玉米秸稈還田對(duì)黑土碳排放的影響

宋秋來(lái)++王峭然++王麒 馮延江 孫羽 曾憲楠 來(lái)永才

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.058[HT9.]

摘要：采用靜態(tài)箱法測(cè)定不同秸稈還田方式、耕作措施下東北春玉米生長(zhǎng)季土壤CO2排放。結(jié)果表明，種植玉米的黑土CO2排放通量日變化呈單峰曲線，最大值出現(xiàn)在14：00，最低值出現(xiàn)02：00—06：00；秸稈還田處理CO2排放通量日變化較不還田處理波動(dòng)大。玉米生育期土壤CO2排放量呈顯著的季節(jié)變化：春季玉米播種期及秋季玉米收獲期土壤CO2通量低，排放峰值出現(xiàn)在溫度、降水量較高的7月末，秸稈還田處理的CO2排放峰值高于相應(yīng)不還田處理。土壤CO2排放總量受秸稈還田和耕作措施影響顯著，免耕秸稈還田、翻耕秸稈還田、翻耕、免耕等4個(gè)處理的總排放量分別為9.41、8.91、7.33、6.43 t/hm2，免耕排放總量最?。唤斩掃€田處理CO2排放總量較相應(yīng)的不還田處理多排放 1.59～2.98 t/hm2；但若將不還田處理秸稈焚燒，其CO2排放總量達(dá)到17.78～19.48 t/hm2，是秸稈還田的2倍左右。秸稈還田能夠有效減緩因秸稈焚燒而增加的CO2釋放量，且對(duì)玉米產(chǎn)量無(wú)顯著影響。

關(guān)鍵詞：玉米；秸稈還田；土壤；CO2；排放

中圖分類號(hào)： S141.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A[HK]

文章編號(hào)：1002-1302（2017）13-0219-03[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2017-01-16

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31540039）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（編號(hào)：201303126-1）；黑龍江省政府博士后經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（編號(hào)：LBH-Z151196）；黑龍江省哈爾濱市科技創(chuàng)新人才（編號(hào)：2016RAQYJ048）；黑龍江省農(nóng)科院博士科研啟動(dòng)金項(xiàng)目（編號(hào)：201507-10）。

作者簡(jiǎn)介：宋秋來(lái)（1985—），男，黑龍江勃利人，博士，助理研究員，從事農(nóng)田溫室氣體排放研究。Tel：（0451）86632234；E-mail：sql142913@163.com。

通信作者：來(lái)永才，研究員，從事耕作栽培研究。Tel：（0451）86632234；E-mail：yame451@163.com。

[ZK）]

農(nóng)田土壤是大氣CO2的重要排放源，農(nóng)田向大氣中釋放的CO2主要來(lái)自土壤的呼吸，土壤呼吸釋放出的CO2分子是土壤及凋落物產(chǎn)生的。秸稈不還田時(shí)，往往是將秸稈焚燒使秸稈中的碳全部排放到大氣中，增加溫室效應(yīng)；而秸稈還田后，經(jīng)過(guò)腐解的秸稈形成腐殖質(zhì)，進(jìn)入到土壤中，滯留了秸稈中碳的排放，減緩了溫室效應(yīng)。黑龍江省是我國(guó)重要的商品糧基地，在保障國(guó)家糧食安全上發(fā)揮著重大作用。其旱作農(nóng)田以玉米種植為主，2014年種植面積達(dá)到664.2萬(wàn)hm2，占黑龍江省農(nóng)作物播種面積的45%，占全國(guó)玉米播種面積的18%[1-2]。隨著玉米單產(chǎn)大幅度提高，相應(yīng)的秸稈產(chǎn)量也迅速增加，由于秸稈利用技術(shù)相對(duì)滯后，玉米秸稈處置不合理帶來(lái)了眾多的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因此，有效處理玉米秸稈已成為當(dāng)務(wù)之急，而秸稈還田是秸稈諸多利用方式中最為直接有效的。目前，關(guān)于秸稈還田對(duì)黑土農(nóng)田理化性狀及作物生產(chǎn)力的影響雖已有過(guò)不少研究，但在我國(guó)東北寒冷氣候條件下，玉米秸稈還田方式對(duì)有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高的黑土碳排放的影響，尚缺乏系統(tǒng)的研究。本試驗(yàn)從不同秸稈還田方式對(duì)土壤碳排放的影響展開(kāi)研究，以闡明玉米秸稈還田的減排機(jī)制，為東北黑土區(qū)制訂合理的秸稈還田模式提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

本研究于2015年在黑龍江省哈爾濱市國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)進(jìn)行，示范區(qū)位于松嫩平原中部哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)，所轄區(qū)域地理坐標(biāo)為126°50′E、45°50′N。示范區(qū)屬于寒溫帶大陸性氣候，四季變化明顯，春季多風(fēng)少雨，夏季溫?zé)岫嘤辏锛据^短，冬季寒冷干燥，年均氣溫3.6 ℃，無(wú)霜期135 d，≥10 ℃ 積溫2 780 ℃，年均降水量500 mm。該區(qū)域?yàn)橐荒暌皇熘疲底鬓r(nóng)田主要種植模式為玉米連作，土壤類型為黑土，土壤基礎(chǔ)肥力有機(jī)質(zhì)含量37.8 g/kg，有效氮含量 140 mg/kg，有效磷含量72.6 mg/kg，速效鉀含量206 mg/kg，pH值7.09。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在玉米連作模式下設(shè)置翻耕秸稈還田、翻耕、免耕秸稈還田、免耕4個(gè)處理，采用大區(qū)試驗(yàn)，每個(gè)處理面積0.067 hm2，處理內(nèi)重復(fù)4次。翻耕秸稈還田（CTS）：玉米收獲后，秋季翻耕，將秸稈切成10～15 cm段與根茬一同翻入農(nóng)田25～30 cm處，起壟越冬，春季壟上播種；免耕秸稈還田（NTS）：玉米收獲后，將玉米秸稈切成10～15 cm段，均勻覆蓋還田越冬，春季原壟播種。2個(gè)還田處理玉米秸稈還田量均為9 t/hm2；翻耕（CT）：玉米收獲后，秸稈移除農(nóng)田，秋季翻耕，將根茬翻入農(nóng)田25～30 cm處，起壟越冬，春季壟上播種；免耕（NT）：玉米收獲后，秸稈移除農(nóng)田，春季原壟播種。試驗(yàn)用玉米品種均為先玉335，5月4日播種，10月3日收獲，4個(gè)處理水肥等管理措施相同。

1.3土壤CO2排放通量的測(cè)定

土壤CO2排放試驗(yàn)季節(jié)變化測(cè)定于2015年玉米生育期進(jìn)行，取樣間隔期為10～15 d，選擇晴天09：00—11：00進(jìn)行樣品采集。土壤CO2排放試驗(yàn)的日變化測(cè)定從06：00開(kāi)始，每4 h測(cè)定1次，至第2天06：00結(jié)束，完成1次日變化測(cè)定，1次采樣完成后，從基座上取下采樣箱，直到下一次采樣時(shí)再將采樣箱重新安置在基座上，這樣可以降低密閉氣室長(zhǎng)期覆蓋在采樣區(qū)上而對(duì)小環(huán)境造成的影響，尤其是對(duì)箱內(nèi)溫度和氣體背景濃度的影響。本試驗(yàn)進(jìn)行了2次土壤CO2排放的日變化監(jiān)測(cè)，分別為2015年7月24日和9月1日。收集的氣體樣品采用紅外線氣體分析儀測(cè)定樣品中CO2含量。

試驗(yàn)的采樣箱為有機(jī)玻璃箱體，箱體長(zhǎng)40 cm、寬30 cm、高50 cm，箱體一側(cè)距頂部25 cm處設(shè)置三通閥采氣孔，用于連通三通閥便于收集氣體。采樣箱內(nèi)置風(fēng)扇，用于采樣時(shí)混勻箱內(nèi)氣體。底座為不銹鋼材料，插入兩壟中間，入土5 cm，作物整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)不再移動(dòng)。底座上有盛水凹槽（水封槽），采樣時(shí)將凹槽灌滿水，利用水封原理隔絕室內(nèi)外氣體交換。每次采樣時(shí)將采樣箱置于底座后，開(kāi)始取氣并記錄時(shí)間為 0 min，在15、30 min后再分別采集1次氣體樣品，用100 mL玻璃注射器將箱內(nèi)氣體轉(zhuǎn)移到鋁箔采樣袋中，將采樣袋帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。endprint

1.4玉米生育期間土壤CO2排放量的估算

在知道CO2氣體排放的時(shí)間和空間規(guī)律的前提下，由以下公式計(jì)算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在生長(zhǎng)季的CO2氣體排放總量：

[HS2][JZ]S=∫0[KG-1]158F（xi）dxi。

式中：S為CO2氣體的排放總量，i取1～4時(shí)分別代表4個(gè)處理；F（xi）為CO2氣體通量函數(shù)，由各處理CO2氣體在各地點(diǎn)的通量與采樣時(shí)間回歸擬合而來(lái)，用于總量估算的方程及參數(shù)見(jiàn)表1。

2結(jié)果與分析

2.1不同秸稈還田方式對(duì)土壤CO2排放日變化的影響

圖1為夏季（2015年7月24日）土壤CO2日變化趨勢(shì)。CO2排放通量最大值均出現(xiàn)在14：00，此時(shí)溫度也最高；CO2排放通量的最低值出現(xiàn)在06：00左右，此時(shí)間段溫度較低。免耕秸稈還田（NTS）和翻耕秸稈還田（CTS）處理CO2排放通量的日變化波動(dòng)最大，而相應(yīng)的不還田免耕（NT）處理波動(dòng)最小。CO2排放的最大通量、最小通量也都表現(xiàn)為免耕秸稈還田（NTS）和翻耕秸稈還田（CTS）高于相應(yīng)的不還田處理。

圖2為夏末（2015年9月1日）CO2排放的日變化趨勢(shì)，其全天所有時(shí)間段CO2濃度均低于7月24日。全天的變化趨勢(shì)呈拋物線狀，最高值出現(xiàn)在14：00，與溫度最高值出現(xiàn)時(shí)間相同，而最低值出現(xiàn)02：00左右，此時(shí)氣溫也最低，18：00之[CM（25]后CO2濃度變化趨于平緩。CO2排放的最大通量、最小通量也表現(xiàn)為免耕秸稈還田（NTS）和翻耕秸稈還田（CTS）高于相應(yīng)的不還田處理，在溫度較高的白天，這種規(guī)律更為明顯。

[HTK]2.2不同秸稈還田方式對(duì)土壤CO2排放季節(jié)變化動(dòng)態(tài)的影響[HT]

土壤CO2排放季節(jié)變化如圖3所示，春、夏、秋3個(gè)季節(jié)各處理CO2排放通量均出現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律，在玉米播種期和成熟期CO2排放通量均較低。在苗期，隨著玉米的生長(zhǎng)，各處理的CO2排放通量均有較大幅度增加，在7月下旬玉米拔節(jié)至抽雄期，各處理均出現(xiàn)排放高峰，此時(shí)各處理溫度也較高；秸稈還田（NTS、CTS）處理的CO2排放通量峰值明顯高于2個(gè)不還田處理；之后，各處理土壤CO2排放通量開(kāi)始下降，但秸稈還田（NTS、CTS）較不還田處理下降緩慢。免耕、翻耕、免耕秸稈還田、翻耕秸稈還田各處理CO2平均排放通量分別為164、186、239、228 mg/（m2·h），CO2排放通量大小依次為NTS>CTS>CT>NT，可見(jiàn)免耕秸稈還田（NTS）與其相應(yīng)的不還田處理（NT）相差較大，2個(gè)秸稈還田處理相差較小，免耕處理則低于翻耕處理，說(shuō)明在秸稈不還田的條件下，減少對(duì)土壤的擾動(dòng)能夠適當(dāng)減少CO2排放。

2.3玉米生育期間土壤CO2排放量

表2顯示，玉米生育期間，免耕（NT）處理CO2排放總量最小，可見(jiàn)免耕措施有利于土壤CO2的減排。而秸稈還田處理（NTS、CTS）顯著大于不還田處理（NT、CT），免耕秸稈還田處理生育期CO2排放總量較免耕處理多 2.98 t/hm2，排放量增加了46.35%；而翻耕還田處理僅較翻耕處理多排放 1.58 t/hm2，排放量增加了21.56%，可見(jiàn)在一定條件下，秸稈還田增加了土壤碳排放。從表2還可見(jiàn)，翻耕處理產(chǎn)量略高于免耕，但未達(dá)到顯著水平；秸稈還田處理與相應(yīng)不還田處理產(chǎn)量相對(duì)差異也不顯著。

3討論

有研究指出，農(nóng)田土壤CO2排放通量通常是隨著土壤溫度的升高而增加，一天中在中午至下午時(shí)段達(dá)到高峰，之后隨著溫度的降低排放量也逐漸減少[3]。對(duì)于不同農(nóng)田系統(tǒng)，土壤CO2排放通量的日變化規(guī)律也受溫度、水分含量和季節(jié)等因素的影響，周志田等研究認(rèn)為，白天的土壤呼吸速率均高于夜間[4]；董立國(guó)等認(rèn)為，小麥田土壤CO2排放通量日變化呈單峰曲線，于13：00—14：00出現(xiàn)日最高排放值，夜間排放值最低[5-6]；而王丙文等認(rèn)為，在小麥整個(gè)生育期，土壤呼吸速率日變化于18：00達(dá)到最高值，04：00達(dá)到最低值[7]。本研究在不同耕作措施及秸稈還田條件下，農(nóng)田土壤CO2排放通量日變化規(guī)律均表現(xiàn)為單峰曲線，峰值出現(xiàn)在溫度較高的14：00，CO2[JP2]排放通量的最低值基本都出現(xiàn)在06：00左右，此時(shí)溫度也較低。通過(guò)盛夏（7月24日）和夏末（9月1日）2天的日排放通量比較可知，夏季排放量高于秋季，說(shuō)明較高的溫度促進(jìn)了CO2的排放。劉博等對(duì)不同耕作條件下黃土高原春小麥成熟期農(nóng)田CO2排放通量日變化進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，春小麥成熟期CO2排放通量表現(xiàn)為常規(guī)耕作>免耕[6]。[JP]本研究結(jié)果表明，免耕秸稈還田（NTS）和翻耕秸稈還田（CTS）處理CO2排放通量的日變化波動(dòng)最大，而相應(yīng)的不還田免耕（NT）處理波動(dòng)最小。CO2排放的最大通量、最小通量也都表現(xiàn)為免耕秸稈還田（NTS）和翻耕秸稈還田（CTS）高于相應(yīng)的不還田處理，說(shuō)明秸稈的還田促進(jìn)了土壤CO2的排放。[JP]

在各項(xiàng)研究中都觀察到土壤CO2排放通量的季節(jié)變化，李成芳等在秸稈還田對(duì)免耕稻田溫室氣體排放研究中發(fā)現(xiàn)，溫室氣體排放通量呈季節(jié)性變化，主要是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)含量高，適合土壤微生物的繁殖，使得秸稈降解和土壤碳礦化作用增強(qiáng)，因此土壤CO2排放逐漸加強(qiáng)[8]。秦越等在不同耕作措施下秸稈還田土壤CO2排放的動(dòng)態(tài)變化研究中發(fā)現(xiàn)，小麥生育期內(nèi)各處理CO2排放通量受溫度影響明顯，且季節(jié)變化趨勢(shì)顯著，具體表現(xiàn)為從出苗后到越冬前的一段時(shí)間內(nèi)呈下降趨勢(shì)，返青后開(kāi)始增加，到開(kāi)花期達(dá)到高峰，其后開(kāi)始下降[9]。在這種季節(jié)變化特征中，夏季土壤呼吸最多，春秋季次之，冬季最少。多數(shù)研究認(rèn)為，土壤CO2排放通量呈季節(jié)變化單峰曲線，但峰值出現(xiàn)時(shí)間有所不同，戴萬(wàn)宏等認(rèn)為土壤CO2排放的季節(jié)變化峰值多出現(xiàn)在溫度與降水量均較高的7月，而也有部分研究認(rèn)為夏玉米農(nóng)田土壤呼吸速率在8月（盛夏—秋初期間）出現(xiàn)最大值[10-13]。本研究結(jié)果表明，農(nóng)田土壤CO2排放通量呈單峰曲線，有明顯的季節(jié)性，各處理均表現(xiàn)為先升高后降低的規(guī)律，在玉米播種期和成熟期CO2排放通量較低，在溫度較高條件下，各處理達(dá)到峰值，其中秸稈還田（NTS、CTS）的排放通量峰值明顯高于2個(gè)不還田處理。endprint

本研究以連作玉米農(nóng)田為試驗(yàn)土壤，在相同耕作措施下，2個(gè)秸稈不還田處理的土壤CO2排放通量和總量均顯著低于相應(yīng)的還田處理。免耕秸稈還田處理生育期CO2排放總量較免耕處理多2.98 t/hm2，排放量增加了46.35%；而翻耕還田處理僅較翻耕不還田處理多排放1.58 t/hm2，排放量增加了21.56%。雖然秸稈還田在一定程度增加了土壤CO2排放通量，而相對(duì)于秸稈焚燒排放釋放的CO2通量卻少了很多，根據(jù)已有研究對(duì)我國(guó)玉米秸稈焚燒后的CO2焚燒因子測(cè)定結(jié)果（1 261.5～1 350 g/kg）[14-16]，假設(shè)本研究中不還田處理的玉米秸稈（9 t/hm2）全部焚燒，會(huì)產(chǎn)生CO2 170.25～182.25 t/hm2，加上不還田處理土壤排放的CO2，免耕處理的CO2釋放總量將達(dá)到266.70～278.70 t/hm2，而翻耕更將達(dá)到280.20～292.20 t/hm2，是相應(yīng)秸稈還田處理的2倍左右?？梢?jiàn)，秸稈還田能夠有效減緩因秸稈焚燒而增加的CO2釋放量。

4結(jié)論

連作玉米的黑土CO2排放通量日變化呈單峰曲線，隨著溫度上升而增加，排放通量最大值出現(xiàn)在14：00，最低值出現(xiàn)02：00—06：00。秸稈還田（NTS、CTS）處理CO2排放通量日變化較不還田處理波動(dòng)大；CO2排放通量的日變化最大值、最小值也均表現(xiàn)為秸稈還田（NTS、CTS）高于不還田處理，說(shuō)明秸稈還田促進(jìn)了土壤CO2排放通量。玉米生育期間土壤CO2排放通量呈顯著的季節(jié)變化，春季玉米播種期及秋季玉米收獲土壤CO2通量低，7月末各處理排放通量達(dá)到最大，秸稈還田處理的CO2排放最大值高于相應(yīng)不還田處理。玉米生育期間，土壤CO2排放總量同時(shí)受秸稈還田和耕作措施的顯著影響，免耕還田、翻耕還田、免耕、翻耕4個(gè)處理的總排放量分別為9.41、8.91、6.437.33 t/hm2；秸稈還田處理CO2排放總量較相應(yīng)的不還田處理多排放1.59～2.98 t/hm2；但若將不還田處理秸稈焚燒，其CO2排放總量達(dá)到266.70～278.70 t/hm2，是秸稈還田處理的2倍左右?？梢?jiàn)，秸稈還田能夠有效減緩因秸稈焚燒而增加的CO2釋放量，且秸稈還田不影響玉米產(chǎn)量。

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