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秸秆及植物残体还田对土壤N2O排放的影响综述

2019-11-28 10:11:11 江苏农业科学 2019年18期

罗天相 谢芳芳

摘要:秸秆还田是常见的农业管理措施,有固氮和增加温室气体排放量的作用。N2O是一种重要的温室气体,秸秆的碳氮比与土壤N2O排放量密切相关。秸秆半量还田与秸秆全量还田均可能促进N2O排放,增排效应与施氮水平相关,也与秸秆还田时间密切相关。翻耕还田减少了N2O的排放量,同时抑制土壤中CH4的排放,有利于农田N2O减排。土壤N2O排放受秸秆残体、土壤理化性质和栽培方式的交互影响。施用秸秆时配施硝化抑制剂,能有效减缓硝化作用,降低N2O释放量。秸秆还田后加入蚯蚓,可促使N2O排放量的增加。秸秆还田对温室气体排放过程影响复杂,不能单用减排概括。

关键词:秸秆;植物残体;N2O排放;还田;研究进展

中图分类号: S154.1文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2019)18-0001-05

气候变化及温室气体排放是全球关注的热点,2017年3种主要温室气体CO2、CH4和N2O在大气中的含量达到80万年来的最高水平。造成全球气候变暖的首要因素是人类生产与活动所导致的温室气体排放[1]。N2O对全球变暖有明显作用,百年尺度全球变暖潜势是CO2的298倍[2],对大气温室效应的贡献率达到5%,仅次于CO2及CH4。

农业生产活动是温室气体的主要排放源,农田生态系统具有数量庞大的碳储库,碳储量达17×1014 kg,占全球陆地碳储量的10%以上[3],大气中20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O来源于农业生产活动及其相关过程[4]。秸秆是一种可再生有机资源,秸秆还田处理能够有效减少焚烧秸秆所造成的温室气体排放及环境污染,此外,还能促进土壤有机质含量及土壤肥力的增加,改善土质,促进作物增产。我国南稻北麦的种植体系使得作物秸秆数量巨大,种类繁多,年秸秆产生量约6×108 t[5]。虽然秸秆还田有重要的生态意义,能够有效遏制焚烧所引起的温室效应,但秸秆还田对N2O排放的影响仍存争议。秸秆还田可能导致土壤N2O排放量的增加[6]或无显著影响[7],秸秆堆制还田后,甚至可抑制土壤N2O的排放。秸秆的不同施用方法对土壤N2O的排放影响亦有差异,直接覆盖土壤表层对N2O排放有促进作用;而均匀混施有可能减少N2O的排放量[8]。众多研究结果表明,作物茎秆还田对N2O排放的作用过程复杂,不能单用减排概括。因此,本文综述近年来相关科研文献,评价秸秆施用对土壤N2O排放的影响及可能原理,明确秸秆施用在土壤N2O减排中的作用。

1 不同碳氮比秸秆及植物残体对N2O排放的影响

秸秆、植物残体种类与土壤N2O的排放密切相关。荟萃(Meta)分析表明,茎秆碳氮比(C/N)对N2O排放量的加权平均效应值大于0,即植物体C/N与N2O排放量相关[9],易被分解的C影响了N2O排放[10]。

田间试验发现,在不施化肥情况下,加入秸秆残体处理的N2O排放量显著增加,且添加C/N最小的菜饼处理组N2O排放的增加量最大[11],伍玉鹏等田间试验结果[12]与此结论基本一致,在C/N最大的甘蔗渣处理中,N2O排放量与对照相比甚至降低了3%,这可能是由于C/N为118.7的甘蔗渣N含量过低,导致N相对不足,加剧了硝化细菌与非自养微生物之间对NH4+的竞争,进而使N2O排放量降低[13]。Shan等[14]与王丽媛等试验结果[11]一致,秸秆C/N与N2O排放的效应值呈负相关关系。

稻秆还田适量时,土壤氮素的氨化和氨氧化均能影响N2O排放[15]。土壤微生物对不同C/N秸秆残体的分解速率不一致,碳氮比为(25~30)/1时更适宜微生物分解有机质,而高C/N残体因碳源过高、氮源相对不足而影响植物体分解速率[16],加强微生物对土壤矿质氮的固定,因而使氮基质减少[17],并可能减少nosZ型反硝化细菌多样性,降低N2O、N2O+N2 产物比[18],最终使N2O排放量减少。当施加秸秆的C/N不高于(25~30)/1时,微生物活性较强,加快秸秆腐化过程,且微生物对有效氮固定减弱,使得土壤含有的氮基质增多[19],进而促进微生物的硝化、反硝化作用[20],使N2O排放量增加[11]。

2 秸秆的不同田间施用量及还田年限对N2O排放的影响

秸秆全量还田与半量还田是农田常见管理措施,但是秸秆的不同田间施用量对N2O排放的影响目前仍未达成统一观点。在玉米栽培期间,N2O排放量在不同时期有较大差异,施用基肥后,秸秆全量还田对N2O排放量的促进作用明显低于半量还田,与只施氮肥的对照组相比,秸秆还田增加了土壤N2O排放量,但与对照差异不显著;在玉米田间试验期,N2O排放量表现为半量秸秆还田>对照组>全量秸秆还田,在一定程度上,秸秆全量还田抑制了土壤N2O脉冲排放(短期的瞬间排放)[21]。而利用麦秆还田的试验研究则表明,与对照处理(不加麦秆)相比,麦秆半量还田与全量还田均对农田N2O排放有促进效应,麦秆全量还田对农田N2O排放的增排效应较半量还田高[22]。

当施氮量(以N计算)为0~240 kg/hm2时,土壤N2O的排放量随农田施氮量的增加而增加;但随着施氮量的进一步增加,达到241~300 kg/hm2時,农田N2O的排放量可能随施氮量增加而减少[9]。秸秆的田间施加量达到400 kg/hm2 的高施氮水平时,秸秆还田抑制反硝化作用,减少N2O排放量[23]。施氮量达到600 kg/hm2的高施氮水平时,秸秆还田后玉米、小麦整个生长季的N2O排放通量降至最低水平[24]。

考虑到还田年限,有研究者认为,土壤氨氧化细菌(amoA)和反硝化细菌(nirS)群落组成与秸秆还田时间存在显著相关性[25],持续多年的秸秆还田会促进N2O排放[26]。在稻麦轮作体系中,秸秆不同还田年限的影响试验却表明,1年还田秸秆和5年还田秸秆显著抑制了N2O的排放,多年的秸秆持续还田仍能有效减少N2O的排放量,但是长期秸秆还田对降低温室效应的作用可能减弱[27]。

3 不同秸秆还田方式对N2O排放的影响

在农田管理中,秸秆残体可以通过直接或间接的方式进行还田处理。直接还田分为留高茬还田、机械粉碎翻耕还田(类似于混施)和覆盖还田(类似于表施)。集中沟埋还田、表面覆盖还田、旋耕还田和秸秆不还田对N2O排放影响的试验表明,短期还田时,与不还田处理相比,不论何种秸秆施用方式均促进N2O的排放,表现为秸秆表面覆盖还田>旋耕还田>沟埋还田[28]。Ma等通过田间试验研究秸秆焚烧后还田、翻耕还田、覆盖还田3种还田方式对N2O排放的影响,结果表明,不同施用方式对于N2O排放的影响有显著差异[29]。翻耕还田(混施)减少了N2O约3%~18%的排放量,同时抑制了土壤CH4的排放,但覆盖还田(表施)可能显著增加土壤中N2O的排放量[30],所以秸秆翻耕还田(混施)的施用方式或许更有助于农田N2O减排。而在通气性良好的土壤中,翻耕还田对N2O的排放亦具有增强作用[30]。尽管翻耕还田可能降低了土壤N2O的排放量,但是其CH4排放量可能较覆盖还田方式高[31],判断全球变暖潜势时,需要考虑各温室气体的综合效力。

考虑到不同施用方式的差异性,当秸秆以带状覆盖的方式还田(表施)时,未遮盖的土壤与空气接触,利于硝化反应的发生,抑制反硝化作用将N2O还原为N2[32]。此外,在不同的还田方式处理中,微生物对植物残体的分解速率有差异[33]。植物残体混施还田与表施还田相比,表施时植物残体集中分布于土壤表面,而混施时植物残体则均匀分布于土壤中,氧气对混施还田的限制性较弱,因此混施可能会降低N2O排放量。

关于还田方式差异对N2O排放效应的研究国内外学者尚未有一致定论,且秸秆还田田间试验受天气影响较大,目前关于此方面研究尚不足。

4 不同种植体系对N2O排放的影响

作物的种植制度对N2O排放具有一定的影响,稻麦轮作试验表明,秸秆还田在水稻生长期可能显著减少N2O排放,在麦季则可能增加N2O排放量[34]。在水旱轮作的种植体系中,施加秸秆使水稻季的N2O排放量显著降低了12%,但CH4排放量增加;而在双季水稻的种植制度下,与不还田的对照处理相比,秸秆还田显著增加了土壤N2O的排放量,达到对照处理的2.1~2.9倍[35]。一般认为,稻麦轮作耕作制度下,施加的水稻、小麦茎秆C/N较高,农田土壤微生物易固定无机氮,进而影响土壤反硝化过程,减少农田N2O的排放量[36]。但该结论在双季稻田不适用,有待进一步进行研究[35]。

研究数据表明,添加秸秆会促进单作或间作农业生态系统土壤氮的动态转化,减少N2O的排放量[37]。与单作配施植物残体的种植方式相比,在玉米大豆的间作体系中无论添加玉米残体还是大豆残体,N2O的排放量均显著减少;在单作体系中植物残体来源单一,复杂的相互作用使土壤微生物群落活性增加,改变土壤氮素的动态;间作栽培时,混合不同秸秆残体处理作为一种农业生态系统管理做法,或许有助于减少N2O的排放量[38]。间作是一种可持续的土地管理方式,然而,还需要进一步的研究,以更好地了解来自混合或单一秸秆残体处理的土壤中氮组分之间的相互作用效应,这有助于理解秸秆添加(或清除)对温室气体特别是N2O排放量影响的差异性[37]。

5 不同的土壤环境条件下施加秸秆对N2O排放的影响

土壤环境条件复杂,其理化性质对微生物生理活动的影响及制约性大,不同环境对N2O排放的影响有所差异。施加秸秆后,土壤N2O排放受秸秆残体与土壤不同形态C、N及土壤含水量等多种土壤理化性质的交互影响。

5.1 土壤类型对N2O排放的影响

基于Meta分析,研究不同区域及土壤类型下植物残体还田对N2O排放的影响,结果表明,在华中及华北地区施加植物残体能显著增加N2O排放量,但在华东地区土壤N2O的排放量则有所减少[9]。土壤pH值接近中性时,能显著增加N2O排放量,偏酸性或碱性时,均对N2O的排放有抑制效应。土壤黏粒含量小于15%时(如沙土、壤土),施加植物残体会抑制N2O排放,土壤黏粒含量为15%~25%时(如黏壤土),施加植物残体则对N2O排放有促进作用。土壤酸碱度越小,土壤的有机物分解速率越慢[39],主要是由于土壤碱性越强,铁氨氧化速率越快[40],使得铵态氮含量减少,进而可能导致N2O排放减少。

参与氮素相关反应的微生物更适宜在非酸性环境中生存[41]。土壤酸碱度通过改变微生物的反应活性来影响微生物主导的硝化、反硝化过程,使土壤N2O的排放量发生变化。施加秸秆于强酸性土壤中,也许能抑制微生物的硝化、反硝化过程,使N2O排放量降低[42]。土壤pH值可改变微生物反硝化酶Nos的活性,进而影响N2O排放;当pH值>7时,反硝化酶Nos活性增强;当pH值<7时,反硝化酶Nos活性随酸性增强而减弱,而其他反硝化酶的活性变强,从而产生更多的N2O[43]。

5.2 土壤含水量对N2O排放的影响

在作物秸秆覆盖还田时,N2O排放量受土壤孔隙水含量(WFPS)的影响[44]。研究表明,WFPS为35%~60%时,硝化作用是农田土壤N2O排放的主要来源,而在土壤WFPS为70%时,农田N2O排放量几乎均来源于反硝化作用[45]。当土壤完全淹水时,反硝化作用的产物以N2为主,会降低土壤N2O的排放量[45]。水淹环境中的土壤N2O排放量极少,而干湿轮换环境的土壤N2O排放量有所增加[46]。

在旱地施加植物残体往往能起到保水保温作用,并在土壤表层形成局部厭氧微环境,加强反硝化作用,刺激N2O排放[9,30]。土壤含水量与施加秸秆的交互作用有时并不明显[34],但在湿润的气候环境中,不同的土壤性质与秸秆覆盖则具有相关性,会导致土壤N2O排放出现不同变化[47]。植物残体还田为土壤微生物供应了大量的碳、氮基质,对N2O排放可能存在增强或减弱作用[46]。土壤含水量和植物残体还田对N2O排放影响的田间试验表明,N2O排放量与土壤的含水量呈显著正相关关系。当农田处于长期淹水环境下时,植物残体还田对土壤N2O排放量的影响不显著,但在淹水条件解除后,N2O的排放量则显著增加[30]。

6 配合施用硝化抑制剂对N2O排放的影响

在耕作土壤中,施用秸秆或矿物氮肥时配施硝化抑制剂,能有效减缓硝化作用,降低N2O排放量[48]。3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)是一种较常用的硝化抑制剂,在耕作前喷施可以减少秸秆残体分解过程中N2O的排放量,同时又不影响土壤肥力[33]。

Kong等通过一个微系统的培养试验发现,喷施DMPP在施加植物残体(三叶草)的土壤处理中,可以显著减少土壤N2O的排放量,且DMPP对非目标土壤微生物或功能基因无不良影响[33]。DMPP对反硝化酶活性无抑制作用[49],对N2O的减排效应很可能是因为抑制了土壤氨氧化过程,减缓了NH4+向NO3-的转化,为土壤剖面中微生物吸收和固定NH+4提供了机会[33]。0.5~1.5 kg/hm2的硝化抑制剂低施用量有助于N2O的减排[50]。DMPP水溶性低,降解速度慢,可降低NO3-浸出量和N2O排放量[51]。

考虑植物残体在田间不同的施加方式,喷施DMPP能显著降低残体表施处理的N2O累积排放量,但残体混施时,DMPP的减排作用则并不显著[33]。与表施植物残体集中于土壤某个层级不同,混施植物残体在土壤基质中的分布更均匀,有助于减少反硝化过程中氧气的限制性(局部厌氧环境促进土壤反硝化作用并导致N2O排放量增加),因此与犁耕(表施)不同,旋耕(混施)可减少土壤N2O排放量,但是不同施用方式对N2O排放的影响也需考虑到天气情况[33]。

與单独使用DMPP相比,DMPP与化肥或粪肥一起使用对N2O排放的影响更显著,可减少约40%的N2O排放量[52]。然而,土壤中的植物残体与氮肥结合也许会促进N2O排放[53]。土壤矿质氮含量高时,可溶性有机碳增加会刺激反硝化作用,从而增加N2O的排放量[54]。

有关肥料对农田N2O排放量的影响尚无统一观点,相比于有机肥料(如动植物残体),施加氮肥可能更能增加土壤N2O的排放量[55],但也有试验得出不同结论[56]。Menendez等研究得出,在矿物氮肥施用后添加DMPP能显著降低农田N2O排放量,但硝化抑制剂的效果在很大程度上取决于环境条件[57]。

7 蚯蚓与秸秆残体的相互作用对N2O排放的影响

蚯蚓被认为是移动的N2O排放源,蚯蚓的活动与N2O排放密切相关[58]。蚯蚓的生理活动能改良土质,改善土壤孔隙度及其保水能力。蚯蚓参与了秸秆残体的分解与土壤的碳氮循环,间接影响N2O的排放[59]。蚯蚓通过取食活动、排泄蚓粪等促进植物残体的矿化,在土壤生态系统中,蚯蚓会影响土壤硝化与反硝化菌的可利用基质,间接促进N2O排放[33]。罗天相等研究也表明,不论秸秆表施处理还是混施处理,加入蚯蚓后,均可能促使N2O排放量的增加,其中表施植物残体时,接种蚯蚓在整个实验周期内均显著促进了N2O的排放,但在混施植物残体时,接种蚯蚓在实验后期对N2O的排放无明显促进作用;接种蚯蚓后土壤铵态氮含量变化不大,硝态氮含量显著增加,尤其是残体表施并接种蚯蚓时[60],而N2O的排放量与土壤硝态氮含量有关。

蚯蚓在田间的自然种群密度较高,耕作层中蚯蚓的种群密度可达272条/m2[61],蚯蚓的生物量约为68.04 g/m2,而草地生态系统可达161 g/m2[62]。蚯蚓身体的含水率约为84%,蚯蚓干组织中含氮量约为11%。每平米田间蚯蚓死亡后约可以贡献0.7 g氮[33],在培养试验中,尽管蚯蚓生物体的氮含量远低于田间氮肥施用量或植物残体氮源输入量,但也是一个不容忽视的氮源。

蚯蚓生活型的差异使不同蚯蚓取食和生活习性有较大不同,蚯蚓取食、分解土壤中的秸秆残体,整个分解过程受土壤性状和蚓种的相互影响。接种蚯蚓并配施秸秆后,其复杂的相互作用及内在的排放机理仍不明确[63]。

8 小结与展望

秸秆还田作为全球普遍使用的田间有机管理措施,对温室气体特别是N2O排放量影响值得关注[64-65]。N2O的排放会受到各种独立或相互作用的生物、物理因素影响,作物残体组成和质量、轮作顺序、残体碳氮比、植物残体还田量均会对土壤氮素的动态变化产生影响,这是因为植物残体的生化组成对氮素可利用性、硝化与反硝化作用具有影响[66],从而影响N2O的排放。硝化和反硝化反应是产生N2O的重要途径,受多种因子影响,如土壤性质、土壤环境、施肥及土壤微生物数量和活性等,由于土壤生态系统的复杂性,传统的大田试验和培养试验很难深入研究土壤生物地球化学过程,准确理解土壤C、N代谢过程。未来可以通过现代分子生物学手段及同位素示踪技术,利用Meta分析,明确秸秆施用后,土壤硝化与反硝化过程中的关键功能菌代谢过程,进而彻底了解秸秆及植物残体施用在农田土壤N2O减排中的作用。

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