綠肥不同還田方式對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土壤微生物量碳氮的影響。采用室內培養試驗，設置光葉苕子翻壓(VB)、光葉苕子覆蓋(VS)、黑麥草翻壓(RB)、黑麥草覆蓋(RS)和無綠肥(CK)5個處理，測定土壤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。結果表明，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。培養期內綠肥覆蓋處理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，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，且有利于保護生態環境和節約人工成本，但是對作物生長及產量的影響有待田間試驗驗證。

　　關鍵詞：綠肥;還田方式;溫室氣體

　　大氣中溫室氣體濃度的增加是導致全球變暖的主要原因之一[1]，大氣中CO2、N2O和CH4對溫室效應的貢獻率分別為76.7%、7.9%和14.3%[2]。農田土壤是溫室氣體的重要排放源，約占人類農業生產溫室氣體排放的14%[3]。有機物料的投入、施肥及灌溉等農業管理措施會影響農田土壤溫室氣體的排放，有機物料通過改變農田土壤微生物量以及土壤物理、化學特性而影響溫室氣體的排放已有較多報道[4-5]，但是不同碳氮比有機物料在不同還田方式下對溫室氣體的排放影響研究較少。綠肥是我國重要的植物源有機肥，在改良土壤、提供清潔有機肥源、提高作物產量、改善農田生態環境等方面的作用已得到廣泛認可[6]。

　　土壤論文范例：土壤環境質量新標準評價應用誤區探討

　　綠肥與秸稈等其他有機物料相比具有碳氮比低、微生物分解快的特點。綠肥還田主要采用翻壓還田與覆蓋還田，我國長期以來主要采用翻壓還田為作物提供養分和改良土壤;國外主要采用覆蓋還田保持水土、改善土壤環境條件。這兩種還田方式由于其對土壤環境的影響不同，必然影響微生物對綠肥的腐解及溫室氣體的排放。關于綠肥翻壓還田對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]研究發現翻壓紫云英(Astraga⁃lussinicus)促進了CO2和CH4排放，抑制了N2O排放。

　　Mancinelli等[8]研究發現非豆科綠肥或非豆科綠肥與豆科混合翻壓對土壤N2O排放無顯著影響，但能顯著提高土壤CH4的排放通量。目前關于綠肥覆蓋還田對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材料，設置翻壓和覆蓋兩種綠肥還田方式，采用室內培養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境效應提供理論依據。

　　1材料與方法

　　1.1供試材料

　　供試土壤為侏羅紀沙溪廟組紫色泥巖發育而成的紫色土，土壤基本理化性質為：pH值7.09，有機質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西南大學試驗農場(30°26′N，106°26′E)，海拔266.3m，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均降水1115.3mm，年平均氣溫為18.3℃，土壤取回后置于室內風干磨細過2mm篩后供培養試驗用。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，帶回實驗室立即開展試驗，供試樣品水分含量分別為87.52%和86.84%。

　　1.2試驗設計

　　利用2種不同碳氮比的豆科和禾本科綠肥，設置翻壓、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)，同時設置一個無綠肥對照(CK)，共計5個處理。每個處理24次重復(滿足6次破壞性取樣的需要)。通過室內培養試驗研究不同綠肥種類及還田方式對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風干土壤混合均勻(按照大田綠肥30000kg·hm-2翻壓/覆蓋量計算)，裝入500mL培養瓶中;覆蓋處理則先將150g風干土壤裝入培養瓶中，再將7.5g綠肥鮮樣平鋪于土壤上。

　　加入純水，調節土壤含水量在田間持水量的65%，在25℃恒溫避光密閉培養91d，在培養期間每隔3d采用稱重法補充損失的水分，使土壤水分保持恒定狀態。分別在培養的第1、3、5、7、14、21、35、49、70、91天進行氣體采集，每個處理任選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，之后密封繼續培養，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，每個處理取樣4瓶，用于測定土壤的微生物量碳(microbialbiomasscarbon，MBC)和微生物量氮(microbialbiomassnitrogen，MBN)含量。

　　1.3測定方法

　　氣體采集后24h內采用氣相色譜儀(Agilent7890A，美國)測定CO2、N2O和CH4的濃度。CO2、CH4濃度采用火焰離子化檢測器(flameionizationdetector，FID)測定，N2O濃度采用電子捕獲檢測器(electroncapturedetec⁃tor，ECD)測定。

　　1.4數據處理

　　采用Excel2016和SPSS20.0軟件進行數據整理和統計分析，采用Origin9.5作圖。

　　2結果與分析

　　2.1綠肥不同還田方式對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排放速率隨培養時間的變化規律基本相似，培養期間大致呈現出快速下降、緩慢下降和相對穩定的變化。但是黑麥草處理在培養開始階段還有一個急劇上升的過程，黑麥草翻壓(RB)和覆蓋(RS)在培養的前3d內CO2排放速率快速上升，在第3天達到峰值，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，在培養第14天時CO2排放速率下降至開始時的12.63%~37.38%，在14~70d的培養期中，CO2排放速率緩慢下降且顯著低于前一階段，培養35d之后各綠肥處理土壤CO2排放速率基本接近;在70d后CO2排放速率進入相對穩定時期，與對照處理接近。與CK相比，在91d培養時間內，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為CK

　　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的培養期中，N2O排放速率隨著培養時間的延長迅速下降，在培養第21天時，N2O排放速率下降至第7天的29.65%~40.76%，在21~91d的培養期中，N2O排放速率呈階梯式下降。在整個培養期中，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綠肥還田方式對土壤溫室氣體排放的影響

　　綠肥作為一種清潔的有機肥源，具有改良土壤、提高作物產量等作用，已在農業生產中被廣泛應用;但是綠肥還田會提高土壤CO2和N2O的排放也得到了普遍證實[11-13]。如何降低綠肥利用過程中溫室氣體的排放是實現綠肥可持續利用的前提。

　　本研究發現綠肥還田利用方式對土壤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致分解速率低，同時地表覆蓋綠肥、秸稈等有機物料阻礙了土壤向大氣排放CO2[14-15];另一方面翻壓還田對土壤進行了較大強度的擾動，改善了土壤通氣性，新鮮有機物質翻壓進入土壤中，讓綠肥能更好的與土壤混合接觸導致分解速率更快，微生物呼吸速率加強，單位時間內排放的CO2、N2O更多。

　　黃濤等[16]通過監測秸稈翻壓和秸稈覆蓋后在不同測定時期的CO2排放速率，發現秸稈翻壓較秸稈覆蓋高出16.49%~85.96%，本研究結果與其相似。成臣等[17]研究發現在土壤含水量適中、通氣狀況良好的環境下，硝化細菌和反硝化細菌的活性得到提高，此時土壤硝化作用及反硝化作用都能以較高速率進行且以N2O為主要產物。目前關于翻壓、覆蓋有機物料對土壤CH4排放的影響結果存在不一致觀點。Bender等[18]研究認為，當土壤理化性質、利用方式等發生改變，會影響CH4氧化的基本條件，從而直接或間接的影響CH4氧化。

　　有研究認為，翻壓秸稈等有機物料的CH4排放量比覆蓋處理的更多[19-20]。他們認為有機物料覆蓋在農田表面，有機物料在土壤表層進行有氧降解，其降解產物在土壤氧化層中還原產生CH4的可能性較小。還有研究認為，有機物料翻壓對土壤吸收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，從而改善土壤結構，增加土壤充水空隙，對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、溫濕環境適宜的條件下時，甲烷氧化菌對于大氣中CH(4吸收)氧化能力加強[22]。

　　4結論

　　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、保護生態環境、節約人工成本，但是是否能實現增產和保護環境的雙贏有待進一步的田間試驗驗證。

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　　作者：張學良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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