施肥對冬小麥土壤溫室氣體排放的影響

楊書運，嚴平，馬友華，戴佳偉，韓輝邦，汪大林，方海義

安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，合肥230036

土壤呼吸不僅是全球碳循環(huán)最重要的組成部分，也是土壤有機質(zhì)礦化速率和異養(yǎng)代謝活性的重要指標[1-3]。據(jù)測算，全球通過土壤呼吸向大氣排放的碳約為68～100 Pg·a-1，比人類每年燃燒化石燃料而釋放的碳總量高約1個數(shù)量級。而農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作為地球巨系統(tǒng)中最大的人工干預生態(tài)系統(tǒng)，其溫室氣體的排放總量必然受到人為因素的影響[3]。

隨著化學肥料的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提高，在耕地面積沒有根本性變化情況下，世界農(nóng)業(yè)產(chǎn)量仍保持一定增長，但對化學肥料的嚴重依賴性一方面使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨巨大的系統(tǒng)行風險，另一方面，包括農(nóng)田溫室氣體排放在內(nèi)的農(nóng)林用地土壤系統(tǒng)的自然物質(zhì)交換體系也發(fā)生了顯著變化[1,4-9]，其碳循環(huán)與呼吸特征的變化對全球變化具有重要影響，有必要展開深入研究。

本文從施肥角度，針對不同施肥處理，研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)春季土壤溫室氣體排放特點，尋求不同施肥措施與土壤溫室氣體排放之間的聯(lián)系，以達到選擇正確的施肥措施來減少農(nóng)田土壤溫室氣體排放量的目的。

1 試驗設(shè)計與儀器

1.1 試驗地概況

本文依托測土配方項目與沿巢湖地區(qū)農(nóng)田養(yǎng)分污染減控與面源污染防控項目，以巢湖市中焊鎮(zhèn)建華村農(nóng)業(yè)綜合試驗站（31°39′N，117°46′E，海拔8 m）不同施肥處理的冬小麥田為研究對象，研究了施肥對土壤溫室氣體排放的影響，試驗站為巢湖圩區(qū)農(nóng)業(yè)熟地，地勢平坦，土壤為潮土，土質(zhì)肥沃，土壤有機質(zhì)含量 34.07 g·kg-1，總氮含量 1.58 g·kg-1，硝態(tài)氮含量 8.98 mg·kg-1，總磷含量 0.78 g·kg-1，有效磷含量25.97 mg·kg-1，有效鉀含量136.31 mg·kg-1，pH 6.99。該地區(qū)以糧食作物種植為主，為稻麥兩熟。

1.2 施肥差異設(shè)置

試驗設(shè)置3個施肥處理和1個空白對照?？瞻讓φ眨–K）不使用任何肥料；常規(guī)施肥（CG）參考巢湖地區(qū)農(nóng)村對冬小麥的一般管理模式，每公頃季施純N 205.5 kg，P2O567.5 kg，K2O 67.5 kg，其中基肥 136.5 kg·hm-2，P2O567.5 kg·hm-2，K2O 67.5 kg·hm-2，追肥施純 N 69 kg·hm-2；優(yōu)化施肥（YH）是結(jié)合根據(jù)國家測土配方項目結(jié)果，針對土壤養(yǎng)分缺失及小麥生長期需要而確定的施肥方案，每公頃施用季純N 210 kg，P2O590 kg，K2O 135 kg。其中基肥施用純 N 126 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2，K2O 94.5 kg·hm-2，加施鋅肥(ZnSO4)15 kg·hm-2；追肥施純 N 84 kg·hm-2，K2O 40.5 kg·hm-2；減氮減磷+水稻秸稈還田（JG）是根據(jù)生態(tài)農(nóng)業(yè)理論，將前茬農(nóng)作物部分秸稈（3000 kg·hm-2）粉碎覆蓋還田，并根據(jù)秸稈秸稈中營養(yǎng)元素的含量減少氮磷肥等的使用量，施肥方案為每公頃季純N 147 kg，比優(yōu)化施氮量減少30%，其中氮肥基肥減少20%，追肥減少10%，即基肥施用純N 84 kg·hm-2，追肥施純N 63 kg·hm-2；每公頃施用P2O545 kg，比優(yōu)化施磷量減少50%；K2O的化肥施用量為K2O的優(yōu)化施用量減去3000 kg水稻秸稈中K2O含量，根據(jù)水稻秸稈中的養(yǎng)分含量為：N 0.63%，P2O50.252%，K2O 1.02%，可知3000 kg水稻秸稈中K2O含量為2.04 kg，所以每公頃需要施用 K2O 104.4 kg。加施鋅肥(ZnSO4)15 kg·hm-2。

每一處理小區(qū)為5 m×6 m，每一處理設(shè)置3個重復。

1.3 溫室氣體采集與測定

在每一小區(qū)的中央附近選擇作物長勢均勻、地表相對平坦的區(qū)域，去除地表面附著物，放置底面積0.072 m2、體積33 L的密閉采樣箱。采樣箱放置10 min抽取約500 mL的氣體，利用Agilent 6820氣相色譜測定樣本的CO2、CH4濃度，測算單位面積溫室氣體排放通量。

樣本采集于3月、4月進行，其中3月11日的采集從6：00持續(xù)到18：00，每間隔2 h采集一次樣本；4月份則只采集上午10：00的樣本，具體又分兩個階段：第一階段4月4日開始持續(xù)7天的連續(xù)采樣，研究孕穗期溫室氣體排放的連續(xù)變化；4月14日開始每隔4天采集一次樣本，研究孕穗-揚花期的動態(tài)變化。

1.4 試驗環(huán)境要素監(jiān)測

在采樣的同時，同步觀測土壤溫度、氣溫、土壤水分質(zhì)量分數(shù)、土壤容重等。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤溫室氣體排放的日變化

由圖1可知，CO2通量具有明顯的日變化，早晚小而中午大，不同施肥處理存在一定的差異。整體上，CK的排放通量最小，其他施肥處理的排放通量均高于 CK。不同施肥處理之間，優(yōu)化施肥的整體排放量最高，秸稈還田處理的變化最劇烈，常規(guī)施肥的排放通量最穩(wěn)定。

圖1 土壤溫室氣體排放的日變化Fig.1 Diurnal variation of soil greenhouse gases emission

CH4通量的日變化則比較缺乏規(guī)律性，所有處理均出現(xiàn)了一定的負值，即表現(xiàn)為土壤凈吸收，其中秸稈還田與常規(guī)施肥全天均處于土壤凈吸收狀態(tài)，優(yōu)化施肥與CK在凌晨表現(xiàn)為凈吸收，在10：00以后開始出現(xiàn)凈排放。

2.2 土壤溫室氣體排放的階段性變化

10：00的CO2與CH4通量變化見圖2。從3月11日到4月10日，CO2通量整體上呈緩慢上升趨勢，但上升幅度不顯著，且期間存在較強的波動性。不同施肥處理之間存在一定的差異。整體上常規(guī)施肥的CO2排放通量最大，其他三種處理相互之間差異較小，而CK的排放通量最小。這說明常規(guī)施肥增加了農(nóng)田系統(tǒng)的CO2排放量，采取適宜的農(nóng)業(yè)措施則有助于減少CO2排放量。與CO2通量不同，從3月11日到4月10日，CH4通量近乎單調(diào)增加，其中4月4—10日的增量小而平穩(wěn)。整體上CK的CH4排放通量最大，優(yōu)化施肥處理（YH）其次，常規(guī)施肥與減量施肥+秸稈還田處理的則相差無幾。這說明不同的施肥處理均有助于減少農(nóng)田系統(tǒng)的CH4排放量，其中又以減量施肥+秸稈還田的減排量最大。

值得注意的是，在3月初的測量中，CH4排放出現(xiàn)負值，即表層土壤對CH4呈凈吸收狀態(tài)，這與CH4的產(chǎn)生機理相吻合，即在較低的溫度條件下，土壤的 CH4產(chǎn)生、排放處于近乎停滯狀態(tài)，因此CH4的產(chǎn)生具有一定的季節(jié)性特征。

冬小麥土壤的 CO2與 CH4排放量存在巨大差異，4月 4—10日 10：00 CO2的平均排放通量比CH4高1個數(shù)量級，以CO2與CH4的氣體變暖潛能值比1∶25計算，冬小麥生態(tài)系統(tǒng)土壤在3～4月排放的CO2的溫室效應(yīng)強度約相當于CH4強度的一般左右，CO2是冬小麥土壤系統(tǒng)排放的主要溫室氣體，但從溫室作用強度角度考慮CH4更重要。

表1 白天的通量平均值與10：00通量比較Table 1 Comparison between the mean value of CO2 and CH4 flux of daytime and 10：00

圖2 土壤溫室氣體排放的階段性變化Fig.2 Phasic variation of soil greenhouse gases emission

2.3 影響土壤溫室氣體排放的主要因素

利用 SPSS13.0分析氣溫、相對濕度、土壤含水率分別與CO2、CH4通量的相關(guān)性，結(jié)果分別見表2、表3、表4。由表2、表3，CO2、CH4通量與空氣相對濕度的相關(guān)性均不顯著，但與施肥處理則比較復雜，其中CK與優(yōu)化施肥的CO2、CH4通量均與氣溫在0.01水平顯著正相關(guān)，且CH4通量的相關(guān)性更強；常規(guī)施肥的CO2通量與溫度在0.01水平顯著正相關(guān)，CH4通量則與溫度的相關(guān)性不顯著；減量施肥+秸稈還田處理的CO2、CH4通量均與氣溫相關(guān)性不顯著。溫室氣體排放通量與溫度呈顯著正相關(guān)與多數(shù)研究的結(jié)果相吻合；與減量施肥+秸稈還田處理的相關(guān)性不顯著表明，提高秸稈還田率、實施生態(tài)農(nóng)業(yè)工程可能是減少農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤溫室氣體排放的重要途徑。

表2 溫濕度與CO2通量的相關(guān)性Table 2 Temperature-Humidity and CO2 flux dependencies

表3 溫濕度與CH4通量的相關(guān)性Table 3 Temperature-Humidity and CH4 flux dependencies

表4 土壤含水率與溫室氣體通量的相關(guān)性Table 4 Soil moisture and greenhouse gas dependencies

由表4，優(yōu)化施肥處理的土壤含水率與CH4通量在0.05水平顯著負相關(guān)，減量施肥+秸稈還田處理與CO2通量在0.05水平顯著負相關(guān)，其余的相關(guān)性均達不到顯著水平。

綜合表2、表3、表4，影響冬小麥土壤溫室氣體排放通量的因素主要有溫度、土壤含水率、土肥管理等，而空氣濕度等因素則對溫室氣體的排放沒有顯著影響。

2.4 春季冬小麥農(nóng)田土壤是溫室氣體的排放

由圖2、表2、表3，3、4月份CO2的排放比較穩(wěn)定，冬小麥農(nóng)田土壤是CO2穩(wěn)定的源，而CH4的排放則相對不穩(wěn)定，在3月份溫度較低時，還可表現(xiàn)為CH4的匯。3～4月份CO2平均排放強度約500 μmol·m-2·min-1，折合3～4月總排放量約44 mol·m-2；CH4平均排放強度比CO2平均排放強度低約1個數(shù)量級，約50 μmol·m-2·min-1，折合3～4月總排放量約4.4 mol·m-2。

施肥措施對溫室氣體的排放有一定的影響，但對CO2和CH4的影響作用不同。與對照相比，施肥可增加CO2的排放、減少CH4的排放。優(yōu)化施肥、減量施肥+秸稈還田、常規(guī)施肥的CO2的排放分別增加約7.59%、3.89%、26.43%，CH4的排放分別減少17.50%、27.33%、29.87%。按照CO2與CH4排放溫室效應(yīng)能力1∶25計算，優(yōu)化施肥、減量施肥+秸稈還田、常規(guī)施肥等三種施肥處理所減少的溫室氣體的氣體變暖潛能值折合成當量分別為256.2、437.0、375.0，相當于比CK的排放CO2體積當量減少12.0%、20.5%、17.6%。這說明，合理的施肥措施可以大幅度減少冬小麥土壤系統(tǒng)的溫室氣體排放，其中又以減量施肥+秸稈還田的減少幅度最大。

3 結(jié)論與討論

（1）春季冬小麥土壤溫室氣體的排放通量整體上與溫度正相關(guān)、與土壤含水率負相關(guān)、與空氣濕度相關(guān)性不顯著，但不同施肥處理之間存在一定的差異。其中優(yōu)化施肥、CK兩處理的CO2與CH4通量與溫度0.01水平顯著正相關(guān)，而減量施肥＋秸稈還田處理的正相關(guān)關(guān)系則不顯著；優(yōu)化施肥處理的土壤含水率與 CH4通量、減量施肥+秸稈還田處理的土壤含水率與CO2通量在0.05水平顯著負相關(guān)，其余的相關(guān)關(guān)系則不顯著。

（2）冬小麥土壤系統(tǒng)一直維持持續(xù)的CO2氣體排放，是CO2的凈排放源；CH4的情況則較為復雜，在較低溫度條件下，土壤可以吸收少量的CH4氣體，隨著溫度的上升開始出現(xiàn)CH4的凈排放。

（3）合理的施肥方式可以減少冬小麥土壤溫室氣體的排放量。與CK相比，優(yōu)化施肥、減量施肥+秸稈還田、常規(guī)施肥等三種施肥處理所減少的溫室氣體排放量，按照氣體變暖潛能值折合成CO2體積當量，分別比CK的排放量減少12.0%、20.5%、17.6%。

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