2019, Vol. 40
2. 国家紫色土肥力与肥料效益监测基地, 重庆 400716
2. National Purple Soil Fertility and Fertilizer Efficiency Monitoring Base, Chongqing 400716, China
甲烷是一种化学活性气体, 参与许多重要的大气化学过程, 还是一种重要的温室气体, 对全球温室气体的贡献达到了20%[1], 其增温效应是CO2的15~30倍[2], 远远大于CO2的增温潜势.近几十年来, CH4在大气的体积分数持续上升, 目前的年增长率为0.8%[3].大气中新增加的CH4约70%~90%来自于生物源, 其中相当一部分来自于农田生态系统[4].农田覆盖是一种历史悠久的作物栽培技术, 而地膜覆盖是广大旱区作物增产最显著的技术[5].地膜覆盖具有显著的保水效果还具有增温效应[6].长期施用氮肥能提高作物产量, 但也会改变土壤中氮素含量及其生物性状[7], 直接影响农田中CH4的排放.地膜覆盖和氮肥施用作为最普遍的增产措施常常综合使用.目前, 国内外有不少关于地膜覆盖和施氮对旱地土壤温室气体排放影响的研究报道[8~10].张凯莉等指出[11], 地膜覆盖能在一定程度上削弱菜地作为大气CH4汇的能力.王旭燕等[12]的研究表明, 旱作农田土壤CH4累积吸收通量随施氮量的增加而降低.李晓莎则认为[13], 氮肥对旱作农田土壤CH4的排放没有特定规律.然而, 地膜覆盖和不同施氮同时作用对菜地温室气体的排放有何综合影响？有关该方面的研究还未见报道.因此, 本文以西南地区常见的辣椒-萝卜菜地轮作系统为研究对象, 采用静态暗箱/气相色谱法进行了为期两年原位观测, 探讨地膜覆盖和不同施氮处理下农田土壤CH4的排放规律及影响因素.
1 材料与方法 1.1 实验区概况本实验地点位于西南大学试验场的农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测站(106°26′E, 30°26′N)内, 该站海拔230 m, 年均气温18.3℃, 为亚热带季风气候, 年均降水量为1 105 mm, 年均相对湿度多在70%~80%, 在全国属于高湿区.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在6.8左右, 其它主要理化性质有：有机质22.5 g·kg-1, 速效磷0.78 g·kg-1, 黏粒506.7 g·kg-1, 全氮1.74 g·kg-1, 碱解氮120.1 mg·kg-1, CEC 23.46 cmol·kg-1.
1.2 实验设计与方法田间试验于2014年5月至2016年3月进行, 以西南地区常见菜地(辣椒-萝卜轮作)为研究对象, 采用的地膜为0.005 mm聚乙烯透明薄膜, 在平地起垄, 单垄长280 cm、垄宽70 cm、高15 cm, 垄间距30 cm.设置地膜覆盖和不覆盖两种方式, 其中覆膜处理选用120 cm宽的地膜覆于垄上, 两边用细土压实, 作物生育期以及休闲期全程覆膜.覆膜和不覆膜方式下均设置4个施氮梯度(高、中、低以及不施氮对照), 共8个处理, 所有处理均设置3个重复.辣椒季高、中、低N菜地分别施氮450、300、150 kg·hm-2, 萝卜季则分别为300、200、100 kg·hm-2.作物栽培品种和农田管理等均按当地习惯进行, 所有实验小区施入相同的K肥(100 kg·hm-2)和P肥(150 kg·hm-2), 均在翻耕栽种(播种)前一次性施入耕作层中, 氮肥则按基肥追肥比为1:1分别施入土中, 追肥时将尿素溶解于水中, 通过定量灌溉施入. N肥为尿素(“泸天化”牌, TN≥46.4%, 四川泸天化股份有限公司生产), P肥为过磷酸钙(“腾升”牌, 合格晶Ⅱ, 有效P2O5≥12%, 中华重庆涪陵化工有限公司生产), K肥为氯化钾(“中化”牌, K2O≥60%, 中化化肥有限公司生产).
整个采样期间, 作物的田间管理时间如图 1所示.在第一年萝卜-辣椒轮作周期内, 于2014年5月18日移栽辣椒苗(龙椒一号, 重庆龙胜种子经营部), 2014年7月5日追施N肥, 辣椒分批收获, 2014年9月23日移除辣椒并翻耕, 农闲期间照常采样. 2014年10月1日进行翻耕、施肥、覆膜和点种萝卜籽(九斤王, 广西横县子龙种业有限公司), 2014年11月28日追肥, 于2015年3月16日一次性收获.第二年种植期间, 于2015年3月23日移栽辣椒苗(科润一号, 徐州市金种子有限公司), 5月27日追肥, 由于该年辣椒受到虫害入侵, 于6月初逐渐掉落死亡, 而采样照常进行. 2015年8月22日开始第二年萝卜(九斤王, 广西横县子龙种业有限公司)的种植, 并于2016年2月底一次收获.
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图 1 不同生长季作物生长期及农作处理时间序列 Fig. 1 Time series of crop growth and farming processing |
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[14].用于垄沟气体采集的装置为不锈钢圆桶(直径20 cm, 高25 cm), 在箱顶中间位置装有连接气体样品的接口.采样时安插的不锈钢底座(长50 cm, 宽50 cm, 高15 cm), 上端有深3 cm、宽2 cm的密封水槽, 采样时将顶箱或延长箱扣在底座上, 用适量的水密封.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.垄上气体每周采集一次, 垄沟气体每两周采集一次, 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.
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CH4含量, 根据下式计算各处理CH4排放通量, 气体通量表示单位时间单位面积观测箱内该气体质量的变化, 公式如下：
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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为采样器期间箱内平均温度(℃); 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为采样期间箱内CH4含量变化速率. F为负值时表示吸收, 正值时为排放.
1.3.3 土壤各指标的测定方法土壤温度：在气体样品采集的同时, 观测箱内、外气温以及土壤温度, 温度由JM624型便携式测温计测定.
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：易氧化有机碳(ROC)、微生物生物量碳(SMBC)和可溶性有机碳(DOC), 测定的方法见表 1.
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表 1 土壤测定的指标及其方法[15] Table 1 Soil analysis methods with various indicators |
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 9.0进行作图, 再利用SPSS 20.0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CH4排放的影响不同种植季CH4排放通量的季节变化见图 2.从中可以看出, 整个观测周期内辣椒和萝卜季的CH4排放通量均无较大波动, 基本呈现为吸收状态.高、中、低、无氮菜地覆膜种植下CH4的最大吸收速率分别为89、84、123和134 μg·(m2·h)-1, 常规种植分别为98、68、187和75 μg·(m2·h)-1.在整个观测期间, 不同施氮下覆膜和常规菜地在辣椒季和萝卜季的CH4平均排放通量见表 2.配对t检验结果表明, 辣椒季和萝卜季, 不同施氮量处理下覆膜与常规菜地间的CH4排放通量均无明显差异(P>0.05).
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（a）无氮菜地，（b）低氮菜地，（c）中氮菜地，（d）高氮菜地 图 2 不同种植季CH4排放通量的季节变化 Fig. 2 Seasonal variation of CH4 flux during the crops growing seasons |
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表 2 不同施氮下覆膜和常规种植菜地CH4排放通量1)/μg·(m2·h)-1 Table 2 CH4 fluxes at different N application levels under mulching and no mulching treatments/μg·(m2·h)-1 |
2.2 覆膜和常规种植下CH4的累积排放量
从表 3可以看出, 2014-05~2016-04各处理菜地的CH4累积排放量均呈现负值, 表现为CH4的吸收. 2014-05~2015-04除高氮萝卜季外, 其它施氮菜地CH4累积吸收量基本呈现为覆膜小于常规, 其中高氮组覆膜萝卜季CH4累积吸收量为常规菜地的3.6倍.
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表 3 各施氮处理覆膜和常规种植下CH4的累积排放量1)/mg·m-2 Table 3 Cumulative CH4 emissions of different N application levels under mulching and no mulching treatments/mg·m-2 |
2015-05~2016-04辣椒季和萝卜季各处理CH4累积吸收量呈现出不规律的状态, 除辣椒季的无氮菜地CH4呈现为弱排放, 其余施氮组菜地依然呈现为吸收.配对t检验结果显示, 在整个观测期间, CH4累积吸收量均表现为萝卜季显著大于辣椒季(P < 0.05), 从辣椒季、萝卜季以及全年来看, CH4累积排放量常规与覆膜没有明显差异(P>0.05).
2.3 不同施氮量对菜地CH4排放的影响各种植季覆膜和常规方式下不同施氮量菜地CH4的平均排放通量见表 2.从中可以看出, 两种种植方式下的低氮、中氮菜地CH4吸收量均高于无氮、高氮菜地, 并且辣椒季覆膜组和常规组的CH4吸收量均小于萝卜季.辣椒季和萝卜季所有菜地处理的CH4排放量都显示为负值, 即CH4的汇.单因素方差分析结果表明, 在辣椒季和萝卜季, 覆膜和常规两种种植方式下, 不同施氮菜地的CH4排放量间均无明显差异(P>0.05).
2.4 覆膜和施氮对菜地CH4排放的交互影响利用SPSS进行双因子方差分析, 结果表明, 在辣椒季, 覆膜和施氮梯度对CH4排放均无显著影响(P>0.05), 其交互作用对CH4排放也无显著影响(P>0.05), 萝卜季和辣椒季情况一致.
2.5 环境因子对CH4排放的影响表 4为整个观测期间覆膜和常规种植下不同施氮菜地CH4排放通量与各环境因子的Pearson相关性分析.结果表明, 温度方面, 只有辣椒季常规种植下低氮菜地的CH4排放量与5 cm地温呈显著正相关关系(P < 0.05), 其他处理菜地的CH4排放量与5 cm地温和地表温度均无显著相关关系.含水率方面, 辣椒季覆膜低氮菜地CH4排放量与土壤含水率呈显著负相关(P < 0.05), 萝卜季覆膜中氮CH4排放量与土壤含水率呈极显著负相关(P < 0.01).
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表 4 环境因子与土壤CH4排放通量相关关系1) Table 4 Relationship between environmental factors and soil CH4 emission flux |
2.6 地膜覆盖对土壤碳素的影响
从图 3可以看出, 在整个观测期间, 两种种植方式下土壤TOC(总有机碳)和DOC(可溶性有机碳)的含量变化趋势比较相似, 在第一年辣椒季, 常规菜地均出现了一个明显的高峰并远远高于覆膜菜地, 随后的种植季则趋于平稳.配对t检验结果表明, 两年辣椒季土壤TOC和DOC的含量均表现为常规显著大于覆膜(P < 0.05), 平均值也表现为常规大于覆膜(第一年辣椒季：TOC 70.37 mg·L-1>30.95 mg·L-1, DOC 166.75 mg·kg-1>74.46 mg·kg-1; 第二年辣椒季：TOC 42.00 mg·L-1>27.84 mg·L-1, DOC 69.19 mg·kg-1>46.46 mg·kg-1); 两年萝卜季土壤TOC和DOC含量则均表现为常规与覆膜没有明显差异, 平均值表现为覆膜略高于常规(第一年萝卜季：TOC 37.97 mg·L-1>36.79 mg·L-1, DOC 95.69 mg·kg-1>90.90 mg·kg-1; 第二年萝卜季：TOC 34.27 mg·L-1>32.50 mg·L-1, DOC 55.32 mg·kg-1>50.26 mg·kg-1).
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图 3 覆膜和常规菜地土壤碳素在各种植季的变化 Fig. 3 Changes in soil carbon under mulching and no mulching treatments in each growing season |
覆膜和常规种植下土壤MBC含量在第一年的两个种植季均没有太大波动, 并呈现较为一致的趋势, 在第二年的两个种植季则出现了较大波动.配对t检验显示, 只有在第一年的萝卜季土壤MBC含量呈现为覆膜显著大于常规(P < 0.05), 其它种植季均表现为覆膜和常规没有较大差异.从平均值的水平上来看, 土壤MBC含量在第一年辣椒季和萝卜季均呈现为覆膜大于常规(辣椒季：296.48 mg·kg-1>279.85 mg·kg-1, 萝卜季：276.99 mg·kg-1>219.93 mg·kg-1), 在第二年辣椒季和萝卜季则呈现为常规大于覆膜(辣椒季：217.29 mg·kg-1>208.94 mg·kg-1, 萝卜季：292.56 mg·kg-1>283.96 mg·kg-1).由此可见, 覆膜和常规种植下土壤MBC含量变化并没有明显的规律.
2.7 菜地垄沟CH4排放通量从图 4可以看出, 覆膜和常规菜地垄沟的CH4排放通量趋势较为一致.在整个观测期间, 覆膜菜地CH4通量范围为-18.44~52.67 μg·(m2·h)-1, 平均通量为-1.90 μg·(m2·h)-1; 常规菜地CH4通量范围为-13.09~62.70 μg·(m2·h)-1, 平均通量为1.94 μg·(m2·h)-1.配对t检验结果显示, 覆膜与常规菜地垄沟CH4排放通量无显著差异(P>0.05).由此可见, 两种种植方式的垄沟对CH4的通量有一定的影响, 但是影响不大.
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图 4 覆膜和常规两种种植方式的垄沟CH4排放量 Fig. 4 Ditch CH4 emissions from both film and conventional planting methods |
从表 2可以看出, 在辣椒季, 常规处理菜地的CH4吸收量高于覆膜菜地, 说明覆膜在一定程度上能削弱旱地土壤作为CH4汇的能力.配对t检验分析显示, 在辣椒季和萝卜季, 不同施氮组覆膜和常规处理间的CH4排放均无明显差异(P>0.05).本研究发现, 覆膜对于CH4排放量的影响不大, 这与众多学者研究结果一致[11, 16].农田CH4的产生主要是由于土壤中产甲烷菌的存在, 在厌氧的环境中, 产甲烷菌可以通过利用土壤微生物分解的有机酸来产生CH4.然而土壤产生的CH4并不会全部排放到大气中, 其中一部分会在土壤或者水层中被氧化[13]. CH4消耗减少主要是发生在土壤表面, 因其是与大气交换最迅速的界面[17], 土壤中的甲烷氧化菌主要生活在好氧环境, 因此多存活于土壤表面.本实验建立在旱地的基础上, 旱地土壤通气性良好, 氧气易于扩散到土壤中, 促进土壤中甲烷氧化微生物和甲烷氧化酶的活性, 增强了土壤吸收氧化大气中CH4的能力[18].覆膜在一定程度上阻隔了土壤的气体流通, 阻碍O2进入土壤, 形成土壤厌氧环境, 创造了有利于产甲烷菌活动的土壤条件, 限制了甲烷氧化菌的活动, 但覆膜的保温作用利于甲烷消耗, 保水作用不利于CH4扩散, 加之覆膜并没有完全阻隔大气, 大气中的CH4还是可以扩散到土壤中, 因此覆膜和常规种植下的CH4排放量无显著差异.然而有研究表明[19, 20], 地膜覆盖处理显著减少了农田土壤对CH4的吸收.这可能是作物种类和土壤理化性质的差异所带来的影响, 从而使覆膜对大气CH4扩散到土壤中所产生的阻碍作用掩盖了其保水保温效应引起的甲烷消耗, 导致地膜覆盖显著减少了土壤对CH4的吸收.
从表 2可以看出, 辣椒季和萝卜季所有处理均呈现为CH4的吸收.这与高琳[21]和李志国等[22]的研究结果相同.不仅因为土壤中甲烷氧化菌本身的氧化作用, 还因为CH4的产生条件受到了限制.旱地土壤的有机质分解速率高, 不易于有机碳的积累, 从而不易产生厌氧环境, 因而影响土壤氧化还原电位和产CH4微生物的产生[23].除此之外, 通过观察两种植季的CH4排放量可以发现, 萝卜季的CH4吸收量普遍多于辣椒季.原因有3个, 第一, 萝卜季土壤温度比辣椒季低, 土壤温度通过影响微生物种群的数量、种群的结构和酶活性等影响有机质分解、CH4产生及氧化过程[24], 从而与产甲烷菌相比, CH4氧化菌对温度的适应范围更宽, 能够忍耐更低的温度而保持较强的CH4氧化能力[25], 这就导致萝卜季相对于辣椒季而言, CH4的产生速率降低, 而CH4氧化速率变化不大; 第二, 在本实验中, 萝卜季的生长期要比辣椒季长, 使萝卜季土壤吸收CH4的时间比辣椒季长; 第三, 本实验中, 萝卜季土壤含水率较辣椒季高, 土壤水分含量高会减缓CH4的扩散速率, 从而使萝卜季的CH4吸收量要大于辣椒季.当然, 这其中也不排除作物种类的关系.
3.2 不同施氮量对CH4排放的影响本实验中, 辣椒季和萝卜季, 覆膜和常规处理下不同施氮梯度菜地的CH4排放量均表现为无显著差异(P>0.05).从图 2的观察中也可以发现, 施氮前后也并没有对CH4的排放造成太大的波动.而王旭燕等[12]的研究指出, CH4排放量随着施氮的增加而显著减少, 丁维新等[26]也指出, 在高氮情况下, 甲烷氧化菌氧化大气的稳定状态被破坏, 有机质层所含有机质增大, 从而抑制CH4的吸收.郑聚锋等[27]研究也发现, 长期使用氮肥为主的化肥显著降低了土壤对CH4的氧化能力, 同时显著降低了稻田土壤甲烷氧化菌的多样性和丰富度.这与本实验的结果不符.这可能是因为, 土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌以及硝化和反硝化细菌存在竞争, 而旱地土壤通气性良好, 利于硝化作用的进行, 硝化细菌将NH4+转化成了NO3-, 削弱了NH3和CH4在甲烷单氧酶氧化上的竞争关系.本实验研究的是旱地辣椒-萝卜轮作系统, 而前面所提到的学者主要研究的是旱地小麦田或者水稻田.另外, 前面所提学者所做研究均为短期实验, 短期实验和年际间重复实验的缺乏也会带来误差[28].
3.3 环境因子对CH4排放的影响Pearson相关性分析显示, 除辣椒季常规低氮菜地CH4的排放量与5 cm地温有显著正相关关系以外(P < 0.05), 其余处理均没有显著的相关关系(见表 4).这与Priemé等[29]的研究结果不一致.土壤产甲烷必须具备有机物和水分, 厌氧环境, 适于发酵菌和产甲烷菌生存和繁殖的温度.而且产甲烷菌确实受到温度的影响.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[30], 然而土壤CH4排放和土壤温度之间的关系较为复杂, 经常受到多种其他因素的共同影响, 加之CH4氧化菌对温度的敏感较低, 因此在复杂的农田生态系统下存在多个环境因素制约时, 土壤温度与CH4排放通量的关系并不明显, 常常被水分、氮肥等因素所掩盖[31].对含水率的相关性分析显示, 辣椒季覆膜低氮菜地CH4排放量与含水率呈显著负相关(P < 0.05), 萝卜季覆膜中氮菜地CH4排放量与含水率呈极显著负相关(P < 0.01).丁维新等认为[32], 甲烷氧化速率与土壤湿度呈负相关, 这是因为甲烷氧化菌氧化甲烷的能力大于甲烷由大气向土壤扩散的能力[33].李志国等[34]的研究认为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, 在一定程度上会导致土壤厌氧环境的形成, 促使CH4排放.但当土壤低于最适土壤含水率时, 土壤CH4排放通量会随着土壤含水率而降低[35].
3.4 地膜覆盖对土壤碳素的影响土壤DOC是土壤微生物可直接利用的有机碳源[36], 具有一定的溶解性, 在土壤中移动较快, 易分解矿化, 因而极易流失.本研究结果表明, 在辣椒季, 地膜覆盖会导致土壤TOC和DOC的流失, 而萝卜季则没有显著影响.地膜覆盖可以增加土壤微生物的活性, 而这意味着土壤矿化速度的增加[37].本实验为旱作农田, DOC的降解速率较快, 对土壤的环境响应更快, 地膜覆盖使土壤温度升高, 更利于DOC的降解. Wang等[38]和Liu等[39]在测定地膜覆盖对玉米秸秆腐解速率的影响时发现, 地膜覆盖显著促进埋置的玉米秸秆碳的流失, 间接说明地膜覆盖促进土壤有机碳矿化.雷利国[40]的研究也发现地膜覆盖可以减少旱作菜地土壤DOC含量.
土壤MBC是土壤有机碳中最活跃的组分, 与土壤碳的转化有密切关系, 其含量的高低是衡量土壤肥力的重要指标[41].在本研究中, 第一年土壤MBC含量呈现为覆膜大于常规, 而第二年则变为常规大于覆膜, 但是差异都不显著.覆膜对于土壤MBC含量的影响也出现了多种研究结果.梁贻仓等[42]的研究表明地膜覆盖土壤MBC含量较对照差异不明显.李世朋等[43]的研究表明, 不同施肥条件下地膜覆盖土壤MBC含量均低于常规种植.黄哲[44]通过两年的研究结果也表明, 覆膜只在第一年秋冬季显著增加了土壤MBC的含量, 而另外3个季节没有影响.
4 结论(1) 地膜覆盖对菜地CH4排放通量没有显著影响, 并且在覆膜和常规种植下, CH4呈现一定的季节规律, 菜地生态系统为CH4的汇, 其中萝卜季CH4的平均吸收速率高于辣椒季.
(2) 不同施氮量对菜地CH4排放的影响无显著差异, 但低、中氮菜地CH4吸收量要高于无、高氮菜地.
(3) 菜地CH4的吸收量与土壤含水率则呈现为显著负相关关系, 与土壤温度没有很大的相关性.
(4) 地膜覆盖在辣椒季加速了土壤碳素的矿化, 在萝卜季则没有显著影响.
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