微生物菌对集沟小麦秸秆温室气体的固碳减排影响

方志超，吴明亮，2，杨安明，胡 婷

（1．湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128；2．湖南现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128）

气候变暖已成为目前最为严峻的环境问题，由CO2、CH4、N2O等温室气体排放所产生的影响显而易见［1］。其中CO2的温室效应众所周知，但CH4相比于CO2，由于其在大气中滞留时间长，对红外线的吸收能力强，增温潜势（GWP）大约是CO2的23倍；N2O具有更强的GWP，约为CO2的150～200倍，并且，N2O通过光化学反应与臭氧层中的O3发生反应，破坏臭氧导致地表紫外线辐射增大，从而威胁到人类的生存环境［2-3］。

农田生态系统作为温室气体重要的排放源和吸收汇，对温室效应的影响不容忽视，占全球人为排放源的10%～12%［4］。其中，农田温室气体的排放在受到温度、湿度、pH值等环境因素影响的同时，也受到许多人为因素的影响，如氮肥施用、农田翻耕、秸秆直接还田等。研究表明有机肥和无机肥配施会增加农田温室气体的排放，但不同的研究差异性较大［5］。陈义等［6］研究发现有机肥处理的N2O排放高于氮肥处理，还有研究表明施用有机肥可增加土壤有机碳的含量，有机碳能够固定土壤速效氮并促进N2O转化为N2，该反硝化过程可减少N2O的排放。Six等［7］认为免耕初期土壤温室气体释放量高于翻耕；而Ussiri等［8］研究得出，长期免耕相比凿式犁耕作和铧式犁耕作，能显著减少温室气体的排放。

秸秆还田是有机碳归还农田的一项重要农作措施。还田的秸秆在其腐解过程中，一部分经微生物的分解直接以CO2的形式排放到大气中，另一部分则通过微生物的分解作用而进入到土壤中，实现部分秸秆的固碳减排。尽管秸秆直接还田具有增加土壤固碳量、改善土壤结构、培肥地力等作用，但现在所推行的秸秆还田方式如表面覆盖、混合施入土壤表层等，由于还田及耕作方式不得当，可能会造成翻地质量不好、温室效应增加等问题［9-11］。本文以前期研究为基础，针对秸秆集于沟内敞开放置这一特定的还田方式，结合微生物秸秆腐解菌对集沟秸秆的促腐作用，通过对秸秆温室气体排放进行测试及分析，获得农田温室气体的排放规律，为农田生态系统温室气体的减排控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概述

试验地位于盐城市黄海农场，该地气温为-16.4∼39.9℃，年均气温为13.1℃。年均降水量为956.5 mm，蒸发量为1554.5 mm。全年无霜期占211 d，日照时长历年平均2314.8 h，日照率为58%［12-13］。该地区稻麦轮作，一年两季，免耕直播，机收后秸秆留茬高度较均匀，为15～25 cm。供试土壤为重黏土，在0～10、10～20 cm深的平均土壤坚实度分别为168.4、316.5 N，土壤基本理化性状见表1。

表1 供试土壤理化性状

1.2 试验材料

试验所用小麦秸秆为淮麦22号秸秆。集草沟内秸秆均长为78.6 mm。所使用液体类微生物腐解菌剂为南京日升康生物工程有限公司生产，主要成分包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等。芽孢含量为200亿/mL，与尿素配合使用。其中，施入量比为菌剂∶尿素∶秸秆=1∶0.057∶20，C/N调节为25∶1［14］。

1.3 试验设计

试验采用多因素多水平的随机区组试验设计。其中，集沟还田下的秸秆处理有3组，分别为①LM+ST：施入液体状菌剂的集沟秸秆；②PM+ST：施入粉末状菌剂的集沟秸秆；③CK+ST：无菌剂施入的集沟秸秆。另外，不同秸秆还田方式有4组处理，分别为④JG+CR：集沟还田模式的作物；⑤JG+CK：集沟还田模式无作物；⑥FS+CR：粉碎还田模式的作物；⑦FS+CK：粉碎还田模式无作物。共7组处理，每个处理3次重复，计21个小区。

1.4 测试方法与指标

1.4.1 测试方法

为了降低外界环境对测试气体的影响，本文温室气体的测试采用静态暗箱法，该方式将采样点置于密闭、无光的有限空间内，可保证所采集的气体接近真实排放情况。静态箱体主要分为底座，加高层，以及主箱体部分，PVC材质，并以锡箔纸包裹隔热。针对本文的研究对象-集沟秸秆，箱体尺寸规格应与集草沟沟型匹配，设计箱体底座宽为250 mm，长为1000 mm，高度为200 mm，不同层的箱体之间通过卡槽相嵌合，加高层和主箱体高度根据作物特性和前人的研究成果均取为500 mm［15］。其中，底座埋置于田间相应的试验点固定。主箱体内置风扇，预留有采气孔和温度测量孔。采气时将箱体嵌入底座回形槽并加水密封，短暂中断暗箱内的光合作用带来的影响。通过外接蓄电池使箱体内气体尽可能混合均匀，并插入温度计。每次采样时间为10：00，利用50 mL带有开闭阀的采气针筒分别在0、5、10、15分进行抽气，并迅速注入真空存储瓶。贴好标签并尽快送至实验室，利用气相色谱仪对所采气样进行分析，箱体结构和尺寸，如图1、2、3、4所示。

1.4.2 测试指标

气样分析中所测指标包括CO2、CH4和N2O的含量。采用安捷伦气相色谱仪（Agilent7890A），其中CO2、CH4用氢火焰离子化检测器（FID）测定，N2O用电子捕获检测器（ECD）测定，检测条件及相关参数见表2所示。

表2 气象色谱配置及采样分析条件

相关计算公式为：

式中，F-气体排放通量，mg·m-2·h-1；ρ-标准状态下各气体的密度，CO2、CH4、N2O的密度分别为1.96、0.54和1.25 g·L-1；V-采样箱有效体积，m3；A-采样箱所覆盖的土壤表面积，m2；dC/dt-箱内温室气体浓度随时间的变化率，μL·L-1·min-1，由每组4个采样时刻点温室气体浓度与对应的抽样时刻0、5、10、15分拟合直线的斜率决定；T-采样过程中静态箱内的平均温度，℃。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤有机碳储量的影响

2.1.1 不同处理对稻季麦秸秆的CO2的排放通量影响

稻季气体的采样从2017年的6月25日开始，直到11月16日水稻即将收割之前。稻季CO2的排放规律如图5所示，整个采样期各处理的CO2几乎均为排放，表现为CO2的源。各处理间呈现出较大的差异性，其中，水稻作物的排放量最为明显，2种秸秆还田方式下的作物处理JG+CR与FS+CR的CO2排放通量较为接近，分别为26.45～982.28和-37.76～962.37 mg·m-2·h-1，平均排放通量分别为426.59和368.70 mg·m-2·h-1，2次峰值均出现在施过氮肥之后，表明氮素会极大促进CO2的排放，但秸秆还田方式对作物的CO2影响较小；在无作物和无秸秆的处理下，主要由土壤作用的处理JG+CK和FS+CK在整个生长期CO2排放表现平稳，维持在90 mg·m-2·h-1左右。与之相比，麦秸秆集沟还田后，处理CK+ST在整个生长期的CO2平均排放通量达381.78 mg·m-2·h-1，表明秸秆直接还田会增大农田CO2的排放量，在施入不同的微生物腐解菌后CO2排放量均有不同程度的下降，2种处理LM+ST与PM+ST分别降低了31.6%和12.0%，降幅明显。

2.1.2 不同处理对稻季麦秸秆的CH4的排放通量影响

稻季CH4在整个生长期内各处理下均表现为排放，即为CH4的排放源（图6）。不同处理具有一定的季节性变化。其中，稻季作物处理JG+CR与FS+CR的变化规律相似，在整个生长周期的平均排放量极为相近，均约为13.26 mg·m-2·h-1，表明不同秸秆还田对作物生长过程中的CH4排放无明显影响，并且在施加氮肥后也对CH4的排放无明显影响；而秸秆直接还田处理中，CK+ST在整个生长期的平均排放量达到了19.15 mg·m-2·h-1，表明秸秆直接集沟还田会大大增加农田的CH4排放，这主要是由于秸秆还田增加土壤有机质，提高产甲烷古菌的生命活动所造成。为此，考察LM+ST和PM+ST 2种类型的微生物菌作用下，与CK+ST相比，排放量均明显偏低，分别为12.07和15.20 mg·m-2·h-1，微生物菌的施入能有针对性的消耗和利用秸秆和土壤的有机质。

2.1.3 不同处理对稻季麦秸秆的N2O的排放通量影响

针对稻季的N2O而言，在整个生长期内各处理呈现明显的季节性变化规律，并以排放为主，表现为N2O的源，各处理均在施加氮肥的7月下旬和烤田期过后的8月下旬出现N2O的排放峰值。且第二次峰值时由于水稻作物的分蘖和长势，使得N2O的排放要高于第一次峰值。其中，在生长前期CK+ST处理的排放量处于领先，为523.70 μg·m-2·h-1，高于微生物菌作用下的处理，这是由于土壤中的N2O主要由硝化和反硝化作用产生，秸秆的施入会改变农田土壤的C/N，从而加速N2O的产生，但是在微生物菌的作用下，与CK+ST相比，N2O的排放之所以会下降是因为配施的微生物秸秆腐解菌加快了土壤氮素的消耗和固定，减少了产生N2O的生成底物，从而降低N2O的排放；在水稻生长的后阶段，FS+CR处理的N2O排放量逐渐上升至领先地位，这一方面是由于作物的光合作用和呼吸作用日益增强，另一方面是旋耕的田块由于土壤的翻动，导致土壤的通透性较好，在氮肥充足的条件下土壤的硝化和反硝化作用得以加强，因此相对该处理的N2O排放较高。

2.2 对农田CO2、CH4和N2O全球增温潜势的影响

由于CO2、CH4和N2O的增温效应不同，它们对全球变暖的影响亦不相同。当这3种气体从一个系统同时排放时，只有计算它们作用的综合效果才能了解农田生态系统或某一农业管理措施对温室效应的贡献值。目前，绝大多数学者以全球增温潜势（GWP）-即用于定量衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响，用CO2当量值表示，来体现这3种温室气体的联合作用，计算公式：

式中，TH-评估期间长度，以100年为基准；ax-气 体 辐 射 效 率，W·m-2·kg-1；x（t）-1 kg气体释放后随时间的衰减比；ar-CO2辐射效率，W·m-2·kg-1；r（t）-1 kg CO2释放后随时间的衰减比。

如表3所示，可知3种不同处理LM+ST、PM+ST、CK+ST的综合GWP分别为-9.22、-7.15、-11.56 CO2t·hm-2，两处理组相对于对照组均略低，分别为对照组的79.9%和61.8%，表明在100年的时间尺度上，该还田方式对农田温室气体综合GWP有一定的抑制作用。

表3 稻季麦秸秆还田各处理的温室气体GWP （CO2 t·hm-2）

2.3 年际效应

通过在2018年进行连续、重复的试验，验证2017年分别在稻季和麦季结论的可靠性。现仅对秸秆还田的3组处理进行分析。试验表明，2017和2018年同一温室气体的各处理变化趋势一致，LM+ST和PM+ST均不同程度地低于对照组CK+ST，表明微生物菌能减少温室气体排放；而同一处理在不同年份下绝大部分都存在显著性差异，表明不同年份取样的浓度受到外界因素的影响较大，可能与采样时间、年份气候、田间管理、作物的长势、人为误差均存在一定的关系。

表4 稻季麦秸秆还田各处理的年际间温室气体平均排放通量

3 讨论与结论

土壤能通过生物和非生物过程捕获大气中的碳素并将其稳定地存入碳库，这一过程被称为碳固存。土壤有机碳（SOC）储量与环境变化、生态系统中物质能量循环和人类生产生活密切相关［16-17］。其中，农田温室气体排放在受到温度、湿度、pH值等环境因素影响的同时，也受到许多人为因素的影响，如氮肥施用、秸秆和有机肥的还田等［18］。

CO2、CH4和N2O是导致温室效应的3种主要温室气体，其中农田生态系统又是大气中3种温室气体重要的排放源。本研究中，通过对农田耕作方式、秸秆还田方式以及对集沟还田的秸秆微生物菌的处理综合分析可知，各因素对农田温室气体有较大的影响［19］。总体来说，①对稻季和麦季而言，温室气体的排放以稻季为主，麦季各种温室气体的排放通量相对稻季低，这主要是受温度的影响所致，温度是促进温室气体排放的一个重要因素；②对耕作方式而言，免耕的平均温室气体排放量要低于旋耕，与旋耕相比，免耕的综合温室效应减排可达15%，这是由于耕作会破坏土壤的原有结构，从而减少土壤CO2、CH4和N2O的氧化程度和汇集强度并增加了其反应基质；③对氮肥的施入而言，不论是稻季还是麦季，氮肥的施入会明显改变温室气体的排放，特别是会促进N2O和CO2的排放，这可能是由于NH4+-N抑制了甲烷产生菌活性，从而使CH4的排放增幅不明显。增加N2O的排放主要是由于氮肥进入土壤后可以增加土壤氮素含量，为硝化反硝化过程提供底物NO3-和NH4+，其中，NO3-不仅可以促进反硝化速率，而且能够刺激NO3-还原酶活性，增加N2O/N2。增加CO2的原因是氮肥的施入改善了土壤理化性质，增加了土壤有机质的积累，促进了土壤微生物的活性以及根系的生长和活力，从而增加了CO2的排放量；④就秸秆直接还田而言，秸秆直接还田作为一种有机肥的投入，改善了土壤的理化性质，增加了土壤有机质的积累，促进了土壤微生物活性及残留根系的生长和活力，同时，秸秆施用加速了微生物对有机物质的分解和矿物质的转化，从而增加了CO2、CH4及N2O的排放量，特别是配施氮肥的情况下，排放量增加尤其明显。

苗期因为秸秆腐解率低，有机质的矿化率低，微生物的呼吸作用相对较弱，此时的作物根系弱小，呼吸强度弱。因此，田间作物的温室气体排放通量在整个生育期是最小的［20］，但是秸秆的温室气体排放不受影响，处于较高的水平。

由于秸秆还田在保护环境，增加土壤肥力，提高作物产量等方面有着不可估量的作用［21］。因此，为了探索秸秆还田在固碳和减排方面的作用，本研究在微生物菌促进集沟秸秆快速腐解的基础上，进一步研究该措施下温室气体排放的情况。研究表明：在稻季麦秸秆直接还田（CK+ST）作用下，外加微生物菌处理LM+ST、PM+ST的CO2、CH4、N2O的平均排放量分别为260.89 mg·m-2·h-1、12.07 mg·m-2·h-1、100.87 μg·m-2·h-1和335.96 mg·m-2·h-1、15.20 mg·m-2·h-1、117.39 μg·m-2·h-1，比无微生物菌的对照组分别要低31.7%、36.9%、39.2%和12.0%、20.6%、29.2%。微生物菌能在一定程度上缓解秸秆还田所带来的温室气体排放，这是由于秸秆在腐解过程中，微生物的呼吸底物增加，呼吸强度提高，CO2排放量增大，加入菌剂促腐后集沟秸秆CO2排放量比对照低，原因可能是集沟还田秸秆的腐解是微氧反应，菌剂的施入促进秸秆碳微氧分解和腐殖化，秸秆碳的腐殖化率越高，土壤固碳越高，CO2气体排放量表现为降低。同时土壤中的有机碳提高，起到固碳的作用。并且由于微生物菌对秸秆的快速分解，此过程会消耗大量的O2，导致土壤表层出现还原的环境条件，从而增强了CH4的氧化吸收，减少其排放，但是相对另2种气体不明显。使土壤有机质与土壤中的氧混合减少；同时由于免耕和秸秆覆盖，使土壤温度和有机质腐化降低，减少了CO2的排放；高C/N的微生物菌分解过程中需要利用土壤中的氮素，且好氧微生物的活动导致土壤氧化还原状况的改变，限制了硝化作用N2O的产生，同时秸秆在腐解过程中产生化感物质也会抑制N2O的释放，最终体现为共同降低N2O的排放［22-24］。