粉壟耕作與氮肥減施對木薯地土壤溫室氣體排放及土壤酶活性的影響

楊慰賢，覃鋒燕，劉彥汝，韓笑，周佳，韋茂貴，申章佑，韋本輝

摘要：【目的】研究粉壟耕作與氮肥減施對木薯地土壤溫室氣體排放及土壤酶活性的影響，明確粉壟栽培木薯的增產及碳減排效應，為木薯種植業的可持續發展提供技術支撐。【方法】以木薯品種華南205為試驗材料，利用粉壟耕作和常規耕作2種方式進行整地，分別設4個不同施氮量水平（100%N、50%N、25%N和0N），分2次追肥，于第1次追肥后至木薯收獲期采集土壤溫室氣體及土壤樣品，研究耕作方式及施氮量對土壤脲酶、過氧化氫酶活性及土壤溫室氣體排放量、凈增溫潛勢（GWP）、溫室氣體強度（GHGI）和固碳量的影響。【結果】在木薯整個生育期中， 2種耕作方式下，100%N處理的土壤脲酶活性較高，25%N處理的土壤過氧化氫酶活性較高，且粉壟耕作的酶活性整體上高于常規耕作。土壤溫室氣體累積排放量、GWP、GHGI和土壤固碳量均受耕作方式和施氮量的雙重影響。減氮處理有利于降低土壤N2O、CH4和CO2的累積排放量及GWP和GHGI，0N處理的土壤溫室氣體排放量均最低;常規耕作100%N處理的土壤GWP和GHGI分別為1170.4 kg/ha和0.069 kg/kg，均顯著高于各減氮處理（P<0.05，下同）;粉壟耕作100%N處理的GWP和GHGI分別為367.6 kg/ha和0.014 kg/kg，與各減氮處理差異不顯著（P>0.05）。相同施氮量處理下，粉壟耕作的土壤固碳量均顯著高于常規耕作，其中100%N處理的土壤固碳量最高，為1.95 kg/（ha·a）。【結論】粉壟耕作可通過優化土壤理化性質，提高土壤固氮效率，改善土壤固碳能力。在相同的試驗條件下，粉壟耕作100N%處理的碳減排效果最明顯。

關鍵詞： 粉壟耕作;木薯;減量施肥;土壤酶活性;凈增溫潛勢;溫室氣體強度

中圖分類號： S533? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2021）09-2426-12

Effects of Fenlong tillage and reducing nitrogen treatment

on soil greenhouse gas emissions and soil enzyme

activities in cassava field

YANG Wei-xian1， QIN Feng-yan1， LIU Yan-ru1， HAN Xiao1， ZHOU Jia2，

WEI Mao-gui1*， SHEN Zhang-you2*， WEI Ben-hui2

（1College of Agriculture， Guangxi University， Nanning? 530004， China; 2Cash Crops Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning? 530007， China）

Abstract：【Objective】The objective of the current study was to investigate influences on the greenhouse gas emission of soil and enzyme activities caused by Fenlong tillage （FLT） technology and nitrogen fertilizer application，to investigate the effect of planting cassava in FLT on yield increase and carbon emission reduction，and the existing cassava cultivation methods were optimized to provide technical support for sustainable development of cassava planting industry. 【Method】Cassava（Manihot esculenta Crantz） variety South China 205 was used as materials and cultivated using the FLT technology and the conventional tillage （CT） method，respectively. Four different nitrogen application rates were set up for both the FLT and CT. The conventional nitrogen application amount was set as 100%N treatment while other treatments were treated as 50%N，25%N and 0N. Conventional phosphorus and potassium were used for all treatments. The fertilizer was applied as topdressing twice. Soil greenhouse gas emission and soil samples were collected from the first topdressing period to the cassava harvest season. The effects of combing tillage methods and nitrogen application on soil greenhouse gas emissions characteristics，the global warming potential （GWP），the greenhouse gas intensity （GHGI），soil carbon sequestration，soil urease and catalase activity were examined. 【Result】During the whole growth period of cassava，soil urease activity was higher under 100%N treatment and soil catalase activity was higher under 25%N treatment under the two tillage methods，and the enzyme activity under FLT was higher than that under CT. Soil greenhouse gas emissions，GWP，GHGI and soil carbon sequestration were all affected by tillage methods and nitrogen application rates. N2O，CH4 and CO2 emissions， GWP，GHGI were decreased under nitrogen reduction treatment，and soil greenhouse gas emissions under 0N treatment were the lowest. In the blocks using the conventional tillage method，GWP and GHGI of the 100%N treatment were 1170.4 kg/ha and 0.069 kg/kg，respectively，which were significantly higher than other nitrogen reduction treatments（P<0.05，the same below）. For the blocks using FLT， the GWP and GHGI of the 100%N treatment were 367.6 kg/ha and 0.014 kg/kg， respectively. And there were no difference of GWP and GHGI between the 100%N and other nitrogen reduction treatments（P>0.05）. With the same nitrogen application rate，the soil carbon sequestration of the FLT treatment was always significantly higher than which under the CT treatment. The highest carbon sequestration was found in the FLT treatment 100%N，and as high as 1.95 kg/（ha·a）. 【Conclusion】FLT by optimizing the soil physical and chemical properties，improves the efficiency of soil nitrogen，improves soil carbon sequestration ability. Under the same experimental conditions， comparing with CT，FLT with 100%N treatment has the most obvious carbon emission reduction effect.

Key words： Fenlong tillage;cassava;reduced fertilization;soil enzyme activity;global warming potential;greenhouse gas intensity

Foundation item： National Natural Science Foundation of China（31860347，31960389）

0 引言

【研究意義】木薯（Manihot esculenta Crantz）塊根富含淀粉，是生產淀粉和發酵制醇的重要工業原料之一。廣西是我國木薯主產區，木薯產量占全國木薯總產量的60%以上。受土地資源及種植習慣等因素影響，廣西絕大部分木薯種植在耕層淺、易板結且無灌溉條件的旱坡地或邊際地上。傳統耕作方式以旋耕為主，旋耕地塊的土壤耕層淺薄易板結，導致作物生產過程中的肥料利用率逐年降低，而農民為了保證木薯產量，勢必增加化肥和農藥用量，進而導致更多的溫室氣體排放、土壤酸化嚴重及水體污染等農業面源污染問題（孟夢等，2013;何悅和漆雁斌，2020;王新剛等，2020）。如何在化肥零增長的前提下保證作物產量，減少溫室氣體排放，需要探索新的耕作方式。旱作深旋耕粉壟耕作技術用螺旋型鉆頭代替犁頭，耕作時鉆頭入土深度達30～60 cm，分層超深松土壤，一次性完成深耕、粉碎、成壟等作業程序，省力、省工、增效;此外，粉壟耕作還具有加深土壤耕作層、全耕作層土壤均勻細碎、保持土壤長時間疏松及促進作物根系發達、植株健壯、產量增加等優點（韋本輝等，2012a）。因此，研究粉壟栽培條件下，不同施氮量對木薯地土壤溫室氣體排放和土壤酶活性的影響，探明粉壟栽培在適當減肥并保產增產的同時能減少土壤溫室氣體排放的田間管理措施，對廣西木薯產業的可持續發展具有重要意義。【前人研究進展】目前已有較多研究報道了耕作方式及施氮對土壤溫室氣體和土壤酶活性的影響。Bista等（2017）研究指出，短期內免耕或少耕可減少土壤溫室氣體排放，且能提高土壤礦質氮含量;但隨著連續免耕時間的延長，土壤N2O和CO2氣體排放則會明顯增加（Lognoul et al.，2017）。Zhang等（2017）研究表明，旋耕和增施秸稈等有機氮肥可導致農田土壤溫室氣體CH4排放量增加，會提高產甲烷菌的數量，進而改變相關土壤酶活性。張俊麗等（2018）研究認為，深松耕對增加土壤CO2氣體排放的貢獻遠大于免耕，但同時也提高了土壤酶活性。趙力瑩等（2018）、Lü等（2019）、繆平貴等（2020）研究表明，旋耕不利于控制溫室氣體排放，會提高冬小麥、馬鈴薯全生育期農田N2O和CO2排放通量。張志勇等（2020）研究指出，夏玉米種植中采用秸稈還田旋耕減施氮肥可在保持較高土壤酶活性的同時減少農田溫室氣體排放。關于粉壟耕作對土壤溫室氣體排放及土壤酶活性的影響，鄭佳舜等（2019）研究表明，深旋耕粉壟整地配施綠肥和化肥對水稻田溫室氣體減排有一定積極作用;黎佐生等（2020）研究表明，粉壟種植甘蔗可有效提高土壤微生物數量和改善土壤酶活性，有利于改良土壤質量。【本研究切入點】目前，針對粉壟耕作技術的研究主要集中在其對作物產量及根系生長的影響方面（韋本輝等，2012b;劉江漢和何文壽，2020），而粉壟耕作配合氮肥減施能否減少旱地作物土壤溫室氣體排放的研究鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】利用粉壟和常規耕作2種方式進行整地，設4個不同施氮量水平，研究耕作方式及施氮量對土壤的溫室氣體排放量、凈增溫潛勢（Global warming potential，GWP）、溫室氣體強度（Greenhouse gas intensity，GHGI）、固碳量及酶活性的影響，明確粉壟栽培木薯的減排效應，優化現有木薯栽培方法，為木薯產業的可持續發展提供技術支撐。

1 材料與方法

1. 1 試驗地概況

試驗于2019年在廣西農業科學院武鳴里建試驗基地（東經107°49?26?、北緯22°59?58?）進行。試驗地年平均氣溫21.7 ℃，年均降水量1233.4 mm，年均日照時數1660 h，年太陽輻射總量496.81 KJ/m2。耕作層（0～20 cm）土壤pH 5.65、堿解氮含量60.38 mg/kg、速效磷含量45.09 mg/kg、速效鉀含量42.17 mg/kg、有機質含量17.23 g/kg。

1. 2 試驗材料

供試木薯品種為華南205，由中國熱帶農業科學院選育。

供試肥料：氮肥為尿素（N≥46.4%，湖北大田化工股份有限公司生產），磷肥為鈣鎂磷肥（P2O5≥18.0%，云南省昆明磷都鈣鎂磷肥廠生產），鉀肥為氯化鉀（K2O≥60.0%，原產國約旦，中化化肥有限公司銷售）。

1. 3 試驗方法

田間試驗采用裂區設計，主因素為耕作方式，副因素為施氮水平。2種耕作方式為粉壟耕作和常規耕作。設4個施氮水平，分別為100%N（常規施肥量：N 358.80 kg/ha，P2O5 89.10 kg/ha，K2O 187.50 kg/ha）、50%N（氮肥較常規施肥量減少50%，磷、鉀肥不變）、25%N（氮肥較常規施肥量減少75%，磷、鉀肥不變）和0N（不施氮肥，磷、鉀肥不變）。主因素內隨機區組排列副因素，小區長14 m、寬5 m，共8個處理，3次重復。

1. 4 田間管理

粉壟耕作使用LG-125型自走式粉壟機（廣西五豐機械公司），一次性完成整地，土壤深耕深松30 cm。常規耕作使用紐荷蘭牌110馬力拖拉機，臥式旋耕。4月16—18日種植，種莖長度15 cm，株行距為1 m×1 m。種植時不施基肥，第1次追肥在植后60 d（6月16日）進行，占總施肥量的60%;第2次在植后120 d（8月19日）進行，占總施肥量的40%，追肥以撒施方式進行，施肥后用薄土覆蓋形成小壟。試驗期間無人工灌水，12月16—17日收獲。

1. 5 測定項目及方法

1. 5. 1 氣體采集與測定 試驗觀測時間為2019年6—12月。每小區設1個采樣點，采樣點位于該小區中心位置的壟面上。氣體采集與測定采用分離式靜態箱—氣相色譜法進行（鄭佳舜等，2019）。靜態箱分為底座和箱體2個部分，底座為50 cm×50 cm，箱體為50 cm×50 cm×50 cm。在第1次施肥當天將不銹鋼底座埋入土壤約10 cm深，采集氣體時將靜態箱鑲在底座上且用水密封防止漏氣，箱子頂部小孔用硅膠密封。

氣體采集：集中進行2輪氣體采集，分別在每次追肥后的第1、2、3、5和7 d進行。在第1輪氣體采集結束后的第30 d，第2輪氣體采集結束后的第30、60和90 d分別進行1次氣體采集。采氣時間為上午9：00—11：00，采樣前后記錄氣箱內溫度。每次取樣分別在封口后的0、10、20和30 min用50 mL注射器抽取，重復3次。把氣體保存在注射器筒中，帶回試驗室用7890A氣相色譜儀（美國Agilent公司）進行測定。N2O用ECD前檢測器檢測，CO2和CH4用FID后檢測器檢測。土壤溫室氣體排放通量計算公式為（黃太慶等，2010）：

F=ρ×[VA]×[ΔCΔt]×[273273+T]

式中，F為N2O[?g /（m2·h）]、CO2和CH4排放通量[mg /（m2·h）];ρ表示標準狀況下CO2?C、CH4?C（0.54 g/L）和N2O?N（1.25 g/L）的密度;A為采樣箱底座內土壤表面積（m2）;V為采氣箱的體積（m3），[ΔCΔt]表示CO2、CH4[?L/（L·h）]和N2O[nL/（L·h）]的排放速率;T為采樣箱內溫度（℃），273為氣態方程常數。

1. 5. 2 溫室氣體累積排放量 溫室氣體累積排放量計算公式為（王旭燕等，2015）：

f=[i=1n（Fi+1+Fi）2×（Di+1-Di）×24100]

式中，f為觀測期內氣體累積排放量，Fi+1、Fi分別為第i+1次和第i次被測氣體排放通量;Di+1、Di分別為第i+1次和第i次采樣時間（d）。

1. 5. 3 土壤樣品采集、測定及土壤固碳量計算

供試土樣分別于耕作后種植木薯前和木薯收獲后采集。各小區按S形路線隨機取5個點的土樣，采樣深度為0～20 cm。采用環刀法測定土壤容重（魯如坤，2000）。其他土樣充分混勻后揀去植物殘根和石礫等，經風干、磨碎過篩，采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳含量（鮑士旦，2000）。土壤固碳量計算公式為（成臣等，2015）：

SCS=0.1×（[SOC]t-[SOC]0）×γ×H

式中， SCS為土壤固碳量[kg/（ha·a），以C計]，[SOC]t為試驗第t年后土壤有機碳含量（g/kg），[SOC]0為試驗前土壤有機碳含量（g/kg），γ為試驗前后土壤的平均容重（g/cm3），H為土壤厚度（20 cm）。

1. 5. 4 土壤GWP和GHGI計算 農田GWP以農田排放CH4和N2O的綜合增溫潛勢與土壤固碳減緩全球變暖貢獻的差值表示（Zhang et al.，2020）。在GWP估算中，一般CH4和N2O排放量按分子溫室效應轉換成CO2當量進行溫室效應估算（廖萍等，2018）。在100年時間尺度上，單位質量CH4和N2O的全球增溫潛勢分別為單位質量CO2的28和265倍（Zhang et al.，2014），農田凈GWP（kg/ha）計算公式為（成臣等，2015）：

GWP=28×fCH4+265×fN2O×SCS-44/12

式中，fCH4、fN2O分別為測定期內CH4和N2O的累積排放量（kg/ha）。

單位產品的綜合凈溫室效應即為GHGI（kg/kg，yield），其計算公式為（熊正琴和張曉旭，2017）：

GHGI=[GWPYield]

式中，Yield表示當季木薯實際產量（t/ha）。

1. 5. 5 土壤溫度和濕度測定 隨機選取粉壟耕作和常規耕作小區，在采氣的同時，把溫濕度黑匣子（L92-1）埋入土壤5 cm深處，穩定5 min后記錄土壤溫度和濕度。

1. 5. 6 土壤酶活性測定 溫室氣體取樣當天進行土壤田間取樣，每小區采用S形取樣法隨機取5點，用土鉆取0～20 cm土樣并放入自封袋中，自然風干，過20目土篩后進行土壤脲酶和過氧化氫酶活性測定。脲酶活性采用苯酚—次氯酸鈉比色法測定（關松蔭，1989），過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測定（楊蘭芳等，2011）。

1. 6 統計分析

采用Excel 2010整理數據并制圖，使用SPSS 22.0進行方差分析、成對t檢驗及多重比較。

2 結果與分析

2. 1 不同耕作方式土壤溫濕度的變化

圖1為觀測期內粉壟耕作和常規耕作5 cm土層土壤的溫度和濕度變化趨勢。成對t檢驗結果表明，粉壟耕作的土壤溫度極顯著低于常規耕作（t=-6.44，P<0.001）。由圖1可看出，從6月下旬到9月中旬，常規耕作的土壤溫度明顯高于粉壟耕作的土壤溫度;10月入秋后，2種耕作方式下的土壤溫度均隨著季節性溫度的下降而降低。此外，粉壟耕作的土壤濕度在整個觀測期內變化較平緩，變幅較小，顯著高于常規耕作的土壤濕度（t=2.20，P=0.038）。7月降雨量較大，粉壟耕作的土壤疏松，利于雨水下滲，耕作層的土壤濕度較常規耕作低;8月降雨量少，粉壟耕作土壤較常規耕作土壤的保水能力強，濕度更大。說明與常規耕作相比，粉壟耕作對土壤物理結構優化的效果更明顯。

2. 2 不同處理土壤酶活性的變化

2. 2. 1 脲酶活性 土壤耕作方式和施氮量均極顯著（P<0.01，下同）影響土壤脲酶活性（表1）。由圖2可看出，粉壟耕作方式下，木薯主要生育時期的土壤脲酶活性均隨著施氮量的增加而升高，且木薯塊根形成期和塊根膨大期的酶活性相對較高，塊根成熟期的酶活性則較低。在木薯同一生育期中，2種耕作方式下不同施氮處理間的土壤脲酶活性存在差異。隨著木薯生長進程的推進，與常規耕作相比，粉壟耕作下50%N和100%N處理的土壤脲酶活性均較高，其中粉壟耕作100%N處理的土壤脲酶活性在塊根形成期最高，為0.26 mg/（g·d），是粉壟耕作0N處理的1.38倍，是常規耕作100%N處理的1.08倍。木薯整個生育期中2種耕作方式0N處理下的土壤脲酶活性均最低;2種耕作方式相同施氮處理下，木薯塊根成熟期粉壟耕作25%N、50%N和100%N處理的土壤脲酶活性均顯著高于常規耕作（P<0.05，下同）。總體上，較木薯其他生育期，土壤脲酶在木薯塊根膨大期活性較高。

2. 2. 2 過氧化氫酶活性 土壤耕作方式和施氮量均極顯著影響土壤過氧化氫酶活性（表1）。由圖3可看出，土壤過氧化氫酶活性在木薯塊根形成期維持較高水平，隨著木薯生育進程的推進，土壤過氧化氫酶活性整體上呈由高逐漸降底的變化趨勢，且在相同生育期不同處理間酶活性出現明顯差異。木薯塊根形成期和塊根膨大期不同處理下的土壤過氧化氫酶活性均呈25%N>50%>100%N>0N的趨勢。木薯同一生長時期，與常規耕作相比，粉壟耕作下25%N、50%N和100%N處理的土壤過氧化氫酶活性更高。在木薯整個生育期中，粉壟耕作25%N處理下土壤過氧化氫酶活性均顯著高于常規耕作。

2. 3 不同處理土壤溫室氣體排放通量的變化

2. 3. 1 N2O排放通量 由圖4可看出，粉壟耕作的土壤N2O排放通量呈現出“慢—快—慢”的變化趨勢（圖4-A）;而常規耕作的N2O排放通量波動較大（圖4-B）。2種耕作方式的N2O排放在第1次追肥次日表現為吸收通量，在施肥一周后大幅度增加，直至7月22日達最高峰值，且常規耕作100%N處理下的N2O排放通量在整個生育期也是最高的。第2次追肥后的N2O排放通量有小幅度增加，常規耕作各施氮處理出現小峰值（圖4-B），而粉壟耕作各施氮處理均未出現明顯變化（圖4-A）。成對t檢驗結果也表明，常規耕作100%N處理的N2O排放通量顯著高于粉壟耕作（t=-2.621，P=0.022）。

2. 3. 2 CH4排放通量 由圖5可看出，土壤CH4排放通量總體上表現為吸收通量。2種耕作方式的CH4排放通量均呈現不規律變化，但常規耕作下的變化幅度較大。不同耕作方式相同施氮量處理比較，常規耕作各處理的CH4排放通量均高于粉壟耕作，其中常規耕作25%N處理的CH4排放通量顯著高于粉壟耕作（t=-3.378，P=0.005），表明粉壟耕作對降低田間CH4排放量有一定效果。

2. 3. 3 CO2排放通量 由圖6可看出，2種耕作方式不同施氮量處理的CO2排放通量隨著季節改變而呈現相似的變化規律，變化范圍3.43～311.06 mg/（m2·h）。在第1次追肥的一周內，CO2排放通量均低于50.00 mg/（m2·h），隨后逐漸增加，直至7月22日達峰值（常規耕作25%N處理除外），其中，常規耕作100%N水平的CO2排放通量峰值311.06 mg/（m2·h）最高，是粉壟100%N處理CO2排放通量峰值的1.73倍。常規耕作在8月下旬至9月底出現較為明顯的二次峰值，而粉壟耕作無明顯變化。從8月20日開始，粉壟耕作50%N和100%N處理下土壤的CO2排放通量明顯低于常規耕作，以粉壟耕作50%N處理效果最佳。

2. 4 土壤溫室氣體累積排放量

由表2可知，土壤N2O累積排放量受耕作方式、施氮量及其交互作用的影響，其中施氮量對其影響較大。由圖7-A可看出，常規耕作100%N處理下土壤的N2O累積排放量最高（4.53 kg/ha），顯著高于常規耕作其他施氮量處理及粉壟耕作各處理，其中是粉壟耕作100%N處理的3.3倍（圖7-A）。2種耕作方式下0N、25%N和50%N處理間的N2O累積排放量差異均不顯著（P>0.05，下同）。

土壤CH4累積排放量受耕作方式與施氮量及施氮量與耕作方式交互作用的影響（表2）。由圖7-B可看出，除常規耕作25%N處理外，其余7個處理的CH4累積排放量均為負值，即為吸收狀態。常規耕作在25%N處理下土壤CH4累積排放量顯著高于粉壟耕作;而在100%N處理下，粉壟耕作顯著高于常規。粉壟耕作中，CH4累積排放量隨著施氮量的增加而遞增，常規耕作則呈現不規律變化。

各處理CO2累積排放量主要受施氮量和耕作方式的影響（表2）。多重比較表明，常規耕作100%N處理下土壤的CO2累積排放量（5286.70 kg/ha）顯著高于粉壟耕作（3583.30 kg/ha）（t=1.479，P=0.045）。2種耕作方式下，均為50%N處理的CO2累積排放量均最低，顯著低于100%N處理（圖7-C）。

2. 5 土壤GWP、GHGI和固碳量

由表3可知，土壤GWP和GHGI均受耕作方式、施氮處理及其交互作用的影響，其中耕作方式是主要影響因素。常規耕作條件下，100%N處理的土壤GWP和GHGI均顯著高于各減氮處理，分別是0N、25%N和50%N處理的4.89、2.22、2.40倍和4.6、2.46、2.46倍。說明常規耕作條件下，減施氮肥可顯著降低土壤GWP和GHGI。在粉壟條件下，100%N處理的GWP和GHGI均與各減氮處理差異不顯著。

此外，土壤固碳量也受耕作方式、施氮處理及其交互作用的影響，耕作方式是主要因素（表3）。各處理土壤固碳量最高的是粉壟耕作100%N處理，固碳量高達1.95 kg/（ha·a）;相同施肥水平下，粉壟耕作處理的土壤固碳量均高于常規耕作。

2. 6 土壤酶活性與溫室氣體的相關分析

由表4可知，土壤脲酶活性與木薯塊根形成期的土壤N2O和CO2排放通量存在顯著正相關，相關系數分別為0.46和0.47;土壤過氧化氫酶活性與木薯膨大期和成熟期的土壤CH4排放通量存在顯著負相關，相關系數分別為-0.48和-0.42;其他時期的土壤酶活性與溫室氣體排放通量無顯著相關性。

3 討論

3. 1 耕作方式與施氮量對土壤脲酶和過氧化氫酶活性的影響

土壤酶活性是土壤微生物分布的重要體現，而土壤微生物則影響作物對土壤養分的吸收利用。黎佐生等（2020）研究表明，與常規耕作相比，粉壟耕作可有效提高土壤微生物數量和土壤酶活性，進而改善土壤質地。本研究中，在木薯的塊根膨大期和塊根成熟期，粉壟耕作也較常規耕作有效提高了土壤酶活性，與黎佐生等（2020）的研究結果相似，其原因可能與粉壟耕作下土壤透性良好、土壤含氧量提高有關。

本研究發現，除耕作方式影響土壤酶活性外，氮肥施用量也會對土壤酶活性產生影響。隨著施氮量增加，2種耕作方式下的土壤脲酶活性整體有提高趨勢，其中粉壟耕作100%N處理下的土壤脲酶活性最高;而土壤過氧化氫酶活性則與施氮量相反，且粉壟耕作25%N處理下的土壤過氧化氫酶活性最高。土壤過氧化氫酶活性隨著施氮量的增加呈下降趨勢的結果已在呂艷杰等（2016）研究中得到驗證。而粉壟耕作土壤脲酶活性整體高于常規耕作，可能與粉壟耕作提高土壤團聚體穩定性、營造良好土壤生態環境有關系（王斌等，2020）。

3. 2 耕作方式與施氮量對土壤溫室氣體排放的影響

土壤反硝化作用是N2O生成的主要過程（張亞捷和牛海山，2019）。本研究發現，粉壟耕作各處理的N2O累積排放量均明顯低于常規耕作，且施氮量是導致土壤N2O累積排放量產生差異的主要因素。尤其在100%N處理下，常規耕作的土壤N2O累積排放量與粉壟耕作差異最大，說明在氮肥較高情況下，粉壟耕作排放N2O量比常規耕作要少得多，可能是粉壟耕作能改善土壤理化性狀（楊博等，2020），增大土壤孔隙度，降低土壤溫度并增加土壤濕度、水穩性團聚體，使得參與硝化作用的微生物數量增加（劉江漢和何文壽，2020），進而增強土壤的固氮能力。本研究中，2種耕作方式不施氮肥的N2O累積排放量均低于其他施肥處理，也印證了施用氮肥會增加N2O的排放通量的觀點（易瓊等，2016）。但本研究中出現施氮量較少處理的N2O排放通量峰值反而高于施氮量較多處理的情況，可能與該小區采氣時的土壤田間持水量過高、通氣性差有關。此時的微生物活動主要以反硝化作用為主，從而增加了N2O的排放（Abubaker et al.，2015）。

耕作方式決定了土壤水分、熱量和氣體的交換情況（秦曉波等，2014），不同耕作措施下土壤中甲烷氧化菌的活力不同，而甲烷氧化菌廣泛分布于好氧土壤中（鄭聚鋒等，2008），當溫濕度環境適宜時，甲烷氧化菌活動能力增強，對大氣中CH4（吸收）氧化能力也會增強（王旭燕等，2015）。本研究中，各處理的CH4氣體絕大多數表現為吸收狀態，而在25%N處理常規耕作下的土壤CH4累積排放量顯著高于粉壟耕作，表現為土壤CH4排放源。常規耕作的CH4出現較多源的現象，可能與其耕作層土壤板結相關，如土壤孔隙度減少會引起厭氧的發生，導致土壤還原電位和溶解氧的下降（Yang et al.，2019），從而降低土壤對CH4的吸收能力。而粉壟耕作通過深耕深松土壤，可有效改善土壤板結情況（韋本輝等，2012b），增加土壤孔隙度，可有效降低土溫，整個觀測期內保持較高較平穩的土壤濕度，可能是其CH4氣體匯大于常規耕作的原因之一。此外，前人研究發現施肥可增加CH4排放量（李成芳等，2009），與本研究中的粉壟耕作結果一致，但與常規耕作的結果有區別，可能與常規耕作下的土壤有機質含量較低有關系（Humphreys et al.，2019）。

本研究發現，土壤CO2排放通量受耕作方式影響，粉壟耕作的土壤CO2排放通量顯著低于常規耕作。李成芳等（2010）研究不同耕作方式對稻田土壤CO2排放的影響時也發現，耕作方式才是影響土壤CO2排放的主要原因，施氮處理影響較小。而施用氮肥可通過改變土壤pH影響微生物的活性和土壤有機質的分解速率，進而影響土壤CO2排放量的變化（Snyder et al.，2009）。與常規耕作相比，粉壟耕作50%N和100%N處理下的土壤CO2排放量明顯更少，而粉壟耕作50%N處理效果最佳。周君璽等（2019）也認為，控釋氮肥配施有利于減少旱作春玉米農田CO2排放。本研究中各處理的土壤CO2累積排放量除受耕作影響外還受施氮量的影響，常規耕作條件下100%N處理的土壤CO2累積排放量明顯高于其他處理。然而，粉壟耕作中100%N處理的土壤CO2排放量卻相對較低，可能與粉壟耕作改善土壤物理結構、增加微生物數量的同時，能提高土壤濕度、降低土壤溫度及呼吸速率有關（戴衍晨等，2016;劉江漢和何文壽，2020）。

3. 3 耕作方式與施氮量對GWP、GHGI及土壤固碳量的影響

田間溫室氣體凈增溫潛勢可作為評估溫室氣體排放對全球氣候變化的影響（Guardia et al.，2019）。農田生態系統以利用光合作用固碳生產農產品為主要目的，其凈碳交換可近似為零，故將CH4和N2O的排放來表征農田生態系統的綜合溫室效應（Zhang et al.，2020）。由于各處理的CH4氣體絕大多數表現為吸收狀態，因此，土壤GWP和GHGI在各處理的變化趨勢與N2O的變化近似，均受耕作方式與施氮處理及其交互作用的影響，其中以耕作方式影響較大。常規耕作100%N處理的N2O累積排放量、CO2累積排放量、GWP和GHGI均高于各減氮處理;而粉壟耕作100%N處理的GWP和GHGI均與各減氮處理差異不顯著。說明粉壟耕作的土壤理化性狀優勢明顯，有利于減少CO2、N2O和CH4的排放，粉壟耕作栽培木薯時即使按常規施肥方法施用氮肥，也不會造成土壤GWP和GHGI的上升，碳減排效果顯著。

3. 4 土壤酶活性對土壤溫室氣體的影響

土壤脲酶可催化尿素水解生成氨和CO2，氨在亞硝化細菌的作用下生成亞硝酸，通過硝化細菌的硝化作用生成硝酸鹽，供作物吸收利用，而在反硝化細菌的反硝化作用下產生N2O（張志勇等，2020）。土壤脲酶活性與土壤N2O和CO2排放通量在木薯塊根形成期存在顯著相關，而土壤過氧化氫酶與CH4排放通量在木薯塊根膨大期和塊根成熟期存在顯著相關性，可能與木薯生長發育的關鍵時期有關聯，木薯生長發育加快了根系對土壤養分的吸收利用，促進根系分泌物增加（Girkin et al.，2018），提高了根系微生物的數量，進而影響到土壤酶活性，最終在土壤N2O、CH4和CO2排放通量中得以表現。

4 結論

與常規耕作相比，粉壟耕作可通過優化土壤理化性質，提高土壤固氮效率，改善土壤固碳能力。在相同的試驗條件下，粉壟耕作50%N和100%N處理均不會造成土壤GWP和GHGI上升，且粉壟耕作100N%處理的碳減排效果最明顯。

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（責任編輯 王 暉）