氮肥运筹和秸秆还田对麦季土壤温室气体排放的影响

2016-12-30丛美娟朱新开郭文善

麦类作物学报 2016年12期

关键词：潜势麦田通量

牛东，潘慧，丛美娟，尹萍，吴浩，孙娟，朱新开，郭文善

(扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州 225009)

氮肥运筹和秸秆还田对麦季土壤温室气体排放的影响

牛东，潘慧，丛美娟，尹萍，吴浩，孙娟，朱新开，郭文善

(扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州 225009)

为了解氮肥运筹和秸秆还田对麦田土壤温室气体排放的影响，在秸秆还田条件下设置基肥∶壮蘖肥∶拔节肥∶孕穗肥为3∶1∶3∶3(N1)、5∶1∶2∶2(N2)、7∶1∶2∶0(N3)三个氮肥运筹方式，在秸秆不还田条件下设置5∶1∶2∶2一个氮肥运筹方式(N4)，采用静态暗箱-气相色谱法对不同处理下麦田土壤排放的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)进行观测，测定小麦籽粒产量，估算土壤温室气体排放强度(GHGI)和麦季全球增温潜势(GWP)。结果表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田显著促进了麦季CH4和CO2的排放，显著降低了N2O的排放，显著提高了麦季GWP。秸秆还田条件下，不同氮肥运筹方式间CH4、CO2累积排放量和GWP差异不显著，但N3处理显著提高了N2O累积排放量，分别较N1、N2处理提高61.22%、51.92%。N1、N2处理的GHGI最低，分别较N4处理降低41.27%和39.67%，N3处理的GHGI较N4处理增加3.30%。因此，麦季秸秆还田下采用3∶1∶3∶3和5∶1∶2∶2氮肥运筹方式有显著地增产与综合减排作用，是低碳生产的合理施肥措施。

小麦；土壤；温室气体；秸秆还田

N2O、CH4和CO2是大气中三种最主要的温室气体[1]。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，对大气中的温室气体有显著影响，并且受到强烈的人为干扰，其CO2排放量占人为温室气体排放量的21%～25%[2]，而农业生产所产生的CH4和N2O排放量分别占人类活动产生的CH4和N2O排放量的52%和84%[3]，因此，研究农田生态系统温室气体的排放规律对应对全球气候变化具有重要意义。

我国是农业大国，拥有丰富的秸秆资源。据统计，2004年我国各种农作物秸秆总产出量已达8亿多吨[4]。秸秆直接还田可以使秸秆得到充分利用，且具有成本较低、节省劳力、肥源较广、可就地取材等优点，因而得到了很快的发展[5]。前人研究表明，秸秆还田具有改善土壤理化性质、增加土壤微生物量和酶活性、提高作物产量等优点[6-7]，但是秸秆还田的用量、方式、年限等对土壤CH4、CO2、N2O的排放有很大影响。强学彩等[8]的测定结果表明，秸秆还田量的增加显著促进了土壤CO2释放。肖小平等[9]研究认为，与翻耕和旋耕秸秆还田相比，免耕秸秆还田降低了稻田CH4的排放速率。张翰林等[10]研究发现，在稻麦轮作系统下，短期全量秸秆还田有助于降低温室气体总体排放，长期秸秆还田后降低幅度会逐步减小。

稻麦轮作是长江中下游地区最主要的种植制度，然而关于秸秆还田下氮肥运筹对小麦生长季土壤温室气体排放影响的研究鲜有报道。本研究以冬小麦为研究对象，通过大田小区定位试验分析了秸秆还田后不同的氮肥运筹下麦田土壤温室气体排放的特点，以期揭示不同氮肥运筹下麦田温室气体的排放规律，为制定合理的减排措施提供依据。

1 材料与方法

试验于2014-2015年在扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室试验场进行田间试验，该地属于北亚热带湿润气候区，年平均温度13.2～16.0 ℃，降雨量 800～1 200 mm。试验田长期实行稻麦轮作，土质为轻壤土，耕层土壤有机质含量15.73 g·kg-1，全氮含量1.24 g·kg-1，速效氮含量95.86 mg·kg-1，速效磷含量16.32 mg·kg-1，速效钾含量146.12 mg·kg-1。供试品种为扬辐麦4号，由江苏省里下河地区农科所提供。

1.1 试验设计

试验采取随机区组设计，总施氮量为240 kg·hm-2，在秸秆还田条件下设置基肥∶壮蘖肥∶拔节肥∶孕穗肥为3∶1∶3∶3(N1)、5∶1∶2∶2(N2)、7∶1∶2∶0(N3)三个氮肥运筹方式，在秸秆不还田条件下设置5∶1∶2∶2一个氮肥运筹方式(N4)，基肥、壮蘖肥、拔节肥、孕穗肥分别在11月5日、12月14日、3月14日、3月31日施用。4个处理磷肥(P2O5)施用量均为90 kg·hm-2，钾肥(K2O)施用量均为150 kg·hm-2，磷钾肥均按基肥、拔节肥各50%的比例分2次施用，基肥采用人工撒施的方式将肥料均匀地施入小区后用表土覆盖，其余各时期的肥料均采用人工撒施的方式在降雨前或黄昏时施用。水稻收割后将秸秆机械切割成10 cm左右，均匀铺撒于小区内，采用旋耕方式将秸秆混入0～15 cm土层，还田量为9 000 kg·hm-2。于2014年11月6日播种，基本苗为225万株·hm-2，成熟时各小区收获1.2 m2计算小麦籽粒产量，重复3次。

1.2 气体样品的采集及分析方法

采用静态暗箱-气相色谱法测定麦田CH4、CO2、N2O的排放通量。采样箱由顶箱、中段箱、底座三个部分构成，箱体由不锈钢制成，采样箱内置小电风扇用于箱内气体混匀，箱体外覆铝箔纸用于反光隔热。在小区内选取地面平整的地方，除去地面杂草后固定底座，此后不再变更位置。

从小麦出苗一周后开始采样，其中11月28日至1月22日每隔7 d进行一次采样，3月15日至4月17日每隔15 d进行一次采样，每个处理3次重复。采样时间为上午9:00-11:00。采样时先将顶部小风扇打开，扣箱后每隔10 min采集一次样品，共采集5次，用100 mL的采样器将气体注入气袋中保存，同时观测箱内温度、土壤含水量。采样当天用美国Agilent公司生产的7890A-气相色谱仪测定样品中CH4、CO2、N2O的浓度。

1.3 数据计算与统计方法

1.3.1 温室气体排放通量的计算

参照李成芳等[11]的方法通过气体浓度变化率可求得气体的排放通量，具体公式为：

F=ρ×H×△C/△t×273.15/(273.15+T)

(1)

式中，F为温室气体的排放通量，H为箱高，ρ为标准状况下温室气体的密度，△C/△t为单位时间内密闭箱内温室气体浓度的变化量，T为密闭箱内的温度。

小麦生育期内CH4、CO2、N2O的累积排放量是通过相邻的两个采样时期间的气体排放量累加求得，相邻的两采样时期间的气体排放量通过平均排放通量与采样的间隔时间相乘求得。

1.3.2 全球增温潜势的计算

IPCC在第一次气候变迁评估报告中，将全球增温潜势(GWP)定义为瞬间释放1 kg温室气体时在一段时间内所产生的辐射强迫与对应于1 kg CO2辐射胁迫的比值[12]。应用GWP可以将其他温室气体排放量折换为等效的CO2，对其气候效应进行比较[13]。本研究采用全球增温潜势(GWP)来评估温室气体对全球变暖的潜在效应，在100年时间尺度上，CH4和N2O的增温潜势分别为CO2的25和298倍[14]。通过各气体的累积排放量与其相应的增温系数可求得GWP。

GWP= CO2+25×CH4+298×N2O

(2)

1.3.3 温室气体排放强度的计算

采用温室气体排放强度(GHGI)来评估各处理的综合温室效应。Mosier等[15]给出GHGI的算法为：

GHGI=GWP/Y

(3)

式中，GHGI为该处理的温室气体排放强度，GWP为CH4和N2O转化为二氧化碳当量的和，Y为各处理小麦的平均籽粒产量。

相关数据采用Microsoft Office Excel 2003和DPS6.55软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田和氮肥运筹对麦田土壤温室气体累积排放量的影响

与秸秆不还田相比，秸秆还田显著地促进了麦田土壤CH4和CO2的累积排放量，但显著地降低了N2O的累积排放量。N1、N2、N3处理的CH4和CO2累积排放量显著高于N4处理，平均较N4处理提高了110.32%、24.17%，同时N2O的累积排放量平均较N4处理降低了41.18%(表1)。说明秸秆还田下氮肥运筹主要影响了N2O的累积排放量，N3处理的N2O累积排放量分别较N1、N2处理提高了61.22%、51.92%，而N1、N2、N3处理之间CH4和CO2的累积排放量没有显著差异。

表1 不同处理下麦季土壤CH4、CO2和N2O的累积排放量

Table 1 Cumulative emissions of CH4,CO2and N2O in soil during the wheat growth period under different treatments

kg·hm-2

同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下表同。

Different letters after the values in the same column represent significant difference among the treatments at 0.05 level. The same as in other tables.

2.2 秸秆还田和氮肥运筹对麦田土壤CH4排放通量的影响

从图1可见，4个处理的麦田土壤CH4排放通量变化趋势大体相同，各时期秸秆还田处理的CH4排放通量整体上高于秸秆不还田处理，而秸秆还田的三个处理间差异很小。麦田CH4的排放通量范围为-77.09～108.59 μg·m-2·h-1，并出现很多负值，这可能是由于大气扩散进入土壤的CH4被甲烷氧化菌还原的量大于土壤自身的排放量[16]。从12月13日至3月15日CH4排放通量保持在较低水平，随着温度的升高，土壤微生物活动增强，从3月15日开始CH4排放通量迅速上升，在4月17日达到峰值。

2.3 秸秆还田和氮肥运筹对麦田土壤CO2排放通量的影响

各处理麦田土壤CO2排放通量均呈先降再升的变化趋势(图2)，处理间差异不大。麦田土壤CO2的排放通量具有明显的季节性变化。11月28日CO2的排放通量相对较高，此时小麦接近越冬期；从12月13日开始CO2的排放通量显著降低，直至3月15日一直保持在较低水平；此后CO2排放通量迅速上升，在4月17日达到最大值。11月28日CO2的排放通量相对较高，这可能与小麦根系和根际微生物呼吸增强有关[17]。

2.4 秸秆还田和氮肥运筹对麦田土壤N2O排放通量的影响

4个处理麦季土壤N2O的排放通量变化趋势大体相同(图3)。由于氮肥基施的比例较高，同时温度、土壤含水量相对较高，从11月28日至12月5日N2O的排放通量显著高于其他时期；12月13日至4月17日N2O的排放通量上下浮动，缺乏规律性。N2O的排放通量最大值出现在11月28日，其中N4处理的N2O排放通量最大，达到190.65 μg·m-2·h-1；N1处理的N2O排放通量最小，为108.43 μg·m-2·h-1。11月28日的N2O排放通量较高的原因可能是12月28日之前出现的连续降雨导致了土壤水分含量升高，进而促进了N2O的排放。

图1 麦季各处理土壤CH4排放通量的变化

图2 麦季各处理CO2排放通量的变化

图3 麦季各处理土壤N2O排放通量的变化

2.5 秸秆还田和氮肥运筹对麦田土壤全球增温潜势(GWP)、温室气体排放强度(GHGI)和小麦产量的影响

与秸秆不还田相比，秸秆还田增加了麦季GWP(表2)。秸秆还田条件下不同施氮处理间GWP没有显著差异，N1、N2、N3处理的GWP平均较N4处理高出22.68%。秸秆还田和氮肥运筹对小麦产量有一定影响，N1、N2、N4处理之间产量没有显著差异，但均显著高于N3处理，分别较N3高出11.62%、13.95%、14.70%。

将小麦籽粒产量与温室效应综合起来看，秸秆还田降低了单位产量的温室气体排放量。N1、N2处理的减排效果良好，GHGI分别较N4处理降低了41.27%、39.67%，而N3处理的GHGI较N4处理高出3.30%，不利于温室气体的减排。GHGI表现为N3>N4>N2>N1，N3处理与N1和N2处理差异显著，分别较N1、N2处理高出71.23%、75.89%。

表2 不同处理下麦季全球增温潜势(GWP)、产量与温室气体排放强度(GHGI)

Table 2 Global warming potential(GWP),yield and greenhouse gas intensity(GHGI) during wheat growth period under different treatments

处理Treatment全球增温潜势GWP/[kg(CO2⁃eqv)·hm-2]籽粒产量Yield/(kg·hm-2)温室气体排放强度GHGI/[g(CO2⁃eqv)·kg-1]N111749．21±300．11a7083．81±154．01a21．32±0．47bN211896．30±277．31a7231．96±189．32a21．90±0．57bN312387．18±317．07a6346．57±156．68b37．50±0．92aN49790．47±68．56b7279．23±146．71a36．30±0．74a

表中的GWP是用CO2、CH4和N2O三种气体排放量计算而来，而GHGI计算所用的GWP是用CH4和N2O排放量转化而来。

GWP in the talbe is calculated with the emission of CO2,CH4and N2O,but the GWP in GHGI formula is calculated with CH4and N2O emission.

3 讨论

很多研究表明，试验区域气候条件、秸秆还田类型、土壤特性及农业管理措施等因素对土壤温室气体N2O、CH4和CO2的排放均有影响[18-20,23]。本研究中，稻秸还田显著促进了麦季土壤CH4和CO2的排放通量，分别平均较秸秆不还田处理增加了110.32%、24.17%，同时使N2O排放通量降低41.18%，这与前人的研究结果相似[10,21]。本研究中秸秆还田减少了N2O的排放，N4处理的N2O排放量大于其他处理，这可能是因为秸秆施入土壤中后，秸秆的C/N比较高，引起了土壤微生物对氮素的固定，减少了土壤微生物硝化作用和反硝化作用的反应底物，从而抑制了N2O的排放[21-22]。

有关肥料种类、施用量、运筹比例等对农田温室气体排放的影响，已有一些报道。杨书运等[23]认为，施肥方式对温室气体排放有影响，与对照相比，优化施肥、减量施肥+秸秆还田和常规施肥可减少温室气体排放量。李燕青等[24]研究发现，氮肥用量与N2O排放量之间存在一定的关系，在速效氮低施用量下，N2O的排放量与氮肥施用量之间是一种指数关系；施氮量存在一个阈值，当施氮量超过此阈值后，N2O的排放量会大幅增加，而当施氮量超过一定范围(>360 kg·hm-2)则不会继续促进N2O的排放。本研究则表明，氮肥运筹比例对温室气体排放的影响主要表现为显著影响了N2O的排放量，其中N3处理的N2O累积排放量分别较N1、N2处理提高61.22%、51.92%，这可能是因为氮肥基施的比例过大时较多的氮肥为土壤微生物的硝化和反硝化作用提供了充足的底物，同时施肥后的降水提高了土壤含水量，从而为N3处理硝化反硝化作用创造了更为适宜的环境条件，更有利于N2O的排放。氮肥运筹比例对麦季土壤CH4和CO2排放量的影响不显著。

全球增温潜势(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)是用来评估不同处理综合温室效应的指标。李新华等[25]研究认为，玉米秸秆直接还田能显著增加麦田温室气体的GWP。秦晓波等[26]研究发现，相比留高茬还田，覆盖还田能有效控制稻田GHGI。而夏文斌等[27]研究得出，生物质炭还田比秸秆直接还田显著降低了玉米生长季GWP、GHGI，是一种新的低碳生产秸秆利用途径。本试验中，与秸秆不还田相比，秸秆直接还田能显著增加麦田温室气体的GWP，这与前人[22]研究结论相一致。但秸秆还田下不同的氮肥运筹对GHGI的影响不同，与秸秆不还田相比，N1、N2处理分别较N4处理降低了41.27%、39.67%，有良好的减排效果，而N3处理GHGI较N4处理增加了3.30%。因此，从温室气体排放强度方面考虑，选择合理的施氮比例可以降低单位产量的温室效应，秸秆还田下小麦采用3∶1∶3∶3和5∶1∶2∶2氮肥运筹方式更有利于温室气体的减排，而7∶1∶2∶0氮肥运筹方式不利于温室气体的减排。

综合考虑小麦产量、温室气体排放特征，可以认为，麦季秸秆还田下采用3∶1∶3∶3和5∶1∶2∶2氮肥运筹有显著地减排增产作用，是当前低碳生产可采用的合理施肥措施，需要在生产中进一步验证。

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Effect of Nitrogen Application Ratio and Straw Returning on Soil Greenhouse Gas Emission during Wheat Growing Period

NIU Dong,PAN Hui,CONG Meijuan,YIN Ping,WU Hao, SUN Juan,ZHU Xinkai,GUO Wenshan

(Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of Jiangsu Province/Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops,Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu 225009,China)

A field experiment was conducted to investigate the effects of straw returning with different application ratios of nitrogen [3∶1∶3∶3(N1),5∶1∶2∶2(N2),7∶1∶2∶0(N3)] and no straw returning with 5∶1∶2∶2 nitrogen application ratio(N4) on the emissions of CH4,CO2and N2O. Combined with the yield,greenhouse gas intensity(GHGI) and global warming potential(GWP) were estimated. Gas fluxes were analyzed using the static opaque chamber gas chromato-graphy method. Compared with no straw returning,rice straw returning significantly increased the emissions of CO2and CH4,but decreased N2O emission,and increased GWP during wheat growing season. No significant difference was noted between the cumulative emissions of CH4and CO2and GWP under different nitrogen application ratios. However,the N3 treatment significantly increased the cumulative emission of N2O,with an increase of 61.22% and 51.92%,compared with N1 and N2. The GHGI of N1 and N2 was decreased by 41.27% and 39.67%,compared with N4. The GHGI of N3 was 3.30% higher than that of N4. Our study indicated that the nitrogen application ratios of 3∶1∶3∶3 and 5∶1∶2∶2 had significant effects on reducing greenhouse gas emission and could be used as an effective way of low carbon production of wheat.

Wheat; Soil; Greenhouse gas; Straw returning