不同耕作模式下麥田土壤溫室氣體排放和小麥產(chǎn)量

陳 甜，于振文，石 玉，張永麗

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018）

黃淮海麥區(qū)為我國小麥主產(chǎn)區(qū)，其小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接影響著我國的糧食安全。耕作模式作為改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤緊實(shí)度、透氣性及養(yǎng)分的重要措施，對促進(jìn)小麥的生長發(fā)育、實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)高效生產(chǎn)具有重要作用[1]。傳統(tǒng)的旋耕會導(dǎo)致土壤耕層變淺、透水透氣性變差，降低了土壤耕層的生產(chǎn)能力，進(jìn)而使作物根系發(fā)育不良，不利于小麥高產(chǎn)[2]，而合理的耕作模式可以降低土壤容重，增加土壤養(yǎng)分含量，延緩?fù)寥乐杏袡C(jī)質(zhì)的分解，提高土壤對碳的固持，進(jìn)而增加土壤有機(jī)碳儲量和提高小麥產(chǎn)量。

耕作模式因?qū)ν寥罃_動程度有所差異，故對土壤有機(jī)碳組分的影響也有差別。土壤團(tuán)聚體是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，與土壤有機(jī)碳組分相互制約[3]。研究表明，翻耕會破壞土壤大團(tuán)聚體，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳儲量，免耕則通過提高土壤有機(jī)碳儲量，加強(qiáng)了土壤顆粒的膠結(jié)作用，從而構(gòu)成了土壤團(tuán)聚體[4]。免耕條件下還有利于增加土壤大團(tuán)聚體含量，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累[5]。Guo等[6]研究表明，在小麥播種前進(jìn)行免耕，小麥兩生長季收獲后0—20 cm土層土壤有機(jī)碳含量較旋耕處理分別增加5.6%和7.2%，免耕還增加了土壤微生物數(shù)量，促進(jìn)了土壤中微生物的繁殖活動，提高了土壤微生物量碳含量[7]。另有研究表明，深松較旋耕有利于改善土壤微生態(tài)環(huán)境，顯著提高了20—40 cm土層土壤微生物量碳儲量[8]。

耕作模式在改變土壤結(jié)構(gòu)和土壤溫濕度的同時(shí)也影響著土壤溫室氣體的排放。研究表明，與翻耕和旋耕等傳統(tǒng)耕作模式相比，免耕易形成較硬的犁底層，增加了土壤容重，提高了土壤濕度，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的厭氧分解，導(dǎo)致CH4氣體排放[9–10]。由于免耕保持了良好的耕層結(jié)構(gòu)，有效的減少了N2O和CO2氣體排放量[11–12]。另有為期4年的田間定位研究表明，深松相較于旋耕減少了土壤中N2O和CO2的排放量，且在產(chǎn)量方面具有顯著優(yōu)勢，有利于降低溫室氣體的排放強(qiáng)度[13]。

綜上所述，前人的研究多集中于單一的耕作模式對土壤理化性質(zhì)和產(chǎn)量的影響，而關(guān)于組合型耕作模式對環(huán)境效益的長期影響研究尚少，因此，本試驗(yàn)擬在定位14年的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)置深松與少免耕組合模式，通過分析土壤溫室氣體排放和麥田產(chǎn)量的差異，探究平衡產(chǎn)量和環(huán)境效益的最優(yōu)耕作模式，以期為實(shí)現(xiàn)小麥綠色生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2020—2021年小麥生長季在山東省濟(jì)寧市兗州區(qū)小孟鎮(zhèn)史家王子村院士試驗(yàn)站(35°40′N，116°41′E)進(jìn)行。試驗(yàn)田土壤類型為潮土，該區(qū)為溫帶季風(fēng)氣候，平均氣溫13.6℃，年平均降水量733 mm。播種前0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為14.5 g/kg、1.30 g/kg、119 mg/kg、44.1 mg/kg 和 115 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為濟(jì)麥22。試驗(yàn)從2007年開始，設(shè)置4種耕作模式，即常年翻耕、常年旋耕、常年少免耕和隔兩年深松+少免耕 (深松年份為2007、2010、2013、2016、2019)，分別用P、R、S和SS表示，不同耕作模式的作業(yè)程序如表1。

表1 不同耕作模式的作業(yè)程序Table 1 Tillage procedures of different tillage patterns

小區(qū)面積為 160 m2(4 m×40 m)，每個(gè)處理 3 次重復(fù)。小麥在播種前施入 N 105 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2和 K2O 150 kg/hm2做基肥，拔節(jié)期追施 N 135 kg/hm2。鉀、磷、氮肥分別選用硫酸鉀、磷酸二銨和尿素。三葉一心期定苗，留苗密度為180株/m2，其他田間管理措施同高產(chǎn)田。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤團(tuán)聚體的測定 于播種前、越冬期、拔節(jié)期、開花期和成熟期，取0—15、15—30、30—45 cm土層有代表性的原狀土壤，每個(gè)處理選取5個(gè)樣點(diǎn)。利用干篩法和濕篩法，測定土壤中直徑>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量[14–15]。

1.3.2 土壤有機(jī)碳組分的測定 于拔節(jié)期、開花期和成熟期取0—15、15—30、30—45 cm土層土樣，每個(gè)處理選取5個(gè)樣點(diǎn)，將采集的土壤自然風(fēng)干保存?zhèn)溆肹16]。使用重鉻酸鉀外加熱法和K2SO4氯仿熏蒸法分別測定土壤有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量[17–18]。

1.3.3 溫室氣體測定 使用靜態(tài)暗箱—?dú)庀嗌V法在播種期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期，每隔7天采集并檢測一次氣體樣品，每個(gè)處理3次重復(fù)。采樣箱由有機(jī)玻璃制成長度、寬度和高度分別為50、50和 100 cm的框架，每個(gè)采樣箱匹配一個(gè)框架底座(長50 cm×寬50 cm×高20 cm)，在試驗(yàn)開始時(shí)將框架底座插入小麥行間。在取樣過程中，將采樣箱安裝在框架底座上的凹槽中，該凹槽充滿水以密封采樣箱和底座之間的空隙，在箱體封閉期間利用聚丙烯注射器通過連接在采樣箱頂部的三通，抽取氣體樣品放入鋁箔氣體取樣袋中。取樣當(dāng)天利用改良后的Agilent 7890B氣相色譜儀 (前檢測器為FID；后檢測器為ECD) 測定采集的氣體樣品中CH4、CO2和N2O的濃度。溫室氣體累積排放量等計(jì)算公式如下[19–20]：

式中，Y為溫室氣體的總排放量 (kg/hm2)；Fi為氣體排放通量 [mg/(m2·h)]；i為第 i次取樣；ti+1－ti為兩次取樣間隔的天數(shù)；n為取樣次數(shù)。

式中，GWP 為全球變暖潛力 (CO2-eq kg/hm2)；T (CH4)和 T (N2O)分別為 CH4和 N2O 的累積排放通量 (kg/hm2)；

式中，GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度 (CO2-eq kg/hm2)；Yi為不同耕作模式單位面積產(chǎn)量 (kg/hm2)；i為耕作模式。

1.3.4 成熟期籽粒產(chǎn)量的測定 成熟期每個(gè)小區(qū)選取4 m2進(jìn)行收獲、脫粒，在自然條件下風(fēng)干至籽粒含水量達(dá)到12.5%時(shí)進(jìn)行測產(chǎn)，每個(gè)小區(qū)3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理應(yīng)用Excel 2016軟件，繪圖應(yīng)用SigmaPlot 12.5軟件，應(yīng)用 SPSS 26統(tǒng)計(jì)軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作模式對土壤團(tuán)聚體含量的影響

由表2可知，在干篩法中，隨著土層的加深，各處理直徑>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量逐漸增加。0—15 cm土層直徑>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量為SS和S處理顯著高于P和R處理；15—30 cm土層為SS>P>R、S，R和S處理間差異不顯著；30—45 cm土層為SS處理顯著高于P、R和S處理，P、R和S處理間差異不顯著。在濕篩法中，各處理直徑>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量隨著土層的加深呈降低趨勢。0—15 cm土層直徑>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量為SS和S處理間差異不顯著，顯著高于P和R處理，P和R處理間差異不顯著；15—30和30—45 cm土層為SS>S>P、R，P和R處理間無顯著差異。表明SS處理增加了0—45 cm土層土壤大團(tuán)聚體的含量，促進(jìn)了土壤耕層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有利于提高土壤有機(jī)碳含量。

表2 不同耕作模式下直徑>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量Table 2 Soil aggregate content with diameter >0.25 mm under different tillage patterns

2.2 耕作模式對土壤有機(jī)碳含量和微生物量碳含量的影響

2.2.1 耕作模式對土壤有機(jī)碳含量的影響 由圖1可知，在小麥的拔節(jié)期、開花期和成熟期，0—15 cm土層土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為SS>S>R>P，各處理間差異顯著；15—30 cm土層表現(xiàn)為SS>P>R、S，R和S處理間無顯著差異。30—45 cm土層在拔節(jié)期和開花期表現(xiàn)為SS處理顯著高于其他處理，成熟期為各處理間無顯著差異。表明SS處理有利于增加耕層有機(jī)碳含量，提高土壤有機(jī)碳儲量。

圖1 不同耕作模式下0—45 cm土層土壤有機(jī)碳含量Fig. 1 Soil organic carbon content in 0–45 cm soil layer under different tillage patterns

2.2.2 耕作模式對土壤微生物量碳含量的影響 由圖2可知，0—15 cm土層土壤微生物量碳含量為SS>S>R>P，處理間差異顯著；15—30 cm土層表現(xiàn)為SS>P>R、S，R和S處理間無顯著差異；30—45 cm土層在拔節(jié)期和開花期表現(xiàn)為SS處理顯著高于其他處理，成熟期為各處理間無顯著差異。表明SS處理促進(jìn)了土壤微生物的活動，提高了土壤微生物量碳儲量。

圖2 不同耕作模式下0—45 cm土層土壤微生物量碳含量Fig. 2 Soil microbial biomass carbon content in 0–45 cm soil layer under different tillage patterns

2.3 耕作模式對麥田土壤溫室氣體排放的影響

2.3.1 耕作模式對土壤CO2氣體排放通量的影響 由表3可知，越冬期各處理土壤CO2氣體排放通量最低。于拔節(jié)期施肥灌溉后，CO2的排放通量達(dá)到最大值。其中，播種期P和R處理的CO2氣體排放通量無顯著差異，顯著高于SS和S處理，SS和S處理間無顯著差異；越冬期和返青期各處理間無顯著差異；拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期CO2氣體排放通量為P>R>SS>S，各處理間差異顯著。表明與P、R相比，SS處理促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，增加了難分解有機(jī)碳含量，從而減少了CO2氣體排放。

表3 不同耕作模式下小麥各生育期土壤CO2氣體排放通量 [mg/(m2·h)]Table 3 Soil CO2 gas emission fluxes under different tillage patterns at different growth stages of wheat

2.3.2 耕作模式對土壤N2O氣體排放通量的影響 由表4可知，各處理土壤N2O氣體排放通量在越冬期達(dá)到最低，于拔節(jié)期施肥灌溉后達(dá)到高峰期。其中，播種期P和R處理的N2O氣體排放通量無顯著差異，顯著高于SS和S處理，SS和S處理間無顯著差異；越冬期和返青期處理間無顯著差異；拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期，N2O氣體排放通量為P>R>SS>S，處理間差異顯著。表明與P、R相比，SS處理對土壤擾動小，削弱了土壤的硝化作用，減少了N2O氣體排放。

表4 不同耕作模式下小麥各生育期土壤N2O 氣體排放通量 [μg/(m2·h)]Table 4 Soil N2O gas emission fluxes under different tillage patterns at different growth stages of wheat

2.3.3 耕作模式對土壤CH4氣體排放通量的影響 由表5可知，土壤CH4氣體排放通量為負(fù)值，表明土壤吸收了大氣中的CH4。在越冬期，各處理對CH4氣體吸收量無顯著差異；播種期和返青期P、R處理對CH4氣體吸收量無顯著差異，顯著高于SS和S處理，SS和S處理間無顯著差異；拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期麥田對CH4氣體吸收量為P>R>SS>S，各處理間差異顯著。表明與S處理相比，SS處理抑制了土壤甲烷菌的形成，顯著增加了CH4氣體吸收量。

表5 不同耕作模式下小麥各生育期土壤CH4氣體排放通量 [μg/(m2·h)]Table 5 Soil CH4 gas emission fluxes under different tillage patterns at different growth stages of wheat

2.3.4 耕作模式對溫室氣體累計(jì)排放量及排放強(qiáng)度的影響 由表6可知，耕作模式對麥田土壤溫室氣體累計(jì)排放量、全球變暖潛力 (GWP) 和溫室氣體排放強(qiáng)度 (GHGI) 具有顯著的影響。其中CO2氣體累計(jì)排放量SS處理較S處理增加了4.1%，較P、R處理分別減少了8.4%和4.9%；N2O氣體累計(jì)排放量SS處理較S處理增加了7.4%，較P、R處理分別減少了12.9%和7.7%；CH4氣體累計(jì)吸收量SS處理較S處理增加了8.4%，較P、R處理分別減少了18.6%和11.2%；全球變暖潛力SS處理較S處理增加了7.9%，較P和R處理分別降低了12.2%和7.3%；SS處理溫室氣體排放強(qiáng)度較P、R和S處理分別減少了28.6%、28.6%和16.7%。表明SS處理的溫室氣體累計(jì)排放量顯著低于P和R處理，溫室氣體排放強(qiáng)度顯著低于其他處理，有效的減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的溫室效應(yīng)。

表6 不同耕作模式下麥田土壤溫室氣體累計(jì)排放量、全球變暖潛力及溫室氣體排放強(qiáng)度Table 6 Cumulative greenhouse gas emissions, global warming potential (GWP) and greenhouse gas emission intensity(GHGI) in wheat field under different tillage patterns

2.4 耕作模式對麥田籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表7可知，單位面積穗數(shù)SS與P處理顯著高于R和S處理，穗粒數(shù)處理間無顯著差異，千粒重表現(xiàn)為SS處理較P、R和S處理分別提高了4.7%、8.7%和9.6%，SS處理小麥的籽粒產(chǎn)量最高，較 P、R和S處理分別提高了7.1%、14.2%、19.4%。表明SS處理在保證較高單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)的基礎(chǔ)上，通過提高粒重獲得高產(chǎn)。

表7 不同耕作模式下小麥籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 7 Wheat grain yield and its components under different tillage patterns

3 討論

3.1 耕作模式對土壤團(tuán)聚體含量、土壤有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量的影響

耕作是影響土壤顆粒膠結(jié)和土壤團(tuán)聚體形成的一個(gè)重要措施。土壤顆粒的膠結(jié)能力越強(qiáng)，直徑>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體越多，土壤結(jié)構(gòu)越好[21]，土壤有機(jī)碳含量也會顯著提高[22–23]。研究表明，深耕秸稈還田處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成較少，但能增加表層土壤的有機(jī)碳含量，而深松秸稈還田處理通過打破犁底層、提高地表秸稈覆蓋率，不但能夠提高土壤中的有機(jī)碳含量[24]，還有利于形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體。翻耕與免耕相比，土壤中直徑>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量和土壤有機(jī)碳含量分別降低了66.6%和18.1%。這與翻耕易破壞土壤結(jié)構(gòu)，不利于土壤團(tuán)聚體的形成，進(jìn)而影響了土壤固碳有關(guān)[25]。免耕較翻耕土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性提高了3.6%，顯著增加了土壤總有機(jī)碳含量。其原因?yàn)槊飧龠M(jìn)了土壤微生物活動，增加了有機(jī)質(zhì)的積累量，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚[26]，由于土壤有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體的保護(hù)下能夠不斷積累，因此有效地提高了土壤有機(jī)碳儲量[25]。本研究中，隔兩年深松+少免耕 (SS) 處理顯著提高了 0—45 cm 土層中直徑>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體所占比例，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)，維持了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[27]，增加土壤中碳的固存，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累，對表層土壤有機(jī)碳含量的增加尤為顯著[28–29]。土壤微生物量碳是評價(jià)土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)。研究表明，深松的土壤微生物量碳含量顯著高于旋耕[30]，其原因?yàn)樯钏捎欣诩訌?qiáng)土壤中的氣體交換，促進(jìn)土壤微生物活動，增加土壤微生物量碳儲量[31]。本研究中，隔兩年深松+少免耕 (SS) 處理的土壤微生物量碳含量均顯著高于其他處理，這是由于隔兩年深松+少免耕 (SS) 處理保持了良好的土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤微生物的生長繁殖，顯著提高了土壤微生物量碳含量[32]。

3.2 耕作模式對溫室氣體排放和環(huán)境效益的影響

合理的耕作模式對減少溫室氣體排放具有顯著效果。CO2和N2O是溫室氣體排放的“源”，而CH4是溫室氣體排放的“匯”[33]。研究表明，免耕通常具有相對較高的土壤容重和土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于減少CO2和N2O氣體排放，因此與旋耕相比，免耕處理下土壤的CO2和N2O氣體排放通量更少[34]。本研究表明，常年少免耕 (S) 和隔兩年深松+少免耕(SS) 處理CO2和N2O的排放量均顯著低于常年翻耕(P) 和常年旋耕 (R) 處理；這與常年少免耕(S)和隔兩年深松+少免耕(SS)處理通過減少土壤呼吸，進(jìn)而減少了CO2和N2O的排放有關(guān)[35]。另有研究表明，免耕較翻耕具有相對穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)，降低了土壤的透氣性，增加厭氧條件下CH4菌的產(chǎn)生，從而延緩了CH4的氧化，促進(jìn)了CH4的排放[11]。本研究發(fā)現(xiàn)，隔兩年深松+少免耕 (SS) 處理對大氣中CH4的吸收量顯著高于常年少免耕 (S) 處理，其原因?yàn)楦魞赡晟钏?少免耕 (SS) 處理促進(jìn)了土壤中的氣體交換，不易造成土壤厭氧環(huán)境，進(jìn)而減少了土壤中CH4的排放通量[35]。此外，隔兩年深松+少免耕 (SS) 處理的溫室氣體累計(jì)排放量、全球變暖潛力顯著低于常年翻耕 (P) 和常年旋耕 (R) 處理，溫室氣體排放強(qiáng)度顯著低于其他處理。這與長期的保護(hù)性耕作(深松+少免耕)模式較翻耕、旋耕等單一的耕作模式，具有減少土壤擾動，增加土壤固碳，減少碳排放等優(yōu)勢有關(guān)[36]。

3.3 耕作模式對籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

耕作模式通過改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分循環(huán)，進(jìn)而提升了產(chǎn)量[37]。研究表明，與翻耕相比，深松可以打破犁底層，提高土壤養(yǎng)分含量，顯著增加小麥的籽粒產(chǎn)量[38]。亦有研究表明，深松能有效地解決翻耕對表土破壞較大和蓄水保墑的問題，滿足了小麥生長旺盛時(shí)期所需的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了干物質(zhì)向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)，提高了小麥的單位面積穗數(shù)和千粒重，進(jìn)而提升了小麥的籽粒產(chǎn)量[39]。另有研究表明，在干旱年份，免耕較翻耕具有較強(qiáng)的蓄水保墑和增產(chǎn)的能力[40]。在本研究中，不同耕作模式下千粒重和籽粒產(chǎn)量均為隔兩年深松+少免耕 (SS) 處理顯著高于常年翻耕 (P)、常年旋耕 (R) 和常年少免耕(S) 處理。其原因?yàn)樯钏珊蜕倜飧幚碓黾恿送寥澜Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，促進(jìn)了植株對水分和養(yǎng)分的吸收，提高了小麥單位面積穗數(shù)和千粒重，為小麥高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)[41–42]。

4 結(jié)論

長期定位研究表明，隔兩年深松+少免耕處理顯著提高了0—45 cm土層直徑>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量，增加了土壤有機(jī)碳含量，減少了溫室氣體排放強(qiáng)度，獲得最高產(chǎn)量。在本試驗(yàn)條件下，隔兩年深松+少免耕處理是平衡產(chǎn)量和環(huán)境效益的最優(yōu)耕作模式。