不同秸秆还田方式对玉米农田土壤CO2排放量和碳平衡的影响

2023-08-15李金任立军李晓宇毕润学金鑫鑫虞娜张玉玲邹洪涛张玉龙

中国农业科学 2023年14期

李金，任立军，李晓宇，毕润学，金鑫鑫，虞娜，张玉玲，邹洪涛，张玉龙

李金，任立军，李晓宇，毕润学，金鑫鑫，虞娜，张玉玲，邹洪涛，张玉龙

沈阳农业大学土地与环境学院/农业农村部东北耕地保育重点实验室/土肥高效利用国家工程研究中心，沈阳 110866

【目的】探究秸秆还田方式对土壤CO2排放特征及碳平衡的影响，为东北地区农田土壤固碳减排和秸秆还田方式的选择提供科学依据。【方法】采用田间微区试验，以玉米为供试作物，设置3种秸秆还田方式：秸秆浅层还田（QH）、秸秆深层还田（SH）和秸秆覆盖还田（FG），无秸秆还田（CK）处理为对照。利用LI-8100A土壤碳通量自动测定仪监测玉米生长季不同秸秆还田方式下土壤CO2的排放特征，探讨土壤温度、含水量、pH、微生物量碳及氮磷钾速效养分和全量养分对土壤CO2排放的影响，并分析不同还田方式下的土壤碳平衡。【结果】在玉米生长季，各处理土壤CO2排放速率均表现为先升高后降低的趋势。土壤CO2累积排放量表现为FG＞QH＞SH＞CK处理，相较于SH处理，FG和QH处理土壤CO2累积排放量分别增加了14.0%和6.4%，各处理间差异显著（＜0.05）。不同还田方式下土壤CO2排放速率与土壤温度、土壤含水量进行单因素模型拟合，均呈二次函数相关关系，且达到了显著水平（＜0.05），土壤温度和土壤含水量分别解释68.2%—73.7%和21.3%—82.8%的土壤CO2排放速率变化，但土壤温度和土壤含水量的双因素复合模型能更好地解释土壤CO2排放速率的变化，解释度达到78.5%—82.8%。相关性分析表明，土壤CO2累积排放量与速效钾、微生物量碳呈极显著相关关系（＜0.01），与土壤有机质、碱解氮、全氮和pH呈显著的相关关系（＜0.05）。秸秆还田处理下土壤碳平衡均为正值，为大气CO2碳汇。SH处理下土壤碳平衡和固碳潜力显著高于QH、FG处理，提高幅度分别为23.4%、475.7%和7.1%、30.7%（＜0.05），表现出较强的碳汇功能。在两年收获期，秸秆还田显著提高了玉米产量，其中SH处理最高，但与QH和FG处理间无显著差异。【结论】本试验条件下，综合考虑固碳减排效应和产量，3种秸秆还田方式相比，秸秆深层还田（SH）是一种较好的还田方式。

秸秆还田方式；土壤CO2排放；土壤温度；土壤含水量；玉米产量；碳平衡

0 引言

【研究意义】温室气体排放导致的全球气候变化和粮食安全已成为人类面临的重大挑战[1]。CO2作为一种主要温室气体成分，20%左右来源于土壤[2]，农田土壤是陆地生态系统向大气排放CO2的重要源头，其微小的波动会对大气中CO2浓度产生较大影响[3]，并影响着全球碳循环和碳平衡过程。我国每年作物秸秆产量为7亿—9亿t[4]，其中大部分秸秆被焚烧浪费，导致严重的环境污染并加速了全球温室气体的排放[5]。近年来，有研究学者发现秸秆是一种便于利用的自然资源，其还田后在提高土壤有机碳含量、改善土壤质量和增加作物产量等方面有着重要的作用[6]，但在秸秆还田的同时其对农田土壤CO2排放的影响也是不容忽视的。因此，探究不同秸秆还田方式对土壤CO2排放特征及碳平衡的影响，对农田土壤固碳减排，作物秸秆合理利用具有重大现实意义。【前人研究进展】目前研究学者们关于秸秆还田与土壤CO2排放的关系仍存在分歧。YANG等[7]研究认为，秸秆还田可以促进有机物分解和养分循环，但增加了土壤CO2排放。白银萍等[8]研究表明，与不还田相比，秸秆覆盖还田使土壤CO2排放增加了12.7%；而秸秆翻埋还田使土壤CO2排放降低了2.5%。WANG等[9]发现，在冬小麦-春玉米轮作系统中，无论是翻耕还是免耕，秸秆覆盖还田较不还田相比，土壤CO2排放分别降低了8.5%和14.5%。土壤碳平衡可以通过一定时间内碳输入和输出的差异来计算[10]，当碳平衡值为正值时，表现为大气CO2的吸收“汇”，反之则为排放“源”[11]。DOSSOU-YOVO等[12]研究发现，在贝宁北部地区，秸秆覆盖还田显著降低了土壤碳平衡，但刘平奇等[13]研究表明，在我国东北黑土地区，单独进行深松处理的土壤碳平衡表现为负值，而深松结合秸秆还田处理的土壤碳平衡却表现为正值，表明秸秆还田能够增加土壤碳平衡值。【本研究切入点】目前，相关学者对秸秆还田下土壤CO2排放的研究主要集中在覆盖还田和表层浅混还田[14]，而深还田下土壤CO2排放特征及其影响因素和土壤碳平衡的研究有待深入。【拟解决的关键问题】本研究在田间试验条件下，探究秸秆还田方式对土壤CO2排放特征及碳平衡的影响，明确最佳的秸秆还田方式，以期为东北地区农田土壤固碳减排和秸秆还田方式的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在沈阳农业大学科研试验基地进行（41°82′ N，123°56′ E），该区域属于温带半湿润大陆性气候，试验地为雨养农业，年均温度为9.00 ℃，年均降雨量为881.07 mm。供试土壤为棕壤，其基本理化性质为有机质含量12.21 g·kg-1、全氮0.67 g·kg-1、pH 6.70、土壤容重1.39 g·cm-3，土壤速效钾、速效磷和碱解氮含量分别为132.52、62.19、64.45 mg·kg-1。

1.2 试验设计

该试验始于2020年5月，已连续两年进行秸秆还田试验。采用随机区组设计，设3种秸秆还田方式，分别为秸秆浅层还田（QH）、秸秆深层还田（SH）、秸秆覆盖还田（FG），无秸秆还田（CK）为对照，共4个处理，每个处理设3次重复，各试验微区面积为2.08 m2（1.6 m×1.3 m），每个微区四周用混凝土浇筑并做防水处理。2020年秋季玉米收获后将秸秆粉碎至3 cm左右还入田中，各处理秸秆还田量相同，为10 500 kg·hm-2，具体操作见表1。

表1 试验处理

该区域种植模式为一年一熟制度，供试作物为玉米，品种为郑单958。于2020年和2021年5月下旬播种，9月中旬收获。每个小区种植2行玉米，每行4株，行距为0.4 m，株距为0.3 m。各处理施肥量相同，施用过磷酸钙（P2O5含量为12%）75 kg·hm-2，硫酸钾（K2O含量为50%）105 kg·hm-2，尿素（N含量为46.4%）240 kg·hm-2，作为基肥在播种前一次性施入，田间管理与当地常规玉米栽培一致。

1.3 试验方法与数据处理

1.3.1 样品采集与测定采用LI-8100A土壤碳通量自动测定仪（Li-Cor，Lincon，NE，USA）及其自带呼吸室测定2021年玉米季土壤CO2排放速率。为平衡土壤中气体，降低土壤结构扰动带来的影响，在测定前2—3 d，先将PVC基座（直径20 cm，高10 cm）均匀插入土壤中[15]，露出土面2 cm左右。同时为减小试验测量误差，尽量将PVC基座安放在各试验区同一位置。测定时，将呼吸室放在PVC基座上，收集从土壤释放的CO2，每个处理布置3次重复，每个试验区重复测定3次，若3次测定值偏差大于15%，则需继续进行测定直至偏差小于15%。自施肥日起，开始测定土壤CO2排放速率，第一周每2 d测定一次，第二周每2—3 d测定一次，之后平均每7 d测定一次（具体根据天气降雨等条件变化，测定时间会有微小调整），测定时间为上午8：00—12：00，在测定气体的同时，监测土壤温度和土壤含水量。试验期间，土壤CO2累积排放量（）计算公式[16]为：

式中，为土壤CO2累积排放量（kg·hm-2）；为第次测定土壤CO2排放速率（μmol·m-2·s-1）；（t-t）为连续两次测定间隔时间（d）；为测定的总次数。

土壤呼吸碳累积排放量（）：

=×0.27 （2）

式中，为土壤呼吸碳累积排放量（kg·hm-2）；为土壤CO2累积排放量（kg·hm-2）；0.27为C占CO2分子量的比例。

碳平衡（）[10-11]：

=-（3）

=(+)×0.45 （4）

=/2.1 （5）

×0.865 （6）

=/（7）

式中，为生态系统碳平衡（kg·hm-2）；为净初级生产力固碳量（kg·hm-2）；为土壤微生物异养呼吸的碳释放量（kg·hm-2）；为地上生物量（kg·hm-2）；为根生物量（kg·hm-2）；0.45为作物地上部与根部含碳量；2.1为作物地上生物量与根生物量的比例；0.865为土壤微生物异养呼吸转化系数；为生态系统土壤固碳潜力。

玉米收获后，于2021年用五点法采集0—20 cm土层土样，剔除根系和秸秆等杂物，混匀后风干、过筛测定土壤理化性质。土壤容重采用环刀法测定；土壤pH采用pH计测定（土水比=1﹕2.5）；土壤有机质和全氮采用元素分析仪（Vario EL Ⅲ，Elementar，Germany）测定。土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法测定。土壤速效和全量氮磷钾养分采用《土壤农化分析》中方法测定[17]。土壤温度采用长度为10 cm的地温计测定；10 cm土层体积含水量（全文简称“含水量”）采用土壤水分测定仪（EC-5）测定；在2020年和2021年玉米收获期，测量其穗行数、穗粒数、百粒重和籽粒产量，同时采集玉米植株地上部分，105 ℃杀青0.5 h后，在60 ℃下烘干至恒重，称重。

1.3.2 数据处理采用Microsoft Excel 2019和SPSS 25.0进行数据统计分析；采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan法进行方差分析和多重比较（α=0.05）。利用Origin 2017软件绘图并进行单因素非线性曲线拟合和双因素非线性曲面模型拟合。

2 结果

2.1 秸秆还田方式对土壤CO2排放速率动态变化的影响

由图1可知，玉米生育期内各处理土壤CO2排放速率变化趋势基本一致，呈先升高后降低的波动趋势。各处理土壤CO2排放速率均在6月9日达到峰值，QH、FG、SH和CK处理土壤CO2排放速率分别为7.65、7.40、6.31、5.64 μmol·m-2·s-1。随后土壤CO2排放速率逐渐下降，在8月2日出现降雨后，土壤CO2排放速率呈上升趋势，并在8月4日再次达到峰值，此时FG处理下土壤CO2排放速率最高，为6.70 μmol·m-2·s-1，其次是SH和QH处理，分别为5.84和5.54 μmol·m-2·s-1，CK处理最低，为4.50 μmol·m-2·s-1。

图1 不同秸秆还田方式下土壤CO2排放速率的动态变化

2.2 秸秆还田方式对土壤CO2累积排放量的影响

由图2可知，在玉米生长季，不同处理间土壤CO2累积排放量均达到显著差异。FG处理土壤CO2累积排放量最高，为23 897.17 kg·hm-2；其次是QH、SH处理，分别为22 298.22和20 962.72 kg·hm-2；CK处理土壤CO2累积排放量最少，为16 602.24 kg·hm-2。

不同字母表示差异显著（P＜0.05）

3种还田处理中，相较于SH处理，FG和QH处理土壤CO2累积排放量分别增加了14.0%和6.4%。由此可知，秸秆还田增加了土壤CO2排放，但秸秆深还相较于其他还田方式能够减少土壤CO2排放。

2.3 土壤CO2排放影响因素

2.3.1 土壤温度由图3可知，不同还田方式下土壤温度的变化趋势基本一致，呈先升高后降低的趋势。在玉米生育期内，CK处理土壤温度变化范围最大，为17.3—33.3 ℃；其次为QH和FG处理，分别为16.0—31.0和15.0—30.0 ℃；SH处理的变化范围最小，为15.8—30.5 ℃。各处理土壤温度均在7月28日达到最大值，CK处理土壤温度最高，为32 ℃，其次是QH、SH和FG处理，分别为30.6、30.2和29.9 ℃。

图3 不同秸秆还田方式下土壤温度的动态变化

土壤温度与土壤CO2排放速率关系采用非线性拟合的方法进行拟合，结果如图4所示，不同处理下土壤温度与土壤CO2排放速率的拟合方程均达到了显著水平。不同秸秆还田方式下，土壤温度可以解释68.2%—73.7%的土壤CO2排放速率变化，其中SH处理2最大，可以解释73.7%土壤CO2排放速率变化。此外，CK处理下，当土壤温度＜27.2 ℃时，土壤CO2排放速率随着土壤温度的升高而增加，当土壤温度＞27.2 ℃时，表现出相反的变化趋势；其他3个秸秆还田处理表现出相似的变化规律，但土壤CO2排放速率出现的最高点不同，QH、FG和SH处理分别为24.7、23.9和24.8 ℃。

2.3.2 土壤含水量不同还田方式土壤含水量的动态变化趋势基本一致，呈现先升高后降低，随后再升高达到峰值，之后下降的趋势（图5）。土壤含水量的变化受到了自然降雨的影响，整体随着降雨的增加，土壤含水量增加，变化范围在13.9%—39.6%。在大多数情况下，秸秆还田处理的土壤含水量相较于CK处理而言，均有所提高，说明秸秆还田后土壤的保水能力有所增加。土壤含水量平均值表现为FG＞SH＞QH＞CK处理。

*表示在0.05水平上差异显著（n=60）。下同

图5 不同秸秆还田方式下土壤含水量的动态变化

对不同秸秆还田方式下土壤含水量与土壤CO2排放速率进行非线性拟合发现，土壤含水量解释了21.3%—37.5%土壤CO2排放速率变化，低于土壤温度对土壤CO2排放速率的解释能力（图6）。在土壤含水量较低时，土壤CO2排放速率随着土壤含水量的增加而增加，当土壤含水量高于一定的数值时，土壤CO2排放速率呈下降的趋势，但FG处理的转折点要晚于其他处理。

图6 不同秸秆还田方式下土壤含水量与土壤CO2排放速率的模型拟合分析

2.3.3 水热因子的综合作用由图7可知，在不同秸秆还田方式下，以土壤含水量（）和土壤温度（）为自变量，土壤CO2排放速率（）为因变量，建立双因素复合模型（Y=z+aW+bT+cW+dT，＜0.05），CK、QH、FG、SH处理的拟合方程见表2。各处理双因素复合模型的2在0.785—0.828之间，相较于单因素（2为0.213—0.737）模型拟合较好，说明土壤含水量和土壤温度的双因素复合模型可以更好地解释土壤CO2排放速率的变化。

2.3.4 土壤理化性状将玉米收获期0—20 cm土层理化性状指标与土壤CO2累积排放量进行相关性分析，结果如图8所示。土壤CO2累积排放量与速效钾、微生物量碳呈极显著正相关关系（＜0.01），相关系数为0.83、0.74；与土壤有机质、碱解氮和全氮呈显著的正相关关系（＜0.05），而与pH呈显著的负相关关系，表明土壤CO2排放与土壤养分间有密切的联系。

2.4 秸秆还田方式对玉米生长季碳平衡的影响

由表3可知，SH处理的净初级生产力固碳量最高，为6 775.72 kg·hm-2，比QH、FG和CK处理分别提高了0.7%、14.7%和24.0%。不同还田方式对土壤微生物异养呼吸的碳释放量有显著影响，整体表现为FG＞QH＞SH＞CK处理。不同还田方式各处理的碳平衡值均为正值，说明该小区生态系统是大气CO2的吸收“汇”，整体表现为SH＞CK＞QH＞FG处理，SH与QH、FG处理相比，土壤碳平衡值分别提高了23.37%和475.71%，且均达到了显著性差异。土壤的固碳潜力表现为CK处理最高，其次是SH处理，两个处理间，差异没有达到显著水平。而SH处理土壤固碳潜力显著高于QH和FG处理，分别提高了7.1%和30.7%，表明不同秸秆还田方式中SH处理具有较强的固碳潜力。

表2 不同秸秆还田方式下水热双因素复合模型的拟合参数

拟合方程为2+2；：土壤CO2排放速率；：土壤含水量；：土壤温度

The fitting equation is2+2;: Soil CO2emission rate;: Soil moisture content;: Soil temperature

图7 不同秸秆还田方式下土壤温度和含水量对土壤CO2排放速率的影响

表3 不同还田方式下玉米生长季的碳平衡

：地上生物量；：净初级生产力固碳量；：土壤微生物异养呼吸的碳释放量；：生态系统碳平衡；当是正值时，表明该小区能够作为大气CO2的吸收“汇”，反之则是排放“源”；：土壤固碳潜力。同列不同字母表示差异显著（＜0.05）。下同

: Aboveground biomass;: Net primary productivity carbon sequestration;: Carbon emission by soil microbial heterotrophic respiration;: Ecosystem carbon balance; Whenwas positive, it indicated that the plot could be used as a "sink" of atmospheric CO2absorption; otherwise, it was the “source” of emissions;: Soil carbon sequestration potential. Different letters in the same column represent significant difference (＜0.05). The same as below

图8 土壤CO2累积排放量与土壤理化性状相关分析

2.5 秸秆还田方式对玉米产量及其构成因素的影响

由表4可知，不同秸秆还田方式下玉米的穗粒数、百粒重和产量存在一定差异，但穗行数没有达到差异显著水平。2020年，各处理间玉米产量表现为SH＞FG＞QH＞CK处理，在8 201.12—10 117.79 kg·hm-2间变化；2021年则表现为SH＞QH＞FG＞CK处理，变化范围为11 466.67—13 533.33 kg·hm-2。各处理玉米穗粒数与产量的变化趋势相似。不同还田处理中SH处理显著提高了玉米百粒重，与QH和FG处理相比，2年分别增加了4.63%、9.61%和4.11%、6.55%。

表4 不同秸秆还田方式下的玉米产量及其构成因素

3 讨论

3.1 不同秸秆还田方式下土壤CO2的排放

本研究中，在玉米生长季前期QH处理与FG处理土壤CO2排放速率差异不大，但从6月中旬开始，FG处理土壤CO2排放速率明显高于QH处理，可能是因为前期秸秆与土壤充分混合，使秸秆与土壤微生物直接接触，刺激了微生物活性[18]，到6月中旬，随着易降解有机物质的不断消耗[19]，QH处理下土壤CO2排放速率变小。在整个玉米生长季，秸秆还田均增加了土壤CO2排放，可能有以下原因：（1）秸秆添加到土壤中，丰富了活性有机碳含量[20]，进而促进土壤微生物代谢活动，增加了CO2排放，本研究中微生物量碳含量与CO2排放显著的正相关关系也证实了这一点。（2）秸秆还田可以改善土壤肥力，促进作物根系生长和代谢[21]，从而使来自根系的CO2排放量增加。（3）秸秆进入土壤中加速了原有土壤有机质的分解并引起正激发效应[22]，这都会导致土壤CO2排放增加。本研究结果表明，QH处理和SH处理下土壤CO2累积排放量显著低于FG处理，这与闫翠萍等[23]研究发现，秸秆还田至20 cm左右时，土壤CO2累积排放量显著高于覆盖还田的结果存在差异。这可能与进行秸秆还田前对土壤扰动不同有关，本文覆盖还田和其他两个还田方式均对不同土层土壤进行翻动，对土壤扰动一致，但其研究中只有秸秆还田至20 cm时对土壤进行了扰动，而覆盖还田为免耕播种，没有扰动土壤，导致郁闭在土壤中的气体难以排放，故土壤CO2排放较低。同时，本研究结果表明，不同秸秆还田方式中SH处理下土壤CO2累积排放量最低，一方面是因为表层土壤与底层土壤相比更易接触氧气，含有较高的C、N基质供微生物活动，促进了有机物的分解[24]，另一方面，SH处理下土壤含水量明显高于其余两个处理，导致CO2在水中的溶解度变大，向地面扩散的CO2减少[25]。此外，不同秸秆还田方式对土壤有机碳固定不同，有研究表明[26]秸秆深翻还田可以通过增加土壤有机碳固存来减少土壤CO2排放，于建光等[27]研究也发现土壤有机碳的稳定性随着土层深度的增加而增强，深层土壤有机碳不易被微生物分解利用，所引起的激发效应要小于表层土壤[28]，因此，SH处理还田至20—40 cm土层的土壤呼吸较弱，CO2排放较低。

3.2 影响土壤CO2排放的因素

土壤温度和土壤含水量是影响土壤CO2排放的重要环境因子。有研究指出[29]，土壤温度与土壤CO2排放速率呈指数关系，这与本文研究结果不一致。本研究中，土壤温度与土壤CO2排放速率呈现较好的二次函数相关关系，当土壤温度达到一定值的时候，土壤CO2排放速率下降，并没有随着温度的升高而增大，该结果与陈全胜等[30]研究发现土壤呼吸对土壤温度的响应存在一个适宜的范围结论相一致，当土壤温度较高时，一方面，土壤呼吸基质数量和质量发生变化，一些与呼吸作用相关的酶活性降低；另一方面，土壤中氮素的矿化速率增加，提高了可利用氮素含量，植物获取氮素相对容易，使光合产物向地下根系分配的比例降低，影响了植物根系的代谢活动，进而抑制了土壤呼吸。土壤含水量对土壤CO2排放的影响较为复杂，XU等[31]报道称土壤含水量在20%左右有一个临界值，超过这个临界值，土壤含水量对土壤CO2排放的影响由正相关关系变为负相关关系，与本文的研究结果一致，但也有研究表明[32]土壤CO2排放和土壤含水量之间没有显著的相关关系，原因可能是其研究区域土壤含水量变化范围较窄，观察到的值对土壤CO2排放的影响较弱[33]；此外，土壤温度是调节土壤含水量对CO2排放影响的重要因素，DING等[34]发现当排除土壤温度的混杂影响时，极大地改善了土壤含水量与土壤CO2排放的关系，这是因为两个环境因素是同时变化的，土壤含水量对土壤CO2排放的影响被土壤温度所掩盖。有研究表明[35]，当土壤温度或土壤含水量中的某一个因素处于较高或较低的范围时，另一个因素可能成为影响土壤CO2排放的主要因素。当土壤含水量高于萎蔫系数时，土壤CO2排放与土壤温度密切相关[36]；而当土壤温度较高时，土壤CO2排放则随着土壤含水量的变化而改变[37]。因此，单因素模型忽略了各因素间相互作用的影响，不能很好地描述土壤CO2排放。GOU等[38]认为土壤温度和土壤含水量的相互作用与土壤CO2排放之间具有更明显的相关性，这一结果在本研究中也得到了证实。本研究发现，土壤含水量和土壤温度双因素复合模型（2为0.785— 0.828）较单因素模型（2为0.213—0.737）相比，更好地解释了土壤CO2排放速率变化。

除了受土壤温度和含水量的影响外，土壤CO2排放还受到土壤理化性状的影响。葛高飞等[39]研究表明，微生物量碳与土壤CO2排放有显著的正相关关系，相关系数为0.80，本文也得到了相似的研究结果，这是因为土壤微生物呼吸是构成土壤CO2排放的重要部分，秸秆还田为微生物提供了丰富的碳源和能源，增加土壤微生物数量的同时也增加了土壤微生物量碳，提高微生物新陈代谢强度，加速土壤养分矿化进而释放更多的CO2[40]。有研究通过主成分分析表明[41]，土壤理化性质中土壤有机质和碳氮钾含量是土壤CO2排放的主要影响因子，与本文研究结果一致，而土壤磷含量对土壤CO2排放没有影响，可能是因为磷并不是该区域农田的限制营养元素。本研究中，pH与土壤CO2排放呈显著的负相关关系，与WANG等[42]研究结果不一致，主要归因于土壤本身pH不同，本试验土壤呈弱酸性，而WANG等试验土壤环境是碱性的，碱性环境能够更好的溶解和分散土壤有机物质，使微生物充分接触有机质并进行分解，增加了微生物呼吸[43]，进而增加土壤CO2排放。

3.3 不同秸秆还田方式下玉米生长季的碳平衡

本研究中，各还田处理的碳平衡值为326.53— 1 879.87 kg·hm-2，说明进行秸秆还田的各小区均是大气CO2的吸收“汇”，这与在黄土高原地区，秸秆还田后旱作春玉米田可作为一个碳汇的研究结果相符[44]。FG和QH较SH处理显著降低了农田碳汇效应，主要是因为FG处理和QH处理两种还田方式具有较高的土壤碳排放量，抵消了部分系统净初级生产力固碳量，从而导致生态系统碳平衡值减小，弱化了农田的碳汇作用。然而，也有一些研究表明[45]，秸秆还田对农田碳汇的影响微乎其微，甚至是负面的，可能是因为这些研究都是长期试验，长期的秸秆还田使其土壤有机碳含量已经达到了非常高的水平，进而无法达到更高的碳平衡[46]。此外，LIU等[47]对已发表的176项研究进行了meta分析，结果表明当秸秆还田12年后，土壤碳接近饱和状态，农田将达到新的碳平衡。由于本试验土壤有机质相对较低，且秸秆还田只进行了两年，因此，我们认为较低的土壤有机碳含量可能是该区域农田表现为碳汇的主要原因，并且在有机碳含量未达到饱和之前，进行秸秆还田作为农田碳汇的效应还将持续。WANG等[48]对中国农田不同管理措施下土壤固碳潜力进行预测，发现秸秆还田措施具有最大的固碳潜力，可达34.4 Tg C·a-1。本研究发现，SH处理土壤固碳潜力略低于CK处理，主要是因为秸秆还田向土壤中带入了大量的有机质[49]，导致玉米生长季内有较高的土壤呼吸，增大了碳输出量，进而降低了土壤的固碳潜力。但刘平齐等[13]认为，秸秆还田后，由于秸秆碳输入导致的土壤呼吸增加，这并不能简单看作是土壤有机碳的损失或增加CO2排放的过程，此时土壤呼吸更多表示的是土壤动物和微生物的活性强弱。若将本研究中不还田处理的秸秆全部进行燃烧，根据玉米秸秆燃烧排放因子进行计算[50]，可产生19 833.33—21 262.50 kg·hm-2的CO2，加上不还田处理排放的CO2，其土壤CO2释放总量达到36 435.57— 36 786.74 kg·hm-2，接近秸秆还田的2倍，因此综合来看，SH处理的固碳潜力较优。

4 结论

在玉米生长季，秸秆还田处理显著增加了土壤CO2排放，不同秸秆还田方式下土壤CO2累积排放量表现为秸秆覆盖＞秸秆浅层还田＞秸秆深层还田＞无秸秆还田处理。土壤温度和土壤含水量双因素复合模型可以解释78.5%—82.8%的土壤CO2排放速率变化，土壤pH和土壤养分（碳氮钾）含量对土壤CO2排放也存在显著影响。不同秸秆还田方式下土壤碳平衡均为正值，其中秸秆深还处理有较高的土壤碳平衡值，达到1 879.87 kg·hm-2，表现出较强的碳“汇”功能，同时能够增加土壤固碳潜力和提高作物产量。因此，本试验条件下，综合考虑固碳减排效应和产量，3种秸秆还田方式相比，秸秆深层还田（SH）是一种较好的还田方式。

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Effects of Different Straw Returning Patterns on Soil CO2Emission and Carbon Balance in Maize Field

LI Jin, REN LiJun, LI XiaoYu, BI RunXue, JIN XinXin, YU Na, ZHANG YuLing, ZOU HongTao, ZHANG YuLong

College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation (Northeast China), Ministry of Agriculture and Rural Affairs/National Engineering Research Center for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866

【Objective】The effects of different straw returning patterns on soil carbon dioxide (CO2) emission characteristics and carbon balance were discussed, which provided a scientific basis for carbon (C) sequestration and emission reduction as well as the selection of straw returning patterns in Northeast China. 【Method】A field micro-plot experiment were conducted with maize as the experimental crop, and three straw returning patterns were set up, including straw shallow returning (QH), straw deep returning (SH), and straw mulching (FG). No straw returning (CK) was used as the control treatment. The LI-8100A automatic soil C flux tester was used to monitor soil CO2emission characteristics under different straw returning patterns during the maize growth period. Effects of soil temperature, soil moisture content, pH, MBC, available nutrients and total nutrients of nitrogen, phosphorus and potassium on soil CO2emissions were analyzed, and soil carbon balance was investigated too. 【Result】During the maize season, soil CO2emission rates showed a trend of first increasing and then decreasing under different straw returning patterns. The cumulative soil CO2emissions were as follows: FG＞QH＞SH＞CK treatment. Compared with SH treatment, the cumulative soil CO2emissions under FG and QH treatments increased by 14.0% and 6.4%, respectively. There was a significant difference between the treatments (＜0.05). The single factor model fitting of soil CO2emission rates, soil temperature and soil moisture content under different straw returning patterns showed a quadratic function correlation, and reached a significant level (＜0.05), soil temperature could explain the variation of soil CO2emission rate of 68.2%-73.7%, and soil moisture content could explain 21.3%-37.5%. However, the two-factor composite model of soil temperature and soil moisture content could better explain the variation of soil CO2emission rate, with an explanation of 78.5%-82.8%. Correlation analysis showed that cumulative CO2emissions were significantly correlated with available potassium and MBC (＜0.01), and significantly correlated with soil organic matter, available nitrogen, total nitrogen, and pH (＜0.05). The soil carbon balance was positive under different straw returning patterns, which were the "sink" of atmospheric carbon dioxide. The soil carbon balance and carbon sequestration potential under the SH treatment were significantly higher than the QH and FG treatments by increased of 23.4%, 475.7% and 7.1%, 30.7% (＜0.05), respectively. Compared with other treatments, the SH treatment showed a strong carbon "sink" function. In the two-year harvest period, straw returning treatments significantly increased maize yield, SH treatment had the highest maize yield, but there was no significant difference with QH and FG treatments. 【Conclusion】Therefore, under the conditions of this experiment, taking into account the carbon sequestration and emission reduction effect and yield, SH was a better straw returning pattern compared with the three patterns.

straw returning patterns; soil CO2emission; soil temperature; soil moisture content; maize yield; carbon balance