秸秆还田深度对土壤温室气体排放及玉米产量的影响
秸秆还田深度对土壤温室气体排放及玉米产量的影响朱晓晴，安晶，马玲，陈松岭，李嘉琦，邹洪涛，张玉龙
（沈阳农业大学土地与环境学院/农业农村部东北耕地保育重点实验室/土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳 110866）
摘要：【目的】秸秆还田是培肥地力、增加土壤有机质和改善土壤结构的重要技术手段，但以往的研究表明秸秆还田会加速土壤温室气体的排放。本研究通过对秸秆不同还田深度下农田土壤温室气体排放特征和产量的研究，明确降低温室气体排放量的最佳还田深度，以期为合理利用秸秆、提高作物产量，实现农业可持续发展提供科学依据。【方法】采用大田微区试验，以玉米为供试作物，设置4个还田深度，采用静态箱-气相色谱法测定整个玉米生长季不同还田深度下温室气体（CO2、CH4、N2O）的排放特征，产量及产量构成因素。试验共设5个处理，还田深度分别为0—10 cm（T1）、10—20 cm（T2）、20—30 cm（T3）和30—40 cm（T4），同时以不还田处理作为对照（CK）。【结果】（1）在整个玉米生长季CO2和N2O均表现为排放，CH4表现为吸收。CO2累积排放量为T3处理最高，较CK显著增加了28.6%，T4处理增加最少，较CK显著增加了17.1%（P＜0.05），但T1与T4处理之间差异不显著；而N2O的累积排放量T2处理为最高，与CK相比，累积排放量显著增加111.3%，T4处理增加最少，与CK相比显著增加了12.8%（P＜0.05）；CH4则表现为吸收，且秸秆还田后降低了农田土壤对CH4的吸收能力，吸收量表现为CK处理＞T4处理＞T3处理＞T1处理＞T2处理，且各还田处理与CK之间差异显著（P＜0.05）。（2）秸秆不同还田深度下，与对照相比，各处理玉米产量均显著增加，增产在5.6%—20.8%（P＜0.05），但各处理之间的穗长、穗粗和行粒数差异不显著。当秸秆还至30—40 cm时，产量最高，较CK增加了20.8%，表明秸秆还田对提升土壤肥力及作物增产有重要作用。（3）从温室气体综合增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）来看，在100年尺度上，GWP表现为T2处理＞T3处理＞T1处理＞T4处理＞CK处理，而GHGI表现为T2处理＞T3处理＞T1处理＞CK处理＞T4处理，表明与CK相比，各处理均增加了玉米季温室气体的综合增温潜势，而T4处理则降低了玉米季温室气体排放强度，说明秸秆深还至30—40 cm可在一定程度上缓解全球增温潜势。【结论】秸秆还田会显著增加CO2和N2O排放，降低对CH4的吸收能力；秸秆深还至30—40 cm可相对降低综合增温潜势，降低温室气体排放强度，同时显著增加玉米产量。因此，为实现较高的玉米产量和较低的温室气体排放强度，秸秆深还至30—40 cm是较为合理的土壤改良培肥方式。
关键词：温室气体；秸秆还田深度；排放通量；玉米产量；综合增温潜势
0 引言
【研究意义】近年来，气候变暖对自然经济和人类生活的影响已成为全球性问题。大气中温室气体（CO2、CH4、N2O）浓度不断增加是造成气候变暖的主要原因，其中农业活动产生的温室气体占人为源温室气体排放总量的10%—20%。因此，农田是温室气体排放的一个最重要的源。秸秆作为物质、能量和养分的载体，是一种很宝贵的可再生自然资源。我国是农业大国，秸秆资源丰富，年产量超过8.4×108 t。秸秆焚烧是较为常规的处理方式，但会导致严重的环境污染，也是一种极大的资源浪费。而秸秆还田既能提高土壤有机质含量，增强土壤肥力，又能改良土壤结构和微生物特性，是当今乃至今后的主要利用渠道。然而，传统的秸秆还田如覆盖还田、留茬还田会带来播种质量差、病虫害增加、与作物争夺氮素及影响温室气体排放等问题。秸秆深还不会影响农民耕种，且能打破犁底层使深层有机质增加，实现土壤固碳和温室气体减排。因此，探究不同还田深度对温室气体排放特征及作物产量的影响，确定合理的还田深度，对实现作物增产及降低农业温室气体排放具有重要的实际应用价值。【前人研究进展】秸秆还田对温室气体排放的影响结论不尽相同。众多研究结果认为，秸秆还田会促进土壤呼吸，增加CO2的排放。宋秋来等研究发现秸秆覆盖还田增加了CO2的排放；吴洁通过对麦田的研究得到，将秸秆集中沟埋至40 cm较秸秆沟埋至20 cm减少了CO2的排放量。秸秆还田通常会影响土壤DOC和N的有效性，进而推动CH4和N2O的排放。国内外对于秸秆还田对N2O排放的影响表现为不确定性，秸秆还田既可促进N2O的排放，也可抑制N2O的排放；同时，N2O的排放量也会受到秸秆还田深度的影响，通过实验室模拟结果证明秸秆还田至20 cm比还至10 cm更能减少农田N2O的排放，也有报道秸秆深还比秸秆表面覆盖增加了N2O和CO2的排放。对于秸秆还田影响CH4排放的研究大多集中于稻田，旱地农田的研究相对较少，但相关研究均显示旱地土壤是CH4的“弱汇”。有研究发现麦秸均匀混合还田会增加稻田CH4的排放量，减少N2O的排放量，但是覆盖还田CH4和N2O的排放量均会增加。有研究认为，秸秆粉碎覆盖还田配施化肥能使麦田土壤CH4的排放减少27.3%。田慎重等研究发现秸秆深松还田较无秸秆还田使CH4的吸收量降低。【本研究切入点】目前，关于秸秆还田对温室气体排放的影响主要集中在秸秆还田量、秸秆还田方式、秸秆还田配施化肥等方面，然而将秸秆还田至不同土层对温室气体排放的影响研究还不多见。【拟解决的关键问题】为此，本研究采用大田微区试验探究秸秆不同还田深度对温室气体排放特征及产量的影响，明确秸秆最佳还田深度，以期为秸秆科学合理还田及温室气体减排提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于辽宁省沈阳市沈阳农业大学后山试验基地（123°56′ E，41°82′ N，海拔43 m），属于温带半湿润大陆性气候，年平均气温8.3℃，年平均降水量为710 mm。供试土壤为棕壤，其基本理化性质见表1。
表1 供试土壤基本理化性质
Table 1 Basic properties of soils tested in different depths
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1.2 试验设计
试验于2018年5—9月进行，供试作物为玉米，品种为京科968。试验设置4个还田深度和一个不还田处理作为对照，试验小区用长75 cm、宽45 cm、高50 cm的PVC塑料框分隔，每个处理设3次重复，共15个小区。为了保证供试土壤的均质性，划定小区后，将各小区土壤分4层（0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm）取出，玉米秸秆粉碎后按层次与土壤混合（用量12 000 kg·hm-2），具体混合层次如下：（1）0—10 cm土壤与秸秆混合（T1）；（2）10—20 cm土层的土壤与秸秆混合（T2）；（3）20—30 cm土层的土壤与秸秆混合（T3）；（4）30—40 cm土层土壤与秸秆混合（T4）；（5）不施秸秆，原位回填（CK）。各小区还田层在还入秸秆的同时均加入57 g尿素，将C/N调整为25∶1，然后将各小区土壤按层次原位回填。氮磷钾等肥料用量与当地常规施肥一致（N-P-K=240-75-75），作为基肥一次性施用，于次日播种玉米，每个小区种植2株玉米，具体管理措施与当地常规大田生产管理一致。每个小区均按4个层次埋设定位监测系统探针，监测土壤水分和温度，动态变化如图1所示。
1.3 观测指标与方法
1.3.1 温室气体采集与测定 温室气体的采集采用密闭式静态箱法，采样装置由箱体和底座两部分组成。箱体为透明有机玻璃材质的长方体（40 cm×40 cm×60 cm），内部放置小风扇，以保证箱内气体均匀分布；箱体上部插有温度计，用于测定箱内温度。底座（40 cm×40 cm×25 cm）上表面周围有凹槽，采气时，用水密封凹槽，然后罩上箱体，以防止箱体与底座之间漏气，使用注射器从取样口抽取样品。将底座埋入作物行间，入土约10 cm，在整个玉米生长季箱体不再移动。
气体样品的采集自播种后第2天开始，以后每隔6 d采集一次，采样时间均固定在上午8：00—11：00，采气时将底座水槽中注水加以封闭，从箱体置于底座上开始采集第一个样品，之后每10 min采集一次，按照0、10、20、30 min的时间间隔从采气口用50 mL注射器抽气，抽取40 mL气体注入真空气袋中保存，共采集4个气体样品。同时记录气温和箱内温度。
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图1 玉米生长季土壤温度和水分变化
Fig.1 Changes of soil temperature and moisture during maize growing season
样品采集后，在实验室用Agilent 7890B气相色谱仪进行分析，分析柱为Porpak.Q填充柱，柱箱温度为40℃，所用载气为高纯度N2，N2O测定用电子捕获检测器（ECD），工作温度为300℃，最低检测下限为32 μg·kg-1；CO2和CH4的测定采用氢气检测器（FID），工作温度为300℃，CO2的最低检测下限为4 mg·kg-1，CH4的最低检测下限为0.2 mg·kg-1。使用气相色谱仪时均用国家标准计量中心的标准气体进行标定，每60个样品做一次外标工作曲线。根据气体浓度随时间的变化速率计算气体排放通量，计算公式为：
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式中，F为温室气体排放通量，CO2、CH4、N2O 的单位分别是mg C·m-2·h-1、μg C·m-2·h-1、μg N·m-2·h-1；M为CO2、CH4或N2O的摩尔质量（以纯C或N计）（g·mol-1）；V0为标准状况下气体的摩尔体积（22.4 L·mol-1）；H为采样箱的净高度（m）；Δc/Δt为采样箱内温室气体浓度的变化率（µL·L-1·min-1），当采样箱内4次浓度观测值随时间变化的线性相关系数大于0.95时，则视为观测值有效，可进行通量计算；T为采样过程中采样箱内的平均温度（℃）；a为时间转换因子（60 min·h-1）。采样时箱内气体压强几乎不变，对CO2、CH4和N2O的影响可以忽略，因此计算时不考虑压强的影响。
温室气体的累积排放量由相邻两次温室气体排放通量的平均值与两次采样时间间隔的乘积之和得到。
1.3.2 玉米产量测定 玉米收获时，将各微区的玉米全部带回实验室，考种测产，调查穗长、穗粗、穗行数、行粒数和百粒重。
1.3.3 综合增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）的计算 由于温室气体强度兼顾作物产量和综合净温室效应，是现阶段低碳农业的评价指标。因此，本研究以综合增温潜势（GWP）来表示不同温室气体对全球变暖所造成的潜在效应，在100年增温尺度上，CH4和N2O的增温潜势为CO2的28和265倍 。综合增温潜势计算公式为：
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式中，NECB 为农田生态系统净碳收支，δSOC 为土壤有机碳的变化速率，NPP表示净初级生产力，代表作物收获时测定的总碳量（地上、地下部分）；Re为土壤呼吸；H 表示因农田收获物移出农田生态系统的总碳量，包括秸秆和籽粒碳量，可通过秸秆和籽粒的生物量乘以含碳率得到，玉米秸秆和籽粒的含碳率分别为0.47和0.39；CH4-C和N2O-N 分别表示作物全生长周期内CH4碳和N2O氮累积排放量；M 表示农田施入外源有机肥碳量。16/12是从CH4-C转化为CH4的系数；44/28是从N2O-N转化为N2O的系数；44/12 是从土壤有机碳转化为CO2的系数。
单位产品的综合净温室效应即为温室气体强度GHGI（kg·t-1），其计算公式为：
GHGI = GWP/Y
式中，Y为作物产量（t·hm-2）。
1.4 数据分析
采用Microsoft Excel 2013 进行数据整理；运用IBM SPSS Statistics 22软件进行统计分析，其中方差分析为单因素方差分析（one-way ANOVA），多重比较为Duncan法，平均值在＜0.05水平下差异具有统计学意义；采用Origin 9.0 软件进行绘图。
2 结果
2.1 秸秆不同还田深度对土壤CO2排放的影响
秸秆不同还田深度下，玉米生长季CO2排放通量的动态变化如图2所示。由图2可知，在不同还田深度下，微区CO2的排放通量在整个玉米生长季具有较明显的变化，且变化趋势总体相似，呈现双峰型变化。CO2的排放通量在玉米生长初期表现较高之后逐渐降低，又在生长中期达到排放通量峰值，之后排放通量呈降低趋势，整体趋势表现为在降雨之后出现较大的波动。CK、T1、T2、T3和T4处理的CO2的平均排放通量分别为95.8、115.2、116.7、117.6和108.5 mg C·m-2·h-1。由表2可知，在玉米整个生长季，各处理CO2的累积排放量T3处理＞T2处理＞T1处理＞T4处理＞CK处理。CK的累积排放量为2 714.4 kg C·hm-2，T1、T2、T3、T4处理较CK处理显著增加了19.6%、23.8%、28.6%和17.1%（P＜0.05）。T1处理土壤排放的CO2累积量高于T4处理，但差异不显著。在玉米整个生长季，CO2的排放通量与各土层温度和含水量作相关性分析（表3）得到，土温与CO2的排放通量呈极显著正相关关系（r=0.739，n=84，P＜0.01），各层土壤含水量与CO2的排放通量表现为极显著负相关（r=-0.566，n=84，P＜0.01）。说明随着温度的升高，CO2排放通量随之增大，随着土壤深度的增加，土壤含水量逐渐增加，CO2的排放量逐渐减小。
2.2 秸秆不同还田深度对CH4排放的影响
秸秆不同还田深度下，玉米生长季CH4排放通量的变化如图3所示。由图3可知，不同还田深度，CH4的通量值有正有负，且呈波动性变化。玉米生长季CK、T1、T2、T3和T4处理的平均排放通量分别为-7.3、-2.4、-0.3、-2.0和-4.3 µg C·m-2·h-1。各处理CH4的累积排放量均为负值（表2），表现为吸收，其吸收量为CK处理＞T4处理＞T3处理＞T1处理＞T2处理，且各处理与CK之间差异显著（P＜0.05）。
2.3 秸秆不同还田深度对N2O排放的影响
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图2 CO2排放通量动态变化（箭头表示降雨）
Fig.2 Dynamics of CO2 emission fluxes of different treatments (Arrows for rainfall)
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图3 CH4排放通量动态变化
Fig.3 Dynamics of CH4 emission fluxes under different treatments
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图4 N2O排放通量动态变化
Fig.4 Dynamics of N2O emission fluxes under different treatments
表2 秸秆不同还田深度下温室气体排放累积量
Table 2 Cumulative emissions of greenhouse gases with different depths of straw returning
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表中不同小写字母分别表示各处理间差异显著（P＜0.05）。下同
Different letters represent significant difference among different treatments (P＜0.05).The same as below
表3 温室气体排放通量与土壤含水量和温度的相关性分析
Table 3 Correlation analysis of greenhouse gas emission flux with water content and temperature of soil
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**表示在0.01水平上极显著相关（n=84）
** Represent extremely significant correlation at the level of 0.01 (n=84)
秸秆不同还田深度下N2O排放通量的动态变化如图4所示。由图4可知，秸秆不同还田深度下，微区土壤N2O的通量排放模式为单峰型，整体趋势随着季节变化排放通量先增大后减小，在播种后第12天时取得排放通量最大值，78 d后各处理N2O排放逐渐趋于平稳。CK、T1、T2、T3和T4处理的平均排放通量分别为436.6、542.4、955.3、677.2和508.1 µg N·m-2·h-1。由表2可以看出，N2O的累积排放量大T2处理＞T3处理＞T1处理＞T4处理＞CK处理，CK处理的N2O累积排放量最小，为13.6 kg N·hm-2，与CK相比，T1、T2、T3和T4处理累积排放量分别显著增加了19.2%、111.3%、50.0%和12.8%（P＜0.05），但T1和T4处理之间没有显著差异。
2.4 秸秆不同还田深度对玉米产量及产量构成因素的影响
秸秆不同还田深度下玉米产量及产量构成因素如表4所示。由表4可知，T4处理的行粒数显著高于CK、T1、T2和T3处理；从百粒重可以看出，T1和T2处理之间差异不显著，T3和T4处理显著高于CK，但T3和T4之间无显著差异；各处理之间的穗粗和穗长无显著差异。
可以看出，秸秆还田显著增加了玉米产量。与CK相比，各处理增产在5.6%—20.8%，T4处理产量为14.2 t·hm-2，增产效果最为显著，增加了20.8%。T3和T4处理产量均显著高于TI和T2处理，但T3和T4处理之间没有显著差异。
2.5 秸秆不同还田深度下温室气体综合增温潜势和温室气体排放强度的估算
玉米生长季不同还田深度下综合增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）的估算结果如表5所示。由表5可知，在所有处理中T2处理对农田综合增温潜势的贡献最大，与CK相比，TI、T2、T3和T4处理综合增温潜势分别增加了23.8%、120.3%、54.3%和12.3%，T4处理的固碳效应值最大，为0.54 t CO2-eq·hm-2；在各处理的产量具有明显差异的情况下，温室气体排放强度（GHGI）也呈现出与GWP不同的变化趋势。秸秆不同还田深度下温室气体排放强度为T2处理＞T3处理＞T1处理＞CK处理＞T4处理，T4处理的GHGI值最小，为410.87 kg·CO2-eq·t-1，低于其他处理，但是产量最高。
表4 秸秆不同还田深度对玉米产量及产量构成因素的影响
Table 4 Effects of different depths of straw returning on maize yield and yield components
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表5 秸秆不同还田深度下的综合净增温潜势（GWP）和气体排放强度（GHGI）
Table 5 Changes of GWP and GHGI from the corn field under different depths of straw returning
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3 讨论
3.1 秸秆还田深度与土壤CO2的排放
农业生产的最终目标是提升作物经济产量和农业的可持续发展，兼顾经济和环境双赢。本研究中秸秆不同还田深度均增加CO2的排放量，与李新华等研究得到同样的结论，即秸秆还田后加速了微生物对有机质的分解和矿物质养分的转化，从而增加CO2的排放量。
秸秆不同还田深度的温度和水分条件不同，对CO2的排放的影响也不同。研究表明在温度较高或降雨过后CO2的排放会出现较大波动，这是因为相对较高的温度下，微生物活性增强，气体分子扩散加快，从而使CO2排放量增加。秸秆还至30—40 cm时CO2的排放量相对较少，一方面是因为秸秆还至10—20 cm和20—30 cm时，土层温度相对较高，因此CO2排放量也较大，另一方面当秸秆还至30—40 cm时，由于打破犁底层增加了土壤水分的入渗能力，水分向深层分布，使得该层土壤含水量较高，进而增加了CO2在水中的溶解度以及CO2在土壤孔隙中的扩散速率，因此减少了CO2向地面扩散。
秸秆不同还田深度对土壤有机碳的固定也不同，于建光等研究发现随着土层加深，土壤有机碳稳定性逐渐上升，深层有机碳不易被生物利用，因此，还田至30—40 cm土壤呼吸相对较弱，减少CO2排放。浅还时，土壤表层水热状况良好，更容易使秸秆矿化，增加CO2的排放。
3.2 秸秆还田深度与CH4的排放
土壤CH4的排放要经历生成、氧化、传输和释放3个过程。产甲烷菌在厌氧条件下产生CH4，在环境因子作用下向外扩散，运输过程中可能会受到甲烷氧化菌的作用被氧化，因此只有部分能进入大气中。有研究发现，旱地土壤CH4的排放量较低，多表现为吸收，这可能是因为旱地土壤相对干燥，通气状况较好，氧气更容易扩散进土壤，使CH4被氧化 ；也可能是因为旱地土壤有机质分解率高，不易于有机碳积累，从而影响CH4的产生和排放。
本研究通过试验得出，在不同秸秆还田深度下，CH4的累积排放量均为负值，秸秆还田处理降低了土壤对CH4的吸收量。这可能是因为秸秆还田之后，使土壤通透性变好，氧气更容易扩散到土壤中，促进了土壤中甲烷氧化菌和甲烷氧化酶的活性，增强了土壤吸收氧化CH4的能力。
除此之外，T4处理的吸收量大于T1、T2和T3处理，这可能是因为秸秆还田至30—40 cm后，土壤对有机质的固定作用增强，进而导致产甲烷菌的基质减少，降低CH4的排放。通过分析各土层温度和含水量与CH4排放的相关关系（表3）发现，温度与CH4的吸收通量之间没有显著关系，这可能是由于甲烷氧化菌对土壤温度的反应没有产甲烷菌敏感，且在旱地土壤CH4的产生会受到限制。玉米生长季CH4的吸收与含水量亦无显著关系，张静通过对小麦地的研究得出同样的结论。
3.3 秸秆还田深度与N2O的排放
土壤N2O的排放主要包括硝化作用和反硝化作用两个过程，且需要在土壤微生物的参与下完成。关于秸秆还田对N2O排放的影响观点不尽相同，有研究认为秸秆还田可以通过改变土壤特性，刺激土壤微生物活性来增加土壤微生物量，从而促进反硝化作用增加N2O的排放；郭腾飞等的研究却表明秸秆还田可以显著减少土壤N2O的排放。本研究通过试验发现秸秆还田会增加土壤N2O的排放量，还田至30—40 cm时，N2O的增加量最少。
N2O在播种后第12天排放通量有最大值，这可能与施肥有关。施肥可为土壤微生物提供大量有效氮，加快微生物的硝化、反硝化和矿化等过程，从而促进N2O的排放。秸秆还田至10—20 cm时，N2O的累积排放量最大，这可能是由于该土层接近地面，干湿交替频繁，且温度适宜有利于微生物的繁殖，从而加快秸秆腐解，促进N2O的排放。还田至30—40 cm土层时，N2O的排放量相对较小。一方面，是由于深还田降低了土壤容重，使养分向深层释放，增加了NO3--N，从而抑制反硝化酶的活性；另一方面，30—40 cm土层的土壤营养匮乏程度高，秸秆还田之后增加了微生物对氮素的固持，降低了有效氮的浓度，从而抑制硝化和反硝化过程，使N2O排放降低。
3.4 秸秆还田深度与玉米产量及产量构成因素
研究结果表明，秸秆还田均显著提高了玉米产量，吕艳杰等通过研究也得出相似的结论。秸秆还田至30—40 cm时产量增加最多，一方面可能是还田至30—40 cm增强了土壤的固碳效应，提高了土壤生产力，另一方面可能由于还田至深层打破了犁底层，使土壤容重降低，为根系纵向生长提供了充分生长空间，从而满足了玉米对养分和水分的需求，促进玉米健康生长。
3.5 秸秆还田深度对综合净增温潜势和温室气体排放强度的影响
玉米生长季的GWP主要来源于CO2和N2O的排放，而CH4在GWP中仅占很小的比例。本研究中各处理均增加了玉米生长季温室气体的综合增温潜势，而T4处理综合增温潜势相对较小，这可能是由于T4处理的固碳效应值最大，使土壤固定了大量有机碳的缘故。与CK相比，T1处理综合增温潜势增加了23.8%，并且固碳效应值最低，这表明由于秸秆还田于表层使土壤有机碳大量矿化。T2和T3处理的综合增温潜势较高，可能是由于根系的生长激发了土壤有机碳的矿化来汲取养分，但具体机理还有待进一步研究。温室气体排放强度（GHGI）兼顾了作物产量和综合增温潜势，是现阶段低碳农业的评价指标。T4处理的温室气体排放强度很弱，低于CK和其他还田处理，这是玉米产量和温室气体累积排放量共同作用的结果，说明秸秆深还田不仅能降低温室气体排放强度，还可以增强农田的固碳效应，提高土壤生产力，是较为理想的土壤改良培肥措施。
4 结论
4.1 整个玉米生长季，秸秆不同还田深度显著增加了CO2和N2O的排放，CO2的平均排放通量和累积量各处理均大于CK，还田至20—30 cm为最大，还至30—40 cm最小；N2O的平均排放通量和累积量同样在秸秆还至30—40 cm最小；而对于CH4则表现为吸收，且各处理均降低了农田土壤对CH4的吸收。
4.2 从综合净增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）来看，在100年尺度上，秸秆还田至30—40 cm土层可降低温室气体排放强度，玉米产量显著增加20.8%。因此，秸秆还田至30—40 cm土层既可相对减缓温室效应，又能显著增加玉米产量，符合农业可持续发展的综合目标。
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Effects of Different Straw Returning Depths on Soil Greenhouse Gas Emission and Maize Yield
ZHU XiaoQing, AN Jing, MA Ling, CHEN SongLing, LI JiaQi, ZOU HongTao, ZHANG YuLong
(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/Northeast Key Laboratory of Conservation and Improvement of Cultivated (Shenyang) Ministry of Agriculture and Rural Affairs/ National Engineering Laboratory of Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866)
Abstract: 【Objective】 Straw returning is an important technical means to improve soil fertility, increase soil organic matter and improve soil structure.However, previous studies have shown that straw returning can accelerate the emission of greenhouse gases in soil and increase greenhouse effect.Through the study of greenhouse gas emission characteristics and maize yield of farmland soil under different straw returning depths, the optimum returning depths were determined in this study, in order to provide scientific basis for rational utilization of straw, increase crop yield and realize sustainable agricultural development.【Method】 In the field micro-plot experiment, maize was used as the test crop, and four returning depths were set up, which were 0-10 cm (T1), 10-20 cm (T2), 20-30 cm (T3) and 30-40 cm (T4), respectively.At the same time, the non-returning treatment was used as the control (CK),with a total of five treatments.Static box-gas chromatography was used to determine the greenhouse gases (CO2, CH4, N2O)emission characteristics under different returning depths in whole maize growing season, and yield and yield components at maturity were measured.【Result】 (1) During the whole maize growing season, both CO2 and N2O showed emission, but CH4 showed absorption.The cumulative emission of CO2 was the highest under T3 treatment, which increased by 28.6% significantly compared with CK.The increase rate of cumulative emission of CO2 under T4 treatment was the least, which was significantly increased by 17.1% compared with CK (P＜0.05), but the difference between T1 and T4 treatment was not significant; the cumulative emission of N2O was the highest under T2 treatment.Compared with CK, the cumulative amount of N2O increased significantly by 111.3%, the increase rate under T4 treatment was the least, and the CK increased significantly by 12.8% (P＜0.05).However, CH4 showed absorption, and the absorption capacity of CH4 in farmland soil was reduced after straw returning; the absorption capacity was CK treatment＞T4 treatment＞T1 treatment＞T3 treatment＞T2 treatment, and there were significant differences between treatments and CK (P＜0.05).(2) Compared with the control, the yield of maize in each treatment increased significantly, and the yield increased by 5.6%-20.8% (P＜0.05).However, there were no significant difference in ear length, ear diameter and grain number between treatments.When the straw returned to 30-40 cm, the yield was the highest, which increased by 20.76% than that under CK, and it indicated that straw returning had an important effect on improving soil fertility and increasing crop yield.(3) According to the comprehensive greenhouse gas effect (GWP) and greenhouse gas emission intensity (GHGI), on the scale of 100 years, GWP showed T2 treatment＞T3 treatment＞T1 treatment＞T4 treatment＞CK treatment, while GHGI showed T2 treatment＞T3 treatment＞T1 treatment＞CK treatment＞T4 treatment.Compared with CK, all treatments increased the comprehensive greenhouse gas effect,while T4 treatment reduced greenhouse gas emission intensity in maize season, indicating that straw returning to 30-40 cm could alleviate the global warming trend to a certain extent.【Conclusion】 Straw returning could increase CO2 and N2O emissions significantly, but increase the absorption capacity of CH4.The straw returning to 30-40 cm could reduce the global warming potential and the intensity of greenhouse gas emissions, and increase the maize yield significantly.Therefore, in order to simultaneously achieve higher maize yield and lower greenhouse gas emission intensity, straw returning to 30-40 cm was a more reasonable way of soil improvement and fertilization.
Key words: greenhouse gases; straw returning depths; emission flux; maize yield; global warming potential
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.05.010
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
pagenumber_ebook=127,pagenumber_book=977
收稿日期：2019-06-03；
接受日期：2019-11-12
基金项目：辽宁省重点研发计划项目（2019020050-JH2/102）、沈阳市中青年科技创新人才支持计划项目（RC170580）、辽宁省“百千万人才工程”资助项目（2016921066）
联系方式：朱晓晴，E-mail：zhuxiaoqing0926@163.com。
通信作者邹洪涛，E-mail：zouhongtao2001@163.com
（责任编辑 李云霞）
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