绿肥还田对贵州黄壤玉米产量及温室气体排放的影响

张涛 何燕

摘要：通过研究贵州省冬闲田种植光叶紫花苕、箭舌豌豆、黑麦草和油菜4种绿肥还田对后茬玉米产量和土壤温室气体排放的影响，筛选可以减少或一定程度上遏制农业温室气体排放的绿肥。结果表明：（1）箭舌豌豆处理CO 2 平均排放通量最高，为79.67 mg/（m2·h），油菜处理最低，为66.53 mg/（m2·h），但各處理间无显著差异;与冬闲相比，除油菜处理外，其他绿肥处理均促进CO 2 排放。（2）所有绿肥处理均促进CH 4排放，冬闲CH 4累积通量为负值，表明绿肥还田导致土壤由CH 4汇变为弱排放源。（3）与冬闲相比，除箭舌豌豆处理外，其他绿肥处理对N 2O累积排放量均有抑制作用。（4）CO 2对全球变暖贡献占主导，N 2O次之，CH 4所占比例最小。（5）绿肥还田均可提高玉米产量，且光叶紫花苕绿肥处理产量显著高于冬闲，单位产量温室气体排放强度也较小。因此，综合考虑环境效益和生产效益，冬闲种植光叶紫花苕绿肥还田可实现增产减排。

关键词：绿肥;玉米;轮作;温室气体;全球增温潜势（GWP）;温室气体排放强度（GHGI）

中图分类号：S513.06;S181   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）09-0070-06

CO 2、CH 4和N 2O是大气中最主要的3种温室气体，对人为温室效应的贡献率分别为60%、15%和5%[1]，农业作为温室气体重要排放源之一，其排放量占比达30%[2]。玉米是我国主粮食作物之一，在我国农业种植结构中占有重要地位，2020年种植面积达到4 126.4万 hm2，总生产量达到2.61亿t，占粮食生产总量的38.9%[3]。然而，玉米生产的单位面积碳足迹和温室气体排放量在2005—2015年间均呈显著增加趋势[4]。在确保玉米稳产增产条件下进行固碳减排，对缓解气候变暖具有重要意义。

绿肥作为有机肥源，翻压还田不仅可以提升土壤养分，改善作物生长环境，对作物增产及温室气体排放也具有重要影响[5-6]。陈正刚等在贵州省织金县研究发现，光叶苕子绿肥配施减量化肥，玉米产量提高25.7%[7]。冯涛等在甘肃省酒泉市研究发现，种植油菜、箭舌豌豆、毛苕子绿肥还田可使玉米增产2.0%～5.2%[8]，而翻压光叶紫花苕绿肥玉米产量增幅达78.14%～113.91%[9]。Ma等的研究表明，绿肥还田总体上可显著提高玉米产量11%[10]。Li等研究发现，绿肥还田可显著提高CO 2 和N 2O累积排放量[11-13]，但对CH 4通量无显著影响[14]。也有研究发现，绿肥还田虽然促进CO 2 和N 2O排放，但影响不显著[15];绿肥还田在不增加CO 2的前提下，可降低N 2O的排放[16]。可见，玉米生态系统土壤温室气体排放对绿肥还田的响应存在差异。

以CO 2、CH 4和N 2O计算的区域尺度全球增温潜势（GWP）可作为衡量温室气体减排的重要指标[17]，而单位产量温室气体排放强度（GHGI）可衡量作物产量与温室气体排放的相互作用[18]。因此，探明绿肥还田下玉米产量与温室气体排放量关系，对玉米生态系统固碳减排具有重要作用。本研究以4种不同绿肥为研究对象，探究不同绿肥还田对贵州省黄壤玉米产量及温室气体排放的影响规律，并对其全球增温潜势和温室气体排放强度进行估算，以期为贵州地区绿肥玉米轮作系统温室气体减排提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于贵州省贵阳市花溪区麦坪镇（106°27′～106°52′E，26°11′～26°34′N），该区位于贵州省中部，海拔约1 100 m，属高原季风湿润气候，全年平均气温16.0 ℃，无霜期平均246 d，年降水量 1 178.3 mm。土壤类型为黄壤，其母质类型为砂页岩。土壤基本理化性质为：有机质含量 39.18 g/kg、碱解氮含量 178.10 mg/kg、速效磷含量8.96 mg/kg、速效钾含量 183.67 mg/kg ，pH值为5.62。

1.2 试验设计

试验共设置5个处理，分别为冬闲、光叶紫花苕、箭舌豌豆、黑麦草和油菜，每个处理3个（小区）重复，小区面积为 3 m×6 m，完全随机排列。绿肥于2018年玉米收获后均匀撒播于相应小区内，光叶紫花苕和箭舌豌豆播种量均为45 kg/hm2，黑麦草和油菜播种量均为30 kg/hm2。绿肥生长季不施用化肥。所有绿肥在玉米播种前1周翻耕还田，翻压深度为10～15 cm，化肥施用量参照当地常规施肥，施用量为N 273 kg/hm2、P 2O 5 264 kg/hm2，其中氮肥25%作基肥，75%作追肥，磷肥全部用作基肥。基肥为磷酸一铵（含N 11%、P 2O 5 44%），追肥为尿素（含N 46%），分别于2019年5月中旬和7月初追肥2次。供试玉米品种为安单3号，其他田间管理措施与当地常规大田生产一致。

1.3 温室气体测定与计算

在玉米生长季采用静态箱-气象色谱法测定CO 2、CH 4、N 2O等3种温室气体。采气装置包括聚氯乙烯（PVC）圆环、采气密封盖和30 mL注射器，PVC圆环直径为20 cm、高为10 cm，打入土7 cm 深度。采集气体时，将地温探针插入PVC圆环旁 5 cm 深的土壤，并记录开始抽取气体和结束时的地温和气温。同时，在盖上密封盖之前和盖上密封盖 20 min 后用连接有三通阀的注射器取30 mL气体注入真空气袋中保存，带回实验室72 h内使用气象色谱仪（GC-2014，岛津）测定样品中CO 2、CH 4和N 2O的浓度。气体采集时间为08：00—11：00，施肥后1周每隔 1 d 采集1次，遇强降雨天气则推迟取样。

温室气体排放通量的计算公式[17]为

F=ρ×H×ΔCΔt×273273+T。（1）

式中：F为温室气体排放通量，CO 2的单位为 mg/（m2·h），CH 4和N 2O的单位为μg/（m2·h）;ρ为温室气体标准状态下的密度，kg/m3;H为取样环盖度（0.05 m）;ΔCΔt为单位时间静态箱内的温室气体浓度变化率，μL/（L·h）;T为测定时箱体内的平均温度， ℃。

累积温室气体排放量（CE）计算公式[19]为

CE=∑Ni=1F i+F i+12×（t i+1-t i）×24。（2）

式中：CE为累积温室气体排放量，g/m2;F i、F i+1代表第i次与第i+1次所采集温室气体的通量，CH 4 和N 2O 通量单位为μg/（m2·h），CO 2通量单位为mg/（m2·h）;N为测定总次数;t i+1-t i代表第i+1次与i次气体采集的时间间隔。

玉米的净初级生产力（NPP）估算公式[14]如下：

NPP=NPP 地上+NPP 根+NPP 凋落物+NP 根沉积。（3）

玉米地上部生物量/根系生物量为1/0.09[20]，地上凋落物为地上部净初级生产力的5%，（地上生物量+根系生物量）/根际沉积物为0.89/0.11[21]。

全球增温潜势和单位产量温室气体的排放强度计算公式[17]为

GWP=CO 2累积排放量+25×CH 4累积排放量+298×N 2O累积排放量。（4）

GHGI=GWP作物产量。（5）

1.4 数据处理与分析

试验所得数据使用Excel 2019和SPSS 26.0进行数据整理和统计分析，采用最小显著差数检验法（LSD法）对不同绿肥处理间的数据进行多重比较，作图使用Origin Pro 2021。

2 结果与分析

2.1 不同绿肥还田下CO 2、CH 4和N 2O排放速率变化

各处理5 cm土壤温度和体积含水量变化趨势一致，温度在8月达到最高，含水量呈下降趋势（图1）。玉米生长季各处理CO 2排放通量变化趋势基本一致，出现3个排放峰，通量变化介于5.60～286.09 mg/（m2·h）之间。在测量初期CO 2排放通量较低，施肥前CO 2排放通量又上升，到达观测期的第1个峰值，在施肥20 d后，CO 2排放通量总体呈下降趋势（图2）。生长季CO 2平均排放通量以箭舌豌豆处理最大，为79.67 mg/（m2·h），油菜处理最低，为66.53 mg/（m2·h），各处理具体表现为箭舌豌豆>光叶紫花苕>黑麦草>冬闲>油菜（表1），所有处理间均无显著差异。各处理CH 4排放通量变化趋势基本一致，呈降低趋势（图2），7月后各处理排放通量趋于稳定，波动范围较小，呈现弱源或弱汇;但各处理生长季CH 4平均通量均为正值，其中以光叶紫花苕处理最高，为3.76 μg/（m2·h），冬闲处理最低，为0.22 μg/（m2·h），各处理CH 4平均通量表现为光叶紫花苕>箭舌豌豆>黑麦草>油菜>冬闲 （表1），但差异不显著。N 2O排放通量与CO 2变化趋势相似，有3个峰（图2），排放通量介于-5.49～223.97 μg/（m2·h）之间;N 2O平均排放通量以箭舌豌豆处理最高，为35.13 μg/（m2·h），黑麦草处理最低，为16.58 μg/（m2·h），排放通量均值表现为箭舌豌豆> 油菜>冬闲>光叶紫花苕>黑麦草（表1）。

2.2 不同绿肥还田下CO 2、CH 4和N 2O累积排放量变化

由图3可知，CO 2累积排放量以箭舌豌豆处理最高，为2 658.10 kg/hm2，油菜处理最低，为 2 318.52 kg/hm2，但所有处理间差异均不显著。CH 4累积排放量冬闲处理表现为弱汇，为 -0.19 kg/hm2，绿肥处理除黑麦草处理外，均表现为弱源，所有处理间差异均不显著。N 2O累积排放量以箭舌豌豆处理最高（1.50 kg/hm2），黑麦草处理最低（0.75 kg/hm2），与冬闲相比，光叶紫花苕、黑麦草、油菜处理N 2O累积排放量分别降低10.73%、39.65%、10.38%，箭舌豌豆处理则增加20.40%。

与冬闲处理相比，光叶紫花苕和箭舌豌豆绿肥还田分别使全球增温潜势提高了5.20%、15.10%，而黑麦草和油菜处理分别降低了1.08%、1.70%;所有绿肥处理均表现为CO 2排放量对GWP的贡献最大，达85%以上，N 2O次之，CH 4排放比例最小，除箭舌豌豆处理外，绿肥还田增加了CO 2占GWP的比例（表2）。

2.3 不同绿肥还田下玉米产量及温室气体排放强度

绿肥处理后玉米地上部生物量、根系生物量、凋落物量、根系沉积物和净初级生产力均高于冬闲，净初级生产力表现为油菜>光叶紫花苕>黑麦草>箭舌豌豆>冬闲，但差异并不显著，绿肥处理分别较冬闲处理提高9.59%、7.74%、7.35%、2.74%（表3）。与冬闲相比，绿肥还田均增加了玉米产量，且表现为光叶紫花苕>黑麦草>油菜>箭舌豌豆，分别增产12.71%、12.26%、12.14%、2.79%，其中光叶紫花苕处理显著提高了玉米产量（P<0.05），而其他绿肥处理产量增幅不显著。从温室气体排放强度来看，除箭舌豌豆处理外，其他绿肥处理均降低了农田GHGI，以油菜处理降幅最大（表4）。

3 讨论

3.1 不同绿肥还田对土壤温室气体排放的影响

本研究发现CO 2 排放通量呈现多峰变化，与土壤温度变化趋势不一致，表明温度不是本研究区土壤CO 2 排放的主要影响因子。一般而言，CO 2 排放由土壤微生物呼吸和植物根系呼吸决定，其排放速率随气温升高而增加[14]，但同时受水分、土壤养分状况、施肥管理、作物生长等其他因子影响[22-23]。本研究中7月中下旬，土壤CO 2排放通量呈现降低趋势，而9月土壤CO 2排放通量又上升，这与土壤水分变化趋势基本一致，表明CO 2排放通量可能受土壤水分影响。戈小荣等研究指出，土壤CO 2排放速率与土壤水分呈正相关关系[24-25]。一般而言，翻压绿肥对土壤的扰动，可改善土壤通气性，新鲜有机物质的输入可以加快微生物分解速率，增强土壤呼吸速率，即单位时间内CO 2排放量增加[26]。与冬闲处理相比，总体上绿肥还田促进了玉米生长季CO 2的排放，但各处理差异不显著，这与Alluvione等的研究结果[12，15]基本一致，其原因可能是土壤有机质呼吸减少和根系呼吸增加的结果[12，27];也有研究发现，绿肥还田会显著影响CO 2排放[14，28]。种植长武怀豆和黑麦草绿肥可使土壤CO 2日均排放通量增加12%～25%[25]。

本研究所有绿肥处理均可促进CH 4排放，这与Lee等的研究结果[14，29]一致。绿肥掺入土壤后不稳定有机碳增加，为产甲烷菌提供了充足的碳源和能量，促进了土壤CH 4排放[25-26]。但另一方面，绿肥还田后短时间的有氧预消化可降低后茬作物季节性CH 4 通量[30]。有研究发现，种植夏闲绿肥后，旱地土壤表现为CH 4的吸收汇或没有显著影响[25]。与夏闲田相比，种植翻压黑麦草和长武怀豆绿肥及二者混施，可使CH 4累积排放量降低12%～19%[24]。本研究除箭舌豌豆处理外，其他绿肥处理对N 2O累积排放量均有抑制作用。Seo等研究发现，与冬闲相比，施用绿肥可使土壤N 2O排放量减少46.5%[31]，但也有研究发现，绿肥还田促进了N 2O排放[12-13] 或对土壤N 2O排放总量没有显著影响[32]。其原因可能是绿肥还田影响了土壤中C和N相对有效性，进而影响N 2O排放。土壤N 2O 产生由微生物硝化与反硝化过程共同决定，一方面，绿肥还田为微生物生长提供了有机碳基质，促进了微生物对无机氮的固定，同时刺激异养微生物和自养硝化菌之间对NH+ 4 的激烈竞争，导致N 2O排放减少[33-34]。另一方面，在反硝化过程中，有机碳输入刺激N 2O还原为N 2[35]。此外，尽管绿肥还田后土壤水分增加有利于反硝化，但低浓度的土壤矿物质 N 可限制N 2O 的排放[36]。

3.2 不同绿肥还田对玉米产量和GWP的影响

本研究发现，绿肥还田对玉米产量有促进作用，增幅为2.79%～12.71%，陈正刚等研究发现，绿肥还田可使玉米产量增加13.5%～25.7%[7，37]。王玥等研究发现，不同冬种绿肥还田处理的玉米产量增幅为12%～18%[38]。一方面，绿肥还田可通過促进玉米根系生长，增加玉米株高、茎粗、叶面积及产量构成因子等农艺性状来增加玉米产量[38-39]。另一方面，绿肥还田增加了土壤养分积累，提高了土壤微生物含量和酶活性[40]，对玉米根系呼吸和作物生长具有一定的促进作用[39]。农作物净初级生产力是农田生态系统碳循环的重要指标，其由地上部生物量、根系生物量、凋落物及根际沉积物4部分组成[14]。自2001年以来，西南喀斯特地区农田净初级生产力存在降低趋势[41]，而本研究表明绿肥还田对玉米净初级生产力具有提高作用。

GWP可评估不同温室气体对全球气候系统的潜在影响，在100年时间尺度下，CH 4和N 2O增温潜能分别是CO 2的25、298倍[17]。本研究中CO 2是GWP最大的来源，占比达85%以上，戈小荣研究也发现，绿肥还田使土壤CO 2对全球增温潜势的贡献率达 90%[24]。本研究光叶紫花苕和箭舌豌豆处理对GWP有促进作用，而其他绿肥处理降低了GWP，但差异均不显著。也有研究表明翻压绿肥可以显著增加土壤温室气体GWP[42];与夏闲田相比，种植翻压黑麦草和长武怀豆可使GWP提高6%～11%[24]。这可能与绿肥翻压年限有关。Lee等的研究表明，绿肥还田第2年的净GWP和GHGI的均值显著低于第1年的[14]。从温室气体排放强度来看，光叶紫花苕、黑麦草和油菜绿肥处理均较冬闲田降低了玉米农田土壤GHGI，但各绿肥处理对GHGI的降低作用不显著，Lee等研究也发现，毛叶苕子单独或与大麦混合施用与冬闲处理相比，GHGI 没有显著差异[14]。由于本研究没有考虑土壤中的碳输入或碳固存，无法估计整个生态系统净温室气体排放。因此，未来的农业生产活动应探索低净 GWP 和 GHGI 以及高作物生产力的系统，以确保环境效益和粮食安全。

4 结论

与冬闲相比，除油菜处理外，其他绿肥处理均可促进CO 2 排放，所有绿肥处理均可促进CH 4排放，除箭舌豌豆处理外，其他绿肥处理对N 2O累积排放量均有抑制作用。CO 2对GWP贡献最大，占比达85%以上，N 2O占比为8.40%～14.40%，CH 4所占比例较小。从玉米生产效益和固碳减排角度看，光叶紫花苕绿肥处理不仅可以提高玉米产量，还具有降低温室气体排放强度的效应，是本研究区兼具经济和生态效益的较佳轮作模式。

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