陶寶先

聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 山東 聊城 252059

北方典型設(shè)施菜地土壤CO2排放特征

陶寶先

聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 山東 聊城 252059

為研究我國(guó)北方典型設(shè)施菜地的土壤CO2排放特征及其影響因素，通過(guò)原位監(jiān)測(cè)手段，研究山東省壽光市農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌N植年限(6、12 a)設(shè)施菜地及設(shè)施菜地荒廢12 a后土壤CO2排放規(guī)律及影響因素. 結(jié)果表明：①種植6 a設(shè)施菜地較農(nóng)田具有較高的土壤CO2排放量，可能是由于設(shè)施菜地種植過(guò)程中大量施加有機(jī)肥造成的，并且設(shè)施菜地土壤溫度及含水率較高，增加了土壤蔗糖酶活性，加劇土壤CO2排放. ②當(dāng)種植年限超過(guò)10 a，設(shè)施菜地施肥量減少，降低了土壤微生物可利用底物的供應(yīng). 因此，種植12 a設(shè)施菜地土壤CO2排放量降至農(nóng)田水平. ③種植6 a設(shè)施菜地土壤的w(DOC)(DOC表示水溶性有機(jī)碳)比農(nóng)田較高. ④土壤CO2排放年內(nèi)分配不均勻，表現(xiàn)為農(nóng)田及荒廢設(shè)施菜地土壤CO2排放主要集中在5—8月，其排放量占全年的75.09%、87.02%，峰值出現(xiàn)在7月. 種植6 a設(shè)施菜地土壤CO2排放主要集中在5—8月和11月—翌年2月，兩階段排放量分別占全年的48.48%、42.34%，峰值分別出現(xiàn)在7月、12月. 研究顯示，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地短期(種植6 a)內(nèi)可顯著促進(jìn)土壤CO2排放及DOC的輸出，但隨著種植年限延長(zhǎng)至12 a，土壤CO2排放降至農(nóng)田水平.

設(shè)施菜地； CO2排放； 土壤水熱狀況； 壽光市

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳匯，通過(guò)土壤呼吸向大氣釋放CO2. 土壤CO2排放速率輕微改變將對(duì)大氣CO2濃度及全球變化產(chǎn)生較大影響[1]. 農(nóng)業(yè)過(guò)程對(duì)溫室氣體排放有較大貢獻(xiàn)，其產(chǎn)生的溫室氣體占人為排放溫室氣體的10%～12%[2]. 農(nóng)業(yè)耕作措施能調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)，影響溫室氣體排放[3]. 設(shè)施栽培是我國(guó)蔬菜生產(chǎn)的重要方式之一. 與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植措施相比(如冬小麥—玉米輪作)，設(shè)施菜地高強(qiáng)度的土地利用、較高的復(fù)種指數(shù)及特殊的栽培、施肥、灌溉措施及環(huán)境條件，使設(shè)施菜地土壤具有高溫、高濕、持續(xù)且大量施肥等特點(diǎn)[4]. 農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地可能對(duì)土壤碳循環(huán)過(guò)程生較大影響. 目前研究多關(guān)注農(nóng)業(yè)耕作措施對(duì)大田土壤呼吸及其組分的影響[5-6]，設(shè)施菜地土壤CO2排放特征及影響因素的研究仍不充分.

土壤溫度對(duì)全球土壤碳循環(huán)過(guò)程有著重要影響. 通常，增溫促進(jìn)SOM(土壤有機(jī)碳)分解及CO2排放[7-9]. 土壤水分也是影響土壤CO2排放的重要因素[10-11]. 近期研究發(fā)現(xiàn)，灌溉促進(jìn)土壤CO2排放[10]，并且較高的土壤含水量進(jìn)一步增強(qiáng)有機(jī)底物(organic substrates)添加對(duì)土壤CO2排放的促進(jìn)作用[12]. 此外，土壤容重變化影響土壤孔隙度及土壤中氧氣的擴(kuò)散[11]，可能改變SOM的礦化及CO2排放. 研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重與土壤CO2排放顯著相關(guān)[13]. 土壤酶也是調(diào)節(jié)土壤碳循環(huán)的重要因素[14]. 土壤理化性質(zhì)改變顯著影響土壤酶活性. 土壤溫度與土壤酶活性顯著相關(guān)[15]，并且SOM質(zhì)量也能影響與土壤碳循環(huán)相關(guān)的酶活性[16]. 農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響[4]，可能調(diào)節(jié)與土壤碳循環(huán)相關(guān)的酶活性，改變土壤CO2排放過(guò)程.

壽光市是全國(guó)重要的蔬菜生產(chǎn)基地，有“中國(guó)蔬菜之鄉(xiāng)”之稱，大量農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地[17]. 設(shè)施菜地種植過(guò)程中施加了大量有機(jī)肥及化肥，并且灌溉頻繁[18]，可能對(duì)土壤理化性質(zhì)〔如土壤溫度、水分、w(SOM)及SOM質(zhì)量等〕及酶活性產(chǎn)生較大影響，改變土壤碳循環(huán)過(guò)程. 然而，鮮有研究報(bào)道壽光市設(shè)施菜地土壤CO2排放特征及影響因素. 該研究以壽光市農(nóng)田(小麥-玉米輪作)為對(duì)照，利用原位監(jiān)測(cè)手段研究農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后土壤CO2排放規(guī)律及影響因素，以期明確農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后土壤碳排放過(guò)程，為設(shè)施菜地土壤CO2減排提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

壽光市位于山東半島北部(36°41′N～37°19′N，118°32′E～119°10′E)，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣侯，年均溫度為12.4 ℃，年均降水量為608.2 mm. 農(nóng)田為冬小麥-玉米輪作模式.20世紀(jì)80年代起，大量農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地，轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地前的農(nóng)田土壤基本理化性質(zhì)具有相似性[19]. 設(shè)施菜地施加有機(jī)肥主要為雞糞，年均施加量為207.2 thm2(以鮮質(zhì)量計(jì))，最大施加量為493.8 thm2(以鮮質(zhì)量計(jì)). 化肥以復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)為主，年均施加量為10.6 thm2，最大施加量為38.9 thm2，農(nóng)田主要施加復(fù)合肥，年均施加量 1 125 kghm2. 小麥播種后、苗期及灌漿期澆水，設(shè)施菜地7～10 d澆水一次，采取溝灌模式[20]. 種植10 a以上設(shè)施菜地平均施肥量較10 a以下設(shè)施菜地下降30%左右[4].

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集與分析

2015年6月，在研究區(qū)選取農(nóng)田、種植6、12 a設(shè)施菜地及荒廢12 a設(shè)施菜地為研究對(duì)象. 農(nóng)田選擇相鄰3塊固定樣地(每塊樣地50 m×50 m)，每類設(shè)施菜地選擇相鄰的3個(gè)大棚作為固定樣地. 采用靜態(tài)箱法采集氣體樣品. 每塊樣地或每個(gè)大棚設(shè)置一個(gè)位置固定的不銹鋼基座(長(zhǎng)×寬×高為50 cm×50 cm×20 cm)，基座埋入土下16 cm，地表留4 cm高的水槽，基座設(shè)置于樣地或大棚中心. 靜態(tài)箱(長(zhǎng)×寬×高為50 cm×50 cm×50 cm)外包裹白色泡沫用于保溫，箱內(nèi)設(shè)置風(fēng)扇，保證取樣時(shí)箱內(nèi)氣體的均勻性. 在作物株高超高45 cm時(shí)增加外包裹白色泡沫的中段箱(長(zhǎng)×寬×高為50 cm×50 cm×100 cm)，保證作物的正常生長(zhǎng)和取樣順利進(jìn)行.2015年9月—2016年8月，每月選擇天氣晴朗的3 d采集氣體樣品，每天的取樣時(shí)間為09:00—11:00. 采樣時(shí)將靜態(tài)箱下部插入基座水槽，并在槽內(nèi)灌水密封箱體. 第0、10、20、30 min用注射器從靜態(tài)箱抽取一定體積的氣體存貯于氣袋中，采樣結(jié)束后將箱體移開(kāi). 樣品于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用氣相色譜(Agilent 7890A,USA)測(cè)試CO2濃度. 土壤CO2排放速率采用SONG等[21]的方法計(jì)算. 土壤CO2年排放量采用如下公式計(jì)算：

式中：A為土壤CO2年排放量，kgm2；SRi為土壤CO2月排放通量，mg(m2·h)；D為每月天數(shù).

采集氣體樣品時(shí)，同步觀測(cè)靜態(tài)箱內(nèi)氣溫及5 cm 深度土壤溫度. 每月最后一次采集氣體樣品結(jié)束后，采集0～10 cm深度新鮮土樣，保存于密封大鋁盒內(nèi)，于4 h內(nèi)送往實(shí)驗(yàn)室. 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)手工檢出土樣中肉眼可見(jiàn)根系、石塊及動(dòng)物、過(guò)2 mm篩，測(cè)試土壤含水率、w(DOC)(DOC表示水溶性有機(jī)碳)及蔗糖酶活性. 土壤蔗糖酶活性采用比色法[22]，土壤含水率采用烘干法[23]，DOC采用水土比為5∶1，混合振蕩30 min，過(guò)0.25 μm濾膜[24]，耶拿NC分析儀測(cè)試(Analytik Jena AG,Germany).2015年9月采集的部分土樣風(fēng)干、分成兩份: 一份過(guò)2 mm篩，測(cè)試土壤pH、土壤機(jī)械組成、土壤大團(tuán)聚體[0.25～2 mm)、微團(tuán)聚體(0.053～0.25 mm)及土壤最大持水量；另一份過(guò)0.15 mm篩，測(cè)試w(SOM)和w(全氮).w(SOM)采用重鉻酸鉀容量法，全氮采用開(kāi)氏法，土壤pH采用電位法，容重采用環(huán)刀法，土壤團(tuán)聚體采用濕篩法，土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法測(cè)試[23]，土壤最大持水量采用Rey等[25](2005)的方法，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 土壤基本理化性質(zhì)

注： 不同小寫(xiě)字母代表不同樣地間有顯著差異(P<0.05)； 數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.

1.2.2統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007計(jì)算CO2排放通量及年排放總量；采用Origin 9.0軟件作圖，圖中誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)差；采用SPSS 15.0進(jìn)行不同樣地間的差異顯著性檢驗(yàn)(配對(duì)-t檢驗(yàn))及CO2排放通量與各因素間的Pearson相關(guān)關(guān)系分析，統(tǒng)計(jì)顯著水平(P<0.05).

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土地利用方式對(duì)土壤CO2排放的影響

圖1 不同樣地土壤CO2排放通量Fig.1 The soil CO2 flux rates in four research sites

農(nóng)業(yè)耕作措施能改變土壤的理化性質(zhì)[3]，影響土壤碳循環(huán)過(guò)程. 由圖1可知，種植6 a設(shè)施菜地的土壤CO2排放通量顯著高于農(nóng)田(P<0.05)，農(nóng)田、種植6、12 a設(shè)施菜地及荒廢12 a設(shè)施菜地的土壤CO2年排放量分別為(3.52±0.80)(12.09±1.36)(4.97±0.04)(2.95±0.06) kgm2. 由方差分析可知，種植6 a設(shè)施菜地的年排放量明顯高于其他樣地(P<0.05)，農(nóng)田及種植12 a設(shè)施菜地的年排放量無(wú)顯著差異，荒廢12 a設(shè)施菜地的年排放量明顯小于種植12 a設(shè)施菜地(P<0.05)，但與農(nóng)田無(wú)顯著差異. 由Pearson相關(guān)分析可知，w(SOM)與土壤CO2年排放量呈顯著正相關(guān)(R=0.964,P<0.001). 設(shè)施菜地種植過(guò)程中較農(nóng)田施加更多有機(jī)肥[4,20]，其中絕大部分是易分解有機(jī)碳組分[2]，增加了w(SOM)(見(jiàn)表1)，為土壤微生物提供了更多可利用底物，促進(jìn)SOM的分解及CO2排放. 種植12 a設(shè)施菜地雖然部分月份CO2排放通量高于農(nóng)田，但其年排放總量與農(nóng)田無(wú)差異. 設(shè)施菜地連續(xù)種植10 a以上，由于連作障礙影響蔬菜產(chǎn)量[18]，施肥量較種植10 a以下設(shè)施菜地有所降低[4]，可能減少土壤微生物可利用底物的供應(yīng)，降低土壤CO2排放.

2.2 土壤物理屬性對(duì)CO2排放的影響

由于設(shè)施菜地上覆塑料薄膜及草氈等保溫材料，土壤溫度顯著高于農(nóng)田，尤其是11月—翌年3月(見(jiàn)圖2). 土壤溫度與CO2排放通量呈顯著正相關(guān)(見(jiàn)表2). 表明設(shè)施菜地較高的土壤溫度促進(jìn)了土壤CO2排放. 4類樣地土壤CO2排放年內(nèi)分配較不均勻，并且樣地間差異明顯 (見(jiàn)圖1). 農(nóng)田及荒廢12 a設(shè)施菜地呈單峰型變化趨勢(shì)，其5—8月土壤CO2排放量分別占全年的75.09%、87.02%，并且峰值均出現(xiàn)在7月，該月排放量分別占全年的28.99%、35.24%. 然而，種植6 a設(shè)施菜地呈雙峰型變化趨勢(shì)：11月—翌年2月和5—8月，兩階段CO2排放量分別占年排放總量的48.48%、42.34%；其中12月排放量最大，占全年的19.83%. 造成上述年內(nèi)分配趨勢(shì)的原因如下：①農(nóng)田及荒廢12 a設(shè)施菜地的土壤溫度在5—8月保持較高水平(見(jiàn)圖2)，年內(nèi)相對(duì)較高的土壤溫度促進(jìn)了土壤CO2排放，尤其是7月達(dá)到全年最高土壤溫度，該月土壤CO2排放量也明顯大于其他月份. 其后土壤溫度逐漸降低，CO2排放量也隨之下降，至1月份土壤溫度最低時(shí)，土壤CO2排放量也降至全年最低水平.7月份種植12 a設(shè)施菜地的土壤溫度與農(nóng)田無(wú)明顯差異，但其CO2排放通量仍大于農(nóng)田，這可能歸因于設(shè)施菜地較大的有機(jī)肥施加. ②11月—翌年2月，種植6 a設(shè)施菜地的土壤CO2排放量接近全年的50%，并且僅12月份土壤CO2排放量就接近全年的20%. 原因是設(shè)施菜地具有保溫措施，使其冬季土壤溫度較高，有利于提高土壤微生物活性，加速有機(jī)質(zhì)分解. 這也驗(yàn)證了土壤溫度對(duì)CO2排放的促進(jìn)作用. 此外，11月—翌年2月是設(shè)施菜地反季節(jié)蔬菜生長(zhǎng)旺季，對(duì)養(yǎng)分的需求量可能較大，有利于增強(qiáng)根呼吸.

灌溉[12]及其產(chǎn)生的較高土壤含水率[26]可能加速土壤CO2排放. 同時(shí)，土壤水分與有機(jī)底物的添加也會(huì)對(duì)土壤CO2排放產(chǎn)生交互作用[12]. 根據(jù)方差分析可知，設(shè)施菜地土壤含水率明顯高于農(nóng)田及荒廢12 a設(shè)施菜地(見(jiàn)圖3)，可能是設(shè)施菜地頻繁灌溉所致. 并且土壤含水率與土壤CO2排放通量呈顯著正相關(guān)(見(jiàn)表2). 據(jù)此推斷，較高的土壤含水率增加了種植6 a的設(shè)施菜地土壤CO2排放. 近期研究發(fā)現(xiàn)，不同灌溉方式(如溝灌、滴灌、滲灌等)對(duì)土壤溫室氣體排放產(chǎn)生顯著影響，以溝灌的排放量最大[27]. 該研究區(qū)農(nóng)田采用漫灌方式，而設(shè)施菜地采用溝灌方式，不同灌溉方式可能對(duì)土壤碳排放過(guò)程產(chǎn)生影響. 通常，灌溉將增加土壤碳排放強(qiáng)度[28]. 設(shè)施菜地灌溉頻次高于農(nóng)田，灌溉前后由于土壤水分改變，可能對(duì)土壤碳排放過(guò)程產(chǎn)生較大影響. 因此，后續(xù)研究中應(yīng)該側(cè)重對(duì)比不同灌溉方式及灌溉前后土壤碳排放水平的變化，以期更深入了解農(nóng)業(yè)土壤碳排放過(guò)程.

圖2 不同樣地5 cm深度土壤溫度Fig.2 Soil temperature at the depth of 0-5 cm

圖3 不同樣地土壤含水率Fig.3 The concentration of soil moisture in four research sites

表2 土壤性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果

注： ** 顯著性水平P< 0.01; *顯著性水平P< 0.05.

土壤氧氣含量能調(diào)節(jié)SOM分解，并且該因素受制于土壤容重[29-30]. 施用有機(jī)肥能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成[31]，可能改變土壤容重及孔隙度，影響土壤中氧氣擴(kuò)散[11]及土壤持水能力. 該研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施菜地土壤容重小于農(nóng)田，大團(tuán)聚體含量及土壤最大持水量均顯著高于農(nóng)田(見(jiàn)表1). 由于設(shè)施菜地在種植過(guò)程中大量施加有機(jī)肥[4,20]，可能促進(jìn)團(tuán)聚體形成、增加土壤孔隙度，加速土壤中氧氣擴(kuò)散及提高土壤持水能力，有助于SOM分解.

2.3 土壤酶活性對(duì)CO2排放的影響

土壤酶活性是調(diào)節(jié)土壤碳循環(huán)的重要因素[14]. 土壤屬性(如溫度、SOM質(zhì)量)變化可以調(diào)節(jié)土壤酶活性[15-16]. 由圖4可知，大部分月份種植6、12 a設(shè)施菜地的蔗糖酶活性顯著高于荒廢12 a設(shè)施菜地，并且種植6 a設(shè)施菜地的蔗糖酶活性明顯高于種植 12 a 設(shè)施菜地(P<0.05)，荒廢12 a設(shè)施菜地的蔗糖酶活性與農(nóng)田無(wú)顯著差異，但明顯小于種植6、12 a設(shè)施菜地. 表明農(nóng)田變?yōu)樵O(shè)施菜地后提高了土壤蔗糖酶活性. 此外，蔗糖酶活性與土壤CO2排放通量、土壤溫度、含水率呈顯著正相關(guān)(見(jiàn)表2). 據(jù)此推測(cè)，設(shè)施菜地土壤高溫、高濕的環(huán)境條件增加土壤蔗糖酶活性，進(jìn)而促進(jìn)SOM分解及CO2排放.

注： 不同小寫(xiě)字母代表不同樣地間有顯著差異(P<0.05).圖4 不同樣地土壤蔗糖酶活性Fig.4 The invertase enzyme activities in four research sites

2.4 不同土地利用方式對(duì)DOC的影響

注：不同小寫(xiě)字母代表不同樣地間有顯著差異(P<0.05).圖5 不同樣地土壤中w(DOC)Fig.5 The concentrations of dissolved organic carbon in four research sites

3 結(jié)論

a) 農(nóng)田變?yōu)樵O(shè)施菜地，短期內(nèi)(種植6 a)促進(jìn)土壤CO2排放. 主要原因是設(shè)施菜地種植過(guò)程中，頻繁灌溉及較高的土壤溫度提高了土壤蔗糖酶活性，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳分解. 隨著種植年限延長(zhǎng)至12 a，土壤CO2排放降至農(nóng)田水平.

b) CO2排放年內(nèi)分配極不均勻. 農(nóng)田及荒廢設(shè)施菜地CO2排放呈單峰變化趨勢(shì)，排放主要集中在5—8月. 設(shè)施菜地CO2排放呈雙峰變化趨勢(shì)，排放主要集中在5—8月及11月—翌年2月.

c) 農(nóng)田變?yōu)榉N植6 a設(shè)施菜地促進(jìn)土壤水溶性有機(jī)碳的輸出.

d) 設(shè)施菜地種植初期(種植6 a)應(yīng)適當(dāng)減少施肥量，在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，降低土壤碳排放水平.

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CO2EmissionsfromTypicalGreenhouseSoilsinNorthernChina

TAO Baoxian

College of Environment and Planning, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China

In order to study the effects of land use change on CO2emissions and its influencing factors, the CO2flux rates and environmental factors were studied in farmland greenhouse soil cultivated for 6 and 12 a, as well as greenhouse soil that was abandoned for 12 a. The results showed that: (1) The highest CO2emission rates existed in the soils of greenhouse soil cultivated for 6 a. More fertilizers, higher soil temperature and higher soil moisture could enhance the soil invertase enzyme activities in the treatment, then increase the CO2released from soils. (2) After more than ten years′ cultivation, the application of organic manure could be reduced in the greenhouse. This could reduce the supply of available substrates for microbial decomposition. Then, the annual CO2emissions in greenhouse soil cultivated for 12 a decreased to the level of farmland. (3) The concentrations of dissolved organic carbon (DOC) in greenhouse soil cultivated for 6 a were higher than those in farmland. (4) The CO2emission patterns were different between the treatments. The percentages of annual CO2emissions occurring from May to August were 75.08% in farmland and 87.02% in greenhouse soil that was abandoned for 12 a, and peak values of CO2emissions occurred in July in these treatments. CO2in greenhouse soil cultivated for 6 a was mainly released from May to August (48.48%) and from November to the next February (42.34%), and peak values of CO2emission occurred in July and December, respectively. In conclusion, land use change from farmland to greenhouse soil cultivated for 6 a enhances CO2emissions and soil DOC production. However, CO2emissions decrease with years of cultivation. After 12 years of cultivation, CO2emission decrease to the level of farmland.

greenhouse cultivation; CO2emissions; soil temperature and moisture; Shouguang City

2017-03-15

2017-09-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501099)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014DQ015)；聊城大學(xué)基金項(xiàng)目(318051430)

陶寶先(1981-)，男，山東淄博人，講師，博士，主要從事土壤碳氮循環(huán)研究，taobaoxian@sina.com.

陶寶先.北方典型設(shè)施菜地土壤CO2排放特征[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(12):1927-1933.

TAO Baoxian.CO2emissions from typical greenhouse soils in northern China[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(12):1927-1933.

X144

1001-6929(2017)12-1927-07

A

10.13198j.issn.1001-6929.2017.03.56