2017, Vol. 38
2. 国家紫色土肥力与肥料效益监测基地, 重庆 400715
2. National Monitoring Station of Soil Fertility and Fertilizer Efficiency on Purple Soils, Chongqing 400715, China
地膜覆盖被称为是农业耕作史上的“白色革命”[1~4], 地膜覆盖可以改善土壤的水热性质, 从而对土壤中养分的有效性和微生物的活性产生变化, 并促进作物的生长和提高农作物产量. 2014年我国地膜覆盖面积近3亿亩, 地膜投入量144万t以上, 应用区域已从北方干旱、半干旱区域扩展到南方的高山、冷凉地区, 覆盖作物种类也从经济作物扩大到大宗粮食作物.我国西南地区每年春旱严重, 为了提高土壤的保水、耐旱能力, 同时防止倒春寒, 当地农民往往采用地膜覆盖方法种植蔬菜、烟草和油菜等.据统计, 2013年重庆市和四川省的薄膜使用总量分别达到了4.1万t和12.7万t[5].氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体, 其在大气中的停留时间长达121 a, 100 a时间尺度单位质量的N2O引起的温室效应约是同质量CO2的298倍[6]. N2O的排放源主要有化石燃料的燃烧、土壤释放、生物物质燃烧等[7], 其中农业是一个非常重要的排放源, 施氮是影响农田生态系统N2O排放的最重要影响因子之一[8].杨俊等[9]对川渝地区农业生态系统N2O排放研究认为, 川渝地区农田旱作对川渝地区农田N2O直接排放量的贡献量最大, 占农田N2O直接排放总量的81.4%.
从目前的研究结果来看, 地膜覆盖对农田生态系统N2O的排放具有显著影响. Nishimura等[10]研究发现, 覆膜创造出的高温高湿低氧环境有利于N2O产生, N2O排放通量明显增大; 而Berger等[11]却认为覆膜会促进植物的N吸收, 减少土壤无机N含量, 抑制土壤微生物的硝化和反硝化作用, 使N2O排放减少.国内则主要是在西北地区作了少量研究, 朱咏莉等[12]研究表明, 与不覆膜相比, 覆膜条件下地表和耕层10、20 cm土层处N2O排放通量显著增加; 而阎佩云等[13]则认为覆膜对土壤N2O排放没有显著影响.由于地膜的覆盖, 改变了土壤的基本性质, 对土壤水分、温度、微生物和养分等产生变化, 而这些性质的变化将对土壤内在的平衡体系造成什么样的影响？因此, 本文以西南地区采用较多的菜地为研究对象, 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条件下N2O排放及其环境因子的观测研究.
1 材料与方法 1.1 实验区概况实验地点选在位于西南大学实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, 年均气温18.3℃, 为亚热带季风气候.年平均降水量为1 105 mm, 年平均相对湿度多在70%~80%, 在全国属高湿区.年日照时数1 276.7 h, 无霜期年均约334 d.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灰棕紫泥, 土壤pH值在6.8左右, 其他主要理化性质有：有机质25.3 g·kg-1、全氮1.35 g·kg-1、碱解氮56.6 mg·kg-1、总磷646.0 mg·kg-1、有效磷5.94 mg·kg-1、总钾9.44 g·kg-1、有效钾102.5 mg·kg-1.
1.2 实验设计与方法本实验田间种植作物为辣椒-萝卜轮作, 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.实验地膜选用0.005mm聚乙烯透明薄膜.本实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, 实验前深翻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, 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日移除辣椒枝并翻耕菜地土壤, 农闲期间照常采样. 2014年10月1日进行菜地翻耕、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.除基肥和追肥外, 农地不再施用其他化学品, 每次施基肥、追肥和大雨后均连续监测3 d.所有农事活动见图 1.
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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 |
土壤N2O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[14].底座(长50 cm、宽50 cm、高20 cm)架设在每个处理小区的中间, 对于地膜覆盖处理, 在埋设底座时, 先将地膜铺好, 在埋放底座的位置将地膜留好褶皱并在四周挖好约15 cm深的细沟, 将底座小心压放在地膜上并在底座外四周用细土压实, 同时底座中央在覆膜前也多堆放一定土, 待底座放入后, 隔着地膜将底座内土推平.在作物生长期间底座都固定在采样点上.每个底座内均有2窝辣椒(或萝卜), 每窝2株, 在辣椒(或萝卜)种植后, 于覆膜破口处用适量土封住.采样时将采样箱扣在底座上, 并且用水密封.为了减少采样时对箱内外植物的损坏, 在植物生长季内通过安置铁丝框把采样箱与植物隔离开.每周采集一次气体样品, 采样时间在上午09:00~11:00.从采样箱密封笼罩开始用60 mL注射器采集第1个气体样品, 之后每间隔10 min采样一次, 一共采集4个气样.
覆膜和常规(不覆膜)两个处理土壤剖面N2O浓度测定采用扩散法.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5 cm, 容积1 000 cm3), 管端有橡胶塞, 导气管是一根聚乙烯塑料管(内径1mm).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, 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.在实验开始前一个月, 将这套装置分别埋设在10、20和30 cm深的土里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分析N2O浓度.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.每个处理设4个重复.
1.3.2 气体样品分析采集的气体样品立即送回实验室用Agilent 7890A气相色谱仪测定N2O含量, 并计算各处理排放通量. N2O采用ECD检测器, 载气为高纯N2, 具体分析方法及工作条件见文献[15].气体的通量表示单位时间单位面积观测箱内该气体质量的变化, 根据4个气样浓度随采样时间的变化速率计算[16], 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N2O的含量变化速率. F为负值时表示吸收, 为正值时表示排放.
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、土壤温度, 温度由JM624型便携式测温计测定, 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.分析温度与气体通量, 以及分析覆膜对地温影响时采用的是气体采集时同步测定的气温与地温.
土壤含水率：在每次采集气体之后, 多点采样法(5个点)分别采集覆膜和常规两个处理垄上0~20 cm深土样, 用烘干法(105℃±2℃)测定土壤含水率.每个样品做3个重复.
在覆膜和不覆膜小区, 在作物生长季, 每周采集一次土壤样品, 采样深度为0~20 cm, 样品带回实验室放入4℃冰箱保存.测定的指标有：土壤含水率、土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、铵态氮、硝态氮、碱解氮、易氧化有机碳(LOC)、微生物生物量碳(SMBC)、微生物生物量氮(SMBN)、可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)、可溶性全氮(DTN)、脲酶等, 测定的方法见表 1[17].
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表 1 土壤测定的指标及其方法 Table 1 Methods of determination of various indicators of soil |
1.4 数据整理与分析
采用Microsoft Excel 2007将原始实验数据汇总整理后, 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 地膜覆盖对菜地N2O排放通量的影响图 2展示了在不同处理下N2O排放通量季节变化.从中可知, 在辣椒季, 常规处理下N2O的平均排放通量为1 000.0μg·(m2·h)-1, 覆膜处理为400.6μg·(m2·h)-1, 覆膜处理N2O排通量显著低于常规处理(P＜0.05).在萝卜季, 常规处理N2O的平均排放通量为107.8μg·(m2·h)-1, 覆膜处理为128.1μg·(m2·h)-1, 覆膜处理N2O排通量与常规处理下N2O排放通量差异不大(P＞0.05).辣椒季常规处理下N2O累积排放量为30.03kg· hm-2, 覆膜处理为11.22kg·hm-2, 覆膜处理N2O累积排放量显著低于常规处理(P＜0.05).萝卜季常规处理N2O累积排放量为3.83kg·hm-2, 覆膜处理为4.45kg·hm-2, 常规处理N2O累积排放量小于覆膜处理.全年覆膜处理N2O累积排放量为15.67 kg·hm-2, 常规处理N2O累积排放量为33.86kg·hm-2.覆膜处理N2O累积排放量显著低于常规处理(P＜0.05).
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图 2 施氮处理下覆膜和常规菜地N2O排放通量的季节变化 Fig. 2 Seasonal variations in N2O emissions from mulching and conventional farmlands under nitrogen fertilizer |
图 3展示了不同土层深度N2O含量季节变化.从中可知, 辣椒季土壤剖面的N2O含量表现为：10 cm和20 cm深度处覆膜处理基本高于常规处理, 30 cm深度处覆膜处理土壤N2O含量小于常规处理土壤的N2O含量. N2O含量基本随土层深度的增加而增大.在2014年5月17日施肥后约一周覆膜和常规农田的N2O含量均出现了极高值; 尤其在2014年7月5日追肥后一周覆膜农田的N2O含量明显高过常规处理(P＜0.05).萝卜季时覆膜和常规处理农田各土壤剖面的N2O含量均较低, 各土层深度处覆膜和常规处理土壤的N2O含量差异并不明显(P＞0.05).
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图 3 土壤剖面上覆膜和常规菜地的N2O含量 Fig. 3 N2O concentrations in mulch-treated and conventional farmlands |
表 2展示了不同土层N2O含量间相关关系.从中可知, 无论常规还是覆膜菜地, 各处理10、20和30 cm深土壤中N2O含量间均存在极显著正相关关系.对覆膜和常规处理菜地同一土层深度土壤中N2O含量进行相关性分析可知, 不同处理同一土层深度土壤中N2O含量间依然存在显著的相关关系, 10 cm处覆膜和常规处理间r=0.57(P＜0.01), 20 cm处覆膜和常规处理间r=0.52(P＜0.01), 30 cm处覆膜和常规处理间r=0.71(P＜0.01), 说明覆膜和常规处理土壤剖面中N2O含量具有相似的变化趋势.
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表 2 菜地土壤剖面的N2O含量相关关系1) Table 2 Correlations between N2O concentrations of different soil profiles |
表 3展示了土壤剖面的N2O含量与N2O排放量间的相关关系.从中可知, 常规处理的N2O排放与10 cm土壤剖面的N2O含量存在显著性相关关系, 与20 cm、30 cm土壤剖面的N2O含量呈极显著正相关关系; 覆膜处理的N2O排放仅与30 cm土壤剖面的N2O含量存在显著正相关关系; 说明常规处理的N2O排放与土壤剖面的N2O含量间变化一致, 关系密切.
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表 3 菜地土壤剖面的N2O含量与N2O排放间的相关关系1) Table 3 Correlations between N2O concentrations and N2O emissions of different soil profiles |
2.3 地膜覆盖对土壤温度和水分的影响
图 4展示了常规和覆膜处理下土壤湿度和温度的季节变化.从中可知, 辣椒季常规和覆膜处理土壤含水率差异不大, 都于2014年8月4日达到含水率最低值6.41%和7.35%, 刚好与最高土壤温度对应; 萝卜季覆膜处理的土壤含水率基本略高于常规处理.覆膜和常规两个处理的土壤温度变化趋势基本一致, 夏季土壤温度都高于冬季; 辣椒季覆膜处理的土壤温度全部都高于常规处理, 在2014年8月4日覆膜和常规处理的温度都达到最大峰值, 分别是33.50℃和26.95℃, 萝卜季时覆膜和常规处理的土壤温度间并无明显差异, 于2015年2月1日分别达到最低温度7.50℃和7.30℃.
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图 4 地膜覆盖对菜地土壤含水率和温度影响 Fig. 4 Effects of film mulching on soil moisture and temperature in farmlands |
农田N2O的排放常常受到土壤各种理化性质的制约, 将众多土壤因子与对应的N2O排放通量进行相关性分析, 结果如表 4所示.覆膜处理农田的N2O排放与土壤TN、DTN和铵态氮含量呈极显著正相关关系; 而常规处理农田的N2O排放则与TN、DTN和地下温度呈显著正相关, 与土壤硝态氮含量呈极显著正相关.
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表 4 常规和覆膜处理菜地的土壤环境因子与N2O排放的线性相关关系1) Table 4 Correlations between soil factors and N2O emissions in conventional and mulch-treated farmlands |
2.4.2 影响因素的主成分分析
单纯由相关性分析提取主要影响因素的结果, 并不能完全表明各环境因素与农田N2O排放的关系.继续对两种处理下各项环境因素进行主成分分析, 结果如表 5所示.影响常规菜地N2O排放的有三类主要因子, 累积贡献比达到79.46%, 其中主因子1由TN、DTN、氨氮、硝氮、碱解氮、SMBN和地下5 cm温度组成, 基本都是代表土壤各类氮素分布情况的指标, 贡献比为38.78%;主因子2由含水率、SOC、DOC、DON、SMBC和地下5 cm温度组成, 主要是表征农田土壤内部各种碳素分布情况的指标, 贡献比达到28.99%;主因子3仅由SMBN和有机质组成, 贡献率为11.68%, 可以在一定程度上指示土壤的微生物活性.对覆膜菜地的各项环境因素进行主成分分析, 影响覆膜菜地N2O排放的有四类主要因子, 累积贡献比达到83.42%, 其中主因子1是由土壤含水率、SOC、TN、DTN、氨氮、硝氮、碱解氮、DOC、地下5 cm温度和土壤有机质组成, 可以看作是代表了农田土壤各类氮素分布情况和土壤营养状况的指标, 贡献比为47.17%;主因子2由SOC、DOC、SMBC和SMBN组成, 主要是代表土壤有机碳源和土壤微生物状况的各类指标, 贡献比达到17.67%;主因子3是由含水率、SMBC和SMBN组成, 也是用于表征土壤微生物活性的指标, 贡献率为10.80%;主因子4则由SOC和DON构成, 贡献比为7.78%, 表示农田土壤的有机碳、氮情况.
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表 5 两种处理下菜地N2O排放影响因素的主成分分析1) Table 5 Principal component analysis on the influencing factors of N2O emissions from conventional farmlands |
3 讨论 3.1 地膜覆盖对菜地N2O排放通量的影响
本研究中辣椒季覆膜处理N2O累积排放量小于常规处理.其原因可能是由于不同处理辣椒植株从土壤中吸收的氮素不同, 导致残存在土壤中的氮素含量不同所致.覆膜土壤中的氮素被辣椒吸收的量大于常规处理土壤中的氮素被辣椒吸收的量, 使覆膜处理残存在土壤中的氮素含量比不覆膜少, 导致覆膜处理N2O累积排放量减少.覆膜处理辣椒生物量为2.41 kg·m-2, 含氮量为72.33 g·kg-1; 常规处理辣椒的生物量为2.21 kg·m-2, 含氮量为63.84 g·kg-1, 覆膜处理一平方米面积下辣椒中氮的量为109.82 g, 常规处理辣椒中氮的量为88.88 g·m-2.在对照组中, 覆膜处理辣椒生物量为1.12 kg·m-2, 含氮量为40.01 g·kg-1; 常规处理辣椒的生物量为0.97 kg·m-2, 含氮量为45.23 g·kg-1, 覆膜处理辣椒中氮的量为28.23 g·m-2, 常规处理辣椒中氮的量为27.64g·m-2.从以上数据可以得出本实验中覆膜处理1 m2面积下辣椒从土壤中吸收的氮的量(81.59 g)大于常规处理1 m2面积下辣椒从土壤中吸收的氮的量(61.24 g).除此之外, 降雨事件的发生也是促进土壤N2O排放的重要因子[18], 有学者利用二项分布统计对超过5 mm的降雨量和土壤N2O的排放进行研究, 发现降雨和N2O排放峰间存在100%的耦合关系, 即降雨是土壤N2O排放重要的驱动因子之一. 图 5展示了实验区从2014年5月到2015年5月的平均气温和日降水量.在辣椒季降雨比较频繁, 降水量较大, 地膜的覆盖阻挡了一部分雨水的进入, 所以在短期内降雨对常规处理土壤N2O排放的促进作用更加明显.在2014年8月11日连续大雨后, 覆膜处理N2O的排放通量536.58μg·(m2·h)-1低于常规处理的N2O排放通量1 499.60μg·(m2·h)-1.
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图 5 采样区日平均气温和降雨量的季节变化 Fig. 5 Seasonal changes in daily totals of precipitation and daily mean air temperature |
而在萝卜季, 覆膜处理N2O累积排放量大于常规处理, 覆膜处理萝卜生物量为15.31 kg·m-2, 含氮量为67.32 g·kg-1; 常规处理萝卜的生物量为15.84kg·m-2, 含氮量为87.33g·kg-1.通过计算可得覆膜处理一平方米面积下萝卜从土壤中吸收氮的量(82.35 g)小于常规处理一平方米面积下萝卜从土壤中吸收氮的量(121.85 g).
覆膜和常规处理N2O排放均呈现出辣椒季高于萝卜季, 原因可能有两个, 一是秋冬时节由于气温的降低, 影响到土壤中微生物的活性, 使得N2O排放降低; 二是作物类型对农田N2O排放具有影响, 萝卜在生长的过程中消耗了土壤中大量的氮素, 使得微生物活动缺乏基质, N2O的生成受阻.陈书涛等[19]研究表明, 作物类型显著影响农田N2O排放.作物类型是决定农田N2O排放的主要因素, 熊正琴等[20]就发现豆科作物N2O的排放量显著高于非豆科作物.作物对土壤N2O排放的影响是一个复杂的过程, 研究证实某些作物可以吸收溶解土壤中的N2O并能通过浓度梯度将体内N2O释放到大气中, 同时作物根系在土壤内部的呼吸作用和根系分泌物分解形成的根区厌氧环境能够提高农田土壤反硝化微生物的活性, 从而增加N2O的产生和排放[21, 22].三是土壤中C/N的影响, 本研究中辣椒季土壤中C/N在(16~26):1, 萝卜季土壤中C/N在(24~47):1.有学者研究发现, 微生物生长最适宜的C/N在(25~30):1, 此时土壤微生物既不吸收也不释放无机氮; 当土壤C/N大于该比例时, 会导致有机碳分解过程中微生物吸收同化无机氮, 使土壤中的无机氮含量下降, 同时加速了土壤好氧层和根际氧的消耗, 减少土壤中可以发生硝化作用的微生物区系, 降低土壤N2O的排放; 而土壤C/N小于(25~30):1时, 土壤中氮素含量相对较高, 微生物对土壤速效氮的暂时固定作用减弱, 从而农田土壤中无机氮以N2O形式损失的量也相应较高[23].节气与农田N2O排放也有关, 于亚军等[24]对菜地的N2O排放总量的季节分配调查结果表明, 夏秋季蔬菜生长期约占农田N2O排放总量的64%, 而冬春季蔬菜生长期的N2O排放仅占了34%, 并认为这主要与土壤水热条件有关.
3.2 地膜覆盖对菜地土壤剖面N2O含量影响无论常规还是覆膜菜地, 各处理10、20和30 cm深土壤中N2O含量间均存在极显著正相关关系.在整个观测周期内, 覆膜与常规处理下土壤剖面N2O含量均随土层深度的增加而增大, 这与贾俊香等[25]研究小白菜菜地土壤剖面(7、15、30和50 cm)间的土壤N2O含量关系的结论相符合.土壤中气体的产生、消耗以及传输过程最终决定了其排放量, 而不同土层的环境条件则是决定土壤N2O生成的关键因子, 通过对各个土层N2O含量与该土层土壤温度进行分析发现, 各土层N2O含量与其对应的土层温度均具有较好的线性相关关系(P＜0.01), 说明温度对土壤剖面N2O含量影响较大, 本研究中菜地土壤剖面温度表现为从上到下递增, 并且有学者认为温度在20~23℃时更利于硝化反应的进行, 从而能促使土壤产生更多的N2O; 同时, 较深土层处土壤含水量较高, 并且土壤温度的变化程度不如上层土壤强烈, 在土壤营养基质较多时也会更有利于土壤中反硝化微生物的活动, 从而使得土壤中N2O大量产生, 并且深层土壤由于其充气孔隙度较小与大气之间的气体交流强度较弱, 气体向外的传输速率十分缓慢, 由土壤产生或从地表扩散而来的N2O会被大量截留在土壤孔隙中, 使得深层土壤N2O含量较高.
Kusa等[26]对0~30 cm灰色低地土与火山灰土的土壤剖面N2O含量分布的研究证实, 表土层对从土壤释放到大气中的N2O贡献率最大, 分别达86%和100%.梁东丽等[27]在对黄土性土壤剖面不同层次N2O含量的原位监测中发现表土层N2O含量较低.从图 3中还可以看出在常规处理N2O含量随着土壤剖面深度的增加变化得比较明显, 说明覆膜处理的剖面N2O含量较常规处理的更为均匀, 地膜覆盖措施更有利于气体在土壤内部的纵向混合.
Nishimura等[28]对农田土壤的N2O含量与N2O排放的相关性分析表明, 农田土壤各土层处的N2O含量与N2O排放呈显著正相关关系.这与本研究中常规处理的结果一致, 通过相关性分析可知覆膜处理的N2O排放仅与30 cm处土壤剖面的N2O含量存在显著正相关关系.在土壤剖面30 cm处, 覆膜处理的N2O含量小于常规处理N2O含量, 所以造成了覆膜处理土壤剖面N2O含量总体较高, 但排放到大气的排放量反而低的现象.
3.3 地膜覆盖对土壤温度和水分的影响土壤水分含量是决定土壤氮素转化的总体方向, 是影响土壤N2O排放的最主要因素之一.当土壤水分含量有利于硝化反硝化作用同时进行时, 会促进大量的N2O生成.已有大量研究发现地膜覆盖能够改善土壤的含水率. Arora等[29]对在生育期的玉米覆膜60 d后发现其0~15 cm的土壤含水量较对照提高了4.85%.高翔等[30]研究发现, 在玉米生育期的前期和中期, 地膜覆盖会使土壤水分含量达到了22.6%.陈林等[31]研究发现覆膜对农田蒸散和作物的生长过程等具有重要影响, 能提高生物产量和水分的利用效率.地膜覆盖能有效地减少裸露在外的地表面积, 加大土壤热梯度, 不断提取深层的土壤水分; 而且地膜的不透气、不透水特性还能阻止土壤水分向大气蒸发[32], 最终使得覆膜处理菜地的土壤含水量要比不覆膜处理土壤的含水量高.
土壤温度主要是通过影响土壤微生物的活性来影响硝化、反硝化速率, 从而影响农田N2O的产生.伍延正等[33]研究发现在一定的温度范围内土壤N2O的排放通量与土壤温度有显著的指数相关性.地膜是透光的, 对太阳辐射的反射作用非常小, 土壤能有效地接收太阳辐射的热量, 同时由于膜下存在着大量的凝结水珠及膜下空气中有较高的含水量, 阻隔了土壤向大气的长波辐射, 加热了膜下的水汽和水滴, 使膜下地面温度高于常规地面温度.整个实验期间, 常规农田的平均土壤温度为17.57℃, 覆膜处理的为19.25℃.郑磊等[34]对同一地区的紫色土覆膜和不覆膜萝卜地的研究表明, 覆膜农田在地下5cm处的土壤温度显著升高, 说明地膜的使用对农田土壤确实具有一定的保熵效果.地膜对土壤的覆盖造成了一个相对独立的水分循环系统, 这个系统与大气之间也存在着热量和水分的交换, 只是对水分交换和热量交换进行了有效地控制.地膜覆盖对温度和水分的影响是使土壤中N2O排放通量发生变化的关键因子, 二者共同影响着土壤中N2O的传输、产生和消耗过程, 决定了土壤中N2O的排放量和排放强度.
3.4 覆膜和不覆膜菜地N2O排放的影响因素覆膜和常规菜地的N2O排放主要都来自土壤微生物的硝化和反硝化过程, 大量关于农田N2O排放影响因素的研究结果显示, 土壤微生物、土壤动物、作物种类、土壤pH值、土壤营养状况、土壤的水热条件、外加氮源的施用及管理措施等都是与农田N2O排放密切相关的重要因素.有研究表明[35], 土壤温度是影响N2O排放的主要因子, 在土壤湿度适宜的条件下, N2O排放与土壤温度呈指数正相关关系.蔡延江等[36]研究认为土壤质地会影响土壤的水分含量、通透性以及氧化还原电位, 从而影响土壤硝化作用和反硝化作用以及N2O的排放.与粗质地土壤相比, 细质地土壤具有更高的N2O产生潜力.
由覆膜和常规菜地的N2O排放与环境因素间的相关性分析、主成分分析的结果可知, 土壤的氮素分布情况是决定农田N2O排放的最重要因素.总的来说, 常规农田的N2O排放受土壤中总氮含量变化的影响更大, 而覆膜农田的N2O排放对土壤中无机态氮含量的变化更加敏感.农田的N2O排放不管是在覆膜还是不覆膜条件下都与土壤中的氮素分布息息相关, 但区别在于主要影响农田N2O排放的是无机氮素形态.存在于土壤中的硝态氮和铵态氮是硝化和反硝化微生物在硝酸盐呼吸过程中不可或缺的电子受体与产物, 直接参与并影响着土壤的硝化和反硝化作用, 在土壤微生物将NH4+氧化为NO3-的硝化过程中和将NO3-、N2O-转化成低价氮的氧化物的反硝化过程中, 都会有N2O的产生.朱咏莉等[12]对覆膜小麦N2O排放的影响因素研究表明, 土壤氨氮浓度的变化解释了覆膜小麦地表处76.48%的N2O排放变异, 与本研究结果一致.综合覆膜和常规菜地的主成分分析结果来看, 不论覆膜与否, 农田土壤的氮素分布情况、碳素分布情况、营养状况和微生物活性都是决定土壤N2O排放情况的主要因素, 其中以土壤氮素情况影响最为重要, 其次是土壤碳素和微生物活性.总的来说, 常规农田的N2O排放受土壤中总氮含量变化的影响更大, 而覆膜农田的N2O排放对土壤中无机态氮含量的变化更加敏感.
4 结论(1) 全年覆膜处理菜地N2O排放量小于常规处理, 说明了菜地覆膜能够有效地减少N2O的排放量.
(2) 覆膜和常规菜地土壤中N2O含量基本随土层深度的增加而增加, 无论常规还是覆膜菜地, 各处理10、20和30 cm深土壤中N2O含量间均存在极显著正相关关系.对农田土壤的N2O含量与N2O排放的相关性分析表明，地膜覆盖改变了农田的土壤环境、物化性质和生物活动, 使得N2O排放受到更多因素的综合影响, 而与土壤剖面的N2O含量的相关性减弱.
(3) 辣椒季, 覆膜处理的土壤温度高于常规处理, 而土壤含水率二间差异不大; 萝卜季, 两者间的土壤温度无明显差异, 但土壤含水率则覆膜略高于常规, 说明地膜覆盖对土壤的增温效应在夏季更加明显, 对土壤的保水作用则在秋冬季更加突出.
(4) 由覆膜和常规菜地的N2O排放与环境因素间的相关性分析和主成分分析结果可知, 土壤的氮素形态是决定农田N2O排放的最重要因素, 土壤氮素是N2O排放的物质基础, 各种氮素形态间的相互转化和含量水平对农田土壤的N2O排放都起着至关重要的决定性作用.
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