玉米秸稈還田對黑土碳排放的影響

宋秋來++王峭然++王麒 馮延江 孫羽 曾憲楠 來永才

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.058[HT9.]

摘要：采用靜態箱法測定不同秸稈還田方式、耕作措施下東北春玉米生長季土壤CO2排放。結果表明，種植玉米的黑土CO2排放通量日變化呈單峰曲線，最大值出現在14：00，最低值出現02：00—06：00；秸稈還田處理CO2排放通量日變化較不還田處理波動大。玉米生育期土壤CO2排放量呈顯著的季節變化：春季玉米播種期及秋季玉米收獲期土壤CO2通量低，排放峰值出現在溫度、降水量較高的7月末，秸稈還田處理的CO2排放峰值高于相應不還田處理。土壤CO2排放總量受秸稈還田和耕作措施影響顯著，免耕秸稈還田、翻耕秸稈還田、翻耕、免耕等4個處理的總排放量分別為9.41、8.91、7.33、6.43 t/hm2，免耕排放總量最小；秸稈還田處理CO2排放總量較相應的不還田處理多排放 1.59～2.98 t/hm2；但若將不還田處理秸稈焚燒，其CO2排放總量達到17.78～19.48 t/hm2，是秸稈還田的2倍左右。秸稈還田能夠有效減緩因秸稈焚燒而增加的CO2釋放量，且對玉米產量無顯著影響。

關鍵詞：玉米；秸稈還田；土壤；CO2；排放

中圖分類號： S141.4文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）13-0219-03[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2017-01-16

基金項目：國家自然科學基金（編號：31540039）；公益性行業（農業）科研專項（編號：201303126-1）；黑龍江省政府博士后經費項目（編號：LBH-Z151196）；黑龍江省哈爾濱市科技創新人才（編號：2016RAQYJ048）；黑龍江省農科院博士科研啟動金項目（編號：201507-10）。

作者簡介：宋秋來（1985—），男，黑龍江勃利人，博士，助理研究員，從事農田溫室氣體排放研究。Tel：（0451）86632234；E-mail：sql142913@163.com。

通信作者：來永才，研究員，從事耕作栽培研究。Tel：（0451）86632234；E-mail：yame451@163.com。

[ZK）]

農田土壤是大氣CO2的重要排放源，農田向大氣中釋放的CO2主要來自土壤的呼吸，土壤呼吸釋放出的CO2分子是土壤及凋落物產生的。秸稈不還田時，往往是將秸稈焚燒使秸稈中的碳全部排放到大氣中，增加溫室效應；而秸稈還田后，經過腐解的秸稈形成腐殖質，進入到土壤中，滯留了秸稈中碳的排放，減緩了溫室效應。黑龍江省是我國重要的商品糧基地，在保障國家糧食安全上發揮著重大作用。其旱作農田以玉米種植為主，2014年種植面積達到664.2萬hm2，占黑龍江省農作物播種面積的45%，占全國玉米播種面積的18%[1-2]。隨著玉米單產大幅度提高，相應的秸稈產量也迅速增加，由于秸稈利用技術相對滯后，玉米秸稈處置不合理帶來了眾多的生態環境問題。因此，有效處理玉米秸稈已成為當務之急，而秸稈還田是秸稈諸多利用方式中最為直接有效的。目前，關于秸稈還田對黑土農田理化性狀及作物生產力的影響雖已有過不少研究，但在我國東北寒冷氣候條件下，玉米秸稈還田方式對有機質含量相對較高的黑土碳排放的影響，尚缺乏系統的研究。本試驗從不同秸稈還田方式對土壤碳排放的影響展開研究，以闡明玉米秸稈還田的減排機制，為東北黑土區制訂合理的秸稈還田模式提供理論依據。

1試驗材料與方法

1.1試驗地概況

本研究于2015年在黑龍江省哈爾濱市國家現代農業示范區進行，示范區位于松嫩平原中部哈爾濱市道外區民主鄉，所轄區域地理坐標為126°50′E、45°50′N。示范區屬于寒溫帶大陸性氣候，四季變化明顯，春季多風少雨，夏季溫熱多雨，秋季較短，冬季寒冷干燥，年均氣溫3.6 ℃，無霜期135 d，≥10 ℃ 積溫2 780 ℃，年均降水量500 mm。該區域為一年一熟制，旱作農田主要種植模式為玉米連作，土壤類型為黑土，土壤基礎肥力有機質含量37.8 g/kg，有效氮含量 140 mg/kg，有效磷含量72.6 mg/kg，速效鉀含量206 mg/kg，pH值7.09。

1.2試驗設計

在玉米連作模式下設置翻耕秸稈還田、翻耕、免耕秸稈還田、免耕4個處理，采用大區試驗，每個處理面積0.067 hm2，處理內重復4次。翻耕秸稈還田（CTS）：玉米收獲后，秋季翻耕，將秸稈切成10～15 cm段與根茬一同翻入農田25～30 cm處，起壟越冬，春季壟上播種；免耕秸稈還田（NTS）：玉米收獲后，將玉米秸稈切成10～15 cm段，均勻覆蓋還田越冬，春季原壟播種。2個還田處理玉米秸稈還田量均為9 t/hm2；翻耕（CT）：玉米收獲后，秸稈移除農田，秋季翻耕，將根茬翻入農田25～30 cm處，起壟越冬，春季壟上播種；免耕（NT）：玉米收獲后，秸稈移除農田，春季原壟播種。試驗用玉米品種均為先玉335，5月4日播種，10月3日收獲，4個處理水肥等管理措施相同。

1.3土壤CO2排放通量的測定

土壤CO2排放試驗季節變化測定于2015年玉米生育期進行，取樣間隔期為10～15 d，選擇晴天09：00—11：00進行樣品采集。土壤CO2排放試驗的日變化測定從06：00開始，每4 h測定1次，至第2天06：00結束，完成1次日變化測定，1次采樣完成后，從基座上取下采樣箱，直到下一次采樣時再將采樣箱重新安置在基座上，這樣可以降低密閉氣室長期覆蓋在采樣區上而對小環境造成的影響，尤其是對箱內溫度和氣體背景濃度的影響。本試驗進行了2次土壤CO2排放的日變化監測，分別為2015年7月24日和9月1日。收集的氣體樣品采用紅外線氣體分析儀測定樣品中CO2含量。

試驗的采樣箱為有機玻璃箱體，箱體長40 cm、寬30 cm、高50 cm，箱體一側距頂部25 cm處設置三通閥采氣孔，用于連通三通閥便于收集氣體。采樣箱內置風扇，用于采樣時混勻箱內氣體。底座為不銹鋼材料，插入兩壟中間，入土5 cm，作物整個生長季節不再移動。底座上有盛水凹槽（水封槽），采樣時將凹槽灌滿水，利用水封原理隔絕室內外氣體交換。每次采樣時將采樣箱置于底座后，開始取氣并記錄時間為 0 min，在15、30 min后再分別采集1次氣體樣品，用100 mL玻璃注射器將箱內氣體轉移到鋁箔采樣袋中，將采樣袋帶回實驗室測定。endprint

1.4玉米生育期間土壤CO2排放量的估算

在知道CO2氣體排放的時間和空間規律的前提下，由以下公式計算農田生態系統在生長季的CO2氣體排放總量：

[HS2][JZ]S=∫0[KG-1]158F（xi）dxi。

式中：S為CO2氣體的排放總量，i取1～4時分別代表4個處理；F（xi）為CO2氣體通量函數，由各處理CO2氣體在各地點的通量與采樣時間回歸擬合而來，用于總量估算的方程及參數見表1。

2結果與分析

2.1不同秸稈還田方式對土壤CO2排放日變化的影響

圖1為夏季（2015年7月24日）土壤CO2日變化趨勢。CO2排放通量最大值均出現在14：00，此時溫度也最高；CO2排放通量的最低值出現在06：00左右，此時間段溫度較低。免耕秸稈還田（NTS）和翻耕秸稈還田（CTS）處理CO2排放通量的日變化波動最大，而相應的不還田免耕（NT）處理波動最小。CO2排放的最大通量、最小通量也都表現為免耕秸稈還田（NTS）和翻耕秸稈還田（CTS）高于相應的不還田處理。

圖2為夏末（2015年9月1日）CO2排放的日變化趨勢，其全天所有時間段CO2濃度均低于7月24日。全天的變化趨勢呈拋物線狀，最高值出現在14：00，與溫度最高值出現時間相同，而最低值出現02：00左右，此時氣溫也最低，18：00之[CM（25]后CO2濃度變化趨于平緩。CO2排放的最大通量、最小通量也表現為免耕秸稈還田（NTS）和翻耕秸稈還田（CTS）高于相應的不還田處理，在溫度較高的白天，這種規律更為明顯。

[HTK]2.2不同秸稈還田方式對土壤CO2排放季節變化動態的影響[HT]

土壤CO2排放季節變化如圖3所示，春、夏、秋3個季節各處理CO2排放通量均出現先升高后降低的規律，在玉米播種期和成熟期CO2排放通量均較低。在苗期，隨著玉米的生長，各處理的CO2排放通量均有較大幅度增加，在7月下旬玉米拔節至抽雄期，各處理均出現排放高峰，此時各處理溫度也較高；秸稈還田（NTS、CTS）處理的CO2排放通量峰值明顯高于2個不還田處理；之后，各處理土壤CO2排放通量開始下降，但秸稈還田（NTS、CTS）較不還田處理下降緩慢。免耕、翻耕、免耕秸稈還田、翻耕秸稈還田各處理CO2平均排放通量分別為164、186、239、228 mg/（m2·h），CO2排放通量大小依次為NTS>CTS>CT>NT，可見免耕秸稈還田（NTS）與其相應的不還田處理（NT）相差較大，2個秸稈還田處理相差較小，免耕處理則低于翻耕處理，說明在秸稈不還田的條件下，減少對土壤的擾動能夠適當減少CO2排放。

2.3玉米生育期間土壤CO2排放量

表2顯示，玉米生育期間，免耕（NT）處理CO2排放總量最小，可見免耕措施有利于土壤CO2的減排。而秸稈還田處理（NTS、CTS）顯著大于不還田處理（NT、CT），免耕秸稈還田處理生育期CO2排放總量較免耕處理多 2.98 t/hm2，排放量增加了46.35%；而翻耕還田處理僅較翻耕處理多排放 1.58 t/hm2，排放量增加了21.56%，可見在一定條件下，秸稈還田增加了土壤碳排放。從表2還可見，翻耕處理產量略高于免耕，但未達到顯著水平；秸稈還田處理與相應不還田處理產量相對差異也不顯著。

3討論

有研究指出，農田土壤CO2排放通量通常是隨著土壤溫度的升高而增加，一天中在中午至下午時段達到高峰，之后隨著溫度的降低排放量也逐漸減少[3]。對于不同農田系統，土壤CO2排放通量的日變化規律也受溫度、水分含量和季節等因素的影響，周志田等研究認為，白天的土壤呼吸速率均高于夜間[4]；董立國等認為，小麥田土壤CO2排放通量日變化呈單峰曲線，于13：00—14：00出現日最高排放值，夜間排放值最低[5-6]；而王丙文等認為，在小麥整個生育期，土壤呼吸速率日變化于18：00達到最高值，04：00達到最低值[7]。本研究在不同耕作措施及秸稈還田條件下，農田土壤CO2排放通量日變化規律均表現為單峰曲線，峰值出現在溫度較高的14：00，CO2[JP2]排放通量的最低值基本都出現在06：00左右，此時溫度也較低。通過盛夏（7月24日）和夏末（9月1日）2天的日排放通量比較可知，夏季排放量高于秋季，說明較高的溫度促進了CO2的排放。劉博等對不同耕作條件下黃土高原春小麥成熟期農田CO2排放通量日變化進行研究，結果顯示，春小麥成熟期CO2排放通量表現為常規耕作>免耕[6]。[JP]本研究結果表明，免耕秸稈還田（NTS）和翻耕秸稈還田（CTS）處理CO2排放通量的日變化波動最大，而相應的不還田免耕（NT）處理波動最小。CO2排放的最大通量、最小通量也都表現為免耕秸稈還田（NTS）和翻耕秸稈還田（CTS）高于相應的不還田處理，說明秸稈的還田促進了土壤CO2的排放。[JP]

在各項研究中都觀察到土壤CO2排放通量的季節變化，李成芳等在秸稈還田對免耕稻田溫室氣體排放研究中發現，溫室氣體排放通量呈季節性變化，主要是因為土壤有機質含量高，適合土壤微生物的繁殖，使得秸稈降解和土壤碳礦化作用增強，因此土壤CO2排放逐漸加強[8]。秦越等在不同耕作措施下秸稈還田土壤CO2排放的動態變化研究中發現，小麥生育期內各處理CO2排放通量受溫度影響明顯，且季節變化趨勢顯著，具體表現為從出苗后到越冬前的一段時間內呈下降趨勢，返青后開始增加，到開花期達到高峰，其后開始下降[9]。在這種季節變化特征中，夏季土壤呼吸最多，春秋季次之，冬季最少。多數研究認為，土壤CO2排放通量呈季節變化單峰曲線，但峰值出現時間有所不同，戴萬宏等認為土壤CO2排放的季節變化峰值多出現在溫度與降水量均較高的7月，而也有部分研究認為夏玉米農田土壤呼吸速率在8月（盛夏—秋初期間）出現最大值[10-13]。本研究結果表明，農田土壤CO2排放通量呈單峰曲線，有明顯的季節性，各處理均表現為先升高后降低的規律，在玉米播種期和成熟期CO2排放通量較低，在溫度較高條件下，各處理達到峰值，其中秸稈還田（NTS、CTS）的排放通量峰值明顯高于2個不還田處理。endprint

本研究以連作玉米農田為試驗土壤，在相同耕作措施下，2個秸稈不還田處理的土壤CO2排放通量和總量均顯著低于相應的還田處理。免耕秸稈還田處理生育期CO2排放總量較免耕處理多2.98 t/hm2，排放量增加了46.35%；而翻耕還田處理僅較翻耕不還田處理多排放1.58 t/hm2，排放量增加了21.56%。雖然秸稈還田在一定程度增加了土壤CO2排放通量，而相對于秸稈焚燒排放釋放的CO2通量卻少了很多，根據已有研究對我國玉米秸稈焚燒后的CO2焚燒因子測定結果（1 261.5～1 350 g/kg）[14-16]，假設本研究中不還田處理的玉米秸稈（9 t/hm2）全部焚燒，會產生CO2 170.25～182.25 t/hm2，加上不還田處理土壤排放的CO2，免耕處理的CO2釋放總量將達到266.70～278.70 t/hm2，而翻耕更將達到280.20～292.20 t/hm2，是相應秸稈還田處理的2倍左右。可見，秸稈還田能夠有效減緩因秸稈焚燒而增加的CO2釋放量。

4結論

連作玉米的黑土CO2排放通量日變化呈單峰曲線，隨著溫度上升而增加，排放通量最大值出現在14：00，最低值出現02：00—06：00。秸稈還田（NTS、CTS）處理CO2排放通量日變化較不還田處理波動大；CO2排放通量的日變化最大值、最小值也均表現為秸稈還田（NTS、CTS）高于不還田處理，說明秸稈還田促進了土壤CO2排放通量。玉米生育期間土壤CO2排放通量呈顯著的季節變化，春季玉米播種期及秋季玉米收獲土壤CO2通量低，7月末各處理排放通量達到最大，秸稈還田處理的CO2排放最大值高于相應不還田處理。玉米生育期間，土壤CO2排放總量同時受秸稈還田和耕作措施的顯著影響，免耕還田、翻耕還田、免耕、翻耕4個處理的總排放量分別為9.41、8.91、6.437.33 t/hm2；秸稈還田處理CO2排放總量較相應的不還田處理多排放1.59～2.98 t/hm2；但若將不還田處理秸稈焚燒，其CO2排放總量達到266.70～278.70 t/hm2，是秸稈還田處理的2倍左右。可見，秸稈還田能夠有效減緩因秸稈焚燒而增加的CO2釋放量，且秸稈還田不影響玉米產量。

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