不同秸稈還田方式配施氮肥對(duì)麥田碳平衡的影響

馬建輝，黃培新，姜麗娜，趙凌霄，李春喜

(河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

近年來，氣溫普遍升高、極端天氣頻發(fā)引起人們的廣泛關(guān)注[1]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)指出，人類活動(dòng)排放出大量CO2，引發(fā)全球性氣候變化[2]。SMITH等[3]研究發(fā)現(xiàn)，大氣中20%的CO2排放來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)。陸地土壤是地球表面最大的碳庫，通過土壤呼吸不斷向外界排放CO2。農(nóng)作物在生長(zhǎng)過程中，不僅可通過光合作用大量吸收和固定大氣中的CO2，還可吸收太陽輻射，降低土壤溫度，避免土壤暴曬引起的CO2排放量增加。因此，農(nóng)作物種植對(duì)緩解大氣CO2濃度升高、維持農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)平衡具有十分重要的作用。2016年，我國(guó)農(nóng)作物總播種面積為1.67×108hm2[4]。作物收獲后剩余大量秸稈，秸稈含有碳、氮、磷等多種營(yíng)養(yǎng)成分[5]，就地還田可提高土壤肥力[6]，作為飼料可發(fā)展畜牧業(yè)。肉牛養(yǎng)殖在我國(guó)畜牧業(yè)中占重要地位，養(yǎng)殖量占大牲畜總量的89.60%[4]。秸稈作為牛飼料過腹還田，可避免秸稈焚燒、糞便堆砌造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[7-8]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，適量施氮可補(bǔ)充土壤養(yǎng)分、促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量，改善籽粒品質(zhì)[9-25]；而過量施氮不僅無法使糧食繼續(xù)增產(chǎn)[26]，還會(huì)引起溫室氣體排放[27]和水體污染[28]。因此，在農(nóng)作物秸稈資源合理利用的基礎(chǔ)上分析減施氮肥對(duì)作物產(chǎn)量及碳排放的影響成為研究的熱點(diǎn)。

目前，關(guān)于秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量和農(nóng)田土壤呼吸的影響研究較多，田冬等[29]研究發(fā)現(xiàn)，物料還田方式可顯著影響油菜/玉米農(nóng)田土壤呼吸季節(jié)變化特征和峰值，促進(jìn)或抑制土壤呼吸及碳排放；張莉等[30]研究表明，與秸稈粉碎還田處理相比，秸稈顆粒還田處理小麥季土壤呼吸速率增加了15.2%，碳排放量增加了8.9%，產(chǎn)量增加了10.7%；李嬌等[31]研究表明，不同物料還田對(duì)油菜和玉米產(chǎn)量、凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary productivity,NPP)的影響不同；李新華等[32]研究顯示，小麥秸稈過腹還田處理玉米植株固碳量較直接還田處理增加了10.5%，碳排放量增加了17.4%；李亞鑫等[33]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田條件下，冬小麥產(chǎn)量不完全隨施氮量增加而增加，秸稈還田配施一定量氮肥可提高小麥產(chǎn)量。李瑋等[34]研究也發(fā)現(xiàn)，秸稈還田下合理配施氮肥可增加冬小麥產(chǎn)量。目前，關(guān)于豫北地區(qū)不同秸稈還田方式配施氮肥對(duì)小麥產(chǎn)量和麥田碳平衡的影響研究尚未見報(bào)道。為此，在豫北地區(qū)玉米秸稈過牛腹還田、直接還田條件下設(shè)置不同施氮水平，比較小麥產(chǎn)量及植株固碳量、土壤呼吸速率等，系統(tǒng)評(píng)估麥田碳平衡情況，以期獲得能同時(shí)提高豫北地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)效益和小麥產(chǎn)量的最佳農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)地概況

供試小麥品種為周麥32。

試驗(yàn)于2016—2017年在河南省?？h鉅橋鎮(zhèn)劉寨村(114°33′E、35°40′N)進(jìn)行。試驗(yàn)地0～20 cm土層土壤含全氮1.18 g/kg、速效磷22.47 mg/kg、速效鉀105.63 mg/kg、總碳24.85 g/kg，pH值為8.14。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，前茬玉米秸稈全量直接還田(SN，秸稈還田量9 600 kg/hm2)條件下，設(shè)置小麥全生育期不施氮(SN0)和施純氮260 kg/hm2(SN1)2個(gè)處理；前茬玉米秸稈全量過牛腹還田(CN，干牛糞還田量5 300 kg/hm2，秸稈過腹轉(zhuǎn)化系數(shù)0.55)條件下，設(shè)置小麥全生育期施純氮260 kg/hm2(CN1)、220 kg/hm2(CN2)和190 kg/hm2(CN3)3個(gè)處理。全部處理基施硫酸鉀112.5 kg/hm2、過磷酸鈣138 kg/hm2。施氮處理均基施純氮120 kg/hm2，并按照處理分別于拔節(jié)期追施純氮140 kg/hm2、100 kg/hm2和70 kg/hm2。小區(qū)面積150 m2(10 m×15 m)，小區(qū)內(nèi)隨機(jī)留取4 m2(2 m×2 m)裸地(小麥出苗后拔除而成)，每個(gè)處理3次重復(fù)。2016年10月12日機(jī)播，行距22 cm，播量210 kg/hm2。在前期試驗(yàn)[35]基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)采用畦灌方式，小麥全生育期灌溉越冬水、拔節(jié)水、開花水，每次灌水量600 m3/hm2，其他同常規(guī)田間管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤呼吸指標(biāo) 使用便攜式CO2分析儀EGM-4和土壤呼吸室SRC-1分別于小麥冬前期(2016年12月6日)、越冬期(2017年1月16日)、返青期(2017年3月7日)測(cè)定9:00—11:00、11：00—13:00、13:00—15:00、15:00—17:00、17:00—19:00時(shí)段麥田和裸地土壤呼吸速率；隨大氣溫度增加，自2017年4月1日開始(拔節(jié)中期)，每7 d測(cè)定一次，直至小麥成熟。測(cè)定麥田土壤呼吸速率時(shí)，在各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇小麥生長(zhǎng)均勻的三處，剪除小麥地上部后分別測(cè)定行中及兩側(cè)行間土壤呼吸速率。裸地土壤呼吸速率直接測(cè)定，重復(fù)3次。麥田土壤呼吸為農(nóng)田土壤總呼吸，主要包括作物根系的自養(yǎng)呼吸(Root respiration,Rr)和土壤微生物的異氧呼吸(Microbal respiration,Rm)，以裸地土壤呼吸速率作為土壤微生物呼吸速率。小麥各生育時(shí)期土壤呼吸碳排放量(M)計(jì)算公式為M=12/44×F×D×24/1 000。其中，F(xiàn)為日平均土壤呼吸速率，D為某一生育時(shí)期天數(shù)。

1.3.2 小麥植株固碳量 于成熟期，在各小區(qū)隨機(jī)選取30株小麥植株，分莖稈、籽粒和根，于105 ℃殺青、85 ℃烘干后稱質(zhì)量，使用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定小麥植株碳含量，并計(jì)算固碳量。完整根干質(zhì)量以根冠比0.11計(jì)算[36]。

1.3.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡指標(biāo) 生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡通常由凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net ecosystem productivity,NEP)表示，是NPP與Rm的差值[37]。NEP為正時(shí)，該系統(tǒng)為碳匯；NEP為負(fù)時(shí)，該系統(tǒng)為碳源。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田方式配施氮肥對(duì)麥田土壤呼吸碳排放量的影響

2.1.1 土壤呼吸速率

2.1.1.1 麥田 從整體來看，各處理麥田土壤呼吸速率季節(jié)動(dòng)態(tài)變化總體呈先降后波動(dòng)式上升最后略下降的趨勢(shì)(圖1)，麥田土壤呼吸速率在冬前期(2016年12月6日)較低，在越冬期(2017年1月16日)降至最低，隨后在返青期(2017年3月7日)緩慢升高，在拔節(jié)期(2017年4月1日、4月8日)迅速升高，在孕穗期(2017年4月15日)、抽穗期(2017年4月22日)總體均保持較高水平，在開花期(2017年4月29日)迅速下降，在灌漿期(2017年5月5日、5月12日、5月19日)重新回到較高水平，在成熟期(2017年5月26日)略有下降。

不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05),下同

從各處理來看(圖1)，冬前期CN處理麥田土壤呼吸速率顯著高于SN處理。越冬期、返青期施氮處理麥田土壤呼吸速率顯著高于不施氮處理。氣溫升高后由于不施氮處理土壤含水量低[38]，SN0處理土壤溫度率先升高，其麥田土壤呼吸速率在拔節(jié)前期(2017年4月1日)顯著高于SN1、CN2、CN3處理。自拔節(jié)后期(2017年4月8日)開始，SN處理下麥田土壤呼吸速率均表現(xiàn)為SN1處理高于SN0處理，且在拔節(jié)后期、開花期、灌漿期及成熟期達(dá)顯著水平，表明秸稈直接還田條件下施氮肥增加了麥田土壤呼吸速率。受追氮量影響，拔節(jié)期至成熟期CN處理麥田土壤呼吸速率總體表現(xiàn)為CN1>CN2>CN3。CN1處理麥田土壤呼吸速率在拔節(jié)前期、灌漿期均顯著高于CN2、CN3處理；CN3處理麥田土壤呼吸速率在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿后期(2017年5月19日)及成熟期均顯著低于CN1、CN2處理。表明CN處理麥田土壤呼吸速率隨追氮量增加而增加。此外，秸稈還田方式對(duì)麥田土壤呼吸速率也有一定影響。CN1處理麥田土壤呼吸速率在冬前期、拔節(jié)前期、抽穗期、灌漿后期及成熟期均顯著高于SN1處理，在拔節(jié)后期、開花期則顯著低于SN1處理。

2.1.1.2 裸地 從整體來看，各處理裸地土壤呼吸速率隨季節(jié)變化總體呈先稍微下降后波動(dòng)式緩慢上升趨勢(shì)，變化幅度小于麥田土壤(圖2)。裸地土壤呼吸速率在冬前期較小，在越冬期降至最低，隨后緩慢上升，拔節(jié)期后迅速上升，在開花期停止上升，在灌漿后期迅速上升并達(dá)到最高水平，在成熟期略有下降。

圖2 不同處理裸地土壤呼吸速率季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Seasonal variation of bare soil respiration rate of different treatments

從各處理來看(圖2)，不施氮處理(SN0)裸地土壤呼吸速率在冬前期、越冬期、返青期均顯著低于施氮處理。氣溫升高后，不施氮處理(SN0)土壤含水量低[38]、地溫升高快，裸地土壤呼吸速率在拔節(jié)前期率先升高，顯著高于施氮處理，隨后緩慢增長(zhǎng)直至灌漿中期(2017年5月12日)。小麥孕穗至成熟，SN條件下SN1處理裸地土壤呼吸速率均高于SN0處理，且在孕穗期、抽穗期、灌漿期、成熟期達(dá)顯著水平。拔節(jié)期，追氮后CN條件下裸地土壤呼吸速率基本表現(xiàn)為CN1>CN2>CN3，表明土壤微生物呼吸速率隨施氮量增加而增大。相同施氮量下，拔節(jié)期至開花期SN1處理裸地土壤呼吸速率較高，灌漿期和成熟期CN1處理裸地土壤呼吸速率較高。

2.1.2 土壤呼吸碳排放量 小麥各生育時(shí)期內(nèi)麥田、裸地土壤呼吸碳排放量(表1)與其呼吸速率動(dòng)態(tài)變化一致，表現(xiàn)為麥田高于裸地、施氮處理高于不施氮處理。各生育時(shí)期麥田土壤呼吸碳排放量基本表現(xiàn)為CN1>CN2>SN1>CN3>SN0。受土壤呼吸速率和生育時(shí)期天數(shù)影響，土壤碳排放量在小麥灌漿期、成熟期、冬前期和拔節(jié)期表現(xiàn)較高。

小麥生育期土壤呼吸各組分碳排放量如表2所示。從土壤呼吸組分來看，根系呼吸碳排放量占土壤總呼吸碳排放量的42.6%～46.9%，微生物呼吸碳排放量占53.1%～57.4%。從處理來看，CN1處理土壤呼吸各組分碳排放量均最高，其中土壤總呼吸碳排放量顯著高于其他處理；SN0處理土壤呼吸各組分碳排放量均最低，顯著低于其他施氮處理。SN條件下SN1處理土壤總呼吸、根系呼吸及微生物呼吸碳排放量分別較SN0處理增加了20.8%、23.3%、18.9%。CN條件下土壤各呼吸組分碳排放量均隨施氮量增加而增加，CN1、CN2處理土壤總呼吸碳排放量分別較CN3處理增加了10.5%、5.4%，根系呼吸碳排放量增加了14.2%、7.8%，微生物呼吸碳排放量分別增加了7.4%、3.5%。同等施氮量260 kg/hm2下,CN1處理土壤總呼吸、根系呼吸碳排放量分別較SN1處理增加了7.4%、15.7%，微生物呼吸碳排放量差異不顯著。

表1 小麥各生育時(shí)期土壤呼吸碳排放量Tab.1 Carbon emission from soil respiration at each growth stage of wheat kg/m2

注：同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05),下同。

Note: The different lowercase letters after data within a line mean significant differences among different treatments at 0.05 level, the same below.

表2 小麥全生育期土壤呼吸各組分碳排放量

2.2 不同秸稈還田方式配施氮肥對(duì)小麥植株干質(zhì)量及固碳量的影響

由表3可知，從部位來看，籽粒干質(zhì)量和固碳量均約占植株干質(zhì)量和固碳量的53%，莖稈均約占37%，根系均約占10%。從處理來看，CN1處理下小麥各部位干物質(zhì)固碳量均最高，其植株干質(zhì)量和固碳量總體上均顯著高于其他處理。施氮處理植株各部位干質(zhì)量和固碳量均顯著高于不施氮處理，表明施用氮肥可顯著提高小麥植株各部位干質(zhì)量和固碳量。SN1處理植株干質(zhì)量、固碳量分別較SN0處理增加了27.1%、30.5%。CN條件下，小麥各部位干質(zhì)量和固碳量基本表現(xiàn)為CN1>CN3≥CN2。相同施氮量下，CN1處理小麥各部位干質(zhì)量和固碳量均顯著高于SN1處理，其植株干質(zhì)量、固碳量分別增加了14.0%、11.6%，表明秸稈過牛腹還田對(duì)增加小麥植株干質(zhì)量和固碳量具有較好的效果。

表3 不同處理小麥各部位干質(zhì)量和固碳量Tab.3 Dry matter and carbon strorage in all parts of wheat plant kg/m2

2.3 不同秸稈還田方式配施氮肥對(duì)小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響

由表4可知，施氮條件下，各處理NEP均為正，小麥農(nóng)田系統(tǒng)均為碳匯，表現(xiàn)為凈固碳。其中，CN1、CN3處理NEP分別為0.14、0.13 kg/m2，顯著高于其他處理，表明該處理小麥農(nóng)田碳匯能力較強(qiáng)。SN1、CN2處理農(nóng)田碳匯能力較弱，雖維持了農(nóng)田系統(tǒng)碳平衡，但存在一定碳排放風(fēng)險(xiǎn)。不施氮條件下，SN0處理NEP為負(fù)，農(nóng)田系統(tǒng)為碳源，其凈碳排放量達(dá)0.08 kg/m2。

表4 不同處理小麥農(nóng)田系統(tǒng)碳平衡Tab.4 Carbon balance of wheat field under different treatments kg/m2

3 結(jié)論與討論

3.1 農(nóng)田土壤呼吸速率影響因素

溫度是影響不同季節(jié)土壤呼吸速率最主要的因素。本研究發(fā)現(xiàn)，小麥生育期內(nèi)，麥田土壤呼吸速率和裸地土壤呼吸速率總體上均隨溫度增加呈現(xiàn)波動(dòng)式上升。小麥越冬期前，麥田土壤呼吸速率和裸地土壤呼吸速率均隨氣溫、地溫的降低而減小，越冬期最低；越冬期后氣溫逐漸回升，麥田土壤呼吸速率和裸地土壤呼吸速率總體上均逐漸增加；拔節(jié)期起氣溫迅速升高，土壤呼吸速率也隨之迅速增加。該現(xiàn)象與張權(quán)[39]研究結(jié)果一致。然而，開花期麥田土壤呼吸速率大幅度減小現(xiàn)象表明土壤呼吸速率還受其他因素影響。本試驗(yàn)在小麥開花期進(jìn)行了人工灌溉，麥田土壤呼吸速率在該時(shí)期迅速下降與土壤水分增加有關(guān)。呂國(guó)紅等[40]通過控制土壤水分條件發(fā)現(xiàn)，同時(shí)間內(nèi)不同土壤水分條件下農(nóng)田土壤總呼吸速率不同，且土壤總呼吸速率隨土壤相對(duì)濕度增加而降低，與本研究結(jié)果一致?？赡艿脑蚴峭寥浪衷黾訔l件下，一方面降低了土壤中氧氣含量，抑制了小麥根系有氧呼吸和土壤微生物呼吸；另一方面，由于水的熱容量較大降低了土壤溫度，進(jìn)而降低了根系和微生物呼吸速率。本研究中土壤微生物呼吸速率受灌溉影響較小，表明作物根系呼吸速率對(duì)水分、溫度等土壤環(huán)境變化較微生物呼吸速率更敏感。ZHANG等[41]也發(fā)現(xiàn)，土壤根系呼吸速率較微生物呼吸速率對(duì)土壤溫度變化更敏感，與本研究結(jié)果相似。

除溫度、水分因素外，秸稈還田、施氮量等栽培措施也對(duì)農(nóng)田土壤呼吸速率產(chǎn)生一定影響[42-43]。丁瑞霞等[44]和丁新宇等[42]均發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可顯著增加旱作農(nóng)田土壤總呼吸速率。DING等[45]對(duì)兩熟農(nóng)田碳排放量研究發(fā)現(xiàn)，與施用無機(jī)NPK肥相比，有機(jī)物料還田下小麥、玉米農(nóng)田土壤碳排放量平均增加了16%。在前人研究結(jié)果基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)研究秸稈直接還田和過牛腹還田2種還田方式配施氮肥條件下麥田土壤呼吸速率，發(fā)現(xiàn)施氮260 kg/hm2條件下秸稈過牛腹還田較秸稈直接還田增強(qiáng)了土壤總呼吸速率和根系呼吸速率，總呼吸碳排放量和根系呼吸碳排放量分別增加了7.4%和15.7%，微生物呼吸碳排放量無顯著差異。這是由于秸稈過牛腹后為細(xì)碎纖維，更有利于腐解和釋放養(yǎng)分供作物生長(zhǎng)，促進(jìn)了土壤中根系呼吸部分碳排放。本研究中施氮增強(qiáng)了土壤呼吸速率，小麥生育期內(nèi)農(nóng)田土壤呼吸碳排放量與施氮量呈正相關(guān)。秸稈直接還田下，施氮260 kg/hm2處理較不施氮處理土壤總呼吸、根系呼吸、微生物呼吸碳排放量分別增加了20.8%、23.3%、18.9%。秸稈過牛腹還田下，施氮260、220 kg/hm2處理較施氮190 kg/hm2處理土壤總呼吸碳排放量增加了10.5%、5.4%，根系呼吸碳排放量增加了14.2%、7.8%，微生物呼吸碳排放量增加了7.4%、3.5%。張耀鴻等[46]研究發(fā)現(xiàn)，施氮300 kg/hm2處理較不施氮處理玉米田土壤總呼吸速率增強(qiáng)31.9%。DING等[45]探究了長(zhǎng)期施氮對(duì)冬小麥-夏玉米兩熟農(nóng)田碳排放的影響，結(jié)果表明，施氮顯著增加了農(nóng)田土壤呼吸碳排放量。熊簡(jiǎn)安然等[43]研究結(jié)果也表明，施氮可增加農(nóng)田土壤總呼吸速率。其原因可解釋為施氮增加了土壤有效氮含量，促進(jìn)了作物生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累，根系呼吸增強(qiáng)，因而增強(qiáng)了農(nóng)田土壤總呼吸速率[47-49]；施氮降低了農(nóng)田土壤C/N，有利于土壤微生物分解農(nóng)田中的有機(jī)質(zhì)，增強(qiáng)了微生物活性，促進(jìn)了微生物生長(zhǎng)繁殖，因而施氮增強(qiáng)了農(nóng)田土壤微生物呼吸速率[50-52]。

3.2 農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)平衡

NEP是評(píng)估農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要指標(biāo)，NEP為正時(shí)，農(nóng)田系統(tǒng)為碳匯，凈固定碳；NEP為負(fù)時(shí)，農(nóng)田系統(tǒng)為碳源，凈排放碳。NEP受NPP和Rm影響。本研究中小麥生育期內(nèi)各處理裸地凈碳排放量均高于1 kg/m2，為強(qiáng)碳源，應(yīng)避免農(nóng)田荒裸。因此，應(yīng)合理栽培農(nóng)作物促進(jìn)農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)。研究表明，秸稈還田配施氮肥是促進(jìn)作物光合作用和地上部生長(zhǎng)、增加干物質(zhì)積累的主要栽培措施[53-54]。本研究中秸稈還田配施氮肥處理小麥植株干質(zhì)量和固碳量均顯著高于秸稈還田不施氮處理。秸稈直接還田方式下，施氮260 kg/hm2處理小麥植株干質(zhì)量、固碳量較不施氮處理增加了27.1%、30.5%。施氮260 kg/hm2下秸稈過牛腹還田處理小麥植株干質(zhì)量、固碳量分別較秸稈直接還田處理增加了14.0%、11.6%。李新華等[32]對(duì)比秸稈還田方式發(fā)現(xiàn)，秸稈過腹還田處理玉米植株固碳量較秸稈直接還田處理增加了10.47%，與本研究結(jié)果相似。秸稈還田配施氮肥在提高NPP的同時(shí)促進(jìn)了Rm。兼顧二者，本研究中秸稈直接還田不施氮處理NEP為-0.08 kg/m2，屬弱碳源，不可持續(xù)；秸稈直接還田配施氮肥260 kg/hm2、秸稈過牛腹還田配施氮肥220 kg/hm2處理NEP分別為0.01、0.05 kg/m2，均屬弱碳匯，維持了農(nóng)田系統(tǒng)碳平衡；秸稈過牛腹還田下施氮260、190 kg/hm2處理NEP分別為0.14、0.13 kg/m2，碳匯能力較強(qiáng)，可有效固定大氣中的CO2，且260 kg/hm2可獲得較高的籽粒產(chǎn)量。兼顧生態(tài)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)雙重效益，秸稈過牛腹還田條件下最佳施氮量為260 kg/hm2。