002～0.334；與10～20 cm 土壤WFPS 存在一定負(fù)相關(guān)關(guān)系， 相關(guān)系數(shù)在-0.410～-0.113；與土壤0～5 cm 地溫間存在一定正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.247～0.657。由表4 可知，土壤N2O排放通量與0～10 cm 土壤WFPS 存在一定正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.077～0.377；與10～20 cm 土壤WFPS 存在一定正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.095～0.433；與土壤0～5 cm 地溫間存在一定正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.080～0.428。

表4 不同處理土壤N2O 排放與土壤溫濕度的相關(guān)系數(shù) Table 4 Correlation coefficients between N2O emission and soil temperature and humidity under different treatments

2.4 不同灌溉水平對(duì)土壤N2O、CO2 排放綜合溫室效應(yīng)和冬小麥產(chǎn)量的影響

由綜合排放溫室效應(yīng)（表6）可知，與CK 相比，T1—T5 處理N2O 和CO2的綜合排放溫室效應(yīng)分別減少了8.48%、5.70%、13.72%、13.91%和19.08%。從冬小麥產(chǎn)量情況來(lái)看（表5），T1、T3、T4 處理較CK 相比增產(chǎn)了3.4%、6.8%和3.4%，T2、T5 處理較CK 相比減產(chǎn)了3.4%和5.1%，T5 處理小麥產(chǎn)量最小（7 000 kg/hm2），隨著灌水量的增加，產(chǎn)量有增加的趨勢(shì)，T3 處理下產(chǎn)量達(dá)到最大（7 875 kg/hm2），此后隨著灌水量的增加產(chǎn)量減小。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，T3 處理的灌溉用水量最佳。

表5 冬小麥全生育期N2O 和CO2 累積排放量及產(chǎn)量 Table 5 Cumulative emission of N2O and CO2 and wheat yield during wheat entire growth period

表6 冬小麥全生育期麥田N2O 和CO2 綜合排放溫室效應(yīng) Table 6 GWPs of N2O and CO2 emission during wheat entire growth period kg/hm2

3 討 論

3.1 不同灌溉水平對(duì)冬小麥土壤N2O 排放的影響

農(nóng)田土壤N2O 排放主要來(lái)自氮素的硝化和反硝化作用，土壤水分、溫度、質(zhì)地等都會(huì)對(duì)N2O 的產(chǎn)生和擴(kuò)散產(chǎn)生影響[22]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥和灌水是影響土壤N2O 排放的重要因素[23-24]。本試驗(yàn)中，各處理N2O 排放主要集中在施肥播種后，播種后7 d 第1 次取樣N2O 排放處于較高水平，到播種后26 d，各處理土壤N2O 排放通量均驟減到較低水平，這可能是因?yàn)椴デ肮嗟讐勊褪┘踊?，使土壤N2O 排放通量較大。隨著苗期小麥生長(zhǎng)，土壤肥力減弱，N2O 排放通量便隨之迅速降低并維持在較低水平。各處理N2O 排放通量的峰值均出現(xiàn)在降雨或灌水以后，且峰值遠(yuǎn)小于播種前期排放水平，可見(jiàn)在不施肥的情況下，灌水量對(duì)土壤N2O 排放峰值的影響較施肥情況下小。4 月16 日灌水后各處理N2O 出現(xiàn)的峰值要高于5 月18 日灌水后N2O 的峰值，是因?yàn)? 月16 日灌水的同時(shí)追施尿素，而5 月18 日僅灌水沒(méi)有施肥。同一處理，不同生育階段土壤N2O 平均排放通量表現(xiàn)為苗期＞越冬期，返青至拔節(jié)期＞拔節(jié)至灌漿期＞成熟期，苗期平均排放通量最大與初期土壤肥力充足和土壤含水率高有關(guān)。

土壤濕度通過(guò)影響硝化及反硝化作用影響土壤N2O 的排放[25]。封克等[26]研究表明，在土壤WFPS為45%～75%時(shí)，硝化和反硝化共同作用產(chǎn)生較多的N2O。本試驗(yàn)小麥全生育期內(nèi)，以CK 為例，高于整個(gè)觀測(cè)期平均值97.1 μg/（m2·h）的N2O 排放通量，對(duì)應(yīng)的 0～10 cm WFPS 在 37.39%～47.0%之間，10～20cm WFPS 在37.0%～55.03%之間。而低于32 μg/（m2·h）的N2O 排放通量中，72.7%對(duì)應(yīng)的0～10 cm WFPS 在10.99%～31.37%之間，10～20 cm WFPS 在13.78%～31.65%之間，可以看出，WFPS＞37%的濕度條件利于N2O 的排放。

在旱地階段，溫度是影響N2O 排放季節(jié)變化的關(guān)鍵因子[27]。Bremner 等[28]研究發(fā)現(xiàn)N2O 排放速率的變化幾乎與表層土壤溫度同步。本試驗(yàn)相關(guān)性分析表明，各處理N2O 排放與土壤0～5 cm 地溫間存在一定正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平。同時(shí)，本試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)到N2O 排放通量出現(xiàn)負(fù)值的現(xiàn)象，關(guān)于這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因目前尚無(wú)定論。劉曄等[29]對(duì)北京森林生態(tài)系統(tǒng)的研究表明，當(dāng)?shù)乇頊囟雀哂?5 ℃時(shí)，N2O排放通量通常為正值，當(dāng)溫度在7～15 ℃時(shí)N2O 出現(xiàn)了負(fù)排放。Barton 等[30]發(fā)現(xiàn)在含氮量較低和土壤含水率較高條件下會(huì)出現(xiàn)N2O 的吸收。對(duì)此還有待進(jìn)一步研究。

3.2 不同灌溉水平對(duì)冬小麥土壤CO2 排放的影響

小麥季土壤CO2排放通量具有明顯的季節(jié)變化，播種、施肥和灌水后出現(xiàn)排放高峰，這與土壤水分、土壤溫度、土壤微生物呼吸和作物根呼吸變化密切相關(guān)[31]。播種初期由于土壤肥力充足，加之旋耕使土壤疏松，各處理CO2排放均處于較高水平，隨著土壤肥力減小和越冬期溫度降低，CO2排放通量一直在較低水平范圍內(nèi)波動(dòng)（圖3）。進(jìn)入返青期后，隨著氣溫的升高，土壤溫度不斷增加，促進(jìn)了土壤微生物活性和有機(jī)質(zhì)降解等。土壤微生物呼吸逐漸增強(qiáng)，作物的根系呼吸也逐漸增強(qiáng)[32]，使得CO2排放通量逐漸增大并維持在較高水平。施肥和灌水后都出現(xiàn)明顯排放高峰。

土壤水分和溫度是影響土壤呼吸排放CO2的二大主要因素[33]。土壤水分通過(guò)影響作物根系呼吸、土壤微生物呼吸等多個(gè)方面影響土壤CO2的產(chǎn)生與排放[34]，其與土壤CO2排放之間的關(guān)系較為復(fù)雜，目前不同研究者對(duì)二者之間關(guān)系的研究結(jié)果有所不同。楊凡等[35]在關(guān)中地區(qū)夏玉米試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)土壤CO2排放通量對(duì)0～10 cm 土層WFPS 變化較10～20 cm 土層WFPS 的變化響應(yīng)敏感。楊碩歡等[32]在玉米-小麥輪作試驗(yàn)中觀測(cè)到土壤CO2排放通量與土壤水分（0～10、10～20 cm 土層）之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性不顯著。土壤CO2排放峰值出現(xiàn)時(shí)間同當(dāng)次灌溉時(shí)間有滯后性，且高水分處理CO2排放通量并非全高于中、低水分處理[36]，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。過(guò)高的土壤含水率會(huì)阻礙土壤中O2擴(kuò)散，抑制植物根系和好氧微生物的活動(dòng)[37]，因此土壤CO2排放并非隨土壤濕度增大而一直增大。有研究指出，土壤水分對(duì)土壤CO2排放量的影響取決于與土壤溫度的相互協(xié)調(diào)作用[38]。本試驗(yàn)結(jié)果與之相符，從不同生育階段各處理CO2平均排放通量的方差分析來(lái)看，除越冬期外，其他階段各處理CO2排放沒(méi)有顯著性差異（表2）?？梢?jiàn)在越冬期溫度較低時(shí)，CO2排放處于較低水平，此時(shí)氣體排放強(qiáng)度對(duì)土壤水分的改變有明顯響應(yīng)。Mcculley 等[39]研究表明，灌溉會(huì)顯著增加土壤呼吸的溫度敏感性，但當(dāng)土壤含水率超過(guò)某個(gè)閾值，土壤呼吸的溫度敏感性反而會(huì)降低；相關(guān)分析表明，本試驗(yàn)各處理CO2排放通量與土壤WFPS 間相關(guān)關(guān)系不明顯，而與0～5 cm 土壤溫度間存在一定正相關(guān)關(guān)系，且在T5 處理下相關(guān)性極顯著（P＜0.01）。

4 結(jié) 論

1）小麥季各處理土壤N2O 排放季節(jié)性波動(dòng)較小，變化趨勢(shì)比較一致，均由苗期的峰值下降到較低水平范圍內(nèi)波動(dòng)；不同灌水水平對(duì)小麥季土壤N2O 平均排放通量有一定影響，且灌水量對(duì)土壤N2O 排放的影響在施肥之后表現(xiàn)得更加顯著。T4、T5 處理較CK 相比N2O累積排放通量顯著減少48.99%和56.11%（P＜0.05）。

2）小麥季農(nóng)田土壤CO2排放具有明顯季節(jié)變化規(guī)律，各處理均呈先減小至較低水平后波動(dòng)性升高的“U”形曲線；不同灌水水平土壤CO2平均排放通量存在差異，但均未達(dá)到顯著水平。土壤CO2累積排放量最大的是CK：7 923.83 kg/hm2，T1—T5 處理較CK分別減少了5.47%、4.75%、9.65%、7.52%和12.33%（P＞0.05）。

3）土壤N2O 排放與0～10、10～20 cm 土壤WFPS和0～5 cm 土壤溫度之間均存在一定正相關(guān)關(guān)系，土壤CO2排放與0～5 cm 土壤溫度存在正相關(guān)關(guān)系，且在T5處理下相關(guān)性極顯著（P＜0.01）。

4）與CK 相比T1—T5 處理，土壤N2O 和CO2的綜合排放溫室效應(yīng)減少了5.70%～19.08%，T3 處理小麥產(chǎn)量最大（7 875 kg/hm2），T3 處理對(duì)應(yīng)的灌溉水量能夠在穩(wěn)產(chǎn)的前提下達(dá)到節(jié)水、減排效果。