绿肥不同还田方式对土壤温室气体排放的影响

张学良 ，张宇亭 ，刘瑞 ，谢军 ，张建伟 ，徐文静 ，石孝均 ，2*

（1. 西南大学资源环境学院，重庆 400715；2. 西南大学农业科学研究院，重庆 400716）

大气中温室气体浓度的增加是导致全球变暖的主要原因之一［1］，大气中CO2、N2O 和CH4对温室效应的贡献率分别为76.7%、7.9%和14.3%［2］。农田土壤是温室气体的重要排放源，约占人类农业生产温室气体排放的14%［3］。有机物料的投入、施肥及灌溉等农业管理措施会影响农田土壤温室气体的排放，有机物料通过改变农田土壤微生物量以及土壤物理、化学特性而影响温室气体的排放已有较多报道［4−5］，但是不同碳氮比有机物料在不同还田方式下对温室气体的排放影响研究较少。

绿肥是我国重要的植物源有机肥，在改良土壤、提供清洁有机肥源、提高作物产量、改善农田生态环境等方面的作用已得到广泛认可［6］。绿肥与秸秆等其他有机物料相比具有碳氮比低、微生物分解快的特点。绿肥还田主要采用翻压还田与覆盖还田，我国长期以来主要采用翻压还田为作物提供养分和改良土壤；国外主要采用覆盖还田保持水土、改善土壤环境条件。这两种还田方式由于其对土壤环境的影响不同，必然影响微生物对绿肥的腐解及温室气体的排放。关于绿肥翻压还田对CO2、N2O 和CH4排放的研究较多。Sanz 等［5］研究表明，翻压绿肥后能够提高微生物活性，显著刺激土壤呼吸，增加土壤CO2和N2O 的排放。常单娜等［7］研究发现翻压紫云英（Astraga⁃lus sinicus）促进了CO2和CH4排放，抑制了N2O 排放。Mancinelli 等［8］研究发现非豆科绿肥或非豆科绿肥与豆科混合翻压对土壤N2O 排放无显著影响，但能显著提高土壤CH4的排放通量。目前关于绿肥覆盖还田对温室气体排放的研究较少，尤其是不同绿肥在两种还田方式之间对土壤温室气体排放的影响程度还尚不明确。因此，本研究以光叶苕子（Vicia villosa）、多年生黑麦草（Lolium perennel）两种不同碳氮比绿肥品种为试验材料，设置翻压和覆盖两种绿肥还田方式，采用室内培养研究绿肥不同还田方式下土壤温室气体排放以及土壤微生物量碳氮的变化，明确翻压和覆盖绿肥对土壤温室气体排放及土壤微生物量变化的影响，旨在为绿肥不同还田方式所引起的环境效应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥岩发育而成的紫色土，土壤基本理化性质为：pH 值7.09，有机质7.07 g·kg−1，全氮 0.50 g·kg−1，全磷 0.88 g·kg−1，全钾 25.78 g·kg−1，碱解氮 52.39 mg·kg−1，速效磷 74.53 mg·kg−1，速效钾 95.33 mg·kg−1。供试土壤取自重庆市北碚区西南大学试验农场（30°26′N，106°26′E），海拔266.3 m，属亚热带湿润季风气候，年均降水1115.3 mm，年平均气温为18.3 ℃，土壤取回后置于室内风干磨细过2 mm 筛后供培养试验用。供试绿肥为光叶苕子和多年生黑麦草，于2019 年5 月9 日采集绿肥地上部鲜样为供试样品，带回实验室立即开展试验，供试样品水分含量分别为87.52%和86.84%，绿肥干样养分含量见表1。

表1 供试绿肥养分含量Table 1 The content of green manure

1.2 试验设计

利用2 种不同碳氮比的豆科和禾本科绿肥，设置翻压、覆盖2 种还田利用方式，分别为光叶苕子翻压（vetch bury，VB）、光叶苕子覆盖（vetch surface，VS）、黑麦草翻压（ryegrass bury，RB）、黑麦草覆盖（ryegrass surface，RS），同时设置一个无绿肥对照（CK），共计5 个处理。每个处理24 次重复（满足6 次破坏性取样的需要）。通过室内培养试验研究不同绿肥种类及还田方式对温室气体排放及微生物量的影响。翻压处理中将7.5 g 绿肥鲜样与150 g 风干土壤混合均匀（按照大田绿肥30000 kg·hm−2翻压/覆盖量计算），装入500 mL 培养瓶中；覆盖处理则先将150 g 风干土壤装入培养瓶中，再将7.5 g 绿肥鲜样平铺于土壤上。加入纯水，调节土壤含水量在田间持水量的65%，在25 ℃恒温避光密闭培养91 d，在培养期间每隔3 d 采用称重法补充损失的水分，使土壤水分保持恒定状态。分别在培养的第 1、3、5、7、14、21、35、49、70、91 天进行气体采集，每个处理任选 4 瓶抽取气体用于分析 CO2、N2O 和CH4浓度，取气前轻摇让气体混匀，取完后将所有培养瓶敞口通气1 h，以满足土壤好氧微生物的呼吸需要，之后密封继续培养，下次同样方法收集气体。在第3、7、14、35、49、91 天破坏性取土壤样品，每个处理取样4瓶，用于测定土壤的微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）和微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）含量。

1.3 测定方法

气体采集后 24 h 内采用气相色谱仪（Agilent 7890A，美国）测定 CO2、N2O 和 CH4的浓度。CO2、CH4浓度采用火焰离子化检测器（flame ionization detector，FID）测定，N2O 浓度采用电子捕获检测器（electron capture detec⁃tor，ECD）测定。气相色谱仪在每次测试时使用国家标准计量中心的气体进行标定。CO2、N2O、CH4的排放速率公式为［7］：

式中：F为 CO2产生速率（mg·kg−1·d−1）或 N2O 或 CH4产生速率（μg·kg−1·d−1）；P代表室温下气相色谱法检测的样品气体浓度（×10−6mol·mol−1），V为培养瓶内气体所占的体积（L），M为 CO2摩尔质量（g·mol−1），t为培养时间（d）；m为土壤样品干重（g），T为培养温度（℃）。

CO2、N2O、CH4累计排放量计算公式为：

式中：和Ct分别为t′和t时气体累积排放量［CO2（mg·kg−1），N2O（μg·kg−1）和CH4（μg·kg−1）］，Ft′和Ft分别为t′和t时气体产生速率［CO2（mg·kg−1·d−1），N2O（μg·kg−1·d−1）和CH4（μg·kg−1·d−1）］，t和t′分别为取样时间（d）和t之后一次取样时间（d）。

根据最新IPCC［9］研究成果，在 100 年时间尺度下，CH4和N2O 的增温潜势分别是CO2的28 和265 倍。由此，全球增温潜势计算公式如下：

式中：GWP（global warming potential）为增温潜势，表示培养期内 CO2、CH4和 N2O 排放的综合温室效应（g CO2·kg−1），WCO2、WCH4和WN2O分别为培养期内 CO2、CH4和 N2O 的排放总量。

采用氯仿熏蒸−硫酸钾浸提法［10］测定土壤微生物生物量碳（MBC）、生物量氮（MBN）含量，转换系数KEC为0.38，KEN为 0.45。

1.4 数据处理

采用Excel 2016 和SPSS 20.0 软件进行数据整理和统计分析，采用Origin 9.5 作图。

2 结果与分析

2.1 绿肥不同还田方式对土壤温室气体排放速率的影响

在不同还田方式（翻压、覆盖）下，光叶苕子处理的CO2排放速率随培养时间的变化规律基本相似（图1a），培养期间大致呈现出快速下降、缓慢下降和相对稳定的变化。但是黑麦草处理在培养开始阶段还有一个急剧上升的过程，黑麦草翻压（RB）和覆盖（RS）在培养的前3 d 内CO2排放速率快速上升，在第3 天达到峰值，分别为297.69、223.26 mg·kg−1·d−1。3 d 之后各处理的 CO2排放速率急剧下降，在培养第 14 天时 CO2排放速率下降至开始时的12.63%～37.38%，在14～70 d 的培养期中，CO2排放速率缓慢下降且显著低于前一阶段，培养35 d 之后各绿肥处理土壤CO2排放速率基本接近；在70 d 后CO2排放速率进入相对稳定时期，与对照处理接近。与CK 相比，在91 d 培养时间内，VB、VS、RB、RS 的平均CO2排放速率显著增加（P＜0.05），各处理平均 CO2排放速率从小到大的顺序为CK＜RS＜VS＜RB＜VB，各处理之间差异显著（P＜0.05）。翻压处理的CO2平均排放速率显著高于覆盖处理，其中 VB 比 VS 提高了 12.62 mg·kg−1·d−1；RB 比 RS 提高了 10.48 mg·kg−1·d−1。在同种还田方式下，光叶苕子处理的CO2平均排放速率均显著高于黑麦草处理，增量为4.52～6.66 mg·kg−1·d−1。

相比CK 处理，各绿肥处理的N2O 排放速率均显著提高（P＜0.05）。各处理的N2O 排放速率在第7 天达到最大值（图 1b），为 111.79～238.32 μg·kg−1·d−1；不同绿肥还田处理表现为 VB＞RB＞VS＞RS，其中豆科绿肥光叶苕子翻压处理（VB）的N2O 排放速率显著高于其他处理。在7～21 d 的培养期中，N2O 排放速率随着培养时间的延长迅速下降，在培养第21 天时，N2O 排放速率下降至第7 天的29.65%～40.76%，在21～91 d 的培养期中，N2O排放速率呈阶梯式下降。在整个培养期中，相比VS、RS 和RB 处理，VB 显著提高了N2O 排放速率（P＜0.05）。翻压绿肥处理的平均N2O 排放速率显著高于覆盖绿肥处理，增幅在22.91%～38.35%；光叶苕子处理的平均N2O排放速率显著高于黑麦草处理，增幅在21.90%～52.42%。

在培养期间（图1c），各处理的CH4排放速率多为负值，对CH4有微弱的吸收，表现为CH4汇。在整个培养期中，各处理平均CH4吸收速率从小到大的顺序为CK＜RS＜RB＜VS＜VB，VB 显著高于VS、RB、RS（P＜0.05），分别增加 1.13、1.99 和 3.11 μg·kg−1·d−1，翻压绿肥处理的 CH4平均吸收速率显著高于覆盖绿肥处理，VB 比 VS增加了 1.13 μg·kg−1·d−1，RB 比 RS 增加了 1.12 μg·kg−1·d−1，同种还田方式下，VB 比 RB、VS 比 RS 的 CH4平均吸收速率分别增加 1.99、1.98 μg·kg−1·d−1。

图1 绿肥不同还田方式对土壤温室气体排放速率的影响Fig.1 Effect of different returning methods of green manure on soil greenhouse gas release rate

2.2 绿肥不同还田方式对土壤温室气体累计排放量的影响

各处理CO2累积排放量随培养时间不断增加，培养前7 d 迅速增加，之后随培养时间延长增幅减慢渐趋平缓（图2a）。第1 周的CO2累积排放量显著高于其余12 周（P＜0.05），各处理第1 周的累积排放量占整个培养期（共计13 周）的32.18%～39.86%。培养结束时不同处理CO2累积排放量存在显著差异，4 个绿肥还田处理（4631.56～6190.98 mg·kg−1）显著高于 CK（1342.57 mg·kg−1），分别是 CK 的 4.61、3.76、4.16 和 3.44 倍。从绿肥利用方式看，翻压还田（VB 和RB）处理的CO2累积排放量显著高于覆盖还田（VS 和RS）处理，翻压比覆盖处理高20.58%～22.78%。在同种还田方式下，不同绿肥品种之间CO2累积排放量也存在显著差异，光叶苕子处理CO2累积排放量显著高于黑麦草处理，增幅为8.87%～10.85%。

各处理N2O 累积排放量随培养时间延长不断增加，培养前14 d 各处理的N2O 累计排放量占整个培养期间的34.57%～45.69%。整个培养期内，各绿肥处理的N2O 累积排放量显著高于CK，不同绿肥处理的N2O 累积排放量的高低顺序依次为：VB＞RB＞VS＞RS。同种还田方式下，光叶苕子处理的N2O 累积排放量显著高于黑麦草处理，增幅为21.90%～51.42%。同一绿肥品种下，翻压处理的N2O 累积排放量显著高于覆盖处理，增幅为29.72%～62.21%。培养结束时，VB、VS、RB、RS 的 N2O 累积排放量分别是 CK 的 4.36、2.69、2.86 和 2.21 倍（图2b）。

表2 不同处理土壤温室气体的增温潜势Table 2 Global warming potential（GWP）of greenhouse gases in different treatments（g CO2·kg-1）

各处理CH4的累计吸收量随培养时间延长不断增加（图2c）。在培养至91 d 时，各处理的CH4累积吸收量均显著高于 CK，从大到小的顺序依次为 VB＞VS＞RB＞RS，分别为 319.23、216.32、138.10 和 36.45 μg·kg−1。翻压绿肥处理的 CH4累积吸收量显著高于覆盖处理，VB 比 VS 增加了 102.91 μg·kg−1，RB 比 RS 增加了 101.65 μg·kg−1。同种还田方式下，VB 比 RB、VS 比 RS 的 CH4累积吸收量分别增加 181.14、179.87 mg·kg−1。

图2 绿肥不同还田方式对土壤温室气体累计排放量的影响Fig.2 Effect of different returning methods of green manure on soil greenhouse gas cumulative emission

2.3 绿肥不同还田方式下的增温潜势（GWP）

本试验条件下，GWP 中CO2的贡献率最高，其次是N2O，CH4对GWP 的影响为负效应（表2）。与对照相比，各绿肥处理均显著提高了土壤的 GWP，VB、VS、RB 和 RS 处理分别是 CK 的 4.99、3.86、4.26 和 3.50 倍。同种还田方式下，光叶苕子处理的GWP 显著高于黑麦草，增幅为10.52%～17.12%。同一绿肥品种下，翻压处理的GWP 显著高于覆盖处理，增幅为21.77%～29.05%。

2.4 绿肥不同还田方式对土壤微生物量碳、氮的影响

各处理微生物量碳（MBC）含量变化趋势大致相同。前期持续上升，培养至第35 天时达到最大值，VB、VS、RB 和 RS 的值分别为 222.57、222.95、213.28 和 207.43 mg·kg−1，但第 14 天的微生物量碳与第 35 天没有显著差异，在35 d 后土壤微生物量碳含量持续下降，但仍显著高于对照（图3a）。在整个培养期中，施加绿肥的各处理微生物量碳含量始终显著高于对照（P＜0.05）。在培养的前期和后期，翻压处理的微生物量碳含量显著高于覆盖处理，第 91 天时 VB 比 VS 增加了 24.99 mg·kg−1，RB 比 RS 增加了 29.48 mg·kg−1。

在培养期间，各处理微生物量氮（MBN）含量的变化趋势与MBC 含量基本一致（图3b），都是随着培养时间的增加，MBN 含量先上升然后下降，各处理对MBN 含量有显著影响。在第14 天时MBN 含量达到最大值，培养结束时各处理MBN 含量分别是CK 的1.73～3.14 倍。翻压处理的MBN 含量显著高于覆盖处理，VB 比VS 增加了3.42 mg·kg−1，RB 比 RS 增加了 2.92 mg·kg−1。

图3 绿肥不同还田方式对土壤微生物量碳氮的影响Fig.3 Effect of different returning methods of green manure on soil microbial biomass carbon and nitrogen

2.5 土壤温室气体累计排放量及GWP 与土壤微生物量碳氮相关性分析

通过对温室气体与微生物生物量碳氮的相关性分析发现，温室气体与微生物生物量碳氮显著相关。土壤CO2、N2O 累计排放量及GWP 与微生物量碳、氮之间存在显著正相关关系（P＜0.01），CH4与微生物量碳氮之间存在显著负相关关系（P＜0.01）（表3）。

表3 温室气体累计排放量与微生物生物量碳、氮的相关性分析Table 3 The correlation analysis of greenhouse gases cumulative emission，microbial biomass carbon and nitrogen

3 讨论

3.1 绿肥还田方式对土壤温室气体排放的影响

绿肥作为一种清洁的有机肥源，具有改良土壤、提高作物产量等作用，已在农业生产中被广泛应用；但是绿肥还田会提高土壤CO2和N2O 的排放也得到了普遍证实［11−13］。如何降低绿肥利用过程中温室气体的排放是实现绿肥可持续利用的前提。本研究发现绿肥还田利用方式对土壤CO2和N2O 温室气体的排放有显著影响，覆盖还田较翻压还田能显著降低温室气体的排放，其原因可能在于一方面覆盖还田与土壤接触面小而导致分解速率低，同时地表覆盖绿肥、秸秆等有机物料阻碍了土壤向大气排放CO2［14−15］；另一方面翻压还田对土壤进行了较大强度的扰动，改善了土壤通气性，新鲜有机物质翻压进入土壤中，让绿肥能更好的与土壤混合接触导致分解速率更快，微生物呼吸速率加强，单位时间内排放的CO2、N2O 更多。黄涛等［16］通过监测秸秆翻压和秸秆覆盖后在不同测定时期的CO2排放速率，发现秸秆翻压较秸秆覆盖高出16.49 %～85.96 %，本研究结果与其相似。成臣等［17］研究发现在土壤含水量适中、通气状况良好的环境下，硝化细菌和反硝化细菌的活性得到提高，此时土壤硝化作用及反硝化作用都能以较高速率进行且以N2O 为主要产物。目前关于翻压、覆盖有机物料对土壤CH4排放的影响结果存在不一致观点。Bender 等［18］研究认为，当土壤理化性质、利用方式等发生改变，会影响CH4氧化的基本条件，从而直接或间接的影响CH4氧化。有研究认为，翻压秸秆等有机物料的CH4排放量比覆盖处理的更多［19−20］。他们认为有机物料覆盖在农田表面，有机物料在土壤表层进行有氧降解，其降解产物在土壤氧化层中还原产生CH4的可能性较小。还有研究认为，有机物料翻压对土壤吸收CH4的影响大于地表覆盖，这主要是由于改善了土壤通气状况，更有利于CH4的氧化和对空气中CH4的吸收［21］。在本研究中，翻压处理的土壤CH4累积吸收量显著高于覆盖处理，这可能是由于覆盖处理减小表层土壤水分蒸发，从而改善土壤结构，增加土壤充水空隙，对CH4的吸收能力减弱［17］。另外，翻压处理改善了土壤通气状况，在通气良好、温湿环境适宜的条件下时，甲烷氧化菌对于大气中CH4（吸收）氧化能力加强［22］。

绿肥不仅具有传统意义上的增加作物产量、培肥地力的作用和效果，同时对提升土壤微生物活性，增加土壤有机碳含量，控制杂草生长和病虫害发生、改善土壤生态系统及节能减排等方面也发挥了很重要的作用［1］。翻压还田后虽然可以为土壤提供大量的碳源和养分，促进土壤有机质的矿化分解和土壤养分的循环与转化［5］，但不能有效的减少水土流失，特别是在坡耕地上，翻压绿肥还田后使得土壤表层没有受到保护，当降水较大时也会发生土壤流失的现象。覆盖还田与翻压还田相比不仅体现出降低成本和能耗的经济价值，还体现出减少水土流失、改善土壤环境条件的生态价值。在本研究中，覆盖还田的温室气体排放比翻压还田更低，对生态环境的负面影响更小。因此覆盖还田这一利用方式更加有利于生态环境的发展。

3.2 不同绿肥种类对土壤温室气体排放的影响

本研究中绿肥还田对环境的负面影响主要是增加了N2O 的排放量，但绿肥还田不仅能够增加作物产量，还能替代化学肥料，减小环境代价。Sant 等［23］研究认为虽然绿肥增加了氮投入量以及N2O 的排放量，但N2O 的排放系数较低，且显著提高了后季经济作物的产量，最终单位产量的N2O 的排放量更低。Fungo 等［24］研究发现当以肿柄菊（Tithonia diversifolia）作为绿肥向土壤投入150 kg·hm−2的氮时，N2O 的排放量低于施用120 kg·hm−2的氮肥（尿素）。这表明相比于化学肥料，来自绿肥的氮素比来自化肥的氮素更不容易损失，绿肥还田对环境的负面影响更小。豆科绿肥还田虽然增加了增温效应，但由于其独有的生物固氮功能，在还田后可以提升土壤有机碳储量外还能为后季作物提供可观的氮素［25］。

大量研究表明，有机物料的C/N 会影响温室气体的排放，豆科作物碳氮比较禾本科作物低，在还田后对提高土壤温室气体排放较禾本科作物更为有效［26−27］。本研究中，不同绿肥种类对土壤温室气体排放也存在着较大差异，添加豆科绿肥（光叶苕子）土壤CO2、N2O 累计排放量显著高于禾本科黑麦草，这主要是因为，一方面豆科绿肥C/N 禾本科低，更容易被微生物分解利用，刺激土壤呼吸。另一方面豆科绿肥腐解后更多氮素被排放出来，供微生物利用的氮源相对丰富且对氮的限制度较小，从而增加了CO2、N2O 的排放［28］。在本研究中，豆科绿肥的CH4累积吸收量显著高于禾本科绿肥，这可能是因为当土壤中N2O 达到一定的浓度时，对产甲烷菌会具有一定的毒害作用，从而抑制了甲烷的产生［29］。土壤温室气体主要产生自微生物参与的复杂生物化学过程，因此与土壤微生物之间有着紧密的联系［30−31］。在本研究中，豆科绿肥还田下的微生物碳氮在培养前期显著高于禾本科处理，这为豆科绿肥的温室气体累计排放量高于禾本科绿肥提供了合理的解释。

4 结论

绿肥还田显著提高了土壤CO2、N2O 温室气体的排放，增加了GWP，提高了土壤微生物碳氮的含量。不同还田方式对温室气体排放存在显著差异，覆盖还田比翻压还田显著降低了温室气体的排放，豆科绿肥还田后温室气体的排放高于禾本科，因此，在不影响下一茬作物生产的前提下，采用绿肥自然枯萎覆盖还田能减少温室气体排放、保护生态环境、节约人工成本，但是是否能实现增产和保护环境的双赢有待进一步的田间试验验证。