有机种植对盐碱土壤N2O、CO2排放通量的影响

王宏燕，宋冰冰，聂 颖，孙 岩

（东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨150030）

有机种植对盐碱土壤N2O、CO2排放通量的影响

王宏燕，宋冰冰，聂 颖，孙 岩

（东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨150030）

以黑龙江省大庆市盐碱土壤为研究对象，探讨有机种植对盐碱土主要温室气体（N2O和CO2）排放的影响。采用IPCC（1992）的方法对试验结果进行计算及对比，结果表明，相较于常规种植，有机种植的温室气体（N2O、CO2）排放通量值较低，说明有机种植对盐碱土旱田的温室气体（N2O、CO2）有减排作用。在盐碱土上有机种植大豆、玉米，随着有机种植年限的增加，温室气体（N2O、CO2）的排放值略有变化，但差异不显著，且总体的增温潜势依然低于常规种植。而且，有机种植增加了试验区土壤微生物量碳、氮的含量。

有机种植；温室气体；排放通量；盐碱土；增温潜势

目前，许多发达国家开始探索新型可持续发展农业模式，其中有机农业是重要替代形式［1］。对于有机农业和常规农业的比较，欧美等国开展了大量的长期定位试验［2-5］，我国学者也相继开展部分比较研究［6-9］。在农田温室气体排放方面，江长胜等［10］研究表明，土壤水分状况是影响N2O排放的重要环境因素。Petersen等［11］比较研究了欧洲5国（奥地利、丹麦、芬兰、意大利、英国）有机和常规农业生产体系N2O的排放量，除奥地利外，其余国家有机轮作体系N2O的排放量均要比常规生产体系低。Stalenga等［12］研究了波兰的20个有机农场，结果显示，有机农田N2O排放量低于常规农田。Zheng等［13］比较了长期施肥对农田土壤碳矿化的影响，结果发现，长期仅施化肥而不施用有机肥将促进土壤有机碳的矿化和CH4、CO2的排放。然而，Syväsalo等［14］研究发现，有机生产体系的N2O排放量并不低于常规生产体系。虽然我国对有机农业的研究及试验较多，但在盐碱土壤上开展有机种植的研究还比较少。本试验以盐碱土壤上种植的大豆、玉米为研究对象，通过与常规种植方式比较，探讨有机种植对盐碱土壤温室气体（N2O、CO2）排放的影响，可为盐碱土上有机种植的相关研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验地点位于黑龙江省大庆市让胡路区喇嘛甸镇红骥牧场（124°46′E，46°42′20′′N）内，海拔高度145～155 m，区域内相对高差10～35 m，年平均气温3.8℃，年降水量457.0 mm。

1.2 试验小区的选取

试验基地逐年开垦新地块增加有机种植面积，全基地采取标准化有机种植模式，施用由牛粪发酵经无害化处理后制成的有机肥，种植全过程不施入任何化肥农药，完全采取人工除草的方法，采用轮作方式种植大豆、玉米。基地每年玉米产量在5 250～6 000 kg·hm-2，大豆产量在1 050～1 350 kg·hm-2。试验区供试土壤pH值9.28，有机质含量35.6 g·kg-1，全氮含量1.65 g·kg-1，全磷含量0.64 g·kg-1，土壤速效磷含量14.55 mg· kg-1，速效钾含量125.95mg·kg-1，土壤微生物量碳为155.59 mg·kg-1，微生物量氮为20.36 mg·kg-1。

试验设置2006年开始进行有机种植的玉米（06OC）、2006年开始进行有机种植的大豆（06OB）、2008年开始进行有机种植的玉米（08OC）、2008年开始进行有机种植的大豆（08OB）、常规玉米（CKC）、常规大豆（CKB）等6个处理。于2014—2015年这2年在作物生长期（一年一季）对以上6个处理的温室气体排放进行监测。

试验所用玉米品种为吉农6516，大豆品种为和丰55，选取50 m2大小的有机地块进行试验，每块样地内设3次重复。2014年大豆播种期为5月21日，收获日期为10月9日，玉米的播种时期为5月18日，收获日期为10月8日；2015年大豆播种时期为5月18日，收获日期为10月12日，玉米的播种时期为5月20日，收获日期为10月14日。试验地的施肥量按照该基地总体的有机肥施肥量而定，在整个施肥过程中控制常规地块与有机地块等氮处理。其中，有机处理施用有机肥（含氮量1.5%）3 t·hm-2，常规处理施用复合肥（N-P-K，14%-16%-15%）214.5 kg·hm-2及尿素（N，46%）64.5 kg·hm-2。在整个作物生长期间，无任何灌溉措施。

1.3 温室气体排放通量的测定

N2O、CO2排放通量的测定采用静态气体箱—气相色谱法，整个箱体采用有机玻璃材料制成，长、宽、高分别为50 cm×50 cm×30 cm，箱体5面相接，一面中空。试验过程中，将气体箱中空的一面置于试验样地植株间的土层中，与铁架底座扣紧，用蒸馏水水封箱体与铁架底座中的空隙。箱体顶部安装简易小型风扇，在试验过程中可连接蓄电池运转简易风扇，将箱内气体均匀混合用于试验，在气体箱侧面气体通口处安装三通阀，取样时用20 mL针管将取到的气体注入真空气体瓶中，密封保存。整个取气试验过程共计30 min，每个箱体15 min取1次样，共计3个样品，每个处理做3次重复。在整个采样过程中，为了减少太阳光照射及降雨对试验地块温室气体排放通量的影响，采样保证在上午9：00—10：00完成。为确保试验的真实有效性，在整个作物生长期内（2014年5月下旬至10月上旬，2015年5月下旬至10月上旬），每月采样4次进行分析。

1.4 N2O、CO2排放通量的计算

气体样品分析使用日本岛津GC-2010型气相色谱仪，中国科学院东北地理与土壤研究所对进样系统进行设计、改造，实现一次进样、色谱柱内自动分离的目标，可用于分析目标气体N2O、CO2的浓度。按式（1）计算得到N2O、CO2气体通量的值。

式（1）中，Cs是所测样品温室气体的浓度，C o是标气的浓度，As是所测样品的峰面积，A o是标气的峰面积。

农田生态系统中，温室气体排放量均以排放通量表示，排放通量为正值表示向大气排放，负值表示吸收。排放通量采用式（2）计算：

式（2）中：F为温室气体的排放通量，mg· m-2·h-1；h为气体箱高度，m；ρ为测定气体密度，kg·m-3；dC/dt为采样过程中采集箱内气体浓度变化率，μL·L-1·h-1；T为采样箱内平均气温，℃。

温室气体排放量的计算是将所有测定时段的气体排放通量求均值，再根据IPCC（1992）推荐方法计算得出：

式（3）中：E为温室气体排放量，kg·hm-2；F m气体排放通量均值；n为作物生育期天数，d。

1990年，IPCC将温室气体增温潜势（GWP）定义为瞬间释放1 kg温室气体在一定时间段产生的辐射强迫与对应于1 kg CO2辐射强迫的比值［15］。以100 a影响尺度计算，1 kg N2O的增温效应是1 kg CO2的298倍。根据这一方法，试验地单位面积排放的温室气体增温潜势可用以下公式计算：

2 结果与分析

2.1 有机种植与常规种植N2O排放通量的特征比较

2.1.1 有机种植玉米与常规种植玉米N2O排放通量的比较

根据2014—2015年的监测结果可以看出，有机玉米和常规玉米N2O的排放趋势在每年大体一致，随着季节的变化有明显升高的趋势，N2O的排放主要集中在玉米生长的中后期。2014年玉米种植期间N2O排放有3个高峰，分别在生长期的69、100及129 d左右，2015年的N2O排放有2个高峰，分别是在生长期的67及133 d左右。杨菁［16］的研究表明，种植年限越长，N2O排放量越高，与本试验结果一致。从图1看，虽然2014年第129天的监测结果显示，自2006年开始有机种植的玉米（06OC）的 N2O排放量（0.284 1 mg·m-2·h-1）略高于常规玉米（CKC）的0.283 9 mg·m-2·h-1，但将玉米生长期N2O排放通量加和比较（表1），有机玉米的N2O排放较低，在同等耕作条件下的有机玉米，随着有机种植年限的增加，N2O排放升高。

图1 2014与2015年有机玉米与常规玉米生长期土壤N2O排放通量Fig.1 The N2O emission fluxes of soil during the growing period of organic and conventional corn in 2014 and 2015

2.1.2 有机种植大豆与常规种植大豆N2O排放通量的比较

有机大豆与常规大豆N2O排放通量趋势与玉米试验地 N2O排放趋势大体一致（图 2）。2014年生长期3个排放峰值约为68、99和128 d，2015年约为69和120 d左右。有机大豆地块的N2O排放通量总体低于有机玉米地块，其原因在于，大豆作为豆科植物，其根部的根瘤部分有多重固氮微生物与其共生，帮助其实现生物固氮作用，在一定程度上减少了N2O的排放，提高了试验地土壤的氮储量，抑制了氮素的流失。计算玉米和大豆生长期N2O排放通量总量可以看出（表1），同等有机耕作条件下的大豆的N2O排放低于玉米。

2.2 有机种植与常规种植CO2排放通量的特征比较

2.2.1 有机种植玉米与常规种植玉米CO2排放通量的比较

由图3可以看出，2014年玉米地块的CO2排放的峰值在69 d左右，2015年在67 d左右，有机玉米比常规玉米的CO2排放通量要低。在整个作物生长过程中，各处理间CO2排放通量在植物生长最旺盛的阶段CO2排放量最多，而进入生殖生长阶段后逐渐开始减少，说明植物体本身在植物生长最旺盛的阶段对CO2排放贡献明显［17］。土壤盐碱化程度高也会增加CO2的排放，本试验供试土壤为盐碱土，试验基地通过多年施用有机肥对盐碱土壤进行改良，降低了土壤碱性（表2），对CO2起到了一定的减排作用。

图2 2014与2015年有机大豆与常规大豆生长期土壤N2O排放通量Fig.2 The N2O emission fluxes of soil during the growing period of organic and conventional soybean in 2014 and 2015

图3 2014与2015年有机玉米与常规玉米生长期CO2排放通量Fig.3 The CO2emission fluxes during the growing period of organic and conventional corn in 2014 and 2015

表1 作物生长期N2O、CO2排放通量及增温潜势Table 1 The emission flux and temperature increment potential of N2O and CO2during the growing period of corn and soybean

2.2.2 有机种植大豆与常规种植大豆CO2排放通量的比较

不同处理的大豆试验地的CO2排放通量情况与玉米试验地大体一致（图4）。2014年的排放峰值在68 d左右，2015年的排放峰值在69 d左右，有机种植大豆减少了盐碱土旱田的CO2排放。宋秋来［18］研究表明，气温与土壤温度均与CO2通量有很好的相关关系，在每一次较大的降水后CO2排放有一个增高的过程，而土壤表层的紧实度的大小影响着气体的传输。谢静霞等［19］对准噶尔盆地南缘盐生荒漠土壤降雨后的CO2通量进行研究，发现其峰值均高于雨前，说明降雨对土壤CO2通量具有促进作用。综合6个处理中的CO2排放通量情况，且试验基地2015年作物生长期内降雨量413.5 mm大于2014年332.8 mm，表明降雨量对CO2排放的影响是确实存在的。

表2 各种植地块pHTable 2 pH of all farming plots

2.3 玉米、大豆生长期N2O、CO2排放通量的差异显著性及增温潜势

2014、2015年各处理玉米N2O排放通量表现为CKC＞06OC＞08OC，CKC显著高于其他处理，但08OC与 06OC排放通量差异不显著。2014年、2015年各处理大豆N2O排放通量表现为CKB＞06OB＞08OB，CKB显著高于其他处理，2014年08OB与06OB的N2O排放通量差异不显著，2015年08OB与06OB的N2O排放通量有显著性差异（表1）。

2014年各处理玉米 CO2排放通量表现为CKC＞08OC＞06OC，各处理之间差异显著。2014年各处理大豆CO2排放通量表现为CKC＞08OB＞06OB，CKB的CO2排放通量显著高于其他处理，08OB与06OB的CO2排放通量差异不显著。2015年各处理玉米CO2排放通量表现为CKC＞06OC＞08OC，CKC的CO2排放通量显著高于其他处理，08OC与06OC的CO2排放通量差异不显著。2015年各处理大豆CO2排放通量表现为CKB＞06OB＞08OB，CKB的CO2排放通量显著高于其他处理，06OB与08OB的CO2排放通量无显著性差异（表1）。

图4 2014与2015年有机大豆与常规大豆生长期CO2排放通量Fig.4 The CO2emission fluxes during the growing period of organic and conventional soybean in 2014 and 2015

2014年各处理玉米与大豆地块的增温潜势分别表现为CKC＞08OC＞06OC、CKB＞08OB＞06OB。其中，均以CKC处理最高，且显著高于其他处理。2015年玉米与大豆地块的增温潜势分别表现为CKC＞06OC＞08OC、CKB＞06OB＞08OB（表1），且同样以CKC处理最高，显著高于其他处理。

3 讨论

本研究选取有机种植地块和常规种植地块，虽然种植年限并不完全相同，但是研究结果都表明，有机种植方式减少了在盐碱土壤上种植玉米、大豆造成的N2O、CO2排放，减少了温室气体的增温潜势，与秦艳梅［20］、Pelletier等［21］的研究结果一致，表明有机种植对盐碱土旱田的N2O、CO2有减排作用。

由于耕作方式不同，常规种植较有机种植的保水、保肥、固氮能力差，土壤中微生物的硝化作用和反硝化作用较强，所以在有机肥与化肥施用等氮量的条件下，有机种植土壤呼吸排放的N2O低于常规种植。而且，有机种植所采用的施肥方式在为农作物生长提供丰富的有机质的同时，还提高了土壤中微生物的活性［22］。相比于常规农业，有机生产方式能够增加土壤中碳、氮的含量。胡诚等［23］研究表明，长期施用有机肥可以显著提高土壤微生物生物量碳、土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量；Veenhuis等［24］研究具有70年有机种植历史的有机农场，亦显示土壤有机碳含量显著高于常规；Pimentel等［3］通过22年的试验，发现常规种植方式下土壤有机碳提高了9%，而有机种植方式下提高了15% ～28%，在有机生产方式中，不管是否施用有机肥，均能提高土壤有机碳和氮素含量。据此推测，与常规种植相比，有机种植增加了土壤有机碳的含量，而且长期施用有机肥改良了试验地的土壤质量，土壤沙化和盐碱化程度降低，减少了试验田CO2的排放。

旱田温室气体排放试验中，不同的温室气体具有不同的辐射强迫和大气寿命，当这些温室气体进入大气后，造成的增温效果也不相同［25］。在本研究中，从温室气体增温潜势来看，虽然随着有机种植的年限增加，除了2014年的06OC与08OC略有差异外，其他处理均显示，随着有机种植年限的增加，增温潜势变化不大，且有机种植总体的增温潜势低于常规种植。

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（责任编辑 高 峻）

Effect of organic farm ing on emissions of carbon dioxide and nitrogen oxide in alkalisaline soil

WANG Hong-yan，SONG Bing-bing，NIE Ying，SUN Yan
（College of Resources and Environment，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

In the present study，alkali saline soil in Daqing City，Heilongjiang Province was adopted as study objects to explore the effects of organic farming on greenhouse gases（N2O，CO2）emissions.By applying the method of IPCC（1992），itwas shown that N2O，CO2emissions in alkaline saline soil were reduced with organic farming compared with the conventional farming.With the prolonged time of organic cultivation of soybean and corn，greenhouse gas emissions were not significantly changed，and the overall warming potential was still lower than that of conventional farming. Besides，it was found that organic farming increased the content of soil microbial biomass carbon and nitrogen.

organic farming；greenhouse gas；emission flux；alkaline saline soil；warming potential

S345

A

1004-1524（2016）09-1580-08

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.09.18

2016-01-29

环保公益性行业科研专项项目（201309036）

王宏燕（1963—），女，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，研究方向为农业生态学。E-mail：why220@126.com

浙江农业学报Acta Agriculturae Zhejiangensis，2016，28（9）：1580-1587 http://www.zjnyxb.cn王宏燕，宋冰冰，聂颖，等.有机种植对盐碱土壤N2O、CO2排放通量的影响［J］.浙江农业学报，2016，28（9）：1580-1587.