覆膜方式對小麥-玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯的影響

馮 浩 劉晶晶 張阿鳳 鄒小陽 陳海心

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西楊凌 712100；5.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

覆膜方式對小麥-玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯的影響

馮 浩1,2劉晶晶1,3張阿鳳3,4鄒小陽2陳海心3,5

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西楊凌 712100；5.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對關(guān)中平原小麥-玉米輪作(2014—2015年)農(nóng)田溫室氣體(CO2、CH4和N2O)排放通量進(jìn)行監(jiān)測，并用凈增溫潛勢(NGWP)和碳足跡2個(gè)指標(biāo)評估不同覆膜方式對關(guān)中平原農(nóng)田溫室效應(yīng)、作物生產(chǎn)碳足跡的分布和構(gòu)成的影響。試驗(yàn)處理設(shè)置為不覆膜(CK)、半膜覆蓋(BM)、壟作覆膜(LM)、全膜覆蓋(QM)。結(jié)果表明，與CK處理相比，BM、LM、QM處理下作物年際總產(chǎn)量分別增加了9.0%、16.5%、26.6%；CO2的年際排放總量分別增加了33.9%、9.3%、31.6%，N2O的年際排放總量分別增加了22.9%、14.3%、47.1%，但CH4的年際吸收總量無顯著性差異；NGWP分別增加了9.0%、16.7%、26.0%； LM、QM處理碳足跡較CK處理減少了33.2%、21.9%，而BM處理碳足跡與CK處理無顯著差異；BM處理單位產(chǎn)量碳足跡較CK處理增加了16.3%，而LM處理較CK處理減少了13.1%，QM處理與CK處理無顯著性差異。綜合考慮不同覆膜方式的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，壟作覆膜更有利于關(guān)中平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)的固碳減排。

小麥-玉米； 覆膜； 溫室氣體； 凈增溫潛勢； 碳足跡

引言

溫室氣體(CO2、CH4和N2O)大量排放是全球氣候變暖及其引起的一系列環(huán)境問題的主要原因。2013年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布的《碳排放評估報(bào)告》指出，農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放量占全球溫室氣體排放總量的11%，已超過2020年的排放目標(biāo)[1-2]。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不僅是溫室氣體CO2、CH4和N2O的主要排放源，而且還是重要的固碳減排體系，具有很強(qiáng)的固碳潛力[3]。地膜覆蓋是旱區(qū)農(nóng)業(yè)獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要手段，中國已成為覆膜種植面積最大的國家[4]。覆膜具有增溫保墑、改善土壤性狀和提高水分利用率等諸多優(yōu)點(diǎn)[5-6]，不同的覆膜方式對土壤水熱條件的影響存在差異。馬忠明等[7]研究了不同覆膜方式對旱地土壤水分和溫度的影響，發(fā)現(xiàn)全膜覆蓋和半膜壟作覆蓋的0～40 cm土壤含水量較半膜覆蓋分別提高了10.61%和6.75%，全膜覆蓋和半膜壟作覆蓋的0～15 cm土溫較半膜覆蓋分別增加了1.96℃和1.18℃。土壤水分和土壤溫度是溫室氣體排放與碳循環(huán)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，在一定變化范圍內(nèi)與溫室氣體排放通量具有顯著相關(guān)性[8-9]。陶麗佳等[10]通過馬鈴薯盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，覆膜促使土壤CO2排放量升高10.4%～94.5%，CH4排放量降低5.1%～47.4%。NAN等[11]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜處理的CO2和N2O濃度更高，而CH4濃度更低；覆膜明顯促進(jìn)土壤CO2和N2O排放潛勢的提高，而阻礙CH4的排放。NISHIMURA等[12]研究了覆膜對菜地N2O氣體排放的影響，發(fā)現(xiàn)覆膜促進(jìn)了N2O的排放。目前，關(guān)于不同覆膜方式對農(nóng)田溫室效應(yīng)的影響研究較少且多集中在對單一氣體的研究方面。

碳足跡作為新的研究方法得到學(xué)術(shù)界認(rèn)可，并成為氣候變化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[13]。農(nóng)業(yè)碳足跡能夠系統(tǒng)地評價(jià)耕作、施肥、灌溉和收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)過程中，由人為因素引起直接和間接的碳排放總量，定量測算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對溫室效應(yīng)的影響[14]。然而，目前有關(guān)中國農(nóng)田管理對大氣溫室效應(yīng)和碳足跡貢獻(xiàn)影響的文獻(xiàn)中，大多為秸稈還田、免耕、有機(jī)肥施用等管理措施的相關(guān)研究結(jié)果，有關(guān)不同覆膜方式影響效應(yīng)的報(bào)道較少。因此，本文以關(guān)中平原小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤為研究對象，通過設(shè)置不同覆膜方式處理，研究其對冬小麥-夏玉米生長季內(nèi)土壤溫室氣體排放規(guī)律的影響，用凈增溫潛勢(NGWP)和碳足跡2個(gè)指標(biāo)評估不同覆膜方式下的固碳減排效應(yīng)，優(yōu)化田間管理措施，探尋關(guān)中平原最佳覆膜種植方式，以期為保障小麥、玉米高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)及農(nóng)業(yè)固碳減排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)位于陜西關(guān)中平原中部楊陵區(qū)，西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站(34°20′N、108°24′E，海拔高度521 m)，屬半干旱半濕潤氣候區(qū)。2014年10月份—2015年10月份總降水量為540.8 mm，年平均溫度為14.3℃，試驗(yàn)站內(nèi)土壤為塿土，0～1 m土層的平均田間持水率為23%～25%，凋萎系數(shù)為8.5%(均為質(zhì)量含水率)，播前0～20 cm土壤的有機(jī)碳含量為8.23 g/kg，全氮含量為0.95 mg/kg，土壤硝態(tài)氮含量為5.41 mg/kg，土壤銨態(tài)氮含量為1.35 mg/kg，有效磷(P2O5)含量為20.91 mg/kg，速效鉀(K2O)含量為287 mg/kg，pH值(水土質(zhì)量比1∶1)為8.32，土壤容重為1.43 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)不覆膜(CK)、半膜覆蓋(BM)、壟作覆膜(LM)、全膜覆蓋(QM)4個(gè)處理，試驗(yàn)區(qū)布置如圖1所示。各處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為10 m2(2 m×5 m)，使用塑料薄膜(聚乙烯，膜厚0.008 mm，每平方米質(zhì)量為6 g)覆蓋，實(shí)際使用半膜寬為0.4 m，壟膜寬為0.5 m(壟高15 cm)，全膜寬為2.4 m。試驗(yàn)區(qū)周圍設(shè)0.5 m寬的作物保護(hù)帶。各處理施肥和灌水制度一致，以尿素和磷酸二氫鈣作基肥，其他管理措施與當(dāng)?shù)匾恢?。小?小偃22)于2014年10月15日播種(播種密度為187.5 kg/hm2)，2015年6月6日收獲。玉米(秦龍14)于6月11日播種，10月8日收獲。各處理灌水和施肥時(shí)間及其用量如表1所示。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Sketches of experiment arrangement1.冬小麥 2.滴灌帶 3.采氣箱 4.土壤 5.夏玉米

日期灌水量/mm施肥量/(kg·hm-2)NP2O52014-10-1501201002014-11-1930002015-03-1530002015-04-093002015-06-10225902015-06-1230002015-08-023000

1.3 測定項(xiàng)目和方法

1.3.1 溫室氣體采集與測定

溫室氣體采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法進(jìn)行采集和測定。采樣箱由箱體和底座組成，箱體用PVC材料制成，覆有泡沫和反光材料，尺寸為50 cm×50 cm×50 cm，箱內(nèi)安裝攪勻氣體的風(fēng)扇和抽氣接口，接口連接三通閥。底座用不銹鋼制成，尺寸為50 cm×50 cm×5 cm，底座內(nèi)無作物，測定裸地土壤溫室氣體的排放。底座上面附有凹槽，采樣之前槽內(nèi)注水密封以隔絕箱外環(huán)境。氣體采集時(shí)間為09:00—11:00之間?？巯浜罅⒓从?0 mL注射器采集樣品，然后分別在扣箱后10、20、30 min時(shí)采樣一次。每10 d采集一次，若施肥、灌溉或降水，則增加采樣頻率，一共增加采樣3次，分別為2015年5月23日、7月16日、8月5日。采樣結(jié)束后立即帶回實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀(Agilent 7890 A型，美國安捷倫科技有限公司)進(jìn)行分析，CH4和CO2使用氫火焰離子檢測器(FID)測定，載氣為氮?dú)?，柱溫?0℃，檢測器溫度為200℃，流速為40 mL/min；燃?xì)馐菤錃?，其流?5 mL/min；助燃?xì)馐强諝?，流?50 mL/min。N2O使用電子捕獲檢測器(ECD)，載氣為氬甲烷，其柱溫是65℃，檢測器溫度330℃，流速為30 mL/min。氣體排放速率由4個(gè)連續(xù)樣品濃度的斜率經(jīng)過線性回歸分析得出，排放通量計(jì)算式[14]為

(1)

式中F——?dú)怏w的排放通量，mg/(m2·h)H——采樣箱高度，mM——?dú)怏w的摩爾質(zhì)量，g/molP——采樣點(diǎn)氣壓，PaR——普適氣體常數(shù)，取8.314 Pa·m3/(mol·K)

T——采樣時(shí)箱內(nèi)平均氣溫，℃

用內(nèi)插法估算小麥、玉米生育期CO2、N2O和CH4的排放總量。

1.3.2 產(chǎn)量、溫度及含水率測定

小麥?zhǔn)斋@后，在每個(gè)小區(qū)選取1 m2的樣點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)收割，風(fēng)干脫粒后稱取籽粒質(zhì)量并計(jì)算產(chǎn)量，最終結(jié)果以每公頃小麥產(chǎn)量(t/hm2)表示。試驗(yàn)區(qū)自動(dòng)氣象站測定每日最高、最低氣溫和降水量(圖2)，用地溫計(jì)測定5 cm深處土壤溫度、氣密閉箱內(nèi)空氣溫度，測定時(shí)間為密閉箱置于底座20 min后。采用TDR土壤水分速測儀測定土壤體積含水率，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)測3個(gè)點(diǎn)取平均值，用土壤孔隙度含水率(Water filled pore space，WFPS)表示，計(jì)算公式為

WFPS=θv/(2.65-γ)×100%

(2)

式中WFPS——土壤孔隙度含水率，%θv——土壤體積含水率，%γ——土壤容重，g/cm3

圖2 小麥-玉米季的降水量、最低氣溫和最高氣溫Fig.2 Daily precipitation and maximum and minimum air temperatures in wheat-maize growing season

1.4 生態(tài)系統(tǒng)凈交換量和凈增溫潛勢計(jì)算

作物凈初級生產(chǎn)力(NPP)作為表征植被活力的關(guān)鍵變量，不僅是有機(jī)體能量和物質(zhì)流動(dòng)的基礎(chǔ)，關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)對碳固定能力的強(qiáng)弱。生態(tài)系統(tǒng)凈交換是指生態(tài)系統(tǒng)光合同化作用與呼吸作用之間的平衡，表征了陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收大氣CO2的能力。生態(tài)系統(tǒng)凈交換量(NEE)的計(jì)算式[15-16]為

NEE=RH-NPP

(3)

其中NPP=0.446Wmax-0.000 67

式中NPP——凈初級生產(chǎn)力(以碳等量(Ce)計(jì))，kg/hm2

Wmax——作物收獲后地上部分和地下部分生物量的總和，kg

RH——土壤CO2排放量(以Ce計(jì))，kg/hm2

凈增溫潛勢(NGWP)是參考土壤和生物量排放法(Soil and crop-based approach)[2]，由于本研究將物資和農(nóng)事活動(dòng)投入計(jì)入碳足跡進(jìn)行評價(jià)，所以不再計(jì)入到增溫潛勢，則NGWP計(jì)算式為

NGWP=GWPNPP+GWPΔSOC-GWPGHGs

(4)

式中NGWP——凈增溫潛勢，kg/hm2，以CO2當(dāng)量計(jì)算

GWPNPP——凈初級生產(chǎn)力的增溫潛勢，kg/hm2，以CO2當(dāng)量計(jì)算

GWPΔSOC——試驗(yàn)前后有機(jī)碳含量變化的增溫潛勢，由于本試驗(yàn)只有一年可忽略不計(jì)

GWPGHGs——土壤CO2(秸稈部分全部以CO2形式排放到大氣中[17])、N2O和CH4排放總量的增溫潛勢，kg/hm2，以CO2當(dāng)量計(jì)算

當(dāng)NGWP>0時(shí)，表現(xiàn)為溫室氣體的匯，反之為源。

1.5 碳足跡評價(jià)方法與計(jì)算

碳足跡的邊界為開始種植小麥到收獲玉米結(jié)束(2014年10月份—2015年10月份)，評價(jià)農(nóng)資生產(chǎn)過程中(肥料和農(nóng)藥)的碳排放、農(nóng)業(yè)活動(dòng)中的能源消耗(施肥、噴灑農(nóng)藥、耕作、收獲、起壟和覆膜)、地膜生產(chǎn)過程中的碳排放、灌溉過程中的能源消耗(電力)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈交換量(NEE)表征生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收及小麥和玉米生育期內(nèi)CH4和N2O排放總量進(jìn)行分析，評價(jià)不同覆膜方式對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。

小麥-玉米輪作生長過程總碳足跡CF的計(jì)算式[18]為

CF=∑AiEFj

(5)

式中Ai——各農(nóng)業(yè)投入的總量

EFj——相應(yīng)的排放參數(shù)，正值表示碳消耗，負(fù)值表示碳吸收

作物生產(chǎn)單位產(chǎn)量碳足跡CFy(以CO2-Ce計(jì))[19]計(jì)算式為

(6)

式中CFy——作物生產(chǎn)單位產(chǎn)量碳足跡，kg/tTY——小麥和玉米的總產(chǎn)量，t/hm2

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取3次重復(fù)的平均值，采用Microsoft Excel 2013和JMP 10.0(SAS Institute，Cary，NC，USA，2011)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理和相關(guān)性分析，用Duncan法檢驗(yàn)差異顯著性(α=0.05)。應(yīng)用OriginPro 9.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤CO2排放通量的季節(jié)變化

從圖3a和圖4a中可以看出，各處理小麥-玉米生育期CO2排放通量(以CO2-C計(jì))季節(jié)變化趨勢與土壤溫度變化規(guī)律相似，呈現(xiàn)3月份之前較低、4—8月份較高的趨勢。CK處理的CO2排放通量在冬小麥生長季內(nèi)基本低于覆膜處理，降水或灌溉使不同覆膜方式處理CO2排放通量差異較大。進(jìn)入8月份之后伴隨溫度降低和高頻率降水各處理CO2排放通量呈降低趨勢(圖3)。從表2可知小麥季各覆膜處理CO2排放總量與CK處理存在顯著性差異(p<0.05)，玉米季QM處理與CK處理存在顯著性差異(p<0.05)。BM、LM、QM處理下，小麥-玉米季CO2排放總量較CK處理分別增加了33.9%、9.3%、31.6%。

圖3 小麥-玉米生長期不同覆膜方式CO2、N2O和CH4季節(jié)性排放通量Fig.3 Seasonal emission fluxes of CO2, N2O and CH4 under different mulching patterns during wheat-maize growing season

圖4 不同覆膜方式土壤溫度和土壤孔隙度含水率變化Fig.4 Dynamics of soil temperature and soil WFPS under different mulching patterns

2.2 土壤N2O、CH4排放和吸收通量的季節(jié)變化

由圖3b可知，各處理N2O排放通量(以N2O-N計(jì))在整個(gè)小麥-玉米生育期內(nèi)變化趨勢一致，在施肥或灌溉后共出現(xiàn)了4個(gè)小排放峰和1個(gè)大排放峰，由于小麥季溫度較低在施肥或灌溉后只出現(xiàn)小排放峰，且各處理間差異不明顯。玉米種植后灌溉、施肥及高溫使得各處理N2O排放通量出現(xiàn)極大值，各處理差異較明顯，最高的QM處理達(dá)到了72.3 μg/(m2·h)(6月17日)。從小麥季N2O排放總量來看(表2)，BM、LM、CK處理間無顯著性差異(p>0.05)，QM處理較CK處理顯著增加(p<0.05)。玉米季BM、QM處理N2O排放總量較CK處理均顯著增加(p<0.05)。總的來說，BM、LM、QM處理下小麥-玉米季N2O排放總量較CK處理分別增加了22.9%、14.3%、47.1%。

從圖3c可知，小麥-玉米季土壤CH4既有吸收特征又有排放特征，基本上呈現(xiàn)土壤CH4的吸收現(xiàn)象。各處理CH4通量(以CH4-C計(jì))在-0.33～0.3 mg/(m2·h)之間變化。灌溉和降水后出現(xiàn)CH4排放現(xiàn)象，總結(jié)發(fā)現(xiàn)CH4排放現(xiàn)象基本出現(xiàn)在WFPS大于60%時(shí)(圖4b)。由表2可知，小麥、玉米季各處理土壤均為CH4的匯，小麥季各處理無顯著性差異(p>0.05)，而玉米季LM、QM處理較CK處理顯著降低了CH4的吸收。從年際CH4吸收總量來看，各處理無顯著性差異(p>0.05)。

2.3 小麥、玉米產(chǎn)量和NGWP的變化

由表2可知，覆膜增加了作物產(chǎn)量，小麥季LM處理產(chǎn)量較CK處理顯著增加，BM、QM、CK處理小麥產(chǎn)量無顯著性差異(p>0.05)，玉米季QM處理產(chǎn)量較CK處理顯著增加，BM、LM、CK處理玉米產(chǎn)量無顯著性差異(p>0.05)(表2)。相比CK處理，BM、LM、QM處理的年際總產(chǎn)量分別增加了9.0%、16.5%、26.6%。本試驗(yàn)NGWP主要取決于籽粒產(chǎn)量，各處理的凈增溫潛勢均表現(xiàn)為溫室氣體的匯，且籽粒產(chǎn)量越多，固碳潛力越大，然而各處理間NGWP差異與產(chǎn)量差異一致。BM處理小麥-玉米季NGWP與CK處理無顯著性差異(p>0.05)，LM、QM處理小麥-玉米季NGWP較CK處理顯著增加16.7%、26.0%。

2.4 碳足跡的變化

從小麥-玉米季碳足跡分析可知，不同處理均表現(xiàn)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯(表3)。LM、QM處理碳足跡較CK處理減少了33.2%、21.9%，而BM處理碳足跡與CK處理無顯著差異(p>0.05)。從圖5的碳足跡構(gòu)成可知，不同處理CO2凈交換量(NEE)占總碳匯的99.2%～99.8%。BM、LM、QM處理總碳消耗量較CK處理增加了41.7%、51.7%、76.9%。碳消耗量的排放來源主要是肥料和地膜，其次是灌溉和N2O排放，分別占各處理總碳消耗量的33.1%～58.6%和27.1%～40.7%、9.9%～17.5%和6.5%～8.6%。從圖6可知，BM處理單位產(chǎn)量碳足跡較CK處理增加了16.3%，而LM處理較CK處理減少了13.1%，QM處理與CK處理無顯著性差異(p>0.05)。

表2 不同覆膜方式的產(chǎn)量、溫室氣體排放總量和凈增溫潛勢

注：同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

表3 不同覆膜方式的碳消耗

3 討論

3.1 不同覆膜方式對溫室氣體排放的影響

覆膜可改善土壤水熱狀況，從而增強(qiáng)土壤微生物生長和活性[26]和其他影響土壤CO2通量的土壤性質(zhì)，如土壤孔隙度[27]。土壤CO2排放通量趨勢與氣溫、土壤溫度變化趨勢基本一致，且與土壤溫度呈顯著正相關(guān)(表4)，而土壤水分狀況對CO2產(chǎn)生與排放的影響機(jī)制主要體現(xiàn)在土壤通氣性和土壤溶解性有機(jī)質(zhì)含量的變化方面, 土壤過濕或過干都會(huì)抑制土壤微生物活動(dòng)。在小麥和玉米生長期，不同覆膜方式處理均可促進(jìn)CO2排放，因?yàn)楦材じ纳仆寥浪疅?，從而增?qiáng)土壤微生物活性，加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解[28]，且有利于植物根系和土壤微生物呼吸產(chǎn)生CO2，增加了土壤CO2濃度[29-30]，與本研究的結(jié)論一致。但有研究認(rèn)為覆膜的物理阻隔大，從而降低了CO2排放通量[10,29,31]，本研究得出覆膜增加了CO2排放通量，這可能是由于膜的滲透性導(dǎo)致CO2排放增加。因此，與前人研究CO2排放通量的差異可能原因有兩方面：一是覆膜土壤儲(chǔ)存的高濃度CO2可能通過膜的滲透[12]和水平擴(kuò)散而進(jìn)入大氣[32]；二是未種植作物的氣體采集區(qū)周圍分布了少量作物根系，土壤CO2排放量的測定沒有為溫室氣體效應(yīng)提供一個(gè)可靠的估計(jì)，而該效應(yīng)與CO2凈排放量(植株根系光合作用和呼吸作用及土壤呼吸作用的凈值)相關(guān)。

圖5 不同覆膜方式的小麥-玉米季碳足跡構(gòu)成Fig.5 Composition of carbon footprint of wheat-maize growing season under different mulching patterns

圖6 不同覆膜方式的單位小麥-玉米產(chǎn)量的碳足跡Fig.6 Carbon footprint of per wheat-maize yield under different mulching patterns

不同管理措施下N2O排放量與氮肥施用、土壤水分、土壤溫度都呈正相關(guān)[31,33]，這與本研究結(jié)果一致(表4)。覆膜措施下，土壤的水熱條件明顯得到協(xié)同改善。此時(shí)，土壤微生物的活性和數(shù)量迅速增加，使得土壤硝化和反硝化過程加強(qiáng)，土壤中N2O產(chǎn)生和排放量也隨之明顯增加。此外，由于地表的覆蓋，西北干旱半干旱地區(qū)土壤表層較為常見的干濕交替和凍融交替過程被有效地抑制，使得以此方式損耗的氮素減少，膜下的氮素得到一定程度地累積，在土壤水熱條件較好時(shí)，土壤微生物過程加強(qiáng)，氮素作為反硝化過程的底物，該累積過程反倒有可能增加土壤N2O的排放量[34]。NIAHIMURA等[12]研究發(fā)現(xiàn)，透過地膜的N2O通量比從水平方向擴(kuò)散的更高，N2O透過地膜排出，其通透性隨周圍環(huán)境溫度的增加而增強(qiáng)，這可能是本研究中QM處理在小麥-玉米季N2O排放量高于其他處理的原因。

表4 不同覆膜方式與土壤溫度(5 cm)和土壤孔隙度含水量(10 cm)的相關(guān)系數(shù)

注：*表示在p<0.05水平顯著相關(guān)；** 表示在p<0.01水平顯著相關(guān)。

土壤CH4的產(chǎn)生是產(chǎn)甲烷菌與甲烷氧化菌共同作用的結(jié)果，而旱地一般認(rèn)為是CH4的匯[35]。CH4在土壤中的排放和吸收受農(nóng)業(yè)管理措施和氣候季節(jié)性變化規(guī)律的影響。CUELLO等[28]研究結(jié)果表明地膜覆蓋減少了土壤CH4的吸收，因?yàn)榈啬じ采w使土壤中氧氣含量減少，微生物通常是在土壤厭氧條件下分解土壤中有機(jī)物。本試驗(yàn)各處理在冬小麥返青期之前WFPS較低，基本處于20%～45%之間。KHALIL等[36]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，WFPS對CH4氧化速率有顯著影響，WFPS為30%時(shí)土壤中CH4氧化速率最低。然而小麥季覆膜處理土壤對CH4的吸收與CK處理無顯著性差異。相反，本試驗(yàn)玉米季高頻率降水使各處理WFPS增加，土壤處于厭氧狀態(tài)促進(jìn)了甲烷菌分解有機(jī)物，丁維新等[37]研究表明甲烷氧化率與土壤濕度呈負(fù)相關(guān)，這與本研究結(jié)果一致(表4)。因此，壟作的集水作用和覆膜的保水作用使得玉米季LM、QM處理顯著減少了土壤CH4的吸收。

3.2 不同覆膜方式對NGWP的影響

趙自超等[2]用土壤碳庫排放法、生物量量法、土壤和生物量排放法來評估硝化和脲酶抑制劑對華北冬小麥-夏玉米輪作固碳減排效果，其中土壤和生物量排放法綜合考慮了溫室氣體和農(nóng)田的作物產(chǎn)量。這里采用此方法評估不同覆膜方式之間對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力，主要取決于NPP，雖然各覆膜處理的N2O、CH4排放總量較CK處理有所增加，但其本身所占NGWP比重較小，這與劉巽浩等[38]的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)將NPP移出農(nóng)田部分的收獲物(作物籽粒)作為固碳單元，故整個(gè)系統(tǒng)移出農(nóng)田部分越高(產(chǎn)量越高)，固碳潛力越大。岳維云等[39]研究不同覆膜方式下冬小麥增產(chǎn)效應(yīng)由大到小表現(xiàn)為：全膜覆土、膜側(cè)(起壟覆膜側(cè)播)、全膜穴播、露地，這與本試驗(yàn)冬小麥產(chǎn)量LM處理高于QM處理的結(jié)果一致。李尚中等[40]探求不同覆膜方式對旱地農(nóng)田玉米產(chǎn)量的影響時(shí)產(chǎn)量結(jié)果由大到小為：全平膜穴播、寬平膜、膜側(cè)(起壟覆膜側(cè)播)、露地，這與本文的試驗(yàn)結(jié)果一致。各處理之間的籽粒產(chǎn)量差異與NGWP差異基本一致。CK、BM、LM和QM處理NGWP分別高達(dá)19 083、20 799、22 269、24 043 kg/hm2，相比趙自超等[2]的研究結(jié)果要高，這是因?yàn)楣喔?、機(jī)械和肥料施用等農(nóng)事活動(dòng)所造成的CO2排放當(dāng)量沒有計(jì)入，而是把這一部分放入碳足跡來評價(jià)，且高籽粒產(chǎn)量和N2O排放是LM、QM處理下NGWP高于其他2個(gè)處理的原因所在。

3.3 不同覆膜方式對碳足跡的影響

許多研究在評價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡時(shí)，只考慮了農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)生的碳足跡，而沒有考慮土壤呼吸CO2排放量、生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O的排放量[18-20,41]。本研究綜合考慮這些方面全面系統(tǒng)地分析不同灌溉量對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡的影響。碳足跡是碳匯和碳源(總碳消耗量)的差值，本試驗(yàn)各處理NEE占碳匯的99.2%～99.8%。成功等[14]研究結(jié)果表明各處理NEE占碳匯的97.0%～99.7%。可見NEE是影響碳匯的最關(guān)鍵因子，而NEE主要受溫度、降水等氣候因子及農(nóng)田管理措施影響[42]。徐昔保等[43]研究結(jié)果表明太湖流域典型稻麥輪作農(nóng)田年NEE為-7 494～-7 853 kg/hm2。這與本研究NEE值(-5 332.5～-7 823 kg/hm2)結(jié)果相近。本試驗(yàn)中，相比CK處理，BM處理既增加了NPP也增加了土壤呼吸，使得生態(tài)系統(tǒng)碳足跡無顯著差異，LM、QM處理顯著增加了NPP，但土壤呼吸增加比例不大，從而減少了NEE?？梢姴煌材し绞皆诓煌潭壬细纳屏送寥浪疅釛l件，活化土壤養(yǎng)分，促進(jìn)作物地上和地下部分的生長(即碳的固定)。從碳足跡的構(gòu)成可知(圖5)，碳消耗的排放來源主要是肥料和地膜，主要原因是化肥本身在生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)倪^程中需要消耗大量的化石燃料，另一方面化肥施用量相對較多，造成化肥部分的碳排放量相對最大[41]。覆膜雖增加了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯，但在生產(chǎn)和使用過程中的碳消耗量占總碳消耗量的27.3%～40.9%。因此，高效利用地膜能有效減少碳消耗。LM處理顯著減少了單位產(chǎn)量碳足跡，是因?yàn)檩^CK處理產(chǎn)量增加幅度小于碳足跡減小幅度。

4 結(jié)論

(1)覆膜的增溫保墑作用促進(jìn)水分消耗由物理過程向生理過程轉(zhuǎn)化，由無效消耗向有效消耗轉(zhuǎn)化，從而有效增加作物籽粒產(chǎn)量。不同覆膜方式改善土壤理化性質(zhì)的程度不同，對作物的增產(chǎn)效應(yīng)也不同，本研究半膜覆蓋、壟作覆膜、全膜覆蓋條件下作物年總產(chǎn)量較不覆膜處理分別增加了9.0%、16.5%、26.6%。

(2)覆膜處理小麥-玉米季CO2和N2O排放總量較不覆膜處理分別增加了9.3%～33.9%和14.3%～47.1%。各處理CH4吸收無顯著性差異(p>0.05)。相關(guān)性分析表明，土壤溫度和水分是影響溫室氣體排放的重要因素。

(3)凈增溫潛勢(NGWP)和碳足跡2個(gè)指標(biāo)評價(jià)時(shí)，結(jié)果存在差異。全膜覆蓋處理NGWP較不覆膜處理顯著增加了26.0%，壟作覆膜處理與全膜覆蓋處理無顯著性差異(p>0.05)。而半膜覆蓋處理NGWP與不覆膜處理無顯著性差異(p>0.05)。半膜覆蓋處理單位產(chǎn)量碳足跡較不覆膜處理增加了16.3%，而壟作覆膜處理較不覆膜處理減少了13.1%，QM處理與CK處理無顯著性差異(p>0.05)。因此，綜合2個(gè)指標(biāo)考慮不同覆膜方式的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，壟作覆膜處理更有利于關(guān)中平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)的固碳減排。

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Effect of Film Mulching Patterns on Carbon Sequestration in Wheat-Maize Rotation System

FENG Hao1,2LIU Jingjing1,3ZHANG Afeng3,4ZOU Xiaoyang2CHEN Haixin3,5

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofWaterandSoilConservation，ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China3.ChineseNationalAcademyofWater-savingAgricultureinAridRegion,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China4.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China5.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

The greenhouse gases such as methane (CH4), nitrous oxide (N2O), and carbon dioxide (CO2) were increased in atmospheric concentration since 1750, which attracted more and more attention regarding climate change. Agriculture activities contributed to the increase of greenhouse gas concentration in the atmosphere, resulting in high global warming potential, which was estimated to contribute about 47%～58% of the total anthropogenic emissions of CH4and N2O. Film mulching is reported to be a significant agricultural factor which greatly affected greenhouse gas (GHG) emissions and the carbon footprint. The annual GHG emissions (CO2, CH4and N2O) from a wheat-maize rotation system during 2014—2015 were monitored by using the static opaque chamber and gas chromatography technique in Guanzhong Plain of China. Four mulching treatments were no mulching (CK), semi-film mulching (BM), ridge-furrow planting with film mulching over ridge (LM) and whole film mulching (QM). Net global warming potential (NGWP) and carbon footprint were used to evaluate the effect of film mulching on GHG emissions and composition of carbon footprint production. The results showed that compared with CK, the BM, LM and QM treatments increased annual crop yield by 9.0%, 16.5% and 26.6%, respectively. Similarly, the BM, LM and QM treatments increased annual CO2emission by 33.9%, 9.3% and 31.6% and annual N2O emission by 22.9%, 14.3% and 47.1%, respectively. However, annual CH4emissions showed no significant difference compared with CK. In addition, NGWP was increased by 9.0%, 16.7% and 26.0%, respectively. The carbon footprint of LM and QM treatments was 33.2% and 21.9% lower than that of CK, while BM treatment showed no significant difference compared with CK. Compared with carbon footprint per unit crop yield of CK, that of BM treatment was increased by 16.3%, while that of LM treatment was decreased by 13.1%. Meanwhile, QM treatment showed no significant difference. Considering both the economic and environmental effects of different mulching treatments, ridge-furrow planting with film mulching over ridge in the wheat-maize rotation system was recommended for carbon sequestration and greenhouse gas reduction in Guanzhong Plain of China with the purposes of water saving and carbon sequestration.

wheat-maize; film mulching; greenhouse gas; net global warming potential; carbon footprint

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.024

2016-08-08

2016-09-20

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA102904)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301305)和西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014YB062、2452015355)

馮浩(1970—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源高效利用研究，E-mail: nercwsi@vip.sina.com

S162.4+1; X826

A

1000-1298(2017)04-0180-10