不同灌水水平對溫室番茄地土壤CO2排放影響

陳 慧，侯會靜，朱 艷，徐家屯，王云霏，蔡煥杰

(西北農林科技大學旱區農業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來源于農田生態系統[2]。中國作為世界農業大國，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注。

灌溉通過引起土壤有機質礦化分解速率、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，其作為一種新的節水高效灌溉技術，在水資源緊缺的干旱和半干旱地區中被廣泛采用[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的產生和排放。大多數有關灌溉水平對土壤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，這就帶來在編制農業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變化規律，為評估設施菜地溫室氣體減排提供一定的科學依據。

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日在陜西省楊凌區西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室的日光溫室內進行(34°20′N，108°04′E)，試驗站海拔521 m。溫室結構為房脊型，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，年均日照時數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，土壤蒸發可忽略。分別于2014年12月28日和2015年7月29日結束，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的E601型蒸發皿的蒸發量值確定，按兩次灌水間隔內蒸發量值進行灌水，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≥45%)與復混肥料(總養分≥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為蒸發皿系數，取為1.0，不同灌水水平處理中分別取為0.6和1.0；Epan為蒸發皿測得的蒸發量，mm；A為一個重復控制的小區面積，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，保證箱體內氣體均勻，使取樣具有代表性。靜態箱底座在番茄移植當天埋設于小區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深的凹槽構成用以放置靜態箱箱體，取樣時注水密封，防止周圍空氣與箱內氣體交換。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內取土，用烘干法測定土壤0～10 cm含水率，并轉換成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為箱內溫度，℃。

1.5 數據分析

采用OriginPro8.5作圖和求CO2累積排放量，用SPSS Statistics 22.0數據處理軟件對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

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變化規律不明顯，而2015年春夏茬試驗土壤CO2排放通量在番茄生育期內總體表現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時間內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溫度和2014年試驗錯過了番茄苗期與部分開花坐果期有關：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時間內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：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：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：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的變化進而影響土壤CO2的產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系不明顯，FI和DI處理土壤CO2排放主峰值分別發生在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關系(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)，FI和DI處理土壤CO2排放主峰值分別發生在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，發現土壤CO2排放具有明顯的變化特征。其一，單個生長季內設施菜地土壤CO2排放呈現峰值短促、峰值高，脈沖式變化的現象。在本試驗兩個生長季內土壤CO2排放通量在番茄整個生育期內均呈波動性變化，這與一些研究學者的研究結果一致[13],這主要是番茄生育期內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的產生和排放都可能受低溫的限制。這與大多數研究結論一致，CO2排放通量與溫度呈正相關關系[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)范圍內變化，而這些結果遠高于大田試驗觀測值[15,16]。比如袁勇等[15]發現豇豆菜地平均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, 碳源物質豐富, 促進了土壤微生物的生長, 呼出了較多的CO2量有關[17]。此外，菜地較大田環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境因子[21]。本文利用靜態箱氣相色譜法對溫室番茄地土壤CO2排放進行了原位監測，發現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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