近年来，温室气体的排放所引起的全球气候变暖是科学家们广泛关注的问题。在北方旱地土壤中，温室气体主要是指CO₂和N₂O，据估计，5%—20%的CO₂和80%—90%的N₂O来源于土壤^[1]。土壤是温室气体产生的重要来源，其碳氮含量的改变与CO₂和N₂O排放密切相关。溶解性有机物(DOM)是表征土壤有机质快速变化的最敏感指标之一，其含量变化对研究土壤养分循环和温室气体的排放具有重要作用^[2]。溶解性有机碳(DOC)和溶解性有机氮(DON)是DOM的主要组分。

土壤DOC、DON含量和动态对CO₂、N₂O排放过程产生重要影响。在沼泽土壤中，DOC含量与CO₂排放有一定的相关性^[3]；Chow在研究影响农业泥炭土壤DOC产生和碳循环过程的因素中指出CO₂矿化量和DOC浓度密切相关^[4]；李永夫在研究施肥对林地土壤水溶性有机碳和温室气体排放影响时发现，不同施肥处理毛竹林土壤 CO₂和N₂O排放速率分别与土壤DOC和DON含量呈显著的相关性^[5]；陈涛对施肥影响水稻土有机碳矿化的研究结果表明，土壤矿化产生的CO₂排放速率与水溶性有机碳含量之间的相关性达到了极显著的水平^[6]。上述学者对非农田土壤和水稻土中DOM与温室气体排放的关系进行了探讨，然而，在以潮土为主的农田生态系统中，关于DOM对温室气体排放过程影响的研究尚未见报道。

基于以上分析，本研究开展室内培养试验，对添加秸秆和施氮肥条件下潮土中CO₂和N₂O的排放动态，及其气体排放量与溶解性有机碳氮动态之间的相关性进行探讨，旨在揭示温室气体的排放机理，为农田生态系统的固碳减排及减缓全球温室气体的排放提供参考依据。

培养试验所用土壤取自中国科学院禹城综合试验站农田土壤耕层，供试土壤的理化性质：有机质15.14 g/kg、全氮 2.12 g/kg、碱解氮313.39 g/kg、速效磷127.5 mg/kg、速效钾112.97 mg/kg、 pH值 8.4。禹城试验站位于黄淮海平原的鲁西北黄河冲积平原，土壤类型为潮土，该区域主要采用冬小麦—夏玉米轮作制度。

培养试验设4个处理：(1)空白，即不添加秸秆和氮肥，(CK)；(2)土壤中只加入秸秆，添加量为土壤质量的2%(按照田间秸秆还田量计算)，(S)；(3)土壤只施用氮素，氮肥品种为尿素，氮素用量为450 kg/hm²(根据黄淮海平原的平均施肥量计算)，(N)；(4)土壤中加入秸秆和氮素，秸秆用量同处理2，氮素用量同处理3，(S+N)。每个处理设3次重复。秸秆理化性质：有机碳458 g/kg、全氮9.2 g/kg、C/N 49.5。

在培养试验进行之前，先采取一定量的鲜土，风干，过筛；将秸秆剪成1 mm×3 mm 的体积，65 ℃下烘干48 h。在培养试验时，称取120 g风干土样于250 mL的锥形瓶中，加蒸馏水使其达到田间持水量的70%，预培养1周。预培养后，按上述处理加入相应的秸秆和氮肥，将其与土壤混匀，用美国Parafilm封口膜封口，保持透气性，在生化培养箱内30 ℃恒温培养^[7]。每隔3—5 d检查土壤含水量并用称重法补充缺失的水分，使培养期间土壤含水量保持在田间持水量的70%左右。整个培养期342 d，共取样14次，前期密，后期时间间隔较长。每个处理42个样品，每次取样时，每个处理取3个样品作为重复。在取样的前2h将封口膜去掉，使其与周围环境空气混合均匀。取样时，用自制的取样装置塞住瓶口，用注射器抽取锥形瓶内的气体，隔2 h后，再抽取第2针气体，在气相色谱仪上测定计算温室气体的排放通量^[8]。同时，将瓶内土壤取出用于测定DOC和DON等性质。

称取过2 mm筛的鲜土10.00 g于白色塑料瓶中，加入50 mL蒸馏水，振荡离心，过0.45 μm的滤膜，所得澄清液为DOC浸提液^[9]，在liqiuⅡTOC仪上测定其浓度。DON的含量=浸提液中全氮含量-硝态氮含量-铵态氮含量，全氮的测定方法为过硫酸钾氧化-紫外分光光度计法。

土壤排放的CO₂和N₂O采用Agilent4890D气相色谱仪，检测器温度为330 ℃，柱温55 ℃，转化器温度375 ℃，载气为高纯氮气，标准气体购买自国家标准物质研究中心。

数据采用excel作图，SPSS12.0进行方差分析

不同处理下土壤中CO₂排放通量如图 1所示，各处理的土壤CO₂排放通量均表现出前期释放快，后期变化平缓的排放规律。在培养初期土壤CO₂排放通量最大，到第30天时CO₂排放量急剧降低，与第7天相比，单施秸秆(S)处理CO₂排放通量降低了85%，秸秆和氮肥配施(S+N)处理降低了92%，单施氮肥(N)处理降低了70%，在第45天和75天时，出现了2个波动小峰，可能是因为前期易分解的碳氮养分骤然减少使土壤微生物大量死亡，死亡的微生物又转化成可利用的碳氮源，为微生物提供物质和能量，使CO₂的排放又出现了波动。从90天往后土壤CO₂的排放量基本不变。各处理土壤CO₂排放通量随采样时间变化的拟合方程如表 1所示，为对数函数关系。

图 1 不同处理下CO2的排放通量动态 Fig. 1 Dynamics of CO2 emission for different treatments 图中均添加误差线，因误差较小，图中显示不明显；内图纵坐标为CO2排放通量；CK：空白，S：单施秸秆，N：单施氮肥，S+N：秸秆+氮肥

图选项

通过方差分析得出，各处理间CO₂排放通量S+N>S>CK>N且差异显著(P<0.05)。在整个培养期内，S+N处理的CO₂排放通量在23—329 mg m^-2h^-1之间，排放总量比S处理高118%，是CK的637%，是N处理的851%(表 2)，这与秸秆和氮肥能促进土 壤有机碳的矿化过程有关。新鲜秸秆的加入为微生物提供大量的碳源，氮肥的施入使原本受到氮素营养限制的土壤微生物活性增强，二者共同促进了微生物的生长，从而加快了土壤有机碳的矿化速率，所以S+N处理的CO₂排放量显著高于其他处理的土壤，这与类似培养试验的研究结果相一致^{[10, 11]}。单施氮肥可能导致微生物对碳的固定，降低了土壤有机碳的矿化率，使氮肥处理的CO₂排放通量最低。

由图 2可知，在整个培养期内，CK、S+N和S处理的土壤N₂O排放通量呈现出先增加后降低的趋势，N处理的N₂O的排放通量则呈现逐渐减小的趋势。第14天时，S处理的N₂O排放通量是177.69 μg m^-2h^-1，S+N处理的N₂O排放通量是78 μg m^-2h^-1，到21d时S和S+N处理的排放通量急剧降低，前60d不同处理的N₂O累积排放量差异显著(P<0.05)，从第60天往后，各个处理之间的N₂O的排放量差异不显著，这表明秸秆和氮肥对土壤N₂O排放速率的影响随时间的延长逐渐减弱。不同处理的N₂O累积排放通量，S>N>S+N>CK处理(表 2)，相同氮肥添加量的情况下秸秆的施入并没有增加N₂O的排放，这与孟磊和蔡延江的研究N₂O排放通量的试验结果相一致^{[12, 13]}。与图 1相比，CO₂排放量在第7天达到最大，此后逐渐减小，而N₂O排放量则是在第14天达到最大，排放趋势滞后于CO₂，这是因为，丰富的碳源使微生物大量繁殖，生化需氧量急剧增大，而土壤中O₂含量不足形成了厌氧环境，有利于反硝化作用的进行^[14]，促进了N₂O的排放。

图 2 不同处理下N2O的排放通量动态 Fig. 2 Dynamics of N2O emission for different treatments 图中均添加误差线，因误差较小，图中显示不明显；内图纵坐标为CO2排放通量；CK：空白，S：单施秸秆，N：单施氮肥，S内图纵坐标为N2O排放通量，CK：空白，S：单施秸秆，N：单施氮肥，S+N：秸秆+氮肥

图选项

由图 3所示，各处理土壤DOC含量呈逐渐降低的趋势，在75 d时，S处理的土壤DOC含量急剧降低，这可能是因为秸秆中易分解组分已被利用完毕，90 d时与CK处理的DOC含量变化基本一致，此后各处理DOC含量变化缓慢。在培养初期，S处理的DOC含量最高，为808.7 mg/kg，其次是S+N处理为606.5 mg/kg，N处理最低为374.1 mg/kg，到培养结束时，CK处理的DOC降幅为20%，S的处理的DOC降幅为77%，N处理的DOC降幅为67%，S+N的处理的DOC降幅为33%，在前60 d内，各处理DOC含量的大小为S>S+N>CK>N且差异显著(P<0.05)，在75 d以后，S处理的DOC含量迅速降低，与CK含量基本相同，在整个培养期内，N处理的DOC含量始终小于其他处理，这表明，秸秆能增加土壤中DOC的含量，而氮肥的施入会减少DOC的含量，这与郭锐和倪进治的研究结果相一致^{[15, 16]}。

图 3 土壤DOC含量动态 Fig. 3 Dynamics of DOC in soil for different treatments CK：空白，S：单施秸杆，N：单施氮肥，S+N：秸秆+氮肥

图选项

由图 4所示，CK、S和S+N处理土壤DON含量随着培养时间的延长呈现先升高后降低的趋势，N处理则呈现逐渐减小的趋势，在培养末期趋于稳定。S处理的峰值要比S+N处理落后1周，这是可能是因为秸秆的C/N比较高，分解速度较慢所致，N处理的DON含量在14 d时急剧降低又稍有回升后一直保持基本不变，可能是因为尿素作为酰胺态氮肥，微生物容易利用，快速转化或使DON含量升高，随着微生物对尿素的分解，DON含量降低；CK处理DON含量变化并不十分显著。在整个培养时期内，DON含量S+N>S>N>CK，处理之间差异显著(P<0.05)，S+N处理的DON含量比S处理高27.3%，比N处理高47.6%，这表明秸秆和氮肥配施能显著增加土壤DON的含量，秸秆对DON含量的影响比氮肥显著。

图 4 土壤DON含量动态 Fig. 4 Dynamics of DON in soil for different treatments CK：空白，S：单施秸杆，N：单施氮肥，S+N：秸秆+氮肥

图选项

对土壤DOC和DON含量与气体排放通量之间的相关性进行分析，结果表明(表 3)，土壤DOC和DON含量变化与CO₂和N₂O的排放通量呈显著的相关性，这说明，溶解性有机碳氮的含量与温室气体的排放关系密切。在碳氮转化过程中，溶解性有机碳氮既是微生物的分解产物，同时也是微生物可利用的碳氮源，其含量变化在一定程度上能影响CO₂和N₂O的排放速率。

本试验中，CO₂排放通量和DOC含量在培养前期较高随培养时间延长而降低的原因是，玉米秸秆含有大量的水溶性有机物质，施入土壤后，为微生物提供了丰富的物质和能源，微生物数量迅速增加，土壤呼吸速率急剧升高，释放出大量的CO₂，随着培养时间的延长，水溶性物质逐渐被消耗，DOC含量减小，微生物体大量死亡，土壤呼吸速率骤然降低，在培养后期，微生物的数量、可利用的碳氮源处于平衡状态，此时，DOC含量和CO₂排放通量基本保持不变。这与前人研究结果基本一致，Troyer在研究添加玉米秸秆对土壤呼吸速率的影响时指出，添加玉米秸秆后，土壤中CO₂累积量随培养时间的延长而增加，DOC含量随时间的延长逐渐降低后基本保持不变^[17]。Blagodatskaya在研究添加不同浓度的葡糖糖对土壤呼吸作用的影响时发现，不同处理的CO₂排放通量在前3d达到最大，后逐渐降低，在培养末期保持不变，DOC含量则呈现逐渐降低的趋势^[18]。薛菁芳在研究玉米秸秆加入棕壤后溶解性有机碳氮的变化时发现，土壤中DON含量在培养前期逐渐上升后期逐渐下^[19]，这与仇少君对淹水条件下稻草与硫酸铵配施处理的土壤DON含量动态的研究结果相近^[20]。本试验中，S+N和S处理的DON含量均先增大，后逐渐降低至稳定，与薛菁芳和仇少军的研究结果一致，这可能是因为，有机物料和氮肥的施入刺激了土壤微生物的繁殖，促进了对秸秆的分解，DON作为有机物料的分解产物，含量逐渐升高，此后，又作为微生物可利用的氮源被逐渐分解，含量降低趋于稳定。

氮肥是影响N₂O排放和DON含量的重要因素。在单施氮肥的处理中，N₂O排放通量和DON含量均在第14天降至最低后基本保持不变，这是因为尿素在土壤中的全部水解时间是14d左右，其水解产物主要是NO^-₃^[21]。尿素作为酰胺态氮肥施入土壤后导致DON含量升高，随后由于硝化细菌和反硝化细菌对其的快速水解，使土壤DON含量降低，到第14天时达到最低值。在本试验中，与对照相比，氮肥的添加促进N₂O的排放和DON含量的上升，这与前人研究结果一致，朱霞在研究外加可溶性碳氮对不同热量带土壤N₂O排放的影响时指出，与对照相比，氮肥的添加能显著促进N₂O的排放^[22]，李鑫在研究不同施肥方式对氨挥发和N₂O排放的影响时发现，氮肥施用大大提高了氧化亚氮的排放量，不同施肥处理的氧化亚氮排放量存在显著差异^[23]，谢秉楼在研究覆盖与施肥处理对雷竹林土壤水溶性有机氮影响的结果表明，随着施肥量的增加，土壤溶解性有机氮的含量也逐渐增加^[24]。此外，氮肥的添加能促进土壤CO₂的排放^[11]，但是也有研究表明，有机碳累计矿化量(以CO₂排放量计)随着氮沉降量的增加而降低，氮输入对土壤有机碳矿化产生抑制作用^{[25, 26]}。本试验中，单施氮肥处理的CO₂排放和DOC含量均小于CK处理，可能是因为氮肥能降低木质素酶的活性^[27]，从而抑制了有机碳的矿化，土壤中的可溶性物质减少。S+N处理的CO₂排放通量要大于S处理，是因为秸秆为微生物提供了可利用碳源，N肥的添加降低了外源性物质的C/N，增加了可矿化态碳的潜力，加快了微生物量的周转速度，促进了有机质的矿化过程，DOC作为微生物周转过程中的重要底物，被微生物以CO₂的形式更多的释放出来，所以S+N处理的DOC含量也小于S处理的含量。

土壤有机碳的矿化是土壤中重要的生物学过程，秸秆添加必然会引起微生物活动的改变，从而影响了有机碳氮组分的变化，对有机碳的矿化产生重要影响。Yoshitaka研究表明，种植大豆土壤的呼吸速率与DOC含量密切相关^[28]。Stephan研究发现，在沼泽土壤中，DOC的组成影响了土壤呼吸速率，CO₂的释放量与芳香族化合物含量和复杂的DOC分子有关^[3]。陈涛等指出，不同施肥处理下土壤中DOC含量与土壤有机碳的矿化量呈显著的相关性^[5]。在本试验中，CO₂的排放通量与DOC含量呈显著相关性，相关系数(R²)在0.6以上，这表明土壤CO₂的排放通量与DOC含量的动态变化有密切关系，主要是因为DOC是微生物较容易利用的底物。

当秸秆进入土壤后，秸秆本身含有大量的水溶性物质，其中易分解的组分能充分被微生物分解和利用，释放出N₂O和一些水溶性分子结构简单的有机氮化合物^[4]，DON含量的变化是导致土壤N₂O的排放量改变的重要原因。李永夫研究指出，不同施肥处理毛竹林土壤N₂O排放速率与土壤DON含量呈显著的相关性^[4]，赵满兴则指出土壤中DON含量与土壤矿化势的相关性并没有达到显著水平，可能与DON中所含的易降解的低分子量有机氮所占的比例有关^[29]，本试验中N₂O的排放与土壤DON含量显著相关，这表明N₂O排放底物NO^-₃的来源有土壤DON的贡献，可能是因为外源碳氮的添加改变了土壤氮库的平衡状态，促进了氮矿化量的增加，从而影响了土壤N₂O排放的动态。

(1)秸秆施入土壤后，随着培养时间的延长，各处理的CO₂排放通量和土壤DOC的含量均表现出了逐渐降低的趋势，且培养前期降低幅度较大，然后缓慢减小，培养后期基本保持不变，不同处理间的差异显著。S处理和S+N处理的N₂O排放通量和土壤DON含量变化呈现先增大后减小的规律，单施氮肥处理的N₂O和土壤DON含量随培养时间的延长逐渐降低。

(2)秸秆和氮肥的配施比单施秸秆显著促进CO₂的排放，单施秸秆的土壤N₂O排放通量和土壤DOC含量显著高于其他处理，单施氮肥的CO₂排放通量和DOC含量显著低于CK处理，这表明单施氮肥能降低土壤CO₂排放通量和土壤DOC的含量。

(3)不同处理下土壤的CO₂排放通量和DOC含量、N₂O排放通量和土壤DON含量呈显著相关性，表明土壤DOC和DON与农田温室气体排放密切相关。