有機種植對鹽堿土壤N2O、CO2排放通量的影響

王宏燕，宋冰冰，聶 穎，孫 巖

（東北農業大學資源與環境學院，黑龍江哈爾濱150030）

有機種植對鹽堿土壤N2O、CO2排放通量的影響

王宏燕，宋冰冰，聶 穎，孫 巖

（東北農業大學資源與環境學院，黑龍江哈爾濱150030）

以黑龍江省大慶市鹽堿土壤為研究對象，探討有機種植對鹽堿土主要溫室氣體（N2O和CO2）排放的影響。采用IPCC（1992）的方法對試驗結果進行計算及對比，結果表明，相較于常規種植，有機種植的溫室氣體（N2O、CO2）排放通量值較低，說明有機種植對鹽堿土旱田的溫室氣體（N2O、CO2）有減排作用。在鹽堿土上有機種植大豆、玉米，隨著有機種植年限的增加，溫室氣體（N2O、CO2）的排放值略有變化，但差異不顯著，且總體的增溫潛勢依然低于常規種植。而且，有機種植增加了試驗區土壤微生物量碳、氮的含量。

有機種植；溫室氣體；排放通量；鹽堿土；增溫潛勢

目前，許多發達國家開始探索新型可持續發展農業模式，其中有機農業是重要替代形式［1］。對于有機農業和常規農業的比較，歐美等國開展了大量的長期定位試驗［2-5］，我國學者也相繼開展部分比較研究［6-9］。在農田溫室氣體排放方面，江長勝等［10］研究表明，土壤水分狀況是影響N2O排放的重要環境因素。Petersen等［11］比較研究了歐洲5國（奧地利、丹麥、芬蘭、意大利、英國）有機和常規農業生產體系N2O的排放量，除奧地利外，其余國家有機輪作體系N2O的排放量均要比常規生產體系低。Stalenga等［12］研究了波蘭的20個有機農場，結果顯示，有機農田N2O排放量低于常規農田。Zheng等［13］比較了長期施肥對農田土壤碳礦化的影響，結果發現，長期僅施化肥而不施用有機肥將促進土壤有機碳的礦化和CH4、CO2的排放。然而，Syv?salo等［14］研究發現，有機生產體系的N2O排放量并不低于常規生產體系。雖然我國對有機農業的研究及試驗較多，但在鹽堿土壤上開展有機種植的研究還比較少。本試驗以鹽堿土壤上種植的大豆、玉米為研究對象，通過與常規種植方式比較，探討有機種植對鹽堿土壤溫室氣體（N2O、CO2）排放的影響，可為鹽堿土上有機種植的相關研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

試驗地點位于黑龍江省大慶市讓胡路區喇嘛甸鎮紅驥牧場（124°46′E，46°42′20′′N）內，海拔高度145～155 m，區域內相對高差10～35 m，年平均氣溫3.8℃，年降水量457.0 mm。

1.2 試驗小區的選取

試驗基地逐年開墾新地塊增加有機種植面積，全基地采取標準化有機種植模式，施用由牛糞發酵經無害化處理后制成的有機肥，種植全過程不施入任何化肥農藥，完全采取人工除草的方法，采用輪作方式種植大豆、玉米。基地每年玉米產量在5 250～6 000 kg·hm-2，大豆產量在1 050～1 350 kg·hm-2。試驗區供試土壤pH值9.28，有機質含量35.6 g·kg-1，全氮含量1.65 g·kg-1，全磷含量0.64 g·kg-1，土壤速效磷含量14.55 mg· kg-1，速效鉀含量125.95mg·kg-1，土壤微生物量碳為155.59 mg·kg-1，微生物量氮為20.36 mg·kg-1。

試驗設置2006年開始進行有機種植的玉米（06OC）、2006年開始進行有機種植的大豆（06OB）、2008年開始進行有機種植的玉米（08OC）、2008年開始進行有機種植的大豆（08OB）、常規玉米（CKC）、常規大豆（CKB）等6個處理。于2014—2015年這2年在作物生長期（一年一季）對以上6個處理的溫室氣體排放進行監測。

試驗所用玉米品種為吉農6516，大豆品種為和豐55，選取50 m2大小的有機地塊進行試驗，每塊樣地內設3次重復。2014年大豆播種期為5月21日，收獲日期為10月9日，玉米的播種時期為5月18日，收獲日期為10月8日；2015年大豆播種時期為5月18日，收獲日期為10月12日，玉米的播種時期為5月20日，收獲日期為10月14日。試驗地的施肥量按照該基地總體的有機肥施肥量而定，在整個施肥過程中控制常規地塊與有機地塊等氮處理。其中，有機處理施用有機肥（含氮量1.5%）3 t·hm-2，常規處理施用復合肥（N-P-K，14%-16%-15%）214.5 kg·hm-2及尿素（N，46%）64.5 kg·hm-2。在整個作物生長期間，無任何灌溉措施。

1.3 溫室氣體排放通量的測定

N2O、CO2排放通量的測定采用靜態氣體箱—氣相色譜法，整個箱體采用有機玻璃材料制成，長、寬、高分別為50 cm×50 cm×30 cm，箱體5面相接，一面中空。試驗過程中，將氣體箱中空的一面置于試驗樣地植株間的土層中，與鐵架底座扣緊，用蒸餾水水封箱體與鐵架底座中的空隙。箱體頂部安裝簡易小型風扇，在試驗過程中可連接蓄電池運轉簡易風扇，將箱內氣體均勻混合用于試驗，在氣體箱側面氣體通口處安裝三通閥，取樣時用20 mL針管將取到的氣體注入真空氣體瓶中，密封保存。整個取氣試驗過程共計30 min，每個箱體15 min取1次樣，共計3個樣品，每個處理做3次重復。在整個采樣過程中，為了減少太陽光照射及降雨對試驗地塊溫室氣體排放通量的影響，采樣保證在上午9：00—10：00完成。為確保試驗的真實有效性，在整個作物生長期內（2014年5月下旬至10月上旬，2015年5月下旬至10月上旬），每月采樣4次進行分析。

1.4 N2O、CO2排放通量的計算

氣體樣品分析使用日本島津GC-2010型氣相色譜儀，中國科學院東北地理與土壤研究所對進樣系統進行設計、改造，實現一次進樣、色譜柱內自動分離的目標，可用于分析目標氣體N2O、CO2的濃度。按式（1）計算得到N2O、CO2氣體通量的值。

式（1）中，Cs是所測樣品溫室氣體的濃度，C o是標氣的濃度，As是所測樣品的峰面積，A o是標氣的峰面積。

農田生態系統中，溫室氣體排放量均以排放通量表示，排放通量為正值表示向大氣排放，負值表示吸收。排放通量采用式（2）計算：

式（2）中：F為溫室氣體的排放通量，mg· m-2·h-1；h為氣體箱高度，m；ρ為測定氣體密度，kg·m-3；dC/dt為采樣過程中采集箱內氣體濃度變化率，μL·L-1·h-1；T為采樣箱內平均氣溫，℃。

溫室氣體排放量的計算是將所有測定時段的氣體排放通量求均值，再根據IPCC（1992）推薦方法計算得出：

式（3）中：E為溫室氣體排放量，kg·hm-2；F m氣體排放通量均值；n為作物生育期天數，d。

1990年，IPCC將溫室氣體增溫潛勢（GWP）定義為瞬間釋放1 kg溫室氣體在一定時間段產生的輻射強迫與對應于1 kg CO2輻射強迫的比值［15］。以100 a影響尺度計算，1 kg N2O的增溫效應是1 kg CO2的298倍。根據這一方法，試驗地單位面積排放的溫室氣體增溫潛勢可用以下公式計算：

2 結果與分析

2.1 有機種植與常規種植N2O排放通量的特征比較

2.1.1 有機種植玉米與常規種植玉米N2O排放通量的比較

根據2014—2015年的監測結果可以看出，有機玉米和常規玉米N2O的排放趨勢在每年大體一致，隨著季節的變化有明顯升高的趨勢，N2O的排放主要集中在玉米生長的中后期。2014年玉米種植期間N2O排放有3個高峰，分別在生長期的69、100及129 d左右，2015年的N2O排放有2個高峰，分別是在生長期的67及133 d左右。楊菁［16］的研究表明，種植年限越長，N2O排放量越高，與本試驗結果一致。從圖1看，雖然2014年第129天的監測結果顯示，自2006年開始有機種植的玉米（06OC）的 N2O排放量（0.284 1 mg·m-2·h-1）略高于常規玉米（CKC）的0.283 9 mg·m-2·h-1，但將玉米生長期N2O排放通量加和比較（表1），有機玉米的N2O排放較低，在同等耕作條件下的有機玉米，隨著有機種植年限的增加，N2O排放升高。

圖1 2014與2015年有機玉米與常規玉米生長期土壤N2O排放通量Fig.1 The N2O emission fluxes of soil during the growing period of organic and conventional corn in 2014 and 2015

2.1.2 有機種植大豆與常規種植大豆N2O排放通量的比較

有機大豆與常規大豆N2O排放通量趨勢與玉米試驗地 N2O排放趨勢大體一致（圖 2）。2014年生長期3個排放峰值約為68、99和128 d，2015年約為69和120 d左右。有機大豆地塊的N2O排放通量總體低于有機玉米地塊，其原因在于，大豆作為豆科植物，其根部的根瘤部分有多重固氮微生物與其共生，幫助其實現生物固氮作用，在一定程度上減少了N2O的排放，提高了試驗地土壤的氮儲量，抑制了氮素的流失。計算玉米和大豆生長期N2O排放通量總量可以看出（表1），同等有機耕作條件下的大豆的N2O排放低于玉米。

2.2 有機種植與常規種植CO2排放通量的特征比較

2.2.1 有機種植玉米與常規種植玉米CO2排放通量的比較

由圖3可以看出，2014年玉米地塊的CO2排放的峰值在69 d左右，2015年在67 d左右，有機玉米比常規玉米的CO2排放通量要低。在整個作物生長過程中，各處理間CO2排放通量在植物生長最旺盛的階段CO2排放量最多，而進入生殖生長階段后逐漸開始減少，說明植物體本身在植物生長最旺盛的階段對CO2排放貢獻明顯［17］。土壤鹽堿化程度高也會增加CO2的排放，本試驗供試土壤為鹽堿土，試驗基地通過多年施用有機肥對鹽堿土壤進行改良，降低了土壤堿性（表2），對CO2起到了一定的減排作用。

圖2 2014與2015年有機大豆與常規大豆生長期土壤N2O排放通量Fig.2 The N2O emission fluxes of soil during the growing period of organic and conventional soybean in 2014 and 2015

圖3 2014與2015年有機玉米與常規玉米生長期CO2排放通量Fig.3 The CO2emission fluxes during the growing period of organic and conventional corn in 2014 and 2015

表1 作物生長期N2O、CO2排放通量及增溫潛勢Table 1 The emission flux and temperature increment potential of N2O and CO2during the growing period of corn and soybean

2.2.2 有機種植大豆與常規種植大豆CO2排放通量的比較

不同處理的大豆試驗地的CO2排放通量情況與玉米試驗地大體一致（圖4）。2014年的排放峰值在68 d左右，2015年的排放峰值在69 d左右，有機種植大豆減少了鹽堿土旱田的CO2排放。宋秋來［18］研究表明，氣溫與土壤溫度均與CO2通量有很好的相關關系，在每一次較大的降水后CO2排放有一個增高的過程，而土壤表層的緊實度的大小影響著氣體的傳輸。謝靜霞等［19］對準噶爾盆地南緣鹽生荒漠土壤降雨后的CO2通量進行研究，發現其峰值均高于雨前，說明降雨對土壤CO2通量具有促進作用。綜合6個處理中的CO2排放通量情況，且試驗基地2015年作物生長期內降雨量413.5 mm大于2014年332.8 mm，表明降雨量對CO2排放的影響是確實存在的。

表2 各種植地塊pHTable 2 pH of all farming plots

2.3 玉米、大豆生長期N2O、CO2排放通量的差異顯著性及增溫潛勢

2014、2015年各處理玉米N2O排放通量表現為CKC＞06OC＞08OC，CKC顯著高于其他處理，但08OC與 06OC排放通量差異不顯著。2014年、2015年各處理大豆N2O排放通量表現為CKB＞06OB＞08OB，CKB顯著高于其他處理，2014年08OB與06OB的N2O排放通量差異不顯著，2015年08OB與06OB的N2O排放通量有顯著性差異（表1）。

2014年各處理玉米 CO2排放通量表現為CKC＞08OC＞06OC，各處理之間差異顯著。2014年各處理大豆CO2排放通量表現為CKC＞08OB＞06OB，CKB的CO2排放通量顯著高于其他處理，08OB與06OB的CO2排放通量差異不顯著。2015年各處理玉米CO2排放通量表現為CKC＞06OC＞08OC，CKC的CO2排放通量顯著高于其他處理，08OC與06OC的CO2排放通量差異不顯著。2015年各處理大豆CO2排放通量表現為CKB＞06OB＞08OB，CKB的CO2排放通量顯著高于其他處理，06OB與08OB的CO2排放通量無顯著性差異（表1）。

圖4 2014與2015年有機大豆與常規大豆生長期CO2排放通量Fig.4 The CO2emission fluxes during the growing period of organic and conventional soybean in 2014 and 2015

2014年各處理玉米與大豆地塊的增溫潛勢分別表現為CKC＞08OC＞06OC、CKB＞08OB＞06OB。其中，均以CKC處理最高，且顯著高于其他處理。2015年玉米與大豆地塊的增溫潛勢分別表現為CKC＞06OC＞08OC、CKB＞06OB＞08OB（表1），且同樣以CKC處理最高，顯著高于其他處理。

3 討論

本研究選取有機種植地塊和常規種植地塊，雖然種植年限并不完全相同，但是研究結果都表明，有機種植方式減少了在鹽堿土壤上種植玉米、大豆造成的N2O、CO2排放，減少了溫室氣體的增溫潛勢，與秦艷梅［20］、Pelletier等［21］的研究結果一致，表明有機種植對鹽堿土旱田的N2O、CO2有減排作用。

由于耕作方式不同，常規種植較有機種植的保水、保肥、固氮能力差，土壤中微生物的硝化作用和反硝化作用較強，所以在有機肥與化肥施用等氮量的條件下，有機種植土壤呼吸排放的N2O低于常規種植。而且，有機種植所采用的施肥方式在為農作物生長提供豐富的有機質的同時，還提高了土壤中微生物的活性［22］。相比于常規農業，有機生產方式能夠增加土壤中碳、氮的含量。胡誠等［23］研究表明，長期施用有機肥可以顯著提高土壤微生物生物量碳、土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量；Veenhuis等［24］研究具有70年有機種植歷史的有機農場，亦顯示土壤有機碳含量顯著高于常規；Pimentel等［3］通過22年的試驗，發現常規種植方式下土壤有機碳提高了9%，而有機種植方式下提高了15% ～28%，在有機生產方式中，不管是否施用有機肥，均能提高土壤有機碳和氮素含量。據此推測，與常規種植相比，有機種植增加了土壤有機碳的含量，而且長期施用有機肥改良了試驗地的土壤質量，土壤沙化和鹽堿化程度降低，減少了試驗田CO2的排放。

旱田溫室氣體排放試驗中，不同的溫室氣體具有不同的輻射強迫和大氣壽命，當這些溫室氣體進入大氣后，造成的增溫效果也不相同［25］。在本研究中，從溫室氣體增溫潛勢來看，雖然隨著有機種植的年限增加，除了2014年的06OC與08OC略有差異外，其他處理均顯示，隨著有機種植年限的增加，增溫潛勢變化不大，且有機種植總體的增溫潛勢低于常規種植。

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（責任編輯 高 峻）

Effect of organic farm ing on emissions of carbon dioxide and nitrogen oxide in alkalisaline soil

WANG Hong-yan，SONG Bing-bing，NIE Ying，SUN Yan
（College of Resources and Environment，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

In the present study，alkali saline soil in Daqing City，Heilongjiang Province was adopted as study objects to explore the effects of organic farming on greenhouse gases（N2O，CO2）emissions.By applying the method of IPCC（1992），itwas shown that N2O，CO2emissions in alkaline saline soil were reduced with organic farming compared with the conventional farming.With the prolonged time of organic cultivation of soybean and corn，greenhouse gas emissions were not significantly changed，and the overall warming potential was still lower than that of conventional farming. Besides，it was found that organic farming increased the content of soil microbial biomass carbon and nitrogen.

organic farming；greenhouse gas；emission flux；alkaline saline soil；warming potential

S345

A

1004-1524（2016）09-1580-08

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.09.18

2016-01-29

環保公益性行業科研專項項目（201309036）

王宏燕（1963—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，研究方向為農業生態學。E-mail：why220@126.com

浙江農業學報Acta Agriculturae Zhejiangensis，2016，28（9）：1580-1587 http://www.zjnyxb.cn王宏燕，宋冰冰，聶穎，等.有機種植對鹽堿土壤N2O、CO2排放通量的影響［J］.浙江農業學報，2016，28（9）：1580-1587.