秸秆还田方式对黄淮海区域小麦-玉米轮作制农田土壤周年温室气体排放的影响

李新华，董红云，朱振林，杨丽萍，贾 曦，郭洪海

(1.山东省农业可持续发展研究所，山东 济南 250100；2.农业部 华东都市农业重点实验室，山东 济南 250100； 3.山东省农业科学院 农业资源与环境研究所，山东 济南 250100)

0 引 言

由温室气体排放引起的气候变暖和臭氧层破坏已成为全球性的环境问题。农田作为温室气体重要的排放源之一[1]，对温室气体排放具有较大贡献[2]。据报道，大气中20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O来源于农业活动及其相关过程[3]。秸秆作为农业活动的必然产物，直接还田是目前秸秆资源化利用的主要途径之一[4]，也是改善土壤理化性质、培肥地力及提高作物产量的重要农艺措施之一[5-7]。但同时也给出苗质量和温室气体排放等带来了一定影响[8-10]，且不同学者关于秸秆还田对温室气体排放影响的结论也不尽相同[11]。目前秸秆有不同利用方式，除了直接还田外，还可以用做饲料及食用菌基质等，转化为畜禽粪便及菌渣等不同途径再归还到农田。目前的研究主要集中在秸秆还田量、还田方式、还田时间及其与耕作、施肥措施结合等对温室气体排放的影响方面[12-18]，但研究时间段多以单个作物种植季为主[7,19-23]，而关于在小麦-玉米轮作种植制度下，秸秆以不同方式还田对农田土壤温室气体周年排放的影响研究还不多见[11]。据此，本研究在黄淮海区域选择典型小麦-玉米轮作制农田，设置小麦/玉米秸秆以4种不同的方式还田，研究4种处理下小麦-玉米轮作制农田土壤温室气体的周年排放动态，分析秸秆不同方式还田对温室气体周年排放的影响，从而为农田秸秆资源高效循环利用和农田温室气体减排提供基础支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山东省德州市平原县张华镇梨园村(116°20′03″E， 37°01′34″N)，属鲁西北黄河冲积平原，暖温带大陆性季风气候，雨热同期。年平均气温12.9 ℃，年平均降雨量为558.8 mm。土壤类型为潮土，土壤深厚，地形平坦，耕层土壤厚度约20 cm，0～20 cm土壤基本理化性质见表1。

表1 试验区0～20 cm 土层基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of 0～20 cm soil depth in experimental site

1.2 试验设计

试验区为黄淮海平原典型的种植制度：小麦-玉米一年两熟轮作，秸秆不同还田方式试验于2012年10月开始。设置4个秸秆还田处理，(1)秸秆不还田(CK)：小麦、玉米收获后，移除秸秆及根系；(2)秸秆直接还田(CS)：小麦、玉米收获后，把秸秆用粉碎机粉碎全部还田；(3)秸秆饲用，牛粪还田(CGS)：秸秆收获后，作为奶牛的饲料，牛粪便腐熟后还田；(4)秸秆-菌渣还田(CMS)：秸秆转化为食用菌基质，种植双孢菇，出蘑后，菌渣通过堆沤、发酵和腐熟转化后还田。

该试验开始时间为2013年10月，结束时间为2014年10月。供试小麦品种为济麦22，于2013年10月11日种植， 2014年6月4日收获；供试玉米品种为郑丹958，于2014年6月6日种植，2014年10月3日收获。4个秸秆还田处理的设置见表 2，小麦秸秆、牛粪和菌渣均于小麦收获后，6月5日直接还田于表层，然后统一种植玉米；玉米秸秆、牛粪和菌渣均于玉米收获后，10月13日直接还田，然后种植小麦。小麦、玉米种植过程中，统一水、肥及药等管理[20,23]。每个处理设3次重复，共12个小区，小区面积70 m2，规格为长10 m，宽7 m。在每个处理小区内随机设3个温室气体监测点，共有36个监测点。小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪及菌渣的碳氮比分别为67.6∶1、27.7∶1、19.1∶1和70.4∶1。

表2 不同处理下的秸秆还田量(kg·hm-2)Table 2 Straw returning amounts in different treatments

注：秸秆作为饲草，牛食用后产生牛粪的量约为秸秆量的2倍，小麦秸秆转化为食用菌基质，出菇后产生菌渣的量约为秸秆量的1/2，玉米秸秆转化为食用菌基质，出菇后产生菌渣的量约为秸秆量的22%。

Note: The cattle dung from the straw forage is about 200% of the straw quantity; the mushroom residue from the straw matrix is about 50% of the wheat straw quantity; and the mushroom residue from the straw matrix is about 22% of the corn straw quantity.

1.3 样品采集与分析

温室气体的采集方法为静态箱法，采样箱规格及采集方法具体见参考文献[20,23]。采集时间分别为2013年11月27日及12月19日，2014年1月3日、1月22日、2月20日、3月12日、3月26日、4月15日、4月29日、5月15日、5月29日、7月11日、8月6日、8月20日、8月30日、9月10日和9月29日。样品分析采用气相色谱法(气相色谱仪型号Agilent 7890A)[23-24]。温室气体排放通量的计算公式如下：

式中：F为温室气体通量(mg·m-2·h-1)；dc/dt为采样时气体体积分数随时间变化的回归曲线斜率；M为气体的摩尔质量(g·mol-1)；V0为标准状态下的气体摩尔体积(22.41 L·mol-1)；P、P0分别为采样点的气压(Pa)和标准状态下的空气气压(1 013.25 hPa)；T、T0分别为采样时的绝对温度(K)和标准状态下的绝对温度(273.15 K)；H为采样箱高度(m)。

1.4 数据处理

采用数值积分法计算温室气体的累积排放量[24]。

全球增温潜势(Global Warming Potential,GWP)是基于充分混合的温室气体辐射特征的一个指数，用于定量衡量CO2、N2O和CH4这3种温室气体对全球变暖的相对影响[25-26]。

根据IPCC报告，在20 a时间尺度上，单位质量N2O和CH4的GWP分别为CO2的289倍和72倍；在100 a时间尺度上，单位质量N2O和CH4的GWP分别为CO2的298和25倍；在500 a时间尺度上，单位质量N2O和CH4的GWP分别为CO2的153倍和7.6倍[26]。由此在20 a、100 a和500 a时间尺度上，GWP的计算如下：

GWP25a=CO2+289×N2O+ 72×CH4

(1)

GWP100a=CO2+298×N2O+ 25×CH4

(2)

GWP500a=CO2+153×N2O+ 7.6×CH4

(3)

数据处理采用Excel 2007，绘图采用Origin 7.5，数据统计分析采用SPSS 13.0。

2 结果与分析

2.1 秸秆不同方式还田下农田土壤周年温室气体排放通量

在秸秆不同方式还田处理下，黄淮海区域小麦-玉米轮作制度下农田土壤周年CO2排放通量的变化均呈波动性变化，但不同处理下排放强度不同(图1A)。在CK、CS、CGS和CMS 4种处理下，农田土壤周年CO2排放通量的范围依次为2.87～297 mg·m-2·h-1、4.48～309 mg·m-2·h-1、5.55～312 mg·m-2·h-1和2.76～264 mg·m-2·h-1。周年CO2排放通量的平均值在CK处理下为64.0 mg·m-2·h-1，在CS处理下为74.2 mg·m-2·h-1，在CGS处理下为68.6 mg·m-2·h-1，在CMS处理下为58.7 mg·m-2·h-1。且在秸秆不同还田方式处理下，周年CO2排放通量的最小值均出现在2月，最大值均出现在8月。

在秸秆不同方式还田处理下，农田土壤周年N2O排放通量的变化均呈双峰型变化，但不同处理间排放通量大小不同(图1B)。在CK、CS、CGS和CMS 4种秸秆还田处理下，小麦-玉米轮作制农田土壤周年N2O排放通量的范围依次为0.43～67.7 ug·m-2·h-1、1.64～72.1 ug·m-2·h-1、0.49～56.0 ug·m-2·h-1和0.83～44.2 ug·m-2·h-1；周年N2O排放通量的平均值在CK处理下为14.5 ug·m-2·h-1，在CS处理下为16.3 ug·m-2·h-1，在CGS处理下为15.8 ug·m-2·h-1，在CMS处理下为112 ug·m-2·h-1。同周年CO2排放通量相类似，周年N2O排放通量的最小值也均出现在2月，最大峰值出现在3月12日，第二次峰值出现在8月6号。

在秸秆不同方式还田处理下，农田土壤周年CH4通量的变化均为波动性变化，且在秸秆不同方式还田处理下均表现为吸收，但其吸收模式和吸收量均有差异(图1C)。在CK、CS、CGS和CMS 4种处理下，小麦-玉米轮作制农田土壤周年CH4通量的范围依次为-0.30～ -0.005 mg·m-2·h-1、-0.01～-0.21 mg·m-2·h-1、-0.15～-0.005 mg·m-2·h-1和-0.12～-0.003 mg·m-2·h-1；周年CH4通量的平均值在CK处理下为-0.070 mg·m-2·h-1，在CS处理下为-0.059 mg·m-2·h-1，在CGS处理下为-0.060 mg·m-2·h-1，在CMS处理下为-0.051 mg·m-2·h-1。在CK和CGS两种处理下，CH4通量的最小值出现在2月，最大值出现在6月；在CS处理下，CH4通量的最小值出现在6月，最大值出现在12月；在CMS处理下，CH4通量的最小值出现在1月，最大值出现在12月。

2.2 秸秆不同方式还田下农田土壤周年温室气体累计排放量

农田土壤周年温室气体累计排放量的计算采用数值积分法[23]。根据农田土壤温室气体排放通量的实测数据(图1)，分别计算出秸秆不同方式还田处理下，小麦-玉米轮作制农田土壤周年温室气体的累计排放总量(表3)。由表3可知，在秸秆不同方式还田处理下，小麦-玉米轮作制农田土壤周年温室气体的累计排放量均不同，其中周年CO2的累计排放量在秸秆不同方式还田处理下表现为CGS>CS>CK>CMS，且不同方式还田处理间差异显著(P<0.05)。在CS和CGS处理下，和CK相比，周年CO2的累计排放量分别显著增加了16.0%和19.6%(P<0.05)；CMS处理则显著降低了7.9%(P<0.05)。周年N2O的累计排放量在秸秆不同方式还田处理下表现为CS>CGS >CK>CMS，方差分析表明，除CS和CGS间差异不显著外，其余各处理间均差异显著(P<0.05)。与CK相比，CS、CGS处理下周年N2O累计排放量分别显著增加了20.0%和18.9%(P<0.05)；在CMS处理下，周年N2O累计排放量显著降低了8.4%(P<0.05)。周年CH4的累计吸收量在秸秆不同方式还田处理下表现为CK>CGS>CS>CMS，除CS和CMS处理间差异不显著外，其余各处理间均差异显著(P<0.05)。与CK相比，CS、CGS和CMS处理均显著降低了周年CH4吸收量(P<0.05)，降低幅度分别为23.6%、13.2%和25.6%。

表3 不同处理农田土壤周年温室气体累计排放量(kg·hm-2)
Table 3 The annual cumulative greenhouse gas emissions in different treatments

还田方式Straw returning CO2N2OCH4小麦-玉米季小麦季玉米季小麦-玉米季小麦季玉米季小麦-玉米季小麦季玉米季CK4 842±83.9 c2 1882 6540.95±0.14 b0.400.55-6.52±0.24 a-4.88-1.64CS5 619±106 b2 8152 8031.14±0.11 a0.520.62-4.98±0.19 c-3.38-1.6CGS5 792±93.5 a2 5013 2911.13±0.20 a0.500.63-5.66±0.22 b-3.93-1.73CMS4 460±87.4 d1 9052 5550.87±0.17 c0.350.52-4.85±0.20 c-3.22-1.63

注：表中同列不同小写字母表示处理间差异在0.05水平上显著，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.

2.3 秸秆不同方式还田下农田土壤周年温室气体的综合增温潜势

根据秸秆不同方式还田下农田土壤周年温室气体的累计排放量(表3)，利用公式(1)、(2)、(3)计算出小麦-玉米轮作制农田土壤周年温室气体的GWP(表4)。由表4可知，在3个时间(20 a、100 a和500 a)尺度上，GWP在秸秆不同方式还田处理下均表现为CGS>CS>CK>CMS，且方差分析表明，GWP在秸秆不同方式还田处理间有显著差异(P<0.05)。与CK相比，在20 a、100 a和500 a 3个时间尺度上，CS处理GWP分别显著增加了20.3%、17.6%和16.6%(P<0.05)；CGS处理GWP分别显著增加了22.8%、20.7%和19.9%(P<0.05)；CMS处理GWP分别显著降低了6.2%、7.3%和7.7%(P<0.05)。即在20 a、100 a和500 a时间尺度上，秸秆过腹还田(CGS)和秸秆直接还田方式(CS)均显著增加了小麦-玉米轮作制农田土壤周年温室气体的GWP，而秸秆-菌渣还田处理(CMS)则显著降低了农田土壤周年温室气体的GWP。

3 讨 论

关于秸秆直接还田会明显促进农田CO2排放的结论已基本得到认可[24,27-29]，本研究也得到了类似结论。这是因为秸秆中含有大量的N、P及K等营养元素，秸秆还田后腐解，可有效增加土壤微生物生长所需的C、N等养分，使土壤微生物活性增强，加快对土壤有机质的分解和土壤矿物质的转化，为作物生长提供必要的营养元素，从而促进作物根系和地上部分的生长[27]；且秸秆本身的腐解也会产生一定量的CO2[21]。在本研究中，秸秆过腹还田方式(CGS)也使农田CO2排放量增加，这可能是因为秸秆作为牛的饲料，产生的牛粪还田后，可使土壤理化性质得到改善，为土壤微生物生长提供适宜的生存环境，同时牛粪的C/N(19.1∶1)较低，适宜的生存条件和较低的C/N可使土壤微生物呼吸作用增强，导致CO2释放量增加[28-29]。而秸秆-菌渣还田方式则使农田CO2排放量降低，这是因为C/N的变化会影响土壤微生物过程[30-31]，本研究中所用菌渣的C/N为70.4∶1，而微生物活动最佳C/N约为25∶1，因此，微生物需从土壤中固定C，由此可能导致CO2排放量降低[32]。

目前，关于秸秆不同还田方式对农田土壤N2O排放影响的研究结果还存在许多不同[21,33-34]。本研究中，与秸秆不还田处理(CK)相比，农田土壤周年N2O累计排放量在秸秆直接还田处理(CS)和秸秆-牛粪还田处理(CMS)下都增加，该结论与秸秆不同方式还田对单季(小麦季、玉米季)农田温室气体排放影响的研究结论相一致[20,24]。对于秸秆直接还田处理，大量秸秆还田后，在秸秆腐解过程中使土壤中氧气含量降低，从而使反硝化作用增强，由此使N2O排放量增加[21]。秸秆过腹还田(CGS)后，由于牛粪中N含量较高，C/N较低，本研究中牛粪的C/N为19.1∶1，低于微生物活动最佳C/N(约为25∶1)，由此降低了微生物对N的固定，从而使N2O的直接排放增加[34]。而在秸秆-菌渣还田处理下，与秸秆不还田相比，N2O周年累计排放量降低，这在黄小林的研究中也得到了类似结论[33]。

已有研究表明，在旱田土壤中，甲烷氧化菌占主导作用[34]，因此旱田土壤是CH4的汇[35]。本研究也发现，秸秆不同方式还田处理下，周年CH4的累积排放量均为负值，即小麦-玉米轮作制农田土壤在周年上也是CH4的吸收汇。但秸秆不同方式还田处理影响农田土壤对CH4的吸收，与CK相比，CS、CMS、CGS处理均降低了农田土壤对CH4的吸收，李新华等[20]在研究秸秆不同方式还田对玉米季温室气体排放影响的研究中也得到了类似结论，该结论也与黄小林[33]的研究结论相一致。这可能是因为秸秆、牛粪和菌渣作为有机物料添加到农田土壤中，可使土壤氧化还原电位降低，从而使CH4的氧化潜势减少有关[19,21]。

4 结 论

(1)秸秆以不同方式还田，小麦-玉米轮作制农田土壤周年温室气体的累计排放量随之不同。其中，周年CO2的累计排放量在秸秆不同方式还田下表现为CGS>CS>CK>CMS，且不同处理间有显著差异(P<0.05)，周年N2O的累计排放量在秸秆不同方式还田下表现为CS>CGS >CK>CMS，除CS和CGS，其余各处理间均差异显著(P<0.05)，周年CH4的累计吸收量在秸秆不同方式还田下表现为CK>CGS>CS>CMS，除CS和CMS，其余各处理间均差异显著(P<0.05)。总之秸秆以不同方式还田可影响农田土壤温室气体的源/汇大小，但不能使其源/汇功能改变。

(2)秸秆以不同方式还田，小麦-玉米轮作制农田土壤周年温室气体的综合增温潜势也随之不同。在3个时间度(20 a、100 a和500 a)上，小麦-玉米轮作制农田土壤周年温室气体的综合增温潜势在秸秆不同方式还田下均表现为CGS>CS>CK>CMS，且不同处理间有显著差异(P<0.05)。为此，推荐秸秆-菌渣还田方式，以降低小麦-玉米轮作制农田土壤周年温室气体的综合增温潜势，减缓全球变暖。