尹高飛，王小非，沈仕洲，杜會(huì)英，巴士迪，張克強(qiáng)*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，鄭州 450002）

CO2、CH4和N2O是最重要的3種溫室氣體，它們對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到60%、15%和5%[1]。據(jù)估算，大氣中每年有5%～20%的CO2、15%～30%的CH4和80%～90%的N2O來(lái)源于土壤[2-3]。除了氣候條件和土壤特性外，農(nóng)業(yè)管理措施例如施肥、水分管理方式、種植方式和耕作方式也是影響農(nóng)田溫室氣體排放的重要因素[4-7]。

目前，在華北地區(qū)普遍存在通過(guò)高灌水量（90～690 mm·a-1）[8]和高施肥量（500～700 kg N·hm-2·a-1）[9]來(lái)維持作物產(chǎn)量的現(xiàn)象，而過(guò)量用水和過(guò)度施肥對(duì)溫室氣體的排放會(huì)產(chǎn)生較大影響。有機(jī)肥作為化肥的一種替代形式，其因能夠改善土壤的理化性質(zhì)和提高作物產(chǎn)量而被廣泛應(yīng)用[10]。沼液作為一種含有大量氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的液態(tài)有機(jī)肥[11]，速效養(yǎng)分含量高，不僅可以使養(yǎng)殖廢棄物得到有效利用，且其中含有大量可溶性有機(jī)碳[12]，還可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。除此以外，沼液中99%都是液體，施入土壤的同時(shí)可以增加土壤水分[13]。

目前已有很多學(xué)者研究了沼液施用對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放規(guī)律的影響[14-17]，如孫國(guó)峰等[14]研究表明豬糞沼液替代化肥降低了稻田N2O的排放，但稻田的全球增溫潛勢(shì)顯著增加；黃紅英等[13]將施用沼液與化學(xué)氮肥相比，發(fā)現(xiàn)沼液施用提高了稻田N2O的排放量；靳紅梅等[15]研究發(fā)現(xiàn)追施豬糞沼液后，CH4和N2O排放速率和總量增加；另有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)沼液替代化肥處理分別降低了25.39%的麥季全球增溫潛勢(shì)[16]；也有學(xué)者僅僅研究了沼液施用條件下CO2和N2O的排放[17]。而針對(duì)沼液連續(xù)灌溉華北平原小麥-玉米輪作條件下土壤CO2、CH4和N2O 3種溫室氣體排放的全面研究則鮮有報(bào)道。

為此，本研究開(kāi)展了為期兩年的沼液完全替代化肥試驗(yàn)，對(duì)沼液施用后華北平原小麥-玉米輪作體系的土壤理化性質(zhì)、農(nóng)田溫室氣體排放規(guī)律及綜合增溫潛勢(shì)（GWP）進(jìn)行測(cè)定，并計(jì)算了溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI），以期來(lái)確定合理的沼液灌溉模式來(lái)保證作物產(chǎn)量。本文旨在為建立高產(chǎn)高效的、具有良好經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益的綜合農(nóng)業(yè)管理措施提供實(shí)踐指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年10月至2017年10月在河北省徐水縣梁家營(yíng)村（38°56′N，115°32′E）進(jìn)行，該區(qū)屬東部季風(fēng)暖溫帶半干旱氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，年平均溫度11.9℃，年平均降水量546.9 mm，年平均日照時(shí)數(shù)為2 744.9 h，年無(wú)霜期平均184 d，該區(qū)域主要種植作物體系為冬小麥-夏玉米兩熟制輪作。

試驗(yàn)田土壤類型為潮褐土，耕層土壤質(zhì)地為砂壤土。試驗(yàn)前耕層（0～20 cm）土壤容重1.51 g·m-3，總氮為 1.44 g·kg-1，總磷為 0.70 g·kg-1，有效磷為 22.53 mg·kg-1，硝態(tài)氮為16.45 mg·kg-1，銨態(tài)氮為 1.02 mg·kg-1，可溶性有機(jī)碳為9.42 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置6個(gè)處理，具體操作方式見(jiàn)表1。每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積51 m2（8.5 m×6 m），小區(qū)間田埂寬1 m。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。試驗(yàn)供試小麥為濟(jì)麥22，玉米品種為鄭丹958。采用人工條播，供試沼液是試驗(yàn)田附近的奶牛場(chǎng)養(yǎng)殖廢水厭氧發(fā)酵的，清水與沼液按體積比例配比，沼液配比后用水泵通過(guò)PVC地下管道施入農(nóng)田。習(xí)慣施肥處理（CF）中，N肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣。小麥期在種植前施用底肥，施N量為150 kg·hm-2，拔節(jié)期追施N肥150 kg·hm-2；玉米根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的習(xí)慣只施用基肥沒(méi)有追肥。灌水時(shí)間（表2）為小麥季越冬期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期，玉米種植后，所有處理灌水量及灌水次數(shù)相同，灌溉量為83 mm，用超聲波管式流量計(jì)來(lái)精確控制灌水量，灌溉誤差在1%以內(nèi)。試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)病蟲(chóng)害及雜草防治按當(dāng)?shù)匾话戕r(nóng)田管理方式進(jìn)行。

表1 冬小麥-夏玉米輪作試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Winter wheat-summer maize rotation experiment design

供試沼液來(lái)自奶牛場(chǎng)糞污厭氧發(fā)酵，牛場(chǎng)采用干清糞清便工藝，奶牛糞便進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵罐經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵后排放到沼液池中貯存，經(jīng)過(guò)2∶1比例稀釋后通過(guò)PVC管道輸送到農(nóng)田用于灌溉，供試沼液水質(zhì)特征如表3所示。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 氣體采集及測(cè)定

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，采樣箱由PVC制成，規(guī)格為長(zhǎng)20 cm×寬10 cm×高10 cm，底座規(guī)格為長(zhǎng)20 cm×寬10 cm。采樣時(shí)間為上午的8:00—11:00，采樣前將采樣箱垂直安放在底座5 cm深的凹槽內(nèi)加水密封，采樣箱內(nèi)設(shè)置風(fēng)扇用來(lái)混勻箱內(nèi)氣體，用20 mL一次性注射器分別于0、10、20、30 min采集氣體4次貯存于20 mL的真空頂空瓶中。每次施肥前1 d、施肥后1、3、7 d進(jìn)行樣品采集，之后每?jī)芍鼙O(jiān)測(cè)一次。CO2、N2O和CH4等濃度用Thermo Trace 1300型氣相色譜儀測(cè)定，CO2和CH4檢測(cè)器為熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD），N2O檢測(cè)器為63Ni電子捕獲檢測(cè)器（ECD），色譜柱為80/100目PorapakQ填充柱，進(jìn)樣器、檢測(cè)器以及填充柱的溫度分別為100、300℃和65℃，載氣為95%氬氣+5%甲烷混合氣，流速為40 mL·min-1。

表2 2015—2017年冬小麥-夏玉米輪作耕作時(shí)間Table 2 Crop management details for all treatments in 2015—2017

表3 供試沼液水質(zhì)基本特征（稀釋前）Table 3 The basic water quality characteristics of biogas slurry

氣體排放通量計(jì)算公式:

式中:F為排放通量，CO2排放通量單位為kg·hm-2·d-1，N2O排放通量單位為g·hm-2·d-1，CH4排放通量單位為g·hm-2·d-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，kg·m3；V是采集箱內(nèi)有效空間體積，m3；A為采集箱覆蓋的土壤面積，m2；Δc為氣體濃度差；Δt為時(shí)間間隔，h；Δc/Δt通過(guò)4次采樣樣品濃度數(shù)據(jù)斜率；T為采樣時(shí)箱內(nèi)溫度，℃。

1.3.2 土壤樣品的采集測(cè)定

土壤樣品與氣體樣品采集同時(shí)進(jìn)行，小區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集3處表層5 cm土壤樣品進(jìn)行混勻并進(jìn)行測(cè)定。土壤含水量采用烘干法進(jìn)行測(cè)定，土壤氨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用2 mol·L-1氯化鉀浸提用吉田流動(dòng)注射分析儀測(cè)定（中國(guó)，F(xiàn)IA-6000+）；土壤可溶性有機(jī)碳采用Elementar TOC儀（德國(guó)，Vario）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

氣體累計(jì)排放量計(jì)算公式為:

式中:Ec為氣體累積排放量，kg·hm-2；F為CO2、N2O和CH4的排放速率或吸收速率，kg·hm-2·d-1；i代表采樣次數(shù)，t為采樣時(shí)間。

全球增溫潛勢(shì)（GWP）計(jì)算公式:

式中:∫CO2為CO2累積排放總量，kg C·hm-2；∫N2O為N2O累積排放總量，kg N·hm-2；∫CH4為CH4累積排放總量，kg C·hm-2。

溫室氣體排放強(qiáng)度計(jì)算公式:

GHGI（kg CO2eq·kg-1grain）=GWP/Y

式中:GWP為全球增溫潛勢(shì)，kg CO2eq·hm-2；Y為單位面積平均產(chǎn)量，kg·hm-2。

本文數(shù)據(jù)用Excel計(jì)算，應(yīng)用Origin作圖，ANOVA應(yīng)用SPSS 18.0軟件進(jìn)行各影響因素相關(guān)性分析以及方差分析，采用最小顯著法（LSD）進(jìn)行差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作期土壤溫度、大氣溫度以及WFPS動(dòng)態(tài)變化

從圖1中可以看出，小麥-玉米輪作期內(nèi)溫度變化較大，小麥越冬期溫度較低，WFPS達(dá)到80%～90%左右。小麥返青后，溫度逐漸升高，水分蒸發(fā)量加大，且隨著作物生長(zhǎng)需要大量水分，WFPS逐漸下降，但每次沼液灌溉后，WFPS也逐漸上升。玉米季溫度較高，水分一部分被蒸發(fā)，一部分被作物吸收利用，所以玉米季W(wǎng)FPS較低。

2.2 沼液灌溉對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放通量的動(dòng)態(tài)變化

不同處理對(duì)小麥-玉米生育期內(nèi)CO2排放通量隨時(shí)間的變化如圖2（a）所示。不同處理CO2排放規(guī)律基本一致，沼液灌溉并沒(méi)有明顯改變土壤CO2排放規(guī)律。與CK相比，沼液灌溉處理均提高了CO2的排放。小麥越冬期，各處理之間差異不顯著，2014—2016年平均排放通量為 1.45～3.81 kg·hm-2·d-1。隨著溫度的上升，CO2的排放通量在小麥的灌漿期達(dá)到排放高峰，且各處理之間 T4＞T3＞T2＞T1＞CF＞CK。CO2排放高峰均出現(xiàn)在小麥、玉米季沼液灌溉后第1 d以及7、8月份玉米季（高溫多雨）。小麥季在2015年、2016年各處理中CO2排放通量變化范圍分別為1.39～21.00、1.49～25.65 kg·hm-2·d-1。玉米季高溫多雨，CO2排放通量明顯高于小麥季，7、8月份CO2的排放通量達(dá)到最大值，玉米季在2015年、2016年排放通量變化范圍分別為3.46～23.82、3.88～25.32 kg·hm-2·d-1。

小麥季在2016、2017年各處理中N2O排放通量變化范圍分別為-3.01～19.99、0.23～11.87 g·hm-2·d-1。從圖2（b）中可以看出小麥季N2O隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律。小麥越冬期，各處理之間N2O的排放沒(méi)有顯著性差異，但是隨著溫度的升高，沼液灌溉處理中N2O的排放顯著高于CF處理高于CK處理，小麥季N2O的排放高峰出現(xiàn)在4月份，CF、T1、T2、T3、T4處理在2016年的峰值分別為 13.09、8.20、14.69、18.46、19.99、13.09 g·hm-2·d-1，2017年分別為10.54、8.59、13.55、16.76、18.56 g·hm-2·d-1。玉米季農(nóng)田土壤N2O在2016、2017年中各處理N2O排放通量變化范圍分別為0.43～16.54、0.9～18.55 g·hm-2·d-1。玉米季N2O的排放峰在灌溉后的第1 d，玉米季N2O的排放高于小麥季，從整體來(lái)看，T4處理高于其他處理。

圖1 土壤WFPS、大氣溫度、土壤溫度、降雨量動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Dynamic changes of soil WFPS，air temperature，soil temperature and amount of precipitation

2015年和2016年小麥生育期CH4吸收通量的波動(dòng)范圍在-0.15～0.52、-0.24～0.48 g·hm-2·d-1之間。由圖2（c）可知，每次沼液灌溉后都伴隨著CH4不同程度的排放，CH4排放高峰出現(xiàn)在沼液灌溉后1 d，隨后逐漸降低，從整個(gè)生長(zhǎng)季來(lái)看，施肥對(duì)各處理CH4排放通量沒(méi)有顯著的影響，整體表現(xiàn)為土壤對(duì)CH4的吸收。2015年、2016年玉米季CH4排放通量變化范圍分別為-0.15～0.50、-0.19～0.55 g·hm-2·d-1。

圖2 2015—2017年小麥-玉米輪作溫室氣體排放通量的動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamic changes of greenhouse gas emissions of wheat-maize rotations in 2015—2017

2.3 不同處理對(duì)土壤NH+4-N、NO-3-N、DOC含量的動(dòng)態(tài)變化

圖3 （a）中NH+4-N含量不同處理間表現(xiàn)出一定的差異性。2015年和2016年小麥的越冬期，沼液灌溉處理顯著高于CK和CF處理，其他時(shí)期NH+4-N的含量差異性不顯著，土壤NH+4-N的含量隨著灌溉次數(shù)增加而增加但均低于小麥越冬期。2015、2016年各處理土壤平均NH+4-N含量范圍為2.4～5.38、2.45～6.28 mg·kg-1。

圖3（b）中NO-3-N含量的變化受N素輸入影響較大，各處理中NO-3-N的含量隨著時(shí)間推移而逐漸增加。小麥越冬期和拔節(jié)期，常規(guī)施肥處理NO-3-N的含量高于沼液灌溉處理，但隨著小麥的生長(zhǎng)，T3和T4處理NO-3-N含量逐漸上升；玉米季各處理間沒(méi)有顯著性差異。2015、2016年各處理土壤平均NO-3-N含量范圍為6.13～22.19、5.82～20.76 mg·kg-1。整個(gè)輪作期內(nèi)，NH+4-N和NO-3-N呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖3 2015—2017年小麥-玉米NH+4-N、NO-3-N、DOC的動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes of NH+4-N and NO-3-N and DOC of wheat-maize rotation in 2015—2017

沼液灌溉后土壤DOC含量迅速增加，小麥-玉米輪作期內(nèi)，各處理DOC含量T4＞T3＞T2＞T1＞CK＞CF，沼液灌溉處理明顯增加土壤DOC含量，而施用化肥處理（CF）顯著降低了土壤DOC含量。

2.4 溫室氣體排放與各影響因子之間的相關(guān)性分析

通過(guò)Pearson相關(guān)性分析表明（表4），CO2排放量與大氣溫度和土壤DOC含量（P=0.395）呈顯著正相關(guān)，和土壤NH+4-N含量（P=-0.440）呈顯著負(fù)相關(guān)；N2O排放通量和WFPS（P=0.293）、大氣溫度（P=0.313）、土壤DOC（P=0.332）、土壤NO-3-N含量（P=0.280）呈顯著正相關(guān)；CH4和WFPS（P=0.325）呈顯著相關(guān)性。

2.5 沼液灌溉對(duì)溫室氣體累積排放量的影響

從表5中可以看出，在冬小麥-夏玉米輪作周期中，T3和T4處理與CF相比全球增溫潛勢(shì)（GWP）沒(méi)有顯著性差異，T1和T2處理和常規(guī)施肥相比顯著降低了GWP，2016年T1和T2處理分別降低了15.39%和11.32%；2017年分別降低了5.67%和0.31%；針對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行分析，2016年和2017年產(chǎn)量T2、T3、T4和CF處理相比差異性不顯著，其中T4處理在2016年產(chǎn)量比CF處理提高了4.12%；溫室氣體排放強(qiáng)度T3、T4和CF連續(xù)兩年差異性不顯著，2016年T1和T2處理與CF處理相比顯著降低了0.56%，2017年T2處理和CF處理相比差異性不顯著。

表4 3種溫室氣體排放通量與各因子之間的相關(guān)性Table 4 Correlation between three greenhouse gas emission fluxes and various factors

表5 2015—2017年不同處理溫室氣體累計(jì)排放量、全球增溫潛勢(shì)及溫室氣體排放強(qiáng)度Table 5 The cumulative effect of different treatment of greenhouse gas emissions，global warming potential，and greenhouse gas emission intensity in 2015—2017

3 討論

3.1 沼液灌溉對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響

農(nóng)田CO2的排放實(shí)際是土壤中生物代謝和生物化學(xué)過(guò)程等所有因素的綜合產(chǎn)物[18]。試驗(yàn)CO2排放速率均為正值，是CO2的源，這與其他學(xué)者在華北平原得到的結(jié)果一致[19]。本試驗(yàn)小麥季CO2排放通量范圍是1.39～25.65 kg·hm-2·d-1，和其他學(xué)者在華北平原研究結(jié)果（1.31～63.31 kg·hm-2·d-1）基本一致[19-21]，但略低于其研究結(jié)果主要原因是試驗(yàn)區(qū)域的DOC含量較低，相關(guān)性分析表明，土壤中的CO2排放與土壤DOC含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。部分研究表明施用有機(jī)肥會(huì)增加CO2的排放[22-24]，本研究表明沼液灌溉和施用化肥處理之間差異性不明顯，這與陳永根等[25]的研究結(jié)果一致。溫度是影響CO2的重要影響因素，主要表現(xiàn)在對(duì)土壤微生物和根際呼吸酶活性上，從而影響土壤的生化反應(yīng)速率[26-27]，相關(guān)研究表明，土壤釋放的CO2有85%～90%是由于土壤微生物活動(dòng)產(chǎn)生。小麥越冬期由于溫度較低，土壤微生物活性較弱，CO2排放通量較小，各處理間差異不明顯。2015年和2016年小麥越冬期CO2排放速率分別為1.45～3.81 kg·hm-2·d-1和1.56～3.53 kg·hm-2·d-1。4月小麥進(jìn)入拔節(jié)期，此時(shí)CO2的排放隨著溫度的升高而升高，隨著沼液的施入促進(jìn)了作物快速生長(zhǎng)和根系活動(dòng)，CO2達(dá)到第一個(gè)排放高峰。5月和6月達(dá)到了小麥季的第二個(gè)和第三個(gè)排放高峰。2016年和2017年小麥季的排放高峰分別為19.89 kg·hm-2·d-1和25.65 kg·hm-2·d-1。CO2排放通量的季節(jié)性變化與溫度的季節(jié)性變化規(guī)律極度吻合，玉米季高溫多雨，CO2排放通量明顯高于小麥季。隨著玉米的生長(zhǎng)，盡管此時(shí)沒(méi)有養(yǎng)分的輸入，但是到8月份時(shí)CO2的排放通量達(dá)到最大值，生長(zhǎng)后期一直維持在一個(gè)較高水平。到成熟期，由于死亡的根系和植株地上、地下部凋落物的增加，為微生物活動(dòng)提供了較多的有機(jī)質(zhì)，因此收獲期間的CO2排放通量會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小的排放峰。

農(nóng)田N2O是在微生物作用下通過(guò)硝化和反硝化產(chǎn)生的[28]，這些過(guò)程主要受施肥、灌溉、土壤理化性質(zhì)和氣候條件的影響。本試驗(yàn)N2O的排放通量分別為-3.01～11.87 g·hm-2·d-1，與陳永根等[25]、劉平麗等[29]針對(duì)沼液灌溉后N2O排放研究結(jié)果基本一致，主要是因?yàn)檎右褐胁粌H含有大量的N素，同時(shí)沼液灌溉使土壤處于厭氧狀態(tài)，為反硝化作用提供充足底物且處于適宜的反應(yīng)條件。2015年小麥越冬期出現(xiàn)了土壤N2O吸收的現(xiàn)象，數(shù)值范圍為-3.01～-0.77 g N2O-N·hm-2·d-1，相關(guān)研究表明，當(dāng)土壤處于一種N素含量較低的干燥環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)土壤對(duì)N2O吸收的現(xiàn)象[30]；也有研究發(fā)現(xiàn)在較低的礦質(zhì)N及較高的土壤水分含量條件下，硝化與反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的N2O會(huì)進(jìn)一步被還原為N2，因而會(huì)出現(xiàn)N2O吸收現(xiàn)象[31-32]。從圖中可以看出，施肥和灌溉可以顯著提高N2O的排放，這主要是由于施肥為作物生長(zhǎng)提供了需要的養(yǎng)分，而灌溉為反硝化微生物創(chuàng)造了良好的厭氧環(huán)境，提高了N2O的排放。Keller等[33]的研究指出，在50%～80%WFPS的范圍內(nèi)，N2O排放通量隨著WFPS呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)的模式，丁軍軍等[34]研究發(fā)現(xiàn)WFPS在70%的水分條件下排放的N2O顯著高于WFPS在50%的情況，這與本實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果相似，通過(guò)相關(guān)性分析得知，N2O的排放與WFPS顯著相關(guān)。研究表明氮肥和水分是農(nóng)田N2O排放的最主要影響因素[35]，其中有機(jī)質(zhì)也是N2O產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)因子[22]。除越冬期外，各處理灌溉后的第1 d，土壤N2O排放水平均出現(xiàn)顯著性差異（P＜0.01），說(shuō)明沼液中的N肥可以促進(jìn)農(nóng)田N2O的排放。夏季N2O排放通量會(huì)大于冬季，這是由于反硝化過(guò)程與細(xì)菌、真菌以及有關(guān)酶活性等密切相關(guān)[36-40]，從而促進(jìn)N2O的排放。小麥進(jìn)入返青期，追肥和灌溉后很快出現(xiàn)了第一個(gè)N2O的排放高峰，這是因?yàn)樵诖似陂g高灌溉量和N素的輸入使土壤有豐富的N源和適宜的水分含量，土壤處于適宜排放N2O的水平。2016年和2017年小麥季的排放高峰分別為19.99 kg·hm-2·d-1和 11.87 kg·hm-2·d-1，但隨著時(shí)間的推移各處理N2O排放水平逐漸降低，表明N肥和水分的輸入只會(huì)造成N2O排放水平的短暫性升高并不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期影響。之后的抽穗期和灌漿期小麥生長(zhǎng)迅速，土壤中的N素不斷被小麥植株吸收，土壤N2O排放通量比較低。且抽穗期和灌漿期N2O排放峰值均低于返青期，這是由于在此期間是清水灌溉，沒(méi)有帶入大量的營(yíng)養(yǎng)元素。夏玉米生育期土壤溫度普遍高于小麥季，排放高峰也同樣是發(fā)生在灌溉后，玉米季的N2O排放通量在灌溉后第3 d依然保持在較高水平，施入的沼液使土壤中的有機(jī)氮礦化增加[41-42]，在適宜的土壤水分條件下N2O排放較高。

當(dāng)土壤中CH4濃度低于大氣中CH4濃度時(shí)，在濃度梯度作用下引起CH4的負(fù)排放，本試驗(yàn)結(jié)果表明華北平原的土壤為CH4的“匯”，與宋麗娜等[19]、齊玉春等[43]、張雪松等[44]得到的結(jié)果一致。這主要是由于CH4在土壤中的排放和吸收受到施肥、灌溉、耕作、土壤理化特性、氣候季節(jié)性變化規(guī)律的影響[45-46]。小麥越冬期進(jìn)行了第一次沼液灌溉，一方面使土壤處于厭氧環(huán)境，另一方面土壤中NH+4-N和NO-3-N的含量迅速增加抑制土壤對(duì)CH4的吸收[47]，從而促進(jìn)了CH4的排放。但隨后逐漸降低，由于溫度條件的限制，越冬期CH4的排放處于較低水平，各處理之間差異不大。4月小麥進(jìn)入拔節(jié)期后，隨著沼液第二次的輸入以及溫度的回升，CH4出現(xiàn)第二個(gè)排放高峰，此時(shí)CH4的排放峰值達(dá)到 0.05 g·hm-2·d-1和 0.12 g·hm-2·d-1。當(dāng)小麥進(jìn)入生長(zhǎng)后期，由于水分和N素的消耗，CH4的排放高峰低于小麥的拔節(jié)期。玉米季由于沼液的施入，CH4又出現(xiàn)一個(gè)排放高峰，玉米生長(zhǎng)后期，各處理之間沒(méi)有顯著性差異。

3.2 沼液灌溉對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

小麥-玉米輪作周期內(nèi)，不同處理中NH+4-N由于養(yǎng)分輸入的含量與時(shí)間的不同表現(xiàn)出一定的差異性。2015年和2016年小麥的越冬期，沼液灌溉處理顯著高于CK和CF處理，這是因?yàn)檎右褐泻写罅康腘營(yíng)養(yǎng)元素，其中氨態(tài)氮所占的比例較高[48]。2016年沼液灌溉處理和施用化肥處理差異性不明顯可能是由于尿素轉(zhuǎn)化為NH+4-N較快。其他時(shí)期NH+4-N的含量均低于小麥越冬期，是因?yàn)樾←溸M(jìn)入快速生長(zhǎng)時(shí)期，對(duì)N素及各種養(yǎng)分的吸收利用也進(jìn)入快速吸收階段，所以土壤中NH+4-N含量也較低。另外在除沼液灌溉的其他時(shí)期也會(huì)出現(xiàn)不同程度的小高峰，這是由于不同程度的降雨導(dǎo)致土壤中NH+4-N含量增加，華北平原地區(qū)以氨態(tài)氮沉降為主，沉降量為3.76 mg·L-1[49]。施肥和沼液灌溉后土壤NO-3-N含量沒(méi)有迅速上升，而是在第7 d后達(dá)到最大值，這是因?yàn)镹素主要是以NH+4-N的形式進(jìn)入土壤，通過(guò)土壤微生物活動(dòng)和各種生化反應(yīng)NH+4-N逐漸向NO-3-N轉(zhuǎn)化。由于沼液中含有大量的有機(jī)物，因此沼液灌溉后土壤中DOC含量迅速增加，各處理中DOC含量具有顯著差異性，T4＞T3＞T2＞T1＞CK＞CF，表明沼液灌溉可以顯著提高土壤DOC含量，多數(shù)研究表明有機(jī)肥為土壤微生物提供碳源，因而能夠明顯提高土壤溶解性有機(jī)碳的含量，且效果優(yōu)于單施化肥[50-53]。本研究表明施用化肥會(huì)降低土壤DOC含量，這是因?yàn)閱问┗蕰?huì)加速土壤中有機(jī)碳的分解，降低土壤中的碳氮比[54]，加速土壤原有有機(jī)碳的分解，使土壤中有機(jī)碳的礦化受到抑制，并減弱微生物活性，從而使土壤中可溶性有機(jī)碳含量較低[55]；有研究表明[56]，單施化肥會(huì)造成作物的根茬殘留量較低，使土壤易氧化有機(jī)質(zhì)和難氧化有機(jī)質(zhì)均有所消耗，造成有機(jī)質(zhì)總量下降。

3.3 沼液灌溉對(duì)作物產(chǎn)量以及農(nóng)田溫室效應(yīng)的影響

農(nóng)田水肥管理是在保證產(chǎn)量的前提下對(duì)溫室氣體進(jìn)行合理減排[57-58]。本研究表明，沼液灌溉處理和常規(guī)施肥相比產(chǎn)量沒(méi)有顯著性差異，且沼液灌溉可以明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)含量以及養(yǎng)分含量，為作物生長(zhǎng)提供充足的能源。GWP主要以N2O為主，它在大氣中存在時(shí)間較長(zhǎng)，且增溫潛勢(shì)遠(yuǎn)高于CH4，華北平原旱地土壤CH4主要以吸收為主，對(duì)環(huán)境是有利的。沼液含有豐富的氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能夠滿足作物正常生產(chǎn)。同時(shí)沼液作為有機(jī)肥可以將作物未吸收利用的N素轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，當(dāng)作物需N量增加時(shí)，微生物群體釋放出所固定的N素供作物生長(zhǎng)[59-60]，從而提高作物產(chǎn)量[61]。本試驗(yàn)針對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沼液灌溉和常規(guī)施肥處理差異性不大，因此本試驗(yàn)條件下沼液可以替代化肥施用于農(nóng)田。溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）是將溫室效應(yīng)與作物產(chǎn)量相結(jié)合來(lái)評(píng)價(jià)綜合溫室效應(yīng)。本研究中，T2處理連續(xù)兩年的GWP低于常規(guī)施肥處理，產(chǎn)量和常規(guī)施肥處理沒(méi)有顯著性差異，且2016年GHGI與常規(guī)施肥沒(méi)有顯著性差異，在2017年顯著降低。由此可見(jiàn)，T2處理（小麥季2∶1沼液灌溉2次，玉米季2∶1沼液灌溉1次，施N量為315 kg·hm-2）為最優(yōu)選擇，在保證產(chǎn)量的前提下，GWP也沒(méi)有顯著增加，所以T2處理能夠?qū)崿F(xiàn)作物產(chǎn)量與環(huán)境效應(yīng)的統(tǒng)一，可作為華北平原農(nóng)田推薦的一種管理模式。

4 結(jié)論

（1）沼液灌溉沒(méi)有改變輪作周期內(nèi)土壤溫室氣體排放通量的季節(jié)性變化規(guī)律，但會(huì)造成短時(shí)期內(nèi)排放通量的增加。

（2）沼液灌溉處理提高了土壤可溶性碳和氨態(tài)氮的含量，為作物生長(zhǎng)提供所需能源，而施用化肥會(huì)造成土壤可溶性碳降低。

（3）針對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行分析，沼液灌溉處理（T2、T3、T4）和常規(guī)施肥處理沒(méi)有顯著性差異；全球增溫潛勢(shì)中，T3和T4處理與常規(guī)施肥（CF）沒(méi)有顯著性差異，T1和T2與常規(guī)施肥（CF）處理相比顯著性降低；溫室氣體排放強(qiáng)度T3、T4和常規(guī)施肥處理連續(xù)兩年差異性不顯著，T1和T2處理與常規(guī)施肥（CF）相比顯著性降低。

（4）綜合考慮GWP與作物產(chǎn)量的因素，T2處理（小麥季2∶1沼液灌溉2次，玉米季2∶1沼液灌溉1次，施N量為315 kg·hm-2）為最優(yōu)選擇。