長期少免耕與氮肥減量對(duì)全膜雙壟溝播玉米產(chǎn)量及碳排放的調(diào)控作用

周永杰，謝軍紅?，李玲玲，王林林，羅珠珠，王進(jìn)斌

1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州 730070；2省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)），蘭州 730070；3甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070

0 引言

【研究意義】糧食安全與CO2排放是人類社會(huì)廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)，CO2是最重要的溫室氣體之一，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中具有不同的“源”“匯”功能。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)中第二大碳通量，其微小的變化對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生巨大影響，從而加劇或緩解全球氣溫變化[1]。增加土壤有機(jī)質(zhì)，擴(kuò)大土壤碳庫，減少CO2排放不僅可以緩解溫室效應(yīng)，又能提高土地生產(chǎn)力水平和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[2]，因此農(nóng)田 CO2減排對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。旱作農(nóng)業(yè)對(duì)于保障糧食安全發(fā)揮積極作用。黃土高原半干旱區(qū)是旱作農(nóng)業(yè)的典型區(qū)域。以“旱寒瘠”為特點(diǎn)的生態(tài)環(huán)境條件十分不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，落后的傳統(tǒng)觀念和經(jīng)濟(jì)水平更加限制了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，因此，通過改善農(nóng)藝措施以提高土地生產(chǎn)力是黃土高原旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】新世紀(jì)以來，以全膜雙壟溝播玉米播種技術(shù)的發(fā)明和推廣極大地提高土地生產(chǎn)力水平和水分利用效率，但同時(shí)增加農(nóng)田CO2排放量[4-5]。研究表明農(nóng)田的土壤呼吸主要包括三個(gè)生物學(xué)過程和一個(gè)非生物學(xué)過程，其中生物學(xué)過程主要有根系呼吸的自養(yǎng)呼吸和以微生物呼吸、動(dòng)物呼吸為主的異養(yǎng)呼吸；而非生物學(xué)過程主要是含碳礦物質(zhì)的氧化和分解[6]，大量研究表明，不同農(nóng)藝措施通過改變影響土壤碳排放的物理、化學(xué)和生物因子（如土壤溫度、濕度、pH、通氣性、營養(yǎng)狀況及土壤微生物等）進(jìn)而影響土壤呼吸[7]。其中，翻耕、旋耕等將不同層次的土壤直接暴露在土層表面，改變了土壤通氣性、溫度及濕度，使土壤微生物活性增強(qiáng)，加劇土壤有機(jī)碳的氧化，促進(jìn)土壤異養(yǎng)呼吸[8-9]，少免耕為主的保護(hù)性耕作通過改善土壤理化性狀，促進(jìn)蓄水保墑，提高作物產(chǎn)量，降低土壤碳排放量[10-11]。氮肥高效利用是作物增產(chǎn)的主要途徑，過量施氮使得植物根系和微生物生物量的增加直接促進(jìn)土壤呼吸，提高碳排放效率[12-13]；PENG等研究表明增施氮肥增強(qiáng)了土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性，降低了CO2排放量，增加了土壤表層有機(jī)碳含量[14]。但也有研究表明少耕輪作條件下減施氮肥能保證穩(wěn)產(chǎn)水平，降低CO2排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效[15-16]。全膜雙壟溝播玉米良好的水熱條件，促進(jìn)了干物質(zhì)的積累和產(chǎn)量的提高，然而在這種良好的土壤微生態(tài)環(huán)境條件下，活躍了土壤根呼吸和異養(yǎng)呼吸，進(jìn)而促進(jìn)土壤呼吸[17]，使得全膜雙壟溝播玉米農(nóng)田土壤呼吸的研究變得愈加困難?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來，增產(chǎn)不增效及較高的碳排放成為黃土高原全膜雙壟溝播玉米種植體系新的科學(xué)問題，既能提高玉米產(chǎn)量又能降低土壤碳排放的農(nóng)藝措施亟待探尋?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究依托長期定位試驗(yàn)研究氮肥減量條件下耕作方式對(duì)土壤呼吸、碳排放、作物產(chǎn)量的影響，探討作物生長與土壤碳排放的關(guān)系，為黃土高原半干旱區(qū)氮肥減量與高產(chǎn)低碳生產(chǎn)技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究于 2018—2019年在位于甘肅省定西市安定區(qū)的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。該區(qū)屬中溫帶半干旱偏旱區(qū)，多年平均日照時(shí)數(shù) 2477h，太陽輻射量為593 kJ·cm-2；年均氣溫6.4 ℃，變化在5.8—6.8℃之間，≥0℃積溫為2 934℃，≥10℃積溫為2 239℃，年均無霜期為140 d；多年平均降水量為391 mm，年際、年內(nèi)變化率大，80%保證率的降水量為365 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm。2018年與2019年降水量為472.1和491.6 mm（圖1）。試區(qū)土壤為黃綿土，土質(zhì)較綿軟，質(zhì)地均勻，貯水性能良好。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在全膜雙壟溝播的基礎(chǔ)上，采取二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為4種耕作方式：翻耕（T1）；旋耕（T2）；深松（T3）和免耕（T4）。副區(qū)處理為兩個(gè)施氮水平：氮肥減施（N1：基施純氮 200 kg·hm-2）和傳統(tǒng)施氮（N2：基施 200 kg·hm-2+拔節(jié)期 100 kg·hm-2），8 個(gè)處理組合，3次重復(fù)，共24個(gè)小區(qū)，主區(qū)面積為88 m2（20 m×4.4 m），副區(qū)面積為44 m2（10 m×4.4 m）。

1.3 田間操作及管理

在2017年玉米收獲后，除根茬外，移除全部秸稈，不揭膜，將農(nóng)田免耕至翌年3月下旬（土壤解凍后），然后盡快揭去舊膜，各處理基施200 kg N·hm-2、150 kg P2O5·hm-2，磷肥為過磷酸鈣（P2O516%），氮肥為尿素（N 46%）后，及時(shí)完成耕作與起壟覆膜作業(yè)，所有處理均使用全膜雙壟溝播技術(shù)。具體為：傳統(tǒng)耕作以蘭駝1LF鏵式犁翻耕，作業(yè)深度為20 cm，后用人工全膜雙壟溝播起壟機(jī)起大小雙壟（大壟：壟高15 cm，壟寬70 cm；小壟：壟高20 cm，壟寬40 cm），用寬140 cm、厚0.01 mm的白色地膜全地表覆蓋, 于溝內(nèi)間隔50 cm留滲水孔。旋耕以東方紅1GQN-125型旋耕機(jī)旋耕，作業(yè)深度為15 cm；深松耕用平?jīng)黾t牛機(jī)械制造廠生產(chǎn)的間隔深松機(jī)進(jìn)行深松，作業(yè)深度為35 cm，深松鏟寬度間隔40 cm，深松時(shí)，保證深松纏軌跡在玉米種植溝內(nèi)；旋耕和深松耕處理的起壟覆膜同翻耕；免耕：對(duì)土壤不耕作，用人工全膜雙壟溝播起壟機(jī)進(jìn)行簡單的培壟整理后完成覆膜作業(yè)。耕作完成后各處理4月下旬用點(diǎn)播器進(jìn)行播種，拔節(jié)期在副區(qū)用點(diǎn)播器穴施100 kg N·hm-2。供試玉米（Zea mays L.）品種為先玉335，密度為5.25萬株/hm2（株距35 cm）。玉米生長期內(nèi)，人工除草，及時(shí)防治病蟲害，10月上旬收獲，其他管理同大田，2019年同2018。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

1.4.1 干物質(zhì)積累量、玉米生長率（CGR）和凈同化率（NAR） 于2019年在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期和成熟期每小區(qū)取3株，用以測定干物質(zhì)積累量；并計(jì)算玉米生長率（ CGR）和玉米凈同化率（NAR）。玉米生長率為單位時(shí)間內(nèi)單株玉米所增加的干物質(zhì)重量（g·plant-1·d-1），玉米凈同化率為某一段時(shí)間內(nèi)單位葉面積干物質(zhì)的增長量（g·m-2·d-1）[18]。

式中，W2-W1表示一段時(shí)間內(nèi)每株玉米植株干重的凈增長數(shù)量，t2-t1為2次測定時(shí)期的間隔天數(shù)。W1、W2為第 t1和 t2天玉米的干物質(zhì)重，L1和 L2分別為第 t1和t2天的葉面積。

1.4.2 土壤有機(jī)碳 于2019年采用五點(diǎn)采樣法分別采取玉米收獲后各小區(qū) 0—5、5—10和10—30 cm土層土樣，混勻后除去根系等雜物，帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、過篩后用重鉻酸鉀外加熱法測定0—30 cm土層有機(jī)碳含量。

1.4.3 土壤呼吸速率 在2018年和2019年玉米生長期內(nèi)，用LI-8100開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)（LI-COR Inc, Lincoln，NE，USA）從播種后每隔15 d左右測定一次，在早上9：00—11：00測定[19]。

1.4.4 土壤碳排放量 根據(jù)土壤呼吸速率及測定時(shí)間，計(jì)算整個(gè)生育期的土壤碳排放量CE（kg C·hm-2)。

式中，R為作物生長季土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1），i+1和 i是前后兩次采樣時(shí)間，t為播種后的天數(shù)。0.1584 是將 μmol CO2·m-2·s-1轉(zhuǎn)化為 g CO2·m-2·s-1的轉(zhuǎn)換系數(shù)，0.2727 是將 g CO2·m-2·h-1轉(zhuǎn)化為 g C·m-2·h-1的轉(zhuǎn)換系數(shù)，24和 10是將碳排放單位由 g C·m-2·h-1轉(zhuǎn)化為kg C·hm-2的轉(zhuǎn)換系數(shù)[19]。

1.4.5 碳排放效率計(jì)算

式中，Y為作物籽粒產(chǎn)量，CE為土壤碳排放量，CEE為每釋放1 000 g碳所產(chǎn)生的產(chǎn)量（kg·kg-1）[19]。

1.4.6 土壤碳平衡的計(jì)算 采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（net ecosystem production，NEP）來表示生態(tài)系統(tǒng)碳平衡。當(dāng)NEP為正值時(shí)，表明此系統(tǒng)是大氣 CO2的“匯”，反正，則為大氣CO2的“源”。計(jì)算公式為：

式中，NPP 表示玉米地上、地下部分所固定的碳，地上部生物量即為玉米收獲后所有地上生物量，地下部分生物量即為根生物量，用玉米籽粒產(chǎn)量的58%計(jì)算，作物地上部組織和根的含碳量取45%（據(jù)估算，作物利用光合作用合成1 g有機(jī)質(zhì)需要吸收C 0.45 g）；Rm為土壤微生物異養(yǎng)呼吸碳排放量，CE為玉米生長期的碳排放量[22]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2016進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理匯總，采用SPSS 19.0對(duì)干物質(zhì)積累量、生長率、凈同化率、有機(jī)碳含量等進(jìn)行方差分析（ANOVA），用多重比較法中的最小顯著性差異法（LSD）對(duì)耕作方式、施氮水平下的土壤呼吸速率進(jìn)行檢測（P＜0.05），用Sigmaplot12.5作圖。

2 結(jié)果

2.1 耕作方式及施氮水平對(duì)玉米生長的影響

2.1.1 玉米干物質(zhì)積累量 由表1可知，耕作方式、施氮水平及二者的交互效應(yīng)對(duì)不同生育時(shí)期玉米干物質(zhì)積累量顯著影響。其中，耕作方式對(duì)干物質(zhì)積累的影響主要在灌漿期和成熟期，T4處理的干物質(zhì)積累量較高，較T2處理分別增加9.4%和11.7%；施氮水平的影響在開花期，與N2處理相比，N1處理的干物質(zhì)積累量降低了9.4%；所有處理組合中，T3N2在拔節(jié)期的干物質(zhì)積累量較T2N2增加22.1%；T4N2在成熟期的干物質(zhì)積累量較T2N1增加16.8%。

2.1.2 玉米生長率和凈同化率 由表2可知，2019年，隨著玉米生長，各處理生長率先升高后降低，凈同化率呈減小趨勢。施氮水平顯著影響玉米生長率和凈同化率，拔節(jié)期—開花期生長率N2比N1高12.8%，拔節(jié)期—開花期凈同化率N2比N1高14.8%，差異顯著。耕作方式和施氮水平交互效應(yīng)對(duì)出苗期—拔節(jié)期—開花期的生長率和凈同化率影響顯著，出苗期—拔節(jié)期生長率T3N2較T2N2提高22.7%，拔節(jié)期—開花期生長率T2N2、T4N2與T2N1、T3N1差異顯著，拔節(jié)期—開花期凈同化率T2N2較T1N1、T2N1、T3N1分別提高了27.7%、28.3%、31.6%。

表2 耕作方式及施氮水平對(duì)玉米生長率和凈同化率的影響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對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

由圖2可知，在N1水平下，T4處理下0—5 cm土層有機(jī)碳含量最高，為10.73 g·kg-1，與T2差異顯著。5—10 cm土層T1處理的有機(jī)碳含量最高且與T2處理差異顯著。10—30 cm土層各處理的有機(jī)碳含量差異不顯著。N2水平下，0—5 cm土層有機(jī)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，差異顯著。由表3可知，耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響主要在土壤表層，0—5 cm土層有機(jī)碳含量以 T4免耕最高，較其他處理提高9.3%—11.7%，差異顯著；耕作方式與施氮水平交互效應(yīng)顯著影響0—30 cm土層有機(jī)碳含量，其中0—5 cm土層T4N1處理的有機(jī)碳含量為10.73 g·kg-1，5—10 cm土層的T1N1較T2N1、T2N2、T4N2處理有機(jī)碳含量分別提高20.2%、19.5%、24.9%，10—30 cm土層 T3N2較T2N2降低17.3%，差異顯著。通過加權(quán)平均計(jì)算0—30 cm土層有機(jī)碳含量可知，所有處理差異均不顯著。

表3 耕作方式及施氮水平對(duì)0—30 cm土層有機(jī)碳含量的影響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對(duì)土壤呼吸速率的影響

由圖3、4可知，2個(gè)生長周期內(nèi)，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，各處理土壤呼吸速率均呈先上升后降低的單峰曲線，4月下旬到7月中旬上升較快，在7月中下旬（大喇叭口期—開花期）達(dá)到最高值，10月中旬降到最低。總體上 T3處理的土壤平均呼吸速率最高，T1和T2次之，免耕處理最低。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差異顯著，T3處理較其他處理土壤呼吸速率高 0.69—1.81 μmol·m-2·s-1；N2 水平下 4 月 15 日（播前）T1與其他處理差異顯著，T2、T3、T4 較T1降低 1.01—1.09 μmol·m-2·s-1，大喇叭口期、成熟期 T4呼吸速率較T3降低了21.1%（圖3），N1水平下7月5日拔節(jié)期（2019年）T2、T4比 T3處理分別降低了43.6%、40.5%，差異顯著；N2水平下6月8日、7月5日和8月30日T3比T4處理呼吸速率分別升高了 0.7—2.9 μmol·m-2·s-1，差異顯著（圖 4） 。

2.4 耕作方式及施氮水平對(duì)產(chǎn)量、土壤碳排放及碳排放效率的影響

由表4可知，耕作方式和耕作方式與施氮水平的交互效應(yīng)顯著影響玉米的籽粒產(chǎn)量、碳排放總量及碳排放效率。2018年 T2、T3、T4下的籽粒產(chǎn)量較 T1分別增加9.4%、9.8%和12.0%，2019年T4較T1、T2分別增加14.8%和11.2%；2018和2019年T4下的碳排放總量較T3分別降低29.8%和36.1%，差異極顯著（P＜0.01），T4的碳排放效率在2018和2019年較T3分別提高47.2%、64.3%，差異極顯著（P＜0.01）；減施氮肥僅減少了2018年籽粒產(chǎn)量，但耕作方式與施氮水平交互效應(yīng)顯著影響籽粒產(chǎn)量、碳排放總量及碳排放效率。2018年T3N2的籽粒產(chǎn)量較T1N1、T1N2分別增加16.3%和15.5%，差異極顯著（P＜0.01）；2018年 T2N1、T4N1、T4N2的碳排放總量較 T3N2分別減少21.2%、30.3%和31.0%，T4N1、T4N2碳排放總量在2019年較T3N2分別減少29.4%和37.3%；T4N2下的碳排放效率最高，與T1N1、T1N2、T3N1和T3N2差異顯著 （P＜0.05）。

表4 耕作方式及施氮水平對(duì)碳排放效率的影響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對(duì)碳平衡的影響

采用凈系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）判斷碳平衡（表5），各處理 NEP均為正值，說明均表現(xiàn)為大氣 CO2的“匯”。耕作方式對(duì)異養(yǎng)呼吸（Rm）影響顯著，T1較T3處理降低12.9%，與T4差異極顯著（P＜0.01），各處理表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞T4，NEP為T4＞T2＞T3＞T1，T4較T1提高21.9%，差異顯著（P＜0.05）。T4N1和T4N2下的Rm較T1N1、T1N2、T3N1、T3N2降低 7.6%—37.3%，差異顯著， T4N2下的 NEP在2019年較T1N1和T1N2分別提高21.7%和32.0%，差異顯著（P＜0.05）。

表5 耕作方式及施氮水平下玉米農(nóng)田碳平衡的變化Table 5 Changes in carbon budget under different tillage practices and nitrogen levels

2.6 不同處理下玉米生長與碳排放的關(guān)系

由表6可知，碳排放效率與干物質(zhì)積累（r= 0.511*）、生長率（r = 0.408*）和凈同化率（r = 0.487*）呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)碳呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.93**）；干物質(zhì)積累與生長率（r=0.845**）、凈同化率（r= 0.676**）呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

表6 碳排放效率、土壤有機(jī)碳含量和玉米生長之間的關(guān)系Table 6 The relationship among carbon emission efficiency, organic carbon content,and maize growth characteristics under different treatments

3 討論

3.1 耕作方式及施氮水平對(duì)玉米生長及產(chǎn)量的影響

作物生育期內(nèi)干物質(zhì)的積累對(duì)作物產(chǎn)量形成至關(guān)重要，干物質(zhì)積累水平?jīng)Q定最終籽粒產(chǎn)量的高低[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，耕作方式對(duì)干物質(zhì)積累的影響主要在灌漿期和成熟期，免耕下干物質(zhì)積累量在這兩個(gè)時(shí)期較旋耕增加 9.4% 和 11.7%，差異顯著，且免耕和深松耕獲得較高的籽粒產(chǎn)量，說明深松耕和免耕不僅增加玉米干物質(zhì)積累而且提高干物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率；謝軍紅和UWAMUNGU等[24-25]認(rèn)為深松耕和免耕可以改善土壤理化性狀，蓄水保墑，防止土壤侵蝕，提高自然降水利用率，為旱作玉米生長創(chuàng)造良好的土壤水分環(huán)境，促進(jìn)玉米生長和產(chǎn)量提高，但本研究下由于試驗(yàn)?zāi)甓染秦S水年，且生長后期，降水較多，存在水分脅迫的可能性小，深松耕、免耕協(xié)調(diào)了生物產(chǎn)量與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系，提高了干物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率、進(jìn)而促進(jìn)了籽粒產(chǎn)量的提高，主要原因可能與深松耕、免耕處理下良好的土壤理化性狀有利于根系的生長發(fā)育有關(guān)[26]。施氮水平對(duì)干物質(zhì)的影響主要發(fā)生在拔節(jié)—開花期，此階段增施氮肥提高了玉米的干物質(zhì)積累量，但 N1與 N2相比，干物質(zhì)積累量僅降低了9.4%，到灌漿期和成熟期，干物質(zhì)積累的差異進(jìn)一步縮小。兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓仁┑介g籽粒產(chǎn)量不同，過多的降水加速了氮的淋失，追肥增加了 NH3的揮發(fā)損失[27]，同時(shí)，也可能與試區(qū)降水格局與低溫，以及后期光照不足有關(guān)，綜合兩年的產(chǎn)量表現(xiàn)，本研究認(rèn)為，在豐水年200 kg·hm-2的施氮水平能滿足玉米的氮素需求，且結(jié)合免耕措施對(duì)作物生產(chǎn)有了一定補(bǔ)償效應(yīng)，而增加施氮量則增加了種植成本和環(huán)境代價(jià)。本研究中N2水平在拔節(jié)期追施氮肥，主要目的是緩解覆膜玉米后期脫肥問題，但在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，豐水年沒有脫肥問題，因此覆膜玉米脫肥問題的解決可借鑒周寶元等[28-29]提出的應(yīng)用緩釋肥的策略，而不一定要增加施氮量。

3.2 耕作方式及施氮水平對(duì)玉米農(nóng)田土壤呼吸的影響

土壤呼吸速率隨著玉米的生長各處理均呈先升高后降低的單峰曲線，在 7月中下旬達(dá)到最高值，這是因?yàn)樵摃r(shí)間段玉米生長最旺盛，這與HAN等[30]研究結(jié)果相似。不同耕作方式對(duì)土壤呼吸速率的影響不同，本試驗(yàn)中4種耕作方式土壤呼吸速率表現(xiàn)為：深松耕＞翻耕＞旋耕＞免耕，免耕較旋耕、翻耕和深松耕土壤呼吸速率分別降低4.3%、12.9%和24.3%，主要原因是傳統(tǒng)翻耕、旋耕、深松耕都對(duì)土壤進(jìn)行不同程度擾動(dòng)，改變了土壤環(huán)境，使土壤疏水通氣，深松耕更有利于玉米根系的生長，提高了根及根際微生物的呼吸強(qiáng)度，使呼吸速率比其他耕作方式更早達(dá)到最高值，也使土壤碳排放量增加[31-33]。另一方面也于耕作強(qiáng)度會(huì)對(duì)土壤富碳團(tuán)聚體造成破壞，使部分有機(jī)碳礦化，而免耕對(duì)土壤的擾動(dòng)較少，降低了土壤通透性和有機(jī)碳的礦化率，所以呼吸速率較低[34]。深松耕是對(duì)30—50 cm土層進(jìn)行松動(dòng)，打破土壤犁底層，更大程度上增加了土壤的通透性，從而使更多的有機(jī)碳被礦化，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳快速損失，這也是此研究中異養(yǎng)呼吸碳排放量顯著高于其他處理的原因[8,35]。翻耕將部分深層的有機(jī)碳翻至表層，較旋耕 5—10 cm土層土壤有機(jī)碳含量增加 10.9%，然而此過程中，也有部分有機(jī)碳被暴露在土壤表面，加快有機(jī)碳礦化，同時(shí)翻入土壤深層的玉米殘茬腐解加快，增加土壤碳輸入和輸出，導(dǎo)致翻耕下的土壤呼吸速率和碳排放量較高，僅次于深松耕[36]。免耕下0—5 cm土層有機(jī)碳含量較翻耕和旋耕分別提高11.3%、9.3%，其原因可能是免耕對(duì)深層土壤無擾動(dòng)，玉米殘茬多存留于土壤表層，從而增加0—5 cm土層有機(jī)碳含量；深松耕消耗較多的深層有機(jī)碳，從而對(duì)深層土壤增碳效果不明顯，這與王立剛等[37]研究結(jié)果相似。過量施肥提高以碳源為呼吸底物的土壤微生物活性，增強(qiáng)土壤微生物呼吸，導(dǎo)致土壤有機(jī)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，有助于有機(jī)碳的形成[39]，本研究中，減施氮肥0—10 cm土層的有機(jī)碳含量較傳統(tǒng)施氮提高5.8%，相反，減施氮肥（N1）碳排放總量較傳統(tǒng)施氮（N2）降低 216 kg·hm-2?？傮w來看，通過兩年平均計(jì)算，免耕配合氮肥減量較其他處理碳排放總量降低 489—1 917.5 kg·hm-2，碳排放效率提高20.1%—56.2%，說明免耕減施氮肥既能提高籽粒產(chǎn)量，還能減少溫室氣體排放，具有明顯的產(chǎn)量效益和環(huán)境效益。

3.3 耕作方式及施氮水平對(duì)玉米農(nóng)田固碳及碳平衡的影響

本研究采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）作為評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤碳平衡的方法[40]。研究表明，農(nóng)藝措施通過改變影響碳排放的物理、化學(xué)和生物因子而影響土壤碳平衡，不合理的農(nóng)藝方法在強(qiáng)化排放源的同時(shí)，可弱化吸收匯的作用[41-42]，本研究結(jié)果顯示，全膜雙壟溝播玉米在4種耕作方式下均能取得較高生物量，提高了農(nóng)田固碳總量，提高了碳排放效率，各處理下的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）均為正值，說明4種耕作方式下旱作玉米農(nóng)田均表現(xiàn)為大氣CO2的“匯”。研究還發(fā)現(xiàn)由于免耕降低了碳排放總量，2018年和2019年免耕NEP為最高，較傳統(tǒng)翻耕高21.9%。兩種施氮水平下各處理NEP均大于0，表現(xiàn)為大氣CO2的“匯”，碳排放效率與干物質(zhì)積累、生長率和凈同化率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，可能是因?yàn)楦鞣绞胶褪┑龠M(jìn)玉米光合能力，捕獲更多CO2，提高了玉米固碳能力，這與YONG等[14]研究結(jié)果一致。而碳排放效率與土壤有機(jī)碳呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是良好的土壤環(huán)境促進(jìn)根系或微生物呼吸，從而增加土壤碳排放總量。所以，以免耕為主的保護(hù)性耕作配合減氮可以提升全膜雙壟溝播玉米的穩(wěn)增產(chǎn)水平，降低碳排放，促進(jìn)碳平衡。

4 結(jié)論

4.1 耕作方式及施氮水平對(duì)全膜雙壟溝播玉米生長過程影響不同，免耕處理顯著提高干物質(zhì)積累量、生長率和凈同化速率；免耕較其他耕作方式籽粒產(chǎn)量提高2%—15%，2019年，同一耕作方式下N1與 N2產(chǎn)量差異不顯著。

4.2 土壤呼吸速率呈先升高后降低的單峰曲線，在大喇叭口期—開花期達(dá)到峰值。耕作方式對(duì)土壤呼吸、碳排放量及碳排放效率的影響大于施氮水平，免耕較其他耕作方式降低了土壤呼吸速率、總碳排放量，提高了碳排放效率；免耕結(jié)合傳統(tǒng)施氮較其他模式既提高籽粒產(chǎn)量，又減少溫室氣體排放。

4.3 各處理均表現(xiàn)為大氣 CO2的“匯”，其中免耕表現(xiàn)出更強(qiáng)的碳匯效應(yīng)，其0—5 cm土層有機(jī)碳含量較傳統(tǒng)翻耕顯著增加11.3%，減施氮肥處理0—10 cm土層的有機(jī)碳含量較傳統(tǒng)施氮提高5.8%。

4.4 全膜雙壟溝播玉米碳排放效率與干物質(zhì)積累量、生長率和凈同化率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，玉米碳排放效率與土壤有機(jī)碳呈極顯著負(fù)相關(guān)，可能是因?yàn)楦鞣绞胶褪┑龠M(jìn)玉米光合能力，捕獲更多CO2，提高了玉米固碳能力。

綜上，在472—491 mm的年降水條件下，免耕氮肥減量（基施氮量200 kg·hm-2）既能保持隴中旱農(nóng)區(qū)全膜雙壟溝播玉米穩(wěn)增產(chǎn)水平，又能降低土壤碳排放，提高碳排放效率。