不同秸稈改良劑對松嫩平原西部鹽堿地溫室氣體排放的影響

劉 怡

（哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150025）

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評估報告指出，2011 年以來，大氣中溫室氣體的含量持續(xù)增加，2011—2020 年，全球平均溫度較1850—1900 年的平均值高1.09 ℃，全球氣候變暖成為人類社會所面臨的重大挑戰(zhàn)[1]。甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是重要的溫室氣體，二者在100年時間尺度上的全球增溫潛勢（Global Warming Potential，GWP）分別是二氧化碳（CO2）的25倍和298倍。

土壤是N2O 的重要排放源，減少土壤溫室氣體排放對加快實現(xiàn)“碳中和”進程具有重要意義。增加外源有機物質(zhì)輸入可有效增加土壤碳匯，提升土壤肥力。秸稈易獲取，直接還田成為廣泛推廣的管理措施。但有學(xué)者指出，秸稈還田可能導(dǎo)致土壤溫室氣體排放增加[2]；優(yōu)化秸稈利用方式將加快有機物腐解速度，同時影響土壤溫室氣體排放[3-4]。秸稈摻入腐熟劑還田引起CH4氣體大量排放，氨化秸稈被應(yīng)用于直接還田以提升土壤碳氮含量，生物炭以其特有的吸附性降低農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放。鹽堿土是全球重要的后備耕地資源，我國松嫩平原西部廣泛分布著蘇打鹽堿土。改善鹽堿土性狀對增加土地資源具有重要意義，但目前大部分研究只關(guān)注了土壤碳氮累積而忽略了改良過程中的溫室氣體排放，本研究將腐熟秸稈、氨化秸稈和秸稈生物炭作為改良劑，配施等氮量氮肥，關(guān)注退化鹽堿土質(zhì)量提升過程中的溫室氣體排放特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣一心鄉(xiāng)前進村（124°29'44″E，46°48'56″N），地處黑龍江省松嫩平原西部。該區(qū)域受溫帶大陸性氣候影響，年平均氣溫3.6～4.4 ℃，年降水量的80%集中在7—9 月。供試土壤為典型的蘇打鹽堿土，質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。秸稈施入時，耕層土壤（0～20 cm）的pH 值為9.4，容重為1.28 g·cm-3，總碳含量為8.56 g·kg-1，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮含量分別為0.64、18.32、261.17 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)野外樣地選取原則全面踏查后選取試驗地，秸稈與氮肥于2019 年10 月26 日同時翻入耕層土壤，試驗觀測期為2021 年5 月11 日—9 月28 日（141 d）。每組設(shè)置3個重復(fù)，每個樣方長、寬均為2 m。相鄰樣方間設(shè)3 m 保護行，樣方四周鋪設(shè)塑料隔水膜防止樣方間的物質(zhì)交換。水稻收獲后留茬20 cm 左右，粉碎至3～5 cm 待用，秸稈干質(zhì)量為9 587 kg·hm-2。共設(shè)置4 組處理，分別為對照組（CK）、粉碎水稻秸稈+腐熟劑+氮肥（MSN）、氨化粉碎水稻秸稈+氮肥（ASN）、水稻秸稈生物炭+氮肥（SBN）。其中，秸稈還田量為9.59 t·hm-2，腐熟劑使用量為30 kg·hm-2，氮肥使用量為480 kg·hm-2。

1.3 樣品采集與測定

氣體樣品每7～10 d 采集1 次。CH4和N2O 通量使用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測定。在每個樣方中心位置固定不銹鋼底座，底座插入土壤后保持固定，靜態(tài)箱扣入后將底座頂部凹槽加水密封。靜態(tài)箱的尺寸為40 cm×40 cm×40 cm，帶有凹槽的不銹鋼底座規(guī)格為40 cm×40 cm×8 cm，箱體四周均覆有隔熱遮光材料。采樣箱上部3 個孔分別用于接通箱內(nèi)攪氣小風(fēng)扇、溫度計探頭和采氣三通閥，3 個孔均用橡膠塞密封。采集時間通常選在天氣晴朗的8:00—11:00。

1.4 氣體通量、累積排放量的計算

溫室氣體通量計算公式為

式中：F為所測溫室氣體通量，μg·m-2·h-1；為箱內(nèi)氣體濃度隨時間變化的曲線斜率；M為所測氣體摩爾質(zhì)量，g·mol-1；v0為標準狀態(tài)下所測氣體摩爾體積，mL·mol-1；P為采樣時靜態(tài)箱內(nèi)氣壓，Pa；P0為氣體標準狀態(tài)下的空氣絕對氣壓，Pa；t0為氣體標準狀態(tài)下的溫度，℃；t為采樣時靜態(tài)箱內(nèi)的氣溫，℃；h為靜態(tài)箱內(nèi)氣室高度，cm。

溫室氣體累積排放量計算公式為

式中：f為所測溫室氣體累積排放量，kg·hm-2；n為排放通量觀測次數(shù)；Fi+1與Fi分別為第i+1 次和第i次采氣時的平均氣體排放通量，μg·m-2·h-1；ti+1與ti分別為第i+1次和第i次試驗的時間，d[5]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019 進行數(shù)據(jù)處理；采用SPSS 25.0 統(tǒng)計軟件結(jié)合Duncan 法進行多重比較；采用Origin 2019作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CH4和N2O通量動態(tài)變化

由圖1 可知，整個研究期內(nèi)不同有機物料添加下的CH4通量變化趨勢基本一致。觀測初期（14 d）出現(xiàn)排放峰值；觀測中后期降水增多，CH4排放量在0值上下波動；觀測末期（113 d 后）CH4排放量趨于平穩(wěn)。CK、MSN、ASN和SBN的CH4平均排放通量分別為19.76、-11.91、-10.16 μg·m-2·h-1和-13.31 μg·m-2·h-1。由圖2 可知，不同處理組的N2O 排放通量顯示出類似的趨勢，但幅度不同。在觀測初期（14 d），除CK 組外均觀測到明顯的排放峰值；第50 d 至觀測結(jié)束，各組保持較穩(wěn)定狀態(tài)。CK、MSN、ASN 和SBN 的N2O 平均排放通量分別 為-5.17、2.71、2.59 μg·m-2·h-1和1.54 μg·m-2·h-1。

圖1 秸稈不同處理下CH4通量動態(tài)

圖2 秸稈不同處理下N2O通量動態(tài)

2.2 CH4和N2O累積排放量

如表1 所示，試驗期間，CH4累積排放量順序為CK＞ASN＞MSN＞SBN。與CK 相比，ASN、MSN 和SBN 的CH4累積排放量分別減少137.80%、141.46%和148.78%。N2O的累積排放量順序為MSN＞ASN＞SBN＞CK，與CK 相比，MSN、ASN 和SBN 的N2O 累積排放量分別增加147.06%、129.41%和123.53%。可見，有機物料添加顯著減少了CH4排放量而顯著增加了N2O排放量。

表1 秸稈不同處理下CH4和N2O累積排放量 單位：kg·hm-2

3 結(jié)論與討論

本研究在野外原位觀測了松嫩平原西部鹽堿地CH4和N2O 通量，其表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征。有機物料與氮肥同時施入土壤，CH4和N2O 排放通量在生長季表現(xiàn)出先升高、后降低的特征。MSN 與ASN 可加速秸稈腐解，提供充足的碳和氮，但鹽堿土的固碳和固氮能力差，因此增加了氣體排放。而SBN 不僅增加土壤對碳和氮的固定，還對碳和氮有一定的吸附能力，因此減少了氣體排放。

無機碳可在好氧條件下生成CO2，在厭氧條件下生成CH4[6]。夏季氣溫升高，土壤水分易蒸發(fā)，土壤含水量減少改善了土壤通氣性，形成吸收“匯”。降水增多使土壤水分增加，為產(chǎn)甲烷菌提供了適合的環(huán)境條件，促進CH4排放。土壤N2O 的產(chǎn)生主要來自硝化和反硝化過程，礦質(zhì)氮含量控制N2O 排放[7]。總的來看，生物炭（SBN）具較強的吸附能力能減少土壤中的氮素含量，對CH4的吸收作用較好，也可減少N2O排放[8]。