膜下不同滴灌量對復播大豆農田土壤呼吸及有機碳的影響

杜孝敬，安崇霄，徐文修，唐江華，房彥飛，張 娜，李 玲

(新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤在陸地生態系統碳循環中起著重要作用，全球土壤有機碳含量為1 500～2 500 Pg(1 Pg=1015g)，是大氣和生物碳儲量的4～5倍[1-2]，土壤有機碳輕微的改變對大氣中CO2濃度產生較大影響[3]。農田生態系統不但是重要的陸地碳庫，而且是溫室氣體重要的“源”和“匯”，據估計，農業活動產生的CO2占人類活動排放CO2的11%(5.6 Pg)[4-5]，大氣CO2濃度不斷上升相對應的是全球氣候變暖[6]。氣候變暖對糧食作物的種植區域和種植制度等方面的影響日益加劇[7-8]，北疆伊犁河谷地區冬小麥收獲后利用富余熱量資源種植復播大豆，雖提高了復種指數，但復種模式加大了對農田灌溉水和肥的周年總投入，增加了溫室氣體總排放量，對農田生態系統碳平衡造成一定影響。利用有限的水資源，提高作物穩產的同時減少農田生態系統碳排放，對提高農田土壤固碳潛力有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】土壤中的水、氣、熱等因素常被認為是影響土壤有機碳的主要限制因子，這些研究主要集中在耕作方式[9-10]、有機肥配施[11-12]、灌水量[13-14]等。其中灌水量的多少對土壤有機碳含量變化的影響不盡相同，土壤水分含量通過影響土壤的透氣性，進而改變土壤外源有機碳的降解和土壤有機碳的礦化分解過程[15]，影響農田土壤有機碳含量的高低。當土壤水分過量時，其透氣性下降，土壤有機碳礦化分解變慢，土壤水分過多也會加速有機殘體降解為土壤中的有機物質，使土壤有機碳含量提高[16-17]；當土壤水分比較低時，會增大土壤孔隙度，加速土壤有機碳的分解速率，增加溫室氣體CO2的排放，使土壤有機碳含量減少[18]。地膜覆蓋措施因其良好的增溫、保水、增產等作用在我國北方旱區農業生產中被廣泛推廣和應用[19]。張成娥[20]和Liu等[21]研究認為，地膜覆蓋能夠改善土壤水熱條件[22]，增加土壤有機質(碳)含量；李曉莎等[23]研究發現，地膜覆蓋顯著的增加了春玉米生長季農田 CO2累積排放量，增加幅度為 8%～39%，但Yang等[24]卻認為覆膜會抑制農田 CO2的產生?！颈狙芯壳腥朦c】目前研究多以一年一熟作物居多，有關一年兩熟作物主要以冬小麥-夏玉米[25-26]為主。研究冬小麥收獲后種植的膜下滴灌復播大豆?！緮M解決的關鍵問題】研究減量滴灌對復播大豆農田土壤呼吸及土壤有機碳的影響，評價出復播大豆既不減產或者少量減產的同時又能促進土壤有機碳積累的最佳膜下滴灌量，為新疆北疆應對氣候變化、發展低碳農業提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年7～10月在伊犁州伊寧縣農業科技示范園進行(44°N，81°E，海拔813 m)。該試驗區位于天山西部，伊犁河谷中部，屬溫帶大陸性半干旱氣候，夏秋氣候干燥較熱，晝夜溫差顯著，年平均日照可達2 800～3 000 h，年平均氣溫8.9℃，年均降水量257 mm，無霜期169～175 d。試驗土地質地為壤土，0～30 cm耕層有機質含量14.5 g/kg，堿解氮含量86.6 mg/kg，速效磷含量16.8 mg/kg，速效鉀含量159 mg/kg，土壤pH值為 8.0。復播大豆各生育期降水量：苗期、開花期、結莢期、鼓粒期和成熟期分別為27.00、29.80、3.30、34.80和1.30 mm。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用單因素隨機區組試驗設計。復播大豆未覆膜條件下的不同灌水量進行研究，并篩選出能獲得大豆高產的最佳灌水量為4 200 m3/hm2。以4 200 m3/hm2灌水量為額定灌水量，設置膜下滴灌量分別為額定灌水量的100% (W0)、90% (W1)、80% (W2)、70% (W3)、60% (W4)和50% (W5)，并以未覆膜的額定灌水量為空白對照(CK)，共7個處理。每個處理重復3次，共21個小區，每個小區面積為30 m2(5 m×6 m)，各小區進水口均有水表控制進水量。試驗地前茬作物均為冬小麥。2019年7月4日人工播種，供試品種為黑河45號，采取地膜栽培，膜寬為70、30 cm等行距播種(株距為6.3 cm)。灌溉方式為膜下滴灌技術，滴灌帶采用1管2的鋪設方式，毛管間距為60 cm。各處理在開花期均隨水滴施尿素150 kg/hm2，在鼓粒期噴施葉面肥(KH2PO4)1次，其他管理同當地大田一致，2019年10月18日成熟收獲。全生育期均灌水8次。表1

1.2.2 測定指標1.2.2.1 土壤CO2呼吸

采用開路式土壤碳通量測量系統LI-8100A儀器測定，在復播大豆各生育時期對農田土壤呼吸進行觀測。自制規格直徑為20 cm、高為20 cm的PVC環，氣室放置在PVC環上，PVC環垂直插入土壤中，其上部距土壤表面5 cm，將其安裝在兩膜之間的裸地，選擇晴朗無風條件下，在12：00～14：00測定。LI-8100A 數據采集頻率為每 2 s 記錄1次數據，測定時長為180 s，每個處理重復測定3次，取平均值代表該處理當天土壤 CO2的平均釋放速率。

1.2.2.2 土壤總有機碳、活性有機碳及非活性有機碳

在復播大豆播種前和成熟后進行土樣的選取，取土樣時采用“S”取樣法在各小區選擇3點，每個點用土鉆分層取土樣，深度分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm，將取得的每一層次土樣混合均勻帶回實驗室。在室溫下風干后過2、1和0.25 mm篩子后裝自封袋。

土壤總有機碳(SOC)測定采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法。

土壤活性有機碳(AOC)測定采用333 mmol/L KMnO4氧化法。

土壤非活性有機碳含量(NAOC)=土壤總有機碳(SOC)-土壤活性有機碳(AOC)。

1.2.2.3 碳庫管理指數

參照 Blair等的計算方法，土壤碳庫管理指數計算方法如下：

碳庫指數(CPI)=樣品中全碳含量/參照土壤全碳含量；

碳庫活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量；

碳庫活性指數(AI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫管理指數(CPMI)=碳庫指數(CPI)×碳庫活度指數(AI)×100%。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010進行數據處理并制圖，用SPSS 19.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 膜下滴灌量對土壤CO2呼吸的影響

研究表明，各處理在不同測定時期土壤CO2排放速率均隨著滴灌量的增加表現為“先升后降”的變化規律。覆膜條件下，不同測定時期各處理土壤中CO2排放速率基本表現為W2>W3>W4>W5>W1>W0，計算不同測定時期各處理平均值可得，以W2處理最大，為2.88 μmol/(m2·s)，較W0、W1、W3、W4、W5各處理的平均值分別高出46.67%、30.37%、0.88%、17.74%和24.45%，且W2和W3處理之間無顯著差異，均與其他處理達到顯著水平(P<0.05)。在覆膜條件下，過多或過少的滴灌量可以降低土壤CO2排放速率，減緩溫室效應，但中等的滴灌量反而促進土壤CO2排放。圖1

圖1 不同滴灌量下復播大豆土壤CO2排放速率變化(μmol/(m2·s))Fig.1 Effects of soil CO2 emission rate of summer soybean under different treatments

2.2 膜下滴灌量對復播大豆農田土壤總有機碳(SOC)的影響

研究表明，各處理的土壤總有機碳(SOC)含量均隨著土層深度的增加呈現減小的變化趨勢，其中各處理SOC含量在土層0～30 cm較大，為16.94～20.48 g/kg，30～60 cm土層為14.27～15.38 g/kg，60～100 cm土層為11.39～12.69 g/kg。因為0～30 cm為土壤耕作層，是復播大豆根系主要集中層，再加上土壤犁地翻耕使冬小麥收獲后的秸稈還田，進而該層次土壤有機碳更多的積累。

同等滴灌量的覆膜W0處理比未覆膜CK處理增加0.25 g/kg，覆膜可增加土壤總有機碳含量。0～10和10～20 cm土層的SOC含量均隨著滴灌量的減少呈現“先增后降”的趨勢，其平均值均以W3處理最大，分別為20.48和18.46 g/kg，較滴灌量最大的W0處理高出8.23%和5.37%，較滴灌量最小的W5處理高出7.54%和3.44%，其中W2和W3處理之間無顯著差異(P<0.05)；大豆生長期間過少或過多的滴灌量都會導致土壤SOC 含量降低，而中等滴灌量更有利于促進大豆農田 SOC 的積累。圖2

圖2 不同處理下復播大豆土壤總有機碳變化Fig.2 Effects of soil organic carbon of summer soybean under different treatments

2.3 膜下滴灌量對復播大豆農田土壤活性有機碳(AOC)的影響

研究表明，各處理0～100 cm土層土壤活性有機碳(AOC)含量的變化趨勢與 SOC相同，均隨著土層的加深而降低。其中，不同土層的未覆膜CK處理AOC含量均低于覆膜W0處理，覆膜能夠使土壤活性有機碳含量增加。0～30 cm土層AOC含量隨著滴灌量的減少呈現“先增后降”的趨勢，累加0～30 cm土層AOC含量并計算其平均值可得，以W3處理最大為2.62 g/kg，較滴灌量W0、W1、W2、W4、W5處理分別高出9.44%、5.90%、0.22%、7.02%和10.54%；土層40～100 cm的土壤基本不受外界灌溉、機具等作用力的影響，該層次的 AOC 含量也相對較為穩定，各處理之間無顯著差異(P>0.05)。中等的滴灌量有利于農田耕作層(0～30 cm)AOC 含量的增加。圖3

圖3 不同處理下復播大豆土壤活性有機碳變化Fig.3 Effects of soil active organic carbon of summer soybean under different treatments

2.4 膜下滴灌量對復播大豆農田土壤碳庫管理指數(CPMI)的影響

研究表明，不同土層覆膜W0處理的土壤CPMI均大于未覆膜CK處理。進一步分析覆膜條件下不同滴灌量處理可知，0～30 cm土壤CPMI 隨著灌水量的增加呈“先增后降”的變化趨勢，計算不同滴灌量0～100 cm土層CPMI的平均值以W3處理最高，相對于W0、W1、W2、W4和W5處理增加了5.60%、3.99%、0.83%、4.63%和5.88%，其中W3和W2處理之間無顯著性差異，與其它處理均達到顯著差異(P<0.05)。中等的滴灌量改善了土壤環境，有利于 SOC和 AOC 含量的積累，從而減少了土壤耕層 AOC 的流失，促進了土壤 CPMI 的提高，提高土壤肥力。表2

表2 不同處理下復播大豆土壤碳庫管理指數變化Table 2 Effects of carbon pool management index (CPMI) of summer soybean under different treatments

2.5 膜下滴灌量對復播大豆產量及水分利用效率的影響

研究表明，不同滴灌量對復播大豆產量及產量構成因素影響不同。覆膜W0處理的單株莢數、單株粒數、百粒重和產量均大于未覆膜CK處理，說明覆膜滴灌能有效提高大豆的單株莢數、單株粒數和百粒重，進而提高大豆產量。復播大豆產量隨著滴灌量的增加呈“先升高后降低”的變化趨勢，以W3處理最高，為3 304.90 kg/hm2，較W0、W1、W3、W4、W5處理分別提高了7.45%、5.16%、0.77%、8.42%和18.68%。方差分析產量構成因素，其百粒重受滴灌量影響不明顯，大豆產量受單株莢數和單株粒數影響較大，均基本表現為W2>W3>W1>W4>W0>W5，且W2和W3處理之間無顯著性差異(P>0.05)。過多或過少的滴灌量會抑制大豆莢數和粒數的形成，影響產量的提高。

覆膜滴灌量處理的灌溉水利用效率均比未覆膜CK處理的高，覆膜條件下灌溉水利用效率均隨著滴灌量的降低呈上升趨勢，其中W3和W4之間差異不顯著，但均與其他處理達到顯著差異(P<0.05)，中等的滴灌量(W3處理)不僅能保證大豆獲得較高的產量，還能使得農田灌溉水得以充分利用。表3

表3 不同處理下夏大豆產量、產量構成因素及灌溉水效率變化Table 3 Yields，yield components factor and irrigation water use efficiencies of summer soybean under different treatments

2.6 產量與土壤有機碳的相關性

研究表明，農田土壤SOC、AOC、CPMI 三者之間存在極顯著相關關系，其中AOC與CPMI相關性最大，為0.994，碳庫管理指數受土壤 AOC 含量影響最大。各處理復播大豆產量與農田土壤SOC、AOC、CPMI 均達到極顯著相關性，其與土壤 AOC 的相關關系最為密切，土壤 AOC 的高低不僅體現農田土壤總有機碳礦化分解的多少，間接影響土壤質量的高低，還對作物產量的高低密不可分。表4

表4 產量與碳庫管理指數的相關性Table 4 Correlation between yield and carbon pool management index

3 討 論

3.1 滴灌量對土壤CO2呼吸的影響

植物根系呼吸和土壤微生物呼吸是土壤呼吸最重要的組成部分[27]，土壤水分的多少會影響植物根系和土壤微生物的活動[28]，進而改變土壤 CO2的排放量[29-30]。試驗中，不同測定時期土壤CO2排放速率隨著膜下滴灌量的增加呈“先增后降”的變化趨勢，以中等滴灌量最大，滴灌量過多或過少時土壤呼吸均受到抑制，這與Kucera[31]和王健林[32]等研究結論一致。但與楊凡等[33]研究結果不同，其研究認為未覆膜夏玉米的CO2排放通量隨著灌水量的減少而降低，造成這種原因可能是地膜覆蓋后改善了土壤溫度和水分條件[34-35]，導致土壤 CO2釋放顯著增加[36]。

3.2 滴灌量對土壤有機碳的影響

大部分學者研究認為在半干旱、干旱區的灌溉能夠增加 SOC 儲量的結論，而對濕潤區的影響不明顯[37]。試驗中，在一定范圍內，0～30 cm土層SOC和AOC的含量均隨滴灌量的增加而增加，進而提高碳庫管理指數(CPMI)，在滴灌量2 940或3 360 m3/hm2時達到最大，當繼續增加滴灌量，SOC和AOC含量則呈現降低的趨勢，說明適量的灌溉能夠增加土壤有機碳的含量，過多和過少的灌水量則會降低，這與俞華林等[38]在常規灌溉條件下研究結果存在一致性。試驗還得出地膜覆蓋可增加耕作層的SOC和AOC含量，提高碳庫管理指數(CPMI)，這可能是因為在覆膜處理能夠增加土壤溫度[39-40]，加快耕作層土壤有機質的礦化分解，使得耕作層的SOC和AOC含量增加，CPMI提高。

4 結 論

4.1 不同滴灌量處理的土壤SOC、AOC、CPMI含量均隨著土層的加深呈不斷減小的趨勢，其中對土層0～30 cm差異顯著。

4.2 不同測定時期各處理土壤中CO2排放速率基本表現為W2>W3>W4>W5>W1>W0；土層0～ 30 cm的SOC、AOC、CPMI含量均隨著滴灌量的增加呈現“先增后降”的趨勢，均以W2或W3處理達到最大，其大豆產量也以W3處理最高，為3 304.90 kg/hm2，較W0、W1、W2、W4、W5處理分別提高了7.45%、5.16%、0.77%、8.42%和18.68%。

復播大豆適宜的膜下滴灌量為灌水定額的70%～80%(2 940～3 360 m3/hm2)，盡管在該區間時土壤CO2的排放較多，但同樣能夠固定更多的土壤有機碳和提高作物的產量。