紫花苜蓿绿肥还田与化肥减施对贵州黄壤温室气体排放和玉米产量的影响

陈语 杨世梅 张涛 何燕 赵秋梅 陈俏 高小叶

摘要：通过田间试验研究紫花苜蓿绿肥还田与化肥减施对贵州黄壤旱地玉米产量、温室气体排放通量及全球增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）的影响。设置传统施肥（CF100）、绿肥配施70%化肥（AL+CF70）、绿肥配施50%化肥（AL+CF50）及单施绿肥（AL+CF0）4个处理。结果表明，绿肥处理可显著增加CO2平均排放速率，AL+CF50显著增加了CH4平均排放通量速率，而AL+CF0显著降低了N2O平均排放速率。绿肥处理均增加CO2、CH4累积排放量，其中AL+CF70与AL+CF0处理显著高于CF100（P<0.05）；所有处理CH4累积通量差异不显著，但绿肥处理使CH4累积通量由汇变为源；绿肥处理可降低N2O排放通量，但与CF100差异不显著（P>0.05）。绿肥配施化肥可实现玉米增产稳产，但差异不显著（P>0.05），其中AL+CF70较CF100产量增加3.05%，而单施绿肥可显著降低玉米产量（P<0.05），降幅56.97%。绿肥与化肥配施可增加土壤pH值、有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）含量，且AL+CF70处理与CF0处理TP含量达到显著差异（P<0.05）。GWP主要由CO2和N2O决定，大小排序为 AL+CF0>AL+CF70>AL+CF50>CF100，温室气体排放强度（GHGI）为AL+CF0>AL+CF70>AL+CF50>CF100，但AL+CF70、 AL+CF50与CF100差异不显著（P>0.05）。综合玉米产量和GHGI，AL+CF70处理可实现稳产稳排和化肥减施目标。

关键词：温室气体；绿肥；玉米产量；全球增温潜势；温室气体排放强度

中圖分类号：S513.06；S181 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）15-0238-07

基金项目：贵州省省级科技计划（编号：黔科合基础［2020］1Y118、黔科合基础ZK［2022］一般146）；国家自然科学基金（编号：31960636）；农业农村部都市农业重点实验室开放基金（编号：UA201704）；大学生创新创业项目（编号：202210672068）。

作者简介：陈 语（1998—），女，重庆人，硕士研究生，研究方向为农业资源与环境研究。E-mail：yuchen1998@163.com。

通信作者：高小叶，博士，副教授，主要从事生态系统碳氮循环研究。E-mail：xiaoyegao@hotmail.com。

大气中温室气体浓度的增加是全球变暖的主要原因之一。农田土壤是温室气体排放的重要来源，约占人类农业生产温室气体排放的14%［1］。作为温室气体的重要组成部分，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）分别占温室气体排放量的73.0%、18.3%和6.0%［2］。在 100 年的时间尺度上，单位分子 CH4 和N2O的增温潜势分别是CO2的27倍和273倍［3］。我国是氮肥消费大国，氮肥用量高于欧美等发达国家［4］。长期大量施用氮、磷、钾等化肥，会导致土壤中养分大量流失，重金属和有毒物质含量增加，土壤微生物活性下降，土壤理化性质恶化，导致土壤退化、水土流失严重、水土富营养化等一系列生态环境问题［5］。大量投入肥料和氮肥利用率低下造成CO2、 N2O 大量排放［6］。因此，探究合理的施肥方法，以减少农田土壤温室气体排放十分重要。在农业生产上，无机与有机肥配施是一种常见的现代生态调控措施。绿肥不仅是农业可持续发展的重要手段，也是作物营养可持续供给最具潜力的农艺措施之一［7］。已有大量研究表明，种植绿肥能有效改善和提高土壤肥力，提高作物产量［8-10］，改变土壤的氧化还原电位和还原性物质［11-12］，还能够增加土壤有机质及养分含量，对化肥单一过量使用造成的生态问题能起到良好的改善作用。绿肥种植并翻压还田能够改良土壤、减少温室气体排放的研究已在生产中得到验证［13-15］。例如，常单娜等研究发现，紫云英绿肥翻压进入土壤后产生大量还原性物质，经过土壤硝化反硝化过程，土壤硝态氮被还原为氮气，从而减少N2O排放［11］。Zhou等研究表明绿肥翻压进入土壤后，土壤微生物的生存环境改善，为微生物的活动和生长提供所需的营养，刺激微生物的硝化和反硝化作用，土壤中温室气体排放增加［16］。Sainju等在北美平原的研究表明，非豆科绿肥种植土壤的CO2排放高于豆科绿肥种植土壤［17］。Gao等也研究发现，绿肥可将土壤氮固定，从而导致铵态氮含量降低，最终降低N2O排放［17］。目前有关豆科绿肥与化肥减施在贵州喀斯特黄壤土上的研究报道较少，尤其是紫花苜蓿绿肥在玉米旱地土壤温室气体排放影响的综合评估研究缺乏，而紫花苜蓿作为优良绿肥，在草田轮作、农田保护方面起到重要作用。

因此，本试验通过对贵州黄壤旱地温室气体排放、玉米产量的研究，探讨有机无机配施所产生的环境效应，以期为贵州黄壤玉米旱地生态环境改良与农业温室气体减排提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于贵州省贵阳市花溪区麦坪乡（106°27′～106°52′E，26°11′～26°34′N），海拔 1 100 m，为亚热带湿润季风气候，年均温度为 16.0 ℃，年均降水量为1 178.3 mm，70%降雨集中在4—8月。土壤类型为黄壤，耕作层（0～20 cm）土壤pH值为 5.62，有机质含量为39.18 g/kg，碱解氮含量为178.10 mg/kg，速效磷含量为8.96 mg/kg，速效钾含量为183.67 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设4个处理：传统施肥（CF100）、紫花苜蓿配施70%化肥（AL+CF70）、紫花苜蓿配施50%化肥（AL+CF50）和单施紫花苜蓿绿肥（AL+CF0），每个处理3次重复，共15个小区，每个小区面积为 18 m2，完全随机排列。在处理中，传统施肥为当地习惯施肥方式的施肥量，为273 kg N/hm2和P2O5 264 kg/hm2。试验中使用尿素（含N 46%）和磷酸一铵（含N 11%，P2O5 44%），其中磷酸一铵用作基肥，尿素用作追肥分2次施入。

苜蓿绿肥于2018年玉米收获后人工均匀撒播于相应小区内，播种量为27 kg/hm2，绿肥生长期不施用化肥。玉米供试品种为安单3号，于2019年4月播种，2019年5月第1次追肥（穴施），2019年7月第2次追肥（撒施），2019年9月收获，将每块小区的绿肥全量翻压施入，其他管理措施与当地常规田间生产一致。

1.3 样品采集及处理

玉米收获期间，每小区随机取10株玉米植株，65 ℃烘烤至恒质量，测定地上部生物量。

采用静态箱-气相色谱法监测CO2、CH4和N2O通量。暗箱为内径20 cm、高5 cm的圆柱体，放置在2株玉米之间，箱内无植物。采样时间为上午08：00—11：00，采气的同时利用地温计记录抽气前后土壤5 cm温度。气样采集时间为6—9月，施肥后1次/d，遇大雨推迟。采样时间间隔为30 min，分别在0 min和30 min，用注射器抽取30 mL气体，来回抽吸4次，使气体完全混合，并收集在真空袋中，用气相色谱仪（岛津GC-2014，日本）在48 h内测定样品浓度。

温室气体排放通量的计算公式为［19］：

式中：F为气体排放通量，CO2单位为mg/（m2·h），CH4和N2O单位为μg/（m2·h）；H为暗箱的高度（0.05 m）；ρ为温室气体的密度（标准状态下），单位为kg/m3；ΔcΔt表示气体的排放速率，μL/（m3·h）；T表示测量时箱内的平均温度 ℃。

温室气体累积排放通量（Gn′）计算公式［20］：

式中：Cn′和Cn代表第n′次和第n次的累积温室气体通量；Fn′和Fn分别为第n′次和第n次气体产生速率；t′和t表示采样间隔时间，d。

累积排放量的增温潜势（GWP，kg/hm2）计算公式（100年尺度）［3，21］：

GWP=CO2+27CH4+273×N2O。

利用全球增温潜势与作物产量之间的关系计算温室气体排放强度（GHGI，kg/kg）［21］：

GHGI=GWP/y。

式中：y表示玉米籽粒产量，kg/hm2。

1.4 数据分析

使用Excel 2016、SPSS 21和SigmaPlot 14进行数据排序、 统计分析和数据图表绘制。处理间差异采用重复测量单因素方差分析（ANOVA）和LSD显著性差异检验（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理条件下温室气体排放特征

观测期内各处理5 cm地温及体积含水量变化趋势见图1，8月地温最高，且绿肥处理显著高于CF100（P<0.05）；土壤含水量7月最高，但观测期内各处理差异不显著（P>0.05）。各处理CO2排放通量变化趋势一致，为5.41～325.72 mg/（m2·h）；6月玉米拔节期排放通量较低，7月抽雄吐丝期追肥后出现2次峰值，随后逐渐下降并在收获期又呈现上升趋势（图2-a）。CO2平均通量大小为AL+CF70>AL+CF0>AL+CF50>CF100，且绿肥处理显著高于CF100处理（P<0.05，表1）。CH4通量无明显变化规律，呈正负波动，在6月波动较大，随后均趋于稳定（图2-b）。各处理CH4平均通量为0.22～18.17 μg/（m2·h），AL+CF50>AL+CF70>AL+CF0>CF100，其中AL+CF50显著高于CF100（P<0.05，表2）。N2O呈双峰变化，通量为-4.17～234.40 μg/（m2·h）。追肥后达到第1次峰值，追肥3周后出现第2个峰值（图2-c）。N2O平均排放通量随施肥量减少而降低；N2O平均排放通量表现为CF100>AL+CF70>AL+CF50>AL+CF0，其中AL+CF0显著低于AL+CF100（P<0.05）（表1）。

与CF100相比，所有绿肥处理均增加了CO2累积排放通量，其中AL+CF70和AL+CF0处理分别显著增加25.63%和38.09%的CO2累积排放量（图3-a）。CH4累积排放通量在CF100处理为负值，表现为弱汇，绿肥处理均为排放源，且无显著差异（P>0.05）。各处理间N2O排放通量均为正值（图3-c），N2O累积排放通量随着化肥施用量增加，绿肥减施化肥降低了N2O累积排放量，差异不显著（P>0.05）。

2.2 不同处理条件对玉米产量的影响

玉米茎产量随化肥减施而降低，与CF100相比，AL+CF70、 AL+CF50和 AL+CF0分别降低2.78%、5.73%和18.98%（P>0.05）。除AL+CF50外，化肥减施处理玉米叶片产量呈降低趋势，产量大小为AL+CF50>CF100>AL+CF70>AL+CF0（图4）。

玉米籽粒产量呈AL+CF70>CF100>AL+CF50>AL+CF0的趋势（表2）。与CF100相比，AL+CF70 处理玉米产量增加3.05%，AL+CF50玉米产量降低6.27%，但差异均不显著（P>0.05），而AL+CF0显著降低56.97%（P<0.05）。

2.3 不同处理条件对全球增温潜势和温室气体排放强度的影响

由图5可知，所有绿肥处理均增加了全球增温潜势，但都未达到显著差异（P>0.05），其大小为AL+CF0>AL+CF70>AL+CF50>CF100，AL+CF0、AL+CF70、Al+CF50增幅分别为24.57%、21.26%和9.25%（图5-a）。綠肥处理增加温室气体排放强度，大小顺序为AL+CF0>AL+CF70>AL+CF50>CF100。AL+CF0处理最高，为 1.13 kg/kg，较CF100显著增加200.49%（P<0.05），AL+CF50和AL+CF70处理GHGI值分别为0.43、0.44 kg/kg，较CF100分别增加16.46%和17.67%，但增幅不显著（P>0.05）。

2.4 不同处理条件对土壤理化性质的影响

绿肥与氮肥配施可影响土壤理化性质（表3）。与CF100相比，绿肥与无机肥配施可缓解土壤酸化。绿肥与氮肥配施可增加土壤有机碳（SOC）含量，除AL+CF0处理外，相较于CF100，AL+CF70、AL+CF50处理分别增加了8.13%、1.42%（P>0.05）。土壤全氮（TN）含量随着施氮量增加呈上升趋势，最高的处理AL+CF70达1.99 g/kg，与CF100相比，增加了3.11%（P>0.05）。AL+CF70处理显著提升土壤全磷（TP）含量，与CF100相比，增加了51.61%，单施绿肥AL+CF0处理，与CF100相比，降低了TP含量，但差异不显著（P>0.05）。土壤C/N比范围在13.87～15.54，各处理间差异不显著（P>0.05）。

3 讨论

3.1 不同处理对温室气体排放的影响

农田生态系统CO2排放是土壤生物代谢、生化过程等所有因素的综合表现［22］。施肥、灌溉、耕作和气候变化等均可影响农田土壤的生化特性，从而影响土壤CO2排放［23］。在本研究中，CO2排放量在7月达到峰值（图2-a），这可能与土壤水分有关（图1），7月土壤水分较高，促进了根系呼吸和微生物群落活动，从而土壤呼吸强度增加，这与前人研究一致。例如，李平等研究结果也表明在一定范围内，微生物活性随着水分含量的增加而增加，从而促进CO2排放［24-25］。本研究绿肥处理对CO2累积排放量具有促进作用，前人研究也普遍发现绿肥配施无机肥会增加CO2排放［6］。张少宏等在陕西的研究发现，冬季绿肥可不同程度地提高黑垆土CO2排放［26］；张祺等在陕西的研究也发现，与裸地相比，黑麦草、长武怀豆和二者混播处理黑垆土壤的CO2日平均排放通量分别增加了24.5%、12.8%和19.3%［27］。其主要原因是绿肥翻压还田极大地扰动了土壤，改善土壤通气性，从而加快绿肥分解速度，提高微生物呼吸速率和单位时间内的CO2排放量［20］。在本研究中，苜蓿添加处理的CO2累积排放量显著高于传统施肥处理。已有研究结果表明，与裸地相比，绿肥能促进微生物活动和根系呼吸［28］，在随后的作物生长过程中促进土壤CO2排放［29］。另外，绿肥翻压还田后，可以有效改善土壤理化性质，为微生物活动提供更多营养底物和能量等适宜条件，加速土壤微生物呼吸，从而释放CO2［30］。例如，谢燕等研究发现，通过翻压还田向土壤中输入新鲜有机物质，可加速土壤有机碳分解，从而促进土壤CO2排放［31］。

旱地土壤通常表现为大气CH4的汇，但在本研究中绿肥施加后CH4排放量增加，表现为大气CH4的排放源。大量研究指出，CH4排放受环境因子温度、湿度等影响［32］。本试验观测期与该地区的集中降水期相吻合，降雨量大，导致土壤透气性较差，加之绿肥还田为CH4的产生提供了更多有机质，导致绿肥处理主要表现为弱排放源。此外，绿肥增施下，旱地土壤CH4排放增强，其可能的原因是绿肥施入后分解，为产甲烷菌提供了充足的底物［33］，从而产生更多的CH4。

施肥可直接为土壤硝化和反硝化提供氮源，是影响土壤N2O排放的最重要因素之一。而硝化反硝化过程受多因素的影响，有研究指出有机肥可以改变土壤性质，增加土壤孔隙度和导水率，调节农田土壤生物和非生物过程中N2O的产生和排放［34］。本研究中，在追肥后2～3周出现排放峰值，可能是因为土壤微生物逐渐分解和矿化氮肥，释放出更多的N2O；在检测后期，N2O 释放量趋于减少并趋于稳定。与传统施肥CF100相比，绿肥配施化肥各处理降低了土壤N2O排放（图3），这与殷熙悦等研究结果［35］一致。其可能的原因是施用绿肥后土壤C/N发生改变，微生物在绿肥分解过程中利用土壤氮形成自身的体细胞，微生物对氮的竞争利用导致土壤无机氮含量降低，从而降低硝化和反硝化底物含量，减少N2O排放［36］。另一方面，绿肥的分解增加了土壤中有机质的含量，可在一定程度上通过固定N抑制硝化过程，减少氮的损失，从而减少N2O累积排放量。

3.2 不同处理对产量和温室气体排放强度的影响

绿肥配施化肥是有机无机复合施用的重要形式之一。在本研究中，绿肥配施处理（AL+CF70）比单施化肥处理（CF100）的产量有所提高，增幅为3.05%，说明绿肥与适量的化肥减量配施可提高玉米产量。谢树果等在丘陵旱地的研究发现，绿肥翻压与化肥配施对玉米增产效果明显［37］。杨璐等在华北地区的研究也发现，绿肥配施化肥可显著提高玉米氮肥利用效率，绿肥翻压配施化肥减量 15%的处理，其春玉米籽粒产量增加29.0 g/株、地上部吸氮量增加 0. 65 g/株［38］。这是因为绿肥翻压后腐解易矿化［39］，为玉米生长提供了适宜的条件。另一方面是绿肥翻压进入土壤后，可显著影响土壤多酚氧化酶和转化酶活性［40］，并且豆科植物秸秆和根系降解腐烂产生的有机酸有助于将土壤中难利用的氮、磷转化为有效状态，促进玉米对氮、磷的吸收［41］。Lee等也研究发现，利用豆科植物毛叶苕子与大麦混播，可将大气中的氮吸收进入土壤，为玉米生长提供更高的氮源，使玉米产量提高［21］。

本研究中，全球增温潜势主要由CO2及N2O贡献，CO2对全球增温潜势的贡献占90%左右，对GWP起决定性作用。AL+CF70、AL+CF50和 AL+CF0处理GWP较CF100分别增加21.26%、9.25%和24.57%，这与张少宏等研究结果［26］相近。本研究发现，与传统施肥CF100相比，AL+CF70增加了玉米产量，且温室气体排放强度无显著影响，这可能與试验年限有关。Lee等2年的研究结果发现，绿肥种植较裸地增加了GWP，且第2年低于第1年［21］。有研究表明，长期试验可提高后续作物产量，从而降低GHGI，本研究中AL+CF70处理较CF100处理增加了玉米产量，但对GHGI值无显著影响［3，42-43］，因此，后续需要更长的试验周期，监测CO2、CH4、N2O排放通量，并考虑碳输入、碳固存等，用以评价整个生态系统的净碳收支。

4 结论

紫花苜蓿绿肥与化肥减施可促进玉米生长季CO2、CH4排放通量，降低N2O排放。紫花苜蓿绿肥与化肥减施可缓解土壤酸化，提升土壤SOC含量，并提高玉米产量。绿肥和适量的化肥减施可以保证较低的GHGI值，其中，AL+CF70处理产量最高、温室气体排放强度较低。因此，在短期试验中，紫花苜蓿绿肥还田减施30%化肥可有效保障玉米作物产量，实现该区黄壤玉米种植减排增效。

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