地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田N2O排放影響的研究現(xiàn)狀

李曉莎，岳善超，李世清

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

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地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田N2O排放影響的研究現(xiàn)狀

李曉莎1,2，岳善超2*，李世清2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

摘要地膜覆蓋通過改善土壤環(huán)境，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量和農(nóng)田土壤N2O的產(chǎn)生與釋放。綜述了地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田N2O排放影響的研究現(xiàn)狀。針對(duì)目前研究中存在的問題提出建議，并對(duì)該領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞地膜覆蓋；N2O；小麥；水稻；玉米；棉花；大豆

氣候變暖所帶來的一系列問題嚴(yán)重威脅了人類的生存與健康。N2O、CO2和CH4是主要的3種溫室氣體，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率達(dá)到了80%[1]。其中，N2O是一種長壽的痕量溫室氣體，在對(duì)流層中的存在時(shí)間可達(dá)114年之久[2]，在100年的尺度上，N2O的增溫潛力是CO2的268倍[3]。據(jù)報(bào)道，1980～2005年大氣中N2O濃度從270 μg/L增加到319 μg/L，每年以0.25%的速率增長，如果一直以這個(gè)速率增長，大氣中N2O的濃度在2050年將達(dá)到350～400 μg/L。人類的生產(chǎn)生活引起的溫室氣體排放是全球氣候變暖的主要原因[4]，農(nóng)田土壤是重要的溫室氣體排放源[5]，各種農(nóng)藝措施都對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體的排放有重要的影響。土壤中的N2O主要是在微生物參與下通過硝化和反硝化作用產(chǎn)生的。硝化過程是在通氣條件下，亞硝化和硝化微生物將銨鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程；反硝化過程則是在缺氧條件下，由反硝化細(xì)菌將土壤中的硝酸鹽或硝態(tài)氮還原成氮?dú)?N2)或氧化氮(N2O和NO)的過程。此外，氮素的非生物轉(zhuǎn)化也可能導(dǎo)致N2O的釋放[6]。地膜覆蓋主要是通過影響土壤溫度、濕度以及作物的生長來影響土壤N2O的產(chǎn)生。地膜覆蓋在我國半干旱區(qū)很早就有應(yīng)用，但是在旱作糧食生產(chǎn)中的大面積應(yīng)用僅有10多年的時(shí)間[7]。自20世紀(jì)80年代開始，我國地膜覆蓋面積和使用量一直位居世界第1位[8]。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，2011年我國地膜用量已達(dá)120萬t，覆蓋栽培面積達(dá)2 330萬hm2，未來10年我國地膜覆蓋面積仍將以每年約10%的速度增長[9]。地膜覆蓋具有保水保墑和調(diào)節(jié)土壤溫度的作用，同時(shí)還可以緩輕極端天氣變化、優(yōu)化生長條件和延長生育期從而改善作物產(chǎn)量和質(zhì)量[10]。研究者對(duì)于地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、作物生長、養(yǎng)分利用以及產(chǎn)量的影響已進(jìn)行了大量的研究，并得出了一定的結(jié)論[11-17]，而地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田N2O的排放的影響目前沒有研究者給出結(jié)論。鑒于此，筆者在查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響的研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述與分析，并對(duì)今后的研究方向提出展望，以期為今后的研究提供借鑒。

1數(shù)據(jù)來源與研究概況

為全面了解國內(nèi)外對(duì)覆膜農(nóng)田N2O排放的研究，以地膜覆蓋、N2O為關(guān)鍵詞在CNKI和Web of Science進(jìn)行全文檢索，從中挑出完整生育期測定，并且文中有生育期累積排放量或可以通過文中數(shù)據(jù)、圖表計(jì)算得出生育期累積排放量的中文文獻(xiàn)7篇，英文文獻(xiàn)7篇。運(yùn)用PicPick、Getdata軟件從文獻(xiàn)的圖中得出數(shù)據(jù)，然后計(jì)算匯總得出表1。

由表1可知，現(xiàn)今國內(nèi)外對(duì)覆膜農(nóng)田N2O排放的研究還很少，并且主要集中在韓國和中國。韓國的研究主要集中在玉米和大豆2種作物上，而國內(nèi)研究作物相對(duì)較多，主要集中在糧食作物小麥、水稻、玉米和經(jīng)濟(jì)作物棉花上。小麥、玉米、棉花的研究分布在西北干旱半干旱地區(qū)，而水稻的研究則分布在四川、江蘇和北京等地。不同作物對(duì)于地膜覆蓋農(nóng)田N2O排放的影響并沒有得出一致的結(jié)論。

2作物種植對(duì)覆膜農(nóng)田N2O排放的影響

農(nóng)田N2O的排放就是作物-土壤系統(tǒng)中N2O的產(chǎn)生與釋放，作物的種植與生長都會(huì)改變土壤環(huán)境，從而影響N2O的產(chǎn)生與釋放。白紅英等[18]、朱詠莉等[19]的研究表明，地膜覆蓋的休耕地在小麥生育期N2O的累積排放量大于同時(shí)期內(nèi)裸露休耕地的排放量，并且在相同施氮量的情況下，小麥的種植促進(jìn)了N2O的排放，這可能是因?yàn)樽魑锏纳L在消耗土壤水分與養(yǎng)分的同時(shí)根系通過自身的代謝作用向土壤中分泌有機(jī)物及C、N等物質(zhì)，使得土壤中的硝化和反硝化細(xì)菌的活性與數(shù)量增加，進(jìn)而使得硝化與反硝化過程得到加強(qiáng)。而楊蘭芳等[31]對(duì)不覆蓋玉米田的研究認(rèn)為，玉米的生長與土壤微生物競爭土壤有效氮，可以定量地減少土壤N2O的排放。這可能與氮肥水平有關(guān)，當(dāng)?shù)夭皇窍拗埔蛩貢r(shí)，硝化和反硝化細(xì)菌數(shù)量與活性增加，促進(jìn)了N2O的排放，而當(dāng)?shù)夭怀渥銜r(shí)，有效氮的含量成了硝化與反硝化作用的限制條件，則作物的生長吸收消耗氮素，減少了N2O的排放，畢竟土壤中存在多余的有效氮是土壤N2O產(chǎn)生的前提條件之一。

3不同作物對(duì)覆膜農(nóng)田N2O排放的影響

作物的種類有時(shí)比施肥更能影響N2O的排放。有研究表明施肥較多的小麥生長季的N2O釋放通量是未施肥的菠菜地的2倍，而僅施少量底肥(施肥量為小麥地13%)的大豆田的N2O的平均釋放通量卻為小麥地的5.8倍[32]?？梢姸箍谱魑锏纳L對(duì)N2O的排放有更強(qiáng)的促進(jìn)作用[33-35]。對(duì)于覆膜農(nóng)田的研究同樣支持這樣的觀點(diǎn)。2011年Berger等[10]對(duì)韓國不施肥大豆田進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)生育期大豆地N2O累積排放量達(dá)到了5.90 mmol/m2，和2010年施用200 kg 純氮的蘿卜田的排放量相近，且不覆膜壟上的累積排放為1 320.4 g/hm2，比覆膜壟上的排放量高50%，這可能是因?yàn)轫n國屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)的沙質(zhì)土壤，地膜覆蓋阻礙了水分的入滲使土壤具有較低的濕度和較高的溫度，從而減少了土壤N2O的排放，降低了帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)今，覆膜對(duì)豆科作物農(nóng)田N2O排放影響的研究只是在大豆地進(jìn)行，且在國內(nèi)并未進(jìn)行，而非豆科作物的研究則包括了水稻、小麥、玉米、棉花等多種作物，對(duì)于不同的作物，地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田N2O的排放的影響的研究結(jié)果不盡相同。

表1　不同作物對(duì)覆膜農(nóng)田N2O排放的影響

注：表中 / 隔開的為2年試驗(yàn)結(jié)果。

Note：in the table,with the / that separated results of two years.

3.1地膜覆蓋對(duì)小麥農(nóng)田N2O排放的影響小麥?zhǔn)俏覈蠹Z食作物之一，2014年其種植面積達(dá)2 500萬hm2[36]，約1/6分布在北方半干旱地區(qū)[37]。地膜覆蓋栽培自1978年引入中國，在我國得到大面積推廣，地膜小麥有著超常的增產(chǎn)效果，自20世紀(jì)80年代以來，學(xué)者已對(duì)其進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究。研究證明，地膜覆蓋可增加小麥生育前期土壤溫度；提高生育期對(duì)土壤貯水的利用[38]；改善土壤物理性狀，增加土壤微生物數(shù)量，促進(jìn)小麥的生長發(fā)育[39]，從而增加小麥分蘗，提高成穗率、穗粒數(shù)和千粒重[40]，使小麥的增產(chǎn)幅度在30%左右[41]。

覆膜小麥農(nóng)田N2O排放的研究集中在我國陜西、甘肅地區(qū)。研究結(jié)果表明，地膜覆蓋可以增加農(nóng)田N2O的排放[18-19]，一方面是由于地膜的覆蓋明顯提高了耕層土壤含水量、溫度以及硝態(tài)氮含量[43]，促使地膜覆蓋下的水熱以及養(yǎng)分條件得到了協(xié)同改善，同時(shí)，土壤微生物的活性和數(shù)量迅速增加，并且地膜覆蓋相對(duì)減少了土壤中局部氧濃度，增加了厭氧環(huán)境，使反硝化作用增強(qiáng)，從而引起土壤N2O排放增加[44]；另一方面，地表的覆蓋使得西北干旱半干旱地區(qū)土壤表層較為常見的干濕交替及凍融交替過程被有效地抑制，以此方式固定和耗損的氮素減少，膜下的氮素得到一定程度地累積，在水熱條件合適時(shí)，土壤微生物過程加強(qiáng)，氮素作為反硝化的底物，該累積過程可能增加N2O的排放[18]。

3.2地膜覆蓋對(duì)水稻農(nóng)田N2O排放的影響20世紀(jì)90年代以來，隨著我國北方持續(xù)干旱和南方季節(jié)性缺水問題的日趨嚴(yán)重及作物地膜覆蓋技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，地膜覆蓋栽培在水稻種植上的應(yīng)用面積越來越大，2011年達(dá)到了65.7萬hm2。一些研究者對(duì)水稻地膜覆蓋栽培的節(jié)水機(jī)理、產(chǎn)量影響及環(huán)境效益進(jìn)行了較為詳細(xì)地研究。研究表明，地膜覆蓋可以節(jié)水45%～80%，提高水分利用率，改善土壤環(huán)境，促進(jìn)根系生長，從而使水稻產(chǎn)量增加[45]。金千瑜等[46]的多點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻覆膜旱栽的產(chǎn)量比普通水田栽培增產(chǎn)7.6%～25.6%。

有研究認(rèn)為水稻覆膜栽培(覆膜旱作和覆膜節(jié)水栽培)措施最主要的是改變了土壤的含水量，從而改變了土壤中的氧環(huán)境，近而影響土壤硝化、反硝化細(xì)菌活動(dòng)，改變土壤N2O的產(chǎn)生與排放。常規(guī)水作稻田土壤一直處于浸水狀態(tài)，形成嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，使得更多的N2O通過厭氧微生物活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)镹2，同時(shí)在厭氧條件下，硝化反應(yīng)減弱，產(chǎn)生了少量的N2O，覆膜稻田的土壤水分和通氣性更有利于N2O的產(chǎn)生與釋放[20]。此外，覆膜旱作使水稻根系的通氣條件有了很大的改善，肥料N和土壤有機(jī)N礦化釋放出的NH4+易被土壤硝化細(xì)菌氧化成NO3-，從而使水稻生長過程中NH4+和NO3-在土壤中共存，為硝化和反硝化細(xì)菌提供了充足的氮源，從而增加了N2O的產(chǎn)生[47]。

3.3 地膜覆蓋對(duì)玉米農(nóng)田N2O排放的影響2012年以來，玉米取代谷物成為我國第一大糧食作物，2014年其種植面積達(dá)到了3 598萬hm2，產(chǎn)量增長到了2.08億t，面積、產(chǎn)量分別比2000年增長加56%和103%[36]。地膜覆蓋栽培技術(shù)在玉米生產(chǎn)上的應(yīng)用主要集中在東北、西北和西南的春玉米產(chǎn)區(qū)[48]，其種植栽培面積接近1.0億畝。已有研究表明，地膜覆蓋通過改善耕層土壤水肥氣熱狀況進(jìn)而改善玉米生長的微生態(tài)環(huán)境；促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，增加土壤有效養(yǎng)分供應(yīng)[49]；促進(jìn)玉米根系對(duì)土壤養(yǎng)分和水分的吸收；增加玉米葉面積系數(shù)、平均凈同化率、地上部干物質(zhì)累積等產(chǎn)量相關(guān)生理指標(biāo)[50]；大幅提高玉米產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)及水分利用效率[51-52]。地膜覆蓋技術(shù)的推廣應(yīng)用大大拓寬了我國玉米的種植范圍，尤其是高寒、干旱和積溫不足地區(qū)。對(duì)進(jìn)一步擴(kuò)大我國玉米種植面積和提高玉米產(chǎn)量發(fā)揮了重要作用。

關(guān)于地膜覆蓋對(duì)玉米農(nóng)田土壤環(huán)境和作物生長的影響研究較多，且已經(jīng)得出一定的結(jié)論，而對(duì)農(nóng)田N2O排放影響的研究并未得出一致的結(jié)論。李世清教授課題組在黃土高原半干旱生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站進(jìn)行覆膜春玉米的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋并未增加農(nóng)田土壤N2O的排放甚至造成了少量地減少，這可能是因?yàn)楦材るm然顯著增加了土壤含水量，但是在等量施肥的條件下，兩者的硝化底物沒有明顯差異，N2O排放主要受施氮量影響，硝化底物效應(yīng)掩蓋了水分效應(yīng)；另一方面，高溫高濕雖有利于土壤中N2O的生成，但是地膜覆蓋同時(shí)促進(jìn)了作物的生長及其對(duì)礦質(zhì)氮的吸收，使得作物與土壤微生物競爭氮素，從而限制了N2O的生成[26-27]。Cuello等[28]在韓國對(duì)黑膜覆蓋的玉米田的研究卻得到了相反的結(jié)論。2個(gè)地區(qū)的研究得出不同的結(jié)論，可能與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件及土壤理化性質(zhì)有關(guān)，但并未得到驗(yàn)證。

3.4地膜覆蓋對(duì)棉花農(nóng)田N2O排放的影響棉花是我國主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，尤其在新疆，棉花產(chǎn)量的高低直接影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)產(chǎn)值和經(jīng)濟(jì)收入。膜下滴灌栽培技術(shù)由于可以增加土壤中的含水量、提高土層溫度、改善土壤養(yǎng)分條件從而提高作物產(chǎn)量[30,53]，其在干旱的新疆地區(qū)受到了人們的青睞。新疆是我國最適宜也是最大的商品棉生產(chǎn)基地，地膜覆蓋面積達(dá)到了80%以上，已經(jīng)到了不覆膜不種棉的地步。

膜下滴灌改變了農(nóng)田土壤環(huán)境必將影響農(nóng)田N2O的排放。李志國等[29-30]對(duì)覆膜滴灌與常規(guī)漫灌棉田溫室氣體排放的研究發(fā)現(xiàn)，覆膜滴灌的溫度和土壤含水量均顯著高于常規(guī)漫灌，而膜下滴灌減少了農(nóng)田N2O的排放，這與假設(shè)推理是不相符的。造成這種結(jié)果的原因可能有2個(gè)方面，一方面是由于施肥方式不同，覆膜滴灌的棉田，肥料隨著滴灌而進(jìn)入土壤，能更好地被作物吸收，減少了殘留在土壤中的氮，降低了硝化和反硝化所需要的氮源，從而降低了N2O的排放；常規(guī)漫灌的棉田，肥料在灌溉之前撒施在土表，造成了肥料的浪費(fèi)，特別是作物行間土壤殘留大量氮肥，不能被作物吸收利用，最終通過硝化、反硝化作用產(chǎn)生N2O釋放到大氣中。另一方面，土壤表面被一層地膜覆蓋后，在一定程度上可以阻止或減緩?fù)寥罋怏wN2O向大氣的擴(kuò)散與釋放[54]，加之地膜覆蓋可以使地膜下局部土壤產(chǎn)生厭氧狀態(tài)，更加劇了土壤的反硝化作用，使滯留在土壤中的N2O在厭氧微生物的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為N2[55]，從而降低土壤N2O的產(chǎn)生。郭偉[56]對(duì)傳統(tǒng)溝灌棉田和膜下滴灌棉田的研究得出同樣的結(jié)論。

4問題與展望

目前，雖然對(duì)于地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響已經(jīng)開展了一定的研究，但研究存在一些問題，為了更好地了解地膜覆蓋栽培措施對(duì)溫室效應(yīng)的影響，在今后的研究中應(yīng)針對(duì)現(xiàn)存問題進(jìn)行完善。

(1) 研究針對(duì)的作物種類少并且研究地點(diǎn)集中，比如，對(duì)于小麥的研究集中在西北地區(qū)，在其他地區(qū)并未得到研究。因此，今后需要在不同的地區(qū)、對(duì)于不同作物進(jìn)行覆膜農(nóng)田N2O排放的研究。

(2) 大多數(shù)的研究只是在一個(gè)氮水平上開展的，而在低氮、適量氮、高氮等不同的氮肥水平下，地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響是否一樣沒有定論。由于我國各地氮肥用量存在一定的差異，開展不同氮肥水平下的研究對(duì)于估算我國農(nóng)田N2O的排放是非常有意義的，并且農(nóng)田N2O的排放在整個(gè)生育期內(nèi)是動(dòng)態(tài)變化的，氣候環(huán)境的變化、氮肥的施用以及作物的生長都會(huì)對(duì)其排放產(chǎn)生一定的影響，因此，不同施氮條件下，不同生育期地膜覆蓋對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響的研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)合理覆蓋和施肥是非常重要的。

(3) 研究大多只是研究了N2O的排放累積量，很少結(jié)合作物產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算研究，雖然人們越來越重視環(huán)境問題，但我們也不能忽視糧食問題，所以，研究應(yīng)該結(jié)合作物產(chǎn)量，對(duì)地膜覆蓋產(chǎn)生的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

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Research Status of the Effects of Plastic Film Mulching on N2O Emission in Farmland

LI Xiao-sha1,2,YUE Shan-chao2*,LI Shi-qing2

(1.College of Resources and Environment,Northwest A & F University,Yangling,Shanxi 712100; 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau,Northwest A & F University,Yangling,Shanxi 712100)

AbstractPlastic film mulching improved the soil environment,which affected the crop yield and soil N2O production and emission.Research status of the effects of plastic film mulching on N2O emission in farmland was reviewed.Suggestions were put forward according to the existing problems in preseant rsearch.Research direction in this field were forcasted.

Key wordsPlastic film mulching; N2O; Wheat; Rice; Maize; Cotton; Soybean

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金(41401343)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2452015093，2452015473)。

作者簡介李曉莎(1990- )，女，河南長垣人，碩士研究生，研究方向：旱作農(nóng)業(yè)及植物營養(yǎng)。*通訊作者，助理研究員，博士，從事旱作農(nóng)業(yè)及植物營養(yǎng)研究。

收稿日期2016-03-23

中圖分類號(hào)S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)10-078-04