施肥对冬小麦土壤温室气体排放的影响

杨书运，严平，马友华，戴佳伟，韩辉邦，汪大林，方海义

安徽农业大学资源与环境学院，合肥230036

土壤呼吸不仅是全球碳循环最重要的组成部分，也是土壤有机质矿化速率和异养代谢活性的重要指标[1-3]。据测算，全球通过土壤呼吸向大气排放的碳约为68～100 Pg·a-1，比人类每年燃烧化石燃料而释放的碳总量高约1个数量级。而农业生态系统作为地球巨系统中最大的人工干预生态系统，其温室气体的排放总量必然受到人为因素的影响[3]。

随着化学肥料的大规模工业化生产和农业生产技术的提高，在耕地面积没有根本性变化情况下，世界农业产量仍保持一定增长，但对化学肥料的严重依赖性一方面使得农业生产面临巨大的系统行风险，另一方面，包括农田温室气体排放在内的农林用地土壤系统的自然物质交换体系也发生了显著变化[1,4-9]，其碳循环与呼吸特征的变化对全球变化具有重要影响，有必要展开深入研究。

本文从施肥角度，针对不同施肥处理，研究农田生态系统春季土壤温室气体排放特点，寻求不同施肥措施与土壤温室气体排放之间的联系，以达到选择正确的施肥措施来减少农田土壤温室气体排放量的目的。

1 试验设计与仪器

1.1 试验地概况

本文依托测土配方项目与沿巢湖地区农田养分污染减控与面源污染防控项目，以巢湖市中焊镇建华村农业综合试验站（31°39′N，117°46′E，海拔8 m）不同施肥处理的冬小麦田为研究对象，研究了施肥对土壤温室气体排放的影响，试验站为巢湖圩区农业熟地，地势平坦，土壤为潮土，土质肥沃，土壤有机质含量 34.07 g·kg-1，总氮含量 1.58 g·kg-1，硝态氮含量 8.98 mg·kg-1，总磷含量 0.78 g·kg-1，有效磷含量25.97 mg·kg-1，有效钾含量136.31 mg·kg-1，pH 6.99。该地区以粮食作物种植为主，为稻麦两熟。

1.2 施肥差异设置

试验设置3个施肥处理和1个空白对照。空白对照（CK）不使用任何肥料；常规施肥（CG）参考巢湖地区农村对冬小麦的一般管理模式，每公顷季施纯N 205.5 kg，P2O567.5 kg，K2O 67.5 kg，其中基肥 136.5 kg·hm-2，P2O567.5 kg·hm-2，K2O 67.5 kg·hm-2，追肥施纯 N 69 kg·hm-2；优化施肥（YH）是结合根据国家测土配方项目结果，针对土壤养分缺失及小麦生长期需要而确定的施肥方案，每公顷施用季纯N 210 kg，P2O590 kg，K2O 135 kg。其中基肥施用纯 N 126 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2，K2O 94.5 kg·hm-2，加施锌肥(ZnSO4)15 kg·hm-2；追肥施纯 N 84 kg·hm-2，K2O 40.5 kg·hm-2；减氮减磷+水稻秸秆还田（JG）是根据生态农业理论，将前茬农作物部分秸秆（3000 kg·hm-2）粉碎覆盖还田，并根据秸秆秸秆中营养元素的含量减少氮磷肥等的使用量，施肥方案为每公顷季纯N 147 kg，比优化施氮量减少30%，其中氮肥基肥减少20%，追肥减少10%，即基肥施用纯N 84 kg·hm-2，追肥施纯N 63 kg·hm-2；每公顷施用P2O545 kg，比优化施磷量减少50%；K2O的化肥施用量为K2O的优化施用量减去3000 kg水稻秸秆中K2O含量，根据水稻秸秆中的养分含量为：N 0.63%，P2O50.252%，K2O 1.02%，可知3000 kg水稻秸秆中K2O含量为2.04 kg，所以每公顷需要施用 K2O 104.4 kg。加施锌肥(ZnSO4)15 kg·hm-2。

每一处理小区为5 m×6 m，每一处理设置3个重复。

1.3 温室气体采集与测定

在每一小区的中央附近选择作物长势均匀、地表相对平坦的区域，去除地表面附着物，放置底面积0.072 m2、体积33 L的密闭采样箱。采样箱放置10 min抽取约500 mL的气体，利用Agilent 6820气相色谱测定样本的CO2、CH4浓度，测算单位面积温室气体排放通量。

样本采集于3月、4月进行，其中3月11日的采集从6：00持续到18：00，每间隔2 h采集一次样本；4月份则只采集上午10：00的样本，具体又分两个阶段：第一阶段4月4日开始持续7天的连续采样，研究孕穗期温室气体排放的连续变化；4月14日开始每隔4天采集一次样本，研究孕穗-扬花期的动态变化。

1.4 试验环境要素监测

在采样的同时，同步观测土壤温度、气温、土壤水分质量分数、土壤容重等。

2 结果分析

2.1 土壤温室气体排放的日变化

由图1可知，CO2通量具有明显的日变化，早晚小而中午大，不同施肥处理存在一定的差异。整体上，CK的排放通量最小，其他施肥处理的排放通量均高于 CK。不同施肥处理之间，优化施肥的整体排放量最高，秸秆还田处理的变化最剧烈，常规施肥的排放通量最稳定。

图1 土壤温室气体排放的日变化Fig.1 Diurnal variation of soil greenhouse gases emission

CH4通量的日变化则比较缺乏规律性，所有处理均出现了一定的负值，即表现为土壤净吸收，其中秸秆还田与常规施肥全天均处于土壤净吸收状态，优化施肥与CK在凌晨表现为净吸收，在10：00以后开始出现净排放。

2.2 土壤温室气体排放的阶段性变化

10：00的CO2与CH4通量变化见图2。从3月11日到4月10日，CO2通量整体上呈缓慢上升趋势，但上升幅度不显著，且期间存在较强的波动性。不同施肥处理之间存在一定的差异。整体上常规施肥的CO2排放通量最大，其他三种处理相互之间差异较小，而CK的排放通量最小。这说明常规施肥增加了农田系统的CO2排放量，采取适宜的农业措施则有助于减少CO2排放量。与CO2通量不同，从3月11日到4月10日，CH4通量近乎单调增加，其中4月4—10日的增量小而平稳。整体上CK的CH4排放通量最大，优化施肥处理（YH）其次，常规施肥与减量施肥+秸秆还田处理的则相差无几。这说明不同的施肥处理均有助于减少农田系统的CH4排放量，其中又以减量施肥+秸秆还田的减排量最大。

值得注意的是，在3月初的测量中，CH4排放出现负值，即表层土壤对CH4呈净吸收状态，这与CH4的产生机理相吻合，即在较低的温度条件下，土壤的 CH4产生、排放处于近乎停滞状态，因此CH4的产生具有一定的季节性特征。

冬小麦土壤的 CO2与 CH4排放量存在巨大差异，4月 4—10日 10：00 CO2的平均排放通量比CH4高1个数量级，以CO2与CH4的气体变暖潜能值比1∶25计算，冬小麦生态系统土壤在3～4月排放的CO2的温室效应强度约相当于CH4强度的一般左右，CO2是冬小麦土壤系统排放的主要温室气体，但从温室作用强度角度考虑CH4更重要。

表1 白天的通量平均值与10：00通量比较Table 1 Comparison between the mean value of CO2 and CH4 flux of daytime and 10：00

图2 土壤温室气体排放的阶段性变化Fig.2 Phasic variation of soil greenhouse gases emission

2.3 影响土壤温室气体排放的主要因素

利用 SPSS13.0分析气温、相对湿度、土壤含水率分别与CO2、CH4通量的相关性，结果分别见表2、表3、表4。由表2、表3，CO2、CH4通量与空气相对湿度的相关性均不显著，但与施肥处理则比较复杂，其中CK与优化施肥的CO2、CH4通量均与气温在0.01水平显著正相关，且CH4通量的相关性更强；常规施肥的CO2通量与温度在0.01水平显著正相关，CH4通量则与温度的相关性不显著；减量施肥+秸秆还田处理的CO2、CH4通量均与气温相关性不显著。温室气体排放通量与温度呈显著正相关与多数研究的结果相吻合；与减量施肥+秸秆还田处理的相关性不显著表明，提高秸秆还田率、实施生态农业工程可能是减少农业生态系统土壤温室气体排放的重要途径。

表2 温湿度与CO2通量的相关性Table 2 Temperature-Humidity and CO2 flux dependencies

表3 温湿度与CH4通量的相关性Table 3 Temperature-Humidity and CH4 flux dependencies

表4 土壤含水率与温室气体通量的相关性Table 4 Soil moisture and greenhouse gas dependencies

由表4，优化施肥处理的土壤含水率与CH4通量在0.05水平显著负相关，减量施肥+秸秆还田处理与CO2通量在0.05水平显著负相关，其余的相关性均达不到显著水平。

综合表2、表3、表4，影响冬小麦土壤温室气体排放通量的因素主要有温度、土壤含水率、土肥管理等，而空气湿度等因素则对温室气体的排放没有显著影响。

2.4 春季冬小麦农田土壤是温室气体的排放

由图2、表2、表3，3、4月份CO2的排放比较稳定，冬小麦农田土壤是CO2稳定的源，而CH4的排放则相对不稳定，在3月份温度较低时，还可表现为CH4的汇。3～4月份CO2平均排放强度约500 μmol·m-2·min-1，折合3～4月总排放量约44 mol·m-2；CH4平均排放强度比CO2平均排放强度低约1个数量级，约50 μmol·m-2·min-1，折合3～4月总排放量约4.4 mol·m-2。

施肥措施对温室气体的排放有一定的影响，但对CO2和CH4的影响作用不同。与对照相比，施肥可增加CO2的排放、减少CH4的排放。优化施肥、减量施肥+秸秆还田、常规施肥的CO2的排放分别增加约7.59%、3.89%、26.43%，CH4的排放分别减少17.50%、27.33%、29.87%。按照CO2与CH4排放温室效应能力1∶25计算，优化施肥、减量施肥+秸秆还田、常规施肥等三种施肥处理所减少的温室气体的气体变暖潜能值折合成当量分别为256.2、437.0、375.0，相当于比CK的排放CO2体积当量减少12.0%、20.5%、17.6%。这说明，合理的施肥措施可以大幅度减少冬小麦土壤系统的温室气体排放，其中又以减量施肥+秸秆还田的减少幅度最大。

3 结论与讨论

（1）春季冬小麦土壤温室气体的排放通量整体上与温度正相关、与土壤含水率负相关、与空气湿度相关性不显著，但不同施肥处理之间存在一定的差异。其中优化施肥、CK两处理的CO2与CH4通量与温度0.01水平显著正相关，而减量施肥＋秸秆还田处理的正相关关系则不显著；优化施肥处理的土壤含水率与 CH4通量、减量施肥+秸秆还田处理的土壤含水率与CO2通量在0.05水平显著负相关，其余的相关关系则不显著。

（2）冬小麦土壤系统一直维持持续的CO2气体排放，是CO2的净排放源；CH4的情况则较为复杂，在较低温度条件下，土壤可以吸收少量的CH4气体，随着温度的上升开始出现CH4的净排放。

（3）合理的施肥方式可以减少冬小麦土壤温室气体的排放量。与CK相比，优化施肥、减量施肥+秸秆还田、常规施肥等三种施肥处理所减少的温室气体排放量，按照气体变暖潜能值折合成CO2体积当量，分别比CK的排放量减少12.0%、20.5%、17.6%。

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