松嫩平原玉米田土壤CO2排放规律与碳平衡特征

龚振平，朱捷，宋秋来，马春梅，李中韬

（1.东北农业大学农学院，哈尔滨150030；2.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所，哈尔滨150086）

松嫩平原玉米田土壤CO2排放规律与碳平衡特征

龚振平1，朱捷1，宋秋来2，马春梅1，李中韬1

（1.东北农业大学农学院，哈尔滨150030；2.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所，哈尔滨150086）

通过对松嫩平原玉米田土壤CO2排放的连续观测，研究连作玉米田土壤CO2排放规律及与土壤温度、土壤水分的关系，并计算玉米田土壤碳平衡特征。结果表明，玉米田土壤CO2排放通量呈现明显季节性，6～8月土壤CO2排放量较大，而在4和11月维持较低水平。秸秆还田处理（MTS）土壤CO2排放通量、最大通量和平均通量高于翻耕处理（CT）。土壤CO2排放通量与地温呈显著正相关，指数方程表征二者关系效果最佳，线性方程效果最低，除个别情况，深层土壤拟合效果高于浅层土壤；MTS处理的土壤CO2排放通量与土壤温度相关性高于CT处理。土壤CO2排放通量与12 cm深度土壤水分相关性不显著。通过对秸秆、根茬还田碳与土壤CO2排放碳的测算，MTS处理秸秆还田碳量较CO2排放碳量平均每年多2 744.6 kg C·hm-2，呈碳汇效应；CT处理秸秆还田碳量较CO2排放碳量平均每年少810.4 kg C·hm-2，呈碳源效应。

玉米田；CO2排放；秸秆还田；土壤碳平衡

CO2、CH4、N2O等温室气体排放是全球气候变暖的主要原因，CO2、CH4、N2O温室贡献率分别达60%、20%、6%[1]，CO2温室效应贡献率远高于其他温室气体[2]。陆地土壤储存的碳约是大气碳库3倍[3-4]，陆地生态系统对全球碳平衡起重要作用[5-6]。人类活动最容易影响陆地生态系统，由于人类活动加大土壤与大气CO2的交换量，破坏原有碳平衡，使大气中CO2等温室气体浓度持续增加，而其中农业生产的贡献所占比例相当大。农田土壤是重要的温室气体源汇，大气CO2通过作物光合作用固定在土壤中，通过土壤呼吸、植物根呼吸以及非生物学过程将CO2释放到大气中[7]。因此，农田土壤CO2排放规律成为关注焦点。

宋秋来等研究表明，玉米、大豆田CO2排放通量呈现明显季节性变化，用二次方程和指数方程模拟均能良好表达CO2排放通量与土壤温度关系，通常情况下玉米、大豆田呈现碳汇效应[8]。杨玲等研究表明，旱作麦田土壤CO2排放速率表现为夏季高、冬季低，土壤温度与CO2排放速率呈现极显著正相关[9]。Omonode等研究表明，美国中部玉米田CO2最大值出现在6月，玉米连作土壤CO2排放通量较玉米大豆轮作高16%[10]。尽管土壤CO2排放相关研究很多，但鲜有关于松嫩平原土壤CO2排放规律的报道，利用静态箱法[11-12]测定玉米田土壤CO2排放通量，研究玉米田土壤CO2排放通量变化规律，对玉米田土壤秸秆根茬等还田碳量与CO2排放碳量差值进行测算，为客观评估松嫩平原连作玉米田土壤CO2排放与土壤碳平衡研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2013、2014年在东北农业大学香坊实验实习基地进行，土壤类型为黑土。基地地理坐标为东经126°22'～126°50'，北纬45°34'～45°46'。气候特征：属于寒温带大陆性气候，四季变化明显，春季多风少雨，夏季温热多雨，秋季较短，冬季寒冷干燥，年降水量500～550 mm，无霜期140 d左右，≥10℃积温2 700℃左右。玉米生育时期降雨量见图1。土壤基础肥力：有机质31.38 g·kg-1，有效氮87.25 mg·kg-1，速效钾193.72 mg·kg-1，有效磷61.24 mg·kg-1。

图1 玉米生育时期降雨量Fig.1Precipitation during corn growth

1.2 试验设计

试验设置玉米秸秆还田与传统翻耕两种耕作方式：①秸秆还田处理（MTS），上茬玉米机械收获后，用秸秆粉碎还田机将秸秆粉碎均匀抛洒地表，然后沿原垄深松灭茬，深松深度25 cm，灭茬宽度32 cm，翌年春季沿深松灭茬带播种。②翻耕处理（CT），秸秆不还田，上茬玉米收获后，清理田间残余秸秆，秋季翻地，翻地深度为25 cm，翻地后用旋耕起垄机旋碎垡片同时起垄。两种耕作方式垄距均为70 cm，于苗期垄沟深松、中耕培土两次。

田间试验小区面积为840 m2，每个处理3次重复。每年玉米5月2日机械播种，平均密度为6.5万株·hm-2，品种为东农253。施肥量：纯N：165 kg·hm-2，P2O5：69 kg·hm-2，K2O：22.5 kg·hm-2。施肥方式：基肥和追肥；具体日期：基肥5月2日，追肥6月6日，收获10月6日。

1.3CO2气体样品采集及测定

试验采用静态箱法采集CO2气体样品。采样箱为铁制箱体，箱体长50 cm、宽25 cm、高50 cm，箱体一侧距顶部30 cm处设置三通阀采气孔，用于连通三通阀便于收集气体（见图2）。采样箱内置风扇，用于采样时混匀箱内气体。采样时随机选择取样地点，将采样箱插入两垄之间，插入土壤约5 cm，两侧缝隙用土封上，保证密封。扣箱后，开始取气并记录时间为第0 min，在第30 min再采集1次气体样品，差值即为30 min的CO2排放量，用100 mL玻璃注射器将箱内气体转移到专用气袋中。将采样袋带回实验室测定，CO2浓度使用GXH-3010E1红外线分析仪测定。

图2 采集箱Fig.2Sampling box

土壤CO2排放通量利用公式（1）进行计算：

式中，F为CO2通量，mg·m-2·h-1；

ρ0为标准状态下CO2密度，g·L-1；

h为采样箱高度，cm；

p为采样时箱内实际空气气压，hPa；

p0为标准状态下空气气压，hPa；

T为采样时箱内实际温度，℃；

T0为标准状态下空气的绝对温度，℃；

2回归直线斜率；

ct为t时刻箱内被测气体的体积混合比浓度，mg·L-1；

t为时间，min。

CO2气体样品采集时间为4月5日～11月8日，7～10 d采集1次气体样品，取样时间为上午8：30～ 9：30[13]。采集气体样品同时用TDR-100土壤水分测定仪监测土壤12 cm深度体积含水率，并用曲管地温计监测5、10、15、20 cm土层土壤温度。

1.4 还田秸秆及根茬碳量的测定

试验于玉米收获前一天在每区随机取完整玉米10株，依据种植密度计算10株玉米占地面积，计算单位面积秸秆及根茬量。取样方法，在茎秆距地面10 cm左右处剪断，测量地上部分茎秆干物质量（由于本地区使用摘穗玉米联合收割机收获，还田秸秆不包括穗轴）；为保持根茬完整性，以根茬为中心挖取长、宽、深20 cm土体，再用清水小心冲洗根茬及根系，测量根茬干物质量。地上部分茎秆、根茬粉碎后采用重铬酸钾氧化法分别测定碳含量。玉米茎秆（根茬）还田量与碳含量之积为茎秆（根茬）还田碳量。

1.5 数据处理

采用Excel 2003和SPSS 17.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 玉米田土壤CO2排放通量变化

图3为玉米田土壤CO2排放通量变化动态，可以看出两年内2个处理玉米田土壤CO2排放通量呈现明显季节变化规律。在玉米生长旺盛时期雨水充沛（见图1），温度较高的6～8月（见图3）土壤CO2排放通量较高，而在4月和11月维持较低水平。个别时间段土壤CO2排放通量出现明显波动，可能是受当时温度和水分变化的影响。

由图3和表1可知，各取样时期，秸秆还田处理（MTS）土壤CO2排放通量、最大通量和平均通量均高于翻耕处理（CT）。其中最大通量表现不显著差异，平均通量表现显著差异。

图3 玉米田土壤CO2排放通量的季节变化Fig.3Seasonal variation of CO2fluxes in corn field

表1 玉米生育时期土壤CO2排放特征Table 1Characteristics of soil CO2emission flux during corn growth (mg·m-2·h-1)

2.2 玉米田土壤CO2排放通量与土壤温度、水分的关系

图4是不同土层温度变化动态，可以看出地温呈现明显季节变化，并且与CO2排放通量变化基本保持一致。2年内土壤CO2排放通量与地温关系采用线性方程、二次方程和指数方程拟合（见表2），三种方程的拟合均通过F检验，达到极显著水平（P＜0.01）。三种方程R2值除MTS处理中15 cm土层二次方程R2高于20 cm土层以外，其余均表现为20 cm＞15 cm＞10 cm＞5 cm土层，说明20 cm土层温度与CO2排放通量相关性高于浅层土壤。相同土层回归方程R2比较，均表现MTS＞CT，说明MTS处理CO2排放通量与土壤温度相关性高于CT处理。同土层三种方程R2比较，线性方程R2最小，除MTS处理15、20 cm土层中二次方程大于指数方程外，其他均表现为指数方程高于二次方程。

图5是12 cm深度土壤体积含水率季节变化，可以看出两处理保持相似的季节性变化，且波动幅度较大，未表现出明显规律性，相关性较差。将CO2排放通量与12 cm深度土壤体积含水率用线性方程、二次方程、指数方程进行拟合均不能通过F检验，表现不显著。

图4 不同土层温度的季节变化Fig.4Seasonal variation of soil temperature in different soil layers

表2 土壤CO2排放通量与地温的方程拟合Table 2Soil CO2emissionflux and groud temperature equation fitting

图512 cm深度土壤体积含水率的季节变化Fig.5Seasonal variation of volume soil water content at 12 cm soil layer

2.3 玉米田土壤CO2排放碳量和秸秆及根茬还田碳量的测算

由图3可知，土壤CO2排放通量随取样时间均呈现单峰曲线变化，将土壤CO2排放通量与取样天数用二次方程拟合（其中4月5日记为第0天，以此类推），通过对拟合后的二次方程分段积分，可得出玉米田土壤CO2全年排放量以及玉米生育时期土壤CO2排放量。考虑玉米根系呼吸的存在，需将玉米生育时期土壤CO2排放量转化为土壤CO2净排放，即土壤微生物异氧呼吸（Rm），根据相关研究结果[14-15]，Rm=Rs×0.865（其中Rs为作物生长季土壤CO2排放量）。

玉米田土壤全年CO2净排放包括玉米播种前、收获后土壤CO2排放和玉米生育时期土壤CO2净排放三部分。玉米播种前与收获后土壤CO2排放量即为土壤CO2总排放量与玉米生育时期总排放量的差值。计算结果见表3，可以看出全年土壤净排放表现为MTS＞CT，达到显著差异。两种处理中，玉米生育时期净排放量贡献率达86.5%～90.8%，非玉米生育时期贡献率达9.3%～13.6%。

试验中，MTS处理2013、2014年还田玉米秸秆（包括根茬）还田量分别为12 204.3和10 933.5 kg·hm-2；CT处理2013、2014年根茬还田量分别为2 004.3和2 318.7 kg·hm-2。经测定玉米茎秆含碳量为47.6%，根茬含碳量为47.7%。根据有机物料还田量与表3中土壤CO2净排放量（CO2含碳量为27.3%）可计算出玉米秸秆还田碳量与CO2排放碳量差值（见表4）。由表4可知，MTS处理还田碳量明显高于CT处理，是CT处理的5.3倍，同时CO2排放碳是CT处理的1.5倍，其差值均为正值，呈现碳汇效应，CT处理差值均为负值呈现碳源效应。

表3 玉米田土壤CO2净排放量Table 3Net soil CO2emissions in corn field

表4 玉米田土壤碳平衡特征Table 4Characteristics of corn soil carbon balance (kg C·hm-2)

3 讨论与结论

3.1 玉米田土壤CO2排放通量的变化

本试验研究表明，玉米田土壤CO2排放通量呈明显季节变化规律，在温度高、水分充沛的7月份达到最大值，而在4月和11月维持较低水平。宋秋来等对东北黑土区旱作农田土壤CO2排放三年的监测表明，在覆盖少耕、留茬少耕和翻耕三种耕作方式下，土壤CO2排放通量均表现单峰曲线，春季和冬季排放较少，夏季排放较多[8]。杨玲等对不同耕作措施下旱作麦田CO2排放速率研究表明，小麦播种后CO2排放速率最大，但随地温降低CO2排放速率随之下降，3月份温度升高CO2排放速率开始升高，总体表现夏季高、冬季低[9]。Omonode等2004、2005年对美国中西部玉米连作和玉米大豆轮作田土壤CO2季节性排放的研究表明，土壤CO2排放最大值出现在6月[10]。

李玮等研究表明，常规施肥下，秸秆掩埋处理显著提高玉米田土壤CO2排放速率[16]。赵亚丽等研究表明，秸秆还田增加冬小麦土壤呼吸速率[17]。本试验秸秆还田提高土壤CO2排放通量表现为，秸秆还田处理（MTS）土壤CO2排放最大通量和平均通量均高于翻耕处理（CT），与宋秋来等[8]研究结果一致。

温度直接影响土壤微生物以及根系呼吸。寇太记等研究表明，温度与土壤呼吸表现显著相关，而土壤温度比大气温度能更好解释土壤CO2排放通量的季节性变化[18]。本试验各土层土壤温度季节性变化均与土壤CO2排放通量变化保持一致。并采用线性方程、二次方程、指数方程拟合，均通过F检验，表现为极显著。三种方程R2比较，线性方程拟合程度最差，指数方程最优。禄兴丽等研究表明，不同耕作措施下夏玉米生长季CO2排放速率与土壤温度进行回归模拟指数方程优于二次方程[19]。杨玲等研究表明，不同耕作措施下旱作麦田土壤温度与CO2排放速率表现为极显著正相关，但各土层相关性差异不大[9]。而本试验结果表明，5 cm土层相关性最小，20 cm土层相关性最大，说明深层土壤温度与土壤CO2排放通量相关性高于浅层土壤，与宋秋来等[8]研究结果一致，造成此差异可能与深层土壤微生物活动较强有关。两处理间方程R2比较，均表现出MTS处理CO2排放通量与土壤温度相关性高于CT处理。

土壤水分主要受年际降水影响，未呈现明显季节变化规律，尽管土壤水分也直接影响土壤微生物与根系呼吸，但本试验12 cm土壤体积含水率与土壤CO2排放通量进行方程模拟，均表现不显著。杨玲等研究也认为旱作麦田土壤CO2排放速率与土壤水分含量未表现显著相关性[9]。张宇等对不同耕作措施下冬小麦、夏玉米生育期农田CO2排放与水热关系研究表明，当土壤温度高于10℃时CO2排放通量与5 cm土壤含水率具有显著相关性[20]。

3.2 玉米田土壤CO2排放量与碳平衡

Trumbore等研究认为，大气碳库与土壤碳库交换的主要形式是土壤呼吸。而秸秆还田是提高农田土壤固碳减排的重要手段[21]。本试验通过对两种耕作模式下秸秆还田碳量与土壤CO2排放碳量差值的测算，比较两处理对大气CO2的源汇作用。结果表明，MTS处理均为正值，表明为土壤中碳的增加提供可能，呈现碳汇效应；CT处理均为负值，说明土壤中的碳在减少，呈现碳源效应。两处理间比较，虽然秸秆还田增加土壤CO2排放，具体表现为2013、2014年土壤CO2排放碳MTS均大于CT，但秸秆还田归还的碳远大于土壤CO2排放的碳，从而造成两种处理差值不同。MTS处理秸秆还田碳量较CO2排放碳量平均每年多2 744.6 kg C·hm-2，呈碳汇效应；CT处理秸秆还田碳量较CO2排放碳量平均每年少810.4 kg C·hm-2，呈碳源效应。王小彬等研究表明，山西春玉米在免耕和少耕模式下农田生态系统呈现碳汇效应，传统耕作翻耕模式下呈现碳源效应[22]。其中免耕处理平均每年增加2 630 kg C·hm-2，少耕处理平均每年增加2 260 kg C·hm-2，翻耕处理平均每年减少854 kg C·hm-2，不同碳平衡差异主要原因是秸秆还田量的不同。

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CO2emissions law research and characteristics of carbon balance of corn field in Songnen Plain

/GONG Zhenping1,ZHU Jie1,SONG Qiulai2,MA Chunmei1,LI Zhongtao1
(1.School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Cultivation and Farming Research Institute,Heilongjiang Academy of Agricultural Science,Harbin 150086, China)

Through this experiment Songnen Plain corn field soil CO2emissions was observed continuously,we study corn field soil CO2emissions law as well as the relationship between soil temperature and soil moisture;And compared straw,and calculate the characteristics of corn field soil carbon balance. The results showed that corn field soil CO2fluxes showed significantly seasonal and there was a large amount of soil CO2emissions in June,July and August,while maintaining a relatively low level in April and November.Straw processing(MTS)of soil CO2flux,maximum throughput and average throughput was higher than conventional tillage(CT).Soil CO2flux and soil temperature showed significantly positive correlation,the exponential equations showed the best effect,linear equations showed the lowest effect,with the exception of productivity,deep soil was better than shallow soil fitting;Soil CO2MTS handled emission flux and soil temperature correlation was higher than CT treatment.Soil CO2flux correlation between 12 cm depth of soil moisture was not significant.Through the straw,stubble to field soil carbon and CO2emissions of carbon estimates,MTS processing straw carbon content were more than the average CO2emissions peryear 2 744.6 kg C·hm-2,showed carbon sink effect;CT processing straw carbon content were less than the average CO2emissions per year less 810.4 kg C·hm-2,showed carbon sources effect.

corn field;CO2emissions;straw return;soil carbon balance

S155.2+6

A

1005-9369（2015）09-0009-07

时间2015-9-22 16：03：06[URL]http：//www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150922.1603.002.html

龚振平,朱捷,宋秋来,等.松嫩平原玉米田土壤CO2排放规律与碳平衡特征[J].东北农业大学学报,2015,46(9):9-15.

Gong Zhenping,Zhu Jie,Song Qiulai,et al.CO2emissions law research and characteristics of carbon balance of corn field in Songnen Plain[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(9):9-15.(in Chinese with English abstract)

2015-01-21

国家科技支撑计划项目（2012BAD14B06）

龚振平（1966-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为保护性耕作及大豆生理。E-mail：gzpyx2004@163.com