





中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (14): 2738-2750.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.14.009
李金(
), 任立军, 李晓宇, 毕润学, 金鑫鑫, 虞娜, 张玉玲, 邹洪涛(
), 张玉龙
收稿日期:2022-07-08
接受日期:2022-11-14
出版日期:2023-07-16
发布日期:2023-07-21
通信作者:
联系方式:
李金,Tel:15524365461;E-mail:lijin149917@163.com。
基金资助:
LI Jin(
), REN LiJun, LI XiaoYu, BI RunXue, JIN XinXin, YU Na, ZHANG YuLing, ZOU HongTao(
), ZHANG YuLong
Received:2022-07-08
Accepted:2022-11-14
Published:2023-07-16
Online:2023-07-21
摘要:
【目的】探究秸秆还田方式对土壤CO2排放特征及碳平衡的影响,为东北地区农田土壤固碳减排和秸秆还田方式的选择提供科学依据。【方法】采用田间微区试验,以玉米为供试作物,设置3种秸秆还田方式:秸秆浅层还田(QH)、秸秆深层还田(SH)和秸秆覆盖还田(FG),无秸秆还田(CK)处理为对照。利用LI-8100A 土壤碳通量自动测定仪监测玉米生长季不同秸秆还田方式下土壤CO2的排放特征,探讨土壤温度、含水量、pH、微生物量碳及氮磷钾速效养分和全量养分对土壤CO2排放的影响,并分析不同还田方式下的土壤碳平衡。【结果】在玉米生长季,各处理土壤CO2排放速率均表现为先升高后降低的趋势。土壤CO2累积排放量表现为FG>QH>SH>CK处理,相较于SH处理,FG和QH处理土壤CO2累积排放量分别增加了14.0%和6.4%,各处理间差异显著(P<0.05)。不同还田方式下土壤CO2排放速率与土壤温度、土壤含水量进行单因素模型拟合,均呈二次函数相关关系,且达到了显著水平(P<0.05),土壤温度和土壤含水量分别解释68.2%—73.7%和21.3%—82.8%的土壤CO2排放速率变化,但土壤温度和土壤含水量的双因素复合模型能更好地解释土壤CO2排放速率的变化,解释度达到78.5%—82.8%。相关性分析表明,土壤CO2累积排放量与速效钾、微生物量碳呈极显著相关关系(P<0.01),与土壤有机质、碱解氮、全氮和pH呈显著的相关关系(P<0.05)。秸秆还田处理下土壤碳平衡均为正值,为大气CO2碳汇。SH处理下土壤碳平衡和固碳潜力显著高于QH、FG处理,提高幅度分别为23.4%、475.7%和7.1%、30.7%(P<0.05),表现出较强的碳汇功能。在两年收获期,秸秆还田显著提高了玉米产量,其中SH处理最高,但与QH和FG处理间无显著差异。【结论】本试验条件下,综合考虑固碳减排效应和产量,3种秸秆还田方式相比,秸秆深层还田(SH)是一种较好的还田方式。
李金, 任立军, 李晓宇, 毕润学, 金鑫鑫, 虞娜, 张玉玲, 邹洪涛, 张玉龙. 不同秸秆还田方式对玉米农田土壤CO2排放量和碳平衡的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(14): 2738-2750.
LI Jin, REN LiJun, LI XiaoYu, BI RunXue, JIN XinXin, YU Na, ZHANG YuLing, ZOU HongTao, ZHANG YuLong. Effects of Different Straw Returning Patterns on Soil CO2 Emission and Carbon Balance in Maize Field[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(14): 2738-2750.
表1
试验处理"
| 处理Treatment | 操作Operation |
|---|---|
| 秸秆浅层还田 Straw shallow returning (QH) | 20—40 cm土层翻动后填回,0—20 cm土层翻动并与秸秆混合 The 20-40 cm soil layer was turned and filled back, the 0-20 cm soil layer was turned and mixed with straw |
| 秸秆深层还田 Straw deep returning (SH) | 20—40 cm土层翻动并与秸秆混合,0—20 cm土层翻动后填回 The 20-40 cm soil layer was turned and mixed with straw, the 0-20 cm soil layer was turned and filled back |
| 秸秆覆盖还田 Straw mulching (FG) | 20—40和0—20 cm土层翻动后分层填回,表面覆盖秸秆 The 20-40 cm soil layer and the 0-20 cm soil layer were turned and filled back in layers, the surface was covered with straw |
| 无秸秆还田 No straw returning (CK) | 20—40和0—20 cm土层翻动后分层填回 The 20-40 cm soil layer and the 0-20 cm soil layer were turned and filled back in layers |
表3
不同还田方式下玉米生长季的碳平衡"
| 处理 Treatment | NPPa (kg·hm-2) | NPPC (kg·hm-2) | RmC (kg·hm-2) | NEPC (kg·hm-2) | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| CK | 8226.67±122.20c | 5464.85±81.17c | 3877.45±25.10d | 1587.40±97.45b | 1.22±0.02a |
| QH | 10133.33±115.47a | 6731.43±76.70a | 5207.75±59.70b | 1523.67±67.09b | 1.12±0.01b |
| FG | 8893.33±100.66b | 5907.71±66.86b | 5581.18±28.03a | 326.53±40.07c | 0.92±0.01c |
| SH | 10200.00±200.10a | 6775.72±132.85a | 4895.84±20.19c | 1879.87±124.66a | 1.20±0.02a |
表4
不同秸秆还田方式下的玉米产量及其构成因素"
| 年份 Year | 处理 Treatment | 穗行数 Kernel row number (No.) | 穗粒数 Kernel number (No.) | 百粒重 100-grain weight (g) | 产量 Yield (kg·hm-2) |
|---|---|---|---|---|---|
| 2020 | CK | 17.20±0.35a | 576.15±5.38c | 30.37±0.73c | 8201.12±145.50c |
| QH | 17.50±0.50a | 634.42±14.40b | 31.34±0.81bc | 9055.20±67.39b | |
| FG | 17.85±0.79a | 685.02±10.61a | 32.83±0.65b | 10007.21±346.17a | |
| SH | 18.20±0.34a | 689.23±15.19a | 34.35±0.98a | 10117.79±99.42a | |
| 2021 | CK | 17.22±1.07a | 694.67±10.26b | 29.69±0.81c | 11466.67±611.01b |
| QH | 17.67±0.33a | 727.33±10.01a | 31.13±0.37b | 13066.67±115.47a | |
| FG | 17.56±0.51a | 718.00±10.53a | 31.86±0.72b | 12933.33±230.94a | |
| SH | 18.33±0.66a | 737.67±12.89a | 33.17±0.24a | 13533.33±115.47a |
| [1] |
doi: 10.1016/j.jclepro.2020.125178 |
| [2] |
doi: 10.1111/j.1365-2486.2011.02502.x |
| [3] |
武开阔, 张哲, 武志杰, 冯良山, 宫平, 白伟, 冯晨, 张丽莉. 不同秸秆还田量和氮肥配施对玉米田土壤CO2排放的影响. 应用生态学报, 2022, 33(3): 664-670.
doi: 10.13287/j.1001-9332.202203.013 |
|
|
|
| [4] |
靳玉婷, 李先藩, 蔡影, 胡宏祥, 刘运峰, 付思伟, 张博睿. 秸秆还田配施化肥对稻-油轮作土壤酶活性及微生物群落结构的影响. 环境科学, 2021, 42(8): 3985-3996.
|
|
|
|
| [5] |
doi: 10.1016/j.agee.2022.108175 |
| [6] |
doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.150837 |
| [7] |
doi: 10.1016/j.agee.2017.02.001 |
| [8] |
白银萍, 海江波, 杨刚, 黄晶, 董发勤, 刘明学, 聂小琴. 稻田土壤呼吸及酶活性对不同秸秆还田方式的响应. 应用与环境生物学报, 2017, 23(1): 28-32.
|
|
|
|
| [9] |
doi: 10.1016/j.jenvman.2020.110261 |
| [10] |
doi: 10.1080/14735903.2017.1288518 |
| [11] |
殷文, 史倩倩, 郭瑶, 冯福学, 赵财, 于爱忠, 柴强. 秸秆还田、一膜两年用及间作对农田碳排放的短期效应. 中国生态农业学报, 2016, 24(6): 716-724.
|
|
|
|
| [12] |
doi: 10.1016/j.still.2016.05.019 |
| [13] |
刘平奇, 张梦璇, 王立刚, 王迎春. 深松秸秆还田措施对东北黑土土壤呼吸及有机碳平衡的影响. 农业环境科学学报, 2020, 39(5): 1150-1160.
|
|
|
|
| [14] |
马玲, 王丹蕾, 韩昌东, 范丽娟, 金鑫鑫, 叶旭红, 邹洪涛. 秸秆还田方式对东北农田土壤NH3挥发和N2O排放的影响. 环境科学研究, 2020, 33(10): 2351-2360.
|
|
|
|
| [15] |
张晓龙, 沈冰, 权全, 董樑, 田开迪. 渭河平原农田冬小麦土壤呼吸及其影响因素. 应用生态学报, 2016, 27(8): 2551-2560.
doi: 10.13287/j.1001-9332.201608.024 |
|
|
|
| [16] |
doi: 10.1016/j.still.2019.104361 |
| [17] |
鲍士旦. 土壤农化分析. 3版. 北京: 中国农业出版社, 2000.
|
|
|
|
| [18] |
doi: 10.1016/j.still.2015.11.001 |
| [19] |
doi: 10.3390/agronomy9120818 |
| [20] |
doi: 10.1016/j.agee.2014.08.001 |
| [21] |
|
| [22] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2019.06.003 |
| [23] |
闫翠萍, 张玉铭, 胡春胜, 董文旭, 王玉英, 李晓欣, 秦树平. 不同耕作措施下小麦-玉米轮作农田温室气体交换及其综合增温潜势. 中国生态农业学报, 2016, 24(6): 704-715.
|
|
|
|
| [24] |
doi: 10.1016/j.geoderma.2017.04.029 |
| [25] |
朱晓晴, 安晶, 马玲, 陈松岭, 李嘉琦, 邹洪涛, 张玉龙. 秸秆还田深度对土壤温室气体排放及玉米产量的影响. 中国农业科学, 2020, 53(5): 977-989. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.05.010.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.05.010 |
|
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.05.010 |
|
| [26] |
郭海斌, 张军刚, 王文文, 冯晓曦, 许波, 王成业, 白冬, 杨永乾. 耕作方式与秸秆还田对土壤呼吸及其影响因素的影响. 陕西农业科学, 2018, 64(6): 1-3.
|
|
|
|
| [27] |
于建光, 李辉信, 胡锋, 沈英. 施用秸秆及接种蚯蚓对土壤颗粒有机碳及矿物结合有机碳的影响. 生态环境, 2006, 15(3): 606-610.
|
|
|
|
| [28] |
doi: 10.1080/03650340.2020.1800644 |
| [29] |
王维钰, 乔博,
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2016.11.010 |
|
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2016.11.010 |
|
| [30] |
陈全胜, 李凌浩, 韩兴国, 董云社, 王智平, 熊小刚, 阎志丹. 土壤呼吸对温度升高的适应. 生态学报, 2004, 24(11): 2649-2655.
|
|
|
|
| [31] |
doi: 10.1046/j.1354-1013.2001.00435.x |
| [32] |
doi: 10.1016/j.geoderma.2017.07.036 |
| [33] |
doi: 10.1016/j.ejsobi.2012.12.009 |
| [34] |
doi: 10.1016/j.geoderma.2009.12.023 |
| [35] |
doi: 10.1016/j.ejsobi.2011.05.004 |
| [36] |
doi: 10.1016/j.foreco.2004.09.001 |
| [37] |
doi: 10.1016/S0929-1393(03)00050-7 |
| [38] |
doi: 10.1038/s41598-021-93497-x |
| [39] |
葛高飞, 梁永超. 玉米生长过程中施肥对土壤呼吸和微生物量碳的影响. 中国农学通报, 2011, 27(18): 73-78.
|
|
doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.2011-0529 |
|
| [40] |
孙美佳, 周志勇, 王勇强, 沈颖, 夏威. 有机物添加对山西太岳山油松林土壤呼吸及碳组分的影响. 南京林业大学学报(自然科学版), 2023, 47(1): 67-75.
|
|
|
|
| [41] |
陈仕阳, 杨荣, 苏永中, 杜泽玉. 河西绿洲农田土壤呼吸特征及其对长期施肥的响应. 中国沙漠, 2022, 42(3): 178-186.
doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00147 |
|
doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00147 |
|
| [42] |
doi: 10.1016/j.catena.2021.105617 |
| [43] |
张俊丽,
|
|
|
|
| [44] |
doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.02.113 |
| [45] |
doi: 10.1016/j.agee.2015.03.016 |
| [46] |
doi: 10.1016/j.agee.2013.01.006 |
| [47] |
doi: 10.1111/gcb.12517 pmid: 24395454 |
| [48] |
|
| [49] |
张莉, 王婧, 逄焕成, 张珺穜, 郭建军, 董国豪. 短期秸秆颗粒还田对小麦-玉米系统作物产量与土壤呼吸的影响. 应用生态学报, 2018, 29(2): 565-572.
doi: 10.13287/j.1001-9332.201802.030 |
|
doi: 10.13287/j.1001-9332.201802.030 |
|
| [50] |
doi: 10.1021/es0705137 |
| [1] | 张方方, 宋启龙, 高娜, 白炬, 李阳, 岳善超, 李世清. 长期覆盖对黄土高原春玉米产量、土壤碳氮组分和碳氮库相关指数的影响[J]. 中国农业科学, 2025, 58(3): 507-519. |
| [2] | 吴文琪, 焦阳, 惠家祯, 王绪锋, 郭博森, 沈玉芳. 不同有机物料配施化肥对土壤肥力和玉米产量的影响[J]. 中国农业科学, 2025, 58(23): 4966-4978. |
| [3] | 熊志豪, 刘君权, 叶琳, 朱丹丹, 侯素素, 方娅婷, 丛日环, 任涛, 李小坤, 鲁剑巍. 稻油轮作系统秸秆直接还田与焚烧还田的作物产量和养分表观平衡特征[J]. 中国农业科学, 2025, 58(16): 3293-3303. |
| [4] | 王小彬, 闫湘, 李秀英, 孙兆凯, 涂成. 农林保水剂效果评价及其环境风险探讨[J]. 中国农业科学, 2024, 57(6): 1117-1136. |
| [5] | 刘雅杰, 张天娇, 张向前, 路战远, 刘战勇, 程玉臣, 武迪, 李金龙. 秸秆还田下耕作方式对黑土活性有机碳组分及碳库管理指数的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(17): 3408-3423. |
| [6] | 栗海鹏, 杜武焰, 吴涵茜, 张杰, 孟会生, 洪坚平, 徐明岗, 郝鲜俊, 高文俊. 不同有机肥对煤矿复垦区土壤养分及细菌群落结构的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(16): 3207-3219. |
| [7] | 焦智辉, 陈桂平, 范虹, 张金丹, 殷文, 李含婷, 王琦明, 胡发龙, 柴强. 绿洲灌区密植减量施氮玉米的水分利用特征[J]. 中国农业科学, 2023, 56(16): 3088-3099. |
| [8] | 于茹, 宋佳珅, 张宏媛, 常芳弟, 王永庆, 王希全, 王婧, 王伟妮, 李玉义. 秸秆隔层结合春灌对河套灌区盐碱地土壤呼吸及其温度敏感性的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(12): 2341-2353. |
| [9] | 张晨曦, 田明慧, 杨硕, 杜嘉琪, 何堂庆, 仇云鹏, 张学林. 酸性土壤中丛枝菌根真菌菌剂多样性对玉米产量及其磷钾吸收的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(15): 2899-2910. |
| [10] | 王国丽,常芳弟,张宏媛,卢闯,宋佳珅,王婧,逄焕成,李玉义. 不同厚度秸秆隔层对河套灌区盐碱土壤温度、水分和食葵产量的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(19): 4155-4168. |
| [11] | 李含婷,柴强,王琦明,胡发龙,于爱忠,赵财,殷文,樊志龙,范虹. 绿洲灌区不同施氮水平下玉米绿肥间作模式的水分利用特征[J]. 中国农业科学, 2021, 54(12): 2608-2618. |
| [12] | 朱晓晴,安晶,马玲,陈松岭,李嘉琦,邹洪涛,张玉龙. 秸秆还田深度对土壤温室气体排放及玉米产量的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(5): 977-989. |
| [13] | 普雪可, 吴春花, 勉有明, 苗芳芳, 侯贤清, 李荣. 不同覆盖方式对旱作马铃薯生长及土壤水热特征的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(4): 734-747. |
| [14] | 李强, 黄迎新, 钟荣珍, 孙海霞, 周道玮. 豆-禾混播草地中紫花苜蓿比例对其固氮效率的影响及潜在生理机制[J]. 中国农业科学, 2020, 53(13): 2647-2656. |
| [15] | 范凯凯,佟旭泽,闫玉春,辛晓平,王旭. 呼伦贝尔草原蘑菇圈对土壤呼吸作用的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(13): 2595-2603. |
|
||