2018, Vol. 39
2. 内蒙古土壤肥料工作站, 呼和浩特 010011;
3. 杭锦后旗农业推广中心, 巴彦淖尔 015000;
4. 内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室, 呼和浩特 010010
2. Soil and Fertilizer Station in Inner Mongolia, Hohhot 010011, China;
3. Hangjinhouqi Agricultural Extension Center, Bayinnaoer 015000, China;
4. Inner Mongolia Key Laboratory of Soil Quality and Nutrient Resources, Hohhot 010010, China
全球变暖是当今世界面临的重大环境问题, 已对人类生产、生活造成了严重的影响[1]. N2O、CH4和CO2被认为是最重要的3种温室气体, 2011年大气中N2O、CH4和CO2体积分数分别为324、1 803和391 nL·L-1, 较1760年增长了0.21、1.52和0.4倍, 每年还以0.23%、0.28%和0.51%的速度在持续增长[1].目前, 农业生产排放的温室气体占人类活动温室气体排放总量的14%左右[1, 2], CH4和N2O在农业中的排放量分别占人类活动产生总量的52%和65%[3~5], 如何采取有效措施减少农业温室气体排放成为各国政府和科学界研究的热点.
农田温室气体排放主要受到气候因素、土壤因素和农业措施等方面的影响, 而采用合理的施肥措施是减少农业温室气体排放的主要手段.膨润土、聚丙烯酸钾和生物炭是3种改土材料, 它们固有的结构特征和理化特性使其拥有了较强的吸附性、粘结性和可塑性, 对农田温室气体减排有很好的应用前景[6~9].膨润土的主要成分是蒙脱石, 对土壤的改良效果被很多研究结果证实[10, 11].在不同的土壤环境中, 膨润土可以起到不同的改良效果, 在沙地中膨润土可减少肥料损失, 增强肥料利用率; 在肥力较低、有机质含量低的农田中, 膨润土可增加土壤有机质含量, 提高作物产量; 在被重金属污染的土壤中, 膨润土的离子交换性可固定重金属, 降低其有效性, 以达到修复土壤的作用[7].蒙脱石的间层结构决定了膨润土对土壤中碳、氮有较强的吸附作用[12], 其对农田温室气体究竟产生何种影响, 目前资料较少, 值得深入研究.聚丙烯酸钾是一种颗粒状水溶性高分子聚合物, 除具备高吸水性外, 还有生产简单、性质稳定、分解产物对环境无害等特点[13].聚丙烯酸钾施入土壤后, 可降低土壤容重, 提高土壤孔隙度, 改善土壤通透性, 减少CH4和N2O产生需要的厌氧状态[13, 14].目前, 关于聚丙烯酸钾的研究主要集中于施用方式、保水保肥效果、与其他有机或无机材料合成的新型保水剂及保水性能的研究等[13~15], 针对农田温室气体减排的研究还少见报道.目前, 生物炭对农田温室气体减排的研究已进入较为成熟的阶段, Zhang等[16]通过对玉米田的研究发现, 生物炭施用量达到20 t·hm-2时可显著降低N2O排放, 施用量达到40 t·hm-2时对N2O的排放降幅达到54.3%~56.7%.刘玉学等[17]和王欣欣等[18]通过对稻田土壤的研究发现, 生物炭的施入不仅改善了土壤的理化性质, 还增强了土壤对NO3-的吸附能力, 进而对稻田N2O的排放产生了抑制作用.国外的研究表明, 生物炭可增加土壤中有机物的热解温度, 降低有机物的分解速率, 延缓了土壤中碳、氮养分的释放, 从根本上减弱了CH4和N2O的产生[19]. Zhang等[16]研究了生物炭用量对农田温室气体排放的影响, 刘玉学等[17]和王欣欣等[18]研究了生物炭对稻田土壤温室气体排放的影响, 而在北方旱地农田, 温室气体对膨润土、聚丙烯酸钾和生物炭等多种土壤改良材料的响应研究还尚未见到相关报道.
河套灌区是中国三大灌区之一, 是内蒙古重要的粮食生产基地[20].灌区施肥后以黄河水漫灌的田间管理方式增加了农田N2O排放和氮素的淋溶损失, 氮肥的大量损失引起了温室气体排放、土壤和水体氮素富营养化、土壤酸化等环境问题[20].目前, 针对河套灌区玉米-土壤体系温室气体排放的研究还少见报道.因此, 本研究结合了河套灌区现有的耕作条件和田间管理措施, 在常规施肥的基础上添加膨润土、生物炭和聚丙烯酸钾等土壤改良剂, 并对河套灌区玉米种植模式下温室气体排放展开系统的研究, 明确不同土壤改良剂对河套灌区农田温室气体排放的影响, 对提供科学的施肥措施、保护和改善河套灌区生态环境, 促进农业持续健康发展具有重要意义.
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地位于内蒙古巴彦淖尔市杭锦后旗头道桥镇联增村(40°26′~41°13′N, 106°34′~107°34′E), 地处河套平原, 海拔1 032~1 050 m, 属温带大陆性气候.年均气温7.9℃, 年均降雨量136.5 mm, 土壤以硫酸盐-氯化物盐化潮土为主, 供试土壤(0~20 cm)的基本理化性质为pH 8.2, 有机质12.8 g·kg-1, 全氮0.8 g·kg-1, 有效磷8.1 mg·kg-1, 速效钾102.1 mg·kg-1, 碱化度233.8g·kg-1, 盐度5.3 g·kg-1, 硝态氮7.4 mg·kg-1, 铵态氮3.2 mg·kg-1.
1.2 试验设计试验于2015年4月~2015年10月、2016年4月~2016年10月进行, 供试作物为玉米, 品种为内单314, 玉米行距60 cm, 株距20 cm, 种植密度为82 500株·hm-2.试验共设5个处理, 具体为：①不施肥, 处理编号NF; ②常规施肥(磷酸二铵600 kg·hm-2做基肥+尿素825 kg·hm-2做追肥), 对照, 处理编号CK; ③常规施肥+膨润土(6 t·hm-2), 膨润土仅第一年施用, 处理编号B; ④常规施肥+生物炭(1.5 t·hm-2), 处理编号C; ⑤常规施肥+聚丙烯酸钾(75kg·hm-2), 处理编号PAM, 以上土壤改良剂用量均按照商品推荐用量施用, 每个处理3次重复, 共15个小区, 随机排列, 每个小区面积为133 m2(19 m×7 m), 各小区间以土垄分割.
田间管理：在玉米生育期内施肥、灌水3次, 氮肥的50%与全部磷肥在播种前基施(5月3日), 6月19日第一次追肥, 7月9日第二次追肥, 追肥种类为尿素, 第一次追施全部氮肥的30%, 第二次追施全部氮肥的20%, 所有土壤改良剂随基肥施于土壤表层, 后用旋耕机将肥料与耕层土壤充分混匀.试验田年灌溉用水量750~900 m3·hm-2, 第一次灌水在6月20日; 第二次灌水在7月10日, 第三次灌水在8月15日, 两年施肥灌水日期大体一致.玉米9月15日左右进行收获, 测产.
1.3 样品的采集及测定项目温室气体的采集与监测：静态暗箱由箱体和底座两部分组成, 箱体使用1.2 mm厚不锈钢板焊接制成, 长、宽、高为50 cm×50 cm×50 cm, 在一侧距底部约25 cm处接取气三通阀, 在其旁有温度探测口, 箱外层包覆泡沫层用来保温, 箱内顶部安装小型风扇用以混匀箱内气体.底座长、宽、高为50 cm×50 cm×15 cm, 底座下连接长度为12 cm的楔子, 底座上有高3 cm的水槽用于注水, 以密封箱体.每个处理共设3个采样箱重复, 与各处理小区重复一一对应.在玉米播种前, 选每个小区中心位置安装底座.底座插入土层12 cm深处, 使水槽与地表平行, 整个生长季不再移动, 底座内不种植玉米.在玉米播种后, 每7 d采集1次温室气体样品, 追肥后2 d采集1次, 1周后恢复7 d采集1次.每次于上午08:30~11:30进行, 所有处理同时采样, 分别于关箱后的0、10、20、30 min用注射器采气, 同时用温度计测定箱内温度, 用地温计测定0~10 cm土层温度.收集的气体用300 mL气袋保存, 气体样品带回实验室采用美国Picarro公司生产的Picarro G2308 N2O CH4 H2O分析仪测定N2O、CH4含量, 用Picarro G2301CO2 CH4 H2O分析仪测定CO2含量.
土壤样品的采集与监测：于每次收集气体后, 用直径5 cm的土钻多点采集0~10 cm土层土样, 采用烘干法测定其土壤含水量.于玉米收获后, 多点采集0~20 cm的土壤样品, 形成混合土样, 以2 mol·L-1的KCl溶液作为浸提液(水土比10:1), 用连续流动分析仪(FIAstar5000)测定其硝态氮和铵态氮含量; 用重铬酸钾容量法测定土壤有机质; 半微量开氏法测定土壤全氮; 1 mol·L-1NH4OAC浸提火焰光度法测定土壤速效钾; 0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提分光光度法测定土壤速效磷; 电位法(土水比1:5)测定土壤pH.
1.4 数据处理与分析方法 1.4.1 N2O、CH4和CO2排放通量的计算N2O、CH4和CO2排放通量根据下式进行计算[21]：
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式中, F为被测气体排放通量, 单位为mg·(m2·h)-1; ρ为被测气体标准状态下的气体密度(kg·m-3); h为采样箱的有效高度(m); dc/dt为箱体内被测气体的浓度变化率; T为采样时箱内平均气温(℃), 用各重复的平均值表示各处理每次排放通量.
1.4.2 N2O、CH4和CO2累计排放量的计算气体排放总量的计算公式如下:
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式中, G为温室气体排放总量(kg·hm-2); Fi为第i次采样时气体排放通量[mg·(m2·h)-1]; di为第i次采样至下一次采样的间隔天数; d为生育期总天数, 100为单位转换系数.
1.4.3 综合增温潜势计算综合增温潜势(GWP)的计算公式如下:
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式中, RN2O为N2O生育期累计排放量(kg·hm-2); RCH4为CH4生育期累计排放量(kg·hm-2); RCO2为CO2生育期累计排放量(kg·hm-2); GWPN2O为N2O增温潜势; GWPCH4为CH4增温潜势; GWPCO2为CO2增温潜势, 在100 a的时间尺度下, CH4和N2O的增温潜势分别是CO2的34倍和298倍[22].
1.4.4 温室气体排放强度计算温室气体强度表示农业单位产量与气候变化的关系, 是将环境效益和经济效益相协调的综合评价指标[23].
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式中, GHGI为温室气体强度(kg·t-1), 产量为单位面积平均产量(kg·hm-2).
1.4.5 净生态系统经济预算净生态系统经济预算(NEEB)是作物生产和农业活动的重要参考指标[24], 计算公式如下：
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成本式中, NEEB单位为元·hm-2; 产量收益为当前玉米价格(2元·kg-1)与玉米籽粒产量乘积来获得; 种植成本包括机械翻耕费用(1 400元·hm-2)、机械收获(1 000元·hm-2)、农药和除草剂(1 400元·hm-2)、氮肥(1 056元·hm-2)、磷肥(1 530元·hm-2)、膨润土(1 200元·hm-2)、秸秆生物炭(600元·hm-2)、聚丙烯酸钾(525元·hm-2); GWP成本以碳交易价格(103.7元·t-1, 以CO2-eq计)与GWP的乘积计算[25].
1.4.6 数据处理运用Excel软件和SAS9.2软件进行数据统计与分析, 所有数据结果均以两年平均值±标准差的形式表示, 用LSD法进行差异显著性检验.
2 结果与分析 2.1 土壤改良剂对玉米田N2O、CH4和CO2排放通量的影响如图 1所示, 除NF外, 各处理N2O排放通量变化趋势基本一致, 呈现双峰型排放规律, 各施肥处理均于追肥灌水后5~7 d出现N2O排放峰值, 随后逐渐降低.施入基肥后, 各处理N2O排放通量较小, 且变化平稳, 未出现排放峰值.各处理N2O排放通量最高峰出现于第一次追肥灌水后7 d左右, 于峰值后3~4 d降低至较低水平.第二次追肥灌水后7 d左右, 各施肥处理N2O排放通量稍有所升高, 随后逐渐降低, 至玉米成熟期, N2O排放通量几乎为零.如表 1所示, NF、CK、B、C和PAM处理N2O平均排放通量分别为0.04、0.57、0.43、0.61和0.35 mg·(m2·h)-1.与对照相比, B和PAM处理N2O平均排放通量显著降低了24.56%和38.60%. C处理N2O平均排放通量与CK无显著差异.
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向下箭头表示施肥, 向上箭头表示浇水, 误差线为标准误差, 下同 图 1 不同处理玉米田N2O排放通量季节变化 Fig. 1 Seasonal variation of N2O emission flux in the maize field with different treatments |
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表 1 不同处理温室气体平均排放通量 Table 1 Average emission flux of greenhouse gases with different treatments |
玉米田CH4排放通量季节变化如图 2所示, 在灌水后5~7 d, 个别处理出现CH4排放峰值, 这是因为玉米田灌水后, 土壤含水量增大(图 3), 土壤环境剧烈变化, 形成了有利于CH4产生所需要的厌氧环境, 促进了CH4的形成.其余时期土壤含水量变化较为平稳, 各处理CH4排放通量均为负值, 即土壤吸收大气中CH4. NF、CK、B、C和PAM处理CH4平均排放通量分别为-4.46、-5.30、-14.83、-16.66和-4.77 μg·(m2·h)-1.与CK相比, B、C处理CH4平均排放通量显著降低了179.81%和214.34%, 其余处理无显著差异.
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图 2 不同处理玉米田CH4排放通量季节变化 Fig. 2 Seasonal variation of CH4 emission flux in the maize field with different treatments |
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图 3 玉米生长季土壤含水量的动态变化 Fig. 3 Dynamic change of soil water content during the growing season of maize |
图 4中, 各处理CO2排放通量变化趋势大体相同, 呈单峰型排放规律, 于6月末达到CO2排放峰值.玉米播种初期, 由于土壤温度较低(图 5), 微生物活性较弱, 各处理CO2排放通量较低, 且维持在较为平稳的状态; 随后, 土壤温度逐渐回升, CO2排放通量逐渐升高, 于6月末达到CO2排放峰值; 此后各处理呼吸速率逐渐降低, 至玉米成熟期, 土壤CO2排放通量维持在133.10~513.52 mg·(m2·h)-1范围内.由表 1可知, 各处理CO2平均排放通量分别为225.99、446.22、333.04、349.04和414.32 mg·(m2·h)-1. B、C处理CO2平均排放通量较CK显著降低了25.36%、21.78%, PAM处理与CK无显著差异.
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图 4 不同处理玉米田CO2排放通量季节变化 Fig. 4 Seasonal variation of CO2 emission flux in the maize field with different treatments |
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图 5 玉米生长季土壤温度的动态变化 Fig. 5 Dynamic change in the soil temperature during the growing season of maize |
如表 2所示, 土壤温度与N2O和CO2排放通量呈极显著正相关, 相关系数分别为0.478、0.509, 土壤温度与CO2排放通量相关性较好.随着土壤温度的升高, 土壤微生物活性增强, 显著增加了土壤CO2排放通量.同时, 土壤微生物活性的加强, 促进了硝化与反硝化作用的进行, 显著提高了土壤N2O的排放速率.玉米生育期土壤含水量变化处于146.98~226.43 mg·kg-1, 在这一范围内, 土壤含水量对N2O、CH4和CO2排放通量均无显著相关性.
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表 2 温室气体平均排放通量与土壤含水量、土壤温度的相关性 Table 2 Single Pearson correlation coefficient between average emission flux of greenhouse gases and soil water contentand soil temperature |
2.2 土壤改良剂对温室气体累计排放量、GWP和GHGI、玉米产量、NEEB的影响
如表 3所示, 不同施肥处理温室气体累计排放量和GWP存在显著差异(P＜0.05).与CK相比, B和PAM处理N2O累计排放量分别降低38.59%和45.39%.各处理CH4累计排放量均为负值, 表现为土壤对CH4的吸收作用, B、C处理CH4累计吸收量较CK分别提高144.44%和172.22%.与CK相比, CO2累计排放量以B、C处理下降最为明显, 分别降低25.40%、22.21%, PAM与对照无显著差异.根据各处理温室气体累计排放量, 计算出100 a尺度下3种温室气体的增温潜势, B、C和PAM处理GWP均显著低于CK(P＜0.05), 分别降低27.77%、19.61%和12.16%.可见, 在常规施肥基础上添加膨润土、生物炭和聚丙烯酸钾等改土材料, 可显著降低玉米田综合增温潜势, 其中以B处理降幅最为明显.
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表 3 不同处理下温室气体累计排放量、GWP、GHGI、玉米产量和NEEB Table 3 Cumulative emissions of greenhouse gases, GWP, GHGI, corn yield, and NEEB with different treatments |
由表 3可知, 温室气体排放强度大小顺序为CK>PAM>C>B>NF, PAM、C和B处理相比CK分别降低13.36%、26.65%和35.20%, 均达到显著性差异(P＜0.05). B、C处理与CK相比, 玉米产量分别提高11.33%、9.59%, 净生态系统经济预算显著增加16.15%、12.65%.由此可知, B和C处理可显著提高玉米产量和净生态系统经济预算, 减少温室气体排放强度. PAM处理虽对产量无显著提升作用, 但对N2O排放的抑制作用显著减少了温室气体排放强度, 其净生态系统经济预算与CK无显著差异.
2.3 土壤改良剂对土壤养分的影响各处理土壤养分情况如表 4所示. B、C处理土壤有机质含量较CK分别提高24.43%和17.88%, PAM与CK无显著差异.与CK相比, B、C和PAM处理可显著增加土壤全氮和硝态氮含量(P＜0.05), 全氮提高9.15%、8.54%和7.93%, 硝态氮提高18.85%、15.65%和11.30%;铵态氮、速效钾和速效磷含量虽高于CK, 但未达到显著水平. C处理pH值显著高于其他处理(P＜0.05), 由原来的8.2提升至8.63.综上所述, 添加膨润土和生物炭可显著提高土壤有机质、全氮、硝态氮含量; 添加聚丙烯酸钾对土壤有机质含量无显著影响, 但提高了土壤中全氮和硝态氮的含量; 生物炭的施入可显著提高土壤pH.
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表 4 不同处理土壤养分状况 Table 4 Soil nutrient status with different treatments |
由表 5可知, 土壤有机质、全氮和硝态氮含量与CO2、CH4累计排放量均呈显著或极显著负相关, 与N2O累计排放量无显著相关性, 但均呈负相关关系; 其他养分指标与温室气体累计排放量均无显著相关性.土壤有机质、全氮和硝态氮含量的提升, 改善了土壤理化性质, 增强了土壤通透性, 减弱了土壤微生物的矿化作用, 对于降低CO2排放、提高CH4吸收有显著作用.
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表 5 温室气体累计排放量与土壤养分的相关性 Table 5 Single Pearson correlation coefficient between cumulative emissions of greenhouse gases and soil nutrients |
3 讨论 3.1 土壤改良剂对N2O、CH4和CO2排放的影响
生物炭对农田温室气体的减排效应一直是环境学界研究的热点, Cayuela等[26]的研究表明, 施用生物炭可显著降低农业N2O排放, 降幅在54%左右, 生物炭的施用提高了土壤pH值, 通过对土壤理化性状和微生物数量的影响, 减少了N2O排放.本研究未发现生物炭对土壤N2O排放有抑制作用.生物炭施入土壤后, 提高了土壤中氨氧化细菌和氨氧化古菌的数量[27], 加速了硝化作用的进行, 间接促进了N2O的排放.其次, 生物炭提高了土壤pH值, 由背景值的8.2提升至8.63, Dandie等[28]的研究表明, 土壤中亚硝酸盐还原菌与土壤pH值呈显著正相关, pH的升高会显著增加亚硝酸盐还原菌数量.在灌水期间, 土壤水分条件剧烈变化, 为反硝化作用提供了严格的厌氧环境, 亚硝酸盐还原菌数量的增加, 促进了NO2转化为NO, 间接增加了反硝化过程中N2O的产生.再次, 生物炭施入土壤后, 提高了土壤有机质含量, 较CK处理增加了17.88%. Dambreville等[29]的研究表明, 土壤有机质含量是影响反硝化细菌丰度变化的主要因素, 与氧化亚氮还原菌数量有显著相关性.氧化亚氮还原菌可以促进N2O转化为N2, 从根本上减少了土壤N2O排放.此消彼长之下, 生物炭的施用未能对土壤N2O排放产生抑制作用.土壤CH4的排放是甲烷菌和甲烷氧化菌共同作用的结果. Neue等[30]的研究表明, 土壤有机质是产生甲烷菌的重要底物, 有机质含量的增加可显著促进CH4的产生.本研究中, 添加生物炭虽然显著提升了土壤有机质含量, 但土壤对CH4的吸收量仍显著高于常规施肥处理.究其原因, 可能是生物炭拥有较大的比表面积和多孔的结构特征, 施入土壤后, 可降低土壤容重, 改善土壤通透性, 增强甲烷氧化菌活性, 促进了CH4的氧化, 减少了甲烷菌产生的厌氧条件[31].其次, 生物炭本身性质、结构稳定, 施入土壤后, 甲烷菌不能迅速分解利用.因此添加生物炭虽然提高了土壤有机质含量, 但并未促进CH4的产生, 反而显著增强了土壤对CH4的吸收作用, 这与Karhu等[32]的研究结果一致. Spokas等[33]在其研究中证实, 施用生物炭可显著增加土壤CO2排放, 原因可能是生物炭的施入改善了土壤理化性质和生物学特征, 土壤微生物活性得到增强, 增加了土壤CO2的排放.本研究发现, 添加生物炭可显著降低土壤CO2排放, 一方面, 生物炭施入土壤后, 可促进土壤中腐殖质、酯类、碳水化合物等物质的形成[34], 这些物质不易被土壤微生物分解, 降低了微生物对土壤有机碳的利用, 导致其碳矿化速率下降, 减少了CO2排放[35].另一方面, 生物炭可吸附土壤中的有机物质, 进入到生物炭孔隙中的有机物被储存起来, 不易被微生物分解利用, 抑制了土壤CO2排放[36].
膨润土除上述中土壤有机质提高促进氧化亚氮还原菌生长, 减少N2O排放外, 其材料本身对氮素的固持作用也是一大原因.蒙脱石是一种2:1型层状结构的硅酸盐矿物, 层间离子可与NH4+发生交换反应, 在有水分介质条件下, 土壤中游离的NH4+更易被膨润土吸附[12].此外, 膨润土阳离子交换量处于50~90 cmol·kg-1, 较正常土壤阳离子交换量高出5~6倍[11].大量施入膨润土后, 提高了土壤阳离子交换量, 进一步增强了土壤对NH4+的吸附作用[37], 从根本上减少了硝化作用的底物浓度, 抑制了N2O的排放.同时, 膨润土施入土壤后, 还可增强土壤有机质的稳定性, 促进氨基酸和酚类反应生成腐殖质, 降低土壤微生物对有机物料的分解速率[38], 减少土壤CO2排放.
聚丙烯酸钾是一种人工合成的高分子聚合物, 其聚合物“骨架”带有如—COOH、—OH和—NH2等亲水性基团, 有很强的保水性, 可以吸附几十倍, 甚至上百倍于自身质量的水量[13].聚丙烯酸钾施入土壤后, 亲水性高分子部分交联形成的网络结构, 可让氮肥分子或离子如NH4+、NO3-扩散进入.进入网络结构内部的分子或离子可以被聚合物大分子包裹起来, 也可通过交换吸附、电荷激活和螯合等方式固定下来, 并在后期缓慢释放, 起到了明显的缓释效果[9].其次, 聚丙烯酸钾的活性基团可以与土壤颗粒表面的离子互相作用, 形成水稳性团粒结构, 进一步增加了土壤对养分的固持作用[9, 39], 减少了土壤氮素的损失.再次, 施入土壤中的聚丙烯酸钾是一种阴离子树脂, 可以有效吸附土壤中NH4+等阳离子, 综合表现为抑制土壤N2O的排放.
3.2 土壤改良剂对净生态系统经济预算的影响净生态系统经济预算表示某种农业措施下, 经济可行性与环境可持续性之间的关系, 是政府制定农业决策的重要参考指标之一[24].前人对农田温室气体减排的研究中, 对于经济效益的研究还局限于产量收益与农业活动成本[13, 40], 未把GWP成本考虑在内, 只能反映当前种植模式下农田温室气体减排的经济可行性, 未能把经济效益与环境成本联系起来.王国强等[41]对稻田温室气体减排的研究中, 其净生态系统经济预算中GWP仅包括GWPN2O和GWPCH4, CO2受人为施入不同材料的影响, 处理间CO2累计排放量已达到显著差异, 该试验条件下, CO2不能再当做非人为活动温室气体排放源, GWP未包括GWPCO2, 这样的综合增温潜势是不全面、不客观的, 所得出的净生态系统经济预算也高于实际.本研究中, GWP包括GWPN2O、GWPCH4和GWPCO2, 净生态系统经济预算主要由产量收益和GWP成本决定, 农业活动成本在试验设计时已经固定, B、C和PAM处理因为添加不同土壤改良材料, 其农业活动成本较CK分别高出600、600和525元·hm-2. PAM处理对NEEB无显著影响, 其GWP显著低于CK, 究其原因, 主要是PAM处理对玉米产量无提升作用.与CK相比, B和C处理可显著增加净生态系统经济预算, 这一结果表明常规施肥基础上, 添加膨润土和生物炭是当前河套灌区玉米种植模式中提高经济、环境效益较为合适的农业措施.
本研究在全球增温大背景下, 研究了生物炭、膨润土和聚丙烯酸钾这3种改土材料对河套灌区玉米种植模式下温室气体排放、玉米产量、GWP和GHGI的影响, 解析了不同改土材料下, 农业生产力与环境可持续之间的关系, 对改良农田土壤、提高土壤肥力、减少农业温室气体排放具有重要意义.膨润土和聚丙烯酸钾对农田温室气体减排的研究资料较少, 对其施用量和施用方式的设定未能借鉴前人研究成果, 因此, 解析3种改土材料处理下施用量及施用方式对农田温室气体排放的影响及减排机制将是下一步研究的重点.
4 结论(1) 河套灌区玉米田N2O呈双峰型排放规律, 于追肥灌水后5~7 d出现N2O排放峰值; 土壤对CH4的排放和吸收过程相互交替, 总体表现为土壤对CH4的碳汇作用; CO2呈单峰型排放规律, 于玉米拔节期出现CO2排放峰值.土壤温度的升高, 可显著促进土壤N2O和CO2的排放.
(2) 与常规施肥相比, 添加膨润土、聚丙烯酸钾可显著降低N2O排放, 聚丙烯酸钾处理对N2O的减排作用强于膨润土处理; 添加膨润土、生物炭可显著增加土壤对CH4的吸收作用, 显著降低土壤CO2排放, 其中, 生物炭处理对CH4的吸收作用最为明显, 在CO2减排方面以膨润土处理效果最佳.总体来说, 膨润土、生物炭和聚丙烯酸钾处理下GWP和GHGI均显著低于常规施肥, 其作用效果均为膨润土>生物炭>聚丙烯酸钾.
(3) 常规施肥基础上添加膨润土和生物炭可稳定提升玉米产量, 显著增加净生态系统经济预算, 在河套灌区玉米种植体系中, 是科学有效、经济可行的温室气体减排措施.
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