耕作措施對黃土高原地區(qū)農(nóng)田土壤碳排放影響的Meta分析

杜杰，王林林，謝軍紅，彭正凱，李玲玲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

全球變暖目前被廣泛認(rèn)為是人類面臨的最大的全球性問題，而造成全球變暖的主要原因是由于大氣中的CO2、氯氟烴、甲烷和氮氧化物等溫室氣體的快速積累造成的[1].近100多年來，由于人類活動導(dǎo)致的大氣溫室氣體濃度遞增，引發(fā)了全球性的地表溫度升高.大量的科學(xué)研究證明，如果人類不采取有效的固碳減排措施，到2100年全球地表氣溫將持續(xù)升高0.75～4.0 ℃[2].除能源和工業(yè)活動外，農(nóng)業(yè)活動是最重要的人為溫室氣體排放源，占全球人為排放總量的10%～12%[3].干旱半旱地區(qū)是全球變暖最敏感和最脆弱的地區(qū)[4].黃土高原是我國典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)[5]，由于該區(qū)域水土流失嚴(yán)重，有限水資源利用率低，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力水平低下，再加之該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不合理的耕作措施和過量施用化肥，導(dǎo)致溫室氣體大量排放[6].因此，研究制定科學(xué)合理的栽培模式和耕作制度來減少該區(qū)域作物農(nóng)田土壤碳排放，對于黃土高原地區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理和區(qū)域環(huán)境保護(hù)具有重要的借鑒作用.

為尋求有效途徑減少農(nóng)田土壤碳排放，前人從農(nóng)業(yè)管理措施和栽培模式角度出發(fā)進(jìn)行了大量的田間試驗研究并取得了積極的研究結(jié)果.眾多研究表明，種植方式、肥料施用、土壤微量養(yǎng)分調(diào)節(jié)、水分管理等都會影響農(nóng)田碳排放[7-9]，而其中，各類保護(hù)性耕作通過對土壤、水分及生物資源進(jìn)行綜合高效管理，更有利于減少土壤固碳減排.有研究結(jié)果表明保護(hù)性耕作可以提高土壤有機碳密度，增加固碳量，減少碳排放[10].與傳統(tǒng)耕作相比，采用免耕可以提高農(nóng)田土壤中有機碳的含量，同時明顯減少農(nóng)田土壤碳排放總量[11].但是也有研究表明[12]，免耕措施增加了土壤呼吸強度，增加了土壤碳排放量.有研究表明，秸稈添加提高了土壤微生物的代謝熵和土壤酶活性[13，因此秸稈還田可以促進(jìn)土壤CO2的排放.但也有研究認(rèn)為[13]，秸稈還田可以固定土壤碳，從而使得農(nóng)田CO2排放量減少.前人以河西綠洲灌區(qū)長期種植的小麥間作玉米為研究對象發(fā)現(xiàn)，免耕秸稈還田下土壤碳排放量較傳統(tǒng)耕作減少了12.4%[14].而宋秋來等[15]采用靜態(tài)箱法測定農(nóng)田土壤碳排放量時發(fā)現(xiàn)，在玉米農(nóng)田采用免耕秸稈還田處理較傳統(tǒng)耕作每公頃多排放2.08 tCO2.綜上可知，針對有關(guān)保護(hù)性耕作措施對于農(nóng)田土壤碳排放的影響，前人進(jìn)行了大量的研究但是并未形成統(tǒng)一的認(rèn)知.常規(guī)的單一獨立試驗雖然結(jié)果相對較為準(zhǔn)確，但普遍存在試驗地點分散、試驗地面積大小不一、試驗持續(xù)時間長短不同、試驗結(jié)果間差異較大等問題，其研究結(jié)果不具有普遍性和整體意義.而Meta分析可以定量化的綜合現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)，從宏觀區(qū)域尺度比較和整合多個研究的結(jié)果，具有分析結(jié)果客觀性強、科學(xué)性和整體性等優(yōu)點[16-17].

因此，為了整體認(rèn)識耕作措施對黃土高原地區(qū)小麥、玉米和豆類作物農(nóng)田土壤碳排放的影響，本研究以整個黃土高原為研究區(qū)域，采用Meta分析方法，以傳統(tǒng)耕作為對照，分別分析免耕秸稈還田、免耕秸稈不還田、深松耕和傳統(tǒng)耕作秸稈還田對黃土高原地區(qū)小麥、玉米和豆類作物農(nóng)田土壤碳排放的影響，以期對氣候變化背景下黃土高原小麥、玉米和豆類作物農(nóng)田耕作措施的選擇提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

通過中國知網(wǎng)(CNKI)、百度學(xué)術(shù)、Google Scholar、Web of Science等中英文數(shù)據(jù)庫檢索文獻(xiàn).以“碳排放/碳釋放/土壤呼吸/CO2排放通量/碳通量+耕作、碳排放/碳釋放/土壤呼吸/CO2排放通量/碳通量+秸稈還田”為檢索關(guān)鍵詞檢索2000年以來發(fā)表的文獻(xiàn)，并對檢索到的文獻(xiàn)按以下篩選標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選：

1) 作物界定為主要糧食作物(小麥、玉米、豆類)，試驗地點為黃土高原地區(qū).

2) 試驗方式全部為大田試驗，生育期無灌溉.

3) 耕作試驗處理為免耕秸稈還田(NTS)、免耕秸稈不還田(NT)、深松耕(SST)和傳統(tǒng)耕作秸稈還田(TS)處理中的1項，每項處理均以傳統(tǒng)耕作(CK)為對照.試驗處理及代碼描述如表1所示.

表1 試驗處理及代碼描述

4) 研究中相關(guān)參數(shù)數(shù)值、標(biāo)準(zhǔn)差及樣本量(重復(fù)值總和)能夠直接從圖、表或文字中進(jìn)行提取，或者可以直接從文獻(xiàn)中通過計算獲得.

5) 相同的試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)在不同刊物時，選擇數(shù)據(jù)信息較為全面的文獻(xiàn).

6) 補充原文獻(xiàn)中參考文獻(xiàn)引用但卻未被檢索到的遺漏文獻(xiàn).

7) 數(shù)據(jù)搜集截止日期為2019年2月28日.

8) 試驗處理重復(fù)次數(shù)≥3.

1.2 數(shù)據(jù)整理與分類

經(jīng)過以上標(biāo)準(zhǔn)篩選，共收集到相關(guān)中英文文獻(xiàn)46篇，文獻(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分類如表2所示.各文獻(xiàn)試驗地點分布如圖1所示.本研究使用Microsoft Excel 2016軟件對篩選后的文獻(xiàn)提取試驗地點經(jīng)緯度、數(shù)據(jù)來源年份、年均氣溫、土壤類型、作物種類、耕作類型、土壤碳排放量、土壤呼吸速率、CO2排放通量等數(shù)據(jù).

表2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)分類信息

圖1 試驗數(shù)據(jù)采樣點在黃土高原地區(qū)的分布情況Figure 1 Distribution of test data sampling points in the Loess Plateau area

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 土壤碳排放量的計算 在所搜集的文獻(xiàn)中，如果文獻(xiàn)中已給出農(nóng)田土壤碳排放量的則直接將其數(shù)據(jù)對收集整理并分析；對于文獻(xiàn)中給出土壤呼吸速率的，則根據(jù)公式計算得到排放總量并分別進(jìn)行收集整理和分析.根據(jù)小麥、玉米、豆類作物生育期的天數(shù)，依據(jù)每次測定的土壤呼吸速率，換算成整個生育期的土壤碳排放量CE(kg·C/hm2)[18].

0.272 7×10

式中，R表示作物生育期所測定的農(nóng)田土壤呼吸速率，單位為μ mol/(m2·s)；2次測定土壤呼吸所間隔的時間用i+1和i表示，t為小麥、玉米和豆類作物播種后的天數(shù).其中農(nóng)田土壤碳排放的相關(guān)單位 mol CO2/(m2·s)、g CO2/(m2·h)、g C/(m2·h)之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)分別為0.158 4、0.272 7，24和10是將碳排放單位由g·C/m2轉(zhuǎn)化為kg·C/hm2.

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)差的計算 標(biāo)準(zhǔn)差是Meta分析的重要指標(biāo)之一.對于文獻(xiàn)中提供了標(biāo)準(zhǔn)誤的數(shù)據(jù)，本研究通過公式計算標(biāo)準(zhǔn)差：

式中，SD為標(biāo)準(zhǔn)差，SE為標(biāo)準(zhǔn)誤，n為重復(fù)數(shù).對于SD值缺失的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)已有SD估算整體上SD值占平均值的比例，并以此比例乘以SD值缺失的土壤碳排放平均值作為估算的SD值[19].

1.3.3 Meta分析過程 Meta分析是1種定量綜合研究結(jié)果的方法，可以較客觀依據(jù)統(tǒng)計學(xué)原則進(jìn)行定性、定量的綜合分析，獲得綜合性的分析結(jié)論[20].Meta分析能夠較為直觀簡略地表達(dá)客觀規(guī)律，適合大尺度生態(tài)學(xué)現(xiàn)象的研究[21].本研究使用MetaWin2.1進(jìn)行Meta分析[22]，以不同耕作措施處理下作物農(nóng)田土壤CO2排放量(Xt)與傳統(tǒng)耕作下作物農(nóng)田土壤CO2排放量(Xc)的比值為響應(yīng)比(R)，以響應(yīng)比的自然對數(shù)為效應(yīng)值(lnR)來進(jìn)行計算，lnR及其方差v計算公式如下[23].

式中，St和Sc分別是處理組和對照組的標(biāo)準(zhǔn)差；Nt和Nc分別是處理組和對照組的樣本量.處理組的綜合效應(yīng)值lnR′根據(jù)由不同研究數(shù)據(jù)對的權(quán)重加和得到，根據(jù)以下公式計算：

式中，lnR′為加權(quán)后的綜合效應(yīng)值；lnRi和wi分別為第i對數(shù)據(jù)對的效應(yīng)值和權(quán)重.

為便于使用碳排放量的相對變化率來解釋不同耕作措施對黃土高原地區(qū)農(nóng)田土壤碳排放量的影響，本研究使用相對變化率Y來表示分析結(jié)果，計算公式為：

Y=(R-1)×100%

即：Y=(exp(M)-1)×100%

如果Y的 95%置信區(qū)間與0重疊，則表明處理組與對照組間差異不顯著；若不與0重疊，則表明試驗組和對照組間差異顯著.

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究使用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)集的建立；利用SigmaPlot 12.5進(jìn)行作圖；利用ArcGIS 10.2軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理.數(shù)據(jù)利用 MetaWin 2.1(Systat Software，Inc，San Jose，CA)軟件進(jìn)行Meta分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施對黃土高原地區(qū)農(nóng)田土壤碳排放量效應(yīng)值的正態(tài)分布

各研究數(shù)據(jù)對的農(nóng)田土壤碳排放量效應(yīng)值的分布情況如圖2所示，所有研究數(shù)據(jù)對經(jīng)K-S (Kolmogorov-Smirnov)檢驗結(jié)果表明均不服從正態(tài)分布(P<0.001)，因此所有數(shù)據(jù)都是用非參數(shù)估計方法生成95% bootstrap置信區(qū)間[24-26].

圖2 黃土高原地區(qū)土壤碳排放量效應(yīng)值對不同耕作措施響應(yīng)的頻數(shù)分布圖Figure 2 Frequency distribution of soil carbon emission effect size in response to different tillage practices in the Loess Plateau area

2.2 不同耕作措施對黃土高原地區(qū)農(nóng)田土壤碳排放的影響

不同耕作措施對黃土高原地區(qū)農(nóng)田土壤碳排放的影響效果不同.由圖可知，傳統(tǒng)耕作秸稈還田(TS)在作物生育期能夠顯著增加農(nóng)田土壤碳排放，相比傳統(tǒng)耕作增加了6.2%(圖3-A)；深松耕(SST)在作物生育期顯著促進(jìn)農(nóng)田土壤碳排放，相比傳統(tǒng)耕作增加31.4%(圖3-A)；免耕秸稈還田(NTS)處理能夠顯著減少農(nóng)田土壤碳排放量，相比于傳統(tǒng)耕作減少了12.9%(圖3-B)；免耕秸稈不還田(NT)處理農(nóng)田土壤碳排放量也顯著低于傳統(tǒng)耕作，降低了16.4%，下降幅度大于免耕秸稈還田處理.

2.3 免耕秸稈不還田和免耕秸稈還田條件下各作物生育期農(nóng)田土壤碳排放的變化

免耕秸稈不還田(NT)條件下，小麥和玉米農(nóng)田土壤碳排放量分別減少了19.2%和5.2%(P<0.05,圖4-A)，而對豆類作物農(nóng)田碳排放影響不顯著.免耕秸稈還田(NTS)條件下，各作物生育期農(nóng)田土壤碳排放量較傳統(tǒng)耕作下降趨勢明顯(圖4-B).豆類、小麥和玉米農(nóng)田土壤碳排放量較傳統(tǒng)耕作分別減少了11.2%、14.5%和8.5%(P<0.05).

誤差棒代表95%置信區(qū)間，接近誤差棒的數(shù)值代表樣本量的相應(yīng)數(shù)量.The error bars stand for the 95% CI，and the values close to the bars are the corresponding number of sample size.圖3 不同耕作措施對黃土高原地區(qū)農(nóng)田土壤碳排放的效應(yīng)值Figure 3 The effect sizes of soil carbon emission for different tillage practices in the Loess Plateau area

誤差棒代表95%置信區(qū)間，接近誤差棒的數(shù)值代表樣本量的相應(yīng)數(shù)量.The error bars stand for the 95% CI，and the values close to the bars are the corresponding number of sample size.圖4 免耕秸稈不還田(A)和免耕秸稈還田(B)條件下不同作物農(nóng)田土壤碳排放變化Figure 4 Change rate of soil carbon emissions from different crop fields under no-till with no straw returning (A) and no-till with straw returning (B)

2.4 傳統(tǒng)耕作秸稈還田和深松耕條件下各作物農(nóng)田土壤碳排放的變化

傳統(tǒng)耕作秸稈還田條件下，豆類、小麥和玉米農(nóng)田土壤碳排放量較傳統(tǒng)耕作處理無顯著差異(圖5-A).深松耕條件下，小麥和玉米農(nóng)田土壤碳排放量分別顯著增加了23.9%和37.7%(圖5-B).

3 討論

3.1 不同耕作措施對黃土高原地區(qū)農(nóng)田土壤碳排放的影響

相關(guān)研究表明[27-29]，采用免耕、作物秸稈還田為主的保護(hù)性耕作措施可以明顯減少農(nóng)田土壤碳排放量，同時秸稈還田能顯著提高農(nóng)田土壤碳匯功能，減少土壤碳排放.本研究表明，不同耕作措施下農(nóng)田土壤碳排放量變化為SST>TS>CK>NTS>NT.在作物生育期，免耕秸稈不還田(NT)處理能夠顯著減少農(nóng)田土壤碳排放量，這與前人的研究結(jié)果一致[30-34].其主要原因在于，相比于傳統(tǒng)耕作，免耕處理減少了翻耕、旋耕和秸稈移除等程序，減少外界對土壤的擾動，從而使得土壤的原有結(jié)構(gòu)不被破壞，土壤碳氧化程度減少，因此免耕能夠降低土壤的碳排放量[35].同時，免耕可以減緩?fù)寥烙袡C質(zhì)的分解速率，有效抑制土壤濕度狀況變化，減少土壤的干濕交替變化的程度，從而使得土壤呼吸量減少[36].免耕秸稈還田(NTS)處理能夠顯著減少農(nóng)田土壤碳排放量，可能是因為免耕秸稈不還田相比于傳統(tǒng)耕作碳排放顯著減少16.4%，此外，傳統(tǒng)耕作秸稈還田相比于傳統(tǒng)耕作碳排放顯著增加6.2%.

深松耕(SST)能夠顯著促進(jìn)農(nóng)田土壤碳排放.

誤差棒代表95%置信區(qū)間，接近誤差棒的數(shù)值代表樣本量的相應(yīng)數(shù)量.The error bars stand for the 95% CI，and the values close to the bars are the corresponding number of sample size.圖5 傳統(tǒng)耕作秸稈還田(A)和深松耕(B)條件下不同作物農(nóng)田土壤碳排放變化Figure 5 Change rate of soil carbon emissions of different crops under conventional tillage with straw returning(A) and subsoiling(B)

其主要原因可以歸為以下幾個方面.深松耕能夠降低土壤緊實度、增加土壤通透性，加快土壤中氣體的遷移及擴散速率，從而加快有機質(zhì)的分解進(jìn)程，因此土壤呼吸速率也會隨之增加[37]；深松耕破壞了犁底層，有利于作物根系下伸，同時有利于根系呼吸，而根系呼吸與根生長所產(chǎn)生的分泌物促進(jìn)了根際土壤微生物呼吸，從而使得CO2排放量增加.

傳統(tǒng)耕作秸稈還田(TS)能夠顯著增加農(nóng)田土壤碳排放.這與李英臣等[38]的研究結(jié)果一致.其主要原因是秸稈本身會釋放一部分CO2[39]，同時秸稈還田可以使土壤中有機質(zhì)含量增加，適合土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌、自生固氮菌、纖維素分解菌的大量繁殖，土壤微生物呼吸作用增強，最終導(dǎo)致土壤呼吸量增加[40].

3.2 黃土高原地區(qū)不同作物農(nóng)田土壤碳排放對不同耕作措施的響應(yīng)

免耕秸稈不還田(NT)降低了小麥和玉米農(nóng)田土壤碳排放量，而對豆類作物農(nóng)田土壤碳排放量影響不明顯.其主要原因是免耕處理下土壤幾乎沒有擾動，土壤有機質(zhì)流失減少，從而導(dǎo)致土壤呼吸強度降低，農(nóng)田土壤碳排放總量減少[11].另一方面，豆科作物根瘤菌能夠促進(jìn)豆科植物根系微生物的大量繁殖，從而增強了土壤微生物呼吸[41]，導(dǎo)致作物間土壤碳排放量的差異.

免耕秸稈還田(NTS)處理下，玉米、小麥和豆類作物農(nóng)田土壤碳排放量顯著減少，一方面是因為免耕減少了土壤擾動，減少碳排放，另一方面是因為免耕對玉米、小麥和豆類作物生長季土壤碳排放的影響大于秸稈效應(yīng)[41-42]，從而免耕秸稈還田各作物農(nóng)田土壤碳排放量顯著減少.

深松耕(SST)條件下，各作物農(nóng)田土壤碳排放量較傳統(tǒng)耕作均表現(xiàn)為增長趨勢，其主要原因是深松耕對土壤犁底層的擾動能改善土壤的三相比進(jìn)而加大土壤微生物與空氣的接觸，同時深松耕可以使不同層的土壤與空氣接觸，加劇土壤有機質(zhì)的氧化.深松耕所產(chǎn)生的大孔隙可以方便氧氣和二氧化碳與外界的氣體交換[43-44]，進(jìn)而使得土壤碳排放量增加.

傳統(tǒng)耕作秸稈還田(TS)條件下，豆類、玉米和小麥農(nóng)田土壤碳排放量均表現(xiàn)為上升趨勢，但影響并不顯著.其原因可能是秸稈本身會釋放一部分CO2[38]，同時秸稈可以改變土壤中微生物量和微生物群落，土壤微生物呼吸增強，導(dǎo)致土壤呼吸量增加.但是由于秸稈還田可有效減少土壤侵蝕，減少土壤表層活性有機碳的釋放，從而降低土壤呼吸量[45].因此各作物農(nóng)田土壤碳排放量均表現(xiàn)為上升趨勢，但影響并不顯著.

4 結(jié)論

在作物生育期，相比傳統(tǒng)耕作，免耕秸稈還田(NTS)和免耕秸稈不還田(NT)能夠顯著減少農(nóng)田土壤碳排放，傳統(tǒng)耕作秸稈還田(TS)和深松耕(SST)處理能夠顯著促進(jìn)農(nóng)田土壤碳排放.相比傳統(tǒng)耕作，在免耕秸稈還田(NTS)條件下，種植玉米、小麥和豆類作物有利于減少碳排放；在免耕秸稈不還田(NT)條件下，種植玉米、小麥作物有利于減少碳排放；傳統(tǒng)耕作秸稈還田(TS)處理，豆類、玉米和小麥農(nóng)田土壤碳排放量均表現(xiàn)為上升趨勢，但影響并不顯著；深松耕(SST)條件下，各作物農(nóng)田土壤碳排放量較傳統(tǒng)耕作均表現(xiàn)為增長趨勢.因此，免耕秸稈不還田(NT)和免耕秸稈還田(NTS)是實現(xiàn)黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)低碳生產(chǎn)的適宜耕作措施，且種植玉米和小麥作物減排效果尤為顯著.