秸秆归还主要在冬小麦田的接合前阶段（冬季）增加了N2O的排放：一项元分析研究

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Straw return boosts N 2O emissions primarily during the pre-jointing stage in winter wheat fields: A meta-analysis

秸秆还田显著增加冬季小麦生长季N?O排放，其中预拔节期贡献63.66%且效应更强。土壤质地、氮肥用量及耕作方式显著调控排放差异，建议分阶段优化管理。

　　
冬季小麦秸秆还田对一氧化二氮排放的阶段特异性影响及管理启示

一、研究背景与科学问题
全球气候变化背景下，农业源温室气体减排已成为重要课题。一氧化二氮（N?O）作为第三大温室气体，其排放量受土壤碳氮循环和微生物活动双重调控。秸秆还田作为增碳减排的重要技术，对N?O排放的影响存在显著争议。现有研究表明，秸秆还田通过改变土壤微环境显著影响N?O排放，但多数研究聚焦于整个生长季的累积排放，缺乏对关键物候期（如冬前播种期和拔节期）的排放特征解析。特别是冬小麦生长周期长达200天以上，不同阶段的光温条件、土壤孔隙度、氮素需求等存在显著差异，导致秸秆还田的排放效应呈现时空异质性。

二、研究方法与数据基础
本研究采用系统性元分析方法整合81项田间试验数据（共816个对比组），建立多阶段排放评估模型。数据采集覆盖中国北方主要冬小麦产区，时间跨度从2000年延续至2023年，包含不同气候区（暖温带、温带）、土壤类型（砂质土、壤质土、粘质土）及耕作制度（全量还田、半量还田、免耕还田）。通过构建三阶段响应模型（预拔节期、拔节期、越冬期），量化秸秆还田对N?O排放的动态影响机制。

三、阶段特异性排放特征
1. 预拔节期（播种至越冬前）
该阶段贡献全年N?O排放量的63.66%，秸秆还田使排放量增加17.80%。主要驱动因素包括：
- 土壤碳库重构：秸秆分解产生有机酸促进土壤碳矿化
- 微生物代谢调控：低温（0-5℃）下产甲烷菌活性抑制导致反硝化作用减弱
- 水分动态：11-12月平均土壤含水量达68%，创造缺氧微环境
- 管理交互作用：与氮肥深施结合时排放增幅达28.6%，而与表施配合时增幅仅9.3%

2. 拔节至成熟期（越冬至收获）
排放量占比36.34%，秸秆还田使排放量增加14.71%。关键调控机制：
- 温度效应：4月日均温达12℃时，秸秆腐解速率提升40%
- 氮素平衡：作物氮素需求达峰值（拔节期日均吸收量0.35kg/ha），与秸秆提供的矿质氮形成竞争
- 土壤孔隙度：秸秆覆盖使0-20cm土层孔隙度下降19.8%，但深层土壤（40cm以下）孔隙度改善达27.4%
- 管理协同：与精准氮肥分期调控结合时，排放增幅可降低至8.2%

四、环境与管理因素的调节作用
1. 土壤质地效应
- 砂质土：预拔节期秸秆还田使N?O排放量激增32%（p<0.01），因快速分解产生大量可溶性碳
- 壤质土：排放增幅降至19%，得益于更好的孔隙结构维持氧气渗透
- 粘质土：越冬期秸秆覆盖使排放量下降14.5%，源于高有机质含量抑制硝化作用

2. 氮肥管理交互作用
- 高量氮肥（>150kg/ha）与秸秆还田的协同效应显著，导致预拔节期排放量增加23.6%
- 低量氮肥（<80kg/ha）配合秸秆还田时，排放增幅可控制在8%以内
- 分期施肥策略：拔节期追施氮肥可使秸秆还田的排放增益降低41%

3. 气候条件调节
- 年度极端降水事件（>50mm/日）发生频率与排放增幅呈正相关（r=0.67）
- 冬季低温（<0℃持续5天以上）可使秸秆还田的N?O排放增益降低至5.8%
- 空气湿球温度>12℃时，秸秆还田的N?O排放增幅达峰值23.4%

五、管理优化路径
1. 预拔节期精准调控
- 推行"秸秆覆盖+深松耕作"组合技术，可使土壤氧通量提升28%，排放增益降低至12.7%
- 实施氮肥缓释技术（如脲酶抑制剂处理肥料），可减少氮素表观损失达35%
- 建议配比：秸秆还田面积控制在耕地面积的70%以下，配合氮肥减量15-20%

2. 拔节至成熟期协同管理
- 采用"秸秆深翻+侧施肥"模式，可使深层土壤（20-40cm）有机碳累积率提高42%
- 实施"氮肥分阶段调控"：拔节期氮肥占比由常规的40%降至25%，成熟期追施50%总氮量
- 建立土壤呼吸动态监测系统，当24h平均呼吸量>1.2mg CO?·g?1·h?1时启动应急调控

六、技术经济性分析
1. 成本效益比
- 精准调控技术体系（含智能监测设备）的单位面积成本为48元/ha，但可使N?O减排量达0.23kg/ha
- 预期投资回收期：通过碳交易市场（当前N?O减排碳价约120元/吨CO?当量）计算，约需3.2年

2. 农艺适配性
- 黄淮海平原：推荐"秸秆覆盖+深施缓释肥"组合
- 长江中下游：适用"秸秆打捆+条施氮肥"模式
- 北方旱作区：优先选择"秸秆深翻+保水剂"技术

七、研究局限与未来方向
1. 现有数据存在三方面局限：
- 南方多雨地区试验样本不足（仅占8.7%）
- 越冬期（12-2月）微生物活性监测缺失
- 农药残留对排放的潜在影响未纳入

2. 建议后续研究方向：
- 开发基于物候期和土壤温湿度的动态调控模型
- 研究秸秆组分（纤维素/木质素比例）对排放的影响机制
- 构建多技术协同减排体系（秸秆还田+绿肥轮作+水肥一体化）

本研究为制定差异化秸秆管理政策提供了科学依据，特别在华北地区建议推行"秸秆覆盖+氮肥缓释"技术组合，可使N?O排放量降低至基准水平的78.3%，同时提升土壤有机碳含量达1.8%·ha?1·年?1。这些发现对实现《联合国气候变化框架公约》第26条温控目标具有重要实践价值。