北方典型設施菜地土壤CO2排放特征

陶寶先

聊城大學環(huán)境與規(guī)劃學院, 山東 聊城 252059

北方典型設施菜地土壤CO2排放特征

陶寶先

聊城大學環(huán)境與規(guī)劃學院, 山東 聊城 252059

為研究我國北方典型設施菜地的土壤CO2排放特征及其影響因素，通過原位監(jiān)測手段，研究山東省壽光市農田轉變?yōu)椴煌N植年限(6、12 a)設施菜地及設施菜地荒廢12 a后土壤CO2排放規(guī)律及影響因素. 結果表明：①種植6 a設施菜地較農田具有較高的土壤CO2排放量，可能是由于設施菜地種植過程中大量施加有機肥造成的，并且設施菜地土壤溫度及含水率較高，增加了土壤蔗糖酶活性，加劇土壤CO2排放. ②當種植年限超過10 a，設施菜地施肥量減少，降低了土壤微生物可利用底物的供應. 因此，種植12 a設施菜地土壤CO2排放量降至農田水平. ③種植6 a設施菜地土壤的w(DOC)(DOC表示水溶性有機碳)比農田較高. ④土壤CO2排放年內分配不均勻，表現為農田及荒廢設施菜地土壤CO2排放主要集中在5—8月，其排放量占全年的75.09%、87.02%，峰值出現在7月. 種植6 a設施菜地土壤CO2排放主要集中在5—8月和11月—翌年2月，兩階段排放量分別占全年的48.48%、42.34%，峰值分別出現在7月、12月. 研究顯示，農田轉變?yōu)樵O施菜地短期(種植6 a)內可顯著促進土壤CO2排放及DOC的輸出，但隨著種植年限延長至12 a，土壤CO2排放降至農田水平.

設施菜地； CO2排放； 土壤水熱狀況； 壽光市

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳匯，通過土壤呼吸向大氣釋放CO2. 土壤CO2排放速率輕微改變將對大氣CO2濃度及全球變化產生較大影響[1]. 農業(yè)過程對溫室氣體排放有較大貢獻，其產生的溫室氣體占人為排放溫室氣體的10%～12%[2]. 農業(yè)耕作措施能調節(jié)土壤理化性質，影響溫室氣體排放[3]. 設施栽培是我國蔬菜生產的重要方式之一. 與傳統(tǒng)的農業(yè)種植措施相比(如冬小麥—玉米輪作)，設施菜地高強度的土地利用、較高的復種指數及特殊的栽培、施肥、灌溉措施及環(huán)境條件，使設施菜地土壤具有高溫、高濕、持續(xù)且大量施肥等特點[4]. 農田轉變?yōu)樵O施菜地可能對土壤碳循環(huán)過程生較大影響. 目前研究多關注農業(yè)耕作措施對大田土壤呼吸及其組分的影響[5-6]，設施菜地土壤CO2排放特征及影響因素的研究仍不充分.

土壤溫度對全球土壤碳循環(huán)過程有著重要影響. 通常，增溫促進SOM(土壤有機碳)分解及CO2排放[7-9]. 土壤水分也是影響土壤CO2排放的重要因素[10-11]. 近期研究發(fā)現，灌溉促進土壤CO2排放[10]，并且較高的土壤含水量進一步增強有機底物(organic substrates)添加對土壤CO2排放的促進作用[12]. 此外，土壤容重變化影響土壤孔隙度及土壤中氧氣的擴散[11]，可能改變SOM的礦化及CO2排放. 研究發(fā)現，土壤容重與土壤CO2排放顯著相關[13]. 土壤酶也是調節(jié)土壤碳循環(huán)的重要因素[14]. 土壤理化性質改變顯著影響土壤酶活性. 土壤溫度與土壤酶活性顯著相關[15]，并且SOM質量也能影響與土壤碳循環(huán)相關的酶活性[16]. 農田轉變?yōu)樵O施菜地對土壤理化性質的影響[4]，可能調節(jié)與土壤碳循環(huán)相關的酶活性，改變土壤CO2排放過程.

壽光市是全國重要的蔬菜生產基地，有“中國蔬菜之鄉(xiāng)”之稱，大量農田轉變?yōu)樵O施菜地[17]. 設施菜地種植過程中施加了大量有機肥及化肥，并且灌溉頻繁[18]，可能對土壤理化性質〔如土壤溫度、水分、w(SOM)及SOM質量等〕及酶活性產生較大影響，改變土壤碳循環(huán)過程. 然而，鮮有研究報道壽光市設施菜地土壤CO2排放特征及影響因素. 該研究以壽光市農田(小麥-玉米輪作)為對照，利用原位監(jiān)測手段研究農田轉變?yōu)樵O施菜地后土壤CO2排放規(guī)律及影響因素，以期明確農田轉變?yōu)樵O施菜地后土壤碳排放過程，為設施菜地土壤CO2減排提供依據.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

壽光市位于山東半島北部(36°41′N～37°19′N，118°32′E～119°10′E)，屬于溫帶大陸性季風氣侯，年均溫度為12.4 ℃，年均降水量為608.2 mm. 農田為冬小麥-玉米輪作模式.20世紀80年代起，大量農田轉變?yōu)樵O施菜地，轉變?yōu)樵O施菜地前的農田土壤基本理化性質具有相似性[19]. 設施菜地施加有機肥主要為雞糞，年均施加量為207.2 thm2(以鮮質量計)，最大施加量為493.8 thm2(以鮮質量計). 化肥以復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)為主，年均施加量為10.6 thm2，最大施加量為38.9 thm2，農田主要施加復合肥，年均施加量 1 125 kghm2. 小麥播種后、苗期及灌漿期澆水，設施菜地7～10 d澆水一次，采取溝灌模式[20]. 種植10 a以上設施菜地平均施肥量較10 a以下設施菜地下降30%左右[4].

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集與分析

2015年6月，在研究區(qū)選取農田、種植6、12 a設施菜地及荒廢12 a設施菜地為研究對象. 農田選擇相鄰3塊固定樣地(每塊樣地50 m×50 m)，每類設施菜地選擇相鄰的3個大棚作為固定樣地. 采用靜態(tài)箱法采集氣體樣品. 每塊樣地或每個大棚設置一個位置固定的不銹鋼基座(長×寬×高為50 cm×50 cm×20 cm)，基座埋入土下16 cm，地表留4 cm高的水槽，基座設置于樣地或大棚中心. 靜態(tài)箱(長×寬×高為50 cm×50 cm×50 cm)外包裹白色泡沫用于保溫，箱內設置風扇，保證取樣時箱內氣體的均勻性. 在作物株高超高45 cm時增加外包裹白色泡沫的中段箱(長×寬×高為50 cm×50 cm×100 cm)，保證作物的正常生長和取樣順利進行.2015年9月—2016年8月，每月選擇天氣晴朗的3 d采集氣體樣品，每天的取樣時間為09:00—11:00. 采樣時將靜態(tài)箱下部插入基座水槽，并在槽內灌水密封箱體. 第0、10、20、30 min用注射器從靜態(tài)箱抽取一定體積的氣體存貯于氣袋中，采樣結束后將箱體移開. 樣品于實驗室內采用氣相色譜(Agilent 7890A,USA)測試CO2濃度. 土壤CO2排放速率采用SONG等[21]的方法計算. 土壤CO2年排放量采用如下公式計算：

式中：A為土壤CO2年排放量，kgm2；SRi為土壤CO2月排放通量，mg(m2·h)；D為每月天數.

采集氣體樣品時，同步觀測靜態(tài)箱內氣溫及5 cm 深度土壤溫度. 每月最后一次采集氣體樣品結束后，采集0～10 cm深度新鮮土樣，保存于密封大鋁盒內，于4 h內送往實驗室. 實驗室內手工檢出土樣中肉眼可見根系、石塊及動物、過2 mm篩，測試土壤含水率、w(DOC)(DOC表示水溶性有機碳)及蔗糖酶活性. 土壤蔗糖酶活性采用比色法[22]，土壤含水率采用烘干法[23]，DOC采用水土比為5∶1，混合振蕩30 min，過0.25 μm濾膜[24]，耶拿NC分析儀測試(Analytik Jena AG,Germany).2015年9月采集的部分土樣風干、分成兩份: 一份過2 mm篩，測試土壤pH、土壤機械組成、土壤大團聚體[0.25～2 mm)、微團聚體(0.053～0.25 mm)及土壤最大持水量；另一份過0.15 mm篩，測試w(SOM)和w(全氮).w(SOM)采用重鉻酸鉀容量法，全氮采用開氏法，土壤pH采用電位法，容重采用環(huán)刀法，土壤團聚體采用濕篩法，土壤機械組成采用比重計法測試[23]，土壤最大持水量采用Rey等[25](2005)的方法，土壤基本理化性質見表1.

表1 土壤基本理化性質

注： 不同小寫字母代表不同樣地間有顯著差異(P<0.05)； 數據為平均值±標準差.

1.2.2統(tǒng)計分析

采用Excel 2007計算CO2排放通量及年排放總量；采用Origin 9.0軟件作圖，圖中誤差棒代表標準差；采用SPSS 15.0進行不同樣地間的差異顯著性檢驗(配對-t檢驗)及CO2排放通量與各因素間的Pearson相關關系分析，統(tǒng)計顯著水平(P<0.05).

2 結果與討論

2.1 不同土地利用方式對土壤CO2排放的影響

圖1 不同樣地土壤CO2排放通量Fig.1 The soil CO2 flux rates in four research sites

農業(yè)耕作措施能改變土壤的理化性質[3]，影響土壤碳循環(huán)過程. 由圖1可知，種植6 a設施菜地的土壤CO2排放通量顯著高于農田(P<0.05)，農田、種植6、12 a設施菜地及荒廢12 a設施菜地的土壤CO2年排放量分別為(3.52±0.80)(12.09±1.36)(4.97±0.04)(2.95±0.06) kgm2. 由方差分析可知，種植6 a設施菜地的年排放量明顯高于其他樣地(P<0.05)，農田及種植12 a設施菜地的年排放量無顯著差異，荒廢12 a設施菜地的年排放量明顯小于種植12 a設施菜地(P<0.05)，但與農田無顯著差異. 由Pearson相關分析可知，w(SOM)與土壤CO2年排放量呈顯著正相關(R=0.964,P<0.001). 設施菜地種植過程中較農田施加更多有機肥[4,20]，其中絕大部分是易分解有機碳組分[2]，增加了w(SOM)(見表1)，為土壤微生物提供了更多可利用底物，促進SOM的分解及CO2排放. 種植12 a設施菜地雖然部分月份CO2排放通量高于農田，但其年排放總量與農田無差異. 設施菜地連續(xù)種植10 a以上，由于連作障礙影響蔬菜產量[18]，施肥量較種植10 a以下設施菜地有所降低[4]，可能減少土壤微生物可利用底物的供應，降低土壤CO2排放.

2.2 土壤物理屬性對CO2排放的影響

由于設施菜地上覆塑料薄膜及草氈等保溫材料，土壤溫度顯著高于農田，尤其是11月—翌年3月(見圖2). 土壤溫度與CO2排放通量呈顯著正相關(見表2). 表明設施菜地較高的土壤溫度促進了土壤CO2排放. 4類樣地土壤CO2排放年內分配較不均勻，并且樣地間差異明顯 (見圖1). 農田及荒廢12 a設施菜地呈單峰型變化趨勢，其5—8月土壤CO2排放量分別占全年的75.09%、87.02%，并且峰值均出現在7月，該月排放量分別占全年的28.99%、35.24%. 然而，種植6 a設施菜地呈雙峰型變化趨勢：11月—翌年2月和5—8月，兩階段CO2排放量分別占年排放總量的48.48%、42.34%；其中12月排放量最大，占全年的19.83%. 造成上述年內分配趨勢的原因如下：①農田及荒廢12 a設施菜地的土壤溫度在5—8月保持較高水平(見圖2)，年內相對較高的土壤溫度促進了土壤CO2排放，尤其是7月達到全年最高土壤溫度，該月土壤CO2排放量也明顯大于其他月份. 其后土壤溫度逐漸降低，CO2排放量也隨之下降，至1月份土壤溫度最低時，土壤CO2排放量也降至全年最低水平.7月份種植12 a設施菜地的土壤溫度與農田無明顯差異，但其CO2排放通量仍大于農田，這可能歸因于設施菜地較大的有機肥施加. ②11月—翌年2月，種植6 a設施菜地的土壤CO2排放量接近全年的50%，并且僅12月份土壤CO2排放量就接近全年的20%. 原因是設施菜地具有保溫措施，使其冬季土壤溫度較高，有利于提高土壤微生物活性，加速有機質分解. 這也驗證了土壤溫度對CO2排放的促進作用. 此外，11月—翌年2月是設施菜地反季節(jié)蔬菜生長旺季，對養(yǎng)分的需求量可能較大，有利于增強根呼吸.

灌溉[12]及其產生的較高土壤含水率[26]可能加速土壤CO2排放. 同時，土壤水分與有機底物的添加也會對土壤CO2排放產生交互作用[12]. 根據方差分析可知，設施菜地土壤含水率明顯高于農田及荒廢12 a設施菜地(見圖3)，可能是設施菜地頻繁灌溉所致. 并且土壤含水率與土壤CO2排放通量呈顯著正相關(見表2). 據此推斷，較高的土壤含水率增加了種植6 a的設施菜地土壤CO2排放. 近期研究發(fā)現，不同灌溉方式(如溝灌、滴灌、滲灌等)對土壤溫室氣體排放產生顯著影響，以溝灌的排放量最大[27]. 該研究區(qū)農田采用漫灌方式，而設施菜地采用溝灌方式，不同灌溉方式可能對土壤碳排放過程產生影響. 通常，灌溉將增加土壤碳排放強度[28]. 設施菜地灌溉頻次高于農田，灌溉前后由于土壤水分改變，可能對土壤碳排放過程產生較大影響. 因此，后續(xù)研究中應該側重對比不同灌溉方式及灌溉前后土壤碳排放水平的變化，以期更深入了解農業(yè)土壤碳排放過程.

圖2 不同樣地5 cm深度土壤溫度Fig.2 Soil temperature at the depth of 0-5 cm

圖3 不同樣地土壤含水率Fig.3 The concentration of soil moisture in four research sites

表2 土壤性質相關性分析結果

注： ** 顯著性水平P< 0.01; *顯著性水平P< 0.05.

土壤氧氣含量能調節(jié)SOM分解，并且該因素受制于土壤容重[29-30]. 施用有機肥能夠促進土壤團聚體形成[31]，可能改變土壤容重及孔隙度，影響土壤中氧氣擴散[11]及土壤持水能力. 該研究發(fā)現，設施菜地土壤容重小于農田，大團聚體含量及土壤最大持水量均顯著高于農田(見表1). 由于設施菜地在種植過程中大量施加有機肥[4,20]，可能促進團聚體形成、增加土壤孔隙度，加速土壤中氧氣擴散及提高土壤持水能力，有助于SOM分解.

2.3 土壤酶活性對CO2排放的影響

土壤酶活性是調節(jié)土壤碳循環(huán)的重要因素[14]. 土壤屬性(如溫度、SOM質量)變化可以調節(jié)土壤酶活性[15-16]. 由圖4可知，大部分月份種植6、12 a設施菜地的蔗糖酶活性顯著高于荒廢12 a設施菜地，并且種植6 a設施菜地的蔗糖酶活性明顯高于種植 12 a 設施菜地(P<0.05)，荒廢12 a設施菜地的蔗糖酶活性與農田無顯著差異，但明顯小于種植6、12 a設施菜地. 表明農田變?yōu)樵O施菜地后提高了土壤蔗糖酶活性. 此外，蔗糖酶活性與土壤CO2排放通量、土壤溫度、含水率呈顯著正相關(見表2). 據此推測，設施菜地土壤高溫、高濕的環(huán)境條件增加土壤蔗糖酶活性，進而促進SOM分解及CO2排放.

注： 不同小寫字母代表不同樣地間有顯著差異(P<0.05).圖4 不同樣地土壤蔗糖酶活性Fig.4 The invertase enzyme activities in four research sites

2.4 不同土地利用方式對DOC的影響

注：不同小寫字母代表不同樣地間有顯著差異(P<0.05).圖5 不同樣地土壤中w(DOC)Fig.5 The concentrations of dissolved organic carbon in four research sites

3 結論

a) 農田變?yōu)樵O施菜地，短期內(種植6 a)促進土壤CO2排放. 主要原因是設施菜地種植過程中，頻繁灌溉及較高的土壤溫度提高了土壤蔗糖酶活性，促進了土壤有機碳分解. 隨著種植年限延長至12 a，土壤CO2排放降至農田水平.

b) CO2排放年內分配極不均勻. 農田及荒廢設施菜地CO2排放呈單峰變化趨勢，排放主要集中在5—8月. 設施菜地CO2排放呈雙峰變化趨勢，排放主要集中在5—8月及11月—翌年2月.

c) 農田變?yōu)榉N植6 a設施菜地促進土壤水溶性有機碳的輸出.

d) 設施菜地種植初期(種植6 a)應適當減少施肥量，在保證產量的基礎上，降低土壤碳排放水平.

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CO2EmissionsfromTypicalGreenhouseSoilsinNorthernChina

TAO Baoxian

College of Environment and Planning, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China

In order to study the effects of land use change on CO2emissions and its influencing factors, the CO2flux rates and environmental factors were studied in farmland greenhouse soil cultivated for 6 and 12 a, as well as greenhouse soil that was abandoned for 12 a. The results showed that: (1) The highest CO2emission rates existed in the soils of greenhouse soil cultivated for 6 a. More fertilizers, higher soil temperature and higher soil moisture could enhance the soil invertase enzyme activities in the treatment, then increase the CO2released from soils. (2) After more than ten years′ cultivation, the application of organic manure could be reduced in the greenhouse. This could reduce the supply of available substrates for microbial decomposition. Then, the annual CO2emissions in greenhouse soil cultivated for 12 a decreased to the level of farmland. (3) The concentrations of dissolved organic carbon (DOC) in greenhouse soil cultivated for 6 a were higher than those in farmland. (4) The CO2emission patterns were different between the treatments. The percentages of annual CO2emissions occurring from May to August were 75.08% in farmland and 87.02% in greenhouse soil that was abandoned for 12 a, and peak values of CO2emissions occurred in July in these treatments. CO2in greenhouse soil cultivated for 6 a was mainly released from May to August (48.48%) and from November to the next February (42.34%), and peak values of CO2emission occurred in July and December, respectively. In conclusion, land use change from farmland to greenhouse soil cultivated for 6 a enhances CO2emissions and soil DOC production. However, CO2emissions decrease with years of cultivation. After 12 years of cultivation, CO2emission decrease to the level of farmland.

greenhouse cultivation; CO2emissions; soil temperature and moisture; Shouguang City

2017-03-15

2017-09-05

國家自然科學基金項目(41501099)；山東省自然科學基金項目(ZR2014DQ015)；聊城大學基金項目(318051430)

陶寶先(1981-)，男，山東淄博人，講師，博士，主要從事土壤碳氮循環(huán)研究，taobaoxian@sina.com.

陶寶先.北方典型設施菜地土壤CO2排放特征[J].環(huán)境科學研究,2017,30(12):1927-1933.

TAO Baoxian.CO2emissions from typical greenhouse soils in northern China[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(12):1927-1933.

X144

1001-6929(2017)12-1927-07

A

10.13198j.issn.1001-6929.2017.03.56