陳 慧，侯會靜，朱 艷，徐家屯，王云霏，蔡煥杰

(西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

CO2是大氣中最重要的溫室氣體，對全球變暖起到重要作用，其濃度從大約1750年的278×10-6增至2011年的390.5×10-6。2002到2011年期間，大氣中CO2濃度值以每年(2.0±0.1)×10-6速率增加[1]，而溫室氣體中大約有20%的CO2來源于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[2]。中國作為世界農(nóng)業(yè)大國，2007年，耕地面積約為1.21億hm2[3]，菜地約占其中的1.2%[4]。由于反季節(jié)果蔬及花卉的需求，近年來設施菜地面積逐年增加，截止2014年設施菜地面積已達到355.44萬hm2[5]。設施菜地由于其施肥量大和高灌溉頻次等特點，其對溫室氣體排放的影響已受到廣泛關(guān)注。

灌溉通過引起土壤有機質(zhì)礦化分解速率、微生物量及其活性、根系生物量以及氣體在土壤空隙中擴散速率等的變化，進而影響土壤碳排放強度[6]。地下滴灌，其作為一種新的節(jié)水高效灌溉技術(shù)，在水資源緊缺的干旱和半干旱地區(qū)中被廣泛采用[7,8]。不同灌水量通過影響土壤中O2含量、微生物活性、土壤溫度及根系生長等[9,10]，進而影響土壤CO2的產(chǎn)生和排放。大多數(shù)有關(guān)灌溉水平對土壤CO2排放的影響研究多集中于大田糧食作物上，設施菜地較少，這就帶來在編制農(nóng)業(yè)土壤溫室氣體排放清單時較大的不確定性。因此，本文通過靜態(tài)箱氣相色譜法對2014年番茄秋冬茬和2015年春夏茬溫室番茄地土壤CO2排放進行了原位觀測，旨在分析番茄不同生長季土壤CO2變化規(guī)律，為評估設施菜地溫室氣體減排提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試溫室概況

試驗于2014年8月13日至2015年7月29日在陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室的日光溫室內(nèi)進行(34°20′N，108°04′E)，試驗站海拔521 m。溫室結(jié)構(gòu)為房脊型，南北朝向，長36 m，寬10.3 m，高4 m。試驗所處地理位置屬半濕潤易旱區(qū)，年均日照時數(shù)2 163.8 h，無霜期210 d。土壤類型為塿土，屬于棕壤土，1 m土層內(nèi)平均土壤干密度為1.35 g/cm3，田間持水量為23.8%(重量含水率)。

1.2 試驗設計

2014年秋冬茬(8-12月)和2015年春夏茬(4-7月)，試驗均以番茄為供試作物(品種為“飛越”)。采用營養(yǎng)缽育苗，分別于2014年8月13日和2015年4月4日定植，此時秧苗處于3葉1心至4葉1心。定植時分別對番茄幼苗進行澆透底水，澆水后在壟上覆膜，土壤蒸發(fā)可忽略。分別于2014年12月28日和2015年7月29日結(jié)束，生育期分別為138和116 d。此外，兩茬試驗番茄生育期具體劃分見表1。

表1 生育期劃分描述 Tab.1 The description of growth period

試驗按灌水量單因素設計，共設2個處理：①充分灌溉(Full Irrigation, FI)，1.0W；②虧缺灌溉(Deficit Irrigation, DI)，0.6W，其中W為充分供水處理每次的灌水定額，計算方法見公式(1)。每個處理設3個重復，1壟作為一個重復，共計6壟，采用完全隨機設計布設。每壟種9株作物，株距35 cm，每壟面積為3.2 m2(4.0 m×0.8 m)。為防止水分側(cè)滲，壟與壟之間用塑料膜隔開。灌水方式采用地下滴灌，滴灌帶埋深15 cm，滴頭間距35 cm。灌溉水量由安置在溫室內(nèi)的E601型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量值確定，按兩次灌水間隔內(nèi)蒸發(fā)量值進行灌水，每次灌水安排在當天8∶00。此外，秋冬茬和春夏茬試驗施肥只施基肥，施有機肥料(N-P2O5-K2O≥10%；有機質(zhì)≥45%)與復混肥料(總養(yǎng)分≥45%，其中氮、磷、鉀各含15%)。

充分供水處理每次灌水定額由下式計算[11]：

W=kcpEpanA

(1)

式中：W表示充分供水處理每次灌水的灌水定額，L；kcp為蒸發(fā)皿系數(shù)，取為1.0，不同灌水水平處理中分別取為0.6和1.0；Epan為蒸發(fā)皿測得的蒸發(fā)量，mm；A為一個重復控制的小區(qū)面積，m2，本試驗中取為3.2 m2。

1.3 田間采樣與觀測

氣體采用靜態(tài)箱原位采集[12]，箱體用6 mm厚的PVC材料制成，底面積為25 cm×25 cm，高度為25 cm。箱體外表面用海綿與錫箔紙包裹，頂部安裝有攪拌空氣的小風扇，保證箱體內(nèi)氣體均勻，使取樣具有代表性。靜態(tài)箱底座在番茄移植當天埋設于小區(qū)中央以便日后氣體采集，直到番茄收獲。底座上端由大約3 cm深的凹槽構(gòu)成用以放置靜態(tài)箱箱體，取樣時注水密封，防止周圍空氣與箱內(nèi)氣體交換。氣體取樣時間分別在10∶00、10∶10、10∶20和10∶30利用帶有三通閥的50 mL注射器進行4次氣體采集，每次取氣30 mL，并在當天進行濃度分析。去除奇異點，使4個樣品濃度測量值隨時間的線性回歸系數(shù)r2≥0.85。此外，氣體采樣的同時用安插在箱體頂部的水銀溫度計測量箱內(nèi)溫度。

2014年秋冬茬試驗，每次取氣同時用中子水分儀(CS830)測量土壤20 cm深度處的土壤含水量，并轉(zhuǎn)換成土壤充水孔隙率(Water Filled Pore Space,WFPS)；2015年春夏茬試驗，每次取氣同時利用土鉆在小區(qū)內(nèi)取土，用烘干法測定土壤0～10 cm含水率，并轉(zhuǎn)換成WFPS。

1.4 氣體分析及通量計算

CO2濃度采用安捷倫氣相色譜儀測定(Agilent Technologies 7890A GC System，America),氣體排放通量采用下式計算：

(2)

式中：F為CO2氣體排放通量，mg/(m2·h)；ρ是標準狀態(tài)下氣體密度，g/cm3；h為箱體的高度，m；dc/dt為氣體濃度變化率，mg/(m3·h)；T為箱內(nèi)溫度，℃。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用OriginPro8.5作圖和求CO2累積排放量，用SPSS Statistics 22.0數(shù)據(jù)處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水水平下溫室番茄地土壤CO2排放特征

在兩個生長季中，不同灌水水平下溫室番茄地土壤CO2排放通量在番茄整個生育期內(nèi)呈波動性變化。2014年秋冬茬試驗土壤CO2排放通量在番茄生育期內(nèi)變化規(guī)律不明顯，而2015年春夏茬試驗土壤CO2排放通量在番茄生育期內(nèi)總體表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(見圖1)。此外，從圖1還可以看出，高灌水處理的土壤CO2排放通量在番茄生育期絕大多數(shù)時間內(nèi)高于低灌水處理的土壤CO2排放通量。高灌水處理的土壤CO2年平均排放通量為207.71 mg/(m2·h)，較低灌水處理的土壤CO2年平均排放通量增加了22.0%。

圖1 不同灌水水平下溫室番茄地土壤CO2排放通量Fig.1 Variation of CO2 fluxes under different irrigation levels in greenhouse tomato cropping system

2014年秋冬茬兩個處理的CO2排放通量主峰值以FI大[820.53 mg/(m2·h)]，是DI處理的2.95倍；FI和DI處理土壤CO2平均排放通量分別為189.43和145.29 mg/(m2·h)。而2015年春夏茬兩個處理的CO2排放通量主峰值以FI大[518.76 mg/(m2·h)]，較DI處理增加了21.9%，均出現(xiàn)在番茄開花坐果期；FI和DI處理土壤CO2平均排放通量分別為224.76和193.66 mg/(m2·h)。在兩個生長季中，2015年春夏季的土壤CO2季節(jié)平均排放通量高于2014年秋冬季的，可能與兩季試驗期間棚內(nèi)溫度和2014年試驗錯過了番茄苗期與部分開花坐果期有關(guān)：春夏季較高的溫度促進了微生物活性，加速呼吸作用，促進了土壤CO2排放；且2014年秋冬季由于錯過了番茄苗期與部分開花坐果期，可能導致CO2某些高排放點未捕捉到。因此，均可能造成秋冬季較低CO2排放。

2.2 不同灌水水平下溫室番茄地土壤CO2排放量

圖2 不同灌水水平下溫室番茄地土壤CO2累積排放量Fig. 2 Variation of cumulative CO2 emissions under different irrigation levels in greenhouse tomato cropping system

從圖2可以看出，在兩個生長季中，不同灌水水平處理溫室番茄地土壤CO2累積排放量在番茄整個生育期內(nèi)逐漸增加，且高灌水處理的土壤CO2累積排放量在番茄生育期絕大多數(shù)時間內(nèi)高于低灌水處理的土壤CO2累積排放量。此外，2015年春夏茬高(低)灌水處理的番茄整個生育期土壤CO2累積排放量高于2014年秋冬茬高(低)灌水處理的番茄整個生育期土壤CO2累積排放量。

在兩個生長季中，高灌水處理均較對應的低灌水處理增加了番茄整個生育期土壤CO2排放量，但2014年秋冬茬試驗中，兩者間差異性顯著(P<0.05)；而2015年春夏茬試驗中，兩者間差異性不顯著(P>0.05)(見表2)。2014年秋冬茬試驗中，高灌水處理溫室番茄地土壤CO2階段排放量呈現(xiàn)：開花坐果期<成熟期<果實膨大期；低灌水處理溫室番茄地土壤CO2階段排放量呈現(xiàn)：開花坐果期<果實膨大期<成熟期。不同灌水水平下，2015年春夏茬試驗中兩個處理溫室番茄地土壤CO2階段排放量均呈現(xiàn)：苗期<開花坐果期<果實膨大期<成熟期，且FI和DI處理在成熟期的階段排放量分別占整個生育期的40.8%和42.7%。此外，在兩個生長季中的番茄不同生育階段，高灌水處理的土壤CO2階段排放量絕大多數(shù)時間高于低灌水處理的土壤CO2階段排放量(見表2)。

2.3 土壤CO2排放通量與土壤水分狀況之間的關(guān)系

表2 不同灌水水平下溫室番茄地土壤CO2階段排放量 kg/hm2

注：同一列中數(shù)值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

土壤濕度是影響土壤呼吸的重要因子，其通過影響植物根和土壤微生物的生理過程直接影響土壤呼吸，或通過影響底物和O2的擴散間接影響土壤呼吸。從圖3可以看出，溫室番茄地土壤CO2排放通量與土壤水分的關(guān)系密切。土壤水分狀況通過影響土壤通氣性和土壤溶解性有機質(zhì)的變化進而影響土壤CO2的產(chǎn)生和向大氣中的排放。番茄兩個生長季中，土壤CO2排放通量隨土壤含水量變化呈波動性變化。2014年秋冬茬試驗中，土壤CO2排放通量與土壤水分的關(guān)系不明顯，F(xiàn)I和DI處理土壤CO2排放主峰值分別發(fā)生在48.5%WFPS和52.0%WFPS；而2015年春夏茬試驗中，土壤CO2排放通量與土壤水分呈顯著負相關(guān)關(guān)系(FI：CO2排放通量=-5.878WFPS+519.006，R2=0.278，P=0.043，n=15；DI：CO2排放通量=583.503 e-0.024WFPS，R2=0.296，P=0.036，n=15)，F(xiàn)I和DI處理土壤CO2排放主峰值分別發(fā)生在50.0%WFPS和46.3%WFPS。

圖3 不同灌水水平下溫室番茄地土壤CO2排放通量與土壤水分的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil CO2 fluxes and soil moisture under different irrigation levels in greenhouse tomato cropping system

3 討 論

通過對溫室番茄地土壤CO2排放進行原位觀測，發(fā)現(xiàn)土壤CO2排放具有明顯的變化特征。其一，單個生長季內(nèi)設施菜地土壤CO2排放呈現(xiàn)峰值短促、峰值高，脈沖式變化的現(xiàn)象。在本試驗兩個生長季內(nèi)土壤CO2排放通量在番茄整個生育期內(nèi)均呈波動性變化，這與一些研究學者的研究結(jié)果一致[13],這主要是番茄生育期內(nèi)植物根系生長和地下微生物量及活性變化所致。其二，春夏茬試驗的土壤CO2平均排放高于秋冬茬試驗的土壤CO2平均排放。這可能由于秋冬季溫度較低，CO2的產(chǎn)生和排放都可能受低溫的限制。這與大多數(shù)研究結(jié)論一致，CO2排放通量與溫度呈正相關(guān)關(guān)系[13-15]。其三，設施菜地土壤CO2平均排放通量較高。本文兩個生長季中不同處理土壤CO2平均排放通量在145.29～224.76 mg/(m2·h)范圍內(nèi)變化，而這些結(jié)果遠高于大田試驗觀測值[15,16]。比如袁勇等[15]發(fā)現(xiàn)豇豆菜地平均CO2為283 mg/(m2·h)，比晚稻顯著提高42%。這與菜地有機碳投入較高, 碳源物質(zhì)豐富, 促進了土壤微生物的生長, 呼出了較多的CO2量有關(guān)[17]。此外，菜地較大田環(huán)境較高的溫度和菜地干濕交替的灌溉，也可能促進土壤CO2排放。

土壤CO2排放主要源自作物根呼吸和土壤中微生物呼吸2個過程[18]，而根呼吸占了土壤CO2排放相當大比例[9,19,20]。此外，植物和微生物的許多生命活動需要水分的參與,水分對于植物和微生物來說,是一個非常重要的環(huán)境因子[21]。本文利用靜態(tài)箱氣相色譜法對溫室番茄地土壤CO2排放進行了原位監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在作物兩個生長季中，充分灌溉處理較對應的虧缺灌溉處理均增加了土壤CO2排放，這與一些研究學者的結(jié)論一致[9,22,23]。其主要由于虧缺灌溉通過減少土壤含水量以減小微生物活性，進而減小土壤CO2排放和促進土壤固碳能力[23]。

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