郭樹芳,齊玉春,董云社*,彭 琴,劉欣超,孫良杰,賈軍強(qiáng),賀云龍,曹叢叢,閆鐘清(.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 00049)

滴灌對(duì)農(nóng)田土壤CO2和N2O產(chǎn)生與排放的影響研究進(jìn)展

郭樹芳1,2,齊玉春1,董云社1*,彭 琴1,劉欣超1,2,孫良杰1,2,賈軍強(qiáng)1,2,賀云龍1,2,曹叢叢1,2,閆鐘清1,2(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

研究滴灌條件下土壤C O2和N2O的排放特征及其影響機(jī)制,有助于深刻了解灌溉方式變化對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的影響,對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉管理措施的改進(jìn)和農(nóng)業(yè)溫室氣體減排具有重要的意義.本文綜述了滴灌對(duì)農(nóng)田土壤CO2和N2O排放的影響,從土壤水分、土壤溫度、土壤養(yǎng)分和土壤結(jié)構(gòu)等方面分析了滴灌條件下農(nóng)田土壤CO2和N2O產(chǎn)生和排放的主要影響機(jī)制,在此基礎(chǔ)上探討了滴灌對(duì)大氣溫室效應(yīng)影響的不確定性以及目前研究中存在的主要問題.

滴灌；農(nóng)田；CO2；N2O；機(jī)制

CO2和N2O作為大氣中最主要的溫室氣體和全球碳氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié),廣受關(guān)注[1-2].農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分,對(duì)全球溫室氣體總排放的貢獻(xiàn)約為20%[3].IPCC第4次評(píng)估報(bào)告指出,在所有排放源中,農(nóng)業(yè)是溫室氣體的重要排放源,全球范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)排放的非CO2溫室氣體約占人為排放總量的14%,其中農(nóng)業(yè)排放了84%的N2O,47%的CH4,而農(nóng)業(yè)釋放的CO2估計(jì)達(dá)40Mt(以CO2-eq的質(zhì)量計(jì))[4].目前有關(guān)農(nóng)田管理措施對(duì)溫室氣體排放影響效應(yīng)的研究大多集中在施肥、耕作、地膜覆蓋、秸稈還田等[5-8]方面,而對(duì)于水分管理措施的研究相對(duì)較少.水分是溫室氣體排放與吸收的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子,灌溉作為一項(xiàng)重要的農(nóng)田水分管理措施,其方式的改變勢(shì)必會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)土壤的溫室氣體排放強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響[9-12].

隨著我國(guó)水資源的日漸缺乏,水資源的短缺以及較低的水分利用效率制約著農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,已逐步演變?yōu)檗r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸.中國(guó)1974年引進(jìn)滴灌,并在20世紀(jì)90年代后期開始得以較快發(fā)展.與傳統(tǒng)灌溉與施肥方式相比,滴灌具有節(jié)水、節(jié)肥,減少病蟲害、抑制雜草生長(zhǎng),提高作物品質(zhì),減輕土壤退化和地下水污染等特點(diǎn),目前已成為我國(guó)干旱缺水地區(qū)最有效的一種節(jié)水灌溉方式.然而,對(duì)于滴灌技術(shù)應(yīng)用后的環(huán)境效應(yīng)變化,目前已有的研究結(jié)果主要集中在土壤水分和鹽分及地膜污染等問題[13-14],較少涉及大氣溫室效應(yīng)的變化.因此,加強(qiáng)相關(guān)試驗(yàn)研究,掌握滴灌技術(shù)應(yīng)用對(duì)農(nóng)田CO2和N2O排放的可能影響,探討氣體產(chǎn)生和排放的關(guān)鍵機(jī)制,不僅可為農(nóng)業(yè)節(jié)水模式下農(nóng)田溫室氣體的綜合控制及減緩提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)也可為節(jié)水技術(shù)的廣泛推廣提供重要的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持.文章綜述了滴灌技術(shù)應(yīng)用對(duì)農(nóng)田土壤CO2和N2O源匯通量影響的相關(guān)研究進(jìn)展,分析了目前研究中存在的主要問題,以期為今后相關(guān)研究的開展提供參考.

1 滴灌對(duì)農(nóng)田土壤CO2和N2O產(chǎn)生排放的影響

1.1 滴灌對(duì)農(nóng)田土壤CO2產(chǎn)生和排放的影響

1.1.1 無膜滴灌對(duì)農(nóng)田土壤CO2的影響 土壤CO2排放是其在土壤中形成后通過擴(kuò)散作用向大氣運(yùn)移的過程,其排放量除受環(huán)境因子的影響外,還受到土壤中CO2氣體濃度分布的影響[15].本文中土壤CO2排放以及土壤呼吸除有特殊說明外均包括了土壤基礎(chǔ)呼吸和植物根際呼吸兩個(gè)部分.

對(duì)于土壤中CO2濃度,陶麗佳等[16]在甘肅馬鈴薯盆栽試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),漫灌與滴灌兩種方式下土壤CO2濃度的差異不顯著.但也有學(xué)者認(rèn)為,與滴灌相比,漫灌處理一次灌水量大,并且快速淹水,造成土壤板結(jié),土壤通氣性降低[17],使土壤呼吸產(chǎn)生的CO2難以擴(kuò)散出去,造成漫灌處理土壤中CO2濃度大,約比滴灌高7.4%～49.7%[16].

對(duì)于土壤呼吸速率,滴灌方式下供水強(qiáng)度較低,土壤結(jié)構(gòu)破壞程度較小[18],作物根區(qū)土壤始終保持疏松和最佳含水狀態(tài)[19],其微生物活性和根系活力較強(qiáng),從而使土壤呼吸增強(qiáng),滴灌土壤碳排放量大于漫灌[20].劉祥超等[21]的研究則表明,滴灌處理由于灌水量小且局部濕潤(rùn),水分分布不均,使其CO2排放通量小于溝灌處理.而Kallenbach等[22]在對(duì)美國(guó)加利福尼亞Russell農(nóng)場(chǎng)西紅柿田的研究中發(fā)現(xiàn),地下滴灌和溝灌對(duì)土壤CO2排放通量均沒有顯著影響.

1.1.2 膜下滴灌對(duì)農(nóng)田土壤CO2的影響 覆膜的增溫保濕作用及薄膜對(duì)土壤與大氣間氣體的傳輸起到了自然阻隔作用,使溫室盆栽馬鈴薯試驗(yàn)中膜下滴灌的土壤CO2濃度約升高了10.4%～94.5%[16],新疆棉花大田試驗(yàn)中覆膜滴灌的土壤剖面CO2濃度(3107～9212μL/L)也高于漫灌(1275～8994μL/L)[23].對(duì)甘肅馬鈴薯田的小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果則表明,覆膜增加了溝灌5cm,10cm,15cm深度以及滴灌處理所有研究深度的CO2濃度,但降低了溝灌處理20cm與25cm處土壤的CO2濃度.覆膜滴灌處理不同深度土壤CO2濃度隨著濕潤(rùn)比的增加而增加,溝灌處理高于滴灌處理[21].

對(duì)于膜下滴灌條件下的土壤呼吸,劉祥超等[21]的結(jié)果表明,不論是滴灌還是溝灌,灌水前還是灌水后,覆膜均能顯著增加CO2排放通量,但覆膜阻礙了CO2的擴(kuò)散,使灌水后短時(shí)間內(nèi)的通量增幅相對(duì)不明顯,從而使覆膜處理明顯低于不覆膜處理灌水處理.Li等[23]認(rèn)為由于漫灌時(shí)間間隔長(zhǎng)、土壤水分蒸發(fā)大、土壤干濕交替頻繁,可產(chǎn)生更多的CO2排放,膜下滴灌CO2排放通量低于無膜漫灌.

對(duì)于滴灌條件下土壤呼吸的不同組分,張前兵等[20]的研究發(fā)現(xiàn)滴灌方式下棉花根系呼吸對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)率(36.38%～58.74%)高于漫灌(33.73%～52.03%),主要是與漫灌相比,膜下滴灌根系在濕潤(rùn)區(qū)密集,處于較適宜的濕度環(huán)境有關(guān).李志國(guó)等[24]的研究表明,與無膜漫灌相比,膜下滴灌的年土壤異氧呼吸通量(214gC/m2)低于無膜漫灌(317gC/m2).可能是由于覆膜滴灌下,絕大部分土壤被地膜覆蓋,膜下土壤氣體不能直接排放到大氣中,只能從裸地和膜孔排放,從而降低了土壤氣體的擴(kuò)散性[25].同時(shí),塑料薄膜覆蓋由于減小了土壤濕度,也降低了CO2的產(chǎn)生與排放[26].

從生態(tài)系統(tǒng)的碳收支來看,膜下滴灌棉花的凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著高于無膜漫灌[24,27-28].李志國(guó)等[24]對(duì)新疆棉田生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn),膜下滴灌由于灌溉頻率高,且地面有薄膜覆蓋,促進(jìn)了土壤溫度的升高,使得作物可以提前播種,延長(zhǎng)了植物的生長(zhǎng)發(fā)育期,同時(shí),地膜能夠降低土壤水分蒸發(fā),延長(zhǎng)水分在土壤中的滯留時(shí)間,從而使植物能更有效地利用土壤水分,有利于植物生物量的積累,使得凈初級(jí)生產(chǎn)力比無膜漫灌增加了391gC/m2.與此同時(shí),由于膜下土壤氣體只能從裸地和膜孔排放,同時(shí),膜下滴灌較高的土壤含水量也在一定程度上降低了土壤的孔隙度和氣體擴(kuò)散力,因此,盡管膜下滴灌條件下土壤水熱狀況優(yōu)于漫灌,但其土壤呼吸僅增加96gC/m2,故膜下滴灌措施下提高了干旱地區(qū)農(nóng)田的碳匯水平.

1.2 滴灌對(duì)農(nóng)田土壤N2O產(chǎn)生和排放的影響

1.2.1 滴灌對(duì)農(nóng)田土壤N2O的影響 大多學(xué)者認(rèn)為,由于滴灌的土壤孔隙含水率顯著低于溝灌,會(huì)產(chǎn)生抑制反硝化反應(yīng)的環(huán)境.同時(shí),滴灌影響了土壤水分的配送方式,會(huì)產(chǎn)生更高濃度的NH4+-N和NO3--N,相比于溝灌處理其環(huán)境更能抑制反硝化反應(yīng),使得滴灌排放的N2O更少[29-30]. Kallenbach等[22]等認(rèn)為,地下滴灌N2O的排放量約比溝灌減少了50%.Sánchez-Martín等[30]研究了甜瓜生長(zhǎng)期間溝灌和滴灌條件下N2O的排放情況,也表明滴灌條件下的濕潤(rùn)區(qū)域硝化作用高于反硝化作用,有助于降低氮氧化物的排放量.與地表滴灌和微噴處理相比,N2O排放量在地下滴灌處理下較低,地下滴灌限制了微生物活動(dòng)[22]和嫌氣微環(huán)境的形成,因此限制了反硝化作用,而表面滴灌和微噴措施引起高的N2O通量是由于水進(jìn)入土壤的快速和過剩而引起[31].

1.2.2 滴灌水肥一體化對(duì)農(nóng)田土壤N2O的影響在灌溉農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,水分和氮肥的管理是影響N2O排放的主要因素[32-33].灌溉施肥通過形成有利于反硝化作用發(fā)生的厭氧環(huán)境增加土壤N2O排放量[34].在野外試驗(yàn)中,總N2O排放中的80%～95%直接來源于灌溉施肥[29].

Vallejo等[35]和Meijide等[36]在半干旱灌溉系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn),與尿素相比,有機(jī)肥減少了N2O和NO的排放量.Sánchez-Martin等[30]研究也發(fā)現(xiàn),對(duì)于單純化學(xué)肥料施用,在相似的條件下,與溝灌相比,滴灌降低了土壤N2O和NO的排放量,降幅分別為70%和33%,這可能是由于低的灌水量和不同的土壤濕潤(rùn)形式而引起.滴灌條件下硝化作用比反硝化作用重要,而溝灌條件下反硝化作用更為重要.而與滴灌和溝灌條件下的礦質(zhì)肥相比,滴灌條件下施用有機(jī)肥分別降低了約27%和62%的NO排放量.盡管施用有機(jī)肥增強(qiáng)了反硝化作用,然而與溝灌相比,滴灌條件下水分的分布有利于硝化作用的發(fā)生,因此施用有機(jī)肥條件下,與溝灌相比,滴灌減少了反硝化速率及N2O的排放量[37].

此外,迄今為止,對(duì)滴灌條件下農(nóng)田多種溫室氣體的同期定量研究還很少見.Kallenbach等[22]認(rèn)為,與溝灌相比,地下滴灌減緩了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中溫室氣體的產(chǎn)生.Maraseni等[38]也認(rèn)為,與低效率、耗能的漫灌、噴灌等系統(tǒng)相比,滴灌技術(shù)減少了溫室氣體的排放,今后應(yīng)加強(qiáng)滴灌條件下多種溫室氣體綜合溫室效應(yīng)研究.

2 滴灌對(duì)農(nóng)田土壤特性的影響及其對(duì)溫室氣體排放的主要作用機(jī)制

2.1 土壤水分

滴灌與傳統(tǒng)灌溉方式對(duì)農(nóng)田土壤特性影響的最大區(qū)別就是帶來土壤水分含量及其分布的較大差異.由于滴灌條件下滴水量小,水滴緩慢入土,因而造成滴頭附近土壤水分和其他部位土壤水分的差異,形成明顯的干燥區(qū)與濕潤(rùn)區(qū).灌溉水分的入滲及再分配方式不同造成土壤水分在時(shí)間、水平以及垂直深度上分布的差異,進(jìn)而對(duì)CO2與N2O的產(chǎn)生和排放量及其時(shí)空分布產(chǎn)生重要影響.

一般的研究結(jié)果認(rèn)為,在土壤WFPS不超過60%、地下滴灌[22]或是表層滴灌[30,37]條件下,即供水量較低時(shí),由反硝化作用產(chǎn)生土壤N2O的過程會(huì)受到限制.由于滴灌的時(shí)間相對(duì)于傳統(tǒng)灌溉方式間隔短,再加上覆膜等原因,作物生長(zhǎng)期土壤濕度通常比無膜漫灌處理大,而高的土壤濕度降低了土壤孔隙度和氣體擴(kuò)散能力[39-40],導(dǎo)致覆膜滴灌處理?xiàng)l件下CO2排放通量降低[23].

此外,從不同灌溉方式所帶來的土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的差異來看,滴灌由于灌溉頻率較傳統(tǒng)漫灌更高,因此會(huì)造成土壤相對(duì)頻繁的干濕交替現(xiàn)象.但對(duì)于干濕交替所帶來的影響,不同研究者的認(rèn)知存在一定差異.Borken等[41]發(fā)現(xiàn),干土重新濕潤(rùn)后,由于土壤有機(jī)質(zhì)礦化加強(qiáng),以及原先不能被利用的、易分解有機(jī)質(zhì)的重新礦化,微生物活性增強(qiáng),使得CO2的排放大幅增長(zhǎng);但頻繁的干濕交替會(huì)導(dǎo)致土壤礦化量降低,又會(huì)減少CO2的排放.而Li等[23]則認(rèn)為,由于漫灌的時(shí)間間隔長(zhǎng),土壤水分蒸發(fā)大,漫灌經(jīng)歷的干濕交替次數(shù)更多,因此無膜漫灌比覆膜滴灌產(chǎn)生更多的CO2排放量.另外,對(duì)于N2O氣體,有研究認(rèn)為,由于干濕交替增加了死亡微生物的量以及打亂了土壤環(huán)境和有機(jī)物之間的相互作用,從而使得土壤有效碳和氮的礦化量增加,使土壤的硝化和反硝化量顯著高于長(zhǎng)期濕潤(rùn)的土壤,增加了土壤N2O的排放[42].在作物生長(zhǎng)季,每次灌溉后通常都會(huì)出現(xiàn)小的N2O排放脈沖,滴灌系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定且少量的N2O通量,而溝灌系統(tǒng)則產(chǎn)生一次或更多次的大的脈沖,因此排放的N2O排放量高于滴灌系統(tǒng)[22,30,37].滴灌條件下,硫酸銨作為礦質(zhì)氮肥處理中產(chǎn)生N2O排放的第一次脈沖比溝灌約小5倍,最高排放量(第一次灌溉2周后)占由反硝化作用產(chǎn)生的總N2O排放量的百分比,在溝灌條件下達(dá)70%,而滴灌條件下僅達(dá)45%,其主要原因是由于溝灌條件下土壤含水率(65%～83%)高于滴灌(56%～75%)[30].

滴灌造成了土壤水分的空間差異性也會(huì)對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放產(chǎn)生影響.滴灌附近的濕潤(rùn)區(qū)域可能會(huì)是N2O排放源,但土壤WFPS大于80%的滴頭處土壤會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的反硝化作用,使N2O繼續(xù)還原轉(zhuǎn)化為N2,從而降低N2O的排放量[43].可見灌溉方式對(duì)N2O排放的影響與滴灌區(qū)土壤WFPS的大小相關(guān).Sánchez-Martín等[30]對(duì)滴灌產(chǎn)生的干區(qū)和濕區(qū)分別進(jìn)行氣體分析,認(rèn)為滴灌區(qū)域頻繁的脈沖效應(yīng)會(huì)增加氮氧化物的排放,而干的區(qū)域同樣排放氮氧化物,原因是該區(qū)域土壤深層是濕土.

2.2 土壤溫度

在灌溉農(nóng)田中,土壤溫度受到灌溉水溫度的影響,同時(shí)也受灌溉量及灌溉頻率的影響[44].一般認(rèn)為,滴灌條件下由于較高的灌溉頻率,表層溫度通常低于地面洼灌處理.Wang等[45]的研究卻表明,滴灌處理?xiàng)l件下土壤溫度顯著高于噴灌,兩者的差異可能主要是由于總灌溉水量的不同.對(duì)于膜下滴灌而言,覆膜可以減少地面蒸發(fā),降低耗水,可以提高近地面氣溫和膜下土壤溫度[46],能更好地活化土壤養(yǎng)分,提高養(yǎng)分有效性和水分利用率[47].

陶麗佳等[16]對(duì)盆栽馬鈴薯的研究結(jié)果顯示,滴灌處理灌水后土壤CO2濃度與溫度呈顯著正相關(guān),同時(shí)指出由于種植馬鈴薯的處理有一定的郁閉度,相較于裸地,其地溫會(huì)降低很多,使得覆膜裸土產(chǎn)生和排放的CO2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于覆膜漫灌處理和覆膜滴灌處理.此外,相關(guān)研究還證實(shí),滴灌處理下,CO2通量與采氣箱內(nèi)溫度呈顯著正相關(guān),土壤不同深度處CO2濃度與地溫也呈顯著正相關(guān),地溫升高提高了微生物活性,加速土壤中有機(jī)質(zhì)的分解,增強(qiáng)作物根系和土壤呼吸[21].

2.3 土壤養(yǎng)分

2.3.1 土壤氮素 灌溉方式的變化主要是通過影響氮素的礦化與淋溶等來影響土壤中可利用氮素量及其分布,進(jìn)而對(duì)土壤N2O等溫室氣體排放產(chǎn)生影響.

灌溉后立即施肥的土壤N2O排放比單獨(dú)灌溉的土壤高[29],這說明無機(jī)氮的可用性是限制N2O產(chǎn)生的主要因素[48].在耕作少的滴灌施肥系統(tǒng)中,N2O排放量與土壤中NH4+和NO3-濃度水平均呈正相關(guān)[49].在滴灌農(nóng)田中,干濕交替產(chǎn)生的頻繁脈沖影響了灌溉期土壤速效氮的轉(zhuǎn)化,增加了灌溉期間氮氧化物的排放[30].同時(shí),滴灌通過影響土壤水分的配送方式,提高了NH4+-N和NO3--N的濃度,抑制了反硝化反應(yīng),減少滴灌排放的N2O[29-30].另外,在滴灌條件下,氮的淋失量比溝灌少75%～80%[49].與無氮肥施用的滴灌相比,在硫酸銨作為礦質(zhì)氮肥料的滴灌系統(tǒng)中,發(fā)現(xiàn)有高濃度的NH4+和NO3-,這些離子在硝化和反硝化過程中引發(fā)了較高的氮氧化物排量[30].

2.3.2 土壤有機(jī)碳 滴灌單次灌水量小,灌水周期較溝灌短,因此淋洗出的可溶性有機(jī)碳(DOC)含量高,而適宜的土壤水分有利于土壤微生物的生長(zhǎng),使得微生物量碳(MBC)含量增加[50].

張前兵等[18]的研究表明,氮磷鉀化肥和有機(jī)肥配施全生育期處理根系呼吸貢獻(xiàn)率最大,可能是有機(jī)無機(jī)肥料配施,增加了土壤有機(jī)碳含量,促進(jìn)作物根系生長(zhǎng),使根系呼吸增強(qiáng).冬季豆科作物覆蓋能給土壤加入大量的C,使滴灌條件作物覆蓋滴灌處理CO2平均排放量比無作物覆蓋滴灌處理高15%,地下滴灌處理?xiàng)l件下作物生長(zhǎng)季CO2和N2O排放量低于溝灌處理[22].

此外,土壤活性碳作為土壤中重要的易氧化、礦化的有機(jī)碳組分[51],其大小和周轉(zhuǎn)與土壤溫室氣體CO2、NO2等的產(chǎn)生直接相關(guān)[52].展茗[53]的研究結(jié)果表明,在常規(guī)淹水處理中,土壤DOC、MBC與CO2排放通量呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)性,而在間歇灌溉處理中沒有出現(xiàn)這種關(guān)系,間歇灌溉能顯著增加CO2的主要原因在于土壤通氣狀況改善后,增強(qiáng)了土壤中有機(jī)碳和腐殖酸碳及DOC的降解作用.也有研究表明,與不施氮肥的控制試驗(yàn)相比,加施消化豬糞的滴灌和溝灌系統(tǒng)中,其土壤N2O排放大多均隨DOC的減少而增強(qiáng)[37].可能是由于有機(jī)肥的應(yīng)用增加了土壤中的可溶性有機(jī)碳,可溶性有機(jī)碳的增加雖然有利于反硝化作用的發(fā)生,增加了反硝化過程中N2O產(chǎn)生的比例,但由于灌溉后土壤通氣性變差,生成的NO和N2O向大氣的擴(kuò)散受到嚴(yán)重阻礙,使其有足夠的時(shí)間被進(jìn)一步還原為N2,減少了NO和N2O的總排放量[35].

2.4 土壤結(jié)構(gòu)

一般而言,滴灌沒有地面灌溉時(shí)對(duì)土壤的沖刷和對(duì)土體結(jié)構(gòu)的明顯破壞,降低了由于灌溉而造成的土壤密實(shí),使土壤保持相對(duì)疏松,提高了根系活力[54].研究表明,根系及其緊密接觸的微生物群落排出的CO2約相當(dāng)于土壤釋放總量的20%～50%[55].同樣,研究也發(fā)現(xiàn),玉米植株根系對(duì)N2O排放產(chǎn)生的影響,主要是通過根際的微環(huán)境及增加根向土壤分泌C、N物質(zhì),為硝化和反硝化菌提供底物來增加土壤中N2O的產(chǎn)生量[56].

與滴灌相比,漫灌處理一次灌水量大,并且快速淹水,造成土壤板結(jié),土壤通氣性降低[41],使得土壤呼吸產(chǎn)生的CO2難以擴(kuò)散出去,造成漫灌處理的土壤CO2濃度大.同時(shí),覆膜滴灌處理下,灌溉水量小但頻率大,加上地膜的保水功能,土壤含水量高于無膜漫灌處理,較高的土壤含水量在一定程度上降低了土壤的孔隙度和氣體擴(kuò)散力,也導(dǎo)致覆膜滴灌處理CO2通量的降低[24].

3 結(jié)語

綜上所述,國(guó)內(nèi)外在滴灌對(duì)農(nóng)田土壤CO2和N2O產(chǎn)生與排放的影響研究領(lǐng)域已取得了一定的成果,但相關(guān)研究尚處于起步階段,對(duì)機(jī)制分析也相對(duì)缺乏,在今后需要注重以下幾個(gè)方面的研究.

3.1 滴灌方式對(duì)大田綜合溫室效應(yīng)影響

由于滴灌對(duì)不同溫室氣體的影響效應(yīng)存在較大差異,有時(shí)甚至存在相反的效應(yīng),因此今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)滴灌技術(shù)應(yīng)用后多種氣體綜合溫室效應(yīng)變化的長(zhǎng)期研究及其與傳統(tǒng)灌溉方式影響效應(yīng)差異的比較與定量評(píng)價(jià).其次由于目前多為盆栽試驗(yàn),大田試驗(yàn)相對(duì)缺乏,今后有必要進(jìn)行大田滴灌與其他灌溉方式的長(zhǎng)期比較試驗(yàn)研究.

3.2 定量分析滴灌方式下農(nóng)田溫室氣體排放通量的空間差異

與傳統(tǒng)灌溉相比,滴灌是局部濕潤(rùn),滴灌土壤干燥區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)溫室氣體排放通量差異顯著,特別是覆膜滴灌條件下溫室氣體排放空間性更強(qiáng).目前對(duì)土壤呼吸的研究大多集中在土壤呼吸強(qiáng)度及其時(shí)間變異性上,對(duì)空間異質(zhì)性研究較少.加強(qiáng)滴灌條件下溫室氣體排放的空間分布特征研究,有利于更精確地估算滴灌條件下農(nóng)田尺度的溫室氣體排放總量.

3.3 探索滴灌條件下溫室氣體的產(chǎn)生排放機(jī)制

滴灌施肥措施對(duì)溫室氣體的影響過程更加錯(cuò)綜復(fù)雜,而當(dāng)前對(duì)灌溉方式下溫室氣體產(chǎn)生和排放機(jī)制的分析,大多集中在土壤水分和溫度,今后應(yīng)增加與滴灌相關(guān)的其他環(huán)境指標(biāo),如土壤NO3-和NH4+濃度、DOC、微生物等對(duì)溫室氣體產(chǎn)生排放變化影響的研究以及多個(gè)影響因子的綜合分析,同時(shí)也應(yīng)增強(qiáng)滴灌條件下土壤呼吸的不同組分與環(huán)境因素之間關(guān)系的定量探討,更深入地分析氣體產(chǎn)生與排放的主要機(jī)制.

3.4 揭示滴灌與不同肥料施用的耦合作用效應(yīng)

滴灌技術(shù)與不同肥料管理措施的結(jié)合對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響存在較大的不確定性,需要進(jìn)一步的研究.此外,由于目前開發(fā)了一些滴灌專用肥,研究不同滴灌專用肥和不同滴灌技術(shù)指標(biāo)對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的耦合影響,評(píng)價(jià)不同施肥滴灌模式的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),可為該模式的推廣與完善提供理論依據(jù),也可為滴灌農(nóng)田溫室氣體的有效減排提供重要參考.

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Response of production and emission of CO2and N2O of agricultural soil to drip irrigation.

GUO Shu-fang1,2, QI Yu-chun1, DONG Yun-she1*, PENG Qin1, LIU Xin-chao1,2, SUN Liang-jie1,2, JIA Jun-qiang1,2, HE Yun-long1,2, CAO Cong-cong1,2, YAN Zhong-qing1,2(1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Beijing 100101, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2014, 34(11)：2757～2763

The research on the effect of drip irrigation on the emission of CO2and N2O and its impact mechanism was helpful to understand the influence of irrigation pattern changes on carbon and nitrogen cycles of agro-ecosystem. And they were also significant for the improvements of agricultural irrigation management and mitigation in greenhouse gas emission. In this paper, different impacts of drip irrigation on CO2and N2O were summarized and the influence mechanism of soil moisture, soil temperature, soil nutrients, soil structure and soil microorganism on the production and emission of CO2and N2O from agricultural soil were analyzed. Meanwhile, the uncertainties in the influence of drip irrigation on atmospheric greenhouse effec as well as the existing problems of current research were also discussed.

drip irrigation；agro-ecosystem；CO2；N2O；mechanism

X142

A

1000-6923(2014)11-2757-07

郭樹芳(1986-),女,河南林州人,中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所博士研究生,主要從事農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)研究.發(fā)表論文1篇.

2014-02-28

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203012-6);國(guó)家自然科學(xué)基金(41373084,41330528,41203054);中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向性項(xiàng)目(KZCX2-EW-302)

* 責(zé)任作者, 研究員, dongys@igsnrr.ac.cn