隴東旱塬麥黑豆-冬小麥輪作條件下施氮水平對土壤N2O和CH4排放的影響

王婷 楊君林 李利利 曾小茹 呂曉東

摘要：為給我國旱地低碳農業可持續發展提供科學依據，2018 — 2020年在隴東黃土高原雨養區冬小麥田設置夏閑期種植綠肥和不同施氮量田間試驗，通過測定土壤N2O和CH4排放通量，計算N2O和CH4累積排放量等指標，分析不同處理對土壤N2O和CH4排放通量和累積排放量的影響。結果表明，在2個輪作周期內，不同處理的N2O排放峰主要出現在冬小麥播種施肥后，峰值范圍平均11.24～31.85 μg N2O-N/（m2·h）。土壤CH4排放無明顯峰谷變化趨勢，而圍繞著零值上下波動，變化范圍-46.8～24.5 μg CH4-C/（m2·h）。與休閑-冬小麥處理相比，麥黑豆-冬小麥輪作處理在綠肥填閑期和冬小麥生長期土壤N2O累積排放分別顯著增加了26.8%～44.2%和6.2%～52.3%，土壤CH4累積吸收分別顯著減少了7.9%～76.3%和4.0%～28.4%。可見，豆科綠肥填閑種植可增加土壤N2O排放，減少土壤CH4的吸收。

關鍵詞：溫室氣體;排放;冬小麥;綠肥;隴東旱塬

中圖分類號：X53;S512.1? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-1463（2022）09-0036-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.09.009

Effects of Black Soybean-winter Wheat Rotation and Nitrogen Application on Soil N2O and CH4 Emission of Longdong Dryland in Gansu

WANG Ting 1， YANG Junlin 1， LI Lili 2， ZENG Xiaoru 3， L？譈 Xiaodong 4

（1. Institute of Soil and Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Pingliang Academy of Agricultural Sciences， Pingliang Gansu 744000， China; 3. Gansu Agricultural Technology Extension Station， Lanzhou Gansu 730020， China; 4. Lanhzou Jiaotong University， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： In order to provide scientific basis for the sustainable development of low carbon agriculture in dryland area of China， a field experiment of green manure and different nitrogen rates in the winter wheat field in summer fallow period in the Longdong dryland of Gansu Province was conducted from 2018 to 2020. Soil N2O and CH4 emission fluxes and cumulative emissions were measured. Effects of different treatments on soil N2O and CH4 emission fluxes and cumulative emissions were analyzed.? The results showed that during 2 rotation periods， the peaks of N2O emission fluxes mainly occurred after sowing and fertilization of winter wheat， and ranged from 11.24 to 31.85 μg N2O-N/（m2·h）.? Soil CH4 emission fluxes didn't show a peak-valley variation trend but fluctuated around the zero value， and ranged from -46.8 to 24.5 μg CH4-C/（m2·h）. Compared with the fallow-winter wheat treatment， soil N2O cumulative emissions in black soybean-winter wheat rotation were significantly increased by 26.8% to 44.2% and 6.2% to 52.3% for the green manure planting period and the winter wheat growing season， respectively， and soil CH4 cumulative absorption were significantly decreased by 7.9% to 76.3% and 4.0% to 8.4% for those two periods above， respectively.? It showed that planting leguminous green manure in summer fallow period could increase soil N2O emission and reduce soil CH4 absorption.

Key words： Greenhouse gas; Emission; Winter wheat; Green manure; Longdong dryland

二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是大氣中的3種最重要的長壽命溫室氣體，其在大氣中的含量顯著影響地球輻射平衡，由此引起的全球氣候變暖已成為世界性的環境問題[1 ]。人類農業活動對全球CO2、CH4和N2O的排放具有重要意義[2 ]，采取適宜農業減排策略，降低CO2、CH4和N2O溫室氣體排放，對減緩全球氣候變化，保證農業可持續發展具有重要意義。

隴東旱塬是我國西北地區典型的雨養農業? 區[3 - 4 ]，農業生產實行一年一季且伴隨7 — 9月夏休閑的種植制度。然而，夏季休閑期間正值雨熱同期，如果一直保持裸地休閑狀態，不僅使此期間的光熱水等自然資源沒有得到合理利用，并且會因為地表缺乏植被覆蓋進一步加劇水土流失和耕地質量退化的程度[5 ]。事實上，當地有多年種植豆科綠肥的歷史，種植并翻壓綠肥不僅可在時間和空間上有效提高對夏閑期自然資源的利用，還可有效改善土壤微環境，培肥地力和提升輪作系統生產力[6 - 9 ]。夏閑期種植并翻壓綠肥和施氮水平對土壤溫室氣體排放的影響在該地區尚少見報道。我們通過2 年的田間定位試驗，探索了冬小麥夏閑期連續種植并翻壓豆科綠肥和不同施氮水平對旱地土壤N2O和CH4排放的影響，以期為我國旱地“低碳農業”的可持續發展提供科學依據。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗地概況

試驗地位于甘肅省平涼市涇川縣高平鎮的平涼市農業科學院高平試驗場（107° 30′ E，35° 17′ N，海拔1 340 m），屬于半濕潤偏旱區，春冬寒冷干燥，夏季多雨。多年平均年降水量526 mm，且多集中于7 — 9月份。年均氣溫8.6 ℃，年均蒸發量1 384 mm。無霜期172 d，≥10 ℃的活動積溫? 2 800 ℃。光熱資源豐富，水熱同季，適宜冬小麥、玉米、雜糧雜豆、果蔬等的生長。土壤為黑壚土，0～20 cm土層土壤含有機質15.5 g/kg、全氮 1.01 g/kg、全磷0.74 g/kg、全鉀22.40 g/kg、速效氮 73.9 mg/kg、速效磷13.0 mg/kg、速效鉀139.0?mg/kg，pH 8.4。

1.2? ?供試材料

供試冬小麥品種為普冰151（由平涼農業科學院提供），麥黑豆由平涼農業科學院提供。供試氮肥為尿素（含N 46%），甘肅劉化有限責任公司生產;磷肥為普通過磷酸鈣（含P2O5 16%），云南三環公司生產。

1.3? ?試驗設計

試驗采用裂區設計，主區為麥黑豆-冬小麥（M）和休閑-冬小麥（CK），副區為施氮量：N0（0 kg/hm2）、N1（147 kg/hm2）、N2（270 kg/hm2），小區面積45.6 m2（4.8 m×9.5 m），重復3次，共18個小區。2018年7月13日種植麥黑豆，播量120 kg/hm2，人工條播，不施肥。2018年9月10日麥黑豆刈割收獲，將其鍘碎全量還田，翻壓深度20 cm。2018年9月29日種植冬小麥，播種量187.5 kg/hm2，行距20 cm，人工條播。氮肥在冬小麥播前一次性施入，同時施P2O5 120 kg/hm2。2019年7月1日冬小麥收獲并計產。第2輪作周期分別于2019年7月4日播種麥黑豆、2019年8月30日翻壓麥黑豆、2019年10月12日播種冬小麥和2020年7月1日收獲冬小麥，其余施肥和田間管理措施均與2018 — 2019年相同。

1.4? ?測定項目和方法

1.4.1? ? 氣體采樣箱的安置? ? 氣樣采集采用靜態暗箱法。采樣箱用不銹鋼材料制成，頂箱體積大小為50 cm×60 cm×50 cm，箱外層加包泡沫以隔熱，并配備溫度探頭，以同時測定箱內氣溫。采樣箱底座大小為50 cm×60 cm×20 cm，插入土壤10 cm處，整個試驗期不再移動。觀測時將采樣箱放在底座外緣四周的凹槽中，并加水密封。

1.4.2? ? 氣樣采集? ? 在作物生長期和休閑季，采氣1次/6 d，施肥后1次/d，連續6 d。下大雨后（ > 20 mm） 1次/d，連續3 d。當冬季氣溫很低時，根據測定結果調整采氣時間間隔。氣體樣品的采集于每天9：00時至11：00時進行。取氣前1 min蓋上箱

體并用水密封，打開風扇電源，運行風扇使箱內氣體混合均勻。用50 mL醫用注射器每15 min間隔采集4針氣樣，用于分析不同處理的CO2、CH4和N2O排放通量。

1.4.3? ?氣樣排放通量和累積排放量計算

F=ρV dc/dt×1/A=M×P/R（273+T）×60×103×H×dc/dt

式中，F為氣體排放通量，M為氣體分子的摩爾質量，P為采樣點大氣壓力，通常視為標準大氣壓，R為普適氣體常數，T為箱內溫度，H為采樣箱高度，c為氣體濃度，t為關箱時間，dc/dt為采樣箱內氣體濃度隨時間的變化率。

氣體累積排放量采用直接插值法計算[10 ]。

1.4.4? ? 其他項目測定? ? 每次采氣時同步觀測箱內溫度。

1.5? ?數據處理

采用Microsoft Excel進行數據處理，使用SPSS（SPSS Statistics 17.0）進行不同處理間溫室氣體累積排放顯著性分析（LSD0.05），作圖軟件為Sigma Plot 14.0。

2? ?結果與分析

2.1? ?不同處理對土壤N2O排放通量的影響

如圖1所示，在2個輪作周期內，不同處理N2O排放的動態變化趨勢較一致，排放峰主要出現在冬小麥播種施肥后。2018年種植綠肥至冬小麥播種前，M處理平均土壤N2O日排放為7.37 μg N2O-N /（m2·h），而CK處理平均土壤N2O日排放為4.11 μg N2O-N /（m2·h）。2018年冬小麥播種施肥后3～5 d各處理均出現排放峰，M-N0、M-N1、M-N2、CK-N0、CK-N1、CK-N2平均土壤N2O日排放分別為11.24、22.38、32.58、13.39、20.33、31.85 μg N2O-N /（m2·h），之后各處理N2O排放逐漸下降，至

冬小麥收獲上述各處理平均土壤N2O日排放分別為1.95、3.76、6.16、1.87、3.75、5.63 μg N2O-N/（m2·h）。2019年不同處理N2O排放的動態變化趨勢與2018年一致，但N2O日排放量相對較高。如2019年種植綠肥至冬小麥播種前，M-N0、M-N1、M-N2、CK-N0、CK-N1、CK-N2平均土壤N2O日排放量分別為4.94、8.76、14.57、3.63、5.22、11.12 μg N2O-N/（m2·h）。從上述結果看出，與休閑相比，綠肥填閑翻壓促進了土壤N2O排放增加。與不施氮相比，施氮也促進了土壤N2O排放增加。

2.2? ?不同處理對土壤N2O累積排放的影響

如表1所示，2018年和2019年綠肥填閑期的N2O累積排放均顯著高于休閑地。2019年冬小麥生長期，M和CK處理不同施氮水平間N2O累積排放

量均隨著施氮量的增加而增加，差異顯著，而相同施氮水平下M和CK處理N2O累積排放量無顯著差異。2020年冬小麥生長期，M和CK處理不同施氮水平間和相同施氮水平下的N2O累積排放量均差異顯著。總的來看，與M-N0處理相比，M-N1和M-N2處理N2O平均累積排放量分別顯著增加了74.7%和192.5%。與CK-N0處理相比，CK-N1和CK-N2處理平均N2O累積排放量分別顯著增加了88.7%和198.9%。與CK處理相比，M處理在綠肥填閑期和冬小麥生長期土壤N2O累積排放分別顯著增加了26.8%～44.2%、6.2%～52.3%。

2.3? ?不同處理對土壤CH4排放通量的影響

如圖2所示，2個輪作周期內，各處理土壤CH4排放沒有呈現出明顯峰谷變化規律，而圍繞著零值上下波動，變化范圍在-46.8～24.5 μg CH4-C/（m2·h）。

2018年綠肥填閑至冬小麥播種前，M處理土壤CH4累積吸收量約為-65.0 g CH4-C/hm2，而CK處理土壤CH4累積吸收量約為-273.9 g CH4-C/hm2（表2），說明夏閑期種植綠肥可顯著抑制土壤CH4吸收累積。2019年綠肥填閑至冬小麥播種前，M-N2和CK-N2處理土壤CH4累積吸收量無顯著差異，分別約為-88.5、-91.6 g CH4-C/hm2。總的來看，與M-N0和M-N1處理相比，M-N2處理土壤CH4累積吸收量分別顯著降低了58.9%和62.8%;與CK-N0和CK-N1處理相比，CK-N2處理土壤CH4累積吸收量分別顯著降低了59.1%和32.9%。說明過量施氮會顯著抑制土壤CH4吸收。在冬小麥生長期，M和CK處理土壤CH4吸收量隨施氮量增加而減小，且處理間差異顯著。與休閑-冬小麥處理相比，麥黑豆-冬小麥輪作處理在綠肥填閑期和冬小麥生長期土壤CH4累積吸收分別顯著減少了7.9%～76.3%和4.0%～28.4%。

3? ?討論與結論

綠肥作為一種優質的有機肥源，能夠為土壤和后季作物提供養分。在工業合成氨以前，人們主要依靠綠肥、農家肥、廄肥等有機肥來補充農田土壤中的養分，特別是豆科綠肥自身能夠固定大氣中的氮素[11 ]。然而，與裸地休閑相比，填閑作物種植后改變了土壤水熱條件與碳氮庫特征，從而影響了土壤溫室氣體的排放過程。已有的研究表明，與休閑地對照相比，種植填閑作物能降低土壤CH4的吸收能力，刺激土壤CO2的排放[12 ]，而對土壤NO2的排放影響較為復雜。如Mitchell等[13 ]認為，填閑作物可以通過降低土壤硝態氮含量和淋溶損失來暫時減少N2O排放;張祺[14 ]對黃土高原旱作冬小麥田填閑種植和施氮對溫室氣體的研究表明，填閑種植會減少土壤N2O排放強度，對土壤

CH4的吸收強度無影響;而Snyder等[15 ]認為當施氮量小于175 kg/hm2時N2O排放通量很小，當超過這個范圍時N2O排放通量迅速上升。

本文研究表明，在2個輪作周期內，不同處理N2O排放峰主要出現在冬小麥播種施肥后，峰值范圍平均為11.24～31.85 μg N2O-N/m2·h。土壤CH4排放無明顯峰谷變化趨勢，而圍繞著零值上下波動，變化范圍-46.8～24.5 μg CH4-C/m2·h。與休閑-冬小麥處理相比，麥黑豆-冬小麥輪作處理在綠肥填閑期和冬小麥生長季土壤N2O累積排放分別顯著增加了26.8%～44.2%和6.2%～52.3%，土壤CH4累積吸收分別顯著減少了7.9%～76.3%和4.0%～28.4%。可能的原因在于試驗條件、氣候和土壤環境等因素的不同，導致影響N2O和CH4 排放控制因子的貢獻程度不同，最終影響了土壤微生物的活性、氧氣含量、底物的供應和產生以及土壤剖面內氣體排放運輸等過程，進而導致排放結果具有一定差異性[16 - 17 ]。

綜上所述，豆科綠肥填閑種植會增加土壤N2O排放，減少土壤CH4的吸收。土壤N2O和CH4排放與土壤養分、溫度和水分等非生物因素之間的關系以及溫室氣體產生的機理有待進一步研究。

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