耕作土壤是N₂O的重要排放源，全球每年排放的N₂O中有35%来自农业耕作土壤^{[1, 2]}.减缓农业土壤N₂O排放的措施主要包括农田管理和土地利用方式^{[3, 4]}.退耕还林是将耕地转变成森林的一种土地利用方式，研究表明，退耕还林可减少土壤N₂O的排放，这已成为许多国家减排增汇的一项重要措施^{[1, 5]}.退耕还林是土壤-植被系统协同演化的过程，必然引起土壤理化性质及结构功能的变化。退耕还林后随着林分的生长发育，地表的林分郁闭度、灌丛盖度、地上生物量及枯落物数量、微生物数量和活性都发生改变，同时土壤氮肥施用、耕作等人为活动干扰大量减少，均对土壤的容重、孔隙状况、团聚体及养分含量等有显着影响^{[6, 7]}.N₂O是土壤硝化与反硝化作用的产物，它的产生和排放受到土壤温度、pH、有机质、全氮、无机氮含量及孔隙状况等因子的影响^{[8, 9, 10]}.关于土地利用方式改变对土壤N₂O排放影响的研究，国内外科学家开展了大量工作。但目前我国的研究工作大多局限于森林或草地开垦为农田后土壤N₂O排放，且多集中在热带和温带地区，亚热带地区的研究报道较少^[11].国内有关退耕还林对土壤N₂O排放的研究十分有限，针对耕地和不同退耕年限林地土壤的同步野外定位观测比较少见。

四川盆地紫色土丘陵区土地面积约1600万hm²,是长江上游最重要的农业区域^[12],坡耕地是这一区域土地的主要利用方式，该区域经过20世纪80年代以来大规模的植树造林及山水田林路综合整治，已形成林地与农地镶嵌的农林复合格局^[13].本研究以紫色土坡耕地和退耕年限为15、30年的林地为研究对象，探讨退耕还林对紫色土坡耕地土壤N₂O排放的影响，以期为紫色土土壤温室气体排放减缓措施提供基础数据。

研究在中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站（105°28′E,31°16′N）桤柏混交林样地以及坡耕地进行（表 1）.林地为桤木（Alnus cremastogyne ）和柏木（Cupressus funebris）混交林，于本区两个退耕还林时期种植，混交林生态系统经过长时间演替，大部分桤木死亡，现已演化为纯柏林。坡耕地毗邻林地，种植制度为冬小麦-夏玉米轮作，小麦于2013-11-07播种，2014-05-16收割，玉米2014-05-21栽种，2014-09-26收获。本区具有四川盆地典型亚热带湿润季风气候特征，地处盆地西部春夏旱区与东部伏旱区的交错地带，有春旱、夏旱、伏旱、秋淋的威胁，年均温度17.3 ℃，极端最高气温40 ℃，极端最低气温-5.1 ℃，多年平均降雨量825 mm.试验地土壤均为蓬莱镇紫色土，样地的基本特征与土壤理化性质见表 2.

表 1 研究样地基本情况 Table 1 Basic information of plots studied

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表 2 试验地土壤基本理化性质 Table 2 Physical and chemical properties of studied sample soils

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本研究根据邻近样地相比较的方法，样地分别选取不同退耕年限（15年和30年）桤柏混交林地和坡耕地作为研究对象，样地人为干扰相对较少且立地条件相似，植被等调查信息见表 1.林地均设置为保留枯枝落叶处理，4个随机重复。坡耕地设置常规施氮（CL）有植株处理，用于观测田间状态下小麦-玉米轮作坡耕地土壤的N₂O排放，4个随机重复。坡耕地设置不施肥对照处理（CL-CK）,4个随机重复。坡耕地小麦季氮肥（碳铵）施用量为130 kg N·hm^-2（以纯N计）、磷肥90 kg P₂O₅·hm^-2、钾肥36 kg K₂O·hm^-2,施肥方法是表层撒施，仅施基肥，施肥时间2013-11-08.耕作方式为机器翻耕，深度约为20 cm.小麦播种密度是150 kg·hm^-2.玉米季氮肥（碳铵）施用量为150 kg N·hm^-2（以纯N计）、磷肥90 kg P₂O₅·hm^-2、钾肥36 kg K₂O·hm^-2,施肥方法是穴施，时间2014-06-25.耕作方式为机器翻耕，深度为20 cm.玉米播种密度是5万株· hm^-2.试验期间，定期贴地面剪去杂草。

采用静态箱-气相色谱法对林地和坡耕地土壤的N₂O通量观测，观测频率为每周1次，在特殊时段（降雨或者施肥）增加观测次数。气体排放通量的计算公式如下：

式中：F为气体排放通量，μg N₂O-N·m^-2·h^-1;a为气体浓度的平均变化率；V为采样箱体积，m³;A为采样箱底面积，m²;M为气体摩尔质量，g·mol^-1;V0为标准状况下气体的摩尔体积，L·mol^-1;T和P分别为采样时的温度（K）和气压（hPa）;T₀和P₀为标准状况下的气温、气压；c为量纲转换系数。

采用通量线性外推法插补缺失值，用通量和时间的乘积计算气体的累积排放量。

在气样采集开始和结束时，用便携式温度计（JM 624）测定箱内和土壤温度（地下5 cm）.土壤体积含水率用土壤水分测定仪（MPM-160B）测定。在采集气样的同时，采集土壤样品（地下5 cm）,带回实验室分析土壤NO₃^--N、NH₄⁺-N含量。测定步骤为：称取土样，加入0.5 mol·L-1 K2SO4（液土比为5 mL∶1 g）,振荡、离心、过滤，取滤液用AA3流动分析仪（SEAL Auto Analyzer 3,德国）测定NO₃^--N、NH₄⁺-N浓度。

土壤湿度用总孔隙含水率（Water-filled pore space,WFPS）表示：

式中：SWM为土壤体积含水率，%;BD为土壤容重，g·cm^-3;PD为土壤密度，均取2.65 g·cm^-3.

N₂O排放系数利用以下公式计算得到：

N₂O排放系数（%）=（TN-TCK）/M×100

式中：TN为施肥后 N₂O 排放量，kg N₂O-N·hm^-2;TCK为对照不施氮肥的 N₂O 排放量，kg N₂O-N·hm^-2;M为农田氮肥施用量，kg N·hm^-2.

采用单因素方差分析及多重比较（方差齐性时LSD法检验，非齐性时Tamhane′s T2法检验）比较平均值差异的显着性。用偏相关分析法分析土壤温度、湿度、无机氮含量与气体通量的关系。以上分析均用SPSS 17.0进行。

CL、CL-CK以及FL₁₅、FL₃₀的降雨量、气温和土壤温度、湿度变化如图 1、图 2所示。各处理土壤地下5 cm温度变化趋势基本相似，土壤温度总体与气温相呼应，2013-12-20至2014-01-20冬季土壤温度大幅度下降，春季温度缓慢回升，夏季达到最大。CL、CL-CK以及FL₁₅、FL₃₀的土壤温度的平均值分别为17.6、16.0、16.0、15.6 ℃，相互间无显着性差异（P>0.05）.CL、CL-CK以及FL₁₅、FL₃₀土壤湿度的平均值分别为47.9%、44.07%、55.2%、41.6%,FL₁₅与FL₃₀、CL间均存在显着差异（P<0.05）,FL₃₀与CL间无显着差异（P>0.05）.

图 1 试验期间气温及降水量变化 Figure 1 Seasonal patterns of air temperature and precipitation during experimental period

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图 2 试验期间土壤温度和湿度（WFPS）变化 Figure 2 Seasonal patterns of soil temperature and moisture during experimental period

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试验期间坡耕地施肥处理土壤无机氮（硝态氮和铵态氮）含量如图 3所示。施肥后土壤硝态氮和铵态氮含量变化非常明显，小麦季分别在施肥后第7 d和第5 d达到最大值78.6、5.30 mg·kg^-1,土壤无机氮含量高峰期持续约2周，之后均出现动态波动，但总体呈下降趋势；玉米季土壤硝态氮和铵态氮均于施肥后第4 d达到最大值，分别为33.0、4.60 mg ·kg-1,高峰期持续约10 d,至玉米收获期土壤无机氮含量达到最低，硝态氮和铵态氮分别低于1.20、3.40 mg·kg^-1.观测期内坡耕地土壤硝态氮和铵态氮平均含量分别为23.9、2.20 mg·kg^-1.如图 3所示，坡耕地不施肥处理（CL-CK）土壤硝态氮和铵态氮含量在观测期内变化不明显，平均含量分别为12.5、5.70 mg·kg^-1.退耕15年的林地土壤硝态氮和铵态氮含量在2014年3月至7月期间出现剧烈波动，可能是这段时间内温度与降雨量变化引起的，观测期内平均含量分别为5.90、5.40 mg·kg^-1,FL₃₀与FL₁₅表现出类似的变化特征，观测期内平均含量分别为10.3、3.90 mg·kg^-1.方差分析表明，CL土壤中的NO₃^--N含量与CL-CK 、FL₁₅、FL₃₀呈现极显着差异（P<0.01）,CL-CK 与FL₁₅、FL₃₀呈现极显着差异（P<0.01）,FL₁₅与FL₃₀的NO₃^--N含量则无显着性差异（P>0.05）;CL土壤中的铵态氮含量与CL-CK、FL₁₅、FL₃₀也呈现极显着差异（P<0.01）,FL₁₅与FL₃₀的铵态氮含量呈现显着差异（P<0.05）.

图 3 试验期间土壤硝态氮和铵态氮含量变化 Figure 3 Seasonal patterns of soil nitrate- and ammonium-nitrogen content during experimental period

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如图 4所示，CL土壤N₂O排放的季节变化呈“双峰型”,为小麦、玉米季施肥所致。小麦季CL在施氮后第4 d出现N₂O排放高峰，排放峰持续时间约30 d,平均排放速率是18.0 μg N₂O-N·m^-2·h^-1;玉米季时CL在施氮后第6 d N₂O排放达到峰值，排放峰持续时间约15~20 d,平均排放速率是35.2 μg N₂O-N·m^-2·h^-1.CL-CK的N₂O排放的季节波动不明显，平均排放量是6.60 μg N₂O-N·m^-2·h^-1.FL₁₅和FL₃₀的N₂O排放表现出相似的季节变化规律，均有一些脉冲排放峰，可能是观测期内温度与降雨量变化引起的，总体上其季节波动不大。观测期内，CL、CL-CK、FL₁₅、FL₃₀的N₂O平均排放速率分别是25.6、6.60、1.20、4.30 μg N₂O-N·m^-2·h^-1,其中CL显着高于CL-CK、FL₁₅、FL₃₀（P<0.01）,CL-CK、FL₃₀显着高于FL₁₅（P<0.01）,CL-CK高于FL₃₀（P<0.05）.

图 4 试验期间土壤N2O排放通量季节变化 Figure 4 Seasonal patterns of soil N2O fluxes during experimental period

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如图 5所示，CL、CL-CK、FL₁₅和FL₃₀全年的排放量分别为1.01、0.400、0.050、0.310 kg N₂O-N·hm^-2.CL、CL-CK土壤在小麦季的累计排放量分别为0.540、0.300 kg N₂O-N·hm^-2,玉米季的排放量为0.470、0.100 kg N₂O-N·hm^-2.CL在小麦季的N₂O排放系数为0.180%,在玉米季为0.250%,全年的N₂O排放系数为0.220%.与CL相比，FL₁₅和FL₃₀全年的排放量分别减少了95.1%、69.3%,而相对于CL-CK,FL₁₅和FL₃₀的N₂O排放分别减少87.5%、22.5%.由此可知，紫色土坡地退耕还林后土壤N₂O排放显着减少，不同退耕年限的土壤排放通量表现为FL₃₀>FL₁₅.

图 5 试验期间土壤N2O 排放总量 Figure 5 Annual cumulative emissions of soil N2O flux during experimental period

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对CL、CL-CK及FL₁₅、FL₃₀的土壤N₂O排放速率与地下5 cm处土壤温度的偏相关性分析发现，CL小麦季与土壤温度无显着相关关系（P>0.05）,玉米季呈现显着正相关关系（R²=0.61,P<0.05,n=61）.这可能是因为玉米季土壤温度较高且波动较大，造成玉米季N₂O排放对土壤温度变化的响应明显，CL-CK呈现极显着正相关关系（R²=0.65,P<0.01,n=61）,FL₁₅呈现极显着正相关关系（R²=0.64,P<0.01,n=51）,FL₃₀呈现极显着正相关关系（R²=0.46,P<0.01,n=47）.由此可见，土壤温度对FL₁₅、CL玉米季、CL-CK、FL₃₀土壤N₂O排放均有极显着影响，对CL小麦季土壤N₂O排放影响不显着。土壤中硝化作用和反硝化作用的微生物活动均有其适宜的温度范围，通常认为硝化作用微生物活动的适宜温度范围为25~35 ℃，<5 ℃或>40 ℃都将抑制硝化作用的发生；反硝化微生物最适宜的温度范围30~67 ℃^{[14, 15, 16, 17]}.所测定的CL玉米季、CL-CK以及FL₁₅、FL₃₀的平均土壤温度分别为24.1、16.0、16.0、15.6 ℃，低于硝化作用和反硝化作用微生物活动的最适温度范围。因此，在一定范围内，随着温度的增加，土壤N₂O排放也会发生变化，这解释了温度对CL玉米季、CL-CK及FL₁₅、FL₃₀的土壤N₂O排放影响显着的原因。CL小麦季的平均温度为12.0 ℃，变化范围为3.80~19.3 ℃，可能是较低的土壤温度抑制了硝化作用和反硝化作用微生物活性，因而CL小麦季土壤温度对N₂O排放影响不显着。

CL、CL-CK以及FL₁₅、FL₃₀的土壤湿度的年平均值为47.9%、44.1%、55.2%、41.6%,就大于观测期N₂O排放通量平均值的观测值而言，CL土壤约65.0%的N₂O排放通量集中出现在湿度为51.4%~67.2%的土壤，CL-CK土壤约61.0%的N₂O排放通量集中出现在湿度为49.4%~65.2%的土壤，FL₁₅土壤61.5%的N₂O排放通量集中出现在湿度为55.4%~67.2%的土壤，FL₃₀土壤57.0%的N₂O排放通量集中出现在湿度为55.4%~65.3%的土壤。对FL₁₅、FL₃₀和CL、CL-CK的土壤N₂O排放速率与土壤湿度的偏相关性分析发现，CL与土壤湿度的相关关系如下：CL小麦季R²=0.38,P<0.05,n=33;CL玉米季R²=0.48,P<0.05,n=28;CL整个观测期R²=0.38,P<0.01,n=61;CL-CK R²=0.48,P<0.01,n=61;FL₁₅无相关关系；FL₃₀ R²=0.59,P<0.01,n=47.由此可知，土壤湿度是CL、CL-CK以及FL₃₀土壤N₂O排放季节变化的主要影响因子之一，利于N₂O产生和排放的土壤湿度条件分别是51.4%~67.2%,49.4%~65.2%,55.4%~65.3%.

土壤含水量主要通过影响土壤通气状况、土壤的氧化还原状况、土壤中微生物活性以及土壤中N₂O向大气的扩散来影响N₂O的产生与排放^{[18, 19, 20]}.试验表明，土壤WFPS为45.0%~75.0%时硝化细菌与反硝化细菌均可能成为N₂O的主要制造者，土壤处于饱和含水量以下时由硝化作用产生的N₂O占61.0%~98.0%,N₂O的排放量随土壤含水量的增加而增加，硝化作用产生的N₂O成为主要来源，而当水分饱和时反硝化过程是N₂O的最基本来源；土壤WFPS为54.0%时硝化速率与N₂O的生成速率均最高，硝化速率相当于WFPS为18%时的1.7倍和6%时的1.5倍，而N₂O生成速率分别为7.4倍和1.6倍^[10].本研究中CL、CL-CK以及FL₃₀的土壤平均湿度远低于土壤饱和含水量（图 2）,并且分别有69.0%、68.0%和70.2%的土壤WFPS测定值低于54.0%,表明其土壤湿度总体上处于较低水平，因而CL、CL-CK以及FL₃₀土壤N₂O排放受到土壤湿度的影响比较显着，可能随着土壤湿度的增加而增加；FL₁₅的土壤N₂O排放速率与土壤湿度无相关关系说明其N₂O排放受到土壤湿度的影响较小，原因可能是其平均土壤湿度为55.2%,且58.8%土壤WFPS测定值高于54.0%,其土壤湿度总体上处于较高水平，故土壤湿度的增加可能不会激发土壤N₂O的排放。

CL土壤无机氮含量动态与N₂O排放季节变化趋势出现一致性，对它们进行相关分析发现N₂O排放与NO₃^--N含量无相关性，与NH₄⁺-N表现出相关性（R²=0.37,P<0.01,n=49）.CL-CK、FL₁₅、FL₃₀土壤无机氮季节变化与各自N₂O排放均表现出一定的相似性，但与N₂O排放的相关性均不显着（图 3、图 4）.由于紫色土呈碱性，pH>8,氮素很难以铵态氮的形态存在，施加碳酸氢铵的方式是表施，而不是深施，促进了碳铵水解和硝化反应。施肥后短时间内肥料氮会迅速水解为铵态氮并转化为硝态氮，造成土壤中铵态氮和硝态氮的积累（图 3、图 4）,为土壤硝化和反硝化微生物提供充足的反应底物和能源，提高了土壤有机质的生物有效性，增强了土壤微生物、植物等的呼吸作用，加快了土壤氧的消耗，加速了土壤厌氧条件的形成，促进了土壤反硝化作用^{[21, 22]},因而会出现无机氮含量动态与N₂O排放变化趋势的一致性。研究表明，当土壤中NO₃^--N含量>25.0 mg·kg^-1时，土壤反硝化速率不受NO₃^--N含量影响，呈零级反应；当土壤NO₃^--N含量<25.0 mg·kg^-1时，土壤反硝化反应呈一级反应，此时土壤生物反硝化速率完全取决于NO₃^--N在土壤溶液中的扩散速率^[23].低浓度的NO₃^--N含量可刺激N₂O还原酶活性，大多数情况下NO₃^--N含量是N₂O还原阻抑剂，阻止或延缓N₂O向N₂的转化，其结果随NO₃^--N含量增加N₂O/N₂值迅速增加。本研究中坡耕地小麦季土壤在施肥后两个月NO₃^--N平均含量为40.4 mg·kg^-1,玉米季土壤在施肥后一个月内平均含量为17.5 mg·kg^-1,土壤NO₃^--N含量处于较高水平，因此可能对土壤N₂O排放没有显着影响。NH₄⁺-N与土壤N₂O排放的相关性说明其是坡耕地土壤硝化和反硝化作用的重要限制因子。FL₁₅、FL₃₀土壤无机氮季节变化与各自N₂O排放无相关性说明其不是土壤N₂O排放的重要影响因素。这可能是因为林地土壤无机养分的重要来源是土壤有机氮的矿化^{[24, 25]},而氮的矿化速率才是影响N₂O排放的重要限制因子。另外，降雨过程中随树干径流进入土壤中的有效氮还可以通过影响土壤中微生物活动底物影响N₂O产生。

本研究中坡耕地常规施肥处理的N₂O排放显着高于林地土壤，不同退耕年限的土壤N₂O排放通量为FL₃₀>FL₁₅.这主要是因为：（1）退耕活动实施后，土壤外源N的输入减少，本研究中小麦季氮肥（碳铵）施用量为130 kg N·hm^-2（以纯N计）,玉米季150 kg N·hm^-2（以纯N计）,退耕后土壤每年减少280 kg N·hm^-2的N输入，本区常规施肥小麦-玉米轮作土壤N₂O排放系数为0.220%,因而仅停止施用氮肥一项就可以减排0.610 kg N·hm^-2;（2）土壤无机养分及温湿度发生改变和C∶N得到提高等。随着林分的生长发育，土壤剖面聚集一定厚度的枯枝落叶层，可能导致土壤容重、总孔隙度等发生变化，影响土壤透气性和毛管持水能力等土壤物理性质；土壤有机质的类型和含量也发生改变，影响土壤有机氮的矿化速率^[6].如表 2所示，FL₁₅、FL₃₀的容重、有机质、全氮与C∶N均高于坡耕地土壤。土壤中的有机碳和全氮是衡量土壤肥力的重要指标，并且在生态系统中的迁移转化及生物地球化学循环过程直接影响着温室气体排放，而C∶N越低的土壤越利于N₂O的产生和排放^{[26, 27, 28]}.

紫色土坡耕地退耕还林可显着减少土壤N₂O排放，这与停止氮肥施用、土壤碳氮比升高以及土壤温度、湿度和无机养分（硝态氮、氨态氮）发生变化密切相关。停止施氮的措施对N₂O排放的减排潜力达到0.610 kg N·hm^-2,占CL土壤N₂O排放量的60.3%.退耕15年和30年的林地土壤分别减少0.350、0.090 kg N₂O-N·hm^-2的N₂O排放量，分别占CL-CK土壤N₂O排放量的87.5%和22.5%,主要原因是土壤碳氮比升高，土壤无机养分、温度以及湿度等发生变化。FL₃₀的土壤N₂O排放通量大于FL₁₅的原因可能为退耕30年的土壤碳氮比更低。