2021, Vol. 42
2. 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715
, JIANG Chang-sheng1,2 , ZHAO Zhong-jing1,2 , ZENG Wei1,2 , HU Man-li1,2 , TU Ting-ting1,2 , CHEN Jun-jiang1,2 , HAO Qing-ju1,2
2. Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing 400715, China
20世纪以来, 全球平均地表温度上升了约(0.6±0.2)℃[1], 这主要是由于人类活动导致大气中温室气体(CO2、CH4和N2O)浓度增加, 其中, CH4和N2O的增温效应仅次于CO2, 在100a的时间尺度上, 单位质量的CH4和N2O的增温潜势分别为CO2的28倍和265倍[2].农业用地占地球陆地的37%, 产生的CH4和N2O分别占总排放的50%和70%, 是大气中CH4和N2O的重要来源[1].因此, 减少CH4和N2O的排放, 有助于解决全球气候变暖等问题.
地膜覆盖可以促进植物生长发育, 增加产量, 减少土壤水分蒸发和养分浸出, 同时减少害虫和杂草的发生[3~7], 因此在全世界范围内广泛应用于农业生产中[8].目前国内外已有较多关于覆膜对旱地CH4或N2O排放的影响研究[9~18], 但这些研究中地膜覆盖对旱地CH4或N2O的排放存在不同影响：有研究发现覆膜会增强CH4和N2O的排放[9], 有研究发现覆膜能降低N2O排放[11], 有研究表明覆膜能促进对大气CH4的吸收[15], 还有研究发现覆膜处理对N2O的排放存在季节性影响, 辣椒季覆膜能显著降低N2O的排放, 而在萝卜季则没有显著影响[10], 以上研究都仅是通过对垄的观测得出的结论, 而忽视了沟的温室气体排放.已有的研究发现N2O主要除了通过膜渗透从垄向大气排放温室气体外[19, 20], 但沟中温室气体的排放也不容忽视.地膜覆盖下菜地垄和沟中温室气体的排放有无差异？国内关于这方面的研究还鲜见报道.因此, 本文以西南地区典型辣椒-萝卜轮作菜地为研究对象, 探索地膜覆盖下菜地CH4和N2O的排放特征, 以期为西南地区菜地温室气体减排提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验区域概况试验地点选在西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内, 坐标为东经106°26′, 北纬30°26′, 海拔230 m, 年均日照为1 276.7 h, 年均无霜期为334 d, 气候类型为亚热带季风气候, 年平均温度为18.3℃, 年均降水量为1 105 mm.试验地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, 其基本理化性质为：有机质25.29 g·kg-1, 全氮含量约1.35 g·kg-1, 碱解氮56.62 mg·kg-1, 总磷含量646.00 mg·kg-1, 有效磷5.94 mg·kg-1, 总钾含量9.44 g·kg-1, 有效钾102.47 mg·kg-1, pH 6.83.
1.2 试验设计本试验时间为2016年3月至2017年2月, 在西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内进行, 2016年3月28号翻耕、平整菜地, 然后分成各个小区, 每个小区分别起垄, 垄长2.8 m, 垄宽0.8 m, 垄高0.15 m, 沟宽0.4 m.菜地设置覆膜和不覆膜两种处理, 每种处理均按照以上小区大小设置3次重复.覆膜处理的小区进行垄上覆膜, 选用0.005 mm聚乙烯透明的薄膜, 覆膜处理的小区先挖好放置底座的沟槽, 覆膜后再沿着挖好的沟槽放入底座, 以此来避免地膜损坏, 覆膜处理的小区进行蔬菜幼苗移栽时, 用小刀在薄膜上划开十字口, 然后移栽辣椒苗, 辣椒品种选用重庆龙胜种子经营部购买的龙椒一号, 移栽好后用土覆盖十字口, 保证覆膜处理的密封性, 每个底座内种植两窝辣椒, 翻耕前一次性施入基肥, 包括150 kg·hm-2磷肥(P2O5)和100 kg·hm-2钾肥(K2O), 氮肥(尿素)则在基肥和追肥时各施一半, 共计300 kg·hm-2, 2016年6月12日追施氮肥, 由于辣椒遭受轻微虫害, 在6月23日和7月3日喷洒农药, 2016年9月13日铲除所有辣椒, 2016年9月26日进行翻耕、施肥、播种萝卜籽并覆膜, 萝卜品种选用广西横县子龙商贸有限公司购买的九斤王, 除了氮肥施入量为200 kg·hm-2, 田间管理与辣椒季的完全相同, 2016年12月5日追肥, 最后于2017年2月底一次性收获全部萝卜.在整个试验期间, 除了自然降雨外, 不进行人为灌溉.
1.3 样品采集与分析 1.3.1 气体样品采集采用静态暗箱法采集CH4和N2O, 垄采样箱设计为分节组合式标准箱, 由顶箱、延长箱和底座组成, 底座尺寸为长50 cm、宽50 cm和高20 cm, 顶箱和延长箱尺寸均为长50 cm、宽50 cm和高50 cm, 箱体外覆白色棉被, 防止太阳辐射使箱内温度升高, 延长箱的使用根据作物生长高度而定.暗箱的顶箱上部装有两个轴流风扇, 用以混合箱内气流, 侧面安装电源插头和气体采集口.垄内底座(长50 cm、宽50 cm和高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.沟采样箱分为底座和小型不锈钢圆筒, 底座尺寸为直径20 cm和高5 cm, 不锈钢圆筒尺寸为直径20 cm和高25 cm, 箱顶中间装有采气的导管.采样时, 将顶箱盖在底座上, 并用水密封, 在30 min的时间内每隔10 min采集一次样品, 共采集4个气体样品.沟底座埋设在相同处理小区的沟内.垄的采样周期为一周一次, 沟为两周一次, 在每次施肥和追肥后分别在垄上和垄沟内进行了连续3 d的气体样品加密采样.采样时间均为09:00~11:00, 气样采集的同时测定采集开始和结束时箱内、箱外土壤的温度, 以及地表和地下5 cm的土壤温度.
气体采集后在24 h内使用Agilent 7890A气相色谱仪进行分析测定, 具体工作条件见文献[21], CH4采用FID检测器测定浓度, N2O用ECD检测器测定浓度, 并根据采样箱内气体浓度随采样时间的变化来计算气体的排放通量[22], 用线性内插法计算季节和全年累积排放量, 得到垄和沟中的气体排放总量分别为As和Ag, 通过对应的采样面积加权平均得到气体的季节和全年排放总量, 公式如下：
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(1) |
式中, Ss代表垄的面积(m2), Sg代表沟的面积(m2), S代表垄和沟的总面积(m2).
1.3.2 土壤指标测定方法作物生长期, 每隔7~10 d采集一次垄上0~20 cm的耕作层土壤, 带回实验室, 一部分风干处理后测量土壤pH, 使用酸度计测pH, 土壤有机碳(SOC)使用重铬酸钾容量法, 碱解氮使用碱解扩散法, 全氮(TN)使用凯氏定氮法, 一部分保存在4℃的冰箱里用于测量其他土壤指标, 用烘干法测定重量含水率, 铵态氮和硝态氮使用KCl浸提苯酚-次氯酸钠比色法和双波长法[23].
1.4 数据处理使用SPSS 21.0配对样品t检验分析常规和覆膜处理间土壤温度、含水率、SOC、ROC、碱解氮、硝态氮、铵态氮、TN、CH4和N2O排放通量的显著差异性, 以及相同处理下垄和沟间的CH4和N2O排放通量的显著差异性; 常规和覆膜处理间作物产量、CH4和N2O累积排放量的显著差异性采用LSD单因素方差分析; 相同处理下土壤温度、含水率及各项土壤理化性质与CH4和N2O排放通量的相关性采用Pearson相关性分析, 并使用Origin 8.5作图.
2 结果与分析 2.1 土壤理化性质 2.1.1 土壤温度图 1是常规和覆膜处理下土壤地表温度和地下5 cm温度的季节变化, 可以看出, 地表温度和地下5 cm温度的变化趋势相同, 均为单峰型, 从3月开始, 随着时间增加, 气温逐渐升高, 并在7月和8月出现峰值, 常规和覆膜地表温度的峰值分别为36.1℃和34.6℃, 常规和覆膜地下5 cm温度分别为31.2℃和33.15℃, 然后随时间增加, 温度逐渐降低, 并在1月降到最低.配对t检验结果表明, 辣椒季平均地表温度为覆膜(23.94℃)>常规(22.82℃)(P < 0.05), 平均地下5 cm温度为覆膜(25.29℃)>常规(24.33℃)(P < 0.01), 表明覆膜显著提高了辣椒季地表及地下5 cm温度.萝卜季平均地表温度为覆膜(14.99℃)>常规(13.73℃)(P < 0.05), 平均地下5 cm温度为覆膜(14.66℃)>常规(14.09℃)(P < 0.05).
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图 1 常规和覆膜下土壤温度的季节变化 Fig. 1 Seasonal changes in soil temperature under conventional and plastic film mulching treatments |
由图 2可知, 两种处理下土壤pH和含水率的变化形式相同, 表明覆膜不会改变土壤pH与含水率的季节变化趋势.辣椒季土壤pH整体高于萝卜季, 辣椒季常规和覆膜pH范围分别为5.45~6.33和5.78~6.34, 配对t检验下覆膜(6.06)>常规(5.83)(P < 0.01), 萝卜季分别为4.69~5.23和4.85~5.26, 平均pH为覆膜(5.04)>常规(4.94)(P < 0.01).
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图 2 常规和覆膜下土壤pH和含水率的季节变化 Fig. 2 Seasonal changes in soil pH and moisture under conventional and plastic film mulching treatments |
辣椒季土壤含水率在常规和覆膜处理下的变化范围分别为24.00%~68.03%和20.47%~62.58%, 平均含水率为常规48.74%和覆膜48.72%, 没有显著差异, 萝卜季整体上为覆膜高于常规, 常规和覆膜含水量变化范围分别为42.10%~59.82%和33.24%~66.38%, 平均含水率为覆膜(57.62%)>常规(50.38%)(P < 0.05).
2.1.3 土壤碳氮含量从图 3(a)可以看出, 辣椒季土壤SOC在两种处理下的变化趋势相同, 且常规高于覆膜, 平均值为常规(24.80g·kg-1)>覆膜(23.65 g·kg-1)(P < 0.05), 萝卜季常规下在施肥、播种后有机质急剧降低到最低值, 从26.24 g·kg-1到12.18 g·kg-1, 降低53.58%, 而覆膜下变化不大, 随后两种处理的变化趋势相同, 整体为覆膜高于常规, 平均值为覆膜(20.39 g·kg-1)>常规(16.22 g·kg-1)(P < 0.01).
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图 3 常规和覆膜下土壤碳氮的季节变化 Fig. 3 Seasonal changes in soil carbon and nitrogen under conventional and plastic film mulching treatments |
TN含量在两种处理下呈现相同季节变化趋势图 3(b), 虽然没有呈现出明显的季节变化高峰, 但施肥和追肥后全氮含量有一定的上升, 在辣椒季和萝卜季, 覆膜处理对土壤全氮含量影响均不显著(P>0.05), 辣椒季常规与覆膜处理平均含量分别为0.87 g·kg-1和0.88 g·kg-1, 萝卜季分别为1.18 g·kg-1和1.00 g·kg-1.
对于碱解氮, 两种处理下季节变化趋势相同图 3(c), 辣椒季碱解氮含量常规下变化范围为43.44~155.89 mg·kg-1, 在6月13日追肥时出现峰值155.89 mg·kg-1, 此后逐渐降低, 覆膜处理下没有明显的季节变化, 范围为76.29~127.42 mg·kg-1, 覆膜对土壤碱解氮含量没有明显影响(P>0.05), 常规和覆膜处理下碱解氮平均含量分别为101.74mg·kg-1和111.64mg·kg-1.萝卜季出现明显的双峰, 分别出现在施肥和追施氮肥后, 最高峰值为施肥时, 常规和覆膜分别为169.41mg·kg-1和214.47 mg·kg-1, 随后在萝卜发芽期和苗期含量迅速降低, 再趋于平缓, 并于12月5日追肥时出现次峰值86.53 mg·kg-1(常规)和124.25 mg·kg-1(覆膜), 覆膜对土壤碱解氮含量没有明显影响(P>0.05), 覆膜和常规处理下碱解氮平均含量分别88.99 mg·kg-1和76.90 mg·kg-1.
对于铵态氮, 辣椒季覆膜明显高于常规图 3(d), 覆膜下铵态氮含量范围为36.93~56.65 mg·kg-1, 常规为11.09~28.06 mg·kg-1, 配对t检验下覆膜(43.00 mg·kg-1)>常规(16.63 mg·kg-1)(P < 0.01), 萝卜季铵态氮在两种处理下的变化范围为10.02~41.95 mg·kg-1, 平均值为15.04 mg·kg-1(常规)和为15.93 mg·kg-1(覆膜)(P>0.05).
对于硝态氮图 3(e), 两种处理下变化趋势也相同, 覆膜明显降低了硝态氮含量, 辣椒季硝态氮平均含量为常规(121.43 mg·kg-1)>覆膜(98.80 mg·kg-1)(P < 0.01), 萝卜季平均值为149.94 mg·kg-1(常规)和126.73 mg·kg-1(覆膜), 没有显著差异.
2.2 蔬菜产量覆膜处理下两种作物的产量稍微高于常规处理, 但均无显著性差异.辣椒的平均产量分别为15.53 t·hm-2(常规)和16.67 t·hm-2(覆膜)(P>0.05), 萝卜的平均产量分别为126.95 t·hm-2(常规)和134.87 t·hm-2(覆膜)(P>0.05).
2.3 CH4排放通量的季节排放特征由图 4(a)可以看出, 垄CH4的排放通量在辣椒季为单峰型, 在6~8月多雨天气时排放量明显升高, 尤其是常规处理尤为明显, 常规和覆膜在7月17日出现最大峰值, 分别为0.58 mg·(m2·h)-1和0.17 mg·(m2·h)-1, 平均排放通量为常规0.11 mg·(m2·h)-1>覆膜0.03 mg·(m2·h)-1(P < 0.05), 说明辣椒季覆膜降低了向大气的CH4排放.相比之下, 萝卜季CH4通量的季节变化要相对平缓, 呈现出更多的吸收通量, 平均排放通量为常规0.01 mg·(m2·h)-1>覆膜-0.02 mg·(m2·h)-1(P < 0.05), 说明了在萝卜季, 覆膜使菜地由CH4的弱排放源转变为弱吸收汇.
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图 4 CH4排放通量的季节变化 Fig. 4 Seasonal changes in CH4 flux |
沟CH4的排放通量在常规和覆膜下表现出相同的变化趋势图 4(b), 且整体上为萝卜季排放通量高于辣椒季.辣椒季常规和覆膜下平均排放通量分别为0.058 mg·(m2·h)-1和0.057 mg·(m2·h)-1, 萝卜季分别为0.083 mg·(m2·h)-1和0.092 mg·(m2·h)-1, 均没有显著差异性(P>0.05).对比垄和沟, 垄既是CH4的源, 也是CH4的汇, 而沟中仅表现为CH4的源, 且沟CH4的排放通量波动范围较垄小, 为0.019~0.121 mg·(m2·h)-1, 表明沟的土壤环境比较稳定, 且主要为缺氧环境, 配对t检验下, 除了辣椒季的常规处理, 其它均为沟CH4的排放通量显著高于垄(P < 0.05), 表明沟CH4的排放量不容忽视.
2.4 N2O排放通量的季节排放特征由图 5可知, 覆膜处理没有改变N2O排放通量的变化趋势, 整个观测期N2O的排放通量表现为向大气排放, 对于垄N2O的排放通量图 5(a), 在辣椒季和萝卜季均能明显看出存在约3个峰值, 辣椒季分别出现在施肥、追肥和8月连续降雨后, 萝卜季分别为施肥、追肥和2月连续降雨后, 辣椒季常规和覆膜最大峰值分别为254.83 μg·(m2·h)-1和325.23 μg·(m2·h)-1, 萝卜季常规和覆膜最大峰值分别为269.49 μg·(m2·h)-1和180.40 μg·(m2·h)-1, 在辣椒季和萝卜季, 覆膜对垄N2O排放均无显著影响, 辣椒季常规和覆膜处理下N2O的平均排放通量为58.53 μg·(m2·h)-1和66.65 μg·(m2·h)-1(P>0.05); 萝卜季分别为79.02 μg·(m2·h)-1和66.20 μg·(m2·h)-1(P>0.05).
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图 5 N2O排放通量的季节变化 Fig. 5 Seasonal changes in N2O flux |
对于沟N2O的排放通量图 5(b), 常规和覆膜处理下N2O排放通量的季节变化趋势相同, 整体上, 覆膜处理下N2O的排放通量高于常规处理.在辣椒季, 覆膜对沟N2O通量无明显影响, N2O的平均排放通量常规和覆膜分别为20.64 μg·(m2·h)-1和21.51 μg·(m2·h)-1(P>0.05); 在萝卜季常规和覆膜平均排放通量分别为35.79 μg·(m2·h)-1和40.00 μg·(m2·h)-1(P>0.05).在施肥、追肥前沟N2O的变化幅度较小, 而在施肥、追肥后的1~2 d内常规和覆膜处理均出现明显的高峰, 且均为覆膜高于常规, 但沟中并不施肥, 表明存在垄N2O向沟扩散的现象, 但常规和覆膜间沟N2O的排放通量没有显著差异, 表明覆膜下虽然会增加由垄向沟扩散的气体含量, 但增加量较少, N2O主要还是通过膜渗透由垄排放.对比垄和沟, N2O的排放通量在常规和覆膜处理下均为垄显著高于沟, 表明N2O主要由垄向大气排放.
2.5 CH4和N2O的累积排放量由表 1可知, 常规和覆膜处理下CH4的加权平均值在辣椒季和全年下表现出显著差异性(P < 0.05), 这表明覆膜能显著减少全年CH4的排放量.N2O的加权平均值在常规和覆膜下没有显著差异, 表明覆膜处理对菜地中N2O的排放总量没有显著影响(P>0.05).
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表 1 常规和覆膜处理下CH4和N2O的累积排放量1)/kg·hm-2 Table 1 Cumulative CH4 and N2O emissions under conventional and plastic mulching treatments/kg·hm-2 |
2.6 环境因子与CH4和N2O排放通量的相关性
从图 6可以看出, 地表温度和地下5 cm温度在常规和覆膜处理下与CH4的排放通量均呈现正相关.常规下, 地表温度和地下5 cm温度与CH4的排放通量呈现极显著正相关(P < 0.01), 覆膜下, 地表温度和地下5 cm温度与CH4的排放通量呈现显著正相关(P < 0.05), 铵态氮、碱解氮与N2O的排放通量在常规和覆膜下均呈现显著正相关(P < 0.05).
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图 6 环境因子与CH4和N2O排放通量的相关性 Fig. 6 Correlation between environmental factors and CH4 and N2O emission fluxes |
当产甲烷菌产生的CH4超过甲烷氧化菌消耗的CH4时, 即为CH4的源, 导致CH4的排放, 当CH4的消耗超过它的生产时, 即为CH4的汇[24].本研究发现, 除萝卜季的覆膜处理下垄表现为CH4的吸收汇, 菜地主要为CH4的排放源, 即本研究菜地中产甲烷菌产生的CH4超过产甲烷菌消耗的CH4, 这与众多研究结果[15~17]不同, CH4的排放或吸收受多种因素影响, 包括施肥、灌溉和耕作等人类活动和有机质、pH、土壤含水率和NH4+等土壤性质[25], 其中土壤温度和含水率对CH4的氧化影响很大, 且土壤含水率的影响要远高于温度[26], Crill等[27]的研究中也提出CH4氧化与土壤水分密切相关, 当土壤中含水率过高, 水分会填充土壤的孔隙, 阻碍CH4和O2在土壤中的扩散[25], 从而影响土壤中CH4的氧化以及大气中CH4向土壤的迁移, 本研究中辣椒季平均含水率为48.73%, 萝卜季平均含水率为54.00%, 土壤水分含量较高, 阻碍O2在土壤中的扩散, 造成土壤局部缺氧环境, 这更利于产甲烷菌的活动[28], 同时CH4的排放或吸收还受氮肥的影响, 已有研究表明[29], NH4+对CH4氧化有很强的抑制作用, 这是由于NH3和CH4在被甲烷单氧酶氧化上存在竞争关系, 甲烷单氧酶对底物氧化的专一性极低, 土壤中的NH4+首先被甲烷单氧酶氧化, 直到NH4+被消耗殆尽, CH4氧化才得以开始, 因此, 在土壤水分和氮肥影响下, 土壤中的产甲烷菌产生CH4的速度超过甲烷氧化菌消耗CH4的速度, 使得本研究中菜地主要表现为CH4的排放源.
在辣椒季, 覆膜能显著增加土壤温度, 但覆膜下CH4的排放量却显著低于常规, 这是由于在复杂的农田生态系统中, CH4的排放受到多种因素的影响, 覆膜能直接阻隔部分CH4, 增加CH4的氧化时间, CH4氧化菌对温度的敏感度要低于产甲烷菌[25], 且覆膜能显著降低辣椒季SOC(图 3), 产甲烷菌得不到充足的反应底物, 从而显著减少了辣椒季CH4的排放量.Nan等[15]在关于覆膜对玉米地中温室气体的影响研究中发现覆膜能显著降低CH4的排放, 其试验时间在5月~9月, 这与本研究在辣椒季的发现一致.在萝卜季, 垄的排放表现为常规处理下的弱源和覆膜处理下的弱汇(表 1), 这表明萝卜季覆膜处理有利于垄CH4的吸收, 即甲烷氧化菌氧化CH4的速度高于产甲烷菌产生CH4的速度, 本研究中萝卜季MBC为覆膜(243.51mg·kg-1)>常规(181.84 mg·kg-1), 意味着覆膜增加了土壤中的好氧微生物量, 从而促进了甲烷的氧化[30], 且覆膜直接阻碍CH4的排放, 延长CH4的氧化时间, 这也促进了CH4的氧化, 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[17], 这很可能是覆膜下垄成为弱汇的原因.
垄作覆膜下垄高于沟, 沟中更有利于雨水的聚集, 使得沟在收集雨水方面起着关键作用[31, 32], 因此沟中的土壤含水率往往高于垄, 尤其在降雨之后, 常常出现积水现象, 这很可能是沟为CH4的排放源且全年排放量都较高的原因, 这也能解释沟CH4的排放通量在连续降雨和高降雨量后出现的峰值.常规下雨水可以直接渗入垄上, 多余的径流进入邻近的沟中, 但覆膜下雨水被塑料膜阻挡, 流入沟中, 因此覆膜较常规相比沟中聚集的雨水更多, 这也能解释辣椒季和萝卜季覆膜下沟CH4含量都高于常规, 萝卜季在10月有“华西秋雨”, 且温度较低, 土壤水分蒸发较少, 因此土壤含水率较高, 这有利于形成厌氧环境[33], 不利于CH4的氧化, 所以萝卜季沟CH4的排放量高于辣椒季, 且覆膜下沟的CH4排放量较高.
对比垄和沟, 除了辣椒季常规下垄CH4的平均排放通量显著高于沟, 其他均为沟显著高于垄, 这是由于垄CH4的排放通量存在季节性特征, 辣椒季较高, 萝卜季较低, 且本研究中覆膜处理下改变了垄的土壤环境, 促进了CH4的氧化, 与垄相比沟在全年的排放通量变化幅度更小, 很可能是由于沟的土壤环境比较稳定, Berger等[8]的研究也发现沟的土壤温度和含水率变化幅度较小, 本研究中由于西南地区降雨量较多, 沟中常常处于缺氧环境, 所以沟CH4的排放量在辣椒季和萝卜季均较高, 因此, 西南地区进行起垄耕作时, 注意及时进行沟内多余积水的排除更有利于CH4的减排.辣椒季常规下垄的排放通量较大, 这与6~8月的高温和高雨量有很大关系(图 4), 较多的降雨量造成土壤的缺氧环境, 高温更有利于产甲烷菌的活动[25], 同时辣椒季常规下土壤SOC含量较高, 为产甲烷菌反应提供了充足的SOC(图 3), 这是造成辣椒季常规下垄CH4的平均排放通量显著高于沟的主要原因.
同时, 覆膜处理不会导致部分垄CH4向邻近沟扩散.气体在土壤中的扩散系数主要取决于土壤的温度和空气孔隙率, 并随绝对温度的平方和空气孔隙率的变化成比例变化[34, 35], 本研究中覆膜能够显著增加土壤温度, 但常规和覆膜处理间辣椒季温差最大不超过10℃, 且温度对气体扩散的影响较小, 主要由空气孔隙率决定, 而辣椒季覆膜对土壤含水率没有显著影响, 同时覆膜阻隔了雨水渗透, 较常规处理而言环境相对稳定[19], 因此空气孔隙率变化较小, 所以覆膜对辣椒季垄CH4的气体扩散影响不大, 在CH4的气体扩散不受影响的情况下, 垄CH4的排放量降低, 但邻近沟CH4的排放量没有显著变化, 表明覆膜能够直接显著减少垄CH4的排放量, 且不会向沟扩散增加CH4气体.萝卜季覆膜下土壤含水率显著增加, 不利于CH4的扩散, 且覆膜下垄主要为CH4的汇, CH4的氧化能力更强, 因此覆膜下沟CH4的排放量显著增加的主要原因不是垄CH4的扩散, 沟的缺氧环境是主要原因.
3.2 地膜覆盖对N2O排放的影响覆膜处理对垄和沟N2O的季节和全年累积排放量均没有显著影响.Nishimura等[19]的研究中发现, 与不覆膜相比, 覆膜能显著增加N2O的排放, 这是由于覆膜下存在较高的温度和含水率, 这些均与本研究结果不同, 本研究结果中在辣椒季和萝卜季覆膜对垄N2O的累积排放量均没有显著影响, 与Liu等[36]的研究结果一致.N2O的排放通量会受到土壤水分和温度的影响[37], 本研究中N2O的排放通量也随着降雨量的增高而增高(图 5), 且在土壤温度较高的6~9月(图 1)出现较大的波动幅度(图 5), 同时, 还受到氮肥的影响, 在施肥和追肥后均出现明显的峰值(图 5), 但本研究中温度和水分与N2O的排放通量没有显著相关性, 这与Berger等[8]的研究结果相同, 这是由于N2O的排放还与氮素含量有关, 无机氮素形态对N2O的排放影响较大, 土壤微生物将NH4+氧化为NO3-的硝化过程中、将NO3-和NO2-转化成低价氮的氧化物的反硝化过程中, 都会有N2O的产生[10], 本研究结果中覆膜对全氮、碱解氮的含量没有显著影响, 辣椒季虽然能显著增加铵态氮含量, 但同时又能显著降低硝态氮的含量(图 3), 因此辣椒季常规和覆膜下N2O的排放量无显著差异.
Nishimura等[19]的研究表明, 覆膜下垄N2O的排放量远高于沟, 这与本研究结果相同, 覆膜与常规处理下均为垄的平均排放通量显著高于沟, N2O主要由垄向大气排放(图 5), Ou等[38]的研究发现, 将熏蒸剂甲基溴注入到PE膜覆盖的土壤中, 可以通过膜的大量渗透释放到大气中, 这也表明塑料膜只能阻隔小部分气体, 大部分气体还是可以直接渗透出去.有研究表明[19, 20], 垄作覆膜能显著增加邻近沟中的N2O的排放量, 这是由于覆膜增加了垄向沟扩散的N2O气体, 这与本研究结果不同, 本研究结果中存在垄N2O气体向沟扩散, 但含量较低, 且覆膜不会增加垄向沟扩散的气体, 这与Berger等[8]的研究结果一致, 覆膜下沟N2O的排放通量较低, N2O主要通过膜渗透由垄上排放, 覆膜对沟N2O的排放通量没有显著影响, 这与土壤含水率有很大关系, 覆膜下土壤水分显著增加, 土壤中的空气孔隙率降低, 导致气体扩散受到阻碍[30, 31], 从而使得覆膜下沟N2O的排放通量与常规没有明显差异.
4 结论(1) 覆膜的全年保温效果好, 萝卜季保水效果更好, 极显著增加土壤pH, 对土壤氮素有一定的维持作用.
(2) 覆膜能够显著降低菜地辣椒季垄CH4的排放量, 在萝卜季使垄由常规下的CH4源转变为汇, 同时, 垄和沟间除了辣椒季的常规下, 其它均为沟CH4的排放量显著高于垄.覆膜下不会导致CH4由垄向邻近沟扩散.CH4的排放通量与土壤温度呈显著正相关.
(3) 覆膜对垄和沟中N2O的排放均没有显著影响, 但垄和沟间N2O的排放有显著差异, 表现为垄高于沟.在常规和覆膜下均存在垄N2O向邻近沟扩散的现象, 覆膜会增加扩散气体, 但并不显著, 覆膜下膜渗透向大气排放的N2O气体含量占主要部分.N2O的排放通量与碱解氮、铵态氮呈显著正相关.
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