小麥-玉米周年耕作方式與增施有機肥對夏玉米土壤有機碳庫及溫室氣體排放的影響

張黛靜，宗潔靜，馬建輝，楊雪倩，胡曉，許雙

河南師范大學生命科學學院，河南 新鄉(xiāng) 453007

土壤有機碳庫作為衡量農田土壤質量的重要指標，其變化直接影響土壤肥力與作物產量（孫小花等，2018；李倩等，2018）。近年來，由于耕作不當、施肥不合理等原因，導致農田土壤理化性狀發(fā)生改變，進而造成有機碳含量降低、土壤退化，最終影響作物的生長（楊雙劍等，2014；張明園等，2012）。冬小麥-夏玉米一年兩熟是華北平原主要的輪作方式，如何通過合理耕作與施肥等農藝措施有效提高作物產量并改善土壤肥力是栽培學者追求的目標（武均等，2018）。有研究表明，小麥-玉米周年中，小麥深耕與玉米免耕下能保持較高的作物產量與土壤固碳作用（馮倩倩等，2018）；適宜的施肥不僅可提高土壤有機碳含量，還有利于作物生長，進而提高作物產量（陳歡等，2014）。Liang et al.（2012）研究發(fā)現，小麥-玉米周年體系中，增施有機肥能有效提高易氧化有機碳含量。

此外，大氣中N2O、CH4和CO2溫室氣體排放的增加造成全球氣候變暖，而農田土壤作為重要的溫室氣體排放來源，不合理的耕作與施肥等農田管理措施將會影響農田溫室氣體排放，并降低土壤固碳能力（Melillo et al.，2002；Snyder et al.，2009；李虎等，2012）。農田土壤碳庫是全球生態(tài)系統(tǒng)中活躍的碳庫，同時也是溫室氣體的重要源和匯（石岳峰等，2012）。研究表明，溫室氣體排放水平受到秸稈還田、肥料施用、耕作措施等因素的影響，并影響土壤碳庫（金琳等，2008）。高洪軍等（2017）研究發(fā)現有機肥與無機肥配施能實現較高的玉米產量和較低的溫室氣體排放強度。Zhu et al.（2016）在長達 13年的長期耕作試驗中發(fā)現，免耕相比于常規(guī)翻耕能夠減少土壤N2O與 CO2的排放。近年來，隨著農業(yè)種植方式、化學肥料使用逐年增加與耕作措施等人類生產活動的影響，農田土壤質量與溫室氣體排放逐漸受到影響（武均等，2018；姚凡云，2019）。因而，探索合理的農田管理措施，來提高土壤生產力的同時有效減少溫室氣體排放已成為當務之急。

綜上，前人就耕作、施肥等對土壤有機碳與溫室氣體排放的影響進行了相關研究（Lognoul et al.，2017；張賀等，2013；孔凡磊等，2010），但對于華北平原小麥-玉米周年體系，耕作與增施有機肥對玉米土壤活性有機碳變化、溫室氣體排放及綜合溫室效應特征關系的研究未見報道。為此，本研究在大田7年定位試驗基礎上，研究了小麥-玉米周年模式下，不同耕作與施肥模式對當季夏玉米土壤有機碳庫、溫室氣體排放特征及產量的影響，旨在探尋適合該區(qū)的農田管理模式，為在穩(wěn)定華北平原小麥-玉米周年體系作物產量的同時固定土壤碳以及減少溫室氣體排放提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

該試驗在河南省許昌市建安區(qū)陳曹鄉(xiāng)高產試驗田（34°03′N，113°85′E）進行，該地區(qū)屬于大陸性暖溫帶季風氣候，年平均氣溫為 15.4 ℃，年均降水量為756.1 mm。種植模式為冬小麥-夏玉米一年兩熟，土壤為中壤土。2018年玉米播前采集并測定0—20 cm土層的土樣，供試土壤基本理化性質見表1。

表1 播前土壤耕層（0—20 cm）基本特性Table 1 Soil properties of 0-20 cm layer before maize sowing

1.2 試驗設計

本試驗從2010年開始耕作與增施有機肥定位試驗，采用二因素區(qū)組設計，二因素為耕作與增施有機肥，設置小麥深耕+玉米免耕（DT）、小麥淺耕+玉米免耕（ST）、小麥免耕+玉米免耕（NT）、小麥深耕有機肥+玉米免耕（DTF）、小麥淺耕有機肥+玉米免耕（STF）和小麥免耕有機肥+玉米免耕（NTF）6個處理，小區(qū)面積為20 m×14 m=280 m2，3次重復。具體耕作與施肥措施為：小麥季播種前深耕（30—40 cm）、淺耕（15—25 cm）和免耕（不進行耕作處理僅表面耙地）。播種機進行小麥播種、覆土及鎮(zhèn)壓等多種工作；小麥季單施復合肥750 kg·hm-2（折合純 N 187.5 kg·hm-2，P2O5112.5 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2）和復合肥 750 kg·hm-2+有機肥 950 kg·hm-2（折合純 N 55.1 kg·hm-2，P2O50 kg·hm-2，K2O 9.5 kg·hm-2，有機質質量分數 427.5 g·kg-1），玉米播前不再進行耕作處理，前茬小麥秸稈粉碎后還田（4000 kg·hm-2），播種前施入復合肥 750 kg·hm-2（折合施純 N 210 kg·hm-2、P2O545 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2）。2018年6月3日播種玉米，供試品種為“登海605”，寬窄行種植，寬行為80 cm，窄行為40 cm，株距28 cm，種植密度為60000 plant·hm-2。2018年9月16日收獲。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 土壤樣品的采集

分別于玉米的拔節(jié)期（7月1日）、大喇叭口期（7月15日）、灌漿期（8月26日）、成熟期（9月16日）采集土壤樣品，采用五點法（隨機）分別采集各小區(qū) 0—20、20—40、40—60 cm 土壤樣品，并除去石礫與植物殘根，自然風干，過2 mm與0.25 mm篩子備用。

1.3.2 土壤有機碳庫含量測定

土壤總有機碳采用 TOC測定儀測定（胡慧蓉等，2012）；土壤易氧化有機碳采用高錳酸鉀氧化法測定（陳源泉，2016）；土壤顆粒有機碳采用六偏磷酸鈉提取法進行測定（Cambardella et al.，1992）。

1.3.3 溫室氣體排放通量與測定

溫室氣體采集采用靜態(tài)箱-氣相色譜法。氣體樣品分別于玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期與成熟期進行采集，采集時間為上午9:00—11:00。采樣箱為半徑20 cm，高1 m的PVC材料圓柱，底座半徑20 cm，高20 cm，內無植株，整個玉米生育期保持固定。罩上采樣箱0、10、20、30 min時從箱中抽取50 mL混合氣體，然后注入到0.1 L的鋁箔采樣袋（大連，德霖）中，樣品采集的48 h內，用Agilent A（7890）型氣相色譜儀分析氣體N2O、CH4和CO2。

溫室氣體排放通量計算公式（呂艷杰等，2016）：

式中，F為氣體排放通量（單位：mg·m-2·h-1），CO2單 位 為 mg·m-2·h-1，N2O 和 CH4單 位 為μg·m-2·h-1；ρ為標準狀態(tài)下氣體的密度（kg·m-3）；h為采樣箱凈高度（m），dc/dt為單位時間內采樣箱內氣體的濃度變化率，273為絕對溫度；T為采樣時箱內平均溫度（℃）。

玉米生長季內的溫室氣體累計通量（姚凡云等，2019）：

式中，Y為農田土壤排放氣體總量（kg·hm-2）；F為氣體排放通量（mg·m-2·h-1）；i為第i次，（ti+1-ti）為兩次間隔天數；n為采樣次數。

農田產生的綜合增溫趨勢（GWP）（Forster et al.，2007）：

式中，FCO2、FN2O、FCH4分別為CO2、N2O、CH4的累積排放通量；100年時間尺度上N2O和CH4的全球增溫潛勢分別是單位質量CO2的298、25倍。

溫室氣體排放強度（GHGI。呂艷杰等，2016）：

式中，Y為不同處理單位面積平均產量（kg·hm-2）。

1.3.4 玉米產量

于玉米成熟期在各小區(qū)去掉兩側邊行和每行兩端各一株后收獲2行玉米，自然曬干并稱質量，計算產量，另隨機選擇30穗考種。

1.4 數據處理

試驗數據運用Microsoft Excel 2010軟件進行數據處理、分析與作圖；運用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用LSD法進行顯著性方差檢驗。

2 結果與分析

2.1 前茬作物耕作與增施有機肥對玉米土壤有機碳庫的影響

2.1.1 土壤總有機碳

圖1 前茬作物不同耕作與增施有機肥對玉米土壤總有機碳的影響Fig. 1 Effects of preceding crop different tillage and organic fertilizer application on total organic carbon in maize soil

由圖1可知，土壤總有機碳含量隨土層加深而降低。整個玉米生育期中，增施有機肥的土壤總有機碳均高于未施有機肥。在0—20 cm土層，玉米生育期土壤有機碳質量分數的變化范圍為 6.92—21.65 g·kg-1。增施有機肥下，拔節(jié)期、灌漿期與成熟期土壤總有機碳總體為NTF＞STF＞DTF。在20—40 cm土層，拔節(jié)期、大喇叭口期、成熟期STF處理的土壤總有機碳含量均顯著高于其他處理（P＜0.05）；大喇叭口期的STF處理達到最大值，為14.23 g·kg-1。40—60 cm土層，施有機肥條件下，大喇叭口期、灌漿期與成熟期總有機碳含量表現為STF＞NTF＞ DTF，處理之間差異顯著（P＜0.05）。

2.1.2 土壤易氧化有機碳

由圖 2可知，增施有機肥處理的易氧化有機碳含量高于未施加有機肥。土壤易氧化有機碳含量隨著土層的加深逐漸降低。在0—20 cm土層，玉米生育期土壤易氧化有機碳含量的變化范圍為 3.02—5.71 g·kg-1。成熟期易氧化有機碳含量最低，較之未施有機肥，增施有機肥可分別提高土壤易氧化有機碳11.84%、0.63%和40.95%。20—40 cm土層，增施有機肥條件下，隨著生育期的進行呈現先升高再降低的趨勢。灌漿期DTF處理的易氧化有機碳顯著高于其他增施有機肥處理（P＜0.05），為4.29 g·kg-1。在40—60 cm土層，拔節(jié)期與成熟期在增施有機肥條件下，表現為NTF＞STF＞DTF。DTF與STF處理的易氧化有機碳含量隨生育期推進均呈現先升高在降低的趨勢，NTF處理隨生育期進行逐漸升高。

2.1.3 土壤顆粒有機碳

由圖3可知，隨著土層加深，各處理的顆粒有機碳含量均呈現逐漸降低的趨勢，且各處理的顆粒有機碳含量在0—20 cm土層含量較高，而20—60 cm土層的土壤顆粒有機碳含量下降速度較快。在0—20 cm土層，增施有機肥條件下，拔節(jié)期和灌漿期顆粒有機碳含量表現為 DTF＞NTF＞STF，而在成熟期 NTF處理的顆粒有機碳質量分數顯著高于 DTF和 STF（P＜0.05），其值為 2.52 g·kg-1，分別比 DTF和 STF提高了66.10%和62.55%。在20—40 cm土層，拔節(jié)期各處理的土壤顆粒有機碳含量均為最高，土壤顆粒有機碳質量分數在DTF處理最大，為3.50 g·kg-1。40—60 cm土層，在增施有機肥條件下，拔節(jié)期、大喇叭口期和成熟期土壤顆粒有機碳含量表現為 STF＞DTF＞NTF，且STF與DTF、NTF差異顯著（P＜0.05）。

2.2 前茬作物耕作與增施有機肥對玉米產量的影響

由表2可知，單施化肥條件下，與深耕和免耕相比，淺耕有利于提高玉米的穗粒數、百粒質量和產量。增施有機肥條件下，DTF處理下玉米產量最高，為 12170 kg·hm-2，顯著高于 DT 處理（P＜0.05）。比較不同耕作，DTF比NTF和STF分別增產8.79%和6.99%，差異顯著（P＜0.05）。但耕作與增施有機肥對穗粒數和百粒質量影響無顯著差異。

表2 前茬作物不同耕作與增施有機肥對玉米產量及構成的影響Table 2 Effects of preceding crop different tillage and increasing application of organic fertilizer on yield and composition of maize

圖2 前茬作物不同耕作與增施有機肥對玉米土壤易氧化有機碳的影響Fig. 2 Effect of preceding crop different tillage and organic fertilizer application on easily oxidized organic carbon in maize soil

圖3 前茬作物不同耕作與增施有機肥對玉米土壤顆粒有機碳的影響Fig. 3 Effect of preceding crop different tillage and organic fertilizer application on particulate organic carbon in maize soil

2.3 前茬作物耕作與增施有機肥對玉米田溫室氣體排放的影響

不同耕作與增施有機肥對溫室氣體排放的影響如表3所示。結果表明，玉米季華北平原為N2O和CO2的排放源，CH4為吸收匯。由表3可知，施加有機肥增加了 CO2的累積排放量，DTF處理的CO2累積排放量顯著高于其他處理，NT處理的CO2累積排放量最低（P＜0.05）；同一耕作處理下，增施有機肥增加 N2O累積排放量與 CH4累積吸收量（STF處理降低CH4吸收量），DTF處理顯著增加了N2O的累積排放量，NTF處理的N2O累積排放量比NT低1.85 kg·hm-2，CH4累積吸收量NTF處理顯著高于其它處理（P＜0.05），其次為DTF處理。

耕作與施有機肥均顯著提高了玉米季的全球增溫潛勢（GWP）和溫室氣體排放強度（GHGI）（P＜0.05）。同一耕作處理下，DTF與DT相比全球增溫潛勢與溫室氣體排放強度差異顯著，分別高出6288.43 kg·hm-2和 0.61 kg·hm-2，STF 和 ST，NTF和NT差異不顯著（P＜0.05）；增施有機肥條件下，全球增溫潛勢與溫室氣體排放強度均表現為DTF＞STF＞NTF，以 DTF處理最高。NTF處理的GWP和GHGI均比DTF降低63.29%，57.22%。

2.4 土壤有機碳庫與溫室氣體累積通量的相關分析

相關分析表明，玉米成熟期0—20 cm土層土壤有機碳庫與大氣溫室氣體間存在一定相關關系（表 4）。其中，土壤總有機碳與易氧化有機碳和顆粒有機碳之間呈極顯著正相關（P＜0.01），與 CO2顯著負相關（P＜0.05）。易氧化有機碳與顆粒有機碳極顯著正相關（P＜0.01）。顆粒有機碳與 CO2顯著負相關（P＜0.05）。N2O與CO2極顯著相關（P＜0.01）。

3 討論

3.1 前茬作物耕作與增施有機肥對玉米土壤有機碳庫的影響

土壤有機碳庫的周轉與轉化直接影響土壤肥力與土壤質量，進而影響作物產量（趙麗娟等，2006）。土壤總有機碳能夠增加土壤碳庫儲量，改善土壤生產力（劉彩霞等，2018）。一般而言，土層越深土壤總有機碳含量越低（宋麗萍等，2016），這與本研究結果一致。本研究發(fā)現在各生育期土壤總有機碳含量隨著土層深度的增加均呈現降低的趨勢，耕層土壤（0—20 cm土層）土壤總有機碳含量大于20—40 cm和40—60 cm土層。成熟期0－20 cm土層，NTF處理土壤總有機碳含量最高，是因為表層土壤沒有發(fā)生擾動，降低了土壤有機碳礦化率，使表層土壤有機碳積累（陳學文等，2013）。本試驗中，增施有機肥有利于提高土壤總有機碳含量，這與張貴龍等（2012）研究一致。作為土壤有機碳庫重要組成的易氧化有機碳和顆粒有機碳可以更好地反映土壤微小變化，能夠快速表征土壤質量變化和轉化速率（Saviozzi et al.，2001；王清奎等，2005）。本研究結果顯示，土壤易氧化有機碳、顆粒有機碳含量在0—20 cm土層表現較高，并且增施有機肥處理的易氧化有機碳與顆粒有機碳均大于未施有機肥處理，這與Ouédraogo et al.（2006）研究的有機肥能夠增加顆粒有機碳含量的結果一致。

表3 前茬作物不同耕作與增施有機肥對玉米田溫室氣體（N2O、CH4和CO2）累積通量與全球增溫潛勢Table 3 Effects of preceding crop different tillage and increasing application of organic fertilizer on cumulative greenhouse gas fluxes (N2O， CH4 and CO2)and global warming potential in maize fields

表4 土壤有機碳庫與溫室氣體排放通量的相關性Table 4 Correlation coefficients between Soil organic carbon storage with greenhouse gas emissions

相關分析表明，土壤總有機碳與易氧化有機碳和顆粒有機碳呈極顯著相關，說明土壤活性碳很大程度上依賴于土壤總有機碳，這與張賽等（2015）研究一致。并且本試驗發(fā)現在NTF處理下易氧化有機碳與顆粒有機碳較高，說明免耕對土壤擾動較少，田間殘留的小麥、玉米秸稈與根系易被微生物利用降解，易氧化有機碳與顆粒有機碳對其變化較為敏感，使其含量發(fā)生變化。而20—60 cm土層STF與DTF處理能夠有效增加土壤總有機碳、易氧化有機碳與顆粒有機碳的含量。Luo et al.（2010）也認為，免耕雖然能夠提高0—10 cm土層含量，卻降低了20—40 cm土層的碳含量。原因可能是免耕使秸稈與肥料分布于表層沒直接引起土層間根系分泌物與養(yǎng)分分布不均勻，間接影響了土層間的有機碳的含量。而深耕與淺耕打破了耕層，使表層土壤碳庫礦化，不利于表層土壤有機碳庫的積累（王艷杰，2018）。

3.2 前茬作物耕作與增施有機肥對玉米產量的影響

采用合理的農田土壤管理措施，能夠在減少環(huán)境破壞的同時獲得較高的產出（Chen et al.，2014）。張建省等（2013）研究認為，華北平原小麥-玉米周年中，周年作物穩(wěn)定高產的適合耕法與施肥措施組合是小麥深耕-玉米免耕，并配合有機肥處理，產量可比當前普遍常規(guī)模式高出10.6%，這與本研究結果一致。本試驗中，綜合考慮不同耕作與施肥組合模式下，小麥深耕并増施有機肥較其他處理能夠顯著提高玉米產量。相同耕作處理下，增施有機肥與單施化肥相比，玉米的穗粒數、百粒質量與產量都有較好的提高。在相同施肥處理下，小麥深耕能夠顯著提高玉米的產量，并在 DTF處理達到最高產量，有效提高玉米穗粒數與百粒質量，原因是小麥-玉米周年中深耕能夠對土壤有所松動，而有機肥能夠改善土壤物理性狀，增加微生物數量，因此有利于水分與有機肥滲入土壤中，達到保水保肥的效果，從而使產量提高；而免耕雖然有利于土壤有機碳的積累，增強肥力，但是長期免耕不利于土壤根系下扎，從而使產量下降（姬強等，2014；馮倩倩等，2018）。

3.3 前茬作物耕作與增施有機肥對玉米田溫室氣體排放總量與增溫潛勢的影響

綜合考慮耕作與施肥處理對3種溫室氣體排放和吸收的影響，深耕并増施有機肥對溫室氣體的吸收與排放影響較大，耕作與施肥措施不僅擾動了土壤結構，還使有機肥與土壤相結合，為微生物提供良好的生存環(huán)境，促進土壤中微生物參與各種生化過程。NTF處理降低N2O的排放通量，可能因為常年免耕沒有造成土壤擾動，增施有機肥也提高了土壤微生物活性，增加了N2O還原量，從而抑制溫室氣體排放（閆翠萍等，2016；丁晨曦，2016）。

增施有機肥可以增強土壤中微生物的活性，同時改進土壤質量，促進作物根系的生長，進而增加CO2的排放通量（郝曉暉等，2010）。本研究中與未施有機肥相比，增施有機肥能夠增加CO2排放。而免耕則有效地控制了有機碳的礦化，減少土壤擾動，從而抑制 CO2的排放（李英臣等，2014）。本研究中，NTF與NT處理顯著降低了CO2的排放通量。DTF處理CO2排放通量最大，可能因為深耕加速了有機碳礦化，造成CO2排放通量增加（薛建福等，2013）。結合本試驗土壤有機碳庫與溫室氣體排放的相關性，可知土壤有機碳與CO2排放通量呈顯著負相關，這與時秀煥（2012）的研究結果一致。

玉米生育期CH4累積通量均為負值，表明玉米田是大氣的凈吸收匯，這與其他旱地農田土壤CH4通量研究一致（宋利娜等，2013；朱龍飛等，2019）。本試驗中，NTF處理CH4吸收量最大，DT處理CH4吸收量最小，因為耕作破壞了土壤原有結構，降低了CH4匯的強度（劉巽浩等，2013），而DTF相比DT處理CH4吸收量增加了83%，說明增施有機肥為土壤中甲烷氧化菌的生長提供了有益的條件，更利于CH4的氧化，這與高洪軍等（2017）研究一致。然而，也有研究認為有機肥施用抑制旱田對CH4的吸收（董玉紅等，2005）。由于旱田中有關耕作與有機肥對CH4吸收量影響不一致，因此需要進一步研究。

本試驗中，增施有機肥條件下，綜合增溫潛勢與溫室氣體排放強度在免耕下最低，NTF處理的GWP和 GHGI均比 DTF和 STF降低 63.29%、57.22%和35.22%、23.08%。因此在本試驗條件下，免耕并增施有機肥能有效降低溫室氣體排放強度與綜合增溫潛勢，達到固碳減排效果。

4 結論

（1）玉米土壤總有機碳、易氧化有機碳與顆粒有機碳隨著土層加深呈現降低的趨勢。增施有機肥土壤總有機碳、易氧化有機碳與顆粒有機碳含量均高于單施化肥條件。0—20 cm土層，NTF處理能夠有效增加玉米土壤有機碳、易氧化有機碳和顆粒有機碳的含量，DTF與STF處理能夠顯著增加20—60 cm土層的土壤總有機碳、易氧化有機碳與顆粒有機碳含量。

（2）在華北平原小麥-玉米周年中，增施有機肥與單施化肥相比顯著增產，深耕與有機肥結合處理能夠有效提高玉米的穗粒數與百粒質量，同時了達到最高產量。

（3）在本試驗條件下，N2O與CO2為源，CH4為匯。NTF處理能夠有效降低N2O和CO2排放量，提高CH4的吸收量，同時減少溫室氣體排放強度與綜合增溫潛勢。

從短期監(jiān)測結果分析，華北平原玉米季采用小麥免耕増施有機肥+玉米免耕，能夠在保持玉米較高產量的同時固定表層土壤碳與降低溫室氣體排放，本結論將與下一季小麥土壤固碳與溫室氣體減排相結合，為確定華北平原合理耕作與施肥方式提供更加有效的依據。