加氣條件下土壤CO2排放 對土壤過氧化氫酶活性及番茄生長的響應(yīng)

胡文同，楊志超，鄭心潔，蔣洪麗，蔡煥杰,2，陳 慧,2

(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. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點試驗室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

由溫室氣體引起的全球氣候變暖已經(jīng)成為了當(dāng)今世界備受關(guān)注的環(huán)境問題[1]。CO2是大氣中最主要的溫室氣體，對全球氣候變暖起了重大作用。據(jù)統(tǒng)計，全球大約有20%的CO2來自農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[2]。中國是世界農(nóng)業(yè)大國，其中，北方設(shè)施蔬菜面積已達(dá)125.3 多萬hm2[3]。隨著反季節(jié)蔬菜市場的擴大，我國設(shè)施菜地的面積正在并將不斷增加。然而不合理施肥，尤其是大量有機肥的施入是設(shè)施菜地的常見現(xiàn)象，這會引起大量CO2排放。因此，研究設(shè)施菜地的CO2排放規(guī)律對調(diào)節(jié)全球氣候變暖問題有重大意義。

截止目前，美國、以色列和意大利等國家都已對加氣灌溉技術(shù)進行了相關(guān)研究，特別是通過文丘里加氣灌溉。前人研究表明，加氣灌溉能減輕土壤板結(jié)狀況且改善土壤的通氣狀態(tài)，滿足作物根系對O2需求，利于根區(qū)土壤微生物的活動和礦物質(zhì)的運移，進而滿足作物根系對養(yǎng)分和水分的吸取[4, 5]。加氣灌溉能提高作物水分利用效率、品質(zhì)及產(chǎn)量已被大量研究證實[6-9]，然而加氣灌溉對土壤環(huán)境效應(yīng)方面的研究仍缺少。土壤中的過氧化氫酶能促進土壤中過氧化氫的分解、促進過氧化氫對多種化合物的氧化作用，有利于減輕土壤過氧化氫對作物根系和土壤微生物的毒害作用，進而促進作物根系的呼吸[4, 10]。因此，研究土壤過氧化氫酶活性對研究土壤CO2排放有著重要意義。目前為止，有關(guān)加氣灌溉對土壤CO2排放或土壤酶活性的影響研究相對較少。例如，陳慧等[11]表明加氣灌溉增加了土壤CO2排放，但不顯著。李元等[4]通過采用空氣壓縮機實現(xiàn)水氣分離加氣方式，在對大棚甜瓜地土壤過氧化氫酶進行研究時發(fā)現(xiàn)，加氣增加了土壤過氧化氫酶活性，但其研究只在作物不同生育期進行了3次簡單觀測，而不能準(zhǔn)確評估土壤過氧化氫酶活性的變化規(guī)律。此外，對不同作物及種植環(huán)境下土壤CO2排放和土壤過氧化氫酶間聯(lián)系的研究較多[12, 13]，但有關(guān)加氣條件下土壤CO2排放與過氧化氫酶間聯(lián)系的研究鮮見報道。因此，本文通過田間觀測，研究加氣條件下土壤CO2排放對土壤過氧化氫酶活性及番茄生長的響應(yīng)，研究結(jié)果為深入研究農(nóng)田土壤碳循環(huán)過程提供參考和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年4月4日到7月4日在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點試驗室的日光溫室內(nèi)進行(長36 m、寬10.3 m、高4 m)。研究站位于北緯34°20′，東經(jīng)108°04′，海拔高度為521 m。所處地理位置屬半干旱偏濕潤區(qū)，多年平均氣溫12.5 ℃，年均日照時數(shù)為2 163.8 h，無霜期為210 d，降雨量548.80 mm。小區(qū)試驗土壤為塿土，1 m土層內(nèi)平均土壤干容重為1.35 g/cm3, 田間持水量22.3%(質(zhì)量含水率)。種植前測得土壤有機質(zhì)含量為9.51 g/kg，全氮含量為1.86 g/kg，全磷含量為1.397 g/kg，全鉀含量20.224 g/kg，土壤肥力中等。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以溫室番茄(品種：“金鵬10號”)為供試作物，采用營養(yǎng)缽育苗，于2017年4月6日定植，此時番茄秧苗處于3葉1心或4葉1心狀態(tài)。定植時對番茄幼苗進行澆透底水，澆水后在壟上覆膜。在番茄三穗時進行打頂處理，試驗于2017年7月4日結(jié)束，生育期為90 d。試驗番茄生育期具體劃分見表1。

表1 番茄生育期具體描述Tab.1 The description of tomato growth period

本次試驗共設(shè)計兩個處理：加氣灌溉(AI)和常規(guī)膜下滴灌(CK)。每個處理設(shè)置三個重復(fù)，其中一壟為一個重復(fù)，共計6壟，采用完全隨機分布布設(shè)。為防止水分側(cè)滲，壟與壟之間用塑料膜隔開。每壟的尺寸為長4.0 m，寬0.8 m，面積為3.2 m2。每壟種植11株供試番茄，每株間距35 cm。灌水方式采用地下滴灌，滴灌帶埋深和滴頭間距分別為15 cm和35 cm。AI處理，灌溉與加氣同步，即采用水氣結(jié)合的加氣灌溉方式，在每個小區(qū)首端安裝文丘里計(圖1)，以此作為加氣設(shè)備進行加氣，進口壓力為0.1 MPa，出口壓力為0.02 MPa，由排氣法得到進氣量約占灌水量的17%。

圖1 加氣膜下滴灌簡圖Fig.1 Schematics of aerated subsurface drip irrigation

試驗中的灌水量由安置在溫室內(nèi)的E601型蒸發(fā)皿測得的蒸發(fā)量確定，每次灌水量由式(1)計算：

W=kCp·Epan·A

(1)

式中：W表示灌水量，L；kCp為蒸發(fā)皿系數(shù)，本次取為1.0；Epan為蒸發(fā)皿測得的蒸發(fā)量，mm；A為一個灌水器控制的小區(qū)面積，m2。

番茄整個生育期，AI和CK處理各進行了16次灌水，合計灌水量為30.7 L(表2)。此外，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的經(jīng)驗，試驗只施基肥，于1月22日施有機肥料(N-P2O5-K2O≥10%；有機質(zhì)≥45%)3 437.5 kg/hm2與復(fù)混肥料(總養(yǎng)分≥45%，其中氮、磷、鉀各含15%)2 187.5 kg/hm2。

表2 番茄整個生育期灌水時間及灌水量Tab.2 Irrigation time and amount throughout the whole tomato growth period

1.3 測定指標(biāo)及方法

土壤CO2排放：采用靜態(tài)暗箱原位采集氣體[14]，箱體為6 mm厚的PVC材質(zhì)構(gòu)成，底面積為25 cm×25 cm，高度為25 cm。箱體外表面用錫箔紙包裹，頂部安裝有攪拌空氣的小風(fēng)扇以使氣體均勻。番茄移植當(dāng)天在小區(qū)靠近中央的兩棵幼苗之間預(yù)埋方形底座(25 cm×25 cm)，底座嵌入土壤5 cm深，底座上端由大約3 cm深的凹槽構(gòu)成用以放置靜態(tài)箱箱體，取氣時對底座進行注水密封處理，避免空氣對氣體樣品的干擾。氣體采樣從移苗后第9 d開始，每隔5～7 d采樣1次，分別在10∶00、10∶10、10∶20和10∶30利用帶有三通閥的50 mL注射器進行4次氣體采集，每次取氣30 mL，并在當(dāng)天采用安捷倫氣相色譜儀分析儀7890A型(Agilent Technologies 7890A GC System)進行濃度分析，CO2排放通量采用(2)式計算：

(2)

番茄全生育期內(nèi)土壤CO2排放量通過下式計算：

(3)

式中：Y為土壤CO2的累積排放量；F為土壤CO2排放通量；(Ti+1-Ti)為相鄰兩次測定間隔天數(shù)；i為第i次測定；n為測定總次數(shù)。

土壤過氧化氫酶活性：利用對角線法每隔15 d左右在每壟首、中、末端2棵番茄植株之間進行3點取土，深度至20 cm，使其充分混合作為該重復(fù)的土壤樣品。樣本風(fēng)干后過1 mm篩，用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性[15]。

土壤充水孔隙率：在每壟首、中和末端2棵番茄植株之間利用土鉆取土法取出0～10 cm深度的土壤樣本，混合，用烘干法測量每個小區(qū)的土壤水分，取其平均值作為每個處理的土壤含水量，并轉(zhuǎn)換成土壤充水孔隙率(Soil Water-filled Pore Space，WFPS)。成熟期之前每7 d取一次土壤樣品，成熟期每10 d取一次土壤樣品。WFPS由式(4)確定：

(4)

式中：ω代表土壤重量含水率，%；P代表土壤孔隙度，%；ρ代表土壤容積，g/cm3。

土壤/箱內(nèi)溫度：每次取氣的同時，利用插入土壤10 cm深度的地溫計獲取土壤溫度；用安插在箱體頂部的水銀溫度計測定取樣時的箱溫。

番茄株高：在番茄苗期和開花坐果期，每5 d左右測一次；之后，每8 d左右測定一次。用卷尺測定從植株基部到頂點的高度，每株每次測量三次，取其平均值作為番茄株高。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用軟件Origin 8.5畫圖，用Excel和IBM SPSS Statistics 20數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié) 果

2.1 加氣灌溉對土壤CO2排放的影響

由圖2可見，在番茄的整個生育期內(nèi)，AI和CK處理下的土壤CO2排放通量同步變化，均隨番茄移植天數(shù)的增加總體呈現(xiàn)為先增加后減小的趨勢。處理間對比顯示，在番茄生育期絕大多數(shù)時間內(nèi)，AI處理的土壤CO2排放通量高于對應(yīng)的CK處理。在番茄整個生育期內(nèi)，AI處理土壤CO2排放通量均值為460.30 mg/(m2·h)，較CK處理增加了2.4%。苗期13 d(移植后天數(shù))左右時，不同灌溉模式下土壤CO2排放通量在整個生育期最小，AI和CK處理土壤CO2排放通量分別為整個生育期平均值的52.2%和47.7%；隨后逐漸增大，到59 d時達(dá)到峰值，AI和CK處理土壤CO2排放通量分別為整個生育期平均值的1.4倍和1.5倍；80 d后土壤CO2排放通量維持在一個較穩(wěn)定的水平，其值約等于整個生育期土壤CO2排放通量的平均值。此外，AI處理土壤CO2累積排放量為9 031.08 kg/hm2，較CK處理增加了2 06.75 kg/hm2，處理間差異性未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

圖2 加氣與常規(guī)膜下滴灌條件下 番茄整個生育期土壤CO2排放通量的變化Fig.2 Variations of soil CO2 fluxes during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

2.2 加氣灌溉對土壤過氧化氫酶活性的影響

從圖3可以看出，在番茄的整個生育期內(nèi)，不同處理土壤過氧化氫酶活性均呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢；在番茄的采摘期(90 DAT)土壤過氧化氫酶活性達(dá)到最大值。此外，AI處理的土壤過氧化氫酶活性全生育期均值為1.11 mL/g，較CK處理增加了0.6%，但處理間差異性未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

圖3 加氣與常規(guī)膜下滴灌條件下 番茄整個生育期土壤過氧化氫酶活性的變化Fig.3 Variations of soil catalase activity during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

2.3 加氣灌溉對WFPS及土壤溫度的影響

不同灌溉條件下的WFPS在番茄的整個生育期內(nèi)均總體呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢[圖4(a)]，苗期WFPS較高主要是對幼苗進行澆透底水所致。隨著氣溫上升，作物蒸騰和土壤蒸發(fā)加強，且作物生長對水分需求不斷增加，消耗大量水分，引起WFPS下降；后期WFPS增加是因為番茄成熟期的生命活動較果實膨大期弱，消耗的水分較少，且較大的蒸發(fā)量使灌水量增加，這增大了WFPS。此外，AI處理WFPS的波動范圍為40.3%～70.6%，平均值為53.9%；CK處理WFPS的波動值為38.5%～73.1%，平均值為54.2%。在番茄的果實膨大期(59 d)WFPS達(dá)到最小值，AI條件下為其平均值的74.8%，CK條件下為其平均值的71.1%。由此可見，加氣灌溉較不加氣灌溉降低了WFPS，但不明顯(P>0.05)。

圖4 加氣與常規(guī)膜下滴灌條件下番茄整個生育期 土壤充水孔隙率(WFPS)和溫度的變化Fig.4 Variations of soil water-filled pore space (WFPS) and soil temperature during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

從土壤溫度變化曲線可以看出[圖4(b)]，在番茄地10 cm深度層，AI和CK兩種灌溉模式下土壤溫度的變化是一致的。14 d前土壤溫度呈現(xiàn)下降的趨勢；之后，各處理土壤溫度均隨著番茄移植天數(shù)的增加呈現(xiàn)上升的趨勢。番茄整個生育期內(nèi)，AI處理下的土壤溫度均高于CK處理；且AI和CK處理平均土壤溫度分別為24.76 ℃和24.36 ℃?？梢?，AI較CK處理增加了土壤溫度，但不明顯(P>0.05)。

2.4 加氣灌溉對番茄生長的影響

由圖5可見，不同處理番茄株高在番茄整個生育期內(nèi)變化規(guī)律一致。前期隨著移植天數(shù)增加，番茄株高在不斷增加，在50 d左右達(dá)到最大值；之后，番茄株高基本不變。處理間對比顯示，在番茄整個生育期內(nèi)(成熟期的最后階段除外)，AI條件下的株高都比CK條件下高，平均增加了1.1%。說明AI條件下，番茄生長速度較快。

圖5 加氣與常規(guī)膜下滴灌條件下番茄整個生育期株高的變化Fig.5 Variations of plant height during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

2.5 土壤CO2排放通量與各影響因子之間的相關(guān)性分析

由表3可知，不同處理土壤CO2排放通量與土壤過氧化氫酶活性均呈正相關(guān)性，AI和CK處理相關(guān)系數(shù)分別為0.449和0.298。說明，土壤過氧化氫酶活性越高，對土壤中的過氧化氫分解地越徹底，能更加有效地減輕過氧化氫對作物的毒害作用，有利于作物根系的發(fā)育，促進土壤CO2排放。此外，不同灌溉條件下，土壤CO2排放通量與WFPS均呈負(fù)相關(guān)性且相關(guān)性極強(P<0.01)，AI條件下的相關(guān)系數(shù)為-0.887，CK條件下為-0.930。因此，加氣灌溉較不加氣處理降低了WFPS[圖4(a)]，改善了土壤通氣性，利于氣體排放。研究也發(fā)現(xiàn)，不同灌溉條件下的土壤CO2排放通量與土壤10 cm深度處的土壤溫度均呈正相關(guān)性，AI條件下的相關(guān)系數(shù)為0.472，CK條件下為0.482。AI條件下的WFPS與土壤10 cm深度處的土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.752；CK條件下也呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.646。此外，不同處理下土壤CO2排放與番茄株高呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，AI處理的相關(guān)系數(shù)為0.725，相關(guān)性略低于CK處理(r=0.776)。

表3 加氣灌溉與對照處理土壤CO2排放 與各影響因子之間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients of soil respiration rates and its affecting factors under AI and CK

注：AI表示加氣灌溉，CK表示常規(guī)膜下滴灌，CAT代表土壤過氧化氫酶活性，WFPS代表土壤充水孔隙率，*表示在0.05水平顯著相關(guān)；**表示在0.01水平顯著相關(guān)。

3 討 論

通過靜態(tài)暗箱/氣相色譜法對溫室番茄地土壤CO2排放進行原位觀測發(fā)現(xiàn)，土壤CO2排放通量隨番茄移植天數(shù)的增加總體呈現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(圖2)，這與一些學(xué)者的研究結(jié)果相似[16-18]，但朱艷等[6]研究得出CO2排放峰值出現(xiàn)在番茄開花坐果期，而本試驗中土壤CO2排放主峰值出現(xiàn)在59 d(果實膨大期)，這與該時期土壤過氧化氫酶活性(圖3)、WFPS[圖4(a)]和植物生長情況(圖5)有密切關(guān)系。較高的土壤過氧化氫酶活性利于土壤中的過氧化氫分解，有效地減輕其對作物的毒害作用，有利于作物根系的發(fā)育，進而促進土壤CO2排放；且較低的WFPS有利于氣體排放；加之植株在59 d左右生長趨勢穩(wěn)定，根系生長達(dá)到最大值，進而觀測到59 d土壤CO2排放主峰值。

此外，研究也發(fā)現(xiàn)，AI和CK處理的番茄整個生育期平均土壤CO2排放通量分別為460.30和449.58 mg/(m2·h)，而陳慧等[11]指出不同灌溉模式番茄地平均土壤CO2排放通量在193.66～259.10 mg/(m2·h)范圍內(nèi)波動。產(chǎn)生差異的主要原因為本試驗的溫度較高，較高的土壤溫度將提高微生物活性，進而促進土壤CO2排放。這與林淼等[18]和俞永祥等[19]的結(jié)論相一致，隨著溫度的升高，土壤呼吸速率呈指數(shù)增加。

研究表明，AI較CK處理增加了土壤CO2排放(圖2)，這與不少學(xué)者的研究結(jié)果相似[6, 11, 20]，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是加氣灌溉增加了土壤過氧化氫酶活性(圖3)，這有效的減輕了土壤過氧化氫對番茄根系和土壤微生物的毒害作用；此外，加氣灌溉降低了WFPS[圖4(a)]，有利于氣體排放；且加氣較不加氣增加了土壤溫度[圖4(b)]，這促進了微生物活性。以上皆表明加氣較不加氣處理能夠促進土壤CO2排放。

研究發(fā)現(xiàn)，土壤過氧化氫酶活性在整個生育期內(nèi)有波動性，在果實膨大期前期和成熟期末期活性較高，而果實膨大期末期最低。而張璇等[10]指出過氧化氫酶活性在番茄生育期內(nèi)先升后降，果實膨大期達(dá)到峰值，這可能是因為兩個試驗的試驗時間和番茄培育方法不同。此外，在番茄生育期的各個階段，AI條件下的土壤過氧化氫酶活性都比CK條件下高，平均增加了0.62%(圖3)，這與Niu等[21]的研究結(jié)果相似。而李元等[22]研究發(fā)現(xiàn)每兩天加一次氣，過氧化氫酶活性提高6%，這與本試驗的研究結(jié)果差距較大，其原因可能是由于本試驗中的灌溉間隔相對而言較長。

相關(guān)分析表明(表3)，不同灌溉條件下土壤CO2排放通量與土壤過氧化氫酶活性、土壤溫度和株高均呈正相關(guān)，而與WFPS呈極顯著負(fù)相關(guān)。朱艷等[6]研究表明土壤CO2排放通量與土壤溫度存在正相關(guān)性，這與本試驗的研究結(jié)果相似；陳慧等[11]研究得出土壤CO2排放通量與WFPS呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性并不顯著，其原因可能是兩次試驗的灌水量和番茄生育期的時間長短不同。

4 結(jié) 論

通過溫室小區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)：

(1)不同處理土壤CO2排放通量隨番茄移植天數(shù)的增加總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；且加氣灌溉增加了2.4%的土壤CO2排放量，但不顯著(P>0.05)。

(2)加氣灌溉提高了土壤過氧化氫酶活性，促進了番茄生長，增加了土壤溫度，但降低了WFPS(P>0.05)。

(3)土壤CO2排放通量與土壤過氧化氫酶活性、土壤溫度和番茄株高呈正相關(guān)(P>0.05)，而與WFPS呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。