新疆干旱區(qū)作物體系土壤溫室氣體排放對覆膜的響應(yīng)

王旭陽， 李典鵬， 孫 濤， 孫 霞， 賈宏濤， 李 君， 李新虎

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011）

全球氣候變暖已經(jīng)成為事實(shí)［1］，大氣中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）等溫室氣體排放是全球變暖的主要原因之一［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)田溫室氣體排放量約占全球人為溫室氣體排放量的13.5%［3］，是大氣溫室氣體的重要來源。新疆作為典型的旱地農(nóng)田區(qū)域，農(nóng)業(yè)用地面積達(dá)到6068.89 hm2，其中棉花和玉米2種典型作物種植面積約占農(nóng)田總面積的57%［4］。在干旱區(qū)農(nóng)田中，地膜覆蓋是提高作物產(chǎn)量的有效途徑［4］，新疆是全國農(nóng)業(yè)地膜覆蓋面積最大的省份，薄膜使用量近27×104t［5］。因此，明確新疆旱地棉花和玉米農(nóng)田溫室氣體排放對覆膜的響應(yīng)機(jī)制是當(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中亟待解決的問題。

地膜覆蓋能夠降低土壤水分蒸發(fā)，增加土壤溫度，進(jìn)而改變膜下土壤的水熱條件。同時，不同作物的生理特征和栽培管理也會對土壤的環(huán)境條件產(chǎn)生影響［6-8］，使得不同覆膜農(nóng)田溫室氣體排放的研究結(jié)果往往存在差異。前人在對干旱區(qū)覆膜棉田的研究中發(fā)現(xiàn)，覆膜使棉田土壤CO2累積排放量顯著降低了7.91%，且覆膜棉田NO2排放通量顯著低于未覆膜棉田［9-10］。而對玉米覆膜農(nóng)田的研究認(rèn)為，覆膜對農(nóng)田土壤CO2和NO2的排放通量均未產(chǎn)生顯著影響［11-12］。此外，對玉米覆膜農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，在同一研究區(qū)域下，不同的試驗(yàn)時間，覆膜對玉米農(nóng)田土壤CH4的吸收產(chǎn)生了不同影響［13-14］?？梢?，不同研究區(qū)域、作物類型、氣候條件與試驗(yàn)時間是造成覆膜農(nóng)田溫室氣體排放研究結(jié)果不一致的重要原因。目前，針對同種作物覆膜農(nóng)田溫室氣體排放的研究已有較多報道，而在相同氣候條件和土壤類型下不同覆膜農(nóng)田的對比研究較少。與此同時，有關(guān)覆膜農(nóng)田中覆膜與未覆膜土壤之間溫室氣體排放的差異鮮有報道。因此，探究相同研究區(qū)域下不同作物農(nóng)田土壤溫室氣體排放對覆膜的響應(yīng)機(jī)制，對于準(zhǔn)確評估覆膜農(nóng)田溫室氣體排放具有重要意義。

本文以新疆干旱區(qū)典型作物玉米和棉花為研究對象，對農(nóng)田溫室氣體進(jìn)行了原位監(jiān)測，同步測定了土壤含水量與溫度等環(huán)境因子，計(jì)算累積排放量與增溫潛勢。探明生長季2種作物農(nóng)田土壤溫室氣體排放動態(tài)變化，分析覆膜條件下土壤環(huán)境因子與農(nóng)田溫室氣體排放間的關(guān)系，試探究在覆膜條件下，干旱區(qū)不同作物體系土壤溫室氣體排放的差異，旨在為新疆地區(qū)農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019 年在中國科學(xué)院阿克蘇農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（80°45′E，40°37′N）進(jìn)行。該站位于塔里木盆地，海拔1030 m，站區(qū)年平均氣溫11.2 ℃，多年平均降水45.2 mm，無霜期211 d，全年日照時數(shù)2940 h，屬于干旱區(qū)綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，是干旱區(qū)農(nóng)田的典型代表。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為鹽化潮土，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土（砂粒46%、粉粒50%和黏粒4%），土壤pH為8.08，有機(jī)質(zhì)含量為15.95 g·kg-1，堿解氮含量為4.81 mg·kg-1，速效磷含量為12.31 mg·kg-1，速效鉀含量為104.02 mg·kg-1，全氮含量為0.58 g·kg-1，全磷含量為0.87 g·kg-1，全鉀含量為20.56 g·kg-1，試驗(yàn)期間降雨量與日均溫變化見圖1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取覆膜耕種的耕作方式，設(shè)置小區(qū)試驗(yàn)，于2019 年5—11 月進(jìn)行。單個小區(qū)大小為8 m×8 m，小區(qū)設(shè)置玉米和棉花2 種作物處理，每種作物處理小區(qū)設(shè)4個重復(fù)，共設(shè)8個小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。每個小區(qū)內(nèi)設(shè)2個采樣處理，玉米小區(qū)內(nèi)為：玉米小區(qū)覆膜土壤（MM）、玉米小區(qū)未覆膜土壤（MN），棉花小區(qū)內(nèi)為：棉花小區(qū)覆膜土壤（CM）和棉花小區(qū)未覆膜土壤（CN）。覆膜采用0.005 mm 厚、1.2 m 寬的白色透明聚乙烯薄膜覆蓋，株行距采用寬窄行配置，即一膜種植4 行棉花，窄行距15 cm，寬行距70 cm，膜間距50 cm，株距均為10 cm。棉花品種為新陸早19 號，玉米品種為中糯2 號。棉花與玉米農(nóng)田均以尿素（N 46.4%）為氮肥，磷酸二銨（N 18%、P2O546%）為基肥，復(fù)合肥（N 8%、P2O520%、K2O 24%）為滴灌肥。田間管理采取水肥管理措施進(jìn)行，生長期灌溉采取滴灌模式，鋪設(shè)滴灌帶在寬行中央，定期進(jìn)行滴灌，每次灌溉持續(xù)7～11 h，6 月8 日第1 次灌水，共灌溉10次，每2次灌溉間隔時間7～9 d。

1.3 樣品采集和測定方法

氣體樣品采用靜態(tài)暗箱法取樣，取樣箱為PVC材料制作的不透明長方體箱，長50 cm，寬50 cm，高25 cm，箱體頂部三通閥用于取氣，箱體內(nèi)部接入小電扇，用于取樣時混勻箱內(nèi)氣體。取樣箱底座長50 cm，寬50 cm，高10 cm，將其插入土壤中5 cm，箱體扣于底座的凹槽上，并在凹槽中注水密封。底座分別放置在小區(qū)覆膜與未覆膜土壤，觀測期間箱內(nèi)不含作物和雜草（圖2）。底座插入農(nóng)田覆膜部分時避免底座破壞薄膜。采樣頻率為7～8 d 監(jiān)測1 次。于每個采樣日的9:00—10:00取樣，扣箱后打開取樣箱內(nèi)小風(fēng)扇，分別在5 min、10 min、15 min、20 min、25 min 和30 min 打開取樣箱頂部的開關(guān)閥，用注射器抽取30 mL氣體，氣體樣品于2 d內(nèi)進(jìn)行測定。氣體樣品采用氣相色譜儀（Agilent 7890 A，USA）進(jìn)行分析測定，每次采樣同期測定各處理采樣箱內(nèi)溫度（JM624 便攜測溫計(jì))、土壤含水量及土壤下10 cm溫度（BOCHEN 直角地溫計(jì)）。

1.4 計(jì)算公式

溫室氣體排放通量采用線性模型（LR）計(jì)算［15］，線性模型采用氣體濃度（c）隨時間（t）變化的線性回歸方程，計(jì)算公式為：

式中：F為CO2、N2O、CH4的排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ為箱內(nèi)氣體密度（g·cm-3）；V為采樣箱內(nèi)空間體積（L）；A為采樣箱覆蓋的土壤面積（m2）；Δc/Δt為單位時間內(nèi)溫室氣體線性變化率（μg·cm-3·min-1）；θ為扣箱采樣期間箱內(nèi)的平均溫度（℃）。溫室氣體累積排放量［16］計(jì)算公式為：

式中：n為生長期內(nèi)觀測次數(shù)；Fi與Fi+1為第i次和第i+1 次采樣溫室氣體排放通量；ti和ti+1為第i次和第i+1采樣的采樣時間。本試驗(yàn)基于農(nóng)田土壤排放的CO2是人為溫室氣體排放源，計(jì)算農(nóng)田全球增溫潛勢（GWP）時只計(jì)算N2O 和CH4的增溫效應(yīng)，在100 a尺度下，N2O 和CH4的全球增溫潛勢分別按CO2的265倍和28倍計(jì)算［17］。因此農(nóng)田全球增溫潛勢計(jì)算公式為：

式中：RCH4和RN2O分別代表N2O 和CH4的累積排放量（kg·hm-2）；28 和265 分別為CH4和N2O 轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)碳的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用Origin 2018軟件作圖。通過SPSS 19.0軟件，采用重復(fù)測量方差分析比較各處理土壤溫室氣體排放差異，使用單因素方差分析與獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對土壤溫度、含水量與土壤溫室氣體排放通量進(jìn)行差異性比較（α=0.05），利用回歸分析探究土壤溫度、含水量與土壤溫室氣體排放通量間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜對土壤環(huán)境因子的影響

在對相同作物小區(qū)中覆膜與未覆膜土壤水熱因子間的分析中發(fā)現(xiàn)，覆膜對不同作物小區(qū)的土壤水熱因子均產(chǎn)生了顯著影響（P＜0.05）（圖3）。與未覆膜土壤相比，CM 與MM 處理的土壤溫度提高了17.10%～54.71%和17.12%～50.65%，土壤含水量分別提高了90.41%～332.43%和91.35%～298.80%。說明覆膜能夠顯著提升膜下土壤的溫度與含水量。

圖3 不同處理下覆膜對土壤溫度（a）與含水量（b）的影響Fig.3 Effects of film mulching on soil temperature(a)and water(b)content under different treatments

2.2 不同農(nóng)田土壤溫室氣體排放動態(tài)

各處理CH4主要呈吸收特征，伴隨少量排放，玉米與棉花小區(qū)均在7—8 月期間表現(xiàn)出較高的CH4吸收強(qiáng)度（圖4）。MM與MN處理土壤最高CH4吸收通量分別達(dá)到28.65 μg·m-2·h-1和27.32 μg·m-2·h-1，CM 與CN 處理土壤最高CH4吸收通量分別為39.64 μg·m-2·h-1和40.27 μg·m-2·h-1。觀測期內(nèi)，MM 與MN 處理土壤CH4排放通量最高為63.47 μg·m-2·h-1和34.85 μg·m-2·h-1，CM 與CN 處理土壤最高CH4排放通量分別為16.67 μg·m-2·h-1和6.28 μg·m-2·h-1。總體來看，覆膜增加了土壤的CH4排放次數(shù)，玉米小區(qū)的CH4排放次數(shù)多于棉花小區(qū)。

圖4 CH4（a）、N2O（b）和CO2（c）排放通量動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes in CH4(a),N2O(b)and CO2(c)emission fluxes

同種作物小區(qū)內(nèi)，覆膜土壤與未覆膜土壤間N2O 排放通量的動態(tài)變化規(guī)律相同，各處理均表現(xiàn)為多峰形排放。玉米小區(qū)最高N2O排放通量出現(xiàn)在8 月，為MM 處理（616.70 μg·m-2·h-1），9 月后N2O 排放通量波動較小。棉花小區(qū)最高N2O排放通量出現(xiàn)在5 月，為CN 處理（244.92 μg·m-2·h-1），6 月后N2O排放通量波動較小。由此可見，覆膜對土壤N2O 的排放規(guī)律未產(chǎn)生影響，玉米與棉花小區(qū)間N2O 排放峰出現(xiàn)時間與強(qiáng)度均有差異。

各處理的CO2排放通量的變化規(guī)律均為先上升后降低，即玉米小區(qū)在7月，MM與MN處理土壤CO2排放通量表現(xiàn)為最高，分別為369.97 g·m-2·h-1和505.93 g·m-2·h-1。棉花小區(qū)在6 月CO2排放通量達(dá)到最高，CM 與CN 處理土壤CO2排放通量分別為680.67 g·m-2·h-1和848.32 g·m-2·h-1。2 種作物小區(qū)的覆膜土壤與未覆膜土壤CO2排放通量動態(tài)變化特征相同，土壤CO2排放通量變化規(guī)律主要受作物體系的影響。

2.3 溫室氣體排放對覆膜及水熱因子的響應(yīng)

玉米與棉花小區(qū)間土壤CH4與CO2排放存在顯著差異；同一作物小區(qū)覆膜與未覆膜處理土壤溫室氣體排放不存在顯著差異；作物種類與地膜覆蓋僅對CO2排放的影響存在交互作用（表1）。

表1 土壤溫室氣體排放重復(fù)測量方差分析Tab.1 Repeated-measures analysis of variance of soil greenhouse gas emission

玉米體系中，MM 處理的土壤溫室氣體排放通量均與土壤溫度與含水量呈顯著相關(guān)（圖5），并且MM 處理下土壤N2O 和CO2排放通量分別與土壤含水量和土壤溫度極顯著相關(guān)（P＜0.01）。MN 處理中，僅土壤CO2排放通量與土壤溫度顯著相關(guān)，其余均未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性（P＜0.05）。表明土壤水熱因子變化對玉米小區(qū)膜下土壤溫室氣體排放的影響強(qiáng)于未覆膜土壤。對于棉花體系而言，土壤溫度與CM處理的土壤N2O排放通量顯著相關(guān)（P＜0.05），并且與CO2排放通量呈極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。土壤含水量與CM 處理的土壤CH4和CO2排放通量表現(xiàn)為顯著相關(guān)（P＜0.05），并且與土壤N2O 排放通量極顯著相關(guān)（P＜0.01）。CN 處理中，僅土壤CO2排放通量與土壤溫度顯著相關(guān)，其余均未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性（P＜0.05）。由此可見，土壤水熱因子是影響棉花小區(qū)膜下土壤溫室氣體排放的關(guān)鍵因素。

圖5 土壤水熱條件與溫室氣體排放通量的關(guān)系Fig.5 Relationship between soil hydrothermal conditions and greenhouse gas emission flux

2.4 溫室氣體累積排放量和增溫潛勢

觀測期內(nèi)，玉米與棉花小區(qū)均表現(xiàn)為CH4的匯（表2）。并且CM與CN處理土壤對CH4的累積吸收量顯著高于MM 與MN 處理（P＜0.05）。與CM 與CN處理相比，MM與MN處理土壤的N2O累積排放量顯著提高了35.37%～40.00%，CO2累積排放量顯著降低了57.46%～63.55%（P＜0.05）。相較于未覆膜土壤，CM 與MM 處理土壤的N2O 累積排放量分別降低了13.43%和6.75%，CM 處理土壤的CO2累積排放量顯著降低了19.78%（P＜0.05）。各處理相比，MN 處理表現(xiàn)出最高的增溫潛勢（GWP），達(dá)到818.85 kg·hm-2，顯著高于CN 處理（P＜0.05）。CM 土壤具有最低的GWP，為440.30 kg·hm-2。與未覆膜土壤相比，CM與MM 處理土壤的GWP 分別降低了12.98%和6.10%，由此可見，玉米小區(qū)具有較高的增溫效應(yīng)。

表2 溫室氣體累積排放量及全球增溫潛勢（GWP）Tab.2 Greenhouse gas cumulative emissions and global warming potential(GWP)

3 討論

3.1 覆膜對土壤溫室氣體排放的影響

地膜覆蓋能夠顯著影響膜下土壤的水熱條件，土壤水熱條件改變會對土壤溫室氣體排放產(chǎn)生不同程度的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤的CH4排放與膜下土壤的含水量存在顯著相關(guān)性（P＜0.05），這與Smith［18］的研究結(jié)果保持一致。而羅曉琦等［14］關(guān)于玉米覆膜農(nóng)田的研究認(rèn)為，膜下土壤CH4排放僅受土壤溫度的影響，與本研究存在較大差異。這一現(xiàn)象可能與膜下土壤含水量不一致有關(guān)。覆膜使土壤含水量增加，一方面為產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生CH4提供了厭氧環(huán)境［19］。但另一方面，含水量過高將堵塞土壤孔隙，阻隔土壤與外界的氣體交換［20］。前人研究中，膜下土壤含水量始終維持在較高水平，使得土壤中的CH4排放受阻，進(jìn)而依賴于溫度調(diào)控向大氣中擴(kuò)散。此外，土壤溫度與土壤水分可通過改變土壤中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性對土壤N2O排放產(chǎn)生綜合影響［21-22］。在本研究中，膜下土壤N2O 排放與土壤含水量呈極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），并且土壤含水量對膜下土壤N2O排放的影響強(qiáng)于土壤溫度。這是由于膜下土壤含水量的增加使土壤熱容改變，加之土壤水分對土壤中N2O擴(kuò)散的阻礙作用［23］，共同限制了土壤溫度的調(diào)控，導(dǎo)致土壤含水量成為膜下土壤N2O排放的關(guān)鍵影響因子。土壤溫度是影響土壤CO2排放的主要因素，其能控制微生物對有機(jī)質(zhì)的礦化分解和植物根系的呼吸速率［24］。Fierer等［25］在關(guān)于土壤呼吸和溫度的擬合研究中發(fā)現(xiàn)，土壤溫度改變會帶來土壤CO2排放的顯著變化，這與本研究結(jié)果保持一致。同時，王興等［26］的研究認(rèn)為土壤呼吸受土壤溫度與含水量的共同影響，這與本研究結(jié)果中覆膜處理土壤保持一致，但與未覆膜處理土壤存在差異。溫度能夠調(diào)節(jié)土壤呼吸作用的各個方面，但溫度對土壤呼吸的影響有一定的范圍限制［27］。本研究中，未覆膜土壤溫度顯著低于膜下土壤。作物根系呼吸與微生物代謝是土壤CO2排放的主要來源，較低的土壤溫度可能導(dǎo)致土壤中微生物代謝速率對溫度敏感性下降，造成CO2排放未與土壤溫度呈顯著相關(guān)性。

在覆膜條件下，水熱因子對溫室氣體排放的調(diào)控性顯著增加，在新疆干旱區(qū)農(nóng)田地膜持續(xù)運(yùn)用的背景下，采取科學(xué)的膜下土壤灌溉模式，進(jìn)而控制干旱區(qū)農(nóng)田溫室氣體排放，能夠有效減緩干旱區(qū)覆膜農(nóng)田的緩增溫效應(yīng)。

3.2 不同作物體系土壤溫室氣體排放對覆膜的響應(yīng)

作物種類是不同農(nóng)田土壤溫室氣體排放存在差異的重要原因，不同作物根系的呼吸作用會間接影響溫室氣體的產(chǎn)生與排放［28］。本研究顯示，膜下土壤溫度與玉米小區(qū)膜下土壤的CH4排放通量呈顯著相關(guān)性，但其未與棉花小區(qū)膜下土壤出現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。這可能是由于不同作物根系的呼吸作用對溫度的敏感性不同［29］，而造成玉米和棉花小區(qū)膜下土壤中的產(chǎn)甲烷菌與甲烷氧化菌處在不同的土壤環(huán)境［30］，使其對土壤溫度變化的響應(yīng)存在差異。對于玉米與棉花作物而言，玉米為C4 植物，而棉花為C3植物（棉花）的區(qū)別，兩者的光合作用與CO2補(bǔ)償點(diǎn)存在差異，因此其呼吸作用對溫度與CO2濃度的響應(yīng)有所不同［31］。本研究中，土壤CO2排放通量變化規(guī)律主要受作物種類的影響，且覆膜顯著降低了棉花小區(qū)土壤的CO2累積排放量，但對玉米小區(qū)未產(chǎn)生顯著影響。覆膜具有阻隔作用，膜下土壤中CO2積累量增加。C3 植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)高于C4 植物，C3植物能夠利用較高濃度的CO2［32］。而C4植物在常規(guī)CO2濃度下，其光合作用已達(dá)到飽和，對膜下土壤中的CO2響應(yīng)并不強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致不同作物體系CO2排放特征出現(xiàn)差異［33-34］，使覆膜對C3 植物CO2排放的影響強(qiáng)于C4植物。同時，這也使得作物種類與覆膜產(chǎn)生了交互作用。

在相同研究區(qū)域、氣候條件與觀測時間的條件下，玉米小區(qū)中覆膜土壤與未覆膜土壤的增溫效應(yīng)均高于棉花小區(qū)。因此，若能在新疆農(nóng)田結(jié)構(gòu)調(diào)整的過程中，適當(dāng)減少玉米的播種面積，將會對干旱區(qū)農(nóng)田溫室氣體減排起到重要作用。

4 結(jié)論

（1）在同一作物體系下，覆膜增加了土壤CH4排放次數(shù)，對土壤N2O 和CO2排放規(guī)律未產(chǎn)生顯著影響。在整個生長期內(nèi)，玉米與棉花體系間土壤溫室氣體排放特征差異性較大。

（2）覆膜僅顯著降低了棉花小區(qū)CO2累積排放量，玉米小區(qū)覆膜與未覆膜土壤的增溫潛勢（GWP）均高于棉花小區(qū)（P＜0.05）。

（3）對于干旱區(qū)覆膜農(nóng)田而言，膜下土壤CH4排放僅受土壤水分的顯著影響；膜下土壤N2O 和CO2排放受土壤濕度與溫度的綜合影響；土壤溫度也能夠顯著影響未覆膜土壤CO2排放。