作者：秦子? 劉子琪 曾慶亞 張爽 梁子晨 單位：東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 洮南市城市職業(yè)技術(shù)教育中心

1材料與方法

1．1試驗(yàn)地點(diǎn)試驗(yàn)田位于吉林省四平市梨樹縣梨樹鎮(zhèn)高家村，地理坐標(biāo)為124°14'E，43°18'N，屬溫帶半濕潤季風(fēng)大陸性氣候，年平均氣溫5．8℃，年降水量平均為577．2mm，海拔158．7m。該地區(qū)主要為一年一熟制春玉米種植區(qū)。

1．2試驗(yàn)設(shè)計選擇了4塊樣地，每塊面積2000m2。在控制施肥量和秸稈還田量的雙重因子下，設(shè)如下處理:①減施化肥且秸稈不還田;②減施化肥且秸稈67%還田;③減施化肥且秸稈100%還田。以常量施化肥且秸稈不還田作為對照(CK)。減施化肥、常規(guī)施肥分別為施用玉米復(fù)合肥(28-15-12)450、675kg/hm2。5月22日播種、施肥同時進(jìn)行，6月28日追肥。與傳統(tǒng)耕作技術(shù)相比，該研究采用的保護(hù)性耕作可以有效地提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤物理性質(zhì)，提高單位作物產(chǎn)量［12］。

1．3測定項(xiàng)目與方法試驗(yàn)以每月2次為測定頻率，每次測定項(xiàng)目為含水量和土壤碳排放量，不定期保存土樣以進(jìn)行有機(jī)質(zhì)、NPK等參數(shù)的對比測定。有關(guān)土壤碳排放量的研究一般采用封閉式靜態(tài)器室法、土壤類型法、遙感法、模型法、相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計法等［13］。該試驗(yàn)采用封閉式靜態(tài)氣室法(CSC)，即采用堿石灰在封閉氣室中吸收土壤所產(chǎn)生的二氧化碳。采用40cm×40cm×40cm的密閉玻璃氣室，寬度的選擇適用于兩壟間距(65cm)，而高度的選擇則保證了氣體在土壤內(nèi)外的循環(huán)暢通［14］，以使試驗(yàn)結(jié)果更貼近實(shí)際的土壤呼吸量。測定時間為24h，每個試驗(yàn)組取3組平行試驗(yàn)進(jìn)行測定。由于降雨量和溫度的劇烈變化會對土壤有機(jī)碳庫造成極大地影響［15］，每次試驗(yàn)時應(yīng)避免陰雨或其他極端天氣，以減少實(shí)驗(yàn)誤差。

2結(jié)果與分析

2．1碳排放量的變化情況有研究表明，施肥、輪作以及作物覆蓋都能降低CO2排放量，提高土壤固碳效率［16］，但其影響程度具有差異性。從圖1可以看出，碳排放量整體水平為對照(CK)＞處理③＞處理②＞處理①。處理③、②的碳排放量都大于處理①，而處理③、②之間碳排放量水平相差不大，碳排放量最大的為對照(CK)。由此可以看出，施肥和秸稈還田都使得二氧化碳的排放量增加，且施肥的效用更加明顯。各處理碳排放隨著玉米生長期的變化呈現(xiàn)不同程度的波動，但波動差異微小。波動原因較多，如高降水量會降低土壤呼吸量，而較高的溫度則對應(yīng)較大的土壤呼吸量［17］。在作物的不同生長期，根呼吸作用強(qiáng)度會呈現(xiàn)不同的變化趨勢，周圍環(huán)境的變化也會對微生物活性造成影響。在10月玉米收割后，各處理碳排放量都降到低谷，均在4g/(m2•d)以下。其原因主要為收割后植物根呼吸降到最低谷，而氣溫的下降也使得微生物活動變?nèi)酰?8］。

2．2土壤含水量的變化情況含水量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中衡量農(nóng)業(yè)土壤土質(zhì)的重要參數(shù)之一。從圖2可以看出，各層土壤含水量整體水平為處理③＞處理②＞對照(CK)＞處理①，即秸稈還田和施化肥都使得土壤含水量上升，且秸稈還田的作用更加明顯;隨著土壤深度的增加，各處理含水量都有小幅度的增加。

2．3玉米產(chǎn)量10月中旬玉米收割完畢后，對各處理玉米產(chǎn)量進(jìn)行了統(tǒng)計。從表1可以看出，由于2010年整個吉林省大部分地區(qū)降水量異常充足，產(chǎn)量比2011年高。2010年對照(CK)玉米產(chǎn)量最高，其次是處理③，比正常施肥種植減產(chǎn)10．09%，比處理①減產(chǎn)7．28%;而2012年對照和處理間差異則更小，減產(chǎn)幅度控制在1．08%～6．02%。可見，當(dāng)減少化肥施入量，產(chǎn)量會有所下降，但是秸稈作為一種生物肥，對產(chǎn)量起到一定的提升和保護(hù)作用。當(dāng)全量覆蓋還田時，這種效果更佳。

2．4含水量與碳排放量的線性關(guān)系通常意義下，在排除含水量最高和最低的極端條件下，土壤含水量與土壤碳排放應(yīng)該是正反饋。因此，用含水量和碳排放量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證兩者的關(guān)系。從圖3可以看出，土壤碳排放量和含水量大體上呈現(xiàn)線性關(guān)系。這一結(jié)果是與以往的研究結(jié)論大體趨于一致的。CO2的排放量是土壤呼吸的重要指標(biāo)，與各層土壤含水量有著相互影響和制約的關(guān)系，一般情況下有正反饋的作用。為了真正理清土壤濕度對土壤碳排放量的影響，必須進(jìn)行調(diào)控土壤水分的單因子試驗(yàn)，即對其他環(huán)境因子如土壤溫度、pH、生物條件等進(jìn)行必要的調(diào)控。因此，在野外試驗(yàn)條件下，以上的數(shù)據(jù)比較結(jié)果是不能作為兩者關(guān)系的重要相關(guān)性參考。

土壤CO2的釋放主要來自有氧代謝，大體可分根呼吸、凋落物分解、微生物呼吸和有機(jī)質(zhì)氧化4個部分，其中根呼吸作用貢獻(xiàn)最大，可占總排放量的50%［14，19］，而農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)具有生物種類少、食物鏈單一等特點(diǎn)，所以這一比值將進(jìn)一步增大［20］。化肥的施入增加了營養(yǎng)物濃度，使得根呼吸速度得以提高，組織生長更快，能量的需求也相應(yīng)升高。較高的生長呼吸水平對應(yīng)較高的CO2釋放量。秸稈還田同樣會提高根呼吸速度。由于并不是直接突然增加底物濃度，效果并沒有化肥的施入那么明顯，而是一個相對緩慢的過程。秸稈覆蓋極大地增加了凋落物庫。凋落的分解需要在土壤動物和微生物的共同作用下完成。這一過程會釋放部分CO2，而土壤微生物活性也會得到相應(yīng)的增強(qiáng)。研究證明，秸稈代替部分化肥可有效地降低碳排放量。但從土壤呼吸和土質(zhì)的角度上進(jìn)行分析，秸稈起到了保護(hù)作用，增加了微生物活性，達(dá)到了保水、保質(zhì)的效果。而化肥只是提高了植物的生長速率，提高了生產(chǎn)量。化肥的使用會改變土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，造成土壤營養(yǎng)和pH失衡，抑制土壤動物和微生物的正常作用［21］。長期過量施用會對農(nóng)業(yè)土壤造成不可估量的危害。3結(jié)論與討論筆者在完成對秸稈還田試驗(yàn)長達(dá)2年的跟蹤測定后，得出了包括土壤各土層含水量、土壤碳排放量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤NPK含量等一系列數(shù)據(jù)。但是，土壤土質(zhì)的改變是一個極為緩慢的過程，所以包括有機(jī)質(zhì)含量、NPK含量等的變化并不是十分明顯。經(jīng)過6年的試驗(yàn)種植，100%覆蓋還田的土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到了2．2%，而正常種植土壤有機(jī)質(zhì)含量為19．1%，高出13．2%?？梢姡斩掃€田有效地保護(hù)了黑土地的土質(zhì)。而NPK含量變化不明確，且沒有呈現(xiàn)具體規(guī)律。

研究表明，在東北黑土地，與正常種植相比，67%的秸稈還田可以使土壤平均減少28.25%的碳排放量，而全量秸稈還田則可以平均減少23.36%的碳排放量?？傮w來說，采用秸稈覆蓋種植可以減少碳排放量，提高土壤固氮率。秸稈作為生物肥代替部分化肥的使用，有效地提高了土壤的含水量和有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而改善了黑土地土質(zhì)。與化肥對土壤的有害作用相比，秸稈還田提高了微生物活性，減少了農(nóng)殘含量，保證了土壤的養(yǎng)分平衡，是更適合黑土地水土保持的耕作模式。研究還表明，土壤碳排放量與土壤含水量存在著正相關(guān)關(guān)系。與傳統(tǒng)耕作模式相比秸稈還回降低了碳排放量，提高了土壤含水量。從產(chǎn)量的角度，秸稈代替部分化肥的使用雖然會帶來減產(chǎn)，但是減少了化肥施入量，防止秸稈的二次污染，同樣給農(nóng)民降低生產(chǎn)成本和秸稈處理費(fèi)用，從長遠(yuǎn)的角度看仍具有可觀的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。在倡導(dǎo)農(nóng)業(yè)尋求可持續(xù)發(fā)展的時代背景下，在東北地區(qū)實(shí)行和推廣秸稈還田的耕作模式，減少了二氧化碳的排放，有利于土壤有機(jī)碳的固定，提高了農(nóng)業(yè)用地的肥力，改善了東北黑土的生態(tài)環(huán)境，使得環(huán)境保護(hù)與農(nóng)民收益得到更好的兼顧。