免耕和秸秆覆盖对农田土壤温室气体排放的影响

李英臣，侯翠翠，李勇，过治军

河南师范大学，河南 新乡 453007

人类活动引起的温室气体浓度增加是全球变暖的主要原因（IPCC，2007）。作为三种主要的温室气体，CO2、CH4和N2O在大气中的浓度不断增加，它们的体积分数分别由工业革命前的约280×10-6、700×10-9、270×10-9增加至 2006 年的381.2×10-6、1782×10-9和 320.1×10-9，分别增加了136%、255%和119%（WMO，2006）。农田土壤是重要的温室气体排放源，由于人类农业活动导致的温室气体排放占温室气体排放量的 10%～12%（IPCC，2007；Lenka和 Lal，2013）。各种农业措施对温室气体排放都有重要的影响（Almaraz等，2009；Kallenbach等，2010；邹晓霞等，2011）。

以减耕或免耕，作物秸秆覆盖和作物轮作为特点的保护性农业，与上世纪 70年代在美国兴起，由于其在提高作物产量、减少机械燃料耗费，缓解土地退化等方面的作用得到大力推广（Govaert等，2009）。目前主要在美国、巴西、阿根廷、加拿大和澳大利亚种植面积较大，在欧洲以及非洲也慢慢被接受而进行推广。作为两种主要的保护性农业措施，免耕和秸秆覆盖被越来越多的应用于农业生产中，在减少水土流失、增加作物产量、增加土壤质量等方面发挥了巨大作用(Blaver等，2009；Duiker和Lal，1999；Kassam等，2012)。截至2009年，全球免耕土地面积已经达到 111×106hm-2，以美国最多，占23.9%，巴西次之（23.0%），再者为阿根廷（17.8%）和加拿大（12.2%），我国目前有1.33×106hm-2，仅为全球的1.2%，不过与2003年相比已增加了12倍(Derpsch等，2010)。但是，相比传统耕作方式，免耕和秸秆覆盖对温室气体排放的综合影响尚不清楚，结果存在争议(Ahamad等，2009；Dendooven等，2012；Regina和Alakukku，2013；Abdalla等，2013)。因此，本文对免耕和秸秆覆盖处理下，土壤3种温室气体CO2、CH4和N2O的排放影响进行综述，揭示2种保护性农业措施对3种温室气体排放的影响机制，并为制定合理的耕作和覆盖措施提供理论支持。

1 免耕和秸秆覆盖对土壤CO2排放的影响

土壤CO2排放主要是由土壤有机质分解、凋落物分解和植物根系呼吸3部分组成(Oorts等，2007)。影响土壤有机质分解的主要因素有土壤温度、土壤湿度、土壤有机碳含量等(Rodrigo等，1997)，枯落物分解同时还受枯落物质量和分布位置以及土壤养分含量的影响(Gamier等，2003)。农田CO2排放受多因素影响，耕作和秸秆覆盖是影响农田温室气体排放的重要管理措施(Pandy等，2012)。

耕作方式主要是通过改变土壤有机碳分解环境，如土壤充气环境、破坏土壤团聚体结构，以及改变土壤与秸秆的接触面积等影响土壤 CO2排放(Ussiri和Lal，2009)。大部分研究表明，相对于常规耕作，免耕会降低土壤CO2释放量（表1），原因为频繁的耕作会导致土壤有机碳大量损失，CO2排放量增加；而免耕则有效的控制土壤有机碳损失，减少土壤干扰，降低土壤微生物对活性碳的利用，进而抑制 CO2排放(Almaraz 等，2009；Ussiri和 Lal，2009)。Reicosky和Archer（2007）研究指出随着耕作层深度增加，CO2排放量增加，并明显高于免耕处理（Reicosky和Archer, 2007）。也有研究指出耕作加速土壤有机质氧化，并在耕作后短期内释放大量的 CO2（La Scala等，2006；Omonode等，2007)。同时，常规耕作增加土壤团聚体周转率，加速团聚体有机质分解，而免耕增加团聚体稳定性，有利于难分解有机质的形成（Paustian等，2000）。有学者利用13C自然丰度法研究发现，免耕土壤和常规耕作土壤有机质平均周转时间分别为 73年和 44年(Paustian等，2000)。同时也有研究表明耕作对CO2排放影响不大(Ahamad等, 2009; Elder和Lal, 2008;Regina和 Alakukku，2010)。另外也有部分研究者得出相反的结论，Hendrix等（1988）通过对乔治亚州高粱和大豆地的监测发现，免耕地有更高的CO2排放(Hendrix等, 1988)。这可能与不同农田的土壤温度、土壤湿度以及土壤理化性质不同有关(Rodrigo等, 1997)。气候条件对土壤CO2排放产生一定的影响。在温带季风气候区，季节变化也会对不同耕作方式下温室气体排放产生影响(Al-Kaisi和Yin, 2005; Alvarez 等, 2001; Ussiri和 Lal, 2009)。Ussiri和Lal (2009)研究表明，耕作处理对夏季和秋季平均每天的CO2排放通量影响显著，但是对冬季和春季的影响不大(Ussiri和Lal，2009)。在趋向于使土壤湿润的气候条件下（高的降水量或者低的蒸散发），免耕更有利于降低土壤 CO2排放(Alvarez等，2001; La Scala等，2006; Ussiri和Lal，2009)（表1）。在干燥的气候条件下，耕作对土壤CO2排放的结论不一致（表 1），这表明土壤质地对土壤CO2排放有重要的影响。耕作措施的短期和长期影响的机理有所不同，耕作措施造成的短期影响主要是对土壤的物理干扰作用而产生的；长期影响则可通过改变土壤的物理、化学以及生物性质进而改变土壤CO2排放(Ussiri和Lal，2009)。所以耕作制度对土壤CO2排放的影响需要短期和长期定位实验相结合的方式共同研究。

表1 不同气候条件下免耕和常规耕作对土壤CO2排放的影响Table 1 The effect of no-till and conventional tillage on CO2 emissions in different climates

秸秆覆盖作为另一种重要的保护性耕作措施也会明显影响CO2排放。秸秆本身分解会释放一部分CO2(Bavin等，2009; Oorts等，2007)，秸秆覆盖一般增加CO2排放，并随着秸秆覆盖量的增加CO2排放量增大(Lenka和Lal, 2013)。同时秸秆覆盖通过影响土壤理化性质进而影响CO2排放(Kallenbach等，2010)。有研究者认为，长期秸秆覆盖措施下会增加土壤表层 0～10 cm水稳性团聚体含量（>250 μm），这种团聚体的增加与CO2排放有很好的正相关关系(Lenka和 Lal，2013)。Bavin等（2009）通过对玉米-大豆轮作地为期 2年的研究发现，CO2排放量的增加主要是由于覆盖枯落的分解导致的（Bavin等，2009）。经过长时间的秸秆覆盖，0～30 cm的土壤有机碳68%～74%来自于秸秆（Ussiri和Lal，2009）。秸秆分解提供的矿质氮可以为硝化作用提供基质，秸秆也是可利用性碳的主要的来源，碳分解消耗 O2，造成土壤 O2缺乏，造成厌氧环境（Chantigny等，2002）。秸秆覆盖通过降低土壤温度、增加土壤湿度等条件间接影响土壤CO2排放。通常来说，在寒冷干燥的地区，秸秆覆盖会通过增加土壤温度，增加土壤湿度间接增加土壤CO2排放，而在湿润温暖的地区，秸秆覆盖则对土壤CO2排放影响不一致，且与土壤理化性质有关。Al-Kaisi和Yin（2005）通过对比研究免耕条件下，发现无秸秆覆盖处理CO2排放量明显高于秸秆覆盖处理，原因主要有以下几方面：秸秆覆盖在表层降低了土壤温度；覆盖的秸秆阻碍了土壤向大气排放CO2的通道；表层覆盖的秸秆由于与土壤接触面小而导致分解速率低（Al-Kaisi和Yin，2005）。

2 免耕和秸秆覆盖对土壤CH4排放的影响

CH4增温潜势是CO2的25倍，对全球变暖的贡献率仅次于CO2，占23%（IPCC, 2007）。农业土壤对CH4排放也有重要的作用，土壤CH4排放主要是通过在厌氧土壤中的产甲烷菌释放，在往大气传输的过程中受到甲烷氧化菌的作用，只有部分能够进入大气（孙晓新，2009）。耕作措施和秸秆覆盖主要是通过影响土壤湿度、土壤硬度及土壤营养含量等来影响CH4排放（Omonode等，2007；Regina和Alakukku，2010）。大部分研究认为免耕降低CH4排放量或者对 CH4排放量没有显著影响（Ahamad等，2009；Lidaming等，2011；Ussiri和Lal，2009。表2）。原因可能为免耕土壤更稳定，通透性好，有利于甲烷氧化（Ball等，1999），增强甲烷氧化菌活性。农业土壤 CH4的主要排放源为水稻田（Fengjinfei等，2013；Pandey等，2012；邹建文等，2003），有研究者通过对水稻田研究发现免耕降低CH4排放量（Ahamad等，2009）。Feng等（2013）通过对水稻田的研究得出相同的研究结论（Fengjinfei等，2013）。Pandey等（2012）通过对小麦-水稻田轮作地研究发现，减少耕作频率明显降低CH4排放速率（Pandy等，2012）。Li等（2011）通过对中国南方双季水稻田研究发现免耕处理下早稻和晚稻的甲烷排放量分别降低了 29%和 68%（Lidaming等，2011）。干旱地区土壤CH4排放排放量较低，有时表现为 CH4的源，有时表现为 CH4的汇（Bavin等，2009；Elder和Lal，2008；Regina和 Alakukku，2010）。大部分研究认为，在干旱土壤，耕作将增加CH4氧化能力，原因为耕作增加土壤扰动，增加土壤通气条件，使CH4吸收增加（Ball等，1999；Omonode等，2007）。Omonode等（2007）通过对玉米地和玉米-大豆轮作地研究发现犁耕和凿耕的农田为弱的 CH4排放源，免耕农田为弱的CH4的汇（Omonode等，2007）。同时，Kessavalou等（1997）研究发现免耕休闲地比耕作的冬小麦-休闲轮作地CH4排放高，且在春季差异显著，但也有学者研究表明 CH4通量不受耕作方式的影响（Kessavalou等，1997）。同时，有很多研究表明免耕降低 CH4排放（Feng等，2013；Pandey等，2012）。造成这种不同结果的原因可能为在旱地土壤CH4排放量很低，很多时候都无法监测到有效数据，而且受外界干扰因素较多（Bavin等，2009）。

表2 不同气候条件下免耕和常规耕作对土壤CH4排放的影响Table 2 The effect of no-till and conventional tillage on CH4 emissions in different climates

秸秆覆盖增加土壤厌氧条件（Jacinthe和Lal，2005），改变土壤物理性质，增加土壤养分条件等过程间接影响CH4排放（Lenka和Lal，2013）。通常条件下秸秆覆盖增加 CH4排放（Lenka和 Lal，2013；Majing等，2009），但是通过改变覆盖措施会降低CH4排放量（Majing等，2008；Majing等，2009）。Ma等（2008）和Ma等（2009）认为带状覆盖有利于减少CH4排放（Majing等，2008；Majing等，2009）。不同的覆盖作物由于其化学性质不同对CH4排放产生的影响也有所不同。Seneviratne和Van Holm（1998）通过室内模拟实验研究发现，不通的秸秆覆盖处理下CH4排放量都有所增加，但是秸秆覆盖处理之间CH4排放量也有所差异，与秸秆中氮含量有很好的相关关系（Seneviratne和 Van Holm，1998）。

3 免耕和秸秆覆盖对土壤N2O排放的影响

N2O作为一种长效温室气体，增温潜势是CO2的298倍（IPCC，2007）。农业N2O排放量占每年N2O释放入大气总量的 40%～60%（Jarecki等，2009）。土壤N2O气体主要是由土壤微生物的硝化-反硝化作用产生的（Hénault等，2005）。影响N2O排放的主要环境因子为土壤温度、土壤孔隙充水率、土壤矿质氮含量以及可利用碳含量等（Kroeze等，1999）。免耕对N2O排放的影响主要通过对温度，土壤湿度和土壤性质等过程来实现（Flechard等，2007）。免耕对N2O排放的影响有增大，无影响或降低等不同的结论（Ahamad等，2009；Baggs等，2003；Chatskikh和 Olesen，2007；Ussiri和 Lal，2009）（表3）。有研究表明免耕提高N2O排放，尤其是在实施免耕早期（Ball等，1999；Six等，2004），原因为免耕处理下高的土壤密度降低气体扩散能力，增加表层水保持能力，进而增加土壤厌氧环境，使表层土壤潜在的反硝化速率增加（Ball等，2008）。但是也有研究发现传统耕作有更高的 N2O排放（Almaraz等，2009；Elder和 Lal，2008；Mutegi等，2010；Passianoto等，2003)，或者两者的排放量没有明显差异(Choudhary等，2002)。Rochette等（2008）通过大量的对比研究发现免耕增加通气条件差土壤的 N2O排放，对通气好的土壤影响不大（Rochette，2008）。Abdalla（2013）通过综述相关文献认为气候条件与土壤对 N2O排放存在着交互作用（Abdalla等，2013）。在干燥的气候条件下，免耕增加通气条件差土壤的N2O排放（Lemke等，2007；Liuxuejun等，2006；Rochette，2008）（表 3），降低通气性好土壤的 N2O排放或者影响不显著（Choudhary等，2002；Haoxiying等，2001；Malhi和 Lemke，2007）。在湿润的气候条件下，不同的土壤性质有不同的结论，并且与是否覆盖秸秆有一定的交互作用（表3）。

秸秆覆盖主要是通过影响土壤湿度和土壤养分状况来改变土壤N2O排放速率（Lenka和Lal，2013）。大部分研究认为秸秆覆盖增加 N2O排放（Almaraz等，2009；Gomes等，2009；Liuchunyan等，2011），原因可能为秸秆覆盖增加土壤中碳源，使本来受碳源限制的土壤硝化-反硝化细菌活性增加（Cuifeng等，2012）。与之研究结果类似，Gomes等（2009）认为作物覆盖提高N2O排放，增加的量与覆盖作物的数量和质量有关（Gomes等，2009），但是也有研究表明，秸秆覆盖对N2O排放的影响不大，影响N2O的主要原因是氮肥施用（Ahamad等，2009；Jarecki等，2009）。同时，有研究者认为，秸秆覆盖对 N2O的影响与土壤湿度和灌溉制度有关（kallenbach等，2010）。Liu等（2011）研究发现，秸秆覆盖对N2O排放的影响与覆盖作物种类有关，小麦秸秆还田明显增加N2O排放量，但是玉米秸秆还田对N2O排放的影响不显著（Liuchunyan等，2011）。秸秆覆盖还可与耕种方式产生相互作用。有研究表明，在无秸秆覆盖的情况下，不同耕作处理N2O排放没有明显差异。但是秸秆覆盖下，传统耕作方式下农田 N2O排放明显高于条耕和少耕处理，秸秆还田使条耕和少耕 N2O排放减少 39%和9%，使传统耕作方式N2O排放量增加35%。由此可见，秸秆覆盖对N2O排放机理复杂，研究结果有很大的不确定性，针对典型区域及不同耕作措施影响下农田土壤N2O排放需要进一步研究。

3 不同气候条件下免耕和常规耕作对土壤N2O排放的影响Table 3 The effect of no-till and conventional tillage on N2O emissions in different climates

4 总结与展望

通过以上对免耕和秸秆覆盖措施对农田三种主要的温室气体（CO2、CH4和 N2O）排放的影响研究发现，与常规耕作相比，免耕总体上能有效减少土壤CO2排放，有利于土壤中CH4氧化，增强甲烷氧化菌活性，进而降低CH4排放，免耕对N2O排放的影响因气候类型和土壤类型等条件的不同而存在结果差异，在干燥的气候条件下，免耕增加通气条件差的土壤的N2O排放，对通气好的土壤影响不大。而在湿润的气候条件下，不同的土壤性质结论不一致。秸秆覆盖促进土壤CO2排放，并随着秸秆覆盖量的增加而增大，但对CH4排放的影响有很大的不确定性，与覆盖方式和覆盖秸秆性质有密切联系，大部分研究认为秸秆覆盖增加N2O排放，但也有研究认为秸秆覆盖对 N2O排放无影响或降低N2O排放量，具体的影响机理需进一步深入研究。

目前，免耕和秸秆覆盖等保护性农业措施逐渐被接受而大面积推广，大部分的研究主要集中在对土壤水分利用率，作物产量，土壤理化性质等方面的研究，对保护性农业措施下温室气体排放的研究相对较少，而且现有这方面的研究主要关注一种或两种温室气体排放，对三种温室气体的综合影响研究并不多见。因此需结合不同土地类型，开展不同气候类型下免耕和秸秆覆盖对三种主要温室气体排放影响的综合研究，预测增温潜势，为不同气候带保护性农业措施下温室气体排放提供基础数据，并为制定合理的耕作和秸秆覆盖措施提供理论支持。加强秸秆覆盖对温室气体的排放的影响研究，运用同位素示踪等技术明确秸秆对温室气体排放的直接和间接影响。根据不同研究区土壤类型和气候条件，探索既可以减少温室气体排放，又可以保持作物产量的合适的秸秆覆盖量和覆盖措施。

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