不同灌水下限設(shè)施番茄土壤CO2排放特征及其影響因素研究

韓昌東，葉旭紅，馬 玲，馬建輝，鄒洪濤，張玉龍

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點實驗室/土肥資源高效利用國家工程實驗室，沈陽 110866）

0 引 言

土壤CO2排放是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，其占全球各單元 CO2排放總量的 5%～25%[1]。土壤CO2排放量的增加是加劇全球氣候變暖的主要因素之一[2]。隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國設(shè)施蔬菜種植面積占蔬菜總種植面積的比例不斷增加，2012—2017年平均增加了10%，其中2017年達到了32.3%[3]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍、最易受人類活動影響的部分[4-5]。設(shè)施農(nóng)業(yè)具有高溫高濕、灌溉頻率高、無雨水淋洗、土地利用強度高、肥料投入量大、土壤CO2排放較高[6-8]等特點。因此，研究設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤CO2排放規(guī)律及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系對于減緩?fù)寥捞寂欧啪哂兄匾饬x。

越來越多的學(xué)者關(guān)注到了設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤碳排放的問題。任濤等[9]在設(shè)施菜地施用不同有機肥和氮肥的試驗中發(fā)現(xiàn)，有機肥和秸稈的施用顯著提高了設(shè)施菜地土壤 CO2排放速率；王春新等[10]指出，氮肥與有機肥配施比單施氮肥處理顯著提高了土壤 CO2排放速率；楊洋等[11]對設(shè)施番茄采用不同灌溉方式的灌溉試驗研究發(fā)現(xiàn)，土壤CO2排放速率表現(xiàn)為溝灌>滴灌>滲灌；朱艷等[12]研究表明，加氣灌溉比地下滴灌顯著提高了土壤 CO2排放速率；王亞芳等[13]通過研究灌溉方式和秸稈還田對設(shè)施番茄田 CO2排放的影響發(fā)現(xiàn)，無論是否添加秸稈，滴灌處理均比傳統(tǒng)畦灌顯著降低了 CO2累積排放量；師夢嬌等[14]對未種植作物設(shè)施土壤釋放溫室氣體的研究發(fā)現(xiàn)，CO2的排放總量表現(xiàn)為高水處理>中水處理>低水處理。目前，相關(guān)學(xué)者關(guān)于設(shè)施蔬菜土壤 CO2排放的研究主要集中在不同施肥和不同灌溉方式，而針對膜下滴灌不同灌水控制下限設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤 CO2排放特征影響的研究鮮有報道。

膜下滴灌逐漸成為設(shè)施蔬菜栽培的主要灌溉方式，但由于缺乏科學(xué)的灌溉指導(dǎo)，菜農(nóng)只能根據(jù)經(jīng)驗進行灌溉，灌水量和灌溉次數(shù)具有一定的隨機性[15]。而土壤水分是影響設(shè)施蔬菜土壤 CO2排放的重要因素[16]，灌水量和灌溉次數(shù)的不同會對土壤碳排放產(chǎn)生較大影響。因此，如何科學(xué)合理制定灌溉決策，減少土壤碳排放已成為當(dāng)今研究的熱門問題。

本研究以連續(xù)7 a膜下滴灌的設(shè)施蔬菜土壤為研究對象，設(shè)置不同灌水下限處理，監(jiān)測土壤CO2排放特征，探討設(shè)施番茄膜下滴灌土壤CO2排放特征及其影響因素，以期為科學(xué)調(diào)控設(shè)施番茄土壤水分和土壤碳排放提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗于2018年4月30—7月26日在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施蔬菜栽培節(jié)水灌溉科研試驗基地（41.62°N，123.46°E）進行，該基地已連續(xù)7 a進行設(shè)施蔬菜栽培膜下滴灌試驗。供試土壤類型為棕壤，基本理化性質(zhì)：pH值、有機質(zhì)量、全氮量、速效磷量、速效鉀量、堿解氮量分別為6.6、10.91 g/kg、1.34 g/kg、71.27 mg/kg、183.59 mg/kg、57.01 mg/kg。供試作物為番茄。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置 3個灌水下限處理，分別為 20 kPa（D20）、30 kPa（D30）和 40 kPa（D40），各處理灌水上限均設(shè)定為6 kPa。每個處理設(shè)3個重復(fù)，試驗小區(qū)隨機排列，面積為20 m2。相鄰小區(qū)之間埋設(shè)深度為0.6 m的隔離帶（塑料薄膜）以防止相互影響。灌溉方式均采用膜下滴灌。滴灌帶選用市售普通滴灌帶，滴頭流量為2.5 L/h，相鄰出水孔間距為30 cm。番茄定植后，將張力計（ICF，Australia）分別埋設(shè)至地表以下15、30和45 cm深度，每天上午08:00讀取張力計數(shù)值并據(jù)此進行灌溉。設(shè)定各處理土壤水吸力達到20、30、40 kPa時開始灌溉，并根據(jù)計算確定灌水量。灌水上下限土壤體積含水率通過所測得的計劃濕潤層代表性土壤水分特征曲線計算得出，曲線方程[17]為：

式中：θ為土壤體積含水率（cm3/cm3）；h為土壤水吸力（kPa）。小區(qū)單次灌水量計算式為：

式中：Q為小區(qū)單次灌水量（m3）；H為計劃濕潤層厚度（cm），本試驗取30 cm；R為計劃濕潤比，本試驗取0.50；θ2和θ1分別為灌水控制上下限土壤體積含水率（cm3/cm3）；S為小區(qū)面積（m2）。具體參數(shù)如表1所示。

表1 不同灌水下限試驗設(shè)計參數(shù)Table 1 Text design of different controlled irrigation low limits

1.3 試驗實施

各處理所施用的肥料為膨化雞糞（37.5 t/hm2）、磷酸二銨（0.6 t/hm2）、硫酸鉀（0.6 t/hm2）和尿素（0.45 t/hm2）。定植前，各處理撒施有機肥、磷酸二銨和硫酸鉀。尿素分為等量3份，分別在定植前撒施、第1次追肥（6月22日）和第2次追肥（7月4日）隨水施入。其他田間管理同當(dāng)?shù)卦O(shè)施蔬菜栽培一致。

2018年5月3日定植番茄，5月30日開始試驗，7月26日田間試驗結(jié)束。

1.4 測定項目與方法

番茄收獲后，采集0～20 cm土層土壤。土壤體積質(zhì)量（BD）采用環(huán)刀法測定；土壤有機質(zhì)（OM）和全氮（TN）采用元素分析儀（Vario ELⅢ，Elementar，Germany）測定；土壤pH值采用pH計測定；土壤速效磷量（AP）、速效鉀量（AK）和堿解氮量（AN）采用常規(guī)方法測定[18-19]；微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸法測定[20]。番茄生長期間，采用ENVIdata-DT植物生理生態(tài)檢測系統(tǒng)（ENVIdata-DT，China）連續(xù)監(jiān)測（每30 min采集數(shù)據(jù)1次）15 cm深度土壤含水率和溫度的變化。

在測定土壤CO2排放速率之前48 h將土壤環(huán)均勻插入土壤中[21]，以盡可能減少土壤擾動。為了減小空間分布的差異性和測量期間植物對土壤 CO2排放的影響，將土壤環(huán)安裝在各小區(qū)相同位置，并將土壤環(huán)中地表植物的地上部分剪除。安置平衡48 h后，使用 LI-8100A土壤碳通量自動測定儀（Li-Cor，Lincon，NE，USA）測定土壤 CO2排放速率。土壤CO2排放測定時間為水分處理期間灌溉后 1～3 d上午08:00—11:00。設(shè)施土壤CO2累計排放量（SR）計算式[22]為：

式中：SR為CO2累計排放量（g/m2，以CO2計）；F為土壤CO2排放速率第i次測定（μmol/（m2·s））；（ti+1-ti）為連續(xù)2次測定間隔時間；n為測定的總次數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計并繪圖；采用SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析；采用R語言和 Origin8.5軟件進行繪圖。采用非線性回歸的方法分析不同灌水下限處理的土壤CO2排放速率與15 cm土壤溫度的關(guān)系，采用的指數(shù)模型如下[23-24]：

式中：Y為土壤 CO2排放速率（μmol/（m2·s））；T為15 cm深度土壤溫度（℃）；a、b為反映土壤基礎(chǔ)呼吸高低的參數(shù)。基于此計算表征土壤溫度對土壤CO2排放速率的影響程度的Q10值（Q10=e10b），其含義為土壤溫度每升高10 ℃土壤呼吸作用增加的倍數(shù)[25-26]。

土壤CO2排放與土壤水分之間的關(guān)系較為復(fù)雜，相關(guān)學(xué)者多用數(shù)學(xué)模型來描述，例如線性、對數(shù)、指數(shù)以及多項式方程等[27-28]，本研究采用多項式方程模型進行擬合。為了更好地描述土壤溫度和含水率對土壤CO2排放的協(xié)同作用，采用土壤溫度和土壤含水率雙因素復(fù)合模型模擬土壤 CO2排放對二者的響應(yīng)機理[29-30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水下限土壤CO2排放速率的動態(tài)變化

不同灌水下限處理土壤 CO2排放速率變化趨勢如圖1所示。由圖1可知，各水分處理初期土壤CO2排放速率呈先升高再下降趨勢，2次追肥后各處理土壤CO2排放速率均有明顯的增加，隨后下降。番茄生育期內(nèi)，D20和D30處理的土壤CO2排放速率均出現(xiàn) 5次明顯的峰值，變化范圍分別為 2.283～3.277 μmol/（m2·s）和 2.282～2.993 μmol/（m2·s），平均速率分別為 2.759 μmol/（m2·s）和 2.601 μmol/（m2·s）；D40處理土壤CO2排放速率出現(xiàn)4次明顯的峰值，變化范圍為 2.238～3.087 μmol/（m2·s），平均速率 2.559 μmol/（m2·s）。各處理土壤 CO2排放速率的最高峰出現(xiàn)在6月24日，以D20處理的峰值最高。

2.2 不同灌水下限對土壤CO2累積排放量的影響

如圖2所示，番茄生育期內(nèi)D20處理的土壤CO2累積排放量最高，為590.654 g/m2（以CO2計），其次是D30處理，為556.647 g/m2，D40處理土壤CO2累積排放量最小，為546.808 g/m2。D20處理土壤CO2累積排放量顯著高于 D30、D40處理（P<0.05），但D30和D40處理之間并未達到顯著差異。說明D20處理促進了土壤CO2排放。

圖1 不同灌水下限處理的土壤CO2排放速率的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of CO2 emission flux under different controlled irrigation low limits

圖2 不同灌水下限土壤CO2累積排放量Fig.2 Cumulative soil CO2 emission under different controlled irrigation low limits

2.3 土壤CO2排放的影響因素分析

2.3.1 土壤溫度

不同灌水下限處理土壤溫度的動態(tài)變化趨勢基本一致，呈先下降后上升再下降隨后緩慢上升的趨勢（圖3）。番茄生育期內(nèi)，土壤溫度以D40處理變化范圍最大，為20.867～27.724 ℃，其次是D20處理，變化范圍在21.083～27.529 ℃，D30處理變化范圍最小為21.033～27.271 ℃；土壤溫度平均值以D20處理最高（24.124 ℃），其次是 D40處理（23.893 ℃），D30處理平均值最小（23.602 ℃）。

為進一步探明不同灌水下限處理土壤 CO2排放對土壤溫度的響應(yīng)，本文采用指數(shù)方程對3種灌水下限處理土壤CO2排放速率與土壤溫度進行擬合（圖4），并計算溫度敏感系數(shù)Q10值。如圖4所示，3種灌水下限處理下土壤 CO2排放速率與其各自對應(yīng)的土壤溫度（T）擬合效果較好，D20、D30和D40處理擬合方程分別為：Y=1.052e0.0404T、Y=1.068e0.0376T、Y=1.075e0.0366T，均達到了1%顯著水平（R2=0.411 1～0.501 2）。溫度敏感系數(shù)Q10值以D20處理最大，為1.498，其次是D30處理（1.456），D40處理最小，為1.442，D20處理的溫度敏感性最高，D40處理的溫度敏感性最低。

圖3 不同灌水下限土壤溫度動態(tài)變化Fig.3 Soil temperature under different controlled irrigation low limits

2.3.2 土壤含水率

不同灌水下限處理的灌水時間和灌水量如表 2所示。番茄生育期內(nèi)，灌水次數(shù)和總灌水量均表現(xiàn)為D20處理>D30處理>D4處理，單次灌水量表現(xiàn)為D40處理>D30處理>D20處理。D20處理灌水18次，總灌水量為 1 683.35 m3/hm2，平均每次灌水 93.519 m3/hm2；D30處理灌水 14次，總灌水量為 1 334.1 m3/hm2，平均每次灌水95.293 m3/hm2；D40處理灌水11次，總灌水量為1 138.87 m3/hm2，平均每次灌水103.532 m3/hm2。如圖5所示，不同灌水下限處理土壤含水率的變化規(guī)律不一致。D40處理土壤含水率變化范圍最大，為19.1%～25.2%，其次是D20處理，為 22.8%～27.8%，D30處理變化范圍最小，為21.6%～26.0%。土壤含水率平均值表現(xiàn)為 D20處理>D30處理>D40處理。

圖4 不同灌水下限土壤CO2排放速率與土壤溫度擬合Fig.4 Relationship between soil CO2 emission and soil temperature under different controlled irrigation low limits

表2 不同灌水下限處理的灌水時間和灌水量Table 2 Irrigation time and amount of different controlled irrigation low limits treatments

圖5 不同灌水下限土壤含水率動態(tài)變化Fig.5 Soil water content under different controlled irrigation low limits

如圖6所示，土壤含水率（W）是影響不同灌水下限土壤CO2排放的重要因素，其解釋了46%～51%的土壤CO2排放的變化。D20、D30和D40處理擬合方程為：Y=0.13W2-6.473W+83.252、Y=0.0049W2-0.366W+8.597、Y=0.0407W2-1.771W+21.66。此外，D20處理土壤含水率<24.9%時，土壤CO2排放速率與土壤含水率負相關(guān)，當(dāng)含水率>24.9%時，土壤CO2排放速率與土壤含水率正相關(guān)；D30處理土壤含水率<37.3%時，土壤CO2排放速率與土壤含水率負相關(guān)，當(dāng)含水率>37.3%時，土壤 CO2排放速率與土壤含水率正相關(guān)；D40處理土壤含水率<21.8%時，土壤CO2排放速率與土壤含水率呈負相關(guān)，當(dāng)含水率>21.8 %時，土壤CO2排放速率與土壤含水率正相關(guān)。

圖6 不同灌水下限土壤CO2排放速率與土壤含水率擬合Fig.6 Relationship between Soil CO2 emission and soil water content under different controlled irrigation low limits

2.3.3 土壤水熱因子的綜合作用

由圖 7可知，在不同灌水下限處理下，以土壤含水率（W）和土壤溫度（T）為自變量，土壤呼吸速率（Y）為因變量建立雙因素復(fù)合模型，D20、D30處理和 D40處理擬合方程分別為：Y=-0.026T2+1.289T+0.119W2-5.923W+60.467、Y=0.020T2-0.873T+0.018W2-0.984W+20.085 、Y=0.019T2-0.798T+0.016W2-0.728W+19.08，且各處理復(fù)合模型均達極顯著水平，R2在0.685～0.838之間，相比于單因素模型（R2=0.411～0.515），土壤溫度與土壤含水率雙因素復(fù)合模型可以更好地解釋土壤CO2排放的變化。?

圖7 不同灌水下限土壤CO2排放對土壤溫度和含水率的響應(yīng)曲面Fig.7 Response surface of soil CO2 emission to soil temperature and soil water content under different controlled irrigation low limits

2.3.4 土壤理化性狀

為了探究土壤CO2排放對土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)，對土壤CO2累積排放量和收獲期0～20 cm土壤理化性質(zhì)做相關(guān)性分析，結(jié)果見圖8。土壤CO2排放量與有機質(zhì)、微生物量碳和速效鉀呈極顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與pH值、全氮量、堿解氮量和速效磷量呈顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與土壤體積質(zhì)量無顯著相關(guān)關(guān)系。

2.3.5 土壤CO2排放影響因子主成分分析

主成分分析（PCA）結(jié)果表明（圖9）：土壤CO2排放影響因子可以提取出2個主成分，這2個主成分的累積貢獻率為85.8%。主成分1由微生物量碳量、速效鉀量、全氮量和土壤含水率構(gòu)成，荷載分別為0.982、0.982、0.956和 0.947，貢獻率為 72.9%；主成分 2由土壤溫度構(gòu)成，荷載為 0.796，貢獻率為12.9%。由此可知，不同灌水下限條件下，0～20 cm土壤含水率、土壤溫度、微生物量碳、全氮量和速效鉀量是影響土壤CO2排放的主要因素。

圖8 土壤CO2累積排放量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Fig.8 Relationship between cumulative soil CO2 emission and General characteristics of soils

圖9 土壤CO2排放影響因子主成分分析Fig.9 PCA of soil CO2 emission and influence factors

3 討 論

以往研究表明，灌溉通常會增加土壤CO2排放量，但土壤 CO2排放量與灌水量間并非簡單的線性關(guān)系[31]；杜世宇等[32]研究表明，灌水促進土壤 CO2的排放，CO2排放累積量與土壤含水率存在顯著正相關(guān)關(guān)系；師夢嬌等[14]研究表明，土壤 CO2的排放隨著灌溉量的增加而增加，灌溉頻率過高降低了土壤 CO2的排放量。本研究中，D20處理土壤CO2排放速率和累積量顯著高于D30和D40處理。滴灌是一種間歇性灌溉方式，灌水量與干濕交替的變化會影響土壤微生物數(shù)量和活性[22,33]，進而影響土壤CO2排放。D20處理灌水下限值最小，到達灌水始點的時間最短，干濕交替最頻繁[15,34]，土壤在干濕交替過程中，會釋放有機碳顆粒，提高反應(yīng)底物濃度[35]，進而增強土壤CO2排放。這表明頻繁灌溉在提高土壤含水率的同時可能會增加土壤CO2排放。2次追施氮肥后，各處理土壤CO2排放速率均明顯上升，這可能是由于氮肥的施用促進了土壤微生物的活動，加快了土壤有機質(zhì)的分解，進而提高了土壤CO2排放速率[36,37]。

土壤溫度和土壤含水率是影響土壤 CO2排放的重要因素[38]。有研究指出，土壤 CO2排放速率與土壤溫度呈顯著的指數(shù)回歸關(guān)系[39]，與本研究結(jié)果一致。本研究中，不同灌水下限處理土壤溫度變化趨勢基本一致，且都在 20.867～27.724 ℃之間變化，這可能是由于地膜的覆蓋使土壤溫度維持在一個較穩(wěn)定的水平。土壤CO2排放溫度敏感性系數(shù)Q10表現(xiàn)為D20處理>D30處理>D40處理，說明在同一溫度條件下，Q10值會因灌水下限的不同而不同。此外，溫度敏感性系數(shù)還受底物數(shù)量和質(zhì)量[5,40]以及一些不確定性因素的影響[41]。土壤水分參與土壤環(huán)境中多種生物和化學(xué)反應(yīng)過程，影響著土壤養(yǎng)分的遷移[36]、土壤通透性、微生物活性、土壤結(jié)構(gòu)以及根系生長等來調(diào)控土壤CO2排放[42-43]。研究表明，土壤CO2排放速率與土壤含水率呈較好的二項式模型關(guān)系[21]，與本研究得到的結(jié)果一致。李賢紅[44]指出，土壤 CO2排放速率隨土壤含水率的增加而增大，但本研究并未完全呈現(xiàn)此規(guī)律。在本研究范圍內(nèi)，當(dāng)土壤含水率大于某一值時，土壤CO2排放速率會隨土壤含水率的增大而增大，這可能是因為不同的微生物群落具有特定的含水率適宜范圍。本研究中，土壤溫度和土壤含水率雙因素復(fù)合關(guān)系模型可以解釋68.5%～83.8%的土壤CO2排放的變化，高于單因子模型，說明土壤溫度和土壤含水率共同交互作用于土壤CO2排放，而不是單獨作用于土壤CO2排放。

以往研究表明，土壤有機質(zhì)量、全氮量與土壤CO2排放累積量呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系[45]，與本研究結(jié)果一致，可能是因為在施肥量相同的條件下，土壤呼吸作用的增強促進了土壤有機質(zhì)的分解。有研究表明，土壤CO2排放與速效磷、速效鉀、堿解氮呈負相關(guān)關(guān)系[46]，與本研究結(jié)果一致，說明土壤速效養(yǎng)分與土壤CO2排放之間關(guān)系密切。土壤體積質(zhì)量是衡量土壤通透性的重要指標，有研究指出土壤CO2排放與土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系[44]，但本研究中二者之間無顯著相關(guān)性。其原因可能是不同灌水下限處理都是基于覆膜滴灌，水從出水口滴出，這樣的局部濕潤對土壤結(jié)構(gòu)的影響較小。土壤pH值主要通過影響土壤微生物的活動、有機質(zhì)的合成與分解等影響土壤 CO2排放[47]。本研究結(jié)果表明，土壤CO2排放與土壤pH值呈負相關(guān)關(guān)系，且各處理的土壤pH值均處在土壤微生物活性的最適pH值在6～8之間[48]。本研究中，灌水下限顯著影響土壤微生物量碳的變化，土壤微生物量碳與土壤CO2排放呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與前人的研究結(jié)果一致[49]，說明土壤微生物量碳是影響土壤CO2排放的重要指標。

4 結(jié) 論

1）設(shè)施番茄栽培條件下，設(shè)置不同膜下滴灌灌水下限對土壤CO2排放產(chǎn)生了顯著影響。3種灌水下限處理下，D20處理土壤CO2累積排放量最大，顯著高于D30和D40處理；D30和D40處理之間未達到顯著性差異。

2）土壤CO2排放影響因子可以提取出2個主成分，主成分1由微生物量碳、速效鉀、全氮和土壤含水率構(gòu)成，主成分2由土壤溫度構(gòu)成，這2個主成分的累積貢獻率為 85.79%；土壤含水率、土壤溫度與土壤CO2排放的復(fù)合關(guān)系模型可解釋68.5%～83.8%的土壤CO2排放變化，說明不同灌水下限造成的土壤微環(huán)境的變化會導(dǎo)致土壤CO2排放的差異。