雷宏軍, 王維一, 劉歡, 張振華

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.魯東大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264025)

N2O與CO2是主要的溫室氣體,也是造成全球變暖的元兇。在溫室氣體中,大氣CO2濃度增加對(duì)氣候變化產(chǎn)生的影響也尤其引人關(guān)注[1]。CO2在大氣中的存留壽命為5～200 a,對(duì)全球溫室效應(yīng)的相對(duì)貢獻(xiàn)率最大，約為60%[2];而N2O的增溫潛勢(shì)是CO2的298倍[3],對(duì)溫室效應(yīng)的相對(duì)貢獻(xiàn)率約為5%。據(jù)估計(jì),大氣中每年有5%～20%的CO2、80%～90%的N2O來(lái)源于土壤,因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是溫室氣體最重要的排放源之一[4]。

目前,發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和實(shí)施環(huán)境保護(hù)正在成為國(guó)家戰(zhàn)略。由于傳統(tǒng)灌溉模式下的長(zhǎng)期灌溉會(huì)導(dǎo)致植物根部缺氧,嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng),進(jìn)而促進(jìn)了增氧灌溉的產(chǎn)生。作為一種新型的高效節(jié)水灌溉技術(shù),增氧灌溉旨在將增氧水直接輸送到植物根部,達(dá)到優(yōu)化植物根部氣體環(huán)境的目的[5-6]。增氧灌溉可改善植物根際的生長(zhǎng)環(huán)境,對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生有利影響,最終達(dá)到增產(chǎn)的效果;但其同樣會(huì)影響N2O與CO2等溫室氣體的排放[7-8]。為進(jìn)一步明確增氧灌溉條件下N2O與CO2排放量的變化規(guī)律,以及土層中N2O與CO2的濃度與排放通量間的關(guān)聯(lián)程度,特開(kāi)展土培試驗(yàn),研究不同增氧水平灌溉條件下N2O與CO2的排放規(guī)律,以期為評(píng)估增氧灌溉技術(shù)下土壤溫室氣體的排放響應(yīng)機(jī)制提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

于2017年11月在華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水試驗(yàn)室(34°47′23″N,113°47′41″E)開(kāi)展室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)。供試土壤為菜地原狀土,土壤性質(zhì)為壤質(zhì)黏土,其砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)和黏粒(<0.002 mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為42.9%、35.3%和21.87%。土壤的田間持水量(質(zhì)量含水率)為36.64%,土壤容重為1.15 g/cm3,NO3--N含量為5.68 mg/kg,NH4+-N含量為3.36 mg/kg,速效鉀含量為3.42 mg/kg,速效磷含量為9.98 mg/kg,有機(jī)質(zhì)含量為21.54 g/kg,pH值為6.30[9]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置了2個(gè)溶解氧水平(40、5 mg/L,分別記為A和C)和2個(gè)灌水量(分別灌溉至田間持水量的70%和90%,記為W1和W2)共4個(gè)處理,分別為:增氧非充分灌溉FAW1、增氧充分灌溉FAW2、非增氧非充分灌溉FCW1、非增氧充分灌溉FCW2,每個(gè)處理重復(fù)進(jìn)行3次。設(shè)施菜地原狀土的初始體積含水率為22.17%,經(jīng)預(yù)備試驗(yàn)計(jì)算,W1與W2分別為1.0 L和2.0 L;灌溉方式采用地表滴灌,從土表定量加入非曝氣水和曝氣水。曝氣裝置采用微納米氣泡水制備技術(shù)[10],利用純氧進(jìn)行曝氣,溶解氧設(shè)置濃度為40 mg/L。

1.3 采樣測(cè)定及計(jì)算方法

用于室內(nèi)恒溫(土壤溫度控制在25 ℃)培養(yǎng)試驗(yàn)的設(shè)施菜地原狀土土樣,利用直徑為30 cm、高為40 cm的圓柱體硬質(zhì)PVC土柱進(jìn)行采集。采土?xí)r,將土柱均勻壓入土壤,土柱挖出后,用托盤(pán)墊于土柱底部,并于托盤(pán)底部打孔,用膠密封四周。定期噴灑適量的去離子水濕潤(rùn)土壤,確保土壤中微生物的正?；顒?dòng)。

試驗(yàn)于灌水結(jié)束后的0、0.25、0.5、1、2、4、6、8 d采集氣體,在蓋上靜態(tài)箱的0、10、20、30 min時(shí)進(jìn)行靜態(tài)箱采氣(測(cè)定氣體濃度進(jìn)而計(jì)算排放通量)及硅膠管采氣(測(cè)定土層中溫室氣體的濃度)。硅膠管埋于土層5 cm和10 cm埋深處。溫度計(jì)裝于土表和土層5 cm埋深處,用于監(jiān)測(cè)培養(yǎng)環(huán)境。

室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)的采氣靜態(tài)箱為圓柱體,直徑30 cm(與土柱直徑相同)、高10 cm。于靜態(tài)箱頂部打孔,裝入三通閥并用膠密封;于硬質(zhì)PVC土柱的側(cè)壁打兩個(gè)小孔(打孔位置分別距土層表面5、10 cm),直徑均為3 mm,向內(nèi)延伸裝入硅膠管,長(zhǎng)度為10 cm。于設(shè)計(jì)的各采氣時(shí)間點(diǎn),將靜態(tài)箱扣于土柱上,四周用膠密封,利用帶三通閥的50 mL注射器,從靜態(tài)箱頂部抽取35 mL氣體。其中,5 mL氣體用于三通閥和針頭的潤(rùn)洗,剩余30 mL氣體注入抽成真空的12 mL集氣瓶中,2周內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,用于測(cè)定溫室氣體的濃度進(jìn)而計(jì)算排放通量。硅膠管取樣時(shí),用注射器從硅膠管中吸取7 mL的氣體,2 mL用于潤(rùn)洗,剩余5 mL注入12 mL的氣瓶中,并向12 mL的氣瓶中注入25 mL的惰性氣體(氦氣),用于測(cè)定土層中溫室氣體的濃度。利用氣相色譜儀(GC-2010 PLUS)測(cè)定N2O和CO2濃度[9]。

溫室氣體排放通量的計(jì)算見(jiàn)式(1)[8]。

(1)

式中:F為溫室氣體排放通量,mg/(m2·h);ρ為標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度,取1.96 g/cm3;h為土面距靜態(tài)箱頂部的距離,取0.15 m;T為箱內(nèi)溫度,℃;P為采集氣體時(shí)靜態(tài)箱內(nèi)的壓強(qiáng),mm Hg;P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,mm Hg;t為培養(yǎng)時(shí)間,h;dc/dt為氣體濃度的變化率,mg/(m3·h)。

土壤中溫室氣體累積排放量的計(jì)算見(jiàn)式(2)[11]。

(2)

式中:E為氣體累積排放量,mg/m2;Fi為第i次測(cè)量的氣體排放通量,mg/(m2·h);ti為第i次測(cè)量的時(shí)間,h;(ti+1-ti)為兩次測(cè)量的時(shí)間間隔,h;n為測(cè)量次數(shù),取n=8。

由于N2O的百年增溫潛勢(shì)是CO2的298倍,因此，采用綜合增溫潛勢(shì)GWP計(jì)算二者的綜合效應(yīng),公式如下[12]：

GWP=FCO2+298FN2O。

(3)

(4)

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

研究中采用Excel 2019作圖;采用SPSS Statistics 22.0軟件進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析;采用Fisher LSD方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 增氧灌溉下土層N2O與CO2濃度變化特征

2.1.1 增氧灌溉下土層N2O濃度變化特征

不同土壤埋深處N2O的濃度變化特征如圖1所示。由圖1可知:①土層5 cm與10 cm埋深處,處理FCW2與FAW2的N2O濃度均出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì),且于灌溉24 h后達(dá)到頂峰,于灌溉96 h后趨于平穩(wěn);而處理FCW1與FAW1的變化趨勢(shì)不明顯。②培養(yǎng)期內(nèi),土層5 cm與10 cm埋深處各處理N2O濃度由大到小的順序均為:FAW2、FCW2、FAW1、FCW1。

圖1 不同土層埋深處N2O的濃度變化

對(duì)不同處理與土層中N2O的濃度進(jìn)行相關(guān)性分析可得,高灌水量可顯著提高土層中N2O的濃度與濃度峰值(P<0.05):①土層5 cm埋深處,處理FCW2的平均濃度與峰值分別較FCW1的提高246.01%和477.10%;FAW2的平均濃度與峰值分別較FAW1的提高235.67%和340.08%。②土層10 cm埋深處,處理FCW2的平均濃度與峰值分別較FCW1的提高290.96%和519.31%;處理FAW2的平均濃度與峰值分別較FAW1的提高305.27%和417.45%。

2.1.2 增氧灌溉下土層CO2濃度變化特征

不同土壤埋深CO2的濃度變化特征如圖2所示。由圖2可知:①土層5 cm與10 cm埋深處,處理FAW2的CO2濃度均出現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢(shì),且于灌溉48 h后達(dá)到頂峰;而處理FCW1、FCW2、FAW2的變化趨勢(shì)不明顯。②在培養(yǎng)期內(nèi),土壤5 cm與10 cm埋深處各處理CO2濃度由大到小的順序均為:FAW2、FCW2、FAW1、FCW1。

圖2 不同土層埋深處CO2的濃度變化

對(duì)不同處理與土層中CO2的濃度進(jìn)行相關(guān)性分析可得:①高灌水量可顯著提高土層中的CO2濃度(P<0.05)。在土層5 cm埋深處,處理FCW2的平均濃度較FCW1的提高47.58%;FAW2的平均濃度較FAW1的提高38.75%。在土層10 cm埋深處,處理FCW2的平均濃度較FCW1的提高65.77%,處理FAW2的平均濃度較FAW1的提高71.73%。②高灌水量可顯著增加土層中CO2的濃度峰值(P<0.05)。在土層5 cm埋深處,處理FCW2的CO2濃度峰值較FCW1的增加59.31%;處理FAW2的CO2濃度峰值較FAW1的增加71.74%。在增氧條件下,土層10 cm埋深處,處理FAW2的CO2濃度峰值較FCW2的增加67.96%。③在充分灌溉條件下,增氧灌溉可顯著提高土層中CO2的濃度與峰值(P<0.05)。在土層10 cm埋深處,處理FAW2的平均濃度與峰值較FCW2的分別增加了30.26%和41.38%。

2.2 增氧灌溉下土壤N2O與CO2排放特征

2.2.1 增氧灌溉下土壤N2O排放特征

經(jīng)計(jì)算，在培養(yǎng)期內(nèi),4個(gè)處理下土壤N2O排放通量的變化情況如圖3所示。由圖3可知:①隨培養(yǎng)時(shí)間的增加,各處理的N2O排放通量均出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì),且于灌溉24 h后達(dá)到排放峰值,于灌溉96 h后趨于穩(wěn)定;②培養(yǎng)期內(nèi)各處理N2O排放通量由大到小的順序均為:FAW2、FCW2、FAW1、FCW1。

圖3 增氧灌溉下土壤N2O排放動(dòng)態(tài)

增氧灌溉處理下N2O的排放特征見(jiàn)表1。

表1 增氧灌溉處理下土壤N2O排放特征

注:各列不同小寫(xiě)字母表示差異性顯著(P<0.05),顯著性由高到低的順序?yàn)閍、b、c、d,下同。

由表1可知:①增氧灌溉可顯著增加土壤N2O的排放通量和累計(jì)排放量(P<0.05)。其中,FAW1的排放通量和累計(jì)排放量較FCW1的分別增加24.17%和47.58%;FAW2的排放通量和累計(jì)排放量較FCW2的分別增加38.76%和40.23%。②高灌水量可顯著增加土壤N2O排放峰值(P<0.05)。其中,FCW2的排放峰值較FCW1的增加94.63%;FAW2的排放峰值較FAW1的增加105.68%。

2.2.2 增氧灌溉下土壤CO2排放特征

經(jīng)計(jì)算,在培養(yǎng)期內(nèi),4個(gè)處理下CO2排放通量的變化情況如圖4所示。由圖4可知:①隨培養(yǎng)時(shí)間的增加,各處理的CO2排放通量均出現(xiàn)上升趨勢(shì),且于灌溉48 h后達(dá)到排放峰值,隨后下降;②培養(yǎng)期內(nèi)各處理CO2排放通量由大到小的順序均為:FAW2、FAW1、FCW1、FCW2。

圖4 增氧灌溉條件下土壤CO2排放動(dòng)態(tài)

增氧灌溉處理下CO2的排放特征見(jiàn)表2。

表2 增氧灌溉處理下土壤CO2排放特征

由表2可知:①充分灌溉條件下,增氧可顯著增加CO2的排放峰值(P<0.05),其中FAW2的CO2排放峰值較FCW2的增加20.47%;②在增氧條件下,高灌水量可顯著增加CO2排放峰值和累積排放量(P<0.05),其中FAW2的峰值和累積排放量較FAW1的分別增加71.75%和17.69%;③增氧可顯著增加土壤CO2累計(jì)排放量(P<0.05),其中FAW1的累計(jì)排放量較FCW1的增加16.31%,FAW2的累計(jì)排放量較FCW2的增加48.50%。

2.2.3 溫室氣體排放通量與土層中溫室氣體濃度的關(guān)系

N2O與CO2的排放通量與土層中N2O與CO2濃度之間的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知:不同土層埋深處的N2O濃度與N2O排放通量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01);在非增氧非充分灌溉條件下,土層10 cm埋深處的CO2濃度與CO2排放通量間呈顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表3 增氧灌溉條件下N2O與CO2的排放通量與土層中N2O與CO2濃度間的相關(guān)系數(shù)

注:**表示在P<0.01水平顯著相關(guān);*表示在P<0.05水平顯著相關(guān);無(wú)*表示不相關(guān)。

2.3 增氧灌溉對(duì)土壤中溫室氣體排放增溫潛勢(shì)的影響

圖5為各處理下溫室氣體的綜合增溫潛勢(shì)。由圖5可知:①各處理的增溫潛勢(shì)由大到小的順序?yàn)?FAW2、FCW2、FAW1、FCW1。②高灌水量可顯著增加溫室氣體的增溫潛勢(shì)(P<0.05)。其中,FCW2的增溫潛勢(shì)較FCW1的增加20.4%;FAW2的增溫潛勢(shì)較FAW1的增加44.5%。③在充分灌溉條件下,增氧可顯著增加溫室氣體的增溫潛勢(shì)(P<0.05)。其中,FAW2的增溫潛勢(shì)較FCW2的增加28.2%。④在非充分灌溉條件下,增氧灌溉對(duì)溫室氣體增溫潛勢(shì)的影響不顯著(P>0.05)。

圖5 土壤溫室氣體排放增溫潛勢(shì)

對(duì)溫室氣體的排放通量和增溫潛勢(shì)進(jìn)行相關(guān)性分析,由分析結(jié)果可知，增氧灌溉條件下溫室氣體的綜合增溫潛勢(shì)與N2O排放相關(guān)系數(shù)為0.990,呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與CO2排放無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

3 討論

3.1 增氧灌溉對(duì)土壤N2O排放的影響

3.1.1 灌水量對(duì)N2O排放的影響

土壤含水量增加會(huì)增大N2O的排放峰值[13]。在本次試驗(yàn)中,高灌水量顯著提高了N2O的排放通量,這說(shuō)明N2O的排放主要存在于以反硝化作用為主導(dǎo)的高含水量土壤中[14]。可見(jiàn),水分是影響N2O產(chǎn)生與排放的主要原因之一。有研究顯示,當(dāng)土壤處于飽和含水量以下時(shí),N2O的排放通量與土壤濕度呈正相關(guān)關(guān)系[15]。

對(duì)于不同土層的N2O濃度而言,在灌水后土層5 cm埋深處的N2O濃度小于10 cm埋深處的N2O濃度。已有研究表明:N2O的產(chǎn)生主要以反硝化為主[16]。本試驗(yàn)中,深層(10 cm)土壤的通氣性差,同時(shí)水分入滲驅(qū)散土壤孔隙中的空氣形成了厭氧環(huán)境,而厭氧環(huán)境更有利于反硝化的進(jìn)行,所以10 cm埋深處的N2O濃度會(huì)高于5 cm埋深處的。

3.1.2 增氧灌溉對(duì)N2O排放的影響

通過(guò)純氧曝氣裝置制得超高溶解氧微納米氣泡水進(jìn)行灌溉,可以有效提高灌溉水中溶解氧的含量[17],灌水的同時(shí)可彌補(bǔ)常規(guī)灌溉下造成的土壤氧氣的逃逸;而氧氣的大量匯入使得土壤的厭氧狀況得以改善,促進(jìn)了硝化反應(yīng)的發(fā)生,增加了N2O的產(chǎn)生,因溶解氧可改善土壤的通氣狀況，從而進(jìn)一步促進(jìn)了N2O排向大氣。

土壤的通氣狀態(tài)主要影響硝化作用與反硝化作用,進(jìn)而影響N2O的排放。一般條件下,土壤的反硝化速率與土壤氧氣含量成反比,反硝化產(chǎn)物也受土壤氧氣濃度的影響。在通氣條件不利的情況下,N2O的產(chǎn)生主要以反硝化作用為主導(dǎo),而通氣狀況較好的條件下以硝化作用為主導(dǎo)。所以在增氧條件下,雖然氧氣的參與抑制了反硝化過(guò)程中N2O的產(chǎn)生,但是此時(shí)N2O的產(chǎn)生是以好氣條件下硝化作用為主導(dǎo)。這就可以解釋在增氧條件下N2O排放通量依然會(huì)升高的原因。

3.2 增氧灌溉對(duì)土壤CO2排放的影響

3.2.1 灌水量對(duì)CO2排放的影響

土壤中CO2的排放來(lái)源主要為植物根系的呼吸作用和微生物的呼吸作用[18],而本文是在未種植植物的條件下進(jìn)行的土壤培養(yǎng)試驗(yàn),所以該CO2主要來(lái)源于微生物的呼吸作用。利用靜態(tài)箱氣相色譜法對(duì)室內(nèi)恒溫培養(yǎng)土壤的CO2排放進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)高灌水量會(huì)造成土壤的高CO2排放,這與一些學(xué)者的研究結(jié)論一致[19-20]。分析其原因:在非充分灌溉條件下,低土壤含水量時(shí)微生物的活性減弱,CO2排放量減少，但土壤固碳能力增強(qiáng)。

對(duì)于土壤深層的CO2濃度而言,高灌水量會(huì)顯著提高土層CO2濃度。有研究顯示,當(dāng)溫度在10 ℃以上時(shí),埋深為0～5 cm土層的土壤含水率與土壤CO2排放通量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系[21]。本試驗(yàn)消除了溫度對(duì)其他因子的掩蓋效應(yīng),在恒溫條件下進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)高灌水量會(huì)顯著增加土層CO2濃度,但增氧對(duì)深層CO2濃度的影響不顯著。這可能是因?yàn)?高灌水量時(shí),土壤通氣性較弱,但是土壤的呼吸作用一直在進(jìn)行,其產(chǎn)生的CO2因土壤的通氣性變差而滯留在土壤中無(wú)法順利逸出,所以CO2濃度在灌水后出現(xiàn)緩慢升高的趨勢(shì)。

3.2.2 增氧灌溉對(duì)CO2排放的影響

有研究表明,增氧灌溉會(huì)增加土壤呼吸[22-23]。本試驗(yàn)中，增氧顯著增加了CO2的累計(jì)排放量;且在充分灌溉條件下,增氧顯著增加了CO2的排放通量與排放峰值。這是因?yàn)?在充分灌溉條件下,土壤深層的CO2因高灌水量而聚集,隨后釋放,而增氧更有利于土壤呼吸作用的進(jìn)行,因此在充分灌溉條件下增氧顯著提高了CO2的排放通量與排放峰值。

3.3 增氧灌溉對(duì)溫室氣體增溫潛勢(shì)的影響

在充分灌溉條件下,增氧顯著增加了溫室氣體的增溫潛勢(shì);而非充分灌溉條件下,增氧對(duì)溫室氣體增溫潛勢(shì)的影響并不顯著。在增氧灌溉和非增氧灌溉條件下,高灌水量均顯著增加了溫室氣體的增溫潛勢(shì)。相關(guān)性分析結(jié)果表明:溫室氣體的增溫潛勢(shì)與N2O的排放呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與CO2的排放無(wú)顯著的相關(guān)性。

4 結(jié)語(yǔ)

為研究增氧灌溉對(duì)土壤溫室氣體排放的影響,在室內(nèi)土壤恒溫培養(yǎng)條件下，采用靜態(tài)箱與氣相色譜相結(jié)合的方法，研究土壤中N2O與CO2濃度及其與排放通量的關(guān)系,得出以下結(jié)論:

1)增氧灌溉和高灌水量灌溉均可顯著增加土層中N2O與CO2的濃度。

2)增氧和充分灌溉增加了土壤N2O與CO2的排放通量、排放峰值及累計(jì)排放量。N2O與CO2排放通量均在灌水后迅速上升,隨后下降趨于穩(wěn)定。

3)土壤N2O與CO2的排放通量依賴于土壤深層N2O與CO2的濃度。N2O的排放通量與土壤5 cm與10 cm埋深處的N2O的濃度均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01);CO2的排放通量與土壤10 cm埋深處的CO2濃度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

4)在充分灌溉條件下,增氧可顯著增加溫室氣體的增溫潛勢(shì),且增溫潛勢(shì)與N2O的排放呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。