殷 文史倩倩郭 瑤 馮福學(xué) 趙 財(cái) 于愛忠 柴 強(qiáng)（甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 蘭州 730070）

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秸稈還田、一膜兩年用及間作對(duì)農(nóng)田碳排放的短期效應(yīng)*

殷 文?史倩倩?郭 瑤 馮福學(xué) 趙 財(cái) 于愛忠 柴 強(qiáng)**
（甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 蘭州 730070）

摘 要針對(duì)作物高產(chǎn)模式碳排放高、生產(chǎn)實(shí)踐中缺乏減排理論和技術(shù)問題， 通過田間試驗(yàn)， 探討了不同秸稈還田方式、地膜一膜兩年用及間作對(duì)小麥、玉米農(nóng)田碳排放特征的影響， 以期為碳減排種植模式及配套技術(shù)的構(gòu)建提供理論與實(shí)踐依據(jù)。結(jié)果表明， 間作具有顯著的碳減排作用， 與傳統(tǒng)單作小麥、玉米相比， 小麥||玉米間作全生育期平均碳排放總量減少279～876 kg·hm-2， 減幅達(dá)5.1%～16.0%，達(dá)到顯著性差異。免耕秸稈還田及免耕一膜兩年用可降低次年農(nóng)田土壤的碳排放， 免耕秸稈還田單作小麥較傳統(tǒng)翻耕處理CO2排放顯著減少648～966 kg·hm-2， 減幅21.3%～31.8%； 免耕一膜兩年用單作玉米較翻耕覆新膜傳統(tǒng)處理碳減排632 kg·hm-2，減幅10.0%， 差異顯著。小麥秸稈還田及地膜兩年用集成應(yīng)用于小麥間作玉米進(jìn)一步提高了間作的碳減排效應(yīng)，與傳統(tǒng)間作處理（CTI1）相比， 間作小麥高留茬免耕結(jié)合一膜兩年用處理（NTSSI2）和小麥秸稈還田覆蓋結(jié)合一膜兩年用處理（NTSI2）的碳排放總量分別降低471 kg·hm-2與518 kg·hm-2， 降幅分別為9.2%與10.1%， 達(dá)到顯著水平； NTSSI2和NTSI2的總固碳量/土壤呼吸釋放總碳量（NPPC/Ras）值分別為13.7與14.0， 較CTI1分別高19.1% 與21.7%， 即NTSI2減排、碳匯潛力更為突出。因此， 小麥高茬25～30 cm秸稈覆蓋免耕結(jié)合一膜兩年用間作（NTSI2）可作為干旱綠洲灌區(qū)碳減排、碳增匯高效農(nóng)作制模式。

關(guān)鍵詞秸稈還田 地膜兩年用 小麥||玉米間作 碳排放 碳平衡

土壤生態(tài)系統(tǒng)為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供養(yǎng)分和水分的同時(shí)大量排放CO2［1］， 相關(guān)資料顯示， 大氣中每年約有5%～20%的CO2直接來源于土壤［2］， 而農(nóng)田則為主要排放源［3］， 采取有效種植模式及耕作措施減少農(nóng)田CO2排放是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要研究課題。生產(chǎn)實(shí)踐證明， 間作為資源需求特性不同的作物提供了從時(shí)間和空間立體利用生態(tài)位的基礎(chǔ)［4］， 促成了種間互補(bǔ)對(duì)相關(guān)資源的高效利用［5］， 從而為提高產(chǎn)量［6］和有效減少農(nóng)田土壤碳排放奠定了基礎(chǔ)［7-8］。小麥間作玉米是我國(guó)典型的高產(chǎn)多熟種植模式， 為保證我國(guó)糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)［9］， 但其規(guī)?；瘧?yīng)用面臨高產(chǎn)與減排如何協(xié)調(diào)的挑戰(zhàn)。相關(guān)研究表明，保護(hù)性耕作作為一種實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要耕作措施［10］， 可顯著減少農(nóng)田土壤碳排放［8，11］、增加農(nóng)田CO2截存和固持［12］， 但該技術(shù)應(yīng)用于間作中的研究鮮見報(bào)道， 使得間作與保護(hù)性耕作集成應(yīng)用增產(chǎn)、減排的優(yōu)勢(shì)未能發(fā)揮出來。另一方面， 隨干旱脅迫和糧食需求壓力的增大， 地膜覆蓋作為保水、增溫、高產(chǎn)的栽培技術(shù)， 得到了規(guī)?；茝V應(yīng)用［13-14］，但地膜覆蓋增大碳投入和能源消耗并產(chǎn)生碳排［15］的事實(shí)， 使得地膜減量化作物生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)亟待深入?？v觀低投、碳減排作物生產(chǎn)理論和技術(shù)研究進(jìn)展發(fā)現(xiàn)， 將間作、保護(hù)性耕作和地膜減量化技術(shù)集成于同一模式的研究少見報(bào)道， 使得生產(chǎn)實(shí)踐中缺乏構(gòu)建基于間作高產(chǎn)和低投減排型農(nóng)作制模式的理論依據(jù)。為此， 本研究以小麥間作玉米為基礎(chǔ)， 集成秸稈還田、地膜兩年用和免耕技術(shù)， 探討復(fù)合農(nóng)藝措施對(duì)農(nóng)田碳排放特征的影響， 以期為綠洲灌區(qū)建立高產(chǎn)、低排放農(nóng)作制模式提供實(shí)踐與理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地（103°5＇E， 37°30＇N）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于河西走廊東端，屬寒溫帶干旱氣候區(qū)， 海拔1 506 m， 無霜期約155 d，多年平均降雨量約156 mm、年蒸發(fā)量約2 400 mm，年平均氣溫7.2 ℃， ≥10 ℃積溫2 985.4 ℃； 日照時(shí)數(shù)2 945 h； 0～30 cm土壤全氮0.68 g·kg-1、全磷1.41 g·kg-1、有機(jī)質(zhì)14.31 g·kg-1， 適于發(fā)展間作套種。小麥間作玉米是該區(qū)主要的間作模式， 傳統(tǒng)栽培中秸稈不還田、每年翻耕、玉米帶覆蓋地膜。2014年度試驗(yàn)期內(nèi)， 小麥播種到收獲期降水量為100.9 mm， 玉米播種到收獲期降水量為241.7 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2013年布置預(yù)備試驗(yàn)， 2014年進(jìn)行正式試驗(yàn)。試驗(yàn)采用3因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)， 3因素分別為種植模式（單作小麥、單作玉米、小麥間作玉米）、小麥秸稈處理方式（25～30 cm高茬收割免耕、25～30 cm高等量秸稈覆蓋免耕、低茬收割翻耕）和地膜覆膜方式（傳統(tǒng)耕作地膜一年用、免耕地膜兩年用）， 共組成8個(gè)處理， 每處理3次重復(fù)， 處理代碼及不同處理的操作規(guī)范見表1。

小麥（Triticum aestivum）品種為‘寧春4號(hào)’， 玉米（Zea mayz）品種為‘先玉335’。小麥3月21日播種， 7 月24日收獲； 玉米4月25日播種， 10月1日收獲。單作小麥密度675.0萬株·hm-2， 單作玉米密度8.25萬株·hm-2， 玉米覆膜。間作帶寬160 cm， 兩種作物各占80 cm； 小麥每帶種6行， 行距12 cm， 播種密度375.0萬株·hm-2； 玉米種2行， 行距40 cm， 株距24 cm， 播前覆膜， 播種密度5.25萬株·hm-2， 每個(gè)小區(qū)種3個(gè)自然帶， 小區(qū)面積48 m2。

單作小麥?zhǔn)┘兊?25 kg·hm-2和P2O5150 kg·hm-2，全作基肥； 單作玉米， 純氮450 kg·hm-2， 按基肥︰大喇叭口期追肥︰灌漿期追肥=3︰6︰1分施， P2O5225 kg·hm-2全作基肥； 間作小麥帶施純氮225 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2， 全作基肥； 玉米帶施純氮450 kg·hm-2，基肥、追肥比例同單作玉米， P2O5225 kg·hm-2， 全作基肥。

表1　處理代碼及其操作規(guī)范Table 1　Treatment codes and operation specification

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤呼吸速率(Rs)

用土壤呼吸測(cè)定系統(tǒng)LI-8100A （LI-COR， USA）及其自帶20 cm直徑呼吸室測(cè)定。測(cè)定時(shí)將呼吸室置于小區(qū)小麥、玉米行間， 收集從土壤釋放的CO2，每點(diǎn)測(cè)定5個(gè)值， 測(cè)定時(shí)間為180 s。日變化的測(cè)定時(shí)間為8：00—20：00， 每間隔2 h測(cè)定一次， 一天內(nèi)共測(cè)定7次； 季節(jié)變化的測(cè)定根據(jù)作物生育期進(jìn)行，全生育期內(nèi)共測(cè)定9次， 其數(shù)據(jù)為一天內(nèi)的平均值。對(duì)玉米帶測(cè)定前12 h， 將玉米地膜揭出呼吸室邊緣大小的裸區(qū)， 讓膜內(nèi)累積的CO2排出， 測(cè)定時(shí)視為玉米帶土壤的呼吸值。間作呼吸速率為兩種作物帶呼吸速率的均值； 早播作物收獲后， 將該作物裸地帶呼吸速率與晚播作物的平均值視為整個(gè)小區(qū)的CO2呼吸值（μmol·m-2·s-1）。CO2累積排放量計(jì)算公式如下［16］：

式中： Rs為CO2排放速率， i+1與i表示兩次相鄰的測(cè)量， t表示播種后天數(shù)， 0.158 4為將碳排放數(shù)值單位μmol（CO2）·m-2·s-1轉(zhuǎn)換為g（CO2）·m-2·h-1的系數(shù)，0.272 7為（CO2）·m-2·h-1轉(zhuǎn)換為g（C）·m-2·h-1的系數(shù)，10與24為將碳排放數(shù)值單位由g（C）·m-2·h-1轉(zhuǎn)換為kg（C）·hm-2的系數(shù)。

1.3.2 植物樣品的采集與測(cè)定

地上部干物質(zhì)量每20 d取樣一次， 每小區(qū)小麥取20株， 玉米取10株， 105 ℃殺青2 h， 80 ℃烘干至衡重后測(cè)定。地下部生物量分別在小麥、玉米成熟期采用挖掘剖面法取樣， 其中間作剖面長(zhǎng)、寬、深分別為50 cm、80 cm、100 cm， 單作小麥與玉米的剖面長(zhǎng)、寬、深分別為50 cm、40 cm、100 cm， 取出土樣裝入孔徑為200目的尼龍網(wǎng)中用清水浸泡數(shù)小時(shí)后沖洗， 撿出根系后再用清水漂洗， 烘干后稱取干重。

1.3.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡測(cè)算

用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）來表示生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡： NEP=NPPC-Rm［17］。其中， NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力， 本研究中以作物地上部與根部的總固碳量作為NPP［18］， 即NPPC； Rm為土壤微生物異氧呼吸碳釋放量， Rm=Ras×0.865， Ras為作物生長(zhǎng)季土壤呼吸釋放總碳量［19］。NEP為正值時(shí)， 表示該系統(tǒng)是大氣CO2的吸收“匯”， 反之為排放“源”。據(jù)估算， 作物利用光合作用合成1 g有機(jī)質(zhì)需要吸收C 0.45 g， 由此可計(jì)算出初級(jí)生產(chǎn)力NPP固碳量（NPPC）； 根據(jù)已有研究， NPPC/Ras表示生態(tài)系統(tǒng)土壤的固碳潛力， 其值越大， 表明固碳潛力越強(qiáng)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行整理匯總， 用SPSS 17.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1 小麥、玉米單作與間作農(nóng)田土壤CO2排放通量的季節(jié)動(dòng)態(tài)

2.1.1 覆蓋及種植模式對(duì)土壤CO2排放季節(jié)動(dòng)態(tài)的影響

如圖1， 立茬免耕（NTSSW）、傳統(tǒng)耕作（CTW）單作小麥及單作與間作玉米全生育期土壤CO2排放呈單峰型變化趨勢(shì)， 秸稈覆蓋免耕（NTSW）及小麥立茬免耕與玉米一膜覆兩年間作（NTSSI2）與小麥秸稈覆蓋與玉米一膜覆兩年間作（NTSI2）小麥帶呈雙峰型變化。小麥在開花期的CO2排放通量最高，NTSSW與NTSW的碳排放通量顯著低于CTW， 分別低10.6%、30.7%； NTSSI2與NTSI2中小麥帶碳排放通量顯著低于傳統(tǒng)耕作（CTI1）， 分別低17.9%、27.8%。單作與間作玉米在玉米吐絲期的CO2排放通量最高， 地膜兩年用單作玉米排放通量較每年覆新膜低14.3%； NTSSI2與NTSI2玉米帶中的排放通量比CTI1分別低6.1%、5.6%， 達(dá)到顯著水平。說明小麥秸稈還田與玉米帶一膜兩年用栽培措施具有降低農(nóng)田土壤CO2最大排放通量的作用。

圖1　不同處理小麥、玉米單作及間作全生育期內(nèi)土壤CO2排放通量的季節(jié)變化Fig. 1　Seasonal variations of soil CO2 emission flux of wheat and maize in monoculture and intercropping systems under different treatments during whole growth period“小麥||玉米間作”圖中， W為小麥帶， M為玉米帶。下同。In figure of wheat/maize intercropping， “W” mean wheat strip， “M”means maize strip. The same below.

以小麥帶、玉米帶排放通量的平均值作為間作排放通量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)， NTSSI2與NTSI2全生育期的平均排放通量分別較CTI1降低9.8%、13.6%； 與相應(yīng)單作全生育期排放通量的平均值相比， NTSSI2、NTSI2、CTI1分別低12.8%、16.5%、3.3%。說明小麥秸稈免耕還田與玉米地膜兩年用栽培措施集成到間作具有降低農(nóng)田土壤CO2排放通量的作用， 且NTSI2處理的減排潛力最為突出。

2.1.2 不同處理高排放強(qiáng)度的持續(xù)天數(shù)

將CO2日排放通量高于5 μmol·m-2·s-1定義為高排放日， 排放量在3～5 μmol·m-2·s-1定義為中等排放日。研究發(fā)現(xiàn)， CTW高排放天數(shù)為27 d， 分別較NTSSW、NTSW多18 d、27 d， 但CTW中等排放天數(shù)較NTSSW、NTSW少15 d、24 d； 間作中， 與NTSSI2、NTSI2小麥帶排放通量相比， CTI1高排放天數(shù)（15 d）分別多15 d、15 d， 中等排放天數(shù)（39 d）分別少17 d、18 d； NTSSI2、NTSI2和CTI1處理小麥帶高排放的天數(shù)分別較CTW少27 d、27 d和12 d， 說明間作及免耕秸稈覆蓋可減少小麥生育期內(nèi)農(nóng)田高強(qiáng)度CO2排放通量的持續(xù)天數(shù)。傳統(tǒng)耕作單作玉米（SM1）高排放天數(shù)為60 d， 較免耕一膜兩年單作玉米（SM2）多17 d； SM1中等排放天數(shù)45 d， 較SM2多7 d，即免耕一膜兩年用可降低高排放持續(xù)天數(shù)。CTI1比NTSSI2、NTSI2中玉米帶高排放天數(shù)（52 d）分別多13 d和17 d， CTI1較NTSSI中等排放天數(shù)（33 d）少14 d、較NTSI2多1 d。與SM1相比， NTSSI2、NTSI2和CTI1玉米帶高排放天數(shù)分別少20 d、25 d和7 d，說明間作及地膜兩年用栽培措施可減少玉米帶農(nóng)田高強(qiáng)度CO2排放通量的持續(xù)天數(shù)。不同間作模式間相比， NTSSI2和NTSI2處理CO2高排放天數(shù)分別比CTI1少15 d和20 d， 中等排放天數(shù)， NTSSI2比CTI1多11 d、NTSI2少2 d， 即小麥秸稈覆蓋、免耕和一膜兩年用具有降低間作CO2排放的優(yōu)勢(shì)。

2.2 小麥、玉米單作與間作農(nóng)田土壤CO2排放通量的日變化特征

2.2.1 覆蓋方式對(duì)農(nóng)田土壤CO2排放通量日變化的影響

作物全生育期內(nèi)不同處理農(nóng)田土壤CO2排放通量在測(cè)定時(shí)間8：00—20：00內(nèi)總體呈低-高-低的單峰型變化趨勢(shì)（圖2）。單作小麥土壤CO2排放通量平均在12：00達(dá)到最高， 以傳統(tǒng)耕作農(nóng)田土壤CO2排放通量最大， 為4.60 μmol·m-2·s-1。單作玉米及間作小麥、玉米中， 土壤CO2排放通量均在14：00達(dá)到最高， 且均為傳統(tǒng)耕作CO2排放通量最大， 分別為5.19 μmol·m-2·s-1、3.57 μmol·m-2·s-1和3.85 μmol·m-2·s-1。

2.2.2 不同處理一天內(nèi)不同排放通量的持續(xù)時(shí)間

作物全生育期內(nèi)， NTSSW、NTSW一天內(nèi)土壤CO2排放通量高于4 μmol·m-2·s-1的持續(xù)時(shí)間比CTW均多5 h； 在3～4 μmol·m-2·s-1的持續(xù)時(shí)間分別比CTW少1.9 h和3.6 h； CTI1比NTSSI2小麥帶排放通量高于3 μmol·m-2·s-1的持續(xù)時(shí)間（1.9 h）少0.6 h， 而比NTSI2小麥帶排放通量多1.9 h； NTSSI2、NTSI2、CTI1小麥帶高于3 μmol·m-2·s-1的持續(xù)時(shí)間比CTW分別少9.5 h、12.0 h和10.1 h， 說明間作及免耕秸稈覆蓋措施可減少同一天小麥帶土壤高強(qiáng)度CO2排放通量的持續(xù)時(shí)間。SM1高于4 μmol·m-2·s-1的持續(xù)時(shí)間（5.3 h）比SM2多1.8 h， 在3～4 μmol·m-2·s-1的持續(xù)時(shí)間（5.8 h）少2.3 h， 即一膜兩年用可減少玉米農(nóng)田土壤CO2高排放通量的持續(xù)時(shí)間。CTI1中玉米帶高于3 μmol·m-2·s-1的持續(xù)時(shí)間（8 h）比NTSSI2、NTSI2分別多4.2 h、3 h， 2～3 μmol·m-2·s-1的持續(xù)時(shí)間（4 h）比NTSSI2、NTSI2分別少4.2 h、3 h； 與SM1相比，NTSSI2、NTSI2、CTI1玉米帶高于3 μmol·m-2·s-1的持續(xù)時(shí)間分別少5.4 h、6.1 h、4.1 h， 說明間作及地膜兩年用可減少同一天玉米帶土壤高強(qiáng)度CO2排放通量的持續(xù)時(shí)間。間作模式間相比， NTSSI2和NTSI2高于3 μmol·m-2·s-1的持續(xù)時(shí)間分別比CTI1少0.6 h 和1.5 h， 即免耕秸稈覆蓋與一膜兩年用具有降低間作CO2高排放的優(yōu)勢(shì)。

圖2　不同處理小麥、玉米單作及間作全生育期內(nèi)土壤CO2排放通量的日變化Fig. 2　Diurnal variations of soil CO2 emission flux of wheat and maize in monoculture and intercropping systems under different treatments during whole growth period

2.3 不同單作與間作處理農(nóng)田土壤CO2總排放量的差異

2.3.1 不同種植模式農(nóng)田土壤CO2的總排放量

間作可降低農(nóng)田總CO2排放量（圖3）。小麥?zhǔn)斋@前， 間作中小麥帶碳排放總量顯著低于CTW， 玉米帶碳排放總量顯著低于SM1， 分別降低10.8%～34.1%與8.4%～33.7%， 間作群體較傳統(tǒng)單作處理平均減排288～1 020 kg·hm-2， 減幅為9.6%～34.0%。小麥?zhǔn)斋@后， 與CTW相比， NTSI2中小麥帶升高13.5%，CTI1中小麥帶降低16.0%， 均達(dá)到顯著性水平；NTSSI2和CTI1的總排放量較傳統(tǒng)單作處理平均分別降低73 kg·hm-2和70 kg·hm-2， 降低比例為2.9%和2.8%， 但NTSI2提高143 kg·hm-2， 提高比例為5.8%。全生育期內(nèi)， 間作總排放量較傳統(tǒng)單作平均減排279～876 kg·hm-2， 減幅為5.1%～16.0%， 差異顯著。

2.3.2 覆蓋方式對(duì)農(nóng)田土壤CO2總排放量的影響

比較同種種植模式不同覆蓋方式農(nóng)田土壤CO2總排放量發(fā)現(xiàn)， 小麥?zhǔn)斋@前， 與CTW處理相比， 單作小麥NTSSW、NTSW處理土壤CO2總排放量分別降低648 kg·hm-2和966 kg·hm-2， 降低比例為21.3%和31.8%， 達(dá)顯著水平（圖3）； 間作模式中，NTSSI2、NTSI2比CTI1中小麥帶分別減排481 kg·hm-2、711 kg·hm-2， 減幅為17.7%、26.2%， 玉米帶分別減排454 kg·hm-2和752 kg·hm-2， 減幅為16.7%和27.7%，間作群體分別減排468 kg·hm-2和731 kg·hm-2， 減幅為17.2%和26.9%， 均達(dá)到顯著水平。小麥?zhǔn)斋@后，單作與間作小麥中秸稈覆蓋處理高于傳統(tǒng)耕作， 玉米帶中差異不顯著。全生育期內(nèi)， SM2較SM1減排632 kg·hm-2， 降幅為10.0%； NTSSI2和NTSI2比CTI1分別減排471 kg·hm-2和518 kg·hm-2， 減幅為9.2% 和10.1%， 均達(dá)到顯著性差異。說明作物生育期內(nèi)，小麥秸稈免耕覆蓋、一膜覆兩年栽培措施， 及二者的集成模式均具有降低農(nóng)田土壤CO2總排放量的優(yōu)勢(shì)， 其中以NTSI2的碳減排潛力最大。

2.4 不同處理作物生長(zhǎng)期內(nèi)的農(nóng)田碳收支特征

免耕秸稈覆蓋及一膜兩年用耕作措施下， 各處理的NEP值均為正值， 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能夠固定大氣中的CO2， 表現(xiàn)為吸收“匯”（表2）。不同種植模式下NEP值總體表現(xiàn)為： 間作＞單作玉米＞單作小麥，NTSSI2、NTSI2和CTI1的NEP值較傳統(tǒng)單作處理平均分別高43.1%、43.6%和33.9%， 達(dá)到顯著差異。說明集成免耕秸稈覆蓋與地膜兩年用栽培措施表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳匯潛力。間作模式中， NTSI2的NPPC/Ras值最高， 較CTI1高21.7%， 表明其固碳潛力最強(qiáng)， 因此，免耕秸稈覆蓋結(jié)合一膜兩年用具有增強(qiáng)農(nóng)田土壤碳匯的作用， 為試區(qū)內(nèi)可采取的適宜耕作措施。

圖3　不同處理單作和間作小麥、玉米生長(zhǎng)期內(nèi)土壤碳排放總量Fig. 3　Total soil carbon emission of wheat and maize in monoculture and intercropping systems under different treatments不同字母處理間表示0.05水平差異顯著。Different letters indicate significant difference among treatments at 0.05 probability level.

表2　不同處理單作和間作小麥、玉米生長(zhǎng)期內(nèi)的農(nóng)田碳收支特征Table 2　Farmland carbon budget during the crop growth period of monoculture and intercropping systems of wheat and maize under different treatments

3　討論

3.1 土壤碳排放對(duì)不同種植模式的響應(yīng)

間套作由于不同作物在形態(tài)、生態(tài)型和生育期上的錯(cuò)位搭配形成了在時(shí)間、空間和生育期上的生態(tài)位互補(bǔ)［5，6］， 可增加土壤有機(jī)碳含量， 較單作模式可降低農(nóng)田碳排放， 如Chai等［7］研究表明， 小麥||玉米間作系統(tǒng)的農(nóng)田碳排放較單作玉米顯著降低24%。本研究中證實(shí)了相關(guān)結(jié)論， 間作較單作玉米農(nóng)田碳排放降低20%。另外， 小麥||玉米間作模式中，玉米作為一種高效生產(chǎn)的C4作物， 在單作模式下生育期內(nèi)碳排放總量要顯著高于小麥［8，20］， 若將玉米與小麥組配在間作中， 即C4與C3作物組合， 由于間作復(fù)合群體種間相互作用， 玉米生長(zhǎng)受到部分抑制，其生長(zhǎng)帶內(nèi)土壤呼吸速率明顯降低， 間作小麥、玉米較相應(yīng)單作減排效應(yīng)明顯， 這與Qin等［20］研究一致。間作玉米較單作玉米能夠顯著降低農(nóng)田碳排放，由于間作模式作為一種提高作物生產(chǎn)效率與減少農(nóng)田碳排放的廣泛栽培模式， 因此， 更加系統(tǒng)地研究間作種植模式的農(nóng)田碳排放機(jī)制對(duì)于農(nóng)田碳減排至關(guān)重要。

3.2 耕作措施及覆蓋方式與土壤碳排放的相關(guān)性

由于農(nóng)田土壤是陸地碳循環(huán)中最大的碳庫， 土壤呼吸是農(nóng)田碳庫向大氣碳庫輸入的主要途徑， 土壤呼吸速率的變化對(duì)全球氣候變暖存在較大影響［21］。因此， 深入研究土壤耕作措施和覆蓋方式對(duì)土壤呼吸排放特征的影響， 對(duì)制定科學(xué)有效的土壤耕作方式及土壤碳調(diào)控管理措施具有重要意義。研究表明，耕作方式和秸稈覆蓋對(duì)農(nóng)田土壤呼吸存在顯著影響［8］。相比保護(hù)性耕作， 傳統(tǒng)耕作由于對(duì)土壤的擾動(dòng)頻繁， 增強(qiáng)了土壤通氣， 土壤微生物較為活躍， 其農(nóng)田土壤呼吸速率顯著高于旋耕和免耕［22］， 而深松耕的土壤呼吸速率又顯著高于翻耕處理［23］。秸稈翻埋還田可以提高土壤呼吸速率［24］， 且隨著秸稈還田量的增加， 土壤碳排放通量顯著增加［25］； 而秸稈覆蓋則降低了土壤呼吸速率［8］。另有研究表明， 盡管小麥間作玉米模式可降低農(nóng)田碳排放， 但玉米帶碳排放仍然顯著高于與之相鄰的小麥帶［8］， 因?yàn)橛衩讕У啬じ采w能顯著增加土壤 CO2釋放［15］， 采用保護(hù)性耕作是實(shí)現(xiàn)碳排減少的可行途徑， 因此， 本研究將免耕地膜兩年用耕作措施應(yīng)用于單作玉米與小麥間作玉米模式中， 研究了不同秸稈和一膜兩年用覆蓋方式對(duì)單作、間作農(nóng)田土壤碳排放的影響， 表明免耕秸稈覆蓋與一膜兩年用覆蓋方式明顯降低了單作農(nóng)田CO2減排總量， 將兩者集成應(yīng)用于間作模式減排效應(yīng)更突出。本研究中間作采用帶狀不同覆蓋措施， 有效協(xié)調(diào)了不同帶內(nèi)對(duì)保護(hù)性耕作的應(yīng)用， 使間作與保護(hù)性耕作得到有機(jī)結(jié)合， 對(duì)協(xié)調(diào)系統(tǒng)減排降耗具有明顯效果， 值得研究者關(guān)注。

3.3 秸稈覆蓋、地膜兩年用與間作對(duì)土壤碳排放的綜合效應(yīng)

已有研究表明， 集成應(yīng)用免耕和秸稈還田措施對(duì)協(xié)調(diào)小麥玉米間作系統(tǒng)提高產(chǎn)量、降低碳排具有重要作用， 不僅是促增產(chǎn)的有效保障更是減碳排的有力措施［8］。其中， 小麥秸稈免耕覆蓋集成在間作模式中對(duì)碳減排作用最大， 已成為該區(qū)小麥||玉米間作系統(tǒng)中集成應(yīng)用保護(hù)性耕作技術(shù)的主要措施，以保證作物增產(chǎn)的同時(shí)減少碳排， 降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響［8］。前人研究表明， 土壤溫度直接影響微生物和植物呼吸酶的活性， 從而影響土壤的呼吸速率［26］， 免耕秸稈覆蓋技術(shù)通過有效改善土壤結(jié)構(gòu)， 降低土壤溫度， 進(jìn)而降低了土壤CO2排放通量［27］。本研究將免耕小麥秸稈覆蓋、一膜兩年用兩種不同耕作措施集成在間作模式， 必然會(huì)引起不同條帶土壤溫度及不同作物生長(zhǎng)發(fā)育的差異［28］，其適應(yīng)特性也隨所在環(huán)境的變化而變化［29-30］， 必然會(huì)引起土壤呼吸差異， 其主要表現(xiàn)在碳排放通量的季節(jié)與日變化差異。本研究表明， 集秸稈覆蓋與地膜兩年用于一體間作較傳統(tǒng)間作模式明顯降低了農(nóng)田碳排放總量， 主要因?yàn)榧赡Ｊ綔p少作物生育期內(nèi)高強(qiáng)度CO2排放通量的持續(xù)天數(shù)及同一天內(nèi)的持續(xù)時(shí)間。NTSSI由于秸稈立茬， 不能在地表或表土層直接形成秸稈物理隔層， 對(duì)土壤溫度降低作用不明顯， 因而對(duì)抑制土壤呼吸、減少土壤碳排的效果稍弱于NTSI， 即NTSI處理的減排效應(yīng)最為突出。

已有學(xué)者從碳固定與排放的角度研究得出輪作模式農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為CO2吸收“匯”［31］， 但有關(guān)間作模式農(nóng)田碳平衡問題鮮見報(bào)道。本研究免耕秸稈覆蓋與一膜兩年用間作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是大氣CO2的吸收“匯”， 表現(xiàn)出較強(qiáng)的固碳潛力， 因?yàn)榻斩捀采w增加了秸稈的投入量， 從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田固碳增“匯”的目的。

免耕秸稈覆蓋與一膜兩年用應(yīng)用于小麥間作玉米中碳減排效應(yīng)顯著， 推薦集成應(yīng)用秸稈覆蓋和地膜兩年用作為該區(qū)間作的主導(dǎo)模式， 從而穩(wěn)固系統(tǒng)碳減排與高產(chǎn)的協(xié)同促進(jìn)。另外， 間作采用小麥帶秸稈覆蓋及玉米帶地膜兩年用， 使間作與保護(hù)性耕作得以結(jié)合， 有效協(xié)調(diào)了不同帶內(nèi)對(duì)保護(hù)性耕作的應(yīng)用， 因此， 集免耕秸稈覆蓋與地膜兩年用于一體的小麥間作玉米可作為一種高產(chǎn)、高效的減排模式進(jìn)一步深入研究。

4　結(jié)論

小麥間作玉米可降低農(nóng)田土壤CO2總排放量，比傳統(tǒng)單作的平均減排279～829 kg·hm-2， 減幅為5.1%～16.0%， 以集成免耕秸稈覆蓋及一膜兩年用耕作措施的間作模式減排效應(yīng)更明顯， 比傳統(tǒng)間作分別降低9.2%（NTSSI2）和10.1%（NTSI2）， 減排量分別為471 kg·hm-2與518 kg·hm-2。小麥秸稈覆蓋、免耕和一膜兩年用集成到間作模式中減少CO2排放量的主要原因是， 減少了高CO2排放通量的持續(xù)天數(shù)及一天內(nèi)高排放強(qiáng)度的持續(xù)時(shí)間。免耕小麥秸稈覆蓋與地膜兩年用栽培措施均表現(xiàn)出“碳匯”特征， 以兩者集成于間作模式中減排潛力、碳匯作用更為突出，與傳統(tǒng)間作相比， 其NPPC/Ras分別高19.1%（NTSSI2）與21.7%（NTSI2）。因此， 免耕秸稈覆蓋與一膜兩年用集成到間作中可作為干旱綠洲灌區(qū)碳減排、碳增匯的高效農(nóng)作制模式。

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* 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD14B10）、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)自列項(xiàng)目（GUAU-ZL-2015-001）和“甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)伏羲優(yōu)秀人才”項(xiàng)目資助

** 通訊作者： 柴強(qiáng)， 主要從事多熟種植、循環(huán)農(nóng)業(yè)研究。E-mail： chaiq@gsau.edu.cn

? 同等貢獻(xiàn)者： 殷文， 主要從事節(jié)水農(nóng)業(yè)研究， E-mail： yinwentx@126.com； 史倩倩， 主要從事多熟種植研究， E-mail： shiqq1990@126.com收稿日期： 2015-12-01 接受日期： 2016-02-02

* This study financially supported by the National Key Technology R&D Program of China （No. 2012BAD14B10）， the Project of Gansu Agricultural University （No. GUAU-ZL-2015-001）， and the Outstanding Talent Culture Project of Gansu Agriculture University.

** Corresponding author， E-mail： chaiq@gsau.edu.cn

Received Dec. 1， 2015； accepted Feb. 2， 2016

中圖分類號(hào):S341

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1671-3990（2016）06-0716-09

DOI:10.13930/j.cnki.cjea.151309

Short-term response of farmland carbon emission to straw return, two-year plastic film mulching and intercropping*

YIN Wen?， SHI Qianqian?， GUO Yao， FENG Fuxue， ZHAO Cai， YU Aizhong， CHAI Qiang**
（Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science / Agronomy College， Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070， China）

AbstractIn conventional crop production， high yield has always meant high carbon emissions. It has therefore become urgent to develop theoretical and practical strategies for high yield with low carbon emissions in modern agriculture. In this study， a field experiment was conducted in a typical oasis irrigation region to determine the integrated response of carbon emission in wheat-maize intercropping systems under different straw-return （straw standing， straw mulching and no-mulching），plastic film mulching （mulching for one year and two years）， cropping （wheat-maize intercropping， monoculture of wheat and maize） and tillage （no-tillage， conventional tillage） patterns. The results showed that intercropping significantly decreased soil carbon emissions in farmlands. Compared with monoculture wheat and maize under conventional tillage management， the averaged total soil CO2emissions in wheat-maize intercropping systems reduced by a range of 279-876 kg·hm-2， the equivalent of 5.1%-16.0%. No tillage with straw-return and plastic film mulching for 2-year reduced soil carbon emissions in the next year. No-tillage in combination with straw-return to soil decreased total soil CO2emissions by 648-966 kg·hm-2， theequivalent of 21.3%-31.8%， than conventional tillage without straw-return to soil in mono-cropped wheat field. Plastic film mulching for two years reduced total soil CO2emissions by 632 kg·hm-2compared with that of conventional tillage in mono-cropped maize. In particular， wheat-maize intercropping in combination with straw-return to soil and 2-year plastic film mulching further reduced the carbon emissions. Compared with conventional intercropping with plastic film mulching for 1-year and conventional tillage （CTI1）， wheat-maize intercropping with 25-30 cm of standing straw， 2-year plastic film mulching and no-tillage （NTSSI2） and wheat-maize intercropping with 25-30 cm straw mulching on the soil and 2-year plastic film mulching and no-tillage （NTSI2） reduced total soil CO2emissions by 471 kg·hm-2and 518 kg·hm-2， the equivalent of 9.2% and 10.1%， respectively. The carbon sequestration potential （ratio of total plant carbon fixation to total soil carbon emission， i.e.， NPPC/Ras） were 13.7 and 14.0， respectively， in NTSSI2and NTSI2treatments， they were higher by 19.1% and 21.5% than that of CTI1， respectively. This indicated that NTSI2had a more prominent potential for reducing carbon emissions and enhancing carbon sequestration. Thus， NTSI2was recommended as the best farming pattern due to its high-efficiency of carbon emission reduction and carbon sequestration in irrigated arid oasis regions.

KeywordsStraw-return to soil； Two-year plastic film mulching； Wheat-maize intercropping； Carbon emission； Carbon budget