不同秸稈還田方式配施氮肥對麥田碳平衡的影響

馬建輝，黃培新，姜麗娜，趙凌霄，李春喜

(河南師范大學 生命科學學院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

近年來，氣溫普遍升高、極端天氣頻發(fā)引起人們的廣泛關注[1]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會指出，人類活動排放出大量CO2，引發(fā)全球性氣候變化[2]。SMITH等[3]研究發(fā)現(xiàn)，大氣中20%的CO2排放來源于農業(yè)活動。陸地土壤是地球表面最大的碳庫，通過土壤呼吸不斷向外界排放CO2。農作物在生長過程中，不僅可通過光合作用大量吸收和固定大氣中的CO2，還可吸收太陽輻射，降低土壤溫度，避免土壤暴曬引起的CO2排放量增加。因此，農作物種植對緩解大氣CO2濃度升高、維持農田系統(tǒng)碳循環(huán)平衡具有十分重要的作用。2016年，我國農作物總播種面積為1.67×108hm2[4]。作物收獲后剩余大量秸稈，秸稈含有碳、氮、磷等多種營養(yǎng)成分[5]，就地還田可提高土壤肥力[6]，作為飼料可發(fā)展畜牧業(yè)。肉牛養(yǎng)殖在我國畜牧業(yè)中占重要地位，養(yǎng)殖量占大牲畜總量的89.60%[4]。秸稈作為牛飼料過腹還田，可避免秸稈焚燒、糞便堆砌造成的資源浪費和環(huán)境污染[7-8]。農業(yè)生產中，適量施氮可補充土壤養(yǎng)分、促進作物生長，提高作物產量，改善籽粒品質[9-25]；而過量施氮不僅無法使糧食繼續(xù)增產[26]，還會引起溫室氣體排放[27]和水體污染[28]。因此，在農作物秸稈資源合理利用的基礎上分析減施氮肥對作物產量及碳排放的影響成為研究的熱點。

目前，關于秸稈還田對作物產量和農田土壤呼吸的影響研究較多，田冬等[29]研究發(fā)現(xiàn)，物料還田方式可顯著影響油菜/玉米農田土壤呼吸季節(jié)變化特征和峰值，促進或抑制土壤呼吸及碳排放；張莉等[30]研究表明，與秸稈粉碎還田處理相比，秸稈顆粒還田處理小麥季土壤呼吸速率增加了15.2%，碳排放量增加了8.9%，產量增加了10.7%；李嬌等[31]研究表明，不同物料還田對油菜和玉米產量、凈初級生產力(Net primary productivity,NPP)的影響不同；李新華等[32]研究顯示，小麥秸稈過腹還田處理玉米植株固碳量較直接還田處理增加了10.5%，碳排放量增加了17.4%；李亞鑫等[33]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田條件下，冬小麥產量不完全隨施氮量增加而增加，秸稈還田配施一定量氮肥可提高小麥產量。李瑋等[34]研究也發(fā)現(xiàn)，秸稈還田下合理配施氮肥可增加冬小麥產量。目前，關于豫北地區(qū)不同秸稈還田方式配施氮肥對小麥產量和麥田碳平衡的影響研究尚未見報道。為此，在豫北地區(qū)玉米秸稈過牛腹還田、直接還田條件下設置不同施氮水平，比較小麥產量及植株固碳量、土壤呼吸速率等，系統(tǒng)評估麥田碳平衡情況，以期獲得能同時提高豫北地區(qū)農業(yè)生態(tài)效益和小麥產量的最佳農業(yè)生產方式。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及試驗地概況

供試小麥品種為周麥32。

試驗于2016—2017年在河南省浚縣鉅橋鎮(zhèn)劉寨村(114°33′E、35°40′N)進行。試驗地0～20 cm土層土壤含全氮1.18 g/kg、速效磷22.47 mg/kg、速效鉀105.63 mg/kg、總碳24.85 g/kg，pH值為8.14。

1.2 試驗設計

試驗設置5個處理，前茬玉米秸稈全量直接還田(SN，秸稈還田量9 600 kg/hm2)條件下，設置小麥全生育期不施氮(SN0)和施純氮260 kg/hm2(SN1)2個處理；前茬玉米秸稈全量過牛腹還田(CN，干牛糞還田量5 300 kg/hm2，秸稈過腹轉化系數0.55)條件下，設置小麥全生育期施純氮260 kg/hm2(CN1)、220 kg/hm2(CN2)和190 kg/hm2(CN3)3個處理。全部處理基施硫酸鉀112.5 kg/hm2、過磷酸鈣138 kg/hm2。施氮處理均基施純氮120 kg/hm2，并按照處理分別于拔節(jié)期追施純氮140 kg/hm2、100 kg/hm2和70 kg/hm2。小區(qū)面積150 m2(10 m×15 m)，小區(qū)內隨機留取4 m2(2 m×2 m)裸地(小麥出苗后拔除而成)，每個處理3次重復。2016年10月12日機播，行距22 cm，播量210 kg/hm2。在前期試驗[35]基礎上，本試驗采用畦灌方式，小麥全生育期灌溉越冬水、拔節(jié)水、開花水，每次灌水量600 m3/hm2，其他同常規(guī)田間管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤呼吸指標 使用便攜式CO2分析儀EGM-4和土壤呼吸室SRC-1分別于小麥冬前期(2016年12月6日)、越冬期(2017年1月16日)、返青期(2017年3月7日)測定9:00—11:00、11：00—13:00、13:00—15:00、15:00—17:00、17:00—19:00時段麥田和裸地土壤呼吸速率；隨大氣溫度增加，自2017年4月1日開始(拔節(jié)中期)，每7 d測定一次，直至小麥成熟。測定麥田土壤呼吸速率時，在各小區(qū)內隨機選擇小麥生長均勻的三處，剪除小麥地上部后分別測定行中及兩側行間土壤呼吸速率。裸地土壤呼吸速率直接測定，重復3次。麥田土壤呼吸為農田土壤總呼吸，主要包括作物根系的自養(yǎng)呼吸(Root respiration,Rr)和土壤微生物的異氧呼吸(Microbal respiration,Rm)，以裸地土壤呼吸速率作為土壤微生物呼吸速率。小麥各生育時期土壤呼吸碳排放量(M)計算公式為M=12/44×F×D×24/1 000。其中，F(xiàn)為日平均土壤呼吸速率，D為某一生育時期天數。

1.3.2 小麥植株固碳量 于成熟期，在各小區(qū)隨機選取30株小麥植株，分莖稈、籽粒和根，于105 ℃殺青、85 ℃烘干后稱質量，使用總有機碳分析儀測定小麥植株碳含量，并計算固碳量。完整根干質量以根冠比0.11計算[36]。

1.3.3 農田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡指標 生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡通常由凈生態(tài)系統(tǒng)生產力(Net ecosystem productivity,NEP)表示，是NPP與Rm的差值[37]。NEP為正時，該系統(tǒng)為碳匯；NEP為負時，該系統(tǒng)為碳源。

1.4 數據分析

采用Excel 2010 和SPSS 18.0對數據進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田方式配施氮肥對麥田土壤呼吸碳排放量的影響

2.1.1 土壤呼吸速率

2.1.1.1 麥田 從整體來看，各處理麥田土壤呼吸速率季節(jié)動態(tài)變化總體呈先降后波動式上升最后略下降的趨勢(圖1)，麥田土壤呼吸速率在冬前期(2016年12月6日)較低，在越冬期(2017年1月16日)降至最低，隨后在返青期(2017年3月7日)緩慢升高，在拔節(jié)期(2017年4月1日、4月8日)迅速升高，在孕穗期(2017年4月15日)、抽穗期(2017年4月22日)總體均保持較高水平，在開花期(2017年4月29日)迅速下降，在灌漿期(2017年5月5日、5月12日、5月19日)重新回到較高水平，在成熟期(2017年5月26日)略有下降。

不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05),下同

從各處理來看(圖1)，冬前期CN處理麥田土壤呼吸速率顯著高于SN處理。越冬期、返青期施氮處理麥田土壤呼吸速率顯著高于不施氮處理。氣溫升高后由于不施氮處理土壤含水量低[38]，SN0處理土壤溫度率先升高，其麥田土壤呼吸速率在拔節(jié)前期(2017年4月1日)顯著高于SN1、CN2、CN3處理。自拔節(jié)后期(2017年4月8日)開始，SN處理下麥田土壤呼吸速率均表現(xiàn)為SN1處理高于SN0處理，且在拔節(jié)后期、開花期、灌漿期及成熟期達顯著水平，表明秸稈直接還田條件下施氮肥增加了麥田土壤呼吸速率。受追氮量影響，拔節(jié)期至成熟期CN處理麥田土壤呼吸速率總體表現(xiàn)為CN1>CN2>CN3。CN1處理麥田土壤呼吸速率在拔節(jié)前期、灌漿期均顯著高于CN2、CN3處理；CN3處理麥田土壤呼吸速率在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿后期(2017年5月19日)及成熟期均顯著低于CN1、CN2處理。表明CN處理麥田土壤呼吸速率隨追氮量增加而增加。此外，秸稈還田方式對麥田土壤呼吸速率也有一定影響。CN1處理麥田土壤呼吸速率在冬前期、拔節(jié)前期、抽穗期、灌漿后期及成熟期均顯著高于SN1處理，在拔節(jié)后期、開花期則顯著低于SN1處理。

2.1.1.2 裸地 從整體來看，各處理裸地土壤呼吸速率隨季節(jié)變化總體呈先稍微下降后波動式緩慢上升趨勢，變化幅度小于麥田土壤(圖2)。裸地土壤呼吸速率在冬前期較小，在越冬期降至最低，隨后緩慢上升，拔節(jié)期后迅速上升，在開花期停止上升，在灌漿后期迅速上升并達到最高水平，在成熟期略有下降。

圖2 不同處理裸地土壤呼吸速率季節(jié)動態(tài)變化Fig.2 Seasonal variation of bare soil respiration rate of different treatments

從各處理來看(圖2)，不施氮處理(SN0)裸地土壤呼吸速率在冬前期、越冬期、返青期均顯著低于施氮處理。氣溫升高后，不施氮處理(SN0)土壤含水量低[38]、地溫升高快，裸地土壤呼吸速率在拔節(jié)前期率先升高，顯著高于施氮處理，隨后緩慢增長直至灌漿中期(2017年5月12日)。小麥孕穗至成熟，SN條件下SN1處理裸地土壤呼吸速率均高于SN0處理，且在孕穗期、抽穗期、灌漿期、成熟期達顯著水平。拔節(jié)期，追氮后CN條件下裸地土壤呼吸速率基本表現(xiàn)為CN1>CN2>CN3，表明土壤微生物呼吸速率隨施氮量增加而增大。相同施氮量下，拔節(jié)期至開花期SN1處理裸地土壤呼吸速率較高，灌漿期和成熟期CN1處理裸地土壤呼吸速率較高。

2.1.2 土壤呼吸碳排放量 小麥各生育時期內麥田、裸地土壤呼吸碳排放量(表1)與其呼吸速率動態(tài)變化一致，表現(xiàn)為麥田高于裸地、施氮處理高于不施氮處理。各生育時期麥田土壤呼吸碳排放量基本表現(xiàn)為CN1>CN2>SN1>CN3>SN0。受土壤呼吸速率和生育時期天數影響，土壤碳排放量在小麥灌漿期、成熟期、冬前期和拔節(jié)期表現(xiàn)較高。

小麥生育期土壤呼吸各組分碳排放量如表2所示。從土壤呼吸組分來看，根系呼吸碳排放量占土壤總呼吸碳排放量的42.6%～46.9%，微生物呼吸碳排放量占53.1%～57.4%。從處理來看，CN1處理土壤呼吸各組分碳排放量均最高，其中土壤總呼吸碳排放量顯著高于其他處理；SN0處理土壤呼吸各組分碳排放量均最低，顯著低于其他施氮處理。SN條件下SN1處理土壤總呼吸、根系呼吸及微生物呼吸碳排放量分別較SN0處理增加了20.8%、23.3%、18.9%。CN條件下土壤各呼吸組分碳排放量均隨施氮量增加而增加，CN1、CN2處理土壤總呼吸碳排放量分別較CN3處理增加了10.5%、5.4%，根系呼吸碳排放量增加了14.2%、7.8%，微生物呼吸碳排放量分別增加了7.4%、3.5%。同等施氮量260 kg/hm2下,CN1處理土壤總呼吸、根系呼吸碳排放量分別較SN1處理增加了7.4%、15.7%，微生物呼吸碳排放量差異不顯著。

表1 小麥各生育時期土壤呼吸碳排放量Tab.1 Carbon emission from soil respiration at each growth stage of wheat kg/m2

注：同行數據后不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05),下同。

Note: The different lowercase letters after data within a line mean significant differences among different treatments at 0.05 level, the same below.

表2 小麥全生育期土壤呼吸各組分碳排放量

2.2 不同秸稈還田方式配施氮肥對小麥植株干質量及固碳量的影響

由表3可知，從部位來看，籽粒干質量和固碳量均約占植株干質量和固碳量的53%，莖稈均約占37%，根系均約占10%。從處理來看，CN1處理下小麥各部位干物質固碳量均最高，其植株干質量和固碳量總體上均顯著高于其他處理。施氮處理植株各部位干質量和固碳量均顯著高于不施氮處理，表明施用氮肥可顯著提高小麥植株各部位干質量和固碳量。SN1處理植株干質量、固碳量分別較SN0處理增加了27.1%、30.5%。CN條件下，小麥各部位干質量和固碳量基本表現(xiàn)為CN1>CN3≥CN2。相同施氮量下，CN1處理小麥各部位干質量和固碳量均顯著高于SN1處理，其植株干質量、固碳量分別增加了14.0%、11.6%，表明秸稈過牛腹還田對增加小麥植株干質量和固碳量具有較好的效果。

表3 不同處理小麥各部位干質量和固碳量Tab.3 Dry matter and carbon strorage in all parts of wheat plant kg/m2

2.3 不同秸稈還田方式配施氮肥對小麥農田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響

由表4可知，施氮條件下，各處理NEP均為正，小麥農田系統(tǒng)均為碳匯，表現(xiàn)為凈固碳。其中，CN1、CN3處理NEP分別為0.14、0.13 kg/m2，顯著高于其他處理，表明該處理小麥農田碳匯能力較強。SN1、CN2處理農田碳匯能力較弱，雖維持了農田系統(tǒng)碳平衡，但存在一定碳排放風險。不施氮條件下，SN0處理NEP為負，農田系統(tǒng)為碳源，其凈碳排放量達0.08 kg/m2。

表4 不同處理小麥農田系統(tǒng)碳平衡Tab.4 Carbon balance of wheat field under different treatments kg/m2

3 結論與討論

3.1 農田土壤呼吸速率影響因素

溫度是影響不同季節(jié)土壤呼吸速率最主要的因素。本研究發(fā)現(xiàn)，小麥生育期內，麥田土壤呼吸速率和裸地土壤呼吸速率總體上均隨溫度增加呈現(xiàn)波動式上升。小麥越冬期前，麥田土壤呼吸速率和裸地土壤呼吸速率均隨氣溫、地溫的降低而減小，越冬期最低；越冬期后氣溫逐漸回升，麥田土壤呼吸速率和裸地土壤呼吸速率總體上均逐漸增加；拔節(jié)期起氣溫迅速升高，土壤呼吸速率也隨之迅速增加。該現(xiàn)象與張權[39]研究結果一致。然而，開花期麥田土壤呼吸速率大幅度減小現(xiàn)象表明土壤呼吸速率還受其他因素影響。本試驗在小麥開花期進行了人工灌溉，麥田土壤呼吸速率在該時期迅速下降與土壤水分增加有關。呂國紅等[40]通過控制土壤水分條件發(fā)現(xiàn)，同時間內不同土壤水分條件下農田土壤總呼吸速率不同，且土壤總呼吸速率隨土壤相對濕度增加而降低，與本研究結果一致。可能的原因是土壤水分增加條件下，一方面降低了土壤中氧氣含量，抑制了小麥根系有氧呼吸和土壤微生物呼吸；另一方面，由于水的熱容量較大降低了土壤溫度，進而降低了根系和微生物呼吸速率。本研究中土壤微生物呼吸速率受灌溉影響較小，表明作物根系呼吸速率對水分、溫度等土壤環(huán)境變化較微生物呼吸速率更敏感。ZHANG等[41]也發(fā)現(xiàn)，土壤根系呼吸速率較微生物呼吸速率對土壤溫度變化更敏感，與本研究結果相似。

除溫度、水分因素外，秸稈還田、施氮量等栽培措施也對農田土壤呼吸速率產生一定影響[42-43]。丁瑞霞等[44]和丁新宇等[42]均發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可顯著增加旱作農田土壤總呼吸速率。DING等[45]對兩熟農田碳排放量研究發(fā)現(xiàn)，與施用無機NPK肥相比，有機物料還田下小麥、玉米農田土壤碳排放量平均增加了16%。在前人研究結果基礎上，本試驗研究秸稈直接還田和過牛腹還田2種還田方式配施氮肥條件下麥田土壤呼吸速率，發(fā)現(xiàn)施氮260 kg/hm2條件下秸稈過牛腹還田較秸稈直接還田增強了土壤總呼吸速率和根系呼吸速率，總呼吸碳排放量和根系呼吸碳排放量分別增加了7.4%和15.7%，微生物呼吸碳排放量無顯著差異。這是由于秸稈過牛腹后為細碎纖維，更有利于腐解和釋放養(yǎng)分供作物生長，促進了土壤中根系呼吸部分碳排放。本研究中施氮增強了土壤呼吸速率，小麥生育期內農田土壤呼吸碳排放量與施氮量呈正相關。秸稈直接還田下，施氮260 kg/hm2處理較不施氮處理土壤總呼吸、根系呼吸、微生物呼吸碳排放量分別增加了20.8%、23.3%、18.9%。秸稈過牛腹還田下，施氮260、220 kg/hm2處理較施氮190 kg/hm2處理土壤總呼吸碳排放量增加了10.5%、5.4%，根系呼吸碳排放量增加了14.2%、7.8%，微生物呼吸碳排放量增加了7.4%、3.5%。張耀鴻等[46]研究發(fā)現(xiàn)，施氮300 kg/hm2處理較不施氮處理玉米田土壤總呼吸速率增強31.9%。DING等[45]探究了長期施氮對冬小麥-夏玉米兩熟農田碳排放的影響，結果表明，施氮顯著增加了農田土壤呼吸碳排放量。熊簡安然等[43]研究結果也表明，施氮可增加農田土壤總呼吸速率。其原因可解釋為施氮增加了土壤有效氮含量，促進了作物生長和干物質積累，根系呼吸增強，因而增強了農田土壤總呼吸速率[47-49]；施氮降低了農田土壤C/N，有利于土壤微生物分解農田中的有機質，增強了微生物活性，促進了微生物生長繁殖，因而施氮增強了農田土壤微生物呼吸速率[50-52]。

3.2 農田系統(tǒng)碳循環(huán)平衡

NEP是評估農田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要指標，NEP為正時，農田系統(tǒng)為碳匯，凈固定碳；NEP為負時，農田系統(tǒng)為碳源，凈排放碳。NEP受NPP和Rm影響。本研究中小麥生育期內各處理裸地凈碳排放量均高于1 kg/m2，為強碳源，應避免農田荒裸。因此，應合理栽培農作物促進農田系統(tǒng)碳循環(huán)。研究表明，秸稈還田配施氮肥是促進作物光合作用和地上部生長、增加干物質積累的主要栽培措施[53-54]。本研究中秸稈還田配施氮肥處理小麥植株干質量和固碳量均顯著高于秸稈還田不施氮處理。秸稈直接還田方式下，施氮260 kg/hm2處理小麥植株干質量、固碳量較不施氮處理增加了27.1%、30.5%。施氮260 kg/hm2下秸稈過牛腹還田處理小麥植株干質量、固碳量分別較秸稈直接還田處理增加了14.0%、11.6%。李新華等[32]對比秸稈還田方式發(fā)現(xiàn)，秸稈過腹還田處理玉米植株固碳量較秸稈直接還田處理增加了10.47%，與本研究結果相似。秸稈還田配施氮肥在提高NPP的同時促進了Rm。兼顧二者，本研究中秸稈直接還田不施氮處理NEP為-0.08 kg/m2，屬弱碳源，不可持續(xù)；秸稈直接還田配施氮肥260 kg/hm2、秸稈過牛腹還田配施氮肥220 kg/hm2處理NEP分別為0.01、0.05 kg/m2，均屬弱碳匯，維持了農田系統(tǒng)碳平衡；秸稈過牛腹還田下施氮260、190 kg/hm2處理NEP分別為0.14、0.13 kg/m2，碳匯能力較強，可有效固定大氣中的CO2，且260 kg/hm2可獲得較高的籽粒產量。兼顧生態(tài)和農業(yè)生產雙重效益，秸稈過牛腹還田條件下最佳施氮量為260 kg/hm2。