黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)不同種植模式 土壤溫室氣體排放特征

鄧長(zhǎng)芳，羅珠珠,*，李玲玲，牛伊寧，蔡立群,，張仁陟，謝軍紅

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學(xué)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730070)

近年來，由溫室效應(yīng)帶來的海平面上升、生物多樣性減少及淡水資源減少等生態(tài)環(huán)境問題已成為全球性問題，受到人們廣泛關(guān)注。作為主要溫室氣體的CO2、CH4、N2O控制著陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳的數(shù)量、分布以及循環(huán)速度[1]，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占80%[2]，CO2排放量的增加更是導(dǎo)致全球變暖的主要因素[3]。與CO2相比，CH4的增溫潛勢(shì)大約是其23倍[4]，而N2O的增溫效應(yīng)更高，約達(dá)到了CO2的150～200倍[5]，具有更強(qiáng)的增溫潛勢(shì)。目前，國內(nèi)外對(duì)溫室氣體的關(guān)注在工業(yè)化、城市化方面較多，忽視了農(nóng)業(yè)低碳減排的必要性和緊迫性，而農(nóng)田土壤是溫室氣體的重要排放源，約占溫室氣體總排放量的20%[6]。

甘肅省紫花苜蓿(Medicagosativa)占全國種植面積的1/3，一直居全國第1位[7]，連作是其主要的種植方式，但長(zhǎng)期的苜蓿連作會(huì)使土壤干燥化程度不斷加劇，形成土壤干層且逐年加深[8]，也會(huì)導(dǎo)致根系生物量減少，降低對(duì)土壤養(yǎng)分的利用強(qiáng)度[9-10]，進(jìn)一步造成土壤肥力下降進(jìn)而影響苜蓿生產(chǎn)力。徐坤等[11]對(duì)不同年限苜蓿土壤CO2排放的研究表明，CO2排放通量隨苜蓿種植年限的增加而增加。因此，在隴中黃土高原地區(qū)尋求合理的苜蓿種植方式，不但能夠改善土壤質(zhì)量，而且對(duì)控制農(nóng)田土壤溫室氣體的排放也有重大意義。近年來，隨著對(duì)黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境的關(guān)注，有關(guān)草田輪作的研究日益增多，合理的草田輪作方式不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤肥力，還能促進(jìn)土壤生物化學(xué)過程。研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿-作物輪作能降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤飽和導(dǎo)水率，增加土壤入滲[12]，且較之苜蓿連作可以增加土壤速效磷、速效鉀、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等養(yǎng)分含量[13]。此外，通過調(diào)整種植方式對(duì)控制農(nóng)田溫室氣體的排放也有巨大潛力[14]。目前，隴中黃土高原地區(qū)苜蓿-作物輪作系統(tǒng)的研究主要側(cè)重于不同輪作模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響[15-16]，對(duì)土壤溫室氣體排放的研究也大多是針對(duì)單一作物分別進(jìn)行的[17]，而同時(shí)測(cè)定不同作物土壤溫室氣體排放的研究匱乏。因此，本研究以隴中黃土高原旱作農(nóng)田為研究對(duì)象，分別在作物生育期和休閑期進(jìn)行溫室氣體排放觀測(cè)，旨在探明該地區(qū)苜蓿后茬輪作不同作物條件下溫室氣體排放的季節(jié)變化規(guī)律，并探求同步觀測(cè)的生物因子對(duì)氣體排放通量變化的影響，以期為探明農(nóng)田土壤溫室氣體排放特征、預(yù)測(cè)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的未來趨勢(shì)和提高雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)性提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

試區(qū)位于黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)。該區(qū)屬于中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2000 m，年均太陽輻射592.9 kJ·cm-2，日照時(shí)數(shù)2476.6 h，年均氣溫6.4 ℃，≥0 ℃年積溫2933.5 ℃，≥10 ℃年積溫2239.1 ℃；無霜期140 d，年均降水390.9 mm，年蒸發(fā)量1531.0 mm，干燥度2.53，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)疏松，土層深厚，質(zhì)地均勻，貯水性能良好。作物生育期內(nèi)降水量見圖1。

圖1 作物生育期內(nèi)降水量分布Fig.1 Distribution of the precipitation during crop growing season

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理(表1)，3次重復(fù)，小區(qū)面積3.0 m×7.0 m，隨機(jī)區(qū)組排列。供試作物為紫花苜蓿(L)、玉米(Zeamays)(C)、春小麥(Triticumaestivum)(W)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)(P)、谷子(Setariaitalica)(M)。L-W、L-P、L-M均施純氮肥105 kg·hm-2，純P2O5105 kg·hm-2；L-C施純氮肥200 kg·hm-2，純P2O5105 kg·hm-2，L-L和L-F不施肥。所有肥料均在播種時(shí)施入，生育期沒有追肥。小麥于2017年3月23日播種，7月22日收獲；谷子于2017年4月17日播種，10月23日收獲；玉米、馬鈴薯均于2017年4月28日播種，10月23日收獲；苜蓿于2017年6月25日和10月23日刈割兩次，各處理見表1。

表1 試驗(yàn)處理描述Table 1 Treatments discription

所有用地均是在2003年開始連續(xù)種植苜蓿8年。Alfalfa began to be planted in 2003 for 8 years.

1.3 氣體樣品采集及測(cè)定方法

1.3.1溫室氣體的采集與測(cè)定 氣體采樣時(shí)間為2016年10月至2017年10月，每隔15 d進(jìn)行一次采樣，氣體采集時(shí)間均在上午8:30-11:30完成。N2O、CH4用靜態(tài)箱密閉法采集，采樣箱用1 mm 厚，304 K薄不銹鋼板制成，箱體直徑38 cm，高35 cm，底座內(nèi)徑36.5 cm，埋入各處理小區(qū)，整個(gè)采樣期內(nèi)不再移動(dòng)。箱體外覆反光鋁箔保溫膜，箱頂有一膠塞測(cè)溫口用于插入溫度計(jì)讀取箱內(nèi)溫度，箱內(nèi)壁裝有一個(gè)100 mm風(fēng)扇用來混勻氣體，箱體一側(cè)安有三通閥采氣孔并連接一根橡膠管用于注射器采樣。采樣時(shí)將采樣箱扣入底座凹槽加水密封，箱頂插入溫度計(jì)并接通風(fēng)扇電源后用注射器分別采集0、10、20 min 時(shí)的氣體樣品注入150 mL鋁塑復(fù)合氣袋中，密封保存，每次采樣結(jié)束后立即將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析。N2O、CH4使用安捷倫7890A 型氣相色譜儀(7890A GC System，USA)進(jìn)行氣體樣品分析，色譜條件為色譜柱：Porapark Q 15 m×0.53 mm×25 μm，進(jìn)樣口150 ℃，分流進(jìn)樣，N2O檢測(cè)器的檢測(cè)溫度為300 ℃，柱溫45 ℃，柱流速3.3 mL·min-1，載氣為高純N2；CH4檢測(cè)器的檢測(cè)溫度為200 ℃，柱溫55 ℃，柱流速7.7 mL·min-1，載氣為高純N2；氣體采集的同時(shí)，采用碳通量測(cè)量系統(tǒng)LI-8100(LI-COR，USA)及其自帶20 cm直徑呼吸室測(cè)定CO2呼吸速率，每小區(qū)測(cè)定3次，每次測(cè)定時(shí)間為90 s[18]。

1.3.2土樣的采集及酶活性的測(cè)定 分別在2017年3月25日、7月25日、9月25日采集氣樣的同時(shí)取土樣，取樣深度為0～30 cm，每小區(qū)取3點(diǎn)，充分混合后帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。脲酶活性的測(cè)定采用苯酚次氯酸鈉比色法，過氧化氫酶活性的測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法[19]。

1.3.3土壤水分 每次采集氣體的同時(shí)通過烘干法(105±2) ℃測(cè)定 0～5 cm，5～10 cm，10～30 cm 三個(gè)土壤層的水分含量。

1.3.4土壤溫度 在各小區(qū)分別安置一套地下5,10,15,20及25 cm地溫計(jì)，每次采樣時(shí)同步觀察土壤溫度。

1.4 主要計(jì)算方法

溫室氣體排放通量的計(jì)算：

F=(C2×V×M×273/T2-C1×V×M×273/T1)/[A×(t2-t1)×22.4]

(1)

式中：F代表溫室氣體(N2O，CH4)的排放通量(mg·m-2·h-1)；A為采樣箱的底面積(m2)；V為采樣箱體積(m3)；M為被測(cè)氣體的分子量；t1、t2分別為測(cè)定開始和測(cè)定結(jié)束的時(shí)間；T1、T2分別為采樣箱密閉時(shí)和采樣箱開啟前的箱內(nèi)溫度(K)；C1、C2分別為采樣箱密閉時(shí)和采樣箱開啟前箱內(nèi)被測(cè)氣體的體積濃度。

溫室氣體累積排放量的計(jì)算：

M=∑(FN+1+FN)/2×(tN+1-tN)×24

(2)

式中：M為整個(gè)測(cè)定期內(nèi)溫室氣體(N2O，CH4)的累積排放量(kg·hm-2)；F為溫室氣體(N2O，CH4)的排放通量；N為采樣次數(shù)；t為采樣時(shí)間即初次采樣的天數(shù)。

CO2累積排放量計(jì)算公式如下[20]:

CE=∑[1/2×(ti+1-ti)×(Rsi+1-Rsi)×0.1584×24]

(3)

式中：Rs為CO2排放速率；i+1與i表示兩次相鄰的測(cè)量；t表示播種后天數(shù)，0.1584為將碳排放數(shù)值單位μmol(CO2)·m-2·s-1轉(zhuǎn)換為g(CO2)·m-2·h-1的系數(shù)，24為將碳排放數(shù)值單位由g(CO2)·m-2·h-1轉(zhuǎn)換為kg(CO2)·hm-2的系數(shù)。

增溫潛勢(shì)(GWP)計(jì)算公式如下:

GWP=CO2的排放量×1+N2O的排放量×265+CH4的排放量×28

(4)

本研究以1 kg CO2的增溫潛勢(shì)為1，1 kg N2O和CH4的增溫潛勢(shì)分別為1 kg CO2的265倍和28倍[21]，從而得出各處理下 CO2、N2O 和 CH4全年的綜合增溫潛勢(shì)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007軟件處理數(shù)據(jù)和制圖，SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性采用Duncan法，顯著水平設(shè)置為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下土壤CO2排放通量年動(dòng)態(tài)變化

圖2是不同種植模式下土壤CO2排放通量的全年動(dòng)態(tài)變化曲線。如圖所示，各處理的變化趨勢(shì)較為一致，均呈現(xiàn)出夏秋季高，春冬季低的季節(jié)性變化特征。從10月進(jìn)入休閑期開始，隨著土壤溫度逐漸降低，CO2排放通量逐漸減少，在翌年1月達(dá)到全年排放量的最低值，這可能是在較低的土壤溫度下土壤微生物的活躍程度下降引起的。至作物播種期，CO2排放通量緩慢增加，隨著春季氣溫的回升以及作物播種后，CO2排放通量總體上呈逐漸上升的趨勢(shì)，到6月5日L-L、L-W、L-C、L-F這4個(gè)處理出現(xiàn)了生育期內(nèi)的第1個(gè)“峰值”，隨后呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)檫@一時(shí)期3種作物基本進(jìn)入了快速生長(zhǎng)期，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖代謝活動(dòng)加快，植物光合作用和呼吸作用加強(qiáng)，其中，L-L處理下的CO2排放量更是達(dá)到了全年排放量的最高峰，可能是因?yàn)檐俎Ｒ荒陜?nèi)刈割2次，第1茬的苜蓿生物群體最大，土壤呼吸速率也最高，CO2的排放量也更多。到9月5日，除L-F和L-W處理外，其他幾種作物出現(xiàn)了生育期內(nèi)的第2個(gè)“峰值”，可能是由于這一階段作物進(jìn)入成熟期，生物量多，土壤微生物活動(dòng)劇烈而導(dǎo)致CO2排放量較高。此后，隨著作物的收獲和溫度的下降，土壤CO2排放通量逐漸減少，年均CO2排放量表現(xiàn)為L(zhǎng)-L>L-M>L-C>L-P>L-W>L-F。

圖2 不同種植模式下土壤CO2排放通量動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic variations of soil CO2 fluxes under different planting patterns

2.2 不同種植模式下土壤CH4吸收通量年動(dòng)態(tài)變化

圖3是不同種植模式下土壤CH4吸收通量的全年動(dòng)態(tài)變化曲線。與土壤CO2排放通量的季節(jié)變化相似，CH4吸收通量也表現(xiàn)出夏秋季高，春冬季低的變化特征。夏、秋季節(jié)，土壤溫度高、通氣性好，CH4氧化菌的活性高，土壤吸收能力增強(qiáng)；冬、春兩季土壤溫度低，CH4氧化菌的活性降低，土壤吸收CH4能力明顯減弱。從2016年休閑期至翌年播種前，由于受到土壤溫度的限制，CH4吸收量保持在0.0078～0.0421 mg·m-2·h-1的較低水平，休閑期各處理吸收通量大小表現(xiàn)為L(zhǎng)-W>L-M>L-P>L-C>L-L>L-F。至3月25日播種前，各處理CH4吸收量有明顯降低，這可能是播種對(duì)土壤的擾動(dòng)引起土壤氣體的外排過程強(qiáng)于吸收過程，也可能是施肥導(dǎo)致土壤中氮含量增加，抑制了CH4的氧化過程，從而降低了土壤對(duì)CH4的吸收。隨著春季氣溫回暖，土壤中CH4氧化菌活性增強(qiáng)，各處理下CH4吸收量開始逐漸升高，6、7月，各處理CH4吸收通量達(dá)到全年最大值，總體保持在0.0507～0.1348 mg·m-2·h-1的較高水平，主要原因在于這一時(shí)期溫度高蒸發(fā)量大，土壤處于好氣狀態(tài)，促進(jìn)了土壤對(duì)CH4的吸收。6月5日吸收量急劇降低，這可能是因?yàn)榍耙惶旖邓?5.29 mm，厭氧條件下CH4菌活躍，氧化菌活性降低，從而抑制了CH4的吸收過程，6、7月各處理的吸收總量表現(xiàn)為L(zhǎng)-W>L-M>L-C>L-P>L-L>L-F。進(jìn)入成熟期后(9月5日)，土壤溫度降低，微生物活動(dòng)減弱，土壤CH4吸收通量逐漸減少，各處理年均CH4吸收量表現(xiàn)為L(zhǎng)-W>L-M>L-P>L-C>L-L>L-F。

2.3 不同種植模式下土壤N2O排放通量年動(dòng)態(tài)變化

不同種植模式下N2O排放通量變化趨勢(shì)一致，總體呈現(xiàn)出降低-升高-降低的單峰變化趨勢(shì)(圖4)，整個(gè)生育期內(nèi)，苜蓿連作表現(xiàn)出高吸收高排放的特點(diǎn)，這應(yīng)該與其發(fā)達(dá)的根系有較大關(guān)系。10月收獲后進(jìn)入越冬期，土壤N2O呈吸收排放狀態(tài)，各處理下的N2O排放量逐漸降低并保持在-0.0314～0.0456 mg·m-2·h-1的范圍內(nèi)，休閑期內(nèi)各處理N2O排放通量表現(xiàn)為L(zhǎng)-F>L-C>L-M>L-P>L-W>L-L。3月隨著氣溫回升，N2O排放量逐漸升高，至7月水熱適宜，作物生長(zhǎng)旺盛，N2O排放量達(dá)到了全年峰值，各處理排放量表現(xiàn)為L(zhǎng)-L>L-P>L-M>L-W>L-C>L-F，隨后呈明顯的下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樽魑锍墒旌?，?duì)土壤養(yǎng)分、水分消耗過多，抑制了土壤中N2O的擴(kuò)散與釋放。各處理年均N2O排放量表現(xiàn)為L(zhǎng)-C>L-M>L-F>L-L>L-W>L-P。

圖3 不同種植模式下土壤CH4吸收通量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic variations of soil CH4 fluxes under different planting patterns

圖4 不同種植模式下土壤N2O吸收通量動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic variations of soil N2O fluxes under different planting patterns

2.4 不同種植模式對(duì)CO2、CH4和N2O累積排放量和增溫潛勢(shì)的影響

從表2可以看出，不同種植模式對(duì)CO2、CH4和N2O 3種溫室氣體的排放(吸收)量以及增溫潛勢(shì)有顯著地影響。從3種氣體的累積排放(吸收)量方面看，CO2的累積排放量在L-L處理下最高，苜蓿-作物輪作的處理里L(fēng)-W最低，較L-L處理顯著減少了42.43%；CH4的累積吸收量在L-F處理下最低、L-L次之，而輪作的作物中L-M最高，分別較L-F和L-L增加了62.36%和31.69%，L-M與L-W處理間差異不顯著；N2O的累積排放量在L-C處理下最高，L-M處理次之，L-P和L-W處理最低，且處理間沒有顯著差異。這說明與苜蓿-作物輪作相比，苜蓿連作處理的CO2排放量高，CH4吸收量少，而苜蓿-小麥可有效減少CO2的排放，增加CH4的吸收。

從對(duì)大氣的增溫潛勢(shì)方面看，苜蓿連作(L-L)處理CO2的增溫潛勢(shì)顯著高于苜蓿-作物輪作的其他處理，且提高了49.57%～81.16%；在輪作處理中，L-F處理的CO2增溫潛勢(shì)最低，較最高的L-M處理下降了17.44%，L-F與L-W處理間差異不顯著；N2O增溫潛勢(shì)最低的是L-P處理，較最高的L-C處理下降了19.44%，L-P與L-W處理間差異不顯著；CH4增溫潛勢(shì)最低的是L-F處理，而在輪作處理中增溫潛勢(shì)最低的是L-C，L-C與L-W處理間差異不顯著。綜合增溫潛勢(shì)表現(xiàn)為L(zhǎng)-L>L-M>L-C>L-P>L-F>L-W，這說明苜蓿多年連作后，對(duì)大氣溫度的變化有明顯的增溫效應(yīng)，而苜蓿后茬輪作糧食作物可有效緩減大氣溫度的升高，并以苜蓿后茬輪作小麥效果最佳。

2.5 不同種植模式對(duì)土壤酶活性的影響

不同生育期內(nèi)0～30 cm土層各處理脲酶和過氧化氫酶活性如表3所示。兩種酶活性在不同生長(zhǎng)階段變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。播種期(3月25日)脲酶活性均值為2.29 mg·g-1，苜蓿-作物處理中L-W處理顯著低于L-L和L-C處理，分別較之降低了10.29%和7.63%；至作物生長(zhǎng)期(7月25日)，脲酶活性均值比播種期提高了20.12%，苜蓿-作物處理中，L-M處理最高，較L-P、L-W處理分別增加4.43%、8.02%，差異顯著；至作物成熟期(9月25日)，L-C處理的脲酶活性略低于L-L處理，較L-P、L-W、L-M分別提高2.33%、4.76%、8.20%。過氧化氫酶活性在播種期均值為1.34 mL·g-1，L-P處理較L-M處理提高17.97%，與L-C、L-W無顯著差異；生長(zhǎng)期L-L處理過氧化氫酶活性較其他處理提高5.56%～26.67%，與L-P、L-W、L-M處理差異顯著；成熟期，苜蓿連作的過氧化氫酶活性顯著高于其余處理。

表2 不同種植模式下溫室氣體累積排放量及增溫潛勢(shì)Table 2 Greenhouse gas accumulative emission and comprehensive global warming potential (GWP) under different planting patterns

同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different small letters in the same row indicate significant difference among treatments at 0.05 level. The same below.

表3 不同種植模式下0～30 cm土層的酶活性Table 3 Soil enzyme activities under different planting patterns in 0-30 cm

2.6 不同種植模式對(duì)土壤水分和溫度的影響

從測(cè)定的溫度數(shù)據(jù)可以看出(圖5)，在完整的一個(gè)年周期內(nèi)，0～30 cm土層的溫度受季節(jié)變化的影響，呈夏秋高、春冬低的變化規(guī)律，對(duì)比不同輪作處理全年0～30 cm土層溫度變化可以看出，在整個(gè)休閑期內(nèi)，各輪作處理之間溫度變化的趨勢(shì)以及溫度范圍基本上保持一致。不同種植模式對(duì)土壤溫度的影響主要集中在各作物的生育期內(nèi)，從3月25日(播種期)至9月25日(成熟期)，各輪作處理的土壤溫度均保持在較高范圍，這一階段0～10 cm土層溫度分別在6月5日和7月7日達(dá)到兩個(gè)波峰，6月5日的平均氣溫在28～32 ℃，7月7日的平均氣溫在26.5～32.5 ℃；而在10～30 cm土層下，L-L處理的溫度明顯高于其他處理。從全年范圍內(nèi)不同土層平均溫度來看，0～5 cm土層溫度均表現(xiàn)為L(zhǎng)-M>L-C>L-W>L-F>L-P>L-L，5～10 cm和10～30 cm土層溫度表現(xiàn)為L(zhǎng)-C>L-M>L-F>L-W>L-P>L-L。到10月下旬，各處理間溫度變化的差異逐漸變小，10～30 cm土層溫度基本沒有差異。

從0～30 cm土層的水分含量動(dòng)態(tài)變化來看(圖5)，各處理0～5 cm土層水分含量在4月中下旬達(dá)到全年最小值，變化范圍在1.95%～9.72%，其中L-C處理最高，L-P處理最低，這與該地區(qū)這一時(shí)期春旱頻次高、強(qiáng)度大的季節(jié)特征有關(guān)，而L-C處理水分較高是因?yàn)榈啬ぞ哂袠O強(qiáng)的保墑作用，抑制了土壤水分的蒸發(fā)；各處理土壤水分含量較高的時(shí)期出現(xiàn)在9月5日，保持在19.41%～23.27%，其中L-F處理最低，L-P處理最高，這是因?yàn)?月降水較多，尤其是8月28、29日降水量達(dá)到29.5 mm。從土層深度上看，0～10 cm的水分由于受氣象因素的影響波動(dòng)較大，10～30 cm變化幅度較小，而各處理的土壤水分在相同土層內(nèi)的變化趨勢(shì)較為一致，0～30 cm土層的全年平均含水量表現(xiàn)為：L-C>L-F>L-P>L-M>L-W>L-L。

圖5 不同種植模式下0～30 cm土層的土壤溫度和土壤水分Fig.5 Soil temperature and water content in 0-30 cm soil layer under different planting pattern

2.7 土壤酶及環(huán)境因子對(duì)溫室氣體排放通量的影響

表4和圖6是0～30 cm土層土壤溫度、土壤水分、土壤酶與溫室氣體排放量的回歸分析。結(jié)果表明，土壤溫度與CO2、CH4、N2O排放通量之間都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，CO2排放通量與0～10 cm土層土壤含水量顯著正相關(guān)(r=0.54～0.56)，CH4排放通量與0～5 cm土壤含水量顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.50)，N2O排放通量與5～10 cm土層水分顯著正相關(guān)(r=0.51)；溫室氣體排放通量與土壤酶活性之間有極顯著線性相關(guān)關(guān)系，脲酶與CO2、N2O、CH4的排放通量相關(guān)系數(shù)r分別為0.84、0.85和-0.78(P<0.01)，過氧化氫酶與CO2、N2O和CH4的排放通量相關(guān)系數(shù)r分別為0.71、0.57和-0.70(P<0.05)，這說明土壤溫度升高促進(jìn)溫室氣體的排放，不同土層的水分對(duì)溫室氣體排放的影響效果有差異，而CO2和N2O排放通量隨脲酶和過氧化氫酶活性的升高而增加，CH4排放通量隨酶活性的升高而減少，吸收通量增加。

表4 不同種植模式下土壤溫室氣體與不同土層土壤溫度、土壤水分的回歸方程Table 4 Regression equations between greenhouse gases (y) and soil water content and temperature of different layers (x) under different planting patterns

*:P<0.05;**:P<0.01.

表5是利用逐步回歸分析法建立了0～30 cm土壤溫度、土壤水分、土壤酶影響溫室氣體排放通量的最優(yōu)回歸模型。結(jié)果表明，土壤溫度、過氧化氫酶對(duì)CO2和CH4排放量的影響較大；在N2O排放量的回歸模型中，土壤生物因子相對(duì)而言對(duì)氣體排放的影響較小，環(huán)境因子對(duì)N2O的排放有極顯著影響。這說明農(nóng)田溫室氣體的排放是諸多因素共同作用的結(jié)果，主導(dǎo)不同氣體排放量的因素也不盡相同，本研究中CO2和CH4的排放受到環(huán)境因子和生物因子的共同影響，而N2O的排放則與土壤溫度、水分關(guān)系較為密切。

3 討論

土壤溫室氣體的產(chǎn)生是土壤微生物等在眾多環(huán)境因子綜合作用下分解土壤有機(jī)物質(zhì)和植物根系等共同作用的結(jié)果，其強(qiáng)度受到土壤微生物類群數(shù)量及活性、土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量及礦化速率、土壤動(dòng)植物呼吸等的共同影響[22]。本研究中，不同種植模式下溫室氣體排放量呈夏秋高，春冬低的季節(jié)性變化特征，這與宋敏等[23]對(duì)旱作農(nóng)田溫室氣體的研究結(jié)果較為一致，春冬休閑期內(nèi)土壤溫度低，微生物活性以及土壤呼吸速率降低，夏秋季節(jié)光溫條件適宜，微生物呼吸和植物根系呼吸加強(qiáng)，加速了土壤中有機(jī)質(zhì)的分解和微生物活性，而且大量根系分泌物及植物凋落物輸入到土壤， 為微生物提供了足夠的底物反應(yīng)基質(zhì)。越冬期內(nèi)， 不同種植模式下土壤對(duì)N2O呈吸收排放態(tài)，這與蔡立群等[14]研究黃土高原旱作區(qū)土壤N2O在整個(gè)測(cè)定期內(nèi)均為排放源的結(jié)果不一致。雖然兩研究位于同一試區(qū)，但種植作物不同，土壤環(huán)境存在較大差異，苜蓿根系發(fā)達(dá)且為固氮植物，冬季溫度低、根瘤菌活性弱， 可能需要從土壤中吸收一定的礦質(zhì)氮來滿足植物體對(duì)氮的需求， 這與其他苜蓿地土壤N2O排放研究的結(jié)果[24-25]相似。由此可見，不同種植模式下作物所處的溫度水分及根際環(huán)境的差異會(huì)引起土壤氣體排放的變化，有研究發(fā)現(xiàn)，隴東黃土高原不同作物CO2排放量表現(xiàn)為苜蓿>玉米>草地>小麥[26]。本研究結(jié)果表明，苜蓿-苜蓿連作處理的CO2累積排放量最高，苜蓿-小麥處理較之降低了42.43%，CH4的吸收量也顯著低于苜蓿-作物輪作處理，這說明苜蓿-作物輪作系統(tǒng)較苜蓿-苜蓿連作能不同程度地降低土壤CO2排放量，提高CH4的吸收量。 裴淑瑋等[27]對(duì)玉米-小麥輪作農(nóng)田N2O的研究Y1、Y2、Y3分別是CO2、CH4、N2O的排放通量；X1、X2、X3、X4分別是土壤溫度、土壤水分、脲酶、過氧化氫酶。Y1,Y2andY3are emission fluxes of CO2, CH4and N2O respectively;X1,X2,X3andX4are soil temperature, soil moisture, urease activities and catalase activities respectively.

圖6 不同輪作模式下土壤酶活性與溫室氣體排放通量的關(guān)系Fig.6 Relationship between soil enzymes activities and greenhouse gas fluxes under different planting patterns

表5 0～30 cm土壤水分、土壤溫度、土壤酶與 溫室氣體排放量的逐步回歸分析Table 5 Multiple stepwise liner analysis between soil moisture, soil temperature, soil enzymes of 0-30 cm and greenhouse gases emissions

表明玉米季N2O的排放量占全年排放量的57%～86%。本研究中，L-C處理的N2O累積排放量顯著高于其他處理，比L-W處理提高24.11%，玉米生長(zhǎng)期正值高溫多雨季，土壤溫濕度高于小麥生長(zhǎng)期，為土壤反硝化營(yíng)造了良好的條件，促進(jìn)了反硝化過程的發(fā)生，提高N2O的產(chǎn)生速率。溫室效應(yīng)的加劇主要依賴于CO2、 N2O和CH4等溫室氣體的排放，本研究不同處理下的綜合增溫潛勢(shì)表現(xiàn)為L(zhǎng)-L>L-M>L-C>L-P>L-F>L-W，由此可見，苜蓿-小麥輪作能更有效緩減大氣的增溫效應(yīng)，因?yàn)樾←溕L(zhǎng)期較短，避免了夏季部分高溫多雨的天氣，大大減少了生育后期CO2和N2O的排放。此外，小麥進(jìn)入收獲期較早，避開了降水充沛期，土壤CH4氧化菌活性高，削弱了CH4的排放，強(qiáng)化了小麥土壤對(duì)CH4的吸收。

農(nóng)田溫室氣體的排放過程極為復(fù)雜，是土壤內(nèi)環(huán)境各個(gè)部分的綜合效應(yīng)向外界反饋的過程。土壤酶是微生物活性的表征，不僅影響著土壤中生化反應(yīng)速率及各種氧化還原反應(yīng)，又與作物根系生長(zhǎng)發(fā)育及土壤溫室氣體排放密切相關(guān)[28]，土壤溫度、水分的變化對(duì)溫室氣體的排放也有重要的影響。許多學(xué)者都做了關(guān)于土壤環(huán)境因子、生物因子對(duì)溫室氣體排放方面的研究，一些研究認(rèn)為，土壤溫度升高時(shí)不僅會(huì)加快土壤CO2的釋放[29-30]，還會(huì)通過影響土壤中微生物活性、化學(xué)反應(yīng)來影響CH4和N2O的吸收和排放[31]。本研究中，溫室氣體的排放與0～30 cm土壤溫度顯著正相關(guān)，各處理中L-L處理土壤溫度最低，這說明草糧輪作有一定的增溫效應(yīng)，但輪作小麥和馬鈴薯增溫效果相對(duì)較低；0～10 cm土壤水分越高越會(huì)促進(jìn)CO2和N2O的排放，0～5 cm水分增加會(huì)降低土壤CH4的外排。而本試驗(yàn)處理中，輪作小麥較之輪作其他作物能明顯降低土壤水分含量；土壤中的脲酶和過氧化氫酶過高時(shí)雖然能減弱CH4的排放過程，但也會(huì)顯著增加CO2和N2O的排放量，本研究中整個(gè)生育期內(nèi)苜蓿連作處理的兩種酶活性均高于其他處理，差異顯著，這是因?yàn)檐俎８递^輪作處理根系發(fā)達(dá)，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化較為強(qiáng)烈的原因，苜蓿的固氮作用進(jìn)一步導(dǎo)致了土壤氮素的增高。因此，較之輪作其他作物，輪作小麥能更有效降低兩種酶活性。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，影響不同溫室氣體排放的主導(dǎo)因子也不盡相同，CO2和CH4的排放受土壤溫度和過氧化氫酶的影響較大，而N2O的排放與環(huán)境因子的關(guān)系更加密切。

4 結(jié)論

在隴中黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，與苜蓿連作相比，苜蓿種植多年后翻耕輪作糧食作物可明顯降低農(nóng)田綜合增溫潛勢(shì)，其中以輪作小麥的效果最好，這主要是由于苜蓿-作物輪作后能促進(jìn)土壤溫度和土壤水分的增加，降低土壤中脲酶和過氧化氫酶活性，這有利于降低土壤中CO2和N2O的排放量，減少土壤中CH4的外排和對(duì)大氣中CH4的吸收，有效減弱了農(nóng)田溫室氣體的增溫效應(yīng)。因此，連續(xù)多年種植苜蓿后應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行倒茬輪作，不僅有利于改善土壤水溫特性，提高土壤質(zhì)量，而且對(duì)節(jié)能減排及改善大氣環(huán)境都有重大意義。