不同降水格局下填闲种植对旱作冬小麦农田夏闲期土壤温室气体排放的影响

戈小荣, 王俊*, 张祺, 付鑫, 李志鹏

(1.西北大学城市与环境学院, 陕西 西安 710127;2.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室, 陕西 西安710127)

在主要粮食作物收获至播种的休闲期间引种填闲作物(cover crop)是一种能够提高土壤肥力和后续作物产量的农业管理措施[1]。填闲作物通常并不用于经济生产, 在生长一定时间后可以翻耕入土用作绿肥以补充土壤养分供应或者刈割收获后用于饲草。已有研究表明, 这种方式具有改良土壤结构、增加额外碳输入、促进养分循环、刺激微生物活性、提高土壤肥力和作物产量、抑制杂草生长和病虫害以及控制土壤侵蚀等多种生态效益[2-3], 因此, 近年来在世界很多地区得到了大面积推广。

与裸地休闲相比, 引种填闲作物后的土壤水热条件与碳/氮库均发生了显著改变, 这必然会影响温室气体排放的过程。研究表明, 引种填闲作物会刺激土壤呼吸, 排放大量的CO2[4]。Mancinelli等[5]在意大利地中海气候条件下研究发现, 豆科类较非豆科类更能提高土壤CO2的排放。但Sainju等[6]在美国北达科他州研究表明引种豆科类填闲作物排放通量低于非豆科类, 且豆科和非豆科混播CO2排放高于单播。在地中海耕地系统中, 作物休闲期土壤吸收CH4, 成为大气的汇[7]；与裸地对照相比, 种植填闲作物后土壤对CH4的吸收量减少[8]；Kim等[9]研究表明水稻(Oryzasativa)系统中高碳氮比的非豆科作物对土壤CH4排放的刺激作用显著大于豆科填闲作物。填闲作物对土壤N2O排放的影响效果和机制较为复杂, Basche等[10]通过文献分析发现, 约58%的研究认为填闲种植刺激了N2O排放, 而其余42%的研究则结果相反。Mitchell等[11]、Jarecki等[12]发现填闲作物可以通过降低土壤硝态氮含量和淋溶损失来暂时减少N2O排放, 但同时会导致土壤活性碳库增加刺激N2O排放。

冬小麦(Triticumaestivum)单作是黄土高原旱作农业区主要的耕作系统之一, 目前针对引种填闲作物对土壤水分、养分和作物生产力效应已展开了较为系统的研究[13], 但对温室气体排放的影响研究尚未涉及。夏季休闲期(7-9月)降水充沛且变率较大, 而降水是影响黄土高原地区作物生长的重要因素。为此本试验针对不同降水格局下引种填闲作物对土壤温室气体的排放和综合增温潜势进行研究, 旨在为黄土高原地区推广填闲种植寻找可行性依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在陕西省咸阳市长武县中国科学院长武农业生态试验站(107°44′ E, 35°12′ N)进行。地处黄土高原中南部渭北旱塬, 地势平坦, 平均海拔1200 m, 年平均降水量584 mm, 主要集中在7-9月, 年际变化大, 干旱频繁。年平均气温9.2 ℃, 年日照时数2230 h, 无霜期171 d, 属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候, 是典型的旱作农业区。土壤为黑垆土, pH值为8.4, 土壤有机质含量约10.5 g·kg-1, 土质疏松, 土层深厚。

1.2 试验设计

图1 试验期间降水量Fig.1 Precipitation during the experimental period

试验以盆栽形式进行, 将大田土壤均匀混合, 过1 mm筛子装入花盆, 花盆直径30 cm, 高20 cm。在花盆底部铺部分砾石以改善排水。填闲作物种植共4种处理, 包括裸地对照(fallow control), 长武怀豆单播(Changwu soybean, 播量为82.5 kg·hm-2), 黑麦草单播(ryegrass, 播量为21.4 kg·hm-2)和长武怀豆与黑麦草混播(mixed of Changwu soybean and ryegrass, 播量为长武怀豆41.25 kg·hm-2+黑麦草10.7 kg·hm-2)。降水格局为自然降水和减半降水, 减半降水通过降水控制装置实现[14], 防雨棚由钢制框架与透明胶条凹槽所组成, 将钢制框架底端固定于土壤0.5 m以下, 最大限度保持其稳定, 顶部透明胶条凹槽以相同间隔安置, 防雨棚四周保持开放, 在不影响空气运动及其他自然条件下实现减半降水的目的。试验期间降水量如图1。氮肥施肥量为90 kg·hm-2, 试验共8个处理, 每处理3个重复, 共24个花盆。2016年7月19日播种, 为保证作物出苗, 在播种前3 d每盆喷洒300～500 mL水, 以保证土壤达到田间持水量(0.224 m3·m-3)水平。试验于9月20日终止, 分别收获地上和地下生物量, 洗净后于60 ℃温度烘干, 称重测定干物质质量。

1.3 样品的采集与测定

温室气体测定采用静态箱-气相色谱法[15]。在填闲作物种植期间, 每周采集2～3次气体样品, 测定时间限定于8:00-10:00, 该时段测量值最接近24 h平均值[16]。每次于0、20和40 min三个时间段用注射器(20 mL)采集；雨后平衡1～2 d再进行采样。气体采集装置由两部分组成：一个固定基座(安置在地下8 cm地上4 cm处)和一个带有通风口和采样口的静态箱气室。静态箱气室和固定基座由聚乙烯化合物制成(直径21 cm、高12 cm), 外层用反光锡纸包裹作为隔热层, 底部设有一层软橡胶在采样时可以与基座密封。采样时将带有通风口和采样口的静态箱气室罩在事先安置的基座上, 用软橡胶带密闭。采集气样过程中, 有植物处于静态箱内, 箱内气温尤其在晴天变化较大, 最大可使箱内气温上升14 ℃, 短时间内气温骤然升高可能会抑制植物的光合作用。减少了植物光合作用消耗的二氧化碳与土壤排放之间对冲的误差[17]。采集气样的同时用TDR100便携式土壤水分测速仪测量基座边缘的土壤水分(%), 用数字温度传感器(TP3001, 中国)测量土壤温度(℃)。CO2、CH4和N2O气体浓度采用具有热导检测器(TCD)、氢火焰离子化检测器(FID)和电子捕获检测器(ECD), 用高纯氮做载气的气相色谱仪(安捷伦7890A)测定, 并利用HM模型计算气体通量[15]。

全球增温潜势(global warming potential, GWP)是估算不同温室气体对气候系统潜在效应的指标, 表示相同质量的不同温室气体对温室效应增加的相对辐射效应[18]。在GWP 的估算中, 以CO2作为参考气体, 据IPCC报告[19]以100年影响尺度为计, N2O和CH4的GWP 分别为CO2的265和28倍, 表示3种温室气体的联合作用[20-21]。温室气体排放强度(greenhouse gas intensity, GHGI)表示农业中生产单位产量的粮食对温室气体的潜在影响[22], 即单位面积生物产量的温室气体排放通量。

GWP(kg CO2· hm-2)=GWPindirect+GWPsoil export-GWPresidue

(1)

式中: GWPindirect指农业活动投入所排放的CO2, 包括人工劳动、灌溉机械耗电、运输燃油和肥料投入。其中人工劳动忽略不计, 呼吸排放CO2是人生存的基本特征[23]；GWPsoil export指土壤累计温室气体排放通量;GWPresidue是前一年返回到土壤的作物残留固定的CO2, 本试验属盆栽试验, 试验前土壤中无作物残留物, 因此也忽略不计。

GWPsoil export=CO2×44/12+CH4×16/12×28+N2O×44/28×265

(2)

式中: GWPsoil export指土壤累计温室气体排放通量(kg CO2·hm-2), 其中CO2是土壤排放CO2的累计排放通量(kg C·hm-2), CH4为土壤排放CH4累计排放通量(kg C·hm-2), N2O为土壤排放N2O累计排放通量(kg N ·hm-2)。

GHGI(kg CO2· kg-1)=GWP/Y

(3)

式中：GWP 是农田综合增温潜势(kg CO2·hm-2), Y 为填闲作物地上生物量(kg·hm-2)。

1.4 数据的处理与分析

采用Microsoft Excel和SAS-MIXED模型对数据进行处理分析, 处理间差异的多重比较采用Least-significant difference(LSD)法完成, 采用Origin Pro 9.0制图。

2 结果与分析

2.1 土壤水分和温度

降水格局、填闲作物类型对土壤水分和温度均具有极显著影响(P<0.01)。与自然降水相比, 减半降水平均具有较低的土壤水分含量和较高的土壤温度。与裸地对照相比, 填闲种植处理作物生长消耗了较多的水分, 土壤水分下降显著, 而由于夏闲期气温较高, 变干后温度也有所提高(表1)。第1～11、17天和第26～28天自然降水的土壤水分含量高于减半降水, 但在第46～61天自然降水低于减半降水, 可能是因为自然降水条件下生长的填闲作物较减半降水条件下更加旺盛, 其根系较为发达, 水分消耗过大所致(图2a)。综合降水格局来看, 第14、23、26、32 和45天裸地对照土壤水分含量高于填闲种植各处理。第22～28天, 第55～57天单播黑麦草处理的土壤水分含量高于单播长武怀豆和混播处理(图2b)。与自然降水相比, 减半降水在第11、17天以及第26～51天显著提高了土壤温度(图3a), 而在第51天单播长武怀豆和单播黑麦草处理土壤温度显著高于裸地对照和混播处理(图3b)。

2.2 土壤温室气体通量

2.2.1CO2通量 降水格局、填闲作物类型对CO2排放通量具有显著影响, 且具有极显著性交互作用(P<0.001)。自然降水日均CO2排放通量平均较减半降水提高了49.3%；综合降水格局来看, 与裸地对照相比, 单播黑麦草、单播长武怀豆和混播处理日均CO2排放通量分别提高了140.8%, 135.6% 和 137.7%, 不同填闲作物处理间差异不显著(表1)。

图4显示, 填闲作物生长后期CO2排放通量高于初期。与自然降水相比, 除第1、8、29和32天外, 减半降水显著降低了CO2排放通量。在第11～32天, 两种降水格局下CO2排放均表现为下降趋势且呈波谷形态, 这期间自然降水CO2排放总量为48.3 kg C·hm-2, 占生长季累计排放通量的16.8%, 减半降水排放总量为31.2 kg C·hm-2, 占生长季累计排放通量的16.6%(图4a)。与裸地对照相比, 在第32天后填闲种植显著提高了CO2排放, 其中在第45, 55和64天单播黑麦草处理CO2排放通量显著高于其他填闲处理(图4b)。另外, 在减半降水格局下, 填闲种植各处理与裸地对照间的CO2排放通量差异在第32天后较自然降水格局下有所减小(图4c、d)。

2.2.2N2O通量 降水格局、填闲作物类型对土壤N2O排放通量均具有显著影响(P<0.001)。与自然降水相比, 减半降水日均土壤N2O排放通量减少了17.9%；与裸地对照相比, 单播黑麦草、单播长武怀豆和混播处理日均N2O排放通量分别降低了8.0%、21.8% 和 27.4%, 且单播黑麦草处理与单播长武怀豆和混播两个处理间差异显著。降水格局和填闲作物类型间还存在极显著交互作用, 其中在自然降水格局下, 单播黑麦草和单播长武怀豆处理土壤N2O排放通量相比无显著性差异, 而在减半降水格局下, 单播黑麦草处理显著高于单播长武怀豆和混播处理(表1)。

从土壤N2O通量动态来看(图5)。第1～17天土壤N2O排放呈快速下降趋势, 且这时期N2O排放通量在整个生长期间占据了较大比重, 其中裸地对照、单播黑麦草和混播处理排放通量分别占生长季累计排放通量的67.0%、66.5% 和75.0%, 这期间单播长武怀豆处理排放总量为53.24 g N·hm-2, 高于其整个生长季的累计排放通量47.77 g N·hm-2；生长后期, 各填闲处理N2O排放通量在0 g N·hm-2·d-1左右波动。其中在第8、26和48天减半降水N2O排放通量显著低于自然降水(图5a)。第1、17、23和 42天, 单播长武怀豆处理N2O排放通量低于其他处理, 且在第45和55天单播长武怀豆处理明显低于单播黑麦草处理(图5b)。另外, 在第42天减半降水格局下单播长武怀豆处理显著低于其他各处理, 但在自然降水格局下各处理并无显著差异(图5c、d)。

表1 降水格局和填闲作物对土壤温室气体排放、土壤温度及土壤水分的影响Table 1 Effects of rainfall pattern and crop species on greenhouse gas flux, soil temperature and soil water content

2.2.3CH4通量 与CO2和N2O排放相反, 供试土壤CH4通量为负值, 值越小表明土壤对CH4的吸收越强烈。降水格局对CH4通量没有显著影响, 而不同填闲作物处理CH4通量具有极显著性差异, 且填闲作物、种植时间之间也存在显著的交互作用(P<0.001)(表1)。平均来看, 单播长武怀豆处理的CH4日均吸收量分别比裸地对照、单播黑麦草和混播处理降低了65.8%、63.7%和68.9%。在第1～35天, 所有填闲作物处理的CH4排放通量均为负值且各处理无明显差异, 在第35天之后, 单播长武怀豆、黑麦草和混播处理的CH4通量波动起伏较大, 其中在第35、42、45、58 和61天, 单播长武怀豆处理的CH4通量为正值, 且显著高于其他处理(图6)。

图2 不同降水格局(a)、不同填闲作物(b)的土壤水分变化Fig.2 Soil water content under different rainfall pattern (a) and cover crop (b)

图3 不同降水格局(a)、不同填闲作物(b)的土壤温度变化Fig.3 Soil temperature content under different rainfall pattern (a) and cover crop (b)

图4 不同降水格局(a)、不同填闲作物(b)及其交互作用(c、d)的土壤CO2排放通量Fig.4 Soil CO2 emission flux under different rainfall pattern (a), cover crop (b) and their interactions (c, d)

图5 不同降水格局(a)、不同填闲作物(b)及其交互作用(c、d)的土壤N2O排放通量Fig.5 Soil N2O emission flux under different rainfall pattern (a), cover crop (b) and their interactions (c, d)

图6 不同降水格局(a)、不同填闲作物(b)的土壤CH4排放通量Fig.6 Soil CH4 emission flux under different rainfall pattern (a), cover crop (b)

2.3 综合增温潜势、生物量及温室气体排放强度

本研究综合增温潜势主要源于土壤CO2和N2O 的排放与肥料投入的碳排放, 而CH4吸收量对综合增温潜势的抵消仅占很小比例。减半降水格局因增加控制降水装置, 会有额外的碳排放。GWP的差异性在于各处理间的温室气体排放量及控制降水装置的碳输入。降水格局和填闲作物对农田综合增温潜势均具有显著影响(P<0.01)(表2)。平均来看, 减半降水格局的综合增温潜势值比自然降水格局降低了26.1%, 主要是减半降水格局下土壤CO2和N2O排放较低所致。与裸地对照相比, 单播黑麦草、长武怀豆和混播处理综合增温潜势平均分别增加了67.9%, 65.5%和 67.8%, 但填闲作物处理间差异不显著。降水格局和填闲作物具有极显著交互作用, 自然降水格局下填闲作物处理与裸地对照的综合增温潜势差异显著大于减半降水格局。

降水格局和填闲作物处理对填闲作物生物量和温室气体排放强度具有显著影响(P<0.05)(表2)；与自然降水格局相比, 减半降水格局下的填闲作物地上生物量、地下生物量及总生物量平均分别降低了53.2%、48.8%和52.1%, 温室气体排放强度则平均提高了47.2%。而综合降水格局来看, 单播长武怀豆较单播黑麦草和混播处理提高了43.7%和24.4%的地上生物量, 但温室气体强度降低了28.3%和10.6%。

2.4 相关性分析

通过相关性分析可知, 土壤水分与土壤CO2和N2O排放呈正相关(图7a、b), 随着土壤水分的增加, CO2和N2O排放通量会提高。图8显示, 填闲作物的生物量也与土壤CO2排放呈正相关, 且地下生物量较地上部分对土壤CO2排放的影响更显著。

图7 CO2、N2O排放通量和土壤水分的相关性分析Fig.7 Relationships between CO2 and N2O flux and soil water content

图8 累计CO2排放通量和填闲作物生物量的相关性分析Fig.8 Relationship between accumulated CO2 flux and cover crop biomass

3 讨论

在干旱与半干旱系统中, 温室气体排放主要受水分影响, 低土壤水分下的土壤CO2排放对水分变化更为敏感[24]。随着降水的增加, 土壤水分提高, 植物生长良好, 微生物活性较高, 温室气体排放增加。第1～35天长武怀豆、黑麦草和混播处理作物出苗, 但因降水量少, 土壤水分较低抑制了植物的生长, 土壤CO2排放降低。一般情况下当土壤水分接近最大田间持水量时, 土壤孔隙被水分所填充, 使CO2从土壤中排放出来[25]；但当土壤水分过高或者过低时, 都会抑制土壤的温室气体排放。试验地区田间持水量为0.224 m3·m-3, 实测自然降水格局下土壤水分为0.077 m3·m-3, 减半降水格局下土壤水分为0.065 m3·m-3, 土壤水分含量下降导致了土壤CO2排放的减少, 例如Sainju等[26]在美国北达科他州也发现, 非灌溉条件下的土壤CO2排放通量显著低于灌溉农田。Chirinda等[27]研究表明种植黑麦草(Loliumperenne)、菊苣 (Cichoriumintybus)、三叶草(Trifoliumrepens)或者混播可显著提高土壤CO2的排放。本试验中裸地对照的CO2排放通量显著低于填闲作物处理结果与此相一致。研究表明填闲作物因增加了底物供给的有效性, 提高了微生物的代谢活动, 增加了土壤温室气体的排放, 植物根系的呼吸值是由其生物量而决定的, 生物量越高土壤CO2排放通量越高[6, 28]；Curtin等[29]研究结果表明填闲作物根系CO2排放量对土壤温室气体排放贡献率为30%～50%。本研究中填闲作物生物量与CO2排放通量显著相关, 且地下生物量较地上部分对土壤CO2排放具有更显著的影响, 说明作物根系呼吸对土壤CO2排放具有重要影响。Sainju等[6]试验研究表明豆科植物的地下生物量低于非豆科植物, 豆科植物较非豆科植物CO2排放通量少, 混播处理下CO2排放通量高于单播作物。虽然填闲作物处理间总生物量无明显差异, 但长武怀豆地下生物量显著低于黑麦草和混播(表2), 因此CO2排放通量相对较少。本试验CO2排放通量范围在0.7～12.7 kg C·hm-2·d-1, 低于Barsotti等[30]在美国蒙大纳州试验结果3～28 kg C·hm-2·d-1, 排放峰值低于Wang等[28]盆栽试验结果42 kg C·hm-2·d-1及Mosier等[31]在美国科罗拉多州的结果72 kg C·hm-2·d-1, 但与Sanz-Cobena等[7]的结果一致。

土壤N2O通量试验前期(第1～17天)显著高于后期(图5), 这可能是因为在播前施氮肥后, 土壤氮含量在种植后的1～3周保持较高水平, 增加了氮基质的可用性和硝化作用, 因此在该阶段由于氮的矿化作用增加了N2O的排放量。17 d后随着氮的淋失以及填闲作物对氮的摄取和固定, 各处理N2O的排放量均较低[7]。土壤水分状况是影响N2O排放过程的重要因素, 例如Wang等[28]研究认为土壤水分含量增加会加速氮的矿化作用或反硝化过程, 刺激土壤N2O排放。本研究中土壤N2O排放通量与水分含量呈正相关关系也进一步证实了这一点。另外, Huang等[32]研究认为作物的碳氮比是影响土壤温室气体排放的主要因素, 低碳氮比的作物会刺激土壤N2O的排放。但在填闲作物生长后期, 作物对氮的吸收会降低土壤氮素有效性[12], 且豆科作物因固氮作用更为明显, 所含50%～60%的氮直接来源于对土壤氮的摄取[33], 从而降低N2O排放；因此虽然豆科作物具有较低的碳氮比, 但在生长期间增加了作物根系对氮的摄取, 进而减少N2O的排放[34], 本试验的研究结果与此相一致, 单播长武怀豆与混播N2O排放通量较少。本试验N2O排放量范围在-1.4～8.9 g N·hm-2·d-1, 低于Barsotti等[30]的试验结果(1～90 g N·hm-2·d-1), 高于Sanz-Cobena等[7]的试验结果(-2.71～3.43 g N·hm-2d-1)。

CH4排放通量在不同降水格局下无显著性差异, Hirota等[35]提出当土壤水分含量低于0.1 m3·m-3时水分对土壤的氧化能力不再产生影响；本试验土壤水分变化范围在0.065～0.077 m3·m-3, 与其结果相一致。CH4排放通量与CO2、N2O排放相反, 各处理在大多数时期呈负值, 成为大气的汇。本试验豆科填闲作物CH4吸收量较少, 种植长武怀豆填闲下NH4+或NH4+生成的化合物可以降低土壤的氧化能力, 与Sanz-Cobena等[7]的试验结果一致, 却与Kim等[9]和唐海明等[36]在水稻田系统种植填闲作物会刺激CH4的排放, 且非豆科植物效果显著高于豆科植物的结果相反, 原因有待进一步研究。CH4排放通量范围在-3.8～3.7 g C·hm-2·d-1, 与Barsotti等[30](-5～15 g C·hm-2·d-1), Kessavalou等[37](-12～5 g C·hm-2·d-1)和Sanz-Cobena等[7](-14.13～6.01 g C·hm-2·d-1)的结果相比, 高于其最低值, 低于其最高值。

对综合增温潜势效应评价时, 不仅需要考虑土壤温室气体排放, 还需计算农事活动所转换的碳排放量。各处理强化了CO2和N2O的排放源特征, Mosier等[31]认为基于土壤有机碳(soil organic carbon， SOC)的N2O和基于土壤呼吸的CO2的排放量占很大比重, 而CH4的贡献率较低。氮肥的施入会显著刺激N2O的排放, 在本试验中因氮肥施入, 显著提高综合增温潜势效应。本研究中不同降水格局下, 综合增温潜势和温室气体排放强度具有显著差异, 而在Sainju等[38]研究中这两个指标没有明显差异, 可能是因为所研究时间尺度、区域和气候条件不同。在不同种植系统中, 综合增温潜势值高于Mosier等[31]和Sainju等[38]的试验结果, 与Barsotti等[30]的结果相似；温室气体排放强度范围在0.52～1.23 kg CO2· kg-1, 低于Barsotti等[30](0.78～1.86 kg CO2·kg-1)的结果, 高于Mosier等[31](-0.20～0.36 kg CO2·kg-1)的结果, 与Sainju等[38](-4.59～2.85 kg CO2·kg-1)结果相差较大。如果仅评价综合增温潜势效应, 在减半降水格局下裸地对照温室气体排放通量最低。但农业生态系统需寻求经济效益与环境效益的平衡点, 在减少温室气体排放同时, 也要满足提高后续土地肥力需求。从系统生产力的角度进行综合评估, 引种填闲作物是为了充分利用夏闲期的光热水资源, 并为土壤提供肥力, 填闲作物的生物量影响土壤肥力的高低, 土壤肥力越大对后续粮食作物的产量增加越有利[2]。综合考虑综合增温潜势和温室气体排放强度, 在自然降水格局下单播豆科作物其温室气体排放强度较低, 又能保证较高的地上生物量, 且豆科作物具有很好的固氮养地作用, 对后续粮食作物生长具有积极的影响。同时需要注意氮肥的施用量, 结合豆科植物本身的固氮性质, 合理施氮, 减少N2O排放量, 降低增温潜势。

4 结论

基于旱作冬小麦农田填闲种植试验结果, 供试土壤表现为CO2、N2O的排放源和CH4的弱吸收汇。降水格局与填闲作物种类对土壤温室气体排放和综合增温潜势具有显著影响。与自然降水相比, 减半降水显著降低了土壤CO2、N2O排放通量、综合增温潜势和填闲作物生物量积累, 但显著增加了温室气体排放强度。与裸地对照相比, 种植填闲作物提高了土壤CO2排放和综合增温潜势, 但降低了土壤N2O排放。 与单播黑麦草和混播处理相比, 单播长武怀豆具有较高的地上生物量和较低的温室气体排放强度, 因此在自然降水条件单播种植长武怀豆能够兼顾经济效益与生态效益, 适宜在本地区作为夏季填闲作物加以推广。

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