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在以高量氮肥施用为主要措施的集约化生产模式下,华北平原面临着严重的温室气体排放和氮素损失风险。秸秆还田是华北平原推行的重要保护性农田管理措施之一,对温室气体排放和氮素损失影响显著。本文以华北平原小麦-玉米轮作体系为研究对象,运用meta分析、长期定位试验和原位同位素示踪的方法,分析和讨论长期不同施氮和秸秆还田措施下农田温室气体排放和氮素损失的特征及机制。主要研究结果及结论如下:(1)Meta分析结果表明,华北平原小麦季和玉米季N20排放的平均水平分别为0.68和2.10 kgN2O-Nha-1season-1。由于自然条件变化幅度较小,华北平原不同土壤pH、质地、降雨和气温水平下的年均温室气体排放无显著差异(P>0.05)。施氮量与N2O排放呈显著的指数型相关关系(P<0.05),小麦季和玉米季的拟合方程分别为y = 0.239e0.0058x和y=0.365e0.0071x。与单施化肥相比,将有机肥替代一部分化肥施用可在保证作物产量基础上显著降低年均N20排放16%(P<0.05)。相比不还田,秸秆还田显著增加年均N20排放26%(P<0.05)。相比常规耕作,免耕措施下小麦季N2O排放显著降低30%(P<0.05),而在玉米季显著增加10%(P<0.05)。(2)2013-2016年定位监测数据表明,常规施氮(345kgNha-1 season-1)条件下进行免耕和秸秆还田会导致较高的温室气体排放风险;相比常规施氮,优化施氮(225 kgN ha-1 season-1)可在不影响作物产量的前提下显著降低31%的N2O排放(P<0.05),是N2O减排的最直接措施;优化施氮+旋耕+秸秆还田是华北平原温室气体减排的最优组合措施。与2009年定位试验初始土壤相比,连续施用氮肥7年后,0-2m 土壤总氮储量均增加,年均增加量为8-419kgNha-1yr-1;相比常规施氮,优化施氮每年平均可降低氮素损失约35 kgN ha-1 yr-1;相比秸秆不还田,长期实行秸秆还田每年可增加土壤氮累积量(0-2m)34-112 kgN ha-1 yr1。(3)15N原位示踪研究表明,在长期施氮土壤中,当季所施氮肥所产生的N20直接排放主要发生在施氮后的3周内,随后来自肥料的N2O排放趋近于零;小麦季N20累积排放中来自肥料氮和非肥料氮的比例均为约50%;在玉米季则分别约为70%和30%。施氮后来源于原土氮库的N20排放显著增加(P<0.05),说明氮肥施用对原土氮库存在激发效应,增加原土氮素的N20损失风险;在玉米季,相比只施氮肥,施氮+秸秆还田有明显促进原土氮素和/或秸秆氮素周转的趋势,激发效应更加显著,从而增加非肥料氮来源的N2O排放。(4)通过对15N去向进行分析发现,在长期高量氮肥施用背景下,当季肥料氮在作物籽粒、秸秆中累积,在1m土体中残留,及以N2O、NH3形式损失的比例在小麦季分别约为30%、3.0%、37%、0.11%和2.0%;在玉米季分别约为20%、16%、37%、0.24%和6.0%。相比秸秆不还田,秸秆还田可促进肥料氮在土壤中的固定(27-43kgNha-1season-1),减少13%-42%的当季肥料氮总损失,且对作物产量无显著影响。综上,本研究表明,在华北平原进行秸秆还田,虽然有促进温室气体直接排放的趋势,但可与优化施氮和旋耕等措施进行结合,在长期尺度上达到最优的减排效果。长期定位试验和同位素示踪研究均表明,在长期高量氮肥施用背景下进行秸秆还田可显著降低氮素损失,促进土壤氮库的积累,在集约化生产中应长期推行。