楊 凡，侯會(huì)靜，蔡煥杰，陳 慧，王曉文

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

大氣中CO2、N2O和CH4溫室氣體濃度的增加對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率占近80%[1]，其中CO2對(duì)增強(qiáng)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率最大，約占60%，是最重要的溫室氣體[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是 CO2的重要排放源[3]，據(jù)估計(jì)，大約有 20%的 CO2來(lái)源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)[4]。中國(guó)是世界農(nóng)業(yè)大國(guó)，耕地總面積約為1.21 億hm2，農(nóng)田的耕作、氮肥的施用以及灌溉等農(nóng)田管理措施在保障糧食安全的同時(shí)，對(duì)區(qū)域乃至全球氣候變化所造成的影響已經(jīng)受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注[5]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分[6],土壤呼吸是一個(gè)主要的控制碳排放的過(guò)程[7]，同時(shí)也是全球碳平衡的重要組成部分[8]。隨著對(duì)氣候變化的日益關(guān)注，對(duì)環(huán)境因子與土壤呼吸之間的交互作用的了解也逐漸深入。除土壤溫度外，土壤含水量對(duì)土壤生物學(xué)活動(dòng)有根本的影響，特別是在干旱條件下。土壤含水量是控制土壤碳通量的一個(gè)重要因素[9, 10]。土壤水分的限制抑制植物根系和土壤微生物的活動(dòng)，不管土壤溫度如何，都將可能抑制土壤CO2的排放[11, 12]。因此，了解土壤含水量是如何控制土壤呼吸是很重要的。

虧缺灌溉下作物充分利用環(huán)境水并最大限度地節(jié)約用水，是實(shí)現(xiàn)作物高效用水的基本途徑[13]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)作物虧缺灌溉的研究發(fā)展較快[14, 15]，但對(duì)于涉及農(nóng)田溫室氣體的研究，國(guó)內(nèi)主要集中于稻田和棉田的研究[16, 17]，對(duì)于夏玉米的研究較少涉及，夏玉米作為我國(guó)主要的糧食作物之一，主要種植在水資源匱乏的干旱和半干旱地區(qū)[18]。因此，本文通過(guò)研究不同灌水水平下夏玉米地土壤CO2的排放特征，旨在為農(nóng)業(yè)節(jié)水模式下農(nóng)田溫室氣體的綜合控制及減排提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也可為節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用提供重要的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年6-10月在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院農(nóng)田水分轉(zhuǎn)化試驗(yàn)場(chǎng)的遮雨棚下進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于東經(jīng)108°04′，北緯 34°18′，海拔521 m。屬于大陸性暖溫帶季風(fēng)氣候，試驗(yàn)站多年平均溫度12.5 ℃，多年平均降水量609 mm，多年平均蒸發(fā)量1 500 mm，全年無(wú)霜期212 d。站內(nèi)土壤為中壤土，1 m 土層田間持水量為23%～25%，凋萎含水量為11%～12% (以上均為重量含水量)，平均干密度為1.40 g/cm3。試驗(yàn)小區(qū)為有底測(cè)坑，地下水埋藏較深，可忽略地下水補(bǔ)給量的影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施

以夏玉米為研究對(duì)象，試驗(yàn)小區(qū)為鋼筋混凝土測(cè)坑，面積6.67 m2，測(cè)坑區(qū)上方安裝有移動(dòng)式遮雨棚用以阻擋降水，無(wú)降水時(shí)打開(kāi)以保證日常光照。于2015年6月5日每個(gè)測(cè)坑灌水100.45 mm以保證出苗， 2015年6月10日播種。每個(gè)測(cè)坑內(nèi)夏玉米株距為30 cm，行距為60 cm。生育期劃分為播種至拔節(jié)期(2015年6月10日-7月21日)，拔節(jié)至抽雄期(2015年7月22日-8月24日)，抽雄至成熟期(2015年8月25日-10月10日)，收獲時(shí)間為2015年10月10日，全生育期共117 d。

試驗(yàn)按灌水單因素設(shè)計(jì)，設(shè)置3個(gè)灌水水平，分別為：充分灌溉(CK)、虧水20%(T1)和虧水40%(T2)。充分灌水水平的灌水量由蒸滲儀測(cè)定，為 2 次灌水之間的蒸散量，虧水水平的灌水量在充分灌水水平基礎(chǔ)上按比例計(jì)算。每個(gè)灌水水平設(shè)置3個(gè)重復(fù)，一個(gè)測(cè)坑作為一個(gè)重復(fù)，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)布設(shè)，共9個(gè)測(cè)坑。灌水次數(shù)和灌水時(shí)間根據(jù)蒸滲儀的土壤含水量狀態(tài)確定，即當(dāng)土壤含水量達(dá)到下限(田間持水量的60%)時(shí)安排灌溉。大型稱重式蒸滲儀(西安清遠(yuǎn)測(cè)控技術(shù)有限公司)，測(cè)量系統(tǒng)包括主稱重系統(tǒng)和排水稱重系統(tǒng), 稱重?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)記錄并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)采集器中，主稱重系統(tǒng)測(cè)量精度為 0.139 kg，相當(dāng)于 0.021 mm 的水分消耗；排水稱重系統(tǒng)測(cè)量精度為1 g，每隔1 h記錄1次數(shù)據(jù)[19]。于7月11日進(jìn)行一次灌水，CK、T1 和T2處理分別灌水52.47、41.98和31.48 mm。施肥只施基肥，于2015年6月10日播種時(shí)施入磷酸二銨((NH4)2HPO4)643.18 kg/hm2, 尿素(CO(NH2)2)320.84 kg/hm2。由于夏玉米播種的深度較淺，后期抗倒伏能力較差，故只進(jìn)行了一次灌水。

1.3 田間采樣與觀測(cè)

采用靜態(tài)箱原位采集氣樣，箱體由厚6 mm的聚氯乙烯材料制成，長(zhǎng)×寬×高分別為45 cm×45 cm×45 cm。箱體外表面用海綿與錫箔紙包裹，防止取樣時(shí)因陽(yáng)光照射導(dǎo)致箱體內(nèi)溫度發(fā)生劇變，箱體頂部安裝小風(fēng)扇用于攪拌空氣，從而保證箱體內(nèi)的氣體均勻。靜態(tài)箱底座在播種時(shí)埋設(shè)于測(cè)坑中央，直到玉米收獲。底座不罩作物，每次取樣前去除底座內(nèi)的雜草，使得試驗(yàn)只監(jiān)測(cè)土壤CO2的排放。底座上端有深約5 cm的凹槽用以放置靜態(tài)箱箱體，取樣時(shí)注水密封，防止周圍空氣與箱內(nèi)的氣體發(fā)生交換。氣體采樣從播種后第4 d開(kāi)始，夏玉米生育期內(nèi)每隔1周左右采集1次，當(dāng)有灌水的時(shí)候加測(cè)，即間隔3或4 d采樣一次。氣體采集時(shí)間為上午 9∶00-11∶00，分別在密封后 0、10、20、30 min 時(shí)用帶有三通閥的50 mL注射器進(jìn)行4次氣體采集，每次取氣40 mL(樣品量足以同時(shí)分析CO2的濃度)[20]，并于當(dāng)天在室內(nèi)進(jìn)行濃度分析。CO2濃度采用安捷倫氣相色譜儀分析儀測(cè)定(Agilent Technologies 7890A GC System)，并計(jì)算氣體排放通量[21]。

式中：F為CO2氣體排放通量，mg/(m2·h)；ρ是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，g/cm3；h為采樣箱高度，0.45 m；dc/dt為箱內(nèi)氣體濃度變化率，mg/(m2·h)；T為采樣時(shí)箱內(nèi)溫度，℃。去除數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)，使樣品濃度的測(cè)量值隨時(shí)間的線性回歸系數(shù)R2≥0.85[22]。 采集氣體的同時(shí)用安在箱體頂部的水銀溫度計(jì)讀取箱內(nèi)溫度，用于計(jì)算氣體排放通量。每次取氣的同時(shí)在小區(qū)內(nèi)用土鉆取土，且3個(gè)重復(fù)同時(shí)進(jìn)行，每一小區(qū)各采集3鉆混合，用烘干法測(cè)量土壤0～10和10～20 cm土層深度的土壤含水量，并計(jì)算土壤充水孔隙率(WFPS)[23]，取3個(gè)重復(fù)的平均值作為該處理的土壤充水孔隙率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用OriginPro8.5作圖并利用其積分功能計(jì)算CO2累積排放量[24]，用SPSS Statistics 22.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理下夏玉米地土壤CO2的排放特征

圖1為不同灌溉處理下夏玉米地土壤CO2排放通量及土壤充水孔隙率的變化圖。由圖1(a)可知，夏玉米地各處理土壤CO2排放通量變化規(guī)律基本一致。在夏玉米生育前期，土壤CO2排放通量由5 DAS(播種后天數(shù)，Days after sowing)的排放峰值[CK：628.14 mg/(m2·h);T1：626.62 mg/(m2·h); 752.50 mg/(m2·h)]下降至22 DAS的排放低谷[CK：28.88 mg/(m2·h); T1：44.74 mg/(m2·h); 35.36 mg/(m2·h)]，排放通量次高峰出現(xiàn)在29 DAS，且CK處理最高[357.19 mg/(m2·h)]，T1處理次之313.06 mg/(m2·h)，T2處理最低226.19 mg/(m2·h)，且CK與T2，T1與T2處理間差異顯著(P<0.05)。在36 DAS后直到玉米收獲，土壤CO2排放通量在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍為11.83～51.13 mg/(m2·h)。

由圖1可以看出，夏玉米地各處理土壤CO2排放通量與土壤0～10 cm及10～20 cm的WFPS變化規(guī)律相似，即在播種后下降，只有在灌水后出現(xiàn)驟增，隨著灌水后WFPS的增加，CO2排放通量明顯上升并達(dá)到次峰值，隨著灌水后天數(shù)的增加，WFPS的逐漸減小，CO2排放通量也逐漸減小。

圖1 不同灌溉處理對(duì)夏玉米地土壤CO2排放通量及土壤充水孔隙率的影響Fig.1 Effects of variation of CO2 fluxes from soils and WFPS in summer maize fields under different irrigation treatments

由表1可知，夏玉米全生育期內(nèi)，土壤CO2的排放通量以CK處理最大95.10 mg/(m2·h)，分別較T1 和T2 處理增大0.29和3.69 mg/(m2·h)(P>0.05)。在播種至拔節(jié)期CO2的排放通量以CK處理最大[217.38 mg/(m2·h)]，分別較T1和T2處理增大4.99%和9.16%(P>0.05)，且T1處理和T2處理間差異不顯著(P=0.25)，該規(guī)律與夏玉米全生育期土壤CO2的排放通量變化規(guī)律一致。夏玉米拔節(jié)至抽雄期各處理間無(wú)顯著差異，抽雄至成熟期土壤CO2的排放通量CK顯著高于T2(P=0.04)，T1顯著高于T2(P=0.04)，CK與T1間無(wú)顯著差異(P>0.05)。各生育期內(nèi)，不同處理下夏玉米地土壤CO2平均排放通量表現(xiàn)為：CK>T1>T2，除抽雄至成熟期外，其他生育期內(nèi)差異盡管存在，但都沒(méi)有達(dá)到顯著水平。同一處理，不同生育階段土壤CO2階段平均排放通量表現(xiàn)為：播種至拔節(jié)期>拔節(jié)至抽雄期>抽雄至成熟期。

注：同一列中數(shù)值后不同字母表示處理間在 0.05 水平差異顯著，下同。

2.2 夏玉米地土壤CO2排放通量與土壤水分的關(guān)系

夏玉米全生育期內(nèi)0～10 cm土層WFPS為16.2%～65.8%，10～20 cm土層WFPS為29.2%～58.7%(圖2)。不同灌水水平下土壤CO2排放通量與0～10及10～20 cm 土層WFPS均呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，且兩者之間關(guān)系顯著(P<0.05)(表2)。當(dāng)WFPS<50%時(shí)，土壤CO2排放通量維持在較低水平，當(dāng)WFPS>50%時(shí)，土壤CO2排放通量出現(xiàn)驟增的趨勢(shì)。土壤CO2排放通量對(duì)0～10 cm土層WFPS變化較10～20 cm土層WFPS變化響應(yīng)敏感，0～10 cm土層WFPS>30%時(shí)，隨著WFPS的增加，土壤CO2排放通量快速增加，WFPS<30%時(shí)，WFPS的變化對(duì)土壤CO2排放通量無(wú)顯著影響，而10～20 cm土層WFPS>50%時(shí), 土壤CO2排放通量隨著WFPS的增加而快速增加。將3個(gè)處理的土壤CO2排放通量匯總，即不進(jìn)行處理的劃分，用匯總后的數(shù)據(jù)分別與0～10及10～20 cm 土層WFPS進(jìn)行函數(shù)模擬，得出二者呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(表2)。

圖2 夏玉米地土壤 CO2排放通量與土壤充水孔隙率的關(guān)系Fig.2 Relationship between CO2 flux and soil WFPS in summer maize fields

處理土層深度/cm擬合方程R2PCKT1T2各處理匯總0～10y=3．36×10-11e(x/0．02)+28．620．9050．005y=0．29e(x/0．06)+12．300．5580．007y=4．66×10-6e(x/0．03)+22．090．7730．006y=15．40e(x/0．18)-33．160．4160CKT1T2各處理匯總10～20y=3．36×10-11e(x/0．02)+28．620．9050．009y=1．80×10-7e(x/0．03)+24．230．9420．008y=5．79×10-25e(x/0．01)+17．250．9430．018y=2．84×10-4e(x/0．04)+19．750．6480

3 討 論

3.1 虧缺灌溉對(duì)夏玉米地土壤CO2排放的影響

播種后前20 d，CO2排放通量出現(xiàn)驟減現(xiàn)象，可能與播種前5 d的灌水以及播種當(dāng)天的施肥有關(guān)，夏玉米地土壤CO2排放通量在播種后出現(xiàn)峰值，隨后不斷降低。播種后30 d左右出現(xiàn)一個(gè)次峰值，可能與播種后26 d的灌水有關(guān)，播種后約40 d之后，排放通量基本上維持在一個(gè)較低的穩(wěn)定水平，可能與后期水分含量低以及土壤肥力不足有關(guān)。湯億等[25]利用閉合動(dòng)態(tài)法對(duì)晉中盆地春季裸露地研究結(jié)果表明，灌溉處理的平均土壤呼吸約為對(duì)照非灌溉處理3倍左右。土壤呼吸以根系呼吸和微生物呼吸為主，占土壤總呼吸的90%以上[26, 27]。兩次灌溉期間較長(zhǎng)時(shí)間的表層土壤干旱狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致土壤中微生物活性降低，土壤呼吸強(qiáng)度減弱，土壤CO2排放通量維持在較低水平，隨著灌溉后土壤微生物活性的恢復(fù)土壤呼吸快速增加[28]。以CK處理為例，播種后22～29 d，土壤0～10 cm土層WFPS從41.96%增加到65.84%，土壤CO2排放通量從28.88 mg/(m2·h)增加到357.19 mg/(m2·h)。夏玉米全生育期內(nèi)土壤CO2排放通量主峰值出現(xiàn)在播種后第5 d，次高峰出現(xiàn)在播種后29 d，且主峰值比次峰值高出許多，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因除灌水量的差異外(第一次灌水量較第二次大)，可能與播種時(shí)施肥因素有關(guān)，施用氮肥會(huì)顯著增加土壤呼吸量[29]。

7月份灌水后，不同處理下土壤CO2排放通量達(dá)到次峰值且表現(xiàn)為：CK>T1>T2，且CK與T2，T1與T2處理間差異顯著(P<0.05)，此時(shí)0～10 cm土層WFPS也表現(xiàn)為: CK>T1>T2，且CK與T2，T1與T2處理間差異顯著(P<0.05)。在夏玉米的其他生育階段，不同處理間的WFPS無(wú)顯著差異，土壤CO2排放通量亦無(wú)顯著差異(P>0.05)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在合適的灌溉量下，土壤呼吸與灌溉量呈正相關(guān)，而過(guò)多或過(guò)低的土壤水分均不利于土壤微生物生長(zhǎng)和繁衍[30]，本試驗(yàn)在灌溉后土壤含水量并未超過(guò)田間持水量。

同一處理，不同生育階段土壤CO2階段平均排放通量表現(xiàn)為：播種至拔節(jié)期>拔節(jié)至抽雄期>抽雄至成熟期。播種至拔節(jié)期的值最大的原因可能與兩次灌水以及播種時(shí)施的基肥有關(guān)。灌溉和施肥通過(guò)影響植物生長(zhǎng)和微生物活性進(jìn)而影響土壤CO2排放[31, 32]。底肥的施入為土壤中微生物的活動(dòng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源，促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)以及根系的生長(zhǎng)，加快土壤呼吸速率[33]。灌溉通過(guò)影響根系生物量、土壤中微生物生物量和有機(jī)質(zhì)礦化分解速率及氣體在土壤孔隙中的擴(kuò)散速率等進(jìn)而對(duì)土壤碳排放強(qiáng)度產(chǎn)生影響[30]。拔節(jié)至抽雄期土壤CO2階段平均排放通量較大可能是由于此階段隨著玉米根系生物量的增加，根系呼吸占土壤呼吸的比例也隨之增加，在抽雄期達(dá)到最大，從而增加土壤CO2排放量[34]。抽雄至成熟期的值最小是由于后期未灌水，土壤含水量較低，土壤0～10 cm土層WFPS為19.20%～29.08%，雖然土壤溫度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但此時(shí)土壤水分成為限制土壤呼吸的主要因素。當(dāng)土壤濕度小時(shí)，土壤呼吸與水分表現(xiàn)為明顯的相關(guān)關(guān)系[35]。低水條件降低了植物根系活力，破壞了根系和微生物呼吸的平衡[36]，低水也限制了植物對(duì)光合產(chǎn)物的輸送，而根系呼吸在很大程度上取決于植物的光合產(chǎn)物往地上部的輸送[37]。另一方面，玉米生長(zhǎng)后期，由于氮肥的供應(yīng)水平有限，減緩了作物生長(zhǎng)，降低了根系活性，進(jìn)而降低了土壤呼吸[38]。

3.2 夏玉米地不同灌溉處理下土壤CO2排放通量與土壤水分的關(guān)系

不同處理間由于WFPS無(wú)顯著差異，土壤CO2排放通量無(wú)顯著差異(次峰值除外)，綜合各處理進(jìn)行分析，土壤CO2排放通量與WFPS之間有顯著的關(guān)系。土壤含水量在一定范圍內(nèi)時(shí)，土壤水分與土壤呼吸之間有顯著的相關(guān)性[39]。目前，水分與土壤呼吸之間的模型有拋物線、線性、二次式和對(duì)數(shù)等多種函數(shù)關(guān)系，且隨著土壤充水孔隙率的增加，CO2排放通量呈增加的趨勢(shì)，在灌溉后出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)[40]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤CO2排放通量與0～10及10～20 cm土層土壤充水孔隙率的關(guān)系曲線均可以用指數(shù)方程擬合，且兩者呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。由圖2可以看出，WFPS<50%時(shí)，土壤含水量對(duì)土壤呼吸無(wú)顯著影響且CO2排放通量維持在較低水平，可能是由于水分脅迫抑制了土壤中微生物的生命活動(dòng)，降低了植物根系活力，從而降低土壤呼吸速率[41]。對(duì)土壤呼吸而言，最適宜的土壤水分狀況通常接近田間持水量[42]，本試驗(yàn)地田間持水量對(duì)應(yīng)的WFPS為74.2%，試驗(yàn)所測(cè)得的WFPS均低于該值，且當(dāng)WFPS>50%時(shí)，CO2排放通量隨著土壤充水孔隙率的增加而迅速增加。前人較多研究了改變土壤CO2排放通量的臨界WFPS，即WFPS在何種范圍內(nèi)，土壤CO2排放通量會(huì)增加或者減少，而對(duì)于土壤CO2排放通量如何增加以及增加的快慢程度較少研究。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明該試驗(yàn)地土壤WFPS<50%和WFPS>50%時(shí)，對(duì)土壤CO2排放通量影響有較大不同。土壤CO2排放通量對(duì)0～10 cm土層WFPS變化較10～20 cm土層WFPS的變化響應(yīng)敏感，當(dāng)0～10 cm土層WFPS高于30%時(shí)，土壤CO2排放通量有顯著增加的趨勢(shì)，10～20 cm土層WFPS高于50%時(shí)，土壤CO2排放通量才有顯著增加的趨勢(shì)，此種現(xiàn)象與張宇等[43]研究結(jié)果一致，0～5 cm表層土壤含水率對(duì)土壤CO2排放通量的影響較大，而下層土壤水分對(duì)土壤 CO2排放通量的影響依次減弱。

由于試驗(yàn)兩次取氣間隔時(shí)間較長(zhǎng)，一般為一周一次，在灌水后為一周兩次。故在灌水后未能及時(shí)捕捉到土壤CO2排放量的變化。在下一步的研究中，可以結(jié)合作物產(chǎn)量，探究出在農(nóng)業(yè)節(jié)水模式下，如何在既不減產(chǎn)或者少量減產(chǎn)的同時(shí)降低土壤CO2排放量的有效途徑。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法，研究不同灌溉水平對(duì)夏玉米地土壤CO2排放的影響試驗(yàn)表明，夏玉米整個(gè)生育期內(nèi)，不同處理下土壤CO2排放呈現(xiàn)先降低，再增加后降低的趨勢(shì)。隨著虧缺程度的增加，土壤CO2的排放通量也有所降低，但除抽雄至拔節(jié)期外，其他生育期及全生育期內(nèi)，各處理的差異雖存在，但未達(dá)到差異顯著水平(P>0.05)。不同灌溉水平下夏玉米地土壤CO2排放通量與WFPS關(guān)系密切，呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05)。研究結(jié)果對(duì)評(píng)估節(jié)水灌溉的農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)有一定的意義。

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