礫石覆蓋條件下土壤水熱效應(yīng)對冬小麥田CO2排放的影響

王冬林 馮 浩,2 李 毅,3 張阿鳳

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西楊凌 712100)

礫石覆蓋條件下土壤水熱效應(yīng)對冬小麥田CO2排放的影響

王冬林1馮 浩1,2李 毅1,3張阿鳳3,4

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西楊凌 712100)

通過2年田間試驗(yàn)，采用靜態(tài)暗箱-氣象色譜法監(jiān)測冬小麥田CO2排放速率和通量，并計(jì)算了生態(tài)系統(tǒng)凈交換和收獲指數(shù)。試驗(yàn)設(shè)置無覆蓋對照(CK)、無覆蓋補(bǔ)灌對照(WCK)、礫石覆蓋(GM)和礫石覆蓋補(bǔ)灌(WGM) 4個處理。結(jié)果表明：2個生長季內(nèi)礫石覆蓋補(bǔ)灌處理各階段土壤含水率和溫度平均最高，其次為礫石覆蓋處理，說明礫石覆蓋的保水保溫效果明顯；土壤溫度的變化規(guī)律與CO2排放規(guī)律相同，土壤含水率變化規(guī)律與CO2排放規(guī)律相反，土壤溫度和含水率變化對CO2排放具有顯著的交互作用(P<0.05)；對影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放的冬小麥生長參數(shù)和土壤理化特性進(jìn)行相關(guān)矩陣和主成分分析，CO2排放的分布與CK和WCK對照處理分布相似度較高，與GM和WGM礫石覆蓋處理則完全相反；產(chǎn)量、收獲指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)凈交換的分布與WGM處理最為接近，其次為GM處理，說明礫石覆蓋處理提高了產(chǎn)量，促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)凈交換，降低了CO2排放量。礫石覆蓋結(jié)合關(guān)鍵生育期補(bǔ)充灌水的田間管理方式能有效改善土壤水熱狀況，減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放。

礫石覆蓋； 水分； 溫度； CO2排放； 生態(tài)系統(tǒng)凈交換； 主成分分析

引言

受全球氣候變化的影響，溫室氣體排放已成為國內(nèi)外專家學(xué)者共同關(guān)注的熱點(diǎn)[1-4]。作為溫室氣體排放的較大貢獻(xiàn)源，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放與初級生產(chǎn)力、土壤肥力以及區(qū)域和全球的碳循環(huán)密切相關(guān)。為了有效控制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳釋放，有必要研究田間管理方式對農(nóng)田溫室氣體排放的影響，從而提出農(nóng)田固碳減排的主要對策[5]。目前固碳減排的措施主要從農(nóng)業(yè)耕作方式、覆蓋方法、施肥、灌溉等幾方面入手。秦曉波等[6-7]研究了不同耕作方式和稻草還田對溫室氣體排放的影響以及生物質(zhì)炭添加對稻田碳排放強(qiáng)度的影響，認(rèn)為免耕高茬還田、適量的生物質(zhì)炭回田能顯著降低溫室氣體排放，是農(nóng)田固碳減排、增加產(chǎn)量的可行途徑。馬艷芹等[8]研究了不同施氮水平對農(nóng)田溫室氣體排放的影響，與常規(guī)施氮量相比，減氮40%對水稻產(chǎn)量并無顯著影響，但能顯著降低溫室氣體排放總量，有利于節(jié)能減排。CHEN等[9]研究認(rèn)為秸稈還田和塑料覆膜均能顯著降低冬小麥、夏玉米田溫室氣體碳排放強(qiáng)度，連續(xù)的覆膜可使農(nóng)田溫室氣體排放減少和產(chǎn)量增加兩者之間達(dá)到穩(wěn)定平衡。劉晶晶等[10]開展不同灌溉量對土壤溫室氣體排放規(guī)律的影響，研究認(rèn)為適量灌溉有利于農(nóng)田節(jié)水及固碳減排。

農(nóng)業(yè)管理方式主要通過改變農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，間接影響溫室氣體的產(chǎn)生和排放過程[11-12]。礫石覆蓋是一種較為常見的旱作農(nóng)業(yè)覆蓋技術(shù)，國內(nèi)外均開展了大量研究。LI等[13-14]研究了砂石粒徑和覆蓋方式對土壤水熱的影響，研究表明表面砂石覆蓋的方法對于減少蒸發(fā)、提高土壤溫度、提高土壤肥力和增加產(chǎn)量有很大影響。馮浩等[15]研究輪作條件下不同礫石覆蓋量對農(nóng)田水分和耗水特征的影響，表明礫石覆蓋能降低作物耗水系數(shù)、提高作物產(chǎn)量。余海龍等[16]研究表明，礫石覆蓋能增加土壤孔隙并促進(jìn)水分入滲，改善了土壤水文循環(huán)和水文生態(tài)功能。關(guān)紅杰等[17]研究不同粒徑和厚度砂石覆蓋對土壤蒸發(fā)的影響，表明其可以明顯減少土壤蒸發(fā)，為作物生長提供良好的水分條件。關(guān)于礫石覆蓋對土壤水熱條件改變影響的研究較為常見，但是目前關(guān)于礫石覆蓋條件下溫室氣體排放的研究則很少，因此有必要開展礫石覆蓋對農(nóng)田土壤水分、溫度、CO2排放通量以及作物產(chǎn)量等的相關(guān)研究，并對其固碳減排作用及實(shí)際生產(chǎn)影響作出評價。本文設(shè)置2個灌水水平和2個礫石覆蓋水平，共形成4個田間試驗(yàn)處理，分析2個生長季冬小麥田的土壤水熱變化規(guī)律和CO2排放規(guī)律，對土壤水熱效應(yīng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放進(jìn)行回歸分析，并結(jié)合作物生長指標(biāo)和土壤理化特征進(jìn)行主成分分析，以評估礫石覆蓋減少溫室氣體排放和改善農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)的作用，為豐富旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水和固碳減排技術(shù)提供基礎(chǔ)研究案例。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013—2015年在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的灌溉試驗(yàn)站(108°24′E、34°20′N, 海拔高度521 m)進(jìn)行。該試驗(yàn)地屬大陸暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫12.9℃，年日照時數(shù)2 163.8 h，多年平均降水量635.1 mm(集中在7—10月份)，年蒸發(fā)量993.2 mm。土壤為中壤土，砂、粉、黏粒質(zhì)量比例為8∶74∶18，0～1 m土壤平均田間持水量23.5%，播種前土壤平均干容重為1.44 g/cm3。

試驗(yàn)共設(shè)置4個處理，分別為無覆蓋對照(CK)、無覆蓋補(bǔ)灌(WCK)、礫石覆蓋(GM)、礫石覆蓋補(bǔ)灌(WGM),每個處理重復(fù)3次，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。小區(qū)長5 m，寬3 m，兩邊設(shè)有保護(hù)行。小區(qū)田埂邊緣1 m深土層豎直鋪一層塑料薄膜，避免各小區(qū)土壤水分側(cè)向入滲。營造砂田的方式為：冬小麥播種后，按照8 kg/m2的礫石覆蓋量在植株行間均勻鋪設(shè)，收獲時進(jìn)行清理，第2季播種前重新整地并按試驗(yàn)要求鋪設(shè)礫石，覆蓋所用礫石采自渭河河灘，粒徑范圍在2～3 cm。灌水處理分別在越冬期和返青期對農(nóng)田進(jìn)行補(bǔ)灌(灌水量為50 mm)，其他生育期為雨養(yǎng)。

供試小麥品種為小偃22號，2013年播種時間為10月19日，2014年播種時間為10月17日，分別于2014年6月7日和2015年6月5日收獲。小麥播種前將基肥一次性施入，生育期內(nèi)不追肥，全生育期N、P2O5的施入量分別為150、100 kg/hm2。鋤草方式為定期人工鋤草，耕作方式為免耕，等待期種植玉米。所有處理施肥量一致，田間管理措施相同。

1.2 測定項(xiàng)目和方法

1.2.1氣體樣品采集與測定

冬小麥生育期內(nèi)每10 d左右采集一次氣體樣品。采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法進(jìn)行氣體排放通量觀測，試驗(yàn)采樣箱為本課題組定制。采樣箱由箱體和底座組成，箱體采用PVC材料，覆有泡沫和反光材料，尺寸為50 cm×50 cm×50 cm，箱內(nèi)安裝攪勻氣體的風(fēng)扇和抽氣接口，接口連三通閥。底座用不銹鋼制成，規(guī)格與箱體配套，安放在每個小區(qū)中間位置，底座內(nèi)有作物。采樣之前底座凹槽內(nèi)需注水密封以隔絕外界空氣。氣體采集時間09：00—11：00，扣箱后立即用60 mL注射器采集樣品，10、20、30 min后各取樣1次。采樣結(jié)束后立即帶回實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀(Agilent 7890A型)進(jìn)行分析，測定CO2的檢測器為FID，檢測器溫度200℃，柱溫60℃，載氣為氮?dú)?，流?50 mL/min。比較樣品與標(biāo)準(zhǔn)氣的總峰面積，將檢測器輸出(mV)轉(zhuǎn)換成土壤CO2濃度。氣體排放通量的計(jì)算式[18]為

(1)

式中F——單位時間平均排放通量，mg/(m2·h)

H——靜態(tài)箱高度，m

M——溫室氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol

p——采樣點(diǎn)大氣壓力，通常視為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即1.013×105Pa

R——普適氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)

T——采樣時箱內(nèi)平均氣溫，℃

生育期內(nèi)溫室氣體排放總量計(jì)算式為

(2)

式中ω——全生育期排放總量,kg/hm2Fi——第i次測得的溫室氣體排放通量，mg/(m2·h)

di——第i-1 次到第i次測量的時間間隔,d

1.2.2土壤溫度、含水率及輔助變量測定

用地溫計(jì)測定土壤5 cm土層溫度，氣密閉箱內(nèi)的空氣溫度測定時間為密閉箱置于底座20 min后。用TDR土壤水分速測儀測定土壤體積含水率，每個小區(qū)隨機(jī)測3個采樣點(diǎn)后取均值。

觀測的輔助變量包括冬小麥生長參數(shù)和土壤理化特征。小麥生長參數(shù)包括：株高(Height，直尺和游標(biāo)卡尺測量)，葉面積指數(shù)(LAI，冠層分析儀)，干物質(zhì)(Dry biomass，水洗法和烘干法)，產(chǎn)量(Yield，人工測產(chǎn))，收獲指數(shù)(HI，收獲時單位面積產(chǎn)量與地上部干物質(zhì)量的比值)。土壤理化特征：每季冬小麥?zhǔn)斋@時測定土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量。還需計(jì)算階段末的土壤貯水量和整個生長季大于等于0℃的正積溫[15,19]，其計(jì)算式為

(3)

式中W——土壤貯水量，mmh——土層厚度，cmd——土壤容重，g/cm3θ——土壤含水率，cm3/cm3

(4)

式中GDD——生育期土壤累積溫度，℃·dTi——第i次測量的平均土壤溫度，℃

1.2.3生態(tài)系統(tǒng)凈交換

生態(tài)系統(tǒng)凈交換定義為生態(tài)系統(tǒng)吸收與釋放的CO2差值。生態(tài)系統(tǒng)凈交換NEE的計(jì)算公式[4,20]為

NEE=NPP-RH

(5)

其中

NPP=0.446Wmax-0.000 67

(6)

式中 NPP——初級生產(chǎn)力，kg/hm2Wmax——作物收獲后地上部分和地下部分生物量的總和，kg/hm2

RH——土壤微生物的異養(yǎng)呼吸量，kg/hm2

本文所提到的生態(tài)系統(tǒng)凈交換均指生態(tài)系統(tǒng)CO2凈交換。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel 2013和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和回歸分析，用Ducan新復(fù)極差法檢驗(yàn)差異顯著性(P<0.05)，利用R語言(R，Version 3.3.2)程序包“vegan”和“FactoMineR”進(jìn)行CO2排放、生態(tài)系統(tǒng)凈交換、產(chǎn)量、收獲指數(shù)、生長參數(shù)和土壤理化特性等的主成分分析。所有圖由Origin 9.0和R程序繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤水熱動態(tài)變化規(guī)律

2個生長季各處理土壤含水率和溫度隨時間的動態(tài)變化趨勢基本相同(圖1)。地表礫石覆蓋和關(guān)鍵生育期補(bǔ)灌措施改變了土壤的水熱平衡，各階段土壤含水率礫石覆蓋處理高于無覆蓋處理，灌水處理高于無灌水處理，總的來說礫石覆蓋和灌水共同作用下的土壤含水率最高。在越冬期和拔節(jié)期進(jìn)行補(bǔ)灌，使得土壤含水率顯著增加，由大到小表現(xiàn)為WGM、WCK、GM、CK處理，隨后逐漸降低并趨于相同，拔節(jié)至灌漿期雨水豐富，各處理間效果差異不明顯。試驗(yàn)期間，農(nóng)田土壤表面溫度表現(xiàn)出與土壤含水率變化相反的趨勢，隨著土壤溫度的升高，土壤含水率逐漸降低。礫石覆蓋表現(xiàn)出良好的保溫效果，CK處理對氣溫變化的敏感性大于其他處理。

2.2不同處理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放特征

圖1 不同礫石覆蓋和灌水處理下冬小麥生育期內(nèi)土壤含水率與地溫變化(2013—2015年)Fig.1 Soil moisture and temperature dynamics at different growth stages under gravel mulching and irrigation treatments during 2013—2015

在冬小麥整個生育期，各處理的CO2排放通量隨生長季節(jié)的變化而變化(圖2)。兩季冬小麥出苗至返青期CO2排放通量較少，4個處理的CO2排放通量變化范圍為52.2～117.4 mg/(m2·h)；拔節(jié)至成熟灌漿期小麥植株生長旺盛，呼吸作用增強(qiáng)，CO2排放通量顯著增加；成熟后各處理CO2排放通量均處于較低水平。2013—2014年冬小麥播后180～190 d之間CO2排放通量先后出現(xiàn)峰值，CK、WCK、GM和WGM處理分別為309.5、276.7、193.7、180.1 mg/(m2·h)，2014—2015年小麥播后170～180 d 4個處理先后出現(xiàn)峰值，峰值分別為305.7、271.4、183.1、199.2 mg/(m2·h)，總體上較第1季高峰值有所降低。由以上分析可知，冬小麥田CO2排放規(guī)律受礫石覆蓋和灌水處理的影響較大，礫石覆蓋處理的CO2排放通量在整個生育期內(nèi)基本低于對照處理，灌水處理則表現(xiàn)為補(bǔ)灌初期排放通量明顯增大，灌水的影響隨時間減弱，隨后CO2排放通量逐漸減小直至與其他處理無異甚至低于其他處理。

2.3不同處理水熱效應(yīng)對CO2排放通量的影響

比較圖1和圖2可知，CO2排放規(guī)律與土壤溫度的變化規(guī)律相同，與土壤含水率的變化規(guī)律相反。土壤含水率、溫度作為單因子變量分析時，二者與CO2排放通量的相關(guān)系數(shù)分別為0.399和0.491(P<0.05)，為了進(jìn)一步分析二者交互作用對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放的影響，對2年冬小麥田土壤含水率、溫度、CO2排放通量進(jìn)行了回歸分析。表1為4個處理分別對應(yīng)的回歸方程及參數(shù)，各處理間參數(shù)差異不大。曲線方程擬合的R2值均在0.85以上，P值均小于0.05，說明該曲線方程對試驗(yàn)結(jié)果的擬合效果較好。

圖2 各處理冬小麥田CO2季節(jié)性排放規(guī)律(2013—2015年)Fig.2 Dynamics of CO2 emissions in winter wheat field under different treatments during 2013—2015

2.4不同處理CO2排放總量與產(chǎn)量、水熱因子的關(guān)系

由表2可以看出，礫石覆蓋處理可以降低CO2排放總量，增加冬小麥產(chǎn)量，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)凈交換。2個生長季結(jié)束時，冬小麥的穗粒數(shù)、干物質(zhì)量、凈初級生產(chǎn)力、產(chǎn)量等生長指標(biāo)基本表現(xiàn)為礫石覆蓋處理高于對照處理，各生長指標(biāo)在礫石覆蓋和補(bǔ)灌共同作用下達(dá)到最大。用收獲指數(shù)代替各項(xiàng)生長指標(biāo)，不同處理間差異表現(xiàn)為：整個生育期CO2排放總量與收獲指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)凈交換變化趨勢相反。

結(jié)合小麥生長參數(shù)和土壤環(huán)境改變兩大類因子，進(jìn)行其與CO2排放總量、生態(tài)系統(tǒng)凈交換的相關(guān)矩陣和主成分分析，所有數(shù)據(jù)均為2個季節(jié)階段末的平均值。小麥各生長參數(shù)、土壤環(huán)境因子與CO2、生態(tài)系統(tǒng)凈交換的相關(guān)矩陣見表3。通過主成分分析(圖3，土壤環(huán)境因子包括：1.貯水量(W)、2.蒸發(fā)(ET0)、3.作物耗水量(ETC)、4.導(dǎo)熱率(λ)、5.積溫(GDD)、6.土壤容重(BD)、7.有機(jī)質(zhì)(SOM)；生長參數(shù)包括：8.分蘗數(shù)(Tiller)、9.葉面積指數(shù)(LAI)、10.株高(H)、11.地上部生物量(Bio)、12.穗粒數(shù)(NGP)、13.收獲指數(shù)(HI)、14.產(chǎn)量(Yield)；生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)包括：15.二氧化碳排放總量(CO2)、16.凈初級生產(chǎn)力(NPP)、17.生態(tài)系統(tǒng)凈交換(NEE))可以看出，生態(tài)系統(tǒng)凈交換幾乎與凈初級生產(chǎn)力重合，而與CO2分異較大。小麥的生長參數(shù)(株高、葉面積指數(shù)、產(chǎn)量等)均與CO2分異較大，呈負(fù)相關(guān)。土壤環(huán)境因子中，蒸發(fā)蒸騰量ET0分布與CO2最為接近(二者相關(guān)系數(shù)r=0.683，P<0.05)，而其他因子(貯水量W、作物耗水量ETC、土壤導(dǎo)熱率λ、積溫GDD、土壤有機(jī)質(zhì)含量SOM)與CO2分布相反，相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值。對于土壤容重BD，其主成分分布于土壤有機(jī)質(zhì)含量SOM和土壤蒸發(fā)量ET0之間，與CO2相關(guān)系數(shù)r=-0.06，說明土壤緊實(shí)度間接影響了CO2排放。關(guān)于各個處理，礫石覆蓋補(bǔ)灌處理WGM與產(chǎn)量、HI、NEE、GDD和SOM等分布最為接近，其次為礫石覆蓋處理GM，說明礫石覆蓋和關(guān)鍵生育期補(bǔ)灌共同作用下的土壤環(huán)境更適宜小麥生長。對于土壤容重BD，其主成分分布于土壤有機(jī)質(zhì)SOM和土壤蒸發(fā)量ET0之間，與CO2相關(guān)系數(shù)r=-0.06，說明土壤緊實(shí)度間接影響了CO2排放。土壤容重BD分布與礫石覆蓋補(bǔ)灌處理WGM相反，4個處理測得的2個生長季階段末0～20 cm土層平均土壤容重分別為1.467、1.433、1.410、1.383 g/cm3，WGM處理較CK處理的土壤容重平均降低了5.72%。CK和WCK兩對照處理分布與CO2排放相似度極高但與產(chǎn)量、NEE等完全相反。以上分析說明礫石覆蓋改變了冬小麥生長的土壤環(huán)境，有利于作物生長，能穩(wěn)定增產(chǎn)并降低CO2排放。

表1 冬小麥田CO2排放通量與土壤含水率、溫度的關(guān)系方程及參數(shù)Tab.1 Fitted equation and parameters of CO2 flux with soil moisture and temperature

注：Re為生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量，mg/(m2·h)；T為土壤溫度，℃；a、b、c、d為回歸分析中估算出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

表2 冬小麥產(chǎn)量與CO2排放總量及生態(tài)系統(tǒng)凈交換的對比Tab.2 Comparison of winter wheat yield, CO2 flux and net ecosystem exchange under different treatments

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

表3 CO2排放與生長參數(shù)和土壤環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between winter wheat growth parameters and soil environment change factors

注：*表示相關(guān)性在P<0.05水平上顯著；** 表示相關(guān)性在P<0.01水平上顯著。

圖3 各處理CO2排放、生態(tài)系統(tǒng)凈交換和土壤環(huán)境因子及小麥生長參數(shù)間的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of CO2 flux, NEE, soil environment factors and winter wheat growth parameters

3 討論

3.1 礫石覆蓋對土壤水熱條件的改變

礫石覆蓋不同于其他農(nóng)業(yè)覆蓋技術(shù)，其土壤水熱條件的形成也必然有所不同，關(guān)于秸稈及塑料覆膜增溫保墑的研究較多[21-23]。本試驗(yàn)對2年礫石覆蓋條件下冬小麥田土壤水熱條件的改變進(jìn)行研究，各處理土壤溫度和含水率變化具有明顯的季節(jié)性規(guī)律，即夏季高冬季低。小麥出苗至拔節(jié)期降雨極少，生長環(huán)境干旱且寒冷，該時期礫石覆蓋條件下的土壤溫度和土壤含水率明顯高于對照處理，且礫石覆蓋和補(bǔ)灌共同作用效果最好。在雨水充足的拔節(jié)期至成熟期，各處理間土壤溫度和含水率差異不明顯，但仍表現(xiàn)為礫石覆蓋高于對照。農(nóng)田表面的礫石覆蓋層可以吸收陽光中的長波輻射并轉(zhuǎn)化為熱能而提高土壤溫度，通過改變土壤水分再分布而減少水分散失，進(jìn)而改變土壤的水熱條件。礫石覆蓋具有提高地溫、保持土壤水分的作用，這與文獻(xiàn)[24-26]的研究結(jié)果一致。

3.2礫石覆蓋對CO2排放的影響

礫石覆蓋對農(nóng)田CO2排放的影響歸根結(jié)底是通過改變土壤水熱環(huán)境等主要因子來實(shí)現(xiàn)的。從CO2排放規(guī)律可以看出，兩季冬小麥田CO2排放規(guī)律和土壤水熱改變具有一致的季節(jié)性規(guī)律。在不同的生育階段，土壤溫度的升高和CO2排放趨于同步，土壤含水率變化規(guī)律則與CO2排放規(guī)律相反，這與陳慧等[27]和劉全全[28]的研究結(jié)果一致。對礫石覆蓋條件下土壤水熱與CO2排放曲線方程的驗(yàn)證表明，該方程對試驗(yàn)結(jié)果擬合效果很好，可對生育期內(nèi)CO2排放通量進(jìn)行簡單預(yù)報(bào)，進(jìn)一步說明土壤水熱因子交互影響了農(nóng)田CO2的排放。該方程數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和物理含義與JACOBUS[29]、LAVIGNE等[30]提出的經(jīng)驗(yàn)公式相似。

農(nóng)田管理方式、土壤水文、土壤溫度、土壤有機(jī)質(zhì)含量等都是影響CO2排放的重要因素。礫石覆蓋改變了土壤環(huán)境和作物生長狀況，影響了農(nóng)田CO2排放，進(jìn)而影響了農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)。對影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放的冬小麥生長參數(shù)和土壤理化特性進(jìn)行相關(guān)矩陣和主成分分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量、收獲指數(shù)、生物量等作物生長參數(shù)分布均與礫石覆蓋和礫石覆蓋補(bǔ)灌處理接近，CO2排放主要分布在無覆蓋對照處理區(qū)域，這說明礫石覆蓋處理?xiàng)l件下的水熱改變更有利于作物增產(chǎn)，并能減少CO2排放。土壤環(huán)境因子中的GDD、SOM與礫石覆蓋處理分布接近，而土壤容重BD分布則與礫石覆蓋處理相反。土壤容重是土壤重要的物理性質(zhì)，礫石覆蓋對土壤容重有較大影響[31-34]。本研究中礫石覆蓋降低了土壤容重BD，這可能是由于礫石覆蓋減少了雨水對表土的沖蝕，還可消除陽光曝曬引起的土壤硬結(jié)，較好地保持礫石覆蓋層下土壤的良好結(jié)構(gòu)，降低了土壤容重，這與CERDA[32]的研究結(jié)果基本一致。逄蕾等[33]和李卓等[35]也得到相似的結(jié)論。此外，CO2排放與ET0二者分布幾乎重合，說明減少蒸發(fā)很大程度上能減少CO2排放，關(guān)于礫石覆蓋抑制蒸發(fā)的文獻(xiàn)有很多，這也間接解釋了礫石覆蓋是減少CO2排放的途徑之一。目前礫石覆蓋對水熱條件的改變以及CO2排放影響的機(jī)理尚不明晰，仍有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)與對照處理CK相比，礫石覆蓋能有效改善土壤水熱條件，減少蒸發(fā)，保水保溫效果明顯，有利于提高小麥各項(xiàng)生長指標(biāo)和增加產(chǎn)量，有效抑制了兩季冬小麥田CO2排放(WGM處理和GM處理分別較CK處理平均降低16%和9%)，促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)凈交換(WGM處理和GM處理分別較CK處理平均增加20%和34%)。礫石覆蓋可以有效改善土壤水熱狀況，促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量并降低農(nóng)田CO2排放，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈交換。

(2)相關(guān)矩陣和主成分分析表明在礫石覆蓋層的影響下，冬小麥田CO2排放分布與礫石覆蓋處理完全相反，而產(chǎn)量、生態(tài)系統(tǒng)凈交換與礫石覆蓋補(bǔ)灌處理極為接近。說明礫石覆蓋結(jié)合關(guān)鍵生育期補(bǔ)充灌水的種植方式能實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)減排增產(chǎn)的目的。

1 ESKILD H B, PETE S, JOHN R P. Agricultural production and greenhouse gas emissions from world regions—the major trends over 40 years[J]. Global Environmental Change, 2016, 37: 43-55.

2 GALDOS M V, CERRI C C, CARLOS E, et al. Simulation of soil carbon dynamics under sugarcane with the CENTURY model[J]. Soil Science Society of America Journal, 2009, 73(3): 802-811.

3 LUO Yiqi, TREVOR F K, MATTHEW S. Predictability of the terrestrial carbon cycle[J]. Global Change Biology, 2015, 21(5): 1737-1751.

4 邵鈞炯. 陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2凈交換的年際變異及其機(jī)制研究[D]. 上海: 復(fù)旦大學(xué), 2014. SHAO Junjiong. The interannual variability of net ecosystem CO2exchange and its underlying mechanisms in terrestrial ecosystems[D]. Shanghai: Fudan University, 2014. (in Chinese)

5 李曉密. 小麥-玉米輪作農(nóng)田溫室氣體排放及其影響因素分析[D]. 北京: 北京林業(yè)大學(xué), 2014. LI Xiaomi. Study on greenhouse gas emissions and its influencing factors from the maize-wheat rotation field[D]. Beijing:Beijing Forestry University, 2014. (in Chinese)

6 秦曉波，李玉娥，萬運(yùn)帆，等. 耕作方式和稻草還田對雙季稻田CH4和N2O排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014, 30(11): 216-224. QIN Xiaobo, LI Yu’e, WAN Yunfan, et al. Effect of tillage and rice residue return on CH4and N2O emission from double rice field[J]. Transactions of the CSAE, 2014, 30(11): 216-224. (in Chinese)

7 秦曉波，李玉娥，WANG Hong，等. 生物質(zhì)炭添加對華南雙季稻田碳排放強(qiáng)度的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(5): 226-234. QIN Xiaobo, LI Yu’e, WANG Hong, et al. Impact of biochar amendment on carbon emissions intensity in double rice field in South China[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(5): 226-234. (in Chinese)

8 馬艷芹，錢晨晨，孫丹平，等. 施氮水平對稻田土壤溫室氣體排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(增刊2): 128-134.

9 CHEN Haixin, LIU Jingjing, ZHANG Afeng, et al. Effects of straw and plastic film mulching on greenhouse gas emissions in Loess Plateau, China: a field study of 2 consecutive wheat-maize rotation cycles[J]. Science of the Total Environment, 2017, 579: 814-824.

10 劉晶晶，張阿鳳，馮浩，等. 不同灌溉量對小麥-玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 28(1):169-179. LIU Jingjing, ZHANG Afeng, FENG Hao, et al. Influences of different irrigation amount on carbon sequestration in wheat-maize rotation system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(1): 169-179. (in Chinese)

11 WANG Bin, LI Yu’e, WAN Yunfan, et al. Modifying nitrogen fertilizer practices can reduce greenhouse gas emissions from a Chinese double rice cropping system[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2016, 215(1): 100-109.

12 SAPKOTA T B, JAT M L, SHANKAR V, et al. Tillage, residue and nitrogen management effects on methane and nitrous oxide emission from rice-wheat system of Indian Northwest Indo-Gangetic Plains[J]. Journal of Integrative Environmental Sciences, 2015, 12(Supp.1): 31-46.

13 LI Xiaoyan. Gravel-sand mulch for soil and water conservation in the semiarid loess region of Northwest China[J]. CATENA, 2003, 52(2): 105-127.

14 LI Xiaoyan, SHI Peijun, LIU Lianyou, et al. Influence of pebble size and cover on rainfall interception by gravel mulch[J]. Journal of Hydrology, 2005, 312(1): 70-78.

15 馮浩，劉曉青，左億球，等. 礫石覆蓋量對農(nóng)田水分與作物耗水特征的影響[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016, 47(5): 155-163. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160521&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.05.021. FENG Hao, LIU Xiaoqing, ZUO Yiqiu, et al. Effect of gravel mulching degree on farmland moisture and water consumption features of crops[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(5): 155-163. (in Chinese)

16 余海龍，黃菊瑩. 砂田礫石覆蓋對土壤大孔隙特征及其土壤水文過程的影響研究進(jìn)展[J]. 水土保持研究, 2012, 19(4):284-288. YU Hailong, HUANG Juying. Research progress on influence of mulching gravel and sand on soil macropore characteristics and soil hydrological process of gravel-sand mulch field[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2012, 19(4): 284-288. (in Chinese)

17 關(guān)紅杰, 馮浩. 砂石覆蓋厚度和粒徑對土壤蒸發(fā)的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2009, 28(4): 41-44. GUAN Hongjie, FENG Hao. Effects of the thickness and grain size of gravel mulch on soil moisture evaporation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2009, 28(4): 41-44. (in Chinese)

18 ZHANG Afeng, LIU Yuming, PAN Genxing, et al. Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain[J]. Plant and Soil, 2012, 351:263-275.

19 宋明丹，李正鵬，馮浩. 不同水氮水平冬小麥干物質(zhì)積累特征及產(chǎn)量效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(2): 119-126. SONG Mingdan, LI Zhengpeng, FENG Hao. Effects of irrigation and nitrogen regimes on dry matter dynamic accumulation and yield of winter wheat[J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(2):119-126. (in Chinese)

20 RAICH J W, TUFEKCIOGLU A. Vegetation and soil respiration: correlations and controls[J]. Biogeochemistry, 2000, 48(1): 71-90.

21 GOURANGA K, ASHWANI K. Effects of irrigation and straw mulch on water use and tuber yield of potato in eastern India[J]. Agricultural Water Management, 2007, 94(1-3): 109-116.

22 ZHANG Shulan, L?VDAHL L, GRIP H, et al. Effects of mulching and catch cropping on soil temperature, soil moisture and wheat yield on the Loess Plateau of China[J].Soil and Tillage Research, 2009,102(1): 78-86.

23 余坤，馮浩，趙英，等. 氨化秸稈還田加快秸稈分解提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(19):103-111. YU Kun, FENG Hao, ZHAO Ying, et al. Ammoniated straw incorporation promoting straw decomposition and improving winter wheat yield and water use efficiency[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(19): 103-111. (in Chinese)

24 馬育軍，李小雁，伊萬娟，等. 溝壟集雨結(jié)合礫石覆蓋對沙棘生長的影響 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(增刊2): 188-194.

25 彭紅濤. 砂礫覆蓋層截留降雨的機(jī)理研究[D]. 北京: 中國科學(xué)院研究生院, 2016. PENG Hongtao. Study on the mechanism of rain water interception by the pebble and sand mulches[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2016. (in Chinese)

26 趙丹，李毅，馮浩. 砂石條形覆蓋下土壤水分蒸發(fā)動態(tài)研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2015, 52(5): 1058-1068. ZHAO Dan, LI Yi, FENG Hao. Dynamics of soil water evaporation from soil mulch with sand-gravels in stripe[J]. Acta Pedologiga Sinica, 2015, 52(5): 1058-1068. (in Chinese)

27 陳慧，侯會靜，蔡煥杰，等. 加氣灌溉對番茄地土壤CO2排放的調(diào)控效應(yīng) [J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49(17): 3380-3390. CHEN Hui, HOU Huijing, CAI Huanjie, et al. Effects of aerated irrigation on CO2emissions from soils of tomato fields [J]. Scientia Acricultura Sinica,2016,49(17): 3380-3390. (in Chinese)

28 劉全全. 降水變化對黃土高原旱作冬小麥農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響[D]. 西安: 西北大學(xué), 2015. LIU Quanquan. Effect of simulated precipitation change on greenhouse gases emission in a dryland winter wheat field on the Loess Plateau[D]. Xi’an: Northwest University, 2015. (in Chinese)

29 JACOBUS H. étude de dynamique chimique(studies of chemical dynamics) [J].Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas, 1884, 3(10): 333-336

30 LAVIGNE M, FOSTER R, GOODINE G. Seasonal and annual changes in soil respiration in relation to soil temperature, water potential and trenching[J]. Tree Physiology Victoria, 2004,24(4): 415-424.

31 毛云玲，鄧佳，陸斌，等. 不同覆蓋方式對云南干熱河谷油欖園土壤溫度、水分和容重的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010,19(1): 150-154. MAO Yunling, DENG Jia, LU Bin, et al. Effects of different mulching on soil temperature, moisture and unit weight ofOleaeuropaeaL. garden in dry and hot Valley of Yunnan[J]. Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica, 2010, 19(1): 150-154. (in Chinese)

32 CERDA A. Effects of rock fragment cover on soil infiltration, interrill runoff and erosion[J]. European Journal of Soil Science, 2001, 52(1): 59-68.

33 逄蕾，肖洪浪，路建龍，等. 干旱半干旱地區(qū)砂田結(jié)構(gòu)及水分特征[J]. 中國沙漠, 2012, 32(3): 698-704. PANG Lei, XIAO Honglang, LU Jianlong, et al. Soil profile structure and moisture character of gravel-sand mulched field in arid and semiarid area of China[J]. Journal of Desert Research, 2012, 32(3): 698-704. (in Chinese)

34 POESEN J, LAVEE H. Rock fragments in top soils: significance and processes[J]. CATENA, 1994, 23(1): 1-8.

35 李卓，吳普特，馮浩，等. 容重對土壤水分入滲能力影響模擬試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(6): 40-45. LI Zhuo, WU Pute, FENG Hao, et al. Simulated experiment on effect of soil bulk density on soil infiltration capacity[J].Transactions of the CSAE, 2009, 25(6): 40-45. (in Chinese)

ImpactsofSoilWaterandTemperatureEffectsonCO2EmissionsinWinterWheatFieldunderGravelMulchingCondition

WANG Donglin1FENG Hao1,2LI Yi1,3ZHANG Afeng3,4

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofWaterandSoilConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China3.InstituteofWaterSavingAgricultureinAridAreasofChina,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China4.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Gravel mulching technology, as one of the most important field management techniques, has been long applied by farmers in dry areas to decrease water evaporation and maintain soil temperature, which can also improve crop production in the arid and semi-arid regions. Studying on the influences of gravel mulching on soil water and temperature as well as ecosystem CO2emissions will play an important role in assessing farmland ecological effects of gravel mulching. A winter wheat field experiment over two-year periods was carried out and annual CO2emission was monitored with a static opaque chamber and chromatography method, and the net ecosystem exchange and harvest index were calculated. In the experiment, four field treatments were applied, including CK (control with no mulching), WCK (supplementary irrigation with no mulching), GM (gravel mulching with no irrigation), and WGM (gravel mulching with supplementary irrigation). Compared with the control treatments, the gravel mulching treatments can significantly increase the soil temperature and moisture, for specific performance, WGM was the largest, and followed by GM. Consequently, gravel mulching exerted greater effect on soil water and temperature. Seasonal dynamics of CO2emissions generally followed the change of soil temperature with high peaks of CO2fluxes from April to June in both years, whereas CO2fluxes went conversely with soil water content change over the two years. Statistical analysis also showed that soil temperature and soil moisture had significant interactions on CO2emissions atP<0.05 level. By the correlation matrix and principal component analyses, the distribution of CO2emissions was the closest with the two control treatments (CK and WCK), and the farthest with the two gravel mulch treatments (GM and WGM). The gravel mulching practice, particularly the WGM treatment, can significantly influence the distribution of winter wheat growth parameters such as yield, harvest index, net ecosystem exchange and so on. The above mentioned results indicated that the gravel mulching technology had the potential to increase winter wheat yield, promote net ecosystem exchange and reduce CO2emissions from ecosystem. All in all, gravel mulching combined with supplemental irrigation in the key growth stages could effectively improve soil hydro-thermal conditions, and reduce CO2emissions from farmland ecosystems.

gravel mulching; moisture; temperature; CO2emissions; net ecosystem exchange; principal components analysis

S512.1+1; S154.1

A

1000-1298(2017)09-0223-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.028

2016-12-21

2017-02-24

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863 計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA102904)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301305)和西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014YB062、2452015355)

王冬林(1985—)，女，博士生，主要從事土壤水熱運(yùn)移研究，E-mail： wangdonglin@nwsuaf.edu.cn

馮浩(1970—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水土資源高效利用研究，E-mail： nercwsi@vip.sina.com