不同管理措施對濱海鹽漬農田土壤CO2排放及碳平衡的影響①

米迎賓，楊勁松，姚榮江，余世鵬（土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）

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不同管理措施對濱海鹽漬農田土壤CO2排放及碳平衡的影響①

米迎賓，楊勁松*，姚榮江，余世鵬
（土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）

摘 要：為探討不同管理措施對濱海鹽漬農田碳平衡的影響，本文通過玉米-小麥輪作試驗，研究農田土壤的CO2釋放規律，及其農田碳收支狀況。試驗設計6個處理：①常規對照（CK）；②有機肥常量（OF）；③氮肥增施（NF）；④秸稈還田（S）；⑤有機肥加秸稈（OF+S）；⑥免耕（NT）。研究表明，秸稈還田和有機肥的施用增加了土壤呼吸的強度，而免耕處理的CO2平均釋放量最低，不同處理下土壤呼吸總體表現為OF+S ＞ S ＞ OM ＞ NF ＞ CK ＞ NT。各處理土壤有機碳含量隨著作物的收獲逐漸升高，其中OF與NT增加最多，而增施氮肥處理并沒有顯著提高土壤的有機碳水平。各處理間的有機碳含量沒有顯著性差異。在兩季作物種植結束后，各處理的碳輸入均高于碳輸出，均為碳凈輸入，表現出較強的碳匯特征。秸稈還田和單施有機肥的碳凈輸入均顯著高于對照，可有效減緩因農田土壤CO2排放而造成的全球氣候變化問題。

關鍵詞：鹽漬農田；CO2釋放；土壤碳庫；碳平衡

近年來，由于化石燃料的使用和土地利用的變化等人為因素導致了大氣中 CO2濃度的增加，極大程度上改變了地球碳素平衡，引起了全球氣候變化等一系列生態環境問題［1］。土壤是全球碳循環中重要的碳庫之一，據估計，土壤碳儲量約為大氣碳庫的3.3倍，生物碳庫的4.5倍［2］。土壤碳庫與大氣碳庫之間也存在著動態平衡，土壤中有機質的減少會導致大氣中CO2含量的增加。其中，農業對于全球氣候變暖的貢獻約為20%，而農田土壤對溫室氣體減排和固存有著巨大的潛力。

鹽漬土在我國北方廣泛分布，大約20% 的耕作土壤受此影響，并且有逐年增加的趨勢。鹽分在土壤中的運移嚴重影響其物理、化學和生物性質，隨著鹽分含量的增加，會產生嚴重的土壤退化問題。鹽漬化土壤是有機碳庫損失量大、治理后具有巨大固碳潛力的土地類型。濱海鹽漬土壤作為重要的后備資源，廣泛分布于我國沿海的中北部、黃河三角洲和長江三角洲地區，由于受潮汐更替和海水入侵的雙重影響，具有高鹽堿、低養分、高礦化度地下水和地表淡水資源缺乏等特點，同時，氣候變化也導致了海平面上升，海水入浸加劇，引起了一系列的生態環境問題［3］。鹽堿地改良復墾后能夠提供土壤有機碳含量及陸地碳儲量，并且抵消一些人為因素引起的碳排放。段曉南等［4］研究發現沿海灘涂鹽沼的固碳速率遠高于內陸鹽沼。嚴慧峻等［5］通過實施不同有機肥處理方式及不同種植利用方式對黃淮海平原鹽漬土進行改良，結果表明有機質含量低的土壤可以通過一定的施肥提高其含量。范亞文［6］通過種植耐鹽植物的措施來改良東北地區的鹽堿土，發現施有機肥既可以制約鹽堿，又可以增加土壤有機質。目前在我國的相關研究主要集中于對鹽漬化農田土壤性質和結構的改良、作物產量的提高以及增碳措施的管理，然而，對鹽漬土壤碳排放與碳循環的影響，尤其是對土壤固碳與減排相結合的研究則相對較少。

江蘇灘涂面積巨大，已成為重要的后備土地資源。因此，科學合理地利用鹽漬土資源對減緩土壤中溫室氣體的排放，提高土壤質量，有著重要的理論和現實意義。同時可以為濱海鹽堿農田的固碳效應評價和灘涂土地資源的合理利用提供科學依據。本研究通過對鹽漬土壤改土抑鹽和固碳增匯相結合的研究，合理設計鹽漬土壤的農業管理措施，達到既能提高鹽漬土農田生態系統的固碳潛力，又能增加鹽漬土壤的改良效果和作物生產量的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于江蘇省東臺市黃海原種場研究基地（32°38′N，120°52′E），選取的試驗區代表當地土地利用的區域特征，農場圍墾于1999年。該區地處亞熱帶季風氣候區，具有明顯的海洋性季風氣候特征，四季分明，年平均氣溫 15℃，相對濕度81%，風速2.8 m/s，年均日照時間2 130.5 h，全年無霜期213天。該區常年平均降雨量 1 061.2 mm（2000—2013年），約68% 降水量集中于6—9月，年平均蒸發量1 006.7 mm。

1.2 試驗設計

選擇具有均一土壤性質的地塊劃分試驗小區，試驗前土壤基本性質見表1。試驗于2013年6月至2014 年5月，采用玉米-小麥輪作種植方式，夏玉米 2013 年6月底播種，10月收獲；冬小麥11月播種，2014 年5月底收獲。試驗設計6個處理：①常規對照（CK）；②有機肥常量（OF），施用量為1.5 t/hm2；③氮肥增施（NF），施用量為常規施肥量的150%；④秸稈還田（S），還田量為5 t/hm2；⑤有機肥加秸稈（OF+S），有機肥施用量為1.5 t/hm2，秸稈還田量為5 t/hm2；⑥免耕（NT）。為了使處理間施肥水平保持一致，除處理NF外其余各處理在作物全生育期內施肥量相同，氮肥210 kg/hm2，磷肥99 kg/hm2，包括基肥和追肥；處理NF氮肥施用量為315 kg/hm2，磷肥99 kg/hm2。每個處理設置3個重復，隨機排列。還田的秸稈在玉米季為小麥秸稈，小麥季為水稻秸稈，作物收獲后粉碎翻入土壤。施用的有機肥為商品有機肥。

表 1 供試土壤理化性質（0 ～ 40 cm）Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

1.3 土壤樣品采集與分析

土壤樣品于作物種植前和收獲后，在各小區內隨機采點，采樣深度為0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 30、30 ～40 cm。所采樣品除去植物殘留后裝于采樣袋，經自然風干，過20目篩。將土樣完全混合后分取少量過100目篩。土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀外加熱法［7］；全氮的測定采用凱氏定氮法［7］；土壤體積質量的測定采用環刀法。

1.4 土壤呼吸的測定

土壤呼吸的測定于2013年7月至2014年5月之間進行，采用靜態箱鈉石灰吸收法［8］。此方法原理是通過含有NaOH和Ca（OH）2的鈉石灰吸收土壤排放的 CO2而發生的化學反應，吸收前后將鈉石灰烘干至恒重，計算所稱取的質量差值（精確至0.1 mg）即為CO2排放量。在田間測定之前，將裝入玻璃培養皿中的50 g鈉石灰顆粒于105℃ 烘干14 h至恒重，隨即密封防止外部空氣進入，帶至田間。清除測定點土壤表面作物殘留和地上部植物，將烘干的鈉石灰用8 ml水潤濕，并把培養皿置于三角鐵架上，鐵架上方倒扣PVC圓筒（直徑30 cm，高11 cm，厚度約2 mm，非透明，為了避免陽光直射后影響桶內溫度），將圓筒下邊緣旋入土壤2 ～ 3 cm，以避免筒內外空氣交換。確保鈉石灰在圓筒中暴露7天整。實驗過程中同時將3個裝有鈉石灰的培養皿分別置于完全封閉的 PVC圓筒內，作為空白對照。7天后取出培養皿，帶回實驗室于105℃ 烘干14 h后稱重。每兩星期測定一次，如遇天氣的影響則推后，連續測定夏玉米和冬小麥的土壤呼吸。

土壤CO2釋放量根據如下公式計算：

式中：Rs為測定期間土壤CO2釋放量（C，g/（m2·d））；ΔW為鈉石灰吸收前后的質量差（g）；A為吸收面積，即圓筒的表面積（m2）；1.69是校正系數。

1.5 土壤及植株碳含量的測定與計算

玉米收獲后，在各小區內隨機選取 8株完整的（包括根系）植株；小麥收獲后，選取 24株。地上部殺青并烘干至恒重，根系洗凈后烘干至恒重。作物地上部植株與地下部根系有機碳的測定均采用重鉻酸鉀外加熱法［7］。

土壤碳庫 = 耕層土壤體積 × 耕層土壤體積質量 × 土壤有機碳含量

作物植株固定碳量（Ct）為地上部植株固定碳量（Ca）與地下部根系固定碳量（Cr）之和。作物地上部植株固定碳量為：

式中：Y為作物生物量干物質重（kg/hm2）；0.40為本試驗所測定的地上部植株含碳量（%）。

作物地下部根系固定碳量為：

式中：Y為作物生物量干物質重（kg/hm2）；P為根系分配系數，本文P取0.30；0.35為本試驗所測定的地下部根系含碳量（%）［9］。

1.6 統計分析

數據處理用 SPSS 16.0和 Excel 2010軟件分析，所有數據的測定結果均以平均值 ± 標準差的形式表示，用Tukey進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 作物生育期內土壤CO2釋放量

不同管理措施下土壤 CO2的釋放規律如圖 1所示。從圖中可以看出，在夏玉米種植開始至次年冬小麥收獲結束期間，各處理土壤 CO2釋放量的季節變化基本趨于一致，均表現為夏季高，冬季低。在夏玉米種植后，隨著作物的生長以及溫度的升高，土壤 CO2的排放量不斷增加，并在 8月中上旬達到最大值，其中 OF+S處理最高，為6.14 g/（m2·d）；隨著作物的生長，土壤CO2釋放量呈現下降的趨勢，除在9月23日出現小幅回升。冬小麥由于受種植季節和生育期限的影響，土壤CO2釋放量呈現先穩定后緩慢上升的趨勢。兩季作物的碳釋放均在拔節期升高，并在灌漿期達到最大值，玉米季的累積土壤呼吸強度比小麥季高約25%。

不同管理措施對土壤 CO2釋放量影響顯著。與對照相比，秸稈還田和有機肥的施用增加了土壤呼吸的強度，其中秸稈還田與有機肥施用相結合的處理釋放量最高，土壤平均釋放的CO2達到3.32 g/（m2·d）；而免耕處理的平均釋放量為2.10 g/（m2·d）。在全生育期內，氮肥增施處理并沒有明顯增加土壤呼吸強度，不同處理下土壤呼吸總體表現為OF+S ＞ S ＞ OF ＞NF ＞ CK ＞ NT。為進一步研究不同管理措施對土壤呼吸的影響，對各處理進行差異顯著性檢驗，玉米季OF和NF處理土壤CO2釋放量差異不顯著，其余各處理之間均有顯著差異；在小麥季結束后各處理之間均呈現顯著性差異。

圖1 作物生育期內土壤CO2釋放量的季節變化（2013年7月至2014年5月）Fig.1 Seasonal variations of soil CO2fluxes during croping season

2.2 不同處理下土壤有機碳含量與碳庫變化

不同管理措施下0 ～ 40 cm土層有機碳含量的變化如圖2所示。試驗前土壤的有機碳含量與其他類型的土壤相比較低，在優化種植措施下，各處理土壤有機碳含量隨著作物的收獲逐漸升高，導致土壤碳庫相應增加，如表 2所示，說明該土壤具有碳匯的功能。其中OF與NT處理增加最多，S處理次之，玉米季結束后NT處理增加了約33%，小麥季結束后OF處理增加了約53%；而土壤有機碳含量最高的是OF+S處理，對照則最低。增施氮肥并沒有顯著提高土壤的有機碳水平，免耕和施用有機肥可以促進碳在土壤中的累積。在兩季作物種植結束后，各處理間土壤的有機碳含量沒有顯著性差異。

圖2 作物收獲后不同處理對土壤有機碳（0 ～ 40 cm）含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil organic carbon （0-40 cm） after harvest

表2 不同處理土壤CO2累積釋放量和碳庫變化（kg/hm2）Table 2 Cumulative emission of CO2and changes in soil corbon storage in different treatments

2.3 植株碳庫

由表 3可知，施用有機肥和秸稈還田明顯提高了作物植株地上部和地下部的生物量，從而增加了植株各部分對碳的固定。而免耕處理并沒有顯著增加作物生物量和固定碳量。與對照相比，施用有機肥和秸稈處理的作物總固定碳量分別增加了41% 和52%，而兩者配施效果更加顯著。免耕處理的作物總固定碳量僅比對照增加了18%，同時，增施氮肥并沒有顯著提高作物的固碳能力。

表3 作物地上部和地下部固定碳量（kg/hm2）Table 3 Carbon sequestration by crops in aboveground and underground parts

3 討論

3.1 土壤CO2的釋放

在作物種植初期，土壤CO2的釋放量相對較少，隨著作物的不斷生長以及氣溫的升高，CO2的釋放量隨之增加，在作物灌漿期達到最大值，隨之逐漸減少。在冬小麥種植季節的12月份到翌年2月份，土壤呼吸相對穩定。影響土壤呼吸比較重要的因子包括土壤溫度和水分狀況，主要是由于土壤中微生物的活性主要受這兩個因素的影響，而 CO2的釋放是微生物分解土壤中的有機物質的結果。在本研究中，試驗區夏季氣溫逐漸升高，土壤呼吸作用強度較高出現在 7月下旬至8月下旬，該時期日平均氣溫高于32℃，同時降水量達到全年最大值，溫度和水分狀況的改變有效地促進了土壤中微生物的活性上升，開始分解作物殘留和土壤中的碳源，CO2的釋放也隨之增加；而冬季氣溫低且比較穩定，降水較少，抑制了土壤中微生物的活性，CO2的釋放量相應較低。

土壤中鹽分含量的升高也會對微生物的活性產生抑制作用，從而降低了微生物分解有機質的速率，減少了土壤中 CO2的排放［10］。在本試驗中，供試土壤屬于中等鹽漬化土壤，在春夏季，由于降水量較大，表層土壤的鹽分被淋洗至土體下層，鹽分降低后微生物活性增強，加上上述兩個因素，均有利于土壤呼吸作用的增強；在秋冬季節，隨著降水量的減少，土壤中的鹽分隨著水分的蒸發被帶至土壤表層，從而限制了微生物的活性。

農田土壤施用有機物質導致土壤呼吸作用的增強已經被許多相關研究所證明。在作物生育期期間，秸稈還田處理和施用有機肥與對照相比土壤 CO2的釋放量差異較大，其主要原因是隨著有機物質的輸入，土壤中的碳源增加，這為微生物分解提供了基質，在適宜的溫度和水分條件下，使得 CO2的釋放量增加。本試驗發現，增施氮肥處理對土壤 CO2的排放影響不顯著，這可能是由于影響土壤呼吸的因素較多，氮肥的施用效應較為復雜［11］。黃斌［12］認為，在施用氮肥的較短時間內，土壤 C/N下降，有利于土壤有機碳的礦化過程，因此土壤CO2的釋放量增加。本試驗中可能是土壤含碳量極低，碳氮比小，從而氮肥對有機質分解的促進有限，所以在作物的整個生育期施用氮肥對增強土壤呼吸作用并不明顯。

保護性耕作，如少耕免耕，可以減少對土壤的擾動，增強土壤的團粒結構，增加土壤有機質含量，并降低土壤中穩定的有機物質的礦化速率，減少 CO2的排放［13］。本研究中，免耕減少了 CO2的釋放，這與多數研究基本一致。但同時也有研究結果表明，免耕并沒有顯著增加 CO2的釋放，可能是由于免耕提高了土壤表層的有機質含量和酶活性，彌補了與耕作土壤碳排放的差異，也可能由于受采樣時間的影響［9，14］。也有耕作實驗顯示，免耕促進了土壤CO2的釋放，可能是因為免耕增加了土壤的水分含量，保持了土壤溫度，從而提高了碳的礦化水平［15］。

目前有很多國內外研究學者應用鈉石灰堿吸收法進行土壤的 CO2測定。該方法有一定不利因素，如在圓筒放置時對土壤有輕微擾動，增加了原點位的土壤含水量，影響地表土壤O2和CO2的流動變化，并且改變了土壤溫度，但該方法能夠在設定時間內持續監測土壤 CO2釋放，且操作簡單，試驗成本低，可利用一定的重復以消除土壤空間變異對測定的影響［12］。另外，試驗所采用的烘干時間、鈉石灰使用量、測定重復數和測定時間都經過學者的研究論證，為合理的選擇，可在一定程度上抵消測定方法帶來的誤差［16］。

3.2 土壤有機碳含量、土壤與植株碳庫

土壤固定的有機碳主要來自于作物殘留和外源有機物質的輸入，大量有機物質的輸入通常會產生更高的有機碳含量。在本研究中，隨著不同管理措施的應用產生了不同的土壤有機碳含量。在鹽漬土中，土壤表層鹽分含量升高會抑制土壤結構的更新，降低土壤團聚體的穩定性、有機碳的存儲和生物量的產量［17］。在本研究區域的相關研究中，侯曉靜等［18］認為與傳統耕作相比，免耕能使土壤有機碳含量增加 18% ～ 32%。鹽漬土壤通常以促進分散團粒的結合，增加作物生物量來改良土壤，通過物理保護和阻止微生物分解來增強土壤顆粒的團聚，從而增加有機碳的固定。本試驗中土壤有機碳的變化有其特殊性，即土壤起點有機碳含量非常低，約為正常土壤的十分之一，但經過一年的試驗之后土壤有機碳含量明顯增加，一方面可能是由于秸稈還田和有機肥的施用在短期內提供了基質碳源，使得土壤中有機碳的含量在短時間內顯著提高；另一方面，隨著管理措施的利用，改善了土壤結構，增加了碳的儲存，使得有機碳含量升高［19］。免耕處理由于減少了對土壤的擾動，從而減少了土壤中有機碳的氧化和分解速率，增加了其含量。本研究發現，氮肥的施用沒有顯著增加土壤有機碳的含量，可能的原因是與本試驗的采樣時間有關，試驗中所施用的氮肥主要是尿素，易于揮發，而土壤樣品的采集時間是作物收獲后，因此可能在作物整個生育期內對提高有機碳含量效果不明顯。

在兩季作物種植結束后，各處理之間的土壤有機碳含量并沒有顯著性差異，表明在作物的試驗種植過程中，土壤中有機碳的分解率低，碳基質的轉化速率慢［20］。因此需要開展長期持續的相關試驗，以揭示各管理措施對土壤中有機碳和鹽分的影響。

在鹽漬化土壤中，影響作物生長的主要障礙因子為土壤鹽分含量。在本試驗中，隨著秸稈和有機肥料的加入，使得土壤表層鹽分含量下降，可能是由于商品有機肥明顯改善鹽漬化農田的理化特性［21］，從而促進了作物地上部和地下部的生長，這可能是由于作物秸稈在起分解的過程中，促使土壤顆粒團聚體的形成，有效地改善了土壤結構，通氣性增加；而有機肥可以阻止土壤結構惡化［22］。因此，秸稈和有機肥良好的養分供給和土壤改善功能［23］降低了土壤體積質量，提高其導水率，增加了鹽分的滲漏，促進了作物的生長，使得作物地上部和地下部固定碳量明顯高于對照。

3.3 碳平衡的估算

土壤中碳的平衡包括土壤固定碳量、作物植株固定碳量以及土壤釋放的 CO2等。其中，土壤碳庫和作物植株固定的碳量為碳輸入，而由于本試驗均為旱旱輪作，土壤釋放的CO2則為碳輸出。由表4可知，在兩季作物種植結束后，各處理的碳輸入均高于碳輸出，使得各處理均為碳凈輸入，表現出較強的碳匯特征。秸稈還田和施用有機肥的碳凈輸入均顯著高于對照，說明兩種處理通過提高土壤有機碳含量和作物生物量來增加農田系統的碳輸入。同時，免耕處理的碳凈輸入也相對較高，表明免耕能使土壤積累更多的有機碳而排放更少的CO2。此外，從表中可以看出，有機肥與秸稈配施的凈固碳量要低于單施處理和農田免耕，可能的原因是雖然配施處理增加了土壤碳輸入量和作物的生物量產量，但是同時也提高了土壤的CO2排放量，導致了土壤的碳凈輸入較低。在本研究中，增施氮肥與傳統施肥相比增加了土壤中碳的凈輸入，但與其他單項管理措施相比效果不明顯。

表4 不同處理碳收支及平衡估算（kg/hm2）Table 4 Assessment of carbon budget in different treatments

通過本輪試驗研究，建議考慮應用秸稈還田、施用有機肥和農田免耕措施來增加土壤中有機碳的含量，提高鹽漬農田生態系統的碳匯能力，以減緩因農田土壤CO2排放而造成的全球氣候變化問題。

4 結論

1） 所有處理與對照相比均增加了土壤的碳庫容量，同時也提高了鹽漬農田土壤 CO2的排放水平，其中以秸稈還田和有機肥處理最為顯著。

2） 農田免耕可以降低CO2的釋放，同時增加土壤中有機碳的含量。

3） 秸稈還田、有機肥的施用和農田免耕處理提高了鹽漬農田系統碳的輸入，表現出較強的大氣碳匯的功能。

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中圖分類號：S19；X37

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.020

基金項目：①國家自然科學基金項目（41171181）資助。

* 通訊作者（jsyang@issas.ac.cn）

作者簡介：米迎賓（1984—），男，吉林白城人，博士研究生，主要從事鹽漬土壤改良利用與碳平衡的研究。E-mail：ybmi@issas.ac.cn

Effects of Different Managements on CO2Emission and Carbon Balance in Coastal Saline Soils

MI Yingbin， YANG Jinsong*， YAO Rongjiang， YU Shipeng
（State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture （Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences）， Nanjing 210008， China）

Abstract:To evaluate the effects of different management measures on carbon balance in the inshore saline farmland， field maize-wheat rotation experiments were conducted to study CO2emissions and corbon balance under different management measures.The treatments were: 1） conventional control （CK）； 2） application of organic fertilizer （OF）； 3） the increase of nitrogen fertilizer （NF）； 4） application of straw （S）； 5） application of organic fertilizer and straw （OF + S）； 6） no tillage （NT）.The results showed that the measures of straw returned and organic fertilizer application increased the intensity of soil respiration， and the no-tillage led to the minimum average CO2efflux.The average carbon emission rate under different measures followed the order: OF+S ＞ S ＞ OM ＞ NF ＞ CK ＞ NT.As crops harvest， soil organic carbon content increased in each treatment， and OF and NT led to the greatest increase in soil organic carbon， while NF did not significantly raise the level of soil organic carbon.The difference of soil organic carbon among different treatments was not significant.After the two cropping seasons， the carbon input was higher than carbon output in each treatment， which led to the net carbon input， showing the strong characteristics of carbon sink.The corbon net inputs in the treatments of S and OF were significantly higher than CK.These measures can effectively slow down the global climate change caused by the CO2emissions from farmland soils.

Key words:Saline farmland； CO2emission； Soil corbon pool； Carbon balance