2022, Vol. 43
2. 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学水土保持研究所, 杨凌 712100
2. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China;
3. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
温室气体(GHGs)的大量排放是引起全球气候变暖的重要原因[1], 农业活动是重要的GHGs排放源, 其对气候变化的影响主要是通过改变CO2、CH4和N2O这3种GHGs在土壤-植物-大气系统之间的交换而导致的[2].中国的农业GHGs排放量占全国总排放量的17%[3], 预计到2050年的排放量将会再增加30%[4].良好的管理措施可以使农业减排潜力大幅度提升[5], 因此在确保粮食安全的前提下, 制定合理的农田管理措施来有效减少我国农田土壤GHGs的排放, 对于缓解气候变暖、实现我国的减排目标具有重要意义.
地膜覆盖可有效改善土壤环境, 促进作物生长, 有较好的集水保墒、增产的作用[6].地膜覆盖使全国作物产量和水分利用效率分别提高了45.5%和58.0%[7], 特别在干旱地区已成为重要的农艺措施[8].然而连续多年覆盖聚乙烯地膜导致大量塑料碎片残留在土壤耕作层中, 进而造成土壤板结, 严重阻碍土壤中的水分和养分运输[9, 10], 对土壤生态环境造成严重影响[11].生物可降解地膜的研究和推广在国内外引起了极大的关注[12], 有研究表明, 生物可降解地膜能够减少土壤残膜污染, 具有保温、保墒、促进作物生长和增产等作用[13~16], 与普通地膜相比, 生物可降解地膜对土壤水分、温度及作物生长和产量的影响相当, 且差异不显著[13, 14, 17].
地膜覆盖措施显著改变了土壤水热条件及理化性质, 进而会影响到土壤呼吸过程和农田土壤碳、氮循环过程[18].有研究表明, 地膜覆盖使得土壤表层温度升高, 土壤微生物活性增强, 土壤呼吸速率加快, 促进了CO2的产生[19, 20], 但也有研究表明覆膜对CO2的排放没有显著影响[21].Cuello等[22]的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, 从而减少了土壤对CH4的吸收.覆膜会使土壤含水量增加, 减少土壤的好气条件, 促进反硝化作用的发生而增加N2O的排放量[23], 然而也有研究表明覆膜对N2O的排放没有显著影响[21]或者降低了旱地N2O的排放[24, 25].生物可降解地膜覆盖下的土壤氮含量[26]、温度[27]和水分[28]高于不覆盖, 且与聚乙烯地膜覆盖有差异, 因此GHGs的排放也不同于两者.胡国辉等[29]在对水稻的研究中表明覆盖生物可降解地膜能够改善土壤通气性, 降低了土壤产甲烷菌丰度, 并提高甲烷氧化菌丰度, 进而减少了稻田CH4排放量.Wang等[30]的研究表明生物可降解地膜增加了氨氧化细菌(AOB)的丰度和多样性以及N2O的浓度, 但明显减少了N2O的排放.由此可见, 不同的气候区、土壤性质和种植制度使得地膜覆盖下GHGs的排放结果不尽相同.
目前国内外关于覆膜对农田GHGs排放影响的研究多集中在覆聚乙烯地膜方面, 而对生物可降解地膜覆盖下的农田GHGs排放的研究有待加强, 且对聚乙烯地膜和生物可降解膜覆盖下的经济效益、环境影响和综合效益的对比研究较少.因此本文以关中地区的小麦-玉米轮作农田为研究对象, 通过设置不同地膜覆盖处理, 对比分析其对冬小麦-夏玉米农田土壤水热变化、作物产量和GHGs排放的影响差异.利用水分利用效率(WUE)、温室气体排放强度(greenhouse gas emission intensity, GHGI)和净生态系统经济预算(net ecosystem economic budget, NEEB)指标评估不同地膜覆盖对作物产量、农田温室效应和经济效益的影响, 通过探索生物可降解地膜替代聚乙烯地膜的可行性, 以期为关中地区粮食的可持续性生产和环境友好型覆膜种植技术提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验区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), 属暖温带半湿润大陆性季风气候.站内地形平整, 土层深厚, 土壤类型为塿土, 土壤质地为中壤土, 全年无霜期221 d, 降水多集中在7~9月, 多年平均降水量为620 mm, 多年平均气温为13.0℃.本试验初始时土壤(0~20 cm), ω(有机碳)为8.14 g·kg-1, ω(全氮)为0.95 g·kg-1, ω(硝态氮)为5.41 mg·kg-1, ω(铵态氮)为1.35 mg·kg-1, ω(速效磷)为20.91 mg·kg-1, ω(速效钾)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, 试验期间的气温和降水如图 1所示.
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图 1 小麦-玉米季节日最高温、最低温和日降水量 Fig. 1 Daily maximum air temperature, minimum air temperature and precipitation during the wheat-maize growing season |
本试验于2018年10月~2019年10月进行, 采用随机区组试验设计, 共设置3个处理, 即普通地膜覆盖(PM)、生物可降解地膜覆盖(BPM)和无覆盖种植(CK), 每个处理设置3次重复, 共计9个小区, 每个小区面积为5 m×6 m.小区之间有0.5 m的保护行, 试验区周围设有0.5 m宽的作物保护带.普通地膜为透明聚乙烯塑料地膜(PE), 膜厚0.01 mm, 生物可降解地膜主要成分为聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT), 呈白色半透明状, 膜厚也为0.01 mm, 降解产物为水、CO2和所含元素的矿化无机盐.供试小麦品种为“小偃22”, 采用条播种植, 行距为30 cm, 播种量为187.5 kg·hm-2.小麦播种后, 用1 m宽地膜覆盖小区土壤表面, 待小麦出苗后, 用剪刀将地膜沿着小麦种植行剪开, 使得小麦完全露出地膜, 并用土块将地膜边缘压好.冬小麦于2018年10月6日播种, 2019年6月3日收获, 播种前施入基肥：氮肥120 kg·hm-2(以N计), 磷肥100 kg·hm-2(以P2O5计), 于拔节期进行追肥：30 kg·hm-2(以N计).供试夏玉米品种为“秦龙14”, 采用先覆地膜后人工穴播的种植方式, 播种深度5 cm, 株距40 cm, 行距60 cm, 播种密度为45 000株·hm-2.夏玉米播种时, 先用地膜覆盖整个小区, 然后在膜上开孔种植.播种前施入基肥, 施用量为氮肥225 kg·hm-2(以N计), 磷肥90 kg·hm-2(以P2O5计), 整个生育期内无追肥.夏玉米于2019年6月14日播种, 2019年9月29日收获.整个作物生长季无灌溉, 其他田间管理措施与当地保持一致.
1.3 测定项目与方法 1.3.1 产量、温度和水分测定小麦收获后, 在每个小区选取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.玉米收获后, 随机选取小区代表平均长势的15株玉米, 人工脱粒测量重量换算成单位面积产量(t·hm-2).每次采气时, 将酒精温度计从地膜表面插入5 cm深处以测定土壤温度, 同时用土钻法采集0~10 cm土壤, 取土时将接缝处地膜揭开, 待取样完成后用土块将地膜压实.每个小区采3个点取平均值, 采用烘干法测定土壤含水量, 并换算成土壤孔隙度含水率(WFPS), 计算公式为：
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(1) |
式中, θ为0~10 cm土层体积含水率(%), γ为土壤容重(g·cm-3).
以20 cm土壤为一层, 在每个小区分别采集作物播前和收获后0~100 cm土层的土壤样品用烘干法进行土壤含水量的测定.土壤蓄水量计算公式为：
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(2) |
式中, W为土壤蓄水量(mm); h为土层深度(cm); γ为土壤容重(g·cm-3); w为土壤含水量(%).作物耗水量采用水量平衡法计算, 计算公式如下：
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(3) |
式中, ET为作物耗水量(mm); P为生育期降水量(mm); ΔW为作物播种前和收获后0~100 cm土壤贮水量的变化(mm); I为生育期灌溉量(mm); K为地下水的补给量(mm); R为地表径流量(mm).由于试验区地势平坦, 每个小区周围有高约20 cm的田埂, 地膜覆盖小区并非百分百全部覆盖, 降雨可沿地膜流入膜的缝隙和作物种植区域的孔内进而渗入土壤, 降水后径流可忽略, 因此R=0; 经分析土壤水分动态变化情况, 在计算深度100 cm(根系活动层)内不存在渗漏, 因此D=0; 此外, 由于地下水埋藏深度较深, 不存在地下水对作物的补给, 因此K=0; 整个生育期内无灌溉, 因此I=0, 即计算时I、R、K和D忽略不计.
根据冬小麦和夏玉米产量和生育期耗水量计算水分利用效率.作物水分利用效率计算公式如下：
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(4) |
式中, WUE为水分利用效率[kg·(hm2·mm)-1]; Y为籽粒产量(kg·hm-2).
1.3.2 气体采集与测定温室气体采用静态暗箱-气相色谱法进行采集和测定.采样箱由箱体和底座组成, 箱体尺寸为50 cm×50 cm×50 cm, 用不锈钢材料制成, 表面覆有隔热层, 箱内安装搅匀气体的风扇和抽气接口, 接口连接三通阀, 箱体顶部配有数字温度计.底座尺寸为50 cm×50 cm×5 cm, 上面附有凹槽, 在试验开展前1个月, 将底座埋设于小区中间, 埋设深度5 m, 后期保持不动.小麦和玉米种植于底座两侧, 对于地膜覆盖处理, 底座内土壤表面全部用地膜覆盖, 在小麦出苗后将地膜沿中间剪一条缝, 玉米播种时在中间开孔.采样之前槽内注水密封以保证箱内密封环境.气体采集时间为09:00~11:00, 在扣箱后0、10、20和30 min时用60 mL注射器采集箱内气体, 同时记录箱体温度显示器上的开氏温度.每7 d采集一次, 若施肥或降水, 则增加采样频率, 采样结束后立即带回实验室用气相色谱仪(Agilent 7890 A型, 美国安捷伦科技有限公司)进行分析.CH4和CO2使用氢火焰离子检测器(FID)测定, 载气为氮气, 柱温为80℃, 检测器温度为200℃, 流速为40 mL·min-1; 燃气是氢气, 其流速35 mL·min-1; 助燃气是空气, 流速350 mL·min-1.N2O使用电子捕获检测器(ECD), 载气为氩甲烷, 其柱温是65℃, 检测器温度330℃, 流速为30 mL·min-1.气体排放速率由4个连续样品浓度的斜率经过线性回归分析得出, 排放通量计算式为[31]：
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式中, F为温室气体排放通量[CO2: mg·(m2·h)-1; CH4: mg·(m2·h)-1; N2O: μg·(m2·h)-1]; ρ为CO2、CH4或N2O在标准状态下的气体密度(mg·cm-3); V为密闭箱体积(m3); A为密闭箱占地面积(m2); Δc/Δt为该次采样的4个气样由线性回归分析得到的CO2、CH4或N2O排放速率; T为采样时密闭箱内的绝对温度(K).
生长季土壤温室气体排放总量计算公式如下：
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(6) |
式中(以CO2为例), En为土壤的CO2排放总量(kg·hm-2); Ri为第i次采样时CO2的日排放通量[mg·(m2·d)-1]; Di为第i次采样到第i+1次采样的间隔天数(d).
1.4 全球增温潜势和温室气体排放强度根据最新IPCC研究成果, 在100年时间尺度下, CH4和N2O的增温潜势分别是CO2的28倍和265倍[5].由此, 全球增温潜势(global warming potential, GWP)和温室气体排放强度(GHGI)计算公式如下[32]：
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式中, GWP为全球增温潜势(kg·hm-2); En(CH4)、En(N2O)和En(CO2)分别为土壤的CH4、N2O和CO2排放总量(kg·hm-2); GHGI为温室气体排放强度(kg·t-1); Y为产量(t·hm-2).
1.5 净生态系统经济预算净生态系统经济预算(NEEB, 元·hm-2)是作物生产和农业活动的重要参考指标, 可用来表示不同农业措施下农艺生产力和环境可持续性之间的关系, 对实施不同措施的农田进行经济可行性评价[33], 计算公式如下[34]：
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式中, Ry为产量收益(元·hm-2), 为当地粮食收购的平均价格(小麦为2.38元·kg-1, 玉米为1.86元·kg-1)与籽粒产量乘积来获得; C为种植成本(元·hm-2), 本试验种植成本主要包括农资(如肥料、地膜、种苗等)和人工投入(播种、除草、揭膜、收获)等.其中, 覆盖生物可降解地膜的地块的作物收获后未降解部分继续降解, 最终产物是碳水化合物, 不会对土壤环境造成危害, 无需进行残膜回收处理.覆盖聚乙烯地膜的地块, 在收获后还需进行残膜回收, 以当地市场工价每人60元·d-1计.生物可降解地膜价格为24元·kg-1, 聚乙烯地膜的价格为12元·kg-1, GWPc为GWP成本, 以碳交易价格(103.7元·t-1, 以CO2-eq计)与GWP的乘积计算(元·hm-2)[34].
1.6 数据处理与分析采用SPSS 22.0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 2021软件制图.
2 结果与分析 2.1 土壤温度和水分的变化各处理土壤表层含水量(0~10 cm)主要受降水影响, 在降水后均有明显上升.如图 1和图 2(a)所示, 覆膜处理的土壤孔隙含水率普遍高于无覆盖处理, 与CK相比, 小麦季PM和BPM处理的平均土壤孔隙含水率显著提高了27.0%和17.8%(P < 0.05), 玉米季显著提高了17.9%和10.1%(P < 0.05).可见两种覆盖方式均具有较好地保水效果, 且PM在小麦-玉米季内的保水效果最好.如图 2(b)所示, 各处理表层土壤温度(0~5 cm)的变化趋势与气温一致.PM、BPM和CK处理的土壤温度均于1月下降到最低值, 7月达到峰值.在冬小麦出苗期至越冬期, 地膜具有一定的增温效应, PM处理的平均土壤温度较CK处理上升了0.57℃.而BPM处理在气温较低时(1~2月)也能明显提升0.53~1.27℃的土壤温度.返青期至成熟期, 覆膜降低了土壤温度, 与CK相比, PM和BPM的平均土壤温度分别降低了3.53℃和3.24℃(P < 0.05).但对比小麦生育期内土壤温度的最大值与最小值之差发现, 覆膜处理能够降低土壤温度的波动, CK的最高温度与最低温度的差值高达32.07℃, PM和BPM分别为26.97℃和24.77℃.在夏玉米生育期内, PM处理于8月中旬之前均提高了土壤温度, 增温幅度在1.25~5℃之间, 8月中旬之后增温能力减弱.BPM处理于7月中旬之前也提高了土壤温度, 增温幅度在1.67~3.5℃之间, 增温性能与PM处理无显著差异.然而随着生物可降解地膜的裂解和作物冠层的生长, BPM处理的增温能力逐渐减弱, 甚至降低了土壤温度.与CK相比, BPM从8月中旬至收获期, 土壤温度降低了0.1~1.23℃.整体来看, 玉米生长季PM处理的平均土壤温度显著提高了6.8%(P < 0.05), BPM提高了4.3%(P>0.05).
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图 2 不同处理土壤温度和土壤孔隙含水率的变化 Fig. 2 Dynamics of soil temperature and soil WFPS under different treatments |
从图 2(b)和图 3(a)中可以看出, 各处理小麦-玉米生育期的CO2排放量变化趋势与土壤温度变化规律相似, 呈现出鲜明的季节变化特点.相关分析表明, CO2排放通量与土壤温度显著相关(P < 0.01, 表 1).在冬小麦越冬期, CO2的排放量达到最低且基本保持不变.随着气温上升, CO2的排放量也随之增加, 排放的高峰期为5~8月.从排放总量来看, PM和BPM对小麦季CO2排放总量没有显著影响.在夏玉米生长季, PM、BPM和CK处理的CO2日平均排放通量分别为240.6、222.5和221.9 mg·(m2·h)-1.夏玉米种植初期气温较高且降雨较多使得CK的CO2排放通量高于覆膜处理, 而7月中旬之后, PM和BPM的CO2排放通量均高于CK, 且BPM的CO2排放量低于PM处理.如表 2所示, 覆膜对小麦季CO2的排放总量无显著影响(P>0.05).在夏玉米生长季, PM和BPM相比CK的CO2季节排放总量分别增加了23.8%(P < 0.05)和10.7%(P>0.05).从年排放总量看, 与CK相比, PM和BPM的CO2累积排放通量分别增加了18.5%(P>0.05)和7.8%(P>0.05).
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图 3 不同处理下小麦-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 wheat-maize growing season 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 between greenhouse gas emission and soil temperature and water filled pore space (WFPS) |
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表 2 不同处理对小麦-玉米农田CO2、CH4和N2O排放总量、产量、作物耗水量、水分利用效率、全球增温潜势、温室气体排放强度和净生态系统经济预算的影响 Table 2 Cumulative emissions of CO2, CH4, and N2O, Yield, ET, WUE, GWP, GHGI, and NEEB during the wheat-maize growing season under different treatments |
2.3 土壤CH4排放通量的季节变化
图 3(b)给出了不同处理的CH4排放通量变化趋势, 正通量表示土壤向大气排放CH4, 负通量表示土壤从大气中吸收CH4.从中可知, 小麦-玉米季的CH4既有吸收特征又有排放特征, CH4日排放通量在-0.07~0.09 mg·(m2·h)-1之间变化, 各处理CH4排放没有表现出明显的季节排放规律.相关分析表明, CK处理的CH4吸收通量与土壤温度呈显著正相关(P < 0.01), 而覆膜处理与土壤温度和土壤含水量均没有显著的相关性(表 1).覆膜处理在8月出现了CH4排放峰, 这可能与覆膜处理的土壤含水量较高, 造成土壤形成厌氧环境从而促进了产甲烷菌产生CH4有关.由表 2可知, 各处理在小麦和玉米生长季均为CH4的吸收汇.与CK处理相比, PM与BPM处理分别显著降低了42.0%和24.2%的土壤对CH4的年吸收量(P < 0.05).
2.4 土壤N2O排放通量的季节变化如图 3(c)所示, 各处理的土壤N2O排放表现出相似的季节规律.相关分析表明, 覆膜处理的N2O排放通量与土壤温度和土壤孔隙含水量呈显著正相关, CK处理仅与土壤孔隙含水量呈显著正相关(P < 0.01, 表 1).玉米播种初期, 受施肥与连续降雨的影响, 各处理均在6月23日出现排放峰, 且CK处理N2O排放峰最高, 峰值为868.1μg·(m2·h)-1, BPM峰值为298.9 μg·(m2·h)-1, PM处理最低, 峰值为228.7 μg·(m2·h)-1.覆膜处理的N2O排放峰明显低于无覆盖处理, 可能是因为连续降雨使得无覆盖处理的土壤孔隙含水率骤增, 加强了土壤的反硝化作用, 也可能与地膜较好地阻隔了土壤N2O的排放有关.小麦季施基肥一周后覆膜处理出现了较小的N2O排放峰, 追肥后未出现明显的N2O排放峰, 其余时间N2O的排放均未出现较大波动.夏玉米播种后的两周为土壤N2O的排放高峰期, 此期间各处理N2O的排放量占全生育期排放总量的47.7%~64.7%, 且PM和BPM较CK处理分别降低了48.5%和47.7%的N2O排放量, 而在非排放高峰期, PM的N2O排放较CK处理减少了4.4%, BPM的N2O排放较CK处理增加了5.2%.由表 2可知, 与CK处理相比, PM和BPM处理均增加了小麦季土壤N2O的排放总量, 但作用不显著(P>0.05).而覆膜能够显著降低夏玉米季土壤N2O的排放总量, PM和BPM处理分别降低了32.9%(P < 0.05)和29.0%(P < 0.05).整个轮作周期土壤N2O排放总量在1.03~1.27 kg·hm-2之间变化, 与CK相比, PM显著降低了18.8%(P < 0.05), BPM显著降低了18.2%(P < 0.05).
2.5 产量和WUE的变化不同处理对作物产量、作物耗水和水分利用效率的影响如表 2所示.两个覆膜处理均显著增加了冬小麦和夏玉米的产量, 与CK处理相比, PM和BPM的冬小麦产量分别显著提升了51.7%(P < 0.05)和32.3%(P < 0.05), 夏玉米产量分别显著上升了43.3%(P < 0.05)和19.5%(P < 0.05).由于PM和BPM增产的同时并未显著增加作物耗水量, 使得PM和BPM处理小麦季的水分利用效率分别比CK处理提高了33.1%(P < 0.05)和36.3%(P < 0.05), 夏玉米季提高了49.8%(P < 0.05)和18.4%(P < 0.05).从小麦-玉米生长季来看, PM和BPM处理显著提高作物产量的同时也显著提高了作物的水分利用效率, 其中, PM处理的产量显著高于BPM(P < 0.05), 但两者之间的水分利用效率差异不显著(P>0.05).
2.6 GWP、GHGI和NEEB的变化全球增温潜势(GWP)可以反映各类气体对全球变暖所造成的实际影响, 如表 2所示, PM和BPM处理小麦季的GWP相对于CK均无显著差异(P>0.05), 玉米季PM处理的GWP相比CK显著提高了21.8%(P < 0.05), BPM处理提高了9.2%(P>0.05).温室气体排放强度(GHGI)是将环境效益和经济效益相协调的综合评价指标, PM和BPM处理能够通过显著提高产量而降低GHGI, PM和BPM处理小麦季的GHGI分别降低了26.2%(P>0.05)和21.7%(P>0.05), 玉米季分别降低了15.7%(P>0.05)和9.0%(P>0.05).净生态系统经济预算(NEEB)是将全球增温潜势成本考虑在内的计算经济效益的一个重要指标, 相比CK处理, PM小麦季和玉米季的NEEB均显著增加, 增加比例分别高达97.7%(P < 0.05)和72.9%(P < 0.05).BPM处理由于较高的地膜成本, 小麦季的NEEB仅提高了24.3%(P>0.05), 甚至玉米季的NEEB略低于CK处理, 但差异不显著(P>0.05).综合小麦-玉米生长季来看, PM和BPM处理在一定程度上增加了GWP并降低了GHGI, BPM处理的GWP较PM处理降低了8.9%, PM和BPM两者的GHGI较CK处理降低了20.5%(P>0.05)和14.8%(P>0.05), NEEB提高了84.2%(P < 0.05)和8.9%(P>0.05).
3 讨论 3.1 覆膜对土壤水热及作物产量的影响地膜覆盖能够消除土壤潜热交换、减弱显热交换和抑制夜间有效发射辐射来增加土壤温度[35].在对小麦覆膜的研究中, 张保军等[36]的研究发现, 覆膜在小麦拔节期之前增温效果显著, 拔节期后的增温效果不明显, 甚至降低.刘宏胜等[37]的研究表明, 地膜覆盖在春小麦生长初期有明显的增温效果, 而在春小麦扬花至灌浆期可降低土壤温度0.25~0.43℃.赵刚等[38]的研究表明, 生物可降解地膜和普通地膜较裸地0~20 cm的土壤温度增加6.43~7.65℃, 且普通地膜较生物可降解地膜深层温度提高0.26℃.本研究也得到了类似的结果, 覆膜处理于冬小麦季可以减轻土壤温度的波动, 在不同程度上有增温和降温的双重效应.普通地膜在冬小麦返青期之前土壤温度平均提高了0.57℃, 而生物可降解地膜在土壤温度较低时提升了0.53~1.27℃, 有效缓解了低温对冬小麦的生长造成危害.返青期至成熟期, 普通地膜和生物可降解地膜均显著降低了土壤温度(P < 0.05), 这可能是因为冬小麦冠层的增大导致太阳辐射无法直射地面[39], 覆膜对土壤潜热的保持作用减弱, 同时覆膜土壤的水分含量较高, 土壤比热大而升温缓慢, 所以覆膜表现出降低土壤温度的效果.在夏玉米生育前期, 生物可降解地膜与普通地膜在提高土壤温度方面有着同等的效果, 随着玉米冠层的逐渐增大, 两种地膜的增温效应也逐渐减弱.到夏玉米生育后期, 生物可降解地膜的保温效果不再明显, 这与胡宏亮等[40]的研究结果一致.甚至生物降解地膜在夏玉米生育后期相比无覆盖降低了土壤温度, 这可能也与生物降解地膜覆盖下更高的土壤含水量造成土壤比热大而升温缓慢有关.整体来看, 普通地膜在小麦和玉米季的平均土壤温度高于生物可降解地膜, 这一方面可能是两种地膜的材料影响太阳辐射对土壤的作用, 另一方面也可能与生物可降解地膜在作物生育后期的裂解有关.地膜覆盖能够直接抑制土壤表面水分的蒸发, 通过蒸汽转移促进水分从深层土壤向表层土壤移动, 并在作物生长的关键阶段提高表层土壤的含水量[41].本研究中, 覆膜相比于无覆盖处理的表层土壤含水率能显著提高10.1%~27.0%(P < 0.05), 其中普通地膜的土壤孔隙含水率最高, 生物可降解地膜的保水效果略弱于普通地膜, 这也与生物可降解地膜的保墒效应在生育期内随着地膜裂解而明显减弱有关[42~44].
土壤覆盖模式的优化可以有效改善土壤水热条件, 对提高作物产量有重要作用.赵刚等[38]的研究表明, 生物可降解地膜覆盖下冬小麦连续5 a平均产量和水分利用效率与普通地膜差异不显著.周昌明等[45]的研究表明降解膜与普通地膜覆盖下玉米各生长指标、籽粒产量与氮肥利用率无显著差异, 且均显著大于未覆膜处理. Zhang等[46]的研究表明与无覆盖相比, 生物可降解膜覆盖显著提高了玉米产量.本研究的结果与上述结果一致, 即普通地膜和生物可降解地膜均显著提高了作物的产量和水分利用效率.冬小麦生长季, 普通地膜和生物可降解地膜的增产比例分别高达51.7%(P < 0.05)和32.3%(P < 0.05), 而生物可降解地膜由于更低的冬小麦耗水量, 其对应的水分利用效率为最高, 较无覆盖显著增加了36.3%(P < 0.05).由于冬小麦生育期恰好处于降水贫乏时期, 覆膜能够调控土壤水分的时空再分配[47], 有效降低无效蒸发, 促进小麦根系下扎[48], 充分利用深层土壤水分[38], 同时, 覆膜对冬小麦生育前期的保温作用对培养冬前壮苗, 促进小麦高产做出了一定的贡献.玉米是C4作物, 喜水喜热, 覆膜条件下适宜的土壤水热环境有助于玉米的生长发育和最终的产量形成.普通地膜的夏玉米产量和水分利用效率较裸地显著上升了43.3%(P < 0.05)和49.8%(P < 0.05), 生物可降解地膜也具有显著的增产作用, 夏玉米产量和水分利用效率较无覆盖显著上升了19.5%(P < 0.05)和18.4%(P < 0.05).全年来看, 普通地膜处理的作物产量显著高于生物可降解地膜, 这可能是因为生物可降解地膜在作物生长中后期的透水性增加, 保水保温性减弱, 力学性能也显著下降, 进而影响生物可降解地膜的增产效果.
3.2 覆膜对土壤温室气体排放的影响旱地CO2的产生主要来自于微生物和作物根系的自养呼吸[49].农田不同管理措施会改变土壤温湿度, 影响农业生态系统中作物、土壤微生物的活性及土壤中碳的代谢作用, 调节农田碳的生物化学过程进而影响土壤CO2排放[50].本研究的相关分析表明, CO2的排放通量与土壤5 cm深度处的温度呈现显著正相关, 与覆膜条件下的表层土壤含水量没有显著的相关关系(表 1), 说明土壤温度是影响CO2排放的主要因子之一, 表层土壤含水量的影响相对较小.冬小麦越冬期土壤温度较低, 微生物和作物根系的呼吸作用较弱, CO2排放量较低, 而在7~8月, 玉米根系呼吸作用强烈, 且土壤温度最高, 微生物活性增强, 产生大量的CO2.小麦和玉米种植初期, 各处理土壤CO2均有较高的排放并出现排放峰, 这一方面是因为降雨前的土壤含水量较低, 降雨会使土壤微生物产生Birch效应, 使CO2通量瞬时增加[51], 另外种植初期CO2的高排放与氮肥的施用也有一定的关系, 施氮肥降低了土壤中的碳氮比, 从而增加了土壤有机质中碳的分解和释放.部分研究认为, 在地膜覆盖系统下, 土壤CO2排放总量是减少的, 但土壤中CO2的浓度增加, 主要是因为覆膜能够较好地阻隔气体释放到大气中, 出现了产量大而排放小的现象[52, 53].然而, 也有研究认为膜下较高的土壤温度会加速气体分子的活动并从土壤中释放[54], 这可能会降低塑料薄膜的阻隔效果.本研究中, 普通地膜和生物可降解地膜均未显著增加冬小麦季CO2的排放, 可能与冬小麦生长后期薄膜呈现出一定的降温效应缓解了CO2的释放有关.而普通地膜和生物可降解地膜均增加了夏玉米季CO2的排放, 这是因为覆膜整体上提高了土壤表层温度, 土壤中微生物的活性增强, 加速土壤有机碳的分解, 土壤呼吸速率加快, 进而促进了土壤CO2的排放.尽管夏玉米生长前期由于地膜的阻碍作用使得覆膜处理下土壤CO2的排放量低于不覆盖处理, 但是在夏玉米生长后期, 玉米冠层随着叶片的萎蔫而收缩[30], 太阳短波辐射可较好地透过破裂程度小的普通地膜[55], 因此普通地膜后期依然具有增温作用, 使得土壤后期处于较高的CO2排放状态.生物可降解地膜能在微生物的作用下最终分解为水、CO2及其所含元素的矿化无机盐[56], 而在本研究中生物可降解地膜的CO2排放相较普通地膜却并未增加, 可能是因为生物可降解地膜的增温效果稍弱于普通地膜, 且在夏玉米生育后期, 生物可降解地膜降低了土壤温度, 这在一定程度上会减弱土壤CO2的排放速率, 也可能是由于生物可降解地膜完全分解为CO2需要更长的周期.与普通地膜相比, 生物可降解膜在冬小麦和夏玉米生长季能分别降低6.8%和10.6%的CO2排放, 对CO2的减排效果要优于普通地膜.
CH4氧化菌是土壤中利用CH4作为唯一碳源和能源的一种微生物, 它可以消耗土壤中的CH4, 限制土壤中的CH4流向大气, 并吸收大气中的CH4[57].目前认为水稻田是CH4的主要人为排放源, 但在好气条件下CH4又会被CH4氧化菌所氧化, 从而使好气土壤成为CH4吸收汇[58].因此, CH4的排放量不仅取决于CH4的生成能力, 还在于对CH4的氧化能力[29].本研究结果显示CH4的吸收通量季节变化不明显, 小麦季的吸收通量与玉米季的吸收通量相差无几, 地膜覆盖显著减少了土壤对CH4的吸收量, 这可能是因为覆膜对大气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CH4消耗[59].但也有研究发现覆膜对CH4排放量的影响不大[60, 61], 可能是因为覆膜在一定程度上阻隔了土壤的气体流通, 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.本研究发现生物可降解膜覆盖在小麦季和玉米季对CH4的吸收能力均比普通膜覆盖更强, 整个轮作周期内的吸收量比普通地膜提高了30.5%, 这可能与降解膜的逐步降解导致透气性优于聚乙烯地膜, 土壤中含有足够的氧气, 有利于CH4氧化菌的生长有关.
N2O的排放主要来自于人为源, 其中旱作农田是N2O的主要排放源[2].土壤N2O的排放量随着施肥和暴雨事件的发生而增加[62], 同时也受土壤温度和湿度等因素的影响[63].本研究的相关分析显示, 覆膜条件下, N2O的排放与土壤表层温度和土壤水分均具有显著的相关性(P < 0.01).Nishimura等[23]的研究指出, 地膜覆盖增加了N2O的排放量, 但也有研究表明, 地膜覆盖降低了作物全年N2O的排放量, 这主要是因为其研究区域为亚热带地区, 地膜覆盖的保湿作用并不明显, 也可能与农田的管理方式以及气候差异有关[21].本研究与上述结果不尽相同, 普通地膜和生物可降解地膜增加了小麦季土壤N2O的排放, 可能是由于地膜覆盖下的水热以及养分条件得到了协同改善[64], 土壤微生物的活性和数量迅速增加, 并且地膜覆盖相对减少了土壤中局部氧浓度, 使反硝化作用增强, 从而引起土壤N2O排放增加; 也可能与地膜覆盖使干湿交替及冻融交替过程被有效抑制, 膜下的氮素得到一定程度的累积, 增加了N2O的排放有关[65].但由于地膜的阻隔作用, 土壤N2O的增加并不显著, 两种地膜覆盖下的土壤N2O排放也没有显著性差异.夏玉米种植初期氮肥施入后N2O出现了较高的排放, 可能是因为土壤中NH4+和NO3-浓度迅速增加导致硝化和反硝化过程加剧, 进而使N2O产生量增加[66].覆膜降低了施肥后土壤N2O排放峰值, 进而显著减少了夏玉米季农田土壤N2O的排放总量, 减排比例高达32.9%和29.0%, 其中覆膜在N2O的高排放期能够减少47.7%~48.5%的排放.在非排放高峰期, 普通地膜减少了4.4%的N2O排放, 生物可降解地膜增加了5.2%的N2O排放, 这一方面可能是因为普通地膜在夏玉米生长中后期依然较高的覆盖度阻挡了大部分N2O的排放, 生物降解地膜的隔绝作用减弱导致了更多的N2O排放; 另一方面可能是因为普通地膜促进了夏玉米根系对土壤氮素的吸收, 降低了土壤硝化和反硝化作用所需的氮源, 从而减少了N2O的排放[24], 而生物可降解地膜覆盖下的根系对土壤氮素的吸收能力稍弱.总体而言, 生物可降解膜对N2O的减排效果与普通地膜无异.
3.3 覆膜对GWP、GHGI和NEEB的影响地膜覆盖技术能够充分利用光照和水分等资源促进旱地作物产量大幅度增加, 但是同时也带来了不同程度的环境问题.按照单位质量的CH4和N2O全球增温潜势在100年时间尺度上分别为CO2的28倍和265倍可计算农田的全球增温潜势.大部分的研究中GWP仅包括GWPCH4和GWPN2O, 但处理间CO2累计排放量达到显著差异时, CO2不能再当作非人为活动温室气体排放源, GWP未包括GWPCO2, 这样的增温潜势不够全面和客观, 所得出的净生态系统经济预算也会高于实际[32], 因此本研究中的GWP包括GWPCO2、GWPCH4和GWPN2O.温室气体排放强度量化了农业温室气体排放和籽粒产量的关系, 是判断农业管理措施是否符合可持续发展理念的重要指标之一[67].Chen等[20]的研究表明, 地膜覆盖措施显著增加了GWP, 但显著降低了GHGI, 因此, 提高粮食产量是降低GHGI的有效途径.秦晓波等[68]的研究表明, 减少稻田CH4排放量会使整体的GWP下降而有效降低稻田GHGI.本研究发现覆膜处理在小幅度增加了GWP的同时, 作物的产量也显著增加, 从而使得GHGI相比无覆盖均有所降低, 普通地膜和生物可降解地膜小麦季的GHGI分别降低了26.2%和21.7%, 玉米季分别降低了15.7%和9.0%.由于农民承担经济风险的能力有限, 一种农业管理措施是否被采用往往取决于它所带来的经济效益而不仅仅依靠产量[69].净生态系统经济预算是农业生产和农业活动的主要考虑因素, 它直接影响政府决策和农民参与的热情程度[34].净生态系统经济预算由产量收益、种植成本和GWP成本共同决定, 种植成本在试验设计时已经固定.在小麦-玉米轮作期, 普通地膜和生物可降解地膜种植成本比无覆盖处理分别高出2 800元·hm-2和4 400元·hm-2, 同时覆膜处理增加了GWP, 这也相应地增加了GWP成本.本研究中, 普通地膜覆盖由于高的产量收益能够显著增加小麦季和玉米季的NEEB, 生物可降解地膜小麦季的NEEB较无覆盖处理增加了24.3%, 而玉米季的NEEB降低了3.9%, 但未达到显著水平, 这说明尽管生物可降解地膜相比无覆盖能够带来可观的产量收益, 相比普通地膜具有一定的减排效果, 但仍无法完全抵消其高昂地膜成本产生的额外花费, 这也是限制生物可降解地膜的广泛应用的主要原因.生物降解材料的原材料PBAT的价格在2万元·t-1左右, 比普通PE膜贵1倍.因此, 降低生物可降解地膜的成本是摆脱其推广瓶颈的主要对策, 一方面需要研发企业在保证降解性能的同时通过添加价格较为低廉的无机物添加剂、降低地膜厚度、降低降解高分子原材料的成本等方法缩小与普通地膜的差距, 另一方面需要政府给予适当的补贴政策促进生物可降解地膜的推广应用.
4 结论(1) 与无覆盖相比, 普通地膜显著增加了玉米季CO2的排放总量(P < 0.05); 小麦-玉米季的农田土壤总体表现为CH4的吸收汇, 覆膜能够显著减少土壤对CH4的吸收(P < 0.05); 普通地膜和生物可降解地膜覆盖均显著减少了夏玉米农田土壤的N2O排放(P < 0.05).
(2) 普通地膜和生物可降解地膜显著提高了作物的产量和水分利用效率且一定程度上降低了GHGI.普通地膜覆盖能够显著增加小麦季和玉米季的NEEB(P < 0.05), 而生物可降解地膜显著提高的产量收益无法抵消其高昂地膜成本产生的额外花费, 小麦季的NEEB较无覆盖处理增加了24.3%, 玉米季的NEEB与不覆盖无显著性差异(P>0.05).
(3) 综合以上分析, 生物可降解地膜较无覆盖能够显著提高作物的产量和水分利用效率(P < 0.05), 在一定程度上降低了温室气体排放强度, 并增加了净生态系统经济预算, 同时在减少小麦-玉米农田土壤CO2和N2O的排放、促进CH4的吸收及降低全球增温潜势方面显示出比普通地膜更好的效果.因此, 生物可降解地膜具有代替普通地膜的可行性, 从产量、水分利用效率、环境效益和经济效益考虑, 生物可降解地膜覆盖方式是关中地区小麦-玉米轮作系统绿色高效生产的有效途径.
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