不同地表覆蓋物對(duì)城郊農(nóng)業(yè)區(qū)葡萄園土壤呼吸及水熱環(huán)境的影響

郝旺林,梁銀麗,穆 蘭,印 寧,許明祥

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100190;3.呂梁學(xué)院 生命科學(xué)系,山西 呂梁 033000;4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;5.陜西師范大學(xué) 西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究院,西安 710061)

城郊農(nóng)業(yè)是位于城市邊緣一定動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)地域類型，被譽(yù)為“城市后花園”[1]。城郊農(nóng)業(yè)自工業(yè)革命以來(lái)就被納入城市景觀當(dāng)中。作為一種以生產(chǎn)服務(wù)功能為基礎(chǔ)，生態(tài)涵養(yǎng)功能為重點(diǎn)，文化休憩功能為發(fā)展方向的新型農(nóng)業(yè)，城郊農(nóng)業(yè)擔(dān)負(fù)著維護(hù)城市生態(tài)和諧與保障農(nóng)產(chǎn)品健康質(zhì)量的雙重功能，因此，城郊農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展受到前所未有的關(guān)注。

土壤呼吸被認(rèn)為是第二大陸地碳通量[2-4]，受到了許多學(xué)者的關(guān)注[5-7]。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作為陸地上最活躍、人為因素干擾最強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)全球碳循環(huán)研究有極其重要的作用[8]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外就農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)土壤呼吸及微環(huán)境的影響開展了大量研究[9-17]，但多數(shù)集中在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，針對(duì)果園尤其是城郊農(nóng)業(yè)區(qū)果園的研究則較少，城郊農(nóng)業(yè)區(qū)果園對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)碳平衡發(fā)揮著不可或缺的作用，因此，探討城郊農(nóng)業(yè)區(qū)果園生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸及環(huán)境響應(yīng)對(duì)于提高土壤固碳減排能力具有重要意義。

農(nóng)田覆蓋是一種重要的作物栽培技術(shù)，主要包括秸稈、地膜、地布、草簾覆蓋以及林下生草等栽培模式[18-19]。它具有保持土壤溫度[20]、改變土壤理化性質(zhì)[21-22]、改善生態(tài)環(huán)境[23]、增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)的作用[24-27]，是糧食、果蔬高產(chǎn)的有力保障之一。關(guān)于秸稈、地膜等覆蓋模式研究多見(jiàn)于大田作物和設(shè)施蔬菜當(dāng)中[28-32]，而果園覆蓋研究相對(duì)較少。因此，掌握覆蓋模式下果園土壤環(huán)境效應(yīng)的演變規(guī)律，可為制定果園科學(xué)合理管理模式提供理論依據(jù)。

本研究通過(guò)對(duì)比不同地膜覆蓋和林下生草覆蓋模式下城郊農(nóng)業(yè)區(qū)葡萄園土壤呼吸以及水熱環(huán)境特征，探討林下地表覆蓋模式對(duì)城郊農(nóng)業(yè)區(qū)葡萄園生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與水熱環(huán)境變化過(guò)程的影響，以期為探索可操作的農(nóng)業(yè)增匯減排技術(shù)、合理規(guī)劃城郊農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)模式、提升雙重服務(wù)功能提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究于2015年在陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)宏府現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園(109°08′07—109°″9′12″E,34°03′14″—34°06′23″N)進(jìn)行，該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，雨量適中，四季分明，氣候溫和，秋短春長(zhǎng)。年平均氣溫15.5℃，降水量約600 mm，濕度69.6%，無(wú)霜期216 d，平均日照約1 377 h。最冷的1月份平均氣溫-0.9℃，最熱的7月份平均氣溫26.8℃。雨量主要分布在7—9月。年平均降雪日為13.8日，初雪日一般在11月下旬，終雪日一般在3月中旬。受地形影響，該區(qū)全年多東北風(fēng)，年平均風(fēng)速為1.3～2.6 m/s，試驗(yàn)區(qū)土壤為塿土，土壤基本理化性質(zhì)狀況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，葡萄林下設(shè)置5個(gè)覆蓋處理:對(duì)照CK(未覆蓋，裸露地表)(處理1)，分別引種酢漿草(OxaliscorniculataL.)(處理2)、白三葉草(TrifoliumrepensL.)(處理3)，覆蓋黑膜(處理4)、白膜(處理5)(圖1)。白三葉草在2014年3月21日播種，同日移栽酢漿草。葡萄品種為戶太8號(hào)，栽植密度為株距1.2 m，行距3 m，2014年進(jìn)入葡萄結(jié)果期的第3年。所有處理均在距離樹干50 cm的操作行中進(jìn)行，處理小區(qū)面積25.0 m×2 m，2014年秋季施用有機(jī)肥5 kg/株；2014年5月12日，施用鉀肥K2O每株20 g、氮肥N每株20 g。每一次施肥后，進(jìn)行灌溉(滴灌)。在2015年3月10日，進(jìn)行覆蓋黑色和白色聚乙烯塑料薄膜處理，葡萄園按照當(dāng)?shù)爻绦蜻M(jìn)行管理，每株葡萄樹保留13～15串果穗，每串果實(shí)保留80～90個(gè)果粒，此外，在果實(shí)結(jié)實(shí)期、果實(shí)膨大期和品質(zhì)形成期對(duì)各處理分別進(jìn)行了3次等量補(bǔ)充灌溉，保證生產(chǎn)需水量。每個(gè)處理在操作行中，采用“S”型隨機(jī)設(shè)置5個(gè)土壤呼吸測(cè)點(diǎn)，覆膜處理在各測(cè)點(diǎn)設(shè)置直徑11 cm膜孔，壓入PVC環(huán)，以備測(cè)定，呼吸測(cè)定完畢后用地膜封閉膜孔，生草處理在各測(cè)點(diǎn)直接壓入PVC環(huán)進(jìn)行測(cè)定，環(huán)內(nèi)不做除草處理；溫度測(cè)點(diǎn)緊鄰呼吸測(cè)點(diǎn)布設(shè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)一個(gè)溫度測(cè)量探頭，布設(shè)深度5 cm，共計(jì)5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，；土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在呼吸測(cè)點(diǎn)之間，共計(jì)4個(gè)土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)一根40 cm深TDR管。具體試驗(yàn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置示意圖

1.3 土壤呼吸及微環(huán)境指標(biāo)測(cè)定

(1)土壤呼吸速率測(cè)定(2015年5月上旬—10月下旬)。每小區(qū)選取代表性的5個(gè)測(cè)點(diǎn)，用美國(guó)Li-Cor公司生產(chǎn)Li-6400～09土壤呼吸室測(cè)定。測(cè)量前24 h將內(nèi)徑為10.5 cm、高4.5 cm的PVC環(huán)壓入土壤3 cm，壓實(shí)外圈土壤以防漏氣。之后PVC環(huán)長(zhǎng)期定位放置。上午09:00—11:00測(cè)定，取5個(gè)測(cè)點(diǎn)平均值作為小區(qū)CO2通量[μmol/(m2·s)]，即土壤呼吸速率。

(2)水分監(jiān)測(cè)。土壤水分使用時(shí)域反射儀(TDR，英國(guó)劍橋伯威爾)進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)測(cè)量地塊深埋40 cm的TDR管，測(cè)量0—40 cm土壤含水量(每隔10 cm一個(gè)測(cè)點(diǎn))，每隔7 d，測(cè)量1次水分，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)重復(fù)3次。

(3)土壤溫度監(jiān)測(cè)。土壤溫度使用北京百萬(wàn)電子科技中心生產(chǎn)的多點(diǎn)溫度傳感器(HB403-04)進(jìn)行測(cè)定，每小時(shí)測(cè)定1次，測(cè)量深度為5 cm。

(4)大氣溫度、濕度。在每個(gè)小區(qū)的中間部位(試驗(yàn)區(qū))上部1.5 m處，采用日本生產(chǎn)的HOBO(Prov2 Temp/RH Data Logger)溫濕度記錄儀，設(shè)置每?jī)蓚€(gè)小時(shí)自動(dòng)記錄一次，試驗(yàn)研究階段溫濕度變化特征見(jiàn)圖2A。

(5)太陽(yáng)輻射、風(fēng)速。太陽(yáng)輻射采用美國(guó)的CR10X-2M數(shù)據(jù)采集裝置和LI200X硅晶體輻射傳感器組成的太陽(yáng)輻射測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)，風(fēng)速采用LE2151風(fēng)速傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在08：00—18：00每?jī)蓚€(gè)小時(shí)自動(dòng)記錄，太陽(yáng)輻射與風(fēng)速變化特征見(jiàn)圖2B。

圖2 2015年葡萄生長(zhǎng)期大氣溫度、濕度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化特征

(6)降雨量。使用HM-YLJC降雨監(jiān)測(cè)設(shè)備逐日監(jiān)測(cè)降雨量，降雨情況見(jiàn)圖3。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 2019 pro繪圖，采用SASV8.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析(ANOVA)及多重比較、非線性回歸分析。

利用非線性回歸方法分析不同覆蓋處理下土壤呼吸速率與土壤濕度的關(guān)系[公式(1)—(3)]，選擇最優(yōu)模型，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)：

R=aM2+bM+c

(1)

R=aebM

(2)

R=aMb

(3)

式中：R為土壤呼吸速率；M為土壤含水率(%)；a，b，c均為擬合參數(shù)。

利用指數(shù)模型分析不同覆蓋處理下土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系[公式(4)]，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并計(jì)算呼吸速率溫度敏感性系數(shù)Q10[公式(5)]：

R=AeBT

(4)

Q10=e10B

(5)

式中：R為土壤呼吸速率；T為土壤溫度(℃)；A，B均為擬合參數(shù)。

土壤貯水量計(jì)算公式：

Dw=θv·h

(6)

式中:Dw為土壤貯水量(mm);θv為土壤容積含水量(%);h為土壤厚度(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸特征

對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期土壤呼吸數(shù)據(jù)資料分布情況進(jìn)行總體分析，小提琴圖(圖4A)顯示，CK土壤呼吸速率均值較低，白三葉覆蓋處理下的葡萄園地土壤呼吸速率均值較高；CK土壤呼吸速率分布比較集中，其余處理(酢漿草、白三葉、黑膜、白膜)葡萄園地土壤呼吸速率分布較為離散，尤其以酢漿草和白三葉覆蓋處理數(shù)據(jù)分布不夠均勻，覆蓋處理土壤呼吸速率存在較為明顯的離散值。對(duì)不同覆蓋處理葡萄園地土壤呼吸速率進(jìn)行多重比較(LSR法)顯示(圖4A)，各覆蓋處理(酢漿草、白三葉、黑膜、白膜)相對(duì)于CK，土壤呼吸存在極顯著差異(p<0.01)，說(shuō)明各覆蓋處理均顯著提高了CO2的排放速率。

分析不同時(shí)期土壤呼吸變化特征(圖4B)，在葡萄生產(chǎn)期(5—10月)，各處理土壤呼吸均呈現(xiàn)出一定的峰值變化特征，總體表現(xiàn)為先增后減再增再減的變化趨勢(shì)，各處理的峰值出現(xiàn)在8月，CK、酢漿草、白三葉、黑膜、白膜覆蓋葡萄園地最大值分別為5.11，8.72，12.17，9.99，8.08 μmol/(m2·s)。而林下覆膜處理(黑膜、白膜)和林下生草(酢漿草、白三葉)處理表現(xiàn)出一定的時(shí)間變化異質(zhì)性，林下覆膜分別在6月份(白膜覆蓋)和7月份(黑膜覆蓋)表現(xiàn)出短暫的局部下降趨勢(shì)。各處理土壤呼吸在5—7月、9—10月變化速率相比7—9月期間較弱。白三葉覆蓋處理相對(duì)于其他覆蓋處理，在5—10月期間一直表現(xiàn)出較高的CO2排放速率。

圖4 土壤呼吸速率變化特征

2.2 土壤水分垂直變化特征

不同處理下的葡萄園地水分在不同時(shí)期呈現(xiàn)出較為明顯的剖面垂直分異特征，且覆蓋處理相比CK均表現(xiàn)出明顯的水分保持能力(圖5)。在5—10月，在0—40 cm土層內(nèi)，隨著深度的增加，土壤水分整體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，下層土壤表現(xiàn)出較為良好的持水能力；在30—40 cm土層上，各處理土壤含水率有不斷接近，趨于穩(wěn)定變化。5—7月，在0—30 cm剖面內(nèi)，黑膜和白膜覆蓋相比酢漿草、白三葉覆蓋處理表現(xiàn)出較好的持水能力，而在30—40 cm土層區(qū)域內(nèi)，酢漿草和白三葉覆蓋處理開始表現(xiàn)出較好的持水能力。8—9月，在0—40 cm土層，酢漿草、白三葉、黑膜覆蓋相比白膜覆蓋表現(xiàn)出較強(qiáng)的持水保水能力。在5—10月，由于5月與7月份相比其他月份月降雨量較少(圖3)，因而各處理在0—40 cm土壤含水量相對(duì)較低，但下層土壤(20—40 cm)相比表層土壤(0—10 cm)表現(xiàn)出較高的含水量。

圖5 土壤水分垂直變化特征

不同處理下的葡萄園地各土層層之間土壤平均貯水量顯現(xiàn)出不同的變化規(guī)律(表2，圖6)。不同覆蓋處理下土壤0—10 cm土層內(nèi)平均貯水量介于(11.79±1.00)～(19.70±0.98)mm，各處理與CK貯水量存在顯著差異，黑膜貯水量顯著高于其他覆蓋處理，黑膜與白膜相比其他覆蓋模式貯水量波動(dòng)較??；10—20 cm土層內(nèi)平均貯水量介于(14.06±1.33)～(22.34±0.72)mm，酢漿草、白三葉、白膜覆蓋貯水量差異并不明顯，但與黑膜、CK組存在顯著差異，且黑膜與白膜仍表現(xiàn)出較小波動(dòng)，黑膜在該區(qū)域貯水量最高，且變異程度相對(duì)較弱；20—30 cm土層內(nèi)平均貯水量介于(16.90±0.56)～(23.38±0.51)mm，該層各處理與CK貯水量存在顯著差異，但各處理之間差異并不顯著，波動(dòng)較為相近，該層的持水效果較為接近；30—40 cm剖面內(nèi)平均貯水量介于(18.56±0.54)～(24.75±0.16)mm，該區(qū)域內(nèi)各處理與CK存在顯著差異，CK與白膜覆蓋表現(xiàn)出較強(qiáng)的變異性。

圖6 土壤水分垂直剖面變異系數(shù)

表2 5-10月土壤貯水量垂直變化狀況 mm

不同覆蓋模式下，隨著土層深度的增加，各區(qū)域的貯水量增加，地膜覆蓋和生草覆蓋相對(duì)于露地蓄水能力提升明顯，在0—10 cm層，生草覆蓋貯水量提升40.9%～42.7%，地膜覆蓋提升50.7%～67.1%；在10—20 cm層，生草覆蓋貯水量提升36.4%～37.3%，地膜覆蓋提升43.5%～58.8%；在20—30 cm層，生草覆蓋貯水量提升33.4%～36.7%，地膜覆蓋提升30.3%～38.3%；在30—40 cm層，生草覆蓋貯水量提升32.3%～33.3%，地膜覆蓋提升30.2%～22.1%。

2.3 土壤溫度變化特征

不同覆蓋處理下的葡萄園地溫度(5 cm)在不同時(shí)期呈現(xiàn)出一定的差異特征(圖7)，各處理土壤溫度特征值見(jiàn)表3。林下覆膜處理(黑膜、白膜)平均溫度均高于CK，而林下生草覆蓋處理(酢漿草、白三葉)平均溫度均低于CK，林下覆膜處理增溫效果整體強(qiáng)于林下生草覆蓋處理。溫度的最大值為38.9℃，出現(xiàn)在黑膜覆蓋處理中，而最小值為15.1℃，出現(xiàn)在CK當(dāng)中，黑膜的增溫效果相對(duì)較強(qiáng)，而CK的增溫效果最差?？傮w分析各處理5—10月土壤溫度變化趨勢(shì)，溫度變化趨勢(shì)和變化節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出較為相似的規(guī)律性，但局部的變化幅度和變異程度存在一定差異，變化峰值出現(xiàn)在9—10月份。黑膜覆蓋處理的溫度變異系數(shù)相比其他處理，表現(xiàn)為最小，而CK變異系數(shù)最大，這表明黑膜在維持土壤溫度穩(wěn)定(小變異系數(shù))要優(yōu)于其他處理，而露地維持溫度穩(wěn)定相對(duì)較差，除黑膜外，其他覆蓋處理在維持土壤溫度穩(wěn)定方面為未表現(xiàn)出明顯差異。

圖7 2015年土壤溫度變化特征

2.4 土壤呼吸速率對(duì)水熱環(huán)境的響應(yīng)

為了進(jìn)一步探明不同覆蓋處理下葡萄園地林下土壤呼吸對(duì)水分和溫度的響應(yīng)趨勢(shì)，分別對(duì)不同覆蓋處理的土壤呼吸和土壤水分、溫度進(jìn)行非線性回歸[水分與呼吸速率回歸模型見(jiàn)公式(1)—(3)選擇較優(yōu)模型，溫度與呼吸速率回歸模型見(jiàn)公式(5)]。

由表4可知，CK、黑膜、白膜覆蓋處理土壤水分與土壤呼吸均呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，其中CK處理在0—10 cm，10—20 cm，30—40 cm土層呈現(xiàn)極顯著關(guān)系(p<0.01)，在20—30 cm剖面呈現(xiàn)顯著關(guān)系(p<0.05)；黑膜和白膜覆蓋處理在0—10 cm土層呈現(xiàn)顯著關(guān)系(p<0.05)，在10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層呈現(xiàn)極顯著關(guān)系(p<0.01)。酢漿草和白三葉覆蓋處理呈現(xiàn)顯著指數(shù)函數(shù)變化關(guān)系，其中酢漿草覆蓋處理在0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm呈現(xiàn)極顯著關(guān)系(p<0.01)，在30—40 cm土層呈現(xiàn)顯著關(guān)系(p<0.05)；白三葉覆蓋處理在0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm呈現(xiàn)顯著關(guān)系(p<0.05)，在30—40 cm土層呈現(xiàn)極顯著關(guān)系(p<0.01)(表3)。酢漿草、白三葉覆蓋處理土壤呼吸對(duì)各剖面水分呈現(xiàn)較為單一的響應(yīng)變化趨勢(shì)，而黑膜與白膜覆蓋處理土壤呼吸對(duì)各剖面水分呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的響應(yīng)變化趨勢(shì)，水分存在一定閾值變化響應(yīng)關(guān)系。這些現(xiàn)象可能歸因于不同覆蓋處理下表層土壤與下層土壤生化環(huán)境的異質(zhì)性。

表3 不同處理土壤溫度特征值

表4 不同處理下水分(M)與土壤呼吸速率(R)擬合模型

由表5可知，各處理土壤溫度(5 cm)與土壤呼吸速率呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其中黑膜與白膜覆蓋處理表現(xiàn)出極顯著(p<0.01)指數(shù)關(guān)系，而其他處理表現(xiàn)為顯著(p<0.05)指數(shù)關(guān)系。這表明隨著溫度的增長(zhǎng)，各處理土壤呼吸速率均表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)。進(jìn)一步分析各處理呼吸速率溫度敏感系數(shù)(Q10)，各處理溫度敏感系數(shù)表現(xiàn)為：黑膜>CK>白膜>白三葉>酢漿草，在發(fā)生同樣的溫度變化擾動(dòng)時(shí)，黑膜覆蓋園地將比CK(露地)土壤將表現(xiàn)出更強(qiáng)的土壤CO2排放速率，而其他處理相對(duì)CK(露地)土壤將表現(xiàn)出較弱的CO2排放速率，其中白三葉覆蓋與酢漿草覆蓋園地呼吸速率溫度敏感性相差較小。

表5 不同處理下溫度(T)與土壤呼吸速率(R)擬合模型

3 討 論

3.1 不同覆蓋模式下土壤呼吸變化特征分析

Tang[33]，Pingintha[34]等認(rèn)為土壤呼吸的季節(jié)性波動(dòng)可能要?dú)w因于土壤溫度、水分，通常具有溫度和水分驅(qū)動(dòng)的季節(jié)性模式。本研究中5種不同覆蓋模式下葡萄園地土壤呼吸值在5—10月均表現(xiàn)出一定的峰值變化趨勢(shì)，變化具有明顯的季節(jié)性；各處理土壤呼吸峰值均出現(xiàn)在8月份，這種季節(jié)性變化應(yīng)該歸因于研究區(qū)域溫度和水分綜合作用。Li等[29]學(xué)者研究認(rèn)為塑料薄膜覆蓋相比未覆蓋可以顯著提高細(xì)菌、真菌和放線菌的豐度，增加了土壤呼吸。Mu等[30]對(duì)設(shè)施蔬菜黃瓜進(jìn)行秸稈、薄膜以及混合覆蓋處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)覆蓋處理土壤呼吸速率顯著高于未覆蓋處理。也有學(xué)者認(rèn)為，秸稈和塑料薄膜的覆蓋可以提升農(nóng)田對(duì)CO2的有效固定量，增加作物產(chǎn)量，與未覆蓋相比更有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯，并且在未來(lái)的氣候情景下可能減輕土壤呼吸的變化[32,35]。本研究中，無(wú)論是林下生草還是林下覆膜覆蓋方式相比未覆蓋處理均增強(qiáng)了土壤呼吸速率。而林下生草作為一種覆蓋模式，除了改變土壤理化環(huán)境，對(duì)作物生長(zhǎng)的生物環(huán)境也有復(fù)雜的影響過(guò)程，本研究中，林下種植白三葉和酢漿草的葡萄園地表現(xiàn)出相差較大的土壤CO2排放速率。因此林下生草相比林下覆膜碳源匯強(qiáng)度表現(xiàn)更為復(fù)雜，在實(shí)際種植過(guò)程中要根據(jù)培植植物的種類和生物學(xué)特性進(jìn)行剖析。

3.2 不同覆蓋模式下土壤水分與溫度變化規(guī)律

土壤水分影響土壤形成的各個(gè)過(guò)程，直接制約植株生理生化及營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程。土壤溫度也是影響果樹的生長(zhǎng)和發(fā)育另一個(gè)重要因素。而地表覆蓋可以有效地減少土壤水分蒸發(fā)，保持土壤濕度[36-37]，同樣可以通過(guò)改變地表光照度和熱量向深層土壤傳遞，影響果園土壤熱量的收支平衡[38]。李曉龍等[39]研究發(fā)現(xiàn)與清耕相比，農(nóng)用地毯和碎木屑覆蓋、行間生草可明顯降低深度土壤溫度，提高土壤含水量。黃金輝等[40]則認(rèn)為各覆蓋處理的蓄水量與其土壤溫度并不都呈負(fù)相關(guān)，而是由不同覆蓋物的保水效果和保溫性質(zhì)共同決定。本研究中，在同樣的生產(chǎn)管理程序下，薄膜覆蓋處理和生草覆蓋葡萄園地在(0—40 cm)土層內(nèi)土壤含水率、貯水量均高于CK，表現(xiàn)出較強(qiáng)的土壤水分保持能力，而且不同時(shí)期呈現(xiàn)出較為明顯的剖面垂直分異特征。隨著深度的增加，土壤水分整體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，下層土壤相比表層土壤表現(xiàn)出較為良好的持水能力，這是由于覆蓋處理相比裸露地表增加了土壤下層的土壤含水量，同時(shí)覆蓋可以通過(guò)限制土壤表層蒸發(fā)來(lái)增強(qiáng)水分的向下滲透[41]。8—9月，酢漿草、白三葉林下生草處理相比黑膜、白膜覆蓋處理表現(xiàn)出較強(qiáng)的持水保水能力，且土壤表層以下表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的水分含量，這可能與草皮根系的水源涵養(yǎng)能力有關(guān)。在改善地表溫度方面，林下覆膜處理增溫效果整體強(qiáng)于CK，而林下生草覆蓋處理弱于CK。黑膜的增溫效果相對(duì)較強(qiáng)，而露地的保溫效果最差。同樣，黑膜在維持土壤溫度穩(wěn)定方面要優(yōu)于其他處理，而露地維持溫度穩(wěn)定相對(duì)較差，這正好印證了黃金輝關(guān)于覆蓋的保溫效果的研究結(jié)果，土壤溫度的保溫效果跟覆蓋物的性質(zhì)有很大關(guān)系，黑膜的增加、保持地溫的效果與膜材質(zhì)本身有很大的關(guān)聯(lián)[40]。

3.3 不同覆蓋模式下水熱環(huán)境對(duì)土壤呼吸響應(yīng)特征

土壤水分和溫度是影響土壤呼吸的兩個(gè)重要因素。土壤水分對(duì)呼吸的影響機(jī)制較為復(fù)雜，不同剖面深度土壤水分的波動(dòng)會(huì)引發(fā)生土壤呼吸響應(yīng)特征的差異。部分學(xué)者[42-45]認(rèn)為土壤水分與土壤CO2排放之間或存在二次函數(shù)，或存在指數(shù)函數(shù)，或存在冪函數(shù)關(guān)系，土壤呼吸速率在一定范圍內(nèi)隨土壤含水量的增加而增加，當(dāng)含水量超過(guò)此范圍時(shí)，土壤呼吸速率隨土壤含水量增加而降低或者保持平穩(wěn)，不同生態(tài)系統(tǒng)中均存在土壤呼吸的水分閾值。本研究中，黑膜和白膜覆蓋以及裸露地表的葡萄園地中，各剖面的土壤水分與土壤呼吸速率呈現(xiàn)顯著的二次函數(shù)關(guān)系，而林下種植白三葉和酢漿草的葡萄園地中，各剖面土壤水分與土壤呼吸則呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，造成這種現(xiàn)象的原因可能來(lái)自于兩方面：其一，在生長(zhǎng)—生產(chǎn)期，與地膜覆蓋和裸露地表園地相比，在原有土壤呼吸的基礎(chǔ)上增加了林下草根系和根系微生物的呼吸作用；其二，雖然林下生草園地剖面下層土壤水分高于薄膜覆蓋和裸露地表園地，但林下生草園地總體生物量較大，生產(chǎn)過(guò)程需水量較高，較高的土壤含水量并不能對(duì)總體土壤呼吸造成限制。關(guān)于土壤溫度與土壤呼吸響應(yīng)特征研究多以指數(shù)函數(shù)形式擬合，且土壤表層溫度與呼吸擬合效果較好[8,46-48]。本研究中，在溫度響應(yīng)方面，各覆蓋處理土壤溫度(5 cm)與土壤呼吸速率呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，這表明，隨著溫度的增長(zhǎng)，各處理土壤呼吸速率均表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)。土壤升高相同溫度時(shí)，黑膜覆蓋將表現(xiàn)出更強(qiáng)的土壤CO2排放速率，而其他處理表現(xiàn)出相對(duì)較弱的CO2排放速率，這表明黑膜覆蓋與其他覆蓋模式相比，更容易引發(fā)土壤CO2的排放。

4 結(jié) 論

(1)4種不同覆蓋處理相比CK顯著提高了葡萄園地土壤呼吸速率(p<0.05)，各處理土壤呼吸速率表現(xiàn)出一定的季節(jié)變化特征，峰值出現(xiàn)在8月份；林下生草模式相比林下覆膜模式較為復(fù)雜，總體表現(xiàn)為：白三葉>黑膜>白膜>酢漿草。

(2)各處理葡萄園地隨著深度的增加，土壤水分整體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，下層土壤表現(xiàn)出較為良好的持水能力，且覆蓋處理相比CK均表現(xiàn)出明顯的水分保持能力。林下覆膜(黑膜、白膜)相比林下生草(酢漿草、白三葉)持水保水能力表現(xiàn)突出。林下覆膜處理(黑膜、白膜)平均溫度均高于CK，而林下生草覆蓋處理(酢漿草、白三葉)平均溫度均低于CK，林下覆膜處理增溫效果整體強(qiáng)于林下生草覆蓋處理。黑膜的增溫效果相對(duì)較強(qiáng)，且維持土壤溫度穩(wěn)定要優(yōu)于其他處理，而露地維持溫度穩(wěn)定相對(duì)最差。

(3)林下覆膜模式土壤呼吸與土壤水分呈現(xiàn)顯著二次函數(shù)關(guān)系(p<0.05)，而林下生草模式土壤呼吸與土壤水分呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系(p<0.05)；各處理土壤溫度與土壤呼吸速率呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且各處理溫度敏感系數(shù)表現(xiàn)為：黑膜>CK>白膜>白三葉>酢漿草。