作为农业大国，我国每年产生大量的作物残渣，仅秸秆年均产量就超过8.4×10⁸t^[1].秸秆中含有丰富的碳、氮、磷、钾等营养元素，是物质、能量和养分的载体，是宝贵的自然资源^[2],其在土壤微生物的作用下腐解形成的腐殖质能够有效提高土壤有机质含量，释放出的氮、磷、钾等元素能够增强土壤肥力，还能改良土壤结构，改善土壤生物学特性^{[3, 4, 5]}.因此，秸秆等作物残渣的还田作为土壤培肥和农业废弃物可持续利用的一种方式，在我国广为提倡。

土壤微生物对秸秆等作物残渣的分解作用是影响土壤培肥效果的关键，然而，不同秸秆的C/N差异在很大程度上影响了其分解效率^[6],如戴志刚等^[7]在淹水培养下发现油菜秸秆的腐解速率要大于水稻和小麦秸秆。这是由于土壤微生物在分解秸秆过程中需要同化土壤碳素和吸收速效氮素，以合成新的细胞体^[8],过高C/N秸秆的施用虽然能够提供丰富的C来源，但N的缺乏限制了微生物的活性。因此，普遍认为在秸秆还田后施入一定量的氮肥能够通过促进微生物的繁殖来加快秸秆腐解^{[9, 10]}.

虽然作物残渣还田对农业生态系统有利，但作物残渣大量还田的同时也会对农田土壤N₂O、CH₄和CO₂等主要温室气体的排放产生显着影响。已有的研究结果指出，秸秆还田能够增加农田土壤呼吸，从而增加土壤CO₂排放量^{[11, 12]},也有报道认为秸秆施用增加了土壤CH₄的排放通量，但大多是在稻田中得到的结果^[13],而关于秸秆还田如何影响土壤N₂O排放，目前各研究结果存在一定的差异^{[14, 15, 16]}.作物残渣还田对温室气体排放的影响是复杂的，它可能受土壤性质、作物残渣类型以及肥料施用等多方面的影响，因而有可能通过选择合理的还田方式，在实现土壤培肥的同时达到温室气体减排的双重收益。虽然配施氮肥能够促进秸秆的分解，但不同C/N作物残渣配施氮肥后如何影响红壤温室气体的排放却并不十分清楚。依据不同还田物料的特性，探索一种较为合理的氮肥配施方式，对于平衡土壤培肥与减少秸秆等作物残渣还田对大气温室气体的贡献具有重要意义。

本文选取了几种不同C/N的作物残渣（主要为作物秸秆）,并配施不同量的氮肥开展培养实验，通过分析不同处理释放的温室气体N₂O、CH₄和CO₂量来评价氮肥施用下不同C/N作物残渣还田对红壤温室气体排放的影响，以期为秸秆还田的高效利用提供理论依据。

供试土壤为采自湖北省咸宁市贺胜桥镇的棉花旱地红壤，该地区（114°23′E,30°01′N）土壤属第四纪粘土沉积物母质发育的棕红壤，土壤呈弱酸性，质地粘重，土壤品质较为贫瘠。分点采集表层0~20 cm土壤，混匀、风干，除去植物根、石砾等杂物后磨细，过10目筛备用。土壤总碳（TC）含量为9.73 g·kg^-1,总氮（TN）含量为1.90 g·kg^-1,pH为5.4（土∶水为1∶2.5）,铵态氮（NH⁺₄-N）和硝态氮（NO^-₃-N）含量分别为23.19、15.80 mg·kg^-1.

供试作物残渣分别为油菜饼（RC）、玉米秸秆（MS）、水稻秸秆（RS）和小麦秸秆（WS）,其C/N为5~71不等。作物残渣均来源于华中农业大学试验田，取回后于70 ℃烘干、粉碎、过100目筛备用。其总碳及总氮含量见表 1.供试氮肥为尿素（湖南宜化化工有限责任公司）,其总氮≥46.4%.

表 1 不同作物秸秆的 C、 N 含量 Table 1 Contents of C and N in crop residues incorporated to soil

表选项

本实验设置3个不同的氮肥配施水平，分别为无氮（N0）、低氮（N1,0.1 g尿素混入1 kg干土，折合46.4 mg N·kg^-1 干土）和高氮（N2,0.2 g尿素混入1 kg干土，折合92.8 mg N·kg^-1 干土）;每种氮肥水平下混入4种不同的作物秸秆，分别为油菜饼、玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆，同时设置一个无作物残渣添加的对照（CK）,作物秸秆添加量按照60 mg秸秆-N·kg^-1干土标准进行，以保证同一氮肥水平下各处理间总氮量一致。共设置15个不同的处理，每个处理重复3次。

利用1 L的带橡胶塞广口瓶开展培养实验，橡胶塞中穿有两根玻璃管，一根下端接有气球置于瓶内，上端暴露在空气中，用以调节瓶内气压；另一根下端置于瓶内，上端接有带夹软管，用以气体采集。每个广口瓶加入100 g干土，用蒸馏水调节土壤孔隙含水量（WFPS）为75%,并置于25 ℃下的暗环境中进行为期7 d的预培养，以稳定土壤中的微生物活性，避免因土壤含水量变化而产生的温室气体排放峰值。

经过7 d预培养后采集气体进行测定，其值作为第0 d实验数据。而后按照实验设计添加秸秆并配施氮肥，混匀。整个培养系统置于25 ℃下的暗环境中进行为期30 d的培养。培养开始的第一周每天采集一次气体样品，接下来隔1 d采集一次。气体采集时，先打开胶塞，利用风扇通风30 min后用30 mL带三通阀的注射器采集瓶口附近的气体用于计算背景值。而后塞紧胶塞，夹紧橡胶管，密闭状态下培养2 h后，采气注射器连接橡胶管，打开夹子，抽取瓶中气体。采气结束后利用称重法调节土壤WFPS保持在75%,重新好氧培养直至下一次气体采集。

气体样品采集后在当天完成测定，采用美国安捷伦GC-7890A气相色谱仪进行分析。CO₂检测器为FID（氢火焰离子检测器）,所用载气是高纯氮气（99.999%）,流速为25 mL·min^-1,检测器、柱箱和转化器（镍触媒）温度分别为200、55、375 ℃，保留时间为1.4 min.CH₄检测器为FID,载气是高纯氮气（99.999%）,流速为30 mL·min^-1,检测器和柱箱温度分别为200 ℃和55 ℃，保留时间为1.75 min.N₂O检测器为ECD（电子俘获检测器）,载气是高纯氮气（99.999%）,流速为25 mL·min^-1,检测器和柱箱温度分别为330 ℃和55 ℃，保留时间为3.50 min.测定过程中所用标准气体（CO₂、CH₄和N₂O）由国家标准物质研究中心提供。

温室气体通量按照以下公式计算^[17]:

气体累积排放量通过内插累加法获得^[18],该方法假设在两个已知测量时间点之间气体的排放变化符合线性关系，利用相似三角形的原理计算内插点而获得数据。

实验结果以均值表示，并采用SPSS 17.0统计软件进行方差分析。

图 1显示，相比对照，作物残渣的添加均增加了土壤CO₂-C的排放通量。较低C/N的油菜饼和玉米秸秆处理组的CO₂排放通量均在培养的第1 d达到峰值，随后开始缓慢下降，而较高C/N的水稻秸秆、小麦秸秆处理组则是在第3 d才达到排放峰值。在不同氮肥水平下，各处理组CO₂-C排放通量及累积排放量大小顺序均为WS>RS>MS>RC>CK,且在培养前两周，添加小麦秸秆和水稻秸秆处理的CO₂-C排放通量要明显高于其他处理，但其下降速率也更快，这种差距在培养三周以后消失。

图 1 不同氮肥水平下（A:无氮；B:低氮；C:高氮）作物残渣施用后对红壤CO2-C排放通量变化的影响 Figure 1 Soil CO2-C emission fluxes following incorporation of different C/N crop residues under different N levels（A:N0,B:N1,C:N2）

图选项

作物残渣施用的同时配施氮肥进一步增加了CO₂-C的排放。对于C/N最高的小麦秸秆来说，氮肥的施用不但增加了其排放峰值（N0、N1和N2下分别为3.47、4.15、3.86 mg·kg^-1）,还使得排放通量在随后的培养过程中下降速度更慢，并于培养结束后获得了显着高于无氮肥施用下的CO₂-C累积排放量（N0、N1和N2下分别为883.40、1 271.44、1 212.83 mg·kg^-1）（表 2）.虽然氮肥配施同样增加了RC、RS和MS处理的CO₂-C排放峰值，但并未发现不同氮肥水平之间的累积排放量存在显着差异。对不同氮肥水平及不同作物残渣投入进行交互作用分析，发现氮肥配施、作物残渣投入均显着影响了CO₂-C累积排放量，氮肥配施与作物残渣的投入之间也存在交互作用并显着影响CO₂-C累积排放量。

表 2 不同处理下的温室气体累积排放量 Table 2 Cumulative GHG emissions in different treatments

表选项

图 2显示，在培养期内的大部分时间均表现为CH₄的吸收现象，但在同一施肥水平下并未发现不同作物残渣的添加对CH₄-C吸收量产生明显的影响。在培养结束后，施加作物残渣的处理相比对照吸收了更多的CH₄-C,但差异显着性仅仅出现在无氮肥水平下的对照与MS、RS和WS之间（表 2）.

图 2 不同氮肥水平下（A:无氮；B:低氮；C:高氮）作物残渣施用后对红壤CH4-C排放通量变化的影响 Figure 2 Soil CH4-C emission fluxes following incorporation of different C/N crop residues under different N levels（A:N0,B:N1,C:N2）

图选项

氮肥施用在一定程度上增加了CH₄-C的吸收通量，但在31 d的培养结束后，其累积吸收量差异显着性仅出现在对照和低C/N的油菜饼处理中。表 2显示，在对照处理中，N1和N2下CH₄-C累积吸收量分别为48.16、49.65 μg·kg^-1,显着高于无氮肥施用时的34.95 μg·kg^-1,但不同氮肥水平之间无显着差异。在油菜饼处理中，N0、N1和N2下CH₄-C累积吸收量分别为38.66、47.70、51.15 μg·kg^-1,仅N0和N2之间存在显着差异。交互作用分析显示，仅氮肥配施显着影响了CH₄-C累积吸收量。

在三种氮肥水平下，对照组的N₂O-N排放通量在整个培养周期内均未超过1 μg·kg^-1（图 3）,虽然氮肥施用增加了其N₂O-N排放通量，但并未发现在培养结束后累积排放量存在显着差异（表 2）.不同作物残渣的添加在培养前期对土壤N₂O的排放起到了不同的促进作用，玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆的处理均在培养第1 d即达到N₂O-N排放高峰，随后快速下降，而C/N最小的油菜饼处理N₂O-N排放通量在培养前几天一直快速上升，于第5（或6） d才达到排放高峰。培养结束后土壤N₂O-N累积排放量最大的为油菜饼处理组，在 N0、N1、N2相应氮肥水平下分别达到4 430.44、5 550.42、3 752.84 μg·kg^-1（表 2）,显着高于其他处理。

图 3 不同氮肥水平下（A:无氮；B:低氮；C:高氮）作物残渣施用后对红壤N2O-C排放通量变化的影响 Figure 3 Soil N2O-C emission fluxes following incorporation of different C/N crop residues under different N levels（A:N0,B:N1,C:N2）

图选项

氮肥配施增加了添加作物残渣处理的N₂O-N排放峰值，而对于C/N较小的油菜饼处理来说，氮肥的施用还推迟了排放通量峰值产生的时间（N0下排放峰值出现在第5 d,而N1和N2下排放峰值出现在第6 d）.但值得注意的是，在N2水平下油菜饼处理的N₂O-N排放通量下降速度更快，导致在培养结束后N2水平下的N₂O-N累积排放量要小于N0处理（表 2）.类似的趋势也在水稻秸秆处理中有所发现，但水稻秸秆产生的N₂O-N累积排放量要远远小于油菜饼处理组。氮肥施用并未显着影响对照、玉米秸秆和小麦秸秆处理组的N₂O-N累积排放量。交互作用分析显示氮肥配施、作物残渣投入，以及它们之间的交互作用均显着影响了N₂O-N累积排放量。

作物残渣施用到土壤中后，一方面，作物残渣在土壤微生物作用下开始腐解，其有机碳被降解为各种含碳小分子；另一方面，这些含碳小分子可以供土壤微生物利用，为其提供物质和能源，促进微生物的繁殖和生长代谢，在好氧条件下即表现为土壤呼吸作用加强，CO₂排放增多。结果显示，氮肥的施入促进了各处理CO₂-C的累积排放，但该作用只在高C/N的小麦处理中尤为显着（表 2）.土壤微生物在分解作物残渣的过程中，需要同化土壤碳素和吸收速效氮素，以合成新的细胞体^[8].一般来说，大部分微生物的最适C/N在25左右，因此在高C/N秸秆还田后施入一定量的氮肥有利于促进了微生物的繁殖^[19].如Singh等^[10]发现微生物量最高的处理为施用化肥+麦秸，接下来依次是施用秸秆的处理和施用化肥的处理，认为此时肥料的施用从氮而非碳方面满足了微生物的需求，因为当只施用秸秆的时候，较高的C/N并不适合微生物的生长。在同一氮肥水平下，本研究中各处理的CO₂-C排放通量和累积排放量的大小顺序与各处理作物残渣C/N大小顺序一致。这与已有的一些报道存在一定差异，即CO₂排放量与所添加秸秆的C/N呈良好的负相关^{[20, 21]},可能是本实验中作物残渣添加量不同导致的。为了保持每个培养瓶中各作物残渣总氮含量一致，高C/N的处理相对于低C/N的处理施入了更多的作物残渣，而强学彩等^[12]也在其研究中指出，随着秸秆量的增加土壤CO₂释放量有所增加。在RC、MS、RS和WS处理组中秸秆碳的添加量分别折合330、1 680、2 490和4 230 mg·kg^-1,这部分外源碳投入量的不同在一定程度上影响了土壤CO₂-C的累积排放量。另一方面，较多量的作物残渣混入土壤后更有利于增加土壤孔隙度，同时土壤溶液中的CO₂含量也会随作物残渣添加量的增加而增大，有利于土壤中的CO₂向空气中扩散^[13].

为了消除碳源添加量对CO₂排放造成的影响，图 4计算了单位作物残渣C投入下引起的CO₂-C累积排放量变化（作物残渣施入下与对照的CO₂-C累积排放量之差）,结果显示该值与作物残渣C/N呈负相关，尤其是在无氮肥水平下，其相关系数达0.998 2,与已有的研究结果^{[20, 21]}一致。值得注意的是，氮肥的施用通过提供额外的氮源增加了小麦秸秆单位C投入下引起的CO₂-C累积排放量，却降低了油菜饼单位C投入下引起的CO₂-C累积排放量（图 4）,结合对照土壤中氮肥施用产生了更多的CO₂-C累积排放量（表 2）.我们认为这可能归结于油菜饼已为微生物提供了充足的可利用氮源，额外氮肥施入主要是通过促进土壤中原有有机质分解来产生更多的CO₂.

图 4 不同 C/N 作物残渣在投入单位碳量时对CO2-C 累积排放量的影响 Figure 4 Cumulative CO2 -C emissions per unit residue-C in difference C/N residue amendments

图选项

各处理CH₄-C日吸收通量变化波动较大，无明显规律（图 2）.CH₄是在极端的还原条件下产甲烷微生物活动的产物，而本研究是好氧培养，所采用的旱地土壤质地具有较好的土壤通透性，不易产生厌氧环境，因而限制了土壤氧化还原电位和产甲烷微生物的活性^[22].另外，在25 ℃的好氧条件下，虽然产甲烷菌活性被抑制，但甲烷氧化菌活性却很高，在此条件下甲烷氧化菌可利用CH₄作为唯一的碳源和能源，将其氧化为二氧化碳和水^[23],故在本研究中，各处理土壤均表现为对CH₄的吸收作用。另外，本研究还显示氮肥的施用在一定程度上增加了各处理土壤吸收CH₄-C的累积量（表 2）,丁维新等^[24]认为这可能和土壤N的供应有关，即N对土壤氧化CH₄能力的影响明显受土壤原N素水平高低的影响，土壤N含量较低时土壤甲烷氧化菌的繁衍因受土壤N供给限制而处于低水平状态，若加入适量N即可激活甚至大量繁殖甲烷氧化菌进而提高其活性。虽然氮肥施用增加了土壤吸收CH₄-C的累积量，但差异显着性仅在对照处理和油菜饼处理中发现，可能与本研究所使用红壤较为贫瘠的特性有关，而高C/N秸秆分解过程中对土壤N的固定作用又进一步削弱了氮肥施入对土壤甲烷氧化微生物的激活作用。

本研究中不同作物残渣的添加对土壤N₂O-N的排放产生了显着的影响（表 2）,单位作物残渣-N投入引起的N₂O-N累积排放量变化与作物残渣C/N呈对数负相关关系，在N0、N1和N2水平下相关系数均超过0.9,与已有研究结果^{[25, 26]}一致。Huang等^[21]认为这是由于低C/N的作物残渣更容易分解，Heal等^[27]则进一步指出当作物残渣C/N<20时分解快速且能够通过矿化作用产生NH⁺₄,当作物残渣C/N在25~75之间时虽然也能够较快分解但N的矿化受到了抑制，而当作物残渣C/N>75时通常较难分解，且作物残渣中含有很少的微生物可利用N.本研究中使用的油菜饼具有较小的C/N（5）,较高的蛋白质含量，且其组成成分易被分解，因此产生了显着高于其他作物残渣的N₂O-N累积排放量。

除了作物残渣类型，氮肥对N₂O的排放也有较大影响（表 2）,已有的研究表明N₂O排放量与氮肥施用量存在线性相关关系^[28].当氮肥使用量低于或接近作物氮肥需求时，N₂O排放量较低，而在相同的土壤和作物类型下，当氮肥使用量超过作物需求，N₂O排放量则在较高水平^[29].然而，本研究中作物残渣配合氮肥施用时对N₂O-N排放的影响则较为复杂。在较低C/N的油菜饼处理中，N1处理显着增加了N₂O-N的累积排放量，而当氮肥施用量进一步增加时N₂O-N累积排放量反而降低（表 2）.图 5计算了单位作物残渣N投入下引起的N₂O-N累积排放量变化（作物残渣施入与对照的N₂O-N累积排放量之差）,也得到了类似的结果，即在N1水平下单位油菜饼-N的投入产生了较多的N₂O-N,而N2水平下则产生了少于N0水平下的N₂O-N.Huang等^[21]同样测定了油菜饼配施氮肥下N₂O的累积排放量，未发现其与无氮肥配施处理之间存在显着差异。这可能归因于氮肥施用量的不同，Huang等在每80 g鲜土中混入尿素26 mg,远高于本研究中高氮水平下的氮肥施用量。王改玲等^[30]则给出了与本研究类似的结果，即不施氮或低施氮水平时，秸秆还田可刺激培养初期反硝化反应速率及N₂O排放，高施氮水平时，秸秆还田却降低反硝化反应速率及反硝化过程中的N₂O排放。焦燕等^[31]认为这可能是由于高施氮水平虽然能够满足微生物所需碳氮条件，但土壤中较低的有效态铁含量限制了N₂O的排放。Henriksen等^[32]则指出氮肥施用并非越多越好，例如当可利用氮大于小麦秸秆干重的1.2%时就抑制了土壤微生物的生长，而N₂O的主要来源就是微生物的硝化、反硝化作用。当高C/N的有机质施入土壤时，微生物活动加剧，但是有机物料自身分解产生的N素并不能满足其需求，于是微生物会对土壤中的矿质氮进行生物固定，导致硝化和反硝化作用的底物不足，从而使得N₂O排放较少^{[33, 34]}.另外，水稻秸秆和小麦秸秆中含有很高的木质素和多酚含量^[35],而较高（木质素+多酚）/N的秸秆会对土壤中的氮素有一定吸附作用并降低土壤N的释放^[36].因此，在本研究中，小麦秸秆等高C/N处理N₂O-N累积排放量并未明显受到氮肥施用与否的影响，可能是秸秆较高的C/N、较多的木质素和多酚含量以及较大的施入量导致的。即使是在N2水平下，土壤中也无足够的硝化和反硝化作用底物来产生N₂O,这也可以解释图 5的现象，单位小麦秸秆-N投入下引起的N₂O-N累积排放量变化在不同的氮肥水平下几乎没有差别。

图 5 不同 C/N 作物残渣在投入单位氮量时对 N2O-N累积排放量的影响 Figure 5 Cumulative N2O-N emissions per unit residue-N in difference C/N residue amendments

图选项

据文献^[28]报道，在秸秆还田后配施一定量的氮肥能够通过促进微生物的繁殖来加快秸秆腐解，达到培肥土壤、增加土壤碳汇的目地，但需要注意的是，这也可能引起温室气体的大量泄露，甚至抵消其对土壤固碳的贡献^[37].本研究显示，氮肥配施对不同作物残渣添加后土壤温室气体排放的影响是不同的，对于高C/N的小麦秸秆来说氮肥的配施增加了CO₂的排放，但对于低C/N的油菜饼来说则是在低氮肥配施下导致了N₂O的大量排放。另外，不同作物残渣在组成成分上的差异也可能影响温室气体的排放，例如高C/N的作物残渣（如水稻和小麦秸秆）含有较多的难分解物质（木质素、多酚类物质和萜类化合物等）^[34],而C/N较低的油菜饼相对来说则较容易被微生物分解利用。由此可见，秸秆还田并配施氮肥对温室气体排放的影响较为复杂，且由于CO₂、CH₄和N₂O的增温效应不同^[38],计算它们的综合温室潜势更利于全面评价氮肥施用下不同作物残渣还田对温室效应的贡献，但这需要在田间实验中进行才会更有意义。

配施氮肥可以加快作物残渣还田后的分解，但其对温室气体排放的影响因作物残渣的C/N不同而异。对于高C/N的小麦秸秆来说氮肥的配施增加了CO₂-C的累积排放，在低氮和高氮下分别达到1 271.44、1 212.83 mg·kg^-1,显着高于无氮肥下的883.40 mg·kg^-1.但对于低C/N的油菜饼来说则是在低氮肥配施下产生了大量的N₂O-N,其累积排放量达到5 550.42 μg·kg^-1,显着高于无氮肥下的4 430.44 μg·kg^-1,然而当氮肥施用量进一步增加时却抑制了N₂O-N的排放。因此，为了尽量减少对温室效应的贡献，在实施秸秆还田的时候，应当依据秸秆的特性来考虑氮肥配施的适宜用量。