2023, Vol. 44
2. 西北农林科技大学中国旱区节水研究院, 杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室, 杨凌 712100;
4. 黄河水土保持绥德治理监督局, 榆林 719000
2. Institute of Water-saving Agriculture in Arid Areas in Northwest China, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
3. Key Laboratory of Agricultural Water and Soil Engineering, Ministry of Education, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
4. Yellow River Conservation of Water and Soil Suide Governs the Surveillance Bureau, Yulin 719000, China
温室气体(N2O、CO2和CH4)排放引起的全球变暖是重要的生态问题[1].而农业活动是温室气体的主要排放源[2].施肥、灌溉、覆膜和耕作方式等农业管理措施对温室气体排放的影响很大[3].同时, 覆膜和施肥措施对作物产量、水分利用效率和氮素吸收利用等也有重要影响.运用合理的农业管理措施可以在保障作物产量、提高水氮利用的同时减少单位产量增温潜势[4, 5], 这对实现农业的可持续发展具有重要意义.
陕西关中地区地处西北干旱半干旱地区, 主要发展旱作农业, 以全省15%的土地面积生产了40%以上的粮食[6].农作物缺水是限制干旱地区农业发展的重要因素, 地膜覆盖能改善土壤孔隙状况、增强土壤蓄水保墒能力、改善作物水分状况[5, 7]; 还能增加地温, 促进有机质分解和转化, 提高土壤养分含量、培肥地力, 有利于促进作物生长和提高氮素转化利用[8~10].地膜覆盖能较好解决干旱地区农业生产能力弱和产量低的问题, 在全国范围内分别提高作物水分利用效率和产量58.0%和45.5%[11].但也有研究表明, 地膜覆盖在改善土壤水热条件时, 加强了土壤硝化和反硝化过程和土壤呼吸作用, 增加了农田温室气体N2O和CO2的排放[5, 12]; 并且地膜的覆盖作用阻碍了土壤与大气之间的气体交换, 土壤含水量的增加和作物根系的呼吸作用的增强导致氧气浓度下降, 从而减少了土壤对CH4的吸收[8, 13].化肥对保障我国粮食产量稳定生产发挥了不可替代的作用[14].通过大量施用化肥获得高产的现象较为普遍[15], 但随着化肥用量的增加, 作物产量没有随之提高, 肥料的利用率很低, 还造成了一系列的环境问题[16].化肥减量配施有机肥对土地的生产力具有可持续性[17].宿顺顺[18]的研究表明, 有机无机肥配施促进了作物的生长, 提高了作物产量、土壤储水量和水分利用效率, 增加了氮素在植株中的转运、积累和氮肥利用效率.相比仅施无机肥, 施用有机肥更能改善土壤结构、提高土壤全量养分和速效养分含量[19, 20].有研究表明添加有机肥会促进硝化作用增加N2O排放[21], 土壤有机质含量的提高会增强土壤呼吸作用, 增加CO2排放量[22].但有人认为有机肥相比无机肥的速效氮成分有所下降, 会降低土壤N2O排放量[23, 24].因此研究覆膜措施和有机肥等氮配施化肥的合适比例, 对发展农田可持续生产和降低温室气体排放具有重要意义.
本文以关中平原玉米农田土壤为研究对象, 通过设置有无地膜覆盖和不同的有机肥等氮配施化肥比例, 分析其对玉米农田温室气体排放的影响, 结合单位产量增温潜势、作物产量和水氮利用效率等指标评价其环境效益和经济效益, 明确平衡温室气体排放与玉米产量和水氮利用的最佳覆盖措施和有机肥等氮配施比例, 以期为实现农业减排和发展绿色可持续农业提供科学依据和技术支持.
1 材料与方法 1.1 试验区概况本试验于2021年6~10月在西北农林科技大学节水灌溉试验站(34°20′N, 108°04′E, 海拔521 m)进行.试验区属于暖温带半湿润季风气候区, 降水主要集中在7~9月, 年平均降水量635.55 mm, 多年平均蒸发量1 440 mm, 全年无霜期169~200 d, 年平均气温12.9℃, 年昼夜温差平均11.5℃, 日照时数2 196 h.试验田土壤质地为中壤土, 0~20 cm土壤初始pH值(水土比1:1)为8.07, ω(全氮)为1.01 g·kg-1, ω(速效磷)为17.66 mg·kg-1, ω(速效钾)为273.33 mg·kg-1, 容重为1.39 g· cm-3.逐日气象资料来自于试验站内的气象站, 如图 1所示.
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图 1 2021年玉米季日最高气温、最低气温和日降雨量 Fig. 1 Daily maximum air temperature, minimum air temperature, and precipitation during the summer maize season in 2021 |
本试验选用的有机肥是由中国科学院水利部水土保持研究所节水中心团队和杨凌霖科生态科技股份有限公司联合研发、生产, 将油渣(45%)、菌渣(25%)和秸秆(25%)等原料除去杂质后粉碎过筛(8~10 mm), 加入发酵熟腐剂及粉饼等辅料(5%), 密封厌氧发酵, 完全发酵后加入聚丙烯酰胺(PAM)作保水剂, 拌合均匀, 即制成有机肥.测得ω(有机质)为30.36%, ω(总氮)为1.40%, ω(K2O)为0.38%, ω(P2O5)为1.95%.
1.3 试验设计本试验于2021年6月20日种植, 10月2日收获.采用是否覆膜和有机肥等氮替代化肥两因素裂区设计, 其中主因素为是否覆膜, 设置两梯度：全生育期内地膜覆盖(M)和传统不覆膜; 副区为施肥因素：不施肥(CK)、等氮条件下有机肥代替化肥0%(T0, 有机肥0.00 kg·hm-2, 化肥225.00 kg·hm-2)、25%(T25, 有机肥56.25 kg·hm-2, 化肥168.75 kg·hm-2)、50%(T50, 有机肥112.50 kg·hm-2, 化肥112.50 kg·hm-2)、75%(T75, 有机肥168.75 kg·hm-2, 化肥56.25 kg·hm-2)和100%(T100, 有机肥225.00 kg·hm-2, 化肥0.00 kg·hm-2).本试验共设计12个处理, 每个处理3个重复, 随机区组排列.小区均为南北走向, 面积为4m×4.5 m, 小区周围设置同类型作物做保护带.供试夏玉米的品种为“郑单958”, 施氮肥(N)：225 kg·hm-2、磷肥(P2O5)：90 kg·hm-2.所有处理的有机肥和化肥均在播种前一次性施入.种植方式为先覆膜后人工穴播, 行距60 cm, 株距40 cm, 播种深度5 cm, 种植密度为42 778株·hm-2.整个玉米生育期内无灌溉.
1.4 测定项目与方法 1.4.1 土壤温室气体采集与测定采用静态暗箱-气相色谱分析法对土壤N2O、CO2和CH4气体进行原位检测采集和测定.箱体由不锈钢材料制成, 尺寸为40 cm×40 cm×40 cm, 外侧包隔热层防止太阳直射引起的温度变化, 内部顶端安装风扇混匀箱内气体.箱体底部在种植后埋于小区中央, 底座上端设置约3 cm的凹槽在取样时加水密封, 保证底座内全生育期无作物和杂草.地膜覆盖处理的底座用地膜覆盖, 在取样时取下地膜, 取完样盖好, 以保证地膜处理的一致性.气体采集从播种后1d开始连续采集7 d, 以后每7~10 d采集一次.采样时间为09:00~11:00间[25], 在放置箱子后的第0、10、20和30 min用带三通阀的50 mL注射器采集混合均匀的气体, 并同时记录下箱体温度.气体采集当天用安捷伦气相色谱仪(Agilent 7890 A型, USA)进行浓度分析, 气体排放通量计算公式见式(1)[26]：
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(1) |
式中, F为N2O、CO2和CH4气体排放通量, μg·(m2·h)-1、mg·(m2·h)-1和mg·(m2·h)-1; ρ为标准状态下气体密度, g·cm-3; h为取样箱体高度, m; dc/dt为箱内气体排放速率, T为取样时的箱体温度, ℃.
玉米全生育期内N2O、CO2和CH4排放总量计算公式见式(2)[27]：
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(2) |
式中, Sn为土壤温室气体的排放总量, kg·hm-2; Ri为第i次取样时温室气体的日排放通量, mg·(m2·d)-1; Di为第i次取样到第i+1次的间隔天数, d.
1.4.2 全球增温潜势全球增温潜势(global warming potential, GWP)用以衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响, 以IPCC为依据, 在100 a的时间尺度下, 计算全球增温潜势和温室气体排放强度(greenhouse gas intensity, GHGI)[1]：
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(3) |
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(4) |
式中, GWP为全球增温潜势, kg·hm-2; Sn(N2O)、Sn(CO2)和Sn(CH4)为土壤温室气体的排放总量, kg·hm-2; GHGI为温室气体排放强度, kg·t-1; Y为玉米籽粒产量, t·hm-2.
1.4.3 作物产量、土壤温度和土壤水分的测定玉米收获期, 每小区随机选取长势平均的10株玉米, 风干后人工脱粒, 烘干计算产量(t·hm-2).
在采集气样时, 读取暗箱底座旁的曲管地温计5 cm和10 cm地温, 取平均值作为0~10 cm土层的平均温度.在底座内一点和底座外随机两点采集0~10 cm土样样品, 充分混合后用烘干法(105℃烘12 h)测定土壤水分, 并转化为土壤孔隙度含水率[5]：
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(5) |
式中, WFPS为土壤孔隙含水率, %; θ为0~10 cm土层的体积含水率, %; γ为土壤容重, g·cm-3.
在玉米种植前和收获后取土壤样品用烘干法测定土壤含水量, 0~100 cm每10 cm一层, 100~200 cm每20 cm一层.逐步计算作物水分利用效率如下[5]：
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(6) |
式中, w为土壤蓄水量, mm; h为土层厚度, cm.
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(7) |
式中, ET为作物耗水量, mm; Δw为玉米播前和收获后0~200 cm的土壤蓄水量变化, mm.
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(8) |
式中, WUE为水分利用效率, kg·(hm2·mm)-1; Y为籽粒产量, kg·hm-2.
1.4.4 植株生物量、植株和土壤全氮测定在玉米收获期, 每小区取3株玉米分成茎、叶和穗这3个部分, 分别放于烘箱杀青后烘干, 称重获得生物量.烘干后的生物量粉碎后过筛, 土壤风干后过0.25 mm筛, 采用浓H2SO4-H2O2法消煮, A3流动分析仪测定植物全氮.关于氮素利用的计算如下[18]：
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采用Microsoft Excel 2016软件对数据进行处理, 用SPSS 26.0对数据进行统计分析, 对覆膜和不覆膜处理采用单因素双水平的T检验方法, 显著水平为P < 0.05, n=18; 对施肥因素的多重比较采用最小显著差异法(LSD), 显著水平为P < 0.05, n=3.制图用Origin 2021软件.
2 结果与分析 2.1 玉米农田水热动态变化和温室气体排放 2.1.1 土壤温度和土壤水分的动态变化土壤表层温度随着玉米的生育期总体呈现出下降趋势[图 2(a)和2(b)], 地膜覆盖下各处理的土壤表层温度平均为26.4~26.9℃, 不覆膜条件下各处理的土壤表层温度平均为25.4~25.8℃, 地膜覆盖下的地温在整个玉米季平均高出了4.1%.地膜覆盖条件下的地温在监测时段平均依次增加了1.2、1.2、1.4、1.1、0.9和0.7和0.8℃, 可看出覆膜在玉米生育前期的增温效果更好.施肥处理普遍增加了土壤表层温度.对比MCK处理, 覆膜条件下的施肥处理增加了表层地温0.1~0.3℃; 对比CK处理, 不覆膜条件下施肥处理则增加了0.1~0.4℃.
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图 2 2021年玉米季不同处理土壤温度和土壤孔隙含水率变化 Fig. 2 Dynamics of soil temperature and water filled pore space (WFPS) with different treatments during the summer maize season in 2021 |
各处理0~10 cm的土壤孔隙含水率呈现出一致规律, 主要受降雨的影响, 在降雨后均表现为含水率增加.覆膜处理的WFPS要普遍高于不覆膜处理[图 2(c)和2(d)], 地膜覆盖下的WFPS为39.4%~41.8%, 不覆膜条件下为36.9%~38.3%.覆膜作用在前期的保墒效果较好, 在后期因为大量的降雨使得保墒效果减弱.施肥处理对土壤表层的土壤孔隙含水率影响不显著.综上, 覆膜有良好的增温保墒效果.
2.1.2 N2O排放通量变化覆膜因素、施肥因素及两因素交互对土壤N2O排放通量都有极显著影响(P < 0.01, 表 1).土壤N2O排放与土壤温度和土壤孔隙含水率都呈正相关关系(表 2), 覆膜处理改善了土壤的水热条件, 使得整个生育期内地膜覆盖的土壤N2O排放通量显著高于传统不覆膜处理[P < 0.05, 图 3(a)和3(b)].在种植后一周连续监测土壤N2O排放通量发现, 各施肥处理均呈现出土壤N2O第一周高排放量、后排放通量下降的变化趋势, 并且在种植第3 d(6月22日)出现排放高峰值.受施肥因素的影响, 在覆膜条件下, MT0、MT25、MT50、MT75和MT100等施肥处理的土壤N2O第一周排放量占生育期总排放量的76.6%、65.8%、68.0%、58.0%和63.1%; 不覆膜条件下的占比分别是76.2%、75.8%、43.0%、35.5%和61.4%.7月6日后各处理的土壤N2O排放通量变化较为平缓, 覆膜条件下平均为11.3~27.7 μg·(m2·h)-1, 不覆膜条件下平均为4.6~13.2 μg·(m2·h)-1.与仅施加无机肥处理相比, 添加有机肥的处理降低了土壤N2O排放(表 1).在覆膜条件下, MT0处理土壤N2O排放总量对比MT25、MT50、MT75和MT100处理增加了13.4%、110.9%、67.3%和50.2%; 不覆膜条件下, T0处理对比添加有机肥的处理分别增加了16.4%、132.9%、212.8%和146.6%.其中, 有机肥等氮配施50%和75%的处理显著减少了土壤N2O的排放(P < 0.05).
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表 1 不同处理对玉米农田N2O、CO2、CH4排放总量、全球增温潜势和温室气体排放强度的影响1) Table 1 Total emissions of N2O, CO2, CH4, global warming potential (GWP), and greenhouse gas intensity (GHGI) with different treatments during summer maize |
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表 2 土壤温室气体排放通量与土壤温度和土壤孔隙含水率的相关系数1) Table 2 Single Pearson's correlation coefficient between greenhouse gas emission and soil temperature and water filled pore space (WFPS) |
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图 3 2021年玉米季不同处理农田N2O、CO2和CH4排放通量 Fig. 3 Dynamics of soil N2O, CO2, and CH4 emission flux with different treatments during the summer maize season in 2021 |
由表 1可看出, 覆膜因素和施肥因素对土壤CO2排放通量都有极显著影响(P < 0.01), 但两因素交互对CO2排放没有影响(P>0.05).土壤温度和土壤孔隙含水率与土壤CO2排放均有显著性正相关关系(P < 0.05, 表 2), 各处理土壤CO2排放与土壤温度的变化趋势相似[图 2(a)和2(b), 图 3(c)和3(d)], 因此覆膜显著性提高了土壤CO2排放通量(P < 0.05).受施肥因素的影响, 土壤CO2排放在第一周表现出和N2O一致的高排放通量规律, 覆膜条件下施肥处理的第一周排放积累量占总排放量之比为13.5%~17.8%(平均值为15.8%), 不覆膜条件下的第一周排放积累量占比为8.7%~10.6%(平均值为9.4%).此后受温度的影响, 在7月6日和8月5日温度下降, 各处理的土壤CO2排放通量出现低谷值; 后随着气温的上升, CO2排放通量呈增加趋势, 在7月20日和29日有排放高峰值.在进入灌浆和成熟期时, 土壤CO2排放通量变化趋于平缓, 覆膜条件下各处理变化间无显著性差异, T100处理显著高于其他处理(P < 0.05).覆膜条件下, 有机肥配施处理的CO2排放总通量对比MT0增加了5.1%~24.1%; 不覆膜条件下, 有机肥配施处理的CO2排放总通量对比T0增加了15.1%~48.7%.其中, 有机肥等氮配施50%的处理能显著降低CO2排放量(P < 0.05).
2.1.4 CH4排放通量变化覆膜因素、施肥因素及两因素交互对土壤CH4排放通量有显著影响(P < 0.05, 表 1), 土壤温度和土壤孔隙含水率对土壤CH4排放没有显著性影响(表 2).各处理的土壤CH4排放通量没有明显的变化规律, 有正通量和负通量, 均表现出排放特征和吸收特征.覆膜降低了土壤对CH4的吸收.各处理在整玉米季的积累量均表现为土壤的吸收汇, 与对照处理相比, 各施肥处理降低了土壤对CH4吸收(P < 0.05).覆膜条件和传统不覆膜条件下的CH4日排放通量在-1.02~0.62 mg·(m2·h)-1和-0.94~0.38 mg·(m2·h)-1之间.在覆膜条件下, 各处理对CH4的吸收大小表现为：MCK> MT50> MT100> MT0> MT25> MT75, MCK处理在整生育期内对CH4的吸收积累量为4.12 kg·hm-2, 对比其他处理分别增加了39.7%、81.5%、115.3%、251.8%和380.8%.在传统不覆膜条件下, 各处理对CH4的吸收大小表现为：CK> T50> T75> T100> T25> T0, CK处理对CH4的吸收积累量为4.35 kg·hm-2, 对比其他处理分别增加了26.0%、59.2%、129.4%、155.0%和198.1%.
2.1.5 全球增温潜势由表 1可以看出, 地膜覆盖大幅增加了全球增温潜势(P < 0.05), 主要是因为覆膜条件下土壤CO2的高排放量, 覆盖处理的GWP对比传统不覆膜处理增加了140.7%~206.6%.各施肥处理也增加了GWP(P < 0.05), 施肥处理的GWP比对照处理在覆膜条件下增加了36.6%~67.6%, 在不覆膜条件下增加了31.2%~89.1%.GWP随着有机肥等氮配施比例的增加先减小再增加, 其中有机肥等氮配施50%和75%的处理有较低的GWP值.覆膜和施肥均增加了玉米产量(图 4), 单位产量的增温潜势有所下降, 覆盖处理的GHGI对比不覆膜处理降低了103.4%~166.2%, GHGI也表现出随着有机肥替代比例的增加先减小再增加的趋势.对比MT25和MT100处理, MT50的GHGI减少了15.1%和19.8%, MT75处理减少了0.3%和5.8%(P>0.05); 对比T25和T100处理, T50处理减少了19.9%和23.2%, T75处理减少了23.8%和27.0%(P < 0.05).
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不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05), 下同 图 4 2021年玉米季不同处理的产量和水分利用效率 Fig. 4 Yield and water use efficiency (WUE) with different treatments during the summer maize season in 2021 |
由图 4可知, 覆膜在不同程度上增加了玉米产量和水分利用效率, 尤其在有机无机配施处理中提升效果更好.覆膜相比传统不覆膜在施肥处理中增加了15.2%~22.4%的产量和11.4%~24.9%的水分利用效率(P < 0.05), 覆膜对产量和WUE的提升效果随着有机肥等氮配施量的增加先增加再减弱.施肥对产量和水分利用效率也有增加作用, 施肥处理比对照处理在覆膜条件下增加了46.5%~58.9%的产量和47.9%~82.2%的WUE, 在不覆膜条件下增加29.7%~48.2%的产量和39.0%~64.4%的WUE.有机肥等氮配施处理的产量和WUE与对照处理和仅施无机肥处理均形成显著性差异(P < 0.05).其中MT50和MT75处理对比MT0处理增产8.5%和7.5%, 提高水分利用效率18.7%和23.2%; T50和T75处理对比T0处理增产10.5%和14.3%, 提高水分利用效率10.4%和18.2%.综上, 覆膜和施加有机肥在增产和保水方面有较好的效果.
2.2.2 土壤全氮含量各处理的全氮含量随着土壤深度的增加而减少(图 5), 0~20 cm土层的全氮含量占0~40 cm土层的73.7%~83.0%.地膜覆盖条件能增加0~10 cm(2.1%~29.0%)和10~20 cm(2.7%~31.6%)土层的全氮含量, 但是在20~40 cm土层没有表现出总体增加的效果.施肥增加了土壤供氮能力, 尤其是有机无机肥等氮配施处理, 在0~10 cm土层中, 土壤全氮含量随着有机肥等氮替代比例的增加而增加.与对照处理相比, 施肥处理在覆膜条件下能增加0~10 cm土层23.4%~76.0%和10~20 cm土层15.7%~41.3%的全氮含量; 在不覆膜条件下能增加0~10 cm土层8.4%~79.2%、10~20 cm土层6.6%~20.3%和20~40 cm土层50.6%~83.3%的全氮含量.其中, 有机肥等氮配施50%、75%和100%的处理对土壤全氮含量的提高作用更好(P < 0.05).
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图 5 2021年玉米季不同处理下土壤全氮含量 Fig. 5 Soil total nitrogen content with different treatments during the summer maize season in 2021 |
由图 6可看出, 地膜覆盖增加了收获期玉米植株茎、叶和穗这3个部分的氮素含量, 尤其穗的部分增加效果明显.对比不覆膜处理, 覆膜处理增加了玉米穗部4.5%~31.6%的含氮量和植株(茎、叶、穗)4.3%~31.1%的含氮量.施肥有利于植株积累氮素含量, 尤其是配施有机肥的处理.有机肥等氮替代50%和75%处理的穗部含氮量均显著大于仅施无机肥处理(P < 0.05), MT50和MT75处理对比MT0处理提高穗部含氮量18.2%和28.1%; T50和T75处理对比T0处理提高穗部含氮量33.2%和25.1%.相比对照处理, 施肥处理在覆膜条件下分别平均增加了17.2%的茎和49.5%叶部的含氮量, 在不覆膜条件下则平均增加了65.7%茎和64.6%叶的含氮量.
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图 6 2021年玉米季不同处理植株器官的氮素含量 Fig. 6 Nitrogen content of maize plant organs with different treatments during the summer maize season in 2021 |
由表 3可知, 地膜覆盖有利于提高氮素在玉米植株中的积累(P < 0.01), 相比传统不覆膜处理, 覆膜在对照处理中增加了31.1%氮素积累量, 在施肥处理中增加了4.3%~26.0%的氮素积累量(氮素吸收效率).是否覆膜对氮素利用效率没有显著影响(P>0.05), 在各处理中没有明显的变化规律, MT0的氮素利用效率对比T0增加了10.4%, MT50比T50增加了14.0%, 其余处理对比相同的施肥处理下降了2.7%~17.7%.同时, 覆膜明显提高了氮肥利用效率和氮素收获指数(P < 0.05), 在施肥处理中, 覆膜增加了15.2%~22.4%的氮肥利用效率和0.0%~6.4%的氮素收获指数.
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表 3 不同处理对氮素吸收利用的影响1) Table 3 Nitrogen absorption and utilization with different treatments |
有机无机肥等氮配施有利于植株对氮素的吸收利用(表 3).有机无机肥配施处理对比MT0/T0处理在覆膜和不覆膜条件下分别提高11.0%~21.5% 和3.6%~21.8%的植株氮素积累量(氮素吸收效率).施肥处理的氮素利用效率比不施肥低, 尤其是在不覆膜条件下.对比MCK, MT25、MT75和MT100处理的氮素利用效率分别下降了10.4%、4.8%和1.3%; 对比CK处理, 各施肥处理的氮素利用效率下降了16.3%~27.3%(平均20.7%).添加有机肥显著提高了氮肥利用效率和氮素收获指数(P < 0.01), 有机肥配施处理在覆膜和不覆膜条件下提高了2.6%~8.5%和3.9%~14.3%氮肥利用效率, 且有机肥等氮替代50%和75%的处理均与仅施无机肥处理形成显著差异(P < 0.05).有机肥配施处理在覆膜和不覆膜条件下能提高3.9%~7.4%和4.5%~13.3%的氮素收获指数, T50与T75和CK处理间形成显著差异(P < 0.05).
3 讨论 3.1 覆膜和有机肥等氮替代对土壤水热和产量的影响地膜覆盖可以提高土壤表层温度[8].地膜覆盖处理相比不覆盖处理全生育期平均增加了地温0.6~1.3℃(P>0.05), 增温幅度略小于郭怡婷等[5]的研究, 这可能是2020年玉米季降雨太多导致的.在玉米生育前期, 地膜覆盖增温效果较为明显, 后期增温效果减弱(图 2).这可能有两方面的原因, 一是前期降雨少后期降雨多(7月降雨48.8 mm, 8月降雨110.8 mm, 9月降雨162.1 mm), 加上后期地膜破损, 保温效果有所降低.另外是随着玉米植株的生长, 冠层逐渐增大, 地膜的增温效应也随之减弱.地膜覆盖能抑制土壤表面水分的蒸发从而增加土壤含水量[5].地膜覆盖处理相比不覆盖处理在全生育期增加了7.9%的土壤孔隙含水率, 对比图 2中6月21日(种植第1 d)和9月30日(收获前第3 d)的土壤孔隙含水率可以看出, 地膜覆盖促进了水分在土壤的贮存.7月降雨量较少, 覆膜处理体现处理良好的保墒效果, 在7月13日和29日分别增加了6.3%和7.4%的WFPS, 保证了作物的生长.后期降雨量大, 地膜处理的保墒效果减弱(P>0.05)(图 2).
覆膜和施加有机肥能改善土壤的理化性质, 有效提高产量和水分利用效率.Fang等[7]的研究表明, 地膜覆盖能够抑制水分的蒸发, 通过蒸汽转移促进水分从深层土壤向表层土壤移动, 以提高表层土壤的含水量促进作物生长, 提高作物产量和水分利用效率.垄沟覆膜和平栽覆膜相比平栽不覆膜处理能分别增加9.6%、21.7%的玉米产量和60.0%、88.6%的水分利用效率.宿顺顺[18]的研究表明, 有机无机肥的耦合作用能改善土壤结构, 减少水分流失, 增加土壤的保水保肥能力.在充分灌溉下, 有机无机肥配施处理能比无机肥处理提高4.8%~6.3%的玉米产量和6.1%~8.9%的水分利用效率; 在亏缺灌溉条件下, 有机无机肥配施处理能比无机肥处理提高1.8%~2.3%的玉米产量和6.6%~15.4%的水分利用效率.这与本试验的研究结果一致, 本试验中, 覆膜处理平均增加了17.3%的玉米产量和15.6%的水分利用效率, 有机肥配施处理增加了7.3%的玉米产量和14.3%的水分利用效率(P < 0.05).
3.2 覆膜和有机肥等氮替代与对温室气体排放的影响本研究的土壤N2O排放通量在施肥后一周出现了高排放量的特征, 且在第3 d出现了排放峰值[图 3(a)和3(b)], 这与前人研究的结果一致[5, 28].在覆膜措施下, 土壤水热条件得到改善(图 2), 土壤硝化和反硝化过程加强, N2O排放量也随之明显增加(表 2).透过地膜的N2O通量比从水平方向扩散的更高, N2O透过地膜排出, 其通透性随周围环境温度的增加而增强[12], 这可能是本研究中覆膜处理的N2O排放量高于不覆膜处理的原因.目前, 有机肥对土壤N2O排放的影响还没有一个明确的结论.本试验中, 有机肥等氮配施化肥的处理降低了土壤N2O排放量[图 3(a)和3(b), 表 1], 这可能是因为化肥释氮快, 等氮施加有机肥处理氮的速效养分低于仅施加化肥处理的氮速效养分, 参与硝化反硝化作用的底物减少, 使得土壤N2O排放量减少[23, 24].也可能是因为氧气被有机质分解大量消耗, N2O被当作氧气参与了有机物料的还原分解作用[29].但也有研究得到相反的结论, 认为有机肥中的氮是产生N2O的重要来源之一, 施用有机肥增加了土壤孔隙度和透气性, 能加快氨挥发速率和硝化作用[21, 30], 从而增加土壤N2O排放.有大样本分析结果显示, 有机肥处理对比无机肥处理增加了32.7%的N2O排放通量[31].
土壤CO2排放主要来自于土壤有机质的分解、土壤动物和土壤微生物的呼吸、植物根系及根际微生物的呼吸[32].土壤温度和水分是影响土壤呼吸的主要非生物因素[8].在本研究中, 覆膜提高了土壤表层的温度和土壤孔隙含水率, 且与土壤CO2排放呈显著正相关关系(P < 0.05, 表 2).土壤呼吸作用的各个方面都受土壤温度的影响, 在一定温度下土壤呼吸速率和温度呈正相关关系, 这在7月6日和8月5日因气温下降导致土壤CO2排放降低, 升温后排放增加的现象中得到了印证, 且地膜覆盖在全生育期均体现了增温效果, 增加了CO2排放.有研究表明, 覆膜能增加土壤温度, 增强微生物活性, 加速有机质分解, 有利于加快土壤呼吸速率, 促进土壤CO2排放[5].土壤水分能影响土壤透气性、微生物和根系活性和有机质分解速率等, 本试验发现在降雨后土壤CO2排放增强, 这与前人研究的结果一致[33, 34].但也有研究表明, 过多的土壤含水量会使土壤透气性降低, 土壤CO2排放会因受到阻碍而降低[35].与不施肥处理相比, 施肥处理显著增加了土壤CO2排放通量和累积排放量, 尤其是添加了有机肥的处理, 因为施肥后土壤碳氮比降低, 促进了土壤有机质中碳的分解[36].李晓立等[4]的研究表明有机肥等氮替代化肥能显著增加CO2排放量, 这与本研究的结果一致.原因可能是, 施用有机肥在提高微生物活性、增强土壤呼吸作用方面更具潜力[29]; 其次, 有机肥能增加土壤有机质含量, 有机碳含量的增加和活性有机碳的分解都会促进产生CO2[22]; 另外, 施用有机肥能改善土壤环境, 增加土壤总孔隙度, 促进土壤中CO2的扩散和释放[21, 37].
本研究的CH4排放与大多数旱地农田一样, 土壤CH4排放量较低, 表现为CH4吸收汇[38].CH4的产生和排放是严格厌氧条件下产甲烷菌作用的结果[22].土壤水分、温度和肥料可以通过影响土壤氧扩散和微生物活性来影响CH4的产生和排放[38].土壤CH4的产生与土壤含水量呈正相关关系(表 2), 覆膜条件下较高的土壤含水率促进了CH4的排放, 这与前人研究的结果一致[13].半膜和全膜覆盖均会减少土壤CH4的吸收[8], 这可能是因为覆膜阻隔了土壤与大气间的气体交换, 覆膜增加的土壤孔隙含水量降低了土壤氧气浓度, 为有机物不完全氧化形成CH4提供了厌氧条件[12]; 且地膜覆盖促进了农作物的生长, 根系呼吸进一步加剧了土壤氧气的消耗[39].地膜覆盖能增加甲烷营养菌的活性, 促进甲烷的氧化吸收, 这与本试验中地温与CH4排放呈负相关(表 2)的研究结果一致.但普遍认为在干旱雨养地区, 土壤长期处于干旱状态, 水分增加形成厌氧状态造成的抑制吸收作用大于温度增加的促进作用[40].本试验中的施肥处理显著降低了土壤CH4的吸收.Yuan等[41]的研究发现, 有机肥的分解会使土壤中的氧化还原电位下降, 降低甲烷营养菌的活性, 抑制CH4的吸收, 从而使添加有机肥处理的CH4累计排放量高于无机肥处理.
覆膜和施肥都显著增加了农田综合温室效应, 而CO2是农田综合温室效应的主要贡献者(表 1).相同施肥条件下, 覆膜处理改善了水热条件, 增加了农田N2O和CO2的排放, 地膜覆盖农田温室效应均高于不覆盖处理(图 2和表 2), 这与前人研究的结果一致[42].施肥提供了氮素, 增加了N2O排放, 降低了土壤碳氮比, 促进了分解有机质产生CO2, 尤其是添加有机肥的处理CO2排放更多.同时, 覆膜和施肥能改善土壤理化性质, 为作物生长提供养分, 增加玉米产量(图 4).温室气体排放强度量化了农田温室气体排放效应和作物籽粒产量间的关系, 是判断农业管理措施是否符合可持续发展理念的重要指标之一[43].本研究中, 覆膜和施肥因素增加的玉米产量大幅降低了温室气体排放强度.此外, 在华北夏玉米[29]、西南稻-油轮作体系[44]和滨海盐土稻田[45]试验中, 也得到了一样的结果.因此, 提高作物产量可以作为降低温室气体排放的有效措施[42].
3.3 覆膜和有机肥等氮替代与对玉米氮素利用效率的影响本研究结果表明, 覆膜提高了土壤全氮含量.杨一凡等[10]的研究发现, 在0~40 cm土层中, 沟垄覆膜和平作覆膜的速效氮、全氮和有机质含量高于沟垄露地和平作露地.覆膜措施能降低氨的挥发, 减少铵态氮的损失, 提高表层土壤的硝酸盐含量, 提高氮在土壤中的积累.本试验中施肥处理的全氮含量高于对照, 且有机肥配施处理的含量更高.有研究表明, 长期施用氮肥能提高土壤供氮能力, 但添加有机肥能增加土壤有机氮库的容量, 改善土壤物理结构, 比如增加有机胶体吸附更多NO3--N[20], 从而增加土壤氮素含量.施用有机肥使土壤在供氮方式上具有持续性和渐进性, 更适合作物根系对氮的吸收利用[46]. 31 a长期试验表明, 土壤全氮含量随施用氮肥的年限增长而增加, 其中施加有机肥的处理含量最高[19].张黛静等[21]研究分析了土壤氮素投入与支出, 表明增施有机肥处理的氮素均表现为盈余, 且增加了土壤全氮含量.
植株氮素的吸收、利用与土壤水分状况有很大关系, 土壤水分含量高的处理在小麦开花期后可提高植株氮素累积量, 尤其是有机无机肥配施处理[18], 这与本研究地膜覆盖处理和有机无机配施处理的植株氮素累积量较高结果一致.地膜覆盖良好的水热条件能促进有机氮的矿化, 增加植株对氮肥的吸收, 减少系统氮的损失[47].任爱霞等[48]的研究表明, 丰水年较欠水年增加了植株体内的氮素积累, 覆盖较不覆盖促进了植株氮素吸收, 且覆盖处理在平水年和欠水年促进叶片、穗或者茎秆、茎鞘和穗的氮素向籽粒中转移.有研究表明, 地膜覆盖模式下的作物对土壤氮素的吸收要大于无覆盖处理, 籽粒吸氮量、地上部吸氮量均有增加的趋势[49].覆膜通过增加植株氮素积累量提高氮素吸收效率, 增加产量来提高氮肥利用效率和氮素收获指数, 这与Zheng等[42]和张哲等[50]研究的结果一致.覆膜条件下的植株氮素积累量和产量均有提高, 因为产量提高的幅度不如植株氮素积累量, 使得部分施肥处理的氮素利用效率在覆膜情况下低于不覆膜.与覆膜因素一样, 施肥能改善土壤理化性质促进作物对氮素的吸收, 且有机肥本身含有更多的营养元素, 能改善土壤微环境, 有机肥配施化肥能显著提高氮肥利用效率和氮素收获指数[24, 51].本试验中, 无论覆膜与否, 对照处理的氮素利用效率均高于施肥处理.这与肖丽丽等[52]研究的结果一致, 低地力水平处理的土壤供氮能力低, 植株氮素积累少, 同时产量也少, 相比高地力水平的氮素利用效率反而偏高.
4 结论(1) 与传统不覆膜相比, 地膜覆盖增加了玉米农田土壤N2O和CO2的排放总量(P < 0.05), 减少了土壤对CH4的吸收(P>0.05).不论覆膜与否, 施肥处理均提高了土壤N2O和CO2的排放总量, 减少了土壤对CH4的吸收(P < 0.05).相比仅施无机肥的处理, 添加有机肥的处理降低了土壤N2O排放量(P < 0.05), 增加了CO2排放通量(P>0.05).覆膜和施肥因素显著增加了全球增温潜势, 但该农艺措施通过提高玉米产量降低了温室气体排放强度.
(2) 地膜覆盖和有机肥等氮配施提高了作物产量和水分利用效率, 促进了玉米植株对氮素的吸收利用, 提高了玉米植株的氮素积累量, 增加了氮肥利用效率和氮素收获指数(P < 0.05).同时, 地膜覆盖和施肥增加了0~40 cm土壤中的全氮含量, 其中0~10 cm的土壤全氮含量增加显著.
(3) 综合分析, 覆膜条件下有机肥配施50%和不覆膜条件下有机肥配施75%可推荐为保证稳产和降低温室气体排放的绿色可持续生产的种植模式.
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