滴灌对农田土壤CO2和N2O产生与排放的影响研究进展

郭树芳,齐玉春,董云社*,彭 琴,刘欣超,孙良杰,贾军强,贺云龙,曹丛丛,闫钟清(.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 000；2.中国科学院大学,北京 00049)

滴灌对农田土壤CO2和N2O产生与排放的影响研究进展

郭树芳1,2,齐玉春1,董云社1*,彭 琴1,刘欣超1,2,孙良杰1,2,贾军强1,2,贺云龙1,2,曹丛丛1,2,闫钟清1,2(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101；2.中国科学院大学,北京 100049)

研究滴灌条件下土壤C O2和N2O的排放特征及其影响机制,有助于深刻了解灌溉方式变化对农田生态系统碳氮循环的影响,对农业灌溉管理措施的改进和农业温室气体减排具有重要的意义.本文综述了滴灌对农田土壤CO2和N2O排放的影响,从土壤水分、土壤温度、土壤养分和土壤结构等方面分析了滴灌条件下农田土壤CO2和N2O产生和排放的主要影响机制,在此基础上探讨了滴灌对大气温室效应影响的不确定性以及目前研究中存在的主要问题.

滴灌；农田；CO2；N2O；机制

CO2和N2O作为大气中最主要的温室气体和全球碳氮循环的重要环节,广受关注[1-2].农田生态系统是陆地生态系统的主要组成部分,对全球温室气体总排放的贡献约为20%[3].IPCC第4次评估报告指出,在所有排放源中,农业是温室气体的重要排放源,全球范围内农业排放的非CO2温室气体约占人为排放总量的14%,其中农业排放了84%的N2O,47%的CH4,而农业释放的CO2估计达40Mt(以CO2-eq的质量计)[4].目前有关农田管理措施对温室气体排放影响效应的研究大多集中在施肥、耕作、地膜覆盖、秸秆还田等[5-8]方面,而对于水分管理措施的研究相对较少.水分是温室气体排放与吸收的关键驱动因子,灌溉作为一项重要的农田水分管理措施,其方式的改变势必会对农业土壤的温室气体排放强度产生重要影响[9-12].

随着我国水资源的日渐缺乏,水资源的短缺以及较低的水分利用效率制约着农业的进一步发展,已逐步演变为农业可持续发展的瓶颈.中国1974年引进滴灌,并在20世纪90年代后期开始得以较快发展.与传统灌溉与施肥方式相比,滴灌具有节水、节肥,减少病虫害、抑制杂草生长,提高作物品质,减轻土壤退化和地下水污染等特点,目前已成为我国干旱缺水地区最有效的一种节水灌溉方式.然而,对于滴灌技术应用后的环境效应变化,目前已有的研究结果主要集中在土壤水分和盐分及地膜污染等问题[13-14],较少涉及大气温室效应的变化.因此,加强相关试验研究,掌握滴灌技术应用对农田CO2和N2O排放的可能影响,探讨气体产生和排放的关键机制,不仅可为农业节水模式下农田温室气体的综合控制及减缓提供科学依据,同时也可为节水技术的广泛推广提供重要的环境效应评价数据支持.文章综述了滴灌技术应用对农田土壤CO2和N2O源汇通量影响的相关研究进展,分析了目前研究中存在的主要问题,以期为今后相关研究的开展提供参考.

1 滴灌对农田土壤CO2和N2O产生排放的影响

1.1 滴灌对农田土壤CO2产生和排放的影响

1.1.1 无膜滴灌对农田土壤CO2的影响 土壤CO2排放是其在土壤中形成后通过扩散作用向大气运移的过程,其排放量除受环境因子的影响外,还受到土壤中CO2气体浓度分布的影响[15].本文中土壤CO2排放以及土壤呼吸除有特殊说明外均包括了土壤基础呼吸和植物根际呼吸两个部分.

对于土壤中CO2浓度,陶丽佳等[16]在甘肃马铃薯盆栽试验中发现,漫灌与滴灌两种方式下土壤CO2浓度的差异不显著.但也有学者认为,与滴灌相比,漫灌处理一次灌水量大,并且快速淹水,造成土壤板结,土壤通气性降低[17],使土壤呼吸产生的CO2难以扩散出去,造成漫灌处理土壤中CO2浓度大,约比滴灌高7.4%～49.7%[16].

对于土壤呼吸速率,滴灌方式下供水强度较低,土壤结构破坏程度较小[18],作物根区土壤始终保持疏松和最佳含水状态[19],其微生物活性和根系活力较强,从而使土壤呼吸增强,滴灌土壤碳排放量大于漫灌[20].刘祥超等[21]的研究则表明,滴灌处理由于灌水量小且局部湿润,水分分布不均,使其CO2排放通量小于沟灌处理.而Kallenbach等[22]在对美国加利福尼亚Russell农场西红柿田的研究中发现,地下滴灌和沟灌对土壤CO2排放通量均没有显著影响.

1.1.2 膜下滴灌对农田土壤CO2的影响 覆膜的增温保湿作用及薄膜对土壤与大气间气体的传输起到了自然阻隔作用,使温室盆栽马铃薯试验中膜下滴灌的土壤CO2浓度约升高了10.4%～94.5%[16],新疆棉花大田试验中覆膜滴灌的土壤剖面CO2浓度(3107～9212µL/L)也高于漫灌(1275～8994µL/L)[23].对甘肃马铃薯田的小区试验结果则表明,覆膜增加了沟灌5cm,10cm,15cm深度以及滴灌处理所有研究深度的CO2浓度,但降低了沟灌处理20cm与25cm处土壤的CO2浓度.覆膜滴灌处理不同深度土壤CO2浓度随着湿润比的增加而增加,沟灌处理高于滴灌处理[21].

对于膜下滴灌条件下的土壤呼吸,刘祥超等[21]的结果表明,不论是滴灌还是沟灌,灌水前还是灌水后,覆膜均能显著增加CO2排放通量,但覆膜阻碍了CO2的扩散,使灌水后短时间内的通量增幅相对不明显,从而使覆膜处理明显低于不覆膜处理灌水处理.Li等[23]认为由于漫灌时间间隔长、土壤水分蒸发大、土壤干湿交替频繁,可产生更多的CO2排放,膜下滴灌CO2排放通量低于无膜漫灌.

对于滴灌条件下土壤呼吸的不同组分,张前兵等[20]的研究发现滴灌方式下棉花根系呼吸对土壤呼吸的贡献率(36.38%～58.74%)高于漫灌(33.73%～52.03%),主要是与漫灌相比,膜下滴灌根系在湿润区密集,处于较适宜的湿度环境有关.李志国等[24]的研究表明,与无膜漫灌相比,膜下滴灌的年土壤异氧呼吸通量(214gC/m2)低于无膜漫灌(317gC/m2).可能是由于覆膜滴灌下,绝大部分土壤被地膜覆盖,膜下土壤气体不能直接排放到大气中,只能从裸地和膜孔排放,从而降低了土壤气体的扩散性[25].同时,塑料薄膜覆盖由于减小了土壤湿度,也降低了CO2的产生与排放[26].

从生态系统的碳收支来看,膜下滴灌棉花的净初级生产力显著高于无膜漫灌[24,27-28].李志国等[24]对新疆棉田生态系统的研究发现,膜下滴灌由于灌溉频率高,且地面有薄膜覆盖,促进了土壤温度的升高,使得作物可以提前播种,延长了植物的生长发育期,同时,地膜能够降低土壤水分蒸发,延长水分在土壤中的滞留时间,从而使植物能更有效地利用土壤水分,有利于植物生物量的积累,使得净初级生产力比无膜漫灌增加了391gC/m2.与此同时,由于膜下土壤气体只能从裸地和膜孔排放,同时,膜下滴灌较高的土壤含水量也在一定程度上降低了土壤的孔隙度和气体扩散力,因此,尽管膜下滴灌条件下土壤水热状况优于漫灌,但其土壤呼吸仅增加96gC/m2,故膜下滴灌措施下提高了干旱地区农田的碳汇水平.

1.2 滴灌对农田土壤N2O产生和排放的影响

1.2.1 滴灌对农田土壤N2O的影响 大多学者认为,由于滴灌的土壤孔隙含水率显著低于沟灌,会产生抑制反硝化反应的环境.同时,滴灌影响了土壤水分的配送方式,会产生更高浓度的NH4+-N和NO3--N,相比于沟灌处理其环境更能抑制反硝化反应,使得滴灌排放的N2O更少[29-30]. Kallenbach等[22]等认为,地下滴灌N2O的排放量约比沟灌减少了50%.Sánchez-Martín等[30]研究了甜瓜生长期间沟灌和滴灌条件下N2O的排放情况,也表明滴灌条件下的湿润区域硝化作用高于反硝化作用,有助于降低氮氧化物的排放量.与地表滴灌和微喷处理相比,N2O排放量在地下滴灌处理下较低,地下滴灌限制了微生物活动[22]和嫌气微环境的形成,因此限制了反硝化作用,而表面滴灌和微喷措施引起高的N2O通量是由于水进入土壤的快速和过剩而引起[31].

1.2.2 滴灌水肥一体化对农田土壤N2O的影响在灌溉农业生态系统中,水分和氮肥的管理是影响N2O排放的主要因素[32-33].灌溉施肥通过形成有利于反硝化作用发生的厌氧环境增加土壤N2O排放量[34].在野外试验中,总N2O排放中的80%～95%直接来源于灌溉施肥[29].

Vallejo等[35]和Meijide等[36]在半干旱灌溉系统的研究中发现,与尿素相比,有机肥减少了N2O和NO的排放量.Sánchez-Martin等[30]研究也发现,对于单纯化学肥料施用,在相似的条件下,与沟灌相比,滴灌降低了土壤N2O和NO的排放量,降幅分别为70%和33%,这可能是由于低的灌水量和不同的土壤湿润形式而引起.滴灌条件下硝化作用比反硝化作用重要,而沟灌条件下反硝化作用更为重要.而与滴灌和沟灌条件下的矿质肥相比,滴灌条件下施用有机肥分别降低了约27%和62%的NO排放量.尽管施用有机肥增强了反硝化作用,然而与沟灌相比,滴灌条件下水分的分布有利于硝化作用的发生,因此施用有机肥条件下,与沟灌相比,滴灌减少了反硝化速率及N2O的排放量[37].

此外,迄今为止,对滴灌条件下农田多种温室气体的同期定量研究还很少见.Kallenbach等[22]认为,与沟灌相比,地下滴灌减缓了农业系统中温室气体的产生.Maraseni等[38]也认为,与低效率、耗能的漫灌、喷灌等系统相比,滴灌技术减少了温室气体的排放,今后应加强滴灌条件下多种温室气体综合温室效应研究.

2 滴灌对农田土壤特性的影响及其对温室气体排放的主要作用机制

2.1 土壤水分

滴灌与传统灌溉方式对农田土壤特性影响的最大区别就是带来土壤水分含量及其分布的较大差异.由于滴灌条件下滴水量小,水滴缓慢入土,因而造成滴头附近土壤水分和其他部位土壤水分的差异,形成明显的干燥区与湿润区.灌溉水分的入渗及再分配方式不同造成土壤水分在时间、水平以及垂直深度上分布的差异,进而对CO2与N2O的产生和排放量及其时空分布产生重要影响.

一般的研究结果认为,在土壤WFPS不超过60%、地下滴灌[22]或是表层滴灌[30,37]条件下,即供水量较低时,由反硝化作用产生土壤N2O的过程会受到限制.由于滴灌的时间相对于传统灌溉方式间隔短,再加上覆膜等原因,作物生长期土壤湿度通常比无膜漫灌处理大,而高的土壤湿度降低了土壤孔隙度和气体扩散能力[39-40],导致覆膜滴灌处理条件下CO2排放通量降低[23].

此外,从不同灌溉方式所带来的土壤水分时间动态变化的差异来看,滴灌由于灌溉频率较传统漫灌更高,因此会造成土壤相对频繁的干湿交替现象.但对于干湿交替所带来的影响,不同研究者的认知存在一定差异.Borken等[41]发现,干土重新湿润后,由于土壤有机质矿化加强,以及原先不能被利用的、易分解有机质的重新矿化,微生物活性增强,使得CO2的排放大幅增长;但频繁的干湿交替会导致土壤矿化量降低,又会减少CO2的排放.而Li等[23]则认为,由于漫灌的时间间隔长,土壤水分蒸发大,漫灌经历的干湿交替次数更多,因此无膜漫灌比覆膜滴灌产生更多的CO2排放量.另外,对于N2O气体,有研究认为,由于干湿交替增加了死亡微生物的量以及打乱了土壤环境和有机物之间的相互作用,从而使得土壤有效碳和氮的矿化量增加,使土壤的硝化和反硝化量显著高于长期湿润的土壤,增加了土壤N2O的排放[42].在作物生长季,每次灌溉后通常都会出现小的N2O排放脉冲,滴灌系统产生稳定且少量的N2O通量,而沟灌系统则产生一次或更多次的大的脉冲,因此排放的N2O排放量高于滴灌系统[22,30,37].滴灌条件下,硫酸铵作为矿质氮肥处理中产生N2O排放的第一次脉冲比沟灌约小5倍,最高排放量(第一次灌溉2周后)占由反硝化作用产生的总N2O排放量的百分比,在沟灌条件下达70%,而滴灌条件下仅达45%,其主要原因是由于沟灌条件下土壤含水率(65%～83%)高于滴灌(56%～75%)[30].

滴灌造成了土壤水分的空间差异性也会对农田温室气体排放产生影响.滴灌附近的湿润区域可能会是N2O排放源,但土壤WFPS大于80%的滴头处土壤会出现较强的反硝化作用,使N2O继续还原转化为N2,从而降低N2O的排放量[43].可见灌溉方式对N2O排放的影响与滴灌区土壤WFPS的大小相关.Sánchez-Martín等[30]对滴灌产生的干区和湿区分别进行气体分析,认为滴灌区域频繁的脉冲效应会增加氮氧化物的排放,而干的区域同样排放氮氧化物,原因是该区域土壤深层是湿土.

2.2 土壤温度

在灌溉农田中,土壤温度受到灌溉水温度的影响,同时也受灌溉量及灌溉频率的影响[44].一般认为,滴灌条件下由于较高的灌溉频率,表层温度通常低于地面洼灌处理.Wang等[45]的研究却表明,滴灌处理条件下土壤温度显著高于喷灌,两者的差异可能主要是由于总灌溉水量的不同.对于膜下滴灌而言,覆膜可以减少地面蒸发,降低耗水,可以提高近地面气温和膜下土壤温度[46],能更好地活化土壤养分,提高养分有效性和水分利用率[47].

陶丽佳等[16]对盆栽马铃薯的研究结果显示,滴灌处理灌水后土壤CO2浓度与温度呈显著正相关,同时指出由于种植马铃薯的处理有一定的郁闭度,相较于裸地,其地温会降低很多,使得覆膜裸土产生和排放的CO2远远大于覆膜漫灌处理和覆膜滴灌处理.此外,相关研究还证实,滴灌处理下,CO2通量与采气箱内温度呈显著正相关,土壤不同深度处CO2浓度与地温也呈显著正相关,地温升高提高了微生物活性,加速土壤中有机质的分解,增强作物根系和土壤呼吸[21].

2.3 土壤养分

2.3.1 土壤氮素 灌溉方式的变化主要是通过影响氮素的矿化与淋溶等来影响土壤中可利用氮素量及其分布,进而对土壤N2O等温室气体排放产生影响.

灌溉后立即施肥的土壤N2O排放比单独灌溉的土壤高[29],这说明无机氮的可用性是限制N2O产生的主要因素[48].在耕作少的滴灌施肥系统中,N2O排放量与土壤中NH4+和NO3-浓度水平均呈正相关[49].在滴灌农田中,干湿交替产生的频繁脉冲影响了灌溉期土壤速效氮的转化,增加了灌溉期间氮氧化物的排放[30].同时,滴灌通过影响土壤水分的配送方式,提高了NH4+-N和NO3--N的浓度,抑制了反硝化反应,减少滴灌排放的N2O[29-30].另外,在滴灌条件下,氮的淋失量比沟灌少75%～80%[49].与无氮肥施用的滴灌相比,在硫酸铵作为矿质氮肥料的滴灌系统中,发现有高浓度的NH4+和NO3-,这些离子在硝化和反硝化过程中引发了较高的氮氧化物排量[30].

2.3.2 土壤有机碳 滴灌单次灌水量小,灌水周期较沟灌短,因此淋洗出的可溶性有机碳(DOC)含量高,而适宜的土壤水分有利于土壤微生物的生长,使得微生物量碳(MBC)含量增加[50].

张前兵等[18]的研究表明,氮磷钾化肥和有机肥配施全生育期处理根系呼吸贡献率最大,可能是有机无机肥料配施,增加了土壤有机碳含量,促进作物根系生长,使根系呼吸增强.冬季豆科作物覆盖能给土壤加入大量的C,使滴灌条件作物覆盖滴灌处理CO2平均排放量比无作物覆盖滴灌处理高15%,地下滴灌处理条件下作物生长季CO2和N2O排放量低于沟灌处理[22].

此外,土壤活性碳作为土壤中重要的易氧化、矿化的有机碳组分[51],其大小和周转与土壤温室气体CO2、NO2等的产生直接相关[52].展茗[53]的研究结果表明,在常规淹水处理中,土壤DOC、MBC与CO2排放通量呈显著或极显著的负相关性,而在间歇灌溉处理中没有出现这种关系,间歇灌溉能显著增加CO2的主要原因在于土壤通气状况改善后,增强了土壤中有机碳和腐殖酸碳及DOC的降解作用.也有研究表明,与不施氮肥的控制试验相比,加施消化猪粪的滴灌和沟灌系统中,其土壤N2O排放大多均随DOC的减少而增强[37].可能是由于有机肥的应用增加了土壤中的可溶性有机碳,可溶性有机碳的增加虽然有利于反硝化作用的发生,增加了反硝化过程中N2O产生的比例,但由于灌溉后土壤通气性变差,生成的NO和N2O向大气的扩散受到严重阻碍,使其有足够的时间被进一步还原为N2,减少了NO和N2O的总排放量[35].

2.4 土壤结构

一般而言,滴灌没有地面灌溉时对土壤的冲刷和对土体结构的明显破坏,降低了由于灌溉而造成的土壤密实,使土壤保持相对疏松,提高了根系活力[54].研究表明,根系及其紧密接触的微生物群落排出的CO2约相当于土壤释放总量的20%～50%[55].同样,研究也发现,玉米植株根系对N2O排放产生的影响,主要是通过根际的微环境及增加根向土壤分泌C、N物质,为硝化和反硝化菌提供底物来增加土壤中N2O的产生量[56].

与滴灌相比,漫灌处理一次灌水量大,并且快速淹水,造成土壤板结,土壤通气性降低[41],使得土壤呼吸产生的CO2难以扩散出去,造成漫灌处理的土壤CO2浓度大.同时,覆膜滴灌处理下,灌溉水量小但频率大,加上地膜的保水功能,土壤含水量高于无膜漫灌处理,较高的土壤含水量在一定程度上降低了土壤的孔隙度和气体扩散力,也导致覆膜滴灌处理CO2通量的降低[24].

3 结语

综上所述,国内外在滴灌对农田土壤CO2和N2O产生与排放的影响研究领域已取得了一定的成果,但相关研究尚处于起步阶段,对机制分析也相对缺乏,在今后需要注重以下几个方面的研究.

3.1 滴灌方式对大田综合温室效应影响

由于滴灌对不同温室气体的影响效应存在较大差异,有时甚至存在相反的效应,因此今后应加强对滴灌技术应用后多种气体综合温室效应变化的长期研究及其与传统灌溉方式影响效应差异的比较与定量评价.其次由于目前多为盆栽试验,大田试验相对缺乏,今后有必要进行大田滴灌与其他灌溉方式的长期比较试验研究.

3.2 定量分析滴灌方式下农田温室气体排放通量的空间差异

与传统灌溉相比,滴灌是局部湿润,滴灌土壤干燥区和湿润区温室气体排放通量差异显著,特别是覆膜滴灌条件下温室气体排放空间性更强.目前对土壤呼吸的研究大多集中在土壤呼吸强度及其时间变异性上,对空间异质性研究较少.加强滴灌条件下温室气体排放的空间分布特征研究,有利于更精确地估算滴灌条件下农田尺度的温室气体排放总量.

3.3 探索滴灌条件下温室气体的产生排放机制

滴灌施肥措施对温室气体的影响过程更加错综复杂,而当前对灌溉方式下温室气体产生和排放机制的分析,大多集中在土壤水分和温度,今后应增加与滴灌相关的其他环境指标,如土壤NO3-和NH4+浓度、DOC、微生物等对温室气体产生排放变化影响的研究以及多个影响因子的综合分析,同时也应增强滴灌条件下土壤呼吸的不同组分与环境因素之间关系的定量探讨,更深入地分析气体产生与排放的主要机制.

3.4 揭示滴灌与不同肥料施用的耦合作用效应

滴灌技术与不同肥料管理措施的结合对农田温室气体排放的影响存在较大的不确定性,需要进一步的研究.此外,由于目前开发了一些滴灌专用肥,研究不同滴灌专用肥和不同滴灌技术指标对农田温室气体排放的耦合影响,评价不同施肥滴灌模式的生态环境效应,可为该模式的推广与完善提供理论依据,也可为滴灌农田温室气体的有效减排提供重要参考.

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Response of production and emission of CO2and N2O of agricultural soil to drip irrigation.

GUO Shu-fang1,2, QI Yu-chun1, DONG Yun-she1*, PENG Qin1, LIU Xin-chao1,2, SUN Liang-jie1,2, JIA Jun-qiang1,2, HE Yun-long1,2, CAO Cong-cong1,2, YAN Zhong-qing1,2(1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Beijing 100101, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2014, 34(11)：2757～2763

The research on the effect of drip irrigation on the emission of CO2and N2O and its impact mechanism was helpful to understand the influence of irrigation pattern changes on carbon and nitrogen cycles of agro-ecosystem. And they were also significant for the improvements of agricultural irrigation management and mitigation in greenhouse gas emission. In this paper, different impacts of drip irrigation on CO2and N2O were summarized and the influence mechanism of soil moisture, soil temperature, soil nutrients, soil structure and soil microorganism on the production and emission of CO2and N2O from agricultural soil were analyzed. Meanwhile, the uncertainties in the influence of drip irrigation on atmospheric greenhouse effec as well as the existing problems of current research were also discussed.

drip irrigation；agro-ecosystem；CO2；N2O；mechanism

X142

A

1000-6923(2014)11-2757-07

郭树芳(1986-),女,河南林州人,中国科学院地理科学与资源研究所博士研究生,主要从事农田生态系统碳氮循环研究.发表论文1篇.

2014-02-28

公益性行业(农业)科研专项(201203012-6);国家自然科学基金(41373084,41330528,41203054);中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KZCX2-EW-302)

* 责任作者, 研究员, dongys@igsnrr.ac.cn