佟 玲 戴永輝 陳 陽(yáng) 王 璐 劉麗平

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心,北京 100083;2.甘肅武威綠洲農(nóng)業(yè)高效用水國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,武威 733009)

0 引言

中國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)降水稀少,蒸發(fā)量大,地下淡水資源匱乏,加之近幾十年來(lái),日益增加的灌溉和施肥造成了嚴(yán)重的生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題[1]。同時(shí),西北干旱地區(qū)的淺層地下存在豐富的微咸水資源,具有較大的利用空間[2]。利用微咸水對(duì)小麥進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)微咸水礦化度存在閾值,礦化度小于3 g/L時(shí)可以促進(jìn)作物種子萌發(fā)[3]。關(guān)于微咸水灌溉對(duì)溫室氣體排放影響的研究,其結(jié)果并沒(méi)有達(dá)成一致。例如,王帥杰等[4]在咸淡輪灌模式下,發(fā)現(xiàn)隨著微咸水礦化度升高和輪灌次數(shù)增加,溫室氣體排放通量減少;魏琛琛等[5]發(fā)現(xiàn)微咸水灌溉對(duì)土壤CO2累積排放量和全球增溫潛勢(shì)并未產(chǎn)生顯著影響,但增加了N2O累積排放量;MARTON等[6]在試驗(yàn)室模擬鹽水入侵,用不同鹽度梯度土壤進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)土壤鹽分促進(jìn)了土壤CO2排放,但抑制CH4排放。合理虧缺灌溉是一種有效的節(jié)水技術(shù),可以提高水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益[7]。土壤水分是影響溫室氣體排放的重要因素,虧缺灌溉引起的低土壤含水率,通過(guò)減少溫室氣體有關(guān)微生物、酶活性來(lái)減少排放,有研究表明,土壤含水率對(duì)溫室氣體排放的影響存在閾值,過(guò)高、過(guò)低的含水率會(huì)抑制溫室氣體排放[8]。因此,在淡水和微咸水條件下,同步研究水量和水質(zhì)對(duì)3種溫室氣體排放及作物的影響具有重要意義。

作為一種多孔、高度芳香化、難熔且富含碳元素的穩(wěn)定材料,生物炭被廣泛用作土壤改良劑,來(lái)穩(wěn)定農(nóng)田土壤碳庫(kù),提高作物產(chǎn)量和緩解氣候變化[9]。雖然田間自然條件下生物炭自身發(fā)生明顯的性質(zhì)變化可能需要數(shù)十年或者更長(zhǎng)的時(shí)間,然而,從時(shí)間尺度上,生物炭施入土壤中,引起土壤肥力的改善并不是因?yàn)樯锾勘旧淼男再|(zhì)變化,而是其他一些影響(微生物群落的變化)可能控制了土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量[10]。總體上老化生物炭的平均孔徑有所下降,可溶性物質(zhì)被浸出或礦物被溶解了,但是在老化生物炭和新鮮生物炭之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)化學(xué)結(jié)構(gòu)上的差異,從而影響土壤CO2、N2O和CH4排放。關(guān)于田間老化生物炭的研究開(kāi)展較少,且結(jié)論尚未一致。例如,WANG等[11]發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤分離出來(lái)的老化生物炭與新鮮生物炭相比顯著降低土壤CO2排放量。但SPOKAS等[12]比較了3種新鮮生物炭與它們配對(duì)的野外老化生物炭,發(fā)現(xiàn)老化生物炭與新鮮生物炭相比促進(jìn)CO2的排放,對(duì)CH4排放沒(méi)有顯著影響。同時(shí),關(guān)于老化生物炭對(duì)N2O氣體排放的研究結(jié)果也不一致。DUAN等[13]在溫室蔬菜試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),施用老化生物炭后,酸性、堿性?xún)煞N土壤中硝化和反硝化產(chǎn)生的N2O都明顯增加。而HAGEMANN等[14]大田試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),生物炭老化2年后對(duì)N2O依舊有減排效應(yīng),可能是由于老化生物炭依舊可以提高土壤pH值、含水率和影響氮循環(huán)基因豐度變化,從而達(dá)到減排效果。WU等[15]田間試驗(yàn)研究也表明,3年和6年老化生物炭均能夠降低水稻-小麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O的排放量,分別顯著減少11.2%～17.5%和19.5%～26.3%,降低凈全球變暖潛力,同時(shí)也增加了作物產(chǎn)量。因此老化生物炭能否降低農(nóng)田土壤溫室氣體的排放與老化生物炭老化年限、土壤性質(zhì)、施肥管理措施密切相關(guān)。目前,許多研究集中在微咸水、虧缺灌溉或生物炭單因素對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響。關(guān)于生物炭老化多年后對(duì)土壤CO2、N2O和CH4這3種溫室氣體排放影響和固碳效應(yīng)的同步研究較少。

本研究以甘肅武威地區(qū)膜下滴灌春玉米為研究對(duì)象,于2022年進(jìn)行大田測(cè)坑試驗(yàn),在2種灌溉水量和2種灌溉水鹽分條件下,研究老化生物炭對(duì)農(nóng)田CO2、N2O和CH4排放動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的影響,以及CO2、N2O和CH4排放通量與土壤環(huán)境因子間的關(guān)系,探究施加3年后的老化生物炭在不同的水鹽處理下,對(duì)減小農(nóng)田溫室氣體排放和作物生長(zhǎng)的效應(yīng),為西北旱區(qū)覆膜滴灌農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2022年4—9月在甘肅武威綠洲農(nóng)業(yè)高效用水國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(37°52′N(xiāo),102°51′E,海拔1 581 m)進(jìn)行。該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候區(qū),降水少蒸發(fā)強(qiáng)烈,多年平均降水量和蒸發(fā)量分別為164 mm和2 000 mm。試驗(yàn)期間平均氣溫為19.8℃,累積降水量為197.41 mm,日尺度氣象條件如圖1所示。該地區(qū)土質(zhì)為沙壤土,玉米種植前測(cè)得對(duì)照組深度0～20 cm平均土壤容重為1.50 g/cm3,平均土壤含鹽量(電導(dǎo)率)為227.13 μS/cm,平均田間持水率為0.31 cm3/cm3,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為8.7 g/kg,pH值為8.57。

圖1 玉米生育期內(nèi)日最高和最低溫度以及灌水量和降水量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在24個(gè)測(cè)坑中進(jìn)行,每個(gè)測(cè)坑長(zhǎng)3.3 m,寬2.0 m,深3.0 m。相鄰的測(cè)坑中間用厚20 cm的混凝土層隔開(kāi),測(cè)坑底部用混凝土封底并且設(shè)置排水廊道。試驗(yàn)采用全因素設(shè)計(jì),共有8個(gè)處理,包括2個(gè)灌溉水平:充分灌溉(W1:340 mm)和虧缺灌溉(W2:170 mm),2個(gè)水分鹽度水平(S0:0.71 g/L;S1:4 g/L)和2個(gè)生物炭添加量(B0:0 t/hm2;B1:60 t/hm2)。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共計(jì)24個(gè)隨機(jī)分布的試驗(yàn)小區(qū)。含鹽量為0.71 g/L的灌溉水來(lái)自當(dāng)?shù)氐叵滤?4 g/L的微咸水是在當(dāng)?shù)氐叵滤幕A(chǔ)上添加濃度比為2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4配制而成。本試驗(yàn)中老化生物炭來(lái)自田間自然老化3年的玉米秸稈生物炭,該生物炭由平遙縣晟弘生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)有限公司在500℃下缺氧熱解粉碎的玉米秸稈10 h后生產(chǎn)。其pH值、電導(dǎo)率(EC1∶5)、總氮質(zhì)量比和顆粒粒徑分別為9.47、730.2 μS/cm、9.9 g/kg 和0～150 μm。2020年播種前將生物炭與0～20 cm土壤充分混合。試驗(yàn)選取當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植的春玉米“先玉335”為供試作物,種植行距為40 cm,株距為30 cm。灌溉采用膜下滴灌,根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌溉經(jīng)驗(yàn),在播種后統(tǒng)一灌溉40 mm 的淡水作為出苗水。不同的灌水處理從拔節(jié)期開(kāi)始,當(dāng)對(duì)照組(W1S0B0)0～60 cm土層的平均含水率達(dá)到70%左右的田間持水率時(shí)即啟動(dòng)灌溉,每次灌水量為對(duì)照組計(jì)劃濕潤(rùn)層實(shí)際的平均含水率與平均田間持水率之差。春玉米于5月1日播種,9月5日收獲,生育期為127 d。試驗(yàn)田在播種前施入復(fù)合肥作為基肥:P2O5226.5 kg/hm2、K2O 54 kg/hm2和氮肥121.5 kg/hm2,剩余氮肥(100 kg/hm2)以尿素的形式在7月23日溶于灌溉水后通過(guò)滴灌系統(tǒng)一次性施入。本試驗(yàn)是基于2020年和2021年試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的第3年試驗(yàn),并且2020年和2021年的試驗(yàn)處理與本試驗(yàn)保持一致[16]。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1溫室氣體排放測(cè)定

土壤溫室氣體在玉米整個(gè)生育期內(nèi)采集,苗期在出苗水灌溉后開(kāi)始觀測(cè),大概每隔10 d采集一次,并在灌出苗水后第2、4、6、9天加測(cè),從拔節(jié)到成熟期間在灌溉前1 d、后2 d加測(cè)。土壤溫室氣體用靜態(tài)暗箱法原位采集,靜態(tài)暗箱是由不透明頂箱(0.5 m×0.5 m×0.5 m)和不銹鋼底架(0.5 m×0.5 m×0.15 m)組成:不透明頂箱包括一個(gè)用于測(cè)量溫度的溫度傳感器和2個(gè)用于均勻室內(nèi)氣體的微型風(fēng)扇,箱外布設(shè)了厚1 cm的反光膜防止采樣時(shí)箱內(nèi)溫度升高過(guò)快。不銹鋼底座于播種前插入各小區(qū)膜下深10 cm土壤中直到玉米收獲,在采集氣體時(shí),不銹鋼底座凹槽內(nèi)注水密封防止靜態(tài)箱內(nèi)外空氣交換。氣體采集時(shí)間為09:00—11:00,在罩箱后第0、15、30、45、60 min收集氣體,采用醫(yī)用三通與50 mL的注射器將采集的氣體轉(zhuǎn)移到氣體采集袋中。采樣結(jié)束后,將氣袋帶回實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀(GC-2014型)測(cè)定氣體采集袋中CO2、CH4和N2O濃度,溫室氣體排放通量計(jì)算公式[17]為

(1)

式中F——溫室氣體排放通量,mg/(m2·h)

ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀況下各溫室氣體密度,kg/m3

H——靜態(tài)箱高度,m

T——采樣期間箱內(nèi)空氣平均溫度,℃

氣體累積排放量計(jì)算公式[18]為

(2)

式中M——溫室氣體累積排放量,kg/hm2

Fi、Fi+1——第i、i+1次采集氣體的氣體排放通量,mg/(m2·h)

ti、ti+1——第i、i+1次采集氣體時(shí)間,d

n——總采樣次數(shù)

CO2、CH4和N2O的增溫潛勢(shì)(GWP)計(jì)算公式為[19]

GWP=MCO2+28MCH4+298MN2O

(3)

式中GWP——農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)全球增溫潛勢(shì),kg/hm2

MCO2、MCH4、MN2O——土壤CO2、CH4和N2O的累積排放量,kg/hm2

1.3.2土壤理化性質(zhì)測(cè)定

采集氣體樣品時(shí),用插入式地溫計(jì)(TP101型)測(cè)定土壤10 cm處溫度。用土鉆采集每個(gè)小區(qū)靜態(tài)箱附近0～20 cm處土壤樣品。一部分土壤鮮樣裝入鋁盒中利用干燥法測(cè)定土壤質(zhì)量含水率θg。其余土壤風(fēng)干、均質(zhì)化后過(guò)1 mm篩用于測(cè)定其他土壤理化性質(zhì)。用50 mL蒸餾水提取準(zhǔn)備好的風(fēng)干土壤樣品(10 g),經(jīng)振蕩離心后用電導(dǎo)率儀(FE38型,METTLER,瑞士)測(cè)量土壤電導(dǎo)率(EC1∶5,μS/cm)和pH計(jì)(FE28型,METTLER,瑞士)測(cè)定土壤pH值。

1.3.3玉米生長(zhǎng)指標(biāo)和凈碳平衡

在春玉米收獲期,在各小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株玉米測(cè)量生長(zhǎng)指標(biāo)與產(chǎn)量。株高與葉面積采用卷尺測(cè)定,干燥至質(zhì)量恒定后測(cè)定生物量與籽粒產(chǎn)量。農(nóng)田凈碳平衡計(jì)算公式為

NEP=NPP-MCO2-C

(4)

式中NEP——農(nóng)田凈碳儲(chǔ)存量,kg/hm2

NPP——玉米含碳量,kg/hm2,大致為玉米生物量的45%[20-21]

MCO2-C——農(nóng)田累積碳排放量,kg/hm2

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Microsoft Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,采用SPSS 21.0(SPSS公司,美國(guó))中的Duncan多重比較試驗(yàn)來(lái)分析所有處理之間的土壤性質(zhì)、溫室氣體排放量、地上干物質(zhì)和產(chǎn)量顯著性。當(dāng)交互作用顯著時(shí)利用簡(jiǎn)單效應(yīng)分析各處理間差異,當(dāng)交互作用不顯著時(shí)則利用主效應(yīng)分析各處理間差異。采用Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)指標(biāo)

春玉米生育期內(nèi)各處理土壤溫度、含水率、電導(dǎo)率和pH值的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。圖2a顯示土壤溫度的季節(jié)性波動(dòng)很大,總體上隨著生育期進(jìn)程先增加后減少。灌水量和老化生物炭都會(huì)顯著影響春玉米生育期平均土壤溫度?？傮w上虧缺灌溉處理下土壤溫度略高于充分灌溉處理,相對(duì)于未施加生物炭處理老化生物炭增加了平均土壤溫度(表1)。不同處理下土壤含水率的季節(jié)性變化相似,總體上都隨著作物水分消耗而降低,隨著灌水和降雨事件的發(fā)生而升高(圖2b)。施加老化生物炭處理下平均土壤含水率為12.00%～18.20%,明顯高于未施加生物炭處理下的9.20%～16.40%(表1)。同時(shí)淡水灌溉下土壤鹽分保持穩(wěn)定和相對(duì)較低的水平,微咸水灌溉明顯增加了土壤含鹽量,并且在生育末期增加更加明顯(圖2c)。虧缺灌溉下平均土壤含鹽量高于充分灌溉。老化生物炭并不能降低土壤表層的鹽分,并且在微咸水虧缺灌溉(W2S0)下大幅度增加了土壤含鹽量(表1)。不同處理土壤pH值波動(dòng)較大,所以在不同處理間并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)律(圖2d)。從pH值的平均水平上可以看出,虧缺和微咸水灌溉都降低了土壤pH值,而老化生物炭增加了土壤pH值(表1)。

表1 老化生物碳和微咸水虧缺灌溉對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

圖2 春玉米生育期各處理土壤溫度、含水率、電導(dǎo)率和pH值動(dòng)態(tài)變化曲線

2.2 土壤溫室氣體

不同處理下各溫室氣體排放模式相似,表現(xiàn)為 CO2和N2O的排放源,其季節(jié)性動(dòng)態(tài)排放通量如圖3 所示。土壤CO2排放通量受外界氣象環(huán)境的影響較大,總體上呈先降低再增加最后降低的趨勢(shì)(圖3a、3b)。所有虧缺灌溉下CO2排放峰值均小于充分灌溉,所有處理下最大排放通量出現(xiàn)在W1S0B0處理,為319.87 mg/(m2·h)。同一灌溉水平下,不同處理CO2排放通量并沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)律。相對(duì)于充分灌溉,虧缺灌溉明顯降低了CO2累積排放量,減少24.13%～52.68%。而相對(duì)于淡水灌溉,微咸水灌溉略微增加了CO2累積排放量。微咸水灌溉導(dǎo)致CO2累積排放量增加9.06%～24.79%。同時(shí),各灌溉處理下,老化生物炭使CO2累積排放量減小7.33%～18.78%。土壤N2O排放通量受到灌水施肥的影響較大,隨著底肥和追肥的施入快速增加到最大值然后又快速降低到穩(wěn)定的較小值。老化生物炭可以明顯降低N2O排放通量的峰值(圖3e、3f)。從N2O累積排放量來(lái)看,不同灌溉水平之間差異較小,但是微咸水灌溉會(huì)增加N2O累積排放量,增加9.95%～18.03%。老化生物炭對(duì)所有水鹽處理下的N2O排放都有明顯的抑制效果。相對(duì)于未施加生物炭處理,施加老化生物炭平均減少N2O累積排放量21.14%～29.76%。玉米田CH4排放量總體上為負(fù)值并且排放量比較小,說(shuō)明CH4在旱作玉米田中可以作為一種碳匯,并且不同處理間單次排放的差異比較小(圖3c、3d)。從CH4累積排放量也可以看出不同處理間并沒(méi)有明顯的差異。

圖3 春玉米生育期各處理土壤CO2、CH4和N2O排放通量變化曲線

由相關(guān)性分析可知(表2),土壤溫度和含水率與土壤CO2排放通量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),但土壤含鹽量與土壤CO2排放通量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。水分、鹽分和老化生物炭處理分別對(duì)CO2累積排放量產(chǎn)生顯著的影響,并且水分、鹽分和老化生物炭三者對(duì)土壤CO2累積排放量存在顯著的交互作用(p<0.05)。施加老化生物炭不同程度地減少農(nóng)田CO2累積排放量,并且在微咸水充分灌溉和淡水虧缺灌溉處理下達(dá)到了顯著水平(p<0.05)。微咸水灌顯著增加N2O的平均排放峰值(p<0.05)。整體來(lái)看,2次N2O排放峰值均呈現(xiàn)隨微咸水灌溉的添加而增大的趨勢(shì)。由表2可知,土壤溫度與土壤N2O排放通量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。土壤含鹽量與土壤N2O排放通量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。水分、鹽分和老化生物炭處理分別對(duì)N2O累積排放量產(chǎn)生了顯著影響(p<0.01)。

表2 土壤CO2、CH4、N2O排放通量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

2.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)GWP和NEP

虧缺灌溉、微咸水灌溉和老化生物炭對(duì)全球增溫潛勢(shì)(GWP)和凈碳平衡(NEP)都產(chǎn)生了不同程度的影響(表3)。虧缺灌溉可以明顯地降低GWP,但是微咸水灌溉會(huì)增加GWP,并且W1S1B0處理GWP達(dá)到所有處理中的最大值,為19 488.19 kg/hm2。老化生物炭可以有效地降低GWP,不同灌溉處理下的降低潛力為713.36～3 244.73 kg/hm2。與對(duì)照處理(W1S0)相比,虧缺灌溉和微咸水灌溉均減小了農(nóng)田NEP,表明干旱和土壤鹽漬化均會(huì)降低農(nóng)田的碳固存能力。同時(shí),微咸水和虧缺灌溉顯著降低了農(nóng)田土壤炭收益,分別減小17.70%～65.36%和37.30%～71.96%。對(duì)于所有的灌溉處理,老化生物炭明顯增加了農(nóng)田NEP,平均增加15.59%～49.70%。不同灌溉處理下,老化生物炭均顯著增加了農(nóng)田土壤炭收益,增加15.86%～33.52%。

表3 不同處理對(duì)春玉米農(nóng)田溫室氣體排放、全球增溫潛勢(shì)和凈碳平衡的影響

2.4 玉米生長(zhǎng)指標(biāo)

老化生物炭在不同灌水處理對(duì)玉米的各生長(zhǎng)指標(biāo)產(chǎn)生了不同的影響(表4)。微咸水和虧缺灌溉都明顯地降低玉米的株高和葉面積指數(shù),并且重度虧缺灌溉會(huì)導(dǎo)致玉米的株高和葉面積指數(shù)比微咸水灌溉下降更加明顯。除了微咸水虧缺灌溉(W2S1)處理外,老化生物炭均增加了玉米株高,并且在W1S1和W2S0處理下達(dá)到顯著水平(p<0.05)。老化生物炭略微增加了不同灌溉處理下的玉米葉面積指數(shù),并且在W1S1處理下達(dá)到顯著水平。微咸水和虧缺灌溉都造成了春玉米的減產(chǎn)和干物質(zhì)積累量的降低,并且干物質(zhì)量比產(chǎn)量降低更加明顯。在W1S0、W1S1和W2S0處理下,老化生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量的增加未達(dá)到顯著水平,略微增加0.67%～4.62%,在W2S1處理下玉米產(chǎn)量降低15.80%?？傮w上,老化生物炭顯著增加了所有灌溉處理下玉米干物質(zhì)量的積累,增加范圍為7.86%～25.82%。

表4 老化生物炭和微咸水虧缺灌溉對(duì)春玉米生長(zhǎng)的影響

3 討論

3.1 灌水量、灌溉水鹽分和老化生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)和春玉米生長(zhǎng)的影響

土壤溫度、水分和鹽分的動(dòng)態(tài)變化在玉米植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程中起著主要作用。本研究結(jié)果表明,施加3年后的老化生物炭仍能一定程度上提高土壤溫度。老化生物炭經(jīng)過(guò)老化后依舊是一種黑色的固體顆粒,仍然能降低土壤的地表反照率而增加土壤的光吸收能力,因此可以增加田間土壤溫度[22]。微咸水灌溉增加了土壤含水率,主要是由于微咸水中含有的鹽分離子抑制了玉米根系的水分吸收,這與魏琛琛等[5]研究一致。與此同時(shí),微咸水灌溉帶來(lái)大量鹽基離子,破壞了土壤結(jié)構(gòu),使得土壤蒸散率降低。施加老化生物炭后增加了不同灌溉處理下的土壤含水率。LI等[23]試驗(yàn)研究也表明老化生物炭顆粒相對(duì)于新鮮生物炭土壤持水能力更好,這是因?yàn)樯锾坷匣蟊缺砻娣e增大、孔隙增多、親水性更好,同時(shí)通過(guò)改變顆粒間的孔隙(孔隙)和增加屬于生物炭的孔隙(孔隙內(nèi))來(lái)影響土壤儲(chǔ)水,從而提高田間土壤含水率和植物可用的水分。這可能是由于老化生物炭比表面積依舊較大,微孔結(jié)構(gòu)多,從而與土壤顆粒形成微小的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了對(duì)土壤水分子的吸附能力,由于微咸水中含有大量的鹽分,生物炭吸附水分的同時(shí)也吸附了一些鹽分離子,從而提高了土壤電導(dǎo)率[14-15]。對(duì)于土壤pH值,老化生物炭增加了土壤pH值,但充分灌溉緩解了pH值上升。這可能是因?yàn)樘镩g老化3年的生物炭表面依舊存在豐富的有機(jī)官能團(tuán)和一些金屬鹽水解使生物炭呈堿性,吸附土壤溶液中的H+,提高土壤的pH值[23]。而充分灌溉條件下,水分對(duì)耕層土壤鹽分主要表現(xiàn)為淋洗作用,緩解了pH值上升[24-25]。

虧缺灌溉和微咸水灌溉顯著抑制了玉米的生長(zhǎng),降低了玉米株高、葉面積指數(shù)、產(chǎn)量和干物質(zhì)量,主要由于虧缺灌溉和微咸水灌溉產(chǎn)生的水-鹽脅迫限制了玉米的光合作用。以往的研究表明老化生物炭對(duì)作物生物量和產(chǎn)量的促進(jìn)作用還隨時(shí)間的延長(zhǎng)而表現(xiàn)出一定的累加效應(yīng)。如MAJOR等[26]的玉米和大豆輪作試驗(yàn)結(jié)果表明,施用20 t/hm2老化生物炭后,在隨后的3年中產(chǎn)量逐年遞增,分別比對(duì)照提高28%、30%和140%。本研究表明,在W1S0、W1S1和W2S0處理下,老化生物炭促進(jìn)了玉米生長(zhǎng),增加了產(chǎn)量和干物質(zhì)量。這很可能是由于生物炭施加增加了土壤生育期積溫和改善了土壤水分狀況。但在微咸水虧缺灌溉(W2S1)下,老化生物炭降低了玉米株高和籽粒產(chǎn)量,而顯著增加了干物質(zhì)累積量。這是因?yàn)橄鄬?duì)于W2S1B0處理,W2S1B1處理導(dǎo)致土壤EC極大程度增加的同時(shí)也改善了土壤溫度和水分。

3.2 灌水量、灌溉水鹽分和老化生物炭對(duì)溫室氣體排放的影響

土壤酶和微生物參與的硝化和反硝化作用是農(nóng)田土壤 N2O 產(chǎn)生的主要途徑。微咸水灌溉增加了N2O累積排放量,這可能是由于微咸水灌溉增加了土壤含水率和輕度增加了土壤鹽分。同時(shí),土壤N2O排放通量隨土壤含水率的增大而增大,隨電導(dǎo)率的增大而減小(表2)。LINN等[37]認(rèn)為,土壤含水率增大時(shí),土壤可溶性基質(zhì)和微生物接觸相應(yīng)減少,土壤O2含量相應(yīng)減小,導(dǎo)致土壤硝化細(xì)菌脫氮,抑制反硝化作用,從而抑制土壤N2O的排放。CHEN等[16]研究結(jié)果表明,利用微咸水連續(xù)灌溉土壤后,微咸水灌溉條件下土壤N2O排放會(huì)顯著增加,這與第3年本試驗(yàn)研究結(jié)果類(lèi)似。以往研究表明土壤具有緩沖性,用微咸水灌溉時(shí),土壤并未達(dá)到閾值(EC1:5為1 130 μS/cm),微生物和土壤酶能通過(guò)提高自身的代謝效率適應(yīng)鹽脅迫[27]。而本試驗(yàn)測(cè)得的平均土壤電導(dǎo)率在215.98～784.10 μS/cm之間,說(shuō)明微咸水灌溉在抑制作物吸水增加土壤含水率的同時(shí),也會(huì)在一定程度上通過(guò)適度的增加土壤鹽分而促進(jìn)土壤的硝化和反硝化作用,增加N2O累積排放量。并且微咸水還會(huì)導(dǎo)致土壤的鹽析能力提高,降低N2O溶解度,促進(jìn)N2O排放[30]。隨著生物炭在土壤中的老化,其理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,對(duì)土壤碳氮轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生影響,進(jìn)而對(duì)土壤N2O的排放產(chǎn)生影響。這有可能由于本試驗(yàn)中老化生物炭提高土壤 pH值的延續(xù)效應(yīng)依舊存在,孔隙含水量增加,可利用底物減少及相關(guān)的氮循環(huán)功能基因豐度變化等多種因素綜合所造成的[38]。

3.3 灌水量、灌溉水鹽分和老化生物炭對(duì)全球增溫潛勢(shì)(GWP)和凈碳平衡(NEP)的影響

量化不同灌水模式下老化生物炭施加對(duì)農(nóng)田增溫潛勢(shì)的影響對(duì)于研究全球變暖具有重要的意義。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)虧缺灌溉可以有效地減小農(nóng)田增溫潛勢(shì)。王曉云等[39]在關(guān)中平原地區(qū)對(duì)小麥進(jìn)行不同生育期虧水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),虧缺灌溉顯著降低了小麥農(nóng)田的增溫潛勢(shì)。由此可見(jiàn),在集中程度較高的農(nóng)業(yè)灌區(qū)適當(dāng)減少灌水量可以緩解全球變暖。而用微咸水代替淡水灌溉增加了GWP,有加速全球變暖的風(fēng)險(xiǎn),這與魏琛琛等[5]的研究結(jié)果一致。第3年老化生物炭仍然具有減少GWP的能力。HAGEMANN等[14]利用田間自然老化生物炭在室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),老化生物炭機(jī)械性能得到改善,這可以減少生物炭中不穩(wěn)定組分釋放,如土壤中CO2和N2O的排放;此外老化生物炭顆粒中固定CO2細(xì)菌Chloroflexi依舊存在以及老化生物炭的硝化和氨氧化抑制,這可以減少土壤中CO2和N2O的排放,降低全球增溫潛勢(shì)[40-41]。雖然土壤是CO2排放的來(lái)源,但總體而言,農(nóng)田系統(tǒng)是土壤碳的匯(表3)。灌水量、灌溉水鹽分和老化生物炭顯著影響碳匯(p<0.001)。與常規(guī)灌溉(W1S0)相比,虧缺灌溉和微咸水灌溉NEP分別減少52.12%和37.07%。WEI等[20]為期2年的玉米田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)虧缺灌溉和灌溉水鹽度增加降低了NEP。這主要是由于干旱和鹽分脅迫減少了玉米生物量,從而減少了植株碳的固定量,而溫室氣體排放的貢獻(xiàn)程度相對(duì)較小。老化生物炭一方面減少了溫室氣體(N2O和CO2)的排放,一方面可以增加玉米植株固碳[32],最終增加NEP 15.86%～33.52%?？梢?jiàn),老化3年生物炭在固碳減排方面仍能發(fā)揮巨大的效益,但還需要更長(zhǎng)時(shí)間的田間觀測(cè)來(lái)進(jìn)一步評(píng)估這種效益的持續(xù)性。

4 結(jié)論

(1)老化生物炭、充分灌溉和微咸水都顯著增大了土壤含水率;老化生物炭和充分灌溉增加了土壤pH值;老化生物炭、虧缺灌溉和微咸水灌溉增加土壤溫度;微咸水灌溉顯著增加了土壤電導(dǎo)率,且虧缺灌溉和老化生物炭處理增加更為明顯。在地下水(含鹽量0.71 g/L)灌溉條件下,土壤電導(dǎo)率從大到小依次為W2B1、W2B0、W1B1、W1B0;在微咸水(含鹽量4.0 g/L)灌溉條件下,土壤電導(dǎo)率從大到小依次為W2B1、W1B1、W2B0、W1B0。

(2)不同處理之間CH4累積排放量沒(méi)有明顯差異。虧缺灌溉和老化生物炭處理比對(duì)照組(W1S0B0)CO2累積排放量低24.13%～52.68%和7.33%～18.78%,但微咸水灌溉增加9.06%～24.79%。微咸水處理總體上增加土N2O排放,提高9.95%～18.03%,但老化3年生物炭較未添加老化生物炭處理下的N2O 累積排放量降低21.14%～29.76%。老化生物炭和虧缺灌溉顯著降低了農(nóng)田土壤的增溫潛勢(shì)和溫室氣體排放強(qiáng)度;微咸水灌溉顯著增加了增溫潛勢(shì)和溫室氣體排放強(qiáng)度。同時(shí),老化生物炭處理獲得的碳匯值比B0處理高15.86%～33.52%,虧缺灌溉和微咸水灌溉碳匯值低于充分灌溉和淡水灌溉37.30%～71.96%和17.70%～65.36%。

(3)微咸水和虧缺灌溉抑制了春玉米的生長(zhǎng),降低玉米產(chǎn)量和干物質(zhì)累積量。在W1S0、W1S1和S2S0處理下,老化生物炭總體上促進(jìn)了春玉米的生長(zhǎng),盡管在產(chǎn)量上表現(xiàn)不是很明顯,但顯著增加了不同灌溉處理下的干物質(zhì)累積量,增加7.86%～25.82%。在W2S1處理下,老化生物炭雖然也增加了玉米生物量,但是顯著降低了玉米籽粒產(chǎn)量,降低15.80%。

(4)本試驗(yàn)條件下,在W1S0、W1S1和W2S0灌溉方式下,施加老化生物炭能夠增加春玉米籽粒產(chǎn)量,并且同時(shí)有效減少溫室氣體排放,使得農(nóng)田全球增溫潛勢(shì)降低和大幅度增加農(nóng)田土壤碳匯值,可為西北干旱地區(qū)灌溉方式結(jié)合生物炭施加模式提供理論依據(jù)。