麥田間作大蒜減排溫室氣體：兼顧經濟環境效益

陳素云，吳洪生，李 季，姚東良，趙 月，陳凱凱

(南京信息工程大學 應用與氣象學院農業資源與環境系，南京 210044)

麥田間作大蒜減排溫室氣體：兼顧經濟環境效益

陳素云，吳洪生，李 季，姚東良，趙 月，陳凱凱

(南京信息工程大學 應用與氣象學院農業資源與環境系，南京 210044)

為應對氣候變化，實現農業減排，發展生態農業，提高土地資源利用率，于2013-2014年在南京信息工程大學農業氣象試驗站，進行冬小麥-大蒜間作小區溫室氣體減排試驗，研究冬小麥間作大蒜對麥田CH4排放通量的影響，并對其經濟與環境效益進行比較分析。結果表明：對冬小麥生長，冬小麥田間作大蒜能分別提高小麥植株鮮質量、穗質量、千粒質量134.67%、2.20%、3.51%；與對照單作小麥處理相比，間作大蒜處理下單位面積農田投入與產出比從1∶9.8提高到1∶16.7，即在相同投入成本的情況下，產出提高70.41%；對小麥間作大蒜處理下，在小麥抽穗期和灌漿期，比對照處理的土壤CH4排放通量分別減少38.35%、16.59%；在小麥整個生長季內，土壤CH4排放通量累計減少了53.45%。研究顯示，大蒜-小麥種植模式，不僅可以提高冬小麥的產出，還同時減少土壤CH4的排放，減緩溫室效應，具有節能減排、提高經濟環境效益雙重功能，是發展可持續生態農業的一個重要途徑。

冬小麥；大蒜；CH4；經濟效益；環境效益

隨著溫室氣體排放的不斷增加，氣候變化問題越來越受到人類的廣泛關注，并已經成為公認的全球性問題。IPCC第4次評估報告中指出[1]：近百年來，全球平均溫度的不斷升高很可能是由于人為排放溫室氣體總量的不斷增加所引起的，并且從2003年至2012年全球陸海平均氣溫比1850-1900年升高約0.78 ℃。

大氣中的CO2、甲烷(CH4)和N2O濃度不斷增加，導致全球氣溫不斷上升。《京都議定書》將CH4作為限制排放的溫室氣體之一[2]。以痕量排放到大氣中的CH4對氣候變化產生的影響僅次于CO2，位居第二，但其產生的溫室效應-輻射增溫潛力卻是同單位質量CO2的20～30倍[3]。中國農業領域CH4排放比重占總人為排放的20%左右，農田作為大氣中溫室氣體CH4的排放源和吸收匯，制定合理有效的農業減排措施對減少農田土壤溫室氣體的排放具有深遠意義。

農田溫室氣體減排技術逐漸成為農業可持續發展研究的熱點問題之一。有研究[4]表明農田土壤CH4的釋放與土壤中生物媒介的氧化反應相關，在好氣條件下被甲烷氧化菌氧化，在厭氧條件下又可以通過土壤微生物分解土壤有機質而釋放到大氣中。目前很多研究[5-6]都只是將耕作制度、田間管理措施與溫室氣體減排效應相結合。王丙文等[7]在研究麥田不同留茬高度時發現，CH4的吸收通量隨著秸稈還田量的增加而逐漸降低，從循環農業和生態農業的角度看，當常規耕作方式下秸稈留茬0.5 m還田時，麥田CH4吸收通量效果最明顯。劉全全等[8]研究表明：影響土壤CH4變化通量的主導因素是土壤的水分狀況；王丙文等[7]研究表明：從環境效益和土壤保護兩方面看，耙耕和旋耕這2種耕作方式可以有助于土壤CH4的氧化吸收。

但利用傳統的農業管理措施之一的間作模式來減少溫室氣體排放的研究卻鮮有報道。間作指在一塊地上，按照比例分行或者分帶種植2種及以上生長季節接近或相同的作物[9]。通過合理的間作不僅可以提高作物充分利用光能、溫度、水分等自然條件的利用效率，還可以獲得比單作多的收獲量。張向前等[10]研究發現：將玉米與花生或大豆間作可以明顯增加玉米的經濟效益以及生物產量。黃堅雄等[11]研究發現將玉米和大豆間作能夠顯著降低土壤N2O排放，但對于土壤CH4通量并無顯著影響。尚小廈等[12]將板藍根與冬小麥間作，能夠增加小麥生物量，并且能夠促進溫室氣體CH4的吸收通量。所以從保護環境和農業增收的角度出發，研究出更多間作模式對土壤溫室氣體CH4排放的影響十分重要。

大蒜(Alliumsativum)是多年生草本植物，屬于百合科蔥屬，為香辛類蔬菜，不僅可以食用或者用于調味，亦可入藥[13]。中國作為世界上大蒜生產面積最大的國家，每年生產面積大約80萬hm2[14]。自1844年以來，全球的藥學家和化學家陸續開始研究大蒜的化學成分及其降解產物發現：不同產地、品種的大蒜在含量上有所不同，但是化學成分相同[15-16]。并且大蒜根系分泌物可以為根系微生物的生存、繁殖提供所需要的營養物質和能量來源，也很可能會抑制土壤中其他微生物的正常生長繁殖[17]。

對于大蒜在醫學上的研究表明：大蒜的藥理和保健功能與其所含的特殊功能成分有關，其中包括具有抗菌消炎、提高機體免疫力、預防以及治療心血管、防治腫瘤等多個方面的功能[18-19]，大蒜已成為國內外近幾年來研究的熱點。但是目前對于大蒜的研究也僅僅主要集中在藥理學和其化學成分的研究上，在其他方面的研究甚少。本研究以冬小麥-大蒜間作為例，提出科學假設：從大蒜分泌的殺菌物質可能會抑制小麥田產CH4的各種菌類以及微生物的生長和活動，由此抑制或破壞CH4的產生途徑從而減少土壤CH4的產生。通過研究在不同生育期小麥的生物量、最終產量以及土壤CH4通量等指標，初步揭示間作措施下的農田溫室氣體減排潛力。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及試驗材料

試驗作物包括小麥與大蒜，小麥品種為‘寧麥13號’(江蘇中江種業公司)，大蒜苗采購于南京市浦口區盤城菜場內。

本研究在南京信息工程大學農業氣象試驗站內農田(前作物為玉米)進行，供試土壤屬于壤質黏土的黃棕壤土，試驗前對土壤理化性質[20]進行分析，見表1。試驗小區在東經118°49′、北緯32°08′，位于亞熱帶季風氣候區，春暖秋涼，夏熱冬寒，光照充足，氣候濕潤，雨水充沛，多年平均溫度為15.6 ℃。

表1 試驗土壤基本理化性質Table 1 Soil physicochemical properties

試驗所用PVC材料制成的靜態箱(50 cm×50 cm×110 cm)是由底座、箱體和上蓋3個部分構成。

1.2 試驗設計

主要通過田間小區試驗進行試驗，研究間作大蒜對小麥生長和CH4排放的影響，其中，試驗小區的規格為：小區面積16 m2(4 m×4 m)，四周筑埂，埂寬50 cm，高20 cm。試驗共設2個處理，每個處理設置3個重復，分別為：(1)對照：45%復合肥900 kg/hm2+小麥(簡寫成FW)；(2)45%復合肥900 kg/hm2+小麥+大蒜(簡寫成FWA)。單作小麥施肥(FW)處理小麥種植間距為10 cm，小麥與大蒜間作處理(FWA)種植間距為15 cm，單位面積小麥用量、大蒜苗移栽量分別為155.47 kg/hm2(間作用量減半)、1 031.25 kg/hm2。施肥處理在播種前基施900 kg/hm2復合肥(中東化肥公司)，總質量分數為45%(N+P2O5+K2O=45%)。2014-04-26所有施肥處理追施尿素75 kg/hm2。

2013-10-20分別播種小麥、移栽大蒜苗，播種之后一次性將小區內土壤灌透水分，保持其他田間管理措施均一致，并保證每個集氣箱底座內(50 cm×50 cm)有30株麥苗和10株大蒜苗。2013-11-10小麥出苗。2014-05-26收獲。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 植物樣品采集與分析 收獲計算小麥以及大蒜頭產量；測定各處理小麥生物量(株高、穗長等指標)，然后脫粒，爆曬并依次裝袋，適當剔除癟粒后計算小麥千粒質量。

1.3.2 氣體樣品采集與分析 溫室氣體采集分析采用靜態暗箱-氣相色譜法測定溫室氣體CH4的通量[2]。11月10日出苗后，在每個小區內選取作物長勢均勻的區域(50 cm×50 cm)，將底座固定于土壤中，并在箱體內懸掛溫度計，記錄采樣前后箱內的溫度變化以計算靜態箱內采樣時的平均溫度。待小麥平均株高為15 cm左右時(2014-01-05)開始采集氣樣，平均每4～5 d采集1次氣樣，并且將每次采集氣樣的時間控制在當天9:00-11:00，春節前后冬小麥氣體采集間斷2周左右。每次采集氣樣前，先在底座和箱體的凹槽內加水，再將箱體、上蓋依次水平疊放，以保證集氣箱的密封性。具體采樣步驟和注意點參考文獻[12,20]。

采集氣樣當天用Agilent7890A氣相色譜儀[21]分析氣體CH4通量。系統配置以及參數參照尚小廈等[12]研究。根據氣體濃度隨時間變化計算單位面積的氣體交換量，以計算小麥田間溫室氣體CH4的排放通量。CH4通量按下式計算[22]：

F=60×H×(16×1.103)/[8.314×(273+T)]×dc/dt

式中：F代表被測氣體流通量[mg/(m2·h)]；H代表靜態箱的箱內高度(m)；dc/dt代表靜態箱內CH4的濃度變化率；T代表采樣過程中靜態箱內的平均溫度(℃)；常數16為氣體CH4摩爾質量；常數1.013為理想氣體標準狀態下的空氣密度；常數8.314為普適氣體常數。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0軟件對試驗數據進行處理、作圖和統計分析，采用單因素ANOVA方差分析檢驗處理間的差異顯著性(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 間作大蒜對小麥生長以及產量的影響

由圖1可以看出，麥田間作大蒜對小麥株高、鮮質量、穗長、穗質量的影響效果均為：FW

2.2 間作大蒜對麥田CH4排放通量的影響

由圖2可知，在冬小麥的整個生育期，氣溫和土溫的變化趨勢與CH4通量的變化趨勢情況：在小麥拔節期(出苗后80 ～110 d)和抽穗期(出苗后110～140 d)隨著環境溫度的升高，CH4排放通量越來越小，但是在小麥生長初期和末期，CH4通量與變化溫度的關系并不明顯。

從圖2中還可以明顯看出，冬小麥田CH4的排放通量依次為：FW>FWA。間作大蒜對麥田土壤CH4排放通量的影響明顯低于單作處理，推測冬小麥田間作大蒜能夠改變土壤中的產甲烷菌或者甲烷氧化菌的活性。

不同字母表示在0.05水平上差異顯著 Different letters above the column chart meant significant difference among treatments(P<0.05)

圖1 不同種植模式的小麥生物量
Fig.1 Wheat biomass in different cropping patterns

*為采樣前后3 d內有降水情況 *meant rainfall during sampling within 3 days

2.3 冬小麥-大蒜間作體系下環境與經濟效益分析

根據2015年金谷糧食網(http：//www.82158.com/xiaomai/price.php?diqu=江蘇)以及2016年南京價格信息網(http://www.njprice.com)公布的江蘇小麥種子、復合肥、大蒜的市場價格及小麥、大蒜球莖市場交易價格數據顯示：小麥購買、出售單價分別為5元/kg、2.47元/kg，大蒜苗的購買、大蒜球莖的出售單價分別為8元/kg、16元/kg，根據以上數據計算出常規施肥情況下，單作小麥處理(FW)以及間作大蒜處理(FWA)種植小麥和大蒜的投入成本情況(表2)。

表2 冬小麥田間作大蒜投入成本Table 2 Input of cost of intercropping winter wheat with Allium sativum

通過查閱2016-01-01-2016-04-01中國碳排放交易網(http://www.tanpaifang.com)，計算出我國北京、上海、深圳等5個主要碳交易所的平均價格為25.85元/t(單位質量CH4的增溫潛勢是單位質量CO2的約25倍[3])。這樣計算出間作大蒜對冬小麥田的經濟和環境效益的影響分析，利用“投入與產出比”來表示經濟效益，見表3。

根據表3中數據顯示，冬小麥間作大蒜麥田的投入與產出比為1∶16.7，與單作小麥相比提高70.41%，增加農田經濟效益。因此，大蒜與冬小麥間作，既能減少土壤CH4排放通量，還可以增產小麥和大蒜，增加經濟和環境效益。

圖3可以看出單作小麥和間作大蒜2個處理分別在抽穗期、灌漿期2個階段的土壤CH4總通量。通過比較發現，在常規施肥情況下，間作大蒜使得冬小麥在抽穗期和灌漿期2個階段土壤CH4排放分別減少38.35%、16.59%，小麥抽穗期的減排效果明顯大于灌漿期；冬小麥整個生長期間作大蒜土壤CH4排放通量與單作相比減少53.45%，說明在冬小麥田間作大蒜能夠減少CH4的排放通量，具有很好的環境效益。

表3 間作大蒜對冬小麥田經濟效益的影響Table 3 Impact of phosphogypsum on the economic benefits in wheat field

圖3 冬小麥田間作大蒜的環境效益比較Fig.3 Comparison of environmental benefits of winter wheat field intercropping with Allium sativum

3 討 論

間作是一種可以在時空上充分利用各種農業資源、自然資源等的栽培模式，是農業生產過程中經常采用的種植模式。間作不僅能提高單位面積內的作物產量以增加農民的收入，也能促進農業可持續發展。陳阜等[23]通過冬小麥、春玉米、夏玉米多熟間套模式的研究，發現單產水平和光熱資源利用率增加約20%，說明間作可以較高的提高資源利用率和生產潛力。張娟等[24]研究發現，增加種植密度能夠提高農作物對氮素的吸收能力，以增強小麥利用氮素進行籽粒生產的能力，從而獲得更高的籽粒產量，故冬小麥田間作大蒜能夠顯著提高小麥的鮮質量、千粒質量。間作對農作物的產量及品質的影響主要在于改變作物系統的內環境以及土壤環境[25]。宋亞娜等[26]研究發現間作模式相對于單作能夠明顯提高作物根系土壤的菌落多樣性，進而使得根際細菌群落結構組成產生變化；張繼光等[27]和張向前等[10]研究證明土壤微生物的數量多少和酶活性關系有顯著或極顯著正相關，并且兩者相互影響。尚小廈等[12]在試驗中還發現與單一種植冬小麥相比，冬小麥與板藍根間作，能顯著提高冬小麥的產量，還可以減少土壤CH4的排放量。

施肥處理土壤CH4排放通量大于不施肥處理，說明施肥不僅改變了土壤中微生物的區系和活性，而且能夠加快土壤中有機質的分解速率，進而提供充足的產甲烷基質供產甲烷菌消耗[28]。環境溫度的變化能夠改變土壤中微生物群落的活性，從而導致相關土壤生物的生化反應速率也相應受到不同程度的影響，所以溫度是影響土壤CH4通量的重要環境因子之一。在小麥拔節期和抽穗期CH4排放通量隨著環境溫度的升高越來越小，但是在小麥生長初期和末期，CH4通量與變化溫度的關系并不明顯，分析原因可能是由于限制CH4通量的主要因素不只是溫度，同時還受其他因素(土壤濕度或氮素等)的影響，長時間的降水，使土壤通氣性減弱，從而土壤中的產CH4菌數量增多且活性增強，可能掩蓋了溫度對其通量影響的效應。另外，大量研究表明：植物根系可以感知根系土壤中微生物的存在，而且能夠分泌一些物質來促進菌群的繼續繁殖，從而抑制其他菌群及致病菌的正常生長[29]。作為土壤中主要分解者的微生物，經過營養元素的周轉來調節各種養分的供應，進而影響植物各組織的化學組成以及資源分配利用。

土壤中甲烷氧化菌和產甲烷菌活性和數量明顯影響著土壤CH4的產生與氧化[4]。有研究[30]發現土壤根系分泌物中含有的酚酸物質能夠抑制一些氣體微生物，還可以減少微生物消耗其生長介質。大蒜復雜的化學成分導致其對許多植物病原菌具有很強的抑制或滅活作用。有研究[31]表明大蒜提取液可以明顯抑制小核菌(Sclerotiumsp.)和絲核菌(Rhizoctoniasolani)的菌絲生長。

本試驗中大蒜與冬小麥間作，發現麥田土壤CH4向空氣中實際排放的強度減弱，可能是大蒜根系分泌物中某種化學活性成分抑制土壤中產甲烷菌群和甲烷氧化菌群落結構和活性造成的，從而導致土壤CH4的排放通量減少，至于具體抑制過程和機理，還需要進一步探索。

4 結 論

在整個生長季內冬小麥與大蒜間作，可以使麥田溫室氣體CH4的排放通量減少53.45%，為農田溫室氣體減排提供了一個簡易可行的方案。

間作大蒜處理與對照單作小麥處理相比，單位面積農田產出提高70.41%。冬小麥與大蒜間作可以同時兼顧經濟和環境效益，發展可持續生態農業。

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(責任編輯：成 敏 Responsible editor:CHENG Min)

Effects of Winter Wheat Intercropping with Garlic on Wheat Growth,CH4Flux Emissions and Evaluation of Economic and Environmental Benefits

CHEN Suyun，WU Hongsheng，LI Ji，YAO Dongliang，ZHAO Yue and CHEN Kaikai

(Department of Agricultural Resources and Environment,College of Applied Meteorology,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

To cope with climate change,reducing agricultural greenhouse gases emission,developing ecological agriculture and increasing the land utilization rate,a single factor plot experiment was conducted to study the impact of intercropping garlic in winter wheat field on soil methane (CH4) flux in the agro-meteorological station of Nanjing University of Informationand Science Technology from 2013 to 2014,and its economic and environmental effects were assessed.The results showed that in the treatment of intercropping galic,the fresh mass ,panicle mass and 1 000-grain mass of winter wheat can be improved by 134.67%,2.20%,3.51%,respectively; compared with monoculture of winter wheat,the input-output ratio in the treatment of intercropping garlic was increased from 1∶9.80 to 1∶16.70,for the same inputs,the outputs may be increased by 70.41% compared to the control; the CH4flux emission from plot treated with garlic was decreased by 38.35% and 16.59% compared with the monoculture of winter wheat in the heading and grain filling stage of wheat,respectively. The accumulative soil CH4flux emission in the treatment of garlic was decreased by 53.45% in the whole growing season of winter wheat. The intercropping of garlic and winter wheat can not only mitigate environmental pollution,but also increase land utilization efficiency and economic profits,which is of great significance to reduce the flux of green-house gases in the soil and consequently develop sustainable agriculture.

Winter wheat;Alliumsativum;CH4;Economic benefits; Environmental benefits

2016-08-31 Returned 2016-10-28

Enviromental Protection Ministry of China Project Major Science and Technology Program for Water Pollution Contraland Tratment(No.2015ZX07204-002).

CHEN Suyun，female，master student.Research area:microbially ecdogical mechanisms of greenhouse gases in agriculture and the mitigation measurement.E-mail:chensuyun77@163.com

WU Hongsheng，male，professor,Ph.D,doctoral supervisor. Research area:microbially ecdogical mechanisms of greenhouse gases in agriculture and the mitigation measurement.E-mail:wuhsluck@163.com

日期：2017-06-05

2016-08-31

2016-10-28

環保部國家水體污染控制與治理科技重大專項(2015ZX07204-002)。 第一作者：陳素云，女，碩士研究生，從事農業溫室氣體微生物生態學機理及其減排技術研究。E-mail:chensuyun77@163.com

吳洪生，男，教授,博士,博士生導師，主要從事農業溫室氣體微生物生態學機理及其減排技術研究。E-mail:wuhsluck@163.com

X511；S512.1；F32

A

1004-1389(2017)06-0832-08

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170605.1715.010.html