不同灌溉方式对陕北沙区马铃薯农田生态系统碳平衡的影响

王 雯，张 雄

（榆林学院生命科学学院，陕西榆林 719000）

随着温室气体浓度持续增加，全球变暖趋势进一步加剧。人类活动产生的CO2是全球温室气体增长的主要来源，占人为排放温室气体总量的76%[1]，如果不加大减排力度，全球平均地表温度上升带来的粮食减产、干旱洪涝、病虫害加剧等问题将对全球农业生产造成巨大影响[2]。农田生态系统碳库是全球碳库的重要组成部分，农田CO2排放量约占人为温室气体排放量的1/4，农田碳库的收支与平衡，在全球碳循环中具有重要的作用[3]。已有研究表明，农田生态系统中，改变灌溉方式会明显改变农田土壤碳源/汇的能力，进而对区域和全球尺度的碳平衡产生影响[3-4]。因而，研究不同灌溉方式对农田生态系统碳平衡的影响，对于准确评估和预测我国灌溉农业发展对未来全球气候变化的影响，制定科学的区域农业减排措施具有重要意义。

陕北沙区位于陕北黄土高原和毛乌素沙漠南缘交界处，总面积占陕西省总面积的12.0%，是我国典型的北方旱区。该地区是我国五大马铃薯优质生产基地之一，马铃薯常年种植面积约20万hm2，约占当地粮食种植总面积的35%，占全省马铃薯总面积的60%。近年来，膜下滴灌、露地滴灌等节水灌溉技术已成为该地区马铃薯优质高产栽培的主要技术手段。然而，目前有关不同灌溉方式对农田生态系统碳平衡的研究主要集中在棉花[5-7]、小麦[8-9]、玉米[10-11]农田以及设施蔬菜[12-13]农田，马铃薯农田的相关研究少见报道，其CO2排放及碳平衡状况尚不清楚。

本研究以马铃薯农田为研究对象，采用LI-8100土壤碳通量观测系统，观测不同灌溉方式下农田生态系统CO2排放通量的变化特征，估算各生育期碳排放量和生物固碳量，计算农业生产资料碳排放量和净碳值，进而评价不同灌溉方式下马铃薯农田生态系统碳平衡状况，旨在筛选出有助于提高陕北沙区马铃薯农田生态系统固碳减排能力的灌溉方式。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于榆林城北10 km2处牛家梁镇的国家现代农业示范园（109°43′E，38°23′N），该区域属干旱半干旱大陆性季风气候，年平均降水量405mm，蒸发量1 900 mm，年日照时数2 870 h，年均气温9.5℃，≥10℃的积温3 200℃，无霜期165 d。该区域光照资源丰富，地势平坦开阔，地下水位较高，便于排灌，土壤为风沙土，肥力水平中等。供试土壤pH值8.1，有机质含量7.79 g/kg，全氮含量0.33 g/kg，碱解氮含量46.35 mg/kg，有效磷含量13.21 mg/kg，速效钾含量86.13 mg/kg。

1.2 试验材料

供试马铃薯品种为紫花白，由榆林市农业科学研究院提供。

1.3 试验设计

采用随机区组试验设计，设置露地滴灌（DG）、膜下滴灌（MG）、沟灌（GA）、交替隔沟灌（JG）、漫灌（CK）5个处理。每处理重复3次，共15个小区，小区面积33.6 m2。试验于2016年5月15日播种，马铃薯单垄单行种植，垄高20 cm，垄距80 cm，株距为20～22 cm，密度为5.7万株/hm2，播种深度为8～10 cm。其中，MG和DG处理于起垄播种后铺设滴灌带，将滴灌带放置垄上作物旁，其他处理不铺设滴灌带；MG处理采用幅宽1.2 m，厚度0.01 mm的地膜覆盖垄面；CK处理不起垄不覆膜。在整个生育期，MG处理不喷施除草剂；DG处理除草剂随水追施，除草剂用量为0.05kg/hm2；CK，GA，JG处理人工喷施的除草剂用量均为1.50kg/hm2。除灌溉、施肥和喷施除草剂外，其余田间管理方式相同。底肥施尿素120kg/hm2，磷酸二铵 225kg/hm2，硫酸钾 225kg/hm2。在块茎形成期至膨大期随灌水追施尿素3次，滴灌处理每次50 kg/hm2，其他处理每次150 kg/hm2。小区四周用145 cm塑料农膜双折埋深50 cm隔开。每小区单独安装水表和开关控制灌水量。不同处理马铃薯生育期总灌水量列于表1。

表1 不同灌溉方式的灌溉量及灌溉次数

1.4 测定项目及方法

1.4.1 CO2排放通量测定 采用LI-8100土壤碳通量测量系统（Li-CorInc.，Lincoln，NE，USA）测定马铃薯农田土壤CO2排放速率；于马铃薯播种出苗后开始观测，每隔10 d测定一次，在灌溉及施肥后连续观测3～5 d，基座安置在2行作物中间并露出土壤表面2 cm，在整个观测过程基座安置的位置保持不变，在每次测定的前1 d，去除基座内土壤表层的活体及凋落物，为减少安置基座对土壤的扰动产生的气体脉冲，在基座安置24 h后进行测定。

1.4.2 碳排放量计算 根据文献[5]将观测的瞬时CO2排放通量（μmol/（m2·s））换算为每日碳排放量（g/（m2·d）），再用线性插值法计算各生育期碳排放量（t/hm2）。

1.4.3 生物固碳量测定 生物固碳量的测定从苗期开始，每15 d左右在小区中选取有代表性的马铃薯植株5株，采集地上部分，同时，采用挖根冲洗法，称取根系质量。将采集的植株样品带回实验室，在105℃下杀青1 h，80℃下烘干至恒质量，求出每处理的平均值，并换算成单株生物量。根据马铃薯种植密度，将单株生物量折算成单位土地面积上马铃薯生物量。马铃薯各生育期的固碳量（kg/hm2）为马铃薯生物量乘以碳当量值（0.423）[14-15]。

1.4.4 农业生产资料碳排放量 根据文献[9]，农业生产资料碳排放量（kg/hm2）为马铃薯种植过程中某一生产资料的消耗量与碳排放参数的乘积。

1.4.5 净碳值估算 马铃薯农田生态系统净碳值（t/hm2）为累积生物固碳量与累积碳排放量和农业生产资料碳排放量的差值。

1.5 数据处理

试验数据用Excel 2013进行处理，SPSS20.0进行显著性分析（Duncan新复极差法），采用Origin-Pro9.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式下马铃薯农田CO2排放通量变化特征

从图1可以看出，不同灌溉方式下马铃薯农田生态系统CO2排放通量的季节变化规律明显，均呈单峰曲线，表现为生长初期较低，中期高，后期逐步下降的趋势。MG，DG，GA，CK处理的排放峰值均出现在7月10日，其原因是由于该时期土壤温度最高，马铃薯生长旺盛，根系呼吸和微生物呼吸速率较高；而JG处理的排放峰值较其他处理滞后10 d（图1-A），且显著低于他处理5.36%～11.37%（P＜0.05）。各生育期平均CO2排放通量表现为MG＞DG＞GA＞CK＞JG（图1-B）。在块茎增长期和淀粉积累期，MG处理的CO2平均排放通量较GA，CK，JG处理分别高 10.63%～43.39%和 17.43%～52.58%，且差异显著（P＜0.05），但与DG处理无显著差异；在块茎增长期和淀粉积累期，JG处理较其他处理分别低22.06%～34.46%和14.78%～30.26%，且差异极显著（P＜0.01）。

2.2 不同灌溉方式对马铃薯农田碳排放量的影响

由图2可知，不同灌溉方式下马铃薯农田生态系统各生育期碳排放量的季节变化趋势明显，表现为生长初期较低，中期增高，后期显著下降。在各生育期，MG和DG处理的累积碳排放量均极显著高于JG处理（P＜0.01）。其中，在块茎形成期，MG处理的碳排放量分别较CK和JG处理高22.20%和43.90%；在块茎增长期，DG处理的碳排放量分别较CK和JG处理高33.10%和31.29%，均呈极显著差异（P＜0.01）（图2-A）。在整个生育期，不同处理的马铃薯农田累积碳排放量表现为MG＞DG＞GA＞CK＞JG（图2-B），MG处理的累积碳排放量分别较GA，CK和JG处理高12.67%，23.73%和39.89%，且差异极显著（P＜0.01）；DG处理略低于MG处理3.06%，但无显著差异。

2.3 不同灌溉方式对马铃薯农田生物固碳量的影响

由图3可知，不同灌溉方式下马铃薯生物固碳量与马铃薯生育进程基本一致，表现为苗期最低，块茎形成期开始迅速上升，块茎积累期达到峰值，成熟期大幅下降。除块茎增长期外，DG处理的生物固碳量均高于其他处理，且极显著高于GA，CK和JG处理（P＜0.01），块茎增长期DG处理的生物固碳量略低于MG处理1.28%；在淀粉积累期，DG处理的生物固碳量依次较MG，GA，CK和JG处理高8.98%，16.31%，16.72%和38.48%，均呈极显著差异水平（P＜0.01）（图3-A）。在整个生育期，不同处理的马铃薯累积生物固碳量表现为DG＞MG＞GA＞CK＞JG（图3-B），DG处理的累积生物固碳量比其他处理高7.36%～22.41%，且差异极显著（P＜0.01）。

2.4 不同灌溉方式下马铃薯农田生产资料碳排放 量变化

表2 不同灌溉方式下马铃薯农田生产资料碳排放量变化

由表2可知，不同灌溉方式下马铃薯农田生态系统的生产资料碳排放量存在差异。表现为CK＞GA＞MG＞JG＞DG，CK处理的生产资料碳排放量分别较GA，MG，JG和DG处理高16.19%，24.78%，29.71%和34.90%。这是由于CK处理的灌溉量最大，其灌溉耗能分别比GA，JG和DG处理高25.05%，27.41%和63.81%。MG和DG处理的生产资料碳排放量较CK和GA低6.88%～25.87%。与DG处理相比，MG处理虽没有除草剂产生的碳排量，但MG处理的生产资料碳排放量却较DG处理高8.11%，主要是由于MG处理使用地膜产生的碳排放量达124.32 kg/hm2，而DG处理无该项碳排放量。

2.5 不同灌溉方式下马铃薯农田生态系统碳平衡状况

本研究采用净碳值来评估马铃薯农田生态系统的碳平衡状况，其正值表示农田生态系统为大气的碳汇，而负值则表示碳源。由图4可知，不同灌溉方式下马铃薯农田生态系统均表现为大气的碳汇，且碳汇能力差异明显，净碳值的大小顺序为DG＞MG＞GA＞CK＞JG，其中，DG处理下的净碳值分别较MG，GA，CK和JG高11.28%，21.66%，29.71%和52.13%，且差异极显著（P＜0.01）。结果表明，DG处理下马铃薯农田生态系统碳汇能力明显优于其他处理，是增强固碳减排能力的适宜节水灌溉方式。

3 结论与讨论

本研究表明，滴灌处理下马铃薯农田生态系统碳排放量最高，碳汇能力最强，其累积碳排放量、固碳量和净碳值分别较其他灌溉方式高9.21%～39.89%，9.97%～43.61%和9.97%～52.13%。据报道，滴灌条件下冬小麦农田[9]和棉田[5]生态系统的土壤碳排放总量高于漫灌，且作物生物量也显著高于漫灌，因而其碳汇能力最强，这与本研究结论基本一致。由于露地滴灌和膜下滴灌采取少量多次灌溉方式，土壤干湿交替频繁，土壤水热状况和物理性质都得到改善，激发微生物活性和根系活动[3]，加速土壤中有机质的分解，土壤CO2排放通量较高。而常规灌溉方式特别是漫灌处理下单次灌溉量高且灌溉次数少，土壤容易板结，气体扩散受到限制，抑制了根系活动和土壤微生物活性[4]，土壤CO2排放通量显著低于滴灌处理（P＜0.05）。本研究显示，膜下滴灌处理的平均CO2排放通量和累积碳排放量分别较露地滴灌高3.26%和3.16%，可能是由于膜下滴灌条件下土壤温度和水分分别较露地滴灌高2%～10%和4%～15%[7，16]，土壤微生物活性更强，导致膜下滴灌处理的CO2排放速率更高。此外，膜下滴灌处理下马铃薯农田生物固碳量较露地滴灌低5.26%，主要原因是由于生长后期地膜覆盖导致土壤温度较高，但局部高温不利于同化产物向块茎运转，影响地下生物量的累积，因而，造成膜下滴灌处理的净碳值较露地滴灌低10.14%，碳汇能力小于露地滴灌。也有研究显示，滴灌处理下农田生态系统CO2排放通量和累积碳排放量低于漫灌、沟灌等传统灌溉方式[6，12，17]，这可能与农作物种类[1，8]、土壤质地[18]、种植方式[7]、灌量灌次[10，12-13]、施肥量[4-5，19]及观测方法[20]等因素有关。

本研究中，露地滴灌处理的生产资料碳排放量较其他处理低3.85%～25.87%，主要是由于与传统灌溉方式相比，露地滴灌处理施用氮肥的碳排放较其他处理低25.01%，喷施除草剂的碳排放量较其他处理低96.61%～100%，灌溉耗电的碳排放量较其他处理低22.22%～54.25%，使用人力产生的碳排放量较其他处理低50.88%；且与膜下滴灌相比，露地滴灌没有使用地膜产生的碳排放，其节水、节肥、节能、省工、减排优势明显。此外，一些研究表明，隔沟交替灌溉在节水[21]、提高作物水分利用效率等方面作用较为明显[22]。但在本试验中，隔沟交替灌的灌溉量较少，其灌溉耗电产生的碳排放较漫灌和常规沟灌分别低21.51%和41.18%，生产资料碳排放量较漫灌和常规沟灌和膜下滴灌分别低10.42%，22.90%和3.80%，然而，其净碳值也极显著低于其他处理14.74%～34.27%（P＜0.01）。这可能是由于试验地土质为风沙土，隔沟交替灌的单次灌溉量较大，水分在土壤中迅速垂直下渗，而横向扩散较少，加之灌溉间隔时间较长，在马铃薯生长盛期作物需水得不到及时补给，导致马铃薯地上、地下部分长势较差，且土壤微生物活性受限，土壤呼吸受到抑制。因而，在几种灌溉方式中，隔沟交替灌溉的累积碳排放量最低，生物固碳量最小，碳汇能力最弱。

综上所述，与传统灌溉方式相比，露地滴灌处理的节水、节肥、节能、省工、减排优势明显，马铃薯农田累积生物固碳量最高，生产资料碳排放量最低，净碳值最高，其碳汇能力明显高于其他处理，是增强陕北沙区马铃薯农田固碳减排能力的适宜节水灌溉方式。