松嫩平原玉米田土壤CO2排放規(guī)律與碳平衡特征

龔振平，朱捷，宋秋來，馬春梅，李中韜

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，哈爾濱150086）

松嫩平原玉米田土壤CO2排放規(guī)律與碳平衡特征

龔振平1，朱捷1，宋秋來2，馬春梅1，李中韜1

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，哈爾濱150086）

通過對松嫩平原玉米田土壤CO2排放的連續(xù)觀測，研究連作玉米田土壤CO2排放規(guī)律及與土壤溫度、土壤水分的關(guān)系，并計(jì)算玉米田土壤碳平衡特征。結(jié)果表明，玉米田土壤CO2排放通量呈現(xiàn)明顯季節(jié)性，6～8月土壤CO2排放量較大，而在4和11月維持較低水平。秸稈還田處理（MTS）土壤CO2排放通量、最大通量和平均通量高于翻耕處理（CT）。土壤CO2排放通量與地溫呈顯著正相關(guān)，指數(shù)方程表征二者關(guān)系效果最佳，線性方程效果最低，除個別情況，深層土壤擬合效果高于淺層土壤；MTS處理的土壤CO2排放通量與土壤溫度相關(guān)性高于CT處理。土壤CO2排放通量與12 cm深度土壤水分相關(guān)性不顯著。通過對秸稈、根茬還田碳與土壤CO2排放碳的測算，MTS處理秸稈還田碳量較CO2排放碳量平均每年多2 744.6 kg C·hm-2，呈碳匯效應(yīng)；CT處理秸稈還田碳量較CO2排放碳量平均每年少810.4 kg C·hm-2，呈碳源效應(yīng)。

玉米田；CO2排放；秸稈還田；土壤碳平衡

CO2、CH4、N2O等溫室氣體排放是全球氣候變暖的主要原因，CO2、CH4、N2O溫室貢獻(xiàn)率分別達(dá)60%、20%、6%[1]，CO2溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于其他溫室氣體[2]。陸地土壤儲存的碳約是大氣碳庫3倍[3-4]，陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球碳平衡起重要作用[5-6]。人類活動最容易影響陸地生態(tài)系統(tǒng)，由于人類活動加大土壤與大氣CO2的交換量，破壞原有碳平衡，使大氣中CO2等溫室氣體濃度持續(xù)增加，而其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)所占比例相當(dāng)大。農(nóng)田土壤是重要的溫室氣體源匯，大氣CO2通過作物光合作用固定在土壤中，通過土壤呼吸、植物根呼吸以及非生物學(xué)過程將CO2釋放到大氣中[7]。因此，農(nóng)田土壤CO2排放規(guī)律成為關(guān)注焦點(diǎn)。

宋秋來等研究表明，玉米、大豆田CO2排放通量呈現(xiàn)明顯季節(jié)性變化，用二次方程和指數(shù)方程模擬均能良好表達(dá)CO2排放通量與土壤溫度關(guān)系，通常情況下玉米、大豆田呈現(xiàn)碳匯效應(yīng)[8]。楊玲等研究表明，旱作麥田土壤CO2排放速率表現(xiàn)為夏季高、冬季低，土壤溫度與CO2排放速率呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)[9]。Omonode等研究表明，美國中部玉米田CO2最大值出現(xiàn)在6月，玉米連作土壤CO2排放通量較玉米大豆輪作高16%[10]。盡管土壤CO2排放相關(guān)研究很多，但鮮有關(guān)于松嫩平原土壤CO2排放規(guī)律的報道，利用靜態(tài)箱法[11-12]測定玉米田土壤CO2排放通量，研究玉米田土壤CO2排放通量變化規(guī)律，對玉米田土壤秸稈根茬等還田碳量與CO2排放碳量差值進(jìn)行測算，為客觀評估松嫩平原連作玉米田土壤CO2排放與土壤碳平衡研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2013、2014年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行，土壤類型為黑土?；氐乩碜鴺?biāo)為東經(jīng)126°22'～126°50'，北緯45°34'～45°46'。氣候特征：屬于寒溫帶大陸性氣候，四季變化明顯，春季多風(fēng)少雨，夏季溫?zé)岫嘤辏锛据^短，冬季寒冷干燥，年降水量500～550 mm，無霜期140 d左右，≥10℃積溫2 700℃左右。玉米生育時期降雨量見圖1。土壤基礎(chǔ)肥力：有機(jī)質(zhì)31.38 g·kg-1，有效氮87.25 mg·kg-1，速效鉀193.72 mg·kg-1，有效磷61.24 mg·kg-1。

圖1 玉米生育時期降雨量Fig.1Precipitation during corn growth

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置玉米秸稈還田與傳統(tǒng)翻耕兩種耕作方式：①秸稈還田處理（MTS），上茬玉米機(jī)械收獲后，用秸稈粉碎還田機(jī)將秸稈粉碎均勻拋灑地表，然后沿原壟深松滅茬，深松深度25 cm，滅茬寬度32 cm，翌年春季沿深松滅茬帶播種。②翻耕處理（CT），秸稈不還田，上茬玉米收獲后，清理田間殘余秸稈，秋季翻地，翻地深度為25 cm，翻地后用旋耕起壟機(jī)旋碎垡片同時起壟。兩種耕作方式壟距均為70 cm，于苗期壟溝深松、中耕培土兩次。

田間試驗(yàn)小區(qū)面積為840 m2，每個處理3次重復(fù)。每年玉米5月2日機(jī)械播種，平均密度為6.5萬株·hm-2，品種為東農(nóng)253。施肥量：純N：165 kg·hm-2，P2O5：69 kg·hm-2，K2O：22.5 kg·hm-2。施肥方式：基肥和追肥；具體日期：基肥5月2日，追肥6月6日，收獲10月6日。

1.3CO2氣體樣品采集及測定

試驗(yàn)采用靜態(tài)箱法采集CO2氣體樣品。采樣箱為鐵制箱體，箱體長50 cm、寬25 cm、高50 cm，箱體一側(cè)距頂部30 cm處設(shè)置三通閥采氣孔，用于連通三通閥便于收集氣體（見圖2）。采樣箱內(nèi)置風(fēng)扇，用于采樣時混勻箱內(nèi)氣體。采樣時隨機(jī)選擇取樣地點(diǎn)，將采樣箱插入兩壟之間，插入土壤約5 cm，兩側(cè)縫隙用土封上，保證密封。扣箱后，開始取氣并記錄時間為第0 min，在第30 min再采集1次氣體樣品，差值即為30 min的CO2排放量，用100 mL玻璃注射器將箱內(nèi)氣體轉(zhuǎn)移到專用氣袋中。將采樣袋帶回實(shí)驗(yàn)室測定，CO2濃度使用GXH-3010E1紅外線分析儀測定。

圖2 采集箱Fig.2Sampling box

土壤CO2排放通量利用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，F(xiàn)為CO2通量，mg·m-2·h-1；

ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2密度，g·L-1；

h為采樣箱高度，cm；

p為采樣時箱內(nèi)實(shí)際空氣氣壓，hPa；

p0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣氣壓，hPa；

T為采樣時箱內(nèi)實(shí)際溫度，℃；

T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的絕對溫度，℃；

2回歸直線斜率；

ct為t時刻箱內(nèi)被測氣體的體積混合比濃度，mg·L-1；

t為時間，min。

CO2氣體樣品采集時間為4月5日～11月8日，7～10 d采集1次氣體樣品，取樣時間為上午8：30～ 9：30[13]。采集氣體樣品同時用TDR-100土壤水分測定儀監(jiān)測土壤12 cm深度體積含水率，并用曲管地溫計(jì)監(jiān)測5、10、15、20 cm土層土壤溫度。

1.4 還田秸稈及根茬碳量的測定

試驗(yàn)于玉米收獲前一天在每區(qū)隨機(jī)取完整玉米10株，依據(jù)種植密度計(jì)算10株玉米占地面積，計(jì)算單位面積秸稈及根茬量。取樣方法，在莖稈距地面10 cm左右處剪斷，測量地上部分莖稈干物質(zhì)量（由于本地區(qū)使用摘穗玉米聯(lián)合收割機(jī)收獲，還田秸稈不包括穗軸）；為保持根茬完整性，以根茬為中心挖取長、寬、深20 cm土體，再用清水小心沖洗根茬及根系，測量根茬干物質(zhì)量。地上部分莖稈、根茬粉碎后采用重鉻酸鉀氧化法分別測定碳含量。玉米莖稈（根茬）還田量與碳含量之積為莖稈（根茬）還田碳量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米田土壤CO2排放通量變化

圖3為玉米田土壤CO2排放通量變化動態(tài)，可以看出兩年內(nèi)2個處理玉米田土壤CO2排放通量呈現(xiàn)明顯季節(jié)變化規(guī)律。在玉米生長旺盛時期雨水充沛（見圖1），溫度較高的6～8月（見圖3）土壤CO2排放通量較高，而在4月和11月維持較低水平。個別時間段土壤CO2排放通量出現(xiàn)明顯波動，可能是受當(dāng)時溫度和水分變化的影響。

由圖3和表1可知，各取樣時期，秸稈還田處理（MTS）土壤CO2排放通量、最大通量和平均通量均高于翻耕處理（CT）。其中最大通量表現(xiàn)不顯著差異，平均通量表現(xiàn)顯著差異。

圖3 玉米田土壤CO2排放通量的季節(jié)變化Fig.3Seasonal variation of CO2fluxes in corn field

表1 玉米生育時期土壤CO2排放特征Table 1Characteristics of soil CO2emission flux during corn growth (mg·m-2·h-1)

2.2 玉米田土壤CO2排放通量與土壤溫度、水分的關(guān)系

圖4是不同土層溫度變化動態(tài)，可以看出地溫呈現(xiàn)明顯季節(jié)變化，并且與CO2排放通量變化基本保持一致。2年內(nèi)土壤CO2排放通量與地溫關(guān)系采用線性方程、二次方程和指數(shù)方程擬合（見表2），三種方程的擬合均通過F檢驗(yàn)，達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。三種方程R2值除MTS處理中15 cm土層二次方程R2高于20 cm土層以外，其余均表現(xiàn)為20 cm＞15 cm＞10 cm＞5 cm土層，說明20 cm土層溫度與CO2排放通量相關(guān)性高于淺層土壤。相同土層回歸方程R2比較，均表現(xiàn)MTS＞CT，說明MTS處理CO2排放通量與土壤溫度相關(guān)性高于CT處理。同土層三種方程R2比較，線性方程R2最小，除MTS處理15、20 cm土層中二次方程大于指數(shù)方程外，其他均表現(xiàn)為指數(shù)方程高于二次方程。

圖5是12 cm深度土壤體積含水率季節(jié)變化，可以看出兩處理保持相似的季節(jié)性變化，且波動幅度較大，未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性，相關(guān)性較差。將CO2排放通量與12 cm深度土壤體積含水率用線性方程、二次方程、指數(shù)方程進(jìn)行擬合均不能通過F檢驗(yàn)，表現(xiàn)不顯著。

圖4 不同土層溫度的季節(jié)變化Fig.4Seasonal variation of soil temperature in different soil layers

表2 土壤CO2排放通量與地溫的方程擬合Table 2Soil CO2emissionflux and groud temperature equation fitting

圖512 cm深度土壤體積含水率的季節(jié)變化Fig.5Seasonal variation of volume soil water content at 12 cm soil layer

2.3 玉米田土壤CO2排放碳量和秸稈及根茬還田碳量的測算

由圖3可知，土壤CO2排放通量隨取樣時間均呈現(xiàn)單峰曲線變化，將土壤CO2排放通量與取樣天數(shù)用二次方程擬合（其中4月5日記為第0天，以此類推），通過對擬合后的二次方程分段積分，可得出玉米田土壤CO2全年排放量以及玉米生育時期土壤CO2排放量?？紤]玉米根系呼吸的存在，需將玉米生育時期土壤CO2排放量轉(zhuǎn)化為土壤CO2凈排放，即土壤微生物異氧呼吸（Rm），根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[14-15]，Rm=Rs×0.865（其中Rs為作物生長季土壤CO2排放量）。

玉米田土壤全年CO2凈排放包括玉米播種前、收獲后土壤CO2排放和玉米生育時期土壤CO2凈排放三部分。玉米播種前與收獲后土壤CO2排放量即為土壤CO2總排放量與玉米生育時期總排放量的差值。計(jì)算結(jié)果見表3，可以看出全年土壤凈排放表現(xiàn)為MTS＞CT，達(dá)到顯著差異。兩種處理中，玉米生育時期凈排放量貢獻(xiàn)率達(dá)86.5%～90.8%，非玉米生育時期貢獻(xiàn)率達(dá)9.3%～13.6%。

試驗(yàn)中，MTS處理2013、2014年還田玉米秸稈（包括根茬）還田量分別為12 204.3和10 933.5 kg·hm-2；CT處理2013、2014年根茬還田量分別為2 004.3和2 318.7 kg·hm-2。經(jīng)測定玉米莖稈含碳量為47.6%，根茬含碳量為47.7%。根據(jù)有機(jī)物料還田量與表3中土壤CO2凈排放量（CO2含碳量為27.3%）可計(jì)算出玉米秸稈還田碳量與CO2排放碳量差值（見表4）。由表4可知，MTS處理還田碳量明顯高于CT處理，是CT處理的5.3倍，同時CO2排放碳是CT處理的1.5倍，其差值均為正值，呈現(xiàn)碳匯效應(yīng)，CT處理差值均為負(fù)值呈現(xiàn)碳源效應(yīng)。

表3 玉米田土壤CO2凈排放量Table 3Net soil CO2emissions in corn field

表4 玉米田土壤碳平衡特征Table 4Characteristics of corn soil carbon balance (kg C·hm-2)

3 討論與結(jié)論

3.1 玉米田土壤CO2排放通量的變化

本試驗(yàn)研究表明，玉米田土壤CO2排放通量呈明顯季節(jié)變化規(guī)律，在溫度高、水分充沛的7月份達(dá)到最大值，而在4月和11月維持較低水平。宋秋來等對東北黑土區(qū)旱作農(nóng)田土壤CO2排放三年的監(jiān)測表明，在覆蓋少耕、留茬少耕和翻耕三種耕作方式下，土壤CO2排放通量均表現(xiàn)單峰曲線，春季和冬季排放較少，夏季排放較多[8]。楊玲等對不同耕作措施下旱作麥田CO2排放速率研究表明，小麥播種后CO2排放速率最大，但隨地溫降低CO2排放速率隨之下降，3月份溫度升高CO2排放速率開始升高，總體表現(xiàn)夏季高、冬季低[9]。Omonode等2004、2005年對美國中西部玉米連作和玉米大豆輪作田土壤CO2季節(jié)性排放的研究表明，土壤CO2排放最大值出現(xiàn)在6月[10]。

李瑋等研究表明，常規(guī)施肥下，秸稈掩埋處理顯著提高玉米田土壤CO2排放速率[16]。趙亞麗等研究表明，秸稈還田增加冬小麥土壤呼吸速率[17]。本試驗(yàn)秸稈還田提高土壤CO2排放通量表現(xiàn)為，秸稈還田處理（MTS）土壤CO2排放最大通量和平均通量均高于翻耕處理（CT），與宋秋來等[8]研究結(jié)果一致。

溫度直接影響土壤微生物以及根系呼吸?？芴浀妊芯勘砻?，溫度與土壤呼吸表現(xiàn)顯著相關(guān)，而土壤溫度比大氣溫度能更好解釋土壤CO2排放通量的季節(jié)性變化[18]。本試驗(yàn)各土層土壤溫度季節(jié)性變化均與土壤CO2排放通量變化保持一致。并采用線性方程、二次方程、指數(shù)方程擬合，均通過F檢驗(yàn)，表現(xiàn)為極顯著。三種方程R2比較，線性方程擬合程度最差，指數(shù)方程最優(yōu)。祿興麗等研究表明，不同耕作措施下夏玉米生長季CO2排放速率與土壤溫度進(jìn)行回歸模擬指數(shù)方程優(yōu)于二次方程[19]。楊玲等研究表明，不同耕作措施下旱作麥田土壤溫度與CO2排放速率表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，但各土層相關(guān)性差異不大[9]。而本試驗(yàn)結(jié)果表明，5 cm土層相關(guān)性最小，20 cm土層相關(guān)性最大，說明深層土壤溫度與土壤CO2排放通量相關(guān)性高于淺層土壤，與宋秋來等[8]研究結(jié)果一致，造成此差異可能與深層土壤微生物活動較強(qiáng)有關(guān)。兩處理間方程R2比較，均表現(xiàn)出MTS處理CO2排放通量與土壤溫度相關(guān)性高于CT處理。

土壤水分主要受年際降水影響，未呈現(xiàn)明顯季節(jié)變化規(guī)律，盡管土壤水分也直接影響土壤微生物與根系呼吸，但本試驗(yàn)12 cm土壤體積含水率與土壤CO2排放通量進(jìn)行方程模擬，均表現(xiàn)不顯著。楊玲等研究也認(rèn)為旱作麥田土壤CO2排放速率與土壤水分含量未表現(xiàn)顯著相關(guān)性[9]。張宇等對不同耕作措施下冬小麥、夏玉米生育期農(nóng)田CO2排放與水熱關(guān)系研究表明，當(dāng)土壤溫度高于10℃時CO2排放通量與5 cm土壤含水率具有顯著相關(guān)性[20]。

3.2 玉米田土壤CO2排放量與碳平衡

Trumbore等研究認(rèn)為，大氣碳庫與土壤碳庫交換的主要形式是土壤呼吸。而秸稈還田是提高農(nóng)田土壤固碳減排的重要手段[21]。本試驗(yàn)通過對兩種耕作模式下秸稈還田碳量與土壤CO2排放碳量差值的測算，比較兩處理對大氣CO2的源匯作用。結(jié)果表明，MTS處理均為正值，表明為土壤中碳的增加提供可能，呈現(xiàn)碳匯效應(yīng)；CT處理均為負(fù)值，說明土壤中的碳在減少，呈現(xiàn)碳源效應(yīng)。兩處理間比較，雖然秸稈還田增加土壤CO2排放，具體表現(xiàn)為2013、2014年土壤CO2排放碳MTS均大于CT，但秸稈還田歸還的碳遠(yuǎn)大于土壤CO2排放的碳，從而造成兩種處理差值不同。MTS處理秸稈還田碳量較CO2排放碳量平均每年多2 744.6 kg C·hm-2，呈碳匯效應(yīng)；CT處理秸稈還田碳量較CO2排放碳量平均每年少810.4 kg C·hm-2，呈碳源效應(yīng)。王小彬等研究表明，山西春玉米在免耕和少耕模式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)碳匯效應(yīng)，傳統(tǒng)耕作翻耕模式下呈現(xiàn)碳源效應(yīng)[22]。其中免耕處理平均每年增加2 630 kg C·hm-2，少耕處理平均每年增加2 260 kg C·hm-2，翻耕處理平均每年減少854 kg C·hm-2，不同碳平衡差異主要原因是秸稈還田量的不同。

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CO2emissions law research and characteristics of carbon balance of corn field in Songnen Plain

/GONG Zhenping1,ZHU Jie1,SONG Qiulai2,MA Chunmei1,LI Zhongtao1
(1.School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Cultivation and Farming Research Institute,Heilongjiang Academy of Agricultural Science,Harbin 150086, China)

Through this experiment Songnen Plain corn field soil CO2emissions was observed continuously,we study corn field soil CO2emissions law as well as the relationship between soil temperature and soil moisture;And compared straw,and calculate the characteristics of corn field soil carbon balance. The results showed that corn field soil CO2fluxes showed significantly seasonal and there was a large amount of soil CO2emissions in June,July and August,while maintaining a relatively low level in April and November.Straw processing(MTS)of soil CO2flux,maximum throughput and average throughput was higher than conventional tillage(CT).Soil CO2flux and soil temperature showed significantly positive correlation,the exponential equations showed the best effect,linear equations showed the lowest effect,with the exception of productivity,deep soil was better than shallow soil fitting;Soil CO2MTS handled emission flux and soil temperature correlation was higher than CT treatment.Soil CO2flux correlation between 12 cm depth of soil moisture was not significant.Through the straw,stubble to field soil carbon and CO2emissions of carbon estimates,MTS processing straw carbon content were more than the average CO2emissions peryear 2 744.6 kg C·hm-2,showed carbon sink effect;CT processing straw carbon content were less than the average CO2emissions per year less 810.4 kg C·hm-2,showed carbon sources effect.

corn field;CO2emissions;straw return;soil carbon balance

S155.2+6

A

1005-9369（2015）09-0009-07

時間2015-9-22 16：03：06[URL]http：//www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150922.1603.002.html

龔振平,朱捷,宋秋來,等.松嫩平原玉米田土壤CO2排放規(guī)律與碳平衡特征[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,46(9):9-15.

Gong Zhenping,Zhu Jie,Song Qiulai,et al.CO2emissions law research and characteristics of carbon balance of corn field in Songnen Plain[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(9):9-15.(in Chinese with English abstract)

2015-01-21

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD14B06）

龔振平（1966-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作及大豆生理。E-mail：gzpyx2004@163.com