設(shè)施菜田夏季悶棚對還田秸稈礦化和CO2排放的影響

余亞琳 胡靜 樊兆博 王敬國 林杉

摘要?[目的]研究設(shè)施蔬菜夏季悶棚對還田秸稈礦化和CO2排放的影響。[方法]設(shè)計二因素試驗，主因素為灌溉方式（傳統(tǒng)畦灌施肥、滴灌施肥），副因素為秸稈還田（0、3 500 kg/hm2），通過測定悶棚前、悶棚期和悶棚后CO2日排放通量，以及6月1日、11月4日2 d內(nèi)每3 h的CO2排放通量，總結(jié)悶棚對還田秸稈礦化的影響。[結(jié)果]夏季08：00—09：00和冬季17：00—18：00測定的土壤CO2排放通量與其間CO2日均排放通量之間不存在顯著差異，且二者呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系。悶棚期，CO2日均排放通量顯著高于悶棚前和悶棚后;尤其是秸稈還田后，悶棚期CO2排放通量急劇增加，是不添加秸稈處理的2倍。盡管悶棚期間CO2累積排放量顯著低于悶棚后生長季;然而，悶棚期來自于秸稈的CO2累積排放量和排放率則顯著高于悶棚后生長季。[結(jié)論]悶棚期高溫高濕的環(huán)境條件導(dǎo)致悶棚前加入的秸稈迅速礦化，不利于土壤有機碳積累和后續(xù)蔬菜作物光合作用對CO2的高需求。

關(guān)鍵詞?設(shè)施蔬菜;高溫悶棚;CO2排放通量;秸稈還田;礦化

中圖分類號?S152.6文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）02-0081-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.023

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Effect of Stuffy Shed on Mineralization and CO2 Emission of Returning Straw in Greenhouse Vegetable Field in Summer

YU Ya-lin， HU Jing， FAN Zhao-bo et al

（College of Resources and Environmental Sciences， China Agricultural University， Beijing 100193）

Abstract?[Objective] To study the effect of stuffy shed on the mineralization and CO2 emission of returning straw in greenhouse vegetable in summer.[Method] A two-factor field experiment was carried out，the main factor was the irrigation method （conventional flooding irrigation and drip irrigation），the secondary factor was straw returning （0，3 500 kg/hm2）.By measuring the daily CO2 emission fluxes before， during and after the stuffy period， as well as the CO2 emission fluxes per 3 h on June 1 and November 4， to summarize the effect of stuffy shed on the mineralization of returning straw.[Result]There was no significant difference between the daily average CO2 emission flux measured at 08：00-09：00 in summer or at 17：00-18：00 in winter and the CO2 daily average emission flux，and there was a very significant linear positive correlation between the two.During the stuffy period， the average daily CO2 emission flux was significantly higher than that before and after the stuffy period;especially， after straw was returned to the soil， CO2 emission flux in the stuffy period increased sharply， which was twice as much as that without straw addition. Moreover， although the CO2 cumulative emissions during the stuffy period were significantly lower than the growth season after the stuffy;however， the CO2 cumulative emissions and emission rate of straw during the stuffy period were significantly higher than that in the growth season after the stuffy period. [Conclusion]The high temperature and high humidity during the stuffy period lead to the rapid mineralization and CO2 emission than that before and after stuffy， which is not conducive to the accumulation of soil organic carbon and the high demand on CO2 by subsequent photosynthesis of vegetable rapid growth.

Key words?Greenhouse vegetable;High temperature stuffy shed;CO2 emission flux;Straw returning;Mineralization

我國設(shè)施蔬菜種植面積由1982年的1.03萬hm2增加到2016年的390萬hm2，占蔬菜種植總面積的22%[1-3]，產(chǎn)量占蔬菜總產(chǎn)量的30%[2]，為解決我國蔬菜均衡供應(yīng)和農(nóng)民致富做出了巨大貢獻。由于經(jīng)濟利益驅(qū)動和種植習(xí)慣等原因[4]，我國設(shè)施蔬菜種植中普遍存在單一連作和水肥高投入的現(xiàn)象[5-6]。隨著種植年限延長，土傳病害問題日益突出，嚴重威脅我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展[7-8]。生產(chǎn)上常通過輪作和選用抗病品種來預(yù)防土傳病害，但見效甚微[7];化學(xué)防治措施如大量灌施農(nóng)藥和藥物熏蒸等，見效快，但會造成環(huán)境污染，使土壤和農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留，威脅人體健康[9-10]。

強還原土壤滅菌法，既可以防治土壤病蟲害，又可以修復(fù)退化土壤[11]，是近年來學(xué)術(shù)界和生產(chǎn)上獲得較高關(guān)注的新方法。該方法是在夏季休閑季悶棚期間，在發(fā)生土傳病害的設(shè)施菜田土壤中添加適量有機物料，通過淹水和地膜覆蓋等措施快速創(chuàng)造強還原的土壤環(huán)境條件，在較短時間內(nèi)殺滅土傳病原菌，可以有效降低和抑制設(shè)施菜田土傳病害的擴散[11-13]。所添加的有機物料進入土壤后，易于分解的碳水化合物和蛋白質(zhì)等將可能被異養(yǎng)微生物快速分解，以CO2的形式釋放到大氣中;僅有少量難分解的纖維素和木質(zhì)素將轉(zhuǎn)化成土壤有機碳[14-15]。悶棚期間，設(shè)施大棚內(nèi)高溫（60 ℃）高濕（>85%）、土壤微生物活性強[4，16]和土壤呼吸劇烈，可能導(dǎo)致還田秸稈在悶棚期間快速礦化，排放大量CO2。然而，悶棚后作物生長期土壤有機質(zhì)和秸稈礦化釋放的CO2數(shù)量可能大大降低，不能滿足設(shè)施蔬菜對CO2的高需求。

設(shè)施大棚良好的作物生長環(huán)境條件，使得蔬菜作物生長快，對CO2需求量大、強度高[17]。然而，半封閉設(shè)施大棚中氣體交換不暢，從48 h內(nèi)設(shè)施大棚CO2濃度的動態(tài)監(jiān)測結(jié)果可以看出，日出后大棚內(nèi)CO2濃度隨著作物光合作用增強迅速降低，尤其在光合作用最強烈的正午，大棚內(nèi)CO2濃度遠遠低于室外大氣CO2濃度[18]，進而嚴重抑制了蔬菜作物光合效率[19]，抑制蔬菜產(chǎn)量的提升，而在設(shè)施大棚使用CO2肥料（干冰）可以顯著提高設(shè)施蔬菜產(chǎn)量[20]。作物呼吸和土壤有機碳礦化是半封閉設(shè)施大棚CO2的重要來源，然而，北方下沉式設(shè)施菜田富含有機質(zhì)的表層土壤缺失，0～30 cm土壤有機碳含量普遍較低，僅為11.4 g/kg[21]，低于中等肥力土壤有機碳含量的臨界值（20 g/kg）[22]。土壤有機碳對土壤肥力和作物產(chǎn)量具有重要的積極作用[23]，同時，土壤有機碳礦化所產(chǎn)生的CO2對生長迅速和可能存在CO2缺乏的半封閉設(shè)施蔬菜顯得尤為重要。施用C/N比高的秸稈，可以促進微生物礦化作用，一方面，可以解決設(shè)施大棚CO2短缺的問題，另一方面，長期而言，可以提高土壤有機碳儲量。然而，關(guān)于有機物料在悶棚期間及其后的礦化規(guī)律鮮見報道。筆者將通過測定悶棚前、悶棚期和悶棚后土壤CO2排放通量和累積排放量，評價悶棚對還田秸稈礦化率和礦化量的影響。

1?材料與方法

1.1?試驗設(shè)計和田間管理

試驗布置于山東省壽光市中國農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜研究院示范基地日光溫室，試驗大棚修建于2007年，長95 m，寬12 m，實際種植面積為924 m2（66畦×1.4 m×10 m）。該試驗于2009年進行，溫室內(nèi)表層0～30 cm土壤砂粒、粉粒和黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為19%、52%和29%，土壤容重為1.56 g/cm3，pH 8.02，土壤有機碳含量為8.2 g/kg。測定方法參見文獻[24-25]。

試驗采用二因素裂區(qū)試驗設(shè)計，主因素為灌溉施肥方式（傳統(tǒng)畦灌施肥、滴灌施肥一體化），副因素為秸稈還田（0、3 500 kg/hm2）。共設(shè)4個處理，分別為傳統(tǒng)漫灌施肥（CIF）、傳統(tǒng)漫灌施肥+秸稈（CIF+S）、滴灌施肥（DIF）、滴灌施肥+秸稈（DIF+S）。主區(qū)內(nèi)各小區(qū)采用完全隨機區(qū)組排列，每個處理重復(fù)3次。所有處理每季基施商品雞糞，施用量210 kg/hm2純氮。添加秸稈的處理，玉米秸稈每季添加量8 000 kg/hm2，相當(dāng)于施用純氮3 500 kg/hm2。悶棚前，上述有機肥和經(jīng)粉碎的秸稈均勻撒施于地表，立即旋耕后進行14 d的高溫悶棚，悶棚期間滴灌與傳統(tǒng)漫灌處理間水分管理一致。

每個小區(qū)包括3個種植畦，左側(cè)畦用于測定產(chǎn)量，右側(cè)畦用于采集土壤和植物樣品，中間畦用于該研究CO2排放通量的測定。畦長10 m，畦寬1.4 m。采用傳統(tǒng)雙行種植，寬行0.8 m（走道），窄行0.6 m（種植行）。采用一年兩季的種植模式，即冬春季和秋冬季。8月—次年1月為秋冬季，7月上旬開始育苗，苗齡30～35 d;7月31日將有機肥與粉碎的秸稈旋耕施入耕層土壤后，進行悶棚;8月16日定植，11月下旬開始采收，次年2月上旬收獲完畢。供試番茄品種為布魯斯特，每株番茄一般留6穗果，每穗留4～6個果實。傳統(tǒng)漫灌施肥區(qū)，按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶傳統(tǒng)習(xí)慣進行灌溉施肥。基施NPK復(fù)合肥（16-16-16）2 200 kg/hm2，追施NPK復(fù)合肥3 400 kg/hm2，全生育期灌溉量500 mm。滴灌施肥區(qū)，依據(jù)目標產(chǎn)量法估算作物整個生育期內(nèi)的需肥總量，然后依據(jù)作物的營養(yǎng)生理特點和不同生育期的需水肥規(guī)律，確定肥料的品種及比例，將其分配到每天進行滴灌施肥。通過在滴灌處理各小區(qū)內(nèi)埋設(shè)張力計（張力計陶土頭埋置地下20 cm處）來指示土壤水分變化，確定是否灌溉施肥;當(dāng)張力計讀數(shù)（09：00）達到控制灌溉水下限-20 kPa[24]時，即進行灌溉施肥。澆定植水100 mm，定植15 d后進行滴灌施肥，除陰雨天外，每天灌溉量為4～6 mm，全生育期灌溉量300 mm，施肥量1 045 kg/hm2，滴灌肥N∶P2O5∶K2O比例為17∶6∶31（圣誕樹滴灌專用肥，北京富特森公司）。

1.2?測定和計算方法

每小區(qū)中間種植畦的中間位置，分別埋設(shè)長寬高分別為50、30、20 cm的不銹鋼底座（厚度4 mm），為了確保底座與氣體采樣箱密閉，底座上部焊接寬1.5 cm、深1 cm水槽，悶棚前，將底座埋入土壤，使其水槽上沿與地表持平。采樣區(qū)內(nèi)不種植物，為防止根系進入采樣區(qū)，沿底座四周埋設(shè)0.3 m深的塑料薄膜。測定時密封水槽內(nèi)加水，以保證箱子連接處的氣密性。在整個生育時期保證底座內(nèi)的農(nóng)事操作（灌水、施肥及耕作等）與周圍土壤相同。采樣箱的體積為0.5 m×0.3 m×0.5 m，箱體采用2 mm有機玻璃設(shè)計。箱子頂部安裝一個風(fēng)扇，用以混勻箱內(nèi)氣體。采用AR-5自動氣象站自動記錄大棚內(nèi)距離地面 1.5 m 處空氣溫度。

采用CO2紅外分析儀（GMP343，芬蘭VAISALA公司）測定土壤呼吸[26]。紅外分析儀二氧化碳探頭量程為 0～1 000 μL/L，最小測量精度為 1 μL/L。為探究不同季節(jié)土壤呼吸日變化規(guī)律，確定合理的采樣測定時間，分別于2009年6月1日和11月4日檢測所有小區(qū)24 h內(nèi)每3 h的CO2排放通量，進行配對T檢驗和相關(guān)性統(tǒng)計分析。

從悶棚前7 d開始，測定大棚內(nèi)土壤CO2排放通量。定植后，在傳統(tǒng)漫灌施肥的前1 d、灌溉當(dāng)天、灌溉后第1天、此后每3 d測定一次，直到下次灌溉，測定開始時間均為08：00。測定時，首先將采樣箱頂部和底部的氣管（直徑4 mm）分別與紅外分析儀的進氣口和出氣口相連，同時接通風(fēng)扇的電源，然后打開采樣器開關(guān)，待讀數(shù)穩(wěn)定時扣上采樣箱。當(dāng)讀數(shù)增加時開始計數(shù)，0 s時的讀數(shù)被認為是此時棚內(nèi)近地面的CO2濃度，之后每隔30 s記錄一次箱內(nèi)CO2濃度，連續(xù)記錄240 s，每次測定所有小區(qū)需用時1 h。根據(jù)單位時間箱體內(nèi)CO2濃度的變化，計算悶棚前（7月24—30日）、悶棚期（7月31日—8月15日）和悶棚后（8月16日—10月29日）土壤CO2排放通量和累積排放量，計算公式如下[18]：

F1=ct×PR×（273.15+T）×VA×M1（1）

F2=F1×M2M1×24×60×60（2）

式中，F(xiàn)1為CO2排放通量，mg/（m2·s）;F2為CO2-C排放通量，kg/（hm2·d）;ct為t時間內(nèi)氣體箱內(nèi)CO2濃度變化率;P為標準大氣壓101.3 kPa;R為理想氣體常數(shù)8.314 J/（mol·K）;T為氣體箱內(nèi)溫度，℃;V與A分別為氣體箱體積和底面積，m3和m2;M1為CO2摩爾質(zhì)量44 g/mol，M2為C摩爾質(zhì)量12 g/mol。

F3=ni=1（F2）i?（n=0、1、2…）（3）

式中，F(xiàn)3為CO2-C累積排放量，kg/hm2;i為加入秸稈后天數(shù)，d。

利用悶棚期和悶棚后CO2累積排放率計算悶棚期和悶棚后的CO2排放增量及秸稈CO2排放率，計算公式如下：

CO2排放增量=添加秸稈CO2排放總量-不加秸稈CO2排放總量（4）

秸稈CO2排放率=CO2排放增量秸稈C添加量×100%（5）

1.3?數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析采用Excel 2013 和SAS V8.2軟件，對測定的CO2排放量進行三因素方差分析，包括不同時期、灌溉施肥方式和有無添加秸稈，以及三者之間的交互作用。對6月1日和11月4日不同采樣時間段的CO2 排放通量進行配對T檢驗和相關(guān)性統(tǒng)計分析。

2?結(jié)果與分析

2.1?設(shè)施番茄土壤呼吸日變化特點

一般而言，半封閉生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量呈明顯的日動態(tài)變化[27]。了解排放通量的日變化規(guī)律，進而確定合適的測定時間，對于CO2排放通量的觀測顯得尤為重要。大棚內(nèi)CO2排放通量24 h連續(xù)檢測結(jié)果表明（表1和圖1），夏季（6月1日）08：00—09：00測定的CO2排放通量與日均排放通量間不存在顯著差異，并且二者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，可以代表全天土壤CO2排放通量，這與前人的研究結(jié)果一致[18，28]。然而，冬季（11月4日）17：00—18：00測定值與日均排放通量間不存在顯著差異，并且二者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，可以代表全天土壤CO2排放通量;而冬季08：00—09：00的測定結(jié)果則顯著高于日均排放通量。這可能與夏季和冬季作物光合規(guī)律的差異和大棚內(nèi)氣溫變化（圖2）有關(guān)。同時，08：00—09：00或17：00—18：00所測定的CO2排放通量與2 d日均排放通量間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其決定系數(shù)為0.978 6（圖1）。CO2排放通量隨著大棚內(nèi)空氣溫度的升高而增大，二者之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其決定系數(shù)為0.697 1（圖2）。

2.2?悶棚對CO2日均排放通量的影響

悶棚期，設(shè)施大棚內(nèi)高溫高濕的環(huán)境[16，4]導(dǎo)致土壤呼吸加劇，土壤CO2排放通量顯著提高，尤其是秸稈還田為微生物提供了大量碳源物質(zhì)，使悶棚期土壤CO2排放通量急劇增加，顯著高于悶棚前和悶棚后（圖3）;而悶棚前和悶棚后，不存在顯著差異。這與前人的研究報道基本吻合[13，29-30]。同時，悶棚期添加秸稈的處理CO2日均排放通量是不添加秸稈處理的2倍，是悶棚前與悶棚后不添加秸稈處理的近5倍。悶棚前和悶棚后CO2日均排放通量之間差異不顯著，且悶棚前與悶棚后的4個處理間CO2日均排放通量之間也不存在顯著差異（圖3）。

2.3?悶棚對CO2累積排放量的影響

悶棚期間16 d內(nèi)CO2累積排放量顯著高于悶棚前，尤其是秸稈還田后，CO2累積排放量顯著增加，添加秸稈處理的CO2累積排放量是不添加秸稈處理的2倍。悶棚前各處理間CO2累積排放量差異不顯著（圖4）。悶棚期，根據(jù)差減法所計算的來自秸稈的CO2排放總量為1 075 kg/hm2，來自秸稈的CO2排放量占秸稈碳投入量的比例為33%。盡管悶棚期時間較短，但是由于悶棚期高溫高濕的環(huán)境條件，16 d內(nèi)還田秸稈的33%被礦化，以CO2形式排放，導(dǎo)致悶棚后礦化率較低，不利于后續(xù)設(shè)施蔬菜的生長。

悶棚后，來自秸稈的CO2排放總量為696 kg/hm2，占秸稈碳投入量的比例為21%。雖然悶棚后的CO2日均排放通量顯著低于悶棚期（圖3），而悶棚后75 d內(nèi)CO2累積排放量則顯著高于悶棚期和悶棚前（圖4）。該研究中，悶棚后不同的灌溉施肥方式對CO2累積排放量的影響不顯著，這與王亞芳等[18]的研究結(jié)果不一致，可能是因為玉米秸稈的主要成分有易分解的碳水化合物、蛋白質(zhì)和難以分解的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素[31]。悶棚期間，秸稈中易分解的碳水化合物和蛋白質(zhì)等被土壤微生物快速分解，表現(xiàn)在CO2排放量急劇增加（圖3），導(dǎo)致悶棚后水肥條件對秸稈礦化的影響不顯著。悶棚期和悶棚后，添加秸稈顯著增加了CO2累積排放量，但這一差異在悶棚前并未檢測到，可能是由于悶棚前上一季所添加的秸稈大部分已礦化。

3?結(jié)論

該研究通過二因素裂區(qū)試驗設(shè)計，測定了悶棚前、悶棚期和悶棚后CO2日排放通量，以及6月1日、11月4日2 d內(nèi)每3 h的CO2排放通量，總結(jié)出不同季節(jié)土壤呼吸日變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)夏季08：00—09：00和冬季17：00—18：00所測定的土壤CO2排放通量可以很好地表征CO2日均排放通量。夏季休閑期高溫悶棚的方法可以消除設(shè)施菜田土傳病害，然而，悶棚期高溫高濕的環(huán)境條件導(dǎo)致悶棚前加入的秸稈迅速礦化，不利于土壤有機碳積累和后續(xù)蔬菜作物光合作用對CO2的高需求。同時，下沉式設(shè)施大棚富含有機質(zhì)的表層土壤缺失、土壤有機質(zhì)含量低、保蓄性和緩沖能力差，而蔬菜殘茬因攜帶大量病原體，無法直接還田培肥土壤。此外，高溫悶棚導(dǎo)致還田秸稈大量礦化，如何協(xié)調(diào)悶棚期加入有機物料進行土壤滅菌和滿足設(shè)施蔬菜生長期對CO2的高需求之間的矛盾有待今后深入研究。

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