不同施肥措施對小麥?玉米輪作土壤溫室氣體排放和氮素運(yùn)移的調(diào)控作用

摘要： 【目的】研究不同施肥措施對小麥?玉米輪作體系土壤氮素運(yùn)移和溫室氣體排放的影響，為降低小麥?玉米輪作體系溫室氣體排放與土壤氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)提供有效方法?！痉椒ā?021—2023 年在河北省辛集市連續(xù)開展3 個(gè)輪作季的田間試驗(yàn)，小麥季試驗(yàn)以100% 配方肥為對照（T），并設(shè)施用80% 配方肥量（TM），以及推薦量下80% 化肥養(yǎng)分+20% 生物有機(jī)肥替代（TM+1）、TM+1 配合6000 kg/hm2 生物炭（TM+2）、TM+2 配合15 kg/hm2 土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑（TM+3） 4 個(gè)處理。玉米季各處理施肥量均相同。分析土壤溫室氣體（N2O、CH4、CO2） 排放特征、增溫潛勢、剖面硝態(tài)氮運(yùn)移與作物產(chǎn)量。【結(jié)果】不同施肥處理下耕層土壤溫室氣體排放通量的變化趨勢較為一致。與T 處理相比，TM 處理的N2O 平均排放通量顯著降低了35.31% （Plt;0.05）；TM、TM+1、TM+2 和TM+3 處理之間CO2 平均排放通量無顯著差異；TM、TM+1、TM+2、TM+3 處理之間CH4 平均排放通量無顯著差異（Pgt;0.05）。與T 處理相比，TM 處理N2O 周年累計(jì)排放量顯著降低了37.63% （Plt;0.05），CO2 累積排放量無顯著變化（Pgt;0.05）；T、TM、TM+1、TM+2、TM+3 處理的CH4 累積排放量均為負(fù)值。TM 和TM+1 處理較T 處理的增溫潛勢分別顯著降低了38.15% 和16.25% （Plt;0.05）。TM、TM+1、TM+2、TM+3 處理土壤硝態(tài)氮含量均在80—160 cm 土層出現(xiàn)峰值，TM、TM+1、TM+2 和TM+3 處理0—100 cm 土層土壤硝態(tài)氮累積量相比T 處理分別減少38.98%、26.05%、61.26% 和28.13%，TM、TM+2、TM+3 處理100—400 cm 土層土壤硝態(tài)氮累積量較T 處理分別減少59.26%、18.03%、16.65%。3 個(gè)輪作季中，TM+1 和TM+2 處理產(chǎn)量在第3 季較T 處理分別顯著增加了9.63% 和9.55% （Plt;0.05）?！窘Y(jié)論】施用80% 推薦配方肥，或者養(yǎng)分總量不降低條件下，以20% 的生物有機(jī)肥替代化肥或20% 的生物有機(jī)肥替代化肥添加土壤調(diào)理劑均降低了土壤N2O 氣體排放強(qiáng)度和總量，但減排效果以降低養(yǎng)分投入的施用80% 推薦配方肥處理效果最明顯，并降低了土壤硝態(tài)氮淋溶損失。以20% 生物有機(jī)肥替代化肥對小麥、玉米增產(chǎn)效果顯著，第3 個(gè)輪作季中小麥和玉米總產(chǎn)量顯著增加了9.63%（Plt;0.05）；20% 生物有機(jī)肥替代與生物炭配施能減少硝態(tài)氮向100—400 cm 土層淋溶的風(fēng)險(xiǎn)，并使玉米產(chǎn)量顯著增加了12.15%。

關(guān)鍵詞： 小麥?玉米輪作；N2O 排放；CH4 排放；CO2 排放；氮素淋溶

華北平原作為我國糧食主產(chǎn)區(qū)，其糧食產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的21.35%[1]。小麥?玉米輪作體系是該區(qū)域的主要糧食生產(chǎn)模式[2]。為保障糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，生產(chǎn)中普遍過度使用化肥，導(dǎo)致大量溫室氣體排放到大氣中[3]，而華北平原玉米生長期正值高溫多雨季節(jié)，降水量大且較集中，極易造成氮素淋失[ 4 ? 5 ]，如何協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系是華北平原農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的一個(gè)難點(diǎn)。面對保障糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)與環(huán)境污染問題嚴(yán)峻的雙重挑戰(zhàn)，采取合理的耕層調(diào)控措施已成為一種高效且便于操作的重要手段[6]。

有機(jī)肥替代化肥是農(nóng)田化肥使用量零增長和持續(xù)提升地力的一種重要耕層調(diào)控措施[7]，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了有機(jī)替代與生物炭配施、增施土壤調(diào)理劑等多種耕層調(diào)控措施相結(jié)合的技術(shù)。不同耕層調(diào)控措施對土壤溫室氣體排放與土壤氮素運(yùn)移影響不同，有機(jī)肥替代化肥能夠提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[8]，優(yōu)化土壤團(tuán)聚體的粒徑分布，改善土壤養(yǎng)分狀況，促進(jìn)微生物群落的健康發(fā)展[9?11]，降低土壤N2O 排放[12]，減少農(nóng)田硝態(tài)氮淋失量[13]。但有機(jī)肥替代化肥改變了養(yǎng)分組成，有時(shí)甚至提高了硝化與反硝化作用的強(qiáng)度，進(jìn)而加劇農(nóng)田土壤溫室氣體的排放[14]。生物炭由于具有巨大的表面積，可降低土壤N2O 排放[15]，提升冬小麥?夏玉米輪作體系作物產(chǎn)量與土壤肥力[16?17]。土壤調(diào)理劑是一類用于改善土壤物理和（或） 化學(xué)性質(zhì)，及（或） 其生物活性的物料，通過改善土壤結(jié)構(gòu)、提高水分利用效率等方式來增加作物產(chǎn)量，在溫室氣體減排方面也具有良好表現(xiàn)[18?19]。趙延偉等[20]發(fā)現(xiàn)，增施土壤調(diào)理劑鋅腐酸可提高冬小麥產(chǎn)量，減少CO2 和N2O 排放。李晨昱等[21]發(fā)現(xiàn)，生物炭配施土壤調(diào)理劑明礬可降低土壤硝態(tài)氮含量與淋洗風(fēng)險(xiǎn)。有機(jī)肥、生物炭和土壤調(diào)理劑協(xié)同降低化肥施用量、改善土壤地力的效果已廣為接受，但相關(guān)組合如何影響農(nóng)田溫室氣體排放、氮素運(yùn)移以及作物產(chǎn)量的研究尚不充分。在華北地區(qū)的小麥?玉米輪作體系中，我們采用田間試驗(yàn)方法，連續(xù)3 年6 季研究了在推薦施肥量的基礎(chǔ)上，以20% 有機(jī)肥替代氮肥，并結(jié)合使用生物炭與土壤調(diào)理劑對土壤氮素運(yùn)移及溫室氣體排放的影響，以期為華北平原小麥?玉米輪作體系維持高產(chǎn)的同時(shí)，降低土壤氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)及溫室氣體減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在河北省辛集市馬莊試驗(yàn)站（37°51′N，115°15′E） 進(jìn)行，該站位于河北省中東部地區(qū)，地處山麓平原和低洼平原過渡帶；屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫為13°C，年平均降水量為490 mm，主要集中在6—8 月份，占全年降水量的2/3，無霜期206 天；第3 個(gè)輪作期間降水和月平均氣溫見圖1。種植制度為小麥?玉米輪作。土壤類型為潮土，耕層厚度為20 cm。小麥種植前耕層0—20 cm 土壤pH 8.97、有機(jī)質(zhì)16.98 g/kg、無機(jī)氮13.73 mg/kg、有效磷33.50 mg/kg、速效鉀233.86 mg/kg、容重1.33 g/cm3。布置試驗(yàn)前0—100 cm土層土壤基本理化性狀見表1。

1.2 供試材料

供試小麥品種為‘濟(jì)麥22’，玉米品種為‘先玉335’。

供試氮肥為尿素（N 46.40%）；沃利沃復(fù)合肥料：總養(yǎng)分≥43.00%，N?P2O5?K2O 為17?20?6 ，由河南農(nóng)心肥業(yè)有限公司提供；生物有機(jī)肥：有機(jī)質(zhì)≥40.00%，N?P2O5?K2O 為0.90?2.72?9.77，有效菌種為巨大芽孢桿菌、膠凍樣類芽孢桿菌（BX36），有效活菌數(shù)≥0.2 億/g，由河北閏沃生物技術(shù)有限公司提供；生物炭：在限氧狀態(tài)下，由果木枝條經(jīng)600℃高溫?zé)峤庑纬?，N?P2O5?K2O 為0.68?0.93?6.30；土壤調(diào)理劑：主要成分為月桂醇乙氧基硫酸銨。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)置5 個(gè)處理，包括100% 推薦配方肥（T）、施用80% 推薦配方肥量（TM）、80% 推薦配方肥+20% 生物有機(jī)肥替代（TM+1）、80% 推薦配方肥+20% 生物有機(jī)肥替代+生物炭（TM+2）、80% 推薦配方肥+20% 生物有機(jī)肥替代+生物炭+土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑（TM+3），每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)，共計(jì)15 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為70.8 m2 （12.0 m×5.9 m）。小麥季：T 處理N、P2O5、K2O 施用量分別為241、120、36 kg/hm2，TM 處理分別為221、96、29 kg/hm2，TM+1、TM+2、TM+3 中生物有機(jī)肥投入量為3000 kg/hm2，TM+2、TM+3 處理施用生物炭6000 kg/hm2，TM+3 處理施用土壤調(diào)理劑15 kg/hm2。玉米季所有處理一次性底施復(fù)合肥，N、P2O5、K2O分別為168、96、96 kg/hm2。田間管理均按照常規(guī)進(jìn)行。

在小麥、玉米第3 個(gè)輪作季田間布置靜態(tài)箱進(jìn)行溫室氣體監(jiān)測，靜態(tài)箱箱體采用 PVC 材料制作，高15.0 cm，底座內(nèi)徑14.0 cm，外徑16.0 cm，箱體頂端安裝氣體采樣裝置和數(shù)顯溫度計(jì)（?50～110℃），于每次施肥灌水后將靜態(tài)箱底座埋至土壤中，取樣時(shí)將靜態(tài)箱上部放置在底座凹槽內(nèi)并用水密封。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 作物產(chǎn)量 小麥：每個(gè)小區(qū)選取3 個(gè)1 m2 樣方單獨(dú)收割，風(fēng)干后通過脫粒、稱重計(jì)算產(chǎn)量。玉米：收獲時(shí)小區(qū)選3 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)采集單行內(nèi)具有代表性的連續(xù)15 個(gè)果穗，風(fēng)干后通過脫粒、稱重計(jì)算產(chǎn)量。

1.4.2 土壤 于播種前采集0—100 cm 土體新鮮土樣（間隔20 cm），風(fēng)干后測定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)。第3 個(gè)輪作季玉米收獲期，采集0—400 cm 土體新鮮土樣（間隔20 cm），測定土壤NO3?-N 含量、含水率；每次采集氣體樣品時(shí)，同步采集0—10 cm 表層鮮土，測定土壤無機(jī)氮（NH4+-N 和NO3?-N） 含量。

土壤中無機(jī)氮（NH4+ -N 和NO3? -N） 含量采用0.01 mol/L CaCl2 溶液浸提后，紫外分光光度法測定；含水率采用烘干法測定[22]。

1.4.3 N2O、CH4、CO2 氣體監(jiān)測 每次施肥后第1、2、3、5、7、9、12、15 天采集氣體樣品，灌水或較大降水（≥20 mm） 后連續(xù)3 天采集樣品；動(dòng)態(tài)采氣為15 天進(jìn)行1 次，土壤結(jié)冰后為30 天采集1次；采樣時(shí)間為每天上午9：00—11：00，每隔15 min采樣1 次，在0、15、30 min 時(shí)共采集3 次氣樣，同步測定箱內(nèi)溫度。收集的氣體注入20 mL 氣樣采樣瓶內(nèi)儲(chǔ)存，用Agilent-7890A 型氣相色譜儀進(jìn)行測定。

氣體排放通量計(jì)算公式：

通過線性內(nèi)插法計(jì)算未觀測期間氣體的日排放通量，并通過累積測定值和計(jì)算值來計(jì)算排放累積量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

CH4 和N2O 的綜合增溫潛勢計(jì)算公式[23]如下：

土壤硝態(tài)氮累積量計(jì)算公式如下：

所有數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值，利用MicrosoftExcel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用Origin 2021 進(jìn)行繪圖，使用SPSS 26 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥措施下農(nóng)田溫室氣體排放特征

2.1.1 不同施肥措施下N2O 排放特征 從不同耕層調(diào)控措施下N2O 排放通量的變化趨勢（圖2） 可以看出，小麥?玉米輪作季出現(xiàn)4 次排放峰值，均在施肥與較大降水之后。此外，N2O 排放通量在降雨后也會(huì)有一定程度的增加，出現(xiàn)短暫的排放峰。整個(gè)輪作季內(nèi)T、TM、TM+1、TM+2 與TM+3 處理N2O 平均排放通量分別為81.97、53.03、67.79、78.75 與81.81 μg/（m2·h），其中TM 處理的N2O 平均排放通量較T 處理顯著降低了35.31% （Plt;0.05）。

2.1.2 不同施肥措施下CO2 排放特征 如圖3 所示，各處理CO2 排放通量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，均在8 月達(dá)最大值。4、5 月份因?yàn)轭l繁降雨導(dǎo)致小麥季C O 2 排放出現(xiàn)較大波動(dòng)，降水造成的CO2 排放增加均在2 天后恢復(fù)正常。玉米季在施基肥后1 天出現(xiàn)排放峰值，在6、7 月份各處理CO2 排放通量波動(dòng)維持在50～200 mg/（m2·h） 范圍，在玉米生長后期呈現(xiàn)穩(wěn)定降低的趨勢，直至收獲?？傮w而言，T、TM、TM+1、TM+2 和TM+3 的CO2 平均排放通量分別為67.82、67.57、66.77、70.65、73.88mg/（m2·h），不同處理間無顯著差異（Pgt;0.05）。

2.1.3 不同施肥措施下CH4 排放特征 不同處理的CH4 排放通量變化趨勢如圖4 所示，正通量表示土壤向大氣排放CH4，負(fù)通量表示土壤從大氣吸收CH4。由此可知，小麥、玉米季的CH4 既有吸收又有排放，CH4 排放通量在?16.44～6.94 μg/（m2·h），各處理均在7 月出現(xiàn)CH4 排放峰，但各處理間CH4 排放通量無顯著差異（Pgt;0.05）。

2.1.4 不同水肥調(diào)控下的土壤N2O、CO2 和CH4 累積排放量 土壤溫室氣體（N2O、CO2 和CH4） 累計(jì)排放量如圖5 所示，在整個(gè)冬小麥?夏玉米輪作周期中，TM 較T 處理N2O 的累積排放量顯著降低了37.63% （Plt;0.05），TM+1、TM+2 和TM+3 較T 處理降低了3.17%～16.59%，但差異不顯著（Pgt;0.05）。CO2 的累積排放量TM 處理較T 處理顯著降低了13.38%；而TM+1、TM+2 和TM+3 處理與T 處理之間差異不顯著（Pgt;0.05）。CH4 累積排放量TM+1 處理較T 處理顯著增加了31.41% （Plt;0.05），TM、TM+2、TM+3 處理與T 處理無顯著差異（Pgt;0.05）。

2.2 不同施肥措施下的綜合增溫潛勢

從圖6 可以看出，小麥?玉米輪作體系的增溫潛勢表現(xiàn)為Tgt;TM+2gt;TM+3gt;TM+1gt;TM。80% 推薦配方肥（TM） 處理和80% 推薦配方肥+20% 生物有機(jī)肥替代（TM+1） 處理較T 處理的增溫潛勢分別顯著降低了38.15%、16.25%。80% 推薦配方肥+20% 生物有機(jī)肥替代（TM+1）、80% 推薦配方肥+20% 生物有機(jī)肥替代+生物炭+土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑（TM+3） 處理與TM 處理增溫潛勢無顯著差異（Pgt;0.05）。

2.3 不同施肥措施下土壤剖面硝態(tài)氮運(yùn)移與累積特征

2.3.1 不同施肥措施下土壤剖面硝態(tài)氮運(yùn)移特征 從第3 個(gè)輪作季結(jié)束后土壤剖面硝態(tài)氮含量分布（圖7） 看出，在垂直方向上各處理硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢，T 處理的峰值位于90 cm處，TM 處理的峰值位于150 cm 處，TM+1、TM+2、TM+3 處理的峰值均位于130 cm 處。0—100 cm 土層平均硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為T （39.56 mg/kg）gt;TM+1（29.25 mg/kg）gt;TM+3 （28.43 mg/kg）gt;TM （24.14mg/kg）gt;TM+2 （15.32 mg/kg）。相比T 處理，TM、TM+1、TM+2、TM+3 處理硝態(tài)氮含量分別下降38.98%、26.05%、61.26%、28.13% （Plt;0.05）。100—400 cm 土層，T、TM、TM+1、TM+2、TM+3 處理平均硝態(tài)氮含量分別為41.14、16.76、42.58、33.72、34.29 mg/kg，TM、TM+2、TM+3 處理較T 處理硝態(tài)氮含量分別降低了59.26%、18.03%、16.65% （Plt;0.05），說明TM、TM+2、TM+3 處理均顯著降低了硝態(tài)氮向土壤深層的運(yùn)移，且TM+2 處理較TM 處理降低當(dāng)年硝態(tài)氮淋溶的能力更強(qiáng)。

2.3.2 不同施肥措施下土壤剖面硝態(tài)氮累積特征 由表2 可知，0—100 cm 土層中土壤硝態(tài)氮累積量，TM、TM+1、TM+2、TM+3 處理均顯著低于T 處理（Plt;0.05），這說明各措施均能促進(jìn)作物有效利用0—100 cm 土層氮素。在相同氮素施用水平下，TM+2、TM+3 處理0—400 cm 土壤硝態(tài)氮累積量顯著低于T 處理（Plt;0.05）；TM 處理較T 處理顯著降低50.86%。100—400 cm 的土層中TM、TM+2、TM+3 較T 處理的硝態(tài)氮累積量分別下降了56.13%、11.72%、16.64%，說明優(yōu)化施肥、有機(jī)替代與生物炭配施、土壤調(diào)理劑添加均能降低土壤硝態(tài)氮的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

總體看來，除了單獨(dú)進(jìn)行有機(jī)替代外，各施肥措施均能顯著降低土壤硝態(tài)氮累積量以及向土壤深層的淋洗。

2.4 耕層調(diào)控對作物產(chǎn)量的影響

如圖8 所示，第1 季小麥產(chǎn)量以TM+3 處理最高，但只與TM 處理差異顯著，第2 季TM+3 處理小麥產(chǎn)量顯著低于T 處理（Plt;0.05），第3 季TM、TM+1、TM+2、TM+3 處理小麥產(chǎn)量與T 處理均無顯著差異。3 季玉米產(chǎn)量均以TM+3 處理最低，且顯著低于TM+1、TM+2 處理（Plt;0.05），第2、3 季TM+3 處理也顯著低于TM 處理（Plt;0.05）。TM+1、TM+2 處理第3 季玉米產(chǎn)量與T 處理相比分別顯著增加了12.14%、12.15% （Plt;0.05）。從周年產(chǎn)量看，TM+3 處理第2 個(gè)輪作季均低于T、TM、TM+1、TM+2 處理，TM+1、TM+2 處理在第3 季較T 處理分別顯著增加了9.63%、9.55% （Plt;0.05）。綜上可知，在3 年的試驗(yàn)中，相較T 處理，TM 處理對小麥、玉米周年產(chǎn)量均無顯著影響，TM+1 處理顯現(xiàn)出一定的增產(chǎn)趨勢。

3 討論

3.1 不同施肥措施對麥玉輪作體系土壤溫室氣體排放的影響

農(nóng)田土壤N2O 的排放主要受土壤類型、肥料種類、土壤硝化和反硝化過程等影響[24?25]。N2O 排放的高峰出現(xiàn)在施肥后，施加氮肥使底物濃度增加，硝化和反硝化作用增強(qiáng)，從而促進(jìn)N2O 的排放[26]；夏季高溫多雨，土壤含水量增加，通氣性變差，促進(jìn)了反硝化作用，進(jìn)而釋放了更多的N2O[27]。曾科等[28]研究表明，氮肥減施處理下，由于小麥自身生長會(huì)降低土壤中的硝化與反硝化作用，使得N2O 排放通量顯著降低。本研究中，優(yōu)化施肥（TM） 與推薦施肥處理（T） 相比顯著降低了小麥?玉米輪作體系土壤N2O 排放（Plt;0.05），這可能是在減少外源氮素供應(yīng)的情況下，微生物進(jìn)行硝化的過程時(shí)所需的有效氮源不足，從而降低N2O 的排放[29]。蔣洪麗等[30]研究發(fā)現(xiàn)，等氮配施有機(jī)肥處理降低了土壤N2O 排放，而Shcherbak 等[31]研究認(rèn)為，有機(jī)肥施用也可能會(huì)導(dǎo)致N2O 排放增高，但與傳統(tǒng)施肥相比差異不顯著。而在本試驗(yàn)中TM+1 處理與T 處理相比出現(xiàn)N2O 排放降低的趨勢，但無顯著差異，這可能是有機(jī)物料分解消耗了土壤中的氧氣，從而減少了N2O 的產(chǎn)生，但有機(jī)肥的施用提高了微生物活性使得N2O 排放增加，在二者的共同作用下導(dǎo)致差異并不顯著；TM+2處理與T 處理相比N2O 排放無顯著差異，這與胡天怡等[32]發(fā)現(xiàn)在稻菜體系中添加生物炭對土壤N2O 的排放無顯著影響的結(jié)果相一致，這可能是生物炭與有機(jī)肥配施時(shí)其本身對于硝化作用的底物吸附效果不明顯導(dǎo)致的。張浩東等[33]研究表明，施用不同土壤調(diào)理劑抑制旱地麥田土壤N2O 排放，在本研究中TM+3 與TM+2 相比，N2O 排放量有所降低但差異不顯著，這可能是由于添加土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑影響了土壤理化性質(zhì)與微生物數(shù)量，氧化亞氮還原菌與氨氧化細(xì)菌及氨氧化古菌這3 種細(xì)菌數(shù)量同時(shí)增加，此消彼長，導(dǎo)致N2O 排放影響不顯著[34?35]。

土壤排放的CO2 大約10%～15% 源自植物根的呼吸，85%～90% 來源于土壤微生物的生命活動(dòng)[36?37]。作物生長期土壤CO2 排放通量體現(xiàn)了土壤微生物的活性狀況。土壤水分、溫度對土壤CO2 排放有決定作用[38?39]。殷熙悅等[40]發(fā)現(xiàn)，減施氮肥有效降低了冬小麥生長期間CO2 排放。周君璽等[41]研究指出，小麥生長期間CO2 排放總量隨著肥料施入的減少而降低。在本研究中發(fā)現(xiàn)，TM 處理較T 處理顯著降低了土壤CO2 排放（Plt;0.05），這可能是由于優(yōu)化施肥會(huì)使植物根域微生物呼吸程度降低從而抑制CO2 排放，使得土壤CO2 排放顯著降低[42]。張賀等[43]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥配施化肥會(huì)增加CO2 排放，但較傳統(tǒng)施肥差異并不顯著（Pgt;0.05）。本研究中，TM+1 有促進(jìn)土壤CO2 排放的趨勢，這可能是由于有機(jī)肥增加土壤碳源且積累土壤有效氮，提高土壤微生物活性而增加CO2 排放[44]。而添加生物炭處理在小麥季及玉米季排放規(guī)律不一，這可能是小麥季溫度較低導(dǎo)致微生物活性下降，土壤中有機(jī)物被吸附進(jìn)入生物炭孔隙中儲(chǔ)存起來，不易被微生物分解利用，從而表現(xiàn)出抑制土壤CO2 排放。但在水熱較高的玉米季，生物炭施用改善了土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特征，土壤微生物活性增強(qiáng)，增加了土壤CO2 的排放，玉米季CO2 排放量貢獻(xiàn)率較高，故周年CO2 排放量增加[ 4 5 ? 4 6 ]。整體上，TM+3 處理較TM+2 處理土壤CO2 排放量有所增加，玉米季則有所降低，TM+3 處理較TM+2 處理土壤周年CO2 排放有降低趨勢，但差異不顯著（Pgt;0.05），這可能是由于土壤調(diào)理劑的加入抑制了有機(jī)碳礦化相關(guān)土壤微生物和酶活性，從而抑制CO2 排放，但土壤調(diào)理劑增加了土壤含水率，促進(jìn)了微生物活動(dòng)，二者共同作用導(dǎo)致CO2 排放差異并不顯著[47?48]。

氮肥對CH4 排放的影響較為復(fù)雜，存在不同作用機(jī)制，一方面氮肥促進(jìn)作物生長，為產(chǎn)甲烷菌提供更多碳源，從而促進(jìn)甲烷排放；另一方面氮肥也會(huì)促進(jìn)甲烷氧化菌的生長和活性，導(dǎo)致甲烷凈排放量減少[49]。于衷浦等[50]發(fā)現(xiàn)，減施化肥對土壤CH4 排放影響不顯著，這與本研究中TM 處理對土壤CH4的吸收影響不顯著的結(jié)果一致。TM+1 處理與TM 處理相比可知，有機(jī)肥替代會(huì)降低土壤對CH4 的吸收，這可能是有機(jī)肥C/N 較高，有機(jī)物不易被分解限制了產(chǎn)甲烷菌所需底物的生成，并且有機(jī)碳分解消耗了氧氣，促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌CH4 的產(chǎn)生，二者共同作用導(dǎo)致有機(jī)替代處理較單施化肥處理CH4 排放的差異不顯著[51]。劉志偉等[52]在稻麥輪作系統(tǒng)中應(yīng)用生物炭后促進(jìn)了土壤吸收CH4，而本研究也發(fā)現(xiàn)添加生物炭促進(jìn)土壤對CH4 的吸收，這可能是生物炭改善土壤通氣狀況，使土壤中O2 含量增加，使CH4氧化菌得到充足的能源進(jìn)而增加土壤對CH4 的吸收，而生物炭施用促進(jìn)了微生物活性，促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌釋放CH4[53]。Wu 等[54]研究發(fā)現(xiàn)土壤調(diào)理劑施用有效降低土壤CH4 排放，本研究中土壤調(diào)理劑的施用有降低土壤CH4 排放的趨勢，這可能是土壤調(diào)理劑施用改善了土壤的厭氧狀態(tài)，從而降低土壤產(chǎn)甲烷菌活性，土壤CH4 的排放被抑制。而本研究施用土壤調(diào)理劑能為產(chǎn)甲烷菌提供有機(jī)底物，從而導(dǎo)致土壤調(diào)理劑的添加對甲烷排放并無顯著影響[55]。

3.2 調(diào)控措施對不同土層土壤硝態(tài)氮分布的影響

土壤硝態(tài)氮是作物攝入氮素的主要形態(tài)，其在土壤剖面的遷移受施肥與水分管理的影響較大，而長期過量施氮和灌水是造成土壤硝態(tài)氮淋溶的重要原因。華北平原夏季雨熱同期，土壤中殘留的硝態(tài)氮更容易向深層土體移動(dòng)，因此深層土壤剖面取樣可以較準(zhǔn)確地反映土壤硝態(tài)氮的運(yùn)移與累積特征[56]。邵興芳等[57]研究發(fā)現(xiàn)，高量有機(jī)肥配施化肥處理中多余的硝態(tài)氮不能完全被作物根系吸收，造成土壤剖面NO3?-N 的累積和淋溶，增加淋溶風(fēng)險(xiǎn)。本研究結(jié)果顯示，施用有機(jī)肥增加深層氮素累積但差異不顯著（Pgt;0.05），累積峰出現(xiàn)在80—140 cm 處。這可能是有機(jī)肥的施用，使銨的固定和反硝化作用趨于飽和，無機(jī)氮超過了作物需求從而加劇硝態(tài)氮淋失[58]。胡錦昇等[59]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的施用緩解了土壤硝態(tài)氮向下淋溶積累，這與本研究中TM+2 處理100—400 cm 土層中硝態(tài)氮含量顯著低于TM+1 的結(jié)果一致，這可能是由于生物炭減緩了吸附的硝態(tài)氮在土壤中的釋放，說明了生物炭施用對降低麥玉輪作農(nóng)田的氮素?fù)p失具有積極意義。王瑋[60]研究表明，添加土壤調(diào)理劑能促進(jìn)根系對0—60 cm 土層氮素的吸收利用，降低土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅浚槐狙芯拷Y(jié)果顯示，TM+3 處理與TM+2 處理相比，0—100 cm 土壤硝態(tài)氮累積量顯著降低（Plt;0.05），表明土壤調(diào)理劑促進(jìn)根系對0—100 cm 土層氮素的吸收利用，并減少土壤硝態(tài)氮向200—400 cm 土層的淋溶。這可能是由于土壤調(diào)理劑具有較強(qiáng)的吸附性，減緩了土壤硝態(tài)氮的垂直運(yùn)移。施肥調(diào)控對于降低土壤硝態(tài)氮淋溶有一定效果，可以在本研究基礎(chǔ)上進(jìn)行不同成分不同組合下的對比研究，進(jìn)而優(yōu)化出適宜華北平原麥玉輪作體系的調(diào)控措施，為生產(chǎn)實(shí)踐提供借鑒。

3.3 不同施肥措施對產(chǎn)量的影響

適宜的施肥調(diào)控技術(shù)可有效提高作物產(chǎn)量。李驍?shù)萚61]研究發(fā)現(xiàn)，玉米減施氮肥的潛力在23.6%；逯克鑫等[62]研究表明，氮肥減施15% 能夠保證玉米產(chǎn)量；在本研究中，TM 處理與T 處理相比，3 年均能做到穩(wěn)產(chǎn)，說明優(yōu)化施肥能夠在保證作物產(chǎn)量的前提下減少肥料施用量，從而降低無機(jī)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)與溫室氣體排放[63]。本研究中，TM+1 處理小麥產(chǎn)量在第3 個(gè)輪作季較T 處理顯著增加，說明有機(jī)無機(jī)肥配施以及生物炭的應(yīng)用可以調(diào)節(jié)土壤氮素的固持與釋放，協(xié)調(diào)土壤氮素供應(yīng)[64]，使有機(jī)肥和化肥在養(yǎng)分供應(yīng)上優(yōu)勢互補(bǔ)，顯著提升土壤肥力、增加作物產(chǎn)量、提升肥料利用率等[65?67]，是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種有效調(diào)控措施。TM+3 處理在第2、3 個(gè)輪作季產(chǎn)量上較TM+2 處理顯著下降，這可能是由于土壤調(diào)理劑的施用導(dǎo)致土壤中水分增加[68]，使土壤中水分含量超出了小麥、玉米生長需要，從而使土壤缺氧和根部窒息影響到了作物根系生長和養(yǎng)分吸收，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降，這與王斯靜[69]應(yīng)用土壤改良劑的效果相似。因此，對于土壤調(diào)理劑的施用應(yīng)當(dāng)考慮土壤類型、作物種類等多種因素。

4 結(jié)論

在連續(xù)進(jìn)行3 個(gè)小麥?玉米輪作季試驗(yàn)后，施用80% 推薦配方肥量顯著降低了土壤N2O 排放和增溫潛勢，降低了硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)，但出現(xiàn)明顯的產(chǎn)量下降。在養(yǎng)分總量不降低條件下，采用20% 生物有機(jī)肥替代化肥并配合生物炭顯著降低了N2O 排放和當(dāng)年的硝態(tài)氮淋溶量，小麥?玉米周年產(chǎn)量顯著高于減肥處理（TM），但增加了增溫趨勢。而土壤調(diào)理劑在降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與增加產(chǎn)量方面的不利影響還需進(jìn)一步研究。