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秸秆不同还田模式对玉米田温室气体排放和碳固定的影响

花匠小妙招
2024-11-10 18:15

摘要: 为了探讨小麦秸秆不同还田模式对玉米田温室气体排放和碳固定的影响,通过田间试验,测定了秸秆不同还田方式下玉米生长季温室气体(CO2、N2O和CH4)的排放量和碳固定量,结果表明:秸秆不同还田模式对温室气体排放量影响不同,在玉米生长季,CO2和N2O累计排放量表现为秸秆过腹还田(CGS)>秸秆直接还田(CS)> 秸秆不还田(CK)> 秸秆-菌渣还田(CMS),CH4的累计吸收量表现为CGS >CK >CMS >CS,且不同处理间差异显著(P<0.05); 秸秆不同还田模式也影响土壤和植物的碳储量,耕层土壤有机碳储量表现为CGS> CMS> CS> CK,且不同处理间差异显著(P<0.05),植株、籽粒的固碳量表现为CGS> CS> CMS> CK,但不同处理间差异不显著(P>0.05).和CK相比,在CS、CGS和CMS模式下,玉米田对全球变暖的减缓效应均增加,但增加量不同,表现为CGS> CMS> CS >CK,既秸秆过腹还田模式下玉米田对全球变暖的减缓效应最大,其次是秸秆-菌渣还田模式,之后是秸秆直接还田模式.在秸秆过腹还田模式下,玉米田对全球变暖的减缓效应为22 493.83 kg CO2· hm-2,分别比CK、CS和CMS模式下玉米田对全球变暖的减缓效应增加24.2%、 18.7%和 1.6%.从减缓全球变暖的角度,推荐秸秆过腹还田模式,该模式也有利于形成粮食-秸秆-饲料-牲畜-肥料-粮食的良性循环,实现农田的固碳、减排.

Effects of Different Return Modes of Wheat Straws on Greenhouse Gas Emissions and Carbon Sequestration of Maize Fields

Abstract: Returning crop residues to soil could improve soil fertility and increase crop yields, but it may also casue elevated greenhouse gas emissions. In this study, an experiment was conducted to assess the effects of different modes of wheat straw return on CO2, N2O and CH4 emissions and carbon sequestration in maize fields during maize growing season. The modes of wheat straw return included chopped straw direct return(CS), cow-digested straw return(CGS), and mushroom-cultivated straw return(CMS). The cumulative emissions of CO2 and N2O were both in order of CGS> CS> non-straw return(CK)> CMS, while the cumulative CH4 absorption followed the sequence of CGS> CK> CMS> CS. Soil organic carbon content decreased in order of CGS> CMS> CS> CK, with significant difference between different treatments(P<0.05). However, carbon storage in plants and grains declined in the sequence of CGS>CS>CMS>CK, with no significant difference between different treatments(P>0.05). Compared to CK, CS, CGS, and CMS all mitigated the global warming effects of maize fields. The post-livestock digestion straw return mode could be recommended from in order of CGS> CMS> CS> CK. The mitigating benefit of global warming by CGS was 22 493.83 kg CO2· hm-2, 24.2%, 18.7%, and 1.6% greater than that of CK, CS, and CMS, respectively. Therefore, the perspective of decreasing the global warming, and it also forms benign cycle of food-straw-cattle manure-fertilizer-food.

秸秆作为物质、能量和养分的载体，是一种宝贵的自然资源，秸秆直接还田是目前秸秆利用的主要渠道[1]，也是提高土壤肥力、增加作物产量的主要农艺措施之一[2, 3, 4]，但同时也带来了播种质量差、与饲料争资源、病虫草害大面积发生及影响温室气体排放等问题[5, 6, 7]。已有研究表明秸秆还田能促进CO2、CH4的排放[8, 9]，但对N2O排放的影响尚存在不确定性，与土壤特性、秸秆还田量、秸秆还田方式以及秸秆还田后水肥管理方式密切相关[10]。秸秆还田在影响温室气体排放的同时，还可以通过增加土壤有机碳的直接输入实现固碳。研究表明，农田土壤有机碳的增加与近20年来秸秆还田、有机肥与化肥合理施用以及少（免）耕技术推广等农艺措施密切相关[11]。秸秆全量还田（配施化肥）的土壤有机碳呈逐年递增趋势（约为230 kg·hm-2·a-1）[12]，可见秸秆还田不仅能增加农田固碳，也可能促进温室气体排放，而温室气体的增排会部分或全部抵消土壤固碳的减排效益[13]，故在评价农田措施的固碳潜力时，应全面考虑温室气体的收支和农田固碳的影响。目前的研究多集中在秸秆还田对农田土壤碳库或对温室气体排放影响的单一研究上，从而使农田碳减排核算存在泄漏[13]。此外，通过长期定位试验虽然能够估算出土壤的年固碳量，但对于影响土壤有机碳变化的各个碳收支过程却不能定量评价，从而不利于土壤固碳机理的解释。因此，迫切需要开展短期（如1~2 年）或者一个作物生长季内秸秆还田下土壤固碳效果的研究，并在此基础上结合温室气体排放监测定量温室气体净排放[14]。可见在研究秸秆还田下农田固碳、减排时，既要考虑农田土壤、作物固碳，也要考虑秸秆还田对温室气体排放及综合增温潜势的影响。鉴于此，本研究在黄淮海小麦-玉米一年两熟制区域，选择典型研究区，通过研究秸秆不同还田模式对玉米田温室气体排放和碳固持的影响，分析秸秆不同还田模式下玉米田温室气体的综合增温潜势、碳固定及其玉米田对全球变暖的净减缓效应，以期为秸秆合理高效利用、农田温室气体减排和土壤碳固定提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于山东省农业科学院资源与环境研究所循环农业试验基地——山东省德州市平原县张华镇梨园村，属东亚暖温带亚湿润大陆性季风气候，冬冷夏热，雨热同期，四季分明。年平均气温 12.1～13.1 ℃，极端最高气温 40.9 ℃，极端最低气温-22.8 ℃，多年平均降雨量 579.2～633.3 mm。土壤类型为壤土，种植制度为小麦－玉米一年两熟制。供试土壤的基本理化性质见表 1。

表 1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil tested

1.2 试验设计

试验于2014年6月—2014年9月进行。供试作物为玉米，品种为郑单958。试验设4个处理，分别为：小麦秸秆不还田（CK），小麦收获后，人工移除小麦秸秆及根系；小麦秸秆直接还田（CS），小麦收获后，用小型秸秆粉碎机将秸秆粉碎后还田，还田量约为8100 kg·hm-2（小麦秸秆的平均产量约为8100 kg·hm-2）；秸秆过腹还田（CGC），从实验基地附近的旺源奶牛场购买牛粪，用塑料薄膜密封，腐熟约3个月，于小麦收获后均匀还田，还田量约为16 200 kg·hm-2（牛粪量约为秸秆量的2倍）；秸秆转化为食用菌基质，基质生长蘑菇后转化为菌渣还田（CMC），菌渣来自山东省农业科学院食用菌试验示范基地，为栽培双孢菇之后产生的菌渣，菌渣通过堆沤、发酵、腐熟转化后还田，还田量约为4050 kg·hm-2（小麦秸秆到菌渣的转化率约为50%）。

秸秆、牛粪和菌渣还田后，统一种植玉米。玉米种植时间为2014年6月6日，种植后统一水肥管理，肥料使用量为优化的经济施肥量，N、P2O5、K2O的施加量分别为233.9、101.2、189.3 kg·hm-2，全部作底肥。每个处理设3个小区，共12个小区，每个小区的面积为7 m×10 m=70 m2。在每个小区内随机设3个采样点，共36个观测点，分别于玉米种植后安装气体采样箱底座，底座由不锈钢制成，规格为50 cm×50 cm×20 cm，底座上端有宽2 cm、深3 cm 的密封水槽。底座安装后，稳定2周左右的时间，开始采集气体样品，采集时间依次为6月20日、7月11日、8月6日、8月20日、9月10日和9月29日。

1.3 观测指标与方法 1.3.1 温室气体样品的采集与分析

温室气体的采集与分析采用静态箱-气相色谱法。采样箱由2.5 mm厚的有机玻璃制成，箱体四周及顶部用白色泡沫包裹以确保采样时箱内温度变化不大。采样装置由采样箱、周转箱和底座3部分组成，采样箱和周转箱规格均为50 cm×50 cm×100 cm。采样箱内装有小风扇、温度传感器、采气三通阀及气压平衡管，侧面安装有电源插头和气体样品接口。

玉米株高小于1 m时，仅用箱体采集。当玉米株高大于1 m后，用周转箱连接采样箱采集。采样时将箱体罩在底座上，各部分之间均以水密封，以防止箱体和底座的接触处漏气。采样由上午10：00开始，每次罩箱时间为30 min，从采样箱密封放置到底座上，开始采集第一个气体样品，之后每间隔10 min 采样1次，共采集4个气体样品。采集的气体样品置于1 L的铝塑复合气袋中（大连光明化工研究所生产），采集气体样品时同步测定气温、箱内温度。

样品采集后36 h内，在实验室用Agilent 7890A气相色谱仪进行分析。其基本原理是通过自编微机程序发出指令控制电路、气路系统和信号接收，电磁阀通过开关量改变管线中气流流量和方向以达到对色谱自动进样、分析和清洗的目的。

温室气体排放通量采用下式进行计算：

式中：F为气体通量（mg·m-2·h-1），dc/dt为采样时气体体积分数随时间变化的回归曲线斜率；M为气体的摩尔质量，g·mol-1；P为采样点气压，Pa；T为采样时的绝对温度，K；V0、P0、T0分别为标准状态下的气体摩尔体积（22.41 L·mol-1）、大气压（1 013.25 hPa）和绝对温度（273.15 K）；H为地面以上采样箱高度，m。

温室气体累计排放量采用积分法计算[15]。

1.3.2 土壤、植物样品的采集与分析

土壤样品采用“S”型采样法采集，用取土器在每个小区内采集0~20 cm的土壤样品5~10个，混合后带回实验室。自然风干并过100目筛备用。同时用环刀法测定土壤容重。

玉米收获时，在每个小区内随机取3~5个样方，测定玉米的生物量和产量，样方面积2 m×2 m。采集的玉米植株和籽粒带回实验室，烘干、称重后待测。

土壤有机质的测定采用K2Cr2O7－H2SO4氧化法，总有机碳的测定采用重铬酸钾高温氧化法[16]。

1.3.3 计算方法

玉米季土壤固碳量为收获时与种植前土壤碳库之差，土壤碳库（SOCP）采用下式进行计算：

式中：SOC为土壤有机碳含量，g·kg-1；BD为土壤容重，g·cm-3；H为耕层厚度，m。本研究区域的耕层厚度为20 cm。

玉米植株、籽粒的固碳量为收获时干物质生物量与碳含量的乘积。玉米季总固碳量（TCS）为土壤、玉米植株及籽粒固碳量之和。为在秸秆还田后，进行玉米田固碳和温室气体的综合增温潜势对比，本研究将玉米田总固碳量（TCS）折算为固持CO2的量（ATCS）[13]，即：

式中：ATCS 表示秸秆还田后玉米田土壤固碳对减缓全球变暖的贡献，kg CO2-eqv·hm-2。

本研究以玉米田土壤固碳对减缓全球变暖的贡献与温室气体的综合增温潜势的差值来表示净增温潜势。在100 a 增温尺度上，CH4 与N2O 的增温系数分别为25 和298[17]，因此净增温潜势GWP（kg ·CO2-eqv·hm-2）为：

1.4 数据分析

运用Excel 2007进行数据处理计算，Origin7.5进行绘图，SPSS 13.0等软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析 2.1 秸秆不同还田模式对温室气体通量的影响

秸秆不同还田模式下，玉米季温室气体的通量特征如图 1所示。由图 1A可知，秸秆不同还田模式下，CO2 排放通量具有相同的排放模式，呈单峰型排放，但排放强度不同。从6月至8月，各处理下，CO2排放通量均逐渐增加，于8月6日取得排放峰值，之后排放通量又逐渐降低。不同秸秆还田处理下，玉米生长季CO2的累计排放量见表 2。秸秆不同还田处理下，CO2累计排放量表现为CGS>CS>CK>CMS，方差分析表明，不同处理间差异显著（P<0.05）。和CK相比，CS和CGS模式都使CO2累计排放量增加，分别增加5.6%和24.0%；CMS模式则使CO2累计排放量减少3.8%。CS模式下，CO2累计排放量比CGS模式降低17.4%，比CMS模式增加8.9%；CGS模式，CO2累计排放量比CMS模式增加22.4%。

图 1 不同秸秆还田模式下玉米田温室气体的排放特征 Figure 1 Characteristics of greenhouse gas emissions from maize fields with different models of straw return

表 2 秸秆不同还田模式下，温室气体的累计排放量（kg·hm-2）Table 2 Cumulative emissions of greenhouse gases from maize fields with different models of straw return（kg·hm-2）

秸秆不同还田模式下，N2O通量排放模式和排放强度均不同（图 1B）。在CK、CS和CMS模式下，N2O通量呈单峰型排放，和CO2排放通量相同，均在8月6日取得排放峰值；而CGS模式下，N2O通量呈双峰型排放，分别在8月6日和8月30日取得排放峰值。玉米生长季，秸秆不同还田模式下，N2O的累计排放量表现为CGS>CS>CK>CMS（表 2），且不同处理间差异显著（P<0.001）。和CK相比，在CS、CGS模式，N2O累计排放量分别增加12.7%和14.5%；CMS模式则使N2O累计排放量减少5.5%，即秸秆直接还田和过腹还田均使N2O排放量增加，而秸秆-菌渣还田则使N2O排放量降低。这与黄小林的研究结果相一致[18]。在CS模式下，N2O累计排放量比CGS模式降低17.4%，比CMS模式增加8.9%；CGS模式下，N2O累计排放量比CMS模式增加17.5%。

秸秆不同还田模式下，CH4通量呈波动性变化，表现为吸收（图 1C）。玉米生长季，不同秸秆还田模式下，CH4的累计吸收量表现为CGS>CK>CMS>CS（表 2），且不同处理间差异显著（P<0.05）。在CGS模式下，CH4的累计吸收量最大；CS模式下，CH4的累计吸收量最小。CS、CGS和CMS模式下CH4累计吸收量分别是CK模式下的97.6%、105.5% 和 99.4%，即秸秆过腹还田能促进CH4的吸收，而秸秆直接还田和秸秆-菌渣还田则降低了CH4的吸收量。在CS模式，CH4累计吸收量分别比CGS和CMS模式降低8.1%和1.9%；在CGS模式下，CH4累计吸收量比CMS模式增加5.8%。

2.2 秸秆不同还田模式对玉米田碳固定的影响

秸秆不同还田模式下，玉米季土壤、玉米植株、籽粒及总的固碳量见表 3。在CK模式下，土壤固碳量为负值（均值为-209.24 kg·hm-2），表现为土壤有机碳的亏损。在秸秆还田处理下，土壤固碳量均为正值，表现为土壤有机碳储量的增加。可见在秸秆不同还田模式下，土壤固碳量变化不同。不同处理间，耕层土壤有机碳储量表现为CGS>CMS>CS>CK，方差分析表明，不同处理间差异显著（P<0.05）。这说明秸秆还田处理均可以增加土壤有机碳的储量。和CK相比，CGS模式下，耕层土壤有机碳储量增加最多，增加量为813.35 kg·hm-2；其次是CMS模式，耕层土壤有机碳增加量为656.29 kg·hm-2；之后是CS模式，耕层土壤有机碳增加量为327.87 kg·hm-2。

表 3 秸秆不同还田模式下玉米田的固碳量Table 3 Carbon sequestration of maize fields with different models of straw return

秸秆不同还田模式下，玉米植株、籽粒固碳量也不同（表 3），但方差分析表明，不同处理间差异不显著（P>0.05）。秸秆不同还田模式，玉米季节总的固碳量也不同，表现为CGS>CMS>CS>CK，且方差分析表明不同处理间差异显著（P<0.05）。和CK相比，秸秆还田能够使玉米田固碳量增加，在CS、CGS和CMS模式下，玉米田的总固碳量分别为7 071.54±219.81、6 767.28±151.52、5 972.93±183.39 kg·hm-2，分别比CK增加4.9%、24.1%和18.8%。

2.3 秸秆不同还田模式对玉米田减缓全球变暖效应的影响

为了比较玉米田固碳和温室气体排放的净效应，计算出玉米田固碳量相对于CO2对减缓全球变暖的贡献ATCS，进而计算出玉米田对全球变暖的减缓效应，结果见表 4。在秸秆不同还田模式下，玉米田对全球变暖的减缓效应均为正值，即秸秆不同还田处理下玉米田均表现为碳汇，但碳汇大小不同，方差分析表明不同处理间差异显著（F=19.35，P=0.001<0.05）。在秸秆不同还田模式下，玉米田对全球变暖的减缓效应表现为CGS>CMS>CS>CK。秸秆过腹还田模式下玉米田对全球变暖的减缓效应最大，其次是秸秆-菌渣还田模式，之后是秸秆直接还田模式。和CK相比，在CS、CGS和CMS模式下，玉米田对全球变暖的减缓效应均增加，依次增加4.6%、24.2%和22.3%。和CS相比，在CGS和CMS模式下，玉米田对全球变暖的减缓效应分别增加18.7%和16.9%；和CGS相比，在CMS模式下，玉米田对全球变暖的减缓效应降低1.6%。因此，从减缓全球变暖的角度出发，推荐秸秆过腹还田模式。在该模式下，玉米田对全量变暖的减缓效应为22 493.83 kg CO2·hm-2，分别比CK、CS和CMS模式下增加24.2%、18.7%和 1.6%。

表 4 秸秆不同还田模式下玉米田温室气体综合增温潜势的减缓效应估算（kg CO2·hm-2）Table 4 Assessment of GWPs of greenhouse gases and mitigation benefit due to carbon sequestration by maize fields with different models of straw return（kg CO2·hm-2）

3 讨论 3.1 秸秆不同还田模式对温室气体排放的影响

关于秸秆还田对CO2排放的影响结论基本趋于一致，即秸秆还田后加速了微生物对有机物质的分解和矿物质养分的转化，从而增加了CO2排放量[10]。本研究也得到了类似的结论，即在秸秆直接还田和过腹还田模式中，CO2累计排放量均增加，其中秸秆直接还田模式下，CO2累计释放量比秸秆不还田增加5.6%。裴淑玮等的研究也证明秸秆添加对玉米季CO2排放有一定的促进作用[19]，而在秸秆过腹还田后，CO2累计释放量比秸秆不还田增加24.0%。这是因为秸秆过腹还田是秸秆-饲料-牛粪之间的一个转化过程，牛粪作为有机肥投入农田后，可以增加土壤中有机质含量，改善土壤理化性质，提高土壤温度和含水量，为微生物活动提供物质、能源和适宜的条件，从而促进土壤微生物呼吸释放CO2[20, 21]。秸秆-菌渣还田模式则与之相反，与秸秆不还田相比，降低了CO2的累计排放量。这可能与菌渣具有较高的C/N，导致土壤微生物分解过程中对碳素的固定，从而减少了CO2的排放[18]。

秸秆还田对N2O排放的影响还存在争议。邹建文等认为在常规灌溉方式下秸秆还田减少后季麦田N2O的排放，而在持续淹水方式下，施用秸秆并不减少N2O排放量[22]。邹国元等研究表明秸秆还田可能促进土壤N2O的排放[23]。本研究中，在秸秆直接还田模式下N2O排放量增加，与裴淑玮等[19]、邹国元等[23]和王改玲等[24]的研究结果相一致。在秸秆过腹还田模式下，N2O的排放量也增加，可能是因为禽畜粪便碳氮比较低，氮素含量丰富，由此引起N2O 的直接排放。据估算，施用粪肥的N2O 排放对加拿大农业N2O 总排放的贡献为10%[25]，而在秸秆-菌渣还田模式下，N2O累计排放量降低。这与黄小林的研究结果相一致[18]。

已有研究证实，好氧农田土壤环境有利于甲烷氧化菌的生长，可以氧化吸收大气中的CH4，此途径是除大气光化学反应外陆地生态系统CH4最大的汇[26, 27]。本研究也发现各处理样地中CH4的累积交换通量均为负值，表现为大气中CH4的汇。在秸秆直接还田和秸秆-菌渣还田模式中，CH4的累计吸收通量均降低。田慎重等对华北地区麦地的观测也发现秸秆还田后CH4的吸收通量降低[28]，与本研究所得结果一致。这可能是由于秸秆的添加降低了土壤氧化还原电位，减少了CH4的氧化潜势。

3.2 秸秆还田对玉米田碳固定及减缓全球变暖效应的影响

土壤有机碳库的平衡由输入和输出两方面因素共同决定[29, 30]，土壤固碳可以通过提高作物的生物量来增加土壤碳库的作物光合产物输入以及减少干扰等途径降低农田土壤碳的分解[29, 30, 31, 32, 33]。本研究表明，在秸秆不同还田模式下，玉米田土壤有机碳含量均增加，从而增加了土壤碳库储量，与逯非等的秸秆还田具有可观的固碳潜力的观点一致[13]。大量研究也表明，在小麦/玉米一年两熟区的集约化农业生产中，作物生产力的提高和秸秆还田的大力推广显著增加了进入土壤的作物残体数量，进而有效提高了土壤有机碳的积累量[27, 34]。本研究中在秸秆过腹还田模式下，土壤碳库储量增加最多。这是因为施用禽畜粪便可以增加农田土壤有机碳输入量，促进土壤中水稳性团粒结构的形成，加速土壤有机碳积累[35]，同时禽畜粪便含有丰富的氮素等养分，可以促进作物生长，增加作物对土壤有机碳库的输入[36]。可见在该模式下，秸秆能被有效利用，由于变为粪便后其有机质含量较多，各种养分充足，也有利于形成粮食-秸秆-饲料-牲畜-肥料-粮食的良性循环，从而实现农田的固碳减排。

从本研究还可以看出，不同秸秆还田模式均有效增加了玉米田的固碳量，但增加量显著不同（P<0.05），同时秸秆还田也促进了温室气体的增排。由于各种温室气体可能引起的增温潜力不同，为了定量衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响，统一转化为温室气体的综合增温潜势（GWP），GWP是各种温室气体相对的增温效应的简单度量[37]。在本研究中，温室气体增排的综合增温潜势与玉米田固碳对全球变暖的减缓效应相比，所占的比例较小（11.5%~13.3%），温室气体的综合增温潜势对玉米田固碳减缓全球变暖贡献的抵消作用并不非常明显，所以在选择秸秆还田模式时，可优先考虑农田系统的固碳效果，以有效发挥玉米田的固碳潜力。

4 结论

（1）秸秆不同还田模式对玉米田温室气体排放量影响不同。在玉米生长季CO2和N2O的累计排放量表现为CGS>CS>CK>CMS，CH4的累计吸收量表现为CGS>CK>CMS>CS，其不同处理间差异显著（P<0.05）。

（2）在秸秆不同还田模式下，玉米田耕层土壤、植株和籽粒有机碳储量均有所增加，但增加量不同。土壤有机碳储量表现为CGS>CMS>CS>CK，且差异显著（P<0.05）；植株、籽粒的固碳量表现为CGS>CS>CMS>CK，差异不显著（P>0.05）。

（3）在秸秆不同还田模式下，玉米田均表现为碳汇，但碳汇大小不同，且差异显著（P<0.05）。玉米田对全球变暖的减缓效应表现为CGS>CMS>CS>CK，因此从减缓全球变暖的角度出发，推荐秸秆过腹还田模式。在该模式下，玉米田对全量变暖的减缓效应为22 493.83 kg CO2·hm-2，分别比CK、CS和CMS模式下玉米田的减缓增加24.2%、18.7%和 1.6%。由于在该模式下，秸秆首先作为饲料被畜禽有效利用，变为粪便后，有机质含量较多，各种养分充足，也有利于形成粮食-秸秆-饲料-牲畜-肥料-粮食的良性循环，实现农田的固碳和减排。