2019, Vol. 40
2. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院, 杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室, 杨凌 712100
2. Institute of Water-saving Agriculture in Arid Areas in Northwest China, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
3. Key Laboratory of Agricultural Water and Soil Engineering, Ministry of Education, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
近年来, 全球气候变暖日益显著, 大气中CO2、N2O和CH4等温室气体的浓度已上升到80万年来的最高水平[1], 人类活动导致的“温室效应”加速了这种变化. IPCC第四次评估报告表明, 农业是温室气体的第二大来源, 农业源温室气体排放约占全球人为排放的13.5%.中国是重要的农业大国, 农业温室气体排放约占全国排放总量的17%, 农业活动产生的CH4和N2O分别占全国CH4和N2O排放量的50.15%和92.47%[2].因此, 在当前全球应对气候变暖的大背景下, 中国开展农田温室气体减排研究已是当务之急.
以往有关农田温室气体排放的研究, 多侧重于耕作方式[3~5]、施肥和秸秆还田等方面[6~8], 而灌溉作为一项重要的农田管理措施能够改变土壤水分状况、通气性和土壤电导率等物理性质, 会改变土壤微生物的活性, 进而影响土壤温室气体排放[9, 10]. Liu等[11]的研究发现, 灌溉后土壤CO2排放量急剧增加; 梁东丽等[12]认为土壤N2O通量和浓度的变化趋势与同时期灌水量变化趋势吻合.郑欠等[13]研究土壤含水量对硝化和反硝化过程N2O排放的影响时发现, N2O的排放量随着土壤含水量的增大而增加; 对于CH4气体, 有研究表明土壤对甲烷吸收率随土壤湿度增大而减小[14~16].在我国水资源紧缺和灌溉方式粗放的背景下, 亏缺灌溉作为一种可有效提高作物水分利用效率的节水灌溉制度, 在我国北方地区受到广泛应用.亏缺灌溉下农田效应的研究国内主要集中于棉田和菜地[17~19], 对于小麦作物较少涉及.基于此背景, 本文以关中平原冬小麦农田土壤为研究对象, 通过设置不同亏水水平, 探讨不同时期亏水量对麦地温室气体排放的影响, 结合作物产量和净增温潜势等指标综合评价不同处理的经济效应和环境效应, 通过优化灌溉管理措施, 以期为农业减排提供科学依据和数据支持.
1 材料与方法 1.1 试验区概况本试验于2016年10月~2017年6月在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院试验场(108°04′E, 34°18′N, 海拔521 m)进行, 属温带大陆性季风气候.试验区年均温度12.5℃, 年均降水量609 mm, 年均蒸发量1 500 mm, 全年无霜期212 d, 降水多集中在6~9月.土壤质地为中壤土, 1 m土层田间持水量为23%~24%(重量含水率), 凋萎含水量为11%~12%(重量含水率), 平均干容重为1.4 g·cm-3.
1.2 试验设计供试作物为冬小麦, 品种为“小偃22号”, 于2016年10月23日播种, 2017年6月7日收获, 全生育期共217 d.行距为25 cm, 密度为165 kg·hm-2.冬小麦的主要物候期为：苗期(8~57 d)、越冬期(58~119 d)、返青至拔节期(120~142 d)、拔节至抽穗期(143~173 d)、抽穗至灌浆期(174~198 d)、灌浆至成熟期(199~217 d).冬小麦全生育期各处理施肥一致, 均只施基肥, 于2016年10月22日混施尿素和磷酸二铵(N：246kg·hm-2、P2O5：270 kg·hm-2).试验设计为小区试验, 在遮雨棚下的混凝土测坑内进行, 测坑面积为6.67 m2(2.13 m×3.13 m), 共20个, 其中2个测坑内安装有大型称重式蒸渗仪.
本试验分别在越冬期、拔节至抽穗期和抽穗期至灌浆期这3个重要生育阶段进行灌水水平处理, 灌水量以称重式蒸渗仪实测蒸散量(evapotranspiration, ET)为标准, 按100%(充分灌水), 80%(中度水分亏缺)和60%(重度水分亏缺)共3个水平实施灌水.本试验采用3因素(生育期)3水平(灌水水平)的正交试验设计, 按照多因素不完全实施方案设计规则(减少试验处理且能分析各生育期不同亏水水平的效应)在L9(33)正交表内选取6个处理组合(表 1), 每个处理3个重复, 一个测坑作为一个重复, 共计18个测坑, 按随机区组排列, 另外2个安装称重式蒸渗仪的试验小区均为充分灌溉水平.冬小麦整个生长季分别于69、138和176 d进行3次灌溉, 充分灌水水平的灌水量分别为74.96、67.47和85.46 mm, 灌溉方法为漫灌方式.为保证冬小麦顺利出苗, 试验各小区在播种前(2016年10月20号)均灌水44.98 mm.
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表 1 2016~2017年冬小麦不同水分处理1) Table 1 Different irrigation levels for winter wheat during 2016-2017 |
1.3 测定项目及方法 1.3.1 土壤温室气体采集
采用静态箱-气相色谱法对土壤CO2、N2O和CH4气体进行原位监测.静态箱由箱体和底座组成, 箱体规格是45 cm×45 cm×45 cm, 由厚6 mm的不透光的聚氯乙烯材料制成, 箱体外表面用海绵与锡箔纸包裹, 防止取样时因太阳光照射导致箱体温度发生剧变, 箱体顶部安装小风扇用于搅拌空气, 从而保证箱体内的气体均匀.静态箱底座(50 cm×50 cm×50 cm)在播种时埋设于小区中央, 直到冬小麦收获, 底座不罩作物, 每次取样前去除底座内的杂草.底座附有凹槽, 采集气体样品时, 将静态箱箱体放置在凹槽内, 并用水密封.气体采样从播种1 d后开始, 除越冬期外, 冬小麦整个生育期每7~10 d采集一次气体, 如遇施肥或灌水, 采样频率增加为2~3 d一次.气体取样时间分别在10:00、10:10、10:20和10:30利用带有三通阀的50 mL注射器进行4次气体采集, 每次取气40 mL; 气体采集时记下安插在箱体顶部水银温度计的温度, 用以计算气体排放通量.气体采集后立即带回实验室用安捷伦气相色谱仪分析仪测定(Agilent Technologies 7890A GC System, America)气体浓度, 气体排放通量计算公式为[20]：
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(1) |
式中: F为CO2、N2O或CH4气体排放通量, mg·(m2·h)-1、μg·(m2·h)-1或mg·(m2·h)-1; ρ是标准状态下气体密度, g·cm-3; h为采样箱高度, m; dc/dt为箱内气体浓度变化率, mg·(m3·h)-1、μg·(m3·h)-1和mg·(m3·h)-1; T为采样时箱内温度, ℃.
冬小麦全生育期内土壤CO2、N2O和CH4排放总量通过下式计算：
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(2) |
式中, Y为土壤CO2、N2O或CH4的累积排放量, kg·hm-2; X为CO2、N2O或CH4排放通量, mg·(m2·h)-1、μg·(m2·h)-1或mg·(m2·h)-1; i为第i次测定; (ti+1-ti)为相邻两次测定间隔天数; n为测定次数.
1.3.2 土壤温度和水分测定采集气样时, 利用安插在静态箱底座旁边的地温计同步监测土壤5 cm和10 cm深处地温, 取二者平均值作为0~10土层的平均温度.取土样采用对角线取样法, 用土钻在小区首、中、末端采集0~10 cm土壤样品充分混合后作为该小区的土样, 用烘干法(105℃下烘12 h)测定土壤水分, 并转化为土壤孔隙度含水率(water filled pore space, WFPS, %)[21].
1.3.3 小麦生物量及小麦产量小麦成熟期采集各小区长势均一、能够代表小区整体生长水平的小麦30株[22], 擦拭表面的尘污后, 放入档案袋中, 先在烘箱105℃下杀青15~30 min, 再在75℃恒温烘干至恒重, 用1/100电子天平称重, 得小麦地上部分生物量.小麦地下生物量的获取采用的是根冠比法, 通过已建立的地上与地下生物量的比例关系来估测地下生物量如公式(3)所示[23].
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(3) |
式中, BG和BS为作物籽粒重和残余生物量, kg·hm-2; (BG+BS)为地上部分生物量, 由田间取样计算得到, kg·hm-2; R是小麦根与地上部分生物量的比率, 取R=0.14[24]
小麦收获后, 在每个小区取长势均匀1 m2的样点进行单独收割, 风干脱粒后称取籽粒质量并计算产量, 以每公顷小麦产量(kg·hm-2)表示.
1.3.4 作物水分利用效率(WUE)土壤贮水量计算公式为：
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(4) |
式中, W为土壤贮水量, mm; γ为土壤容重, g·cm-3; h为土壤厚度, 100 cm; θ为土壤含水率, %.
作物耗水量计算公式为：
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(5) |
式中, ETa为作物耗水量, mm; I为灌水量, mm; ΔW为播种前和收获后土壤贮水量的变化.
作物水分利用效率计算式为：
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(6) |
式中, Y为作物产量, kg·hm-2.
1.3.5 综合增温潜势(net GWP)增温潜势是用来衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响, 农田综合增温潜势采用公式(7)计算：
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(7) |
式中, net GWP为综合增温潜势, 以CO2当量(kg·hm-2)来表示, 当net GWP>0时, 表现为温室气体的汇, 反之为源. GWPNPP、GWPGHGS和GWPinput分别见公式(8)~(10), GWPΔSOC 是试验前后有机碳变化的增温潜势(此项短期试验可忽略).
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(8) |
式中, GWPNPP为作物碳截存的增温潜势, 以CO2排放量计, kg·hm-2; 0.45是生物量转化为碳含量时的转化系数[25]; 44/12是C转化为CO2时的系数.
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(9) |
式中, GWPGHGS为农田土壤直接排放CO2、N2O或CH4温室气体的增温潜势, 以CO2排放量计, kg·hm-2, 在100年的时间尺度上, 单位质量CH4和N2O的增温潜势分别为CO2的25和298倍[26].其中, FCO2为土壤中异养呼吸累积排放量, kg·hm-2; FCH4为土壤CH4累积排放量, kg·hm-2; FN2O为土壤N2O累积排放量, kg·hm-2.
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(10) |
式中, GWPinput为农事活动投入引起的间接增温潜势, 包括各种农事活动(机械、肥料、农药、灌溉设备)等过程中所排出的温室气体等[27].其中, In和Cn分别为第n种物资的用量和CO2等当量排放系数.本试验由于翻地、播种、收获等农业措施都采用人工方式, 故机械燃油用量为0, 农业物资的CO2排放系数分别为：灌水1.29 kg·cm-1[28]、氮肥(N)3.59 kg·kg-1[27]、磷肥(P) 0.61 kg·kg-1[27, 29].
温室气体强度(greenhouse gas intensity, GHGI)表示生产单位产量的粮食对气候的影响, 计算公式如下：
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(11) |
式中, GHGI为温室气体强度, 以CO2排放量计, (kg·kg-1); net GWP为全球增温潜势, (kg·hm-2); yield为小麦产量, (kg·hm-2).
1.3.6 数据分析应用SPSS 16.0中的方差分析(ANOVA)和偏相关分析对数据进行处理, 单因素方差分析先进行“方差同质性检验”, 方差相等时的多重比较采用Least-significant difference(LSD)法完成.采用OriginPro 8.5绘图.
2 结果与分析 2.1 亏缺灌溉处理下冬小麦土壤温室气体排放特征 2.1.1 土壤CO2排放特征不同处理土壤CO2排放通量在小麦全生长季中具有相似的变化趋势(图 1), 大致呈“U”形, 与土壤温度变化趋势大体一致(图 2), 在全生育期出现双峰值.土壤CO2排放通量的主峰值出现在200 d(灌浆期), 以CK处理最高[188.66 mg·(m2·h)-1], T1、T2和T4处理较CK处理分别显著减小13.89%、25.67%、18.45%(P < 0.05), T3和T5处理较CK处理分别减少4.88%、7.05%, 差异性不显著(P>0.05).不同处理次峰值出现的时间稍有差异, CK、T3、T4和T5均出现在9 d, T1和T2处理均出现在20 d, 次峰值范围为126.24~139.57 mg·(m2·h)-1, 处理间无显著性差异(P>0.05).在58~119 d(越冬期), 麦地土壤CO2排放处于全生育期低谷, 维持在25.86~52.32 mg·(m2·h)-1范围内.
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图 1 小麦生长季不同处理土壤CO2排放通量 Fig. 1 Soil CO2 flux under different treatments during the whole wheat growing season |
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图 2 小麦生长季土壤温度和WFPS变化 Fig. 2 Soil temperature and WFPS changes in wheat growing season |
在冬小麦灌溉后, 各处理土壤CO2排放通量大致呈增加趋势, 有些处理出现排放小峰值. 69 d(越冬期)灌水后, CK、T1和T2处理土壤CO2排放通量小峰值出现在75 d, T3、T4和T5出现在73 d, 以CK处理最高[55.71 mg·(m2·h)-1], T1、T2和T5处理较CK处理显著减小了16.61%、28.33%和16.06%(P < 0.05), T3、T4处理与CK处理减小了2.19%、6.14%, 无显著性差异(P>0.05).在138 d(拔节至抽穗期)灌水后, T1、T2、T4和T5均在141 d出现排放小峰值, CO2排放通量分别达到53.94、50.41、45.28和48.77 mg·(m2·h)-1, 且处理间无显著性差异(P>0.05), 而未监测到CK和T3处理的排放小峰值.在176 d(抽穗至灌浆期)灌溉后, 全部处理均未监测到CO2排放小峰值.
冬小麦各生育阶段CO2平均排放通量如表 2所示.越冬期(58~119 d)是冬小麦季土壤CO2平均排放量最低的时期, 以CK处理最高[44.69 mg·(m2·h)-1], 轻度水分亏缺处理T1、T3和T4较CK分别减少了7.41%、2.73%和6.71%, 但无显著性差异(P>0.05), 重度水分亏缺处理T2和T5土壤CO2平均排放量分别较CK处理显著减少了25.22%、23.41%(P < 0.05), 且T2与T5处理间无显著性差异(P>0.05).返青至拔节期(120~142 d), 各处理土壤CO2平均排放通量开始增大, CK处理显著高于其他处理[60.21 mg·(m2·h)-1], T1、T2、T3、T4、T5较CK处理分别显著降低了25.63%、41.89%、17.97%、23.92%、38.50%(P < 0.05);拔节至抽穗期(143~173 d), 土壤CO2排放通量较大, 以CK处理最高[97.39 mg·(m2·h)-1], 处理T3比CK处理减少了5.68%, 但差异性不显著(P>0.05).此阶段轻度亏水处理T1、T4和T5比CK处理分别显著减少18.52%、20.26%和24.91%(P < 0.05), 重度亏水处理T2比充分供水处理CK显著减少33.39%(P < 0.05), 且轻度亏水处理与重度亏水处理间也存在显著性差异(P < 0.05).抽穗至灌浆期(174~198 d), 土壤CO2平均排放量达到最大, 充分供水CK处理最高[174.06 mg·(m2·h)-1], T1、T2、T3、T4和T5处理比CK处理分别显著降低13.66%、27.31%、6.20%、18.30%和8.87%(P < 0.05);灌浆至成熟期(199~217 d), 土壤CO2平均排放量略有下降, T1、T2和T4比CK分别显著降低了15.59%、23.77%和22.45%(P < 0.05).不同处理下, 冬小麦土壤CO2排放通量均值在各生育阶段表现为：抽穗至灌浆期>灌浆至成熟期>拔节至抽穗期、苗期>越冬期、返青至拔节期.
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表 2 冬小麦各生育阶段土壤温室气体(CO2、N2O和CH4)平均排放通量 Table 2 Mean values of greenhouse gas fluxes (CO2, N2O, and CH4) during winter wheat season |
2.1.2 土壤N2O排放特征
图 3为冬小麦全生育期土壤N2O的排放动态.土壤N2O的排放通量表现为生育前期较高, 之后急速下降.在9 d(苗期), 各处理土壤N2O排放通量达到全生育期排放通量的主峰值, 以T3处理排放通量最大[148.15 μg·(m2·h)-1], CK、T1、T2、T4和T5较T3处理分别降低了8.44%、11.81%、7.20%、11.83%和6.63%, 处理间无显著性差异(P>0.05);随后土壤N2O排放通量下降至64 d的排放低谷, 此时CK、T1、T2、T3、T4和T5处理土壤N2O排放通量分别达到31.06、20.69、10.36、16.39、18.97和23.28μg·(m2·h)-1, 在64~117 d, 土壤N2O排放通量一直在较小范围内波动[10.36~38.95 μg·(m2·h)-1].在124~200 d(返青至灌浆期), 土壤N2O排放通量缓慢增加并逐渐趋于稳定.自211 d后, 土壤N2O吸收通量呈下降趋势.
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图 3 小麦生长季不同处理N2O季节性排放通量 Fig. 3 Soil N2O fluxes under different treatments during the whole wheat growing season |
各处理土壤N2O排放通量在冬小麦灌溉后大致呈增加趋势, 并会出现短暂小峰值, 排放峰值大体以充分灌水的CK处理最高.在69 d(越冬期)灌水后, 充分灌溉处理CK、T1、T2、T3、T4和T5处理分别在75、71、73、75、73和73 d达到排放小峰值, 且CK处理最高[38.95 μg·(m2·h)-1], 其他处理比CK处理分别下降了5.34%、6.03%、6.73%、11.41%和21.72%, 且无显著性差异(P>0.05).在138 d(拔节至抽穗期)灌水后, 处理T2在144 d和处理T3、T4、T5在141 d出现排放小峰值, T2、T3、T4和T5处理N2O排放通量分别为：38.37、43.54、45.17和40.44 μg·(m2·h)-1, 且处理间无显著性差异(P>0.05), 而未监测到CK和T1处理的排放小峰值.在176 d(抽穗至灌浆期)灌溉后, 全部处理均在179 d监测到小峰值, 以CK处理最高[65.52 μg·(m2·h)-1], T1、T2和T4处理分别较CK处理显著减小了19.99%、30.32%和22.48%(P < 0.05), T3和T5处理比CK处理减少了7.61%、13.73%, 但差异性不显著(P>0.05).
苗期(8~57 d), 各处理土壤N2O平均排放通量均值无显著性差异(P>0.05);越冬期(58~119 d), 以充分灌溉CK处理土壤N2O平均排放通量最高[33.02 μg·(m2·h)-1], 轻度水分亏缺处理T1、T3和T4比处理CK分别减小了14.90%、8.42%和9.18%, 但无显著性差异(P>0.05), 重度水分亏缺处理T2和T5比CK处理显著减小26.62%和24.47%(P < 0.05).返青至拔节期(120~142 d), CK处理土壤N2O平均排放通量为38.06 μg·(m2·h)-1, T1、T3和T4处理比CK处理降低了12.03%、9.77%和10.43%, 但差异性不显著(P>0.05), T2和T5处理比CK处理显著降低了23.91%和17.84%(P < 0.05);拔节至抽穗期(143~173 d), T3处理比CK处理减小了3.84%, 但无显著差异(P>0.05), 轻度亏水处理T1、T4和T5比CK处理分别显著减少18.66%、17.55%和16.93%(P < 0.05), 重度亏水处理T2比处理CK显著减少26.92%(P < 0.05), 轻度亏水和重度亏水处理间亦有显著性差异(P < 0.05);抽穗至灌浆期(174~198 d), T2、T4处理为重度缺水处理, 土壤N2O平均排放量显著低于其他处理(P < 0.05), 比CK处理显著减少30.16%、27.11%(P < 0.05);灌浆至成熟期(199~217 d), 处理CK土壤N2O平均排放量最高, 但与T3、T5处理无显著性差异(P>0.05), T1、T2和T4处理分别比CK处理土壤N2O平均排放量显著降低16.36%、24.17%和22.84%(P < 0.05).不同处理下, 冬小麦土壤N2O排放通量均值在各生育阶段表现为：苗期>抽穗至灌浆期>拔节至抽穗期、灌浆至成熟期>越冬期、返青至拔节期.
2.1.3 土壤CH4排放特征如图 4所示, 不同处理土壤CH4排放通量在整个冬小麦生长季呈相似的变化规律, 秋冬季较小, 春夏季吸收通量较大.多数情况下CH4吸收通量以CK处理最低, T2处理最高.
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图 4 小麦生长季不同处理CH4排放通量 Fig. 4 Soil CH4 fluxes under different treatments during the whole wheat growing season |
在冬小麦灌溉后, 土壤CH4吸收通量迅速减小, 以充分供水CK处理减小的最为明显, 高水分处理甚至出现排放特征.在69 d(越冬期)灌水后, 各处理土壤CH4吸收速率迅速降低, 以CK处理最低[8.92 mg·(m2·h)-1], T1、T2、T4和T5比CK处理显著增加了100.34%、224.96%、141.71%和162.94%(P < 0.05), T3处理较CK处理增加44.42%, 无显著性差异(P>0.05).在138 d(拔节至抽穗期)灌水后, CK和T3处理在114 d时出现了土壤CH4排放现象, 排放量分别为10.68 mg·(m2·h)-1和8.68 mg·(m2·h)-1; 之后土壤CH4吸收通量呈上升趋势, 且变化较剧烈.在176 d(抽穗至灌浆期)灌溉后, 全部处理均在179 d时监测到CH4排放特征, 以CK处理排放量最高[16.19 mg·(m2·h)-1], T1比CK处理减小了22.72%(P>0.05), T2、T3、T4和T5处理较CK处理显著减小了63.19%、33.81%、69.07%和74.23%(P < 0.05).从200 d至冬小麦收获, 各处理土壤CH4吸收通量大体呈增加趋势.
苗期、越冬期(8~119 d), 土壤CH4平均吸收通量均较小; 返青至拔节期(120~142 d), 与处理CK相比, 处理T1、T2、T4和T5土壤CH4平均吸收通量分别增加37.69%、60.66%、27.36%和55.47%(P>0.05), 处理T3较CK处理增加4.68%, 但无显著性差异(P>0.05);拔节至抽穗期(143~173 d), 充分供水、轻度缺水、重度缺水的处理间土壤CH4平均吸收量均存在显著性差异(P < 0.05), 与充分供水CK处理相比, 轻度亏水处理T1、T4和T5显著增加74.04%、77.24%和85.69%(P < 0.05), 重度亏水处理T2显著增加116.51%(P < 0.05);抽穗至灌浆期(174~198 d), 其他处理土壤CH4平均吸收量均比CK处理显著增加, 以T2和T4增加最大, 分别增加113.81%和116.24%(P < 0.05).灌浆至成熟阶段(199~217 d), 土壤CH4平均吸收量最大, T1、T2、T3、T4和T5比CK处理显著增加32.27%、53.75%、18.60%、36.27%和30.25%(P < 0.05).不同处理下, 冬小麦土壤CH4排放通量均值在各生育阶段表现为：灌浆至成熟期>返青至拔节期、拔节至抽穗期、抽穗至灌浆期>苗期、越冬期.
2.2 亏缺灌溉处理下土壤温室气体排放量不同亏缺灌溉处理土壤CO2和N2O排放总量分别在3 655.96~4 939.14 kg·hm-2和2 627.36~3 204.27 g·hm-2范围内变化, CH4吸收总量在1 187.22~2 086.92 g·hm-2间变化(表 3), 表现为小麦地是土壤CO2和N2O的排放源, 是CH4的汇.处理CK、T1和T2间土壤温室气体排放(吸收)总量有显著性差异(P < 0.05), 表明亏缺灌溉能显著降低小麦季土壤CO2和N2O排放量, 增加CH4吸收量.
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表 3 不同处理温室气体排放总量及增温潜势 Table 3 Amount of GHGs emissions and net GWP under different irrigation treatment |
不同亏缺灌溉处理CO2排放量表现为：CK>T3>T1>T4>T5>T2.其中, CK和T3处理排放量显著高于其他处理(P < 0.05), 且二者之间存在显著性差异(P < 0.05).与CK相比, T1、T2、T4和T5处理下排放总量分别减少了13.32%、25.98%、15.47%和17.52%.全季N2O排放总量表现为CK>T3>T4>T1>T5>T2, 除T1、T4、T5这3个处理间无显著性差异(P>0.05)外, 其他处理间均达到显著性差异(P < 0.05).对于农田土壤对大气CH4的吸收, 表现为随着灌溉量增大, 土壤对CH4的吸收通量减少, 不同亏缺灌溉处理CH4的吸收量表现为T2>T4>T1>T5>T3>CK.
2.3 亏缺灌溉处理下net GWP及GHGI本文把温室气体的净增温潜势分为当季效应(net GWPS)和长远效应(net GWPL), 当季效应认为GWPNPP是作物全生物量转化为NPP的碳量, 长远效应就是考虑到籽粒、秸秆迟早都将分解成CO2回归大气而只计算本季小麦根固碳量, 旨在从不同角度评价不同亏水处理的优劣.
如表 3所示, 计算小麦农田长远增温效应, 各处理net GWPL < 0, 说明在只考虑作物根系碳截获量时, 小麦地是温室气体的排放源.其中, CK处理排放温室气体的净增温潜势最大, T1、T2、T3、T4和T5处理较CK处理净增温潜势分别下降了10.07%、12.77%、6.50%、6.81%和11.53%, 差异性显著(P < 0.05). T2、T4处理GHGI最大, 表明其生产单位产量的粮食对气候的影响最大, CK处理与T1、T3、T5处理温室气体强度GHGI无显著性差异(P>0.05);计算小麦农田短期增温效应, 得到各处理的net GWPS>0, 说明在当季效应指标评价下, 小麦地是温室气体的汇.较CK处理, 其他处理净增温潜势均有减少, 以T2减少最为显著, 降低了37.65%, T3处理与CK处理无显著性差异(P>0.05). T3处理GHGI最高, 但与CK、T1、T5处理无显著性差异(P>0.05), T2、T4处理GHGI最低, 较CK处理, 分别降低了7.70%、4.68%.
2.4 亏缺灌溉处理下冬小麦产量及作物水分利用效率(WUE)冬小麦产量及水分利用效率见图 5.小麦产量以处理CK最高, 为6 210 kg·hm-2, 处理T1、T2、T4和T5冬小麦产量分别比处理CK显著降低了12.56%、32.53%、20.93%和18.15%(P < 0.05), 在越冬期轻度水分胁迫、拔节至抽穗期和抽穗至灌浆期分别实施充分灌水及轻度水分亏缺的处理T3与CK处理小麦产量无显著性差异(P>0.05).试验表明, 亏缺灌溉会不同程度地影响作物产量, 拔节至抽穗期的灌水对作物籽粒产量影响最大, 其次为抽穗至灌浆期, 越冬期、播前期灌水对产量影响较小, 在保证小麦需水临界期的水分供应下, 其他对水分亏缺不甚敏感的阶段轻度水分亏缺, 不会对小麦产量产生显著性影响.本试验中, 处理T3获得最大WUE, 且比CK处理显著提高了10.92%(P < 0.05).
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图 5 不同处理下冬小麦产量及水分利用效率 Fig. 5 Crop yield and water use efficiency of winter wheat under different treatments |
3种气体(CO2、N2O和CH4)的排放通量与土壤0~10 cm的温度和WFPS的偏相关关系如表 4所示.土壤CO2的排放通量与土壤温度T和WFPS均呈明显的正相关关系, 且达到极显著水平(P < 0.01);施肥后土壤N2O的排放通量迅速上升到全生育期最高水平(图 3), 为精确模拟出土壤N2O排放通量与土壤温度、WFPS的相关关系, 选择50~226 d范围内土壤N2O排放通量波动较小时进行偏相关分析, 土壤N2O的排放通量与土壤温度和WFPS均呈极显著的正相关关系(P < 0.01);土壤CH4的排放通量与土壤温度表现出显著负相关关系(P < 0.05), 而与WFPS呈极显著的正相关关系(P < 0.01).
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表 4 土壤温室气体(CO2、N2O和CH4)排放通量与土壤温度T和WFPS的偏相关关系1) Table 4 Regression correlation between greenhouse gas (CO2, N2O, and CH4) emission and soil factors (soil temperature and WFPS) |
3 讨论 3.1 亏缺灌溉对农田土壤CO2排放的影响
农田土壤CO2排放主要源自土壤微生物的呼吸、土壤有机质的分解、土壤动物的呼吸、植物根系及根际微生物的呼吸[30].土壤温度和湿度是影响土壤呼吸排放CO2的两大主要因素[31].土壤温度几乎可以影响呼吸过程的各个方面, 温度较低时, 土壤呼吸速率随温度的升高呈增加趋势, 在45~50℃时达到最大值[32].冬小麦生育期的土壤温度大致在0~28℃, 土壤CO2排放通量与地温呈正相关关系(表 4), 这与前人研究结果基本符合.土壤水分可促进或抑制根系生长来影响根系呼吸、改变土壤透气性来影响CO2气体扩散和微生物呼吸, 进而影响土壤CO2的产生和排放[32].灌水量的增加显著促进小麦全生育期土壤CO2排放量, 充分灌水处理CK、轻度水分亏缺T1和重度水分亏缺T2均差异显著(P < 0.05)(表 3), 这与不少学者的结论一致.例如, Liu等[11]的研究发现灌溉处理的土壤CO2排放强度较不灌水处理有所增加, 宋利娜等[14]认为充分灌溉强化了土壤CO2的排放.有研究表明, 在WFPS低于某一阈值范围内, 土壤CO2排放通量与土壤WFPS呈正相关关系, 当超过这个阈值后, 由于土壤孔隙减小, 氧气的进入以及生成产物CO2向大气中扩散都受到严重阻碍, 直接造成CO2排放通量的减少[11, 33, 34].在本研究中, 灌溉后土壤由干变湿, 各处理土壤CO2排放通量大致呈增加趋势, 偏相关分析得出CO2排放通量与WFPS呈极显著正相关关系(P < 0.05)(表 4), 但在生育期灌水后频繁监测气体排放时发现, 土壤CO2排放小峰值出现时间同当次灌溉时间有滞后性, 峰值并未在灌水后立即出现, 灌溉2~3 d后监测到高水分处理CO2排放通量并非全高于中、低水分处理, 这可能是土壤高水分对气体排放产生抑制作用.
本试验中, 冬小麦土壤CO2排放通量在播种后20 d内出现次峰值(图 1), 这与此时土壤温度较高(10℃左右)、土壤水分较充足(60%左右)有关.之后CO2排放通量出现骤减的现象, 直到越冬期土壤CO2排放量处于全生育期最低水平, 可能是土壤温度迅速降低(图 2), 微生物活性下降, 导致农田CO2排放通量减少. 2月下旬小麦开始进入返青期, 土壤温度开始回升, 土壤微生物代谢增强, 土壤CO2排放通量开始增大. 3月中旬小麦进入生长最旺盛的拔节期, 植物光合作用积累的同化物越来越多地从成熟叶片运输到根端[35], 根系生物量增大[36], 代谢加强, 根系分泌物增多, 刺激了微生物的活性, 加快有机质分解速率, 增强了土壤的呼吸作用.抽穗至灌浆期, 随着土壤温度的升高, 土壤水分适宜, 小麦地CO2排放通量急速增加, 直到灌浆期达到冬小麦排放主峰值. 5月中下旬, 由于土壤含水量的降低, 根系分泌物减少[37], 土壤CO2排放速率减弱.
3.2 亏缺灌溉对农田土壤N2O排放的影响土壤N2O排放主要来自于土壤微生物进行硝化作用和反硝化作用[38].硝化作用是指在好气条件下, NH3或NH4+盐通过硝化微生物的作用被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程[39].反硝化作用是指在嫌气条件下, 反硝化细菌还原硝酸盐, 释放出N2O或N2的过程[39].影响农田土壤N2O排放的主要因素有施肥措施、土壤湿度(WFPS)和土壤温度等[19].
以尿素为主的化学氮肥给作物提供养分的同时不可避免地增加了N2O气体产生的基质, 明显促进了农田土壤N2O的排放[40].土壤湿度不仅能够影响硝化、反硝化微生物的活性, 还会影响着N2O在土壤中的运输以及向大气中的扩散[41].有研究发现当WFPS在45%~75%时, 由土壤硝化作用和反硝化作用所产生的N2O含量所占比例相同, N2O排放速率最大[42].本试验中, 土壤N2O排放通量主峰值出现在施肥并灌溉后10 d左右, 分析原因可能有: ①与试验只施基肥密切相关, 施肥后产生N2O气体的底物充足, 土壤微生物活性被提高, 促进了硝化和反硝化作用, 引起N2O排放峰值. ②此时WFPS维持在60%左右, 土壤微生物硝化作用和反硝化作用同时进行, 产生较多的N2O, 并且能顺利排入大气中.土壤的干湿变化对N2O排放量的变化具有十分显著的影响, 土壤水分含量较低时的快速湿润作用会极大地促进N2O的排放[43].这与本试验结果一致, 冬小麦生育期灌水后, 土壤快速湿润, 营造的相对厌氧环境导致反硝化速率加快, 激发了土壤N2O的排放.土壤温度会影响微生物活性进而影响硝化速率和反硝化速率, 大量研究表明, 土壤温度升高会促进N2O排放[44, 45], 本研究中土壤N2O排放通量与土壤温度呈极显著正相关(P < 0.05).同时, 许多学者监测到N2O交换通量负值的现象, 而关于此现象出现的条件有分歧. Bremner[46]和Barton等[47]认为在较低矿物氮及较高的土壤含水量条件下有时会出现N2O的吸收, 而王玉英等[48]却认为土壤处于氮素含量较低的干燥环境中会出现对N2O的吸收现象.而在本研究并未监测到N2O负排放的现象, 在后续的试验中, 会增加采样频率, 观察是否有此现象出现.
有研究表明, 灌溉对农田土壤CO2和N2O排放通量的影响不仅与灌水总量有关, 还与灌水时间和亏水程度有关, 灌水量对土壤CO2、N2O排放通量的影响在小麦旺盛生长时期和水热条件较好时期更为明显.这与杨硕欢等[49]的研究结果一致.
3.3 亏缺灌溉对农田土壤CH4排放的影响微生物的活动决定了土壤CH4的排放和吸收, 在厌氧环境下, 产CH4把土壤中含碳有机物分解为CH4, 在好氧环境下, CH4又会被CH4氧化菌氧化[14].有研究证实, 土壤既可以是CH4的“源”又可能成为“汇”, 这主要决定于甲烷产生菌产生的CH4和甲烷氧化菌吸收的CH4间的平衡[50]. CH4在土壤中的排放和吸收受到施肥、灌溉和土壤理化性质等的影响[14, 51].
有研究表明, 土壤CH4排放量随氮肥的施用量增加呈增大趋势[52], 这是由于尿素在短时间水解后可在土壤中积累大量NH4+-N, 其作为CH4产生菌的主要氮源, 增强了CH4产生菌的丰度和活性[53], 这解释了10月底灌溉施肥后各处理土壤CH4吸收通量较低的现象.土壤湿度是影响CH4排放的关键因子, 本研究中, 亏缺灌溉处理土壤CH4吸收量显著高于充分灌溉处理(P < 0.05) (表 3), 土壤CH4的排放通量与土壤WFPS呈极显著正相关关系(表 4), 这与王丙文等[54]认为土壤水分对麦田甲烷吸收通量呈不显著的负相关关系的观点不一致, 而与赵建波等[55]和Adamsen等[56]研究结果一致.在冬小麦全生育期, 各处理土壤大致呈CH4吸收状态, 而灌溉后, CH4吸收值迅速降低, 高水分处理甚至出现排放现象(图 4).前人研究表明, 在WFPS较低时, 土壤具有良好的通透性, 抑制了CH4菌活性, 强化了CH4氧化菌的活性, 此时土壤是CH4 “汇”[57], 土壤CH4在WFPS高于某一阈值时会从吸收过程转变为排放过程[58], 是由于高水分营造的厌氧环境强化了产甲烷菌对有机物的分解作用, 削弱了CH4的氧化过程[59].温度能够直接影响微生物活性, 从而影响土壤CH4的排放通量[60], 本研究中, 土壤CH4排放通量与地温呈显著负相关关系(P < 0.05)(表 4), 与王旭燕等[44]的研究结果相反, 结论不一致的原因还需要进一步探究.
3.4 亏缺灌溉对净增温潜势(net GWP)的影响在前人研究中, 对计算净初级生产力(NPP)有分歧.有研究认为如果作物秸秆不还田, 那么GWPNPP就只包含生产地下部根系时转化为NPP的碳量[14].但也有学者认为一年生的作物在生长期间内的净固碳作用不可否认, 即使作物秸秆不还田, GWPNPP也应包含作物全生物量(籽粒、秸秆、根系)转化为NPP的碳量[61].本文综合两种理论分别估算net GWP, 若考虑秸秆、籽粒的固碳, 则net GWPS>0, 表明小麦田是温室气体的汇, 灌溉会增加土壤对汇效应, 原因是灌水可以提高生物量, 增加了作物的固碳量; 若认为秸秆、籽粒中的碳最终均以CO2形式排向大气, 则net GWPL < 0, 表明麦地是农田温室气体的源, 而充分灌溉处理显著增强了麦田源效应.两种计算评价方法得到的结果截然相反, 这表明麦田籽粒和秸秆的截碳量较大程度地影响了农田温室效应, 这与闫翠萍等[27]和刘巽浩等[61]的研究结果一致.所以, 从环境效应考虑, 农田轮作中可以采用秸秆还田的方式, 把秸秆中的碳固定到土壤和作物中, 减少农田生态系统温室气体对大气的排放.综合考虑亏缺灌溉对冬小麦各生育期温室气体平均排放通量和net GWP的影响对合理制定冬小麦灌溉、耕作制度, 在保证小麦一定产量下做到农田生态系统节能减排具有指导意义.
4 结论(1) 不同灌水量对冬小麦全生育期土壤温室气体排放量有较明显影响, 亏缺灌溉可显著降低土壤CO2、N2O排放量(P < 0.05), 而显著增大CH4吸收量(P < 0.05).
(2) 拔节至抽穗期、抽穗至灌浆期的灌水对小麦地CO2、N2O排放影响最为强烈, 也对冬小麦产量产生较大影响.小麦旺盛生长时期的亏缺灌溉会降低全生育期温室气体的排放量但同时会带来不同程度地减产.本研究结果表明, 从环境效应和经济效应综合考虑, T3处理net GWPL较低、固碳量较高, 而且无明显减产, 故T3处理更有利于关中平原冬小麦的保产节水减排.
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