綠肥還田對貴州黃壤玉米產量及溫室氣體排放的影響

張濤 何燕

摘要：通過研究貴州省冬閑田種植光葉紫花苕、箭舌豌豆、黑麥草和油菜4種綠肥還田對后茬玉米產量和土壤溫室氣體排放的影響，篩選可以減少或一定程度上遏制農業溫室氣體排放的綠肥。結果表明：（1）箭舌豌豆處理CO 2 平均排放通量最高，為79.67 mg/（m2·h），油菜處理最低，為66.53 mg/（m2·h），但各處理間無顯著差異;與冬閑相比，除油菜處理外，其他綠肥處理均促進CO 2 排放。（2）所有綠肥處理均促進CH 4排放，冬閑CH 4累積通量為負值，表明綠肥還田導致土壤由CH 4匯變為弱排放源。（3）與冬閑相比，除箭舌豌豆處理外，其他綠肥處理對N 2O累積排放量均有抑制作用。（4）CO 2對全球變暖貢獻占主導，N 2O次之，CH 4所占比例最小。（5）綠肥還田均可提高玉米產量，且光葉紫花苕綠肥處理產量顯著高于冬閑，單位產量溫室氣體排放強度也較小。因此，綜合考慮環境效益和生產效益，冬閑種植光葉紫花苕綠肥還田可實現增產減排。

關鍵詞：綠肥;玉米;輪作;溫室氣體;全球增溫潛勢（GWP）;溫室氣體排放強度（GHGI）

中圖分類號：S513.06;S181 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）09-0070-06

CO 2、CH 4和N 2O是大氣中最主要的3種溫室氣體，對人為溫室效應的貢獻率分別為60%、15%和5%[1]，農業作為溫室氣體重要排放源之一，其排放量占比達30%[2]。玉米是我國主糧食作物之一，在我國農業種植結構中占有重要地位，2020年種植面積達到4 126.4萬 hm2，總生產量達到2.61億t，占糧食生產總量的38.9%[3]。然而，玉米生產的單位面積碳足跡和溫室氣體排放量在2005—2015年間均呈顯著增加趨勢[4]。在確保玉米穩產增產條件下進行固碳減排，對緩解氣候變暖具有重要意義。

綠肥作為有機肥源，翻壓還田不僅可以提升土壤養分，改善作物生長環境，對作物增產及溫室氣體排放也具有重要影響[5-6]。陳正剛等在貴州省織金縣研究發現，光葉苕子綠肥配施減量化肥，玉米產量提高25.7%[7]。馮濤等在甘肅省酒泉市研究發現，種植油菜、箭舌豌豆、毛苕子綠肥還田可使玉米增產2.0%～5.2%[8]，而翻壓光葉紫花苕綠肥玉米產量增幅達78.14%～113.91%[9]。Ma等的研究表明，綠肥還田總體上可顯著提高玉米產量11%[10]。Li等研究發現，綠肥還田可顯著提高CO 2 和N 2O累積排放量[11-13]，但對CH 4通量無顯著影響[14]。也有研究發現，綠肥還田雖然促進CO 2 和N 2O排放，但影響不顯著[15];綠肥還田在不增加CO 2的前提下，可降低N 2O的排放[16]。可見，玉米生態系統土壤溫室氣體排放對綠肥還田的響應存在差異。

以CO 2、CH 4和N 2O計算的區域尺度全球增溫潛勢（GWP）可作為衡量溫室氣體減排的重要指標[17]，而單位產量溫室氣體排放強度（GHGI）可衡量作物產量與溫室氣體排放的相互作用[18]。因此，探明綠肥還田下玉米產量與溫室氣體排放量關系，對玉米生態系統固碳減排具有重要作用。本研究以4種不同綠肥為研究對象，探究不同綠肥還田對貴州省黃壤玉米產量及溫室氣體排放的影響規律，并對其全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度進行估算，以期為貴州地區綠肥玉米輪作系統溫室氣體減排提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于貴州省貴陽市花溪區麥坪鎮（106°27′～106°52′E，26°11′～26°34′N），該區位于貴州省中部，海拔約1 100 m，屬高原季風濕潤氣候，全年平均氣溫16.0 ℃，無霜期平均246 d，年降水量 1 178.3 mm。土壤類型為黃壤，其母質類型為砂頁巖。土壤基本理化性質為：有機質含量 39.18 g/kg、堿解氮含量 178.10 mg/kg、速效磷含量8.96 mg/kg、速效鉀含量 183.67 mg/kg ，pH值為5.62。

1.2 試驗設計

試驗共設置5個處理，分別為冬閑、光葉紫花苕、箭舌豌豆、黑麥草和油菜，每個處理3個（小區）重復，小區面積為 3 m×6 m，完全隨機排列。綠肥于2018年玉米收獲后均勻撒播于相應小區內，光葉紫花苕和箭舌豌豆播種量均為45 kg/hm2，黑麥草和油菜播種量均為30 kg/hm2。綠肥生長季不施用化肥。所有綠肥在玉米播種前1周翻耕還田，翻壓深度為10～15 cm，化肥施用量參照當地常規施肥，施用量為N 273 kg/hm2、P 2O 5 264 kg/hm2，其中氮肥25%作基肥，75%作追肥，磷肥全部用作基肥。基肥為磷酸一銨（含N 11%、P 2O 5 44%），追肥為尿素（含N 46%），分別于2019年5月中旬和7月初追肥2次。供試玉米品種為安單3號，其他田間管理措施與當地常規大田生產一致。

1.3 溫室氣體測定與計算

在玉米生長季采用靜態箱-氣象色譜法測定CO 2、CH 4、N 2O等3種溫室氣體。采氣裝置包括聚氯乙烯（PVC）圓環、采氣密封蓋和30 mL注射器，PVC圓環直徑為20 cm、高為10 cm，打入土7 cm 深度。采集氣體時，將地溫探針插入PVC圓環旁 5 cm 深的土壤，并記錄開始抽取氣體和結束時的地溫和氣溫。同時，在蓋上密封蓋之前和蓋上密封蓋 20 min 后用連接有三通閥的注射器取30 mL氣體注入真空氣袋中保存，帶回實驗室72 h內使用氣象色譜儀（GC-2014，島津）測定樣品中CO 2、CH 4和N 2O的濃度。氣體采集時間為08：00—11：00，施肥后1周每隔 1 d 采集1次，遇強降雨天氣則推遲取樣。

溫室氣體排放通量的計算公式[17]為

F=ρ×H×ΔCΔt×273273+T。（1）

式中：F為溫室氣體排放通量，CO 2的單位為 mg/（m2·h），CH 4和N 2O的單位為μg/（m2·h）;ρ為溫室氣體標準狀態下的密度，kg/m3;H為取樣環蓋度（0.05 m）;ΔCΔt為單位時間靜態箱內的溫室氣體濃度變化率，μL/（L·h）;T為測定時箱體內的平均溫度， ℃。

累積溫室氣體排放量（CE）計算公式[19]為

CE=∑Ni=1F i+F i+12×（t i+1-t i）×24。（2）

式中：CE為累積溫室氣體排放量，g/m2;F i、F i+1代表第i次與第i+1次所采集溫室氣體的通量，CH 4 和N 2O 通量單位為μg/（m2·h），CO 2通量單位為mg/（m2·h）;N為測定總次數;t i+1-t i代表第i+1次與i次氣體采集的時間間隔。

玉米的凈初級生產力（NPP）估算公式[14]如下：

NPP=NPP 地上+NPP 根+NPP 凋落物+NP 根沉積。（3）

玉米地上部生物量/根系生物量為1/0.09[20]，地上凋落物為地上部凈初級生產力的5%，（地上生物量+根系生物量）/根際沉積物為0.89/0.11[21]。

全球增溫潛勢和單位產量溫室氣體的排放強度計算公式[17]為

GWP=CO 2累積排放量+25×CH 4累積排放量+298×N 2O累積排放量。（4）

GHGI=GWP作物產量。（5）

1.4 數據處理與分析

試驗所得數據使用Excel 2019和SPSS 26.0進行數據整理和統計分析，采用最小顯著差數檢驗法（LSD法）對不同綠肥處理間的數據進行多重比較，作圖使用Origin Pro 2021。

2 結果與分析

2.1 不同綠肥還田下CO 2、CH 4和N 2O排放速率變化

各處理5 cm土壤溫度和體積含水量變化趨勢一致，溫度在8月達到最高，含水量呈下降趨勢（圖1）。玉米生長季各處理CO 2排放通量變化趨勢基本一致，出現3個排放峰，通量變化介于5.60～286.09 mg/（m2·h）之間。在測量初期CO 2排放通量較低，施肥前CO 2排放通量又上升，到達觀測期的第1個峰值，在施肥20 d后，CO 2排放通量總體呈下降趨勢（圖2）。生長季CO 2平均排放通量以箭舌豌豆處理最大，為79.67 mg/（m2·h），油菜處理最低，為66.53 mg/（m2·h），各處理具體表現為箭舌豌豆>光葉紫花苕>黑麥草>冬閑>油菜（表1），所有處理間均無顯著差異。各處理CH 4排放通量變化趨勢基本一致，呈降低趨勢（圖2），7月后各處理排放通量趨于穩定，波動范圍較小，呈現弱源或弱匯;但各處理生長季CH 4平均通量均為正值，其中以光葉紫花苕處理最高，為3.76 μg/（m2·h），冬閑處理最低，為0.22 μg/（m2·h），各處理CH 4平均通量表現為光葉紫花苕>箭舌豌豆>黑麥草>油菜>冬閑 （表1），但差異不顯著。N 2O排放通量與CO 2變化趨勢相似，有3個峰（圖2），排放通量介于-5.49～223.97 μg/（m2·h）之間;N 2O平均排放通量以箭舌豌豆處理最高，為35.13 μg/（m2·h），黑麥草處理最低，為16.58 μg/（m2·h），排放通量均值表現為箭舌豌豆> 油菜>冬閑>光葉紫花苕>黑麥草（表1）。

2.2 不同綠肥還田下CO 2、CH 4和N 2O累積排放量變化

由圖3可知，CO 2累積排放量以箭舌豌豆處理最高，為2 658.10 kg/hm2，油菜處理最低，為 2 318.52 kg/hm2，但所有處理間差異均不顯著。CH 4累積排放量冬閑處理表現為弱匯，為 -0.19 kg/hm2，綠肥處理除黑麥草處理外，均表現為弱源，所有處理間差異均不顯著。N 2O累積排放量以箭舌豌豆處理最高（1.50 kg/hm2），黑麥草處理最低（0.75 kg/hm2），與冬閑相比，光葉紫花苕、黑麥草、油菜處理N 2O累積排放量分別降低10.73%、39.65%、10.38%，箭舌豌豆處理則增加20.40%。

與冬閑處理相比，光葉紫花苕和箭舌豌豆綠肥還田分別使全球增溫潛勢提高了5.20%、15.10%，而黑麥草和油菜處理分別降低了1.08%、1.70%;所有綠肥處理均表現為CO 2排放量對GWP的貢獻最大，達85%以上，N 2O次之，CH 4排放比例最小，除箭舌豌豆處理外，綠肥還田增加了CO 2占GWP的比例（表2）。

2.3 不同綠肥還田下玉米產量及溫室氣體排放強度

綠肥處理后玉米地上部生物量、根系生物量、凋落物量、根系沉積物和凈初級生產力均高于冬閑，凈初級生產力表現為油菜>光葉紫花苕>黑麥草>箭舌豌豆>冬閑，但差異并不顯著，綠肥處理分別較冬閑處理提高9.59%、7.74%、7.35%、2.74%（表3）。與冬閑相比，綠肥還田均增加了玉米產量，且表現為光葉紫花苕>黑麥草>油菜>箭舌豌豆，分別增產12.71%、12.26%、12.14%、2.79%，其中光葉紫花苕處理顯著提高了玉米產量（P<0.05），而其他綠肥處理產量增幅不顯著。從溫室氣體排放強度來看，除箭舌豌豆處理外，其他綠肥處理均降低了農田GHGI，以油菜處理降幅最大（表4）。

3 討論

3.1 不同綠肥還田對土壤溫室氣體排放的影響

本研究發現CO 2 排放通量呈現多峰變化，與土壤溫度變化趨勢不一致，表明溫度不是本研究區土壤CO 2 排放的主要影響因子。一般而言，CO 2 排放由土壤微生物呼吸和植物根系呼吸決定，其排放速率隨氣溫升高而增加[14]，但同時受水分、土壤養分狀況、施肥管理、作物生長等其他因子影響[22-23]。本研究中7月中下旬，土壤CO 2排放通量呈現降低趨勢，而9月土壤CO 2排放通量又上升，這與土壤水分變化趨勢基本一致，表明CO 2排放通量可能受土壤水分影響。戈小榮等研究指出，土壤CO 2排放速率與土壤水分呈正相關關系[24-25]。一般而言，翻壓綠肥對土壤的擾動，可改善土壤通氣性，新鮮有機物質的輸入可以加快微生物分解速率，增強土壤呼吸速率，即單位時間內CO 2排放量增加[26]。與冬閑處理相比，總體上綠肥還田促進了玉米生長季CO 2的排放，但各處理差異不顯著，這與Alluvione等的研究結果[12，15]基本一致，其原因可能是土壤有機質呼吸減少和根系呼吸增加的結果[12，27];也有研究發現，綠肥還田會顯著影響CO 2排放[14，28]。種植長武懷豆和黑麥草綠肥可使土壤CO 2日均排放通量增加12%～25%[25]。

本研究所有綠肥處理均可促進CH 4排放，這與Lee等的研究結果[14，29]一致。綠肥摻入土壤后不穩定有機碳增加，為產甲烷菌提供了充足的碳源和能量，促進了土壤CH 4排放[25-26]。但另一方面，綠肥還田后短時間的有氧預消化可降低后茬作物季節性CH 4 通量[30]。有研究發現，種植夏閑綠肥后，旱地土壤表現為CH 4的吸收匯或沒有顯著影響[25]。與夏閑田相比，種植翻壓黑麥草和長武懷豆綠肥及二者混施，可使CH 4累積排放量降低12%～19%[24]。本研究除箭舌豌豆處理外，其他綠肥處理對N 2O累積排放量均有抑制作用。Seo等研究發現，與冬閑相比，施用綠肥可使土壤N 2O排放量減少46.5%[31]，但也有研究發現，綠肥還田促進了N 2O排放[12-13] 或對土壤N 2O排放總量沒有顯著影響[32]。其原因可能是綠肥還田影響了土壤中C和N相對有效性，進而影響N 2O排放。土壤N 2O 產生由微生物硝化與反硝化過程共同決定，一方面，綠肥還田為微生物生長提供了有機碳基質，促進了微生物對無機氮的固定，同時刺激異養微生物和自養硝化菌之間對NH+ 4 的激烈競爭，導致N 2O排放減少[33-34]。另一方面，在反硝化過程中，有機碳輸入刺激N 2O還原為N 2[35]。此外，盡管綠肥還田后土壤水分增加有利于反硝化，但低濃度的土壤礦物質 N 可限制N 2O 的排放[36]。

3.2 不同綠肥還田對玉米產量和GWP的影響

本研究發現，綠肥還田對玉米產量有促進作用，增幅為2.79%～12.71%，陳正剛等研究發現，綠肥還田可使玉米產量增加13.5%～25.7%[7，37]。王玥等研究發現，不同冬種綠肥還田處理的玉米產量增幅為12%～18%[38]。一方面，綠肥還田可通過促進玉米根系生長，增加玉米株高、莖粗、葉面積及產量構成因子等農藝性狀來增加玉米產量[38-39]。另一方面，綠肥還田增加了土壤養分積累，提高了土壤微生物含量和酶活性[40]，對玉米根系呼吸和作物生長具有一定的促進作用[39]。農作物凈初級生產力是農田生態系統碳循環的重要指標，其由地上部生物量、根系生物量、凋落物及根際沉積物4部分組成[14]。自2001年以來，西南喀斯特地區農田凈初級生產力存在降低趨勢[41]，而本研究表明綠肥還田對玉米凈初級生產力具有提高作用。

GWP可評估不同溫室氣體對全球氣候系統的潛在影響，在100年時間尺度下，CH 4和N 2O增溫潛能分別是CO 2的25、298倍[17]。本研究中CO 2是GWP最大的來源，占比達85%以上，戈小榮研究也發現，綠肥還田使土壤CO 2對全球增溫潛勢的貢獻率達 90%[24]。本研究光葉紫花苕和箭舌豌豆處理對GWP有促進作用，而其他綠肥處理降低了GWP，但差異均不顯著。也有研究表明翻壓綠肥可以顯著增加土壤溫室氣體GWP[42];與夏閑田相比，種植翻壓黑麥草和長武懷豆可使GWP提高6%～11%[24]。這可能與綠肥翻壓年限有關。Lee等的研究表明，綠肥還田第2年的凈GWP和GHGI的均值顯著低于第1年的[14]。從溫室氣體排放強度來看，光葉紫花苕、黑麥草和油菜綠肥處理均較冬閑田降低了玉米農田土壤GHGI，但各綠肥處理對GHGI的降低作用不顯著，Lee等研究也發現，毛葉苕子單獨或與大麥混合施用與冬閑處理相比，GHGI 沒有顯著差異[14]。由于本研究沒有考慮土壤中的碳輸入或碳固存，無法估計整個生態系統凈溫室氣體排放。因此，未來的農業生產活動應探索低凈 GWP 和 GHGI 以及高作物生產力的系統，以確保環境效益和糧食安全。

4 結論

與冬閑相比，除油菜處理外，其他綠肥處理均可促進CO 2 排放，所有綠肥處理均可促進CH 4排放，除箭舌豌豆處理外，其他綠肥處理對N 2O累積排放量均有抑制作用。CO 2對GWP貢獻最大，占比達85%以上，N 2O占比為8.40%～14.40%，CH 4所占比例較小。從玉米生產效益和固碳減排角度看，光葉紫花苕綠肥處理不僅可以提高玉米產量，還具有降低溫室氣體排放強度的效應，是本研究區兼具經濟和生態效益的較佳輪作模式。

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