陳 慧，侯會(huì)靜，蔡煥杰，朱 艷，王 超

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100）

加氣灌溉對(duì)番茄地土壤CO2排放的調(diào)控效應(yīng)

陳 慧1,2，侯會(huì)靜1,2，蔡煥杰1,2，朱 艷1,2，王 超2

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100）

【目的】CO2是大氣中最重要的溫室氣體，對(duì)全球變暖起到重要作用。加氣灌溉通過改善土壤通氣狀態(tài)，提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率等已被大量研究證實(shí)，然而加氣灌溉引起的土壤環(huán)境效應(yīng)研究較少，且通過靜態(tài)箱法系統(tǒng)地研究加氣灌溉對(duì)設(shè)施菜地土壤CO2排放影響的研究尚未見報(bào)道。因此，分析加氣灌溉對(duì)土壤CO2排放的影響，對(duì)評(píng)估加氣灌溉技術(shù)的農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)具有重要作用?！痉椒ā抗┰嚪哑贩N為‘飛越’，通過溫室小區(qū)試驗(yàn)利用文丘里計(jì)作為加氣設(shè)備，通過地下滴灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水氣結(jié)合的加氣灌溉方式。采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)溫室番茄地土壤CO2排放進(jìn)行原位觀測(cè)，研究加氣灌溉對(duì)土壤CO2排放的調(diào)控效應(yīng)。試驗(yàn)按灌水量（充分灌溉、虧缺灌溉）和加氣（加氣、不加氣）的雙因素設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)處理，分別為：加氣虧缺灌溉（AI1）、不加氣虧缺灌溉（CK1）、加氣充分灌溉（AI2）和不加氣充分灌溉（CK2），每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。研究加氣和充分灌溉較不加氣和虧缺灌溉對(duì)溫室番茄地土壤CO2排放、土壤水分、土壤溫度和土壤有機(jī)碳的影響?！窘Y(jié)果】番茄整個(gè)生育期，不同加氣灌溉模式下土壤CO2排放通量隨移植后天數(shù)增加呈波動(dòng)性變化，總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，峰值均出現(xiàn)在番茄開花坐果期。加氣和充分灌溉處理較對(duì)應(yīng)的不加氣和虧缺灌溉處理增加了番茄整個(gè)生育期土壤CO2平均排放通量和排放量，但差異不顯著（P＞0.05）。AI1、CK1、AI2和CK2處理土壤CO2平均排放通量分別為229.31、193.66、259.10和224.76 mg·m-2·h-1，且以AI2處理土壤CO2排放量最大（6 383.43 kg·hm-2），分別是AI1、CK1和CK2處理的1.12、1.32和1.13倍。此外，不同加氣灌溉模式下土壤充水孔隙率（WFPS）在番茄整個(gè)生育期內(nèi)大致呈下降的趨勢(shì)；土壤溫度（T）大致呈上升的趨勢(shì)，且同一時(shí)刻處理間土壤溫度差異較?。欢寥烙袡C(jī)碳（SOC）含量呈波動(dòng)性變化且番茄整個(gè)生育期SOC含量變化幅度較小。加氣灌溉較對(duì)應(yīng)的不加氣灌溉降低了T和WFPS，增加了SOC含量，但差異均不顯著（P＞0.05）；充分灌溉較對(duì)應(yīng)的虧缺灌溉增加了WFPS和SOC，但不顯著，對(duì)T的影響不一。此外，經(jīng)相關(guān)性分析可知，土壤CO2排放通量與土壤充水孔隙率呈負(fù)相關(guān)，與土壤溫度和有機(jī)碳呈正相關(guān)，但相關(guān)性均不顯著（P＞0.05）?！窘Y(jié)論】通過溫室小區(qū)試驗(yàn)得出，加氣灌溉增加了土壤CO2排放，但不顯著（P ＞0.05）。研究結(jié)果為評(píng)估加氣灌溉技術(shù)的農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)和設(shè)施菜地溫室氣體減排提供了一定的參考和科學(xué)依據(jù)。

加氣灌溉；CO2；排放；土壤；番茄；有機(jī)碳

0 引言

【研究意義】CO2是大氣中最重要的溫室氣體，對(duì)全球變暖起到重要影響。2013年大氣中CO2的濃度達(dá)到391 mL·L-1，比工業(yè)化前的濃度值增加了40%[1]。據(jù)估計(jì)，溫室氣體中大約有20%的CO2來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)[2]，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是CO2的重要排放源[3]。中國是世界上主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國，設(shè)施菜地是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，近年來中國設(shè)施蔬菜種植面積逐年增加，從1978年的5 300 hm2增至2014年的3 554 400 hm2[4-5]。設(shè)施菜地具有施肥量大、肥水同期等特點(diǎn)，其對(duì)溫室氣體排放貢獻(xiàn)不容忽視。因此，研究設(shè)施菜地土壤CO2排放是整個(gè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)節(jié)能減排中必須考慮的因素。【前人研究進(jìn)展】地下滴灌可有效地向作物根區(qū)運(yùn)送水分和養(yǎng)分，在水資源緊缺的干旱和半干旱地區(qū)設(shè)施菜地中被廣泛采用[6-7]。加氣灌溉是地下滴灌系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展[8]，是利用文丘里原理通過地下滴灌系統(tǒng)將空氣加入水流中，最終加入作物根區(qū)的一種灌溉方法，其作為一種新的節(jié)水高效灌溉技術(shù)，已經(jīng)被應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)。土壤產(chǎn)生CO2的所有代謝過程，包括土壤有機(jī)質(zhì)的分解和微生物呼吸、植物根系呼吸、土壤動(dòng)物呼吸和土壤礦物質(zhì)的化學(xué)氧化過程，且主要由微生物氧化有機(jī)物和根系產(chǎn)生[9]。加氣灌溉通過改善土壤通氣狀態(tài)，滿足作物根系O2需要，從而滿足作物養(yǎng)分和水分的吸取，利于根區(qū)微生物的活動(dòng)和礦物質(zhì)的運(yùn)移，來提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率已被大量研究證實(shí)[10-11]，然而加氣灌溉引起的土壤環(huán)境效應(yīng)研究較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】加氣灌溉引起的土壤中O2含量的改變勢(shì)必會(huì)影響土壤中微生物及植物根系生長(zhǎng)，從而影響土壤CO2的產(chǎn)生和排放。已有土壤中O2含量的改變對(duì)土壤CO2排放的影響研究多集中于儀器測(cè)量、室內(nèi)培養(yǎng)和堿液吸收法等[10,12-13]，只在作物生育期內(nèi)進(jìn)行幾次測(cè)量，但均未對(duì)整個(gè)植物生長(zhǎng)期的變化進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)研究，沒有評(píng)估作物生育期內(nèi)土壤CO2排放規(guī)律及排放量。此外，通過靜態(tài)箱法系統(tǒng)地研究加氣灌溉對(duì)設(shè)施菜地溫室氣體排放影響的研究尚未見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用靜態(tài)箱氣相色譜法對(duì)春茬溫室番茄地土壤CO2排放進(jìn)行原位觀測(cè)，探討溫室條件下不同加氣灌溉模式對(duì)番茄地土壤CO2的調(diào)控效應(yīng)以及土壤CO2排放通量與各影響因素間相關(guān)性分析，為編制設(shè)施菜地土壤溫室氣體排放清單及評(píng)估加氣灌溉技術(shù)的農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)及設(shè)施菜地溫室氣體減排提供一定的理論基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年4月4日至7月29日在西北農(nóng)林科技大學(xué)日光溫室內(nèi)進(jìn)行（34°20′N，108°04′E）。溫室結(jié)構(gòu)為房脊型，南北朝向，長(zhǎng)36 m，寬10.3 m，高4 m。試驗(yàn)所處地理位置屬半濕潤易旱區(qū)，年均日照時(shí)數(shù)2 163.8 h，無霜期210 d。土壤類型為土，屬于棕壤土，1 m土層內(nèi)平均土壤干容重為1.35 g·cm-3，田間持水量為23.8%（重量含水率）。番茄移植前測(cè)得0—20 cm深度層土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.51、1.86、1.40和20.22 k·kg-1，pH為7.65。土壤砂粒（0.05—1.00 mm）、粉砂顆粒（0.05—0.005 mm）和黏粒（≤0.005 mm）分別占26.0%、33.0%和41.0%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以溫室番茄為供試作物（品種為‘飛越’），采用營養(yǎng)缽育苗，于2015年4月4日定植，此時(shí)秧苗處于3葉1心至4葉1心。4月4日及4月9日分別對(duì)番茄幼苗進(jìn)行澆透底水，4月9日澆水后在壟上覆膜，土壤蒸發(fā)可忽略。番茄生育期具體劃分為：苗期（定植至第一穗開花，2015-04-04—04-25），開花坐果期（第一穗開花至第一穗果實(shí)開始膨大，2015-04-26— 05-13），果實(shí)膨大期（第一穗果實(shí)開始膨大至第一穗果實(shí)開始采摘，2015-05-14—06-13），成熟期（第一穗果實(shí)開始采摘至全部收獲，2015-06-14—07-29），于2015年7月29日結(jié)束，生育期116 d。

表1 試驗(yàn)處理描述Table 1 The description of treatments

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)圖Fig. 1 Schematics of experimental block

試驗(yàn)按灌水量（充分灌溉、虧缺灌溉）和加氣（加氣、不加氣）雙因素設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)處理，見表1，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，1壟作為一個(gè)重復(fù)，共計(jì)12壟，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)布設(shè)。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，番茄移苗當(dāng)天在滴頭正上方進(jìn)行移苗處理（圖1）。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(jìn)行灌水，每次灌水安排在當(dāng)天早上8：00。利用文丘里計(jì)（Mazzei 287，美國）作為加氣設(shè)備進(jìn)行加氣，所加氣體為空氣（N2約占78%，O2約占21%，CO2約占0.031%，稀有氣體約占0.939%，其他氣體和雜質(zhì)約占0.03%），進(jìn)口壓力為0.1 MPa，出口壓力為0.02 MPa，由排氣法得到進(jìn)氣量約占灌溉水量的17%[14]。除保苗水外，番茄整個(gè)生育期共進(jìn)行27次灌水，加氣虧缺灌溉（AI1）和不加氣虧缺灌溉（CK1）各灌水180.06 mm，加氣充分灌溉（AI2）和不加氣充分灌溉（CK2）各灌水300.10 mm，每次灌水時(shí)間及灌水量見表2。

表2 灌水時(shí)間及灌水量Table 2 Detailed information about irrigation time and irrigation water volume

此外，施肥只施基肥，于1月22日施有機(jī)肥料（N-P2O5-K2O≥10%；有機(jī)質(zhì)≥45%）5 937.5 kg·hm-2與復(fù)混肥料（總養(yǎng)分≥45%，其中氮、磷、鉀各含15%）3 437.5 kg·hm-2。

充分供水處理每次灌水定額由公式（1）計(jì)算：

W=kcp·Epan·A （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)，為獲得比較理想的產(chǎn)量，對(duì)于大部分日光溫室和塑料大棚栽培的作物來說，kcp取1.0[15]，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(cè)得的蒸發(fā)量（mm）；A為一個(gè)重復(fù)控制的小區(qū)面積（m2），本試驗(yàn)中取3.2 m2。

1.3 田間采樣與觀測(cè)

氣體采用靜態(tài)箱原位采集[16]，箱體用6 mm厚的PVC（polyvinyl chloride）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(fēng)扇。番茄移植當(dāng)天在小區(qū)中央兩棵幼苗之間預(yù)埋方形底座，底座嵌入土壤5 cm深，作為采樣點(diǎn)，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(shí)注水密封。氣體采樣從移苗后第10天開始，生育前期每隔3—6 d采樣1次，生育后期每隔8 d左右采樣一次。氣體取樣時(shí)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(jìn)行4次氣體采集，每次取氣30 mL，并在當(dāng)天進(jìn)行濃度分析。去除奇異點(diǎn)，使4個(gè)樣品濃度測(cè)量值隨時(shí)間的線性回歸系數(shù)r2≥0.85。

氣體采樣的同時(shí)用安插在箱體頂部的水銀溫度計(jì)測(cè)量箱內(nèi)溫度；用放置在離地面約1.5 m高的水銀溫度計(jì)測(cè)量取樣期間的空氣溫度；用地溫計(jì)測(cè)量土壤10 cm地溫；每次取氣同時(shí)利用土鉆在小區(qū)首、中、末端3個(gè)點(diǎn)取土，使其充分混合作為該重復(fù)的土樣，用烘干法測(cè)定土壤0—10 cm含水率，并轉(zhuǎn)換成土壤充水孔隙率（WFPS）[17]；每隔8—16 d在小區(qū)首、中、末端3個(gè)點(diǎn)取土，使其充分混合作為該重復(fù)的土樣，利用油浴加熱重鉻酸鉀-容量法測(cè)定土壤0—10 cm的有機(jī)碳含量[18]。

1.4 氣體分析及通量計(jì)算

CO2濃度采用安捷倫氣相色譜儀測(cè)定（Agilent Technologies 7890A GC System，America），氣體排放通量采用公式（2）計(jì)算：

式中，F(xiàn)為CO2氣體排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度（g·cm-3）；h為箱體的高度（m）；為氣體濃度變化率（mg·m-3·h-1）；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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 不同加氣灌溉模式下溫室番茄地土壤CO2排放特征

不同加氣灌溉模式下溫室番茄地土壤CO2排放通量隨移植后天數(shù)增加呈波動(dòng)性變化，總體表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)（圖2）。苗期10 d（移植后天數(shù)，day after transplanting）時(shí)，不同加氣灌溉模式下土壤CO2排放通量在整個(gè)生育期最小，隨后逐漸增大，到30 d左右達(dá)到最大值后又開始下降，41 d后土壤CO2排放通量維持在一個(gè)較高且穩(wěn)定的水平，生育末期呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。處理間對(duì)比顯示，在番茄生育期絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，加氣灌溉處理（AI1、AI2）的土壤CO2排放通量高于對(duì)應(yīng)的不加氣灌溉處理（CK1、CK2），且充分灌溉處理（AI2、CK2）高于對(duì)應(yīng)的虧缺灌溉處理（AI1、CK1）（圖2）。不同處理的CO2排放通量主峰值以AI2處理最大（518.76 mg·m-2·h-1），分別較AI1、CK1和CK2增加了54.0%、54.3%和26.6%，且均出現(xiàn)在番茄開花坐果期。AI1、CK1、AI2和CK2處理土壤CO2平均排放通量分別為229.31、193.66、259.10和224.76 mg·m-2·h-1，以AI2處理最大。

加氣處理和充分灌溉處理較對(duì)應(yīng)的不加氣處理和虧缺灌溉處理增加了番茄整個(gè)生育期土壤CO2排放量（表3），但差異性不顯著（P＞0.05）。以AI2處理最大（6 383.43 kg·hm-2），分別比AI1、CK1、CK2處理增大11.5%、32.0%、13.1%。不同加氣灌溉模式下，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(shí)膨大期＜成熟期，AI1、CK1、AI2和CK2處理在成熟期的階段排放量分別占整個(gè)生育期的39.8%、42.7%、35.2%、40.8%。此外，番茄開花坐果期和果實(shí)膨大期，土壤CO2階段排放量呈現(xiàn)AI2＞CK2＞AI1＞CK1；苗期，土壤CO2階段排放量呈現(xiàn)AI2＞AI1＞CK1＞CK2；成熟期，土壤CO2階段排放量呈現(xiàn)CK2＞AI1＞AI2＞CK1。

圖2 不同加氣灌溉模式下溫室番茄地土壤CO2排放通量Fig. 2 Variation of CO2fluxes in different treatments in greenhouse tomato cropping system

表3 不同加氣灌溉模式下溫室番茄地土壤CO2階段排放量Table 3 Cumulative emissions of CO2(kg·hm-2) in different treatments from soils of greenhouse tomato fields at different tomato growth stages

2.2 溫室番茄地土壤CO2排放的影響因子

2.2.1 土壤充水孔隙率 土壤濕度通過影響土壤通氣性和土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的變化進(jìn)而影響土壤CO2產(chǎn)生和向大氣中的擴(kuò)散。番茄整個(gè)生育期內(nèi)除4月4日和4月9日的保苗水外，共進(jìn)行27次灌水，AI1、CK1、AI2和CK2處理分別灌水180.06、180.06、300.10和300.10 mm。從圖3-a可見，不同加氣灌溉模式下土壤0—10 cm深度層的土壤充水孔隙率（WFPS）均呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，WFPS不斷降低。番茄整個(gè)生育期AI1、CK1、AI2和CK2處理WFPS分別在36.7%—70.3%、38.9%—68.4%、38.4%—69.1%和42.0%—69.3%變化，平均WFPS分別為47.0%、49.0%、47.5%和50.1%。相比不加氣處理，加氣灌溉降低了土壤含水量，但差異性不顯著（AI1與CK1：P=0.598；AI2與CK2：P=0.137）；相比虧缺灌溉處理，充分灌溉處理增加了WFPS，但差異性不顯著（CK1與CK2：P=0.264；AI1與AI2：P=0.901）。此外，經(jīng)相關(guān)性分析得出土壤CO2排放通量與WFPS呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著（P＞0.05）（表4）。

2.2.2 土壤溫度 不同加氣灌溉模式下土壤10 cm深處的溫度均呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度呈上升的趨勢(shì)；同一時(shí)刻處理間土壤溫度變化不大（圖3-b）。相比于不加氣處理，加氣灌溉降低了土壤溫度，但差異性不顯著（AI1與CK1：P=0.970；AI2與CK2：P=0.149）。土壤溫度受天氣（空氣溫度）影響較大，從圖3-b可以看出，土壤溫度隨空氣溫度增加而增加。番茄整個(gè)生育期空氣溫度在20.1—36.2℃變化，平均溫度為28.0℃。而AI1、CK1、AI2和CK2處理土壤溫度分別在19.3—27.9℃、21.4—27.7℃、19.4—27.1℃和18.9—28.4℃之間變化，平均溫度分別為23.8℃、23.8℃、22.8℃和24.1℃。與空氣溫度波動(dòng)相比，4個(gè)處理土壤溫度波動(dòng)相對(duì)較小，這是由于土壤的熱容量大于空氣。此外，經(jīng)相關(guān)性分析可知，土壤CO2排放通量與土壤溫度呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著（P＞0.05）（表4）。

表4 不同加氣灌溉模式下溫室番茄地土壤CO2排放通量與土壤濕度、溫度和有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between CO2flux and soil moisture, temperature and organic carbon in different treatments from soils of greenhouse tomato fields

2.2.3 土壤有機(jī)碳 不同加氣灌溉模式下土壤有機(jī)碳（SOC）含量呈波動(dòng)性變化，番茄整個(gè)生育期SOC變化幅度不大（圖4）。加氣處理較對(duì)應(yīng)的不加氣處理增加了SOC含量，但差異性不顯著（AI1與CK1：P=0.895；AI2與CK2：P=0.068）；且充分灌溉處理較對(duì)應(yīng)的虧缺灌溉處理也增加了SOC含量，但差異性不顯著（CK1與CK2：P=0.182；AI1與AI2：P=0.111）。番茄整個(gè)生育期，AI1、CK1、AI2和CK2處理土壤0—10 cm深度層的SOC分別在7.43—9.56、7.31—8.82、7.75—8.90和7.51—8.57 g·kg-1變化，平均值分別為8.25、8.08、8.33和8.11 g·kg-1。4個(gè)處理SOC峰值分別出現(xiàn)在18、18、102和102 d。此外，番茄生育末期，不同加氣灌溉模式下SOC均有上升的趨勢(shì)，這可能與土壤溫度升高導(dǎo)致微生物活性增加有關(guān)。番茄整個(gè)生育期，不同加氣灌溉模式下土壤CO2排放通量大體隨SOC含量增加而增加，經(jīng)相關(guān)性分析得，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著（P＞0.05）（表4）。

圖3 不同加氣灌溉模式下溫室番茄地土壤充水孔隙率、土壤溫度和空氣溫度Fig. 3 WFPS, soil and air temperature in different treatments from soils of greenhouse tomato fields

圖4 不同加氣灌溉模式下溫室番茄地土壤0—10 cm深度層有機(jī)碳含量Fig. 4 Dynamics of soil organic carbon from 0 to 10 cm depths in different treatments in greenhouse tomato cropping system

3 討論

3.1 溫室番茄地土壤CO2排放特征

通過對(duì)溫室番茄地土壤CO2排放進(jìn)行原位觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)土壤CO2排放具有明顯的變化特征。其一，設(shè)施蔬菜地土壤CO2平均排放通量較高。本研究中不同處理土壤CO2平均排放通量在193.66—259.10 mg·m-2·h-1范圍內(nèi)變化，其在前人報(bào)道的設(shè)施菜地土壤CO2排放變化范圍之內(nèi)[19-21]，而這些結(jié)果遠(yuǎn)高于大田試驗(yàn)觀測(cè)值[13,22-23]。林淼等[22]發(fā)現(xiàn)3年種植歷史的大棚菜地土壤CO2平均排放通量是玉米地的1.39倍，這可能因?yàn)樵O(shè)施蔬菜地比露天栽培蔬菜和大田作物具有更好的水熱條件，且菜地有機(jī)碳投入較高，碳源物質(zhì)豐富，促進(jìn)了土壤微生物生長(zhǎng)，增加了CO2排放。另外，設(shè)施菜地土壤CO2排放呈現(xiàn)峰值短促、峰值高和排放變化小的現(xiàn)象。本試驗(yàn)土壤CO2排放通量在番茄整個(gè)生育期內(nèi)大致呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在一個(gè)較高排放水平，這與一些研究學(xué)者的研究結(jié)果一致[12,20,24]。本研究中CO2排放峰值出現(xiàn)在番茄開花坐果期，這與番茄根系生長(zhǎng)和地下微生物量有關(guān)。從番茄定植日開始，根系質(zhì)量持續(xù)增加至番茄開花坐果期，且微生物數(shù)量在番茄整個(gè)生育期逐漸增加[11]，導(dǎo)致土壤CO2排放峰值出現(xiàn)（圖2）。隨著番茄成熟，根系生長(zhǎng)減緩甚至退化，根系呼吸下降，因此土壤CO2排放通量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；但此時(shí)由于微生物數(shù)量較大，呼吸較大，土壤CO2排放通量仍維持在較高的排放水平。

3.2 環(huán)境因子對(duì)溫室番茄地土壤CO2排放的影響

土壤CO2排放主要源自作物根呼吸和土壤中微生物呼吸兩個(gè)過程[25]，而根呼吸占了土壤CO2排放相當(dāng)大比例[20,26-27]。加氣灌溉通過影響作物根呼吸、微生物含量、酶活性、有機(jī)碳含量等[11,13,28]，進(jìn)而影響土壤CO2排放。加氣灌溉增加了土壤呼吸，已被部分研究學(xué)者所證實(shí)[6,10]，比如，BHATTARAI等[6]在大豆播種后67 d或在棉花播種后91 d對(duì)土壤呼吸進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明加氣處理土壤呼吸分別是加過氧化氫處理和不加氣處理的1.49和2.24倍；CHEN等[10]在灌溉前后3 h或不同土層深度對(duì)不同處理的土壤呼吸進(jìn)行了2次測(cè)量，研究表明和對(duì)照處理相比，加氣處理土壤30 cm深處的平均土壤呼吸增加了42%，10 cm深處的土壤呼吸增加了79%。但以上研究均未對(duì)整個(gè)植物生長(zhǎng)期的變化進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)研究，沒有評(píng)估作物生育期內(nèi)土壤CO2排放規(guī)律及排放量。本研究利用靜態(tài)箱氣相色譜法對(duì)溫室番茄地土壤CO2排放在整個(gè)生育期進(jìn)行了原位監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)充分灌溉處理較對(duì)應(yīng)的虧缺灌溉處理增加了土壤CO2排放，這與一些研究學(xué)者的結(jié)論一致[24,29]。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(jìn)而減小土壤CO2排放和促進(jìn)土壤固碳能力[29]。

土壤水分和土壤溫度通常被認(rèn)為是影響土壤CO2季節(jié)排放的主要因素。在本試驗(yàn)研究條件下，土壤CO2排放通量隨著土壤溫度、土壤水分和土壤有機(jī)碳變化呈波動(dòng)性變化。經(jīng)相關(guān)性分析得出，溫室番茄地土壤CO2排放通量與土壤水分呈負(fù)相關(guān)，而與土壤溫度和有機(jī)碳含量呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性均不顯著（P＞0.05）（表4）。土壤溫度對(duì)植物生長(zhǎng)率、微生物活性、有機(jī)質(zhì)分解等有重要影響，是控制和調(diào)節(jié)碳的生物地球化學(xué)過程的關(guān)鍵因素。土壤溫度升高增加了土壤微生物活性且提高了酶活性，進(jìn)而促進(jìn)土壤呼吸。一般情況下隨著溫度的升高，土壤呼吸速率呈指數(shù)增加的趨勢(shì)[22,24,29-30]，這與本文結(jié)論一致。但CO2排放通量與土壤水分的關(guān)系，不同研究學(xué)者得出不同的結(jié)論。比如，林淼等[22]發(fā)現(xiàn)溫室菜地土壤CO2排放通量與土壤水分呈對(duì)數(shù)或拋物線關(guān)系。曾睿等[12]在對(duì)溫室番茄土壤呼吸速率研究時(shí)得出，土壤含水量和土壤呼吸之間存在顯著正相關(guān)，這與本文的研究結(jié)論相反，產(chǎn)生差異的可能原因是由于兩者測(cè)定時(shí)間不同所致。曾睿等[12]試驗(yàn)測(cè)得的土壤呼吸是在每次灌水后3 d測(cè)定，此時(shí)土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定，而本文是系統(tǒng)隨機(jī)地測(cè)定土壤CO2排放和土壤水分，且試驗(yàn)過程中土壤溫度對(duì)土壤含水量的影響較大，因此造成不同的關(guān)系結(jié)論。土壤含水量的多少直接影響CO2在土壤水中的溶解量以及在土壤孔隙中的擴(kuò)散速率進(jìn)而影響CO2排放。本試驗(yàn)中，不同處理土壤水分在番茄整個(gè)生育期內(nèi)大致呈降低的趨勢(shì)（圖3-a），較低的含水量造成微生物活性下降，新陳代謝減弱，且根系發(fā)育較差，從而對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生抑制作用；而土壤CO2排放通量在番茄整個(gè)生育期總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且生育末期還有上升，因此觀測(cè)到土壤水分和CO2排放間負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，還有研究表明設(shè)施菜地土壤CO2排放通量與土壤溫度（r2=0.78）和溶解有機(jī)碳（r2=0.50）密切相關(guān)，而與土壤水分關(guān)系不明顯（r2=0.007）[23]。土壤溫度和水分的交互作用對(duì)土壤CO2排放影響顯著[31]，而單獨(dú)土壤水分或土壤溫度對(duì)土壤CO2季節(jié)排放影響較小[32-34]。

土壤有機(jī)碳是土壤微生物活動(dòng)能量的主要來源，是土壤肥力的基礎(chǔ)，其含量決定土壤呼吸強(qiáng)弱。之前研究認(rèn)為土壤CO2排放通量與有機(jī)碳含量存在正相關(guān)，且關(guān)系顯著[31,35-36]，這與本文的結(jié)論有所不同，產(chǎn)生差異性的可能原因是各自施肥和試驗(yàn)環(huán)境不同。IQBAL等[31]針對(duì)中亞熱帶地區(qū)不同土地利用類型和HARRISON等[36]通過室內(nèi)培養(yǎng)均發(fā)現(xiàn)土壤CO2排放通量與有機(jī)碳含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，而本試驗(yàn)通過溫室小區(qū)試驗(yàn)，施用了基肥（有機(jī)肥和復(fù)混肥），試驗(yàn)中有機(jī)碳含量高且變化小，未觀測(cè)到顯著正相關(guān)關(guān)系。因此，影響土壤CO2排放的機(jī)制較為復(fù)雜，還有待研究。

4 結(jié)論

利用文丘里計(jì)作為加氣設(shè)備，通過地下滴灌系統(tǒng)把空氣加入根區(qū)的溫室番茄地加氣灌溉試驗(yàn)表明，番茄整個(gè)生育期，不同處理下土壤CO2排放呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，且排放峰值均出現(xiàn)在開花坐果期。加氣和充分灌溉處理相比不加氣和虧缺灌溉處理，均增加了溫室番茄地土壤CO2排放量，但差異不顯著。此外，加氣灌溉降低了土壤溫度和土壤含水量，增加了土壤有機(jī)碳含量，但差異均不顯著；且土壤CO2排放通量與土壤含水量存在負(fù)相關(guān)，與土壤溫度和有機(jī)碳含量呈正相關(guān)，但相關(guān)性均不顯著。研究結(jié)果對(duì)評(píng)估加氣灌溉技術(shù)的農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)具有重要意義。

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（責(zé)任編輯 趙伶俐）

Effects of Aerated Irrigation on CO2Emissions from Soils of Tomato Fields

CHEN Hui1,2, HOU Hui-jing1,2, CAI Huan-jie1,2, ZHU Yan1,2, WANG Chao2
(1Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas of Ministry of Education, Northwest A＆F University, Yangling 712100, Shaanxi;2College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A＆F University, Yangling 712100, Shaanxi)

【Objective】Carbon dioxide (CO2) is a significant greenhouse gas that also contributes to the global warming. Lots of studies have reported that aerated irrigation would increase crop production, quality and water use efficiency by changing theaeration of root zone, while few studies have focused on the environmental effects of aerated irrigation, especially the greenhouse gas emissions from soils of greenhouse vegetable fields. Hence, it is of significance to analyze the effects of aerated irrigation on CO2emissions from soils of greenhouse tomato fields for assessing farmland ecological effects of aerated irrigation. 【Method】Venturi meter (Mazzei 287, America) was used as the aeration equipment to irrigate the experimental plots. The method of static chamber/gas chromatography was used to study the effects of aerated irrigation on CO2emissions. Two factors (irrigation and aeration) were designed in the experiment to reveal the effects of aerated irrigation on soil CO2emissions. Four treatments were designed in the experiment: aerated deficit irrigation (AI1), unaerated deficit irrigation (CK1), aerated full irrigation (AI2) and unaerated full irrigation (CK2). 【Result】Throughout the whole growth period of tomato, soil CO2emissions followed the same pattern in different treatments, and peaks occurred at the blooming and fruit setting stages. Treatments with aeration and full irrigation increased average value of CO2fluxes and cumulative emissions of soil CO2throughout the whole growing period compared to relative non-aeration and deficit irrigation, but the difference was not significant (P＞0.05). The average value of CO2fluxes was 229.31, 193.66, 259.10 and 224.76 mg·m-2·h-1, respectively. The maximum cumulative emission of CO2was 6 383.43 kg·ha-1in AI2 treatment, which was 1.12, 1.32 and 1.13 times as that in AI1, CK1 and CK2 treatments, respectively. Soil water filled pore space (WFPS) during the whole growing season showed a decreasing trend in different treatments, soil temperature (T) showed a increasing trend and the difference between treatments was relatively small at the same time, while soil organic carbon (SOC) showed a fluctuant pattern. In addition, aerated irrigation decreased T and WFPS, but increased SOC compared to unaerated irrigation, and the treatment effects was not significant. Full irrigation increased WFPS and SOC indistinctively compared to deficit irrigation, while the effects of full irrigation and deficit irrigation on T was different. A negative correlation between soil CO2emissions and WFPS was observed, while a positive correlation between soil CO2emissions and T and SOC was observed, but the difference was not significant (P＞0.05).【Conclusion】Compared to non-aeration, aeration increased soil CO2emissions, but the difference was not significant (P＞0.05). This study provided some scientific basis and a useful reference for assessing farmland ecological effects and mitigating greenhouse gas emissions from greenhouse soils of aerated irrigation.

aerated irrigation; CO2; emission; soil; tomato; soil organic carbon

2016-03-25；接受日期：2016-07-06

國家自然科學(xué)基金（51309192）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金（Z109021510）

聯(lián)系方式：陳慧，Tel：18700943054；E-mail：chenhui2014@nwsuaf.edu.cn。通信作者蔡煥杰，Tel：13991119601；E-mail：caihj@nwsuaf.edu.cn