2018, Vol. 39
2. 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌 712100;
3. 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌 712100
2. College of Natural Resource and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China
近年来大气中温室气体浓度不断上升, 引起的气候变暖问题成为国内外学者关注的热点[1]. CO2、CH4和N2O是3种最主要的温室气体, 在100 a时间尺度下CH4和N2O的增温潜势分别是CO2的28倍和265倍[1].在我国, CH4和N2O排放主要来源于农业活动, 分别占两者气体全国排放总量的56.62%和73.79%[2].能源活动和工业生产是大气CO2的主要排放源[2], 而土壤CO2排放也是全球碳循环的重要组成部分[3].因此, 保证作物生产能力的同时有效减少农田温室气体排放, 对于粮食生产和生态环境具有重要意义.
地膜覆盖作为一种有效的增温保墒技术, 为干旱半干旱地区粮食的增产发挥了重要作用[4]. Wang等[5]的研究认为如果中国农田覆膜率增加5%, 粮食产量将增加4.33×106 t.也有研究表明, 白色地膜覆盖会使得玉米生育期提前, 后期出现早衰从而导致减产[6].路海东等[7]的研究发现黑色地膜较普通白色地膜具有延缓玉米后期叶片衰老速度和促进产量的作用.李凤民等[8]的研究认为覆膜增产与播前土壤有效水和后期降水有关, 在降水不足时应提早揭膜或适时灌溉以缓解植物生长后期的水分亏缺, 从而保证覆膜下作物高产稳产.在地膜覆盖对土壤水热及作物产量影响的研究较为成熟之后, 覆膜对温室气体排放影响的研究得到越来越多的关注[9]. Nan等[10]的研究表明玉米种植期覆膜下土壤中CO2和N2O浓度显著高于裸地, 覆膜下CH4浓度显著低于裸地.而Berger等[11]却认为覆膜促进了植物对N的吸收, 从而减少土壤无机氮含量, 抑制N2O排放. Li等[12]通过对新疆棉田覆膜滴灌试验发现, 覆膜滴灌减少了土壤N2O排放却增加了CH4的排放. He等[13]运用整合分析方法研究认为覆膜总是增加温室气体排放, 且玉米单位产量的平均温室气体排放低于小麦.冯浩等[14]利用碳足迹指标评价了不同覆膜方式下小麦-玉米轮作农田的固碳能力, 结果表明全膜覆盖和垄作覆膜固碳能力显著提高.目前国内外关于覆膜对农田温室气体排放影响的研究多集中于雨养环境, 雨养和灌溉条件下不同覆膜方式对产量和温室气体排放影响的研究有待加强.本文以关中平原夏玉米农田土壤为研究对象, 在雨养条件和灌溉条件下设置不同覆膜方式试验处理, 分析土壤水热变化、产量和温室气体(CO2、CH4和N2O)的排放规律, 并用全球增温潜势和碳排放强度综合评价不同覆膜方式的固碳减排作用, 以期为农田增产减排技术的推广提供技术和理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况田间试验位于陕西杨凌, 西北农林科技大学节水灌溉试验站(34°20′ N, 108°24′E, 海拔高度521 m), 属半干旱半湿润气候区, 多年平均降水量为620 mm, 多年平均气温为13.0℃, 降雨主要集中在7~10月.试验站内土壤为塿土, 试验初始时土壤(0~20 cm)有机碳含量为8.14 g·kg-1, 全氮含量为0.95 g·kg-1, 硝态氮含量为5.41 mg·kg-1, 铵态氮含量为1.35 mg·kg-1, 速效磷含量为20.91 mg·kg-1, 速效钾含量为134 mg·kg-1, pH值为8.20(水土比1:1), 田间持水量(体积含水率)为27.92%, 土壤容重为1.37 g·cm-3.逐日气象资料由试验站内的气象站获取, 试验期间的气温与降雨如图 1所示. 2014年和2015年玉米生长季降雨量分别为380.3 mm和283.9 mm.
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图 1 玉米生长季日最高温、最低温和日降雨量 Fig. 1 Daily maximum air temperature, minimum air temperature, and precipitation during the maize growing season |
本试验采用随机区组试验设计, 主处理分别为雨养(R)和灌溉(I), 副处理分别为对照(CK)、半膜覆盖(HM)和全膜覆盖(FM), 共6个处理(RCK、RHM、RFM、ICK、IHM、IFM), 每个处理3个重复, 共18个小区.每个小区面积为10 m2(2 m×5 m), 小区之间设有0.5 m的保护行, 试验区周围设有0.5 m宽的作物保护带.覆盖所用材料为白色塑料薄膜(聚乙烯, 膜厚0.01 mm), 玉米种植于膜下, 出苗后开口.供试玉米品种为“秦龙11”, 采用人工穴播, 播种深度5 cm, 株距40 cm, 行距60 cm, 每个小区播4行. 2014年于6月19日播种, 10月11日收获; 2015年于6月11日播种, 10月8日收获.每季作物播种前均施入基肥：氮肥(以N计)225 kg·hm-2, 磷肥(以P2O5计)90 kg·hm-2, 生育期内不追肥.灌溉处理分别在2014年的7月18和8月1日、2015年的6月12日和8月2日进行灌溉, 每次灌水量均为30 mm, 灌溉方式为滴灌, 覆膜处理滴灌管置于膜下.其他田间措施与当地保持一致.
1.3 项目测定与方法 1.3.1 产量、温度和水分测定玉米收获时, 随机选取小区代表平均长势10株玉米, 人工脱粒测量重量换算成单位面积产量(t·hm-2).采集气体时, 用水银温度计同时测定各小区土壤0~5 cm温度. TDR时域水分速测仪测定0~10 cm表层土壤体积含水率, 每个小区随机选取3点, 取平均值.土壤孔隙含水量计算公式如下：
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式中, θ为0~10 cm土层体积含水率(%); γ为土壤容重(g·cm-3).
1.3.2 气体采集与测定温室气体采集使用静态暗箱-气相色谱法, 采样时间为上午09:00~11:00, 2014年每月采集1次, 2015年每10 d采集1次, 施肥、灌水和降雨后增加1次采样.具体采气方法、仪器说明、采样箱放置示意图及计算说明参照文献[14].
1.4 全球增温潜势和碳排放强度根据最新IPCC研究成果[1], 在100 a时间尺度下, CH4和N2O的增温潜势分别是CO2的28倍和265倍.由此, 全球增温潜势(GWP)和碳排放强度(GHGI)计算公式如下：
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式中, GWP为全球增温潜势(以CO2计, kg·hm-2), RC和RN分别为CH4和N2O的季节排放总量; GHGI为碳排放强度(以CO2计, kg·t-1); yield为玉米产量(t·hm-2).
1.5 数据处理与分析采用SPSS 20.0软件对数据进行统计分析, 多重比较采用最小显著差异法LSD, 显著水平为P < 0.05.所有数据均为3次重复, 应用Origin 9软件制图.
2 结果与分析 2.1 不同处理下土壤水分和温度变化各处理0~10 cm表层土壤孔隙含水率变化趋势基本一致[图 2(a)].雨养和灌溉条件下覆膜处理含水率均普遍高于不覆膜处理, 且全膜覆盖保水效果优于半膜覆盖.与RCK相比, RHM和RFM两季玉米生育期内平均土壤含水率分别显著提高了11.3%和13.4%(P < 0.05).灌溉条件下, 覆膜处理土壤含水率均保持较高水平, 全膜覆盖高于半膜覆盖处理. 2014年播种后一段时间, 土壤含水率较低, 而2015年土壤水分状况较好.
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图 2 不同处理土壤温度和土壤孔隙含水率变化 Fig. 2 Dynamics of soil temperature and soil WPFS under different treatments |
土壤表层温度随玉米的生长总体呈降低趋势[图 2(b)], 灌溉区不同覆膜方式下土壤表层温度均低于雨养区对应处理, 即IC < RCK, IHM < RFM, IFM < RFM.雨养条件下, 玉米生育前期覆膜增温效果显著, RHM和RFM相比RCK土壤温度分别增加了3~5℃和3~8℃.与ICK比较, IHM和IFM温度升高不明显. 2014年玉米生育前期土壤温度较高, 在25.7~36.5℃之间, 2015年在20.4~34.0℃之间.综上, 覆膜具有较好的保水增温效果, 全膜覆盖优于半膜覆盖, 灌溉条件下覆膜的增温作用没有雨养条件下显著.
2.2 不同处理下CO2、CH4和N2O排放特征不同处理CO2排放变化趋势与土壤温度季节变化趋势基本一致[图 2(b)和图 3(a)].土壤CO2排放通量均在7、8月达到最大值(以CO2-C计), 在生育后期排放通量逐渐降低. ICK与RCK相比[图 4(a)], 两季玉米生长期内CO2排放量没有显著差异(P>0.05).雨养条件下, 各处理CO2排放总量没有明显差异(P>0.05), 覆膜对CO2排放影响较小.与ICK相比, IHM和IFM处理2014年CO2排放总量分别增加了28.0%(P>0.05)和40.5%(P < 0.05), 2015年IHM和IFM分别增加了15.5%和15.0%(P>0.05), 且IHM和IFM之间没有显著差异. 2014年土壤CO2排放整体高于2015年, 主要是因为2014年玉米营养生长阶段(8月29日前)土壤温度整体高于2015年对应时期温度[图 2(b)], 使得2014年玉米营养生长阶段土壤CO2排放总量整体高于2015年[图 3(a)], 这与表 1温度与土壤CO2排放呈显著正相关的结果一致. 2014年灌溉对CO2排放没有显著影响(P>0.05)(表 2), 2015年灌溉极显著促进了CO2排放(P < 0.01).覆膜方式对CO2排放并没有显著影响(P>0.05), 且灌溉和覆膜的交互作用对CO2排放影响不显著(P>0.05).
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图 3 不同处理下2014年和2015年夏玉米生长季农田CO2、CH4和N2O排放通量 Fig. 3 Dynamics of CO2, CH4 and N2O fluxes from the field during the summer maize growing seasons of 2014 and 2015 under different treatments |
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图 4 不同处理下2014年和2015年CO2、CH4和N2O的季节排放总量 Fig. 4 Cumulative emissions of CO2, CH4, and N2O from the field during the summer maize growing seasons of 2014 and 2015 under different treatments |
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表 1 不同处理下温室气体排放与土壤温度(5 cm)和土壤孔隙含水率(10 cm)的相关系数1) Table 1 Single Pearson's correlation coefficient between greenhouse gas emission and soil temperature and water filled pore space (WPFS) |
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表 2 灌溉和覆膜方式对产量、温室气体排放、全球增温潜势和碳排放强度的三因素方差分析(P值) 1) Table 2 Two-way ANOVA of irrigation and film mulching patterns on yield, GHGs emission, GWP, and GHGI (P value) |
土壤CH4排放通量(以CH4-C计)在-0.21~0.35 mg·(m2·h)-1的范围内波动[图 3(b)], 没有明显季节变化规律.各处理吸收总量均表现为正值, 即为CH4的汇[图 4(b)].两季玉米生育期内, ICK与RCK的CH4吸收量没有显著性差异(P>0.05), 即灌溉对CH4的吸收没有显著影响.雨养条件下覆膜CH4吸收量稍有降低, 但作用不显著.与ICK比较, IHM和IFM在2014年CH4吸收总量分别显著减少了77.9%和77.2%(P < 0.05), 2015年分别减少了7.9%(P>0.05)和75.2%(P < 0.05), 且IHM和IFM差异不显著.双因素方差分析结果进一步说明(表 2), 2014年覆膜方式对CH4的吸收有极显著影响(P < 0.01), 而2015年影响不显著(P>0.05).
不同覆膜方式下N2O季节排放规律相同, 主要受施肥事件影响[图 3(c)]. 2014年施肥后各处理均未出现较大N2O排放峰(以N2O-N计), 可能与土壤含水率较低影响氮素溶解有关. 2015年土壤水分状况良好, 施肥后出现较大排放峰, 排放通量大小依次为RCK>ICK>IHM>RHM>RFM>IFM.由此可知, 覆膜能减少施肥后土壤N2O的释放, 全膜覆盖作用优于半膜覆盖.从生育期排放总量来看[图 4(c)], ICK与RCK在2014年N2O排放总量没有显著差异, 2015年ICK相比RCK排放总量显著减少了22.3%(P < 0.05).雨养条件下, RHM和RFM相比RCK在2014年N2O排放总量分别减少了10.2%和19.5%(P>0.05), 2015年分别减少了50.7%和51.4%(P < 0.05).灌溉条件下, IHM和IFM相比ICK在2014年分别显著降低了47.5%和54.2%, 2015年分别降低了52.2%(P < 0.05)和9.6%(P>0.05).对比两季玉米生育期土壤N2O排放总量, 发现2014年整体低于2015年, 这与施肥后土壤含水率有关.
2.3 产量、GWP和GHGI与RCK相比, ICK两季玉米产量分别增加了13.6%和9.8%(P < 0.05, 表 3). RHM和RFM相比RCK, 2014年产量没有增加反而有所减少, 2015年分别增加了19.6%(P>0.05)和26.8%(P < 0.05). IHM相比ICK在2014年和2015年产量均有增加但不显著(P < 0.05).而IFM相比ICK在2014年和2015年产量显著增加, 分别增加了14.1%和55.8%(P < 0.05).结合双因素方差分析结果(表 2), 灌溉对玉米产量有极显著提高作用(P < 0.01). 2014年由于前期降雨较少, 土壤含水率较低, 造成覆膜方式对产量没有显著影响(P>0.05). 2015年土壤水分条件较好, 覆膜显著提高了玉米产量(P < 0.01), 且全膜覆盖增产幅度大于半膜覆盖.
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表 3 不同处理对2014年和2015年夏玉米产量、全球增温潜势及碳排放强度的影响1) Table 3 Yield, GWP, and GHGI during the summer maize growing seasons of 2014 and 2015 under different treatments |
由表 3可知, 在两季玉米生长期内, ICK与RCK在2014年GWP没有显著差异, 2015年ICK比RCK显著降低了26.1%(P < 0.05).由双因素方差分析可知(表 2), 灌溉对GWP没有显著影响(P>0.05).雨养条件下, 覆膜对2014年GWP没有显著影响(P>0.05), 2015年RHM和RFM相比RCK的GWP分别减少了51.5%%和58.8%(P < 0.05).灌溉条件下, 覆膜的GWP均比对照小, 且IFM为最小值. ICK与RCK在2014年GHGI没有显著差异, 2015年ICK比RCK显著降低了32.0%(P < 0.05).从双因素方差分析结果可知(表 2), 灌溉对GWP没有显著影响(P>0.05), 但它可以通过提高产量从而显著降低GHGI. RFM和RHM与RCK相比, GHGI在2014年没有显著差异, 2015年分别显著减少了60.1%和61.7%. IFM和IHM相比ICK在2014年GHGI分别降低了53.2%和39.7%(P < 0.05), 2015年分别降低了67.5%(P < 0.05)和22.2%(P>0.05).因此, 地膜覆盖具有显著降低GHGI的作用, 且灌溉条件下全膜覆盖降低GHGI的效果最佳.
3 讨论 3.1 地膜覆盖和灌溉对土壤水热及玉米产量的影响地膜覆盖通过抑制土壤与大气的水汽交换, 减少土壤蒸发, 从而提高土壤表层水分含量[15, 16].覆膜增温效应的主要原因是地膜覆盖能消除土壤潜热交换、减弱显热交换和抑制夜间有效发射辐射[17]. Liu等[18]的研究结果表明, 玉米生育前期覆膜条件下土壤表层温度显著高于裸地3~8℃, 与本研究的结果一致.灌溉条件下覆膜的增温效果没有雨养条件下显著, 这是因为土壤温度变化与土壤水分状况存在相互作用[19], 土壤水分较土壤颗粒具有较高的热容量和较低的热传导率, 造成土壤含水率较高时温度变化较小[20].本研究中, 灌溉和地膜覆盖均能提高玉米产量, 灌溉条件下全膜覆盖增产效果最佳.一方面, 灌溉提高土壤含水量的同时适当降低了覆膜造成的高温现象[21]; 另一方面, 覆膜具有增温保墒作用, 为作物生育前期提供良好水热条件, 从而提高作物产量[22, 23].程宪国等[24]认为播前有效水的多少对作物的出苗和生长状况非常重要, 甚至决定产量的高低.本试验中, 2014年土壤底墒欠佳, 播后一段时间内降水较少, 雨养区覆膜后土壤含水率低、温度高, 发生“烤苗”现象, 这可能是2014年覆膜造成轻度减产的原因.而2015年播前底墒较好, 覆膜保水作用得以发挥, 产量显著增加.因此, 地膜覆盖增产是有条件的, 不仅与播前土壤水分有关, 后期降水也会造成产量的差异[8].
3.2 地膜覆盖和灌溉对温室气体排放的影响土壤温度和水分是影响土壤CO2排放的两大主要非生物因素[25, 26].相关分析表明(表 1), 各处理土壤CO2排放与土壤温度显著正相关, 与土壤含水率呈较低负相关, 说明本试验中土壤CO2排放主要受温度影响.多数研究表明, 地膜覆盖使得土壤表层温度升高, 土壤中微生物活性增强, 土壤呼吸速率加快, 从而促进了土壤CO2的产生[27].但也有研究表明覆膜降低了CO2排放通量[28, 29], 主要原因是薄膜阻碍了土壤与大气的交换作用, 产生了产量大而排放小的现象.本研究中覆膜对CO2的排放没有显著影响, 可能是薄膜的增温效应和物理阻隔作用相互抵消的结果.一般认为, 在水分亏缺条件下, 灌溉后土壤含水量的增加会促进根系呼吸及提高微生物活性, 进而土壤呼吸增强[30].但是土壤呼吸与灌溉量并不是简单的线性关系, 当灌水过多时, 土壤孔隙含水率较大, 形成的厌氧环境反而会抑制土壤呼吸[31].本研究采用滴灌, 由于灌水量低, 对土壤结构的破坏较小, 良好的透气性和土壤含水量促进了微生物活性与根系呼吸, 从而使得土壤CO2排放增加[32].
土壤水分含量是影响旱地土壤CH4吸收最主要的因素[33], 在一定程度内CH4氧化的能力随土壤含水率的升高而降低[34].土壤温度主要通过影响CH4及O2的扩散速率和酶的活性进而影响CH4的氧化[35], 不同条件下CH4氧化的最适温度不同. 2014年覆膜方式对CH4排放有极显著影响(P < 0.01), 而2015年没有显著影响.这可能是2014年玉米营养生长阶段(8月29日前)土壤含水率较低, 此时土壤吸收CH4能力较强, 而覆膜使得CH4和O2的扩散收到限制, 从而抑制了甲烷营养菌的活性[36].也有研究认为覆膜降低了土壤中O2的含量, 形成的厌氧环境促进了CH4的产生, 从而减少了CH4的吸收[37].
土壤N2O主要由硝化和反硝化反应产生, 受土壤水分和温度的影响.本研究中, 各处理N2O的排放与土壤水分和温度没有显著相关(表 1), 说明水分和温度不是控制N2O排放的主要因素.两季玉米生长期内, 土壤N2O排放高峰仅出现在施肥后, 此时玉米根系尚未发育成熟, 吸收利用氮素能力较低[38], 因而土壤硝化和反硝化作用强烈. 2014年施肥后由于土壤含水率较低N2O排放峰值较小, 且当土壤含水率回升后也没有出现排放峰.可能是因为此时玉米处于生长旺盛期, 土壤中的有效氮被植物利用, 从而减少N2O产生的机会.各处理N2O排放高峰期的排放量占全生育期排放总量的64%~91%, 覆膜降低了施肥后N2O的排放峰值, 从而降低了N2O的排放总量, 这与Li等[12]和Liu等[39]的研究结果一致.地膜覆盖的隔绝作用直接影响N2O向大气排放, 也对土壤温湿度和微生物环境产生间接影响.多数学者认为, 覆膜创造出的高温、湿润、低氧环境有利于N2O的产生[40~42]. Arrige等[43]在第40 d揭除胡椒地薄膜时土壤出现了N2O排放峰, 即覆膜促进了N2O的排放, 在地膜移除后才能释放.目前覆膜减少N2O排放的原因主要有：首先, 地膜覆盖后直接阻挡了大部分N2O的排放[44]; 其次, 覆膜促进了根系前期生长, 有利于植物N的吸收, 降低土壤硝化和反硝化作用所需的氮源, 从而减少N2O排放[11].因此, 在不同气候、土壤、田间管理措施下, 覆膜对土壤N2O排放的影响不同.
3.3 地膜覆盖和灌溉对碳排放强度的影响本研究采用碳排放强度(GHGI)综合评价不同处理的固碳减排效果.结果表明, 在一定降雨或水分管理条件下, 覆膜具有显著降低GWP和GHGI的作用.石将来等[45]的研究发现, 稻-油轮作农田覆膜处理CH4和N2O的综合GWP较不覆膜处理提高了22.0%, 与本研究结果相反, 这可能是因为气候和种植作物不同所致.灌溉对GWP没有显著影响(表 2), 但在降雨较少时, 灌溉能显著提高作物产量, 从而降低GHGI, 即灌溉通过保证作物高产稳产, 从而降低GHGI.本研究中, 覆膜降低了农田温室气体GHGI, 且灌溉条件全膜覆盖GHGI值最小, 这一结论与Li等[12]的研究结果一致.冯浩等[14]运用碳足迹方法研究发现, 小麦-玉米轮作农田全膜覆盖时单位产量碳足迹与不覆膜处理没有显著差异.因此, 全面分析不同覆膜方式的全生命周期碳排放也是下一步的研究方向.综合以上分析, 覆膜有利于土壤水热状况, 提高作物产量和降低碳排放强度, 其中灌溉条件下全膜覆盖效果最佳.
4 结论(1) 雨养条件下覆膜对玉米产量的影响与生育内降雨分布有关.播种后一段时间内土壤较干旱且温度较高时, 覆膜会造成轻度减产.播种前后土壤水热状况较好时, 两种覆膜方式均能提高产量.灌溉条件下覆膜两季玉米产量均增加, 全膜覆盖较半膜覆盖增产作用显著(P < 0.05).
(2) 灌溉对CO2排放的影响受气候条件影响较大, 雨养和灌溉条件下不同覆膜方式对CO2排放均没有显著影响(P>0.05).灌溉对旱地CH4吸收影响不显著(P>0.05), 两种覆膜方式均能减少CH4吸收.灌溉对N2O排放总量没有显著影响(P>0.05), 覆膜通过降低施肥后N2O排放峰从而显著降低排放总量(P < 0.05).
(3) 灌溉通过提高产量从而显著降低碳排放强度(GHGI)(P < 0.01).雨养条件下覆膜对GHGI的影响受气候因素影响较大, 灌溉条件下覆膜能降低GHGI, 且全膜覆盖GHGI低于其它处理.因此, 该研究认为灌溉条件下全膜覆盖技术是干旱半干旱地区保证作物高产稳产、实现固碳减排的有效途.
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