砾石覆盖对小麦玉米轮作农田碳排放强度的影响

王冬林，冯 浩，刘晓青，李 毅，张阿凤



砾石覆盖对小麦玉米轮作农田碳排放强度的影响

王冬林1,2，冯 浩1,3※，刘晓青1，李 毅1，张阿凤4

（1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100；2. 河南省水利科学研究院，郑州 450000；3. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；4. 西北农林科技大学资源与环境学院，杨凌 712100）

为研究砾石覆盖对农田土壤水热条件及温室气体排放的影响，探讨小麦-玉米轮作农田碳排放强度对砾石覆盖的响应，开展了基于静态暗箱-气象色谱法的小麦-玉米轮作田间试验，测定了土壤CO2、CH4和N2O 3种温室气体的排放，结合产量、全球增温潜势和碳排放强度等指标评估砾石覆盖的农田生态效应及固碳减排作用。试验在作物关键需水期设置0和50 mm 2个灌溉水平，土壤表面设置无覆盖和100%覆盖2个砾石覆盖度水平，形成无覆盖对照（W0M0）、灌溉对照（W1M0）、砾石覆盖（W0M1）和灌溉砾石覆盖（W1M1）4个处理。结果表明：1）砾石覆盖能有效改善土壤水热状况，显著增加作物产量。与对照处理W0M0相比，W1M0，W0M1和W1M1 3个处理的作物年际总产量分别增加了18.1%、32.6% 和51.8%；2）各处理对3种温室气体排放的影响具体表现为，相比W0M0处理，W1M0，W0M1和W1M1 3个处理的CO2年际排放总量分别降低了7.8%、12.1%和18.0%，CH4年际吸收总量分别增加了32.5%、80.2%和124.3%，而各处理N2O年际排放总量差异不显著；3）砾石覆盖显著降低了农田温室气体碳排放强度，W1M0，W0M1和W1M1 3个处理的碳排放强度相比W0M0处理分别降低了14.9%、20.7%和33.6%。比较产量和碳排放强度，经济产量越高，固碳潜力越大，碳排放强度越小。双因素方差分析表明砾石覆盖结合农田灌溉使得作物产量达到最高，碳排放强度最小。综合考虑，砾石覆盖结合农田灌溉能有效改善土壤水热状况，有利于增加作物产量和降低农田温室气体碳排放强度，该研究为干旱半干旱地区实现稳定增产和固碳减排提供一种可行途径。

砾石；土壤水分；温度；作物；产量；碳排放强度；小麦-玉米轮作

0 引 言

气候变化已成为全球关注的热点，温室气体排放是气候变暖的根本原因[1-2]。在所有生态系统中，农业是重要的温室气体排放源，农业活动中的耕作和田间管理往往通过改变土壤环境间接影响土壤温室气体产生和排放的过程[3-4]。如何在提高作物生产能力的同时有效减少温室气体排放，成为未来绿色农业发展的方向[5-6]。为了有效控制和减少农业温室气体排放，开展不同耕作和田间管理方式对农田温室气体排放影响的研究十分必要。国内外学者进行了大量试验研究，Curtin等[7]的研究表明免耕会减少麦田土壤CO2排放，向土壤中或土壤表面添加秸秆会大大增加CO2排放。秦晓波等[8]认为免耕高茬还田、适量的生物质炭回田能显著降低温室气体排放强度，是农田固碳减排、增加产量的可行途径。Chen等[9]研究认为塑料覆膜能显著降低冬小麦、夏玉米田年际温室气体碳排放强度，连续的覆膜可使增产和减排达到平衡。Liu等[10]研究表明砾石覆盖使得N2O排放增加，但显著降低了N2O年际排放强度。Meijide等[11]研究认为田间水分管理措施能减少CH4排放，从而降低农田增温潜势。张西超等[12]比较了不同灌溉方式对温室气体排放特征的影响，认为覆膜滴灌条件下土壤温室气体减排效果最佳。传统农业覆盖技术和田间管理方式对农田温室气体排放的影响研究得到了越来越多的关注。

砾石覆盖技术因其显著的蓄水保墒、增温增产作用在许多国家和中国西北干旱地区的农业生产领域得到了广泛应用。大量研究表明，农田表面的砾石覆盖层有利于改善土壤水热状况和产量形成[12-14]。Yamanaka等[15]和Kemper等[16]的研究认为砾石覆盖的土壤有利于水分入渗并贮存于土壤中。Fairbourn[17]和Lü等[18]研究认为砾石覆盖增加了农田土壤温度。王亚军等[19-20]和谢忠奎等[21]开展了多年砾石覆盖大田试验，研究表明砾石覆盖能有效保持土壤水分和温度，并能显著提高作物产量。Li等[13,22]的研究表明，砂石覆盖为黄土高原地区植物生长提供了更好的生长环境。Gale等[23]指出砂石覆盖技术可以为相似作物生长环境下的农业措施提供一种新的思路和创造性技术出现的可能。冯浩等[24]研究表明砾石覆盖能降低作物耗水系数、提高作物产量。国内外关于砂石覆盖条件下产量对土壤水热响应的研究较为常见，随着全球气候与环境变化等问题日益突出，研究农业覆盖技术对温室气体排放的研究也成为了一种趋势。因此有必要开展砾石覆盖技术对农田土壤温室气体排放影响的研究，丰富温室气体排放理论研究成果。本研究设置2个补充灌溉水平和2个砾石覆盖水平，共形成4个田间试验处理，分析冬小麦-夏玉米轮作条件下农田土壤水热变化和温室气体（CO2、CH4和N2O）排放规律，以产量、全球增温潜势和碳排放强度为指标对砾石覆盖技术的减排作用进行评价，为农田减排增产技术的推广提供技术和数据依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2014年10月—2015年10月在陕西杨凌西北农林科技大学教育部农业水土工程重点实验室的灌溉试验站（108°24′E，34°20′N）进行。试验站内设有国家一般气象观测站，可提供每日的气温、降水、蒸发、辐射等基本气象资料。该区光热资源充足，年日照时数达2 163.8 h，多年平均气温12.9 ℃，降水年际年内分布不均，主要集中在7—10月，多年平均降水量635.1 mm，蒸发量为993.2 mm。供试土壤为中壤土，砂、粉、黏粒比例为8:74:18，0～1 m土壤平均田间持水量23.5%，播种前土壤平均干容重为1.44 g/cm3。

在作物关键需水期设置0和50 mm 2个补充灌溉水平，土壤表面设置无覆盖和100%覆盖2个砾石覆盖度水平，砾石覆盖度的定义详见文献[25]，形成无灌溉无覆盖对照（W0M0）、灌溉处理（W1M0）、砾石覆盖处理（W0M1）和灌溉+砾石覆盖（W1M1）共4个处理，每个处理重复3次，完全随机区组设计（图1）。小区长5 m，宽3 m，面积为15 m2，周边设有保护行。小区田埂边缘1 m深土层竖直铺一层塑料薄膜，避免各小区土壤水分侧向入渗。砾石覆盖方式为：播种行间均匀铺设，出苗后手工平铺使土壤表面达到100%覆盖，收获后清理。覆盖砾石采自渭河，粒径在2～3 cm。灌溉处理：分别在2014年12月29日、2015年3月13日、2015年7月29日对农田进行补灌，其它生育期为旱作雨养。

供试作物为冬小麦（小偃22）和夏玉米（秦龙11），冬小麦播种时间为2014年10月17日，于2015年6月5日收获，夏玉米播种时间为2015年6月12日，于2015年10月5日收获。小麦播种前将基肥一次性施入，生育期内不追肥，全生育期N、P2O5的施入量分别为150、100 kg/hm2。锄草方式为定期人工锄草，耕作方式为免耕，所有处理施肥量一致，田间管理措施相同。

图1 试验布置示意图

1.2 测定项目和方法

1.2.1 气体样品采集与测定

采用静态箱-气相色谱法分析测定温室气体样品，冬小麦和夏玉米生育期内每10 d左右采集1次气体样品。采样箱为课题组定制，规格及材料参见文献[9]和[26]。不锈钢底座安放在小区中间位置，底座内没有植物。田间试验取样过程、气相色谱仪操作等参见文献[27]。采样结束后立即带回实验室用气相色谱仪（Agilent 7890A）进行分析，比较样品与标准气的总峰面积，将检测器输出（mV）转换成土壤CO2、CH4和N2O浓度。气体排放通量的计算公式为[27]

式中，全生育期排放总量，kg/hm2；d，第−1次到第次测量的时间间隔，d。

1.2.2 温度、水分及作物产量的测定

试验采样同时，采用三点法读取土壤表面5 cm处土壤温度，取其平均值分析冬小麦-夏玉米生育期表层土壤温度的季节性变化。试验进行20 min后，测定气体箱内空气温度，用于计算温室气体排放通量。土壤体积含水率的测定方法同文献[26]，每个小区随机测3个采样点取其平均值。冬小麦、夏玉米收获时人工单打单收、脱粒测产，并计算单位面积产量。

1.2.3 全球增温潜势GWP和碳排放强度GHGI

根据各温室气体在不同时间尺度上相对全球增温潜势（global warming potential, GWP），计算其温室气体排放CO2当量。根据IPCC 2007，在100 a时间尺度上，单位质量CH4和N2O的相对全球增温潜势GWP分别为CO2的25倍和298倍。GWP的计算公式如下[28]

式中GWP为CH4和N2O排放总量的全球增温潜势，以CO2当量来表示，kg /hm2；（CH4）和（N2O）是CH4和N2O的季节性排放总量，kg/hm2。本试验测得的CO2为土壤和植物的生态系统总呼吸，不是CO2净排放（即土壤异养呼吸）。通常采用当季土壤有机碳的变化来表示当季农田的CO2净排放[9,21]，由于本试验只有1年，土壤有机碳变化不大，因此试验前后土壤有机碳的增温潜势暂不考虑。

将计算的GWP除以小麦和玉米全生育期经济产量[9]，得出其碳排放强度（greenhouse gas intensity，GHGI）。

式中GHGI为CH4、N2O排放强度之和，kg/t；YIELD为小麦和玉米产量，t /hm2。

1.3 数据和统计分析

试验数据均取3次重复的平均值，利用Microsoft Excel 2013和SPSS 22.0软件进行数据处理和双因素方差分析，用Ducan新复极差法检验差异显著性（<0.05），所有图由Origin 9.0绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤水热动态变化规律

比较图2和图3，各处理土壤表层的水分和温度季节性变化规律基本一致，总体表现为夏季高冬季低。砾石覆盖对土壤含水率影响较大，冬小麦越冬期至拔节期砾石覆盖处理的土壤含水率均高于对照处理，大部分时候差异达到显著水平（<0.05），拔节期至成熟期则差异不显著；夏玉米苗期和拔节期砾石覆盖处理的土壤含水率均高于对照处理，抽穗期和成熟期处理间差异不显著。各处理年际平均土壤含水率分别为19.17%（W0M0）、21.10% (W1M0)、19.43% (W0M1)、22.19% (W1M1)。砾石覆盖和关键生育期灌溉改变了土壤表面的热量平衡，冬小麦—夏玉米轮作期间W1M0、W0M1和W1M1处理的年际平均土壤温度分别高于对照W0M0处理0.30、0.64和0.41 ℃。此外，分析还表明关键生育期灌溉短时间内使得土壤温度下降，随后这种影响逐渐减弱直至与其他处理无异。试验期间还观测到农田表面土壤温度与土壤含水率变化相反，但整个生育期仍表现为砾石覆盖增加了土壤温度和土壤水分。综上，砾石覆盖具有良好的保水保温效果。

图2 2014—2015年小麦-玉米生育期气温和降水日变化

a. 土壤温度变化

a. Variations of soil temperature

b. 土壤含水率变化

b. Varations of soil water content

注：W0M0、W1M0、W0M1、W1M1分别为对照处理、无覆盖补灌处理、砾石覆盖处理、砾石覆盖补灌处理。下同。

Note: W0M0, W1M0, W0M1 and W1M1 indicates control, irrigation with no mulch, gravel mulch only, irrigation with gravel mulch, respectively. The same below.

图3 2014—2015年小麦-玉米生育期土壤温度（5 cm）、土壤含水率（10 cm）变化

Fig.3 Variations of soil temperature (5 cm) and soil water content (10 cm) during wheat and maize growing seasons from 2014 to 2015

2.2 土壤CO2排放通量

比较图4a和图3a，冬小麦-夏玉米生育期CO2排放的季节性规律与土壤温度变化规律相似，随着土壤温度的升高各处理CO2排放通量先后达到峰值，W0M0处理峰值最大，为202.937 mg/(m2·h)，8月份之后随着温度的降低CO2排放通量呈降低趋势。CO2排放通量与土壤温度和土壤水分的相关性分析（见表1）表明，各处理CO2排放通量与土壤温度均表现出极为显著的相关性（<0.01），与土壤水分则部分显著相关（<0.05）。冬小麦—夏玉米生育期砾石覆盖条件下的CO2排放通量平均低于对照处理，关键生育期灌溉使CO2排放短时间内显著增加，随时间逐渐递减直至低于对照处理。由表2可知，冬小麦和夏玉米生长季不同处理对CO2排放影响较大，砾石覆盖能减少CO2排放，且砾石覆盖与对照处理存在显著差异（<0.05），砾石覆盖与灌水处理之间差异不显著。与W0M0处理相比，W1M0、W0M1、W1M1处理下CO2年际排放总量分别减少了7.8%、12.1% 和18.0%。

表1 年际平均CO2、CH4、N2O排放通量与表层土壤温度（5 cm）和土壤含水率（10 cm）的相关系数

注：*，<0.05；**，<0.01。下同。

Note: *,<0.05; **,<0.01. The same below.

图4 2014—2015年小麦-玉米生育期CO2、N2O和CH4排放通量

2.3 土壤N2O排放通量

各处理N2O排放通量在整个小麦—玉米生育期内变化趋势一致（图4b），峰值出现在降雨和灌溉后。由表1可知，N2O排放通量与W1M0处理的土壤含水率有极为显著的相关性（<0.01），但与其他处理的相关性不显著（>0.05），N2O排放通量与土壤温度相关性不显著（>0.05）。冬小麦生育期温度较低，只在灌溉后出现小排放峰，且各处理间差异不显著。夏玉米生育期温度较高，降雨频繁，进入7月份各处理N2O排放通量先后出现极大值，W0M0、W1M0、W0M1和W1M1处的理N2O排放通量极值分别为34.37、46.02、40.34和59.33g/(m2·h)，W1M1处理N2O峰值出现在7月8日。由表2可知，冬小麦生长季各处理N2O排放总量无显著性差异；夏玉米生长季砾石覆盖增加了N2O排放，灌水处理使N2O排放略有减少，砾石覆盖与对照处理的N2O排放总量存在显著性差异（<0.05），砾石覆盖与灌水处理间差异不显著。就总体而言，N2O年际排放总量各处理间无显著性差异（>0.05）。

2.4 土壤CH4排放通量

图4c为冬小麦-夏玉米生育期土壤CH4排放通量，从图中可以看出土壤CH4既有吸收特征又有排放特征，基本上吸收大于排放。各处理土壤CH4排放通量在−0.36～0.34 mg/(m2·h) 之间变化。比较图4c与图3b，当土壤含水率出现峰值时，往往伴随CH4排放通量达到峰值，冬小麦生长季各处理土壤含水率在3月16日－4月1日先后达到最大值，随后CH4排放通量在4月13日达到极值0.34 mg/(m2·h)。夏玉米生育期CH4排放通量变化不大。由表2可知，冬小麦生长季砾石覆盖处理与对照处理的CH4吸收总量存在显著性差异（<0.05），夏玉米生长季各处理间CH4吸收总量无显著性差异（>0.05），与W0M0处理相比，W1M0、W0M1、W1M1处理下CH4年际吸收总量分别增加了32.5%、80.2% 和124.3%。结合双因素方差分析（表3），可知砾石覆盖和关键生育期灌溉二者的交互作用对CH4排放有显著影响（<0.05）。

2.5 产量和GWP、GHGI

砾石覆盖和关键生育期灌溉的处理均显著增加了冬小麦和夏玉米产量（表2）。与W0M0处理相比，W1M0、W0M1、W1M1处理下作物年际总产量分别增加了18.0%、39.1%和51.3%。结合双因素方差分析结果（表3），可知砾石覆盖和关键生育期灌溉二者的共同作用对冬小麦和夏玉米增产效果最好。冬小麦生长季各处理间GWP存在显著差异（<0.05），夏玉米生长季砾石覆盖处理和对照处理的全GWP存在显著差异（<0.05），砾石覆盖和灌水处理间差异不显著（>0.05）。冬小麦生长季，砾石覆盖处理使GWP增加，灌溉则能降低GWP，W0M1处理的GWP最大，为284.2±154.6 kg/hm2，W1M0处理的GWP最小，为215.1±114.8 kg/hm2。而夏玉米生长季砾石覆盖和灌水处理与对照相比均显著降低了GWP，W0M0处理的GWP最大，为277.3±53.8 kg/hm2，W1M1处理的GWP最小，为187.4±120.0 kg/hm2。以上分析可知，砾石覆盖对全球增温潜势GWP的影响因作物品种的不同而不同。比较年际间GWP值，发现W0M0处理与W1M1处理的GWP大小极为接近，砾石覆盖结合灌水处理使得年际产量显著提高的同时，平缓全球增温潜势的增加。比较产量和GHGI，发现经济产量越高，固碳潜力越大，与对照相比，砾石覆盖显著降低了GHGI，关键生育期灌溉也显著降低了GHGI。综合比较GWP和GHGI，两个指标结果存在差异。与W0M0处理相比，W1M0、W0M1、W1M1处理的年际GHGI分别降低了16.8%、19.6%和37.4%，而年际GWP则有增有减，分别降低了8.8%、增加了9.8%和降低了0.2%。

表2 各处理作物产量、温室气体排放、全球增温潜势和碳排放强度比较

注：GWP，全球增温潜势；GHGI，碳排放强度；不同字母表示P<0.05。下同。

Note: GWP, global warming potential. GHGI, greenhouse gas intensity. Different lowercase letters indicate<0.05. The same below.

表3 灌溉和砾石覆盖对产量、温室气体排放、全球增温潜势和碳排放强度的双因素方差分析（P值）Table 3 Two-way ANOVA of irrigation and gravel mulch on yield, GHGs emissions, GWP and GHGI（P value）

3 讨 论

3.1 砾石覆盖对土壤水热及产量的影响

砾石覆盖是一种较为常见的旱作覆盖技术，具有明显的增温保墒作用[20-22]。本试验中，冬小麦-夏玉米生育期土壤表面温度和水分的季节性变化规律基本一致，表现为夏季高冬季低。不同处理之间的土壤水热改变有所不同，本研究中砾石覆盖条件下的土壤含水率高于无覆盖处理，与Posen等[29]和李晓雁等[30]研究结果一致。Posen等[29]认为砾石覆盖在土壤表面形成了一个保护层，能阻止毛管水的上升从而抑制蒸发，还能阻碍土壤结皮，从而改善土壤结构促进入渗，使得土壤含水率显著增加。砾石覆盖对土壤的增温效应主要表现在冬小麦生长季，夏玉米生长季由于气温显著升高，各处理间土壤温度均较高，差异不大，但仍表现为砾石覆盖大于无覆盖处理。砾石覆盖较对照处理明显提高了土壤温度，与Lü等[18]、Wang等[19]研究结果一致，这是由于农田表面的砾石覆盖层吸收了阳光中的长波辐射转化为热能从而提高了土壤温度。综上，砾石覆盖可以有效改善土壤水热状况，有利于作物生长和产量形成[24-25]，本研究中砾石覆盖和关键生育期灌溉均显著增加了冬小麦和夏玉米产量，二者交互作用下作物年际产量达到最高。

3.2 砾石覆盖对温室气体排放的影响

温室气体排放的变化是土壤水分、温度、有机质、光合作用产物等共同作用的结果。Chen等[9]和Zhang等[27]的研究认为土壤水热因子与农田温室气体排放具有显著相关性。本研究通过CO2、N2O、CH4这3种温室气体排放与水热因子的相关分析表明，CO2排放与土壤温度的相关性极为显著（<0.01），与土壤含水率部分显著相关（<0.05），N2O排放与土壤含水率部分显著性相关（<0.05），CH4排放与二者相关性均不显著（>0.05），说明砾石覆盖通过改变土壤水热状况进而影响了土壤温室气体排放。通过对各处理冬小麦和夏玉米生育期温室气体排放的监测，发现砾石覆盖能有效减少CO2排放。砾石覆盖条件下冬小麦和夏玉米产量均显著提高，说明砾石覆盖有利于有机物的积累，这也间接说明砾石覆盖能够促进光合作用，减少CO2的排放，但还需进一步验证。Li等[31]和Okuda等[32]认为砾石覆盖的物理阻隔作用也一定程度上减少了CO2的排放。此外，Yamanaka等[15]和Xie等[21]认为砾石覆盖的减蒸作用也间接减少了土壤CO2排放。

各处理N2O的排放与土壤水分、土壤温度都呈正相关，这是由于砾石覆盖条件下的土壤水热条件有利于土壤微生物活性和数量迅速增加，使得土壤硝化和反硝化过程加强，土壤中N2O产生和排放量也随之增加[26,33]。研究还表明灌溉处理W1M0的土壤水分与N2O排放呈极显著正相关（<0.001），说明土壤水分的增加使得N2O排放显著增加。Berger等[34]得到了完全相反的结果，这可能是因为塑料覆膜阻隔了雨水入渗从而限制了N2O排放。本研究中，冬小麦生育期各处理间N2O排放差异不显著，但仍表现为砾石覆盖大于无覆盖处理；夏玉米生育期砾石覆盖与对照处理N2O排放差异显著，这与Chen等[9]和刘晶晶等[26]研究结果类似。Liu等[10]研究表明，与塑料覆膜和无覆盖比较，砾石覆盖显著增加了玉米生育期N2O排放。以往的温室气体排放研究通常在水稻、玉米生长季节进行[8,10]，对冬小麦生长季、冬小麦-夏玉米轮作条件下温室气体排放年际间差异还有待进一步研究。

冬小麦生长季砾石覆盖与对照处理的CH4排放差异显著，而夏玉米生长季各处理间无显著性差异，Chen等[9]和成功等[33]对轮作系统的温室气体排放的研究也得到相同结果。本研究中，土壤CH4排放与土壤水热无显著相关性，砾石覆盖条件下土壤CH4排放与土壤水分之间出现了负相关，灌溉条件下土壤CH4排放与土壤水分之间为正相关（表1）。比较图3和图4，当土壤含水率达到最大值时，砾石覆盖条件下的土壤CH4排放出现了一个吸收峰，而灌溉条件下出现了一个排放峰。Chen等[9]研究表明塑料覆膜条件下小麦玉米轮作农田土壤水热的增加有利于CH4的吸收。Hayashida等[35]研究表明灌溉使稻田土壤CH4的排放显著增加。这也与田间管理方式及作物品种不同有关。本研究中，砾石覆盖增加了CH4的年际吸收。Khalil等[36]和Dalal等[37]的研究认为土壤CH4的产生是甲烷菌与甲烷氧化菌共同作用的结果，抑制了产甲烷菌的活性就能减少CH4的排放。微生物通常在厌氧条件下分解土壤有机质，而砾石覆盖能有效改善土壤的通透性[8,10]，不利于甲烷菌与甲烷氧化菌分解有机质，从而减少了土壤CH4的排放，表现为CH4的汇。

3.3 砾石覆盖对碳排放强度的影响

砾石覆盖通过改善土壤水热条件，进而影响土壤碳氮转化及微生物呼吸过程，最终影响土壤的碳释放。农田温室气体排放和区域及全球的碳循环密切相关，以GHGI作为温室气体减排的指标，在国际上正逐渐形成共识[28]。目前砾石覆盖条件下农田生态效应及土壤温室气体排放的研究较为缺乏，本研究在观测温室气体排放的基础上计算了GWP和GHGI 2个指标。与对照相比，砾石覆盖使得GWP显著增加，关键生育期灌溉则降低了GWP，二者交互作用下年际GWP与对照处理接近且略低于对照处理。单一砾石覆盖处理不利于抑制农田温室效应，这是由于砾石覆盖虽然减少了土壤CH4排放，但土壤CH4排放本身所占GWP比重较小，砾石覆盖处理条件下籽粒高产和N2O排放的增加是本研究中GWP增加的原因。GWP计算中未考虑土壤和生物量排放，IPCC 2007建议应计算净增温潜势（NGWP）以更好地评估温室气体排放对气候变化的影响，这也是本文下一步研究的方向。本研究中，砾石覆盖结合灌溉处理可以平衡年际GWP并实现作物增产。与GWP的增加相比，砾石覆盖较对照显著降低了农田温室气体GHGI。无论小麦还是玉米生长季，砾石覆盖均显著降低了碳排放强度，这一结论和Chen等[9]研究塑料覆膜和秸秆覆盖的结果相同。由于砾石覆盖条件下产量的增加显著大于GWP的增加，仍能有效降低农业温室气体碳排放强度。双因素方差分析表明，砾石覆盖和灌溉处理二者的共同作用有利于提高作物产量，同时降低碳排放强度。以上分析表明，砾石覆盖技术有利于改善土壤水热、提高作物产量和降低碳排放强度。

4 结 论

1）砾石覆盖能有效改善土壤水热环境，进而影响作物产量形成以及土壤温室气体排放。研究表明，砾石覆盖有利于提高作物产量，能有效减少CO2排放，促进土壤CH4的吸收，N2O排放在小麦生长季差异不明显，夏玉米生长季砾石覆盖增加了N2O排放。与对照比较，灌水、砾石覆盖、砾石覆盖补灌处理的年际作物产量分别增加了18.0%、39.1% 和51.3%，CO2年际排放总量分别减少了7.8%、12.1%和18.0%，CH4年际吸收总量分别增加了32.5%、80.2% 和124.3%，各处理N2O年际排放总量差异不显著。

2）冬小麦生长季，砾石覆盖处理使全球增温潜势（GWP）增加，灌溉则能降低GWP，而夏玉米生长季砾石覆盖和灌水处理均显著降低了GWP。小麦-玉米轮作系统，砾石覆盖结合灌溉处理使年际GWP达到平衡。砾石覆盖能显著降低碳排放强度（GHGI），与对照相比，灌水、砾石覆盖、砾石覆盖补灌处理的GHGI分别降低了16.8%、19.6%和37.4%。以上分析表明砾石覆盖结合灌溉处理更有利于平衡GWP，提高作物产量和降低碳排放强度。以碳排放强度作为温室气体减排的指标，该研究认为砾石覆盖技术结合关键生育期灌溉的方法是干旱半干旱地区实现稳定增产和固碳减排的一种可行途径，为评估砾石覆盖的减排增产效应提供了科学依据。

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Effects of gravel mulching on greenhouse gas emissions intensity in wheat-maize rotation system

Wang Donglin1,2, Feng Hao1,3※, Liu Xiaoqing1, Li Yi1, Zhang Afeng4

(1.,,712100,;2.,450000,; 3.,,712100,; 4.,,712100,)

With growing concern on climate change, agriculture has received attention over last few decades as it is a significant contributor to global warming and total greenhouse gas (GHG) emission. GHG emissions of carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) can be affected by various field managements. Gravel mulching technology, as a distinct field management technique, has been long used to decrease water evaporation and improve crop production in the semi-arid Loess Plateau of northwest China, but systematic field studies concerning the impacts of surface gravel mulching on dryland agricultural soils water and heat conditions and GHG emissions are scarce. Therefore, we conducted a field study of wheat-maize rotation cycle in Yangling District of Shaanxi Province in the year of 2014-2015. The annual GHG emissions (CO2, CH4and N2O) were monitored using a static opaque chamber and chromatography method. This study focuses on the interactive role of gravel mulching and irrigation practices on both crop yield and GHG emissions. We also calculated the global warming potential (GWP) and greenhouse gas emissions intensity (GHGI) to evaluate the farmland ecological effect and GHG reduction effect. In this experiment, 4 field treatments were arranged with 2 gravel mulching levels (M0: No mulching, M1: covering 100% of soil surface) and 2 supplemental irrigation levels at key growing periods (W0: without irrigation, W1: 50 mm). The results showed that: 1) Compared with the control treatment of W0M0, the annual wheat-maize yields were significantly increased by 18.1%, 32.6% and 51.8% under the other 3 treatments of W1M0, W0M1 and W1M1, respectively; the annual CO2emissions were decreased by 7.8%, 12.1% and 18.0% under W1M0, W0M1 and W1M1, respectively. And there was not significant difference for annual N2O emissions for different treatments. The total annual absorption amounts of methane were increased by 32.5%, 80.2% and 124.3% under W1M0, W0M1 and W1M1 compared with the W0M0, respectively. 2) Gravel mulching gives positive contribution to the soil temperature and soil moisture. The correlation analysis of annual GHG emissions with soil temperature (5 cm) or soil water content (10 cm) under different experimental treatments over the wheat-maize growing period indicated that, the dependence of soil CO2emissions on soil water and soil temperature was pronounced for the 4 treatments with significant correlations (<0.05), while the dependence of soil CH4or N2O emissions on soil water and temperature was partly with significant correlations (<0.05). 3) Annual GWP values were more complicated in all treatments ranging from 522.8±204.6 to 629.5±328.5 kg/hm2(CO2equivalent) Compared with W0M0, irrigation practice could decrease the value of GWP, while gravel mulching practice could increase the value of GWP, and the interaction of gravel mulching coupled with irrigation could balance the GWP. 4) For the W1M0, W0M1 and W1M1 treatments, GHGI was significantly decreased compared with W0M0 by the values of 14.9%, 20.7% and 33.6%, respectively. The above results suggested the application of gravel mulching coupled with irrigation may obtain a balance between the increase of crop yield and the decrease of GHG emissions. Overall, gravel mulching practices could effectively increase soil moisture and temperature, and greatly lower the GHGI with the significant increase of crop yield. The basic case study provides a feasible way to realize stable crop productivity increase and GHG emissions reduction in arid and semi-arid region.

gravels; soil moisture; temperature; crops; yields; GHG emissions intensity; wheat-maize rotation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.028

S152.7+5

A

1002-6819(2017)-17-0208-08

2017-05-16

2017-08-11

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA102904）；国家自然科学基金（41301305）；西北农林科技大学基本科研业务费专项资金（2014YB062，2452015355）项目。

王冬林，博士生，主要研究农业水土资源高效利用。Email：wangdonglin@nwsuaf.edu.cn

冯 浩，研究员，博士生导师，主要从事水土资源高效利用以及节水灌溉新技术、新方法和新材料研究。Email：nercwsi@vip.sina.com