不同秸稈改良劑對松嫩平原西部鹽堿地溫室氣體排放的影響

劉 怡

（哈爾濱師范大學，黑龍江哈爾濱 150025）

聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評估報告指出，2011 年以來，大氣中溫室氣體的含量持續增加，2011—2020 年，全球平均溫度較1850—1900 年的平均值高1.09 ℃，全球氣候變暖成為人類社會所面臨的重大挑戰[1]。甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是重要的溫室氣體，二者在100年時間尺度上的全球增溫潛勢（Global Warming Potential，GWP）分別是二氧化碳（CO2）的25倍和298倍。

土壤是N2O 的重要排放源，減少土壤溫室氣體排放對加快實現“碳中和”進程具有重要意義。增加外源有機物質輸入可有效增加土壤碳匯，提升土壤肥力。秸稈易獲取，直接還田成為廣泛推廣的管理措施。但有學者指出，秸稈還田可能導致土壤溫室氣體排放增加[2]；優化秸稈利用方式將加快有機物腐解速度，同時影響土壤溫室氣體排放[3-4]。秸稈摻入腐熟劑還田引起CH4氣體大量排放，氨化秸稈被應用于直接還田以提升土壤碳氮含量，生物炭以其特有的吸附性降低農業生態系統N2O 排放。鹽堿土是全球重要的后備耕地資源，我國松嫩平原西部廣泛分布著蘇打鹽堿土。改善鹽堿土性狀對增加土地資源具有重要意義，但目前大部分研究只關注了土壤碳氮累積而忽略了改良過程中的溫室氣體排放，本研究將腐熟秸稈、氨化秸稈和秸稈生物炭作為改良劑，配施等氮量氮肥，關注退化鹽堿土質量提升過程中的溫室氣體排放特征。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣一心鄉前進村（124°29'44″E，46°48'56″N），地處黑龍江省松嫩平原西部。該區域受溫帶大陸性氣候影響，年平均氣溫3.6～4.4 ℃，年降水量的80%集中在7—9 月。供試土壤為典型的蘇打鹽堿土，質地為砂質壤土。秸稈施入時，耕層土壤（0～20 cm）的pH 值為9.4，容重為1.28 g·cm-3，總碳含量為8.56 g·kg-1，銨態氮、硝態氮、總氮含量分別為0.64、18.32、261.17 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

根據野外樣地選取原則全面踏查后選取試驗地，秸稈與氮肥于2019 年10 月26 日同時翻入耕層土壤，試驗觀測期為2021 年5 月11 日—9 月28 日（141 d）。每組設置3個重復，每個樣方長、寬均為2 m。相鄰樣方間設3 m 保護行，樣方四周鋪設塑料隔水膜防止樣方間的物質交換。水稻收獲后留茬20 cm 左右，粉碎至3～5 cm 待用，秸稈干質量為9 587 kg·hm-2。共設置4 組處理，分別為對照組（CK）、粉碎水稻秸稈+腐熟劑+氮肥（MSN）、氨化粉碎水稻秸稈+氮肥（ASN）、水稻秸稈生物炭+氮肥（SBN）。其中，秸稈還田量為9.59 t·hm-2，腐熟劑使用量為30 kg·hm-2，氮肥使用量為480 kg·hm-2。

1.3 樣品采集與測定

氣體樣品每7～10 d 采集1 次。CH4和N2O 通量使用靜態暗箱-氣相色譜法測定。在每個樣方中心位置固定不銹鋼底座，底座插入土壤后保持固定，靜態箱扣入后將底座頂部凹槽加水密封。靜態箱的尺寸為40 cm×40 cm×40 cm，帶有凹槽的不銹鋼底座規格為40 cm×40 cm×8 cm，箱體四周均覆有隔熱遮光材料。采樣箱上部3 個孔分別用于接通箱內攪氣小風扇、溫度計探頭和采氣三通閥，3 個孔均用橡膠塞密封。采集時間通常選在天氣晴朗的8:00—11:00。

1.4 氣體通量、累積排放量的計算

溫室氣體通量計算公式為

式中：F為所測溫室氣體通量，μg·m-2·h-1；為箱內氣體濃度隨時間變化的曲線斜率；M為所測氣體摩爾質量，g·mol-1；v0為標準狀態下所測氣體摩爾體積，mL·mol-1；P為采樣時靜態箱內氣壓，Pa；P0為氣體標準狀態下的空氣絕對氣壓，Pa；t0為氣體標準狀態下的溫度，℃；t為采樣時靜態箱內的氣溫，℃；h為靜態箱內氣室高度，cm。

溫室氣體累積排放量計算公式為

式中：f為所測溫室氣體累積排放量，kg·hm-2；n為排放通量觀測次數；Fi+1與Fi分別為第i+1 次和第i次采氣時的平均氣體排放通量，μg·m-2·h-1；ti+1與ti分別為第i+1次和第i次試驗的時間，d[5]。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2019 進行數據處理；采用SPSS 25.0 統計軟件結合Duncan 法進行多重比較；采用Origin 2019作圖。

2 結果與分析

2.1 CH4和N2O通量動態變化

由圖1 可知，整個研究期內不同有機物料添加下的CH4通量變化趨勢基本一致。觀測初期（14 d）出現排放峰值；觀測中后期降水增多，CH4排放量在0值上下波動；觀測末期（113 d 后）CH4排放量趨于平穩。CK、MSN、ASN和SBN的CH4平均排放通量分別為19.76、-11.91、-10.16 μg·m-2·h-1和-13.31 μg·m-2·h-1。由圖2 可知，不同處理組的N2O 排放通量顯示出類似的趨勢，但幅度不同。在觀測初期（14 d），除CK 組外均觀測到明顯的排放峰值；第50 d 至觀測結束，各組保持較穩定狀態。CK、MSN、ASN 和SBN 的N2O 平均排放通量分別 為-5.17、2.71、2.59 μg·m-2·h-1和1.54 μg·m-2·h-1。

圖1 秸稈不同處理下CH4通量動態

圖2 秸稈不同處理下N2O通量動態

2.2 CH4和N2O累積排放量

如表1 所示，試驗期間，CH4累積排放量順序為CK＞ASN＞MSN＞SBN。與CK 相比，ASN、MSN 和SBN 的CH4累積排放量分別減少137.80%、141.46%和148.78%。N2O的累積排放量順序為MSN＞ASN＞SBN＞CK，與CK 相比，MSN、ASN 和SBN 的N2O 累積排放量分別增加147.06%、129.41%和123.53%。可見，有機物料添加顯著減少了CH4排放量而顯著增加了N2O排放量。

表1 秸稈不同處理下CH4和N2O累積排放量 單位：kg·hm-2

3 結論與討論

本研究在野外原位觀測了松嫩平原西部鹽堿地CH4和N2O 通量，其表現出明顯的季節變化特征。有機物料與氮肥同時施入土壤，CH4和N2O 排放通量在生長季表現出先升高、后降低的特征。MSN 與ASN 可加速秸稈腐解，提供充足的碳和氮，但鹽堿土的固碳和固氮能力差，因此增加了氣體排放。而SBN 不僅增加土壤對碳和氮的固定，還對碳和氮有一定的吸附能力，因此減少了氣體排放。

無機碳可在好氧條件下生成CO2，在厭氧條件下生成CH4[6]。夏季氣溫升高，土壤水分易蒸發，土壤含水量減少改善了土壤通氣性，形成吸收“匯”。降水增多使土壤水分增加，為產甲烷菌提供了適合的環境條件，促進CH4排放。土壤N2O 的產生主要來自硝化和反硝化過程，礦質氮含量控制N2O 排放[7]。總的來看，生物炭（SBN）具較強的吸附能力能減少土壤中的氮素含量，對CH4的吸收作用較好，也可減少N2O排放[8]。