不同耕作模式下麦田土壤温室气体排放和小麦产量

陈 甜，于振文，石 玉，张永丽

（山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室 / 农业农村部作物生理生态与耕作重点实验室，山东 泰安 271018）

黄淮海麦区为我国小麦主产区，其小麦产业发展直接影响着我国的粮食安全。耕作模式作为改善土壤结构，调节土壤紧实度、透气性及养分的重要措施，对促进小麦的生长发育、实现小麦高产高效生产具有重要作用[1]。传统的旋耕会导致土壤耕层变浅、透水透气性变差，降低了土壤耕层的生产能力，进而使作物根系发育不良，不利于小麦高产[2]，而合理的耕作模式可以降低土壤容重，增加土壤养分含量，延缓土壤中有机质的分解，提高土壤对碳的固持，进而增加土壤有机碳储量和提高小麦产量。

耕作模式因对土壤扰动程度有所差异，故对土壤有机碳组分的影响也有差别。土壤团聚体是构成土壤结构的基础，与土壤有机碳组分相互制约[3]。研究表明，翻耕会破坏土壤大团聚体，进而影响土壤有机碳储量，免耕则通过提高土壤有机碳储量，加强了土壤颗粒的胶结作用，从而构成了土壤团聚体[4]。免耕条件下还有利于增加土壤大团聚体含量，促进土壤有机碳的积累[5]。Guo等[6]研究表明，在小麦播种前进行免耕，小麦两生长季收获后0—20 cm土层土壤有机碳含量较旋耕处理分别增加5.6%和7.2%，免耕还增加了土壤微生物数量，促进了土壤中微生物的繁殖活动，提高了土壤微生物量碳含量[7]。另有研究表明，深松较旋耕有利于改善土壤微生态环境，显著提高了20—40 cm土层土壤微生物量碳储量[8]。

耕作模式在改变土壤结构和土壤温湿度的同时也影响着土壤温室气体的排放。研究表明，与翻耕和旋耕等传统耕作模式相比，免耕易形成较硬的犁底层，增加了土壤容重，提高了土壤湿度，促进了土壤有机质的厌氧分解，导致CH4气体排放[9–10]。由于免耕保持了良好的耕层结构，有效的减少了N2O和CO2气体排放量[11–12]。另有为期4年的田间定位研究表明，深松相较于旋耕减少了土壤中N2O和CO2的排放量，且在产量方面具有显著优势，有利于降低温室气体的排放强度[13]。

综上所述，前人的研究多集中于单一的耕作模式对土壤理化性质和产量的影响，而关于组合型耕作模式对环境效益的长期影响研究尚少，因此，本试验拟在定位14年的试验基础上，设置深松与少免耕组合模式，通过分析土壤温室气体排放和麦田产量的差异，探究平衡产量和环境效益的最优耕作模式，以期为实现小麦绿色生产提供理论依据。

1.1 试验地概况

田间试验于2020—2021年小麦生长季在山东省济宁市兖州区小孟镇史家王子村院士试验站(35°40′N，116°41′E)进行。试验田土壤类型为潮土，该区为温带季风气候，平均气温13.6℃，年平均降水量733 mm。播种前0—20 cm土层土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为14.5 g/kg、1.30 g/kg、119 mg/kg、44.1 mg/kg 和 115 mg/kg。

1.2 试验设计

供试品种为济麦22。试验从2007年开始，设置4种耕作模式，即常年翻耕、常年旋耕、常年少免耕和隔两年深松+少免耕 (深松年份为2007、2010、2013、2016、2019)，分别用P、R、S和SS表示，不同耕作模式的作业程序如表1。

表1 不同耕作模式的作业程序Table 1 Tillage procedures of different tillage patterns

小区面积为 160 m2(4 m×40 m)，每个处理 3 次重复。小麦在播种前施入 N 105 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2和 K2O 150 kg/hm2做基肥，拔节期追施 N 135 kg/hm2。钾、磷、氮肥分别选用硫酸钾、磷酸二铵和尿素。三叶一心期定苗，留苗密度为180株/m2，其他田间管理措施同高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤团聚体的测定 于播种前、越冬期、拔节期、开花期和成熟期，取0—15、15—30、30—45 cm土层有代表性的原状土壤，每个处理选取5个样点。利用干筛法和湿筛法，测定土壤中直径>0.25 mm的土壤团聚体含量[14–15]。

1.3.2 土壤有机碳组分的测定 于拔节期、开花期和成熟期取0—15、15—30、30—45 cm土层土样，每个处理选取5个样点，将采集的土壤自然风干保存备用[16]。使用重铬酸钾外加热法和K2SO4氯仿熏蒸法分别测定土壤有机碳含量和土壤微生物量碳含量[17–18]。

1.3.3 温室气体测定 使用静态暗箱—气相色谱法在播种期、越冬期、返青期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期，每隔7天采集并检测一次气体样品，每个处理3次重复。采样箱由有机玻璃制成长度、宽度和高度分别为50、50和 100 cm的框架，每个采样箱匹配一个框架底座(长50 cm×宽50 cm×高20 cm)，在试验开始时将框架底座插入小麦行间。在取样过程中，将采样箱安装在框架底座上的凹槽中，该凹槽充满水以密封采样箱和底座之间的空隙，在箱体封闭期间利用聚丙烯注射器通过连接在采样箱顶部的三通，抽取气体样品放入铝箔气体取样袋中。取样当天利用改良后的Agilent 7890B气相色谱仪 (前检测器为FID；
后检测器为ECD) 测定采集的气体样品中CH4、CO2和N2O的浓度。温室气体累积排放量等计算公式如下[19–20]：

式中，Y为温室气体的总排放量 (kg/hm2)；
Fi为气体排放通量 [mg/(m2·h)]；
i为第 i次取样；
ti+1－ti为两次取样间隔的天数；
n为取样次数。

式中，GWP 为全球变暖潜力 (CO2-eq kg/hm2)；
T (CH4)和 T (N2O)分别为 CH4和 N2O 的累积排放通量 (kg/hm2)；

式中，GHGI为温室气体排放强度 (CO2-eq kg/hm2)；
Yi为不同耕作模式单位面积产量 (kg/hm2)；
i为耕作模式。

1.3.4 成熟期籽粒产量的测定 成熟期每个小区选取4 m2进行收获、脱粒，在自然条件下风干至籽粒含水量达到12.5%时进行测产，每个小区3次重复。

1.4 数据处理

数据整理应用Excel 2016软件，绘图应用SigmaPlot 12.5软件，应用 SPSS 26统计软件对相关数据进行方差分析。

2.1 耕作模式对土壤团聚体含量的影响

由表2可知，在干筛法中，随着土层的加深，各处理直径>0.25 mm土壤团聚体含量逐渐增加。0—15 cm土层直径>0.25 mm土壤团聚体含量为SS和S处理显著高于P和R处理；
15—30 cm土层为SS>P>R、S，R和S处理间差异不显著；
30—45 cm土层为SS处理显著高于P、R和S处理，P、R和S处理间差异不显著。在湿筛法中，各处理直径>0.25 mm土壤团聚体含量随着土层的加深呈降低趋势。0—15 cm土层直径>0.25 mm土壤团聚体含量为SS和S处理间差异不显著，显著高于P和R处理，P和R处理间差异不显著；
15—30和30—45 cm土层为SS>S>P、R，P和R处理间无显著差异。表明SS处理增加了0—45 cm土层土壤大团聚体的含量，促进了土壤耕层结构的稳定性，有利于提高土壤有机碳含量。

表2 不同耕作模式下直径>0.25 mm土壤团聚体含量Table 2 Soil aggregate content with diameter >0.25 mm under different tillage patterns

2.2 耕作模式对土壤有机碳含量和微生物量碳含量的影响

2.2.1 耕作模式对土壤有机碳含量的影响 由图1可知，在小麦的拔节期、开花期和成熟期，0—15 cm土层土壤有机碳含量均表现为SS>S>R>P，各处理间差异显著；
15—30 cm土层表现为SS>P>R、S，R和S处理间无显著差异。30—45 cm土层在拔节期和开花期表现为SS处理显著高于其他处理，成熟期为各处理间无显著差异。表明SS处理有利于增加耕层有机碳含量，提高土壤有机碳储量。

图1 不同耕作模式下0—45 cm土层土壤有机碳含量Fig. 1 Soil organic carbon content in 0–45 cm soil layer under different tillage patterns

2.2.2 耕作模式对土壤微生物量碳含量的影响 由图2可知，0—15 cm土层土壤微生物量碳含量为SS>S>R>P，处理间差异显著；
15—30 cm土层表现为SS>P>R、S，R和S处理间无显著差异；
30—45 cm土层在拔节期和开花期表现为SS处理显著高于其他处理，成熟期为各处理间无显著差异。表明SS处理促进了土壤微生物的活动，提高了土壤微生物量碳储量。

图2 不同耕作模式下0—45 cm土层土壤微生物量碳含量Fig. 2 Soil microbial biomass carbon content in 0–45 cm soil layer under different tillage patterns

2.3 耕作模式对麦田土壤温室气体排放的影响

2.3.1 耕作模式对土壤CO2气体排放通量的影响 由表3可知，越冬期各处理土壤CO2气体排放通量最低。于拔节期施肥灌溉后，CO2的排放通量达到最大值。其中，播种期P和R处理的CO2气体排放通量无显著差异，显著高于SS和S处理，SS和S处理间无显著差异；
越冬期和返青期各处理间无显著差异；
拔节期、开花期、灌浆期和成熟期CO2气体排放通量为P>R>SS>S，各处理间差异显著。表明与P、R相比，SS处理促进了土壤团聚体的稳定性，增加了难分解有机碳含量，从而减少了CO2气体排放。

表3 不同耕作模式下小麦各生育期土壤CO2气体排放通量 [mg/(m2·h)]Table 3 Soil CO2 gas emission fluxes under different tillage patterns at different growth stages of wheat

2.3.2 耕作模式对土壤N2O气体排放通量的影响 由表4可知，各处理土壤N2O气体排放通量在越冬期达到最低，于拔节期施肥灌溉后达到高峰期。其中，播种期P和R处理的N2O气体排放通量无显著差异，显著高于SS和S处理，SS和S处理间无显著差异；
越冬期和返青期处理间无显著差异；
拔节期、开花期、灌浆期和成熟期，N2O气体排放通量为P>R>SS>S，处理间差异显著。表明与P、R相比，SS处理对土壤扰动小，削弱了土壤的硝化作用，减少了N2O气体排放。

表4 不同耕作模式下小麦各生育期土壤N2O 气体排放通量 [μg/(m2·h)]Table 4 Soil N2O gas emission fluxes under different tillage patterns at different growth stages of wheat

2.3.3 耕作模式对土壤CH4气体排放通量的影响 由表5可知，土壤CH4气体排放通量为负值，表明土壤吸收了大气中的CH4。在越冬期，各处理对CH4气体吸收量无显著差异；
播种期和返青期P、R处理对CH4气体吸收量无显著差异，显著高于SS和S处理，SS和S处理间无显著差异；
拔节期、开花期、灌浆期和成熟期麦田对CH4气体吸收量为P>R>SS>S，各处理间差异显著。表明与S处理相比，SS处理抑制了土壤甲烷菌的形成，显著增加了CH4气体吸收量。

表5 不同耕作模式下小麦各生育期土壤CH4气体排放通量 [μg/(m2·h)]Table 5 Soil CH4 gas emission fluxes under different tillage patterns at different growth stages of wheat

2.3.4 耕作模式对温室气体累计排放量及排放强度的影响 由表6可知，耕作模式对麦田土壤温室气体累计排放量、全球变暖潜力 (GWP) 和温室气体排放强度 (GHGI) 具有显著的影响。其中CO2气体累计排放量SS处理较S处理增加了4.1%，较P、R处理分别减少了8.4%和4.9%；
N2O气体累计排放量SS处理较S处理增加了7.4%，较P、R处理分别减少了12.9%和7.7%；
CH4气体累计吸收量SS处理较S处理增加了8.4%，较P、R处理分别减少了18.6%和11.2%；
全球变暖潜力SS处理较S处理增加了7.9%，较P和R处理分别降低了12.2%和7.3%；
SS处理温室气体排放强度较P、R和S处理分别减少了28.6%、28.6%和16.7%。表明SS处理的温室气体累计排放量显著低于P和R处理，温室气体排放强度显著低于其他处理，有效的减少了农业生产带来的温室效应。

表6 不同耕作模式下麦田土壤温室气体累计排放量、全球变暖潜力及温室气体排放强度Table 6 Cumulative greenhouse gas emissions, global warming potential (GWP) and greenhouse gas emission intensity(GHGI) in wheat field under different tillage patterns

2.4 耕作模式对麦田籽粒产量和产量构成因素的影响

由表7可知，单位面积穗数SS与P处理显著高于R和S处理，穗粒数处理间无显著差异，千粒重表现为SS处理较P、R和S处理分别提高了4.7%、8.7%和9.6%，SS处理小麦的籽粒产量最高，较 P、R和S处理分别提高了7.1%、14.2%、19.4%。表明SS处理在保证较高单位面积穗数和穗粒数的基础上，通过提高粒重获得高产。

表7 不同耕作模式下小麦籽粒产量和产量构成因素Table 7 Wheat grain yield and its components under different tillage patterns

3.1 耕作模式对土壤团聚体含量、土壤有机碳含量和土壤微生物量碳含量的影响

耕作是影响土壤颗粒胶结和土壤团聚体形成的一个重要措施。土壤颗粒的胶结能力越强，直径>0.25 mm的土壤团聚体越多，土壤结构越好[21]，土壤有机碳含量也会显著提高[22–23]。研究表明，深耕秸秆还田处理水稳性团聚体的形成较少，但能增加表层土壤的有机碳含量，而深松秸秆还田处理通过打破犁底层、提高地表秸秆覆盖率，不但能够提高土壤中的有机碳含量[24]，还有利于形成水稳性团聚体。翻耕与免耕相比，土壤中直径>0.25 mm的土壤团聚体含量和土壤有机碳含量分别降低了66.6%和18.1%。这与翻耕易破坏土壤结构，不利于土壤团聚体的形成，进而影响了土壤固碳有关[25]。免耕较翻耕土壤团聚体的稳定性提高了3.6%，显著增加了土壤总有机碳含量。其原因为免耕促进了土壤微生物活动，增加了有机质的积累量，促进了土壤团聚[26]，由于土壤有机碳在土壤团聚体的保护下能够不断积累，因此有效地提高了土壤有机碳储量[25]。本研究中，隔两年深松+少免耕 (SS) 处理显著提高了 0—45 cm 土层中直径>0.25 mm的土壤团聚体所占比例，促进了土壤团聚体的胶结，维持了土壤团聚体的稳定性[27]，增加土壤中碳的固存，促进土壤有机碳的积累，对表层土壤有机碳含量的增加尤为显著[28–29]。土壤微生物量碳是评价土壤有机质分解和养分转化的重要指标。研究表明，深松的土壤微生物量碳含量显著高于旋耕[30]，其原因为深松有利于加强土壤中的气体交换，促进土壤微生物活动，增加土壤微生物量碳储量[31]。本研究中，隔两年深松+少免耕 (SS) 处理的土壤微生物量碳含量均显著高于其他处理，这是由于隔两年深松+少免耕 (SS) 处理保持了良好的土壤结构，有利于土壤微生物的生长繁殖，显著提高了土壤微生物量碳含量[32]。

3.2 耕作模式对温室气体排放和环境效益的影响

合理的耕作模式对减少温室气体排放具有显著效果。CO2和N2O是温室气体排放的“源”，而CH4是温室气体排放的“汇”[33]。研究表明，免耕通常具有相对较高的土壤容重和土壤有机质含量，有利于减少CO2和N2O气体排放，因此与旋耕相比，免耕处理下土壤的CO2和N2O气体排放通量更少[34]。本研究表明，常年少免耕 (S) 和隔两年深松+少免耕(SS) 处理CO2和N2O的排放量均显著低于常年翻耕(P) 和常年旋耕 (R) 处理；
这与常年少免耕(S)和隔两年深松+少免耕(SS)处理通过减少土壤呼吸，进而减少了CO2和N2O的排放有关[35]。另有研究表明，免耕较翻耕具有相对稳定的土壤结构，降低了土壤的透气性，增加厌氧条件下CH4菌的产生，从而延缓了CH4的氧化，促进了CH4的排放[11]。本研究发现，隔两年深松+少免耕 (SS) 处理对大气中CH4的吸收量显著高于常年少免耕 (S) 处理，其原因为隔两年深松+少免耕 (SS) 处理促进了土壤中的气体交换，不易造成土壤厌氧环境，进而减少了土壤中CH4的排放通量[35]。此外，隔两年深松+少免耕 (SS) 处理的温室气体累计排放量、全球变暖潜力显著低于常年翻耕 (P) 和常年旋耕 (R) 处理，温室气体排放强度显著低于其他处理。这与长期的保护性耕作(深松+少免耕)模式较翻耕、旋耕等单一的耕作模式，具有减少土壤扰动，增加土壤固碳，减少碳排放等优势有关[36]。

3.3 耕作模式对籽粒产量和产量构成因素的影响

耕作模式通过改善土壤耕层结构，促进了土壤养分循环，进而提升了产量[37]。研究表明，与翻耕相比，深松可以打破犁底层，提高土壤养分含量，显著增加小麦的籽粒产量[38]。亦有研究表明，深松能有效地解决翻耕对表土破坏较大和蓄水保墒的问题，满足了小麦生长旺盛时期所需的营养物质，促进了干物质向籽粒中的转运，提高了小麦的单位面积穗数和千粒重，进而提升了小麦的籽粒产量[39]。另有研究表明，在干旱年份，免耕较翻耕具有较强的蓄水保墒和增产的能力[40]。在本研究中，不同耕作模式下千粒重和籽粒产量均为隔两年深松+少免耕 (SS) 处理显著高于常年翻耕 (P)、常年旋耕 (R) 和常年少免耕(S) 处理。其原因为深松和少免耕处理增加了土壤结构的稳定性，促进了植株对水分和养分的吸收，提高了小麦单位面积穗数和千粒重，为小麦高产奠定了基础[41–42]。

长期定位研究表明，隔两年深松+少免耕处理显著提高了0—45 cm土层直径>0.25 mm的土壤团聚体含量，增加了土壤有机碳含量，减少了温室气体排放强度，获得最高产量。在本试验条件下，隔两年深松+少免耕处理是平衡产量和环境效益的最优耕作模式。

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