玉米秸秆还田对黑土碳排放的影响

宋秋来++王峭然++王麒 冯延江 孙羽 曾宪楠 来永才

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.058[HT9.]

摘要：采用静态箱法测定不同秸秆还田方式、耕作措施下东北春玉米生长季土壤CO2排放。结果表明，种植玉米的黑土CO2排放通量日变化呈单峰曲线，最大值出现在14：00，最低值出现02：00—06：00；秸秆还田处理CO2排放通量日变化较不还田处理波动大。玉米生育期土壤CO2排放量呈显著的季节变化：春季玉米播种期及秋季玉米收获期土壤CO2通量低，排放峰值出现在温度、降水量较高的7月末，秸秆还田处理的CO2排放峰值高于相应不还田处理。土壤CO2排放总量受秸秆还田和耕作措施影响显著，免耕秸秆还田、翻耕秸秆还田、翻耕、免耕等4个处理的总排放量分别为9.41、8.91、7.33、6.43 t/hm2，免耕排放总量最小；秸秆还田处理CO2排放总量较相应的不还田处理多排放 1.59～2.98 t/hm2；但若将不还田处理秸秆焚烧，其CO2排放总量达到17.78～19.48 t/hm2，是秸秆还田的2倍左右。秸秆还田能够有效减缓因秸秆焚烧而增加的CO2释放量，且对玉米产量无显著影响。

关键词：玉米；秸秆还田；土壤；CO2；排放

中图分类号： S141.4文献标志码： A[HK]

文章编号：1002-1302（2017）13-0219-03[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2017-01-16

基金项目：国家自然科学基金（编号：31540039）；公益性行业（农业）科研专项（编号：201303126-1）；黑龙江省政府博士后经费项目（编号：LBH-Z151196）；黑龙江省哈尔滨市科技创新人才（编号：2016RAQYJ048）；黑龙江省农科院博士科研启动金项目（编号：201507-10）。

作者简介：宋秋来（1985—），男，黑龙江勃利人，博士，助理研究员，从事农田温室气体排放研究。Tel：（0451）86632234；E-mail：sql142913@163.com。

通信作者：来永才，研究员，从事耕作栽培研究。Tel：（0451）86632234；E-mail：yame451@163.com。

[ZK）]

农田土壤是大气CO2的重要排放源，农田向大气中释放的CO2主要来自土壤的呼吸，土壤呼吸释放出的CO2分子是土壤及凋落物产生的。秸秆不还田时，往往是将秸秆焚烧使秸秆中的碳全部排放到大气中，增加温室效应；而秸秆还田后，经过腐解的秸秆形成腐殖质，进入到土壤中，滞留了秸秆中碳的排放，减缓了温室效应。黑龙江省是我国重要的商品粮基地，在保障国家粮食安全上发挥着重大作用。其旱作农田以玉米种植为主，2014年种植面积达到664.2万hm2，占黑龙江省农作物播种面积的45%，占全国玉米播种面积的18%[1-2]。随着玉米单产大幅度提高，相应的秸秆产量也迅速增加，由于秸秆利用技术相对滞后，玉米秸秆处置不合理带来了众多的生态环境问题。因此，有效处理玉米秸秆已成为当务之急，而秸秆还田是秸秆诸多利用方式中最为直接有效的。目前，关于秸秆还田对黑土农田理化性状及作物生产力的影响虽已有过不少研究，但在我国东北寒冷气候条件下，玉米秸秆还田方式对有机质含量相对较高的黑土碳排放的影响，尚缺乏系统的研究。本试验从不同秸秆还田方式对土壤碳排放的影响展开研究，以阐明玉米秸秆还田的减排机制，为东北黑土区制订合理的秸秆还田模式提供理论依据。

1試验材料与方法

1.1试验地概况

本研究于2015年在黑龙江省哈尔滨市国家现代农业示范区进行，示范区位于松嫩平原中部哈尔滨市道外区民主乡，所辖区域地理坐标为126°50′E、45°50′N。示范区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，年均气温3.6 ℃，无霜期135 d，≥10 ℃ 积温2 780 ℃，年均降水量500 mm。该区域为一年一熟制，旱作农田主要种植模式为玉米连作，土壤类型为黑土，土壤基础肥力有机质含量37.8 g/kg，有效氮含量 140 mg/kg，有效磷含量72.6 mg/kg，速效钾含量206 mg/kg，pH值7.09。

1.2试验设计

在玉米连作模式下设置翻耕秸秆还田、翻耕、免耕秸秆还田、免耕4个处理，采用大区试验，每个处理面积0.067 hm2，处理内重复4次。翻耕秸秆还田（CTS）：玉米收获后，秋季翻耕，将秸秆切成10～15 cm段与根茬一同翻入农田25～30 cm处，起垄越冬，春季垄上播种；免耕秸秆还田（NTS）：玉米收获后，将玉米秸秆切成10～15 cm段，均匀覆盖还田越冬，春季原垄播种。2个还田处理玉米秸秆还田量均为9 t/hm2；翻耕（CT）：玉米收获后，秸秆移除农田，秋季翻耕，将根茬翻入农田25～30 cm处，起垄越冬，春季垄上播种；免耕（NT）：玉米收获后，秸秆移除农田，春季原垄播种。试验用玉米品种均为先玉335，5月4日播种，10月3日收获，4个处理水肥等管理措施相同。

1.3土壤CO2排放通量的测定

土壤CO2排放试验季节变化测定于2015年玉米生育期进行，取样间隔期为10～15 d，选择晴天09：00—11：00进行样品采集。土壤CO2排放试验的日变化测定从06：00开始，每4 h测定1次，至第2天06：00结束，完成1次日变化测定，1次采样完成后，从基座上取下采样箱，直到下一次采样时再将采样箱重新安置在基座上，这样可以降低密闭气室长期覆盖在采样区上而对小环境造成的影响，尤其是对箱内温度和气体背景浓度的影响。本试验进行了2次土壤CO2排放的日变化监测，分别为2015年7月24日和9月1日。收集的气体样品采用红外线气体分析仪测定样品中CO2含量。

试验的采样箱为有机玻璃箱体，箱体长40 cm、宽30 cm、高50 cm，箱体一侧距顶部25 cm处设置三通阀采气孔，用于连通三通阀便于收集气体。采样箱内置风扇，用于采样时混匀箱内气体。底座为不锈钢材料，插入两垄中间，入土5 cm，作物整个生长季节不再移动。底座上有盛水凹槽（水封槽），采样时将凹槽灌满水，利用水封原理隔绝室内外气体交换。每次采样时将采样箱置于底座后，开始取气并记录时间为 0 min，在15、30 min后再分别采集1次气体样品，用100 mL玻璃注射器将箱内气体转移到铝箔采样袋中，将采样袋带回实验室测定。endprint

1.4玉米生育期间土壤CO2排放量的估算

在知道CO2气体排放的时间和空间规律的前提下，由以下公式计算农田生态系统在生长季的CO2气体排放总量：

[HS2][JZ]S=∫0[KG-1]158F（xi）dxi。

式中：S为CO2气体的排放总量，i取1～4时分别代表4个处理；F（xi）为CO2气体通量函数，由各处理CO2气体在各地点的通量与采样时间回归拟合而来，用于总量估算的方程及参数见表1。

2结果与分析

2.1不同秸秆还田方式对土壤CO2排放日变化的影响

图1为夏季（2015年7月24日）土壤CO2日变化趋势。CO2排放通量最大值均出现在14：00，此时温度也最高；CO2排放通量的最低值出现在06：00左右，此时间段温度较低。免耕秸秆还田（NTS）和翻耕秸秆还田（CTS）处理CO2排放通量的日变化波动最大，而相应的不还田免耕（NT）处理波动最小。CO2排放的最大通量、最小通量也都表现为免耕秸秆还田（NTS）和翻耕秸秆还田（CTS）高于相应的不还田处理。

图2为夏末（2015年9月1日）CO2排放的日变化趋势，其全天所有时间段CO2浓度均低于7月24日。全天的变化趋势呈抛物线状，最高值出现在14：00，与温度最高值出现时间相同，而最低值出现02：00左右，此时气温也最低，18：00之[CM（25]后CO2浓度变化趋于平缓。CO2排放的最大通量、最小通量也表现为免耕秸秆还田（NTS）和翻耕秸秆还田（CTS）高于相应的不还田处理，在温度较高的白天，这种规律更为明显。

[HTK]2.2不同秸秆还田方式对土壤CO2排放季节变化动态的影响[HT]

土壤CO2排放季节变化如图3所示，春、夏、秋3個季节各处理CO2排放通量均出现先升高后降低的规律，在玉米播种期和成熟期CO2排放通量均较低。在苗期，随着玉米的生长，各处理的CO2排放通量均有较大幅度增加，在7月下旬玉米拔节至抽雄期，各处理均出现排放高峰，此时各处理温度也较高；秸秆还田（NTS、CTS）处理的CO2排放通量峰值明显高于2个不还田处理；之后，各处理土壤CO2排放通量开始下降，但秸秆还田（NTS、CTS）较不还田处理下降缓慢。免耕、翻耕、免耕秸秆还田、翻耕秸秆还田各处理CO2平均排放通量分别为164、186、239、228 mg/（m2·h），CO2排放通量大小依次为NTS>CTS>CT>NT，可见免耕秸秆还田（NTS）与其相应的不还田处理（NT）相差较大，2个秸秆还田处理相差较小，免耕处理则低于翻耕处理，说明在秸秆不还田的条件下，减少对土壤的扰动能够适当减少CO2排放。

2.3玉米生育期间土壤CO2排放量

表2显示，玉米生育期间，免耕（NT）处理CO2排放总量最小，可见免耕措施有利于土壤CO2的减排。而秸秆还田处理（NTS、CTS）显著大于不还田处理（NT、CT），免耕秸秆还田处理生育期CO2排放总量较免耕处理多 2.98 t/hm2，排放量增加了46.35%；而翻耕还田处理仅较翻耕处理多排放 1.58 t/hm2，排放量增加了21.56%，可见在一定条件下，秸秆还田增加了土壤碳排放。从表2还可见，翻耕处理产量略高于免耕，但未达到显著水平；秸秆还田处理与相应不还田处理产量相对差异也不显著。

3讨论

有研究指出，农田土壤CO2排放通量通常是随着土壤温度的升高而增加，一天中在中午至下午时段达到高峰，之后随着温度的降低排放量也逐渐减少[3]。对于不同农田系统，土壤CO2排放通量的日变化规律也受温度、水分含量和季节等因素的影响，周志田等研究认为，白天的土壤呼吸速率均高于夜间[4]；董立国等认为，小麦田土壤CO2排放通量日变化呈单峰曲线，于13：00—14：00出现日最高排放值，夜间排放值最低[5-6]；而王丙文等认为，在小麦整个生育期，土壤呼吸速率日变化于18：00达到最高值，04：00达到最低值[7]。本研究在不同耕作措施及秸秆还田条件下，农田土壤CO2排放通量日变化规律均表现为单峰曲线，峰值出现在温度较高的14：00，CO2[JP2]排放通量的最低值基本都出现在06：00左右，此时温度也较低。通过盛夏（7月24日）和夏末（9月1日）2天的日排放通量比较可知，夏季排放量高于秋季，说明较高的温度促进了CO2的排放。刘博等对不同耕作条件下黄土高原春小麦成熟期农田CO2排放通量日变化进行研究，结果显示，春小麦成熟期CO2排放通量表现为常规耕作>免耕[6]。[JP]本研究结果表明，免耕秸秆还田（NTS）和翻耕秸秆还田（CTS）处理CO2排放通量的日变化波动最大，而相应的不还田免耕（NT）处理波动最小。CO2排放的最大通量、最小通量也都表现为免耕秸秆还田（NTS）和翻耕秸秆还田（CTS）高于相应的不还田处理，说明秸秆的还田促进了土壤CO2的排放。[JP]

在各项研究中都观察到土壤CO2排放通量的季节变化，李成芳等在秸秆还田对免耕稻田温室气体排放研究中发现，温室气体排放通量呈季节性变化，主要是因为土壤有机质含量高，适合土壤微生物的繁殖，使得秸秆降解和土壤碳矿化作用增强，因此土壤CO2排放逐渐加强[8]。秦越等在不同耕作措施下秸秆还田土壤CO2排放的动态变化研究中发现，小麦生育期内各处理CO2排放通量受温度影响明显，且季节变化趋势显著，具体表现为从出苗后到越冬前的一段时间内呈下降趋势，返青后开始增加，到开花期达到高峰，其后开始下降[9]。在这种季节变化特征中，夏季土壤呼吸最多，春秋季次之，冬季最少。多数研究认为，土壤CO2排放通量呈季节变化单峰曲线，但峰值出现时间有所不同，戴万宏等认为土壤CO2排放的季节变化峰值多出现在温度与降水量均较高的7月，而也有部分研究认为夏玉米农田土壤呼吸速率在8月（盛夏—秋初期间）出现最大值[10-13]。本研究结果表明，农田土壤CO2排放通量呈单峰曲线，有明显的季节性，各处理均表现为先升高后降低的规律，在玉米播种期和成熟期CO2排放通量较低，在温度较高条件下，各处理达到峰值，其中秸秆还田（NTS、CTS）的排放通量峰值明显高于2个不还田处理。endprint

本研究以连作玉米农田为试验土壤，在相同耕作措施下，2个秸秆不还田处理的土壤CO2排放通量和总量均显著低于相应的还田处理。免耕秸秆还田处理生育期CO2排放总量较免耕处理多2.98 t/hm2，排放量增加了46.35%；而翻耕还田处理仅较翻耕不还田处理多排放1.58 t/hm2，排放量增加了21.56%。虽然秸秆还田在一定程度增加了土壤CO2排放通量，而相对于秸秆焚烧排放释放的CO2通量却少了很多，根据已有研究对我国玉米秸秆焚烧后的CO2焚烧因子测定结果（1 261.5～1 350 g/kg）[14-16]，假设本研究中不还田处理的玉米秸秆（9 t/hm2）全部焚烧，会产生CO2 170.25～182.25 t/hm2，加上不还田处理土壤排放的CO2，免耕处理的CO2释放总量将达到266.70～278.70 t/hm2，而翻耕更将达到280.20～292.20 t/hm2，是相应秸秆还田处理的2倍左右。可见，秸秆还田能够有效减缓因秸秆焚烧而增加的CO2释放量。

4结论

连作玉米的黑土CO2排放通量日变化呈单峰曲线，随着温度上升而增加，排放通量最大值出现在14：00，最低值出现02：00—06：00。秸秆还田（NTS、CTS）处理CO2排放通量日变化较不还田处理波动大；CO2排放通量的日变化最大值、最小值也均表现为秸秆还田（NTS、CTS）高于不还田处理，说明秸秆还田促进了土壤CO2排放通量。玉米生育期间土壤CO2排放通量呈显著的季节变化，春季玉米播种期及秋季玉米收获土壤CO2通量低，7月末各处理排放通量达到最大，秸秆还田处理的CO2排放最大值高于相应不还田处理。玉米生育期间，土壤CO2排放总量同时受秸秆还田和耕作措施的显著影响，免耕还田、翻耕还田、免耕、翻耕4个处理的总排放量分别为9.41、8.91、6.437.33 t/hm2；秸秆还田处理CO2排放总量较相应的不还田处理多排放1.59～2.98 t/hm2；但若将不还田处理秸秆焚烧，其CO2排放总量达到266.70～278.70 t/hm2，是秸秆还田处理的2倍左右。可见，秸秆还田能够有效减缓因秸秆焚烧而增加的CO2释放量，且秸秆还田不影响玉米产量。

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