李春喜,李斯斯,邵 云,馬守臣,劉 晴,翁正鵬,李曉波

(1.河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 新鄉(xiāng) 453007;2.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院 焦作 454000)

自20世紀(jì)70年代以來,區(qū)域氣候變暖已成為全世界各領(lǐng)域?qū)W者關(guān)注的焦點(diǎn),而全球變暖則由溫室氣體引起。農(nóng)田土壤是重要的溫室氣體N2O、CO2和CH4的排放源,其排放分別占全球 N2O、CO2和CH4總排放的10%、60%和50%[1-2]。農(nóng)業(yè)活動(dòng)如耕作、施肥以及灌溉等,造成的溫室氣體排放量為8.20億t CO2當(dāng)量,研究表明農(nóng)田65%以上的溫室氣體排放來自氮肥的施用[3-4]。氮素是影響作物產(chǎn)量的主要因素之一,但在實(shí)際生產(chǎn)中,農(nóng)民為了追求高產(chǎn),普遍過量施用氮肥,不僅影響了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、降低氮肥利用率,而且引起了土壤酸化、板結(jié)以及溫室氣體排放等一系列環(huán)境問題[5-6]。秸稈、牛糞和菌渣等有機(jī)物料不僅可以增加土壤碳儲(chǔ)量,提高土壤肥力,而且可以減少廢棄物對(duì)環(huán)境造成的污染,對(duì)溫室氣體減排具有重要意義。

農(nóng)田土壤是溫室氣體排放的重要源頭之一,農(nóng)事活動(dòng),例如耕作、灌溉及施肥等,改變了土壤物理性狀,影響了溫室氣體排放[7]。肥料施用與作物產(chǎn)量、土壤質(zhì)量和溫室氣體排放等問題息息相關(guān),關(guān)于施肥量對(duì)溫室氣體的影響已有較多研究[8],卻未有一致的結(jié)論。研究表明,隨著施用量的增加,CO2和N2O排放量隨之增加;也有研究表明,施氮量在一定范圍內(nèi)[50～120 kg(N)·hm-2]N2O 排放量較少,超過閾值會(huì)隨著施用量的增加而增加[9]。近幾年,隨著構(gòu)建循環(huán)農(nóng)業(yè)體系的提出,學(xué)者重視農(nóng)業(yè)廢棄物的再利用,單一關(guān)注作物秸稈和畜禽糞便對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響[10-11],而對(duì)有機(jī)無機(jī)配施對(duì)土壤溫室氣體排放的研究較少[12-13]。本研究通過觀測(cè)不同有機(jī)物料還田下的農(nóng)田土壤溫室氣體的排放通量,研究土壤溫室氣體的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,同時(shí)探討有機(jī)物料還田和適量減氮對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放及增溫潛勢(shì)的影響,并估算華北平原麥區(qū)綜合增溫潛勢(shì),為指導(dǎo)合理施肥以及制定溫室氣體的減排措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)開展于2017—2018年河南省新鄉(xiāng)市獲嘉縣照鏡鎮(zhèn)前李村小麥(Triticum aestivum)高產(chǎn)田。該地區(qū)位于 35°9′N、113°39′E,海拔 120 m,年平均氣溫15.7℃、年日照時(shí)數(shù)2 206 h、年均蒸發(fā)量1 748 mm、年均降水量447 mm、無霜期219 d。試驗(yàn)地前茬作物為玉米(Zea mays)。試驗(yàn)田土壤為黏壤土,耕層土壤全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量分別為1.36 g·kg-1、0.55 g·kg-1和33.8 g·kg-1。

圖1顯示了試驗(yàn)觀測(cè)期間小麥季2017年10月—2018年6月采集氣體期間大氣溫度、5 cm土壤溫度和降水量的變化趨勢(shì)。5 cm土壤溫度的變化趨勢(shì)與氣溫的變化趨勢(shì)基本一致。整個(gè)試驗(yàn)期間氣溫和5 cm土壤溫度的變化范圍分別為-4.9～27.8℃和-2.1～20.8℃,最高溫度出現(xiàn)在5月中旬,最低溫度出現(xiàn)在1月初,氣溫和5 cm土壤溫度均值分別為10.5℃和9.3℃。試驗(yàn)期間小麥季降水總量為194.6 mm,期間共出現(xiàn)2次日降水量超過20 mm的降水,分別于4月12日和4月13日。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

圖1 冬小麥生長(zhǎng)期間農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氣溫、5 cm土層土壤溫度及降水量的變化Fig.1 Air temperature,precipitation and soil temperature at 5 cm depht of a farmland ecosystem during winter wheat growing season

本試驗(yàn)為長(zhǎng)期定位試驗(yàn),開始于2008年,供試小麥品種始終為‘百農(nóng)矮抗58'(河南科技學(xué)院提供)。各處理均為玉米秸稈全量還田,并依據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量[270 kg(N)·hm-2]減施一定比例氮肥,減施氮肥量根據(jù)前兩年本課題組試驗(yàn)結(jié)果得出。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì),以有機(jī)肥為主區(qū),設(shè)玉米秸稈全量還田(J)、玉米秸稈全量還田+45 m3·hm-2牛糞(JF)、玉米秸稈全量還田+60 m3·hm-2菌渣(JZ)3個(gè)水平;施氮量為副區(qū),設(shè)減氮量 10%[N1,底施 135 kg(N)·hm-2+拔節(jié)期追施 108 kg(N)·hm-2]、減氮量 20%[N2,底施108 kg(N)·hm-2+拔節(jié)期追施 108 kg(N)·hm-2]。各處理氮肥為尿素。各處理同時(shí)底施P2O5120 kg(P)·hm-2、KCl 180 kg(K)·hm-2。試驗(yàn)小區(qū)面積 30 m2(5 m×6 m),每個(gè)處理3次重復(fù)。

冬小麥于2017年10月4日播種,2018年6月1日收獲;小麥季施兩次肥,播種前施一次底肥,撒施后深耕,追肥于拔節(jié)期(2018年3月25日)進(jìn)行;灌水兩次,冬灌于2017年12月5日進(jìn)行,拔節(jié)期灌溉與施肥同日進(jìn)行。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 土壤溫室氣體采集

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法觀測(cè)冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤溫室氣體排放通量。靜態(tài)箱體積50 cm×30 cm×50 cm,并配有固定于大田的金屬底座。小麥出苗后,在每個(gè)處理各安裝 3個(gè)金屬底座代表3次重復(fù),取氣體時(shí)往底座注水保證密封,箱內(nèi)上端裝有小風(fēng)扇和取氣接口。將采樣箱蓋上后,第0 min、10 min、20 min、30 min分別用50 mL注射針頭抽取箱內(nèi)的氣體,及時(shí)關(guān)上注射器上的三通閥,通過旋轉(zhuǎn)三通閥將氣體轉(zhuǎn)移至采樣袋中,備測(cè)。采用安捷倫7890A氣相色譜儀進(jìn)行分析。色譜柱為HP-PLOTQ毛細(xì)管色譜柱,檢測(cè)器含有63Ni電子捕捉檢測(cè)器,載體為高純氮?dú)?柱箱溫度 50℃,前檢測(cè)器 250℃,后檢測(cè)器 350℃,進(jìn)樣口溫度 150℃,尾吹為30 mL·min-1,采取不分流的進(jìn)樣方式。從2017年10月26日出苗開始采樣,越冬期15 d采樣一次,其余生長(zhǎng)期每10 d采樣一次,遇施肥、灌溉或強(qiáng)降雨(降水量大于20 mm)連續(xù)觀測(cè)3 d,時(shí)間均為9：00—11：00。箱內(nèi)外氣溫、土壤溫度(5 cm)等環(huán)境因素與溫室氣體采樣同時(shí)觀測(cè)。

1.3.2 小麥植株樣品采集與測(cè)定

干物質(zhì)量：在小麥成熟期選取長(zhǎng)勢(shì)一致的小麥,每個(gè)小區(qū)取 30株,放入紙袋,然后將其放入 105℃烘箱中殺青30 min,再將溫度調(diào)整至80℃烘干,直至樣品質(zhì)量恒定后進(jìn)行稱重。

測(cè)產(chǎn)：小麥成熟期每處理隨機(jī)選取1 m2典型樣點(diǎn),3組重復(fù),單獨(dú)收割,晾曬,脫粒測(cè)產(chǎn)。

1.3.3 土壤溫室氣體排放通量與總量

氣體通量為單位時(shí)間單位面積氣體質(zhì)量的變化。氣體排放通量利用式如下：

式中：F為排放通量(mg·m-2·h-1),T為測(cè)定箱內(nèi)溫度(℃),M為氣體的摩爾質(zhì)量,22.4為在101.325 kPa、273 K時(shí)氣體的摩爾體積(L·mol-1),60為1 h有60 min,H為采樣箱的高度(cm),dc/dt為采樣箱內(nèi)氣體濃度的變化。

監(jiān)測(cè)當(dāng)天氣體排放通量的計(jì)算[9]：

式中：Fd為監(jiān)測(cè)當(dāng)天氣體的排放量(mg·m-2·h-1),Fi為監(jiān)測(cè)當(dāng)天所測(cè)得的第i個(gè)重復(fù)的排放量(mg·m-2·h-1)。

利用線性內(nèi)插法計(jì)算逐日溫室氣體排放通量,每天排放通量相加即得到作物生長(zhǎng)季的累積排放通量。

1.3.4 土壤排放溫室氣體增溫潛勢(shì)

根據(jù) IPCC的報(bào)告,以 100年影響尺度為計(jì),1 kg CH4的增溫效應(yīng)是1 kg CO2的25倍,1 kg N2O的增溫效應(yīng)是1 kg CO2的298倍,用增溫潛勢(shì)(GWP)來表示3種溫室氣體的聯(lián)合作用[14]。土壤直接排放溫室氣體增溫潛勢(shì)(GWPsoil)的計(jì)算公式如下：

式中：GWPsoil為土壤直接排放的溫室氣體增溫潛勢(shì)(kg·hm-2),fCO2為土壤排放CO2的凈排放量(kg·hm-2),fCH2為土壤排放CH4的凈排放量,fN2O為土壤排放N2O的凈排放量。

1.3.5 農(nóng)事活動(dòng)投入引起的間接增溫潛勢(shì)

試驗(yàn)期間記錄農(nóng)事活動(dòng)的物資投入種類和用量,計(jì)算農(nóng)田溫室氣體間接排放量。各農(nóng)事活動(dòng)的溫室氣體排放系數(shù)參考劉巽浩等[15],具體見表1。

農(nóng)事活動(dòng)間接引起溫室氣體排放增溫潛勢(shì)計(jì)算公式：

式中：In和Cn分別為第n種物資用量和溫室氣體排放系數(shù)。

表1 農(nóng)事活動(dòng)的耗能及其溫室氣體排放系數(shù)Table 1 Agricultural inputs,outputs and greenhouse gas emission factors

1.3.6 凈初級(jí)生產(chǎn)力增溫潛勢(shì)

冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)測(cè)定作物產(chǎn)量和地上部生物量,計(jì)算植株地上部和地下部分轉(zhuǎn)化為凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)的增溫潛勢(shì)(GWPNPP)。公式為：

式中：0.68是碳水化合物對(duì) CO2的轉(zhuǎn)化比率;0.85是生物量對(duì)碳水化合物的轉(zhuǎn)化比率,即光合產(chǎn)物對(duì)干物質(zhì)的轉(zhuǎn)化比率為0.6;TAGB(total above ground biomass)為地上部總生物量(kg·hm-2);1.15為地上部生物量轉(zhuǎn)換為植株總生物的系數(shù)[16]。

1.3.7 小麥季綜合增溫潛勢(shì)

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中植物碳流的特點(diǎn)是固碳與耗碳共存,借鑒全環(huán)式考慮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流路徑的學(xué)術(shù)思想[12,17],計(jì)算綜合增溫潛勢(shì)：

式中：GWP為全球增溫潛勢(shì),當(dāng)其為正值時(shí),表示系統(tǒng)為溫室氣體的源,反之則為匯;GWPΔSOC為土壤有機(jī)碳量的增溫潛勢(shì)(此項(xiàng)短期試驗(yàn)可忽略)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010作圖,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差;SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用鄧肯法(Duncan)進(jìn)行處理間差異的顯著性檢驗(yàn),且在P＜0.05水平下進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加不同有機(jī)物料和減氮條件下冬小麥田土壤N2O排放特征

冬小麥季華北平原農(nóng)田土壤是N2O的排放源,施肥和灌溉可以顯著提高N2O排放通量。施肥不僅為作物提供了生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分,同時(shí)提高了微生物和酶的活性從而促進(jìn)土壤有機(jī)氮的礦化,增加土壤中無機(jī)氮含量,為硝化和反硝化作用的進(jìn)行提供底物;灌溉或強(qiáng)降雨改變了土壤水分含量,大量雨水或灌溉水排走了土壤中的空氣,從而形成厭氧環(huán)境,加速了土壤反硝化速率,提高了N2O的生成與排放[9]。

由圖2可知,在觀測(cè)期間N2O出現(xiàn)了3次排放峰,而且 6個(gè)處理的排放峰一致。第1次排放峰出現(xiàn)在12月7日,而后排放通量逐漸下降,直到3月17日出現(xiàn)第2次排放峰,3月27日又出現(xiàn)第3次排放峰。從圖1可以看出,第1次的高峰期出現(xiàn)在灌溉后 1～2 d,峰值范圍為0.07～0.17 mg·m-2·h-1,JZN1處理下N2O排放速率高于其他5個(gè)處理;進(jìn)入12月中旬后,隨著土壤溫度下降,土壤N2O排放通量逐漸下降,越冬期至返青期土壤N2O排放通量一直維持在一個(gè)相對(duì)較低的水平。進(jìn)入小麥拔節(jié)期,氣溫回升,雨后出現(xiàn)第2 次高峰期,峰值為0.04～0.08 mg·m-2·h-1,表現(xiàn)為JFN2＞JZN1＞JN1＞JN2＞JZN2＞JFN1;施肥和灌溉后出現(xiàn)第3次排放高峰,其中JN1處理的排放峰值最高,為0.16 mg·m-2·h-1,JZN2 處理最小。

2.2 添加不同有機(jī)物料和減氮下冬小麥田土壤CO2排放特征

圖2 不同有機(jī)物料還田和減氮下冬小麥土壤N2O排放特征Fig.2 Soil N2O emission in winter wheat field under different treatments of organic materials application and nitrogen reduction

冬小麥季華北平原農(nóng)田土壤是CO2的排放源,農(nóng)田 CO2主要來自于作物根系、土壤動(dòng)物和土壤微生物的呼吸作用,其中土壤動(dòng)物和微生物活動(dòng)產(chǎn)生的CO2占農(nóng)田CO2的85%～90%,植物根系的呼吸則占 15%[17]。同時(shí),農(nóng)事活動(dòng),譬如施肥、灌溉、耕作等,以及氣候變化共同影響土壤CO2的排放。

由圖3可知,冬小麥整個(gè)生育期各處理冬小麥土壤 CO2排放均表現(xiàn)為先緩慢升高后下降至最低,再波動(dòng)性上升至最高值時(shí)下降的趨勢(shì)。在12月7日冬小麥灌溉后,各處理均出現(xiàn)排放小高峰,整體表現(xiàn)為JZN1＞JFN2＞JFN1＞JZN2＞JN1＞JN2,峰值范圍52.34～133.11 mg·m-2·h-1。冬灌結(jié)束后,氣溫降低,土壤呼吸速率減小,導(dǎo)致 CO2排放通量逐漸下降,越冬期各處理排放通量均處于最低值。小麥拔節(jié)期,氣溫回升,雨后出現(xiàn) CO2的第2個(gè)排放峰,峰值范圍為82.18～404.71 mg·m-2·h-1,其中 JFN2 峰值最高。第3次的高峰期出現(xiàn)在施肥和灌溉的后 1～3 d,其中 JFN1處理下的排放峰最高,峰值為523.80 mg·m-2·h-1,JZN2 峰值最小為271.41 mg·m-2·h-1。4月中旬強(qiáng)降水后,出現(xiàn)第4個(gè)排放高峰,峰值范圍為269.99～657.79 mg·m-2·h-1,表現(xiàn)為JFN1＞JZN1＞JFN2＞JZN2＞JN1＞JN2。

2.3 添加不同有機(jī)物料和減氮下冬小麥田土壤CH4排放特征

微生物活動(dòng)是影響土壤中 CH4排放與吸收的因素之一,甲烷菌在厭氧條件下分解土壤中的有機(jī)質(zhì),產(chǎn)生 CH4,促進(jìn)排放;在好氣環(huán)境中,CH4被氧化菌氧化成CO2,削弱CH4的排放,當(dāng)土壤中CH4濃度低于大氣中CH4時(shí),引起CH4負(fù)排放。CH4的吸收和排放同時(shí)受到施肥、灌溉、耕作等農(nóng)業(yè)措施的影響。

由圖4可知,冬小麥季華北平原農(nóng)田土壤是CH4的吸收匯。在冬小麥整個(gè)生育時(shí)期各處理表現(xiàn)了相同的趨勢(shì)。小麥苗期至越冬期,土壤 CH4吸收速率一直維持在較低且穩(wěn)定的狀態(tài),可能是由于土壤溫度較低,微生物的活性降低,CH4的吸收速率在一個(gè)較低的水平浮動(dòng)。進(jìn)入返青期后,土壤CH4吸收出現(xiàn)1個(gè)高峰,排放峰值范圍是-0.077～-0.036 mg·m-2·h-1,原因是少量降水后氣溫迅速上升,地表土壤的濕度仍相對(duì)較低,有利于 O2進(jìn)入土壤孔隙中,促進(jìn)了土壤對(duì) CH4的氧化。在小麥開花期,由于拔節(jié)期進(jìn)行的灌溉與施肥,使土壤處于厭氧的環(huán)境,促進(jìn)了 CH4的排放,而在這期間一直降水(圖4),導(dǎo)致土壤含水量增加,甲烷菌活性提高,出現(xiàn)了 CH4的第1個(gè)排放高峰,峰值范圍為0.006～0.025 mg·m-2·h-1,其中 JFN2 峰值最高。

2.4 添加不同有機(jī)物料和減氮下冬小麥田土壤溫室氣體排放總量

圖3 不同有機(jī)物料還田和減氮下冬小麥土壤CO2排放特征Fig.3 Soil CO2 emission in winter wheat field under different treatments of organic materials application and nitrogen reduction

圖4 不同有機(jī)物料還田和減氮下冬小麥土壤CH4排放特征Fig.4 Soil CH4 emission in winter wheat field under different treatments of organic materials application and nitrogen reduction

利用數(shù)值積分法分別對(duì)N2O、CO2、CH4排放通量進(jìn)行積分,獲得冬小麥生長(zhǎng)期間各溫室氣體排放總量。由表2可知,華北平原麥田土壤是N2O和CO2的排放“源”,是CH4的吸收“匯”。不同有機(jī)物料處理下冬小麥生長(zhǎng)期間 N2O排放總量整體表現(xiàn)為JF＞J＞JZ。J處理下,JN2的 N2O排放總量顯著低于JN1,說明JN2處理可以降低土壤N2O排放;JZ處理下,JZN2的N2O排放總量低于JZN1,且處理之間差異顯著;JF處理下,JFN1的N2O排放總量顯著高于JFN2,說明減施氮肥能夠降低土壤N2O排放總量。冬小麥生長(zhǎng)期間 CO2排放總量整體表現(xiàn)為JF＞JZ＞J,說明 CO2排放總量隨著有機(jī)肥的施入而增加,因?yàn)橛袡C(jī)肥的施用促進(jìn)根系的生長(zhǎng),提高微生物的活性,使土壤呼吸速率增強(qiáng)。CO2排放總量的范圍為11 832～6 402 kg·hm-2,JFN1 處理 CO2排放總量顯著高于其他處理;而除 JN2之外,其他處理之間并無顯著差異。不同有機(jī)物料還田下 CH4吸收強(qiáng)度不同,整體表現(xiàn)為JF＞J＞JZ,說明牛糞+秸稈還田能夠使土壤保持較高的通氣性,增加甲烷氧化菌的活性,從而有利于 CH4的氧化,提高 CH4的吸收。

表2 不同有機(jī)物料還田和減氮下冬小麥土壤N2O、CO2、CH4的排放總量Table 2 Accumulated emissions of N2O,CO2 and CH4 of winter wheat field under different organic materials application and nitrogen reduction

2.5 添加不同有機(jī)物料和減氮下冬小麥田土壤綜合增溫潛勢(shì)

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣 CO2固定通常用作物凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)表示,是判定生態(tài)系統(tǒng)碳匯和調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)過程的主要因子。試驗(yàn)期間小麥?zhǔn)斋@時(shí)測(cè)定作物產(chǎn)量和地上部生物量,根據(jù)公式(5)和(6)計(jì)算了植株地上和地下部分轉(zhuǎn)化為NPP的碳總量(表3)。結(jié)果表明,JZN1處理下的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高,且顯著高于其他處理,具體表現(xiàn)為JZN1＞JZN2＞JN2＞JFN2＞JFN1＞JN1,植株轉(zhuǎn)化為NPP的碳量具體表現(xiàn)為JZN2＞JFN2＞JFN1＞JZN1＞JN1＞JN2。由此表明,JZN2處理無論是在作物產(chǎn)量還是碳的截獲能力方面均較高,說明在經(jīng)過減氮處理后,增施有機(jī)肥能夠代替一部分化肥從而保持作物的產(chǎn)量,在增施有機(jī)物料還田的同時(shí)能夠穩(wěn)定甚至增加土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量,提高土壤C/N比值,提高微生物活性,改善養(yǎng)分循環(huán)。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)綜合溫室效應(yīng)評(píng)價(jià)不僅要考慮土壤排放溫室氣體所相當(dāng)?shù)?CO2的量,還應(yīng)該包含機(jī)械、灌溉和施肥等農(nóng)事活動(dòng)所造成的氣體排放,以及作物轉(zhuǎn)化為NPP的碳量。本文所有處理均在秸稈還田的條件下進(jìn)行,故NPP包含了作物地下部根系和地上部植株(秸稈)所轉(zhuǎn)化的 NPP碳量。計(jì)算土壤增溫潛勢(shì)時(shí),因N2O、CO2、CH43種溫室氣體效應(yīng)不同,故將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CO2的當(dāng)量便于對(duì)農(nóng)田增溫潛勢(shì)的評(píng)價(jià)。結(jié)果表明JFN2、JZN2、JN2處理均為負(fù)值,表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向大氣環(huán)境輸出碳量小于截存的碳量,是大氣的碳匯。再去除直接和間接排放的 CO2當(dāng)量,小麥季農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈截留1 038～2 024 kg·hm-2,其他處理均為正值,說明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向大氣排放,是大氣的碳源,具體表現(xiàn)為JFN1＞JN1＞JZN1＞JN2＞JZN2＞JFN2。

由表3可知,若單一評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綜合增溫效應(yīng),JFN2的溫室效應(yīng)最低,對(duì)環(huán)境最有益,但其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量較低,因而不能滿足農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)是在提升經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的同時(shí),推進(jìn)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展以期來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,故在進(jìn)行綜合增溫潛勢(shì)評(píng)價(jià)時(shí)要兼顧經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效應(yīng)。華北平原麥區(qū),JZN2(秸稈+菌渣+減氮20%)施肥管理措施下溫室效應(yīng)相對(duì)較低,且能保證較高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同有機(jī)物料還田對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響

施肥、灌溉以及耕作等農(nóng)事活動(dòng)和土壤理化特性能夠直接影響土壤硝化與反硝化過程從而影響農(nóng)田N2O的季節(jié)排放[18]。在本研究中,冬小麥季農(nóng)田N2O的排放高峰主要發(fā)生在施肥、灌水或者強(qiáng)降雨之后,這與葉欣等[19]的研究相吻合,可能是因?yàn)榘喂?jié)期追肥,土壤無機(jī)氮含量增加,加之土壤溫度上升,植株進(jìn)入旺盛營養(yǎng)生長(zhǎng)階段,根系活動(dòng)隨之加強(qiáng),使銨氧化細(xì)菌活性增強(qiáng),其硝化及反硝化作用產(chǎn)生的N2O增加,進(jìn)而表現(xiàn)為土壤向大氣排放N2O。目前關(guān)于有機(jī)肥對(duì)N2O排放影響的報(bào)道有很多,但結(jié)論不一。部分研究表明[20],化肥配合有機(jī)肥施用,土壤 N2O通量大于單純施化肥處理,秸稈還田降低了土壤N2O的排放。本研究表明,秸稈+菌渣(JZ)處理下N2O的排放總量最小,較秸稈(J)處理N2O排放減少了18%且差異顯著,原因是菌渣的C/N比較高,一方面菌渣在分解過程中微生物利用土壤中的氮素;另一方面,大量氮素以有機(jī)氮形式存在,減少了硝化與反硝化作用,導(dǎo)致土壤 N2O排放量的減少[21],這與黃小林[22]的研究相似。但也有研究報(bào)道稱,施用有機(jī)肥并沒有減少 N2O的排放,甚至超過了施用化肥的處理[10,23]。可能是因?yàn)椴煌螒B(tài)的有機(jī)物料因其 C/N比值不同,氮形態(tài)以及速效氮的含量不同,N2O的排放也不同。

表3 不同有機(jī)物料還田和減氮對(duì)冬小麥土壤溫室氣體的增溫潛勢(shì)(GWP)的影響Table 3 Global warming potential(GWP)of winter wheat filed under different organic materials application and nitrogen reduction kg·hm-2

土壤 CO2排放受到非生物因素、生物因素以及人為因素 3方面的影響,其中施肥是影響 CO2排放主要因素之一。本研究表明,華北平原冬小麥區(qū)不同有機(jī)物料還田處理下 CO2排放的季節(jié)變化規(guī)律相同。3次 CO2排放高峰均出現(xiàn)在灌溉、施肥和強(qiáng)降雨后,因?yàn)樽贩?、灌溉和?qiáng)降水,使根系迅速生長(zhǎng)并吸收大量的營養(yǎng),加大了根系呼吸強(qiáng)度,提高了土壤微生物的活性,促進(jìn)土壤 CO2排放,這與王建林等[24]的研究相似。而Peng等[25]的研究表明,施肥對(duì)CO2排放并無顯著影響可能是因?yàn)榈适┯昧坎煌?氮肥的施用增加了根系生物量,卻降低了微生物的生物量。本研究表明,有機(jī)肥的施入會(huì)顯著提高農(nóng)田土壤 CO2排放量,一方面有機(jī)肥的施入會(huì)增加有機(jī)質(zhì)含量,激發(fā)微生物活性的同時(shí)改變?nèi)郝浣M成;另一方面有機(jī)肥的施入促進(jìn)植株根系的生長(zhǎng),使根系生物量增加從而促進(jìn)根系分泌物的增加[26],進(jìn)而影響土壤 CO2通量。在研究中發(fā)現(xiàn),N1(減氮 10%)處理的 CO2通量顯著高于 N2(減氮 20%)處理,說明土壤 CO2通量隨著施氮量增加而增加,主要因?yàn)榈适┯迷黾恿烁炕盍?提高土壤養(yǎng)分,促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)礦化,增加土壤呼吸[8]。

不同有機(jī)物料還田條件下,各處理 CH4排放的季節(jié)變化規(guī)律相同,除 4月份的強(qiáng)降水呈排放外,其余均表現(xiàn)為吸收狀態(tài),因?yàn)楦稍锏耐寥拉h(huán)境,使甲烷氧化菌占主導(dǎo)作用,土壤會(huì)消耗和吸收地面大氣的 CH4,是一個(gè)弱的 CH4匯[27]。有研究表明,腐熟后的菌渣代替新鮮的稻草和牛糞還田可以使稻田CH4排放量降低約 60%,且隨著菌渣還田量的增多,CH4排放量逐漸減少;牛糞+化肥的施入則明顯增加CH4排放[28-29]。而本研究結(jié)果表明,牛糞+秸稈(JF)處理下 CH4排放總量最小,一方面,菌渣能顯著提高土壤微生物碳氮量,為產(chǎn)甲烷菌提供極為豐富的產(chǎn) CH4基質(zhì),導(dǎo)致土壤產(chǎn)生較多的 CH4,增加其排放量[30];另一方面,牛糞自身有機(jī)碳大部分以大分子復(fù)雜有機(jī)物存在,分解的中間產(chǎn)物和小分子有機(jī)物較少,且牛糞自身有機(jī)碳含量較低,故可利用的產(chǎn)CH4基質(zhì)較少,CH4排放較少[11]。

3.2 不同有機(jī)物料還田對(duì)農(nóng)田增溫潛勢(shì)的影響

綜合考慮不同有機(jī)物料還田和減氮對(duì) 3種溫室氣體排放與吸收的影響,JZN2處理不僅對(duì)溫室氣體的排放和吸收影響相對(duì)較大,而且作物截獲NPP碳量相對(duì)較大,弱化了土壤作為CO2和N2O的排放源特征,也強(qiáng)化了土壤作為CH4吸收匯的特征,主要是因?yàn)榻斩捄途氖┤霝槲⑸锏幕顒?dòng)提供了底物,營造了良好的土壤環(huán)境,有利于提高微生物的活性,同時(shí)保證了較高產(chǎn)量,在農(nóng)田綜合增溫潛勢(shì)估算中,JZN2處理增溫效應(yīng)為負(fù)值。有研究顯示,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥比施用化肥固定了更多了土壤有機(jī)碳,從而抵消了更多的CH4和N2O的增溫效應(yīng),長(zhǎng)期秸稈還田雖增加了土壤 CH4的排放,但土壤固定碳量是土壤CH4排放的3.21～3.92倍[11,31]。

4 結(jié)論

華北平原冬小麥農(nóng)田土壤是CO2和N2O的排放源,CH4的吸收匯。施肥、灌溉以及降水直接影響土壤CO2和N2O的排放速率,同時(shí)土壤對(duì)CH4的吸收速率降低。干濕交替使土壤CO2和N2O的排放速率增加,是因?yàn)橄趸聪趸俾始觿∫约巴寥牢⑸锘钚栽鰪?qiáng)所致。施肥是影響農(nóng)田溫室氣體排放的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,隨著氮肥施用量的增加,CH4的吸收量降低,CO2和N2O的排放量增加。不同有機(jī)物料還田對(duì)不同溫室氣體的排放源和吸收匯強(qiáng)度影響不同,牛糞的施用顯著提高了 CO2和N2O的排放量,但CH4的吸收量最大。

綜合增溫潛勢(shì)是土壤直接排放溫室氣體、農(nóng)事活動(dòng)所引起的 CO2直接或者間接排放以及作物轉(zhuǎn)化為NPP的碳量(GWPNPP)的綜合作用結(jié)果。評(píng)價(jià)一種施肥模式的優(yōu)劣需兼顧經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)兩方面,本研究表明 JZN2處理綜合增溫潛勢(shì)相對(duì)較低,產(chǎn)量相對(duì)較高,為該地區(qū)冬小麥較優(yōu)施肥管理模式。