加氣條件下土壤CO2排放 對土壤過氧化氫酶活性及番茄生長的響應

胡文同，楊志超，鄭心潔，蔣洪麗，蔡煥杰,2，陳 慧,2

(1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點試驗室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

由溫室氣體引起的全球氣候變暖已經成為了當今世界備受關注的環境問題[1]。CO2是大氣中最主要的溫室氣體，對全球氣候變暖起了重大作用。據統計，全球大約有20%的CO2來自農田生態系統[2]。中國是世界農業大國，其中，北方設施蔬菜面積已達125.3 多萬hm2[3]。隨著反季節蔬菜市場的擴大，我國設施菜地的面積正在并將不斷增加。然而不合理施肥，尤其是大量有機肥的施入是設施菜地的常見現象，這會引起大量CO2排放。因此，研究設施菜地的CO2排放規律對調節全球氣候變暖問題有重大意義。

截止目前，美國、以色列和意大利等國家都已對加氣灌溉技術進行了相關研究，特別是通過文丘里加氣灌溉。前人研究表明，加氣灌溉能減輕土壤板結狀況且改善土壤的通氣狀態，滿足作物根系對O2需求，利于根區土壤微生物的活動和礦物質的運移，進而滿足作物根系對養分和水分的吸取[4, 5]。加氣灌溉能提高作物水分利用效率、品質及產量已被大量研究證實[6-9]，然而加氣灌溉對土壤環境效應方面的研究仍缺少。土壤中的過氧化氫酶能促進土壤中過氧化氫的分解、促進過氧化氫對多種化合物的氧化作用，有利于減輕土壤過氧化氫對作物根系和土壤微生物的毒害作用，進而促進作物根系的呼吸[4, 10]。因此，研究土壤過氧化氫酶活性對研究土壤CO2排放有著重要意義。目前為止，有關加氣灌溉對土壤CO2排放或土壤酶活性的影響研究相對較少。例如，陳慧等[11]表明加氣灌溉增加了土壤CO2排放，但不顯著。李元等[4]通過采用空氣壓縮機實現水氣分離加氣方式，在對大棚甜瓜地土壤過氧化氫酶進行研究時發現，加氣增加了土壤過氧化氫酶活性，但其研究只在作物不同生育期進行了3次簡單觀測，而不能準確評估土壤過氧化氫酶活性的變化規律。此外，對不同作物及種植環境下土壤CO2排放和土壤過氧化氫酶間聯系的研究較多[12, 13]，但有關加氣條件下土壤CO2排放與過氧化氫酶間聯系的研究鮮見報道。因此，本文通過田間觀測，研究加氣條件下土壤CO2排放對土壤過氧化氫酶活性及番茄生長的響應，研究結果為深入研究農田土壤碳循環過程提供參考和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年4月4日到7月4日在西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點試驗室的日光溫室內進行(長36 m、寬10.3 m、高4 m)。研究站位于北緯34°20′，東經108°04′，海拔高度為521 m。所處地理位置屬半干旱偏濕潤區，多年平均氣溫12.5 ℃，年均日照時數為2 163.8 h，無霜期為210 d，降雨量548.80 mm。小區試驗土壤為塿土，1 m土層內平均土壤干容重為1.35 g/cm3, 田間持水量22.3%(質量含水率)。種植前測得土壤有機質含量為9.51 g/kg，全氮含量為1.86 g/kg，全磷含量為1.397 g/kg，全鉀含量20.224 g/kg，土壤肥力中等。

1.2 試驗設計

試驗以溫室番茄(品種：“金鵬10號”)為供試作物，采用營養缽育苗，于2017年4月6日定植，此時番茄秧苗處于3葉1心或4葉1心狀態。定植時對番茄幼苗進行澆透底水，澆水后在壟上覆膜。在番茄三穗時進行打頂處理，試驗于2017年7月4日結束，生育期為90 d。試驗番茄生育期具體劃分見表1。

表1 番茄生育期具體描述Tab.1 The description of tomato growth period

本次試驗共設計兩個處理：加氣灌溉(AI)和常規膜下滴灌(CK)。每個處理設置三個重復，其中一壟為一個重復，共計6壟，采用完全隨機分布布設。為防止水分側滲，壟與壟之間用塑料膜隔開。每壟的尺寸為長4.0 m，寬0.8 m，面積為3.2 m2。每壟種植11株供試番茄，每株間距35 cm。灌水方式采用地下滴灌，滴灌帶埋深和滴頭間距分別為15 cm和35 cm。AI處理，灌溉與加氣同步，即采用水氣結合的加氣灌溉方式，在每個小區首端安裝文丘里計(圖1)，以此作為加氣設備進行加氣，進口壓力為0.1 MPa，出口壓力為0.02 MPa，由排氣法得到進氣量約占灌水量的17%。

圖1 加氣膜下滴灌簡圖Fig.1 Schematics of aerated subsurface drip irrigation

試驗中的灌水量由安置在溫室內的E601型蒸發皿測得的蒸發量確定，每次灌水量由式(1)計算：

W=kCp·Epan·A

(1)

式中：W表示灌水量，L；kCp為蒸發皿系數，本次取為1.0；Epan為蒸發皿測得的蒸發量，mm；A為一個灌水器控制的小區面積，m2。

番茄整個生育期，AI和CK處理各進行了16次灌水，合計灌水量為30.7 L(表2)。此外，根據當地農民的經驗，試驗只施基肥，于1月22日施有機肥料(N-P2O5-K2O≥10%；有機質≥45%)3 437.5 kg/hm2與復混肥料(總養分≥45%，其中氮、磷、鉀各含15%)2 187.5 kg/hm2。

表2 番茄整個生育期灌水時間及灌水量Tab.2 Irrigation time and amount throughout the whole tomato growth period

1.3 測定指標及方法

土壤CO2排放：采用靜態暗箱原位采集氣體[14]，箱體為6 mm厚的PVC材質構成，底面積為25 cm×25 cm，高度為25 cm。箱體外表面用錫箔紙包裹，頂部安裝有攪拌空氣的小風扇以使氣體均勻。番茄移植當天在小區靠近中央的兩棵幼苗之間預埋方形底座(25 cm×25 cm)，底座嵌入土壤5 cm深，底座上端由大約3 cm深的凹槽構成用以放置靜態箱箱體，取氣時對底座進行注水密封處理，避免空氣對氣體樣品的干擾。氣體采樣從移苗后第9 d開始，每隔5～7 d采樣1次，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，并在當天采用安捷倫氣相色譜儀分析儀7890A型(Agilent Technologies 7890A GC System)進行濃度分析，CO2排放通量采用(2)式計算：

(2)

番茄全生育期內土壤CO2排放量通過下式計算：

(3)

式中：Y為土壤CO2的累積排放量；F為土壤CO2排放通量；(Ti+1-Ti)為相鄰兩次測定間隔天數；i為第i次測定；n為測定總次數。

土壤過氧化氫酶活性：利用對角線法每隔15 d左右在每壟首、中、末端2棵番茄植株之間進行3點取土，深度至20 cm，使其充分混合作為該重復的土壤樣品。樣本風干后過1 mm篩，用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性[15]。

土壤充水孔隙率：在每壟首、中和末端2棵番茄植株之間利用土鉆取土法取出0～10 cm深度的土壤樣本，混合，用烘干法測量每個小區的土壤水分，取其平均值作為每個處理的土壤含水量，并轉換成土壤充水孔隙率(Soil Water-filled Pore Space，WFPS)。成熟期之前每7 d取一次土壤樣品，成熟期每10 d取一次土壤樣品。WFPS由式(4)確定：

(4)

式中：ω代表土壤重量含水率，%；P代表土壤孔隙度，%；ρ代表土壤容積，g/cm3。

土壤/箱內溫度：每次取氣的同時，利用插入土壤10 cm深度的地溫計獲取土壤溫度；用安插在箱體頂部的水銀溫度計測定取樣時的箱溫。

番茄株高：在番茄苗期和開花坐果期，每5 d左右測一次；之后，每8 d左右測定一次。用卷尺測定從植株基部到頂點的高度，每株每次測量三次，取其平均值作為番茄株高。

1.4 數據分析

利用軟件Origin 8.5畫圖，用Excel和IBM SPSS Statistics 20數據處理軟件進行數據統計分析。

2 結 果

2.1 加氣灌溉對土壤CO2排放的影響

由圖2可見，在番茄的整個生育期內，AI和CK處理下的土壤CO2排放通量同步變化，均隨番茄移植天數的增加總體呈現為先增加后減小的趨勢。處理間對比顯示，在番茄生育期絕大多數時間內，AI處理的土壤CO2排放通量高于對應的CK處理。在番茄整個生育期內，AI處理土壤CO2排放通量均值為460.30 mg/(m2·h)，較CK處理增加了2.4%。苗期13 d(移植后天數)左右時，不同灌溉模式下土壤CO2排放通量在整個生育期最小，AI和CK處理土壤CO2排放通量分別為整個生育期平均值的52.2%和47.7%；隨后逐漸增大，到59 d時達到峰值，AI和CK處理土壤CO2排放通量分別為整個生育期平均值的1.4倍和1.5倍；80 d后土壤CO2排放通量維持在一個較穩定的水平，其值約等于整個生育期土壤CO2排放通量的平均值。此外，AI處理土壤CO2累積排放量為9 031.08 kg/hm2，較CK處理增加了2 06.75 kg/hm2，處理間差異性未達到顯著水平(P>0.05)。

圖2 加氣與常規膜下滴灌條件下 番茄整個生育期土壤CO2排放通量的變化Fig.2 Variations of soil CO2 fluxes during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

2.2 加氣灌溉對土壤過氧化氫酶活性的影響

從圖3可以看出，在番茄的整個生育期內，不同處理土壤過氧化氫酶活性均呈現先增加后減小再增加的趨勢；在番茄的采摘期(90 DAT)土壤過氧化氫酶活性達到最大值。此外，AI處理的土壤過氧化氫酶活性全生育期均值為1.11 mL/g，較CK處理增加了0.6%，但處理間差異性未達到顯著水平(P>0.05)。

圖3 加氣與常規膜下滴灌條件下 番茄整個生育期土壤過氧化氫酶活性的變化Fig.3 Variations of soil catalase activity during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

2.3 加氣灌溉對WFPS及土壤溫度的影響

不同灌溉條件下的WFPS在番茄的整個生育期內均總體呈現先減小后增加的趨勢[圖4(a)]，苗期WFPS較高主要是對幼苗進行澆透底水所致。隨著氣溫上升，作物蒸騰和土壤蒸發加強，且作物生長對水分需求不斷增加，消耗大量水分，引起WFPS下降；后期WFPS增加是因為番茄成熟期的生命活動較果實膨大期弱，消耗的水分較少，且較大的蒸發量使灌水量增加，這增大了WFPS。此外，AI處理WFPS的波動范圍為40.3%～70.6%，平均值為53.9%；CK處理WFPS的波動值為38.5%～73.1%，平均值為54.2%。在番茄的果實膨大期(59 d)WFPS達到最小值，AI條件下為其平均值的74.8%，CK條件下為其平均值的71.1%。由此可見，加氣灌溉較不加氣灌溉降低了WFPS，但不明顯(P>0.05)。

圖4 加氣與常規膜下滴灌條件下番茄整個生育期 土壤充水孔隙率(WFPS)和溫度的變化Fig.4 Variations of soil water-filled pore space (WFPS) and soil temperature during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

從土壤溫度變化曲線可以看出[圖4(b)]，在番茄地10 cm深度層，AI和CK兩種灌溉模式下土壤溫度的變化是一致的。14 d前土壤溫度呈現下降的趨勢；之后，各處理土壤溫度均隨著番茄移植天數的增加呈現上升的趨勢。番茄整個生育期內，AI處理下的土壤溫度均高于CK處理；且AI和CK處理平均土壤溫度分別為24.76 ℃和24.36 ℃。可見，AI較CK處理增加了土壤溫度，但不明顯(P>0.05)。

2.4 加氣灌溉對番茄生長的影響

由圖5可見，不同處理番茄株高在番茄整個生育期內變化規律一致。前期隨著移植天數增加，番茄株高在不斷增加，在50 d左右達到最大值；之后，番茄株高基本不變。處理間對比顯示，在番茄整個生育期內(成熟期的最后階段除外)，AI條件下的株高都比CK條件下高，平均增加了1.1%。說明AI條件下，番茄生長速度較快。

圖5 加氣與常規膜下滴灌條件下番茄整個生育期株高的變化Fig.5 Variations of plant height during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

2.5 土壤CO2排放通量與各影響因子之間的相關性分析

由表3可知，不同處理土壤CO2排放通量與土壤過氧化氫酶活性均呈正相關性，AI和CK處理相關系數分別為0.449和0.298。說明，土壤過氧化氫酶活性越高，對土壤中的過氧化氫分解地越徹底，能更加有效地減輕過氧化氫對作物的毒害作用，有利于作物根系的發育，促進土壤CO2排放。此外，不同灌溉條件下，土壤CO2排放通量與WFPS均呈負相關性且相關性極強(P<0.01)，AI條件下的相關系數為-0.887，CK條件下為-0.930。因此，加氣灌溉較不加氣處理降低了WFPS[圖4(a)]，改善了土壤通氣性，利于氣體排放。研究也發現，不同灌溉條件下的土壤CO2排放通量與土壤10 cm深度處的土壤溫度均呈正相關性，AI條件下的相關系數為0.472，CK條件下為0.482。AI條件下的WFPS與土壤10 cm深度處的土壤溫度呈顯著負相關，相關系數為-0.752；CK條件下也呈負相關，相關系數為-0.646。此外，不同處理下土壤CO2排放與番茄株高呈現顯著正相關關系(P<0.05)，AI處理的相關系數為0.725，相關性略低于CK處理(r=0.776)。

表3 加氣灌溉與對照處理土壤CO2排放 與各影響因子之間的相關系數Tab.3 Correlation coefficients of soil respiration rates and its affecting factors under AI and CK

注：AI表示加氣灌溉，CK表示常規膜下滴灌，CAT代表土壤過氧化氫酶活性，WFPS代表土壤充水孔隙率，*表示在0.05水平顯著相關；**表示在0.01水平顯著相關。

3 討 論

通過靜態暗箱/氣相色譜法對溫室番茄地土壤CO2排放進行原位觀測發現，土壤CO2排放通量隨番茄移植天數的增加總體呈現為先增加后減小的趨勢(圖2)，這與一些學者的研究結果相似[16-18]，但朱艷等[6]研究得出CO2排放峰值出現在番茄開花坐果期，而本試驗中土壤CO2排放主峰值出現在59 d(果實膨大期)，這與該時期土壤過氧化氫酶活性(圖3)、WFPS[圖4(a)]和植物生長情況(圖5)有密切關系。較高的土壤過氧化氫酶活性利于土壤中的過氧化氫分解，有效地減輕其對作物的毒害作用，有利于作物根系的發育，進而促進土壤CO2排放；且較低的WFPS有利于氣體排放；加之植株在59 d左右生長趨勢穩定，根系生長達到最大值，進而觀測到59 d土壤CO2排放主峰值。

此外，研究也發現，AI和CK處理的番茄整個生育期平均土壤CO2排放通量分別為460.30和449.58 mg/(m2·h)，而陳慧等[11]指出不同灌溉模式番茄地平均土壤CO2排放通量在193.66～259.10 mg/(m2·h)范圍內波動。產生差異的主要原因為本試驗的溫度較高，較高的土壤溫度將提高微生物活性，進而促進土壤CO2排放。這與林淼等[18]和俞永祥等[19]的結論相一致，隨著溫度的升高，土壤呼吸速率呈指數增加。

研究表明，AI較CK處理增加了土壤CO2排放(圖2)，這與不少學者的研究結果相似[6, 11, 20]，產生該現象的主要原因是加氣灌溉增加了土壤過氧化氫酶活性(圖3)，這有效的減輕了土壤過氧化氫對番茄根系和土壤微生物的毒害作用；此外，加氣灌溉降低了WFPS[圖4(a)]，有利于氣體排放；且加氣較不加氣增加了土壤溫度[圖4(b)]，這促進了微生物活性。以上皆表明加氣較不加氣處理能夠促進土壤CO2排放。

研究發現，土壤過氧化氫酶活性在整個生育期內有波動性，在果實膨大期前期和成熟期末期活性較高，而果實膨大期末期最低。而張璇等[10]指出過氧化氫酶活性在番茄生育期內先升后降，果實膨大期達到峰值，這可能是因為兩個試驗的試驗時間和番茄培育方法不同。此外，在番茄生育期的各個階段，AI條件下的土壤過氧化氫酶活性都比CK條件下高，平均增加了0.62%(圖3)，這與Niu等[21]的研究結果相似。而李元等[22]研究發現每兩天加一次氣，過氧化氫酶活性提高6%，這與本試驗的研究結果差距較大，其原因可能是由于本試驗中的灌溉間隔相對而言較長。

相關分析表明(表3)，不同灌溉條件下土壤CO2排放通量與土壤過氧化氫酶活性、土壤溫度和株高均呈正相關，而與WFPS呈極顯著負相關。朱艷等[6]研究表明土壤CO2排放通量與土壤溫度存在正相關性，這與本試驗的研究結果相似；陳慧等[11]研究得出土壤CO2排放通量與WFPS呈負相關，但相關性并不顯著，其原因可能是兩次試驗的灌水量和番茄生育期的時間長短不同。

4 結 論

通過溫室小區試驗發現：

(1)不同處理土壤CO2排放通量隨番茄移植天數的增加總體呈現先增加后減少的趨勢；且加氣灌溉增加了2.4%的土壤CO2排放量，但不顯著(P>0.05)。

(2)加氣灌溉提高了土壤過氧化氫酶活性，促進了番茄生長，增加了土壤溫度，但降低了WFPS(P>0.05)。

(3)土壤CO2排放通量與土壤過氧化氫酶活性、土壤溫度和番茄株高呈正相關(P>0.05)，而與WFPS呈極顯著負相關(P<0.01)。