不同灌水水平对温室番茄地土壤CO2排放影响

陈 慧，侯会静，朱 艳，徐家屯，王云霏，蔡焕杰

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

CO2是大气中最重要的温室气体，对全球变暖起到重要作用，其浓度从大约1750年的278×10-6增至2011年的390.5×10-6。2002到2011年期间，大气中CO2浓度值以每年(2.0±0.1)×10-6速率增加[1]，而温室气体中大约有20%的CO2来源于农田生态系统[2]。中国作为世界农业大国，2007年，耕地面积约为1.21亿hm2[3]，菜地约占其中的1.2%[4]。由于反季节果蔬及花卉的需求，近年来设施菜地面积逐年增加，截止2014年设施菜地面积已达到355.44万hm2[5]。设施菜地由于其施肥量大和高灌溉频次等特点，其对温室气体排放的影响已受到广泛关注。

灌溉通过引起土壤有机质矿化分解速率、微生物量及其活性、根系生物量以及气体在土壤空隙中扩散速率等的变化，进而影响土壤碳排放强度[6]。地下滴灌，其作为一种新的节水高效灌溉技术，在水资源紧缺的干旱和半干旱地区中被广泛采用[7,8]。不同灌水量通过影响土壤中O2含量、微生物活性、土壤温度及根系生长等[9,10]，进而影响土壤CO2的产生和排放。大多数有关灌溉水平对土壤CO2排放的影响研究多集中于大田粮食作物上，设施菜地较少，这就带来在编制农业土壤温室气体排放清单时较大的不确定性。因此，本文通过静态箱气相色谱法对2014年番茄秋冬茬和2015年春夏茬温室番茄地土壤CO2排放进行了原位观测，旨在分析番茄不同生长季土壤CO2变化规律，为评估设施菜地温室气体减排提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试温室概况

试验于2014年8月13日至2015年7月29日在陕西省杨凌区西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室的日光温室内进行(34°20′N，108°04′E)，试验站海拔521 m。温室结构为房脊型，南北朝向，长36 m，宽10.3 m，高4 m。试验所处地理位置属半湿润易旱区，年均日照时数2 163.8 h，无霜期210 d。土壤类型为塿土，属于棕壤土，1 m土层内平均土壤干密度为1.35 g/cm3，田间持水量为23.8%(重量含水率)。

1.2 试验设计

2014年秋冬茬(8-12月)和2015年春夏茬(4-7月)，试验均以番茄为供试作物(品种为“飞越”)。采用营养钵育苗，分别于2014年8月13日和2015年4月4日定植，此时秧苗处于3叶1心至4叶1心。定植时分别对番茄幼苗进行浇透底水，浇水后在垄上覆膜，土壤蒸发可忽略。分别于2014年12月28日和2015年7月29日结束，生育期分别为138和116 d。此外，两茬试验番茄生育期具体划分见表1。

表1 生育期划分描述 Tab.1 The description of growth period

试验按灌水量单因素设计，共设2个处理：①充分灌溉(Full Irrigation, FI)，1.0W；②亏缺灌溉(Deficit Irrigation, DI)，0.6W，其中W为充分供水处理每次的灌水定额，计算方法见公式(1)。每个处理设3个重复，1垄作为一个重复，共计6垄，采用完全随机设计布设。每垄种9株作物，株距35 cm，每垄面积为3.2 m2(4.0 m×0.8 m)。为防止水分侧渗，垄与垄之间用塑料膜隔开。灌水方式采用地下滴灌，滴灌带埋深15 cm，滴头间距35 cm。灌溉水量由安置在温室内的E601型蒸发皿的蒸发量值确定，按两次灌水间隔内蒸发量值进行灌水，每次灌水安排在当天8∶00。此外，秋冬茬和春夏茬试验施肥只施基肥，施有机肥料(N-P2O5-K2O≥10%；有机质≥45%)与复混肥料(总养分≥45%，其中氮、磷、钾各含15%)。

充分供水处理每次灌水定额由下式计算[11]：

W=kcpEpanA

(1)

式中：W表示充分供水处理每次灌水的灌水定额，L；kcp为蒸发皿系数，取为1.0，不同灌水水平处理中分别取为0.6和1.0；Epan为蒸发皿测得的蒸发量，mm；A为一个重复控制的小区面积，m2，本试验中取为3.2 m2。

1.3 田间采样与观测

气体采用静态箱原位采集[12]，箱体用6 mm厚的PVC材料制成，底面积为25 cm×25 cm，高度为25 cm。箱体外表面用海绵与锡箔纸包裹，顶部安装有搅拌空气的小风扇，保证箱体内气体均匀，使取样具有代表性。静态箱底座在番茄移植当天埋设于小区中央以便日后气体采集，直到番茄收获。底座上端由大约3 cm深的凹槽构成用以放置静态箱箱体，取样时注水密封，防止周围空气与箱内气体交换。气体取样时间分别在10∶00、10∶10、10∶20和10∶30利用带有三通阀的50 mL注射器进行4次气体采集，每次取气30 mL，并在当天进行浓度分析。去除奇异点，使4个样品浓度测量值随时间的线性回归系数r2≥0.85。此外，气体采样的同时用安插在箱体顶部的水银温度计测量箱内温度。

2014年秋冬茬试验，每次取气同时用中子水分仪(CS830)测量土壤20 cm深度处的土壤含水量，并转换成土壤充水孔隙率(Water Filled Pore Space,WFPS)；2015年春夏茬试验，每次取气同时利用土钻在小区内取土，用烘干法测定土壤0～10 cm含水率，并转换成WFPS。

1.4 气体分析及通量计算

CO2浓度采用安捷伦气相色谱仪测定(Agilent Technologies 7890A GC System，America),气体排放通量采用下式计算：

(2)

式中：F为CO2气体排放通量，mg/(m2·h)；ρ是标准状态下气体密度，g/cm3；h为箱体的高度，m；dc/dt为气体浓度变化率，mg/(m3·h)；T为箱内温度，℃。

1.5 数据分析

采用OriginPro8.5作图和求CO2累积排放量，用SPSS Statistics 22.0数据处理软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水水平下温室番茄地土壤CO2排放特征

在两个生长季中，不同灌水水平下温室番茄地土壤CO2排放通量在番茄整个生育期内呈波动性变化。2014年秋冬茬试验土壤CO2排放通量在番茄生育期内变化规律不明显，而2015年春夏茬试验土壤CO2排放通量在番茄生育期内总体表现为先增加后减小的趋势(见图1)。此外，从图1还可以看出，高灌水处理的土壤CO2排放通量在番茄生育期绝大多数时间内高于低灌水处理的土壤CO2排放通量。高灌水处理的土壤CO2年平均排放通量为207.71 mg/(m2·h)，较低灌水处理的土壤CO2年平均排放通量增加了22.0%。

图1 不同灌水水平下温室番茄地土壤CO2排放通量Fig.1 Variation of CO2 fluxes under different irrigation levels in greenhouse tomato cropping system

2014年秋冬茬两个处理的CO2排放通量主峰值以FI大[820.53 mg/(m2·h)]，是DI处理的2.95倍；FI和DI处理土壤CO2平均排放通量分别为189.43和145.29 mg/(m2·h)。而2015年春夏茬两个处理的CO2排放通量主峰值以FI大[518.76 mg/(m2·h)]，较DI处理增加了21.9%，均出现在番茄开花坐果期；FI和DI处理土壤CO2平均排放通量分别为224.76和193.66 mg/(m2·h)。在两个生长季中，2015年春夏季的土壤CO2季节平均排放通量高于2014年秋冬季的，可能与两季试验期间棚内温度和2014年试验错过了番茄苗期与部分开花坐果期有关：春夏季较高的温度促进了微生物活性，加速呼吸作用，促进了土壤CO2排放；且2014年秋冬季由于错过了番茄苗期与部分开花坐果期，可能导致CO2某些高排放点未捕捉到。因此，均可能造成秋冬季较低CO2排放。

2.2 不同灌水水平下温室番茄地土壤CO2排放量

图2 不同灌水水平下温室番茄地土壤CO2累积排放量Fig. 2 Variation of cumulative CO2 emissions under different irrigation levels in greenhouse tomato cropping system

从图2可以看出，在两个生长季中，不同灌水水平处理温室番茄地土壤CO2累积排放量在番茄整个生育期内逐渐增加，且高灌水处理的土壤CO2累积排放量在番茄生育期绝大多数时间内高于低灌水处理的土壤CO2累积排放量。此外，2015年春夏茬高(低)灌水处理的番茄整个生育期土壤CO2累积排放量高于2014年秋冬茬高(低)灌水处理的番茄整个生育期土壤CO2累积排放量。

在两个生长季中，高灌水处理均较对应的低灌水处理增加了番茄整个生育期土壤CO2排放量，但2014年秋冬茬试验中，两者间差异性显著(P<0.05)；而2015年春夏茬试验中，两者间差异性不显著(P>0.05)(见表2)。2014年秋冬茬试验中，高灌水处理温室番茄地土壤CO2阶段排放量呈现：开花坐果期<成熟期<果实膨大期；低灌水处理温室番茄地土壤CO2阶段排放量呈现：开花坐果期<果实膨大期<成熟期。不同灌水水平下，2015年春夏茬试验中两个处理温室番茄地土壤CO2阶段排放量均呈现：苗期<开花坐果期<果实膨大期<成熟期，且FI和DI处理在成熟期的阶段排放量分别占整个生育期的40.8%和42.7%。此外，在两个生长季中的番茄不同生育阶段，高灌水处理的土壤CO2阶段排放量绝大多数时间高于低灌水处理的土壤CO2阶段排放量(见表2)。

2.3 土壤CO2排放通量与土壤水分状况之间的关系

表2 不同灌水水平下温室番茄地土壤CO2阶段排放量 kg/hm2

注：同一列中数值后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

土壤湿度是影响土壤呼吸的重要因子，其通过影响植物根和土壤微生物的生理过程直接影响土壤呼吸，或通过影响底物和O2的扩散间接影响土壤呼吸。从图3可以看出，温室番茄地土壤CO2排放通量与土壤水分的关系密切。土壤水分状况通过影响土壤通气性和土壤溶解性有机质的变化进而影响土壤CO2的产生和向大气中的排放。番茄两个生长季中，土壤CO2排放通量随土壤含水量变化呈波动性变化。2014年秋冬茬试验中，土壤CO2排放通量与土壤水分的关系不明显，FI和DI处理土壤CO2排放主峰值分别发生在48.5%WFPS和52.0%WFPS；而2015年春夏茬试验中，土壤CO2排放通量与土壤水分呈显著负相关关系(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处理土壤CO2排放主峰值分别发生在50.0%WFPS和46.3%WFPS。

图3 不同灌水水平下温室番茄地土壤CO2排放通量与土壤水分的关系Fig.3 Relationship between soil CO2 fluxes and soil moisture under different irrigation levels in greenhouse tomato cropping system

3 讨 论

通过对温室番茄地土壤CO2排放进行原位观测，发现土壤CO2排放具有明显的变化特征。其一，单个生长季内设施菜地土壤CO2排放呈现峰值短促、峰值高，脉冲式变化的现象。在本试验两个生长季内土壤CO2排放通量在番茄整个生育期内均呈波动性变化，这与一些研究学者的研究结果一致[13],这主要是番茄生育期内植物根系生长和地下微生物量及活性变化所致。其二，春夏茬试验的土壤CO2平均排放高于秋冬茬试验的土壤CO2平均排放。这可能由于秋冬季温度较低，CO2的产生和排放都可能受低温的限制。这与大多数研究结论一致，CO2排放通量与温度呈正相关关系[13-15]。其三，设施菜地土壤CO2平均排放通量较高。本文两个生长季中不同处理土壤CO2平均排放通量在145.29～224.76 mg/(m2·h)范围内变化，而这些结果远高于大田试验观测值[15,16]。比如袁勇等[15]发现豇豆菜地平均CO2为283 mg/(m2·h)，比晚稻显著提高42%。这与菜地有机碳投入较高, 碳源物质丰富, 促进了土壤微生物的生长, 呼出了较多的CO2量有关[17]。此外，菜地较大田环境较高的温度和菜地干湿交替的灌溉，也可能促进土壤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个过程[18]，而根呼吸占了土壤CO2排放相当大比例[9,19,20]。此外，植物和微生物的许多生命活动需要水分的参与,水分对于植物和微生物来说,是一个非常重要的环境因子[21]。本文利用静态箱气相色谱法对温室番茄地土壤CO2排放进行了原位监测，发现在作物两个生长季中，充分灌溉处理较对应的亏缺灌溉处理均增加了土壤CO2排放，这与一些研究学者的结论一致[9,22,23]。其主要由于亏缺灌溉通过减少土壤含水量以减小微生物活性，进而减小土壤CO2排放和促进土壤固碳能力[23]。

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