绿肥还田及减施氮肥对绿洲灌区小麦产量和土壤CO2、N2O排放的影响

2022-05-09殷熙悦殷文樊志龙赵财胡发龙柴强

甘肃农业大学学报 2022年1期

殷熙悦，殷文，樊志龙，赵财，胡发龙，柴强

(省部共建干旱生境作物学国家重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070)

全球变暖已成为制约人类经济社会可持续发展的重要障碍，温室气体的排放是造成该变化的最主要原因，而农田土壤是温室气体的重要排放源[1-2]。如何在减少外源投入、保证粮食产量前提下控制温室气体排放，成为当前农业发展所要解决的重要问题。

研究表明，在秸秆还田，传统施氮量减少30%的条件下，小麦产量稳定且温室气体排放强度低[3]；在玉米-小麦轮作体系中，秸秆还田与减氮10%的条件下可保证玉米产量并降低温室气体排放量，但减氮20%会降低小麦的产量[4]。因此，通过施肥制度优化控制温室气体排放必须解决好施肥量的问题。作物生产中，种植绿肥是补充土壤养分的重要手段，选择适宜绿肥与主栽作物进行复合种植，对增辟肥源、提高产量、固氮减排具有重要积极作用[5-6]。在苜蓿-小麦轮作系统中，小麦籽粒产量增加了26.83%[7]；二月兰还田后种植玉米，在化肥减量15%时玉米增产29.0%[8]。不难发现，已有研究主要集中在施肥对作物产量或温室气体排放的影响中，但在绿肥与化肥配施条件下，作物的产量和土壤温室气体排放响应研究十分薄弱，使得生产实践中缺乏绿肥替代化肥进行绿色生产的理论依据。

为此，本研究在甘肃河西绿洲灌区设置大田试验，探讨春小麦复种绿肥配合减量施氮对土壤CO2、N2O排放和作物产量的影响，以期为建立小麦高产、低排绿色生产模式提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年7月到2019年8月在甘肃农业大学武威绿洲试验站(N 37°30′ N，E 103°5′)进行。该地处甘肃省河西走廊东端，属温带大陆性干旱气候区，日照充足，年平均气温7.2 ℃，多年平均降雨量160 mm，无霜期约155 d，适于麦后复种绿肥。土壤质地为砂质壤土，土壤全氮含量0.68 g/kg、全磷含量1.41g/kg、速效氮64.4 mg/kg、有机质含量14.31 g/kg。

1.2 试验设计

采用裂区设计，主区设单施化肥(S)和绿肥化肥配施(V)2种施肥方式，副区设小麦传统施氮(180 kg/hm2，N3)、减量20%(144 kg/hm2，N2)、减量40%(108 kg/hm2，N1)3个施氮水平，共组成6个处理，每处理3次重复，小区面积39.6 m2。

箭筈豌豆于2018年7月27日播种、10月18日翻压，品种为兰箭2号ViciasativaL。播种量125 kg/hm2；2019年3月17日播种小麦、7月16日收获，品种为永良4号TriticumaestivumL。播种量675万粒/hm2。本试验其他管理措施同当地习惯。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤CO2和N2O排放通量土壤CO2和N2O排放通量在作物生育期内每隔10～15 d取1次，施氮后进行加测；CO2排放通量采用LI8100土壤CO2排放通量全自动测量系统测定；N2O排放通量采用静态暗箱-气相色谱法进行测定，采样方法参照徐驰[9]等，气体样品存于铝膜气袋中，48 h内用气相色谱仪(Agilent 7890B GC System)进行样品N2O浓度分析。

N2O排放通量按下公式[9]计算：

式中：F为N2O(μg/m2· h)的排放通量，正值为排放，负值为吸收，ρ为标准大气压下N2O的密度(g/L)，H为采样箱高度(cm)，T为采样箱内气温(℃)，P为采样时气压(kPa)，P0为标准大气压(kPa)，P/P0≈1，dc/dt为采样箱内N2O浓度的变化速率(μL/(L·min))。

1.3.2 壤CO2和N2O排放总量 CO2排放总量按下公式[10]计算：

式中：CE为CO2累积排放量(kg/hm2)，Rs为CO2排放通量，i+1与i表示2次测量间相隔的天数，t表示播种后天数，其他系数表示数值单位的转换。

N2O排放总量计算公式如下：

M=∑(FN+1+FN)×0.5×(tN+1-tN)×24×10-2

式中：M为测定N2O累积排放量(kg/hm2)，F为N2O排放通量(mg/(m2·h))，N为采集次数，t为采集时间即距初次采样的天数。

1.3.3 全球增温潜势GWP[11]

GWP=fCO2×44/12+fN2O×44/28×298

式中：GWP(kgCO2-eq/hm2)为温室气体引发的增温潜势(以eqCO2计)，kg/hm2；fCO2为CO2土壤净排放量(以CO2-C计)，kg/hm2；(N2O为N2O土壤净排放量(以N2O-N计)，kg/hm2；44/12、44/28分别为将净排放量换算为CO2、N2O排放量的系数；298为1 kg N2O的增温效应相对于1 kgCO2的倍数。

1.3.4 温室气体排放强度(GHGI) 单位产量的GWP，即增温潜势与作物产量的比值。计算公式如下[9]：

GHGI=GWP/GY

式中：GHGI为温室气体排放强度(kgCO2-eq/kg，以CO2计)；GY为小麦籽粒产量(kg/hm2)。

1.4 数据处理分析

用Excel 365进行数据处理及作图，SPSS 24.0进行不同处理间的差异显著性检验(显著水平为0.05)，处理间采用Duncan多重比较方法。

2 结果与分析

2.1 绿肥还田及减量施氮下的小麦籽粒产量

如图1，绿肥还田和施氮量对小麦籽粒产量均有显著影响(P<0.05)，但二者无显著互作效应(P=0.88)。不同种植模式下，绿肥还田处理小麦籽粒产量较小麦单作处理提高了27.0%，VN1、VN2、VN3分别较SN1、SN2、SN3提高了25.2%、27.8%、28.0%。不同施氮水平下，N2处理小麦籽粒产量较高，为7612.17 kg/hm2，较N1、N3处理分别提高了11.5%、18.0%；单作小麦模式下，N2施氮水平较其他施氮水平小麦籽粒产量提高了10.3%～18.2%，达到6 682.89 kg/hm2；小麦复种绿肥模式下，N1、N2籽粒产量较N3处理提高了4.8%、18%，达到8 541.44 kg/hm2，N1、N2无显著差异。说明，减氮20%～40%没有造成减产，且在复种绿肥模式下具有提高小麦籽粒产量的潜力。

图1 绿肥还田及不同施氮量下小麦籽粒产量Figure 1 Green manure returning to the field and wheat grain yield under different nitrogen application rates

2.2 绿肥还田及不同施氮水平下麦田土壤CO2和N2O排放通量

2.2.1 绿肥还田及不同施氮水平下土壤CO2排放通量如图3，施氮水平对土壤平均CO2排放通量影响显著(P<0.05)，绿肥还田及其与施氮水平的交互作用对土壤CO2排放通量差异不显著。减氮40%处理(N1)、减氮20%处理(N2)较传统施氮处理(N3)的平均CO2排放通量分别减低了11.8%、8.1%，N1与N2之间无显著差异。从小麦生育期CO2排放通量动态变化(图2)能看出，自小麦灌浆期(6月18日)后，绿肥化肥配施及施氮量对麦田CO2排放通量均有显著影响，且有显著互作效应(P<0.05)。减量施氮处理麦田CO2排放通量较传统施氮处理显著降低，N1、N2较N3分别下降23.3%～27.4%，18.6%～21.4%，绿肥还田较单施化肥处理增加了2.6%～9.8%.6月24日前后，CO2排放通量达生育期内最高峰，各处理CO2排放通量从小到大为SN1

图2 绿肥还田及不同施氮水平处理的CO2排放通量Figure 2 The CO2 emission flux of green manure returning to the field and different nitrogen application levels

图3 绿肥还田及不同施氮水平处理的平均CO2排放通量Figure 3 The average CO2 emission flux of green manure returning to the field and different nitrogen application levels

2.2.2 绿肥还田及不同施氮水平下土壤N2O排放通量由图4、5可知，减量施氮显著影响麦田土壤N2O的排放(P<0.05)，绿肥还田对其影响不显著。N1、N2处理较N3处理平均N2O排放通量均降低了27.6%，N1与N2处理之间差异不显著。小麦生育期内，N3处理N2O排放通量显著高于N1、N2处理，约为其1.4倍，N1、N2处理之间无显著差异。6月20日前后，小麦生育期内N2O排放通量出现最高峰，N3较N1、N2显著增加25.0%、42.9%，较单作小麦和传统施氮处理，复种绿肥结合减氮20%、减氮40%处理N2O排放通量降低了30.1%、20.4%。

图4 绿肥还田及不同施氮水平处理的土壤NO2排放通量Figure 4 Soil NO2 emission fluxes of green manure returning to the field and treatments with different nitrogen levels

图5 绿肥还田及不同施氮水平处理的平均NO2排放通量Figure 5 The average NO2 emission flux of green manure returning to the field and different nitrogen application levels

2.3 绿肥还田及减量施氮下土壤CO2、N2O排放总量

2.3.1 绿肥还田及不同施氮量下土壤CO2排放总量如表1，从小麦-绿肥模式CO2排放总量来看，绿肥化肥配施对麦田土壤CO2排放总量无显著影响，施氮水平对其影响显著(P<0.05)，二者无互作显著效应。各施氮处理中，N1、N2处理CO2排放总量相较于N3处理显著降低了10.6%、6.2%，CO2排放总量分别为4 293、4 501 kg/hm2。

2.3.2 绿肥还田及不同施氮量下麦田土壤N2O排放总量从N2O排放总量来看，同CO2排放总量相似，绿肥化肥配施对麦田土壤N2O排放总量无显著影响，施氮水平对其影响显著(P<0.05)，且二者无互作显著效应。各施氮水平下，N3处理的N2O排放总量显著高于N1和N2处理，分别为其1.36、1.41倍，N1、N2处理差异不显著。

2.4 绿肥化肥配施及减量施氮下全球增温潜势(GWP)

如表1，绿肥还田对麦田土壤温室气体增温潜势(GWP)无显著影响，施氮量对GWP影响显著(P<0.05)，其互作效应不显著。各施氮处理下，N3处理GWP最高，达到18 173 kgCO2-eq/hm2，N1、N2处理GWP均显著低于N3处理，分别降低了11.1%、6.9%，GWP分别为16 163 kgCO2-eq/hm2、16 913 kgCO2-eq/hm2。

表1 绿肥化肥配施不同施氮水平下麦田土壤CO2和N2O排放总量与增温潜势(GWP)

2.5 绿肥还田及不同施氮量下温室气体排放强度(GHGI)

综合产量和增温潜势(图6)，施肥方式与施氮水平处理对温室气体排放强度(GHGI)有显著影响(P<0.05)，但二者无显著互作效应。不同施肥方式下，绿肥还田处理GHGI较小麦单作处理降低了21.4%，不同施氮水平下，N3处理GHGI较N1、N2处理分别增加了20.1%、26.1%，N1与N2处理差异不显著。VN1、VN2、VN3分别较SN1、SN2、SN3降低18.2%、27.3%、19.1%，小麦单作模式下，3个施氮水平处理GHGI均无显著差异；复种绿肥还田模式下，N2处理GHGI较N3处理显著降低25.3%，为1.925 kgCO2-eq/hm2，与N1处理差异不显著。

图6 绿肥还田及不同施氮量下温室气体排放强度(GHGI)Figure 6 Green manure returning to the field and greenhouse gas emission intensity under different nitrogen application rates

3 讨论

3.1 绿肥化肥配施及不同施氮量下土壤CO2和N2O的排放通量特征

农田温室气体在近年来受到了广泛的关注和重视，本研究中绿肥与化肥配施对麦田土壤CO2平均排放无显著影响，减量施氮对其排放通量影响显著(P<0.05)，减量施氮处理CO2排放通量显著低于传统施氮处理，这与前人的研究结果相一致[12,13]。这可能是因为施氮量减少，降低植物为微生物提供生长所需养分，也可能是因为通过影响土壤pH值，降低土壤微生物活性，从而减少CO2排放[14]。小麦生育期内，CO2通量呈现先升高后降低变化趋势，是因为开花期微生物活性较强，且小麦根系活力强，呼吸作用强烈，温室气体排放增加；开花期至成熟期，CO2排放呈降低趋势，这主要与小麦根系成熟或死亡导致生命活动减弱有关[15]。

本研究表明，绿肥还田对小麦生育期内N2O排放无显著影响，但减少施氮量显著降低N2O排放通量(P<0.05)，与戈小荣等[16]研究结果相一致。原因是由于减氮降低反应底物浓度，减少N2O的产生[17]，本试验N2O排放通量范围0.012～0.100 mg/(m2·h)，低于董玉红等[18]试验结果，对黄淮海平原麦-玉轮作系统N2O气体观测，施有机粪肥处理小麦季为0.027～0.564 mg/(m2·h)，高于李西祥等[19]在黄土高原南部旱作区试验结果，小麦覆膜处理N2O排放通量为-0.008～0.023 7 mg/(m2·h)，因此不同地区、环境条件下小麦生长中的N2O排放通量幅度不同，是由种植模式、施肥制度、环境等多个因素同时影响。

3.2 绿肥还田及减施氮肥条件下土壤CO2和N2O的排放总量和增温潜势

本试验中，施氮量显著影响CO2排放总量。周君玺等[13]研究得出冬小麦生长期间CO2排放总量随着肥料施入的减少而降低，与本试验结果相一致，是因为施用肥料促进根系的生长，提高微生物活性，会使土壤呼吸速率增强。本试验中，绿肥还田对CO2排放总量无显著影响，也有研究表明，间作种植可通过抑制农田土壤呼吸速率减少CO2排放量，从而增加农田土壤碳汇[20]，因此，通过种植模式是有可能达到减少温室气体排放的目的，应进一步探索与研究。

本研究中，与CO2排放总量相似，绿肥还田对小麦生长季N2O排放总量无显著影响，施氮量显著影响N2O排放总量(P<0.05)，但种植模式与施氮水平互作效应无显著差异。杨丹等[21]研究表明，绿肥还田结合减施氮肥能降低N2O排放，因为绿肥腐解后增加土壤中有机质含量，能在一定程度上通过对N的固定，抑制硝化过程，减少氮素的损失，其累积N2O排放量减少。而本试验中，与传统小麦单作相比，绿肥还田处理对麦田土壤N2O排放无显著影响，可能是因为试验时间较短，已有相关研究表明[22]温室气体排放对复种绿肥的响应会在长期复种后体现，因此，温室气体排放需要长期试验的监测和验证。许多研究表明[3,21]，氮肥减量可以显著减少N2O排放量，本研究亦发现减氮能降低土壤N2O排放，减氮处理N2O排放总量显著低于传统施氮处理，减量20%(144 kg/hm2)N2O排放总量最低，较传统施氮处理减幅最高达29.4%，原因是减少外源氮素的供应，降低农田氮的产生，降低N2O排放[4]。

本试验结果表明各处理CO2、N2O排放总量均为正值，表明该农田生态系统是N2O和CO2的排放“源”。施氮对增温潜势有显著作用(P<0.05)，试验中因减氮对小麦生长季后期CO2和N2O排放减少，从而增温潜势一定程度上降低，说明复种模式与减氮技术结合对农田土壤CO2和N2O排放有控制作用，且在一定程度上减少温室气体的排放，降低增温潜势，且有试验研究表明[22]在长期复种或减氮试验中CO2和N2O应该会有一段时间的降低后趋于平稳。

3.3 绿肥化肥配施及不同施氮量下小麦籽粒产量和温室气体排放强度

本试验中，绿肥还田和减量施氮对小麦籽粒产量都有显著影响(P<0.05)，但二者互作效应差异不显著。绿肥还田及减量施氮时产量提高25.2%～27.8%与前人试验相一致[23]。合理减少氮肥结合绿肥还田能够提高作物产量，这可能与氮素存在形式及作物吸收利用养分能力有关，即造成小麦减产的原因是该施氮措施下释放养分的过程及数量与小麦生长发育阶段所需养分不匹配。小麦生长所需养分较多，而绿肥翻压后腐解导致土壤中有机质增多，微生物活性较强，有利于小麦吸收利用，因此复种绿肥能有效提高氮肥利用率，增加产量[5-6,23]。

复种绿肥是为了充分利用夏闲期的光热水资源，还田后为土壤提供肥力，改善土壤质量，增加有机碳含量，降低土壤有机碳的矿化分解效率[24]，从而降低CO2排放；同时注意氮肥施用量，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。且过量施氮可能会导致抑制硝化作用的同时为土壤反硝化作用提供了较多底物，增强N2O排放从而导致氮素的损失，不能满足小麦生长所需，进而造成产量减少。因此，本试验中，综合考虑小麦籽粒产量与增温潜势，温室气体排放强度(GHGI)较低的为小麦复种箭筈豌豆条件下减氮20%(144 kg/hm2)的生产模式，该模式能在控制温室气体排放的同时，又能保证较高的小麦产量。