大气中氧化亚氮（N₂O）、二氧化碳（CO₂）等温室气体浓度的不断增加，是近 50 年来气候变化的主要原因；其中 N₂O 不仅能导致气候变暖，还会间接破坏臭氧层，影响生态环境和人类健康^{[1, 2]}。有研究表明，农业生产活动所产生的 CO₂和 N₂O 分别占全球人为温室气体排放的 11% 和 60%^[3]。

农田土壤 N₂O 和 CO₂主要产生于土壤微生物作用，并且受土壤性质和农业管理措施的影响^{[1, 4]}，主要包括土壤温度、水分、质地、pH值、耕作与施肥等^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]}。Morley等^[12]研究表明，绝大多数异养微生物以土壤有机质作为碳源和电子供体，因此土壤有机质是调控 N₂O 排放的重要因子，并且为土壤呼吸作用提供基质。目前，很多研究针对于碳源添加及不同碳氮比对 N₂O、CO₂ 排放的影响^{[13, 14]}，而关于碳源种类的影响涉及较少。我国北方农田土壤 N₂O 产生的主要途径为硝化作用^[15]，因此将铵态氮肥与碳源结合，对研究氮肥的转化规律及有效利用具有重要意义。

华北平原是我国主要粮食产区之一，主要的种植方式为冬小麦-夏玉米轮作体系。本试验以华北平原典型农田土壤为研究对象，运用静态培养系统，通过设置铵态氮源与不同碳源结合的处理，研究土壤 N₂O、CO₂的释放特征，以探明华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系下 N₂O、CO₂ 释放对不同碳源种类添加的响应，为制定华北地区土壤温室气体减排措施提供理论依据。

供试材料选用中国农业大学曲周试验站长期定位试验土壤，在冬小麦-夏玉米优化管理种植体系，冬小麦季氮肥施用量为139 kg N·hm^-2，夏玉米季氮肥施用量为185 kg N·hm^-2，秸秆还田、优化施肥、节水灌溉。

曲周实验站位于河北省邯郸市东北部（36°N，114°E），属于暖温带半干旱季风气候，光、热、水等气候资源比较丰富，海拔36 m，年降水量542.8 mm左右，年际变化率大（23.4%），7、8月份降水量约占全年降水量60%，年蒸发量1 800 mm。供试土壤为盐化潮土，表层土壤（0~20 cm）为轻壤土，砂粒、粉粒和粘粒含量分别为39.34%、58.25%和2.41%，容重1.30 g·cm^-3，pH值7.72，有机碳含量9.5 g·kg^-1，总氮含量700 mg·kg^-1，C/N为12.1，有效磷34.4 mg·kg^-1，有效钾72.7 mg·kg^-1。

试验开始于2011年6月21日，采用室内静态培养系统。以硫酸铵作为氮源，与6种不同碳源结合（表 1），每个处理3次重复。根据试验处理将添加物与土壤充分混匀，按重量计算分2次装入带胶塞的广口瓶中，均匀压实至大田实际容重（1.30 g·cm^-3）。用注射器喷洒去离子水使土壤水分达到70% WFPS。盖上Parafilm膜，将广口瓶裹上黑色塑料袋，随机放置在20 ℃的培养箱中培养15 d。培养期间根据重量调节水分含量在70% WFPS。

表 1 试验设计 Table 1 Design of experiment

表选项

在培养后的1、2、3、5、8、11、15 d采集气样样品，采集时段为每日上午7：30—8：00。采气前揭开 Parafilm 膜，充分通气5 min，然后盖上连有三通阀的橡胶塞，以此为T0时刻，用20 mL一次性注射器连续抽取0~10~20 min的气样，同时记录时间和温度。采集的气样12 h内利用气相色谱（Agilent GC6820）测定 N₂O、CO₂^[16]。

在试验开始的0、3 d和15 d，分别破坏性采集新鲜土壤样品，通过5 mm筛备用。

土壤硝态氮、铵态氮测定：称取过筛后的新鲜土壤12.00 g，用50 mL 1 mol·L^-1优级纯KCl按1∶5土水比提取无机氮。滤液用三通道流动分析仪（TRRACS 2000）测定铵态氮和硝态氮的含量。

pH值测定：将土样风干并通过1 mm孔径筛，称取10.0 g于25 mL烧杯中，加入除 CO₂ 的蒸馏水10 mL，搅拌1 min使土粒充分分散，静置30 min后用校正后的pH计测定。

气体通量计算公式^[16]为：

土壤NO₃^--N、NH₄⁺-N含量计算公式^[16]为：

数据处理采用Excel 2003软件进行数据的方差分析、统计分析，应用SPSS16.0软件进行单因素方差分析，用最小显著差异法（LSD）做多重比较，用SigmaPlot 10.0和Excel 2003软件进行作图。

培养期间 N₂O 释放通量随时间变化特征如图 1所示，可以看出，对照几乎没有 N₂O 释放，单施 NH₄⁺土壤 N₂O 释放量较低但高于对照；除 NH₄⁺+Cellulose 和 Straw 外，其他施碳处理 N₂O 释放量均高于单施 NH₄⁺处理。几乎所有处理 N₂O 释放量均在培养第1 d时达到最大值，而秸秆的添加延缓了 N₂O 的出峰时间。NH₄⁺+Glucose 和 NH₄⁺+Pectin 的 N₂O 释放量在第1 d时显著高于其他处理，分别为4 039.85、2 533.43 μg N·kg^-1·d^-1，其原因可能是葡萄糖和果胶为简单的碳氢氧化物，比其他碳源易被土壤中的微生物分解利用。大田中施用氮肥的基础上，秸秆还田会增加N₂O释放量，本试验中秸秆处理未施入氮肥，其N₂O 释放量与对照处理接近。NH₄⁺+Starch 处理的氮肥用量为80 mg·kg^-1，在培养后期仍有少量N₂O释放，可能是由于C/N比影响微生物的矿化和固持。

图 1 N2O释放通量随时间变化特征 Figure 1 Temporal variation of N2O emission

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CO₂释放通量随时间变化特征见图 2。对照处理几乎无 CO₂释放，只施 NH₄⁺ 的土壤 CO₂释放量很低；其次为 Straw 和 NH₄⁺+Lignin，CO₂释放量无明显变化，分别处于30~45 mg C·kg^-1·d^-1和20~40 mg C·kg^-1·d^-1范围内；NH₄⁺+Starch 的CO₂释放通量随培养时间先升高后降低，释放高峰为79.31 mg C·kg^-1·d^-1；NH₄⁺+Glucose和NH₄⁺+Pectin的 CO₂ 释放量分别在培养第1 d和第2 d时达到最大值，之后逐渐降低；NH₄⁺+Cellulose的CO₂ 释放通量随培养时间逐渐增加，在第8 d达到高峰，高于其他处理且后期释放水平较高。

图 2 CO2释放通量随时间变化特征 Figure 2 Temporal variation of CO2 emission

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图 3为CO₂累积释放量随时间变化特征。添加碳源后 CO₂累积释放量高于单施 NH₄⁺，顺序为：纤维素>淀粉>葡萄糖>果胶>秸秆>木质素。综合分析表明，添加碳源增加了土壤 CO₂释放，其中纤维素和淀粉易被微生物利用。

图 3 CO2累积释放通量随时间变化特征 Figure 3 Temporal variation of CO2 accumulated emission

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培养期间土壤NO₃^-、NH₄⁺ 含量随时间变化特征如图 4所示，可以看出，在培养结束后，对照和添加秸秆的土壤中存在少量NH₄⁺，表明培养期间发生了反硝化作用。添加 NH₄⁺ 的各处理在培养初期（第1~3 d）NH₄⁺含量明显降低，表明土壤中发生硝化作用使 NH₄⁺ 转化为 NO₃^-，同时释放 N₂O；其中，只添加NH₄⁺ 的土壤NO₃^- 含量增加的最多，表明添加碳源后有利于土壤微生物对氮源的固持和利用；NH₄⁺+Glucose的土壤NO₃^- 含量稍许降低，可能是由于添加葡萄糖明显促进了微生物的生长和活性，使得生成的NO₃^- 继续参与到反应过程中，并释放出大量的N₂O和CO₂。在培养后期（第4~15 d）添加NH₄⁺的各处理NH₄⁺ 含量几乎消耗完全，除NH₄⁺+Glucose外，培养结束后其他处理的NO₃^- 含量均有所增加。整个培养期间，各处理土壤NO₃^- 和NH₄⁺ 总量均有所降低。

图 4 NO3-、NH4+含量随时间变化特征 Figure 4 Content of NO3-, NH4+ in cultivation

图选项

在整个培养期间，NH₄⁺、NO₃^- 含量与N₂O释放不具有相关性，在培养的第0~3 d，土壤NH₄⁺和NO₃^- 总含量变化与 N₂O 释放呈显著正相关（表 2）。

表 2 土壤NH₄⁺、NO₃^-含量与N₂O释放量的相关性 Table 2 The correlation of soil nitrogen content and N₂O emission

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可溶性碳的添加能刺激土壤微生物的呼吸作用，加快土壤氧的消耗^[17]。芦思佳等^[18]研究表明，水溶性有机碳与土壤累积呼吸量之间呈显著正相关，水溶性有机碳微小的变化能够引起累积呼吸量的明显变化。张玉铭等^[19]也指出，有机肥的施用能显著增加土壤呼吸排放的CO₂。在本试验中，CO₂表现出相似的趋势，即添加碳源土壤的CO₂释放高于未添加碳源处理，表明碳源的添加促进了土壤CO₂释放。

从研究结果中可以看出，铵态氮肥分别与葡萄糖、果胶、淀粉、木质素同时施入土壤中后，不同程度的增加了土壤N₂O释放通量。朱霞等^[17]研究表明，可溶性碳的添加能间接增强了土壤生物反硝化作用，从而促进土壤N₂O排放。Burford等^[20]发现反硝化速率与水溶性碳量呈极显著相关，土壤中水溶性碳含量越多，反硝化速率越快，土壤N₂O排放量也会大大增加。续勇波等^[21]研究表明，易矿化的有机碳含量高，反硝化过程中N₂O排放速率增大，N₂O被进一步还原的速率变小，N₂O总排放量增大。

铵态氮肥进入土壤，水解后为微生物硝化过程提供底物，而硝化作用的产物NO₃^-反过来又可以直接参与反硝化过程。本试验培养过程中，土壤中NO₃^-含量先增加，而后有所降低，表明土壤NO₃^-参与到了氮素的转化过程中，硝化和反硝化作用是共同进行的。Dendooven 等^[22]研究结果表明，盐碱土添加葡萄糖和氮肥后，NO₃^-含量下降，这可能是由于氮的固定、硝化反硝化作用造成的。栗方亮等^[23]也指出，常规硫酸铵用量添加葡萄糖后，土壤中NO₃^- 和NH₄⁺含量降低，微生物碳、氮量增加。外加可溶性碳源除促进N₂O、CO₂ 排放外，还会明显减少土壤中NH₄⁺和NO₃^-含量^[24]。从本试验整个培养期来看，各处理土壤NO₃^- 和NH₄⁺ 总量均有所降低。

不同碳源种类对于N₂O和CO₂ 释放的影响有所差异。葡萄糖有效促进了N₂O释放，释放量居于所有碳源的首位；可能是由于葡萄糖是一种较为简单的有机物，容易被土壤中微生物分解利用。众多研究表明，葡萄糖作为一种常见碳源，在不同农田类型、林地和污水生物处理过程中，均能增加N₂O排放^{[23, 24, 25, 26]}。果胶作为碳源添加到土壤后，其土壤N₂O释放量也很高。果胶是一种酸性多糖，具有可溶性，易被微生物利用，从而有效促进微生物反应，增加了N₂O释放^[27]。淀粉是葡萄糖的高聚体，完全水解为葡萄糖，在污水生物处理过程中，添加淀粉可促进N₂O排放，但N₂O转化率低于葡萄糖^[26]；本试验中淀粉虽增加了N₂O释放，但效果不明显。关于秸秆对于农田N₂O释放的影响目前没有定论：一方面秸秆应用到大田后，供碳量增加，促进反硝化作用产生N₂O释放；另一方面，秸秆在分解过程中产生苯甲酸和对叔丁基苯甲酸等化感物质，会抑制硝化作用，减少N₂O排放^[28]。本试验在未施氮肥的基础上添加秸秆，增加了土壤C/N比，降低了土壤N₂O释放。

NH₄⁺与不同碳源同时施入华北石灰性土壤，葡萄糖有效促进了N₂O释放，其释放量居于所有碳源的首位，果胶次之；添加纤维素和只施秸秆降低了N₂O释放。施入碳源增加了CO₂释放，顺序为：纤维素>淀粉>葡萄糖>果胶>秸秆>木质素。培养的0~3 d，土壤NH₄⁺ 和NO₃^- 总含量与N₂O释放量显著相关。