气候变暖是当今全球性的环境问题，其主要原因是大气中温室气体浓度不断增加。CO₂、N₂O和CH₄被认为是最重要的温室气体。农业在温室气体排放中占有重要地位^{[1, 2]}，是温室气体排放的一个最重要源和汇^[3]。农作物秸秆作为物质、能量和养分的载体，是一种宝贵的自然资源，秸秆直接还田是当今秸秆资源利用的主渠道^[4]，也是提高土壤肥力、增加作物产量的主要农艺措施之一，已得到了广泛的认可^{[5, 6, 7]}。但同时也带来了播种质量差、与饲料争资源及影响温室气体排放等问题^{[8, 9, 10]}，并且秸秆还田对温室气体排放的影响也有不同的结论^[11]。例如有研究发现在稻田土壤中秸秆还田可明显降低N₂O 排放^{[12, 13]}，但在玉米田土壤中秸秆还田可增加N₂O 的排放^{[14, 15]}。关于秸秆还田对温室气体排放的影响主要集中在秸秆还田量、秸秆还田后施肥、耕作等措施对温室气体排放的影响，而对秸秆不同还田方式处理下温室气体排放的比较研究还不多见^[11]。鉴于此，本研究设置秸秆不还田、秸秆直接还田、秸秆过腹还田和秸秆转化为食用菌基质，出菇后菌渣还田4种还田处理，研究秸秆不同还田方式下，小麦田温室气体的排放特征，以期为秸秆合理高效利用、农田温室气体减排提供科学依据。

试验区位于山东省农业科学院资源与环境研究所循环农业研究基地——山东省德州市平原县张华镇梨园村，本区属东亚暖温带亚湿润大陆性季风气候，冬冷夏热，雨热同期，四季分明。年平均气温 12.1～13.1 ℃，极端最高气温 40.9 ℃，极端最低气温-22.8 ℃。年平均降水量 579.2～633.3 mm。试验基地土壤类型为壤土，是典型的黄河冲积平原，种植制度为小麦－玉米一年两熟制。试验开始时耕层土壤有机质含量17.8 g·kg^-1、有机碳含量10.56 g·kg^-1、全氮含量1.04 g·kg^-1、速效磷含量15.58 mg·kg^-1、全钾含量20.45 g·kg^-1。

试验于2013 年10月—2014年5月进行，供试作物为小麦，品种为济麦22。试验设4个处理，分别为（1）秸秆不还田处理（CK）：玉米收获后，人工移除秸秆及根系；（2）秸秆直接还田处理（CS）：玉米收获后，用小型秸秆粉碎机将秸秆粉碎，然后全部还田，还田量约为8 370.0 kg·hm^-2；（3）秸秆过腹还田处理（CGS）：玉米秸秆收获后，作为牛的饲料，然后牛粪用塑料薄膜密封、腐熟后还田，还田量约为16 740 kg·hm^-2（牛粪的产量约为秸秆量的2倍）；（4）秸秆转化为食用菌基质，基质生长蘑菇后转化为菌渣还田（CMS）：菌渣来自山东省农业科学院食用菌试验示范基地，为栽培双孢菇之后产生的菌渣，菌渣通过堆沤、发酵、腐熟转化后还田，还田量约为1 841 kg·hm^-2（玉米秸秆到菌渣的转化率约为22%）。肥料的使用量为优化的经济施肥量，具体为：N：205 kg·hm^-2，P₂O₅：124 kg·hm^-2，K₂O：135 kg·hm^-2。N肥一半作为底肥，一半在拔节期追施，磷肥和钾肥全部作为底肥。底肥在2013年10月8日耕地时施入，追肥在2014年3月10日施加。每个小区面积为7 m×10 m=70 m²，每个处理3个重复，共12个小区，随机排列。每个小区间设1 m的保护间距。小麦种植期间统一进行灌溉、除草、打药等管理。2014年4月8日小麦拔节期进行了灌溉浇水。

温室气体的采集采用静态箱-气相色谱法。采样箱由2.5 mm厚的有机玻璃制成，箱体四周及顶部用白色泡沫包裹以确保采样时箱内温度变化不大。采样箱采用标准式组合设计，由箱体和底座2部分组成，箱体规格为50 cm×50 cm×100 cm，底座为50 cm×50 cm×20 cm。底座上端有宽2 cm、 深3 cm 的密封水槽，采样时将箱体罩在底座上，各部分之间均以水密封，以防止箱体和底座的接触处漏气。采样箱内装有搅气小风扇、温度传感器、采气三通阀及气压平衡管，箱子侧面安装有电源插头和气体样品接口。

在每个处理小区内，随机选择3个点，共12个观测点。分别于小麦种植后（2013年10月11日）安装气体采样箱底座，稳定一段时间后开始采集气体样品。观测时间为2013年12月—2014年5月，每月采集2次样品，2月份受天气和野外实验条件限制，仅采集了1次。采样时间分别为2013年12月3日、12月19日、2014年1月3日、1月22日、2月20日、3月12日、3月26日、4月15日、4月29日、5月15日和5月29日。每次采集时间为上午8：00—10：00。每次罩箱时间为30 min，从采样箱密封放置到底座上，开始采集第一个气体样品，之后每间隔10 min 采样1次，共采集4个气体样品。采集的气体样品置于1 L的铝塑复合气袋中（化工部大连光明化工研究所生产）。采集气体样品时同步测定气温和箱内温度。

样品采集后36 h内，在实验室用Agilent 7890A气相色谱仪进行分析。其基本原理是通过自编微机程序发出指令控制电路、气路系统和信号接收，电磁阀通过开关量改变管线中气流流量和方向以达到对色谱自动进样、分析和清洗的目的。

温室气体排放通量采用下式进行计算：

式中：F为气体通量（mg·m^-2·h^-1）；dc/dt为采样时气体体积分数随时间变化的回归曲线斜率；M为气体的摩尔质量（g·mol^-1）；P为采样点气压（Pa）；T为采样时的绝对温度（K）；V₀、P₀、T₀分别为标准状态下的气体摩尔体积（22.41 L·mol^-1）、空气气压（1 013.25 hPa）和绝对温度（273.15 K）；H为地面以上采样箱高度（m）。

运用Excel 2003进行数据处理计算，Origin7.5进行绘图，SPSS 13.0等软件对数据进行统计分析。

玉米秸秆不同还田方式下，麦田CO₂排放通量变化见图 1。由图 1可知，在玉米秸秆不同还田方式下，麦田CO₂通量均具有明显的季节排放特征，且排放模式具有相似性，均呈波动性变化，但排放强度不同。2013年12月至2014年2月，不同处理间CO₂的排放量均较低，且变化不大，可能与该段时间属于小麦越冬期有关，在此期间，气温不断降低（图 2），植物生长缓慢。2014年3月至5月，是小麦的旺盛生长和成熟期，气温开始逐渐升高（图 2），再加上追施N肥，CO₂排放通量均增加。在CGS处理下，CO₂排放通量于2014年3月下旬达到排放峰值（83.48 mg·m^-2·h^-1），而CK、CS和CMS均于2014年5月中旬取得峰值。相关分析表明，气温与秸秆不同还田模式下CO₂通量均呈正相关，且在秸秆不还田和秸秆过腹还田模式下，达到了显著水平（r=0.705，P<0.05；r=0.710，P<0.05）。说明温度对CO₂排放通量具有较明显的促进作用，CO₂排放通量随温度的增加而增加。已有的研究表明温度主要通过2个方面影响CO₂的排放：一方面在相对较高的温度条件下，分子扩散较快，有利于气体的扩散排放；另一方面，温度升高，土壤中微生物活性增强，其参与的地球化学循环反应加快，有利于气体的产生^[16]。

图 1 秸秆不同还田方式下CO2通量特征 Figure 1 The characteristics of CO2 flux from the wheat fields with different modes of straw returning

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图 2 采样期间气温的变化 Figure 2 The change of air temperature during sampling

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从整个小麦生育期来看，在CK处理下，CO₂的通量范围为2.87~107.40 mg·m^-2·h^-1，均值为39.41 mg·m^-2·h^-1；在CS处理下，CO₂的通量范围为4.48~122.97 mg·m^-2·h^-1，均值为50.76 mg·m^-2·h^-1。在CGS处理下，CO₂的通量范围为3.55~75.21 mg·m^-2·h^-1，均值为43.06 mg·m^-2·h^-1；在CMS处理下，CO₂的通量范围为2.76~89.44 mg·m^-2·h^-1，均值为36.87 mg·m^-2·h^-1。比较4种处理下CO₂排放通量均值，顺序为CS>CGS>CK>CMS，且差异明显（P<0.05）。可见秸秆还田方式不同，CO₂排放强度不同。与CK相比，CS和CGS方式都使CO₂平均排放通量增加，而CMS方式则使CO₂平均排放通量降低，该结果与黄小林^[17]的研究结果相一致。

秸秆不同还田方式下N₂O排放通量变化见图 3。由图 3可知，在秸秆不同还田方式下，麦田N₂O通量均表现为排放，且排放模式呈单峰型变化。2013年12月至2014年2月份，不同秸秆还田处理下，N₂O排放通量均呈降低趋势，且排放通量较小、变化不大。2014年3月12日取得排放通量最大值。高的N₂O排放可能与施肥活动有关，在2014年3月10日，每个处理均追施了氮肥。气温与N₂O排放通量的相关分析表明，二者之间相关性不大，这也验证了N₂O排放主要与施肥活动有关，N₂O 排放量与氮肥用量之间存在线性关系^[18]。在小麦生育期内，4种秸秆还田处理下，N₂O的排放通量也不同。其中CK处理下，N₂O的通量范围为0.43~67.65 μg·m^-2·h^-1，均值为8.25 μg·m^-2·h^-1。在CS处理下，N₂O的通量范围为1.64~72.13 μg·m^-2·h^-1，均值为9.95 μg·m^-2·h^-1。在CGS处理下，N₂O的通量范围为0.49~55.96 μg·m^-2·h^-1，均值为9.20 μg·m^-2·h^-1。在CMS处理下，N₂O的通量范围为0.83~44.19 μg·m^-2·h^-1，均值为7.30 μg·m^-2·h^-1。4种处理下N₂O的排放均值与CO₂的排放均值相一致，也表现为CS>CGS>CK>CMS，且不同处理间差异明显（P<0.05）。也就是说，和CK相比，在CS和CGS方式下，N₂O排放通量均增加，而在CMS方式下，N₂O排放通量则表现为降低。李新华等^[19]在研究玉米田温室气体排放的试验中，也得到了类似结论，即秸秆-菌渣还田可以降低N₂O排放通量。

图 3 不同秸秆还田方式下N2O 排放特征 Figure 3 The characteristics of N2O flux from the wheat fields with different modes of straw returning

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秸秆不同还田方式下小麦田CH₄通量变化见图 4。由图 4可知，在秸秆不同还田方式下，CH₄通量均表现为吸收，呈波动性变化，但不同处理间变化模式不同。在CK处理下，CH₄的通量范围为-0.30~-0.023 mg·m^-2·h^-1，均值为-0.076 mg·m^-2·h^-1，2014年2月，CH₄通量出现吸收峰值，3月中上旬，吸收值最小。在CS处理下，CH₄的通量范围为-0.21~-0.023 mg·m^-2·h^-1，均值为-0.056 mg·m^-2·h^-1，2013年12月中旬，CH₄通量出现吸收峰值，其他月份间排放通量变化范围不大。在CGS处理下，CH₄的通量范围为-0.15~-0.029 mg·m^-2·h^-1，均值为-0.059 mg·m^-2·h^-1，和CK处理相一致，CH₄通量在2014年2月份出现吸收峰值。在CMS处理下，CH₄的通量范围为-0.12~-0.003 mg·m^-2·h^-1，均值为-0.048 mg·m^-2·h^-1，和CS处理相类似，在2013年12月中旬，CH₄通量出现吸收峰值。比较4种处理下CH₄通量的均值可知，CH₄通量的均值表现为CK>CGS>CS>CMS。也就是说秸秆还田处理降低了甲烷的吸收通量，田慎重等^[20]在华北地区麦地的观测研究也得到了类似的结论，即秸秆还田后CH₄的吸收通量降低。

图 4 不同秸秆还田方式下CH4排放特征 Figure 4 The characteristics of CH4 flux from the wheat fields with different modes of straw returning

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根据每月CO₂、CH₄和N₂O排放通量的实测数据，通过数值积分法^[21]估算出玉米秸秆不同还田处理下，整个小麦生长季温室气体的排放总量（表 1）。由表 1可知，玉米秸秆不同还田处理下，小麦生态系统表现为CO₂和N₂O的排放源、CH₄的汇，而且在秸秆还田不同处理下，温室气体的排放量均不同，且不同处理间差异显著（P<0.05）。其中CH₄表现为吸收，其吸收量为：CK>CGS>CS>CMS；CO₂和N₂O表现为排放，其排放量均为：CS>CGS>CK>CMS。

表 1 秸秆不同还田方式下小麦生长季温室气体 累计排放量估算值（kg·hm^-2） Table 1 The cumulative emissions of greenhouse gases from the wheat fields with different models of straw returning（kg·hm^-2）

表选项

全球增温潜势（Global warming potential，GWP）是基于充分混合的温室气体辐射特征的一个指数，用于衡量相对于CO₂的在所选定时间内进行积分的，当前大气中某个给定的充分混合的温室气体单位质量的辐射强迫潜力^[22]，用于定量衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响，是各种温室气体相对的增温效应的简单度量^{[23, 24]}。在20年时间尺度上，单位质量N₂O的全球增温潜势为CO₂的289倍，单位质量CH₄的全球增温潜势为CO₂的72倍；100年时间尺度上，单位质量N₂O的全球增温潜势为CO₂的298倍，单位质量CH₄的全球增温潜势为CO₂的25倍；500年时间尺度上，单位质量N₂O的全球增温潜势为CO₂的153 倍，单位质量CH₄的全球增温潜势为CO₂的7.6倍^[22]。据此，计算出玉米秸秆不同还田方式下小麦生长季温室气体的综合增温潜势（GWP）见表 2。由表 2可知，玉米秸秆不同还田方式下，仅由秸秆不同方式还田这一环节产生的温室气体综合增温潜势在20、100年和500年3个时间尺度上，均表现为：CS>CGS>CK>CMS，且不同处理间差异显著（P<0.05）。也就是说和CK相比，CS方式显著增加麦田温室气体的全球增温潜势，其次是CGS方式，而CMS方式则降低了麦田温室气体的全球增温潜势。

表 2 玉米秸秆不同还田方式下麦田温室气体 增温潜势估算（mg CO₂·m^-2） Table 2 Estimated GWP of greenhouse gases from the wheat fields with different models of straw returning（mg CO₂·m^-2）

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（1）玉米秸秆不同还田方式下，麦田温室气体排放通量均具有明显的季节特征，但排放强度不同。其中CO₂和N₂O通量均表现为排放，其平均排放通量为CS>CGS>CK>CMS；CH₄通量表现吸收，其平均排放通量为CK>CGS>CS>CMS。

（2）玉米秸秆不同还田方式下，小麦生长季温室气体的排放总量也不同，且不同处理间差异显著（P<0.05）。其中CH₄的吸收总量为CK>CGS>CS>CMS；CO₂和N₂O排放总量均为CS>CGS>CK>CMS。

（3）从温室气体综合增温潜势（GWP）来看，由秸秆不同还田方式仅还田环节产生的GWP在20、100年和500年3个时间尺度上，均表现为：CS>CGS>CK>CMS，也就是说秸秆直接还田，显著增加麦田温室气体对全球增温潜势（GWP）的影响，其次是玉米秸秆过腹还田方式，而秸秆-菌渣还田则降低了麦田对全球增温潜势的影响。从减少农田温室气体排放和综合增温潜势出发，推荐秸秆-菌渣还田模式，在该模式下，麦田温室气体的GWP最小。