礫石覆蓋對(duì)小麥玉米輪作農(nóng)田碳排放強(qiáng)度的影響

王冬林，馮 浩，劉曉青，李 毅，張阿鳳

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礫石覆蓋對(duì)小麥玉米輪作農(nóng)田碳排放強(qiáng)度的影響

王冬林1,2，馮 浩1,3※，劉曉青1，李 毅1，張阿鳳4

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100；2. 河南省水利科學(xué)研究院，鄭州 450000；3. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100）

為研究礫石覆蓋對(duì)農(nóng)田土壤水熱條件及溫室氣體排放的影響，探討小麥-玉米輪作農(nóng)田碳排放強(qiáng)度對(duì)礫石覆蓋的響應(yīng)，開(kāi)展了基于靜態(tài)暗箱-氣象色譜法的小麥-玉米輪作田間試驗(yàn)，測(cè)定了土壤CO2、CH4和N2O 3種溫室氣體的排放，結(jié)合產(chǎn)量、全球增溫潛勢(shì)和碳排放強(qiáng)度等指標(biāo)評(píng)估礫石覆蓋的農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)及固碳減排作用。試驗(yàn)在作物關(guān)鍵需水期設(shè)置0和50 mm 2個(gè)灌溉水平，土壤表面設(shè)置無(wú)覆蓋和100%覆蓋2個(gè)礫石覆蓋度水平，形成無(wú)覆蓋對(duì)照（W0M0）、灌溉對(duì)照（W1M0）、礫石覆蓋（W0M1）和灌溉礫石覆蓋（W1M1）4個(gè)處理。結(jié)果表明：1）礫石覆蓋能有效改善土壤水熱狀況，顯著增加作物產(chǎn)量。與對(duì)照處理W0M0相比，W1M0，W0M1和W1M1 3個(gè)處理的作物年際總產(chǎn)量分別增加了18.1%、32.6% 和51.8%；2）各處理對(duì)3種溫室氣體排放的影響具體表現(xiàn)為，相比W0M0處理，W1M0，W0M1和W1M1 3個(gè)處理的CO2年際排放總量分別降低了7.8%、12.1%和18.0%，CH4年際吸收總量分別增加了32.5%、80.2%和124.3%，而各處理N2O年際排放總量差異不顯著；3）礫石覆蓋顯著降低了農(nóng)田溫室氣體碳排放強(qiáng)度，W1M0，W0M1和W1M1 3個(gè)處理的碳排放強(qiáng)度相比W0M0處理分別降低了14.9%、20.7%和33.6%。比較產(chǎn)量和碳排放強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量越高，固碳潛力越大，碳排放強(qiáng)度越小。雙因素方差分析表明礫石覆蓋結(jié)合農(nóng)田灌溉使得作物產(chǎn)量達(dá)到最高，碳排放強(qiáng)度最小。綜合考慮，礫石覆蓋結(jié)合農(nóng)田灌溉能有效改善土壤水熱狀況，有利于增加作物產(chǎn)量和降低農(nóng)田溫室氣體碳排放強(qiáng)度，該研究為干旱半干旱地區(qū)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增產(chǎn)和固碳減排提供一種可行途徑。

礫石；土壤水分；溫度；作物；產(chǎn)量；碳排放強(qiáng)度；小麥-玉米輪作

0 引 言

氣候變化已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)，溫室氣體排放是氣候變暖的根本原因[1-2]。在所有生態(tài)系統(tǒng)中，農(nóng)業(yè)是重要的溫室氣體排放源，農(nóng)業(yè)活動(dòng)中的耕作和田間管理往往通過(guò)改變土壤環(huán)境間接影響土壤溫室氣體產(chǎn)生和排放的過(guò)程[3-4]。如何在提高作物生產(chǎn)能力的同時(shí)有效減少溫室氣體排放，成為未來(lái)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向[5-6]。為了有效控制和減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放，開(kāi)展不同耕作和田間管理方式對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放影響的研究十分必要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，Curtin等[7]的研究表明免耕會(huì)減少麥田土壤CO2排放，向土壤中或土壤表面添加秸稈會(huì)大大增加CO2排放。秦曉波等[8]認(rèn)為免耕高茬還田、適量的生物質(zhì)炭回田能顯著降低溫室氣體排放強(qiáng)度，是農(nóng)田固碳減排、增加產(chǎn)量的可行途徑。Chen等[9]研究認(rèn)為塑料覆膜能顯著降低冬小麥、夏玉米田年際溫室氣體碳排放強(qiáng)度，連續(xù)的覆膜可使增產(chǎn)和減排達(dá)到平衡。Liu等[10]研究表明礫石覆蓋使得N2O排放增加，但顯著降低了N2O年際排放強(qiáng)度。Meijide等[11]研究認(rèn)為田間水分管理措施能減少CH4排放，從而降低農(nóng)田增溫潛勢(shì)。張西超等[12]比較了不同灌溉方式對(duì)溫室氣體排放特征的影響，認(rèn)為覆膜滴灌條件下土壤溫室氣體減排效果最佳。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)覆蓋技術(shù)和田間管理方式對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響研究得到了越來(lái)越多的關(guān)注。

礫石覆蓋技術(shù)因其顯著的蓄水保墑、增溫增產(chǎn)作用在許多國(guó)家和中國(guó)西北干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。大量研究表明，農(nóng)田表面的礫石覆蓋層有利于改善土壤水熱狀況和產(chǎn)量形成[12-14]。Yamanaka等[15]和Kemper等[16]的研究認(rèn)為礫石覆蓋的土壤有利于水分入滲并貯存于土壤中。Fairbourn[17]和Lü等[18]研究認(rèn)為礫石覆蓋增加了農(nóng)田土壤溫度。王亞軍等[19-20]和謝忠奎等[21]開(kāi)展了多年礫石覆蓋大田試驗(yàn)，研究表明礫石覆蓋能有效保持土壤水分和溫度，并能顯著提高作物產(chǎn)量。Li等[13,22]的研究表明，砂石覆蓋為黃土高原地區(qū)植物生長(zhǎng)提供了更好的生長(zhǎng)環(huán)境。Gale等[23]指出砂石覆蓋技術(shù)可以為相似作物生長(zhǎng)環(huán)境下的農(nóng)業(yè)措施提供一種新的思路和創(chuàng)造性技術(shù)出現(xiàn)的可能。馮浩等[24]研究表明礫石覆蓋能降低作物耗水系數(shù)、提高作物產(chǎn)量。國(guó)內(nèi)外關(guān)于砂石覆蓋條件下產(chǎn)量對(duì)土壤水熱響應(yīng)的研究較為常見(jiàn)，隨著全球氣候與環(huán)境變化等問(wèn)題日益突出，研究農(nóng)業(yè)覆蓋技術(shù)對(duì)溫室氣體排放的研究也成為了一種趨勢(shì)。因此有必要開(kāi)展礫石覆蓋技術(shù)對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放影響的研究，豐富溫室氣體排放理論研究成果。本研究設(shè)置2個(gè)補(bǔ)充灌溉水平和2個(gè)礫石覆蓋水平，共形成4個(gè)田間試驗(yàn)處理，分析冬小麥-夏玉米輪作條件下農(nóng)田土壤水熱變化和溫室氣體（CO2、CH4和N2O）排放規(guī)律，以產(chǎn)量、全球增溫潛勢(shì)和碳排放強(qiáng)度為指標(biāo)對(duì)礫石覆蓋技術(shù)的減排作用進(jìn)行評(píng)價(jià)，為農(nóng)田減排增產(chǎn)技術(shù)的推廣提供技術(shù)和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年10月—2015年10月在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的灌溉試驗(yàn)站（108°24′E，34°20′N(xiāo)）進(jìn)行。試驗(yàn)站內(nèi)設(shè)有國(guó)家一般氣象觀測(cè)站，可提供每日的氣溫、降水、蒸發(fā)、輻射等基本氣象資料。該區(qū)光熱資源充足，年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 163.8 h，多年平均氣溫12.9 ℃，降水年際年內(nèi)分布不均，主要集中在7—10月，多年平均降水量635.1 mm，蒸發(fā)量為993.2 mm。供試土壤為中壤土，砂、粉、黏粒比例為8:74:18，0～1 m土壤平均田間持水量23.5%，播種前土壤平均干容重為1.44 g/cm3。

在作物關(guān)鍵需水期設(shè)置0和50 mm 2個(gè)補(bǔ)充灌溉水平，土壤表面設(shè)置無(wú)覆蓋和100%覆蓋2個(gè)礫石覆蓋度水平，礫石覆蓋度的定義詳見(jiàn)文獻(xiàn)[25]，形成無(wú)灌溉無(wú)覆蓋對(duì)照（W0M0）、灌溉處理（W1M0）、礫石覆蓋處理（W0M1）和灌溉+礫石覆蓋（W1M1）共4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)（圖1）。小區(qū)長(zhǎng)5 m，寬3 m，面積為15 m2，周邊設(shè)有保護(hù)行。小區(qū)田埂邊緣1 m深土層豎直鋪一層塑料薄膜，避免各小區(qū)土壤水分側(cè)向入滲。礫石覆蓋方式為：播種行間均勻鋪設(shè)，出苗后手工平鋪使土壤表面達(dá)到100%覆蓋，收獲后清理。覆蓋礫石采自渭河，粒徑在2～3 cm。灌溉處理：分別在2014年12月29日、2015年3月13日、2015年7月29日對(duì)農(nóng)田進(jìn)行補(bǔ)灌，其它生育期為旱作雨養(yǎng)。

供試作物為冬小麥（小偃22）和夏玉米（秦龍11），冬小麥播種時(shí)間為2014年10月17日，于2015年6月5日收獲，夏玉米播種時(shí)間為2015年6月12日，于2015年10月5日收獲。小麥播種前將基肥一次性施入，生育期內(nèi)不追肥，全生育期N、P2O5的施入量分別為150、100 kg/hm2。鋤草方式為定期人工鋤草，耕作方式為免耕，所有處理施肥量一致，田間管理措施相同。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.2.1 氣體樣品采集與測(cè)定

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法分析測(cè)定溫室氣體樣品，冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)每10 d左右采集1次氣體樣品。采樣箱為課題組定制，規(guī)格及材料參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]和[26]。不銹鋼底座安放在小區(qū)中間位置，底座內(nèi)沒(méi)有植物。田間試驗(yàn)取樣過(guò)程、氣相色譜儀操作等參見(jiàn)文獻(xiàn)[27]。采樣結(jié)束后立即帶回實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀（Agilent 7890A）進(jìn)行分析，比較樣品與標(biāo)準(zhǔn)氣的總峰面積，將檢測(cè)器輸出（mV）轉(zhuǎn)換成土壤CO2、CH4和N2O濃度。氣體排放通量的計(jì)算公式為[27]

式中，全生育期排放總量，kg/hm2；d，第?1次到第次測(cè)量的時(shí)間間隔，d。

1.2.2 溫度、水分及作物產(chǎn)量的測(cè)定

試驗(yàn)采樣同時(shí)，采用三點(diǎn)法讀取土壤表面5 cm處土壤溫度，取其平均值分析冬小麥-夏玉米生育期表層土壤溫度的季節(jié)性變化。試驗(yàn)進(jìn)行20 min后，測(cè)定氣體箱內(nèi)空氣溫度，用于計(jì)算溫室氣體排放通量。土壤體積含水率的測(cè)定方法同文獻(xiàn)[26]，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)測(cè)3個(gè)采樣點(diǎn)取其平均值。冬小麥、夏玉米收獲時(shí)人工單打單收、脫粒測(cè)產(chǎn)，并計(jì)算單位面積產(chǎn)量。

1.2.3 全球增溫潛勢(shì)GWP和碳排放強(qiáng)度GHGI

根據(jù)各溫室氣體在不同時(shí)間尺度上相對(duì)全球增溫潛勢(shì)（global warming potential, GWP），計(jì)算其溫室氣體排放CO2當(dāng)量。根據(jù)IPCC 2007，在100 a時(shí)間尺度上，單位質(zhì)量CH4和N2O的相對(duì)全球增溫潛勢(shì)GWP分別為CO2的25倍和298倍。GWP的計(jì)算公式如下[28]

式中GWP為CH4和N2O排放總量的全球增溫潛勢(shì)，以CO2當(dāng)量來(lái)表示，kg /hm2；（CH4）和（N2O）是CH4和N2O的季節(jié)性排放總量，kg/hm2。本試驗(yàn)測(cè)得的CO2為土壤和植物的生態(tài)系統(tǒng)總呼吸，不是CO2凈排放（即土壤異養(yǎng)呼吸）。通常采用當(dāng)季土壤有機(jī)碳的變化來(lái)表示當(dāng)季農(nóng)田的CO2凈排放[9,21]，由于本試驗(yàn)只有1年，土壤有機(jī)碳變化不大，因此試驗(yàn)前后土壤有機(jī)碳的增溫潛勢(shì)暫不考慮。

將計(jì)算的GWP除以小麥和玉米全生育期經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[9]，得出其碳排放強(qiáng)度（greenhouse gas intensity，GHGI）。

式中GHGI為CH4、N2O排放強(qiáng)度之和，kg/t；YIELD為小麥和玉米產(chǎn)量，t /hm2。

1.3 數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取3次重復(fù)的平均值，利用Microsoft Excel 2013和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和雙因素方差分析，用Ducan新復(fù)極差法檢驗(yàn)差異顯著性（<0.05），所有圖由Origin 9.0繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水熱動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

比較圖2和圖3，各處理土壤表層的水分和溫度季節(jié)性變化規(guī)律基本一致，總體表現(xiàn)為夏季高冬季低。礫石覆蓋對(duì)土壤含水率影響較大，冬小麥越冬期至拔節(jié)期礫石覆蓋處理的土壤含水率均高于對(duì)照處理，大部分時(shí)候差異達(dá)到顯著水平（<0.05），拔節(jié)期至成熟期則差異不顯著；夏玉米苗期和拔節(jié)期礫石覆蓋處理的土壤含水率均高于對(duì)照處理，抽穗期和成熟期處理間差異不顯著。各處理年際平均土壤含水率分別為19.17%（W0M0）、21.10% (W1M0)、19.43% (W0M1)、22.19% (W1M1)。礫石覆蓋和關(guān)鍵生育期灌溉改變了土壤表面的熱量平衡，冬小麥—夏玉米輪作期間W1M0、W0M1和W1M1處理的年際平均土壤溫度分別高于對(duì)照W0M0處理0.30、0.64和0.41 ℃。此外，分析還表明關(guān)鍵生育期灌溉短時(shí)間內(nèi)使得土壤溫度下降，隨后這種影響逐漸減弱直至與其他處理無(wú)異。試驗(yàn)期間還觀測(cè)到農(nóng)田表面土壤溫度與土壤含水率變化相反，但整個(gè)生育期仍表現(xiàn)為礫石覆蓋增加了土壤溫度和土壤水分。綜上，礫石覆蓋具有良好的保水保溫效果。

圖2 2014—2015年小麥-玉米生育期氣溫和降水日變化

a. 土壤溫度變化

a. Variations of soil temperature

b. 土壤含水率變化

b. Varations of soil water content

注：W0M0、W1M0、W0M1、W1M1分別為對(duì)照處理、無(wú)覆蓋補(bǔ)灌處理、礫石覆蓋處理、礫石覆蓋補(bǔ)灌處理。下同。

Note: W0M0, W1M0, W0M1 and W1M1 indicates control, irrigation with no mulch, gravel mulch only, irrigation with gravel mulch, respectively. The same below.

圖3 2014—2015年小麥-玉米生育期土壤溫度（5 cm）、土壤含水率（10 cm）變化

Fig.3 Variations of soil temperature (5 cm) and soil water content (10 cm) during wheat and maize growing seasons from 2014 to 2015

2.2 土壤CO2排放通量

比較圖4a和圖3a，冬小麥-夏玉米生育期CO2排放的季節(jié)性規(guī)律與土壤溫度變化規(guī)律相似，隨著土壤溫度的升高各處理CO2排放通量先后達(dá)到峰值，W0M0處理峰值最大，為202.937 mg/(m2·h)，8月份之后隨著溫度的降低CO2排放通量呈降低趨勢(shì)。CO2排放通量與土壤溫度和土壤水分的相關(guān)性分析（見(jiàn)表1）表明，各處理CO2排放通量與土壤溫度均表現(xiàn)出極為顯著的相關(guān)性（<0.01），與土壤水分則部分顯著相關(guān)（<0.05）。冬小麥—夏玉米生育期礫石覆蓋條件下的CO2排放通量平均低于對(duì)照處理，關(guān)鍵生育期灌溉使CO2排放短時(shí)間內(nèi)顯著增加，隨時(shí)間逐漸遞減直至低于對(duì)照處理。由表2可知，冬小麥和夏玉米生長(zhǎng)季不同處理對(duì)CO2排放影響較大，礫石覆蓋能減少CO2排放，且礫石覆蓋與對(duì)照處理存在顯著差異（<0.05），礫石覆蓋與灌水處理之間差異不顯著。與W0M0處理相比，W1M0、W0M1、W1M1處理下CO2年際排放總量分別減少了7.8%、12.1% 和18.0%。

表1 年際平均CO2、CH4、N2O排放通量與表層土壤溫度（5 cm）和土壤含水率（10 cm）的相關(guān)系數(shù)

注：*，<0.05；**，<0.01。下同。

Note: *,<0.05; **,<0.01. The same below.

圖4 2014—2015年小麥-玉米生育期CO2、N2O和CH4排放通量

2.3 土壤N2O排放通量

各處理N2O排放通量在整個(gè)小麥—玉米生育期內(nèi)變化趨勢(shì)一致（圖4b），峰值出現(xiàn)在降雨和灌溉后。由表1可知，N2O排放通量與W1M0處理的土壤含水率有極為顯著的相關(guān)性（<0.01），但與其他處理的相關(guān)性不顯著（>0.05），N2O排放通量與土壤溫度相關(guān)性不顯著（>0.05）。冬小麥生育期溫度較低，只在灌溉后出現(xiàn)小排放峰，且各處理間差異不顯著。夏玉米生育期溫度較高，降雨頻繁，進(jìn)入7月份各處理N2O排放通量先后出現(xiàn)極大值，W0M0、W1M0、W0M1和W1M1處的理N2O排放通量極值分別為34.37、46.02、40.34和59.33g/(m2·h)，W1M1處理N2O峰值出現(xiàn)在7月8日。由表2可知，冬小麥生長(zhǎng)季各處理N2O排放總量無(wú)顯著性差異；夏玉米生長(zhǎng)季礫石覆蓋增加了N2O排放，灌水處理使N2O排放略有減少，礫石覆蓋與對(duì)照處理的N2O排放總量存在顯著性差異（<0.05），礫石覆蓋與灌水處理間差異不顯著。就總體而言，N2O年際排放總量各處理間無(wú)顯著性差異（>0.05）。

2.4 土壤CH4排放通量

圖4c為冬小麥-夏玉米生育期土壤CH4排放通量，從圖中可以看出土壤CH4既有吸收特征又有排放特征，基本上吸收大于排放。各處理土壤CH4排放通量在?0.36～0.34 mg/(m2·h) 之間變化。比較圖4c與圖3b，當(dāng)土壤含水率出現(xiàn)峰值時(shí)，往往伴隨CH4排放通量達(dá)到峰值，冬小麥生長(zhǎng)季各處理土壤含水率在3月16日－4月1日先后達(dá)到最大值，隨后CH4排放通量在4月13日達(dá)到極值0.34 mg/(m2·h)。夏玉米生育期CH4排放通量變化不大。由表2可知，冬小麥生長(zhǎng)季礫石覆蓋處理與對(duì)照處理的CH4吸收總量存在顯著性差異（<0.05），夏玉米生長(zhǎng)季各處理間CH4吸收總量無(wú)顯著性差異（>0.05），與W0M0處理相比，W1M0、W0M1、W1M1處理下CH4年際吸收總量分別增加了32.5%、80.2% 和124.3%。結(jié)合雙因素方差分析（表3），可知礫石覆蓋和關(guān)鍵生育期灌溉二者的交互作用對(duì)CH4排放有顯著影響（<0.05）。

2.5 產(chǎn)量和GWP、GHGI

礫石覆蓋和關(guān)鍵生育期灌溉的處理均顯著增加了冬小麥和夏玉米產(chǎn)量（表2）。與W0M0處理相比，W1M0、W0M1、W1M1處理下作物年際總產(chǎn)量分別增加了18.0%、39.1%和51.3%。結(jié)合雙因素方差分析結(jié)果（表3），可知礫石覆蓋和關(guān)鍵生育期灌溉二者的共同作用對(duì)冬小麥和夏玉米增產(chǎn)效果最好。冬小麥生長(zhǎng)季各處理間GWP存在顯著差異（<0.05），夏玉米生長(zhǎng)季礫石覆蓋處理和對(duì)照處理的全GWP存在顯著差異（<0.05），礫石覆蓋和灌水處理間差異不顯著（>0.05）。冬小麥生長(zhǎng)季，礫石覆蓋處理使GWP增加，灌溉則能降低GWP，W0M1處理的GWP最大，為284.2±154.6 kg/hm2，W1M0處理的GWP最小，為215.1±114.8 kg/hm2。而夏玉米生長(zhǎng)季礫石覆蓋和灌水處理與對(duì)照相比均顯著降低了GWP，W0M0處理的GWP最大，為277.3±53.8 kg/hm2，W1M1處理的GWP最小，為187.4±120.0 kg/hm2。以上分析可知，礫石覆蓋對(duì)全球增溫潛勢(shì)GWP的影響因作物品種的不同而不同。比較年際間GWP值，發(fā)現(xiàn)W0M0處理與W1M1處理的GWP大小極為接近，礫石覆蓋結(jié)合灌水處理使得年際產(chǎn)量顯著提高的同時(shí)，平緩全球增溫潛勢(shì)的增加。比較產(chǎn)量和GHGI，發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量越高，固碳潛力越大，與對(duì)照相比，礫石覆蓋顯著降低了GHGI，關(guān)鍵生育期灌溉也顯著降低了GHGI。綜合比較GWP和GHGI，兩個(gè)指標(biāo)結(jié)果存在差異。與W0M0處理相比，W1M0、W0M1、W1M1處理的年際GHGI分別降低了16.8%、19.6%和37.4%，而年際GWP則有增有減，分別降低了8.8%、增加了9.8%和降低了0.2%。

表2 各處理作物產(chǎn)量、溫室氣體排放、全球增溫潛勢(shì)和碳排放強(qiáng)度比較

注：GWP，全球增溫潛勢(shì)；GHGI，碳排放強(qiáng)度；不同字母表示P<0.05。下同。

Note: GWP, global warming potential. GHGI, greenhouse gas intensity. Different lowercase letters indicate<0.05. The same below.

表3 灌溉和礫石覆蓋對(duì)產(chǎn)量、溫室氣體排放、全球增溫潛勢(shì)和碳排放強(qiáng)度的雙因素方差分析（P值）Table 3 Two-way ANOVA of irrigation and gravel mulch on yield, GHGs emissions, GWP and GHGI（P value）

3 討 論

3.1 礫石覆蓋對(duì)土壤水熱及產(chǎn)量的影響

礫石覆蓋是一種較為常見(jiàn)的旱作覆蓋技術(shù)，具有明顯的增溫保墑作用[20-22]。本試驗(yàn)中，冬小麥-夏玉米生育期土壤表面溫度和水分的季節(jié)性變化規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為夏季高冬季低。不同處理之間的土壤水熱改變有所不同，本研究中礫石覆蓋條件下的土壤含水率高于無(wú)覆蓋處理，與Posen等[29]和李曉雁等[30]研究結(jié)果一致。Posen等[29]認(rèn)為礫石覆蓋在土壤表面形成了一個(gè)保護(hù)層，能阻止毛管水的上升從而抑制蒸發(fā)，還能阻礙土壤結(jié)皮，從而改善土壤結(jié)構(gòu)促進(jìn)入滲，使得土壤含水率顯著增加。礫石覆蓋對(duì)土壤的增溫效應(yīng)主要表現(xiàn)在冬小麥生長(zhǎng)季，夏玉米生長(zhǎng)季由于氣溫顯著升高，各處理間土壤溫度均較高，差異不大，但仍表現(xiàn)為礫石覆蓋大于無(wú)覆蓋處理。礫石覆蓋較對(duì)照處理明顯提高了土壤溫度，與Lü等[18]、Wang等[19]研究結(jié)果一致，這是由于農(nóng)田表面的礫石覆蓋層吸收了陽(yáng)光中的長(zhǎng)波輻射轉(zhuǎn)化為熱能從而提高了土壤溫度。綜上，礫石覆蓋可以有效改善土壤水熱狀況，有利于作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成[24-25]，本研究中礫石覆蓋和關(guān)鍵生育期灌溉均顯著增加了冬小麥和夏玉米產(chǎn)量，二者交互作用下作物年際產(chǎn)量達(dá)到最高。

3.2 礫石覆蓋對(duì)溫室氣體排放的影響

溫室氣體排放的變化是土壤水分、溫度、有機(jī)質(zhì)、光合作用產(chǎn)物等共同作用的結(jié)果。Chen等[9]和Zhang等[27]的研究認(rèn)為土壤水熱因子與農(nóng)田溫室氣體排放具有顯著相關(guān)性。本研究通過(guò)CO2、N2O、CH4這3種溫室氣體排放與水熱因子的相關(guān)分析表明，CO2排放與土壤溫度的相關(guān)性極為顯著（<0.01），與土壤含水率部分顯著相關(guān)（<0.05），N2O排放與土壤含水率部分顯著性相關(guān)（<0.05），CH4排放與二者相關(guān)性均不顯著（>0.05），說(shuō)明礫石覆蓋通過(guò)改變土壤水熱狀況進(jìn)而影響了土壤溫室氣體排放。通過(guò)對(duì)各處理冬小麥和夏玉米生育期溫室氣體排放的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)礫石覆蓋能有效減少CO2排放。礫石覆蓋條件下冬小麥和夏玉米產(chǎn)量均顯著提高，說(shuō)明礫石覆蓋有利于有機(jī)物的積累，這也間接說(shuō)明礫石覆蓋能夠促進(jìn)光合作用，減少CO2的排放，但還需進(jìn)一步驗(yàn)證。Li等[31]和Okuda等[32]認(rèn)為礫石覆蓋的物理阻隔作用也一定程度上減少了CO2的排放。此外，Yamanaka等[15]和Xie等[21]認(rèn)為礫石覆蓋的減蒸作用也間接減少了土壤CO2排放。

各處理N2O的排放與土壤水分、土壤溫度都呈正相關(guān)，這是由于礫石覆蓋條件下的土壤水熱條件有利于土壤微生物活性和數(shù)量迅速增加，使得土壤硝化和反硝化過(guò)程加強(qiáng)，土壤中N2O產(chǎn)生和排放量也隨之增加[26,33]。研究還表明灌溉處理W1M0的土壤水分與N2O排放呈極顯著正相關(guān)（<0.001），說(shuō)明土壤水分的增加使得N2O排放顯著增加。Berger等[34]得到了完全相反的結(jié)果，這可能是因?yàn)樗芰细材ぷ韪袅擞晁霛B從而限制了N2O排放。本研究中，冬小麥生育期各處理間N2O排放差異不顯著，但仍表現(xiàn)為礫石覆蓋大于無(wú)覆蓋處理；夏玉米生育期礫石覆蓋與對(duì)照處理N2O排放差異顯著，這與Chen等[9]和劉晶晶等[26]研究結(jié)果類(lèi)似。Liu等[10]研究表明，與塑料覆膜和無(wú)覆蓋比較，礫石覆蓋顯著增加了玉米生育期N2O排放。以往的溫室氣體排放研究通常在水稻、玉米生長(zhǎng)季節(jié)進(jìn)行[8,10]，對(duì)冬小麥生長(zhǎng)季、冬小麥-夏玉米輪作條件下溫室氣體排放年際間差異還有待進(jìn)一步研究。

冬小麥生長(zhǎng)季礫石覆蓋與對(duì)照處理的CH4排放差異顯著，而夏玉米生長(zhǎng)季各處理間無(wú)顯著性差異，Chen等[9]和成功等[33]對(duì)輪作系統(tǒng)的溫室氣體排放的研究也得到相同結(jié)果。本研究中，土壤CH4排放與土壤水熱無(wú)顯著相關(guān)性，礫石覆蓋條件下土壤CH4排放與土壤水分之間出現(xiàn)了負(fù)相關(guān)，灌溉條件下土壤CH4排放與土壤水分之間為正相關(guān)（表1）。比較圖3和圖4，當(dāng)土壤含水率達(dá)到最大值時(shí)，礫石覆蓋條件下的土壤CH4排放出現(xiàn)了一個(gè)吸收峰，而灌溉條件下出現(xiàn)了一個(gè)排放峰。Chen等[9]研究表明塑料覆膜條件下小麥玉米輪作農(nóng)田土壤水熱的增加有利于CH4的吸收。Hayashida等[35]研究表明灌溉使稻田土壤CH4的排放顯著增加。這也與田間管理方式及作物品種不同有關(guān)。本研究中，礫石覆蓋增加了CH4的年際吸收。Khalil等[36]和Dalal等[37]的研究認(rèn)為土壤CH4的產(chǎn)生是甲烷菌與甲烷氧化菌共同作用的結(jié)果，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性就能減少CH4的排放。微生物通常在厭氧條件下分解土壤有機(jī)質(zhì)，而礫石覆蓋能有效改善土壤的通透性[8,10]，不利于甲烷菌與甲烷氧化菌分解有機(jī)質(zhì)，從而減少了土壤CH4的排放，表現(xiàn)為CH4的匯。

3.3 礫石覆蓋對(duì)碳排放強(qiáng)度的影響

礫石覆蓋通過(guò)改善土壤水熱條件，進(jìn)而影響土壤碳氮轉(zhuǎn)化及微生物呼吸過(guò)程，最終影響土壤的碳釋放。農(nóng)田溫室氣體排放和區(qū)域及全球的碳循環(huán)密切相關(guān)，以GHGI作為溫室氣體減排的指標(biāo)，在國(guó)際上正逐漸形成共識(shí)[28]。目前礫石覆蓋條件下農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)及土壤溫室氣體排放的研究較為缺乏，本研究在觀測(cè)溫室氣體排放的基礎(chǔ)上計(jì)算了GWP和GHGI 2個(gè)指標(biāo)。與對(duì)照相比，礫石覆蓋使得GWP顯著增加，關(guān)鍵生育期灌溉則降低了GWP，二者交互作用下年際GWP與對(duì)照處理接近且略低于對(duì)照處理。單一礫石覆蓋處理不利于抑制農(nóng)田溫室效應(yīng)，這是由于礫石覆蓋雖然減少了土壤CH4排放，但土壤CH4排放本身所占GWP比重較小，礫石覆蓋處理?xiàng)l件下籽粒高產(chǎn)和N2O排放的增加是本研究中GWP增加的原因。GWP計(jì)算中未考慮土壤和生物量排放，IPCC 2007建議應(yīng)計(jì)算凈增溫潛勢(shì)（NGWP）以更好地評(píng)估溫室氣體排放對(duì)氣候變化的影響，這也是本文下一步研究的方向。本研究中，礫石覆蓋結(jié)合灌溉處理可以平衡年際GWP并實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)。與GWP的增加相比，礫石覆蓋較對(duì)照顯著降低了農(nóng)田溫室氣體GHGI。無(wú)論小麥還是玉米生長(zhǎng)季，礫石覆蓋均顯著降低了碳排放強(qiáng)度，這一結(jié)論和Chen等[9]研究塑料覆膜和秸稈覆蓋的結(jié)果相同。由于礫石覆蓋條件下產(chǎn)量的增加顯著大于GWP的增加，仍能有效降低農(nóng)業(yè)溫室氣體碳排放強(qiáng)度。雙因素方差分析表明，礫石覆蓋和灌溉處理二者的共同作用有利于提高作物產(chǎn)量，同時(shí)降低碳排放強(qiáng)度。以上分析表明，礫石覆蓋技術(shù)有利于改善土壤水熱、提高作物產(chǎn)量和降低碳排放強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

1）礫石覆蓋能有效改善土壤水熱環(huán)境，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量形成以及土壤溫室氣體排放。研究表明，礫石覆蓋有利于提高作物產(chǎn)量，能有效減少CO2排放，促進(jìn)土壤CH4的吸收，N2O排放在小麥生長(zhǎng)季差異不明顯，夏玉米生長(zhǎng)季礫石覆蓋增加了N2O排放。與對(duì)照比較，灌水、礫石覆蓋、礫石覆蓋補(bǔ)灌處理的年際作物產(chǎn)量分別增加了18.0%、39.1% 和51.3%，CO2年際排放總量分別減少了7.8%、12.1%和18.0%，CH4年際吸收總量分別增加了32.5%、80.2% 和124.3%，各處理N2O年際排放總量差異不顯著。

2）冬小麥生長(zhǎng)季，礫石覆蓋處理使全球增溫潛勢(shì)（GWP）增加，灌溉則能降低GWP，而夏玉米生長(zhǎng)季礫石覆蓋和灌水處理均顯著降低了GWP。小麥-玉米輪作系統(tǒng)，礫石覆蓋結(jié)合灌溉處理使年際GWP達(dá)到平衡。礫石覆蓋能顯著降低碳排放強(qiáng)度（GHGI），與對(duì)照相比，灌水、礫石覆蓋、礫石覆蓋補(bǔ)灌處理的GHGI分別降低了16.8%、19.6%和37.4%。以上分析表明礫石覆蓋結(jié)合灌溉處理更有利于平衡GWP，提高作物產(chǎn)量和降低碳排放強(qiáng)度。以碳排放強(qiáng)度作為溫室氣體減排的指標(biāo)，該研究認(rèn)為礫石覆蓋技術(shù)結(jié)合關(guān)鍵生育期灌溉的方法是干旱半干旱地區(qū)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增產(chǎn)和固碳減排的一種可行途徑，為評(píng)估礫石覆蓋的減排增產(chǎn)效應(yīng)提供了科學(xué)依據(jù)。

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Effects of gravel mulching on greenhouse gas emissions intensity in wheat-maize rotation system

Wang Donglin1,2, Feng Hao1,3※, Liu Xiaoqing1, Li Yi1, Zhang Afeng4

(1.,,712100,;2.,450000,; 3.,,712100,; 4.,,712100,)

With growing concern on climate change, agriculture has received attention over last few decades as it is a significant contributor to global warming and total greenhouse gas (GHG) emission. GHG emissions of carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) can be affected by various field managements. Gravel mulching technology, as a distinct field management technique, has been long used to decrease water evaporation and improve crop production in the semi-arid Loess Plateau of northwest China, but systematic field studies concerning the impacts of surface gravel mulching on dryland agricultural soils water and heat conditions and GHG emissions are scarce. Therefore, we conducted a field study of wheat-maize rotation cycle in Yangling District of Shaanxi Province in the year of 2014-2015. The annual GHG emissions (CO2, CH4and N2O) were monitored using a static opaque chamber and chromatography method. This study focuses on the interactive role of gravel mulching and irrigation practices on both crop yield and GHG emissions. We also calculated the global warming potential (GWP) and greenhouse gas emissions intensity (GHGI) to evaluate the farmland ecological effect and GHG reduction effect. In this experiment, 4 field treatments were arranged with 2 gravel mulching levels (M0: No mulching, M1: covering 100% of soil surface) and 2 supplemental irrigation levels at key growing periods (W0: without irrigation, W1: 50 mm). The results showed that: 1) Compared with the control treatment of W0M0, the annual wheat-maize yields were significantly increased by 18.1%, 32.6% and 51.8% under the other 3 treatments of W1M0, W0M1 and W1M1, respectively; the annual CO2emissions were decreased by 7.8%, 12.1% and 18.0% under W1M0, W0M1 and W1M1, respectively. And there was not significant difference for annual N2O emissions for different treatments. The total annual absorption amounts of methane were increased by 32.5%, 80.2% and 124.3% under W1M0, W0M1 and W1M1 compared with the W0M0, respectively. 2) Gravel mulching gives positive contribution to the soil temperature and soil moisture. The correlation analysis of annual GHG emissions with soil temperature (5 cm) or soil water content (10 cm) under different experimental treatments over the wheat-maize growing period indicated that, the dependence of soil CO2emissions on soil water and soil temperature was pronounced for the 4 treatments with significant correlations (<0.05), while the dependence of soil CH4or N2O emissions on soil water and temperature was partly with significant correlations (<0.05). 3) Annual GWP values were more complicated in all treatments ranging from 522.8±204.6 to 629.5±328.5 kg/hm2(CO2equivalent) Compared with W0M0, irrigation practice could decrease the value of GWP, while gravel mulching practice could increase the value of GWP, and the interaction of gravel mulching coupled with irrigation could balance the GWP. 4) For the W1M0, W0M1 and W1M1 treatments, GHGI was significantly decreased compared with W0M0 by the values of 14.9%, 20.7% and 33.6%, respectively. The above results suggested the application of gravel mulching coupled with irrigation may obtain a balance between the increase of crop yield and the decrease of GHG emissions. Overall, gravel mulching practices could effectively increase soil moisture and temperature, and greatly lower the GHGI with the significant increase of crop yield. The basic case study provides a feasible way to realize stable crop productivity increase and GHG emissions reduction in arid and semi-arid region.

gravels; soil moisture; temperature; crops; yields; GHG emissions intensity; wheat-maize rotation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.028

S152.7+5

A

1002-6819(2017)-17-0208-08

2017-05-16

2017-08-11

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2013AA102904）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41301305）；西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金（2014YB062，2452015355）項(xiàng)目。

王冬林，博士生，主要研究農(nóng)業(yè)水土資源高效利用。Email：wangdonglin@nwsuaf.edu.cn

馮 浩，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水土資源高效利用以及節(jié)水灌溉新技術(shù)、新方法和新材料研究。Email：nercwsi@vip.sina.com