不同灌溉方式對陜北沙區(qū)馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響

王 雯，張 雄

（榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，陜西榆林 719000）

隨著溫室氣體濃度持續(xù)增加，全球變暖趨勢進(jìn)一步加劇。人類活動產(chǎn)生的CO2是全球溫室氣體增長的主要來源，占人為排放溫室氣體總量的76%[1]，如果不加大減排力度，全球平均地表溫度上升帶來的糧食減產(chǎn)、干旱洪澇、病蟲害加劇等問題將對全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大影響[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳庫是全球碳庫的重要組成部分，農(nóng)田CO2排放量約占人為溫室氣體排放量的1/4，農(nóng)田碳庫的收支與平衡，在全球碳循環(huán)中具有重要的作用[3]。已有研究表明，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，改變灌溉方式會明顯改變農(nóng)田土壤碳源/匯的能力，進(jìn)而對區(qū)域和全球尺度的碳平衡產(chǎn)生影響[3-4]。因而，研究不同灌溉方式對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響，對于準(zhǔn)確評估和預(yù)測我國灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展對未來全球氣候變化的影響，制定科學(xué)的區(qū)域農(nóng)業(yè)減排措施具有重要意義。

陜北沙區(qū)位于陜北黃土高原和毛烏素沙漠南緣交界處，總面積占陜西省總面積的12.0%，是我國典型的北方旱區(qū)。該地區(qū)是我國五大馬鈴薯優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)基地之一，馬鈴薯常年種植面積約20萬hm2，約占當(dāng)?shù)丶Z食種植總面積的35%，占全省馬鈴薯總面積的60%。近年來，膜下滴灌、露地滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)已成為該地區(qū)馬鈴薯優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培的主要技術(shù)手段。然而，目前有關(guān)不同灌溉方式對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的研究主要集中在棉花[5-7]、小麥[8-9]、玉米[10-11]農(nóng)田以及設(shè)施蔬菜[12-13]農(nóng)田，馬鈴薯農(nóng)田的相關(guān)研究少見報道，其CO2排放及碳平衡狀況尚不清楚。

本研究以馬鈴薯農(nóng)田為研究對象，采用LI-8100土壤碳通量觀測系統(tǒng)，觀測不同灌溉方式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量的變化特征，估算各生育期碳排放量和生物固碳量，計算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放量和凈碳值，進(jìn)而評價不同灌溉方式下馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡狀況，旨在篩選出有助于提高陜北沙區(qū)馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排能力的灌溉方式。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于榆林城北10 km2處牛家梁鎮(zhèn)的國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園（109°43′E，38°23′N），該區(qū)域?qū)俑珊蛋敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均降水量405mm，蒸發(fā)量1 900 mm，年日照時數(shù)2 870 h，年均氣溫9.5℃，≥10℃的積溫3 200℃，無霜期165 d。該區(qū)域光照資源豐富，地勢平坦開闊，地下水位較高，便于排灌，土壤為風(fēng)沙土，肥力水平中等。供試土壤pH值8.1，有機質(zhì)含量7.79 g/kg，全氮含量0.33 g/kg，堿解氮含量46.35 mg/kg，有效磷含量13.21 mg/kg，速效鉀含量86.13 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試馬鈴薯品種為紫花白，由榆林市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。

1.3 試驗設(shè)計

采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，設(shè)置露地滴灌（DG）、膜下滴灌（MG）、溝灌（GA）、交替隔溝灌（JG）、漫灌（CK）5個處理。每處理重復(fù)3次，共15個小區(qū)，小區(qū)面積33.6 m2。試驗于2016年5月15日播種，馬鈴薯單壟單行種植，壟高20 cm，壟距80 cm，株距為20～22 cm，密度為5.7萬株/hm2，播種深度為8～10 cm。其中，MG和DG處理于起壟播種后鋪設(shè)滴灌帶，將滴灌帶放置壟上作物旁，其他處理不鋪設(shè)滴灌帶；MG處理采用幅寬1.2 m，厚度0.01 mm的地膜覆蓋壟面；CK處理不起壟不覆膜。在整個生育期，MG處理不噴施除草劑；DG處理除草劑隨水追施，除草劑用量為0.05kg/hm2；CK，GA，JG處理人工噴施的除草劑用量均為1.50kg/hm2。除灌溉、施肥和噴施除草劑外，其余田間管理方式相同。底肥施尿素120kg/hm2，磷酸二銨 225kg/hm2，硫酸鉀 225kg/hm2。在塊莖形成期至膨大期隨灌水追施尿素3次，滴灌處理每次50 kg/hm2，其他處理每次150 kg/hm2。小區(qū)四周用145 cm塑料農(nóng)膜雙折埋深50 cm隔開。每小區(qū)單獨安裝水表和開關(guān)控制灌水量。不同處理馬鈴薯生育期總灌水量列于表1。

表1 不同灌溉方式的灌溉量及灌溉次數(shù)

1.4 測定項目及方法

1.4.1 CO2排放通量測定 采用LI-8100土壤碳通量測量系統(tǒng)（Li-CorInc.，Lincoln，NE，USA）測定馬鈴薯農(nóng)田土壤CO2排放速率；于馬鈴薯播種出苗后開始觀測，每隔10 d測定一次，在灌溉及施肥后連續(xù)觀測3～5 d，基座安置在2行作物中間并露出土壤表面2 cm，在整個觀測過程基座安置的位置保持不變，在每次測定的前1 d，去除基座內(nèi)土壤表層的活體及凋落物，為減少安置基座對土壤的擾動產(chǎn)生的氣體脈沖，在基座安置24 h后進(jìn)行測定。

1.4.2 碳排放量計算 根據(jù)文獻(xiàn)[5]將觀測的瞬時CO2排放通量（μmol/（m2·s））換算為每日碳排放量（g/（m2·d）），再用線性插值法計算各生育期碳排放量（t/hm2）。

1.4.3 生物固碳量測定 生物固碳量的測定從苗期開始，每15 d左右在小區(qū)中選取有代表性的馬鈴薯植株5株，采集地上部分，同時，采用挖根沖洗法，稱取根系質(zhì)量。將采集的植株樣品帶回實驗室，在105℃下殺青1 h，80℃下烘干至恒質(zhì)量，求出每處理的平均值，并換算成單株生物量。根據(jù)馬鈴薯種植密度，將單株生物量折算成單位土地面積上馬鈴薯生物量。馬鈴薯各生育期的固碳量（kg/hm2）為馬鈴薯生物量乘以碳當(dāng)量值（0.423）[14-15]。

1.4.4 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放量 根據(jù)文獻(xiàn)[9]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放量（kg/hm2）為馬鈴薯種植過程中某一生產(chǎn)資料的消耗量與碳排放參數(shù)的乘積。

1.4.5 凈碳值估算 馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳值（t/hm2）為累積生物固碳量與累積碳排放量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料碳排放量的差值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2013進(jìn)行處理，SPSS20.0進(jìn)行顯著性分析（Duncan新復(fù)極差法），采用Origin-Pro9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式下馬鈴薯農(nóng)田CO2排放通量變化特征

從圖1可以看出，不同灌溉方式下馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量的季節(jié)變化規(guī)律明顯，均呈單峰曲線，表現(xiàn)為生長初期較低，中期高，后期逐步下降的趨勢。MG，DG，GA，CK處理的排放峰值均出現(xiàn)在7月10日，其原因是由于該時期土壤溫度最高，馬鈴薯生長旺盛，根系呼吸和微生物呼吸速率較高；而JG處理的排放峰值較其他處理滯后10 d（圖1-A），且顯著低于他處理5.36%～11.37%（P＜0.05）。各生育期平均CO2排放通量表現(xiàn)為MG＞DG＞GA＞CK＞JG（圖1-B）。在塊莖增長期和淀粉積累期，MG處理的CO2平均排放通量較GA，CK，JG處理分別高 10.63%～43.39%和 17.43%～52.58%，且差異顯著（P＜0.05），但與DG處理無顯著差異；在塊莖增長期和淀粉積累期，JG處理較其他處理分別低22.06%～34.46%和14.78%～30.26%，且差異極顯著（P＜0.01）。

2.2 不同灌溉方式對馬鈴薯農(nóng)田碳排放量的影響

由圖2可知，不同灌溉方式下馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各生育期碳排放量的季節(jié)變化趨勢明顯，表現(xiàn)為生長初期較低，中期增高，后期顯著下降。在各生育期，MG和DG處理的累積碳排放量均極顯著高于JG處理（P＜0.01）。其中，在塊莖形成期，MG處理的碳排放量分別較CK和JG處理高22.20%和43.90%；在塊莖增長期，DG處理的碳排放量分別較CK和JG處理高33.10%和31.29%，均呈極顯著差異（P＜0.01）（圖2-A）。在整個生育期，不同處理的馬鈴薯農(nóng)田累積碳排放量表現(xiàn)為MG＞DG＞GA＞CK＞JG（圖2-B），MG處理的累積碳排放量分別較GA，CK和JG處理高12.67%，23.73%和39.89%，且差異極顯著（P＜0.01）；DG處理略低于MG處理3.06%，但無顯著差異。

2.3 不同灌溉方式對馬鈴薯農(nóng)田生物固碳量的影響

由圖3可知，不同灌溉方式下馬鈴薯生物固碳量與馬鈴薯生育進(jìn)程基本一致，表現(xiàn)為苗期最低，塊莖形成期開始迅速上升，塊莖積累期達(dá)到峰值，成熟期大幅下降。除塊莖增長期外，DG處理的生物固碳量均高于其他處理，且極顯著高于GA，CK和JG處理（P＜0.01），塊莖增長期DG處理的生物固碳量略低于MG處理1.28%；在淀粉積累期，DG處理的生物固碳量依次較MG，GA，CK和JG處理高8.98%，16.31%，16.72%和38.48%，均呈極顯著差異水平（P＜0.01）（圖3-A）。在整個生育期，不同處理的馬鈴薯累積生物固碳量表現(xiàn)為DG＞MG＞GA＞CK＞JG（圖3-B），DG處理的累積生物固碳量比其他處理高7.36%～22.41%，且差異極顯著（P＜0.01）。

2.4 不同灌溉方式下馬鈴薯農(nóng)田生產(chǎn)資料碳排放 量變化

表2 不同灌溉方式下馬鈴薯農(nóng)田生產(chǎn)資料碳排放量變化

由表2可知，不同灌溉方式下馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)資料碳排放量存在差異。表現(xiàn)為CK＞GA＞MG＞JG＞DG，CK處理的生產(chǎn)資料碳排放量分別較GA，MG，JG和DG處理高16.19%，24.78%，29.71%和34.90%。這是由于CK處理的灌溉量最大，其灌溉耗能分別比GA，JG和DG處理高25.05%，27.41%和63.81%。MG和DG處理的生產(chǎn)資料碳排放量較CK和GA低6.88%～25.87%。與DG處理相比，MG處理雖沒有除草劑產(chǎn)生的碳排量，但MG處理的生產(chǎn)資料碳排放量卻較DG處理高8.11%，主要是由于MG處理使用地膜產(chǎn)生的碳排放量達(dá)124.32 kg/hm2，而DG處理無該項碳排放量。

2.5 不同灌溉方式下馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡狀況

本研究采用凈碳值來評估馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡狀況，其正值表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為大氣的碳匯，而負(fù)值則表示碳源。由圖4可知，不同灌溉方式下馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為大氣的碳匯，且碳匯能力差異明顯，凈碳值的大小順序為DG＞MG＞GA＞CK＞JG，其中，DG處理下的凈碳值分別較MG，GA，CK和JG高11.28%，21.66%，29.71%和52.13%，且差異極顯著（P＜0.01）。結(jié)果表明，DG處理下馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力明顯優(yōu)于其他處理，是增強固碳減排能力的適宜節(jié)水灌溉方式。

3 結(jié)論與討論

本研究表明，滴灌處理下馬鈴薯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量最高，碳匯能力最強，其累積碳排放量、固碳量和凈碳值分別較其他灌溉方式高9.21%～39.89%，9.97%～43.61%和9.97%～52.13%。據(jù)報道，滴灌條件下冬小麥農(nóng)田[9]和棉田[5]生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳排放總量高于漫灌，且作物生物量也顯著高于漫灌，因而其碳匯能力最強，這與本研究結(jié)論基本一致。由于露地滴灌和膜下滴灌采取少量多次灌溉方式，土壤干濕交替頻繁，土壤水熱狀況和物理性質(zhì)都得到改善，激發(fā)微生物活性和根系活動[3]，加速土壤中有機質(zhì)的分解，土壤CO2排放通量較高。而常規(guī)灌溉方式特別是漫灌處理下單次灌溉量高且灌溉次數(shù)少，土壤容易板結(jié)，氣體擴散受到限制，抑制了根系活動和土壤微生物活性[4]，土壤CO2排放通量顯著低于滴灌處理（P＜0.05）。本研究顯示，膜下滴灌處理的平均CO2排放通量和累積碳排放量分別較露地滴灌高3.26%和3.16%，可能是由于膜下滴灌條件下土壤溫度和水分分別較露地滴灌高2%～10%和4%～15%[7，16]，土壤微生物活性更強，導(dǎo)致膜下滴灌處理的CO2排放速率更高。此外，膜下滴灌處理下馬鈴薯農(nóng)田生物固碳量較露地滴灌低5.26%，主要原因是由于生長后期地膜覆蓋導(dǎo)致土壤溫度較高，但局部高溫不利于同化產(chǎn)物向塊莖運轉(zhuǎn)，影響地下生物量的累積，因而，造成膜下滴灌處理的凈碳值較露地滴灌低10.14%，碳匯能力小于露地滴灌。也有研究顯示，滴灌處理下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量和累積碳排放量低于漫灌、溝灌等傳統(tǒng)灌溉方式[6，12，17]，這可能與農(nóng)作物種類[1，8]、土壤質(zhì)地[18]、種植方式[7]、灌量灌次[10，12-13]、施肥量[4-5，19]及觀測方法[20]等因素有關(guān)。

本研究中，露地滴灌處理的生產(chǎn)資料碳排放量較其他處理低3.85%～25.87%，主要是由于與傳統(tǒng)灌溉方式相比，露地滴灌處理施用氮肥的碳排放較其他處理低25.01%，噴施除草劑的碳排放量較其他處理低96.61%～100%，灌溉耗電的碳排放量較其他處理低22.22%～54.25%，使用人力產(chǎn)生的碳排放量較其他處理低50.88%；且與膜下滴灌相比，露地滴灌沒有使用地膜產(chǎn)生的碳排放，其節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)能、省工、減排優(yōu)勢明顯。此外，一些研究表明，隔溝交替灌溉在節(jié)水[21]、提高作物水分利用效率等方面作用較為明顯[22]。但在本試驗中，隔溝交替灌的灌溉量較少，其灌溉耗電產(chǎn)生的碳排放較漫灌和常規(guī)溝灌分別低21.51%和41.18%，生產(chǎn)資料碳排放量較漫灌和常規(guī)溝灌和膜下滴灌分別低10.42%，22.90%和3.80%，然而，其凈碳值也極顯著低于其他處理14.74%～34.27%（P＜0.01）。這可能是由于試驗地土質(zhì)為風(fēng)沙土，隔溝交替灌的單次灌溉量較大，水分在土壤中迅速垂直下滲，而橫向擴散較少，加之灌溉間隔時間較長，在馬鈴薯生長盛期作物需水得不到及時補給，導(dǎo)致馬鈴薯地上、地下部分長勢較差，且土壤微生物活性受限，土壤呼吸受到抑制。因而，在幾種灌溉方式中，隔溝交替灌溉的累積碳排放量最低，生物固碳量最小，碳匯能力最弱。

綜上所述，與傳統(tǒng)灌溉方式相比，露地滴灌處理的節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)能、省工、減排優(yōu)勢明顯，馬鈴薯農(nóng)田累積生物固碳量最高，生產(chǎn)資料碳排放量最低，凈碳值最高，其碳匯能力明顯高于其他處理，是增強陜北沙區(qū)馬鈴薯農(nóng)田固碳減排能力的適宜節(jié)水灌溉方式。