温室气体引起的全球气候变暖和平流层臭氧耗损是全球性的环境问题。氧化亚氮（N₂O）被认为是除二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）外，最重要的温室气体之一，对温室效应的贡献为5%，且其大气浓度仍以年均0.3%的速率增长^[1]。在已知的N₂O全球排放源中，农业排放占84%，其中农田土壤N₂O的排放约占人为排放源的45%^[2]。

除了土壤特性和气候因素外，施肥、灌溉、耕作等农业活动是影响农田N₂O排放的重要因素。秸秆还田能够培肥地力，增产增效^{[3, 4]}，同时也在一定程度上改变了土壤中的C、N循环，影响土壤微生物活性，从而对N₂O的产生和排放带来影响。我国在这方面已有大量研究，但多集于稻秆还田^{[5, 6, 7, 8]}，加之我国玉米秸秆还田率（约60%）不高，因此玉米秸秆对麦田N₂O排放影响的研究较少。再者，由于秸秆施用量、施用方式及秸秆C/N比不同，秸秆还田对土壤N₂O排放的影响有不同的结论^{[9, 10]}。秸秆还田是我国大力推广应用的一项保护性耕作措施，为更准确评估秸秆还田对N₂O排放的贡献，仍需要大量野外观测研究。气候变暖也使温室气体减排技术的研究备受关注，其中缓控释氮肥因其肥料利用率高、节省劳动力和环境友好等优点，是国家重点推广的肥料之一，具有广阔的应用前景；氮肥条施是我国一直倡导的提高肥料利用率的施肥方式。相关研究表明，2种施肥方式均能有效降低农田N₂O的排放^{[11, 12]}，但哪种施肥在玉米秸秆还田条件下更具减排优势，对小麦产量影响如何，国内还少见报道。

为此，本研究选取小麦农田为研究对象，一方面研究现有化肥施用及秸秆还田管理措施下对N₂O排放的影响，为麦田N₂O排放规律的研究提供科学依据；另一方面研究秸秆还田条件下不同施氮方式对N₂O排放的影响，为农田N₂O减排技术的制定提供参考。

试验在泰安市泰山区邱家店镇综合试验农场进行（36°09′N，117°15′E），试验点地势平坦，处于暖温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均气温13.2 ℃，多年平均降水量803.7 mm，年平均日照时数2 655 h，无霜期187 d。该地区农田常年实行冬小麦-夏玉米轮作。土壤为棕壤，质地为轻壤土，0~20 cm表土有机质为14.0 g·kg^-1，速效磷22.8 mg·kg^-1，速效钾78.0 mg·kg^-1，硝态氮19.4 mg·kg^-1，铵态氮3.3 mg·kg^-1，pH值7.8。

作物为冬小麦，试验设4个处理，分别为（1）秸秆不还田（SN）：前茬玉米收获后将秸秆及根茬运到试验区外，将1/2氮肥与全部磷钾肥掺混后撒施旋耕，1/2氮肥在小麦返青-拔节期撒施，氮肥为尿素；（2）秸秆还田（SR）：前茬玉米收获后秸秆及根茬粉碎还田，将1/2氮肥与全部磷钾肥掺混后撒施旋耕，1/2氮肥在小麦拔节-返青期撒施，氮肥为尿素；（3）缓控释氮肥（SRC）：秸秆处理同处理（2），全部氮肥与磷钾肥掺混后一次性撒施旋耕，氮肥为缓控释氮肥；（4）氮肥条施（SRR）：秸秆处理同处理（2），全部磷钾肥撒施旋耕后，每畦开出3条深10~15 cm施肥沟，将1/2氮肥施入后覆土，小麦返青-拔节期用同样方法施入1/2氮肥，氮肥为尿素。

各处理施肥量相等，N、P2O5、K2O分别为210、105 kg·hm^-2和75 kg·hm^-2，磷肥为过磷酸钙（P2O5=12%），钾肥为氯化钾（K2O=60%），缓控释氮肥为树脂包膜，氮素释放曲线为陡峭的“S”型曲线，由山东省农业科学院农业资源与环境研究所提供。玉米秸秆还田量为9 000 kg·hm^-2，含C量40%，含N量为0.65%。

试验采取3次重复，小区面积为60 m²，试验地四周设置3 m宽保护行。畦宽1.5 m，每畦等距播种6行小麦，小麦品种为济麦22，于2012年10月12日播种，2013年6月14日收获，分别在小麦播种、返青和扬花时灌溉，每次灌溉量为750 m³·hm^-2。

温室气体排放通量采用静态暗箱-气相色谱法观测。本试验中箱体尺寸规格定为 50 cm×50 cm×50 cm，由不锈钢材料制成，四面和顶部封闭，外覆绝热材料（泡沫聚苯乙烯），底部开口以罩在底座上，底座用不锈钢材料制成，周围有水槽，插入地下20 cm，测量时凹槽内用水密封，使箱内空气不与外界空气交换。箱体采气管线一端通过箱体侧面取气接头深入箱内 10 cm 左右，另一端用三通阀密封，采样时与采样注射器相连。为了避免采样操作过程中局部踩实土壤而导致气体横向流动受到干扰，同时也避免采样操作过程对箱内及其周围植物的机械性破坏，在采样点周围搭设了木桥。

底座于播种期埋在小区中，整个生长季不再移动，每底座内有2行小麦，中后期小麦高于50 cm后，采样时增加1个中段箱（50 cm×50 cm×50 cm），使采样箱高于小麦。采样时间一般在早上 9:00—11:00 进行，平常取样为3~7 d 1次，施肥后连续取样1周，灌溉或降雨后连续取样2 d，冬季为两周1次。采样时将采样箱扣在底座凹槽内并加水密封，扣箱后用 100 mL塑料注射器于0、8、16、24、32 min时抽取箱内气体，并准确记录采样时的具体时间和箱内温度。

采集的N₂O气样用改进的Agilent 7890A气相色谱仪测定。

（1）N₂O排放通量采用线性回归法进行计算^[13]，公式为：

（2）N₂O交换总量利用内插法计算相邻两次监测之间未监测日期的排放通量，然后将每日的交换通量累加即可。

每次采集气体的同时，测定土壤0~6 cm土壤体积含水量（TZS-1）和3 cm深度的土壤温度（JM624）。土壤孔隙含水量（WFPS）根据土壤容重和土壤比重（2.65 g·cm^-3）计算。

各区选择长势均匀的5.25 m²样方麦穗，脱粒、晒干、去杂、称重，计算产量。

所得数据使用Microsoft Excel 2007进行处理和作图，采用SAS软件进行处理间显著性差异分析。

小麦生长季内有明显的N₂O排放，排放通量在3.0~450.4 μg N·m^-2·h^-1之间（图 1）。各处理下N₂O的排放通量动态变化趋势一致，只在秋季基肥和春季追肥两个时期出现较强N₂O排放，其他时间N₂O排放波动较少，一般在10 μg N·m^-2·h^-1左右。施肥为土壤微生物提供充足的底物，促进硝化和反硝化过程中N₂O的生成与排放；而灌溉则为反硝化微生物营造了厌氧环境，提高了反硝化过程中N₂O的生成与排放^{[14, 15]}。秋季基肥的N₂O排放峰值最高，平均高达389.1 μg N·m^-2·h^-1，持续时间为2周；而春季追肥后的N₂O排放峰值较低，平均为37.2 μg N·m^-2·h^-1，持续时间约为1周。这主要与秋季基肥施入时，一方面进行了土壤翻耕，土壤透气性增加，促进N₂O排放^[16]；另一方面，播种后2周内，小麦主要靠籽粒营养供应，对N的吸收利用较低，导致前期N的大量损失，引起N₂O排放峰值较高^[17]。统计表明，两次排放峰值持续的时间约占整季的8.6%，但N排放量却占总排放量的40%以上，说明施肥和灌溉是影响N₂O排放的重要因素。

图 1 不同处理下土壤N2O排放特征 Figure 1 N2O emission features under different treatments

图选项

各处理在排放通量上有明显差异，尤其是两次排放峰值。秋季播种时，秸秆还田的SR和SRC处理下N₂O平均排放峰值较不还田SN处理增加近37.9%，达显著性差异。这可能与秸秆在高温和肥水环境下，加速分解，为土壤微生物提供了充足的碳源和氮源，促进N₂O的排放有关^[18]；而SRR与SN处理下的N₂O平均排放峰值相当，氮肥深施，减少了表层土壤的氮肥浓度，从而降低了N₂O排放。返青追肥时，4个处理下N₂O的平均排放峰值顺序为：SR>SN>SRR>SRC，SRC较SN平均排放峰值降低近50%，这可能与SRC处理缓控释氮肥一次性基施，养分缓慢释放与作物需求相匹配，肥料利用率提高，所以N₂O排放减少有关。

从整个生育期来看，N₂O排放通量与土壤温度和土壤孔隙含水量呈正相关关系（表 1），并与后者达0.01显著水平，说明两者是影响N₂O排放的主要环境因素，土壤孔隙含水量对N₂O排放通量的影响更为明显，这与邹建文等^[10]的研究结果相似。但不同生育期影响N₂O排放通量的环境因素略有差异。小麦越冬前，各处理下N₂O排放通量与气温、土壤温度和土壤孔隙含水量呈正相关关系，均为影响小麦越冬前N₂O排放的主要环境因子，尤其是土壤温度和土壤孔隙含水量。这主要与越冬前，各处理的温度和土壤湿度都在硝化反硝化作用微生物活动的最适宜范围有关^{[19, 20]}。小麦越冬期，各处理下3个环境因子与N₂O排放通量均无相关关系，这主要与越冬期气温低，硝化反硝化作用受抑制，N₂O排放通量很小且稳定，不受外界环境变化的影响。小麦越冬后，仅有土壤孔隙含水量是影响N₂O排放的环境因素，这主要受越冬后降水和灌溉，土壤干湿交替，促进N₂O排放，而掩盖了温度对N₂O排放通量的影响^[19]。

表 1 不同处理下N₂O排放通量与环境因子相关性分析 Table 1 Correlations of N₂O emissions with environmental factors under different treatments

表选项

从表 2可以看出，3个生育期中，各处理均以越冬前N₂O排放量最高，虽然这一时期仅占小麦生育期的20%，但N₂O排放量却占40.6%~55.4%。由于越冬期平均土温低于5 ℃，抑制了硝化反硝化微生物活性，N₂O排放量最少，仅占总排放量的19.3%~24.6%。不同处理对麦田N₂O的总排放量有影响，与SN相比，秸秆还田的SR和SRC处理下N₂O的排放量分别增加48.6%和15.3%，尤其是前者，差异达到显著性，表明秸秆还田对N₂O的排放具有促进作用，与裴淑玮等^[21]的研究结果一致。这可能与秸秆还田能够改变土壤性质，刺激微生物活性，促进微生物反硝化作用，从而促进了N₂O的排放^{[22, 23]}。而且这种促进作用在越冬前最明显，SR较SN处理下N₂O排放量增加40.7%，达显著性差异，而在其他2个时期差异不显著。这可能与越冬前气温较高，一方面还田秸秆在充足的水肥条件下快速腐解，提高土壤含N量，促进N₂O排放^{[24, 25]}；另一方面秸秆还田会显著提高土壤活性有机碳含量及酶活性，利于土壤中硝化反硝化作用，从而增加N₂O的排放^[26]。改变施肥方式，可以降低N₂O排放，SRC和SRR分别较SR减排22.4%和35.5%，达显著性差异。

表 2 不同处理下N₂O排放总量 Table 2 N₂O emission quantities under different treatments

(kg N·hm-2)

表选项

从表 3可以看出，4种处理下小麦产量介于7 321.0~7 988.3 kg·hm^-2。与SN相比，秸秆还田的SR措施下小麦增产2.9%，但未达显著性差异。造成这种情况的原因可能与化肥的施用方式有关，尽管秸秆还田能够促进土壤养分周转，改善土壤生态环境，有利于作物生长，但化肥撒施却增加了N素的损失，肥料利用率降低，从而使增产效果不明显^[27]。在秸秆还田基础上，施用新型肥料或改变施肥方式能够显著增加小麦产量，SRC和SRR分别较SN小麦增产7.8%和9.1%，均达显著性差异。这与两种措施的应用，一定程度上减少了N素损失，并提高了肥料利用率^{[12, 28]}，从而促进小麦生长发育有关。

表 3 不同处理对小麦产量及经济效益的影响 Table 3 Effect of different treatments on wheat yield and economic benefit

表选项

从经济效益来看，4种处理的相对净收入顺序为：SRR>SRC>SR>SN。SN较其他处理每公顷约减少1 300~2 500元，主要因其产量最少，从而产值小；另一方面由于需要人工清除秸秆，劳动力投入成本大大增加。秸秆还田条件下，氮肥条施可以获得最高收益，与SR相比，SRR处理下相对净收入显著增加6.8%。尽管控释氮肥的价格较高，但一次性施用，降低了SRC处理的劳动力投入成本，相对净收入仅次于SRR处理。

（1）小麦季农田土壤N₂O表现为明显的季节性净排放，整个生育期N₂O有2次排放峰，均由施肥+灌溉引起，且秋季基肥引起的排放峰高于拔节期的追肥。2次排放峰值持续时间约占整季的8.6%，N₂O排放量却占总排放量的40%以上。不同生育期的环境影响因素有一定差别，越冬前受气温、土壤温度和土壤孔隙含水量的影响，越冬期则不受外界环境影响，越冬后主要受土壤孔隙含水量的影响，其次是土壤温度。

（2）小麦季3个生育期的N₂O排放顺序为：越冬前>越冬后>越冬期，前者N₂O的排放量约占整个生育期的50%。秸秆还田显著增加土壤N₂O的排放，与SN相比，SR处理下增加48.6%。施用缓控释氮肥（SRC）或采用氮肥条施（SRR）能够降低N₂O排放，并提高小麦产量及经济效益，尤其是后者的效果最佳，可较SN措施减排4.2%，增产9.1%，增效15.6%。