枣园间作棉花、苜蓿土壤呼吸差异及效益分析

赵雅茹 陈国栋 甘塘煌 武国义 顾新宇 阿依娜尔·博拉提别克 司俊洁

（塔里木大学农学院/南疆干旱区特色作物遗传改良与高效生产兵团重点实验室，新疆阿拉尔 843300）

农业生产过程中温室气体的排放会在一定程度上加剧全球气候变暖，可能导致如洪水、旱灾和热浪等极端天气频繁出现。根据国际能源署（IEA）的数据，农业生产占全球温室气体排放的比重为10%～14%。因此，在作物生产过程中，不仅需要找到农作物高产和高效益的种植模式，更需要找到能同时减少农业温室气体排放的模式或方法。相关研究显示，植物间作可在一定程度上缓解该问题，张计峰等[1]研究得出，枣园间作棉花有利于增加单位面积土地产出效率，但在成龄枣园间作棉花会导致红枣产量下降。崔爱花等[2]研究得出，通过棉花、甘薯间作，可以提高土壤中微生物数量和酶活性，从而改善土壤肥力，进而达到增加棉花产量的目的。Trumbore等[3]的研究认为，大气碳库与土壤碳库进行交换的主要形式是土壤呼吸，而土壤呼吸受到作物品种、种植方式等众多因素的影响。李鑫等[4]通过设置棉花与小麦、大蒜和花生间套作，得出间套作体系产量具有优势且干物质积累量多于棉花单作处理。李波等[5]通过在枣树不同距离处种植棉花，进行枣棉间作最终得出枣棉间作经济效益优于棉花单作。间作种植模式往往具有比单作模式更高的经济效益且产生的土壤呼吸往往低于单作种植模式。

本试验通过大田试验，对枣棉间作、枣苜间作的产量、经济效益和土壤呼吸3个方面进行综合分析，以筛选出适宜南疆地区且环境友好的种植模式，寻找温室气体排放少且经济效益高的种植管理方式。

1 材料与方法

1.1 试验地点选择

试验地点位于新疆阿拉尔市塔里木大学园艺试验站枣园（81°18′07″ E、40°32′34″ N，海拔1 015 m）。该枣园位于新疆维吾尔自治区中部，其气候类型为温带大陆性干旱气候，四季分明，降水少、蒸发量大，年日照时间较长，平均年日照时数为3 199.9 h，≥10 ℃的年积温在4 000 ℃以上，光热资源丰富，昼夜温差较大，日间温差超过10 ℃，有利于作物养分的积累，为间套作创造了有利条件。无霜期180～224 d，年均气温10.8 ℃。降水量较少，年均降水量63.9 mm，土表水分蒸发量大，年均蒸发量1 976.6～2 558.9 mm。园艺试验站土壤类型为砂壤土，碱解氮33.71 mg/kg，全氮1.51 g/kg。

1.2 试验设计

供试所用棉花为中棉619，苜蓿为紫花苜蓿，枣树于2012年用酸枣直播建园，株行距配置为1 m×3 m，2014年春嫁接红枣。

试验于塔里木大学园艺试验站进行，采用完全随机试验设计，共设枣棉间作（JC）、枣苜间作（JA）、棉花单作（SC）和苜蓿单作（SA）4种种植模式。每个处理进行3次重复，共12个小区，农事管理均参照当地常规方法。

1.3 项目测定

1.3.1 土壤温室气体CO2与N2O 的采集采用静态箱法对温室气体（CO2、N2O）进行采集。静态箱由不锈钢制成，顶部设有温度计插口，分为箱体和底座两部分，尺寸为30 cm×15 cm×10 cm。底座插入土壤10 cm深，箱体放在底座凹槽上，并在采样时向凹槽中注水，形成密闭采样空间。试验于晴朗天气11：00—14：00进行，每10 min采集一次气体，分别为0、10、20和30 min。使用带有三通阀的医用注射器将箱内气体抽入气袋。采样结束后，将气袋带回实验室，利用气相色谱仪分析气体样品中的N2O和CO2浓度。

1.3.2 土壤温室气体CO2与N2O 的排放通量计算由于试验地大气压强并非标准大气压，在计算气体通量时需要根据实际大气压和大气温度对气体密度进行校准。经推导，气体交换通量F［CO2，mg/（m2·h）；N2O，μg/（m2·h）］计算公式如下。

式（1）中，dc/dt表示采样箱内气体浓度随时间变化的斜率；M表示气体的摩尔质量（g/mol）；P表示当地大气压强；T表示采样箱内实际温度；V0、P0和T0分别代表标准状态下的气体摩尔体积（22.4 L/mol）、标准大气压（101.33 kPa）和大气温度（273 K）；H代表采样气室的高度。

1.3.3 枣棉、枣苜间作产量与经济效益计算土壤当量比（LER）计算公式如下。

式（2）中，LER代表土地当量比；LER1和LER2代表棉花的偏土地当量比；Y1i和Y1m分别代表枣棉间作和单作产量；Y2i和Y2m分别代表枣苜间作和单作产量。当土壤当量比大于1 时，说明间作具有产量优势。

农田经济效益估算公式如下。

式（3）中，V代表农田经济效益；S代表作物种植面积；Y代表作物产量；P代表作物收获当年市场价格；C代表种植成本。

1.4 数据处理

使用气象色谱仪分析收集气体中CO2和N2O 浓度，收集的数据采用Microsoft Excel 2019进行汇总、整理与绘图，使用DPS 7.05软件进行多重比较（Duncan法）。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对农田CO2排放通量的影响

枣棉间作、枣苜间作、棉花单作和苜蓿单作4种种植模式下，CO2排放通量的变化存在明显的季节性（图1）。棉花单作、枣棉间作的CO2气体排放通量分别在8 月19 日达到最高值431.00 和412.77 μg/（m2·h）。苜蓿单作、枣苜间作的CO2排放通量分别在7月20日、8月19日达到最高值135.40和129.81 μg/（m2·h）。就同种作物单作与间作在7个时间点所产生的总体CO2排放通量来看，枣棉间作总体CO2排放通量1 948.31 μg/（m2·h）相比棉花单作总体CO2排放通量2 313.26 μg/（m2·h）减少了15.78%；枣苜间作总体CO2排放通量635.84 μg/（m2·h）相比苜蓿单作总体CO2排放通量642.65 μg/（m2·h）略小，减少了1.06%。由此可以看出，枣棉间作有明显的CO2减排效果，枣苜间作CO2减排不明显。同一枣园中枣棉间作总体的CO2排放远高于枣苜间作总体的CO2排放。枣棉间作7 个时间点所记录的CO2排放通量总计为1 948.31 μg/（m2·h），相较枣苜间作总体CO2排放通量635.84 μg/（m2·h）增加了206.42%。这表明该地区种植棉花会比种植苜蓿产生更多的CO2。

图1 不同种植模式CO2呼吸通量动态变化

2.2 不同种植模式对农田N2O排放通量的影响

枣棉间作、枣苜间作、棉花单作和苜蓿单作4种种植模式下，N2O 的排放通量与CO2相似，存在明显的季节性变化（图2）。棉花、苜蓿的N2O排放通量均整体呈现先增大后减小的趋势。枣棉间作、棉花单作N2O 气体排放通量在8 月19 日达到的最高值，分别为0.09和0.32 μg/（m2·h）。枣苜间作在7月4日达到最高值，为0.05 μg/（m2·h）。苜蓿单作在7月20日达到最高值0.03 μg/（m2·h）。就同种作物单作与间作在7个时间点所测得的总体N2O排放通量来看，枣棉间作总体N2O排放通量0.38 μg/（m2·h）相比棉花单作总体的N2O排放通量1.61 μg/（m2·h）减少了76.40%；枣苜间作总体的N2O排放通量0.08 μg/（m2·h）相对苜蓿单作总体的N2O排放通量0.19 μg/（m2·h）减少了57.89%。由此可以看出，枣棉间作、枣苜间作有明显的N2O减排效果。同一枣园中枣棉间作总体的N2O排放远高于枣苜间作总体的N2O排放。枣棉间作7个时间点所记录的N2O排放通量总计为0.38 μg/（m2·h），相较枣苜间作总的N2O 排放通量0.08 μg/（m2·h）增加了375.00%。这表明该地区种植棉花比种植苜蓿会产生更多的N2O。

图2 不同种植模式N2O呼吸通量的动态变化

2.3 不同种植模式对产量的影响

4种不同种植模式下产量的差异明显（图3），其中，棉花单作比枣棉间作的产量增加了40.90%；苜蓿产量具有相似的趋势，即第一茬苜蓿单作产量比枣苜间作产量增加了93.24%，第二茬苜蓿单作的产量比枣苜间作产量增加了27.31%。由图4 可以看出，枣棉间作的偏土壤当量比（LER1）为0.71，枣苜间作的偏土壤当量比（LER2）为0.61，LER1与LER2的和大于1，说明间作模式对比单作模式具有产量优势。综上，该地区棉花单作、苜蓿单作能获得更高的产量。

图3 枣园棉花、苜蓿产量对比

图4 枣棉间作、枣苜间作土壤当量比

2.4 不同种植模式的经济效益比较

不同种植模式产生的经济效益不同（表1—2）。在相同种植面积下，枣棉间作比棉花单作的经济效益更高，净收入增加了24.00%，产投比增加了15.12%。枣苜间作比苜蓿单作的经济效益更高，净收入增加了35.00%，产投比增加了24.51%。由此可以得出，该地区相同种植面积下枣棉间作、枣苜间作经济效益更高，投入相同成本能得到更大的净利润。

表1 不同种植模式的投入量 单位：（元/hm2）

3 结论与讨论

3.1 结论

试验结果表明，在相同栽培条件下，棉花单作较枣棉间作产量增加了40.90%，但枣棉间作能有效降低温室气体排放并提高作物的经济效益。枣棉间作比棉花单作减少了15.78% 的CO2排放通量和76.40%的N2O排放通量，同时增加了24.00%的净收入。苜蓿单作较枣苜间作两茬苜蓿分别增产了93.24%和27.31%，但枣苜间作较苜蓿单作减少了1.06%的CO2排放通量和57.89%的N2O 排放通量，同时增加了35.00%的净收入。因此，综合农业可持续发展和提高农户经济效益，选择枣棉间作、枣苜间作种植模式较优。

3.2 讨论

3.2.1 不同种植模式的农田CO2与N2O排放通量变化特征研究表明，棉花CO2与N2O排放通量呈低—高—低的变化趋势[6-7]。刘军等[8]发现土壤呼吸速率呈低—高—低的变化趋势，其原因是植物根系和土壤微生物的呼吸是土壤呼吸的主要贡献者，当温度升高时，土壤微生物和根系的呼吸作用会加强，导致土壤呼吸速率增加。相反地，当温度降低时，土壤呼吸速率会减小。本研究发现，枣棉间作、棉花单作CO2排放通量在8 月19 日达到的最高值，分别为412.77 和431.00 μg/（m2·h）；N2O排放通量在8月19日达到的最高值，分别为0.09和0.32 μg/（m2·h）。苜蓿单作、枣苜间作的CO2排放通量分别在7 月20 日、8月19日达到最高值，分别为135.40和129.81 μg/（m2·h），N2O排放通量分别在7月20日、7月4日达到最高值，分别为0.03 和0.05 μg/（m2·h）。4 种种植模式在达到温室气体（CO2、N2O）排放的最高值之后，温室气体（CO2、N2O）排放均呈下降趋势，这与8 月份时阿拉尔地区的温度较高，致使植物根系和土壤微生物的呼吸速率增大，导致土壤温室气体排放增加有关。

赵财等[9]和Dyer 等[10]的研究表明，合理的间作种植可通过抑制农田土壤呼吸速率来减少温室气体的排放，从而增加农田土壤碳汇。段雅欣[11]研究表明，间作能在一定程度上降低土壤呼吸速率以及土壤CO2的累计排放量，这与间作可降低土壤中有机质的分解，抑制土壤呼吸有关。本研究表明，枣棉间作、枣苜间作的土壤温室气体排放低于棉花单作与苜蓿单作。枣棉间作较棉花单作的CO2排放通量减少了15.78%，N2O 排放通量减少了76.40%，枣苜间作较苜蓿单作CO2排放通量减少了1.06%，N2O排放通量减少了57.89%。这与枣棉间作、枣苜间作降低了土壤中有机质的分解，抑制了农田土壤呼吸速率，从而减少了土壤温室气体排放有关。枣棉间作同枣苜间作相比会产生更多的土壤温室气体（CO2、N2O），由于棉花对土壤有机质的养分需求比较高，需要施加更多的化肥来促进棉花植株的生长，这反过来会导致更多的温室气体（CO2、N2O）排放，这与赵亚飞等[12]的研究结论一致。

3.2.2 不同种植模式的作物产量与经济效益分析棉花单作和苜蓿单作比枣棉间作、枣苜间作更具有产量优势[13]。杨涛等[14]研究发现棉花对土壤的养分、水分和营养元素有着很高的要求。枣棉间作中棉花属于弱势作物，棉花在与枣树竞争养分期间会导致棉花的生长发育受到抑制，部分植株矮小无法正常生长或不能结铃而被淘汰，导致产量降低。本研究结果表明，棉花单作比枣棉间作的产量增加了40.90%；两茬单作苜蓿比枣苜间作的产量分别增加了93.24%和27.31%。棉花单作、苜蓿单作产量较高的原因与间作作物之间存在竞争关系，致使产量下降有关。虽然单作模式下作物的产量高于间作模式下作物的产量，但在经济效益上，间作模式下作物所产生的经济效益更高。枣棉间作下枣树和棉花总计产生的净收入与棉花单作相比增加了24.00%，枣苜间作下苜蓿和枣树总计产生的净收入与苜蓿单作相比增加了35.00%。

本试验采用静态箱法结合气相色谱仪对枣棉间作、棉花单作、枣苜间作和苜蓿单作4种不同种植模式下土壤温室气体的排放进行了测定，并对其产量和经济效益进行了计算和综合分析。基于试验结果，综合温室气体排放通量、产量与经济效益因素，在本试验区域综合收益较高的种植模式依次为枣苜间作和枣棉间作。