蔗田滴灌施肥土壤甲烷排放通量與活性有機碳含量的關(guān)系

土壤活性有機碳是指土壤中穩(wěn)定性差、周轉(zhuǎn)速率快并且易礦化分解的那部分有機碳，主要包括易氧化有機碳、微生物量碳和可溶性有機碳[1]。雖然土壤活性有機碳占總有機碳的比例較小，但它能夠反映出土壤有機碳微小的變化[2]，可作為指示土壤有機碳有效性[3]和土壤質(zhì)量的早期指標(biāo)。其中，能被333 mmol·L-1的KMnO4氧化的有機碳稱作易氧化有機碳(Labile oxidizable carbon，LOC)[4]，其在種植作物時變化最大，并且對外部環(huán)境變化的響應(yīng)非常敏感，其變化可在不同程度上反映土壤有機碳的有效性[5]。土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)能調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的礦化和固定過程[6]。土壤可溶性有機碳(Dissolved organic carbon，DOC)是微生物生長和分解過程中的重要能量來源[7]，會影響土壤中有機和無機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、遷移和降解，以及土壤有機碳的礦化過程[8]，其含量高低和周轉(zhuǎn)速率會直接影響微生物活性，在土壤生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中具有重要作用[9]。

甲烷(CH4)是大氣中僅次于二氧化碳的第2 大溫室氣體，在100 年的時間尺度內(nèi)其單個分子的溫室效應(yīng)比CO2高25 倍[10]。以往研究表明，土壤有機碳的微量降低可引起溫室氣體的大量排放，從而加劇溫室效應(yīng)[11]。雖然土壤活性有機碳占總有機碳的比例很小[1]，但是活性碳的含量高低和周轉(zhuǎn)速率對土壤養(yǎng)分的有效性及其循環(huán)具有重要作用[12]。有研究指出，易氧化有機碳對CH4排放有顯著影響[13-15]，微生物量碳的變化會直接影響植物對土壤中可利用碳的供應(yīng)、改變微生物的活性，從而會對CH4排放產(chǎn)生一定影響[14-15]。土壤DOC 含量與CH4排放顯著相關(guān)[6]。還有研究表明，土壤對大氣碳的固持、對減少CH4排放具有積極作用[16]，因此，有必要對土壤活性有機碳組分與CH4氣體減排的關(guān)系作進(jìn)一步的研究。

滴灌施肥既能滿足甘蔗不同生育期對水分的不同需求，同時能有效地提高肥料利用率[17]。齊玉春等[18]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥對提高土壤活性有機碳有積極的作用。Singh 等[19]研究表明，滴灌施肥比傳統(tǒng)水肥管理可以顯著提高土壤活性有機碳水平。滴灌施肥會影響土壤水分分布和碳循環(huán)，從而影響土壤CH4的排放速率[20]?？紤]到滴灌施肥對土壤活性有機碳組分和甲烷排放均有影響，而滴灌施肥蔗田土壤活性有機碳組分和CH4排放之間的關(guān)系尚不明晰，還需要進(jìn)一步研究。

因此，本文在滴灌條件下，通過田間試驗研究不同滴灌水肥處理對蔗田土壤CH4排放通量和土壤活性有機碳組分的影響，分析土壤CH4排放通量與活性有機碳組分之間的關(guān)系，以揭示滴灌施肥蔗田土壤活性有機碳組分對土壤CH4排放的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與地點

2018 年3—12 月在南寧市灌溉試驗站(108°29′E，22°88′N)開展了不同滴灌灌水、施肥的田間試驗。試驗地點屬亞熱帶季風(fēng)氣候，試驗期間月均溫和月降雨量如圖1 所示，總降雨量1 371.4 mm。土壤為水稻土，表土(0～20 cm)基本理化性質(zhì)：pH 7.8，有機碳9.7 g·kg-1，全氮1.1 g·kg-1，堿解氮73.3 mg·kg-1，速效磷127.4 mg·kg-1，速效鉀93.9 mg·kg-1，田間持水量19.9%，容重1.61 g cm-3。供試甘蔗品種為桂糖42 號，控苗65 000 株·hm-2，3 月24 日播種，大田甘蔗試驗生育期劃分如下：苗期，播種后42～72 d；分蘗期，播種后73～108 d；伸長期，播種后109～225 d；成熟期，播種后225～282 d。

圖 1 試驗期間月均溫和月降雨量Fig. 1 Monthly average temperature and rainfall during experimental period

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗設(shè)4 種施肥水平：常規(guī)施肥(F100，N 250 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2、K2O 200 kg·hm-2)，增量施肥1(F110，在F100基礎(chǔ)上增加10%)，增量施肥2(F120，在F100基礎(chǔ)上增加20%)，減量施肥(F90，在F100基礎(chǔ)上減少10%)。所有處理將全部15 000 kg·hm-2的商品有機肥(有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥45%，N+P2O5+K2O 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥5%，廣西田東力源寶科技有限公司產(chǎn)品)、全部鈣鎂磷肥(P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，云南昆陽磷肥廠有限公司產(chǎn)品)、50%的鉀肥(氯化鉀，K2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，中化化肥有限公司產(chǎn)品)和30%的尿素(N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%，陜西陜化煤化工集團有限公司產(chǎn)品)作為基肥，直接施入土壤中，均勻撒開。余下70%的尿素作為追肥分別在幼苗期施用10%、分蘗期施用20%、伸長期施用30%(分2 次施入，每次15%)，成熟前期施用10%，以及剩余50% 的鉀肥(硫酸鉀，K2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%，廣東米高化工有限公司產(chǎn)品)作為追肥分別在分蘗期和伸長期各施用25%，所有追肥均先將肥料溶于灌溉水中，再通過滴頭隨滴灌系統(tǒng)一起施入土壤中，每行甘蔗兩側(cè)各擺放1 條滴管帶，以保證對甘蔗兩側(cè)的土壤都進(jìn)行灌溉或施肥，且使各個時期水分和肥料均勻分布在甘蔗植株兩側(cè)。

本試驗另設(shè)2 種滴灌灌水水平：W180，在甘蔗生長時期總灌水量為180 m3·hm-2；W300，在甘蔗生育期總灌水量為300 m3·hm-2，各生育時期灌水量如表1 所示，每次灌水均通過滴灌系統(tǒng)進(jìn)行。試驗為完全方案設(shè)計，共8 個處理，每個處理重復(fù)3 次，共24 個小區(qū)，小區(qū)面積36.96 m2(6.6 m×5.6 m)，試驗地兩邊設(shè)有保護行，保護行寬度為1 m。

表 1 蔗田各生育期灌水量 Table 1 Irrigation amount at different growth stages in sugarcane field m3·hm-2

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤采集和活性有機碳組分的測定 試驗分別在苗期(播種后53 d)、分蘗期(播種后100 d)、伸長期(播種后171d)和成熟期(播種后236 d)，從各試驗處理小區(qū)用直徑為5 cm 不銹鋼土鉆按S 形散點法采集0～20 cm 的耕作層土壤，混合成一個土壤樣品裝入已編號的自封袋中，采集的土壤鮮樣除去可見雜質(zhì)(作物根系、雜草和小石子等)，裝入低溫貯藏箱并迅速運回實驗室，每個處理共采集3 個土壤樣品。部分新鮮土壤樣品過2 mm 篩后用于測定微生物量碳和可溶性有機碳含量，剩余土樣在室內(nèi)自然風(fēng)干后過1 mm 篩，用于測定土壤易氧化有機碳含量，所有指標(biāo)測定共進(jìn)行3 次重復(fù)試驗。

微生物量碳含量用三氯甲烷熏蒸-硫酸鉀浸提的方法測定[21]。易氧化有機碳含量用高錳酸鉀氧化-分光光度計法測定[22]。可溶性有機碳含量用硫酸鉀浸提-總有機碳法測定[23]。

1.3.2 甲烷氣體采集與測定 試驗分別在各生育期采集土壤樣品當(dāng)天及后一天，用靜態(tài)箱法連續(xù)采集蔗田土壤CH4氣體。靜態(tài)箱由不銹鋼材料制成，包括底座(正方形，邊長為37 cm，高度30 cm，埋入地下30 cm)和蓋箱(正方形柱體，頂部密封，邊長為35 cm，高度25 cm)兩部分。每小區(qū)固定采樣底座(布置在距離甘蔗植株10 cm 的土壤中)1 個，底座上部有5 cm 深的凹槽，取樣時靜態(tài)箱垂直安放在底座凹槽內(nèi)并用水密封，保證箱內(nèi)氣體與大氣不進(jìn)行交換。采樣前將箱內(nèi)頂部風(fēng)扇打開，以保持氣體均勻混合，采氣孔位于頂部，用注射器采集氣樣，采樣同時記錄箱溫。每個采樣點在蓋箱后第0、10、20 和30 min 時采樣，抽出50 mL 氣體保存于密封注射器內(nèi)迅速帶回實驗室分析。CH4氣體采集時段為5—11 月，采樣時間為上午08:00—09:00。

CH4排放通量的測定采用Agilent 7890A 氣相色譜儀分析，檢測器為FID，將裝有載氣的高壓瓶、氫氣發(fā)生器、純凈空氣泵、氣體進(jìn)樣系統(tǒng)和主機打開，當(dāng)檢測器溫度升至350 ℃和主機基線穩(wěn)定后開始分析樣品[24]。CH4排放通量的計算公式如下：

式中：F 為土壤CH4排放通量，mg·m-2·h-1；H 為箱體高度，25 cm；M 為CH4氣體的摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)，16.047 g·mol-1；P 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，1.013×105Pa；R 為普適氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·kg-1；T 為采氣時箱體內(nèi)的平均溫度，℃；dc/dt 為土壤CH4排放速率，mL·m-3·h-1。

1.4 數(shù)據(jù)分析

顯著性檢驗用方差分析法，多重比較采用Duncan’s 法，均用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行分析。用Pearson 法分別分析土壤易氧化有機碳、微生物量碳和可溶性有機碳與土壤CH4排放通量的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌施肥對蔗田土壤甲烷排放通量的影響

不同滴灌施肥處理對不同生育時期蔗田土壤CH4排放通量的影響見圖2。各處理土壤CH4排放通量均在分蘗期達(dá)到排放高峰。W180滴灌水平下，各施肥處理在苗期、伸長期和成熟期土壤CH4排放通量接近0，分蘗期蔗田土壤CH4排放通量F100＜F120＜ F110＜ F90。W300滴灌水平下，F(xiàn)100和F90施肥處理在苗期、伸長期和成熟期的土壤CH4排放通量接近0；F120施肥處理的土壤CH4排放通量在苗期和分蘗期較低，而在伸長期和成熟期接近0；分蘗期以F110施肥處理的土壤CH4排放通量最高，F(xiàn)120施肥處理的土壤CH4排放通量最低。

2.2 滴灌施肥對蔗田土壤活性有機碳組分的影響

圖 2 不同生育期蔗田土壤甲烷排放通量Fig. 2 Soil CH4 emission flux at different growth stages in sugarcane field

各生育期不同滴灌施肥處理的土壤易氧化有機碳(LOC) 含量見表2。在苗期，不同處理土壤LOC 含量之間差異不顯著。在分蘗期，W180滴灌水平下F110施肥處理的土壤LOC 含量較F100顯著增加28.48%，F(xiàn)110施肥處理下W180滴灌的土壤LOC含量較W300顯著提高38.57%。在伸長期，W180滴灌水平下F90施肥處理的土壤LOC 含量較F100顯著增加39.20%，F(xiàn)110施肥處理下W300滴灌的土壤LOC 含量較W180顯著增加25.20%。在成熟期，W180滴灌水平下F120施肥處理的土壤LOC 含量較F100顯著增加35.77%，W300滴灌水平下F90施肥處理的土壤LOC 含量較F100顯著提高28.79%，且W300F90處理的土壤LOC 含量顯著高于除W180F120之外的其他處理。

表 2 不同滴灌施肥處理土壤易氧化有機碳含量1)Table 2 Content of soil labile organic carbon in different drip fertigation treatments g·kg-1

各生育期不同滴灌施肥處理土壤微生物量碳(MBC)含量見表3。在苗期，W300滴灌水平下F100施肥處理的土壤M B C 含量較F120顯著提高38.93%。在分蘗期，不同處理之間土壤MBC 含量的差異不顯著。在伸長期，W180和W300滴灌水平下F110施肥處理的土壤MBC 含量較F100分別顯著提高300.00%和113.20%，F(xiàn)120施肥處理下W180滴灌水平的土壤M B C 含量較W300顯著提高58.54%，且W300F110、W300F90、W180F110和W180F120處理的土壤MBC 含量較高。在成熟期，W180滴灌水平下F90施肥處理的土壤MBC 含量較F100顯著增加33.57%，W300滴灌水平下F120施肥處理的土壤MBC 含量較F110顯著提高49.57%。

表 3 不同滴灌施肥處理的土壤微生物量碳含量1)Table 3 Content of soil microbial biomass carbon in different drip fertigation treatments g·kg-1

各生育期不同滴灌施肥處理土壤可溶性有機碳(DOC) 含量見表4。在苗期，不同處理土壤DOC 含量之間的差異不顯著。在分蘗期，W300滴灌水平下F120處理的土壤DOC 含量最高，較F100和F90分別顯著提高156%和205%。在伸長期，相同滴灌水平下，F(xiàn)110、F120和F90施肥處理的土壤DOC含量均高于F100，但差異不顯著(W180F90處理除外)。在成熟期，W180滴灌水平下F90施肥處理的土壤DOC 含量較F100顯著提高183%，W300滴灌水平下F120和F90施肥處理的土壤DOC 含量分別較F100顯著提高114%和143%，且在相同灌水水平下，F(xiàn)110、F120和F90施肥處理的土壤DOC 含量均高于F100。此外，W300F90處理土壤DOC 含量較其他處理高。

表 4 不同滴灌施肥處理的土壤可溶性有機碳含量1)Table 4 Content of soil dissolved organic carbon in different drip fertigation treatments g·kg-1

2.3 滴灌施肥蔗田土壤甲烷排放通量與活性有機碳組分的關(guān)系

將4 個生育期土壤CH4排放通量與對應(yīng)時期土樣采集當(dāng)天的土壤活性有機碳組分進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，土壤CH4排放通量與土壤DOC 含量呈顯著正相關(guān) (P＜0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.38；與土壤MBC 和LOC 含量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.21 和-0.02，且相關(guān)性不顯著，說明蔗田土壤可溶性有機碳含量對土壤甲烷排放有顯著影響。

3 討論與結(jié)論

CH4的產(chǎn)生和排放是嚴(yán)格厭氧條件下產(chǎn)甲烷菌作用的結(jié)果，充足的產(chǎn)甲烷基質(zhì)和適宜的產(chǎn)甲烷菌生長環(huán)境是CH4產(chǎn)生的先決條件[25]，而好氣土壤環(huán)境利于CH4氧化菌的生長，可氧化消耗大氣中的CH4[26]。本研究結(jié)果表明，W180和W300滴灌水平下蔗田土壤CH4排放在全生育期基本上呈雙峰型變化規(guī)律，這可能是因為甘蔗苗分蘗期正處于南方雨季，高降雨量造成土壤較長時間處于淹水狀態(tài)，使產(chǎn)甲烷菌在厭氧條件下利用土壤中的有機質(zhì)進(jìn)行呼吸作用，導(dǎo)致CH4的大量排放[27]，這也與齊玉春等[18]得出的水分變化可在短期內(nèi)激發(fā)溫室氣體排放的結(jié)論相一致。石生偉等[28]研究結(jié)果表明增加施氮量可有效降低甲烷排放量，本研究中，W300F120處理在分蘗期蔗田土壤CH4排放量最低，這可能是因為增加施肥量使土壤中的NH4+-N 含量提高[29]，從而增加土壤甲烷氧化菌的數(shù)量并促進(jìn)其活動[30]，進(jìn)而降低了土壤中CH4的排放。

Yagi 等[13]指出，土壤LOC 含量對CH4排放有顯著的影響，但吳家梅等[31]研究也表明，土壤LOC 含量與甲烷排放相關(guān)性不大，本文研究結(jié)果同樣顯示，蔗田土壤CH4排放通量與LOC 含量相關(guān)性不顯著。LOC 屬于活性有機碳，在淹水土壤中容易分解且變化比較明顯，而本試驗為旱地滴灌試驗，很難使土壤長期處于嚴(yán)格厭氧環(huán)境，因此本試驗條件下，土壤LOC 含量與甲烷排放的關(guān)系不密切。

Masto 等[32]研究表明，施用化肥具有提高土壤MBC 含量的效應(yīng)。本試驗結(jié)果表明，W180F120和W300F110可分別提高伸長期蔗田土壤MBC 含量，這可能與商品有機肥的加入提高了土壤微生物活性有關(guān)[33]。MBC 含量的變化會影響植物對土壤中可利用碳的供應(yīng)，從而對CH4排放產(chǎn)生影響[14]。本文研究表明，蔗田土壤C H4排放通量與土壤MBC 無顯著相關(guān)性，這可能與不同土壤類型和滴灌施肥方式對微生物活性的影響不同有關(guān)，具體機理還需進(jìn)一步研究。

李睿[34]的研究表明，土壤中微生物具有分解土壤有機質(zhì)和為植物提供營養(yǎng)物質(zhì)的作用，土壤中有相當(dāng)比例的DOC 來源于土壤微生物的代謝產(chǎn)物，且微生物死亡后軀體本身的結(jié)構(gòu)組織也易分解成DOC[35]。本試驗結(jié)果表明，W300F120較W300F100處理顯著提高了分蘗期和成熟期蔗田土壤可溶性有機碳含量，這可能是因為施肥量增加使土壤微生物能利用更多的有機質(zhì)進(jìn)行代謝活動，從而對蔗田土壤DOC 含量的提高產(chǎn)生了積極影響。莫永亮等[36]指出，土壤中DOC 是CH4產(chǎn)生的必要條件，它是微生物生長必需的碳源，又是微生物代謝的產(chǎn)物，其含量可能影響CH4排放通量。本研究結(jié)果同樣表明，土壤CH4排放通量與土壤DOC 含量有顯著正相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果也與王瑞[7]的研究結(jié)果一致。

綜上所述，在分蘗期，W300F120土壤可溶性有機碳(DOC)較其他處理高，但是土壤CH4排放通量較其他處理低。在成熟期，W300F120蔗田土壤DOC含量較高。土壤CH4排放通量僅與土壤DOC 含量之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.38，說明土壤DOC含量可顯著影響蔗田土壤甲烷排放通量。因此，W300F120可提高分蘗期和成熟期蔗田土壤可溶性有機碳含量，同時降低分蘗期蔗田土壤甲烷排放。