小麦-玉米周年耕作方式与增施有机肥对夏玉米土壤有机碳库及温室气体排放的影响

张黛静，宗洁静，马建辉，杨雪倩，胡晓，许双

河南师范大学生命科学学院，河南 新乡 453007

土壤有机碳库作为衡量农田土壤质量的重要指标，其变化直接影响土壤肥力与作物产量（孙小花等，2018；李倩等，2018）。近年来，由于耕作不当、施肥不合理等原因，导致农田土壤理化性状发生改变，进而造成有机碳含量降低、土壤退化，最终影响作物的生长（杨双剑等，2014；张明园等，2012）。冬小麦-夏玉米一年两熟是华北平原主要的轮作方式，如何通过合理耕作与施肥等农艺措施有效提高作物产量并改善土壤肥力是栽培学者追求的目标（武均等，2018）。有研究表明，小麦-玉米周年中，小麦深耕与玉米免耕下能保持较高的作物产量与土壤固碳作用（冯倩倩等，2018）；适宜的施肥不仅可提高土壤有机碳含量，还有利于作物生长，进而提高作物产量（陈欢等，2014）。Liang et al.（2012）研究发现，小麦-玉米周年体系中，增施有机肥能有效提高易氧化有机碳含量。

此外，大气中N2O、CH4和CO2温室气体排放的增加造成全球气候变暖，而农田土壤作为重要的温室气体排放来源，不合理的耕作与施肥等农田管理措施将会影响农田温室气体排放，并降低土壤固碳能力（Melillo et al.，2002；Snyder et al.，2009；李虎等，2012）。农田土壤碳库是全球生态系统中活跃的碳库，同时也是温室气体的重要源和汇（石岳峰等，2012）。研究表明，温室气体排放水平受到秸秆还田、肥料施用、耕作措施等因素的影响，并影响土壤碳库（金琳等，2008）。高洪军等（2017）研究发现有机肥与无机肥配施能实现较高的玉米产量和较低的温室气体排放强度。Zhu et al.（2016）在长达 13年的长期耕作试验中发现，免耕相比于常规翻耕能够减少土壤N2O与 CO2的排放。近年来，随着农业种植方式、化学肥料使用逐年增加与耕作措施等人类生产活动的影响，农田土壤质量与温室气体排放逐渐受到影响（武均等，2018；姚凡云，2019）。因而，探索合理的农田管理措施，来提高土壤生产力的同时有效减少温室气体排放已成为当务之急。

综上，前人就耕作、施肥等对土壤有机碳与温室气体排放的影响进行了相关研究（Lognoul et al.，2017；张贺等，2013；孔凡磊等，2010），但对于华北平原小麦-玉米周年体系，耕作与增施有机肥对玉米土壤活性有机碳变化、温室气体排放及综合温室效应特征关系的研究未见报道。为此，本研究在大田7年定位试验基础上，研究了小麦-玉米周年模式下，不同耕作与施肥模式对当季夏玉米土壤有机碳库、温室气体排放特征及产量的影响，旨在探寻适合该区的农田管理模式，为在稳定华北平原小麦-玉米周年体系作物产量的同时固定土壤碳以及减少温室气体排放提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该试验在河南省许昌市建安区陈曹乡高产试验田（34°03′N，113°85′E）进行，该地区属于大陆性暖温带季风气候，年平均气温为 15.4 ℃，年均降水量为756.1 mm。种植模式为冬小麦-夏玉米一年两熟，土壤为中壤土。2018年玉米播前采集并测定0—20 cm土层的土样，供试土壤基本理化性质见表1。

表1 播前土壤耕层（0—20 cm）基本特性Table 1 Soil properties of 0-20 cm layer before maize sowing

1.2 试验设计

本试验从2010年开始耕作与增施有机肥定位试验，采用二因素区组设计，二因素为耕作与增施有机肥，设置小麦深耕+玉米免耕（DT）、小麦浅耕+玉米免耕（ST）、小麦免耕+玉米免耕（NT）、小麦深耕有机肥+玉米免耕（DTF）、小麦浅耕有机肥+玉米免耕（STF）和小麦免耕有机肥+玉米免耕（NTF）6个处理，小区面积为20 m×14 m=280 m2，3次重复。具体耕作与施肥措施为：小麦季播种前深耕（30—40 cm）、浅耕（15—25 cm）和免耕（不进行耕作处理仅表面耙地）。播种机进行小麦播种、覆土及镇压等多种工作；小麦季单施复合肥750 kg·hm-2（折合纯 N 187.5 kg·hm-2，P2O5112.5 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2）和复合肥 750 kg·hm-2+有机肥 950 kg·hm-2（折合纯 N 55.1 kg·hm-2，P2O50 kg·hm-2，K2O 9.5 kg·hm-2，有机质质量分数 427.5 g·kg-1），玉米播前不再进行耕作处理，前茬小麦秸秆粉碎后还田（4000 kg·hm-2），播种前施入复合肥 750 kg·hm-2（折合施纯 N 210 kg·hm-2、P2O545 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2）。2018年6月3日播种玉米，供试品种为“登海605”，宽窄行种植，宽行为80 cm，窄行为40 cm，株距28 cm，种植密度为60000 plant·hm-2。2018年9月16日收获。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤样品的采集

分别于玉米的拔节期（7月1日）、大喇叭口期（7月15日）、灌浆期（8月26日）、成熟期（9月16日）采集土壤样品，采用五点法（随机）分别采集各小区 0—20、20—40、40—60 cm 土壤样品，并除去石砾与植物残根，自然风干，过2 mm与0.25 mm筛子备用。

1.3.2 土壤有机碳库含量测定

土壤总有机碳采用 TOC测定仪测定（胡慧蓉等，2012）；土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法测定（陈源泉，2016）；土壤颗粒有机碳采用六偏磷酸钠提取法进行测定（Cambardella et al.，1992）。

1.3.3 温室气体排放通量与测定

温室气体采集采用静态箱-气相色谱法。气体样品分别于玉米拔节期、大喇叭口期、灌浆期与成熟期进行采集，采集时间为上午9:00—11:00。采样箱为半径20 cm，高1 m的PVC材料圆柱，底座半径20 cm，高20 cm，内无植株，整个玉米生育期保持固定。罩上采样箱0、10、20、30 min时从箱中抽取50 mL混合气体，然后注入到0.1 L的铝箔采样袋（大连，德霖）中，样品采集的48 h内，用Agilent A（7890）型气相色谱仪分析气体N2O、CH4和CO2。

温室气体排放通量计算公式（吕艳杰等，2016）：

式中，F为气体排放通量（单位：mg·m-2·h-1），CO2单 位 为 mg·m-2·h-1，N2O 和 CH4单 位 为μg·m-2·h-1；ρ为标准状态下气体的密度（kg·m-3）；h为采样箱净高度（m），dc/dt为单位时间内采样箱内气体的浓度变化率，273为绝对温度；T为采样时箱内平均温度（℃）。

玉米生长季内的温室气体累计通量（姚凡云等，2019）：

式中，Y为农田土壤排放气体总量（kg·hm-2）；F为气体排放通量（mg·m-2·h-1）；i为第i次，（ti+1-ti）为两次间隔天数；n为采样次数。

农田产生的综合增温趋势（GWP）（Forster et al.，2007）：

式中，FCO2、FN2O、FCH4分别为CO2、N2O、CH4的累积排放通量；100年时间尺度上N2O和CH4的全球增温潜势分别是单位质量CO2的298、25倍。

温室气体排放强度（GHGI。吕艳杰等，2016）：

式中，Y为不同处理单位面积平均产量（kg·hm-2）。

1.3.4 玉米产量

于玉米成熟期在各小区去掉两侧边行和每行两端各一株后收获2行玉米，自然晒干并称质量，计算产量，另随机选择30穗考种。

1.4 数据处理

试验数据运用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理、分析与作图；运用SPSS 17.0软件进行统计分析，采用LSD法进行显著性方差检验。

2 结果与分析

2.1 前茬作物耕作与增施有机肥对玉米土壤有机碳库的影响

2.1.1 土壤总有机碳

图1 前茬作物不同耕作与增施有机肥对玉米土壤总有机碳的影响Fig. 1 Effects of preceding crop different tillage and organic fertilizer application on total organic carbon in maize soil

由图1可知，土壤总有机碳含量随土层加深而降低。整个玉米生育期中，增施有机肥的土壤总有机碳均高于未施有机肥。在0—20 cm土层，玉米生育期土壤有机碳质量分数的变化范围为 6.92—21.65 g·kg-1。增施有机肥下，拔节期、灌浆期与成熟期土壤总有机碳总体为NTF＞STF＞DTF。在20—40 cm土层，拔节期、大喇叭口期、成熟期STF处理的土壤总有机碳含量均显著高于其他处理（P＜0.05）；大喇叭口期的STF处理达到最大值，为14.23 g·kg-1。40—60 cm土层，施有机肥条件下，大喇叭口期、灌浆期与成熟期总有机碳含量表现为STF＞NTF＞ DTF，处理之间差异显著（P＜0.05）。

2.1.2 土壤易氧化有机碳

由图 2可知，增施有机肥处理的易氧化有机碳含量高于未施加有机肥。土壤易氧化有机碳含量随着土层的加深逐渐降低。在0—20 cm土层，玉米生育期土壤易氧化有机碳含量的变化范围为 3.02—5.71 g·kg-1。成熟期易氧化有机碳含量最低，较之未施有机肥，增施有机肥可分别提高土壤易氧化有机碳11.84%、0.63%和40.95%。20—40 cm土层，增施有机肥条件下，随着生育期的进行呈现先升高再降低的趋势。灌浆期DTF处理的易氧化有机碳显著高于其他增施有机肥处理（P＜0.05），为4.29 g·kg-1。在40—60 cm土层，拔节期与成熟期在增施有机肥条件下，表现为NTF＞STF＞DTF。DTF与STF处理的易氧化有机碳含量随生育期推进均呈现先升高在降低的趋势，NTF处理随生育期进行逐渐升高。

2.1.3 土壤颗粒有机碳

由图3可知，随着土层加深，各处理的颗粒有机碳含量均呈现逐渐降低的趋势，且各处理的颗粒有机碳含量在0—20 cm土层含量较高，而20—60 cm土层的土壤颗粒有机碳含量下降速度较快。在0—20 cm土层，增施有机肥条件下，拔节期和灌浆期颗粒有机碳含量表现为 DTF＞NTF＞STF，而在成熟期 NTF处理的颗粒有机碳质量分数显著高于 DTF和 STF（P＜0.05），其值为 2.52 g·kg-1，分别比 DTF和 STF提高了66.10%和62.55%。在20—40 cm土层，拔节期各处理的土壤颗粒有机碳含量均为最高，土壤颗粒有机碳质量分数在DTF处理最大，为3.50 g·kg-1。40—60 cm土层，在增施有机肥条件下，拔节期、大喇叭口期和成熟期土壤颗粒有机碳含量表现为 STF＞DTF＞NTF，且STF与DTF、NTF差异显著（P＜0.05）。

2.2 前茬作物耕作与增施有机肥对玉米产量的影响

由表2可知，单施化肥条件下，与深耕和免耕相比，浅耕有利于提高玉米的穗粒数、百粒质量和产量。增施有机肥条件下，DTF处理下玉米产量最高，为 12170 kg·hm-2，显著高于 DT 处理（P＜0.05）。比较不同耕作，DTF比NTF和STF分别增产8.79%和6.99%，差异显著（P＜0.05）。但耕作与增施有机肥对穗粒数和百粒质量影响无显著差异。

表2 前茬作物不同耕作与增施有机肥对玉米产量及构成的影响Table 2 Effects of preceding crop different tillage and increasing application of organic fertilizer on yield and composition of maize

图2 前茬作物不同耕作与增施有机肥对玉米土壤易氧化有机碳的影响Fig. 2 Effect of preceding crop different tillage and organic fertilizer application on easily oxidized organic carbon in maize soil

图3 前茬作物不同耕作与增施有机肥对玉米土壤颗粒有机碳的影响Fig. 3 Effect of preceding crop different tillage and organic fertilizer application on particulate organic carbon in maize soil

2.3 前茬作物耕作与增施有机肥对玉米田温室气体排放的影响

不同耕作与增施有机肥对温室气体排放的影响如表3所示。结果表明，玉米季华北平原为N2O和CO2的排放源，CH4为吸收汇。由表3可知，施加有机肥增加了 CO2的累积排放量，DTF处理的CO2累积排放量显著高于其他处理，NT处理的CO2累积排放量最低（P＜0.05）；同一耕作处理下，增施有机肥增加 N2O累积排放量与 CH4累积吸收量（STF处理降低CH4吸收量），DTF处理显著增加了N2O的累积排放量，NTF处理的N2O累积排放量比NT低1.85 kg·hm-2，CH4累积吸收量NTF处理显著高于其它处理（P＜0.05），其次为DTF处理。

耕作与施有机肥均显著提高了玉米季的全球增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）（P＜0.05）。同一耕作处理下，DTF与DT相比全球增温潜势与温室气体排放强度差异显著，分别高出6288.43 kg·hm-2和 0.61 kg·hm-2，STF 和 ST，NTF和NT差异不显著（P＜0.05）；增施有机肥条件下，全球增温潜势与温室气体排放强度均表现为DTF＞STF＞NTF，以 DTF处理最高。NTF处理的GWP和GHGI均比DTF降低63.29%，57.22%。

2.4 土壤有机碳库与温室气体累积通量的相关分析

相关分析表明，玉米成熟期0—20 cm土层土壤有机碳库与大气温室气体间存在一定相关关系（表 4）。其中，土壤总有机碳与易氧化有机碳和颗粒有机碳之间呈极显著正相关（P＜0.01），与 CO2显著负相关（P＜0.05）。易氧化有机碳与颗粒有机碳极显著正相关（P＜0.01）。颗粒有机碳与 CO2显著负相关（P＜0.05）。N2O与CO2极显著相关（P＜0.01）。

3 讨论

3.1 前茬作物耕作与增施有机肥对玉米土壤有机碳库的影响

土壤有机碳库的周转与转化直接影响土壤肥力与土壤质量，进而影响作物产量（赵丽娟等，2006）。土壤总有机碳能够增加土壤碳库储量，改善土壤生产力（刘彩霞等，2018）。一般而言，土层越深土壤总有机碳含量越低（宋丽萍等，2016），这与本研究结果一致。本研究发现在各生育期土壤总有机碳含量随着土层深度的增加均呈现降低的趋势，耕层土壤（0—20 cm土层）土壤总有机碳含量大于20—40 cm和40—60 cm土层。成熟期0－20 cm土层，NTF处理土壤总有机碳含量最高，是因为表层土壤没有发生扰动，降低了土壤有机碳矿化率，使表层土壤有机碳积累（陈学文等，2013）。本试验中，增施有机肥有利于提高土壤总有机碳含量，这与张贵龙等（2012）研究一致。作为土壤有机碳库重要组成的易氧化有机碳和颗粒有机碳可以更好地反映土壤微小变化，能够快速表征土壤质量变化和转化速率（Saviozzi et al.，2001；王清奎等，2005）。本研究结果显示，土壤易氧化有机碳、颗粒有机碳含量在0—20 cm土层表现较高，并且增施有机肥处理的易氧化有机碳与颗粒有机碳均大于未施有机肥处理，这与Ouédraogo et al.（2006）研究的有机肥能够增加颗粒有机碳含量的结果一致。

表3 前茬作物不同耕作与增施有机肥对玉米田温室气体（N2O、CH4和CO2）累积通量与全球增温潜势Table 3 Effects of preceding crop different tillage and increasing application of organic fertilizer on cumulative greenhouse gas fluxes (N2O， CH4 and CO2)and global warming potential in maize fields

表4 土壤有机碳库与温室气体排放通量的相关性Table 4 Correlation coefficients between Soil organic carbon storage with greenhouse gas emissions

相关分析表明，土壤总有机碳与易氧化有机碳和颗粒有机碳呈极显著相关，说明土壤活性碳很大程度上依赖于土壤总有机碳，这与张赛等（2015）研究一致。并且本试验发现在NTF处理下易氧化有机碳与颗粒有机碳较高，说明免耕对土壤扰动较少，田间残留的小麦、玉米秸秆与根系易被微生物利用降解，易氧化有机碳与颗粒有机碳对其变化较为敏感，使其含量发生变化。而20—60 cm土层STF与DTF处理能够有效增加土壤总有机碳、易氧化有机碳与颗粒有机碳的含量。Luo et al.（2010）也认为，免耕虽然能够提高0—10 cm土层含量，却降低了20—40 cm土层的碳含量。原因可能是免耕使秸秆与肥料分布于表层没直接引起土层间根系分泌物与养分分布不均匀，间接影响了土层间的有机碳的含量。而深耕与浅耕打破了耕层，使表层土壤碳库矿化，不利于表层土壤有机碳库的积累（王艳杰，2018）。

3.2 前茬作物耕作与增施有机肥对玉米产量的影响

采用合理的农田土壤管理措施，能够在减少环境破坏的同时获得较高的产出（Chen et al.，2014）。张建省等（2013）研究认为，华北平原小麦-玉米周年中，周年作物稳定高产的适合耕法与施肥措施组合是小麦深耕-玉米免耕，并配合有机肥处理，产量可比当前普遍常规模式高出10.6%，这与本研究结果一致。本试验中，综合考虑不同耕作与施肥组合模式下，小麦深耕并増施有机肥较其他处理能够显著提高玉米产量。相同耕作处理下，增施有机肥与单施化肥相比，玉米的穗粒数、百粒质量与产量都有较好的提高。在相同施肥处理下，小麦深耕能够显著提高玉米的产量，并在 DTF处理达到最高产量，有效提高玉米穗粒数与百粒质量，原因是小麦-玉米周年中深耕能够对土壤有所松动，而有机肥能够改善土壤物理性状，增加微生物数量，因此有利于水分与有机肥渗入土壤中，达到保水保肥的效果，从而使产量提高；而免耕虽然有利于土壤有机碳的积累，增强肥力，但是长期免耕不利于土壤根系下扎，从而使产量下降（姬强等，2014；冯倩倩等，2018）。

3.3 前茬作物耕作与增施有机肥对玉米田温室气体排放总量与增温潜势的影响

综合考虑耕作与施肥处理对3种温室气体排放和吸收的影响，深耕并増施有机肥对温室气体的吸收与排放影响较大，耕作与施肥措施不仅扰动了土壤结构，还使有机肥与土壤相结合，为微生物提供良好的生存环境，促进土壤中微生物参与各种生化过程。NTF处理降低N2O的排放通量，可能因为常年免耕没有造成土壤扰动，增施有机肥也提高了土壤微生物活性，增加了N2O还原量，从而抑制温室气体排放（闫翠萍等，2016；丁晨曦，2016）。

增施有机肥可以增强土壤中微生物的活性，同时改进土壤质量，促进作物根系的生长，进而增加CO2的排放通量（郝晓晖等，2010）。本研究中与未施有机肥相比，增施有机肥能够增加CO2排放。而免耕则有效地控制了有机碳的矿化，减少土壤扰动，从而抑制 CO2的排放（李英臣等，2014）。本研究中，NTF与NT处理显著降低了CO2的排放通量。DTF处理CO2排放通量最大，可能因为深耕加速了有机碳矿化，造成CO2排放通量增加（薛建福等，2013）。结合本试验土壤有机碳库与温室气体排放的相关性，可知土壤有机碳与CO2排放通量呈显著负相关，这与时秀焕（2012）的研究结果一致。

玉米生育期CH4累积通量均为负值，表明玉米田是大气的净吸收汇，这与其他旱地农田土壤CH4通量研究一致（宋利娜等，2013；朱龙飞等，2019）。本试验中，NTF处理CH4吸收量最大，DT处理CH4吸收量最小，因为耕作破坏了土壤原有结构，降低了CH4汇的强度（刘巽浩等，2013），而DTF相比DT处理CH4吸收量增加了83%，说明增施有机肥为土壤中甲烷氧化菌的生长提供了有益的条件，更利于CH4的氧化，这与高洪军等（2017）研究一致。然而，也有研究认为有机肥施用抑制旱田对CH4的吸收（董玉红等，2005）。由于旱田中有关耕作与有机肥对CH4吸收量影响不一致，因此需要进一步研究。

本试验中，增施有机肥条件下，综合增温潜势与温室气体排放强度在免耕下最低，NTF处理的GWP和 GHGI均比 DTF和 STF降低 63.29%、57.22%和35.22%、23.08%。因此在本试验条件下，免耕并增施有机肥能有效降低温室气体排放强度与综合增温潜势，达到固碳减排效果。

4 结论

（1）玉米土壤总有机碳、易氧化有机碳与颗粒有机碳随着土层加深呈现降低的趋势。增施有机肥土壤总有机碳、易氧化有机碳与颗粒有机碳含量均高于单施化肥条件。0—20 cm土层，NTF处理能够有效增加玉米土壤有机碳、易氧化有机碳和颗粒有机碳的含量，DTF与STF处理能够显著增加20—60 cm土层的土壤总有机碳、易氧化有机碳与颗粒有机碳含量。

（2）在华北平原小麦-玉米周年中，增施有机肥与单施化肥相比显著增产，深耕与有机肥结合处理能够有效提高玉米的穗粒数与百粒质量，同时了达到最高产量。

（3）在本试验条件下，N2O与CO2为源，CH4为汇。NTF处理能够有效降低N2O和CO2排放量，提高CH4的吸收量，同时减少温室气体排放强度与综合增温潜势。

从短期监测结果分析，华北平原玉米季采用小麦免耕増施有机肥+玉米免耕，能够在保持玉米较高产量的同时固定表层土壤碳与降低温室气体排放，本结论将与下一季小麦土壤固碳与温室气体减排相结合，为确定华北平原合理耕作与施肥方式提供更加有效的依据。