紫花苜蓿綠肥還田與化肥減施對貴州黃壤溫室氣體排放和玉米產量的影響

陳語 楊世梅 張濤 何燕 趙秋梅 陳俏 高小葉

摘要：通過田間試驗研究紫花苜蓿綠肥還田與化肥減施對貴州黃壤旱地玉米產量、溫室氣體排放通量及全球增溫潛勢（GWP）和溫室氣體排放強度（GHGI）的影響。設置傳統施肥（CF100）、綠肥配施70%化肥（AL+CF70）、綠肥配施50%化肥（AL+CF50）及單施綠肥（AL+CF0）4個處理。結果表明，綠肥處理可顯著增加CO2平均排放速率，AL+CF50顯著增加了CH4平均排放通量速率，而AL+CF0顯著降低了N2O平均排放速率。綠肥處理均增加CO2、CH4累積排放量，其中AL+CF70與AL+CF0處理顯著高于CF100（P<0.05）；所有處理CH4累積通量差異不顯著，但綠肥處理使CH4累積通量由匯變為源；綠肥處理可降低N2O排放通量，但與CF100差異不顯著（P>0.05）。綠肥配施化肥可實現玉米增產穩產，但差異不顯著（P>0.05），其中AL+CF70較CF100產量增加3.05%，而單施綠肥可顯著降低玉米產量（P<0.05），降幅56.97%。綠肥與化肥配施可增加土壤pH值、有機碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）含量，且AL+CF70處理與CF0處理TP含量達到顯著差異（P<0.05）。GWP主要由CO2和N2O決定，大小排序為 AL+CF0>AL+CF70>AL+CF50>CF100，溫室氣體排放強度（GHGI）為AL+CF0>AL+CF70>AL+CF50>CF100，但AL+CF70、 AL+CF50與CF100差異不顯著（P>0.05）。綜合玉米產量和GHGI，AL+CF70處理可實現穩產穩排和化肥減施目標。

關鍵詞：溫室氣體；綠肥；玉米產量；全球增溫潛勢；溫室氣體排放強度

中圖分類號：S513.06；S181 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）15-0238-07

基金項目：貴州省省級科技計劃（編號：黔科合基礎［2020］1Y118、黔科合基礎ZK［2022］一般146）；國家自然科學基金（編號：31960636）；農業農村部都市農業重點實驗室開放基金（編號：UA201704）；大學生創新創業項目（編號：202210672068）。

作者簡介：陳 語（1998—），女，重慶人，碩士研究生，研究方向為農業資源與環境研究。E-mail：yuchen1998@163.com。

通信作者：高小葉，博士，副教授，主要從事生態系統碳氮循環研究。E-mail：xiaoyegao@hotmail.com。

大氣中溫室氣體濃度的增加是全球變暖的主要原因之一。農田土壤是溫室氣體排放的重要來源，約占人類農業生產溫室氣體排放的14%［1］。作為溫室氣體的重要組成部分，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）分別占溫室氣體排放量的73.0%、18.3%和6.0%［2］。在 100 年的時間尺度上，單位分子 CH4 和N2O的增溫潛勢分別是CO2的27倍和273倍［3］。我國是氮肥消費大國，氮肥用量高于歐美等發達國家［4］。長期大量施用氮、磷、鉀等化肥，會導致土壤中養分大量流失，重金屬和有毒物質含量增加，土壤微生物活性下降，土壤理化性質惡化，導致土壤退化、水土流失嚴重、水土富營養化等一系列生態環境問題［5］。大量投入肥料和氮肥利用率低下造成CO2、 N2O 大量排放［6］。因此，探究合理的施肥方法，以減少農田土壤溫室氣體排放十分重要。在農業生產上，無機與有機肥配施是一種常見的現代生態調控措施。綠肥不僅是農業可持續發展的重要手段，也是作物營養可持續供給最具潛力的農藝措施之一［7］。已有大量研究表明，種植綠肥能有效改善和提高土壤肥力，提高作物產量［8-10］，改變土壤的氧化還原電位和還原性物質［11-12］，還能夠增加土壤有機質及養分含量，對化肥單一過量使用造成的生態問題能起到良好的改善作用。綠肥種植并翻壓還田能夠改良土壤、減少溫室氣體排放的研究已在生產中得到驗證［13-15］。例如，常單娜等研究發現，紫云英綠肥翻壓進入土壤后產生大量還原性物質，經過土壤硝化反硝化過程，土壤硝態氮被還原為氮氣，從而減少N2O排放［11］。Zhou等研究表明綠肥翻壓進入土壤后，土壤微生物的生存環境改善，為微生物的活動和生長提供所需的營養，刺激微生物的硝化和反硝化作用，土壤中溫室氣體排放增加［16］。Sainju等在北美平原的研究表明，非豆科綠肥種植土壤的CO2排放高于豆科綠肥種植土壤［17］。Gao等也研究發現，綠肥可將土壤氮固定，從而導致銨態氮含量降低，最終降低N2O排放［17］。目前有關豆科綠肥與化肥減施在貴州喀斯特黃壤土上的研究報道較少，尤其是紫花苜蓿綠肥在玉米旱地土壤溫室氣體排放影響的綜合評估研究缺乏，而紫花苜蓿作為優良綠肥，在草田輪作、農田保護方面起到重要作用。

因此，本試驗通過對貴州黃壤旱地溫室氣體排放、玉米產量的研究，探討有機無機配施所產生的環境效應，以期為貴州黃壤玉米旱地生態環境改良與農業溫室氣體減排提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于貴州省貴陽市花溪區麥坪鄉（106°27′～106°52′E，26°11′～26°34′N），海拔 1 100 m，為亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫度為 16.0 ℃，年均降水量為1 178.3 mm，70%降雨集中在4—8月。土壤類型為黃壤，耕作層（0～20 cm）土壤pH值為 5.62，有機質含量為39.18 g/kg，堿解氮含量為178.10 mg/kg，速效磷含量為8.96 mg/kg，速效鉀含量為183.67 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗設4個處理：傳統施肥（CF100）、紫花苜蓿配施70%化肥（AL+CF70）、紫花苜蓿配施50%化肥（AL+CF50）和單施紫花苜蓿綠肥（AL+CF0），每個處理3次重復，共15個小區，每個小區面積為 18 m2，完全隨機排列。在處理中，傳統施肥為當地習慣施肥方式的施肥量，為273 kg N/hm2和P2O5 264 kg/hm2。試驗中使用尿素（含N 46%）和磷酸一銨（含N 11%，P2O5 44%），其中磷酸一銨用作基肥，尿素用作追肥分2次施入。

苜蓿綠肥于2018年玉米收獲后人工均勻撒播于相應小區內，播種量為27 kg/hm2，綠肥生長期不施用化肥。玉米供試品種為安單3號，于2019年4月播種，2019年5月第1次追肥（穴施），2019年7月第2次追肥（撒施），2019年9月收獲，將每塊小區的綠肥全量翻壓施入，其他管理措施與當地常規田間生產一致。

1.3 樣品采集及處理

玉米收獲期間，每小區隨機取10株玉米植株，65 ℃烘烤至恒質量，測定地上部生物量。

采用靜態箱-氣相色譜法監測CO2、CH4和N2O通量。暗箱為內徑20 cm、高5 cm的圓柱體，放置在2株玉米之間，箱內無植物。采樣時間為上午08：00—11：00，采氣的同時利用地溫計記錄抽氣前后土壤5 cm溫度。氣樣采集時間為6—9月，施肥后1次/d，遇大雨推遲。采樣時間間隔為30 min，分別在0 min和30 min，用注射器抽取30 mL氣體，來回抽吸4次，使氣體完全混合，并收集在真空袋中，用氣相色譜儀（島津GC-2014，日本）在48 h內測定樣品濃度。

溫室氣體排放通量的計算公式為［19］：

式中：F為氣體排放通量，CO2單位為mg/（m2·h），CH4和N2O單位為μg/（m2·h）；H為暗箱的高度（0.05 m）；ρ為溫室氣體的密度（標準狀態下），單位為kg/m3；ΔcΔt表示氣體的排放速率，μL/（m3·h）；T表示測量時箱內的平均溫度 ℃。

溫室氣體累積排放通量（Gn′）計算公式［20］：

式中：Cn′和Cn代表第n′次和第n次的累積溫室氣體通量；Fn′和Fn分別為第n′次和第n次氣體產生速率；t′和t表示采樣間隔時間，d。

累積排放量的增溫潛勢（GWP，kg/hm2）計算公式（100年尺度）［3，21］：

GWP=CO2+27CH4+273×N2O。

利用全球增溫潛勢與作物產量之間的關系計算溫室氣體排放強度（GHGI，kg/kg）［21］：

GHGI=GWP/y。

式中：y表示玉米籽粒產量，kg/hm2。

1.4 數據分析

使用Excel 2016、SPSS 21和SigmaPlot 14進行數據排序、 統計分析和數據圖表繪制。處理間差異采用重復測量單因素方差分析（ANOVA）和LSD顯著性差異檢驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同處理條件下溫室氣體排放特征

觀測期內各處理5 cm地溫及體積含水量變化趨勢見圖1，8月地溫最高，且綠肥處理顯著高于CF100（P<0.05）；土壤含水量7月最高，但觀測期內各處理差異不顯著（P>0.05）。各處理CO2排放通量變化趨勢一致，為5.41～325.72 mg/（m2·h）；6月玉米拔節期排放通量較低，7月抽雄吐絲期追肥后出現2次峰值，隨后逐漸下降并在收獲期又呈現上升趨勢（圖2-a）。CO2平均通量大小為AL+CF70>AL+CF0>AL+CF50>CF100，且綠肥處理顯著高于CF100處理（P<0.05，表1）。CH4通量無明顯變化規律，呈正負波動，在6月波動較大，隨后均趨于穩定（圖2-b）。各處理CH4平均通量為0.22～18.17 μg/（m2·h），AL+CF50>AL+CF70>AL+CF0>CF100，其中AL+CF50顯著高于CF100（P<0.05，表2）。N2O呈雙峰變化，通量為-4.17～234.40 μg/（m2·h）。追肥后達到第1次峰值，追肥3周后出現第2個峰值（圖2-c）。N2O平均排放通量隨施肥量減少而降低；N2O平均排放通量表現為CF100>AL+CF70>AL+CF50>AL+CF0，其中AL+CF0顯著低于AL+CF100（P<0.05）（表1）。

與CF100相比，所有綠肥處理均增加了CO2累積排放通量，其中AL+CF70和AL+CF0處理分別顯著增加25.63%和38.09%的CO2累積排放量（圖3-a）。CH4累積排放通量在CF100處理為負值，表現為弱匯，綠肥處理均為排放源，且無顯著差異（P>0.05）。各處理間N2O排放通量均為正值（圖3-c），N2O累積排放通量隨著化肥施用量增加，綠肥減施化肥降低了N2O累積排放量，差異不顯著（P>0.05）。

2.2 不同處理條件對玉米產量的影響

玉米莖產量隨化肥減施而降低，與CF100相比，AL+CF70、 AL+CF50和 AL+CF0分別降低2.78%、5.73%和18.98%（P>0.05）。除AL+CF50外，化肥減施處理玉米葉片產量呈降低趨勢，產量大小為AL+CF50>CF100>AL+CF70>AL+CF0（圖4）。

玉米籽粒產量呈AL+CF70>CF100>AL+CF50>AL+CF0的趨勢（表2）。與CF100相比，AL+CF70 處理玉米產量增加3.05%，AL+CF50玉米產量降低6.27%，但差異均不顯著（P>0.05），而AL+CF0顯著降低56.97%（P<0.05）。

2.3 不同處理條件對全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度的影響

由圖5可知，所有綠肥處理均增加了全球增溫潛勢，但都未達到顯著差異（P>0.05），其大小為AL+CF0>AL+CF70>AL+CF50>CF100，AL+CF0、AL+CF70、Al+CF50增幅分別為24.57%、21.26%和9.25%（圖5-a）。綠肥處理增加溫室氣體排放強度，大小順序為AL+CF0>AL+CF70>AL+CF50>CF100。AL+CF0處理最高，為 1.13 kg/kg，較CF100顯著增加200.49%（P<0.05），AL+CF50和AL+CF70處理GHGI值分別為0.43、0.44 kg/kg，較CF100分別增加16.46%和17.67%，但增幅不顯著（P>0.05）。

2.4 不同處理條件對土壤理化性質的影響

綠肥與氮肥配施可影響土壤理化性質（表3）。與CF100相比，綠肥與無機肥配施可緩解土壤酸化。綠肥與氮肥配施可增加土壤有機碳（SOC）含量，除AL+CF0處理外，相較于CF100，AL+CF70、AL+CF50處理分別增加了8.13%、1.42%（P>0.05）。土壤全氮（TN）含量隨著施氮量增加呈上升趨勢，最高的處理AL+CF70達1.99 g/kg，與CF100相比，增加了3.11%（P>0.05）。AL+CF70處理顯著提升土壤全磷（TP）含量，與CF100相比，增加了51.61%，單施綠肥AL+CF0處理，與CF100相比，降低了TP含量，但差異不顯著（P>0.05）。土壤C/N比范圍在13.87～15.54，各處理間差異不顯著（P>0.05）。

3 討論

3.1 不同處理對溫室氣體排放的影響

農田生態系統CO2排放是土壤生物代謝、生化過程等所有因素的綜合表現［22］。施肥、灌溉、耕作和氣候變化等均可影響農田土壤的生化特性，從而影響土壤CO2排放［23］。在本研究中，CO2排放量在7月達到峰值（圖2-a），這可能與土壤水分有關（圖1），7月土壤水分較高，促進了根系呼吸和微生物群落活動，從而土壤呼吸強度增加，這與前人研究一致。例如，李平等研究結果也表明在一定范圍內，微生物活性隨著水分含量的增加而增加，從而促進CO2排放［24-25］。本研究綠肥處理對CO2累積排放量具有促進作用，前人研究也普遍發現綠肥配施無機肥會增加CO2排放［6］。張少宏等在陜西的研究發現，冬季綠肥可不同程度地提高黑壚土CO2排放［26］；張祺等在陜西的研究也發現，與裸地相比，黑麥草、長武懷豆和二者混播處理黑壚土壤的CO2日平均排放通量分別增加了24.5%、12.8%和19.3%［27］。其主要原因是綠肥翻壓還田極大地擾動了土壤，改善土壤通氣性，從而加快綠肥分解速度，提高微生物呼吸速率和單位時間內的CO2排放量［20］。在本研究中，苜蓿添加處理的CO2累積排放量顯著高于傳統施肥處理。已有研究結果表明，與裸地相比，綠肥能促進微生物活動和根系呼吸［28］，在隨后的作物生長過程中促進土壤CO2排放［29］。另外，綠肥翻壓還田后，可以有效改善土壤理化性質，為微生物活動提供更多營養底物和能量等適宜條件，加速土壤微生物呼吸，從而釋放CO2［30］。例如，謝燕等研究發現，通過翻壓還田向土壤中輸入新鮮有機物質，可加速土壤有機碳分解，從而促進土壤CO2排放［31］。

旱地土壤通常表現為大氣CH4的匯，但在本研究中綠肥施加后CH4排放量增加，表現為大氣CH4的排放源。大量研究指出，CH4排放受環境因子溫度、濕度等影響［32］。本試驗觀測期與該地區的集中降水期相吻合，降雨量大，導致土壤透氣性較差，加之綠肥還田為CH4的產生提供了更多有機質，導致綠肥處理主要表現為弱排放源。此外，綠肥增施下，旱地土壤CH4排放增強，其可能的原因是綠肥施入后分解，為產甲烷菌提供了充足的底物［33］，從而產生更多的CH4。

施肥可直接為土壤硝化和反硝化提供氮源，是影響土壤N2O排放的最重要因素之一。而硝化反硝化過程受多因素的影響，有研究指出有機肥可以改變土壤性質，增加土壤孔隙度和導水率，調節農田土壤生物和非生物過程中N2O的產生和排放［34］。本研究中，在追肥后2～3周出現排放峰值，可能是因為土壤微生物逐漸分解和礦化氮肥，釋放出更多的N2O；在檢測后期，N2O 釋放量趨于減少并趨于穩定。與傳統施肥CF100相比，綠肥配施化肥各處理降低了土壤N2O排放（圖3），這與殷熙悅等研究結果［35］一致。其可能的原因是施用綠肥后土壤C/N發生改變，微生物在綠肥分解過程中利用土壤氮形成自身的體細胞，微生物對氮的競爭利用導致土壤無機氮含量降低，從而降低硝化和反硝化底物含量，減少N2O排放［36］。另一方面，綠肥的分解增加了土壤中有機質的含量，可在一定程度上通過固定N抑制硝化過程，減少氮的損失，從而減少N2O累積排放量。

3.2 不同處理對產量和溫室氣體排放強度的影響

綠肥配施化肥是有機無機復合施用的重要形式之一。在本研究中，綠肥配施處理（AL+CF70）比單施化肥處理（CF100）的產量有所提高，增幅為3.05%，說明綠肥與適量的化肥減量配施可提高玉米產量。謝樹果等在丘陵旱地的研究發現，綠肥翻壓與化肥配施對玉米增產效果明顯［37］。楊璐等在華北地區的研究也發現，綠肥配施化肥可顯著提高玉米氮肥利用效率，綠肥翻壓配施化肥減量 15%的處理，其春玉米籽粒產量增加29.0 g/株、地上部吸氮量增加 0. 65 g/株［38］。這是因為綠肥翻壓后腐解易礦化［39］，為玉米生長提供了適宜的條件。另一方面是綠肥翻壓進入土壤后，可顯著影響土壤多酚氧化酶和轉化酶活性［40］，并且豆科植物秸稈和根系降解腐爛產生的有機酸有助于將土壤中難利用的氮、磷轉化為有效狀態，促進玉米對氮、磷的吸收［41］。Lee等也研究發現，利用豆科植物毛葉苕子與大麥混播，可將大氣中的氮吸收進入土壤，為玉米生長提供更高的氮源，使玉米產量提高［21］。

本研究中，全球增溫潛勢主要由CO2及N2O貢獻，CO2對全球增溫潛勢的貢獻占90%左右，對GWP起決定性作用。AL+CF70、AL+CF50和 AL+CF0處理GWP較CF100分別增加21.26%、9.25%和24.57%，這與張少宏等研究結果［26］相近。本研究發現，與傳統施肥CF100相比，AL+CF70增加了玉米產量，且溫室氣體排放強度無顯著影響，這可能與試驗年限有關。Lee等2年的研究結果發現，綠肥種植較裸地增加了GWP，且第2年低于第1年［21］。有研究表明，長期試驗可提高后續作物產量，從而降低GHGI，本研究中AL+CF70處理較CF100處理增加了玉米產量，但對GHGI值無顯著影響［3，42-43］，因此，后續需要更長的試驗周期，監測CO2、CH4、N2O排放通量，并考慮碳輸入、碳固存等，用以評價整個生態系統的凈碳收支。

4 結論

紫花苜蓿綠肥與化肥減施可促進玉米生長季CO2、CH4排放通量，降低N2O排放。紫花苜蓿綠肥與化肥減施可緩解土壤酸化，提升土壤SOC含量，并提高玉米產量。綠肥和適量的化肥減施可以保證較低的GHGI值，其中，AL+CF70處理產量最高、溫室氣體排放強度較低。因此，在短期試驗中，紫花苜蓿綠肥還田減施30%化肥可有效保障玉米作物產量，實現該區黃壤玉米種植減排增效。

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