1 引言 (Introduction)

自1750年人类社会实现工业化以来，由于化石燃料燃烧、土地利用变化等人类活动，导致大量温室气体排放到大气中，以气候变暖为标志的全球变化已经发生 (IPCC, 2013).CH₄和CO₂是大气中主要的碳源温室气体，对全球变暖的增温贡献分别占15%和60%(马秀梅等，2005).到2015年，全球大气CH₄和CO₂浓度分别达到 (1845±2) ppb和 (400.0±0.1) ppm，相当于工业革命前的256%和144%，上升为近80万年来的最高水平 (WMO, 2016; 秦大河等，2014).其中，农业生产的碳排放占相当大的比例，全球每年农业温室气体排放量为5.1~6.1 Pg·a^-1(以CO₂当量计)，占人为温室气体排放总量的10%~12%(Smith et al., 2007).农业生产碳减排成为实现可持续发展亟需解决的重要问题，我国也承诺到2020年单位国内生产总值CO₂排放比2005年下降40%~45%(刘玉学等, 2013).因此，提出切实可行的减排措施对减缓气候变暖具有重要意义.而众多研究表明，农业碳排放强度与耕作方式、施肥及秸秆的移除与添加等农业活动密切相关 (刘淑霞等, 2008).合理的农业活动具有较大的减排潜力，通过改善农业管理措施来降低农业温室气体排放、增加陆地生态系统碳汇成为应对气候变化的重要研究内容.

随着人口增长与城市化的不断推进，在当前工农业生产中，各种废弃物排放量日趋增加，若不规范处置与管理，会占用大量土地资源，对环境造成巨大压力 (李谦盛等, 2002).因此，加强废弃物资源化利用逐渐成为解决环境及资源问题的有效途径，特别是近年来废弃物的农业资源化成为国内外研究的热点 (张野等, 2014)，包括废弃物直接还田对土壤理化性质及其养分 (武玉等, 2014)、作物生长 (崔新卫等, 2014) 及温室气体排放 (李正东等, 2015) 等的影响.其中，废弃物还田对温室气体排放与农业碳排放过程的影响十分复杂，已有研究结果仍存在着诸多不确定性，且研究内容主要集中在农业废弃物如秸秆和生物炭对农田土壤碳库或对温室气体排放的单一研究上 (逯非等, 2010)，关于不同类型的工农业废弃物对农业碳排放的对比研究相对较少.研究对象则主要集中在旱作土壤及水稻田 (王娟等, 2013; 李露等, 2015)，关于亚热带河滨灌丛作物的相关研究目前尚鲜见报道.郭艳亮等 (2015)研究了生物炭添加对半干旱地区农田土壤温室气体释放的影响，结果表明，土壤CO₂排放通量随生物炭的添加呈现增加趋势，CH₄排放则随着生物炭添加量的增加而降低.高德才等 (2015)采用土柱室内模拟方法，通过添加不同梯度生物炭探讨其对旱地土壤CO₂、CH₄和N₂O的影响，发现生物炭添加显著增加CO₂排放，但当生物黑炭添加量达到2%及以上时，基本抑制了CH₄排放并显著减少土壤N₂O排放.此外，有研究认为，秸秆处理对稻田CO₂和N₂O的促进及对CH₄的抑制均达到了显著性水平 (张腾昊等, 2014).可见，废弃物添加对不同温室气体排放的影响结果不尽一致，降低一种气体排放量的同时可能会增加另一种气体的排放量.因此，在评价其固碳潜力及环境效应时，应全面考虑碳源气体的收支.加之CH₄和CO₂这2种温室气体的增温潜势不同 (Shang et al., 2011)，只有计算它们的综合增温潜势才能准确评价某一农业管理措施对温室效应的贡献.基于此，本研究选用秸秆、石膏渣、生物炭及炉渣作为施加物，研究秸秆及秸秆配施不同类型的工农业废弃物对茉莉种植园CH₄和CO₂及其碳排放的影响，并考察CH₄和CO₂的综合增温潜势，以期为工农业废弃物合理高效资源化利用、农业生产固碳减排提供科学依据.

2 研究区概况和研究方法 (Research area and methods) 2.1 研究区概况

研究区位于福建省福州市帝封江闽榕茶业有限公司茉莉种植园 (119°20′7"E，25°59′10"N).区内属于亚热带海洋性季风气候，温暖湿润，雨量充沛，年均降水量约为1400 mm，全年约80%的降雨量集中于5—10月，全年无霜期为326 d (胡喜生等, 2013).观测期研究区气温变化范围为25.2~34.4 ℃，相对湿度变化范围为42.0%~83.3%(实测数据).供试样地的土壤质地以粉砂粒为主，占59%，砂砾和粘粒的质量分数分别为25%和16%，土壤pH为4.4，盐度为0.15 mS·cm^-1，土壤碳、氮、磷和钾含量分别为11.7、1.1、0.5和13.3 g·kg^-1(汪旭明等, 2015).

供试作物为单瓣茉莉，2008年4月由人工扦插进行种植 (高10 cm).茉莉生长阶段分为：枝叶生长期 (4月初至5月初)、花蕾萌芽期 (5月初至5月下旬)、盛花期 (6月初至9月).每年3月底至4月初，气温20 ℃左右时将茉莉剪至约7 cm，剪掉的枝叶一部分用于还田，一部分运出，还田量约为3500 kg·hm^-2.4月中旬进行第1次施肥，施肥量为110~150 kg·hm^-2，第一茬茉莉花采摘结束后进行第2次施肥，施肥量为90~110 kg·hm^-2，肥料类型为俄罗斯产复合肥，N：P₂O₅：K₂O=16%：16%：16%.

2.2 实验设计

实验于2015年4—9月进行，采样周期为15 d.共设置5个处理组，每个处理3个重复，施加不同工农业废弃物，分别为：对照 (无废弃物施加)、秸秆、秸秆配施石膏渣、秸秆配施生物炭、秸秆配施炉渣，其中，秸秆剪成5 cm小段，生物炭、石膏渣与炉渣过2 mm孔筛.实验样地共3个样区，每个样区面积约20 m²，随机区组排列安装气体采样静态箱底座，整个实验期间静态箱底座固定在样点 (图 1).每个静态箱底座内秸秆施加量为3500 kg·hm^-2，石膏渣、生物炭和炉渣施加量均为8000 kg·hm^-2(Wang et al., 2016; 朱秋丽等, 2016)，施加方式为施加物与表层土壤均匀混合，混合深度约为0~15 cm.废弃物施加后茉莉花依据常规统一水肥管理.

供试秸秆来自茉莉花的枝叶，其碳、氮、磷、钾含量分别为455.73、22.08、1.27、21.87 mg·g^-1(汪旭明等, 2015)，生物炭以茉莉花的枝叶为原材料制备.石膏渣的碳、氮、磷、钾含量分别为7、0.1、0.1、1 mg·g^-1，此外还含有CaO (43.1%) 和SO₃(54.4%)；炉渣的碳、氮、磷、钾含量分别为7、0.1、0.1、0.5mg·g^-1，此外还含有SiO₂(40.7%) 和Fe₂O₃(4.8%)(曾冬萍, 2015).

2.3 样品采集与分析方法

生态系统CH₄和CO₂排放采用静态箱气相色谱法进行采集与测定.静态箱由顶箱和底座两部分组成，底座尺寸为0.3 m×0.3 m×0.3 m (长×宽×高，具凹槽)，顶箱尺寸为0.3 m×0.3 m×1.0 m (长×宽×高)，侧面有抽气孔.静态箱顶箱盖上后，在底座凹槽内加水密封，以防止箱体和底座的接触处漏气，之后立即采集第1次气体样品，共采集3次，时间间隔为15 min，1次采样量为50 mL，分别装入50 mL铝箔气样袋 (大连德森气体包装有限公司生产).采样完成后立刻带回实验室测定CH₄和CO₂浓度 (GC-2010 Shimadzu，Japan；GC-2014 Shimadzu，Japan).根据以下公式计算排放到大气环境中的CH₄和CO₂通量：

(1)

式中，F为温室气体排放通量 (mg·m^-2·h^-1)；M为CH₄和CO₂的摩尔质量 (g·mol^-1)；V为标准状态下的气体摩尔体积 (22.4L·mol^-1)；dc/dt为CH₄和CO₂的浓度变化率 (μL·L^-1·h^-1)；T为采样箱内温度 (℃); H为采样箱的箱高 (m).测量的浓度数据只有在线性回归系数R²＞0.9时才视为有效数据，并计算温室气体通量.

在采集气体的同时，使用便携式气象仪 (Kestrel-3500，USA) 测定气温和湿度等环境因子；使用便携式电导计 (2265FS，USA) 测定每个采集箱内的温度及原位测定每个静态箱底座内0~15 cm土层的土壤电导率；同时，使用土壤水分测定仪 (TDR300 soil moisture meter) 测定土壤含水量；并采集5个处理样地0~15 cm土层土壤样品，测定土壤pH和铁含量.土壤pH采用蒸馏水 (水土比1：2.5, 质量比) 浸提，使用便携式pH计 (STALAR San⁺⁺，USA) 测定；铁含量采用邻菲罗啉比色法，使用紫外-可见分光光度计 (UV2450，日本岛津) 测定.

2.4 碳排放总量和综合增温潜势 (GWPs) 的计算

本文为了估算不同废弃物施加处理后的碳排放量，将CH₄和CO₂的排放量转换成碳的排放总量，计算公式如下：

(2)

式中, CE表示碳排放总量 (kg·hm^-2)；f_CH4表示CH₄排放总量 (kg·hm^-2)；12/16为CH₄转化为碳的系数；f_CO2表示CO₂排放总量 (kg·hm^-2)；12/44为CO₂转化为碳的系数.

综合增温趋势 (GWPs) 用于定量衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响.在GWPs的估算中，CO₂常用作参考气体，CH₄的排放量通过GWPs值转换成CO₂的等效量 (Mosier et al., 2006).以100 a影响尺度计, 1 kg CO₂的增温效应为1，1 kg CH₄的增温效应是1 kg CO₂的25倍 (IPCC, 2007).本研究用综合增温潜势 (GWPs) 来表示CH₄和CO₂两种温室气体的综合作用.GWPs按以下公式计算:

(3)

式中, f_CH4表示CH₄排放总量 (kg·hm^-2)；f_CO2表示CO₂排放总量 (kg·hm^-2).

2.5 数据处理

运用Microsoft Excel2003、Origin8.0和SPSS19.0统计分析软件对测定数据进行整理与分析.其中，原始数据的平均值与标准差采用Microsoft Excel 2003软件进行计算，采用Origin8.0软件做图，废弃物施加后CH₄和CO₂排放通量、土壤理化性质、碳排放总量及综合增温潜势差异性分析检验均采用SPSS19.0的单因素方差分析方法.

3 结果与分析 (Results and analysis) 3.1 废弃物施加对土壤理化性质的影响

整个实验期间，秸秆、秸秆配施石膏渣、秸秆配施生物炭及秸秆配炉渣处理土壤电导率、含水量、pH、Fe²⁺含量、Fe³⁺含量及总Fe含量等均有较大差异 (图 2).废弃物施加后，土壤含水量均显著提高 (p < 0.05).与秸秆施加相比，秸秆配施石膏渣和秸秆配施生物炭处理土壤含水量显著提高9.89%和7.50%(p < 0.05)，其中，秸秆配施生物炭对土壤含水量影响最明显，含水量达40.36%.

与对照相比，秸秆处理土壤电导率显著提高13.7%(p < 0.05).秸秆配施石膏渣处理土壤电导率达2.00 mS·cm^-1，与秸秆处理相比显著提高21.4%(p < 0.05).秸秆配施生物炭处理土壤电导率较秸秆处理显著降低21.22%(p < 0.05).秸秆配施炉渣处理较秸秆处理土壤电导率增加幅度较小，差异不显著 (p > 0.05).

秸秆处理土壤pH较对照显著提高3.1%(p < 0.05)，与秸秆处理相比，秸秆配施石膏渣、秸秆配施生物炭及秸秆配施炉渣处理土壤pH显著提高5.57%、6.87%及56.65%(p < 0.05).其中，秸秆配炉渣处理效果最明显，土壤pH增加至7.41.

秸秆、秸秆配施石膏渣、秸秆配施生物炭及秸秆配施炉渣处理土壤Fe²⁺含量随施加时间的增加呈降低趋势，Fe³⁺含量则随施加时间的增加呈上升趋势.秸秆处理显著降低土壤总Fe、Fe³⁺含量，增加土壤Fe²⁺含量 (p < 0.05).与秸秆处理相比，秸秆配施石膏、秸秆配施生物炭及秸秆配施炉渣处理增加土壤总Fe、Fe³⁺含量，降低土壤Fe²⁺含量，其中，秸秆配施石膏和秸秆配施生物炭处理达到显著性水平 (p < 0.05).

3.2 废弃物施加对CH₄和CO₂排放通量的影响 3.2.1 CH₄排放通量特征

整个监测期内，对照、秸秆、秸秆配施石膏渣、秸秆配施生物炭及秸秆配施炉渣处理CH₄平均排放通量分别为0.048、0.06、0.13、0.07及0.05 mg·m^-2·h^-1.5种处理CH₄排放通量均很低，大部分在1 mg·m^-2·h^-1以下，且随施加时间变化规律不明显 (图 3).

秸秆处理CH₄排放通量较对照降低了20.05%.秸秆配施石膏渣、秸秆配施生物炭与秸秆处理相比，促进了CH₄排放，排放通量分别增加了116.76%、21.75%，而秸秆配施炉渣CH₄排放通量较秸秆处理降低了18.45%，但差异均不显著 (p > 0.05).

3.2.2 CO₂排放通量特征

对照、秸秆、秸秆配施石膏渣、秸秆配施生物炭及秸秆配施炉渣处理CO₂平均排放通量分别为1016.96、1326.58、1396.68、1305.62及1163.25 mg·m^-2·h^-1.整体上呈现先上升后降低的趋势，排放通量在施加91 d达最大值，施加第106~136 d CO₂排放通量逐渐降低，即夏季较高，春、秋季较低 (图 3).

秸秆处理CO₂排放通量在整个实验期间均高于对照处理，与对照相比排放通量增加了30.45%.秸秆配施石膏渣与秸秆相比，CO₂排放通量增加了5.28%，秸秆配施生物炭和秸秆配施炉渣处理与秸秆处理相比，排放通量分别减少1.58%和12.31%，但差异均不显著 (p > 0.05).

3.3 废弃物施加对碳排放的影响

工农业废弃物施加处理下，碳排放量表现为秸秆配施石膏渣>秸秆>秸秆配施生物炭>秸秆配炉渣>对照 (图 4).施加秸秆碳排放量较对照增加了30.44%，而秸秆配施石膏渣处理较秸秆处理碳排放量有所增加，秸秆配施生物炭和炉渣比秸秆处理碳排放量则分别降低1.58%和12.31%.

3.4 废弃物施加对综合增温潜势的影响

如表 1所示，废弃物的施加均表现出提升温室气体增温潜势的趋势.不同处理下CH₄和CO₂的全年排放量不同，可以看出，CO₂是GWPs的主要贡献气体，占CH₄和CO₂综合增温潜势的99%以上.在整个实验期间各处理的GWPs表现为：秸秆配施石膏渣>秸秆>秸秆配施生物炭>秸秆配炉渣>对照，各处理差异不显著.其中, 秸秆处理的综合增温潜势为3187.25 kg·hm^-2(以CO₂当量计)，比对照高30.43%；秸秆配施石膏渣综合增温潜势最大为3359.51 kg·hm^-2(以CO₂当量计)，比秸秆处理高5.41%；秸秆配施生物炭和秸秆配施炉渣两种处理对大气温室效应贡献较小，分别比秸秆处理降低1.56%、12.32%.

4 讨论 (Discussion) 4.1 CH₄和CO₂排放通量的季节性变化

本研究中，CH₄排放通量在整个观测期较低，且变化不大，这可能与土壤长期处于好氧状态有关.研究表明, 茉莉生长对水分的要求是喜湿怕涝，如果土中积水会造成植物根系糜烂，甚至死亡，因此，茉莉生长要求土中湿润，但不能积水 (郑红发, 2000)，使得土壤裸露，处于好氧环境，产甲烷菌因此受到抑制不利于CH₄产生.CO₂排放通量整体上呈现先上升后降低的变化趋势，总体表现为夏季 (第46~106 d) 排放通量较高，春、秋季 (第1~46 d、第106~136 d) 排放通量较低的特点.可见，温度是影响CO₂排放的主要气候因子，Jabro等 (2008)的研究也表明，CO₂的释放与温度呈指数关系，且温度几乎决定了CO₂总释放量的59%.在本研究中，不同处理CO₂排放通量均与气温呈显著正相关关系 (表 2)，主要因为随着温度的升高，土壤微生物活性加强，碳的矿化过程加速，使土壤有机碳的周转速度加快 (谢军飞等, 2002).另外，植物根系呼吸是土壤产生CO₂的重要代谢过程，因此，植物的生长状况和其所处的生长阶段直接影响CO₂的产生与排放 (杜睿等, 2004)，茉莉夏季处于盛花期，植物生长旺盛，根系发达，根的活力增强，大量分泌物产生，植物和微生物活性加剧，呼吸量加大，使得夏季CO₂排放量较高.

4.2 秸秆对CH₄和CO₂排放的影响

秸秆还田是目前秸秆利用的主要途径 (路文涛等, 2011)，也是增加土壤有机碳 (刘义国等, 2013)，从而增加土壤碳库储量的主要农业措施之一 (李新华等, 2015).已有研究证明，土壤有机碳含量、碳储量代表了土壤肥力的高低 (李秀英等, 2005; 孔凡磊等，2010)，而土壤碳储量的变化也将影响农田土壤温室气体排放 (Lal, 2004).逯非等 (2010)通过模型估算了秸秆还田条件下的土壤固碳和甲烷增排，发现我国秸秆还田增排的CH₄所导致的全球增温潜势平均为土壤固碳减排潜势的2.18倍，本研究中秸秆施加同样提高了CH₄排放通量.主要因为秸秆可以增加易分解的有机碳，为土壤微生物活动提供丰富的碳源，进而增加土壤氧气的消耗，形成厌氧微域环境，提高CH₄排放通量 (Lal, 2003; Malhi et al., 2006).秸秆处理CO₂排放通量在整个试验期间均高于对照处理，强学彩等 (2004)对玉米季、小麦季3种不同秸秆还田量的土壤呼吸测定结果显示，随着秸秆量的增加土壤CO₂释放量也增加；裴淑玮等 (2012)的研究结果也表明, 秸秆还田在一定程度上增加了玉米季CO₂排放量.秸秆施加后CO₂排放的增加，主要是通过改变土壤呼吸速率、土壤微生物及土壤理化性质等影响CO₂的排放通量 (于舜章等, 2004; 贺京等, 2015).一方面秸秆施加增加了土壤孔隙度，有利于土壤与空气的气体交换 (陈小云等, 2004)，加快土壤中CO₂的释放速率.另一方面，秸秆在土壤中经过腐解过程作为一种有机物料增加了土壤有机质的积累，为土壤微生物提供了充足的碳源，有利于提高土壤微生物数量与活性 (姜瑜, 2007; 李成芳等, 2011)，加速微生物对有机物质的分解和矿物质的转化 (孙星等, 2007)，从而导致CO₂排放通量上升.而秸秆本身在降解过程中，有机碳大多以CO₂形式在土壤中释放 (夏文斌等, 2014)，也是CO₂排放增加的一个重要原因.

4.3 秸秆配施工农业废弃物施加对CH₄和CO₂排放的影响

目前关于秸秆配施石膏渣、秸秆配施生物炭及秸秆配施炉渣作为减排剂对农业生产温室气体排放影响的研究较少，具体机制尚不明确.在本研究中，秸秆配施石膏和秸秆配施生物炭相较于秸秆处理CH₄排放均有所提高，秸秆配施炉渣处理则降低了CH₄排放量.这种结果可能受到土壤pH的影响，一般认为绝大多数土壤微生物 (如甲烷产生菌) 适合在中性或微碱性的条件下生长并对土壤pH的变化较敏感 (叶勇等, 2000)，pH的升高可通过增加土壤微生物量、提高酶的活性等途径促进CH₄排放 (李世朋等, 2003).因此，秸秆配施石膏渣和秸秆配施生物炭对土壤pH的提高更有利于甲烷产生菌的活性，增加CH₄排放量.秸秆配施炉渣虽然也明显提升了土壤pH，但由于炉渣作为钢铁工业的废弃物，含有大量铁电子受体，可以通过降低底物的浓度、降低醋酸转化成甲烷的比率及提高氧化还原电位等途径抑制产甲烷菌的活性 (Roden et al., 2003; 王维奇等, 2009)，同时炉渣富含硅，使得根系泌氧活性增强 (Ali et al., 2008)，增加CH₄氧化量，因此，秸秆配施炉渣处理减少了CH₄排放量.秸秆配施生物炭对CH₄排放促进作用的原因还与生物质炭本身所含的碳在施加后一部分释放到土壤中，增加了土壤碳含量，使得甲烷产生与排放有所增加有关.

秸秆配施石膏渣处理相较于秸秆处理提高了CO₂排放通量，这与石膏渣显著提高土壤盐度有关.本研究区域属于河滨淡水生境，盐度较低，适当增加石膏渣可提高土壤盐度.而土壤盐度在一定范围内的增加可以提高土壤微生物的活性，促进土壤碳矿化速率进而促进CO₂排放 (Weston et al., 2011).秸秆配施生物炭和秸秆配施炉渣相较于秸秆处理的CO₂排放有所降低，尤其是秸秆配炉渣的碳减排效果较明显.较多研究显示，农田中大量使用生物质炭可以明显提高土壤质量和作物产量，并能显著降低温室气体排放 (张斌等, 2012).生物炭具有含碳量高、比表面积大、疏松多孔、吸附性强等特性 (陈温福等, 2014)，并且具有较高的碳封存能力 (姜志翔等, 2013)，是导致CO₂排放通量降低的重要原因.加上生物炭对土壤有机碳的显著增加作用和对溶解性有机碳的吸附作用，以及对土壤有机碳分解的抑制作用均可以降低CO₂排放通量 (Liang et al., 2010; 邱虎森等, 2012; 陈心想等, 2013).秸秆配施炉渣处理对土壤pH的提升作用明显，在茉莉园雨季或者灌水时期，如春季是福建的多雨季节，炉渣施加后形成的碱性环境可以吸收大气CO₂(曾冬萍, 2015)，是秸秆配炉渣处理CO₂排放通量降低的重要原因.

综上所述，与对照处理相比，秸秆施加增加了碳排放量与综合增温潜势，而与秸秆施加相比，秸秆配施生物炭和秸秆配施炉渣处理降低了碳排放，从温室气体综合增温潜势来看，秸秆配施生物炭和秸秆配施炉渣处理综合增温潜势较小，特别是秸秆配炉渣增温潜势减少程度最大.因此，在利用秸秆还田提高土壤质量和作物产量的同时，可通过配施生物炭或者炉渣作为农田低碳农业生产的有效配套途径.另外，福建省近年来受酸雨影响较大，土壤酸化问题较为突出 (赵卫红, 2005)，生物炭和炉渣均为碱性物质，施加于土壤后可显著提高土壤pH，对于改良酸性土壤同样具有重要意义.

5 结论 (Conclusions)

1) 施加秸秆后CH₄排放通量有所增加，与施加秸秆相比，秸秆配施石膏渣和秸秆配施生物炭处理的CH₄排放通量增加，秸秆配炉渣能降低CH₄排放通量.

2) 秸秆施加对CO₂排放有一定的促进作用；与施加秸秆相比，秸秆配施石膏渣比仅施加秸秆CO₂排放通量增加更明显，秸秆配施生物炭和秸秆配施炉渣处理则使CO₂排放通量降低.

3) CO₂是土壤碳排放和综合增温潜势的主要贡献者.秸秆处理能增加茉莉种植园碳排放和综合增温潜势；与秸秆处理相比，秸秆配施石膏渣的碳排放和综合增温潜势均有所提高，秸秆配施生物炭和秸秆配施炉渣处理的碳排放和综合增温潜势均有所降低，秸秆配施生物炭或者秸秆配施炉渣是秸秆还田的有效配套措施.