绿肥不同还田方式对土壤温室气体排放的影响

　　摘要：为探究不同绿肥在翻压和覆盖两种还田方式下引起的温室气体排放及对土壤微生物量碳氮的影响。采用室内培养试验，设置光叶苕子翻压(VB)、光叶苕子覆盖(VS)、黑麦草翻压(RB)、黑麦草覆盖(RS)和无绿肥(CK)5个处理，测定土壤CO2、N2O、CH4浓度和微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)含量，分析了土壤温室气体的排放速率、累积排放量以及综合增温潜势。结果表明，绿肥还田显著提高了土壤CO2、N2O的排放，不同还田方式(翻压与覆盖还田)及不同绿肥品种对CO2、N2O排放的影响存在显著差异。覆盖还田较翻压还田显著降低了CO2、N2O排放。培养期内绿肥覆盖处理CO2的排放速率和累积排放量比翻压处理降低17.07%~18.55%和8.15%~9.79%;N2O的排放速率和累积排放量降低22.91%~38.35%和17.97%~34.39%。在相同还田方式下，不同绿肥品种显著影响了CO2、N2O排放，豆科绿肥还田引起的CO2、N2O累积排放量比禾本科绿肥高8.87%~10.85%和21.90%~52.42%。各处理土壤温室气体的排放与土壤微生物量碳、微生物量氮(MBC、MBN)含量呈显著正相关，绿肥翻压还田显著提升了MBC、MBN含量，比覆盖还田高21.42%~40.52%和28.22%~34.23%。综上，绿肥覆盖还田比翻压还田更能有效减少土壤温室气体的排放，且有利于保护生态环境和节约人工成本，但是对作物生长及产量的影响有待田间试验验证。

　　关键词：绿肥;还田方式;温室气体

　　大气中温室气体浓度的增加是导致全球变暖的主要原因之一[1]，大气中CO2、N2O和CH4对温室效应的贡献率分别为76.7%、7.9%和14.3%[2]。农田土壤是温室气体的重要排放源，约占人类农业生产温室气体排放的14%[3]。有机物料的投入、施肥及灌溉等农业管理措施会影响农田土壤温室气体的排放，有机物料通过改变农田土壤微生物量以及土壤物理、化学特性而影响温室气体的排放已有较多报道[4-5]，但是不同碳氮比有机物料在不同还田方式下对温室气体的排放影响研究较少。绿肥是我国重要的植物源有机肥，在改良土壤、提供清洁有机肥源、提高作物产量、改善农田生态环境等方面的作用已得到广泛认可[6]。

　　土壤论文范例：土壤环境质量新标准评价应用误区探讨

　　绿肥与秸秆等其他有机物料相比具有碳氮比低、微生物分解快的特点。绿肥还田主要采用翻压还田与覆盖还田，我国长期以来主要采用翻压还田为作物提供养分和改良土壤;国外主要采用覆盖还田保持水土、改善土壤环境条件。这两种还田方式由于其对土壤环境的影响不同，必然影响微生物对绿肥的腐解及温室气体的排放。关于绿肥翻压还田对CO2、N2O和CH4排放的研究较多。Sanz等[5]研究表明，翻压绿肥后能够提高微生物活性，显著刺激土壤呼吸，增加土壤CO2和N2O的排放。常单娜等[7]研究发现翻压紫云英(Astraga⁃lussinicus)促进了CO2和CH4排放，抑制了N2O排放。

　　Mancinelli等[8]研究发现非豆科绿肥或非豆科绿肥与豆科混合翻压对土壤N2O排放无显著影响，但能显著提高土壤CH4的排放通量。目前关于绿肥覆盖还田对温室气体排放的研究较少，尤其是不同绿肥在两种还田方式之间对土壤温室气体排放的影响程度还尚不明确。

　　因此，本研究以光叶苕子(Viciavillosa)、多年生黑麦草(Loliumperennel)两种不同碳氮比绿肥品种为试验材料，设置翻压和覆盖两种绿肥还田方式，采用室内培养研究绿肥不同还田方式下土壤温室气体排放以及土壤微生物量碳氮的变化，明确翻压和覆盖绿肥对土壤温室气体排放及土壤微生物量变化的影响，旨在为绿肥不同还田方式所引起的环境效应提供理论依据。

　　1材料与方法

　　1.1供试材料

　　供试土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥岩发育而成的紫色土，土壤基本理化性质为：pH值7.09，有机质7.07g·kg-1，全氮0.50g·kg-1，全磷0.88g·kg-1，全钾25.78g·kg-1，碱解氮52.39mg·kg-1，速效磷74.53mg·kg-1，速效钾95.33mg·kg-1。

　　供试土壤取自重庆市北碚区西南大学试验农场(30°26′N，106°26′E)，海拔266.3m，属亚热带湿润季风气候，年均降水1115.3mm，年平均气温为18.3℃，土壤取回后置于室内风干磨细过2mm筛后供培养试验用。供试绿肥为光叶苕子和多年生黑麦草，于2019年5月9日采集绿肥地上部鲜样为供试样品，带回实验室立即开展试验，供试样品水分含量分别为87.52%和86.84%。

　　1.2试验设计

　　利用2种不同碳氮比的豆科和禾本科绿肥，设置翻压、覆盖2种还田利用方式，分别为光叶苕子翻压(vetchbury，VB)、光叶苕子覆盖(vetchsurface，VS)、黑麦草翻压(ryegrassbury，RB)、黑麦草覆盖(ryegrasssurface，RS)，同时设置一个无绿肥对照(CK)，共计5个处理。每个处理24次重复(满足6次破坏性取样的需要)。通过室内培养试验研究不同绿肥种类及还田方式对温室气体排放及微生物量的影响。翻压处理中将7.5g绿肥鲜样与150g风干土壤混合均匀(按照大田绿肥30000kg·hm-2翻压/覆盖量计算)，装入500mL培养瓶中;覆盖处理则先将150g风干土壤装入培养瓶中，再将7.5g绿肥鲜样平铺于土壤上。

　　加入纯水，调节土壤含水量在田间持水量的65%，在25℃恒温避光密闭培养91d，在培养期间每隔3d采用称重法补充损失的水分，使土壤水分保持恒定状态。分别在培养的第1、3、5、7、14、21、35、49、70、91天进行气体采集，每个处理任选4瓶抽取气体用于分析CO2、N2O和CH4浓度，取气前轻摇让气体混匀，取完后将所有培养瓶敞口通气1h，以满足土壤好氧微生物的呼吸需要，之后密封继续培养，下次同样方法收集气体。在第3、7、14、35、49、91天破坏性取土壤样品，每个处理取样4瓶，用于测定土壤的微生物量碳(microbialbiomasscarbon，MBC)和微生物量氮(microbialbiomassnitrogen，MBN)含量。

　　1.3测定方法

　　气体采集后24h内采用气相色谱仪(Agilent7890A，美国)测定CO2、N2O和CH4的浓度。CO2、CH4浓度采用火焰离子化检测器(flameionizationdetector，FID)测定，N2O浓度采用电子捕获检测器(electroncapturedetec⁃tor，ECD)测定。

　　1.4数据处理

　　采用Excel2016和SPSS20.0软件进行数据整理和统计分析，采用Origin9.5作图。

　　2结果与分析

　　2.1绿肥不同还田方式对土壤温室气体排放速率的影响

　　在不同还田方式(翻压、覆盖)下，光叶苕子处理的CO2排放速率随培养时间的变化规律基本相似，培养期间大致呈现出快速下降、缓慢下降和相对稳定的变化。但是黑麦草处理在培养开始阶段还有一个急剧上升的过程，黑麦草翻压(RB)和覆盖(RS)在培养的前3d内CO2排放速率快速上升，在第3天达到峰值，分别为297.69、223.26mg·kg-1·d-1。

　　3d之后各处理的CO2排放速率急剧下降，在培养第14天时CO2排放速率下降至开始时的12.63%~37.38%，在14~70d的培养期中，CO2排放速率缓慢下降且显著低于前一阶段，培养35d之后各绿肥处理土壤CO2排放速率基本接近;在70d后CO2排放速率进入相对稳定时期，与对照处理接近。与CK相比，在91d培养时间内，VB、VS、RB、RS的平均CO2排放速率显著增加(P<0.05)，各处理平均CO2排放速率从小到大的顺序为CK

　　相比CK处理，各绿肥处理的N2O排放速率均显著提高(P<0.05n2o71b111.79238.32gkg-1d-1vb>RB>VS>RS，其中豆科绿肥光叶苕子翻压处理(VB)的N2O排放速率显著高于其他处理。在7~21d的培养期中，N2O排放速率随着培养时间的延长迅速下降，在培养第21天时，N2O排放速率下降至第7天的29.65%~40.76%，在21~91d的培养期中，N2O排放速率呈阶梯式下降。在整个培养期中，相比VS、RS和RB处理，VB显著提高了N2O排放速率(P<0.05)。翻压绿肥处理的平均N2O排放速率显著高于覆盖绿肥处理，增幅在22.91%~38.35%;光叶苕子处理的平均N2O排放速率显著高于黑麦草处理，增幅在21.90%~52.42%。

　　3讨论

　　3.1绿肥还田方式对土壤温室气体排放的影响

　　绿肥作为一种清洁的有机肥源，具有改良土壤、提高作物产量等作用，已在农业生产中被广泛应用;但是绿肥还田会提高土壤CO2和N2O的排放也得到了普遍证实[11-13]。如何降低绿肥利用过程中温室气体的排放是实现绿肥可持续利用的前提。

　　本研究发现绿肥还田利用方式对土壤CO2和N2O温室气体的排放有显著影响，覆盖还田 较翻压还田能显著降低温室气体的排放，其原因可能在于一方面覆盖还田与土壤接触面小而导致分解速率低，同时地表覆盖绿肥、秸秆等有机物料阻碍了土壤向大气排放CO2[14-15];另一方面翻压还田对土壤进行了较大强度的扰动，改善了土壤通气性，新鲜有机物质翻压进入土壤中，让绿肥能更好的与土壤混合接触导致分解速率更快，微生物呼吸速率加强，单位时间内排放的CO2、N2O更多。

　　黄涛等[16]通过监测秸秆翻压和秸秆覆盖后在不同测定时期的CO2排放速率，发现秸秆翻压较秸秆覆盖高出16.49%~85.96%，本研究结果与其相似。成臣等[17]研究发现在土壤含水量适中、通气状况良好的环境下，硝化细菌和反硝化细菌的活性得到提高，此时土壤硝化作用及反硝化作用都能以较高速率进行且以N2O为主要产物。目前关于翻压、覆盖有机物料对土壤CH4排放的影响结果存在不一致观点。Bender等[18]研究认为，当土壤理化性质、利用方式等发生改变，会影响CH4氧化的基本条件，从而直接或间接的影响CH4氧化。

　　有研究认为，翻压秸秆等有机物料的CH4排放量比覆盖处理的更多[19-20]。他们认为有机物料覆盖在农田表面，有机物料在土壤表层进行有氧降解，其降解产物在土壤氧化层中还原产生CH4的可能性较小。还有研究认为，有机物料翻压对土壤吸收CH4的影响大于地表覆盖，这主要是由于改善了土壤通气状况，更有利于CH4的氧化和对空气中CH4的吸收[21]。在本研究中，翻压处理的土壤CH4累积吸收量显著高于覆盖处理，这可能是由于覆盖处理减小表层土壤水分蒸发，从而改善土壤结构，增加土壤充水空隙，对CH4的吸收能力减弱[17]。另外，翻压处理改善了土壤通气状况，在通气良好、温湿环境适宜的条件下时，甲烷氧化菌对于大气中CH(4吸收)氧化能力加强[22]。

　　4结论

　　绿肥还田显著提高了土壤CO2、N2O温室气体的排放，增加了GWP，提高了土壤微生物碳氮的含量。不同还田方式对温室气体排放存在显著差异，覆盖还田比翻压还田显著降低了温室气体的排放，豆科绿肥还田后温室气体的排放高于禾本科，因此，在不影响下一茬作物生产的前提下，采用绿肥自然枯萎覆盖还田能减少温室气体排放、保护生态环境、节约人工成本，但是是否能实现增产和保护环境的双赢有待进一步的田间试验验证。

　　参考文献References：

　　[1]HanJL，HaoS，LiuZJ，etal.CharacteristicsofCO2andN2OemissionsundertwolandusetypesintheLoessPlateauofChi⁃na.EnvironmentalScience，2019，40(11)：5164-5172.韩佳乐，郝珊，刘振杰，等.黄土高原地区两种土地利用方式CO2和N2O排放特征.环境科学，2019，40(11)：5164-5172.

　　[2]KuppusamyS，ThavamaniP，MegharajM，etal.Agronomicandremedialbenefitsandrisksofapplyingbiochartosoil：Currentknowledgeandfutureresearchdirections.EnvironmentInternational，2016，87：1-12.

　　[3]GaoHJ，ZhangWJ，PengC，etal.Emissioncharacteristicsofgreenhousegasfrommaizefieldofblacksoilregionunderlongtermfertilization.JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment，2017，34(5)：422-430.高洪军，张卫建，彭畅，等.长期施肥下黑土玉米田土壤温室气体的排放特征.农业资源与环境学报，2017，34(5)：422-430.

　　[4]MatzB，DavidsonO，BoschP，etal.Climatechange2007：Mitigationofclimatechange：WorkingingroupⅢcontributiontothefourthassessmentreportoftheIPCC.ComputationalGeometry，2007(2)：1-21.

　　[5]SanzCA，GarcíaMS，QuemadaM，etal.DocovercropsenhanceN2O，CO2orCH4emissionsfromsoilinMediteerraneanara⁃blesystems?ScienceoftheTotalEnvironment，2014，466/467：164-174.

　　作者：张学良1，张宇亭1，刘瑞1，谢军1，张建伟1，徐文静1，石孝均1，2*

转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/nylw/26857.html