微生物菌對(duì)集溝小麥秸稈溫室氣體的固碳減排影響

方志超，吳明亮，2，楊安明，胡 婷

（1．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2．湖南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

氣候變暖已成為目前最為嚴(yán)峻的環(huán)境問題，由CO2、CH4、N2O等溫室氣體排放所產(chǎn)生的影響顯而易見［1］。其中CO2的溫室效應(yīng)眾所周知，但CH4相比于CO2，由于其在大氣中滯留時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)紅外線的吸收能力強(qiáng)，增溫潛勢(shì)（GWP）大約是CO2的23倍；N2O具有更強(qiáng)的GWP，約為CO2的150～200倍，并且，N2O通過光化學(xué)反應(yīng)與臭氧層中的O3發(fā)生反應(yīng)，破壞臭氧導(dǎo)致地表紫外線輻射增大，從而威脅到人類的生存環(huán)境［2-3］。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為溫室氣體重要的排放源和吸收匯，對(duì)溫室效應(yīng)的影響不容忽視，占全球人為排放源的10%～12%［4］。其中，農(nóng)田溫室氣體的排放在受到溫度、濕度、pH值等環(huán)境因素影響的同時(shí)，也受到許多人為因素的影響，如氮肥施用、農(nóng)田翻耕、秸稈直接還田等。研究表明有機(jī)肥和無機(jī)肥配施會(huì)增加農(nóng)田溫室氣體的排放，但不同的研究差異性較大［5］。陳義等［6］研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥處理的N2O排放高于氮肥處理，還有研究表明施用有機(jī)肥可增加土壤有機(jī)碳的含量，有機(jī)碳能夠固定土壤速效氮并促進(jìn)N2O轉(zhuǎn)化為N2，該反硝化過程可減少N2O的排放。Six等［7］認(rèn)為免耕初期土壤溫室氣體釋放量高于翻耕；而Ussiri等［8］研究得出，長(zhǎng)期免耕相比鑿式犁耕作和鏵式犁耕作，能顯著減少溫室氣體的排放。

秸稈還田是有機(jī)碳?xì)w還農(nóng)田的一項(xiàng)重要農(nóng)作措施。還田的秸稈在其腐解過程中，一部分經(jīng)微生物的分解直接以CO2的形式排放到大氣中，另一部分則通過微生物的分解作用而進(jìn)入到土壤中，實(shí)現(xiàn)部分秸稈的固碳減排。盡管秸稈直接還田具有增加土壤固碳量、改善土壤結(jié)構(gòu)、培肥地力等作用，但現(xiàn)在所推行的秸稈還田方式如表面覆蓋、混合施入土壤表層等，由于還田及耕作方式不得當(dāng)，可能會(huì)造成翻地質(zhì)量不好、溫室效應(yīng)增加等問題［9-11］。本文以前期研究為基礎(chǔ)，針對(duì)秸稈集于溝內(nèi)敞開放置這一特定的還田方式，結(jié)合微生物秸稈腐解菌對(duì)集溝秸稈的促腐作用，通過對(duì)秸稈溫室氣體排放進(jìn)行測(cè)試及分析，獲得農(nóng)田溫室氣體的排放規(guī)律，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的減排控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概述

試驗(yàn)地位于鹽城市黃海農(nóng)場(chǎng)，該地氣溫為-16.4～39.9℃，年均氣溫為13.1℃。年均降水量為956.5 mm，蒸發(fā)量為1554.5 mm。全年無霜期占211 d，日照時(shí)長(zhǎng)歷年平均2314.8 h，日照率為58%［12-13］。該地區(qū)稻麥輪作，一年兩季，免耕直播，機(jī)收后秸稈留茬高度較均勻，為15～25 cm。供試土壤為重黏土，在0～10、10～20 cm深的平均土壤堅(jiān)實(shí)度分別為168.4、316.5 N，土壤基本理化性狀見表1。

表1 供試土壤理化性狀

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用小麥秸稈為淮麥22號(hào)秸稈。集草溝內(nèi)秸稈均長(zhǎng)為78.6 mm。所使用液體類微生物腐解菌劑為南京日升康生物工程有限公司生產(chǎn)，主要成分包括枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等。芽孢含量為200億/mL，與尿素配合使用。其中，施入量比為菌劑∶尿素∶秸稈=1∶0.057∶20，C/N調(diào)節(jié)為25∶1［14］。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用多因素多水平的隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。其中，集溝還田下的秸稈處理有3組，分別為①LM+ST：施入液體狀菌劑的集溝秸稈；②PM+ST：施入粉末狀菌劑的集溝秸稈；③CK+ST：無菌劑施入的集溝秸稈。另外，不同秸稈還田方式有4組處理，分別為④JG+CR：集溝還田模式的作物；⑤JG+CK：集溝還田模式無作物；⑥FS+CR：粉碎還田模式的作物；⑦FS+CK：粉碎還田模式無作物。共7組處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，計(jì)21個(gè)小區(qū)。

1.4 測(cè)試方法與指標(biāo)

1.4.1 測(cè)試方法

為了降低外界環(huán)境對(duì)測(cè)試氣體的影響，本文溫室氣體的測(cè)試采用靜態(tài)暗箱法，該方式將采樣點(diǎn)置于密閉、無光的有限空間內(nèi)，可保證所采集的氣體接近真實(shí)排放情況。靜態(tài)箱體主要分為底座，加高層，以及主箱體部分，PVC材質(zhì)，并以錫箔紙包裹隔熱。針對(duì)本文的研究對(duì)象-集溝秸稈，箱體尺寸規(guī)格應(yīng)與集草溝溝型匹配，設(shè)計(jì)箱體底座寬為250 mm，長(zhǎng)為1000 mm，高度為200 mm，不同層的箱體之間通過卡槽相嵌合，加高層和主箱體高度根據(jù)作物特性和前人的研究成果均取為500 mm［15］。其中，底座埋置于田間相應(yīng)的試驗(yàn)點(diǎn)固定。主箱體內(nèi)置風(fēng)扇，預(yù)留有采氣孔和溫度測(cè)量孔。采氣時(shí)將箱體嵌入底座回形槽并加水密封，短暫中斷暗箱內(nèi)的光合作用帶來的影響。通過外接蓄電池使箱體內(nèi)氣體盡可能混合均勻，并插入溫度計(jì)。每次采樣時(shí)間為10：00，利用50 mL帶有開閉閥的采氣針筒分別在0、5、10、15分進(jìn)行抽氣，并迅速注入真空存儲(chǔ)瓶。貼好標(biāo)簽并盡快送至實(shí)驗(yàn)室，利用氣相色譜儀對(duì)所采氣樣進(jìn)行分析，箱體結(jié)構(gòu)和尺寸，如圖1、2、3、4所示。

1.4.2 測(cè)試指標(biāo)

氣樣分析中所測(cè)指標(biāo)包括CO2、CH4和N2O的含量。采用安捷倫氣相色譜儀（Agilent7890A），其中CO2、CH4用氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）測(cè)定，N2O用電子捕獲檢測(cè)器（ECD）測(cè)定，檢測(cè)條件及相關(guān)參數(shù)見表2所示。

表2 氣象色譜配置及采樣分析條件

相關(guān)計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)-氣體排放通量，mg·m-2·h-1；ρ-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下各氣體的密度，CO2、CH4、N2O的密度分別為1.96、0.54和1.25 g·L-1；V-采樣箱有效體積，m3；A-采樣箱所覆蓋的土壤表面積，m2；dC/dt-箱內(nèi)溫室氣體濃度隨時(shí)間的變化率，μL·L-1·min-1，由每組4個(gè)采樣時(shí)刻點(diǎn)溫室氣體濃度與對(duì)應(yīng)的抽樣時(shí)刻0、5、10、15分?jǐn)M合直線的斜率決定；T-采樣過程中靜態(tài)箱內(nèi)的平均溫度，℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

2.1.1 不同處理對(duì)稻季麥秸稈的CO2的排放通量影響

稻季氣體的采樣從2017年的6月25日開始，直到11月16日水稻即將收割之前。稻季CO2的排放規(guī)律如圖5所示，整個(gè)采樣期各處理的CO2幾乎均為排放，表現(xiàn)為CO2的源。各處理間呈現(xiàn)出較大的差異性，其中，水稻作物的排放量最為明顯，2種秸稈還田方式下的作物處理JG+CR與FS+CR的CO2排放通量較為接近，分別為26.45～982.28和-37.76～962.37 mg·m-2·h-1，平均排放通量分別為426.59和368.70 mg·m-2·h-1，2次峰值均出現(xiàn)在施過氮肥之后，表明氮素會(huì)極大促進(jìn)CO2的排放，但秸稈還田方式對(duì)作物的CO2影響較?。辉跓o作物和無秸稈的處理下，主要由土壤作用的處理JG+CK和FS+CK在整個(gè)生長(zhǎng)期CO2排放表現(xiàn)平穩(wěn)，維持在90 mg·m-2·h-1左右。與之相比，麥秸稈集溝還田后，處理CK+ST在整個(gè)生長(zhǎng)期的CO2平均排放通量達(dá)381.78 mg·m-2·h-1，表明秸稈直接還田會(huì)增大農(nóng)田CO2的排放量，在施入不同的微生物腐解菌后CO2排放量均有不同程度的下降，2種處理LM+ST與PM+ST分別降低了31.6%和12.0%，降幅明顯。

2.1.2 不同處理對(duì)稻季麥秸稈的CH4的排放通量影響

稻季CH4在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)各處理下均表現(xiàn)為排放，即為CH4的排放源（圖6）。不同處理具有一定的季節(jié)性變化。其中，稻季作物處理JG+CR與FS+CR的變化規(guī)律相似，在整個(gè)生長(zhǎng)周期的平均排放量極為相近，均約為13.26 mg·m-2·h-1，表明不同秸稈還田對(duì)作物生長(zhǎng)過程中的CH4排放無明顯影響，并且在施加氮肥后也對(duì)CH4的排放無明顯影響；而秸稈直接還田處理中，CK+ST在整個(gè)生長(zhǎng)期的平均排放量達(dá)到了19.15 mg·m-2·h-1，表明秸稈直接集溝還田會(huì)大大增加農(nóng)田的CH4排放，這主要是由于秸稈還田增加土壤有機(jī)質(zhì)，提高產(chǎn)甲烷古菌的生命活動(dòng)所造成。為此，考察LM+ST和PM+ST 2種類型的微生物菌作用下，與CK+ST相比，排放量均明顯偏低，分別為12.07和15.20 mg·m-2·h-1，微生物菌的施入能有針對(duì)性的消耗和利用秸稈和土壤的有機(jī)質(zhì)。

2.1.3 不同處理對(duì)稻季麥秸稈的N2O的排放通量影響

針對(duì)稻季的N2O而言，在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)各處理呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，并以排放為主，表現(xiàn)為N2O的源，各處理均在施加氮肥的7月下旬和烤田期過后的8月下旬出現(xiàn)N2O的排放峰值。且第二次峰值時(shí)由于水稻作物的分蘗和長(zhǎng)勢(shì)，使得N2O的排放要高于第一次峰值。其中，在生長(zhǎng)前期CK+ST處理的排放量處于領(lǐng)先，為523.70 μg·m-2·h-1，高于微生物菌作用下的處理，這是由于土壤中的N2O主要由硝化和反硝化作用產(chǎn)生，秸稈的施入會(huì)改變農(nóng)田土壤的C/N，從而加速N2O的產(chǎn)生，但是在微生物菌的作用下，與CK+ST相比，N2O的排放之所以會(huì)下降是因?yàn)榕涫┑奈⑸锝斩捀饩涌炝送寥赖氐南暮凸潭?，減少了產(chǎn)生N2O的生成底物，從而降低N2O的排放；在水稻生長(zhǎng)的后階段，F(xiàn)S+CR處理的N2O排放量逐漸上升至領(lǐng)先地位，這一方面是由于作物的光合作用和呼吸作用日益增強(qiáng)，另一方面是旋耕的田塊由于土壤的翻動(dòng)，導(dǎo)致土壤的通透性較好，在氮肥充足的條件下土壤的硝化和反硝化作用得以加強(qiáng)，因此相對(duì)該處理的N2O排放較高。

2.2 對(duì)農(nóng)田CO2、CH4和N2O全球增溫潛勢(shì)的影響

由于CO2、CH4和N2O的增溫效應(yīng)不同，它們對(duì)全球變暖的影響亦不相同。當(dāng)這3種氣體從一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)排放時(shí)，只有計(jì)算它們作用的綜合效果才能了解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)或某一農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)值。目前，絕大多數(shù)學(xué)者以全球增溫潛勢(shì)（GWP）-即用于定量衡量不同溫室氣體對(duì)全球變暖的相對(duì)影響，用CO2當(dāng)量值表示，來體現(xiàn)這3種溫室氣體的聯(lián)合作用，計(jì)算公式：

式中，TH-評(píng)估期間長(zhǎng)度，以100年為基準(zhǔn)；ax-氣 體 輻 射 效 率，W·m-2·kg-1；x（t）-1 kg氣體釋放后隨時(shí)間的衰減比；ar-CO2輻射效率，W·m-2·kg-1；r（t）-1 kg CO2釋放后隨時(shí)間的衰減比。

如表3所示，可知3種不同處理LM+ST、PM+ST、CK+ST的綜合GWP分別為-9.22、-7.15、-11.56 CO2t·hm-2，兩處理組相對(duì)于對(duì)照組均略低，分別為對(duì)照組的79.9%和61.8%，表明在100年的時(shí)間尺度上，該還田方式對(duì)農(nóng)田溫室氣體綜合GWP有一定的抑制作用。

表3 稻季麥秸稈還田各處理的溫室氣體GWP （CO2 t·hm-2）

2.3 年際效應(yīng)

通過在2018年進(jìn)行連續(xù)、重復(fù)的試驗(yàn)，驗(yàn)證2017年分別在稻季和麥季結(jié)論的可靠性。現(xiàn)僅對(duì)秸稈還田的3組處理進(jìn)行分析。試驗(yàn)表明，2017和2018年同一溫室氣體的各處理變化趨勢(shì)一致，LM+ST和PM+ST均不同程度地低于對(duì)照組CK+ST，表明微生物菌能減少溫室氣體排放；而同一處理在不同年份下絕大部分都存在顯著性差異，表明不同年份取樣的濃度受到外界因素的影響較大，可能與采樣時(shí)間、年份氣候、田間管理、作物的長(zhǎng)勢(shì)、人為誤差均存在一定的關(guān)系。

表4 稻季麥秸稈還田各處理的年際間溫室氣體平均排放通量

3 討論與結(jié)論

土壤能通過生物和非生物過程捕獲大氣中的碳素并將其穩(wěn)定地存入碳庫，這一過程被稱為碳固存。土壤有機(jī)碳（SOC）儲(chǔ)量與環(huán)境變化、生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)能量循環(huán)和人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)［16-17］。其中，農(nóng)田溫室氣體排放在受到溫度、濕度、pH值等環(huán)境因素影響的同時(shí)，也受到許多人為因素的影響，如氮肥施用、秸稈和有機(jī)肥的還田等［18］。

CO2、CH4和N2O是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的3種主要溫室氣體，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)又是大氣中3種溫室氣體重要的排放源。本研究中，通過對(duì)農(nóng)田耕作方式、秸稈還田方式以及對(duì)集溝還田的秸稈微生物菌的處理綜合分析可知，各因素對(duì)農(nóng)田溫室氣體有較大的影響［19］?？傮w來說，①對(duì)稻季和麥季而言，溫室氣體的排放以稻季為主，麥季各種溫室氣體的排放通量相對(duì)稻季低，這主要是受溫度的影響所致，溫度是促進(jìn)溫室氣體排放的一個(gè)重要因素；②對(duì)耕作方式而言，免耕的平均溫室氣體排放量要低于旋耕，與旋耕相比，免耕的綜合溫室效應(yīng)減排可達(dá)15%，這是由于耕作會(huì)破壞土壤的原有結(jié)構(gòu)，從而減少土壤CO2、CH4和N2O的氧化程度和匯集強(qiáng)度并增加了其反應(yīng)基質(zhì)；③對(duì)氮肥的施入而言，不論是稻季還是麥季，氮肥的施入會(huì)明顯改變溫室氣體的排放，特別是會(huì)促進(jìn)N2O和CO2的排放，這可能是由于NH4+-N抑制了甲烷產(chǎn)生菌活性，從而使CH4的排放增幅不明顯。增加N2O的排放主要是由于氮肥進(jìn)入土壤后可以增加土壤氮素含量，為硝化反硝化過程提供底物NO3-和NH4+，其中，NO3-不僅可以促進(jìn)反硝化速率，而且能夠刺激NO3-還原酶活性，增加N2O/N2。增加CO2的原因是氮肥的施入改善了土壤理化性質(zhì)，增加了土壤有機(jī)質(zhì)的積累，促進(jìn)了土壤微生物的活性以及根系的生長(zhǎng)和活力，從而增加了CO2的排放量；④就秸稈直接還田而言，秸稈直接還田作為一種有機(jī)肥的投入，改善了土壤的理化性質(zhì)，增加了土壤有機(jī)質(zhì)的積累，促進(jìn)了土壤微生物活性及殘留根系的生長(zhǎng)和活力，同時(shí)，秸稈施用加速了微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)的分解和礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，從而增加了CO2、CH4及N2O的排放量，特別是配施氮肥的情況下，排放量增加尤其明顯。

苗期因?yàn)榻斩捀饴实?，有機(jī)質(zhì)的礦化率低，微生物的呼吸作用相對(duì)較弱，此時(shí)的作物根系弱小，呼吸強(qiáng)度弱。因此，田間作物的溫室氣體排放通量在整個(gè)生育期是最小的［20］，但是秸稈的溫室氣體排放不受影響，處于較高的水平。

由于秸稈還田在保護(hù)環(huán)境，增加土壤肥力，提高作物產(chǎn)量等方面有著不可估量的作用［21］。因此，為了探索秸稈還田在固碳和減排方面的作用，本研究在微生物菌促進(jìn)集溝秸稈快速腐解的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究該措施下溫室氣體排放的情況。研究表明：在稻季麥秸稈直接還田（CK+ST）作用下，外加微生物菌處理LM+ST、PM+ST的CO2、CH4、N2O的平均排放量分別為260.89 mg·m-2·h-1、12.07 mg·m-2·h-1、100.87 μg·m-2·h-1和335.96 mg·m-2·h-1、15.20 mg·m-2·h-1、117.39 μg·m-2·h-1，比無微生物菌的對(duì)照組分別要低31.7%、36.9%、39.2%和12.0%、20.6%、29.2%。微生物菌能在一定程度上緩解秸稈還田所帶來的溫室氣體排放，這是由于秸稈在腐解過程中，微生物的呼吸底物增加，呼吸強(qiáng)度提高，CO2排放量增大，加入菌劑促腐后集溝秸稈CO2排放量比對(duì)照低，原因可能是集溝還田秸稈的腐解是微氧反應(yīng)，菌劑的施入促進(jìn)秸稈碳微氧分解和腐殖化，秸稈碳的腐殖化率越高，土壤固碳越高，CO2氣體排放量表現(xiàn)為降低。同時(shí)土壤中的有機(jī)碳提高，起到固碳的作用。并且由于微生物菌對(duì)秸稈的快速分解，此過程會(huì)消耗大量的O2，導(dǎo)致土壤表層出現(xiàn)還原的環(huán)境條件，從而增強(qiáng)了CH4的氧化吸收，減少其排放，但是相對(duì)另2種氣體不明顯。使土壤有機(jī)質(zhì)與土壤中的氧混合減少；同時(shí)由于免耕和秸稈覆蓋，使土壤溫度和有機(jī)質(zhì)腐化降低，減少了CO2的排放；高C/N的微生物菌分解過程中需要利用土壤中的氮素，且好氧微生物的活動(dòng)導(dǎo)致土壤氧化還原狀況的改變，限制了硝化作用N2O的產(chǎn)生，同時(shí)秸稈在腐解過程中產(chǎn)生化感物質(zhì)也會(huì)抑制N2O的釋放，最終體現(xiàn)為共同降低N2O的排放［22-24］。