N₂O和CO₂是重要的温室气体，N₂O单分子增温潜势是N₂O的298倍，并破坏大气平流层中的臭氧层^{[1, 2, 3]}，影响生态环境和人类健康。农田生态系统对大气中N₂O和CO₂有显著的影响^[4]，土壤向大气排放的N₂O占全球N₂O排放总量的84%^[5]。2009年，中国农业总计排放温室气体158 577.3万t N₂O当量，其中，N₂O占总排放的52%，CO₂占总排放的23%^[6]。我国是农业大国，为了提高作物产量而片面地追施化肥，使得氮肥施用量逐年增加，施肥显著促进农田N₂O及CO₂的排放^[7]，这不仅降低氮素利用率，导致经济效益下降，还成为生态环境恶化的一个重要原因^[8]。因此，为了提高氮肥利用率，减少N₂O和CO₂排放，研究土壤N₂O和CO₂排放机制及影响因素有重要意义。

外源硝态氮的添加可促进黑土和潮土N₂O排放通量^[9]。李英臣等^[10]认为，随氮输入量增加，沼泽湿地土壤N₂O排放呈现先增加后降低的趋势，适当的氮输入促进土壤N₂O排放，过量的氮输入则对土壤N₂O排放有一定的抑制作用。黄耀等^[11]研究表明，N₂O的排放随土壤有机碳含量的增加而减少，有机碳含量低的土壤N₂O排放较高。吴浩浩等^[12]研究表明，外源碳氮添加和土壤湿润程度影响着土壤中氮素转换、可溶性有机碳含量以及微生物量，进而影响土壤N₂O排放。张旭博等^[13]研究表明，添加秸秆类有机物料后，土壤CO₂的排放速率在培养初期较高。

以往有关N₂O和CO₂排放影响因素研究对确定减排措施具有一定的指导意义，但是N₂O排放具有高度的时空变异性，土壤中碳氮的生物有效性对N₂O和CO₂排放有重要作用，且华北地区是我国重要的商品粮基地之一，粮食产量占全国总产量的13%^[14]。因此本研究以华北平原典型农田土壤为对象，运用静态培养系统，通过NO₃^--N与6种不同碳源结合，探明N₂O、CO₂随时间排放通量变化及土壤NO₃^-、NH₄⁺含量变化特征，研究不同碳源对N₂O和CO₂排放量的有效性，为降低华北平原农田土壤N₂O、CO₂排放提供理论依据。

试验于2011年3—5月在中国农业大学进行，供试材料选用中国农业大学曲周实验站长期定位试验优化处理土壤，冬小麦/夏玉米一年两熟优化管理种植体系。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。采取秸秆还田、优化施肥、节水灌溉。

曲周实验站位于河北省邯郸市东北部（36N，114E），属于暖温带半干旱季风气候区，光、热、水等气候资源比较丰富，海拔36 m，冬小麦/夏玉米一年两熟优化管理种植体系。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）质地为轻壤土，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，有机碳含量为0.95%，总氮含量为0.07%，pH值为7.72，有效钾72.7 mg·kg^-1，有效磷（Available P-Olsen）34.4 mg·kg^-1，C/N为12.1。

在设定环境因素（温度20 ℃，容重1.30 g·cm^-3）条件下，采用静态培养系统进行室内模拟试验。采用硝态氮与不同碳源结合，共设6个碳源，分别为：葡萄糖、果胶、淀粉、纤维素、木质素、秸秆（小麦）。试验共设8个处理，每个处理3次重复，随机排列，具体施肥及水分控制情况见表 1。

表 1 试验设计 Table 1 Design of the experiment

表选项

将预培养土壤与不同添加物充分混匀分两次装入广口瓶，并压实至田间容重。装瓶完毕之后，继续向瓶中土层喷洒蒸馏水，调节土壤含水量为田间最大持水量的70%，盖上Parafilm膜（透气不透水），将广口瓶裹上黑色塑料袋（避光），随机放置在20 ℃的培养箱中培养15 d。在培养期间补加蒸馏水以保持土壤含水量一致^[15]。

在培养的1、2、3、5、8、12、15 d采集气体样品，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，然后盖上橡皮塞，以此为t0时刻，用20 mL医用一次性注射器连续抽取0、10、20 min的3针气样，每针20 mL，同时记录采集时间。12 h内利用气相色谱（型号Agilent GC6820）测定采集的气样的N₂O、CO₂浓度。

在试验开始、初期及试验结束，破坏性采集新鲜土壤样品，通过2 mm筛备用。称取过筛后的新鲜土壤12 g，用50 mL 1 mol·L^-1优级纯KCl，按1∶5土水比提取无机氮。过滤后的滤液用三通道流动分析仪（TRRACS 2000）测定溶液铵态氮和硝态氮的含量。

在试验开始、初期及试验结束采集土壤样品，风干并通过1 mm孔径筛，采用水土比为1∶1，称取风干土样10.0 g于25 mL烧杯中，加入去除CO₂的蒸馏水10 mL，搅拌1 min，静置30 min后用校正的pH计测定悬液的pH值。

数据采用Excel 2003、SPSS 16.0进行方差分析和统计分析，最小显著差异法（LSD）作多重比较。

N₂O排放通量随时间变化特征见图 1。CK和只添加氮源土壤的N₂O排放量很低；NO₃^--N和添加不同碳源土壤N₂O在培养后期还有排放，N₂O排放持续时间较长。NO₃^-+glu、NO₃^-+pec的N₂O排放量在第1 d就达到最大值，分别为990.67、1 383.42 μg N·kg^-1·d^-1，之后迅速降低。NO₃^-+sta的N₂O排放量先降低后增加，在培养后期N₂O排放量最高；NO₃^-+str的N₂O排放持续时间最长，并处于较低水平，但始终高于CK；NO₃^-+lig的N₂O排放在初期相对较高，但降低速率很快，培养后期基本没有排放；NO₃^-+cel在培养前期低于CK，后期高于CK，整个培养期间N₂O排放量低于CK。综上可见，添加纤维素会抑制N₂O排放，添加其余碳源会促进N₂O排放。

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

图选项

CK和只添加氮源土壤的CO₂排放量很低，添加不同碳源土壤CO₂排放量均高于CK（图 2）；NO₃^-+glu和NO₃^-+pec的CO₂排放量分别在培养第1 d和2 d就达到最大值，为370.13、214.02 mg C·kg^-1·d^-1，之后逐渐降低；NO₃^-+sta的CO₂排放量持续增加，培养后期CO₂排放量相对较高；NO₃^-+cel的CO₂排放量先增加后降低，在培养第5 d达到最大值，培养末期处于较高水平为97.25 mg C·kg^-1·d^-1；NO₃^-+lig的CO₂排放量一直处于低水平，在培养第8、11 d稍低于CK；NO₃^-+str的CO₂排放量先增加后降低，排放量相对较高。可见，添加碳源会促进CO₂排放。

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

图选项

NO₃^-和添加不同碳源的CO₂累积排放通量高于CK与只添加氮源土壤（图 3）；CO₂累积排放通量呈现出葡萄糖>果胶>秸秆>纤维素>淀粉>木质素的趋势。

图 3 CO2累积排放通量随时间变化特征 Figure 3 Temporal variations of CO2 accumulated emission

图选项

培养过程中土壤NO₃^-含量变化如图 4所示。可以看出，培养第0 d，NO₃^-和添加不同碳源土壤NO₃^-含量均高于CK；CK和NO₃^-+sta的NO₃^-含量低于60 mg·kg^-1，其余处理NO₃^-含量为75~80 mg·kg^-1；培养第3 d，NO₃^-+cel土壤的NO₃^-含量增加至101.85 mg·kg^-1，只添加NO₃^-土壤的NO₃^-含量增加到89.09 mg·kg^-1，其余处理NO₃^-含量逐渐降低，CK处于最低水平；培养结束（15 d），CK土壤NO₃^-含量与第3 d相比没有明显变化仍处于最低水平，其余处理NO₃^-含量均有少量减少，单施NO₃^-土壤的NO₃^-含量低于NO₃^-+cel，高于其余添加不同碳源土壤。整个培养期间，NH₄⁺含量较低，在第0 d和第3 d土壤中没有检测到NH₄⁺，仅在第15 d有少量NH₄⁺。可见，与只添加氮源相比，添加纤维素增加了土壤NO₃^-含量，添加其余碳源减少了土壤NO₃^-含量。

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

图选项

培养初始至结束，土壤NO₃^--N含量与N₂O排放极显著相关；培养第3~15 d，NH₄⁺-N含量与N₂O排放显著负相关（表 2）。

表 2 NO₃^-、NH₄⁺含量变化与N₂O 排放量的相关性 Table 2 The correlation of NH₄⁺ , NO₃^- and N₂O emission

表选项

培养初始、第3 d及培养结束时土壤pH值动态如图 5所示。可以看出CK处理土壤pH值在培养过程中没有明显变化；NO₃^-+sta 、NO₃^-+cel处理的土壤pH逐渐升高；NO₃^-+lig、NO₃^-+str处理的土壤pH值逐渐降低；NO₃^-+glu、NO₃^-+pec处理的土壤pH值在培养第3 d升高，到培养结束时降低。分析发现，土壤pH值变化与N₂O排放呈与培养初期负相关、之后正相关趋势，但相关性不显著。

图 5 土壤pH 值随时间的变化 Figure 5 Temporal variations of pH value for each treatment

图选项

有研究表明，限制土壤反硝化的一个重要因子是土壤可溶性有机碳的有效性，土壤微生物群体大小在很大程度上依赖于土壤有效碳含量，在土壤中反硝化微生物与其他异养微生物争夺土壤中的有效碳，因此土壤反硝化量的大小与碳含量相关^[17]。相关研究表明，添加碳源后可以促进N₂O的排放，而过高的C/N比则会降低反硝化氮损失，促进氮的生物固定^[18]。农田土壤中绿肥、有机肥的施用以及秸秆还田等都能够增加土壤碳的有效性，但对土壤 N₂O排放的影响，则需要根据具体的土壤 C/N 和土壤环境而定^[19]。本研究以NO₃^-为氮源，添加6种不同碳源，结果表明，以纤维素为碳源时，抑制了N₂O的排放，促进了N₂O排放，因为纤维素具有不溶性的刚性结构，自然条件下分解缓慢^[20]，不易被微生物利用；添加其他碳源时，促进了N₂O和CO₂排放，葡萄糖是单糖，加入葡萄糖后，土壤微生物活性增强，能促进N₂O和CO₂排放^[21]；果胶是一种水溶性膳食纤维^[22]，微生物容易利用；淀粉是葡萄糖的高聚体，完全水解为葡萄糖；木质素水溶性能良好，化学稳定性高^[23]；秸秆还田能显著增加农田CO₂排放，排放总量较同氮素水平下无秸秆还田处理相比增加18%^{[24, 25]}。

倪玉雪等^[26]研究表明，与只添加氮源的处理相比，碳氮配施的外源添加方式均促进土壤N₂O、CO₂排放。叶丹丹等^[27]研究表明土壤无机氮含量与N₂O排放通量基本呈显著正相关关系。Wang等^[28]研究表明，土壤中NO₃^--N含量通过反硝化作用影响N₂O排放；土壤pH通过影响硝化和反硝化细菌活性来影响N₂O排放。土壤的硝化和反硝化作用都会产生N₂O^[29]，添加硝态氮处理N₂O和CO₂排放量均高于不施氮处理，且前期排放量较高，表明添加硝态氮可促进N₂O和CO₂排放^[7]。本研究表明，添加纤维素增加了土壤NO₃^--N含量，而添加其余碳源减少了土壤NO₃^--N含量，这可能是由于碳源有效性、C/N不同对土壤NO₃^--N含量有不同影响^[19]。培养期间NO₃^--N含量降低，NH₄⁺-N含量略有增加，表明试验过程中发生反硝化作用，促进氮素转化。试验过程中，N₂O排放表现出与土壤pH相关性不显著，可能是因为土壤pH变化不大，不足以影响N₂O排放。

（1）以纤维素为碳源与硝态氮配施抑制了土壤N₂O排放，促进了CO₂排放；添加其他碳源可明显促进N₂O和CO₂排放；CO₂累积排放量顺序为：葡萄糖>果胶>秸秆>纤维素>淀粉>木质素。

（2）与其他碳源相比，添加纤维素增加了土壤中NO₃^--N含量。

（3）土壤NO₃^--N含量与N₂O排放量呈极显著正相关，土壤pH值与N₂O排放相关性不显著。