宋秋來++王峭然++王麒 馮延江 孫羽 曾憲楠 來永才
doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.058[HT9.]
摘要:采用靜態(tài)箱法測定不同秸稈還田方式、耕作措施下東北春玉米生長季土壤CO2排放。結(jié)果表明,種植玉米的黑土CO2排放通量日變化呈單峰曲線,最大值出現(xiàn)在14:00,最低值出現(xiàn)02:00—06:00;秸稈還田處理CO2排放通量日變化較不還田處理波動大。玉米生育期土壤CO2排放量呈顯著的季節(jié)變化:春季玉米播種期及秋季玉米收獲期土壤CO2通量低,排放峰值出現(xiàn)在溫度、降水量較高的7月末,秸稈還田處理的CO2排放峰值高于相應(yīng)不還田處理。土壤CO2排放總量受秸稈還田和耕作措施影響顯著,免耕秸稈還田、翻耕秸稈還田、翻耕、免耕等4個處理的總排放量分別為9.41、8.91、7.33、6.43 t/hm2,免耕排放總量最小;秸稈還田處理CO2排放總量較相應(yīng)的不還田處理多排放 1.59~2.98 t/hm2;但若將不還田處理秸稈焚燒,其CO2排放總量達到17.78~19.48 t/hm2,是秸稈還田的2倍左右。秸稈還田能夠有效減緩因秸稈焚燒而增加的CO2釋放量,且對玉米產(chǎn)量無顯著影響。
關(guān)鍵詞:玉米;秸稈還田;土壤;CO2;排放
中圖分類號: S141.4文獻標(biāo)志碼: A[HK]
文章編號:1002-1302(2017)13-0219-03[HS)][HT9.SS]
收稿日期:2017-01-16
基金項目:國家自然科學(xué)基金(編號:31540039);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(編號:201303126-1);黑龍江省政府博士后經(jīng)費項目(編號:LBH-Z151196);黑龍江省哈爾濱市科技創(chuàng)新人才(編號:2016RAQYJ048);黑龍江省農(nóng)科院博士科研啟動金項目(編號:201507-10)。
作者簡介:宋秋來(1985—),男,黑龍江勃利人,博士,助理研究員,從事農(nóng)田溫室氣體排放研究。Tel:(0451)86632234;E-mail:sql142913@163.com。
通信作者:來永才,研究員,從事耕作栽培研究。Tel:(0451)86632234;E-mail:yame451@163.com。
[ZK)]
農(nóng)田土壤是大氣CO2的重要排放源,農(nóng)田向大氣中釋放的CO2主要來自土壤的呼吸,土壤呼吸釋放出的CO2分子是土壤及凋落物產(chǎn)生的。秸稈不還田時,往往是將秸稈焚燒使秸稈中的碳全部排放到大氣中,增加溫室效應(yīng);而秸稈還田后,經(jīng)過腐解的秸稈形成腐殖質(zhì),進入到土壤中,滯留了秸稈中碳的排放,減緩了溫室效應(yīng)。黑龍江省是我國重要的商品糧基地,在保障國家糧食安全上發(fā)揮著重大作用。其旱作農(nóng)田以玉米種植為主,2014年種植面積達到664.2萬hm2,占黑龍江省農(nóng)作物播種面積的45%,占全國玉米播種面積的18%[1-2]。隨著玉米單產(chǎn)大幅度提高,相應(yīng)的秸稈產(chǎn)量也迅速增加,由于秸稈利用技術(shù)相對滯后,玉米秸稈處置不合理帶來了眾多的生態(tài)環(huán)境問題。因此,有效處理玉米秸稈已成為當(dāng)務(wù)之急,而秸稈還田是秸稈諸多利用方式中最為直接有效的。目前,關(guān)于秸稈還田對黑土農(nóng)田理化性狀及作物生產(chǎn)力的影響雖已有過不少研究,但在我國東北寒冷氣候條件下,玉米秸稈還田方式對有機質(zhì)含量相對較高的黑土碳排放的影響,尚缺乏系統(tǒng)的研究。本試驗從不同秸稈還田方式對土壤碳排放的影響展開研究,以闡明玉米秸稈還田的減排機制,為東北黑土區(qū)制訂合理的秸稈還田模式提供理論依據(jù)。
1試驗材料與方法
1.1試驗地概況
本研究于2015年在黑龍江省哈爾濱市國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)進行,示范區(qū)位于松嫩平原中部哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng),所轄區(qū)域地理坐標(biāo)為126°50′E、45°50′N。示范區(qū)屬于寒溫帶大陸性氣候,四季變化明顯,春季多風(fēng)少雨,夏季溫?zé)岫嘤辏锛据^短,冬季寒冷干燥,年均氣溫3.6 ℃,無霜期135 d,≥10 ℃ 積溫2 780 ℃,年均降水量500 mm。該區(qū)域為一年一熟制,旱作農(nóng)田主要種植模式為玉米連作,土壤類型為黑土,土壤基礎(chǔ)肥力有機質(zhì)含量37.8 g/kg,有效氮含量 140 mg/kg,有效磷含量72.6 mg/kg,速效鉀含量206 mg/kg,pH值7.09。
1.2試驗設(shè)計
在玉米連作模式下設(shè)置翻耕秸稈還田、翻耕、免耕秸稈還田、免耕4個處理,采用大區(qū)試驗,每個處理面積0.067 hm2,處理內(nèi)重復(fù)4次。翻耕秸稈還田(CTS):玉米收獲后,秋季翻耕,將秸稈切成10~15 cm段與根茬一同翻入農(nóng)田25~30 cm處,起壟越冬,春季壟上播種;免耕秸稈還田(NTS):玉米收獲后,將玉米秸稈切成10~15 cm段,均勻覆蓋還田越冬,春季原壟播種。2個還田處理玉米秸稈還田量均為9 t/hm2;翻耕(CT):玉米收獲后,秸稈移除農(nóng)田,秋季翻耕,將根茬翻入農(nóng)田25~30 cm處,起壟越冬,春季壟上播種;免耕(NT):玉米收獲后,秸稈移除農(nóng)田,春季原壟播種。試驗用玉米品種均為先玉335,5月4日播種,10月3日收獲,4個處理水肥等管理措施相同。
1.3土壤CO2排放通量的測定
土壤CO2排放試驗季節(jié)變化測定于2015年玉米生育期進行,取樣間隔期為10~15 d,選擇晴天09:00—11:00進行樣品采集。土壤CO2排放試驗的日變化測定從06:00開始,每4 h測定1次,至第2天06:00結(jié)束,完成1次日變化測定,1次采樣完成后,從基座上取下采樣箱,直到下一次采樣時再將采樣箱重新安置在基座上,這樣可以降低密閉氣室長期覆蓋在采樣區(qū)上而對小環(huán)境造成的影響,尤其是對箱內(nèi)溫度和氣體背景濃度的影響。本試驗進行了2次土壤CO2排放的日變化監(jiān)測,分別為2015年7月24日和9月1日。收集的氣體樣品采用紅外線氣體分析儀測定樣品中CO2含量。
試驗的采樣箱為有機玻璃箱體,箱體長40 cm、寬30 cm、高50 cm,箱體一側(cè)距頂部25 cm處設(shè)置三通閥采氣孔,用于連通三通閥便于收集氣體。采樣箱內(nèi)置風(fēng)扇,用于采樣時混勻箱內(nèi)氣體。底座為不銹鋼材料,插入兩壟中間,入土5 cm,作物整個生長季節(jié)不再移動。底座上有盛水凹槽(水封槽),采樣時將凹槽灌滿水,利用水封原理隔絕室內(nèi)外氣體交換。每次采樣時將采樣箱置于底座后,開始取氣并記錄時間為 0 min,在15、30 min后再分別采集1次氣體樣品,用100 mL玻璃注射器將箱內(nèi)氣體轉(zhuǎn)移到鋁箔采樣袋中,將采樣袋帶回實驗室測定。endprint
1.4玉米生育期間土壤CO2排放量的估算
在知道CO2氣體排放的時間和空間規(guī)律的前提下,由以下公式計算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在生長季的CO2氣體排放總量:
[HS2][JZ]S=∫0[KG-1]158F(xi)dxi。
式中:S為CO2氣體的排放總量,i取1~4時分別代表4個處理;F(xi)為CO2氣體通量函數(shù),由各處理CO2氣體在各地點的通量與采樣時間回歸擬合而來,用于總量估算的方程及參數(shù)見表1。
2結(jié)果與分析
2.1不同秸稈還田方式對土壤CO2排放日變化的影響
圖1為夏季(2015年7月24日)土壤CO2日變化趨勢。CO2排放通量最大值均出現(xiàn)在14:00,此時溫度也最高;CO2排放通量的最低值出現(xiàn)在06:00左右,此時間段溫度較低。免耕秸稈還田(NTS)和翻耕秸稈還田(CTS)處理CO2排放通量的日變化波動最大,而相應(yīng)的不還田免耕(NT)處理波動最小。CO2排放的最大通量、最小通量也都表現(xiàn)為免耕秸稈還田(NTS)和翻耕秸稈還田(CTS)高于相應(yīng)的不還田處理。
圖2為夏末(2015年9月1日)CO2排放的日變化趨勢,其全天所有時間段CO2濃度均低于7月24日。全天的變化趨勢呈拋物線狀,最高值出現(xiàn)在14:00,與溫度最高值出現(xiàn)時間相同,而最低值出現(xiàn)02:00左右,此時氣溫也最低,18:00之[CM(25]后CO2濃度變化趨于平緩。CO2排放的最大通量、最小通量也表現(xiàn)為免耕秸稈還田(NTS)和翻耕秸稈還田(CTS)高于相應(yīng)的不還田處理,在溫度較高的白天,這種規(guī)律更為明顯。
[HTK]2.2不同秸稈還田方式對土壤CO2排放季節(jié)變化動態(tài)的影響[HT]
土壤CO2排放季節(jié)變化如圖3所示,春、夏、秋3個季節(jié)各處理CO2排放通量均出現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律,在玉米播種期和成熟期CO2排放通量均較低。在苗期,隨著玉米的生長,各處理的CO2排放通量均有較大幅度增加,在7月下旬玉米拔節(jié)至抽雄期,各處理均出現(xiàn)排放高峰,此時各處理溫度也較高;秸稈還田(NTS、CTS)處理的CO2排放通量峰值明顯高于2個不還田處理;之后,各處理土壤CO2排放通量開始下降,但秸稈還田(NTS、CTS)較不還田處理下降緩慢。免耕、翻耕、免耕秸稈還田、翻耕秸稈還田各處理CO2平均排放通量分別為164、186、239、228 mg/(m2·h),CO2排放通量大小依次為NTS>CTS>CT>NT,可見免耕秸稈還田(NTS)與其相應(yīng)的不還田處理(NT)相差較大,2個秸稈還田處理相差較小,免耕處理則低于翻耕處理,說明在秸稈不還田的條件下,減少對土壤的擾動能夠適當(dāng)減少CO2排放。
2.3玉米生育期間土壤CO2排放量
表2顯示,玉米生育期間,免耕(NT)處理CO2排放總量最小,可見免耕措施有利于土壤CO2的減排。而秸稈還田處理(NTS、CTS)顯著大于不還田處理(NT、CT),免耕秸稈還田處理生育期CO2排放總量較免耕處理多 2.98 t/hm2,排放量增加了46.35%;而翻耕還田處理僅較翻耕處理多排放 1.58 t/hm2,排放量增加了21.56%,可見在一定條件下,秸稈還田增加了土壤碳排放。從表2還可見,翻耕處理產(chǎn)量略高于免耕,但未達到顯著水平;秸稈還田處理與相應(yīng)不還田處理產(chǎn)量相對差異也不顯著。
3討論
有研究指出,農(nóng)田土壤CO2排放通量通常是隨著土壤溫度的升高而增加,一天中在中午至下午時段達到高峰,之后隨著溫度的降低排放量也逐漸減少[3]。對于不同農(nóng)田系統(tǒng),土壤CO2排放通量的日變化規(guī)律也受溫度、水分含量和季節(jié)等因素的影響,周志田等研究認為,白天的土壤呼吸速率均高于夜間[4];董立國等認為,小麥田土壤CO2排放通量日變化呈單峰曲線,于13:00—14:00出現(xiàn)日最高排放值,夜間排放值最低[5-6];而王丙文等認為,在小麥整個生育期,土壤呼吸速率日變化于18:00達到最高值,04:00達到最低值[7]。本研究在不同耕作措施及秸稈還田條件下,農(nóng)田土壤CO2排放通量日變化規(guī)律均表現(xiàn)為單峰曲線,峰值出現(xiàn)在溫度較高的14:00,CO2[JP2]排放通量的最低值基本都出現(xiàn)在06:00左右,此時溫度也較低。通過盛夏(7月24日)和夏末(9月1日)2天的日排放通量比較可知,夏季排放量高于秋季,說明較高的溫度促進了CO2的排放。劉博等對不同耕作條件下黃土高原春小麥成熟期農(nóng)田CO2排放通量日變化進行研究,結(jié)果顯示,春小麥成熟期CO2排放通量表現(xiàn)為常規(guī)耕作>免耕[6]。[JP]本研究結(jié)果表明,免耕秸稈還田(NTS)和翻耕秸稈還田(CTS)處理CO2排放通量的日變化波動最大,而相應(yīng)的不還田免耕(NT)處理波動最小。CO2排放的最大通量、最小通量也都表現(xiàn)為免耕秸稈還田(NTS)和翻耕秸稈還田(CTS)高于相應(yīng)的不還田處理,說明秸稈的還田促進了土壤CO2的排放。[JP]
在各項研究中都觀察到土壤CO2排放通量的季節(jié)變化,李成芳等在秸稈還田對免耕稻田溫室氣體排放研究中發(fā)現(xiàn),溫室氣體排放通量呈季節(jié)性變化,主要是因為土壤有機質(zhì)含量高,適合土壤微生物的繁殖,使得秸稈降解和土壤碳礦化作用增強,因此土壤CO2排放逐漸加強[8]。秦越等在不同耕作措施下秸稈還田土壤CO2排放的動態(tài)變化研究中發(fā)現(xiàn),小麥生育期內(nèi)各處理CO2排放通量受溫度影響明顯,且季節(jié)變化趨勢顯著,具體表現(xiàn)為從出苗后到越冬前的一段時間內(nèi)呈下降趨勢,返青后開始增加,到開花期達到高峰,其后開始下降[9]。在這種季節(jié)變化特征中,夏季土壤呼吸最多,春秋季次之,冬季最少。多數(shù)研究認為,土壤CO2排放通量呈季節(jié)變化單峰曲線,但峰值出現(xiàn)時間有所不同,戴萬宏等認為土壤CO2排放的季節(jié)變化峰值多出現(xiàn)在溫度與降水量均較高的7月,而也有部分研究認為夏玉米農(nóng)田土壤呼吸速率在8月(盛夏—秋初期間)出現(xiàn)最大值[10-13]。本研究結(jié)果表明,農(nóng)田土壤CO2排放通量呈單峰曲線,有明顯的季節(jié)性,各處理均表現(xiàn)為先升高后降低的規(guī)律,在玉米播種期和成熟期CO2排放通量較低,在溫度較高條件下,各處理達到峰值,其中秸稈還田(NTS、CTS)的排放通量峰值明顯高于2個不還田處理。endprint
本研究以連作玉米農(nóng)田為試驗土壤,在相同耕作措施下,2個秸稈不還田處理的土壤CO2排放通量和總量均顯著低于相應(yīng)的還田處理。免耕秸稈還田處理生育期CO2排放總量較免耕處理多2.98 t/hm2,排放量增加了46.35%;而翻耕還田處理僅較翻耕不還田處理多排放1.58 t/hm2,排放量增加了21.56%。雖然秸稈還田在一定程度增加了土壤CO2排放通量,而相對于秸稈焚燒排放釋放的CO2通量卻少了很多,根據(jù)已有研究對我國玉米秸稈焚燒后的CO2焚燒因子測定結(jié)果(1 261.5~1 350 g/kg)[14-16],假設(shè)本研究中不還田處理的玉米秸稈(9 t/hm2)全部焚燒,會產(chǎn)生CO2 170.25~182.25 t/hm2,加上不還田處理土壤排放的CO2,免耕處理的CO2釋放總量將達到266.70~278.70 t/hm2,而翻耕更將達到280.20~292.20 t/hm2,是相應(yīng)秸稈還田處理的2倍左右??梢姡斩掃€田能夠有效減緩因秸稈焚燒而增加的CO2釋放量。
4結(jié)論
連作玉米的黑土CO2排放通量日變化呈單峰曲線,隨著溫度上升而增加,排放通量最大值出現(xiàn)在14:00,最低值出現(xiàn)02:00—06:00。秸稈還田(NTS、CTS)處理CO2排放通量日變化較不還田處理波動大;CO2排放通量的日變化最大值、最小值也均表現(xiàn)為秸稈還田(NTS、CTS)高于不還田處理,說明秸稈還田促進了土壤CO2排放通量。玉米生育期間土壤CO2排放通量呈顯著的季節(jié)變化,春季玉米播種期及秋季玉米收獲土壤CO2通量低,7月末各處理排放通量達到最大,秸稈還田處理的CO2排放最大值高于相應(yīng)不還田處理。玉米生育期間,土壤CO2排放總量同時受秸稈還田和耕作措施的顯著影響,免耕還田、翻耕還田、免耕、翻耕4個處理的總排放量分別為9.41、8.91、6.437.33 t/hm2;秸稈還田處理CO2排放總量較相應(yīng)的不還田處理多排放1.59~2.98 t/hm2;但若將不還田處理秸稈焚燒,其CO2排放總量達到266.70~278.70 t/hm2,是秸稈還田處理的2倍左右。可見,秸稈還田能夠有效減緩因秸稈焚燒而增加的CO2釋放量,且秸稈還田不影響玉米產(chǎn)量。
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