微生物菌對集溝小麥秸稈溫室氣體的固碳減排影響

方志超，吳明亮，2，楊安明，胡 婷

（1．湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2．湖南現代農業裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410128）

氣候變暖已成為目前最為嚴峻的環境問題，由CO2、CH4、N2O等溫室氣體排放所產生的影響顯而易見［1］。其中CO2的溫室效應眾所周知，但CH4相比于CO2，由于其在大氣中滯留時間長，對紅外線的吸收能力強，增溫潛勢（GWP）大約是CO2的23倍；N2O具有更強的GWP，約為CO2的150～200倍，并且，N2O通過光化學反應與臭氧層中的O3發生反應，破壞臭氧導致地表紫外線輻射增大，從而威脅到人類的生存環境［2-3］。

農田生態系統作為溫室氣體重要的排放源和吸收匯，對溫室效應的影響不容忽視，占全球人為排放源的10%～12%［4］。其中，農田溫室氣體的排放在受到溫度、濕度、pH值等環境因素影響的同時，也受到許多人為因素的影響，如氮肥施用、農田翻耕、秸稈直接還田等。研究表明有機肥和無機肥配施會增加農田溫室氣體的排放，但不同的研究差異性較大［5］。陳義等［6］研究發現有機肥處理的N2O排放高于氮肥處理，還有研究表明施用有機肥可增加土壤有機碳的含量，有機碳能夠固定土壤速效氮并促進N2O轉化為N2，該反硝化過程可減少N2O的排放。Six等［7］認為免耕初期土壤溫室氣體釋放量高于翻耕；而Ussiri等［8］研究得出，長期免耕相比鑿式犁耕作和鏵式犁耕作，能顯著減少溫室氣體的排放。

秸稈還田是有機碳歸還農田的一項重要農作措施。還田的秸稈在其腐解過程中，一部分經微生物的分解直接以CO2的形式排放到大氣中，另一部分則通過微生物的分解作用而進入到土壤中，實現部分秸稈的固碳減排。盡管秸稈直接還田具有增加土壤固碳量、改善土壤結構、培肥地力等作用，但現在所推行的秸稈還田方式如表面覆蓋、混合施入土壤表層等，由于還田及耕作方式不得當，可能會造成翻地質量不好、溫室效應增加等問題［9-11］。本文以前期研究為基礎，針對秸稈集于溝內敞開放置這一特定的還田方式，結合微生物秸稈腐解菌對集溝秸稈的促腐作用，通過對秸稈溫室氣體排放進行測試及分析，獲得農田溫室氣體的排放規律，為農田生態系統溫室氣體的減排控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概述

試驗地位于鹽城市黃海農場，該地氣溫為-16.4～39.9℃，年均氣溫為13.1℃。年均降水量為956.5 mm，蒸發量為1554.5 mm。全年無霜期占211 d，日照時長歷年平均2314.8 h，日照率為58%［12-13］。該地區稻麥輪作，一年兩季，免耕直播，機收后秸稈留茬高度較均勻，為15～25 cm。供試土壤為重黏土，在0～10、10～20 cm深的平均土壤堅實度分別為168.4、316.5 N，土壤基本理化性狀見表1。

表1 供試土壤理化性狀

1.2 試驗材料

試驗所用小麥秸稈為淮麥22號秸稈。集草溝內秸稈均長為78.6 mm。所使用液體類微生物腐解菌劑為南京日升康生物工程有限公司生產，主要成分包括枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等。芽孢含量為200億/mL，與尿素配合使用。其中，施入量比為菌劑∶尿素∶秸稈=1∶0.057∶20，C/N調節為25∶1［14］。

1.3 試驗設計

試驗采用多因素多水平的隨機區組試驗設計。其中，集溝還田下的秸稈處理有3組，分別為①LM+ST：施入液體狀菌劑的集溝秸稈；②PM+ST：施入粉末狀菌劑的集溝秸稈；③CK+ST：無菌劑施入的集溝秸稈。另外，不同秸稈還田方式有4組處理，分別為④JG+CR：集溝還田模式的作物；⑤JG+CK：集溝還田模式無作物；⑥FS+CR：粉碎還田模式的作物；⑦FS+CK：粉碎還田模式無作物。共7組處理，每個處理3次重復，計21個小區。

1.4 測試方法與指標

1.4.1 測試方法

為了降低外界環境對測試氣體的影響，本文溫室氣體的測試采用靜態暗箱法，該方式將采樣點置于密閉、無光的有限空間內，可保證所采集的氣體接近真實排放情況。靜態箱體主要分為底座，加高層，以及主箱體部分，PVC材質，并以錫箔紙包裹隔熱。針對本文的研究對象-集溝秸稈，箱體尺寸規格應與集草溝溝型匹配，設計箱體底座寬為250 mm，長為1000 mm，高度為200 mm，不同層的箱體之間通過卡槽相嵌合，加高層和主箱體高度根據作物特性和前人的研究成果均取為500 mm［15］。其中，底座埋置于田間相應的試驗點固定。主箱體內置風扇，預留有采氣孔和溫度測量孔。采氣時將箱體嵌入底座回形槽并加水密封，短暫中斷暗箱內的光合作用帶來的影響。通過外接蓄電池使箱體內氣體盡可能混合均勻，并插入溫度計。每次采樣時間為10：00，利用50 mL帶有開閉閥的采氣針筒分別在0、5、10、15分進行抽氣，并迅速注入真空存儲瓶。貼好標簽并盡快送至實驗室，利用氣相色譜儀對所采氣樣進行分析，箱體結構和尺寸，如圖1、2、3、4所示。

1.4.2 測試指標

氣樣分析中所測指標包括CO2、CH4和N2O的含量。采用安捷倫氣相色譜儀（Agilent7890A），其中CO2、CH4用氫火焰離子化檢測器（FID）測定，N2O用電子捕獲檢測器（ECD）測定，檢測條件及相關參數見表2所示。

表2 氣象色譜配置及采樣分析條件

相關計算公式為：

式中，F-氣體排放通量，mg·m-2·h-1；ρ-標準狀態下各氣體的密度，CO2、CH4、N2O的密度分別為1.96、0.54和1.25 g·L-1；V-采樣箱有效體積，m3；A-采樣箱所覆蓋的土壤表面積，m2；dC/dt-箱內溫室氣體濃度隨時間的變化率，μL·L-1·min-1，由每組4個采樣時刻點溫室氣體濃度與對應的抽樣時刻0、5、10、15分擬合直線的斜率決定；T-采樣過程中靜態箱內的平均溫度，℃。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤有機碳儲量的影響

2.1.1 不同處理對稻季麥秸稈的CO2的排放通量影響

稻季氣體的采樣從2017年的6月25日開始，直到11月16日水稻即將收割之前。稻季CO2的排放規律如圖5所示，整個采樣期各處理的CO2幾乎均為排放，表現為CO2的源。各處理間呈現出較大的差異性，其中，水稻作物的排放量最為明顯，2種秸稈還田方式下的作物處理JG+CR與FS+CR的CO2排放通量較為接近，分別為26.45～982.28和-37.76～962.37 mg·m-2·h-1，平均排放通量分別為426.59和368.70 mg·m-2·h-1，2次峰值均出現在施過氮肥之后，表明氮素會極大促進CO2的排放，但秸稈還田方式對作物的CO2影響較小；在無作物和無秸稈的處理下，主要由土壤作用的處理JG+CK和FS+CK在整個生長期CO2排放表現平穩，維持在90 mg·m-2·h-1左右。與之相比，麥秸稈集溝還田后，處理CK+ST在整個生長期的CO2平均排放通量達381.78 mg·m-2·h-1，表明秸稈直接還田會增大農田CO2的排放量，在施入不同的微生物腐解菌后CO2排放量均有不同程度的下降，2種處理LM+ST與PM+ST分別降低了31.6%和12.0%，降幅明顯。

2.1.2 不同處理對稻季麥秸稈的CH4的排放通量影響

稻季CH4在整個生長期內各處理下均表現為排放，即為CH4的排放源（圖6）。不同處理具有一定的季節性變化。其中，稻季作物處理JG+CR與FS+CR的變化規律相似，在整個生長周期的平均排放量極為相近，均約為13.26 mg·m-2·h-1，表明不同秸稈還田對作物生長過程中的CH4排放無明顯影響，并且在施加氮肥后也對CH4的排放無明顯影響；而秸稈直接還田處理中，CK+ST在整個生長期的平均排放量達到了19.15 mg·m-2·h-1，表明秸稈直接集溝還田會大大增加農田的CH4排放，這主要是由于秸稈還田增加土壤有機質，提高產甲烷古菌的生命活動所造成。為此，考察LM+ST和PM+ST 2種類型的微生物菌作用下，與CK+ST相比，排放量均明顯偏低，分別為12.07和15.20 mg·m-2·h-1，微生物菌的施入能有針對性的消耗和利用秸稈和土壤的有機質。

2.1.3 不同處理對稻季麥秸稈的N2O的排放通量影響

針對稻季的N2O而言，在整個生長期內各處理呈現明顯的季節性變化規律，并以排放為主，表現為N2O的源，各處理均在施加氮肥的7月下旬和烤田期過后的8月下旬出現N2O的排放峰值。且第二次峰值時由于水稻作物的分蘗和長勢，使得N2O的排放要高于第一次峰值。其中，在生長前期CK+ST處理的排放量處于領先，為523.70 μg·m-2·h-1，高于微生物菌作用下的處理，這是由于土壤中的N2O主要由硝化和反硝化作用產生，秸稈的施入會改變農田土壤的C/N，從而加速N2O的產生，但是在微生物菌的作用下，與CK+ST相比，N2O的排放之所以會下降是因為配施的微生物秸稈腐解菌加快了土壤氮素的消耗和固定，減少了產生N2O的生成底物，從而降低N2O的排放；在水稻生長的后階段，FS+CR處理的N2O排放量逐漸上升至領先地位，這一方面是由于作物的光合作用和呼吸作用日益增強，另一方面是旋耕的田塊由于土壤的翻動，導致土壤的通透性較好，在氮肥充足的條件下土壤的硝化和反硝化作用得以加強，因此相對該處理的N2O排放較高。

2.2 對農田CO2、CH4和N2O全球增溫潛勢的影響

由于CO2、CH4和N2O的增溫效應不同，它們對全球變暖的影響亦不相同。當這3種氣體從一個系統同時排放時，只有計算它們作用的綜合效果才能了解農田生態系統或某一農業管理措施對溫室效應的貢獻值。目前，絕大多數學者以全球增溫潛勢（GWP）-即用于定量衡量不同溫室氣體對全球變暖的相對影響，用CO2當量值表示，來體現這3種溫室氣體的聯合作用，計算公式：

式中，TH-評估期間長度，以100年為基準；ax-氣 體 輻 射 效 率，W·m-2·kg-1；x（t）-1 kg氣體釋放后隨時間的衰減比；ar-CO2輻射效率，W·m-2·kg-1；r（t）-1 kg CO2釋放后隨時間的衰減比。

如表3所示，可知3種不同處理LM+ST、PM+ST、CK+ST的綜合GWP分別為-9.22、-7.15、-11.56 CO2t·hm-2，兩處理組相對于對照組均略低，分別為對照組的79.9%和61.8%，表明在100年的時間尺度上，該還田方式對農田溫室氣體綜合GWP有一定的抑制作用。

表3 稻季麥秸稈還田各處理的溫室氣體GWP （CO2 t·hm-2）

2.3 年際效應

通過在2018年進行連續、重復的試驗，驗證2017年分別在稻季和麥季結論的可靠性。現僅對秸稈還田的3組處理進行分析。試驗表明，2017和2018年同一溫室氣體的各處理變化趨勢一致，LM+ST和PM+ST均不同程度地低于對照組CK+ST，表明微生物菌能減少溫室氣體排放；而同一處理在不同年份下絕大部分都存在顯著性差異，表明不同年份取樣的濃度受到外界因素的影響較大，可能與采樣時間、年份氣候、田間管理、作物的長勢、人為誤差均存在一定的關系。

表4 稻季麥秸稈還田各處理的年際間溫室氣體平均排放通量

3 討論與結論

土壤能通過生物和非生物過程捕獲大氣中的碳素并將其穩定地存入碳庫，這一過程被稱為碳固存。土壤有機碳（SOC）儲量與環境變化、生態系統中物質能量循環和人類生產生活密切相關［16-17］。其中，農田溫室氣體排放在受到溫度、濕度、pH值等環境因素影響的同時，也受到許多人為因素的影響，如氮肥施用、秸稈和有機肥的還田等［18］。

CO2、CH4和N2O是導致溫室效應的3種主要溫室氣體，其中農田生態系統又是大氣中3種溫室氣體重要的排放源。本研究中，通過對農田耕作方式、秸稈還田方式以及對集溝還田的秸稈微生物菌的處理綜合分析可知，各因素對農田溫室氣體有較大的影響［19］。總體來說，①對稻季和麥季而言，溫室氣體的排放以稻季為主，麥季各種溫室氣體的排放通量相對稻季低，這主要是受溫度的影響所致，溫度是促進溫室氣體排放的一個重要因素；②對耕作方式而言，免耕的平均溫室氣體排放量要低于旋耕，與旋耕相比，免耕的綜合溫室效應減排可達15%，這是由于耕作會破壞土壤的原有結構，從而減少土壤CO2、CH4和N2O的氧化程度和匯集強度并增加了其反應基質；③對氮肥的施入而言，不論是稻季還是麥季，氮肥的施入會明顯改變溫室氣體的排放，特別是會促進N2O和CO2的排放，這可能是由于NH4+-N抑制了甲烷產生菌活性，從而使CH4的排放增幅不明顯。增加N2O的排放主要是由于氮肥進入土壤后可以增加土壤氮素含量，為硝化反硝化過程提供底物NO3-和NH4+，其中，NO3-不僅可以促進反硝化速率，而且能夠刺激NO3-還原酶活性，增加N2O/N2。增加CO2的原因是氮肥的施入改善了土壤理化性質，增加了土壤有機質的積累，促進了土壤微生物的活性以及根系的生長和活力，從而增加了CO2的排放量；④就秸稈直接還田而言，秸稈直接還田作為一種有機肥的投入，改善了土壤的理化性質，增加了土壤有機質的積累，促進了土壤微生物活性及殘留根系的生長和活力，同時，秸稈施用加速了微生物對有機物質的分解和礦物質的轉化，從而增加了CO2、CH4及N2O的排放量，特別是配施氮肥的情況下，排放量增加尤其明顯。

苗期因為秸稈腐解率低，有機質的礦化率低，微生物的呼吸作用相對較弱，此時的作物根系弱小，呼吸強度弱。因此，田間作物的溫室氣體排放通量在整個生育期是最小的［20］，但是秸稈的溫室氣體排放不受影響，處于較高的水平。

由于秸稈還田在保護環境，增加土壤肥力，提高作物產量等方面有著不可估量的作用［21］。因此，為了探索秸稈還田在固碳和減排方面的作用，本研究在微生物菌促進集溝秸稈快速腐解的基礎上，進一步研究該措施下溫室氣體排放的情況。研究表明：在稻季麥秸稈直接還田（CK+ST）作用下，外加微生物菌處理LM+ST、PM+ST的CO2、CH4、N2O的平均排放量分別為260.89 mg·m-2·h-1、12.07 mg·m-2·h-1、100.87 μg·m-2·h-1和335.96 mg·m-2·h-1、15.20 mg·m-2·h-1、117.39 μg·m-2·h-1，比無微生物菌的對照組分別要低31.7%、36.9%、39.2%和12.0%、20.6%、29.2%。微生物菌能在一定程度上緩解秸稈還田所帶來的溫室氣體排放，這是由于秸稈在腐解過程中，微生物的呼吸底物增加，呼吸強度提高，CO2排放量增大，加入菌劑促腐后集溝秸稈CO2排放量比對照低，原因可能是集溝還田秸稈的腐解是微氧反應，菌劑的施入促進秸稈碳微氧分解和腐殖化，秸稈碳的腐殖化率越高，土壤固碳越高，CO2氣體排放量表現為降低。同時土壤中的有機碳提高，起到固碳的作用。并且由于微生物菌對秸稈的快速分解，此過程會消耗大量的O2，導致土壤表層出現還原的環境條件，從而增強了CH4的氧化吸收，減少其排放，但是相對另2種氣體不明顯。使土壤有機質與土壤中的氧混合減少；同時由于免耕和秸稈覆蓋，使土壤溫度和有機質腐化降低，減少了CO2的排放；高C/N的微生物菌分解過程中需要利用土壤中的氮素，且好氧微生物的活動導致土壤氧化還原狀況的改變，限制了硝化作用N2O的產生，同時秸稈在腐解過程中產生化感物質也會抑制N2O的釋放，最終體現為共同降低N2O的排放［22-24］。