不同碳源對黃三角玉米地鹽化潮土溫室氣體排放的影響

中圖分類號：S506 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2025）09-0104-07

Impacts of Different Carbon Sources on Greenhouse Gas Emissions from Salinized Fluvo-aquic Soil of Corn Land in the Yellow River Delta

Gao Fengshu'，Wang Yuhao'，Ji Xiaohui1，Liu Xiaona2，Liu Xinwei1，3 （ College of Resources and Environment， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， China; Yellow River Delta Agricultural High-tech Industrial Demonstration Zone Comprehensive Utilization Service Center for Saline-Alkali Land， Guangrao 257345， China; Academy of Dongying Efficient Agricultural Technology and Industry on Saline and Alkaline Land in Collaboration with Qingdao Agricultural University， Dongying 257O91， China）

AbstractTo investigate the eects of different carbon source inputs on greenhouse gas （GHG） emissions from saline alkali land，the salinized fluvo-aquic soil from the Yelow River Delta was taken as the research object. Six treatments were set including no fertilization（CK），conventional fertilization（NPK），application of corn straw biochar（BC），application of cow manure （M），mixed application of cow manure and corn straw biochar（MBC），and abandonment treatment （Y）.The static dark box method was used to continuously monitor the dynamic GHG emissions，soil moisture content，soil temperature and corn yield during the corn growing season from June 30 to October 26，2O2The effects of different carbon source inputs and environmental factors on GHG emissions from saline alkali land were investigated.The results showed that the cumulative CO₂ emissions in BC treatment was 16808.85kg?hm^-2 ，which had no significant difference with CK. The cumulative CO₂ emissions in NPK，M and MBC treatments were significantly higher than that of CK，and that of NPK and M treatments increased by 127% and 10.71% compared to CK，respectively. The cumulative N₂O emissions form NPK，BC，and M treatments were significantly increased compared to CK by （204號 484% ， 36.80% and 100% ，respectively. The cumulative N₂O emissions from MBC treatment was lower than that from CK，but no significant difference was detected. The minimum soil absorption of CH₄ in MBC treatment was 0.18kg?hm^-2 . The results of the correlation analysis showed that soil moisture content mainly affected CO₂ and N₂O emissions，With significantly positive correlations，while soil temperature was significantly negatively correlated with soil CH₄ emissions. In summary，the mixed application of cow manure and corn straw biomass could significantly reduce soil greenhouse gas emissions.

KeyWordsGreenhouse gas emissions； Salinized fluvo-aquic soil； Carbon sources； Soil temperature;Soil moisture content

2006年，我國首次超越美國成為全球最大的溫室氣體排放國[1]。近年來，我國正處于綠色轉型與高質量發展的關鍵期，減少溫室氣體排放對促進可持續發展以及2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和具有重要意義[2]。

農田生態系統是全球最重要的生態系統之一。Dyer等[3]對農業生產活動的碳源及其與其他生態系統碳匯關系的研究引起了廣泛關注，自此，農業碳排放問題便逐漸成為碳排放研究的焦點。耕地具有碳匯和碳源雙重效應，且其固碳減排潛力十分巨大。但是，在一系列不恰當的栽培管理措施下，耕地也可能成為碳排放的重要來源之一，在對耕地進行機械化耕作和施肥等活動時，土壤中的有機物質會被氧化，釋放二氧化碳（ CO₂ ）、甲烷（ CH₄ ）和一氧化氮（ N₂O ）等溫室氣體。據統計，農業碳排放約占我國碳排放總量的17% ，已成為我國碳排放的重要組成部分[4]。山東省鹽堿地面積為 5926.73km² ，其中鹽堿耕地3 8680km² ，約占山東省總耕地面積的 10% ，主要分布在黃河三角洲地區[5]。

有機物料和生物質炭可以作為改良劑施入到土壤中[6-7]。生物質炭具有多孔結構，有助于改善土壤質地，增加土壤通透性和保水性，從而提高土壤肥力[8]。目前生物質炭在農業領域作為增強土壤碳匯的碳固存手段已被廣泛接受。牛糞是一種天然的有機肥料，含有豐富的有機質、蛋白質及氨基酸等，同時也含有大量的氮、磷、鉀等營養元素，可為植物提供豐富和全面的營養9，且有大量研究表明，有機肥替代無機化肥是農業上減少溫室氣體排放的一項重要措施[10]。由此可見，生物質炭和有機肥不僅可以提高土壤肥力、改善土壤質量，還能起到給土壤固碳的作用，進而減少土壤溫室氣體的排放。因此，本研究分析不同有機物料投入對鹽漬化耕地溫室氣體排放的影響，揭示不同碳源施人下玉米種植土壤溫室氣體排放的差異性和相關性，以期為黃河三角洲鹽漬化耕地固碳減排的施肥管理提供理論依據。

1材料與方法

1 研究區域概況

試驗于山東省東營市廣饒縣黃河三角洲農業高新技術產業示范區（ 37^°30^′N，118^°65^′E? 開展，試驗地處于黃河三角洲核心區域。供試土壤為濱海鹽化潮土，含有較多黏粒，黏性較強。土壤有機質含量為 177g?kg^-1 、全氮 8275mg?kg^-1 、速效磷 10.37mg?kg^-1 、速效鉀 287.63mg?kg^-1 ，土壤pH 值為8.36，鹽分含量為 45g?kg^-1 。

2 試驗方法

于2022年10月進行不同施肥處理田間試驗，2023年6—10月（玉米生育期）進行氣體和土壤樣品采集。試驗共設置6個處理，分別為不施肥（CK）、施氮磷鉀復合肥 908kg?hm^-2 （NPK）、施玉米秸稈生物質炭 25.05t?hm^-2 （BC）、施牛糞肥 50.10t?hm^-2（ΩM） 、牛糞肥 50.10t?hm^-2 和玉米秸稈生物質炭 25.05t?hm^-2 混施（MBC）、畧荒（Y），供試物料的碳（C）、氮（N）含量見表1。每處理重復3次，共18個小區，采用完全隨機區組排列。小區面積為 5m×8m=40m² 。于2023年6月30日播種玉米，2023年10月26日收獲。

表1供試物料C、N含量

3 樣品采集及測定

氣體樣品的采集和測定采用靜態箱-氣相色譜法，靜態箱由箱體、底座、密封蓋三部分組成，箱體尺寸為 50cm×50cm×50cm 。箱體外部用泡沫板和反光紙包裹并固定，以降低外界溫度變化對箱內溫度的影響；箱體底部裝有小風扇與便攜式溫度計，分別用來混勻箱內氣體及實時監測箱內溫度。底座橫截面尺寸為 50cm×50cm 。底座和箱體頂端各有 2cm 深凹槽，采樣前為保證箱體內的密封性，分別將底座和箱體頂端的凹槽注滿水。

各小區分別放置靜態箱，連續監測2023年6月下旬至10月下旬玉米生長季田間溫室氣體排放動態。氣體樣品采集定期在上午9：00—11：00進行。采樣裝置完全密封后，連續在 0.10AA20.30 min時用 100mL 注射器將采集的 24mL 氣體壓縮注入 12mL 采氣瓶，并于 24h 內將樣品寄送至中國科學院黃河三角洲濱海濕地生態試驗站分析。箱內溫度 .0～5cm 土層土壤溫度和含水率測定與樣品采集同步進行。

4 數據統計與分析

溫室氣體相關數據計算：

（1） CO₂、N₂O、CH₄ 排放通量計算公式[如下：

F=ρ×h×dc/dt×273/（273+T）

（2）氣體累積排放量：通過插值法計算兩個相鄰采樣日期之間的氣體日排放通量，然后將其累加計算[13]得出氣體累積排放量。

式中，M為測定時期內溫室氣體累積排放量（kg?hm^-2）. ），N為采樣次數， t_N+1-t_N 為兩次采樣的間隔天數。

（3）綜合增溫潛勢（GWP， kg?hm^-2 ）：用來表示不同溫室氣體對全球變暖所產生的潛在效應，一般以單位面積排放的 CO₂ 當量表示[14]，計算公式如下。

GWP = Rco2 +298RN20 +25RcH4 。 （3）式中， R_CO2?R_N20?R_CH4 分別為作物生長季 CO₂ 、N₂O、CH₄ 的排放總量，單位均為 kg?hm^-2 。

（4）溫室氣體排放強度（GHGI， kg （20 CO₂- eq?kg^-1 ）：用來表示農業生產中單位籽粒產量作物對氣候變化所產生的潛在影響，以每千克產量產生的 CO₂ 當量表示，計算公式如下。

式中， 為玉米籽粒產量，單位為 kg?hm^-2 ；玉米籽粒收獲后，按 14% 的標準含水率折算玉米籽粒產量。

采用MicrosoftExcel2019對試驗數據進行整理，用SPSS20軟件對數據進行顯著性和相關性分析，用Origin2018軟件制圖。

2 結果與分析

1 不同處理土壤含水率和溫度變化比較

由圖1（a）可知，不同處理土壤含水率變化趨勢基本相同。受降水和灌溉影響，6月30日不同處理土壤的平均含水率最高，為 28.32% ，8月17日、9月7日、9月22日的也較高，分別為 20.31% ！272% 和 241% 。

由圖1（b）可知，不同處理土壤溫度變化趨勢基本相同，8月3日均相對較高，其中Y處理的最高為 426^°C 。土壤溫度分別在7月20日、8月3日、9月22日時有大幅升高，當日不同處理的平均土壤溫度分別為 38.96，38.97，37.50^°C。

圖1不同處理 0～5cm 土層土壤含水率與土壤溫度變化

2 不同處理土壤 CO₂ 排放特征比較

由圖2（a）可知，各處理土壤 CO₂ 排放趨勢基本一致。玉米生育前期，土壤 CO₂ 排放通量隨玉米生育進程整體呈減少趨勢，7月14日至9月7日排放通量整體呈增加趨勢，9月7日達到峰值后開始下降。各處理土壤 CO₂ 排放通量變化范圍為 1856～17286mg?m^-2?h^-1 。玉米生育期內，土壤出現4次 CO₂ 排放峰值，分別在8月10日、8月21日、9月7日9月22日，且均出現在M處理，分別為 1078.34，1479.45，17286，795.67 mg?m^-2?h^-1 ;土壤 CO₂ 排放通量最低值出現在10月26日時的Y處理，為 1856mg?m^-2?h^-1。

由圖2（b）可知，各處理土壤 CO₂ 累積排放量大小排序為 NPKgt;Mgt;MBCgt;BCgt;CKgt;Y 。Y處理土壤 CO₂ 累積排放量最低，為 12 180.55kg?hm^-2 ;NPK、M處理土壤 CO₂ 累積排放量較高，分別為 ，分別較CK增加127%.10.71% ，均達顯著水平；BC處理土壤的CO₂ 累積排放量為 16808.85kg?hm^-2 ，與CK差異不顯著;MBC處理土壤的 CO₂ 累積排放量為17726kg?hm^-2 ，顯著高于CK，增幅為 5.90% 。CK、NPK、BC、M、MBC處理土壤 CO₂ 累積排放量均顯著高于Y處理，增幅分別為 37.37% ！55.46%.38.00%.508%.45.53% 。

柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著（ Plt;0.05） ，下同。

3 不同處理土壤 N₂O 排放特征比較

由圖3（a）可知，各處理土壤 N₂O 排放趨勢基本一致，隨玉米生育進程整體呈先減少、7月20日后趨于穩定的變化趨勢。灌溉后的6月30日，NPK處理土壤 N₂0 排放通量最高，為360.91μg?m^-2?h^-1 ;7月14日，BC處理土壤 N₂O 排放通量達到峰值，為 259.69μg?m^-2?h^-1 ，MBC處理土壤排放通量也出現明顯增長，較7月6日增加78.95μg?m^-2?h^-1 ： M 處理土壤 N₂O 排放通量在8月3日至10月26日間波動較為明顯，8月17日、9月7日、10月10日出現3次峰值，分別為74.94，74.49，78.11μg?m^-2?h^-1 L

由圖3（b）可知，各處理土壤 N₂O 累積排放量大小排序為 NPKgt;BCgt;Mgt;CKgt;MBCgt;Y 。Y處理土壤 N₂0 累積排放量最低，為 0.61kg?hm^-2 ：

NPK、BC、M處理土壤 N₂O 累積排放量較高，分別為 48，41，16kg?hm^-2 ，分別較CK增加484%，36.80%，100% ，均達顯著水平；MBC處理土壤 N₂O 累積排放量為 0.92kg?hm^-2 ，較CK減少 10.10% ，但差異不顯著。 CK，NPK，BC，M， 號MBC處理土壤 N₂O 累積排放量均顯著高于Y處理，增幅分別為 68.19%，1492%，130.08% 、89.00%.520% 。

圖3不同處理土壤的 N₂O 排放通量及累積排放量

4 不同處理土壤 CH₄ 排放特征比較

如圖4（a）所示，玉米生長季，不同處理土壤 CH₄ 排放量接近于零，多表現為 CH₄ 吸收匯。7月20日時NPK處理土壤吸收 CH₄ 量最多，為 0.93mg?m^-2?h^-1 ，其次為 MBC 處理，為 0.75mg?m^-2?h^-1 ;8月21日，除NPK處理外，其他處理土壤全部排放 CH₄ ，排放量大小表現為 CKgt;Ygt;MBCgt;BCgt;M ，排放量分別為0.68、0.54，0.36，0.23，0.05mg?m^-2?h^-1

如圖4（b）所示，各處理土壤 CH₄ 吸收量大小排序為 Ygt;Mgt;NPKgt;CKgt;BCgt;MBC 。 ΔY 處理土壤CH₄ 累積排放量最小，為 -17kg?hm^-2 ，與CK（ （-04kg?hm^-2 ）、 ）、MBC（-0.18kg?hm^-2） ）處理均差異顯著;除Y處理外，其他處理與CK均表現為差異不顯著。

圖4不同處理土壤的 CH₄ 排放通量及累積排放量

5 不同處理土壤的綜合增溫潛勢與溫室氣體排放強度

由表2可知，不同處理土壤GWP存在顯著差異，Y處理的最低，為 140073kg?hm^-2 ，顯著低于其他處理;NPK處理的最高，為 23350.63kg?hm^-2 ，顯著高于其他處理。與CK相比，NPK、BC、M處理土壤的GWP均顯著升高，MBC處理略有升高但差異不顯著。各處理土壤GHGI變化范圍為87～49kgCO₂-eq?kg^-1 ，BC處理的最低，CK的最高。

表2綜合增溫潛勢（GWP）和溫室氣體排放強度（GHGI）

注：同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著（ Plt; 0.05）。

6 不同處理土壤溫室氣體排放與土壤性狀的相關性分析

由表3可知，土壤 CO₂，N₂O 排放通量與土壤含水率均呈極顯著正相關，相關系數分別為0.35、0.27，與土壤溫度負相關但不顯著；土壤 CH₄ 排放通量與土壤溫度呈顯著負相關，相關系數為-0.23，與土壤含水率相關不顯著。

表3土壤環境因子與溫室氣體排放之間的相關性

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上顯著相關。

3 討論

土壤含水率、溫度等環境因子以及所種植作物生長發育過程中的一系列反應均可影響土壤CO₂ 排放[15]。本研究中，玉米生長前期各處理土壤 CO₂ 排放均較多，且排放動態特征較為相似，在土壤含水率較高時均出現明顯的土壤 CO₂ 排放峰值，原因可能是土壤含水率高使土壤微生物活性增強，或使玉米生長后期根系呼吸強度得到提高。Bruun等[1]研究認為，在影響土壤呼吸作用的眾多環境因子中，土壤溫度以及土壤含水率是影響土壤呼吸作用的最主要因素。本研究中，綜合玉米整個生長季來看，不同碳源處理對土壤 CO₂ 排放的影響存在顯著差異，M、MBC處理土壤 CO₂ 累積排放量均較CK顯著增加。其主要原因一方面可能是因為兩處理向土壤提供了大量碳源，另一方面則是其促進根系生物量以及分泌物增加[17]有研究表明，生物質炭顯著抑制土壤 CO₂ 排放的主要原因是其疏松多孔且含有眾多礦物質，能夠結合土壤中的有機物質形成有機無機復合體，進而減少土壤中微生物對有機碳的分解[18] 。

有研究認為，諸多環境因素中，土壤溫度和含水率對土壤 N₂O 排放有較大影響[19-20]。本研究結果顯示，土壤 N₂O 排放與土壤含水率呈極顯著正相關，這可能是由于土壤含水率提高導致土壤的氧化還原狀況發生改變，進而促進土壤反硝化進程，從而導致土壤 N₂O 排放增加。本研究中，施入生物質炭和牛糞顯著增加鹽堿地土壤 N₂O 排放，牛糞的增加效果低于生物質炭，牛糞和生物質炭混施與不施肥處理并無顯著性差異。這可能是因為施用的有機物料所含碳素的有效性以及含氮量會對土壤氮元素的吸收和釋放產生影響，而牛糞和生物質炭混施導致土壤碳氮比過高，從而影響其反硝化作用[21-22] 。

GWP是評估溫室氣體對氣候綜合增溫效應的綜合性指標。本研究中，不同處理土壤的GWP間存在顯著差異，與CK相比，施肥處理土壤GWP均明顯增加，但施用有機物料和生物炭的提高效果低于化肥，說明施肥提高了鹽堿地的綜合增溫效應。GHGI是評價溫室效應與經濟效應的綜合指標，各施肥處理土壤GHGI相較于CK均顯著降低，但BC與MBC間差異不顯著

4結論

BC處理土壤 CO₂ 累積排放量與CK差異不顯著，NPK、M處理均顯著高于CK，增幅分別為127% ） 10.71% ： NPK，BC，M 處理土壤 N₂O 累積排放量均較CK顯著提高，增幅分別為 484% ！36.80%.100% ，MBC處理與CK差異不顯著；各處理土壤的 CH₄ 均表現為吸收匯，其中MBC處理土壤 CH₄ 累積吸收量最低。牛糞和生物質炭混施可顯著降低鹽堿地土壤溫室氣體排放強度。相關性分析結果可知，土壤含水率主要影響土壤 CO₂ 和 N₂O 的排放，且均呈顯著正相關;土壤溫度主要影響土壤 CH₄ 的排放，二者呈顯著負相關。綜合經濟、生態效益考慮，施用玉米秸稈生物質炭是減少鹽堿地碳排放的較優施肥管理措施。

參考文獻：

［1］寧靜，李亞潔，王震，等.中國糧食主產省區農業碳排放特征及影響因素[J].水土保持研究，2024，31（1）：450-459.

[2]董紅敏，李玉娥，陶秀萍，等.中國農業源溫室氣體排放與減排技術對策[J].農業工程學報，2008，24（10）：269-27

[3]DyerJA，Desjardins RL.Carbon dioxide emissions associatedwith the manufacturing of tractors and farm machinery in Cana-da[J].Biosystems Engineering，2006，93（1） ：107-118.

[4]溫延臣，李燕青，袁亮，等.長期不同施肥制度土壤肥力特征綜合評價方法[J].農業工程學報，2015，31（7）：91-99.

[5]宋震震，李絮花，李娟，等.有機肥和化肥長期施用對土壤活性有機氮組分及酶活性的影響［J].植物營養與肥料學報，2014，20（3）：525-53

[6]姚慧芳，馬秀枝，李順順，等.生物炭對濕地土壤溫室氣體排放影響的研究進展［J]．山東農業科學，2024，56（12）：154-16

［7］王其選，范貝貝，王巍翰，等.土壤改良劑對強酸性土壤中菠菜生長和鎘累積的影響［J]．山東農業科學，2024，56（4）：111-117.

[8]趙榮欽，黃賢金，鄖文聚，等.碳達峰碳中和目標下自然資源管理領域的關鍵問題[J]．自然資源學報，2022，37（5）：1123-1136.

[9]董紅云，朱振林，李新華，等.山東省鹽堿地分布、改良利用現狀與治理成效潛力分析［J].山東農業科學，2017，49（5） ：134-139.

[10]馬丹妮，盛建東，張坤，等.生物質炭和有機肥配施對土壤養分影響的研究進展[J].中國農學通報，2024，40（2）：42-5

[11」葉桂香，史永暉，王良，等.桔桿還田的小麥-玉米農田 N₂O 周年排放的量化分析［J]．植物營養與肥料學報，2017，23（3） ：589-596.

［12］郭艷亮，王丹丹，鄭紀勇，等.生物質炭添加對半干旱地區土壤溫室氣體排放的影響［J].環境科學，2015，36（9）：3393-3400.

[13] Zhang Z S，Cao C G，Guo L G，et al. Emissions of CH₄ and CO₂ （20from paddy fields as affected by tillage practices and crop resi-dues in central China[J]. Paddy and Water Environment，2016，14（1） ：85-9

[14] Solomon S，Qin D，Manning M，et al. Contribution of workinggroup I to the fourth assessment report of the intergovernmentalpanel on climate change，20o7[M].Cambridge：CambridgeUniversity Press，2007：95-12

[15]Fisk M C，Fahey T J. Microbial biomassand nitrogen cyclingresponses to fertilization and litter removal in young northernhardwood forests[J]. Biogeochemistry，2001，53（2）：201-22

[16]BruunS，Clauson-Kaas S，Bobul'skáL，et al.Carbon dioxideemissions from biochar in soil：role of clay，microorganisms andcarbonates[J]. European Journal of Soil Science，2014，65（1） ：52-59.

[17］陳義，吳春艷，水建國，等.長期施用有機肥對水稻土 CO₂ 釋放與固定的影響[J].中國農業科學，2005，38（12）：2468-247

[18］張旭博.中國農田土壤有機碳演變及其增產協同效應［D].北京：中國農業科學院，2016.

［19］張小洪，袁紅梅，蔣文舉.油菜地 CO₂、N₂O 排放及其影響因素［J].生態與農村環境學報，2007，23（3）：5-8.

[20］劉運通，萬運帆，林而達，等.施肥與灌溉對春玉米土壤 N₂0 排放通量的影響[J]．農業環境科學學報，2008，27（3）：997-100

[21]Yao Z S，Zhou Z X，Zheng X H，et al. Effects of organic matterincorporation on nitrous oxide emissions from rice-wheat rotationecosystems in China[J]. Plant and Soil，2010，327：315-330.

[22] Mueller T，Jensen L S，Nielsen N E，et al. Turnover of carbonand nitrogen in a sandy loam soil following incorporation ofchopped maize plants，barley straw and blue grass in the field[J]. Soil Biology and Biochemistry，1998，30（5） ：561-57