不同土壤改良剂对盐渍化农田土壤改良及温室气体排放的影响

2019-12-27屈忠义丁艳宏

节水灌溉 2019年12期

张瑶，屈忠义,2，丁艳宏，王凡

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古农业大学寒旱区灌溉排水研究所，呼和浩特 010018)

温室效应已经给人类生存和社会发展带来了严峻挑战，极端气候、海洋风暴、沙漠化等一系列环境问题引起了人类的注意，环境问题已刻不容缓。而大气中CO2浓度的不断升高给全球温室效应增温贡献高达60%[1]。而农田土壤是温室气体的重要排放源之一，排放的CO2、CH4、N2O等约占全球人为温室气体排放量的10%～12%[2]，我国盐渍化与次生盐渍化农田面积较大，约3 460 万hm2，占全国可利用土地面积约为 4.88%，所以，关注盐渍化农田土壤温室气体排放已成为当下热点。盐渍化土壤具有结构性差、肥力低、对作物生长有毒害作用等特点，严重限制了低碳农业的可持续发展。且盐碱化农田温室气体排放量显著高于非盐渍化农田。生物炭、石膏和有机肥是重要的土壤改良剂，可改善土壤结构，已广泛应用于现代农业，而对施入不同土壤改良剂对盐渍化土壤温室气体排放的影响研究较少，因此，研究施用不同土壤改良剂对盐渍化农田温室气体排放的影响非常有必要[3]。

生物炭是在低氧或缺氧条件下通过高温裂解生物质而成，生物炭几乎是纯碳，埋于地下百年至千年不会消失，等同于把碳封存在土壤。生物炭最主要的特性之一就是疏松多孔、比表面积较大，大量研究表明，在施入土壤后能较好的改善土壤结构、通气性以及保水性，形成块状结构和团粒结构，保证植物根系在良好的条件下生长[4]。生物炭能使盐土的pH值和水溶盐含量明显降低[5]。土壤中添加生物炭能降低CO2、CH4、N2O的排放总量，但仍有部分研究者认为施用生物炭增加了N2O的排放量[6,7 ]。高德才[8]等通过室内土柱研究表明，生物炭的理化性质对温室气体排放有显著影响，会降低CH4和N2O的温室效应。Shenbagavalli等[9]发现生物炭能抑制温室气体的释放，其中对CO2和N2O的效果最明显。脱硫石膏成分主要为硫酸钙 (CaSO4·2H2O)，具有颗粒细小、成分稳定、纯度高等特点，是较好的盐碱土改良剂。施入石膏，可降低土壤pH值[10]、全盐含量和碱化度[11]，同时使土壤孔隙度增加，进而有机质含量增加土壤有机质含量增加[12]。在适量施用脱硫石膏的条件下，可提高土壤微生物活性和多样性。胡翔宇研究表明脱硫石膏能够提高稻田土壤细菌群落多样性，抑制稻田CH4的排放[13]。当前关于有机肥对温室气体排放的影响较少，同时针对石膏加有机肥对温室气体减排方面研究鲜少。有机肥自身具有结构疏松，具有丰富的氮、磷、钾、生物活性物质，颜色深，吸收能力强等特点，添加到土壤中，会提高土壤中有机碳含量，从而影响农田土壤温室气体排放量[14]。施用有机肥能够很好地改善土壤理化性质，虽然总体表现出CO2的排放量增加[15,16]，但有机肥的施入显著增强土壤碳库，亦能帮助减缓温室效应[17]。Fleisher[18]等研究表明，有机肥可有效调节土壤碳氮比，进而促进N2O的排放。然而，近年来大多数的研究都是基于一般农田而非盐渍化农田，且较多是针对一种土壤改良剂，针对盐渍化土壤中施入不同土壤改良剂的研究对比尚不多。因此，研究生物炭、石膏、石膏与有机肥配施这3种不同改良剂对盐渍化农田温室气体减排的有较大基础意义，尤其在河套灌区，可为该地区盐渍土壤改良奠定一定基础。

内蒙古河套灌区是我国重要的商品粮生产基地之一，土壤盐碱化是限制该地区农业可持续发展的重要因素，同时不断加剧的温室效应使该地区面临着严峻的固碳减排形势。因此，本文研究生物炭、石膏、石膏与有机肥3种不同土壤改良剂对盐碱化土壤温室气体(CH4、CO2和N2O)排放的影响机理，从而选出最有益于盐碱化土壤减排的土壤改良剂，以期为该地区绿色、可持续农业发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年5月-10月在内蒙古巴彦淖尔市杭锦后旗三道桥镇澄泥村改盐增粮试验基地(106°54′E～106°55′E ， 40°49′N～40°50′N，海拔：990～1 003 m)开展，地处黄河中上游，属典型的温带大陆性气候，雨热同季，昼夜温差大，光热资源丰富，年平均降雨量136.5 mm，年平均蒸发量1 953.9 mm；昼夜平均温差13.2 ℃，年平均无霜期152 d左右。受地下水位、灌溉方式等影响，土壤盐渍化和次生盐渍化问题突出。

图1 试验区降雨和气温变化图Fig.1 The change of rainfall and air temperature in the test area

1.2 供试材料

试验供试生物炭为辽宁金和福农业开发有限公司的玉米秸秆生物炭产品，C、N、灰分含量分别为47.17%、0.71%、23.47%，有机质含量为925.74 g/kg，pH为9.04，施用量为22.5 t/hm2。供试石膏为包头市第二热电厂产生的废弃脱硫石膏，其主要成分是 CaSO4·2H2O,其化学成分为SO3占54.63%, CaO占 35.24%,含水量 8.2%, pH为 8.08，石膏处理的施用量为37.5 t/hm2。供试有机肥为当地集中堆肥区，石膏加有机肥处理施用量分别为石膏37.5 t/hm2和有机肥37.5 t/hm2配施。0～20 cm试验土壤质地，土壤容重为1.45 g/cm3，通过激光粒度仪分析，属于沙壤土。颗粒组成：砂粒(48.97%)、粉粒(44.69%)、黏粒(6.34%)。

1.3 试验设计

试验共设4个处理，分别为：生物炭(DC)、石膏(DS)、石膏+有机肥(DSF)，空白对照(CK)，每个处理3个重复，共12个小区，小区面积150 m2(10 m×15 m)，播种前将不同改良剂均匀撒于地表，用旋耕机将其与20 cm土壤混合，试验小区采取大田裂区试验方法，进行排列。在葵花整个生育期内，采用地下水滴灌进行灌水，张力计指导灌溉，灌溉下限设置为-30 kPa，灌水量用水表进行控制，每次灌水定额为225 m3/hm2。因当地地下水位较高，需通过观测地下水位配合张力计进行灌溉。

供试作物为葵花，品种为K902，覆黑膜种植，行距60 cm，株距50 cm，种植密度33 000 株/hm2。作物生育期为2017年6月7日-10月2日，共119 d。

所有处理于播种时均施基肥，基肥采用当地常用的磷酸二胺[ω(P2O5)=39%]，375 kg/hm2，复合肥[ω(N∶P2O5∶K2O)=30%∶5%∶5%]，75 kg/hm2；追施主要施用尿素[ω(N)=46.67%]，300 kg/hm2，根据生育期分别在开花、现蕾、灌浆各施1次，每次75 kg/hm2。

1.4 样品的采集与测定

1.4.1 土壤样品的采集与测定

于施加改良剂初期及葵花收货后各取一次，用直径5 cm 的土钻多点采集0～20 cm土壤样品，采用pH计测定(水浸提，1∶2.5)土壤pH值；用电导率仪测定(土水比1∶5)电导率；葵花收货后采集0～20 cm土壤样品，用重铬酸钾容量法测定土壤有机质；用解碱扩散法测定解碱氮；采用联合浸提比色法测定有效磷、速效钾。

1.4.2 气体样品的采集与测定

温室气体的采集在2017年6月26-10月2日期间，用静态暗箱进行温室气体(CO2、CH4、N2O)通量的定位观测。静态暗箱为地箱和顶箱两部分构成，由厚1.0 mm 的不锈钢制成(地箱尺寸为40 cm × 40 cm × 15 cm，顶箱尺寸为 40 cm × 40 cm ×40 cm)。播种后选取每个试验小区的中间，在行与行的中间位置安放地箱，每个试验小区1 个地箱，地箱内无植株，并保证地箱内为原状土。选择晴天并在上午 09∶00-11∶00 完成采样，采用 30 min 罩箱时间，即每个采样箱分别在扣箱 0、10、20、30 min 后抽取气体。周期为 10 d左右，降雨和灌水后增加取样。记录初始收时间和始末气温，地温线埋于地箱内5 cm深，用JM624地温盒检测。气体样品带回实验室采用美国Picarro公司生产的Picarro G2308 分析仪测定CO2、N2O、CH4含量。

温室气体通量计算公式[19]:

(1)

式中:ρ为箱内气体密度；Δm、Δc为Δt时间内箱内气体质量和混合比浓度的变化；A、V、H为采样箱底面积、体积、气室高度；Δc/Δt为单位时间内箱内气体浓度变化。

当F为负值时表示吸收，F为正值时表示排放。气体通量计算过程中，通过公式中引入箱内温度和气压值，对气体浓度进行校正。

温室气体累积排放量计算公式[20]：

(2)

式中：n为葵花生长季观测次数；Fi、Fi+1为第i、i+1次采样时温室气体排放通量，mg/(m2·h)或μg/(m2·h)；ti+1、ti为第i+1、i次采样的时间间隔，d。

转换系数 ( 由于采样期间的天数小于葵花生长季( 播种到收获) 天数，此系数将其转换为葵花生长季天数) ，取119/98。

综合增温潜势(GWP) 是将各种温室气体的增温潜势换算为CO2排放当量。100 a 时间尺度的综合增温效应计算式[21]为：

GWP=295Ec(N2O)+28Ec(CH4)

(3)

式中：Ec(N2O)为N2O 的季节累积排放量，kg/hm2；Ec(CH4)为CH4的季节累积排放量，kg/hm2。

温室气体排放强度(GHGI) 是单位经济产出的CO2排放当量，计算式为：

GHGI=GWP/Y

(4)

式中：Y为单位面积的产量，t/hm2。

1.5 数据处理

运用Excel软件和SPSS19软件进行数据统计与分析，用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理对盐渍化农田土壤改良状况的影响

如图2所示，处理初期各处理表层0～20 cm土壤pH的变化范围在8.1～8.5，改良一年后土壤pH在8.1～8.4之间。且改良前后期对比变化范围不大。除CK外各处理改良一年后均有所降低。如图3所示，分析显示各处理土壤EC发现，经一年种植后各处理均有所降低，降低幅度分别为27.44%、59.90%、28.20%、39.45%。结果显示，施加生物炭和石膏对土壤盐渍化有所降低。

如表1所示，各处理改良一年后土壤有机质含量相比，DSF>DC>CK>DS, DSF、DC均高于对照，且各处理有显著差异。与对照CK相比，DSF、DC、DS处理土壤碱解氮提高123.13%、65.56%、31.58%；DSF、DC速效磷提高79.13%、18.70%，而DS降低了8.70%；DSF速效钾提高了28.50%，DC、DS降低了9.51%、14.23%。综上所述，盐渍化农田施加生物炭和石膏加有机肥可显著提高有机质、碱解氮、速效磷含量改善土壤理化性。

图2 不同处理土壤pH改良动态变化Fig.2 Dynamics of soil pH from different treatment

图3 不同处理土壤EC动态变化Fig.3 Dynamics of soil pH from different treatment

表1 不同处理土壤改良状况Tab.1 Soils nutrient status under different treatments

2.2 不同处理对盐渍化农田温室气体的影响

2.2.1 不同处理对盐渍化农田土壤5 cm处温度影响

如图4所示，(收集气体期间通时观测5 cm土壤温度)各处理条件下土壤温度大体趋势一致，均表现为先增后减，明显的单峰，且变化范围处于15～35 ℃间。其中7月6日受降雨影响，土壤温度出现暂时的降低趋势。

图4 不同处理5 cm深土壤温度动态变化Fig.4 Dynamics of soil temperature in 5 cm from different soils

2.2.2 不同处理对盐渍化农田CO2、CH4、N2O的排放通量影响

如图5所示，各处理条件下CO2排放通量大体表现为双峰。前期(6月26日-7月16日)，除DSF处理外，其他各处理均表现为上升趋势，且出现第一个排放峰(7月6日)，中后期各处理均有所降低，但出现小高峰(8月4日)。与对照相比，前期(除DSF外)均高于对照，后期各处理排放通量明显低于对照水平。表明各改良剂(除DSF处理外)在施用前期对盐渍化土壤CO2的排放通量有明显促进作用。DSF、DC、DS、CK的土壤CO2排放通量变化范围分别为102.95～351.94、187.00～515.63、177.38～500.55、189.25～425.80 mg/(m2·h)。各处理季节平均排放通量如表2所示，与空白对照CK相比变化-15.58%、-3.27%、-12.16%，各处理均为降低趋势，对CO2表现为吸收。且DSF、DS与CK相比， CO2平均排放通量差异性显著。由此表明，各处理均抑制土壤CO2的排放。总体来看，DS(石膏)和DSF(膏加有机肥)对抑制CO2排放通量效果较好。

图5 不同处理土壤CO2排放通量季节动态变化Fig.5 Seasonal dynamics of CO2 emission from different soils

如图6所示，各处理条件下CH4排放通量没有明显变化趋势，大体表现为中期(7月16日-8月11日)排放强，后期(除DS外)各处理均表现为平缓且接近于0。与对照相比，前期各处理高于对照，后期低于对照。表明改良剂对盐渍化土壤CH4的排放通量有部分抑制作用。与各处理相比，DS表现出了明显的吸收，可能是石膏呈酸性可以中和盐碱土，为微生物活动提供更适宜的环境。DSF、DC、DS、CK的土壤CH4排放通量变化范围分别为-12.67～7.56、-1.64～17.25、-8.30～0.81、-5.49～7.37 μg/(m2·h)。如表2所示，各处理季节平均排放通量与空白对照CK相比变化214.30%、281.92%、-572.41%。且各处理间CH4平均排放通量差异显著。总体来看，DS(石膏)对抑制CH4排放通量效果最好。

图6 不同处理土壤CH4排放通量季节动态变化Fig.6 Seasonal dynamics of CH4 emission from different soils

如图7所示，各处理条件下N2O排放通量大体一致，表现为明显的单峰排放规律。前期(6月26日-7月16日)，N2O的排放强烈，出现排放最高峰，中后期可能由于温度逐渐降低，土壤N2O的排放通量趋于平缓。DSF、DC、DS、CK的土壤N2O排放通量变化范围分别为-0.97～171.72、-0.24～124.92、-1.37 ～168.00、-32.13 ～151.61μg /(m2·h)。与对照相比，各处理对N2O排放通量明显高于对照。各处理季节平均排放通量如表2所示，与对照CK相比变化5.42%、-2.97%、-17.49%。且DSF、DS与CK相比，N2O平均排放通量差异性显著，DC和CK的N2O平均排放通量，无显著差异。总体来看，DS(石膏)对抑制N2O排放通量效果最好。

图7 不同处理土壤N2O排放通量季节动态变化Fig.7 Seasonal dynamics of N2O emission from different soils

表2 不同处理温室气体平均排放通量Tab.2 The average greenhouse gas flux of different treatment

2.2.3 不同处理对盐渍化农田温室气体排放通量与地温相关性分析

如表3所示， CO2排放通量与DC、CK、DS处理的5 cm深地温呈均正相关，而与DC、CK表现为较相关，与DSF呈负相关。CH4排放通量与各处理均呈现正相关。5 cm土壤温度与DC和DS 的N2O排放通量呈显著正相关,与CK呈显著负相关。

表3 不同处理土壤CO2、CH4、N2O排放通量与土壤温度相关性分析Tab.3 Correlation analysis of CO2, CH4 and N2O emission fluxes and soil temperature in different treatments

注：*为在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

2.2.4 不同处理对盐渍化农田温室气体综合排放的影响

如表4所示，CO2的累积排放总量均小于对照，各处理对CO2的排放有一定抑制作用，且差异性显著。CH4累积排放量较小，几乎为0。综合增温潜势(GWP)与空白对照相比，DC、DS分别降低了2.26%、18.87%，DSF增加了5.94%。DC与CK的综合增温潜势(GWP)无显著差异。与对照相比，DSF、DC、DS温室气体排放强度(GHGI)均表现为降低趋势，分别降低了5.57%、16.77%、34.93%。DC、DSF、CK处理温室气体排放强度(GHGI)差异性不显著，但与DS差异性显著。综合分析DS和DC处理对温室气体排放效果最佳。根据产量和GWP算出GHGI，GHGI越低，表明单位经济产出的温室气体排放量越低。温室气体排放强度(GHGI)相比， CK>DSF>DC>DS，石膏和生物炭最低。综合分析，DS(石膏)和DC(生物炭)土壤改良剂在提高葵花产量的同时，有效降低温室气体排放。

表4 不同处理土壤温室气体排放总量、GWP、GHGI、产量Tab.4 Greenhouse gas emission, GWP, GHGI and yield of different treatments

3 讨论

农田温室气体的减排作为研究热点，受到各方关注。研究发现随着气温与地温逐渐升高，促进CO2的排放。与对照相比，各处理均不同程度的抑制了CO2的排放，且差异性显著。有关研究显示，CO2的排放随气温升高而升高[31]，生物炭和有机肥外观均为黑色，提高土壤温度，促进微生物和根系的呼吸[22]，从而促进土壤CO2的排放[23]。但葵花生长后期，植株较高，使得田间地面被遮盖面积大，虽然大气温度较高，但地表土壤较低，土壤CO2的排放通量较前期低，此间作物根系生长活跃和呼吸速率增加，可能会出现小高峰。本研究也发现，各处理(除DSF处理)CO2的排放通量与土壤地表温度呈正相关(如表3)。此外，生物炭、有机肥均为富碳材料，为微生物提供大量碳源，促进土壤有机质分解，使得初始CO2排放量高。生物炭的特殊结构，改善土壤理化性及生物学特性[24]，从而增加土壤 CO2的排放。董玉红等[25]研究表明，施用有机肥增加了土壤CO2的排放。而本研究是对于石膏加有机肥综合施用的，所以结果有所不同。

研究发现，生物炭和有机肥的添加为土壤添加部分有机质，提高土壤微生物活性，各处理气体排放变化剧烈，可能促进产甲烷菌活性，从而促进了CH4通量的排放，而后期不仅温度降低，改良剂改良土壤理化性，提高土壤通气性，促进土壤CH4氧化菌活性，降低了CH4通量的排放。甲烷氧化菌活性受温度变化影响较小，但改变土壤水热状况会影响产甲烷菌活性，从而影响CH4的排放[26,27]。但Zhao等[28]研究表明将秸秆转化为生物碳可以减缓CH4排放，提高产量和土壤肥力。与本研究结果不同，可能的原因是本次处理生物炭是在盐渍化土壤中施用，生物炭本身是碱性改良剂，抑制了甲烷氧化菌活性，从而增加了CH4的总排放量。此外，施用有机肥会抑制土壤对CH4的吸收[23]，与本研究结果有所不同，可能的原因是本研究是石膏混合有机肥施入综合影响了CH4的排放量。