2017, Vol. 38
2. 国家紫色土肥力与肥料效益监测基地, 重庆 400716
2. National Monitoring Station of Soil Fertility and Fertilizer Efficiency on Purple Soils, Chongqing 400716, China
甲烷(CH4)作为重要的温室气体之一, 不断受到人们的关注.其在大气中具有较长的化学寿命, 并且具有很强的红外线吸收能力及增温效应[1]. 2013年IPCC科学报告表明, CH4在大气中的生命周期为12.4 a, 100 a尺度单位质量CH4的增温潜势是CO2的28倍[2].土壤是温室气体的重要排放源[3], 据估计, 大气中每年大约有15%~30%的CH4来自于土壤[4], 而农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分, 全球耕地面积大约为1369 Mhm2, 其面积占全球陆地面积的10.5%[5].
近年来, 人类对土地利用方式的改变以及各种农业管理措施的实施[6], 改变了田间土壤环境, 影响农田土壤CH4的产生和吸收[1], 而地膜覆盖是一种常见的农业管理措施, 在世界各地已经广泛实践应用, 特别是在干旱地区[7].有研究发现, 地膜覆盖能减少土壤蒸发, 提高土壤温度和水分以及土壤养分的可用性, 促进作物生长和产量的提高[7, 8].此外, 地膜覆盖可影响植物根系分布及微生物矿化作用.有研究表明, 地膜覆盖下的土壤微生物矿化速度更快, 能促进温室气体的排放[9], 还能影响温室气体的产生, 积累和运输[10].因此, 研究地膜覆盖对温室气体排放的影响有重要意义.目前, 对温室气体排放的研究大都集中在土壤与大气之间的排放通量的观测, 而对温室气体在土壤剖面的行为研究较少[11], 对地膜覆盖下土壤CH4剖面浓度特征的研究甚是鲜见. Xu等[12]研究对比传统淹水灌溉稻田和旱作覆膜稻田CH4的季节排放, 发现旱作覆膜稻田可减少CH4的排放.李欣[13]研究发现, 覆膜处理可以增加土壤对大气CH4的吸收.贾俊香等[11]在研究菜地温室气体的土壤剖面浓度变化特征中, 发现CH4和CO2浓度均随土层深度的增加而增加. Okuda等[14]对果园土壤温室气体排放的研究发现, 地膜覆盖对CH4排放没有影响.目前, 关于地膜覆盖对土壤CH4排放特征的报道还不一致, 仍然存在许多争议.因此, 开展地膜覆盖对菜地CH4排放通量的影响及土壤剖面CH4浓度的季节变化特征研究, 有助于揭示其在土壤中产生、累积、传输以及向大气排放的生物和物理过程[11].本研究采用静态箱/气相色谱法, 原位对辣椒-萝卜轮作菜地进行了覆膜和常规条件下CH4排放及其环境因子的观测研究, 探讨了地膜覆盖对菜地土壤水热条件、CH4的排放通量及土壤剖面浓度季节变化特征及影响因子, 以期为今后制定农田土壤温室气体减排措施提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验地点选在位于西南大学试验农场的农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站(106°26′E, 30°26′N), 海拔230 m, 年平均气温为18.3℃, 亚热带季风气候.年平均降水量为1105 mm, 年平均相对湿度多在70%~80%, 在全国属高湿区.年日照时数1276.7 h, 无霜期年均约334 d.试验土壤为中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥岩母质上发育的中性紫色土.试验期土壤理化性质：有机质25.29 g ·kg-1、全氮1.35 g ·kg-1、碱解氮56.62 mg ·kg-1、总磷646.00 mg ·kg-1、有效磷5.94 mg ·kg-1、总钾9.44 g ·kg-1、有效钾102.47mg ·kg-1.
1.2 试验设计与方法本试验田实行辣椒-萝卜轮作制, 辣椒品种为龙椒一号, 重庆龙胜种子经营部购买; 萝卜品种为九斤王, 广西横县子龙商贸有限公司购买.试验覆盖的薄膜, 选用0.005 mm厚的聚乙烯透明薄膜.本试验设置覆膜和不覆膜两种种植方式, 样地总面积为15 m×8 m, 试验前深翻3遍, 并平整地块, 使样地耕层土壤尽可能均匀, 样地平整.在样地内平地起垄, 宽高平行, 垄长2.8 m、宽0.8 m、高0.15 m, 垄间距为0.4 m, 覆膜和常规种植各设置10个小区.两种种植方式田间管理均一致, 种植之前磷钾肥(过磷酸钙、氯化钾)作为基肥一次性施入, 氮肥(尿素)则在基肥和追肥时各施一半, 辣椒季氮肥施用总量为300 kg ·hm-2, 萝卜季为200 kg ·hm-2.两种处理各选择3个不相邻的小区内分别埋入1个长50 cm, 宽50 cm, 高15 cm的不锈钢底座, 底座与样地齐平(底座内辣椒季栽2窝辣椒苗, 每窝2株; 萝卜季播种2窝萝卜籽, 每窝4~5株, 定苗后控制在2株), 上端有深、宽各3 cm的密封水槽. 2014年5月18日移栽辣椒苗, 2014年7月5日追施氮肥, 辣椒分批收获, 于2014年9月23日移除辣椒并翻耕农田, 休闲期间照常采样. 2014年10月1日进行农地翻耕、施肥、覆膜和点种萝卜籽, 2014年11月28日追肥, 于2015年3月16日一次性收获, 具体作物生长期及农作处理时间参见图 1.除基肥和追肥外, 农地不再施用其他化学品, 每次施基肥、追肥后均连续监测3 d.
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图 1 两生长季作物生长期及农作处理时间示意 Fig. 1 Growth and development of crops and the management of fields |
菜地土壤CH4排放通量的测定采用静态暗箱法, 箱体设计制作为分节组合式标准箱, 由底座、延长箱和顶箱组成, 具体材料及尺寸参见文献[15].每次采样时间为09:00~11:00进行, 采样频率为每周一次, 采样时罩箱时间为30 min, 每次间隔为10 min.
覆膜和常规两处理土壤剖面CH4浓度测定采用扩散法(图 2).该气体扩散系统由4部分组成：集气管、导气管、橡胶塞和三通阀.集气管是一根圆柱形的PVC管(直径50 mm, 容积1000 cm3), 管端有橡胶塞, 导气管是一根聚乙烯塑料管(内径1 mm).集气管管壁上钻有4排每排有20个直径均为3 mm的孔洞, 便于土壤空气与集气管内空气的交换.集气管两端用橡胶塞密封后洞口朝下埋在土里, 导气管一端穿过橡胶塞伸到集气管中央, 另一端垂直伸出地表并在顶端配有一个三通阀.在试验开始前一个月, 将这套装置分别埋设在10、20和30 cm深的土层, 以使集气管内气体浓度达到平衡.采样时, 用60 mL注射器依次从各深度的气体扩散系统中抽取气体, 并及时送到实验室, 进行CH4浓度测定和分析.测定完毕后关闭三通阀, 使漏斗内气体与大气处于不可交换状态, 直至下一次测定.每个处理土深设2个平行.每次采样时间为09:00~11:00进行, 采样频率为每周一次.
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图 2 扩散箱法示意 Fig. 2 Schematic diagram of the diffusion chamber technique |
CH4浓度的测定仪器为Agilent 7890A气相色谱仪, 具体分析方法及工作条件见文献[16]; CH4的通量根据4个气样浓度随采样时间的变化速率计算[17].气体排放通量用公式表示为：
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式中, F为排放通量[mg ·(m2 ·h)-1]; H为箱内气室高度(cm); T为采样期间箱内平均温度(℃); P为样采样时的大气压(Pa); P0为标准状况下的大气压(Pa); ρ为被测气体的密度(g ·cm-3); dc/dt为采样期间采样箱内CH4的浓度变化速率.
1.3.3 其他影响因子土壤温度：在气体样品采集的同时, 要观测箱内外气温、地表和5 cm地温, 温度测定采用JM624型便携式测温计; 在作物生长期间, 每天下午17:30左右记录覆膜和常规处理各小区10、20、30 cm深土壤温度和气温.土壤含水率：在每次采集气体之后, 分别在覆膜和常规种植设有底座的相邻小区内多点采样土壤, 采样深度为1~20 cm, 土样混合均匀, 每次采集约150 g, 带回实验室用烘干法(105±2)℃测定土壤含水率.
1.4 数据整理与分析采用Microsoft Excel 2007将原始试验数据汇总整理后, 用Origin 8.1进行作图, 再利用SPSS 16.0软件进行显著性和相关性分析.
2 结果与分析 2.1 地膜覆盖对土壤水热条件的影响 2.1.1 地膜覆盖对各土层土壤温度的影响由图 3可以看出, 在整个生长季, 覆膜与常规种植各土层温度变化趋势基本相同, 并与日平均气温的变化保持一致(图 4), 覆膜条件下10、20、30 cm土层平均地温分别为21.8、21.6、21.1℃, 而常规种植条件下, 各土层平均地温分别为20.7、20.4、20.0℃.成对t检验结果表明, 覆膜种植各土层温度均极显著高于常规种植(P < 0.01);其中, 辣椒种植季, 覆膜和常规种植各土层土壤温度季节变化趋势大致相同, 均大致表现出先增加后降低的变化趋势, 覆膜种植10、20、30 cm土层平均地温分别为32.2、31.5和29.7℃, 分别比常规种植土壤高2.3℃、2.8℃和2.0℃, 成对t检验表明, 不同处理下10、20、30 cm土层地温差异均达到极显著水平(P < 0.01);在萝卜种植季, 两种种植方式各土层温度季节变化趋势则均表现为先降低后增加, 在此生长季覆膜种植条件下10、20、30 cm土层平均地温分别为14.4、14.6、15.0℃, 而常规种植条件下10、20、30 cm土层平均地温分别为14.1、14.4、14.4℃, 在此生长季, 覆膜种植各土层温度比常规种植各土层略高, t检验结果表明, 各土层温度差异不显著(P > 0.05).综上所述, 与常规种植相比, 地膜覆盖可以提高菜地土壤各土层温度, 并且在辣椒季增温效应较萝卜季高.
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图 3 两种植季各土层温度的季节动态 Fig. 3 Seasonal dynamics of temperature in different soil layers under the two planting conditions |
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图 4 采样区日平均气温和降雨量的季节变化 Fig. 4 Seasonal course of daily totals for precipitation and daily mean air temperature |
由图 5可以看出, 在整个种植周期, 覆膜和常规种植土壤含水率的变化趋势大致相同, 土壤含水率的变化范围分别为6.41%~24.84%、7.35%~22.81%, 平均含水率为：覆膜(19.19%)＞常规(18.23%). t检验结果表明, 覆膜种植土壤含水率显著高于常规种植(P < 0.05);在两个生长季, 土壤含水率也表现出一定的差异, 辣椒季覆膜和常规种植的土壤含水率波动较萝卜季两种处理大; 在辣椒生长季, 土壤平均含水率为：覆膜(16.26%)＜常规(16.92%), 而在萝卜季土壤平均含水率则为：覆膜(21.74%)＞常规(19.36%). t检验结果表明, 辣椒生长季覆膜和常规种植条件下土壤含水率差异不显著(P > 0.05), 而萝卜生长季则覆膜显著高于常规种植(P < 0.05).综上所述, 与常规种植相比, 覆膜种植具有一定的保水作用.
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图 5 两种植季土壤含水率的季节变化 Fig. 5 Seasonal dynamics of soil moisture under the two planting conditions |
由图 6可以看出, 在整个观测周期内覆膜和常规种植菜地CH4排放通量均无明显的变化规律, 但从表观上看, 在辣椒生长季CH4排放通量的波动较大, 在萝卜季波动较小.在整个观测周期内, 覆膜和常规种植菜地基本均呈现吸收状态, 个别呈现CH4的释放.覆膜种植下对CH4的最大值吸收速率为72.24 μg ·(m2 ·h)-1, 常规种植下对CH4的最大吸收速率为121.84 μg ·(m2 ·h)-1, 覆膜和常规种植条件下CH4平均吸收速率分别7.64 μg ·(m2 ·h)-1和9.00 μg ·(m2 ·h)-1, 整个观测期土壤对CH4累计吸收值分别为0.54 kg ·hm-2和0.64 kg ·hm-2.配对t检验结果表明, 覆膜和常规种植条件下CH4排放通量差异不显著.
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图 6 两种植季CH4排放通量的季节变化特征 Fig. 6 Seasonal variation of CH4 emission flux under the two planting conditions |
在辣椒季, 覆膜和常规种植条件下CH4排放通量均值分别为-0.15 μg ·(m2 ·h)-1和0.13 μg ·(m2 ·h)-1, 此生长季CH4累计排放量分别为-0.004 kg ·hm-2和0.004 kg ·hm-2.配对t检验结果表明, 覆膜和常规种植条件下CH4排放通量差异不显著.在萝卜季, 覆膜和常规种植条件下, CH4排放通量变化趋势较为平缓, CH4排放通量均值分别为-16.64 μg ·(m2 ·h)-1和-16.00 μg ·(m2 ·h)-1, 整个观测期CH4累计吸收值分别为0.55 kg ·hm-2和0.63 kg ·hm-2, 各处理土壤在整个观测期内对CH4均表现为净吸收, 表现为CH4的弱汇.配对t检验分析结果表明, 在此生长季覆膜和常规种植条件下CH4排放通量差异不显著.
2.2.2 两种植季覆膜与常规土壤CH4剖面浓度特征由图 7可知, 在辣椒生长季, 覆膜种植10、20、30 cm土层中CH4浓度分别为2.27、2.21、2.05 mg ·m-3, 常规种植各土层CH4浓度分别为2.24、2.24、2.19 mg ·m-3; 在萝卜生长季, 覆膜种植10、20、30 cm土层中CH4浓度分别为2.15、1.95、1.61 mg ·m-3, 而常规种植三者的CH4浓度分别为2.14、2.08、1.68 mg ·m-3.覆膜和常规种植条件下, 各土层CH4浓度无明显季节变化特征.配对t检验结果表明, 在辣椒生长季, 常规种植条件下30 cm土层CH4浓度显著高于覆膜种植(P < 0.05);萝卜生长季, 常规种植土壤CH4浓度在20 cm土层显著高于覆膜种植(P < 0.05).
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图 7 两种植季CH4剖面浓度的季节动态 Fig. 7 Seasonal variation of CH4 concentrations in soil profiles under the two planting conditions |
表 1为覆膜和常规处理菜地CH4排放通量与各环境因子的Pearson相关性分析.结果表明, 覆膜种植条件下, 地表温度与CH4排放通量之间无相关性, 而CH4排放通量与5 cm地温呈现显著正相关(P < 0.05), 与土壤水分呈现显著负相关(P < 0.05);在常规种植条件下, CH4排放通量与地表温度、5 cm地温及土壤水分均无相关性.
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表 1 环境因子与土壤CH4排放通量相关关系1) Table 1 Correlations between environmental factors and soil CH4 flux |
表 2为覆膜和常规两种处理各土层CH4浓度与各环境因子的Pearson相关性分析结果.分析结果表明, 两处理10 cm、20 cm土层CH4浓度均与地表CH4浓度呈显著正相关(P < 0.01), 30 cm土层CH4浓度与5 cm地温及地表温度均呈显著正相关, 各土层CH4浓度与土壤水分无显著相关关系.由此可以看出, 土壤10 cm、20 cm土层CH4浓度主要受地表CH4浓度的影响, 而30 cm土层CH4浓度则主要受环境温度的影响.
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表 2 环境因子与土壤CH4浓度相关关系1) Table 2 Correlations between environmental factors and soil CH4 concentrations |
3 讨论 3.1 地膜覆盖对土壤温度和含水率的影响
本研究结果表明, 在整个观测期, 覆膜种植10、20、30 cm各土层土壤温度分别比常规种植高2.3、2.8、2.0℃, 表明地膜覆盖有明显的土壤增温效果, 能显著提高耕层土壤的温度, 这与目前众多研究结果一致[18~20].地膜覆盖能够增加土壤温度的原因表现在两个方面, 一方面是由于薄膜的阻隔作用, 隔绝了土壤与外界水分的交换以及气体的自由扩散, 从而抑制了潜热散失; 另一方面是因为夜晚膜下的水汽和CO2吸收向外辐射的长波辐射[21], 薄膜阻断了热能以长波形式向外辐射, 减少了水分蒸发时所需的热能[22, 23], 从而减缓了土壤温度的下降.在本研究中, 对比辣椒季覆膜对不同土层土壤温度的影响, 发现在地下10 cm和20 cm深土壤的增温效应比在30 cm深处大, 这与侯晓燕等[24]及王桂清等[25]的研究结果一致.造成这一现象的原因主要与土壤中热量由地表向下传递过程以及土壤不同层次的导热效率有关, 土壤自身的导热性决定土壤在吸收一定热量后, 一部分用于自身升温, 一部分传送给临近土层, 土壤颗粒间的热量再分配, 膜间能量向膜下横向传输[18], 最终导致深层土壤的增温较小.地膜覆盖对土壤的增温效果与日照长短、土壤含水率和陆地土壤温度等有关[26].在本研究中, 萝卜种植季地膜覆盖并未表现出显著增温效应, 造成这一现象的主要原因是重庆秋冬季多阴天, 光照天数甚少, 光照强度较低, 土壤本身接受能量较少; 此外, 萝卜植株较大的叶面, 进一步削弱了阳光对农田的照射[27];并且在萝卜块茎膨大期, 块茎膨大需要较大的水分, 地膜覆盖通过保持较高土壤水分, 降低温度来促进块茎的膨大[28, 29], 这与水分和土壤介质热容量的差异有关[30], 因此在此生长季覆膜条件下并没有明显的高温优势, 土壤温度变化不大.
在耕作层土壤含水率方面, 在整个种植周期内, 覆膜和常规种植其变化趋势大致相同, 表现为：覆膜＞常规(分别为19.19%、18.23%), 覆膜种植显著高于常规种植, 这与王敏等[27]及胡亚瑾[31]的研究结果一致.导致覆膜种植土壤含水率高于常规种植的原因, 主要是由于覆膜种植在膜的物理阻隔作用下, 可以有效地减少土壤水分的蒸发, 同时因为膜内较高的温度, 加大了土壤热梯度的差异, 进而使更深层的土壤水分向上转移, 形成提水上升的保墒效应, 膜内水汽进而增加, 到夜间遇冷凝结在膜内壁上, 之后落入土壤中, 从而提高了土壤湿度[19, 21].分别对比不同种植季发现, 辣椒季土壤含水率, 覆膜种植小于常规种植, 并且覆膜和常规种植条件下土壤含水率差异不显著(P > 0.05), 而萝卜生长季覆膜种植土壤含水率显著高于常规种植(P < 0.05).这可以理解为在秋冬萝卜季覆膜种植具有一定的保水作用, 而在春夏辣椒季并未体现出保水作用, 这与马树庆等[20]的研究结果一致.造成此现象的原因可能是因为地膜覆盖改变了土壤的水热耦合特性[18], 春夏季, 干湿交替, 降雨量较小时, 由于地膜的阻隔, 使降雨无法进入土壤; 而秋冬季, 阴雨连绵, 土壤整体湿地相对较大, 地膜内土壤能通过壤中流进入地膜内土壤.
综上所述, 从整个生长季土壤平均含水率和各土层平均温度来看, 地膜覆盖对土壤水热条件的改善主要体现在土壤的增温保湿作用.从不同生长季来看, 地膜覆盖在春夏辣椒季种植季保温作用较明显, 而在秋冬季保水作用较明显.
3.2 地膜覆盖对菜地CH4排放通量的影响在整个观测周期内覆膜和常规种植土壤CH4排放通量均无明显的变化规律, 覆膜和常规种植条件下菜地CH4的排放通量分别为-7.64 μg ·(m2 ·h)-1和-9.00 μg ·(m2 ·h)-1, 整个观测期CH4累计吸收值分别为0.54 kg ·hm-2和0.64 kg ·hm-2, 各处理土壤在整个观测期内对CH4均表现为净吸收, 这与众多学者研究结果一致[15, 32, 33].在本研究中地膜覆盖一定程度上削弱土壤作为CH4汇的能力.配对t检验结果表明, 覆膜和常规种植条件下CH4排放通量差异不显著, 这与Okuda等的研究结果一致[14], 主要是因为地膜覆盖虽然在一定程度上阻碍了土壤与大气间的气体流通, 但并不与大气完全阻隔, 大气中CH4还是可以通过薄膜上的孔洞扩散到土壤; 干旱地区农田土壤基本都是大气CH4的汇, 一方面, 因为干旱区农田土质干燥, 具有良好的土壤通气状况, O2易于扩散到土壤中, 促进土壤CH4氧化微生物和CH4氧化酶的活性[34], 加强了土壤吸收氧化大气CH4的能力; 另一方面, 产CH4微生物如产CH4细菌, 在有氧气或氧化性物质存在时, 催化还原小分子有机物形成CH4的过程会受到影响[35].然而, 也有研究发现[36], 地膜覆盖阻止了土壤水分的蒸发以及土壤易氧化有机质的分解, 在一定程度上形成土壤厌氧环境, 创造了有利于CH4产生的土壤条件, 促使一定量CH4的产生.
对不同种植季覆膜和常规种植土壤CH4进行分析发现, 辣椒季和萝卜季覆膜种植和常规种植条件下, 两种植季不同处理土壤对CH4均呈现净吸收, 并且两种植季的两种处理的CH4通量均无显著差异, 各处理并未表现出明显的季节变化特征, 这说明土壤CH4的通量并不只受温度的影响.辣椒季覆膜和常规种植土壤CH4排放通量均值分别为-0.15 μg ·(m2 ·h)-1和0.13 μg ·(m2 ·h)-1, 整个观测期CH4累计排放量分别为-0.004 kg ·hm-2和0.004 kg ·hm-2, 说明地膜覆盖一定程度上抑制了CH4的排放, 覆膜种植表现为对CH4的净吸收, 常规种植对CH4表现为微弱排放, 但其作为CH4汇的作用不明显, 这与梁巍等人的研究结果一致[34];而在萝卜季, 覆膜和常规种植条件下, CH4排放通量变化趋势较为平缓, CH4排放通量均值分别为-16.64 μg ·(m2 ·h)-1和-16.00 μg ·(m2 ·h)-1, 整个观测期CH4累计吸收值分别为0.55 kg ·hm-2和0.63 kg ·hm-2各处理土壤在整个观测期内对CH4均表现为净吸收, 表现为CH4的弱汇, 这与李志国等[1]和Xu等[12]的研究结果一致.综合分析两种植季发现, 吸收值有一定季节规律, 秋冬萝卜季吸收值较高, 而春夏辣椒季较低.这与孙向阳[37]的研究结果相反, 这可能与土壤类型和作物类型等有关. 2014年6月22日测定CH4排放通量, 发现常规种植土壤CH4出现一个强的释放, 信息记录发现在6月17日施撒农药, 这可能是导致常规种植土壤CH4释放的主要原因, 由于没有地膜覆盖, 杀虫剂直接喷洒在土壤上, 造成土壤表层微生物的死亡, 当然其中包括甲烷氧化菌, 从而减弱了CH4的氧化, 对外表现出排放CH4[38, 39].在2014年7月5日追肥之后, 覆膜种植和常规种植土壤均出现CH4释放, 排放通量分别为20.68 μg ·(m2 ·h)-1和90.34 μg ·(m2 ·h)-1, 常规种植明显大于覆膜种植土壤CH4的排放通量; 这主要是因为施用氮肥后, 增加了土壤中NH4+的浓度, 由于NH4+和CH4的分子结构类似, 都可以被CH4氧化的关键催化酶——甲烷单氧化酶所氧化, 因而NH4+的存在对CH4的氧化造成竞争性抑制[38, 40], 从而促使覆膜和常规处理均产生CH4的释放, 而覆膜种植由于地膜的物理阻隔以及温度和含水率的交互作用[41, 42], 使其释放小于常规种植.在2015年3月4日萝卜收获之后, CH4通量有一个下降, 这可能与作物的生育期有关, 植物功能群和生物量也是影响CH4排放通量的重要因子[43].
3.3 地膜覆盖对菜地CH4土壤剖面浓度的影响在本研究中, 发现两种种植方式在整个观测周期内各土层CH4浓度变化趋势大致相同, 并且从整个生长周期来看, 覆膜种植和常规种植两处理, 各土层CH4浓度均表现为：10 cm＞20 cm＞30 cm, 由此可以看出两种处理土层中CH4浓度均随土层深度的加深而降低.这与Wang等[44]及王长科等[45]的研究结果相似.主要原因有以下几个方面：第一, 浅层土壤CH4的浓度主要依靠大气中CH4的扩散以及土壤中CH4氧化菌的氧化能力[7, 44];其次, CH4被土壤吸收氧化的过程, 在土层中自上而下一层层被氧化[7], 并且随着土层的加深CH4的扩散阻力也越大, 而使CH4浓度自上而下呈梯度分布; 第三, 可能由于本研究中深层土壤厌氧环境未达到产甲烷细菌活动的条件, 而甲烷氧化菌起主导作用, 土壤自身产CH4能力较弱, 最终导致深层土壤CH4浓度较低.但杨波等[46]的研究结果却表明, 在小麦生长季土壤CH4浓度则随着土层深度的增加而增加.也有学者研究发现, CH4剖面浓度随土层深度的增加呈现先减少后增加的趋势[47].另在本研究中发现, 在整个观测周期内, 覆膜和常规处理土壤CH4浓度在10 cm土层深差异不显著, 而在土层20 cm、30 cm深处显著低于常规处理, 这与Nan等[7]的研究结果相似.这可能与覆膜条件下土壤温度升高有关, 因为温度升高直接影响了CH4的迁移[37], 加速了CH4的氧化[48], 且地膜的阻滞作用一定程度上阻挡了土壤对地表空气中CH4的吸收.此外, 本研究还发现地表CH4浓度极显著高于覆膜和常规处理各土层CH4浓度(P < 0.01), 主要是因为土壤颗粒和地膜对CH4扩散的阻滞, 土壤自身产CH4能力以及土壤中甲烷氧化菌对CH4的氧化作用.张怡等[49]研究也表明覆膜栽培可通过改善土壤通气性, 减少CH4产生, 增加CH4氧化.
分析两种植季, 发现覆膜和常规种植条件下各土层CH4浓度无明显季节变化特征, 这与刘芳等[47]的研究结果一致.而配对t检验发现, 在辣椒生长季, 常规种植在30 cm土深CH4浓度显著高于覆膜种植(P < 0.05);在萝卜生长季, 常规种植土壤CH4浓度在20 cm土深显著高于覆膜种植(P < 0.05);导致这一现象的原因一方面是因为覆膜种植为土壤尤其深层土壤创造了一个好的厌氧环境, 在深层土壤处甲烷氧化菌氧化CH4的作用受到抑制; 另一方面, 在较低的CH4浓度条件下, 甲烷氧化菌不能完全地吸收氧化CH4[50].
3.4 环境因子对土壤CH4排放通量和CH4剖面浓度影响在本研究中, 常规种植条件下, CH4排放通量与地表温度、5 cm地温及土壤水分均无相关性; 覆膜种植条件下, CH4排放通量与地表温度之间无相关性, 但与5 cm地温呈现显著正相关(P < 0.05), 这与众多学者的研究结果一致[13, 51], 该结果证明本试验田土壤甲烷氧化菌的氧化和分解主要受土壤中氧气扩散的限制[7];但也有研究结果发现, CH4排放的季节动态并不能直接归咎于温度的季节变化[52].徐华等[35]对CH4排放的季节变化的研究中发现, 在整个生长周期中, 土壤温度和水稻排放通量之间没有相关性, 造成温度对CH4排放通量影响的多样性的原因, 可能是因为产甲烷菌和甲烷氧化菌的活性均有一个最适范围, 产甲烷菌的最适温度在30~40℃, 土壤温度过低时, 产甲烷菌的活性会受到抑制, 产甲烷过程的其他微生物活性也会降低[53];本研究中覆膜种植条件下5 cm土壤平均地温为21℃, 处于甲烷氧化的最佳温度范围20~30℃, 有研究发现当温度达到最佳范围并且进一步升高时, 土壤中其他微生物, 比如硝化细菌活性增强, 会使甲烷氧化菌的氧气供应不足, 最终甲烷氧化量下降[54], 从而促进CH4的排放.另外本研究发现, CH4排放通量与土壤水分呈现显著负相关(P < 0.05);这与众多学者研究结果一致, 主要是因为水分填充了土壤孔隙, 阻碍了甲烷的扩散和迁移[55], 引起了CH4排放的滞后, 且淹水的土壤生态系统一般认为是大气CH4的源, 在厌氧条件矿化发酵产生CH4, 而旱作农田一般被认为是CH4的汇, 因此CH4产生量很大程度上就取决于土壤水分条件, 有氧土壤中, 甲烷氧化菌的活性会随着土壤水分的增加而提高[54~56], 从而抑制CH4的排放.
在各土层CH4浓度方面, 本研究发现覆膜和常规种植条件下, 10 cm、20 cm深土层CH4浓度均主要受地表CH4浓度的影响, 而30 cm土层则主要受环境温度的影响, 这主要是因为旱作菜地土壤为不饱和土壤, 其表层土壤中CH4气体主要来源于大气中CH4的吸收和扩散作用[57], 对于较深土层, 除了吸收大气中CH4外, 其相对较强的厌氧环境为产甲烷微生物产CH4创造了一定的条件, 而温度是影响CH4的重要因子.土壤对吸收或排放CH4情况与土壤的含水率之间有密切的相关性, 过高或者过低的土壤含水率, 均不利于土壤甲烷氧化菌的活动, 当土壤水分处于过饱和时, 甲烷氧化菌受到抑制, 而产甲烷细菌活动增强, 土壤成为CH4的排放源[58];封克等[59]的研究表明, 土壤对CH4吸收状况与土壤含水率显著相关; 而在本研究中发现, 覆膜和常规种植各土层CH4浓度与土壤含水率均无相关性, 这与李欣[13]的研究结果一致, 这可能与该地土壤含水量相对较低有关[60]. 9月中旬到次年2月中旬, 各土层CH4浓度有所下降, 这与降雨量和气温的变化保持一致, 主要原因是因为受土壤水热条件的限制, 从而影响土壤中的气体扩散及土壤中各类微生物的活性, 最终各类效应的耦合叠加导致的[61].
4 结论(1) 与常规种植相比, 本研究菜地覆膜表现出一定的保温和保湿的效果, 并且在春夏季(辣椒季)保温作用较明显, 而在秋冬季(萝卜季)保水作用较明显.
(2) 覆膜和常规种植条件下, 菜地生态系统均表现为CH4的弱汇, 地膜覆盖一定程度上削弱了菜地作为CH4汇的能力; 综合分析两种植季发现, 吸收值有一定季节规律, 秋冬萝卜季吸收值较高, 而春夏辣椒季较低.
(3) 地膜覆盖分别不同程度地降低了土壤各土层CH4的浓度, 在整个观测期覆膜种植和常规种植两处理, CH4浓度随土层深度的加深而降低; 10 cm、20 cm深土层CH4浓度主要受地表CH4浓度的影响, 而30 cm深土层CH4浓度主要受环境温度的影响.
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