綠肥不同還田方式對(duì)土壤溫室氣體排放的影響

　　摘要：為探究不同綠肥在翻壓和覆蓋兩種還田方式下引起的溫室氣體排放及對(duì)土壤微生物量碳氮的影響。采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，設(shè)置光葉苕子翻壓(VB)、光葉苕子覆蓋(VS)、黑麥草翻壓(RB)、黑麥草覆蓋(RS)和無(wú)綠肥(CK)5個(gè)處理，測(cè)定土壤CO2、N2O、CH4濃度和微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)含量，分析了土壤溫室氣體的排放速率、累積排放量以及綜合增溫潛勢(shì)。結(jié)果表明，綠肥還田顯著提高了土壤CO2、N2O的排放，不同還田方式(翻壓與覆蓋還田)及不同綠肥品種對(duì)CO2、N2O排放的影響存在顯著差異。覆蓋還田較翻壓還田顯著降低了CO2、N2O排放。培養(yǎng)期內(nèi)綠肥覆蓋處理CO2的排放速率和累積排放量比翻壓處理降低17.07%~18.55%和8.15%~9.79%;N2O的排放速率和累積排放量降低22.91%~38.35%和17.97%~34.39%。在相同還田方式下，不同綠肥品種顯著影響了CO2、N2O排放，豆科綠肥還田引起的CO2、N2O累積排放量比禾本科綠肥高8.87%~10.85%和21.90%~52.42%。各處理土壤溫室氣體的排放與土壤微生物量碳、微生物量氮(MBC、MBN)含量呈顯著正相關(guān)，綠肥翻壓還田顯著提升了MBC、MBN含量，比覆蓋還田高21.42%~40.52%和28.22%~34.23%。綜上，綠肥覆蓋還田比翻壓還田更能有效減少土壤溫室氣體的排放，且有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和節(jié)約人工成本，但是對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響有待田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　關(guān)鍵詞：綠肥;還田方式;溫室氣體

　　大氣中溫室氣體濃度的增加是導(dǎo)致全球變暖的主要原因之一[1]，大氣中CO2、N2O和CH4對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別為76.7%、7.9%和14.3%[2]。農(nóng)田土壤是溫室氣體的重要排放源，約占人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫室氣體排放的14%[3]。有機(jī)物料的投入、施肥及灌溉等農(nóng)業(yè)管理措施會(huì)影響農(nóng)田土壤溫室氣體的排放，有機(jī)物料通過(guò)改變農(nóng)田土壤微生物量以及土壤物理、化學(xué)特性而影響溫室氣體的排放已有較多報(bào)道[4-5]，但是不同碳氮比有機(jī)物料在不同還田方式下對(duì)溫室氣體的排放影響研究較少。綠肥是我國(guó)重要的植物源有機(jī)肥，在改良土壤、提供清潔有機(jī)肥源、提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境等方面的作用已得到廣泛認(rèn)可[6]。

　　土壤論文范例：土壤環(huán)境質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)應(yīng)用誤區(qū)探討

　　綠肥與秸稈等其他有機(jī)物料相比具有碳氮比低、微生物分解快的特點(diǎn)。綠肥還田主要采用翻壓還田與覆蓋還田，我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)主要采用翻壓還田為作物提供養(yǎng)分和改良土壤;國(guó)外主要采用覆蓋還田保持水土、改善土壤環(huán)境條件。這兩種還田方式由于其對(duì)土壤環(huán)境的影響不同，必然影響微生物對(duì)綠肥的腐解及溫室氣體的排放。關(guān)于綠肥翻壓還田對(duì)CO2、N2O和CH4排放的研究較多。Sanz等[5]研究表明，翻壓綠肥后能夠提高微生物活性，顯著刺激土壤呼吸，增加土壤CO2和N2O的排放。常單娜等[7]研究發(fā)現(xiàn)翻壓紫云英(Astraga⁃lussinicus)促進(jìn)了CO2和CH4排放，抑制了N2O排放。

　　Mancinelli等[8]研究發(fā)現(xiàn)非豆科綠肥或非豆科綠肥與豆科混合翻壓對(duì)土壤N2O排放無(wú)顯著影響，但能顯著提高土壤CH4的排放通量。目前關(guān)于綠肥覆蓋還田對(duì)溫室氣體排放的研究較少，尤其是不同綠肥在兩種還田方式之間對(duì)土壤溫室氣體排放的影響程度還尚不明確。

　　因此，本研究以光葉苕子(Viciavillosa)、多年生黑麥草(Loliumperennel)兩種不同碳氮比綠肥品種為試驗(yàn)材料，設(shè)置翻壓和覆蓋兩種綠肥還田方式，采用室內(nèi)培養(yǎng)研究綠肥不同還田方式下土壤溫室氣體排放以及土壤微生物量碳氮的變化，明確翻壓和覆蓋綠肥對(duì)土壤溫室氣體排放及土壤微生物量變化的影響，旨在為綠肥不同還田方式所引起的環(huán)境效應(yīng)提供理論依據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1供試材料

　　供試土壤為侏羅紀(jì)沙溪廟組紫色泥巖發(fā)育而成的紫色土，土壤基本理化性質(zhì)為：pH值7.09，有機(jī)質(zhì)7.07g·kg-1，全氮0.50g·kg-1，全磷0.88g·kg-1，全鉀25.78g·kg-1，堿解氮52.39mg·kg-1，速效磷74.53mg·kg-1，速效鉀95.33mg·kg-1。

　　供試土壤取自重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)(30°26′N，106°26′E)，海拔266.3m，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均降水1115.3mm，年平均氣溫為18.3℃，土壤取回后置于室內(nèi)風(fēng)干磨細(xì)過(guò)2mm篩后供培養(yǎng)試驗(yàn)用。供試綠肥為光葉苕子和多年生黑麥草，于2019年5月9日采集綠肥地上部鮮樣為供試樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室立即開(kāi)展試驗(yàn)，供試樣品水分含量分別為87.52%和86.84%。

　　1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　利用2種不同碳氮比的豆科和禾本科綠肥，設(shè)置翻壓、覆蓋2種還田利用方式，分別為光葉苕子翻壓(vetchbury，VB)、光葉苕子覆蓋(vetchsurface，VS)、黑麥草翻壓(ryegrassbury，RB)、黑麥草覆蓋(ryegrasssurface，RS)，同時(shí)設(shè)置一個(gè)無(wú)綠肥對(duì)照(CK)，共計(jì)5個(gè)處理。每個(gè)處理24次重復(fù)(滿足6次破壞性取樣的需要)。通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)研究不同綠肥種類及還田方式對(duì)溫室氣體排放及微生物量的影響。翻壓處理中將7.5g綠肥鮮樣與150g風(fēng)干土壤混合均勻(按照大田綠肥30000kg·hm-2翻壓/覆蓋量計(jì)算)，裝入500mL培養(yǎng)瓶中;覆蓋處理則先將150g風(fēng)干土壤裝入培養(yǎng)瓶中，再將7.5g綠肥鮮樣平鋪于土壤上。

　　加入純水，調(diào)節(jié)土壤含水量在田間持水量的65%，在25℃恒溫避光密閉培養(yǎng)91d，在培養(yǎng)期間每隔3d采用稱重法補(bǔ)充損失的水分，使土壤水分保持恒定狀態(tài)。分別在培養(yǎng)的第1、3、5、7、14、21、35、49、70、91天進(jìn)行氣體采集，每個(gè)處理任選4瓶抽取氣體用于分析CO2、N2O和CH4濃度，取氣前輕搖讓氣體混勻，取完后將所有培養(yǎng)瓶敞口通氣1h，以滿足土壤好氧微生物的呼吸需要，之后密封繼續(xù)培養(yǎng)，下次同樣方法收集氣體。在第3、7、14、35、49、91天破壞性取土壤樣品，每個(gè)處理取樣4瓶，用于測(cè)定土壤的微生物量碳(microbialbiomasscarbon，MBC)和微生物量氮(microbialbiomassnitrogen，MBN)含量。

　　1.3測(cè)定方法

　　氣體采集后24h內(nèi)采用氣相色譜儀(Agilent7890A，美國(guó))測(cè)定CO2、N2O和CH4的濃度。CO2、CH4濃度采用火焰離子化檢測(cè)器(flameionizationdetector，F(xiàn)ID)測(cè)定，N2O濃度采用電子捕獲檢測(cè)器(electroncapturedetec⁃tor，ECD)測(cè)定。

　　1.4數(shù)據(jù)處理

　　采用Excel2016和SPSS20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin9.5作圖。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1綠肥不同還田方式對(duì)土壤溫室氣體排放速率的影響

　　在不同還田方式(翻壓、覆蓋)下，光葉苕子處理的CO2排放速率隨培養(yǎng)時(shí)間的變化規(guī)律基本相似，培養(yǎng)期間大致呈現(xiàn)出快速下降、緩慢下降和相對(duì)穩(wěn)定的變化。但是黑麥草處理在培養(yǎng)開(kāi)始階段還有一個(gè)急劇上升的過(guò)程，黑麥草翻壓(RB)和覆蓋(RS)在培養(yǎng)的前3d內(nèi)CO2排放速率快速上升，在第3天達(dá)到峰值，分別為297.69、223.26mg·kg-1·d-1。

　　3d之后各處理的CO2排放速率急劇下降，在培養(yǎng)第14天時(shí)CO2排放速率下降至開(kāi)始時(shí)的12.63%~37.38%，在14~70d的培養(yǎng)期中，CO2排放速率緩慢下降且顯著低于前一階段，培養(yǎng)35d之后各綠肥處理土壤CO2排放速率基本接近;在70d后CO2排放速率進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期，與對(duì)照處理接近。與CK相比，在91d培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，VB、VS、RB、RS的平均CO2排放速率顯著增加(P<0.05)，各處理平均CO2排放速率從小到大的順序?yàn)镃K

　　相比CK處理，各綠肥處理的N2O排放速率均顯著提高(P<0.05n2o71b111.79238.32gkg-1d-1vb>RB>VS>RS，其中豆科綠肥光葉苕子翻壓處理(VB)的N2O排放速率顯著高于其他處理。在7~21d的培養(yǎng)期中，N2O排放速率隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)迅速下降，在培養(yǎng)第21天時(shí)，N2O排放速率下降至第7天的29.65%~40.76%，在21~91d的培養(yǎng)期中，N2O排放速率呈階梯式下降。在整個(gè)培養(yǎng)期中，相比VS、RS和RB處理，VB顯著提高了N2O排放速率(P<0.05)。翻壓綠肥處理的平均N2O排放速率顯著高于覆蓋綠肥處理，增幅在22.91%~38.35%;光葉苕子處理的平均N2O排放速率顯著高于黑麥草處理，增幅在21.90%~52.42%。

　　3討論

　　3.1綠肥還田方式對(duì)土壤溫室氣體排放的影響

　　綠肥作為一種清潔的有機(jī)肥源，具有改良土壤、提高作物產(chǎn)量等作用，已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用;但是綠肥還田會(huì)提高土壤CO2和N2O的排放也得到了普遍證實(shí)[11-13]。如何降低綠肥利用過(guò)程中溫室氣體的排放是實(shí)現(xiàn)綠肥可持續(xù)利用的前提。

　　本研究發(fā)現(xiàn)綠肥還田利用方式對(duì)土壤CO2和N2O溫室氣體的排放有顯著影響，覆蓋還田 較翻壓還田能顯著降低溫室氣體的排放，其原因可能在于一方面覆蓋還田與土壤接觸面小而導(dǎo)致分解速率低，同時(shí)地表覆蓋綠肥、秸稈等有機(jī)物料阻礙了土壤向大氣排放CO2[14-15];另一方面翻壓還田對(duì)土壤進(jìn)行了較大強(qiáng)度的擾動(dòng)，改善了土壤通氣性，新鮮有機(jī)物質(zhì)翻壓進(jìn)入土壤中，讓綠肥能更好的與土壤混合接觸導(dǎo)致分解速率更快，微生物呼吸速率加強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)排放的CO2、N2O更多。

　　黃濤等[16]通過(guò)監(jiān)測(cè)秸稈翻壓和秸稈覆蓋后在不同測(cè)定時(shí)期的CO2排放速率，發(fā)現(xiàn)秸稈翻壓較秸稈覆蓋高出16.49%~85.96%，本研究結(jié)果與其相似。成臣等[17]研究發(fā)現(xiàn)在土壤含水量適中、通氣狀況良好的環(huán)境下，硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性得到提高，此時(shí)土壤硝化作用及反硝化作用都能以較高速率進(jìn)行且以N2O為主要產(chǎn)物。目前關(guān)于翻壓、覆蓋有機(jī)物料對(duì)土壤CH4排放的影響結(jié)果存在不一致觀點(diǎn)。Bender等[18]研究認(rèn)為，當(dāng)土壤理化性質(zhì)、利用方式等發(fā)生改變，會(huì)影響CH4氧化的基本條件，從而直接或間接的影響CH4氧化。

　　有研究認(rèn)為，翻壓秸稈等有機(jī)物料的CH4排放量比覆蓋處理的更多[19-20]。他們認(rèn)為有機(jī)物料覆蓋在農(nóng)田表面，有機(jī)物料在土壤表層進(jìn)行有氧降解，其降解產(chǎn)物在土壤氧化層中還原產(chǎn)生CH4的可能性較小。還有研究認(rèn)為，有機(jī)物料翻壓對(duì)土壤吸收CH4的影響大于地表覆蓋，這主要是由于改善了土壤通氣狀況，更有利于CH4的氧化和對(duì)空氣中CH4的吸收[21]。在本研究中，翻壓處理的土壤CH4累積吸收量顯著高于覆蓋處理，這可能是由于覆蓋處理減小表層土壤水分蒸發(fā)，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤充水空隙，對(duì)CH4的吸收能力減弱[17]。另外，翻壓處理改善了土壤通氣狀況，在通氣良好、溫濕環(huán)境適宜的條件下時(shí)，甲烷氧化菌對(duì)于大氣中CH(4吸收)氧化能力加強(qiáng)[22]。

　　4結(jié)論

　　綠肥還田顯著提高了土壤CO2、N2O溫室氣體的排放，增加了GWP，提高了土壤微生物碳氮的含量。不同還田方式對(duì)溫室氣體排放存在顯著差異，覆蓋還田比翻壓還田顯著降低了溫室氣體的排放，豆科綠肥還田后溫室氣體的排放高于禾本科，因此，在不影響下一茬作物生產(chǎn)的前提下，采用綠肥自然枯萎覆蓋還田能減少溫室氣體排放、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、節(jié)約人工成本，但是是否能實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)和保護(hù)環(huán)境的雙贏有待進(jìn)一步的田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

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　　作者：張學(xué)良1，張宇亭1，劉瑞1，謝軍1，張建偉1，徐文靜1，石孝均1，2*

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