葡萄園土壤呼吸特征及CO2排放監(jiān)測(cè)方法比較

陳盟，張杰，劉巧，郭艷杰，張麗娟,2，吉艷芝

(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河北 保定 071000；2 河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北農(nóng)業(yè)大學(xué)邸洪杰土壤與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000)

全球氣候變暖是當(dāng)今世界面臨的最主要環(huán)境問(wèn)題，2018年WMO溫室氣體公報(bào)顯示，CO2、N2O、CH4摩爾分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了工業(yè)化前水平146%，122%，257%[1-2]。其中CO2對(duì)全球增溫作用最大，約占56%[3]。農(nóng)業(yè)活動(dòng)是全球溫室氣體排放的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放占全球溫室氣體總排放的14%[4]，并呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。葡萄在我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)中的地位舉足輕重。河北省種植面積及產(chǎn)量居全國(guó)第二，僅次于新疆，居全省果品種類第3位，2016年種植面積已超過(guò)8.6×103hm2，總產(chǎn)量達(dá)170.74×104t[5]。葡萄已成為主產(chǎn)區(qū)重要經(jīng)濟(jì)來(lái)源。近年來(lái)，為提高產(chǎn)量,水肥投入日益增多，有機(jī)肥高達(dá)75 t/hm2，化肥用量超出了6 750 kg/hm2[6]，過(guò)量的水肥投入不僅使葡萄生產(chǎn)效益降低，而且會(huì)導(dǎo)致溫室氣體大量排放并造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[7]。目前基于開路式土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的土壤呼吸機(jī)和靜態(tài)箱法是可以直接監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤碳通量的2種常見方法，近年來(lái)大量研究應(yīng)用這2種方法進(jìn)行了土壤碳通量研究[8-11]，但同時(shí)使用這2種方法進(jìn)行結(jié)合觀測(cè)，并對(duì)2種方法的結(jié)果差異進(jìn)行分析的研究還比較少。本研究選取北方典型葡萄園區(qū)作為研究對(duì)象，以2種方法分別對(duì)釀酒葡萄和鮮食葡萄進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)1 a的碳通量觀測(cè)，以期在觀測(cè)葡萄園土壤碳通量特征的同時(shí)對(duì)2種觀測(cè)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，為建立更完備的生態(tài)系統(tǒng)碳收支綜合觀測(cè)體系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在河北省昌黎縣十里鋪鄉(xiāng)耿氏酒堡，分別以釀酒葡萄“赤霞珠”和鮮食葡萄“紅地球”為研究對(duì)象。釀酒赤霞珠葡萄園株行距0.5 m×2.5 m，壟溝寬1.5 m，深度約0.1 m，壟背寬1 m，小區(qū)面積為100 m2，供試材料為12 a生赤霞珠，使用雙臂籬架進(jìn)行栽植。鮮食紅地球葡萄園株行距1.0 m×2.7 m，壟溝寬2.2 m，深度約0.1 m，壟背寬1.6 m，小區(qū)面積為164 m2，供試材料為10 a生紅地球，使用棚架方式進(jìn)行栽植。試驗(yàn)土壤養(yǎng)分狀況見表1，根據(jù)《河北省果園土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》分析，釀酒葡萄園有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量處于適中水平，速效磷、速效鉀、有效鐵、錳、銅、鋅含量豐富；鮮食葡萄園有機(jī)質(zhì)豐富，堿解氮較低，速效磷、速效鉀含量適中，有效鐵、錳、銅、鋅處于豐富水平。

表1 供試土壤基礎(chǔ)地力狀況

1.2 土壤CO2排放監(jiān)測(cè)

1.2.1 基于靜態(tài)箱法的CO2通量觀測(cè) 為精確測(cè)量葡萄園CO2通量特征，分別在施肥灌水區(qū)與不施肥不灌水區(qū)設(shè)置并列靜態(tài)箱采樣點(diǎn)，最終結(jié)合施肥與不施肥區(qū)域面積估算園區(qū)的CO2通量特征。選用圓柱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑13.8 cm，高15.5 cm的靜態(tài)箱，箱體裝有三通閥和瞬時(shí)溫度計(jì)，且密閉性良好，選取的靜態(tài)箱構(gòu)造符合IPCC的溫室氣體測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)[12]。安放時(shí)罩箱底座沒(méi)入土壤5 cm，取樣時(shí)將箱體扣于底座上，加水液封。

采樣期選取生長(zhǎng)季內(nèi)每次施肥后第1、2、3、5、7天進(jìn)行氣體采集，春、夏、秋季無(wú)農(nóng)事操作時(shí)為每10 d采集樣品1次，冬季無(wú)耕作凍土期內(nèi)(12月、1月、2月)每30 d采集樣品1次。采樣時(shí)間選取上午9點(diǎn)至11點(diǎn)，采樣方式為每隔10 min使用注射器抽取罩箱內(nèi)氣體1次，每次抽取40 mL，共取3次，氣體樣品轉(zhuǎn)入氣象瓶中保存，并同步記錄箱內(nèi)溫度。氣體樣品采用Agilent-7890A型氣相色譜儀測(cè)定。

1.2.2 基于開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)的CO2通量觀測(cè) 開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)選取美國(guó)LI-COR公司研發(fā)的LI-8100型土壤呼吸機(jī)，儀器包括主機(jī)和嵌入土壤中的PVC底座(內(nèi)徑20 cm，高13 cm)2部分，主機(jī)包括系統(tǒng)的電子設(shè)備和紅外氣體分析儀(IRGA)。LI-8100 的紅外氣體分析儀是一個(gè)絕對(duì)的、非擴(kuò)散的、單光路、雙波長(zhǎng)的檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)測(cè)量室中CO2濃度變化[13-14]。通過(guò)平板電腦操控儀器及獲取數(shù)據(jù)結(jié)果，測(cè)定原理是通過(guò)測(cè)定氣罩內(nèi)CO2濃度的變化速率，推算測(cè)量土壤CO2擴(kuò)散到空氣中的速率。土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)時(shí)選取與靜態(tài)箱法相同的觀測(cè)時(shí)期，觀測(cè)位點(diǎn)與靜態(tài)箱點(diǎn)位平行設(shè)置。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 靜態(tài)箱法通量數(shù)據(jù)的計(jì)算

(1)

F是氣體排放通量[mg/(m2·h)]，ρ=m/22.414是氣體濃度(g/L)，m為分子量，H是箱體高度(m)，T0=273 K，c1和c2是t1和t2時(shí)間箱內(nèi)氣體濃度(μg/kg)，T1和T2是t1和t2時(shí)間箱內(nèi)氣體溫度(K)，Δt=t2-t1，t1和t2為時(shí)間(h)。

1.3.2 季度平均排放通量和累計(jì)排放通量 各季度平均排放通量和累計(jì)排放通量由施肥期通量監(jiān)測(cè)結(jié)果和無(wú)施肥時(shí)期通量監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)合計(jì)算，具體公式如下：

M=(Ts×Ds+Tw×Dw)×24

(2)

T=(Ts×Ds+Tw×Dw)/90

(3)

M是CO2季度累計(jì)排放通量(kg/hm2)，T是CO2季度平均排放通量[g/(hm2·h)]，Ts是施肥期CO2平均排放通量[g/(hm2·h)]，Ds是施肥期天數(shù)(d)，Tw是無(wú)施肥期CO2平均排放通量[g/(hm2·h)]，Dw是無(wú)施肥期天數(shù)(d)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄園土壤春季施肥期CO2排放特征

不同方法監(jiān)測(cè)葡萄園春季施肥期CO2排放特征見圖1。

圖1 不同方法監(jiān)測(cè)葡萄園春季施肥期CO2排放特征

Figure 1 Monitoring CO2emission characteristics of vineyards during spring fertilization

由圖1可知，葡萄園春季施肥期內(nèi)，靜態(tài)箱法測(cè)得結(jié)果普遍低于開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果，二者平均相差7%，且特征曲線大致相同。施肥并進(jìn)行灌溉后CO2在短期內(nèi)出現(xiàn)較高排放。每次施肥灌溉事件造成的排放峰持續(xù)7 d左右，排放最大值通常出現(xiàn)在灌溉后第3到5天。春季施肥期內(nèi)鮮食葡萄CO2排放通量遠(yuǎn)高于釀酒葡萄，約是釀酒葡萄CO2排放通量的2倍。

2.2 葡萄園土壤夏季施肥期CO2排放特征

不同方法監(jiān)測(cè)葡萄園夏季施肥期CO2排放特征見圖2。

圖2 不同方法監(jiān)測(cè)葡萄園夏季施肥期CO2排放特征

Figure 2 Monitoring CO2emission characteristics of vineyards during summer fertilization

由圖2可知，鮮食葡萄園夏季施肥期內(nèi)土壤CO2排放通量高于春季，監(jiān)測(cè)峰值可達(dá)3 203.64 g/(hm2·h)；釀酒葡萄園CO2通量結(jié)果與春季基本保持持平。不同監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果同樣為開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)普遍較高。夏季施肥期內(nèi)2種葡萄的CO2排放結(jié)果差異較大，鮮食葡萄的CO2排放通量是釀酒葡萄的1.62倍到23.37倍。

2.3 葡萄園土壤秋季施肥期CO2排放特征

不同方法監(jiān)測(cè)葡萄園秋季施肥期CO2排放特征見圖3。

圖3 不同方法監(jiān)測(cè)葡萄園秋季施肥期CO2排放特征

Figure 3 Monitoring CO2emission characteristics of vineyards during autumn fertilization

由圖3可知，秋季隨氣溫降低，CO2排放通量較夏季呈現(xiàn)明顯下降。不同監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果同樣一致性較好但差值較春夏大幅增加，二者差值可達(dá)-68%～36%。不同園區(qū)土壤CO2通量結(jié)果同樣是鮮食葡萄較高，鮮食葡萄的CO2通量是釀酒葡萄的1.26倍到4.05倍。

2.4 葡萄園土壤全年CO2排放特征

葡萄園全年土壤CO2排放特征見圖4。

圖4 葡萄園全年土壤CO2排放特征

Figure 4 Characteristics of CO2emissions from vineyard soils throughout the year

由圖4可知，2種方法觀測(cè)葡萄園土壤全年CO2通量特征趨勢(shì)一致，開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得結(jié)果普遍較高。釀酒葡萄全年土壤CO2排放通量最高值出現(xiàn)在4月初凍土期結(jié)束后的首次翻耕，靜態(tài)箱法測(cè)得峰值為1 282.72 g/(hm2·h)，開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得峰值為1 739.23 g/(hm2·h)，二者相差26.25%；鮮食葡萄園土壤CO2排放峰值出現(xiàn)在7月施肥期，靜態(tài)箱法測(cè)得峰值為3 203.64 g/(hm2·h)，開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得峰值為3 256.80 g/(hm2·h)，峰值結(jié)果沒(méi)有明顯差異。

對(duì)比2類葡萄園CO2通量結(jié)果，鮮食葡萄園的CO2排放明顯更高，全年大多數(shù)監(jiān)測(cè)期內(nèi)鮮食葡萄園CO2通量結(jié)果可達(dá)釀酒葡萄園的2倍以上。

2.5 全年累計(jì)通量特征

土壤CO2累計(jì)排放通量見表2。

表2 土壤CO2累計(jì)排放通量

Table 2 Soil CO2cumulative flux g/(hm2·h)

時(shí)期Period釀酒葡萄園Wine vineyard開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)Open-circuit soil carbonflux measurement system靜態(tài)箱法Static boxmethod鮮食葡萄園Fresh vineyard開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)Open-circuit soil carbonflux measurement system靜態(tài)箱法Static boxmethod春78 839.7964 643.78183 995.9414 8712.84夏65 809.7153 796.18162 724.9214 9214.56秋37 317.7221 995.9552 578.0040 107.14冬9 573.641 964.2022 508.1012 234.09全年累計(jì)排放191 540.86142 400.12421 806.97350 268.64

由表2可知，對(duì)比2種方法觀測(cè)的全年通量結(jié)果，開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果明顯高于靜態(tài)箱法，不同季節(jié)存在8.30%到387.41%的差異，差值隨通量結(jié)果降低而升高。鮮食葡萄園全年CO2累計(jì)排放通量可達(dá)釀酒葡萄園的2倍以上，其中開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)的結(jié)果相差54.59%，靜態(tài)箱法觀測(cè)的結(jié)果相差59.35%。2類葡萄園均為春季累計(jì)排放通量最大，隨季節(jié)更替逐漸降低，其中春夏2季的土壤CO2排放量占全年總排放量額75%以上。

3 討論

3.1 不同品種葡萄園區(qū)CO2排放結(jié)果的差異性分析

本研究觀測(cè)到鮮食葡萄園與釀酒葡萄園CO2排放差異明顯，且2類葡萄園CO2累計(jì)排放通量均為春季最高，隨季節(jié)更替逐漸降低。觀測(cè)結(jié)果與李澤等在對(duì)果園土壤觀測(cè)時(shí)得到結(jié)果較為一致，鮮食葡萄園土壤疏松程度更好，耕作精細(xì)度更高，導(dǎo)致CO2總排放量高，且土壤呼吸速率受農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻次和溫度影響顯著[15]。

3.2 開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)與靜態(tài)箱法測(cè)定結(jié)果的差異性分析

本研究結(jié)合開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)和靜態(tài)箱法觀測(cè)北方典型葡萄園CO2通量排放，二者結(jié)果達(dá)成了較好的一致性，全年累計(jì)排放通量差異為20.42%到34.51%。隨著秋冬季溫度降低，碳通量減小，2種方法觀測(cè)結(jié)果的差異會(huì)呈現(xiàn)明顯上升。分析原因可能有以下幾點(diǎn)：(1)靜態(tài)箱法受本身?xiàng)l件限制，會(huì)對(duì)被測(cè)土壤表層氣體自然湍流造成明顯影響，這種改變會(huì)必然影響土壤表面和大氣間的氣體交換，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差[15-18]。(2)開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)通氣處為獨(dú)特的截面為錐形的圓盤形通氣孔，使得在保證箱體內(nèi)外壓差相同的同時(shí)，使外界對(duì)內(nèi)部空氣擾動(dòng)降到最低，但仍會(huì)對(duì)箱內(nèi)土壤表面氣體擴(kuò)散產(chǎn)生影響，導(dǎo)致最終結(jié)果偏高。(3)靜態(tài)箱法由于箱體密閉性良好，會(huì)使箱體內(nèi)外存在壓差，使得最終土壤CO2通量監(jiān)測(cè)結(jié)果存在誤差[19-20]。(4)開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)的采樣箱體隔溫效果明顯優(yōu)于靜態(tài)箱，鄭澤梅等研究發(fā)現(xiàn)，箱體升溫速率不同會(huì)直接影響CO2排放結(jié)果，因此2種方法測(cè)定結(jié)果必然存在差異[21-21]。由于土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)和靜態(tài)箱法的觀測(cè)結(jié)果中都存在不確定性，所以在今后的研究中使用這2種觀測(cè)方法對(duì)土壤碳通量觀測(cè)時(shí)，還應(yīng)進(jìn)一步分析確定具體的結(jié)果差異和誤差來(lái)源，以確保這2種方法的結(jié)果具有可比性和統(tǒng)一性，可以明確誤差產(chǎn)生源和存在比例。

4 結(jié)論

(1)開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)和靜態(tài)箱法均能觀測(cè)到施肥、翻耕或降水后引起CO2的劇烈排放，施肥后高水平排放通常持續(xù)7 d左右，峰值一般在第3到5天出現(xiàn)。

(2)在對(duì)葡萄園的土壤CO2通量觀測(cè)中，2種方法測(cè)得結(jié)果一致性較好，開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得結(jié)果普遍高于靜態(tài)箱法結(jié)果，不同季節(jié)存在8.30%到387.41%的差異，差值大小隨通量降低而增高。

(3)在全年觀測(cè)中，春季累計(jì)排放通量最大，隨季節(jié)更替逐漸降低。葡萄園CO2排放主要集中于春、夏2季，春、夏2季的土壤CO2排放量占全年總排放量額75%以上。