绿肥还田结合减氮对麦田土壤呼吸及其温度敏感性的影响*

杨学慧,于爱忠,柴 健,李 悦,王 凤,王鹏飞,吕汉强,王玉珑,尚永盼

(甘肃农业大学农学院/省部共建干旱生境作物学国家重点实验室 兰州 730070)

温室气体排放已成为全球关注的热点问题,人类向大气排放的温室气体主要有CO2、CH4、N2O等,其中CO2对温室效应的贡献率高达50%[1-2]。土壤呼吸作为全球碳循环的重要组成部分,是土壤碳素以CO2形式释放到大气的主要途径,其微小变化对大气CO2浓度产生巨大影响[3]。农田生态系统是全球最活跃的碳库,极易受到各种环境因素(如温度、水分等)、人类活动和农艺措施(如肥料施用、耕作措施等)的干扰[4],其能在较短时间内调控碳库来改变生态环境,进而影响土壤呼吸排放特征。近年来,小麦(Triticum aestivum)生产过程中长期过量施氮导致土壤质量退化,有机碳含量降低[5],而损失的碳主要以土壤呼吸(CO2)的形式释放到大气中,从而增加土壤碳排放量。因此,探讨农艺措施对土壤碳排放的调控作用对减少农田温室气体排放具有重要理论和实际意义。

土壤呼吸是一个复杂的生物化学过程,其易受非生物因素(土壤温度和水分等)以及生物因素(土壤有机碳、农作物残茬等)的影响。绿肥还田作为培肥土壤、促进作物生长发育以及减少氮肥用量的有效技术措施,其对作物增产及农田CO2排放也具有重要影响[6-8]。研究发现,绿肥作为外源有机质投入土壤,在改善土壤结构的同时,为土壤微生物呼吸提供底物,增强作物根系呼吸,进而影响土壤碳转化和CO2的释放[9-10]。另外,种植翻压绿肥还能增强农田土壤生产力,与单施化肥相比,种植翻压绿肥使玉米(Zea mays)籽粒增产10.8%～15.6%[11]。氮素也是影响土壤呼吸的关键因素,氮肥通过改变作物-土壤系统中的碳分配及土壤理化性质直接或间接影响土壤呼吸[12],对农田生态系统土壤呼吸具有促进作用[13-15]。Wang 等[16]研究发现,施氮能够加速作物根系生长,增加根系生物量,且土壤呼吸随根系生物量的增加而增加。姜继韶等[17]研究发现,与不施氮相比,施氮条件下黄土旱塬区玉米土壤呼吸速率增加35%,但土壤呼吸温度敏感性有所下降。这可能是土壤氮素投入改变土壤环境,如土壤温度、水分以及根系生物量等因素对根系呼吸过程产生影响,进而导致土壤呼吸及其温度敏感性发生变化。土壤呼吸温度敏感性在调控土壤碳循环与全球气候变化之间起着至关重要的作用,目前尽管关于绿肥还田或施氮对农田土壤呼吸的影响已有大量研究报道,但大多为单一绿肥还田或单一施氮处理下的土壤呼吸动态变化,而关于二者配施对土壤呼吸及土壤呼吸温度敏感性等研究较少。本研究依托河西绿洲灌区麦后复种绿肥的长期定位试验,探究不同绿肥还田量和施氮量配施影响麦田土壤呼吸及呼吸温度敏感性的机制,并分析土壤呼吸与土壤温度和土壤有机碳间的关系,以期探寻合理的绿肥不同翻压量配施氮肥处理方案,为河西绿洲小麦低碳减肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于甘肃农业大学绿洲农业试验基地(102°5′E,37°4′N,平均海拔1770 m)进行,该站位于河西走廊东端,属温带干旱区大陆性气候,年平均气温7.2 ℃,年平均降雨量150 mm,年平均蒸发量2400 mm。试验地土壤质地为砂壤土,0～20 cm 土壤有机质12.5 g∙kg−1、全氮0.68 g∙kg−1、全磷1.41 g∙kg−1,容重1.57 g∙cm−3。2021 年和2022 年小麦生育期内降雨量与温度日变化如图1 所示。

图1 2021—2022 年作物生育期日降水量及日均温变化Fig.1 Precipitation and temperature during the full growth periods of crops in the experimental station from 2021 to 2022

1.2 试验设计

试验始于2018 年,每年小麦收获后翻耕复种绿肥毛叶苕子(Vicia villosa),待毛叶苕子盛花期用秸秆粉碎机粉碎后就地翻压还田,翌年播种小麦,其中绿肥还田量以多年区域内大面积栽培的毛叶苕子平均生物量为依据,通过调整各小区播量使其达到各处理所设定的还田量。试验采取随机区组设计,按照绿肥翻压量与氮肥施用量共设7 个处理(具体试验处理及代码见表1),每处理重复3 次,共21 个小区,小区面积52 m2(6.5 m×8 m)。本试验中小麦生育期施磷肥 90 kg(P2O5)∙hm−2,氮肥按N100[180 kg(N)∙hm−2]、N85[153 kg(N)∙hm−2]、N70[126 kg(N)∙hm−2]施用,全做基肥;绿肥生长期不施肥。

表1 不同试验处理的绿肥翻压量与氮肥施用量Table 1 Green manure incorporation amounts and nitrogen fertilizer application rates in different experimental treatments

本研究分析数据选取2021—2022 年的试验数据。两年内春小麦播种日期分别为2021 年3 月12日和2022 年3 月17 日,收获日期分别为2021 年7 月13 日和2022 年7 月18 日。毛叶苕子播种日期分别为2021 年7 月29 日和2022 年8 月1 日,翻压日期分别为2020 年10 月22 日、2021 年10 月19 日。供试春小麦品种为‘宁春4 号’,播种密度为675 万粒∙hm−2,条播,行距15 cm;绿肥毛叶苕子 品种为‘土库曼毛叶苕子’,条播,行距15 cm。灌水方式为滴灌,春小麦在苗期、孕穗期和灌浆期分别灌水750 m3∙hm−2、900 m3∙hm−2和750 m3∙hm−2,复种毛叶苕子在苗期和现蕾前期分别灌水700 m3∙hm−2和900 m3∙hm−2。

1.3 测定指标

1.3.1 土壤有机碳(SOC)含量

于小麦播前和收获期,用土钻取0～30 cm 土层土壤,风干过0.02 mm 筛,保存后带回实验室,使用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机碳含量,并取播前和收后土壤有机碳的平均值。

1.3.2 土壤呼吸速率

自小麦苗期开始每隔15～20 d 用土壤呼吸测定系统LI-8100A (LI-COR,USA)及其自带呼吸室测定小麦季土壤呼吸速率,一般选择上午9:00—11:00 进行测定。为平衡土壤中气体,降低土壤结构扰动带来的影响,在小麦播种后,将配套呼吸底座埋置于小麦小区中心带,测定前去除底座内杂草及凋落物,将呼吸室放在呼吸底座上测定土壤呼吸速率。每个处理设置3 个重复,每个重复测定3 次。

1.3.3 土壤温度

将曲管地温计垂直埋于小麦行间5 cm 和10 cm土层中测定土壤温度,每个处理设置3 个重复。在测定土壤呼吸速率时同步读数记录土壤温度,并取0～10 cm 土壤温度的平均值。

1.3.4 土壤碳排放量(CE)

根据测定土壤呼吸速率及测定时间,计算整个生育期的土壤碳排放量(CE,kg∙hm−2),计算公式如下:

式中:Rs为土壤呼吸速率(μmol·m−2·s−1),Rsi+1和Rsi分别是前后两个生育时期测定的土壤呼吸速率,t为播种后的天数(d),为将土壤呼吸速率(g·m−2·h−1)转化为碳排放速率(g·m−2·h−1)的系数,0.1584 是将碳排放速率单位μmol·m−2·s−1转换为g·m−2·h−1的系数,24与10 为将碳排放速率g·m−2·h−1转化为碳排放量kg·hm−2的系数。

1.3.5 碳排放效率(CEE)

CEE 为每排放1 kg 碳生产的籽粒产量,计算公式如下:

式中:Y为作物籽粒产量(kg·hm−2),CE 为小麦整个生育期的土壤碳排放量(kg·hm−2)。

1.3.6 土壤呼吸温度敏感系数(Q10)

土壤呼吸温度敏感系数表示温度每增加10 ℃土壤呼吸增加的倍数。土壤温度与土壤呼吸速率间的关系可用指数函数拟合:

式中:t为土壤温度(℃),Rs为土壤呼吸速率(μmol·m−2·s−1),a与b为系数。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 26.0 进行数据整理和显著性分析,用Sigmaplot 14.0 和Origin 2021 软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 绿肥还田结合氮肥减施对土壤有机碳含量的影响

由图2 可知,绿肥还田结合氮肥减施对小麦全生育期内的平均土壤有机碳含量影响显著,与常规施氮无绿肥还田(N100)相比,两年各处理的平均土壤有机碳含量增加2.1%～3.7% (P<0.05),其中G3N85处理下土壤有机碳含量最高。各绿肥翻压处理之间比较,G3N85较G1N85、G2N85和G1N70两年平均土壤有机碳含量分别增加1.6%、1.3%和1.6% (P<0.05),而与G2N70和G3N70无显著差异。综上说明,绿肥还田结合氮肥减施能够显著增加土壤有机碳含量,其中翻压绿肥30 000 kg·hm−2配合氮肥减量15% (G3N85)培肥土壤的效果最佳。

图2 2021—2022 年绿肥还田结合氮肥减施条件下土壤有机碳含量Fig.2 Soil organic carbon contents under green manure incorporation combined with nitrogen fertilizer reduction from 2021 to 2022

2.2 绿肥还田结合氮肥减施对土壤呼吸速率季节变化规律的影响

两年试验结果发现,绿肥还田结合氮肥减施对麦田土壤呼吸速率影响显著(图3)。随着生育时期推进,各处理的生育期土壤呼吸速率变化动态基本一致,均呈先升高后降低的单峰趋势。苗期—孕穗期土壤呼吸速率较小,孕穗期—开花期土壤呼吸速率迅速上升达最大值,之后至成熟期土壤呼吸速率不断下降。整个生育期间,与常规施氮无绿肥还田(N100)相比,绿肥还田结合氮肥减施处理的土壤呼吸速率均明显升高,两年各处理的平均土壤呼吸速率增幅为7.2%～19.8% (P<0.05)。各绿肥翻压处理之间比较,G3N85较G1N85和G2N85两年平均土壤呼吸速率分别增加8.1%和3.1%;G3N70较G1N70和G2N70两年平均土壤呼吸速率分别增加10.1%和5.6% (P<0.05)。与常规施氮无绿肥还田(N100)相比,G3N85和G3N70两年平均土壤呼吸速率分别增加16.0%和19.8% (P<0.05),其中翻压绿肥30 000 kg·hm−2配合氮肥减量30% (G3N70)处理增加麦田土壤呼吸速率幅度最大。

图3 2021—2022 年绿肥还田结合氮肥减施条件下土壤呼吸速率季节变化规律Fig.3 Seasonal variation of soil respiration rate under green manure incorporation combined with nitrogen fertilizer reduction from 2021 to 2022

2.3 绿肥还田结合氮肥减施对土壤碳排放总量的影响

由图4 可知,2021—2022 年不同施肥处理下土壤碳排放总量的变化范围为2713.8～3244.9 kg·hm−2,且绿肥还田结合氮肥减施较常规施氮无绿肥还田(N100)显著提高土壤碳排放总量,其增幅为5.7%～18.8% (P<0.05)。各绿肥翻压处理之间比较,G3N85较G1N85和G2N85两年平均土壤碳排放总量分别增加9.0%和3.9%,G3N70较G1N70和G2N70两年平均土壤碳排放总量分别增加11.1%和6.1% (P<0.05)。与N100相比,G3N85和G3N70两年平均土壤碳排放总量分别增加15.2%和18.8% (P<0.05),其中翻压绿肥30 000 kg·hm−2配合氮肥减量30% (G3N70)处理增加麦田土壤碳排放总量幅度最大。

图4 2021—2022 年绿肥还田结合氮肥减施条件下土壤碳排放总量Fig.4 Total soil carbon emission under green manure incorporation combined with nitrogen fertilizer reduction from 2021 to 2022

2.4 土壤呼吸速率与土壤有机碳和土壤温度间的关系

土壤有机碳是决定土壤呼吸的重要因子。土壤呼吸速率与土壤有机碳的关系可由线性回归方程解释(图5)。土壤有机碳与土壤呼吸速率间达显著相关水平(P<0.01),且土壤呼吸速率随着土壤有机碳含量的增加而增加。此外,土壤温度也是影响土壤呼吸的关键因素。本研究采用指数函数模型拟合土壤呼吸(Rs)与土壤温度(t)间的关系(图6)。结果表明,各处理土壤呼吸速率与土壤温度间均显著相关(P<0.01),土壤温度可以解释土壤呼吸速率变异的82.4%～87.5%。整个研究周期内,地下0～10 cm 处的土壤温度敏感系数(Q10)变化范围为3.2～3.9,其中绿肥还田结合氮肥减施的Q10值均较小,其较常规施氮无绿肥还田处理(N100)降低10.4%～18.1%。各绿肥翻压处理之间比较,在N85水平下,G3N85和G2N85较G1N85分别降低6.8%和7.7%;在N70水平下,Q10值随绿肥翻压量增加而减小,G3N70和G2N70较G1N70分别降低4.9%和3.0% (P<0.01)。综上表明,绿肥还田结合氮肥减施可减小外界温度变化对土壤呼吸的影响。

图5 2021—2022 年绿肥还田结合氮肥减施条件下土壤呼吸速率与土壤有机碳含量的关系Fig.5 Relationship of soil respiration rate with soil organic carbon content under green manure incorporation combined with nitrogen fertilizer reduction from 2021 to 2022

图6 2021—2022 年绿肥还田结合氮肥减施条件下0～10 cm 土层土壤呼吸速率与土壤温度的关系Fig.6 Relationship of soil respiration rate with soil temperature in 0−10 cm soil layer under green manure incorporation combined with nitrogen fertilizer reduction from 2021 to 2022

2.5 绿肥还田结合氮肥减施对小麦产量和碳排放效率的影响

从2021—2022 年的小麦产量可知(表2),绿肥还田结合氮肥减施处理小麦产量显著高于常规施氮无绿肥还田(N100),两年小麦平均增产幅度为13.2%～45.6% (P<0.05),其中G3N85处理下小麦产量最高,两年平均产量达到9060.9 kg·hm−2。各绿肥翻压处理之间比较,小麦产量随绿肥翻压量增加而提高,G3N85较G1N85和G2N85两年平均产量分别提高27.8%和4.2%;G3N70较G1N70和G2N70两年平均产量分别提高12.8%和6.2% (P<0.05)。与常规施氮无绿肥还田(N100)相比,G3N85和G3N70两年平均产量分别提高45.6%和27.7% (P<0.05),其中G3N85处理增幅最大,故翻压绿肥30 000 kg·hm−2配合氮肥减量15%(G3N85)是提高小麦产量的最佳措施。

表2 2021—2022 年绿肥还田结合氮肥减施条件下小麦产量及碳排放效率Table 2 Wheat yield and carbon emission efficiency under green manure incorporation combined with nitrogen fertilizer reduction from 2021 to 2022

绿肥还田结合氮肥减施对土壤碳排放效率影响显著。与常规施氮无绿肥还田(N100)相比,两年不同绿肥翻压量配施氮肥处理平均增幅为5.9%～26.4%,其中G2N85和G3N85处理下土壤碳排放效率最高,均较无绿肥还田处理(N100)平均提高26.4% (P<0.05)。各绿肥翻压处理之间比较,G2N8和G3N85较G1N85两年平均碳排放效率提高17.2% (P<0.05);G3N70与G1N70和G2N70均无显著差异;G2N85和G3N85处理较G3N70处理提高17.5%。由此说明绿肥还田结合氮肥减施处理能够提高麦田碳排放效率,其中翻压绿肥22 500 kg·hm−2和30 000 kg·hm−2配合氮肥减量15%(G2N85,G3N85)处理效果更显著。

3 讨论

3.1 绿肥还田结合氮肥减施对小麦产量的影响

绿肥作为优质有机肥源,因具有增辟肥源、改善土壤结构、保障下茬作物养分供应以及有利于作物增产等特性而在农业生产中应用广泛[18-21]。本研究发现,在减施15%和30%氮肥条件下,小麦产量随绿肥翻压量增加而提高,其中翻压绿肥30 000 kg·hm−2配合氮肥减量15% (G3N85)处理增产效果最佳。吕玉虎等[22]、张磊等[23]研究发现,与常规施肥相比,在化肥减施20%条件下,翻压紫云英(Astragalus sinicus) 30 000 kg·hm−2可使水稻(Oryza sativa)籽粒产量表现最佳,这与本试验研究结果相似。这主要是由于绿肥具有固氮作用,将其种植翻压可释放出体内大量氮素,供给后茬作物吸收利用,而且绿肥与氮肥配合施用,既满足了作物生育前期对速效养分的需求,又利用绿肥保肥缓释的特点,在培肥土壤的同时,保证作物生育期内养分供应充足[24];另外由于绿肥具有较低碳氮比,能够调节土壤微生物活性,刺激土壤养分的分解和释放,进一步增强土壤养分供应能力,为小麦稳产增产奠定基础[25]。此外,研究还发现,当农田土壤减施氮肥量超过一定阈值时,即使高绿肥还田量所固定并释放的氮素也不能满足作物生育期内的养分需求,从而导致作物产量降低[26]。由此可见,麦后复种翻压绿肥结合适宜施氮量在有效增加土壤养分和协调小麦生育期内养分供应同步性的同时,对提高小麦增产潜力也具有积极作用。

3.2 绿肥还田结合氮肥减施对农田土壤呼吸特征的影响

土壤呼吸作为农田生态系统碳循环的重要组成部分,是土壤碳库输出的重要途径,其排放强度直接影响大气CO2浓度,与全球气候变化密切相关[27]。本研究发现,绿洲灌区麦田土壤呼吸速率呈明显的季节变化规律,即随着生育时期推进,土壤呼吸速率表现为先升高后降低的单峰趋势,这与马忠明等[28]的研究基本一致。由于苗期到孕穗期植株弱小和气温较低,土壤微生物活性和根系活力较弱,该时期土壤呼吸速率较低;孕穗期到开花期随着温度上升,土壤微生物活性与根系生长增强,土壤呼吸速率迅速升高;至生育后期,小麦根系活力减弱,土壤呼吸速率出现降低趋势。本研究发现,2021—2022 年绿肥还田结合氮肥减施能显著提高土壤呼吸速率以及土壤碳排放总量,与常规施氮无绿肥还田(N100)相比,平均增幅分别为7.2%～19.8%和5.7%～18.8%(P<0.05),其中以G3N70处理最显著。徐大兵等[11]研究发现,与常规施肥处理相比,化肥配施牛粪或绿肥显著提高土壤呼吸速率20.0%～69.3%。张少宏等[29]研究发现,与冬季休闲相比,不同绿肥处理可显著增加下茬玉米生育期内土壤碳排放总量。这均与本研究结果一致,其主要原因一方面与绿肥还田促进土壤有机碳的矿化分解有关。Chaker 等[30]研究发现,绿肥作为外源有机质投入土壤,为土壤微生物代谢提供充足碳源,通过刺激土壤微生物活性,加速土壤有机碳矿化速率,最终提高土壤温室气体的排放速率以及累积排放量。另一方面可能因为绿肥还田可培肥地力,促进植株根系生长以及根系分泌物增加,进而提高根际微生物活性,增强根系呼吸,提高土壤碳排放量。本研究还发现,同一绿肥翻压量下,氮肥减量15%土壤碳排放量低于减量30%,这与前人研究结果一致[31-32],这可能是因为土壤中的高氮会缓解植物对氮的生理需求,进一步减小植物细根生长以及根际微生物呼吸,从而降低了土壤呼吸速率。

土壤碳排放效率是小麦产量与土壤碳排放量综合作用的结果,能够较好地反映田间生态系统的经济效益与环境效益。本研究发现,与常规施氮无绿肥还田(N100)相比,绿肥还田结合氮肥减施处理显著提高土壤碳排放效率5.9%～26.4% (P<0.05),其中G2N85和G3N85处理效果更显著。谢军红等[33]在黄土高原旱农区研究发现,有机肥配施化肥处理使得旱作玉米具有与单施化肥同等的产量及碳排放效率。张莉等[1]在冬小麦-夏玉米轮作体系下发现,秸秆还田能显著提高土壤碳排放量以及作物产量,进而使土壤碳排放效率维持较高水平。这与本研究结果一致,主要是由于绿肥还田结合氮肥减施处理在增加土壤碳排放量的同时,大幅度增加小麦产量,进而提高了土壤碳排放效率。

3.3 土壤呼吸与土壤有机碳和温度间的关系

众多研究表明,土壤有机碳和土壤温度是影响土壤呼吸的关键因素[34-35],其主要通过影响土壤微生物的代谢过程,进而影响微生物活性、根系活力、有机质分解等过程对土壤呼吸产生影响。本研究发现土壤呼吸速率与土壤有机碳含量呈显著正相关关系,这与Yang 等[36]研究结果一致,其由于土壤有机碳作为土壤呼吸的主要碳源,与微生物活性密切相关,增加有机碳含量能够刺激微生物活性,改变微生物群落组成以及各群落新陈代谢活动,从而导致土壤呼吸增加。另外,本研究还发现,土壤呼吸速率与土壤温度也呈显著正相关关系,随着土壤温度升高土壤呼吸速率显著提高,温度可解释土壤呼吸速率变异的82.4%～87.5%,这与胡洋等[37]的研究结果相近。相关研究表明[38],在一定温度范围内,温度升高不仅能够促进植物-微生物代谢活动,而且还加速土壤酶的分泌和有机质的矿化分解,进而促使土壤呼吸速率升高[39],但当土壤温度过高时,其将不再是土壤呼吸速率的限制因子。孙宝玉等[40]研究也表明,温度变化可以影响土壤微生物量及土壤酶活性,从而引起土壤呼吸的变化,说明土壤温度是影响土壤呼吸的主要环境因子。

土壤温度敏感系数Q10常用来衡量土壤温度与土壤呼吸速率间的关系,表示温度每增加10 ℃土壤呼吸增加的倍数,Q10越大,土壤温度对土壤呼吸速率的影响越大。本研究表明,两年各处理的Q10变化范围为3.2～3.9,在Zheng 等[41]测定的Q10值1.3～4.8范围内。与常规施氮无绿肥还田(N100)相比,绿肥还田结合氮肥减施处理显著降低了Q10值,降幅为10.4%～18.1% (P<0.01),这与袁胜南等[42]研究结果一致,其原因可能是绿肥还田在为土壤提供充足碳源的同时,降低土壤碳氮比,从而导致供应给微生物的底物易被分解,且发生分解反应所需的能量降低,具有的活化能减少,进而降低了土壤呼吸对温度的敏感性[43]。另外,本研究还发现,Q10值随绿肥翻压量的增加而减小,这可能是由于绿肥还田能够显著提升小麦全生育期内的平均温度,且绿肥还田量越高提升温度的效果越明显,随着温度升高,呼吸底物有效性降低[44],最终导致土壤呼吸的Q10值降低。

4 结论

翻压绿肥30 000 kg·hm−2配合氮肥减量15% (G3N85)在有效提高小麦产量的同时,土壤碳排放量也相对较低,因而具有较高的碳排放效率,与常规施氮无绿肥还田(N100)相比,该处理两年平均产量和土壤碳排放效率分别增加45.6%和26.4% (P<0.05)。此外,通过相关分析发现,河西灌区农田土壤呼吸与土壤温度间的相关性最高,且绿肥还田结合氮肥减施通过调控土壤温度来影响土壤呼吸,进而导致呼吸温度敏感系数降低,其中G3N85处理效果最显著。因此,翻压绿肥30 000 kg·hm−2配合氮肥减量15%是河西绿洲灌区小麦田节氮减排和提高土壤生产力的有效途径。