秸稈還田方式對黃淮海區(qū)域小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年溫室氣體排放的影響

李新華，董紅云，朱振林，楊麗萍，賈 曦，郭洪海

(1.山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所，山東 濟南 250100；2.農(nóng)業(yè)部 華東都市農(nóng)業(yè)重點實驗室，山東 濟南 250100； 3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟南 250100)

0 引 言

由溫室氣體排放引起的氣候變暖和臭氧層破壞已成為全球性的環(huán)境問題。農(nóng)田作為溫室氣體重要的排放源之一[1]，對溫室氣體排放具有較大貢獻[2]。據(jù)報道，大氣中20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O來源于農(nóng)業(yè)活動及其相關(guān)過程[3]。秸稈作為農(nóng)業(yè)活動的必然產(chǎn)物，直接還田是目前秸稈資源化利用的主要途徑之一[4]，也是改善土壤理化性質(zhì)、培肥地力及提高作物產(chǎn)量的重要農(nóng)藝措施之一[5-7]。但同時也給出苗質(zhì)量和溫室氣體排放等帶來了一定影響[8-10]，且不同學(xué)者關(guān)于秸稈還田對溫室氣體排放影響的結(jié)論也不盡相同[11]。目前秸稈有不同利用方式，除了直接還田外，還可以用做飼料及食用菌基質(zhì)等，轉(zhuǎn)化為畜禽糞便及菌渣等不同途徑再歸還到農(nóng)田。目前的研究主要集中在秸稈還田量、還田方式、還田時間及其與耕作、施肥措施結(jié)合等對溫室氣體排放的影響方面[12-18]，但研究時間段多以單個作物種植季為主[7,19-23]，而關(guān)于在小麥-玉米輪作種植制度下，秸稈以不同方式還田對農(nóng)田土壤溫室氣體周年排放的影響研究還不多見[11]。據(jù)此，本研究在黃淮海區(qū)域選擇典型小麥-玉米輪作制農(nóng)田，設(shè)置小麥/玉米秸稈以4種不同的方式還田，研究4種處理下小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤溫室氣體的周年排放動態(tài)，分析秸稈不同方式還田對溫室氣體周年排放的影響，從而為農(nóng)田秸稈資源高效循環(huán)利用和農(nóng)田溫室氣體減排提供基礎(chǔ)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于山東省德州市平原縣張華鎮(zhèn)梨園村(116°20′03″E， 37°01′34″N)，屬魯西北黃河沖積平原，暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期。年平均氣溫12.9 ℃，年平均降雨量為558.8 mm。土壤類型為潮土，土壤深厚，地形平坦，耕層土壤厚度約20 cm，0～20 cm土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗區(qū)0～20 cm 土層基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of 0～20 cm soil depth in experimental site

1.2 試驗設(shè)計

試驗區(qū)為黃淮海平原典型的種植制度：小麥-玉米一年兩熟輪作，秸稈不同還田方式試驗于2012年10月開始。設(shè)置4個秸稈還田處理，(1)秸稈不還田(CK)：小麥、玉米收獲后，移除秸稈及根系；(2)秸稈直接還田(CS)：小麥、玉米收獲后，把秸稈用粉碎機粉碎全部還田；(3)秸稈飼用，牛糞還田(CGS)：秸稈收獲后，作為奶牛的飼料，牛糞便腐熟后還田；(4)秸稈-菌渣還田(CMS)：秸稈轉(zhuǎn)化為食用菌基質(zhì)，種植雙孢菇，出蘑后，菌渣通過堆漚、發(fā)酵和腐熟轉(zhuǎn)化后還田。

該試驗開始時間為2013年10月，結(jié)束時間為2014年10月。供試小麥品種為濟麥22，于2013年10月11日種植， 2014年6月4日收獲；供試玉米品種為鄭丹958，于2014年6月6日種植，2014年10月3日收獲。4個秸稈還田處理的設(shè)置見表 2，小麥秸稈、牛糞和菌渣均于小麥?zhǔn)斋@后，6月5日直接還田于表層，然后統(tǒng)一種植玉米；玉米秸稈、牛糞和菌渣均于玉米收獲后，10月13日直接還田，然后種植小麥。小麥、玉米種植過程中，統(tǒng)一水、肥及藥等管理[20,23]。每個處理設(shè)3次重復(fù)，共12個小區(qū)，小區(qū)面積70 m2，規(guī)格為長10 m，寬7 m。在每個處理小區(qū)內(nèi)隨機設(shè)3個溫室氣體監(jiān)測點，共有36個監(jiān)測點。小麥秸稈、玉米秸稈、牛糞及菌渣的碳氮比分別為67.6∶1、27.7∶1、19.1∶1和70.4∶1。

表2 不同處理下的秸稈還田量(kg·hm-2)Table 2 Straw returning amounts in different treatments

注：秸稈作為飼草，牛食用后產(chǎn)生牛糞的量約為秸稈量的2倍，小麥秸稈轉(zhuǎn)化為食用菌基質(zhì)，出菇后產(chǎn)生菌渣的量約為秸稈量的1/2，玉米秸稈轉(zhuǎn)化為食用菌基質(zhì)，出菇后產(chǎn)生菌渣的量約為秸稈量的22%。

Note: The cattle dung from the straw forage is about 200% of the straw quantity; the mushroom residue from the straw matrix is about 50% of the wheat straw quantity; and the mushroom residue from the straw matrix is about 22% of the corn straw quantity.

1.3 樣品采集與分析

溫室氣體的采集方法為靜態(tài)箱法，采樣箱規(guī)格及采集方法具體見參考文獻[20,23]。采集時間分別為2013年11月27日及12月19日，2014年1月3日、1月22日、2月20日、3月12日、3月26日、4月15日、4月29日、5月15日、5月29日、7月11日、8月6日、8月20日、8月30日、9月10日和9月29日。樣品分析采用氣相色譜法(氣相色譜儀型號Agilent 7890A)[23-24]。溫室氣體排放通量的計算公式如下：

式中：F為溫室氣體通量(mg·m-2·h-1)；dc/dt為采樣時氣體體積分數(shù)隨時間變化的回歸曲線斜率；M為氣體的摩爾質(zhì)量(g·mol-1)；V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積(22.41 L·mol-1)；P、P0分別為采樣點的氣壓(Pa)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣氣壓(1 013.25 hPa)；T、T0分別為采樣時的絕對溫度(K)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對溫度(273.15 K)；H為采樣箱高度(m)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用數(shù)值積分法計算溫室氣體的累積排放量[24]。

全球增溫潛勢(Global Warming Potential,GWP)是基于充分混合的溫室氣體輻射特征的一個指數(shù)，用于定量衡量CO2、N2O和CH4這3種溫室氣體對全球變暖的相對影響[25-26]。

根據(jù)IPCC報告，在20 a時間尺度上，單位質(zhì)量N2O和CH4的GWP分別為CO2的289倍和72倍；在100 a時間尺度上，單位質(zhì)量N2O和CH4的GWP分別為CO2的298和25倍；在500 a時間尺度上，單位質(zhì)量N2O和CH4的GWP分別為CO2的153倍和7.6倍[26]。由此在20 a、100 a和500 a時間尺度上，GWP的計算如下：

GWP25a=CO2+289×N2O+ 72×CH4

(1)

GWP100a=CO2+298×N2O+ 25×CH4

(2)

GWP500a=CO2+153×N2O+ 7.6×CH4

(3)

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007，繪圖采用Origin 7.5，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 13.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈不同方式還田下農(nóng)田土壤周年溫室氣體排放通量

在秸稈不同方式還田處理下，黃淮海區(qū)域小麥-玉米輪作制度下農(nóng)田土壤周年CO2排放通量的變化均呈波動性變化，但不同處理下排放強度不同(圖1A)。在CK、CS、CGS和CMS 4種處理下，農(nóng)田土壤周年CO2排放通量的范圍依次為2.87～297 mg·m-2·h-1、4.48～309 mg·m-2·h-1、5.55～312 mg·m-2·h-1和2.76～264 mg·m-2·h-1。周年CO2排放通量的平均值在CK處理下為64.0 mg·m-2·h-1，在CS處理下為74.2 mg·m-2·h-1，在CGS處理下為68.6 mg·m-2·h-1，在CMS處理下為58.7 mg·m-2·h-1。且在秸稈不同還田方式處理下，周年CO2排放通量的最小值均出現(xiàn)在2月，最大值均出現(xiàn)在8月。

在秸稈不同方式還田處理下，農(nóng)田土壤周年N2O排放通量的變化均呈雙峰型變化，但不同處理間排放通量大小不同(圖1B)。在CK、CS、CGS和CMS 4種秸稈還田處理下，小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年N2O排放通量的范圍依次為0.43～67.7 ug·m-2·h-1、1.64～72.1 ug·m-2·h-1、0.49～56.0 ug·m-2·h-1和0.83～44.2 ug·m-2·h-1；周年N2O排放通量的平均值在CK處理下為14.5 ug·m-2·h-1，在CS處理下為16.3 ug·m-2·h-1，在CGS處理下為15.8 ug·m-2·h-1，在CMS處理下為112 ug·m-2·h-1。同周年CO2排放通量相類似，周年N2O排放通量的最小值也均出現(xiàn)在2月，最大峰值出現(xiàn)在3月12日，第二次峰值出現(xiàn)在8月6號。

在秸稈不同方式還田處理下，農(nóng)田土壤周年CH4通量的變化均為波動性變化，且在秸稈不同方式還田處理下均表現(xiàn)為吸收，但其吸收模式和吸收量均有差異(圖1C)。在CK、CS、CGS和CMS 4種處理下，小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年CH4通量的范圍依次為-0.30～ -0.005 mg·m-2·h-1、-0.01～-0.21 mg·m-2·h-1、-0.15～-0.005 mg·m-2·h-1和-0.12～-0.003 mg·m-2·h-1；周年CH4通量的平均值在CK處理下為-0.070 mg·m-2·h-1，在CS處理下為-0.059 mg·m-2·h-1，在CGS處理下為-0.060 mg·m-2·h-1，在CMS處理下為-0.051 mg·m-2·h-1。在CK和CGS兩種處理下，CH4通量的最小值出現(xiàn)在2月，最大值出現(xiàn)在6月；在CS處理下，CH4通量的最小值出現(xiàn)在6月，最大值出現(xiàn)在12月；在CMS處理下，CH4通量的最小值出現(xiàn)在1月，最大值出現(xiàn)在12月。

2.2 秸稈不同方式還田下農(nóng)田土壤周年溫室氣體累計排放量

農(nóng)田土壤周年溫室氣體累計排放量的計算采用數(shù)值積分法[23]。根據(jù)農(nóng)田土壤溫室氣體排放通量的實測數(shù)據(jù)(圖1)，分別計算出秸稈不同方式還田處理下，小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年溫室氣體的累計排放總量(表3)。由表3可知，在秸稈不同方式還田處理下，小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年溫室氣體的累計排放量均不同，其中周年CO2的累計排放量在秸稈不同方式還田處理下表現(xiàn)為CGS>CS>CK>CMS，且不同方式還田處理間差異顯著(P<0.05)。在CS和CGS處理下，和CK相比，周年CO2的累計排放量分別顯著增加了16.0%和19.6%(P<0.05)；CMS處理則顯著降低了7.9%(P<0.05)。周年N2O的累計排放量在秸稈不同方式還田處理下表現(xiàn)為CS>CGS >CK>CMS，方差分析表明，除CS和CGS間差異不顯著外，其余各處理間均差異顯著(P<0.05)。與CK相比，CS、CGS處理下周年N2O累計排放量分別顯著增加了20.0%和18.9%(P<0.05)；在CMS處理下，周年N2O累計排放量顯著降低了8.4%(P<0.05)。周年CH4的累計吸收量在秸稈不同方式還田處理下表現(xiàn)為CK>CGS>CS>CMS，除CS和CMS處理間差異不顯著外，其余各處理間均差異顯著(P<0.05)。與CK相比，CS、CGS和CMS處理均顯著降低了周年CH4吸收量(P<0.05)，降低幅度分別為23.6%、13.2%和25.6%。

表3 不同處理農(nóng)田土壤周年溫室氣體累計排放量(kg·hm-2)
Table 3 The annual cumulative greenhouse gas emissions in different treatments

還田方式Straw returning CO2N2OCH4小麥-玉米季小麥季玉米季小麥-玉米季小麥季玉米季小麥-玉米季小麥季玉米季CK4 842±83.9 c2 1882 6540.95±0.14 b0.400.55-6.52±0.24 a-4.88-1.64CS5 619±106 b2 8152 8031.14±0.11 a0.520.62-4.98±0.19 c-3.38-1.6CGS5 792±93.5 a2 5013 2911.13±0.20 a0.500.63-5.66±0.22 b-3.93-1.73CMS4 460±87.4 d1 9052 5550.87±0.17 c0.350.52-4.85±0.20 c-3.22-1.63

注：表中同列不同小寫字母表示處理間差異在0.05水平上顯著，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.

2.3 秸稈不同方式還田下農(nóng)田土壤周年溫室氣體的綜合增溫潛勢

根據(jù)秸稈不同方式還田下農(nóng)田土壤周年溫室氣體的累計排放量(表3)，利用公式(1)、(2)、(3)計算出小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年溫室氣體的GWP(表4)。由表4可知，在3個時間(20 a、100 a和500 a)尺度上，GWP在秸稈不同方式還田處理下均表現(xiàn)為CGS>CS>CK>CMS，且方差分析表明，GWP在秸稈不同方式還田處理間有顯著差異(P<0.05)。與CK相比，在20 a、100 a和500 a 3個時間尺度上，CS處理GWP分別顯著增加了20.3%、17.6%和16.6%(P<0.05)；CGS處理GWP分別顯著增加了22.8%、20.7%和19.9%(P<0.05)；CMS處理GWP分別顯著降低了6.2%、7.3%和7.7%(P<0.05)。即在20 a、100 a和500 a時間尺度上，秸稈過腹還田(CGS)和秸稈直接還田方式(CS)均顯著增加了小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年溫室氣體的GWP，而秸稈-菌渣還田處理(CMS)則顯著降低了農(nóng)田土壤周年溫室氣體的GWP。

3 討 論

關(guān)于秸稈直接還田會明顯促進農(nóng)田CO2排放的結(jié)論已基本得到認可[24,27-29]，本研究也得到了類似結(jié)論。這是因為秸稈中含有大量的N、P及K等營養(yǎng)元素，秸稈還田后腐解，可有效增加土壤微生物生長所需的C、N等養(yǎng)分，使土壤微生物活性增強，加快對土壤有機質(zhì)的分解和土壤礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，為作物生長提供必要的營養(yǎng)元素，從而促進作物根系和地上部分的生長[27]；且秸稈本身的腐解也會產(chǎn)生一定量的CO2[21]。在本研究中，秸稈過腹還田方式(CGS)也使農(nóng)田CO2排放量增加，這可能是因為秸稈作為牛的飼料，產(chǎn)生的牛糞還田后，可使土壤理化性質(zhì)得到改善，為土壤微生物生長提供適宜的生存環(huán)境，同時牛糞的C/N(19.1∶1)較低，適宜的生存條件和較低的C/N可使土壤微生物呼吸作用增強，導(dǎo)致CO2釋放量增加[28-29]。而秸稈-菌渣還田方式則使農(nóng)田CO2排放量降低，這是因為C/N的變化會影響土壤微生物過程[30-31]，本研究中所用菌渣的C/N為70.4∶1，而微生物活動最佳C/N約為25∶1，因此，微生物需從土壤中固定C，由此可能導(dǎo)致CO2排放量降低[32]。

目前，關(guān)于秸稈不同還田方式對農(nóng)田土壤N2O排放影響的研究結(jié)果還存在許多不同[21,33-34]。本研究中，與秸稈不還田處理(CK)相比，農(nóng)田土壤周年N2O累計排放量在秸稈直接還田處理(CS)和秸稈-牛糞還田處理(CMS)下都增加，該結(jié)論與秸稈不同方式還田對單季(小麥季、玉米季)農(nóng)田溫室氣體排放影響的研究結(jié)論相一致[20,24]。對于秸稈直接還田處理，大量秸稈還田后，在秸稈腐解過程中使土壤中氧氣含量降低，從而使反硝化作用增強，由此使N2O排放量增加[21]。秸稈過腹還田(CGS)后，由于牛糞中N含量較高，C/N較低，本研究中牛糞的C/N為19.1∶1，低于微生物活動最佳C/N(約為25∶1)，由此降低了微生物對N的固定，從而使N2O的直接排放增加[34]。而在秸稈-菌渣還田處理下，與秸稈不還田相比，N2O周年累計排放量降低，這在黃小林的研究中也得到了類似結(jié)論[33]。

已有研究表明，在旱田土壤中，甲烷氧化菌占主導(dǎo)作用[34]，因此旱田土壤是CH4的匯[35]。本研究也發(fā)現(xiàn)，秸稈不同方式還田處理下，周年CH4的累積排放量均為負值，即小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤在周年上也是CH4的吸收匯。但秸稈不同方式還田處理影響農(nóng)田土壤對CH4的吸收，與CK相比，CS、CMS、CGS處理均降低了農(nóng)田土壤對CH4的吸收，李新華等[20]在研究秸稈不同方式還田對玉米季溫室氣體排放影響的研究中也得到了類似結(jié)論，該結(jié)論也與黃小林[33]的研究結(jié)論相一致。這可能是因為秸稈、牛糞和菌渣作為有機物料添加到農(nóng)田土壤中，可使土壤氧化還原電位降低，從而使CH4的氧化潛勢減少有關(guān)[19,21]。

4 結(jié) 論

(1)秸稈以不同方式還田，小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年溫室氣體的累計排放量隨之不同。其中，周年CO2的累計排放量在秸稈不同方式還田下表現(xiàn)為CGS>CS>CK>CMS，且不同處理間有顯著差異(P<0.05)，周年N2O的累計排放量在秸稈不同方式還田下表現(xiàn)為CS>CGS >CK>CMS，除CS和CGS，其余各處理間均差異顯著(P<0.05)，周年CH4的累計吸收量在秸稈不同方式還田下表現(xiàn)為CK>CGS>CS>CMS，除CS和CMS，其余各處理間均差異顯著(P<0.05)?？傊斩捯圆煌绞竭€田可影響農(nóng)田土壤溫室氣體的源/匯大小，但不能使其源/匯功能改變。

(2)秸稈以不同方式還田，小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年溫室氣體的綜合增溫潛勢也隨之不同。在3個時間度(20 a、100 a和500 a)上，小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年溫室氣體的綜合增溫潛勢在秸稈不同方式還田下均表現(xiàn)為CGS>CS>CK>CMS，且不同處理間有顯著差異(P<0.05)。為此，推薦秸稈-菌渣還田方式，以降低小麥-玉米輪作制農(nóng)田土壤周年溫室氣體的綜合增溫潛勢，減緩全球變暖。