棗園間作棉花、苜蓿土壤呼吸差異及效益分析

趙雅茹 陳國棟 甘塘煌 武國義 顧新宇 阿依娜爾·博拉提別克 司俊潔

（塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院/南疆干旱區(qū)特色作物遺傳改良與高效生產(chǎn)兵團重點實驗室，新疆阿拉爾 843300）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中溫室氣體的排放會在一定程度上加劇全球氣候變暖，可能導(dǎo)致如洪水、旱災(zāi)和熱浪等極端天氣頻繁出現(xiàn)。根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占全球溫室氣體排放的比重為10%～14%。因此，在作物生產(chǎn)過程中，不僅需要找到農(nóng)作物高產(chǎn)和高效益的種植模式，更需要找到能同時減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的模式或方法。相關(guān)研究顯示，植物間作可在一定程度上緩解該問題，張計峰等[1]研究得出，棗園間作棉花有利于增加單位面積土地產(chǎn)出效率，但在成齡棗園間作棉花會導(dǎo)致紅棗產(chǎn)量下降。崔愛花等[2]研究得出，通過棉花、甘薯間作，可以提高土壤中微生物數(shù)量和酶活性，從而改善土壤肥力，進而達(dá)到增加棉花產(chǎn)量的目的。Trumbore等[3]的研究認(rèn)為，大氣碳庫與土壤碳庫進行交換的主要形式是土壤呼吸，而土壤呼吸受到作物品種、種植方式等眾多因素的影響。李鑫等[4]通過設(shè)置棉花與小麥、大蒜和花生間套作，得出間套作體系產(chǎn)量具有優(yōu)勢且干物質(zhì)積累量多于棉花單作處理。李波等[5]通過在棗樹不同距離處種植棉花，進行棗棉間作最終得出棗棉間作經(jīng)濟效益優(yōu)于棉花單作。間作種植模式往往具有比單作模式更高的經(jīng)濟效益且產(chǎn)生的土壤呼吸往往低于單作種植模式。

本試驗通過大田試驗，對棗棉間作、棗苜間作的產(chǎn)量、經(jīng)濟效益和土壤呼吸3個方面進行綜合分析，以篩選出適宜南疆地區(qū)且環(huán)境友好的種植模式，尋找溫室氣體排放少且經(jīng)濟效益高的種植管理方式。

1 材料與方法

1.1 試驗地點選擇

試驗地點位于新疆阿拉爾市塔里木大學(xué)園藝試驗站棗園（81°18′07″ E、40°32′34″ N，海拔1 015 m）。該棗園位于新疆維吾爾自治區(qū)中部，其氣候類型為溫帶大陸性干旱氣候，四季分明，降水少、蒸發(fā)量大，年日照時間較長，平均年日照時數(shù)為3 199.9 h，≥10 ℃的年積溫在4 000 ℃以上，光熱資源豐富，晝夜溫差較大，日間溫差超過10 ℃，有利于作物養(yǎng)分的積累，為間套作創(chuàng)造了有利條件。無霜期180～224 d，年均氣溫10.8 ℃。降水量較少，年均降水量63.9 mm，土表水分蒸發(fā)量大，年均蒸發(fā)量1 976.6～2 558.9 mm。園藝試驗站土壤類型為砂壤土，堿解氮33.71 mg/kg，全氮1.51 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

供試所用棉花為中棉619，苜蓿為紫花苜蓿，棗樹于2012年用酸棗直播建園，株行距配置為1 m×3 m，2014年春嫁接紅棗。

試驗于塔里木大學(xué)園藝試驗站進行，采用完全隨機試驗設(shè)計，共設(shè)棗棉間作（JC）、棗苜間作（JA）、棉花單作（SC）和苜蓿單作（SA）4種種植模式。每個處理進行3次重復(fù)，共12個小區(qū)，農(nóng)事管理均參照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法。

1.3 項目測定

1.3.1 土壤溫室氣體CO2與N2O 的采集采用靜態(tài)箱法對溫室氣體（CO2、N2O）進行采集。靜態(tài)箱由不銹鋼制成，頂部設(shè)有溫度計插口，分為箱體和底座兩部分，尺寸為30 cm×15 cm×10 cm。底座插入土壤10 cm深，箱體放在底座凹槽上，并在采樣時向凹槽中注水，形成密閉采樣空間。試驗于晴朗天氣11：00—14：00進行，每10 min采集一次氣體，分別為0、10、20和30 min。使用帶有三通閥的醫(yī)用注射器將箱內(nèi)氣體抽入氣袋。采樣結(jié)束后，將氣袋帶回實驗室，利用氣相色譜儀分析氣體樣品中的N2O和CO2濃度。

1.3.2 土壤溫室氣體CO2與N2O 的排放通量計算由于試驗地大氣壓強并非標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在計算氣體通量時需要根據(jù)實際大氣壓和大氣溫度對氣體密度進行校準(zhǔn)。經(jīng)推導(dǎo)，氣體交換通量F［CO2，mg/（m2·h）；N2O，μg/（m2·h）］計算公式如下。

式（1）中，dc/dt表示采樣箱內(nèi)氣體濃度隨時間變化的斜率；M表示氣體的摩爾質(zhì)量（g/mol）；P表示當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?；T表示采樣箱內(nèi)實際溫度；V0、P0和T0分別代表標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積（22.4 L/mol）、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.33 kPa）和大氣溫度（273 K）；H代表采樣氣室的高度。

1.3.3 棗棉、棗苜間作產(chǎn)量與經(jīng)濟效益計算土壤當(dāng)量比（LER）計算公式如下。

式（2）中，LER代表土地當(dāng)量比；LER1和LER2代表棉花的偏土地當(dāng)量比；Y1i和Y1m分別代表棗棉間作和單作產(chǎn)量；Y2i和Y2m分別代表棗苜間作和單作產(chǎn)量。當(dāng)土壤當(dāng)量比大于1 時，說明間作具有產(chǎn)量優(yōu)勢。

農(nóng)田經(jīng)濟效益估算公式如下。

式（3）中，V代表農(nóng)田經(jīng)濟效益；S代表作物種植面積；Y代表作物產(chǎn)量；P代表作物收獲當(dāng)年市場價格；C代表種植成本。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用氣象色譜儀分析收集氣體中CO2和N2O 濃度，收集的數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019進行匯總、整理與繪圖，使用DPS 7.05軟件進行多重比較（Duncan法）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對農(nóng)田CO2排放通量的影響

棗棉間作、棗苜間作、棉花單作和苜蓿單作4種種植模式下，CO2排放通量的變化存在明顯的季節(jié)性（圖1）。棉花單作、棗棉間作的CO2氣體排放通量分別在8 月19 日達(dá)到最高值431.00 和412.77 μg/（m2·h）。苜蓿單作、棗苜間作的CO2排放通量分別在7月20日、8月19日達(dá)到最高值135.40和129.81 μg/（m2·h）。就同種作物單作與間作在7個時間點所產(chǎn)生的總體CO2排放通量來看，棗棉間作總體CO2排放通量1 948.31 μg/（m2·h）相比棉花單作總體CO2排放通量2 313.26 μg/（m2·h）減少了15.78%；棗苜間作總體CO2排放通量635.84 μg/（m2·h）相比苜蓿單作總體CO2排放通量642.65 μg/（m2·h）略小，減少了1.06%。由此可以看出，棗棉間作有明顯的CO2減排效果，棗苜間作CO2減排不明顯。同一棗園中棗棉間作總體的CO2排放遠(yuǎn)高于棗苜間作總體的CO2排放。棗棉間作7 個時間點所記錄的CO2排放通量總計為1 948.31 μg/（m2·h），相較棗苜間作總體CO2排放通量635.84 μg/（m2·h）增加了206.42%。這表明該地區(qū)種植棉花會比種植苜蓿產(chǎn)生更多的CO2。

圖1 不同種植模式CO2呼吸通量動態(tài)變化

2.2 不同種植模式對農(nóng)田N2O排放通量的影響

棗棉間作、棗苜間作、棉花單作和苜蓿單作4種種植模式下，N2O 的排放通量與CO2相似，存在明顯的季節(jié)性變化（圖2）。棉花、苜蓿的N2O排放通量均整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。棗棉間作、棉花單作N2O 氣體排放通量在8 月19 日達(dá)到的最高值，分別為0.09和0.32 μg/（m2·h）。棗苜間作在7月4日達(dá)到最高值，為0.05 μg/（m2·h）。苜蓿單作在7月20日達(dá)到最高值0.03 μg/（m2·h）。就同種作物單作與間作在7個時間點所測得的總體N2O排放通量來看，棗棉間作總體N2O排放通量0.38 μg/（m2·h）相比棉花單作總體的N2O排放通量1.61 μg/（m2·h）減少了76.40%；棗苜間作總體的N2O排放通量0.08 μg/（m2·h）相對苜蓿單作總體的N2O排放通量0.19 μg/（m2·h）減少了57.89%。由此可以看出，棗棉間作、棗苜間作有明顯的N2O減排效果。同一棗園中棗棉間作總體的N2O排放遠(yuǎn)高于棗苜間作總體的N2O排放。棗棉間作7個時間點所記錄的N2O排放通量總計為0.38 μg/（m2·h），相較棗苜間作總的N2O 排放通量0.08 μg/（m2·h）增加了375.00%。這表明該地區(qū)種植棉花比種植苜蓿會產(chǎn)生更多的N2O。

圖2 不同種植模式N2O呼吸通量的動態(tài)變化

2.3 不同種植模式對產(chǎn)量的影響

4種不同種植模式下產(chǎn)量的差異明顯（圖3），其中，棉花單作比棗棉間作的產(chǎn)量增加了40.90%；苜蓿產(chǎn)量具有相似的趨勢，即第一茬苜蓿單作產(chǎn)量比棗苜間作產(chǎn)量增加了93.24%，第二茬苜蓿單作的產(chǎn)量比棗苜間作產(chǎn)量增加了27.31%。由圖4 可以看出，棗棉間作的偏土壤當(dāng)量比（LER1）為0.71，棗苜間作的偏土壤當(dāng)量比（LER2）為0.61，LER1與LER2的和大于1，說明間作模式對比單作模式具有產(chǎn)量優(yōu)勢。綜上，該地區(qū)棉花單作、苜蓿單作能獲得更高的產(chǎn)量。

圖3 棗園棉花、苜蓿產(chǎn)量對比

圖4 棗棉間作、棗苜間作土壤當(dāng)量比

2.4 不同種植模式的經(jīng)濟效益比較

不同種植模式產(chǎn)生的經(jīng)濟效益不同（表1—2）。在相同種植面積下，棗棉間作比棉花單作的經(jīng)濟效益更高，凈收入增加了24.00%，產(chǎn)投比增加了15.12%。棗苜間作比苜蓿單作的經(jīng)濟效益更高，凈收入增加了35.00%，產(chǎn)投比增加了24.51%。由此可以得出，該地區(qū)相同種植面積下棗棉間作、棗苜間作經(jīng)濟效益更高，投入相同成本能得到更大的凈利潤。

表1 不同種植模式的投入量 單位：（元/hm2）

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，在相同栽培條件下，棉花單作較棗棉間作產(chǎn)量增加了40.90%，但棗棉間作能有效降低溫室氣體排放并提高作物的經(jīng)濟效益。棗棉間作比棉花單作減少了15.78% 的CO2排放通量和76.40%的N2O排放通量，同時增加了24.00%的凈收入。苜蓿單作較棗苜間作兩茬苜蓿分別增產(chǎn)了93.24%和27.31%，但棗苜間作較苜蓿單作減少了1.06%的CO2排放通量和57.89%的N2O 排放通量，同時增加了35.00%的凈收入。因此，綜合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和提高農(nóng)戶經(jīng)濟效益，選擇棗棉間作、棗苜間作種植模式較優(yōu)。

3.2 討論

3.2.1 不同種植模式的農(nóng)田CO2與N2O排放通量變化特征研究表明，棉花CO2與N2O排放通量呈低—高—低的變化趨勢[6-7]。劉軍等[8]發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率呈低—高—低的變化趨勢，其原因是植物根系和土壤微生物的呼吸是土壤呼吸的主要貢獻者，當(dāng)溫度升高時，土壤微生物和根系的呼吸作用會加強，導(dǎo)致土壤呼吸速率增加。相反地，當(dāng)溫度降低時，土壤呼吸速率會減小。本研究發(fā)現(xiàn)，棗棉間作、棉花單作CO2排放通量在8 月19 日達(dá)到的最高值，分別為412.77 和431.00 μg/（m2·h）；N2O排放通量在8月19日達(dá)到的最高值，分別為0.09和0.32 μg/（m2·h）。苜蓿單作、棗苜間作的CO2排放通量分別在7 月20 日、8月19日達(dá)到最高值，分別為135.40和129.81 μg/（m2·h），N2O排放通量分別在7月20日、7月4日達(dá)到最高值，分別為0.03 和0.05 μg/（m2·h）。4 種種植模式在達(dá)到溫室氣體（CO2、N2O）排放的最高值之后，溫室氣體（CO2、N2O）排放均呈下降趨勢，這與8 月份時阿拉爾地區(qū)的溫度較高，致使植物根系和土壤微生物的呼吸速率增大，導(dǎo)致土壤溫室氣體排放增加有關(guān)。

趙財?shù)萚9]和Dyer 等[10]的研究表明，合理的間作種植可通過抑制農(nóng)田土壤呼吸速率來減少溫室氣體的排放，從而增加農(nóng)田土壤碳匯。段雅欣[11]研究表明，間作能在一定程度上降低土壤呼吸速率以及土壤CO2的累計排放量，這與間作可降低土壤中有機質(zhì)的分解，抑制土壤呼吸有關(guān)。本研究表明，棗棉間作、棗苜間作的土壤溫室氣體排放低于棉花單作與苜蓿單作。棗棉間作較棉花單作的CO2排放通量減少了15.78%，N2O 排放通量減少了76.40%，棗苜間作較苜蓿單作CO2排放通量減少了1.06%，N2O排放通量減少了57.89%。這與棗棉間作、棗苜間作降低了土壤中有機質(zhì)的分解，抑制了農(nóng)田土壤呼吸速率，從而減少了土壤溫室氣體排放有關(guān)。棗棉間作同棗苜間作相比會產(chǎn)生更多的土壤溫室氣體（CO2、N2O），由于棉花對土壤有機質(zhì)的養(yǎng)分需求比較高，需要施加更多的化肥來促進棉花植株的生長，這反過來會導(dǎo)致更多的溫室氣體（CO2、N2O）排放，這與趙亞飛等[12]的研究結(jié)論一致。

3.2.2 不同種植模式的作物產(chǎn)量與經(jīng)濟效益分析棉花單作和苜蓿單作比棗棉間作、棗苜間作更具有產(chǎn)量優(yōu)勢[13]。楊濤等[14]研究發(fā)現(xiàn)棉花對土壤的養(yǎng)分、水分和營養(yǎng)元素有著很高的要求。棗棉間作中棉花屬于弱勢作物，棉花在與棗樹競爭養(yǎng)分期間會導(dǎo)致棉花的生長發(fā)育受到抑制，部分植株矮小無法正常生長或不能結(jié)鈴而被淘汰，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。本研究結(jié)果表明，棉花單作比棗棉間作的產(chǎn)量增加了40.90%；兩茬單作苜蓿比棗苜間作的產(chǎn)量分別增加了93.24%和27.31%。棉花單作、苜蓿單作產(chǎn)量較高的原因與間作作物之間存在競爭關(guān)系，致使產(chǎn)量下降有關(guān)。雖然單作模式下作物的產(chǎn)量高于間作模式下作物的產(chǎn)量，但在經(jīng)濟效益上，間作模式下作物所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益更高。棗棉間作下棗樹和棉花總計產(chǎn)生的凈收入與棉花單作相比增加了24.00%，棗苜間作下苜蓿和棗樹總計產(chǎn)生的凈收入與苜蓿單作相比增加了35.00%。

本試驗采用靜態(tài)箱法結(jié)合氣相色譜儀對棗棉間作、棉花單作、棗苜間作和苜蓿單作4種不同種植模式下土壤溫室氣體的排放進行了測定，并對其產(chǎn)量和經(jīng)濟效益進行了計算和綜合分析。基于試驗結(jié)果，綜合溫室氣體排放通量、產(chǎn)量與經(jīng)濟效益因素，在本試驗區(qū)域綜合收益較高的種植模式依次為棗苜間作和棗棉間作。