轮作下黑土呼吸及碳平衡

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全球变暖已成为当今人们关注的焦点问题, 而陆地生态系统碳循环是全球变化研究的核心。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分, 在全球碳收支中占有重要地位。据统计, 大气中 30%的 CO2来源于农业活动和土地利用方式的转变等过程[1]。农田生态系统中, 一方面, 绿色植物(农作物)通过光合作用固定大气中的 CO2, 表现为“汇”; 另一方面,农田通过土壤呼吸向大气释放 CO2, 表现为“源”。受自然因素和人类活动优劣的影响, 农田生态系统向“源”或“汇”的方向发展。因此, 深入探讨农田生态系统的碳平衡对于科学评价陆地生态系统的源汇效应具有重要意义。土壤呼吸是农田碳平衡研究的基础。IPCC(2006)报告[2 3]提出农田土壤是当前具有很大碳排放缓解能力和碳减排潜力的陆地生态系统, 全球农业减排的自然总潜力高达每年 5 500~6 000 Mt CO2当量,其中 93%来自减少农田土壤 CO2释放。土壤呼吸主要包括 3 个生物学过程(植物根呼吸、土壤微生物呼吸和土壤动物呼吸)和一个非生物学过程(少量土壤有机物质的化学氧化过程), 其中最重要的部分是根系呼吸和土壤微生物异氧呼吸。土壤呼吸不仅与温度、水分等自然因素密切相关, 同时受到作物生长和耕作施肥等人类活动的强烈影响[4 6]。东北黑土区是我国开垦较晚的土壤类型, 百年间土地利用方式经历了从自然植被到农田覆盖的演变过程[7], 农田生态系统的源汇效应也发生着深刻改变。黑土区主要农作物包括玉米、大豆和小麦, 并采用小麦 玉米 大豆轮作的种植方式。目前有关黑土区农田土壤呼吸特征已开展大量研究[8 11], 但大多针对不同施肥和耕作措施影响下某一种作物覆盖下土壤呼吸的变化特征, 而缺乏对不同作物覆盖下土壤呼吸的比较, 同时有关小麦 玉米 大豆轮作方式下黑土区农田生态系统碳平衡状况的研究也鲜见报道。因此, 本研究基于海伦农田生态系统国家野外科学观测站的观测资料, 探讨和分析了不同施肥方式影响下小麦 玉米 大豆轮作系统中作物的固碳能力与土壤呼吸特征, 并对农田生态系统碳平衡值进行了估算, 为正确评估农业固碳减排潜力提供理论依据。

1材料与方法

1.1研究区域概况

本文以海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站(以下简称海伦站)为平台, 海伦站地处我国东北黑土区的中心, 地理位置为 N47°6′, E126°8′, 海拔 240 m, 属于温带大陆性季风气候, 冬季寒冷干燥,夏季高温多雨, 雨热同季, 年均气温为 0.5~4 ℃, 年均降雨量为 500~600 mm, 68%集中在 5—9 月, 无霜期为 125~135 d, 作物生长期为 120 d。土壤为黄土母质发育的典型黑土, 土壤质地为粉壤质或粉黏质,黏粒含量约 40%[12]。

1.2试验材料与试验设计

试验开始于 1991 年, 种植方式采用小麦 玉米 大豆轮作, 一年一熟制。试验共设 5 个处理: 不施肥对照(CK)、施化肥 NP(NP)、施化肥 NK(NK)、施化肥 NPK(NPK)和化肥 NPK 与有机肥配施(NPKOM),每个处理 4 次重复, 各小区面积为 63 m2, 随机区组排列。化学氮肥为尿素、磷肥为(NH4)2HPO4、钾肥为 K2SO4。大豆和小麦春季播种时全部化肥作基肥;玉米 1/3 氮肥、全部磷肥、钾肥在春季播种时作基肥, 剩余 2/3 氮肥在拔节期作为追肥。有机肥为腐熟猪粪, 含碳量为 15.5%, 有机肥在每年 10 月份秋季整地时一次性施入。各作物的施肥量如表 1。

1.3气体样品的采集与计算

1.3.1CO2的采集与测定

气体样品采集于 2005—2007 年作物生长季, 种植作物分别为 2005 年小麦、2006 年玉米和 2007 年大豆。CO2气体采集方法参照参考文献[9], 采用静态箱法采集, 采气箱体积为 70 cm×20 cm×9 cm, 并配有 2 个混合器。采样箱底座分 2 种: 一种用于测定土壤呼吸(Rp), 作物根系可以自由进入采样箱底座内; 另一种用于测定土体呼吸(Rb), 即土壤微生物呼吸, 阻止作物根系进入采样箱底座。从作物出苗后的第 2 d 开始采样, 每周采样 2 次, 采集时间为每周一和周四上午 10:00—12:00 之间, 直至作物成熟。采用岛津气相色谱分析仪(Shimadzu GC 2010)测定 CO2浓度。通过标准气体和待测气体的峰面积计算待测气体浓度。

1.3.2计算方法

气体排放通量的计算:式中, FCO2为 CO2排放通量[mg(C)?m 2?h 1], ρ为标准状态下 CO2的密度, dc/dt 为气体浓度随时间的变化率, V 为采样箱的有效空间体积(16.8 dm3), A 为采样箱所覆盖的土壤面积(0.14 m2), T 为采样时采样箱内的气体温度。土壤累积呼吸量的计算:式中, M 为土壤累积呼吸量[kg(C)?hm 2], F 为 CO2排放通量, i 为采样次数, t 为采样时间即播种后天数。根际呼吸的计算: 根际呼吸(Rr)为土壤呼吸(Rp)减去同条件下的土体呼吸(Rb), 即 Rr=Rp Pb。

1.4植物样品的采集与分析

植物样品分别于 2005—2007 年作物成熟后采集。各小区采集完整的玉米植株 5 株, 大豆和小麦植株 10 株, 将植株的籽粒、秸秆和根分开, 在鼓风干燥箱内烘干, 测定植株各部分的生物量。随后将植株各部分粉碎研磨, 过 0.25 mm 筛, 采用元素分析仪(Elementar, Germany)测定植物样品各部分的碳含量。1.5 数据处理数据采用 Excel 2003 和 SPSS 11.0 软件分析。

2结果与分析

2.1黑土农田不同作物固碳特征

2005 年小麦总固碳量在 2 648~4 400 kg(C)?hm 2之间, 平均值为 3 655 kg(C)?hm 2。籽粒、秸秆和根系各部分碳含量的平均值分别为 1 513 kg(C)?hm 2、2 035 kg(C)?hm 2和 106 kg(C)?hm 2, 占植株总固碳量的 41%、56%和 3%(表 2)。不同施肥处理下, 小麦总固碳量的高低表现为 NPKOM>NPK>NP>NK>CK。NPKOM 处理下小麦的总固碳量比 NPK 处理高6%; NPK 处理比 NP 和 NK 分别高 6%和 30%; 而不施肥处理(CK)下, 小麦总固碳量分别为 NP、NK、NPK 以及 NPKOM 处理的 68%、83%、64%和 60%。可见, 均衡施用化肥与有机 无机肥配施能提高小麦固碳量。2006 年玉米总固碳量在 4 894~7 582 kg(C)?hm 2之间, 平均值为 6 513 kg(C)?hm 2, 是小麦固碳量的1.8 倍。玉米籽粒、秸秆和根系各部分碳量的平均值分别为 2 841 kg(C)?hm 2、3 294 kg(C)?hm 2和 378kg(C)?hm 2, 占总固碳量的 44%、51%和 5.8%(表 2)。不同施肥处理中, 玉米固碳量以 NPKOM 处理最高,比 NPK 处理高 13%。NPK 和 NP 处理玉米固碳量之间的差异不显著, 说明黑土钾含量较高, 土壤本身能够满足玉米生长的需要, 钾肥对玉米生长的促进作用并不明显。NK 处理下玉米固碳量要低于 NPK和 NP 处理, 分别比二者低 4%和 7%。而 CK 处理下,玉米固碳量显著低于化肥处理和有机 无机肥配施处理。施肥对玉米籽粒和秸秆碳量在植株总固碳量中所占比例的影响不明显, 但对玉米根部碳量的相对比例有较大影响, 以 NPKOM 和 NP 处理最高, 为69%和 68%, 而 NPK、 NK 和 CK 处理下 , 分别为50%、51%和 48%。2007 年大豆总固碳量在 3 409~4 840 kg(C)?hm 2,平均值为 4 025 kg(C)?hm 2(表 2), 这一数值比小麦的固碳量高出 10%, 但比玉米的固碳量低 38%。大豆籽粒、秸秆和根系碳量的平均值分别为 1 294kg(C)?hm 2、2 487 kg(C)?hm 2和 244 kg(C)?hm 2, 占植株总固碳量的 32%、62%和 6%。不同施肥处理下,大豆固碳量在处理之间的差异显著, 以 NPKOM 处理最高。NK 处理下大豆固碳量低于 NPK 和 NP 处理, 分别比二者低 18%和 13%。由于缺乏磷素, NK处理下大豆生长缓慢, 其固碳量与 CK 之间差异不显著。各施肥处理下大豆籽粒和根部的固碳量占总量的比例未表现出明显差异; 而秸秆碳量的相对比例以 CK 最高, 达 65%, 其他处理的差异不明显, 约为 60%~62%。

2.2黑土农田不同作物生长季土壤 CO2排放总量

2.2.1小麦生长季土壤 CO2排放总量

小麦生长季土壤 CO2排放总量在 1 721~3 206kg(C)?hm 2之间(图 1a), 平均值为 2 326 kg(C)?hm 2。土体呼吸 CO2排放量在 881~1 190 kg(C)?hm 2之间,而根际呼吸 CO2排放量在 786~2 016 kg(C)?hm 2之间，占土壤 CO2排放总量的比例较大, 为 46%~63%,说明在小麦生长季, 根际呼吸是土壤呼吸的主体,这与黄土旱塬区冬小麦的结果一致[13]。施肥是影响土壤 CO2排放的重要因素。小麦生长季, 土壤 CO2排放总量的高低表现为 NPKOM>NPK>NP>NK>CK, 这一趋势与小麦固碳量(生物量)一致。NPKOM 处理下土壤 CO2排放总量约是 NPK处理的 1.3 倍, 原因一方面在于土壤呼吸作用与作物生物量和净生产力密切相关[14], NPK 配施有机肥更有利于小麦生长, 使得小麦根系发达, 根际呼吸强度增加; 另一方面, 施用有机肥产生的激发效应提高了土壤中潜在矿化分解的有机碳含量。氮、磷、钾养分均衡施用下土壤 CO2排放总量高于 NP 和 NK处理, 分别高出 8.5%和 2.4%, 主要原因可能是充足的养分供给可促进作物根系生长, 根际呼吸旺盛,土壤 CO2排放总量较高。

2.2.2玉米生长季土壤 CO2排放总量

玉米整个生育期内, 土壤 CO2排放总量在2 850~5 305 kg(C)?hm 2之 间 , 平 均 值 为 3 813kg(C)?hm 2(图 1b), 其中土体呼吸 CO2排放量占排放总量的比例较小 , 为 20%~34%, 根际呼吸量为1 870~4 255 kg(C)?hm 2, 占土壤 CO2排放总量的66%~80%, 因此，玉米根系对土壤呼吸起着主导作用。玉米生育期内土壤 CO2排放总量高于小麦, 约为小麦的 1.6 倍, 主要原因可能是小麦的生育期较短, 根际呼吸量较低, 与黄斌等[15]对华北地区冬小麦和夏玉米的试验结果相一致。不 同 施 肥 处 理 下 , 土 壤 C O2排 放 总 量 以NPKOM 处理为最高, 比 NPK 处理高 29%。由于黑土钾含量非常高, 使得土壤 CO2排放总量在 NPK 与NP 处理之间差异较小。另外, NK 与 CK 处理间土壤呼吸量差异也不明显, 分别为 2 850 kg(C)?hm 2和2 916 kg(C)?hm 2, 可能由于长期施用氮钾肥, 加速了土壤中磷素的消耗, 磷素成为玉米生长的限制因素; 而不施肥处理, 土壤速效养分较低, 但速效磷含量高于 NK 处理, 因而 NK 和 CK 处理玉米生长缓慢, 根系呼吸量较低, 且差异不明显。本结果与孟磊等[16]对不同施肥方式下潮土玉米生长季土壤 CO2累积排放量的研究结果相一致。

2.2.3大豆生长季土壤 CO2排放总量

大豆生长季土壤 CO2排放总量在 3 378~5 250kg(C)?hm 2之间(图 1c), 平均值为 4 062 kg(C)?hm 2,其中土体呼吸约为 1 056~1 415 kg(C)?hm 2, 占土壤CO2排放总量的 25%~31%。与小麦和玉米相比, 大豆生长季土体呼吸略高于前两者, 可能由于前茬作物玉米的生物量较大, 凋落物较多, 促进了土壤微生物活动, 提高了土体呼吸强度。根际呼吸仍是土壤 CO2排放的主体, 为 2 322~3 835 kg(C)?hm 2, 占土壤 CO2排放总量的 69%~73%。大豆生长季土壤CO2排放总量的平均值是 3 种作物中最高的, 主要原因在于大豆是固氮作物, 所形成的根瘤具有较强的固氮能力, 促使大豆根际活动旺盛, 根系呼吸强度较高。另外, Fu 等[17]研究表明, 大豆对土壤有机质分解的激发效应为正效应, 可达 69.9%。丁洪等[18]研究也指出黑土区大豆生长季土壤 CO2的排放总量高于玉米。不同施肥处理下, 大豆农田系统土壤 CO2排放总量与玉米田的变化趋势一致,表现为 NPKOM>NPK>NP>NK>CK, 该结果与 Qiao 等[19]对黑土进行大豆盆栽试验测定土壤呼吸量时的研究结果相一致。

2.3黑土农田生态系统碳平衡的计算

科学家提出了净生态系统生产力(NEP)的概念以研究陆地生态系统的源汇关系问题, NEP 代表大气 CO2进入生态系统的净光合产量, 等于净初级生产力(NPP)与土壤微生物异养呼吸碳释放量(Rm)的差值。即 NEP=NPP Rm。本研究中以作物地上部与根部的总固碳量作为 NPP[15,20], 作物生长季土壤碳释放总量为 RS, 根据相关研究结果[21], 本研究取Rm=Rs×0.865 进行碳平衡计算。计算结果如表 3, 小麦、玉米和大豆生长季农田生态系统的 NEP 值均为正值, 表明黑土土壤 作物系统为大气 CO2的“汇”。各作物生长季, 3 种作物系统 NEP 值的高低表现为玉米>小麦>大豆, 平均值分别为 3 215 kg(C)?hm 2、1 643 kg(C)?hm 2和 512kg(C)?hm 2, 可见, 玉米生长季农田碳汇强度高于小麦和大豆。不同施肥方式是影响作物生长季农田生态系统碳汇强度的重要因素。如前所述, 3 种作物生长季土壤 CO2排放总量的高低均表现为 NPKOM>NPK>NP>NK>CK, 但 3 种作物碳平衡的结果有所不同。小麦生长季, 农田生态系统 NEP 表现为 NPK>NP>NPKOM>NK>CK, 均衡养分处理提高了作物的固碳能力, 从而增加了农田生态系统的碳汇强度;而 NPKOM处理中, 由于大量有机肥的施入所产生的“激发效应”, 促使土壤呼吸速率增强[22], 降低了农田生态系统的碳汇强度。大豆生长季农田生态系统 NEP 值的变化趋势表现为 NPK>NP>NK≈CK>NPKOM 。玉米生长季农田生态系统的 NEP值以 NK 处理为最高, 其次为 NP 和 NPK, 主要原因在于 NK 处理与 NP 和 NPK 处理的 NPP 值差异不大, 但后两者的土壤 CO2排放总量远高于 NK处理。

3讨论

作物的光合作用是农田生态系统有机碳输入的源头, 增加农田生产力, 维持较高的作物碳储量,对于提高农田生态系统的碳汇能力具有重要作用。华北平原高产粮区农田土壤 CO2累积排放量大约在5 650~7 060 kg(C)?hm 2之间, 土壤呼吸排放的碳大约是总净生物量碳的 48%~59%[23], 与华北平原等一年两熟地区相比, 东北地区采用一年一熟制, 其农田作物的固碳能力和土壤呼吸也相对较低。在东北地区, 主要农作物有大豆、玉米和小麦, 大豆和小麦同属于典型的C3作物, 其碳同化能力小于C4作物玉米。从土壤呼吸的角度来看, 作物生长季根际呼吸是土壤 CO2排放的主体, 因此, 土壤 CO2排放总量与作物的根际呼吸密切相关。Kuzyakov 等[22]利用示踪法研究植物 土壤系统中碳的转化, 指出小麦输送大约 20%~30%的同化碳到地下, 其中 1/2 作用于根系生长, 1/3 作用于根际呼吸; 而玉米在整个生育期 中 根 际 呼 吸 的 CO2达 作 物 净 光 合 产 物 的18%~25%[24]。大豆具有旺盛的根际呼吸, 同时其土体呼吸也高于其他 2 种作物, 故而土壤 CO2排放量高低表现为大豆>玉米>小麦。综上所述, 3 种作物中,玉米生长季农田生态系统的 NEP 值最大, 具有较高的碳汇强度; 而大豆生长季农田生态系统的 NEP 值最低, 其碳汇强度相对较弱。许多研究指出玉米和小麦农田生态系统是碳“汇”, 但由于耕作制度、田间管理及碳收支估算方法不同, 这些碳收支的结果并不一致[25 26]。

不同施肥管理措施影响着作物固定大气 CO2的能力和数量。研究表明, 均衡氮、磷、钾养分的施用以及有机 无机肥配施能够提升作物的生物量,进而提高作物的固碳量[27]。本研究中, 小麦、玉米和大豆 3 种作物对不同施肥管理方式表现出相似的响应规律, 不施肥和施氮钾化肥处理下, 由于养分供应不足, 作物的生物量较低, 相应固碳量也较低;提供均衡的氮、磷、钾养分后, 促进了作物生长, 作物固碳量也有所提高; 有机 无机肥配施, 不仅为作物生长提供了充足的养分, 也改善了土壤理化性质和微生物活性, 作物生长的土壤环境得以改善, 因此, 作物的生物量达到最高。作物生长季土壤 CO2排放总量与施肥方式密切相关, 均衡施用营养物质不仅可提高作物固碳量, 也提高作物根际呼吸强度,作物根际呼吸量与其生物量变化相一致。与本试验中黑土的变化趋势相似, 淋溶土[28]和潮土[29]等土壤类型中土壤呼吸量的高低也表现为化肥配施有机肥>化肥>无肥。从土壤 作物系统 NEP 值来看, 均衡施用化肥处理下农田生态系统固碳量的增加幅度远高于土壤 CO2排放量的增加幅度, 所以均衡施用化肥有利于增强农田生态系统碳汇强度[30 31]。有机肥施用后, 由于有机物质的“激发效应”使土壤 CO2累积排放量高于作物固碳量, 进而使其 NEP 值较低,这与李海波[20]的结果一致。

联合国气候变化框约(UNFCCC)把温室气体“汇”定义为从大气中清除温室气体的过程、活动和机制。从碳固定与排放的角度来衡量黑土农田生态系统的碳平衡状况来看, 黑土农田小麦 玉米 大豆轮作系统中 NEP 值为正值, 表明黑土农田生态系统是大气 CO2的“汇”。然而, 如果考虑籽粒的收获和作物秸秆的大量移出, 毋庸置疑, 农田生态系统的NEP 值将呈负值 , 黑土农田的源汇效应将发生改变。李俊等[32]对华北冬小麦 夏玉米轮作农田进行生态系统净碳交换量(NEE)估算时, 表明华北农田是大气 CO2的“汇”, 但考虑收获籽粒中的碳后, 农田由碳“汇”变成碳“源”, 年度的碳亏损量约为 1 075~3 405 kg(C)?hm 2。因此, 在农业生产中可以通过加大作物秸秆和根的投入, 使更多的碳积累于农田土壤碳库中, 从而实现农田固碳增“汇”的目的。

4结论

(1)在东北黑土区小麦 玉米 大豆轮作系统中,主要农作物固碳量的高低表现为: 玉米>大豆>小麦,平均值分别为 6 513 kg(C)?hm 2、4 025 kg(C)?hm 2和 3 655 kg(C)?hm 2。从作物生长季土壤 CO2排放总量来看, 3种作物中以大豆农田生态系统的CO2排放总量最高, 达 4 062 kg(C)?hm 2, 其次是玉米, 为 3 813kg(C)?hm 2, 而小麦田最低, 为 2 326 kg(C)?hm 2。通过对小麦 玉米 大豆轮作体系下农田净生态系统生产力(NEP)的估算表明, 黑土农田土壤 作物系统在通常情况下为大气 CO2的“汇”, 以玉米生态系统的碳汇强度最高, 其次为小麦, 大豆最低。

(2)长期均衡施用化肥或有机-无机肥配施后 ,小麦、玉米和大豆 3 种作物系统的固碳量和土壤 CO2排放总量均明显增加, 在有机 无机肥配施处理下达到最高。不同施肥管理措施将改变黑土土壤 作物系统作为大气 CO2汇的程度, 总体趋势表现为均衡施用化肥下碳汇强度较高, 而有机 无机肥配施处理的碳汇强度较低。