不同水分管理下土溫室氣體排放的動(dòng)態(tài)規(guī)律

師夢(mèng)嬌， 高明霞， 孫本華， 馮 浩，3，4， 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.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西楊凌 712100； 4.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)方案

采用盆栽培養(yǎng)方式，于2017年1月在西北農(nóng)林科技大學(xué)南校區(qū)科研溫室內(nèi)進(jìn)行。將土樣風(fēng)干至充水孔隙度(WFPS)=25%，研磨后過(guò)2 mm篩，以容重1.2 g/cm3裝盆，每盆裝土 12 kg。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)不同的土壤初始充水孔隙度處理，其中對(duì)照CK不作任何處理，其WFPS為25%，低水處理W1=30%，中水處理W2=40%，高水處理W3=50%(W1、W2、W3分別為60%θ田、80%θ田、θ田)，讓其自然蒸發(fā)，每天08：00稱質(zhì)量，記錄稱質(zhì)量結(jié)果，并推算出當(dāng)時(shí)的土壤含水量，除CK外，其余處理的WFPS下降到25%時(shí)灌水至初始含水量，灌水后立即進(jìn)行氣體的采集，在11：00之前完成氣體的采集。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，一共12盆，試驗(yàn)開始后 18 d 結(jié)束。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 氣體采樣與測(cè)定 氣體樣品采集與分析采用靜態(tài)箱-氣象色譜儀法[12]，采樣箱為圓筒形，用PVC材料制成，直徑20 cm，高30 cm，底座在將土裝入花盆之前埋入土中，頂箱上開1個(gè)孔并連接三通作為采樣管，用50 mL注射器抽取箱內(nèi)氣體，抽取時(shí)多推排幾次以便混勻箱內(nèi)氣體。采樣時(shí)間為09：00—12：00，每10 min采1個(gè)樣，即置箱后0、10、20、30 min 采樣，共采集4個(gè)樣品。氣體樣品于當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀Agilent 7890B測(cè)定N2O、CO2和CH4濃度。

1.3.2 溫度的測(cè)定 采樣過(guò)程中，監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)氣溫以及5、10 cm土壤溫度，整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)如圖1所示。5、10 cm土層土壤溫度都低于溫室氣溫，變化相對(duì)穩(wěn)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

溫室氣體排放通量的計(jì)算公式為[13]

(1)

式中：F為N2O、CO2、CH4的排放通量，μg/(m2·h)、mg/(m2·h)、mg/(m2·h)；ρ為氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度；h為箱體的高度，m；T為采氣箱內(nèi)溫度，℃；dc為氣體的濃度差；dt為時(shí)間的間隔，h；dc/dt為采樣箱內(nèi)氣體濃度的變化速率，通過(guò)4個(gè)采樣點(diǎn)所測(cè)的數(shù)據(jù)作圖的斜率可知。

整個(gè)試驗(yàn)期土壤溫室氣體的累積排放量的計(jì)算公式為[13]

關(guān)注個(gè)體感受的研究指出，工作重塑會(huì)對(duì)員工個(gè)人產(chǎn)生四種影響作用:改變工作意義(與自身期望相聯(lián)系)和工作身份(獲得有價(jià)值的身份定位)、獲得積極體驗(yàn)(成就、樂(lè)趣、意義)、遭遇意料之外的消極體驗(yàn)(格外的壓力、間歇的遺憾)以及實(shí)現(xiàn)復(fù)原(增加適應(yīng)能力、個(gè)人的成長(zhǎng)、獲得應(yīng)對(duì)未來(lái)挫折的能力)。實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)，工作重塑不但可以增進(jìn)員工幸福感，而且可以減輕因個(gè)人價(jià)值觀與工作要求沖突而產(chǎn)生的負(fù)面影響;合作工作重塑與個(gè)人和團(tuán)隊(duì)的工作滿意度和組織承諾正相關(guān);擴(kuò)充型工作重塑與工作滿意度正相關(guān)，收縮型工作重塑則關(guān)系不顯著，員工減少妨礙性工作要求的重塑行為也可能造成同事的工作負(fù)荷和工作倦怠。?

(2)

式中：C為N2O、CO2、CH4的累積排放量，μg/m2、mg/m2、mg/m2；F為溫室氣體排放通量；i為第i次監(jiān)測(cè)；ti+1-ti為2次連續(xù)監(jiān)測(cè)間隔的時(shí)間，d；n為監(jiān)測(cè)的總次數(shù)。

綜合溫室效應(yīng)(global warming potential，GWP)，即100年尺度上1 kg CH4、N2O所引起的綜合溫室效應(yīng)(GWP)分別是CO2的28、265倍。將CH4、N2O排放量轉(zhuǎn)換為CO2當(dāng)量估算綜合溫室效應(yīng)(GWP)，計(jì)算式為：

GWP=28×F(CH4)+265×F(N2O)。

(3)

式中：GWP為CH4和N2O排放的綜合溫室效應(yīng)，kg/hm2；F(CH4)和F(N2O)分別為CH4和N2O排放總量，kg/hm2。

數(shù)據(jù)分析用SPSS 16.0軟件，繪圖用Sigmaplot 13.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化

各處理N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。土壤初始充水孔隙度越高，各處理整個(gè)觀測(cè)期中的N2O排放通量越大，隨著時(shí)間的推移，各處理的N2O排放通量均是在波動(dòng)中下降，未灌水處理(CK)的波動(dòng)趨勢(shì)最緩，低水處理(W1)、中水處理(W2)、高水處理(W3)的變化趨勢(shì)由緩變劇烈。

2.2 土壤CO2排放通量的動(dòng)態(tài)變化

各處理土壤CO2排放的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。各處理土壤CO2的排放通量在整個(gè)試驗(yàn)期呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，且試驗(yàn)過(guò)程中各處理灌溉量和灌溉頻率的影響呈現(xiàn)出多峰曲線模式。

第1次灌水后，以未灌水處理(CK)的CO2的排放通量最高，達(dá)到79 mg/(m2·h)，然后是低水處理(W1)，其CO2的排放通量為46.66 mg/(m2·h)，中水處理(W2)次之，其CO2的排放通量為17.33 mg/(m2·h)，高水處理(W3)的CO2的排放通量最小，為12.20 mg/(m2·h)，隨著土壤水分的緩慢滲入，土壤表面的水膜變薄，土壤中水分的流動(dòng)使得微生物活動(dòng)增加，這時(shí)土壤呼吸慢慢增強(qiáng)，各灌水處理的CO2排放通量均在排放后4～5 d達(dá)到最大，其中高水處理(W3)為 97.58 mg/(m2·h)，中水處理(W2)為92.83 mg/(m2·h)，低水處理(W1)為73.25 mg/(m2·h)。

2.3 土壤CH4排放通量的動(dòng)態(tài)變化

如圖4所示，各處理CH4排放通量沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，所有負(fù)通量表示從大氣中吸收CH4，高水處理(W3)在灌水后4 d出現(xiàn)了吸收峰值，達(dá)到-0.64 mg/(m2·h)，可能是由于當(dāng)天大氣中CH4濃度高于其余時(shí)期，將測(cè)定0 h的CH4濃度作為當(dāng)時(shí)大氣的濃度，如表1所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)灌水后4 d大氣CH4濃度為3 350 mg/m3，而其余時(shí)期均在3 000 mg/m3以下。各處理在整個(gè)觀測(cè)期間主要表現(xiàn)為弱碳匯，這也符合旱地CH4的排放特征。

2.4 N2O、CO2和CH4累積排放量及溫室效應(yīng)

如表2所示，不灌水處理(CK)與低水處理(W1)的土壤N2O累積排放差異不顯著(P=0.061)，中水處理(W2)與低水處理(W1)之間差異也不顯著(P=0.346)，但中水處理(W2)較不灌水處理(CK)顯著增加了N2O的累積排放量(P<0.05)。高水處理(W3)的土壤N2O累積排放量與不灌水處理(CK)、中水處理(W2)、低水處理(W1)相比，產(chǎn)生了顯著差異(P<0.01)。

不灌水處理(CK)與低水處理(W1)對(duì)CO2累積排放量差異不顯著(P=0.648)，與中水處理(W2)之間差異性也不顯著(P=0.078)，但中水處理(W2)的CO2累積排放量顯著高于低水處理(W1)(P<0.05)。高水處理(W3)的CO2累積排放量顯著高于其余處理，分別是中水處理(W2)和低水處理(W1)的1.28、1.58倍(P<0.01)。

各處理的CH4累積排放量均為負(fù)值，即土壤是大氣CH4的吸收“匯”。低水處理(W1)較其余處理均顯著增加了土壤CH4的排放(P<0.05)，3個(gè)灌水處理土壤CH4的累積排放量大小為：低水處理(W1)>中水處理(W2)>高水處理(W3)。

由表2還可知，不灌水處理(CK)的土壤溫室效應(yīng)(GWP)為負(fù)值，其余處理為正值，高水處理(W3)的土壤溫室效應(yīng)顯著高于中水處理(W2)，低水處理(W1)和中水處理(W2)之間無(wú)顯著差異。

3 討論

3.1 土壤水分對(duì)N2O排放的影響

土壤中N2O的產(chǎn)生是硝化作用和反硝化作用共同作用的結(jié)果，WFPS是影響土壤形成N2O的關(guān)鍵因素[14]。在一定的土壤含水量范圍內(nèi)，硝化速率隨著含水量的下降而降低，從而使得土壤N2O的排放減少[15]。梁東麗等研究表明，土壤干濕交替增加了死亡微生物量并打亂了土壤環(huán)境和有機(jī)物之間的相互作用，使得土壤有效碳和有效氮的礦化量增加，降水或灌溉后土壤反硝化酶對(duì)土壤通氣性作出快速反應(yīng)，反硝化量顯著增加，即出現(xiàn)了N2O脈沖排放現(xiàn)象，且多次灌水會(huì)使土壤N2O排放通量下降[11，16]，本研究結(jié)果與其一致。

表1 整個(gè)觀測(cè)期間大氣CH4的濃度

表2 各處理在培養(yǎng)結(jié)束后溫室氣體的累積排放量及土壤溫室效應(yīng)(GWP)

注：同列中不同字母表示處理間差異顯著(LSD法)。

在觀測(cè)后期，各處理均出現(xiàn)了負(fù)排放，關(guān)于N2O出現(xiàn)負(fù)排放的原因有學(xué)者在其他生態(tài)系統(tǒng)中有過(guò)報(bào)道，劉曄等在對(duì)北京森林生態(tài)系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)，在一定的溫度(15～7 ℃)段，N2O出現(xiàn)了負(fù)排放，并認(rèn)為在低氮區(qū)溫度是影響銨氧化細(xì)菌產(chǎn)生N2O的主要因素[17]。王玉英等在對(duì)太行山前平原冬小麥—夏玉米輪作體系的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤處于一種氮素含量較低的干燥環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)對(duì)N2O的吸收現(xiàn)象[18]，這也驗(yàn)證了本研究的結(jié)果。

3.2 土壤水分對(duì)CO2排放的影響

有學(xué)者認(rèn)為，水分進(jìn)入土壤后取代了氣體的位置，但水分的進(jìn)入也使得土壤的通氣性降低，從而阻礙了氣體的排放[19]，使得觀測(cè)到的CO2排放量較不灌水處理(CK)少，本試驗(yàn)結(jié)果與此相似。歐陽(yáng)揚(yáng)等研究表明，干濕交替處理會(huì)激發(fā)CO2的釋放速率，干濕交替頻率越少，CO2的總釋放速率越大[10]，對(duì)于低水處理(W1)來(lái)說(shuō)，整個(gè)試驗(yàn)期對(duì)其灌水6次，CO2累積排放量與不灌水處理(CK)并沒(méi)有顯著性差異，可能是因?yàn)楹笃谘a(bǔ)充水分頻率過(guò)高使得微生物活性減弱，從而削弱了土壤呼吸，也有可能處于不同水分環(huán)境的土壤微生物所需的最佳含水量是不相同的[20-21]，低水處理(W1)的含水量無(wú)法滿足此環(huán)境下微生物活動(dòng)所需的含水量使得土壤CO2的累積排放量減弱，此推論還須進(jìn)一步驗(yàn)證。高水處理(W3)即初始含水量達(dá)到田間持水量CO2的累積排放量顯著高于其余處理，隨著水分蒸發(fā)，土壤CO2的排放通量逐漸減弱，以往研究也表明，當(dāng)土壤含水量低于田間持水量時(shí)，土壤呼吸速率會(huì)隨含水量的增加而增加[22]。

3.3 土壤水分對(duì)CH4排放的影響

土壤CH4的產(chǎn)生是土壤甲烷菌和甲烷氧化菌共同作用的結(jié)果[23]，在本研究中，中水處理(W2)和高水處理(W3)在灌水后4 d產(chǎn)生了明顯的吸收峰，在初次灌水后，土壤處于厭氧條件，甲烷菌分解土壤中的有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)其排放，這與梁艷[24]等的研究結(jié)果一致，隨著土壤中的水分蒸發(fā)，土壤透氣性越來(lái)越好，CH4被氧化菌氧化為CO2，削弱了CH4的排放特征，再加上當(dāng)天大氣中CH4濃度過(guò)高，導(dǎo)致在濃度梯度作用下CH4負(fù)排放過(guò)高，而低水處理(W1)土壤一直處于一種頻繁灌水的條件下，土壤通氣性較高水處理(W3)和中水處理(W2)差，甲烷菌較活躍，并沒(méi)有出現(xiàn)吸收峰值，另外，土壤脫氫酶在甲烷氧化過(guò)程中十分重要[25]，灌水次數(shù)過(guò)多會(huì)減弱氧化過(guò)程中土壤脫氫酶的活性，使得低水處理(W1)在培養(yǎng)結(jié)束后的CH4排放量相應(yīng)增大。

3.4 不同水分管理下的土壤溫室效應(yīng)(GWP)

4 結(jié)論