王京偉，何秋琴，宋曉偉，牛文全

1. 山西財(cái)經(jīng)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030006

2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100

3. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100

設(shè)施種植可為人們的果蔬消費(fèi)提供保障[1]. 2018年，中國(guó)設(shè)施種植面積達(dá)400×104hm2，位居世界第一，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分[2]. 設(shè)施種植的高復(fù)種指數(shù)疊加穩(wěn)定的水熱環(huán)境也會(huì)造成溫室氣體排放，但目前研究更關(guān)注CO2和N2O排放機(jī)制及其減排措施[3]，尚缺乏對(duì)CH4通量變化及其響應(yīng)機(jī)制的關(guān)注.CH4含量?jī)H占溫室氣體總量的7%，但其百年尺度單位分子增溫潛勢(shì)為CO2的28～34倍，對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率為15%～40%[4-5]. 研究認(rèn)為農(nóng)業(yè)種植的CH4排放集中在水田土壤，而旱地土壤為CH4匯[6].鑒于干旱半干旱區(qū)設(shè)施種植面積的持續(xù)增長(zhǎng)，研究設(shè)施種植條件下CH4通量的響應(yīng)及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)優(yōu)化農(nóng)藝措施、提升農(nóng)業(yè)固碳減排潛力具有重要意義.

土壤水分是應(yīng)對(duì)設(shè)施種植過(guò)程中溫室氣體排放的關(guān)鍵調(diào)控因子，也是設(shè)施種植生產(chǎn)力的重要影響因素. 滴灌技術(shù)能顯著提高水分利用效率，被廣泛應(yīng)用于設(shè)施種植；在生產(chǎn)實(shí)踐中，滴灌管可根據(jù)耕作需要置于地表(地表滴灌)或埋于土壤中(地下滴灌)，而不同埋深則會(huì)造成土壤水分狀況差異，導(dǎo)致溫室氣體排放不同[7]. Kim等[8]發(fā)現(xiàn)，地表滴灌會(huì)造成少量CH4排放，且CH4排放量隨土壤含水量的增加而增加；Wang等[9-10]發(fā)現(xiàn)地表滴灌土壤是CH4匯且不受土壤含水量的影響；Maris等[11]認(rèn)為地下滴灌能促進(jìn)CH4吸收，在作物不同生長(zhǎng)階段則表現(xiàn)為CH4排放或吸收. 學(xué)界關(guān)于CH4通量對(duì)滴灌的響應(yīng)尚未達(dá)成共識(shí)，且滴灌管埋深變化下土壤水分分布對(duì)CH4通量的影響也不明確. 因此，土壤CH4通量對(duì)滴灌管埋深變化的響應(yīng)需開(kāi)展深入探討. CH4排放/吸收主要受作物根系土壤養(yǎng)分(如銨鹽、硝酸鹽)、通氣性、CH4代謝菌活性等因素影響[12-13]；滴灌條件下根-土互作可對(duì)這些因素直接或間接調(diào)控[14-15]，因此，關(guān)注“根系+土壤”對(duì)CH4通量的影響，識(shí)別根-土互作影響滴灌土壤CH4通量變化的關(guān)鍵因素是深入探析CH4通量響應(yīng)規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理的關(guān)鍵. 研究發(fā)現(xiàn)，CH4參與植物生長(zhǎng)發(fā)育(如種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、側(cè)根生成)，部分地面植株參與土壤和大氣間CH4交換[16]；地面植株生長(zhǎng)也可能影響根-土互作及土壤CH4通量變化. 因此，有必要研究CH4通量對(duì)“植株+土壤”的響應(yīng)，但類(lèi)似的設(shè)施種植相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道.

鑒于此，該研究以設(shè)施種植中普遍栽培的番茄為對(duì)象，調(diào)查了不同滴灌管埋深條件下番茄土壤水分分布變化，分析了土壤CH4通量對(duì)“植株+土壤”和“根系+土壤”的響應(yīng)，并定量分析影響CH4通量累積變化的關(guān)鍵因素及作用路徑，旨在探明滴灌土壤水分變化影響CH4通量的作用機(jī)理，為優(yōu)化設(shè)施農(nóng)藝措施、挖掘固碳減排潛力、提高水土利用效率等提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年10月至2021年5月在楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)大寨村的日光溫室進(jìn)行. 該地年平均氣溫16.3 ℃，日照時(shí)數(shù)2 163 h，無(wú)霜期210 d. 試驗(yàn)地為種植10年的日光溫室菜地，灌溉方式長(zhǎng)期采用覆膜滴灌. 試驗(yàn)前(2020年9月)對(duì)試驗(yàn)地土壤性質(zhì)測(cè)定評(píng)估. 試驗(yàn)土壤為陜西楊凌塿土，土壤質(zhì)地：砂粒(2～0.02 mm)含量為25.4%，粉粒(0.02～0.002 mm)含量為44.1%，黏粒(＜0.002 mm)含量為30.5%. 土壤其他特性：容重為1.35 g/cm3，田間持水量為31.27%(質(zhì)量含水率)，有機(jī)碳含量為15.16 g/kg，全氮含量為0.88 g/kg，全磷含量為0.31 g/kg.

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：1個(gè)地表滴灌處理，滴灌管埋深0 cm(記為DI)；3個(gè)地下滴灌處理，滴灌管埋深分別為10、20、30 cm(依次記為SDI10、SDI20、SDI30).每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共12個(gè)栽培小區(qū). 每栽培小區(qū)長(zhǎng)7.0 m、寬1.8 m，栽培時(shí)起雙壟，小區(qū)橫截面為倒梯形(壟面寬0.6 m，溝寬0.3 m，高0.2 m)(見(jiàn)圖1). 試驗(yàn)作物為當(dāng)?shù)仄毡樵耘嗟姆?，品種為“海地”，雙行定植. 當(dāng)番茄莖稈結(jié)出5～6穗果時(shí)，對(duì)植株打頂，果實(shí)成熟期平均株高1.5 m. 滴灌管與番茄種植行重合；為防止水分側(cè)滲，用塑料膜隔離各小區(qū). 基于前期研究結(jié)果[17]和當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)生產(chǎn)實(shí)踐，各處理灌水上、下限分別設(shè)為田間持水量的80%和70%(非充分灌溉)，每7～10 d灌水1次，共灌溉12次；試驗(yàn)期間各處理的灌水量均為250 mm. 番茄移植前施入生物有機(jī)肥240 kg/hm2(有機(jī)質(zhì)含量約45%)作為底肥，生育期內(nèi)不再追肥. 土壤含水率監(jiān)測(cè)和水分補(bǔ)充根據(jù)Wang等[17]的方法進(jìn)行.

圖1 試驗(yàn)布設(shè)示意Fig.1 Schematic diagram of tomato cultivation pattern

1.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.1 土壤水分、養(yǎng)分、充氣孔隙度

土壤水分測(cè)定：每栽培小區(qū)布設(shè)3根100 cm長(zhǎng)的探管，采用Field TDR 200(美國(guó)Spectrum公司)按10 cm等間距測(cè)定0～40 cm深度范圍內(nèi)土壤含水率，用取土烘干法校正. 灌水前后及兩次灌水間均測(cè)定土壤含水率，直到番茄果實(shí)收獲時(shí)結(jié)束. 番茄生育期內(nèi)土壤含水率均勻度采用克里斯琴森均勻系數(shù)表示，計(jì)算公式：

式中：Cu為土壤含水率均勻度系數(shù)，%；為土壤含水率平均值，%；為實(shí)際土壤含水率與平均值之差的絕對(duì)值的平均值，即平均差，%；θe為第e個(gè)取樣點(diǎn)的實(shí)際土壤含水率，%；N為取樣個(gè)數(shù).

分別于開(kāi)花坐果期、果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期(番茄定植時(shí)間分別為20～50 d、51～100 d和101～135 d)中期于每小區(qū)選取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，采用挖掘法將番茄根系整體取出，采集根系附著土壤；采用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AutoAnalyzer 3，Bran and Luebbe公司，德國(guó))測(cè)定土壤銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3—-N)含量，采用TOC自動(dòng)分析儀(Phoenix 8000，Teledyne Tekmar公司，美國(guó))測(cè)定溶解性有機(jī)碳(DOC)含量[18]，取生育期內(nèi)平均值. 番茄收獲后，每栽培小區(qū)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，在土壤剖面0～20 cm范圍內(nèi)采用100 cm3環(huán)刀每隔5 cm取土樣，室內(nèi)烘干測(cè)定土壤容重，并根據(jù)土壤容重計(jì)算生育期內(nèi)土壤孔隙度平均值；基于土壤孔隙度平均值與栽培小區(qū)土壤含水率平均值計(jì)算0～20 cm范圍內(nèi)土壤充氣孔隙度平均值[19-20].

1.2.2 土壤CH4通量

采集土壤氣體的靜態(tài)箱根據(jù)試驗(yàn)需要定制，由箱體和底座兩部分構(gòu)成，材料為1 mm厚的不銹鋼板，箱體表面包裹泡沫和反光膜來(lái)保溫，箱體內(nèi)安裝小風(fēng)扇用來(lái)混勻氣體. 底座規(guī)格(長(zhǎng)×寬×深)為40 cm×40 cm×5 cm，底座上制成3 cm寬的凹槽，底座4個(gè)角下焊接長(zhǎng)度10 cm的入土楔子. 番茄定植后，將靜態(tài)箱底座的4個(gè)楔子嵌入土壤中，固定不動(dòng)，試驗(yàn)期間避免擾動(dòng). 每栽培小區(qū)分別安裝2個(gè)靜態(tài)箱底座：一個(gè)底座安裝于2株番茄植株間，底座垂直向下分別覆蓋2株植株根區(qū)的一半范圍(見(jiàn)圖1)，用于測(cè)定CH4通量對(duì)“根系+土壤”的響應(yīng)，采用箱體規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為40 cm×40 cm×50 cm，采集氣體時(shí)，將底座凹槽內(nèi)注水，嵌入箱體，形成密閉采集箱；另一個(gè)底座的中心與1株植株基部重合，底座垂直向下覆蓋該植株根區(qū)(見(jiàn)圖1)；監(jiān)測(cè)時(shí)，靜態(tài)箱嵌入底座，箱體囊括整個(gè)植株，用于測(cè)定CH4通量對(duì)“植株+土壤”整體的響應(yīng)；試驗(yàn)前期采用箱體規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為40 cm×40 cm×50 cm，試驗(yàn)中后期根據(jù)番茄植株高度，在前期的箱體下嵌套高度為70～100 cm的套箱，確保密封箱罩住植株.

番茄定植20 d后開(kāi)始采集土壤氣體，基于前期研究經(jīng)驗(yàn)和類(lèi)似研究項(xiàng)目[21]，該研究每次采樣時(shí)間為09:30—10:30，每2～5 d采集1次(灌水前后加測(cè))，直到番茄收獲. 采集氣體前，將底座凹槽內(nèi)注水，嵌入箱體，形成密閉采集箱. 箱體密封后，打開(kāi)電源運(yùn)行箱體內(nèi)風(fēng)扇約1 min，混勻箱內(nèi)氣體，此時(shí)記為0時(shí)刻，依次在0、15、25、35和45 min等5個(gè)時(shí)刻，采用50 mL醫(yī)用注射器連續(xù)采集土壤氣樣. CH4通量采用Agilent 7890 B氣相色譜儀(Agilent Technologies公司，美國(guó))分析. CH4累積通量的計(jì)算公式：

式中：M為CH4累積通量變化量，mg/m2；F為CH4排放通量，μg/(m2·h)；n為氣體采集次數(shù)；i為氣體采集次序.

CH4排放通量(F)的計(jì)算公式：

式中：ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，g/cm3；h為采樣箱體的高度，m；T為箱內(nèi)溫度，℃；為氣體濃度變化率，mL/(m3·h).

1.2.3 植株葉片鮮質(zhì)量、根系分叉數(shù)

采集根區(qū)土壤時(shí)，將每小區(qū)選取的3株植株的地面植株割掉后收集葉片并稱(chēng)量，在結(jié)果分析中僅呈現(xiàn)與CH4通量呈顯著相關(guān)的果實(shí)膨大期植株葉片鮮質(zhì)量數(shù)據(jù)；采用整根挖掘法采集果實(shí)成熟期(番茄定植135 d)根系，根系挖掘深度約50 cm；將取出的根樣裝入網(wǎng)格直徑為0.5 mm的網(wǎng)袋，用水浸泡后，小水沖洗使土壤與根分離，盡量避免微細(xì)根損失，同時(shí)在沖洗池中鋪3層細(xì)紗布收集微細(xì)根. 采用根系掃描儀(Epson Expression 1600 pro，日本)和圖像分析系統(tǒng)(WinRHIZO Pro2004b，加拿大)掃描根系并分析根系形態(tài)指標(biāo)，在結(jié)果分析中僅呈現(xiàn)與CH4通量呈顯著相關(guān)的根系分叉數(shù)數(shù)據(jù).

1.2.4 土壤CH4氧化基因拷貝數(shù)

采用E.Z.N.A. ? soil DNA Kit和DNA purification kit對(duì)采集到的根系土壤樣品提取和純化DNA，采用通用引物(338F/806R)對(duì)獲取的DNA進(jìn)行16S擴(kuò)增子測(cè)序，在Illumina MiSeq平臺(tái)上對(duì)純化擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行序列測(cè)定. 采用FLASH(Fast Length Adjustment of Short Reads)和QIIME(Quantitative Insights Into Microbial Ecology，version 1.17)對(duì)獲得的DNA序列進(jìn)行拼接和質(zhì)控；在97%相似水平下，采用UPARSE(http://drive5.com/uparse, version 7.1)對(duì)DNA序列進(jìn)行OTU歸類(lèi)操作[22]. 利用QIIME(Quantitative Insights Into Microbial Ecology)對(duì)獲得的closed OTU-table與KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)數(shù)據(jù)庫(kù)中CH4氧化基因進(jìn)行比對(duì)，分析各處理CH4氧化基因拷貝數(shù)差異(https://www.kegg.jp/pathway).

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22軟件，利用單因素方差分析(P＜0.05)評(píng)價(jià)各處理間土壤環(huán)境因子、土壤CH4通量變化累積量、植株生長(zhǎng)指標(biāo)、土壤CH4氧化基因拷貝數(shù)的差異. 利用AMOS軟件采用結(jié)構(gòu)方程模型分析土壤CH4通量響應(yīng)機(jī)理及關(guān)鍵影響因子.

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌管埋深對(duì)土壤水分分布的影響

滴灌為局部微量灌溉，非充分灌溉條件下易造成番茄根區(qū)土壤干濕交替頻繁，增加水分分布的復(fù)雜性. 滴灌管埋深0 cm時(shí)，番茄土壤含水率由表層到較深層土壤基本呈依次減小的趨勢(shì)；滴灌管埋深10 cm時(shí)，10～20 cm土層土壤含水率平均值(27.65%)顯著高于其他土層(P＜0.05)；滴灌管埋深20 cm時(shí)，20～30 cm土層土壤含水率平均值(29.92%)顯著高于其他土層(P＜0.05)；滴灌管埋深30 cm時(shí)，30～40 cm土層土壤含水率平均值(28.04%)顯著高于其他土層(P＜0.05)，20～30 cm土層土壤含水率平均值(26.25%)顯著高于0～10 cm和10～20 cm土層(P＜0.05)(見(jiàn)圖2). 番茄生育期內(nèi)土壤水分均勻度平均值表現(xiàn)為SDI10＞SDI20＞SDI30＞DI(P＜0.05)，SDI10、SDI20、SDI30土壤水分均勻度平均值分別較DI提高9.03%、6.95%、2.98%(見(jiàn)圖3).

圖2 不同處理下0～40 cm土壤深度范圍內(nèi)番茄土壤含水率分布Fig.2 Soil moisture distribution of 0-40 cm under different treatments in facility tomato field

圖3 不同處理下番茄土壤水分均勻度Fig.3 Soil moisture uniformity of different treatments in facility tomato field

2.2 滴灌管埋深對(duì)CH4通量的影響

滴灌管埋深變化引起的番茄土壤干濕交替及水分均勻度變化，導(dǎo)致了CH4通量變化的復(fù)雜性. DI和SDI20條件下，“根系+土壤”與“植株+土壤”的CH4通量變化趨勢(shì)類(lèi)似，除個(gè)別測(cè)定時(shí)間點(diǎn)外，CH4通量在番茄生育期內(nèi)均表現(xiàn)為吸收. SDI10條件下，“根系+土壤”的CH4通量在番茄生育期內(nèi)均表現(xiàn)為吸收；“植株+土壤”的CH4通量于番茄定植20～58 d內(nèi)表現(xiàn)為排放，其余生育階段均表現(xiàn)為吸收. SDI30條件下，“根系+土壤”的CH4通量于番茄果實(shí)膨大期第80～88天和果實(shí)成熟期第125～130天均表現(xiàn)為排放，其余生育階段均吸收CH4；“植株+土壤”的CH4通量在番茄生育期內(nèi)均表現(xiàn)為吸收(見(jiàn)圖4).

圖4 不同滴灌管埋深處理下CH4通量的變化趨勢(shì)Fig.4 Trends of soil CH4 emissions under different buried depths of drip irrigation pipe

對(duì)“植株+土壤”的整體監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，不同滴灌管埋深對(duì)CH4累積通量的作用均為吸收效應(yīng). SDI20和SDI30的CH4累積吸收量分別為DI的7.12、4.11倍(P＜0.05). 對(duì)“根系+土壤”的整體監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，不同滴灌管埋深對(duì)CH4累積通量的作用也表現(xiàn)為吸收效應(yīng).SDI30的CH4累積吸收量較DI、SDI10、SDI20分別增加89.43%、47.06%、50.33%(P＜0.05). SDI20的CH4累積吸收量較DI增加26.02%(P＜0.05). SDI10的CH4累積吸收量較DI增加28.81%(P＜0.05)(見(jiàn)表1).

表1 不同生育階段番茄土壤CH4累積排放/吸收量Table 1 Cumulative emission or absorption of soil CH4 from tomato soils at different growth stages

2.3 滴灌管埋深對(duì)根區(qū)土壤環(huán)境和番茄植株生長(zhǎng)的影響

不同滴灌處理造成番茄生育期內(nèi)土壤養(yǎng)分有效性不同. SDI10、SDI20的土壤NH4+-N含量較DI分別顯著降低71.25%、43.22%(P＜0.05)；SDI10、SDI20、SDI30的土壤NO3—-N含量分別為DI的2.21、2.28、1.54倍(P＜0.05)；SDI20的土壤溶解性有機(jī)碳含量較DI顯著降低13.08%(P＜0.05). 各處理的其他土壤環(huán)境指標(biāo)和植株生長(zhǎng)指標(biāo)也呈一定差異性，如SDI10、SDI20的0～20 cm土壤充氣孔隙度較DI分別顯著增加14.45%、33.27%(P＜0.05)；SDI10、SDI20、SDI30根系分叉數(shù)分別為DI的1.84、2.57、2.48倍(P＜0.05)；SDI10果實(shí)膨大期葉片鮮質(zhì)量較DI顯著降低14.87%(P＜0.05)，SDI20則較DI顯著增加5.62%(P＜0.05)(見(jiàn)表2).

表2 不同滴灌管埋深處理下番茄根區(qū)土壤環(huán)境和植株生長(zhǎng)指標(biāo)Table 2 Tomato root zone soil environment and plant growth indicators under different buried depths of drip irrigation pipe

2.4 滴灌管埋深對(duì)根區(qū)土壤CH4氧化基因的影響

SDI10、SDI20、SDI30的CH4氧化基因拷貝數(shù)分別為DI的2.06、2.10、1.19倍(P＜0.05)，SDI30、SDI20較SDI10顯著增加72.24%、75.41%(P＜0.05). DI的CH4氧化基因的優(yōu)勢(shì)基因?yàn)镵10946(pmoC-amoC)、K14028(mdh1)、K14029 (mdh2)，其占CH4氧化基因整體的57.56%；SDI20的CH4氧化基因的優(yōu)勢(shì)基因?yàn)镵10944(pmoA-amoA)、K10945(pmoB-amoB)、K10946(pmoC-amoC)，其占CH4氧化基因整體的63.41%；SDI10、SDI30的CH4氧化基因的優(yōu)勢(shì)基因?yàn)镵10944(pmoA-amoA)、K10945(pmoB-amoB)、K10946(pmoC-amoC)、K14028 (mdh1)與K14029 (mdh2)，其分別占SDI10、SDI30的CH4氧化基因整體的78.57%、76.30%(見(jiàn)表3).

表3 不同滴灌管埋深處理下基于KEGG分析的番茄土壤CH4氧化基因拷貝數(shù)Table 3 Predicted copy numbers of CH4 oxidation genes in tomato soil based on KEGG analysis under different buried depths of drip irrigation pipe

2.5 CH4累積吸收量與根區(qū)環(huán)境因子相關(guān)性分析

番茄“植株+土壤”的CH4累積吸收量與CH4氧化基因數(shù)、根系分叉數(shù)、果實(shí)膨大期葉片鮮質(zhì)量、0～20 cm土壤充氣孔隙度均呈顯著正相關(guān)，但與土壤溶解性有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān). “根系+土壤”的CH4累積吸收量與CH4氧化基因數(shù)、根系分叉數(shù)均呈顯著正相關(guān). 土壤NH4+-N含量與果實(shí)膨大期葉片鮮質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，土壤NO3—-N含量與CH4氧化基因數(shù)、根系分叉數(shù)均呈顯著正相關(guān)，根系分叉數(shù)與CH4氧化基因數(shù)呈顯著正相關(guān)〔見(jiàn)圖5(a)〕.

CH4氧化基因中K10944(pmoA-amoA)、K10945(pmoB-amoB)、K10946(pmoC-amoC)、K16157(mmoX)、K16158(mmoY)、K16159(mmoZ)、K16160(mmoB)、K16161(mmoC)均與“植株+土壤”的CH4累積吸收量、“根系+土壤”的CH4累積吸收量、根系分叉數(shù)呈顯著正相關(guān)；K14028 (mdh1)、K14029 (mdh2)均與土壤NH4+-N和土壤溶解性有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)〔見(jiàn)圖5(b)〕.

2.6 CH4累積吸收量變化的關(guān)鍵因素及作用路徑

結(jié)構(gòu)方程模擬表明，CH4氧化基因數(shù)(R=0.75)與果實(shí)膨大期葉片鮮質(zhì)量(R=0.41)對(duì)番茄“植株+土壤”的CH4累積吸收量有顯著直接效應(yīng)，根系分叉數(shù)(R=0.87)對(duì)CH4氧化基因數(shù)有顯著直接效應(yīng)；根系分叉數(shù)則受不同滴灌處理的顯著影響(R=0.72)；果實(shí)膨大期葉片鮮質(zhì)量受土壤NO3—-N含量(R=0.48)與NH4+-N含量(R=0.90)的顯著影響，不同滴灌處理(R=0.67)與0～20 cm土壤充氣孔隙度(R=0.76)對(duì)土壤NO3—-N含量(R=0.48)有顯著直接效應(yīng)，0～20 cm土壤充氣孔隙度(R=—0.66)對(duì)土壤NH4+-N含量也有顯著直接效應(yīng)〔見(jiàn)圖6(a)〕.

圖6 土壤CH4累積吸收量的結(jié)構(gòu)方程分析Fig.6 Structural equation analysis diagram of the soil CH4 accumulative absorption

番茄“根系+土壤”的CH4累積吸收量主要受CH4氧化基因數(shù)的直接效應(yīng)影響(R=0.67)；而根系分叉數(shù)(R=0.77)與NH4+-N含量(R=0.42)對(duì)CH4氧化基因數(shù)有明顯的直接作用，且分別受不同滴灌處理(R=0.80)與NO3—-N含量(R=—0.82)的顯著影響〔見(jiàn)圖6(b)〕.

3 討論

3.1 CH4通量變化對(duì)不同滴灌管埋深土壤水分分布的響應(yīng)

設(shè)施農(nóng)田滴灌管埋深變化會(huì)增加土壤水分運(yùn)移和分布的復(fù)雜性[23], 進(jìn)而影響土壤CH4通量[24]. Murphy等[25]發(fā)現(xiàn)地表滴灌低水平促進(jìn)土壤CH4排放，Ye等[26]則發(fā)現(xiàn)地表滴灌土壤為CH4匯；Crézé等[27]發(fā)現(xiàn)地下滴灌促進(jìn)土壤對(duì)CH4的吸收. 該研究結(jié)果與前述結(jié)果不同，地表滴灌和不同滴灌管埋深地下滴灌土壤在番茄生育期內(nèi)總體上都為CH4匯，但在個(gè)別生長(zhǎng)階段也促進(jìn)CH4排放. 因此，基于番茄不同生長(zhǎng)階段需水量不同，通過(guò)優(yōu)化番茄不同生育階段供水方式，調(diào)節(jié)水分分布可調(diào)控CH4通量變化. 有研究發(fā)現(xiàn)滴灌條件下施用有機(jī)肥會(huì)促進(jìn)土壤吸收CH4[12]，但通過(guò)滴灌管埋深布設(shè)調(diào)節(jié)土壤水分分布來(lái)影響土壤CH4通量還鮮有報(bào)道. 該研究中SDI10和SDI20的番茄生育期內(nèi)土壤CH4通量表現(xiàn)為吸收，但DI和SDI30在果實(shí)膨大期的一段時(shí)間內(nèi)排放土壤CH4. 這可能與滴灌管埋深不同造成根區(qū)土壤通氣性的差異相關(guān)，DI和SDI30分別造成0～40 cm深度范圍內(nèi)土壤呈“上濕下干”和“下濕上干”分層，易增強(qiáng)局部厭氧效應(yīng)而抑制土壤CH4氧化、利于CH4生成[7]；DI10和SDI20雖分別提高了10～20 cm和20～30 cm范圍內(nèi)土壤含水率，但也顯著提高了土壤水分分布均勻度，且0～20 cm范圍內(nèi)土壤充氣孔隙度較DI和SDI30有顯著增加，利于大氣與土壤間CH4交換，增強(qiáng)土壤CH4氧化[28].

CH4是一種信號(hào)分子，參與植物生長(zhǎng)發(fā)育(種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、側(cè)根和不定根形成等)[16]；一定條件下一些植物可生成CH4，一些植物則能吸收CH4[29-30].這些研究所涉及的植物均為森林或濕地植被，溫室作物地面植株對(duì)土壤CH4通量的影響鮮見(jiàn)報(bào)道. 該研究以番茄“植株+土壤”整體為對(duì)象，測(cè)定其對(duì)土壤CH4通量變化的影響，發(fā)現(xiàn)“植株+土壤”的CH4通量變化范圍顯著大于“根系+土壤”. 在“植株+土壤”條件下，SDI10的CH4通量于番茄生育階段前期表現(xiàn)為排放，而DI、SDI20和SDI30的CH4通量變化在整個(gè)番茄生育期內(nèi)均表現(xiàn)為吸收. 原因可能是DI、SDI20和SDI30的土壤水分分布均勻度低于SDI10，土壤水分分布異質(zhì)性的增加會(huì)刺激植株生長(zhǎng)，該過(guò)程需更多信號(hào)分子(包括CH4)參與傳導(dǎo)信息和調(diào)節(jié)，進(jìn)而促進(jìn)CH4吸收[30]. 這表明番茄植株參與并影響了生育期內(nèi)CH4在大氣與土壤間的交換，也為通過(guò)采取地面植株調(diào)整措施調(diào)節(jié)CH4通量變化提供了依據(jù). 但類(lèi)似結(jié)果在氣候條件特殊的溫室種植環(huán)境中此前還鮮見(jiàn)報(bào)道，需進(jìn)一步研究.

3.2 CH4累積吸收量對(duì)滴灌管埋深變化的響應(yīng)

與漫灌相比，地表滴灌可使土壤CH4吸收量增加22.9%[18]，但地下滴灌對(duì)土壤CH4通量累積變化效應(yīng)的報(bào)道較少. 該研究發(fā)現(xiàn)，“根系+土壤”條件下地表滴灌促進(jìn)了土壤CH4吸收；但地下滴灌對(duì)CH4吸收的促進(jìn)效應(yīng)更為顯著，SDI10、SDI20和SDI30的CH4累積吸收量分別較地表滴灌增加28.81%、26.02%和89.43%. 土壤CH4吸收受甲烷氧化菌調(diào)節(jié)[31]，并與作物根系生長(zhǎng)密切相關(guān)；而根系生長(zhǎng)則受土壤水分狀況影響[32]. 該研究發(fā)現(xiàn)，“根系+土壤”的土壤CH4累積吸收量與根系分叉數(shù)、CH4氧化基因數(shù)均呈顯著正相關(guān)，而地下滴灌各處理明顯提高了土壤水分均勻度平均值，且其根系分叉數(shù)為地表滴灌的1.84～2.57倍，CH4氧化基因數(shù)為地表滴灌的1.19～2.10倍.根系在形成分叉過(guò)程中需要更多的CH4信號(hào)分子，CH4氧化基因豐度的提高可促進(jìn)CH4氧化，二者共同作用可能是地下滴灌比地表滴灌提高土壤CH4吸收通量的原因. 3種滴灌管埋深都提高了土壤CH4吸收量，但SDI30的CH4吸收量顯著大于SDI10和SDI20，原因是“根系+土壤”的CH4累積吸收量與8種CH4氧化基因豐度均呈顯著正相關(guān)，而SDI30較其他兩個(gè)地下滴灌處理更能提高這些基因的豐度.

有研究表明植物通過(guò)根系生長(zhǎng)塑造有利于CH4氧化的微生物群落[33]，而地上植株生長(zhǎng)狀況可反饋影響根系生長(zhǎng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)甲烷營(yíng)養(yǎng)菌種群來(lái)參與CH4排放/吸收[34]. 該研究發(fā)現(xiàn)，“植株+土壤”的CH4累積吸收量主要受CH4氧化基因與果實(shí)膨大期葉片鮮質(zhì)量的直接影響，SDI20和SDI30對(duì)CH4氧化基因數(shù)與果實(shí)膨大期葉片鮮質(zhì)量的綜合正向效應(yīng)顯著優(yōu)于地表滴灌(見(jiàn)表2和表3). 果實(shí)膨大期是番茄植株生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期，該生育階段光合作用強(qiáng)度高、植株與土壤間物質(zhì)流大，可向土壤提供更多的碳源營(yíng)養(yǎng)，其導(dǎo)致土壤碳源利用活性和甲烷氧化菌活性提高的共同效應(yīng)，最終提高了土壤CH4累積吸收量. CH4累積吸收量變化的結(jié)構(gòu)方程路徑分析發(fā)現(xiàn)，“植株+土壤”的路徑復(fù)雜度大于“根系+土壤”，地面植株與根系互作對(duì)土壤CH4吸收的正向效應(yīng)顯著高于根-土交互效應(yīng)(見(jiàn)圖6)，地面植株參與明顯提高了土壤CH4的吸收效應(yīng). 這與Keppler等[29]的部分研究結(jié)果類(lèi)似，但其并未進(jìn)行地面植株參與的定量化分析. 該研究?jī)H就番茄地面植株參與進(jìn)行了初步分析，溫室作物地面植株參與并影響CH4在大氣與土壤間交換的機(jī)理及其土壤生態(tài)過(guò)程還需基于更多種類(lèi)作物深入研究.

3.3 基于CH4通量響應(yīng)的地下滴灌措施優(yōu)化探討

地下滴灌高效節(jié)水且顯著提高根-土交互作用和作物產(chǎn)量，被廣泛應(yīng)用到溫室栽培[22]. 滴灌管埋于地面以下，其土壤水分狀況影響溫室氣體排放，優(yōu)化滴灌系統(tǒng)達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)和溫室氣體減排的雙重目的是農(nóng)業(yè)環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)[35-36]；但基于CH4排放/吸收的地下滴灌系統(tǒng)優(yōu)化研究較少且不夠深入. 植物根區(qū)微生態(tài)過(guò)程是影響土壤CH4通量的重要因素[37]；該文結(jié)構(gòu)方程分析發(fā)現(xiàn)，根系分叉數(shù)與CH4氧化基因的交互作用是影響CH4累積吸收的主要因素，因此，通過(guò)促進(jìn)根系生長(zhǎng)可能提高土壤CH4吸收量，如采用滴灌管埋深20～30 cm的地下滴灌措施. 研究表明土壤CH4通量受氮鹽狀況影響[38]，該文發(fā)現(xiàn)土壤充氣孔隙度可影響土壤氮鹽狀態(tài)，因而采取改變土壤充氣孔隙度的措施也能達(dá)到調(diào)節(jié)CH4通量的目的，如采取一定程度的缺水灌溉，這既可促進(jìn)根系生長(zhǎng)又可改善土壤通氣性而增強(qiáng)CH4氧化作用[39]. 此外，地面植株與根系CH4氧化菌群構(gòu)建密切相關(guān)[34]，通過(guò)采用植株修剪等農(nóng)藝措施也能調(diào)節(jié)土壤CH4通量.以上優(yōu)化措施仍需進(jìn)一步的田間實(shí)踐驗(yàn)證.

4 結(jié)論

a) 滴灌管埋深通過(guò)塑造根區(qū)土壤水分環(huán)境和植株生長(zhǎng)差異調(diào)節(jié)土壤CH4吸收，根系與CH4氧化基因間的交互作用是影響土壤CH4累積吸收量的關(guān)鍵因素.

b) 滴灌管埋深20 cm和30 cm能提高根系分叉數(shù)、CH4氧化基因拷貝數(shù)和果實(shí)膨大期葉片鮮質(zhì)量，增強(qiáng)根-土互作，促進(jìn)土壤CH4吸收，但其田間實(shí)際效益還需進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證.