气候变暖是当今全球关注的重要环境问题，其原因主要是大气中CO₂、CH₄、N₂O 等温室气体浓度升高所致，尽管CH₄在大气中的浓度远小于CO₂，但其单位质量的全球增温潜势是CO₂ 的25~28 倍^[1-2]，对气候变暖具有重要影响。土壤是已知吸收大气CH₄的唯一生物壑，每年吸收量约30 Tg，占全球CH₄排放总量的10%~15%^{[1, 3]}，对减缓气候变化具有重要意义。然而，未来气候变暖背景下，陆地生态系统，尤其是农田生态系统CH₄通量的变化响应，关系到陆地生态系统碳源-汇功能的精确评估。

目前，针对土壤CH₄通量对模拟增温的响应研究，已在森林^[4-6]、高寒草甸^[7]、湿地^[8]以及半干旱地区草地^[9-10]等不同生态系统广泛开展，而有关农田生态系统的研究还较少涉及。之前的研究认为^{[9, 11]}，增温对CH₄吸收的影响主要源于土壤温度升高促进甲烷氧化菌的数量及其活性，增加CH₄氧化吸收；相反，对CH₄ 氧化的限制主要是增温导致的土壤干旱制约到上述微生物活动。Liu等^[12]在干旱-半干旱农田区的研究认为，增温造成的土壤干旱胁迫，限制了甲烷氧化细菌活性及其对大气CH₄的氧化吸收，但研究并没有发现增温对相关微生物有显著影响。而在稻田的研究发现，土壤水分虽然不是限制性因子，但增温并未显著加强CH₄通量及相关微生物活动^[13]。因此，明确增温条件下农田CH₄通量的控制机制，是评估未来农田CH₄源-汇响应的关键过程。

我国华北旱作农田主要作为CH₄汇富集区^[14-15]，该地实施的翻耕和免耕管理措施对CH₄吸收的影响研究已有大量报道，例如万云帆等^[16]、田慎重等^[17]、张明园等^[18]研究都发现，翻耕后土壤孔隙度增大，增强了大气CH₄和O₂向土壤扩散，促进CH₄通量交换；相反，免耕造成的土壤表层紧实阻碍到土壤透气性以及相关微生物的活动繁殖，不利于CH₄吸收。然而，未来气候变暖是否改变这两种耕作措施的土壤理化性质以及微生物的活性，进而影响土壤CH₄通量特征，目前研究还尚未涉及。因此，本研究通过设计远红外辐射增温实验来模拟气候变暖，探讨未来增温环境下，华北翻耕、免耕农田土壤CH₄通量的响应及其控制机制，为评估气候变暖背景下区域温室气体排放提供科学依据。

研究选址于中国科学院禹城综合试验站（36°40'~37°12'N，116°22'~116°45'E），该地是华北地区典型的农田生态系统，冬小麦-夏玉米为主要的轮作系统。该地属于温带半干旱季风气候区，海拔23.4 m，年均温度13.4℃，年均降水量约567 mm，其中70%的降水集中在每年6—9月。土壤类型以潮土和盐化潮土为主，表土质地为轻、中壤土^[19]。

实验设计增温为主处理，耕作措施为副处理，分别是翻耕增温（CTW）、翻耕不增温（CTN）、免耕增温（NTW）、免耕不增温（NTN），每个处理4 次重复。其中副处理翻耕、免耕实验于2003 年布置完成，每个小区面积3.7 m×45 m=166.5 m²。增温实验开始于2010 年4月，分别从翻耕、免耕处理各选取4 小区，每个耕作小区随机设计增温、不增温处理各4 个，共计16 个小区^[19]。研究采用MSR-2420 红外增温器（KalgloElectronics Inc，Bethlehem，PA，USA）模拟气候变暖，设备尺寸165 cm×15 cm，增温器悬挂在3 m高铁架上的防雨板内，增温功率2000 W，其向下有效辐射面积2 m×2 m =4 m²，全年增温幅度0.8~2.2℃。不增温小区安装相同高度的铁架和防雨板，使其对阳光和雨水的干扰与增温小区保持一致。同一耕作小区内的增温、不增温处理间隔5 m，以避免相邻增温小区产生的辐射边缘效应。实验区种植作物为冬小麦、夏玉米，每年10 月上旬收获玉米、中旬播种小麦，翌年6月上旬收获小麦，之后播种玉米。各处理小麦季施肥量285 kg N·hm^-2（10 月播种期施基肥112.5 kg N·hm^-2，3月返青后追肥172.5 kg N·hm^-2），玉米季207 kg N·hm^-2（7 月追肥一次性施入）。小麦播种前，各处理前茬作物秸秆全部清除，之后翻耕处理撒施肥料，并人工翻耕10~15 cm土层，将肥料混入土壤；免耕处理不进行翻耕，其基肥在播种时单独开沟施入。玉米季各处理不进行翻耕。另外，免耕处理秸秆还田代替部分氮肥，其中小麦季还田量48 kg·hm^-2，玉米季32 kg·hm^-2，秸秆来源均为前茬作物。小麦和玉米季追肥后进行一次灌溉，其中小麦灌溉量在70~80 mm，玉米季40~50mm。由于2015年夏季降水显著减小，在2015 年6 月18 日增加一次灌溉。

研究使用静态密闭气室法采集CH₄^[12]，采集时间为2013年10月15日至2015年10月7日，其中施肥+灌溉后连续采集7d，其余时间每隔5~7d采集一次，每次采气于北京时间9：00—11：00进行。采气装置分不锈钢基座和PVC罩两部分，其中基座内径19 cm，外径22cm，凹槽深3cm；PVC气室罩直径20cm，高13.5cm。其中基座安置在铁架正下方，并处于两行作物之间；另外，基座只在播种期拔出，其余时间固定不动。采气前24 h，将基座内杂草等植物齐地剪掉，并去除一切活体动物，此举是减小植物或动物活动对气体采集的干扰^[17]。采气时，将上部PVC 罩放入基座凹槽内，并加水保持封闭（冬季使用无腐蚀防冻剂代替水），使用50 mL注射器于0、10、20、30 min采集气体，并使用气相色谱仪GC7890A于24 h内测定完毕。CH₄通量速率计算公式如下^{[16, 20]}：

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式中：F为CH₄ 通量，μg CH₄·m^-2·h^-1；K 为转化系数（0.001）；T_a 为测定期静态气室内空气温度，℃；M 为摩尔质量（16）；V 为标准大气条件下的摩尔体积，22.4 L·mol-1；H 为气室高度，m；dc/dt 为CH₄浓度变化率，μL·L^-1·h^-1。

作物生育期累积CH₄吸收使用相邻两次测定速率与采气间隔时间乘积后累加得出^[2]。

各处理采气时，使用便携式土壤温湿度速测仪同期测定10 cm 土壤温度与土壤体积含水量；同时，每月取土1~2 次，测定MBC 含量，使用K2SO₄ 提取，氯仿熏蒸24 h后，使用重铬酸钾-硫酸溶液测定^[21]。

使用Excel 和SPSS 进行数据处理和分析，最小显著差异法（LSD）分析不同处理间土壤温度、土壤水分、CH₄通量及累计CH₄吸收、MBC 含量差异，并使用Origin 9.1 和Excel绘图。

通过分析2013—2015 年作物生育期气温和降水变化显示（图 1），2013—2014、2014—2015 年小麦季气温分别是10.3℃和11.1℃，高于多年平均值（9.27益）；但第2年小麦季降水为138.0 mm，低于第1 年（171.0 mm）和多年平均值（170.1 mm）。玉米季，2014年和2015 年气温分别是23.0℃和24.1℃，接近多年平均值（23.0℃）；但第2 年玉米季降水（2014 年：196.8 mm；2015 年：77.5 mm）显著低于多年平均值（394.0 mm）。

图 1 2013—2015 年气温、降水变化 Figure 1 Variations of air temperature and precipitation during 2013—2015

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不同处理10 cm 土壤温度具有相似的季节变化规律（图 2），从小麦播种至翌年玉米生长，温度呈现先降低后升高的凹型变化特征。小麦季，CTW、CTN、NTW 和NTN 处理平均土壤温度分别是7.8、6.4、9.0、7.6℃，玉米季分别是22.3、21.2、22.5、21.8℃。分析发现，不同时期增温提高土壤温度的幅度并不具有季节对称性，由于小麦生长期间外界气温相对较低，增温显著增加翻耕、免耕农田土壤温度1.5℃和1.4℃（P<0.05），尤其是在冬季（12 月至翌年2 月），外界气温降至全年最低水平，此时增温极显著提高翻耕、免耕农田土壤温度1.8℃和1.5℃（P<0.01）；但在玉米季，增温提高土壤温度没有达到显著水平（P>0.05）。

图 2 2013—2015年不同处理10 cm土壤温度、土壤体积含水量变化 Figure 2 Variations of soil temperature and soil volumetric water at 10 cm in treatments during 2013—2015

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与土壤温度相反，由于降水、灌溉的影响，各处理土壤水分呈显著的波动变化（图 2）：小麦季CTW、CTN、NTW 和NTN 处理平均土壤体积含水量分别是17.8%、17.9%、20.3%和21.1%，玉米季分别是19.7%、20.0%、20.8%和22.6%。尽管增温加速土壤水分蒸发，但由于灌溉的作用，增温对作物不同生长期土壤水分的影响并没有达到显著性水平（P>0.05）。相反，冬季气温低于0℃时，冻结的土壤因增温融化，增加了土壤水分含量，不过处理间水分含量无显著差异。不同耕作处理对比发现，免耕处理覆盖秸秆限制了土壤水分过快散失，因此，相比翻耕处理，全年免耕处理土壤水分含量显著提高1.8%~2.9%（P<0.05）。

监测显示，各处理CH₄通量无明显季节变化特征（图 3），处理间土壤CH₄ 通量在-236.6~252.8 μgCH₄·m^-2·h^-1间变化，总体上两种耕作农田以CH₄吸收占主导，表明华北农田主要作为CH₄汇富集区。全年分析发现，增温对土壤CH₄ 通量速率并无显著影响，但在冬季出现显著的年际变化差异，2013—2014年冬季，各处理出现CH₄释放，其值在47.3~252.7 μgCH₄·m^-2·h^-1间变化，但在2014—2015 年冬季，各处理以CH₄吸收为主，其吸收速率在-123.1~-2.3 μg CH₄·m^-2·h^-1间变化。小麦返青后（3 月中旬）进行灌溉，各处理出现不同程度的CH₄ 释放现象，CTW、CTN、NTW、NTN 处理CH₄ 释放分别为33.5、70.5、105.4、185.2 μg CH₄·m^-2·h^-1，表明增温可显著降低两种耕作农田CH₄释放。但在玉米季（7 月中旬）灌溉后，并没有发现CH₄释放现象。

图 3 2013—2015 年处理间土壤CH4通量变化 Figure 3 Variations of soil CH4 fluxes in treatments during 2013—2015

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通过计算作物生育期累积CH₄吸收发现（表 1），在2013—2014年小麦季，增温处理CTW、NTW相比不增温处理CTN、NTN分别显著增加35.8%和108.8%的CH₄ 吸收（P<0.01）；但在2014—2015 年，CTW 处理相比CTN处理显著降低CH₄吸收17.7%（P<0.05），而免耕增温与不增温处理间差异不显著（P >0.05）。两年玉米季，各处理平均累积CH₄ 吸收在707.6~958.8 g·hm^-2间变化，增温对累积CH₄吸收无著影响。另外，耕作处理对比发现，CTN 处理累积CH₄吸收只在2013—2014 年小麦季显著大于NTN 处理54.9%（P<0.01），其余生育期处理间并无显著差异。

表 1 不同处理冬小麦-夏玉米季土壤CH₄累积吸收量 Table 1 Cumulative soil CH₄ uptake in different treatments from winter wheat-summer maize season

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土壤MBC表征了农田土壤微生物的活性。从图 4可以看出，MBC 含量呈现明显的季节波动，3 月份之后，MBC 逐渐升高，至夏季（6 月至8 月）达到最高值，之后下降至冬季最低。通过分析两年的数据发现，增温对翻耕农田MBC含量的影响具有显著的年际差异，2013—2014 年小麦季，CTW 和NTW 处理平均MBC 含量分别显著高于CTN 和NTW 处理12.9%和16.9%（P<0.05），但在2014—2015 年小麦季，CTW 处理相比CTN 处理MBC 含量显著降低30.9%（P<0.01），而免耕增温对MBC 含量无显著影响。另外，由于免耕覆盖秸秆增加了土壤碳输入，NTW 和NTN 处理全年MBC 含量相比CTW和CTN 处理分别显著增加19.9%和9.9%（P<0.05）。

图 4 不同处理土壤微生物生物量碳（MBC）变化 Figure 4 Variations of soil microbial carbon（MBC）content in treatments

图选项

干旱-半干旱地区土壤CH₄ 通量主要表现为吸收现象，之前在森林^[6]、草地^{[9, 11]}生态系统的研究发现，增温造成的土壤干旱胁迫，会限制土壤甲烷氧化菌的活性，进一步抑制其对大气CH₄的氧化吸收。农田翻耕产生的土壤扰动虽然增加土壤孔隙度，促进土壤-大气CH₄通量交换，但是在增温时易导致土壤水分过快散失形成干旱胁迫，不利于上述微生物利用CH₄作为能量来源。Liu等^[12]在旱作农田的研究认为，增温形成的干旱机制限制了甲烷氧化菌的数量及其活性，使得CH₄吸收速率显著降低。然而，本研究发现模拟增温并没有显著改变翻耕农田土壤CH₄吸收速率，但小麦季累积CH₄吸收发生显著的年际差异，其中2013—2014 年小麦季增温显著增加累积CH₄ 吸收，而2014—2015 年相反。

研究发现，2013—2014 年小麦季，降水量与多年均值持平，各处理土壤水分含量维持在较高水平（18.4%~22.7%）。因此，增温将进一步促进甲烷氧化菌活性并氧化CH₄。有研究认为^[11]，在水分不受限制条件下，增温可刺激到甲烷氧化菌活动，增大CH₄氧化速率，本研究发现温度与CH₄通量显著相关（Pear原son 相关系数为0.41，P<0.01），证实了水分不受限制时温度对CH₄吸收产生的正效应。2014—2015 年，降水显著减小，虽然灌溉能维持小麦正常生长，但各处理土壤含水量（15.4%~19.8%）相比前一生育期减小，则将相对限制到甲烷氧化菌对CH₄的消耗，降低CH₄吸收。而玉米季增温对累积CH₄吸收无显著影响，可能是由于玉米季气温相对较高，增温的促进作用并不明显，而降水及灌溉又削弱了水分的限制作用，因此增温对微生物氧化CH₄无显著影响。

相比翻耕农田，实施免耕增加了表层土壤紧实度，阻碍大气中CH₄和O₂进入土壤，而且免耕农田易形成厌氧环境，有利于CH₄释放。Rafique 等^[22]通过模型模拟研究，发现增温2℃显著提高免耕农田CH₄释放10%。与之相反，本研究发现华北免耕农田主要以CH₄吸收为主导，而且在2013—2014 年小麦季，增温显著促进了累积CH₄吸收。这表明，在水分不受限制的情况下，增温可能促进土壤甲烷氧化菌活动和繁殖，加强对大气CH₄的吸收。

MBC作为土壤中的活性碳组分，能快速反应土壤碳过程变化，是土壤CH₄吸收重要的生物指示因子^[23]。研究发现，2013—2014年小麦季，增温显著增加翻耕农田MBC 含量，但在2014—2015 年相反，与张明乾等^[23]的研究并不一致。土壤水分充足条件下，溶解性有机碳含量增加，利于微生物在温度上升时提高其活性^[8]，相反，水分亏缺，微生物活性将受到抑制。本研究期间，灌溉维持了相对稳定的土壤水分，但在2015 年降水显著降低的情况下，增温导致的土壤相对干旱，可能限制到翻耕增温处理微生物的数量及其活性。另外，有研究发现^{[19, 23-24]}，长期增温后，微生物群落结构产生适应性选择，导致微生物多样性下降并影响土壤微生物含量。本研究持续了6 年增温实验，这种长期增温可能影响微生物多样性，尤其在低温阶段，微生物对增温的选择性生长可能更明显，并最终影响MBC 含量。相比翻耕处理，免耕处理长期覆盖秸秆提供稳定的碳输入，而且秸秆覆盖能减小土壤水分耗散，保持水分稳定，可能为微生物的活动繁殖创造良好的环境，在此条件下，增温将显著提高免耕农田MBC 含量。

另外，各处理土壤CH₄吸收与MBC含量存在显著相关性（图 5），与赵江红等^[21]的研究一致，表明土壤微生物活性更好地指示了CH₄ 吸收情况。增温对MBC 的影响也说明，长期增温及水分的年际波动，可能影响甲烷氧化菌的数量及活性，进一步制约土壤CH₄吸收，尤其是长期增温后翻耕农田土壤微生物形成适应性生长，可能降低微生物多样性及其群落结构，削弱农田CH₄汇功能。因此，后期应加强模拟增温条件下MBC 含量与CH₄吸收关系的长期监测研究。

图 5 不同处理土壤CH4吸收与MBC 关系 Figure 5 Relationship between soil CH4 uptake and MBC in treatments

图选项

野外模拟增温实验表明，两年作物生育期，增温对华北翻耕、免耕农田CH₄通量速率无显著影响，但具有显著的年际差异，2013—2014 小麦季，增温显著促进两种耕作农田累积CH₄吸收；但在2014—2015年相反。玉米季，增温对累积CH₄吸收影响不显著。微生物生物量碳含量的变化是导致各处理累积CH₄吸收产生差异的主要原因，在第1 年小麦生育期，增温提高了微生物含量，并促进CH₄吸收，但长期增温导致翻耕农田微生物量显著减小，将削弱土壤对CH₄氧化吸收能力。未来气候变暖条件下，农田土壤微生物多样性及其含量降低，将可能进一步影响华北农田碳汇功能。