地膜覆蓋與施加γ-HCH對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響

鄒 茜，王 森, ，丁柳屹，李 嬌，肖 丹

1.西北大學(xué) 陜西省地表過程與環(huán)境承載力重點實驗室，西安 710127

2.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127

3.陜西西安城市生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，西安 710127

溫室氣體的增加使溫室效應(yīng)加劇，其引起的氣候變化將對人類社會和生態(tài)系統(tǒng)造成一定影響（IPCC，2013，2014；Chen et al，2014）。土壤是溫室氣體（N2O、CH4和CO2等）的重要排放源，對全球氣候變化起著重要的作用。據(jù)估計，大氣中每年有5% — 20%的CO2、15% — 30%的CH4、80% — 90%的N2O來源于土壤（Hansen et al，1990），而土壤溫室氣體的排放主要受土壤理化性質(zhì)、微生物、環(huán)境等多方面因素的影響（武巖等，2018）。因此，科學(xué)合理地改善土壤性質(zhì)將具有巨大的增匯減排潛力（周際海等，2019），如何通過有效的農(nóng)田管理措施降低溫室氣體排放成為當(dāng)前應(yīng)對氣候變化研究的熱點之一（王勤花等，2007）。

塑料地膜因其立竿見影的經(jīng)濟效益已成為一種全球應(yīng)用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。地膜可以改變土壤的微生物群落（丁柳屹等，2019），加速碳氮代謝，最終耗盡土壤有機質(zhì)儲量，增加土壤的斥水性，促進溫室氣體的釋放（Kasirajan and Ngouajio，2012；Steinmetz et al，2016）。地膜覆蓋還可以通過改善旱地土壤的溫度和濕度條件增加N2O和CH4等溫室氣體的排放，并使全球增溫潛勢總量增 加（Cuello et al，2015；Nawaz et al，2017）。Cuello et al（2015）在韓國典型溫帶山地土壤的研究發(fā)現(xiàn)，塑料地膜在很大程度上增加了CH4和N2O的排放，且使全球增溫潛勢（global warming potential，GWP）增加了12% — 82%。Nan et al（2016）在陜西長武進行的田間試驗研究表明，地膜覆蓋顯著增加了玉米農(nóng)田土壤CO2和N2O的潛在排放，促進了土壤對CH4的吸收。但也有研究表明，覆膜會降低旱地N2O或水田CH4的排放（張怡等，2013；Berger et al，2013；Gao et al，2014），具體機理有待進一步探究。

林丹（hexachlorocyclohexane gamma-isomer，簡稱γ-HCH）具有良好的殺蟲性，曾是世界上產(chǎn)量與使用量最高的有機氯農(nóng)藥（organochlorine pesticides，OCPs）之一，是一類典型的持久性有機污染物，因其具有使用量巨大、難降解、半揮發(fā)性、毒性和易被生物體富集等特點（安瓊等，2005；劉佳等，2018），引起全球廣泛關(guān)注。OCPs進入到土壤環(huán)境后，會影響土壤微生物群落的數(shù)量和多樣性，從而間接地影響到土壤中的各種生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程（Johnsen et al，2001），這可能成為驅(qū)動土壤溫室氣體（N2O、CH4和CO2）排放的重要因素。

綜上所述，作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)常見的田間管理方式，地膜覆蓋和施加γ-HCH農(nóng)藥均會直接影響土壤溫室氣體排放過程，然而關(guān)于二者的相互作用尚鮮有報道。本研究以紫苜蓿為模式植物，采用靜態(tài)箱盆栽試驗研究了地膜覆蓋與施加γ-HCH對土壤溫室氣體（N2O、CH4和CO2）排放通量和土壤理化性質(zhì)的影響，旨在進一步加深地膜覆蓋與施加有機氯農(nóng)藥對農(nóng)田土壤碳氮循環(huán)的理解，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤溫室氣體的排放與有機氯農(nóng)藥使用的監(jiān)管提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

以紫苜蓿為模式植物，設(shè)置地膜覆蓋和無地膜覆蓋處理、γ-HCH不同濃度處理（0 ng · g-1、50 ng · g-1、500 ng · g-1），以及無植物種植的對照處理（表1），每個處理重復(fù)3次，共計36盆。試驗每盆裝土0.75 kg，加入基肥9.5 g（N∶P∶K=14∶16∶15），澆純水至田間持水量的40%。制備γ-HCH污染土壤需要先分別將相應(yīng)處理應(yīng)添加的γ-HCH與500 g土壤樣品混合均勻（制備10份），將10份土壤樣置于通風(fēng)櫥下24 h后充分混勻后再均分為10份，每份與干凈土樣混勻制成9 kg土樣，將90 kg土樣充分混勻后均分為12份土樣裝入花盆中老化一周。用農(nóng)用地膜將盆口密封，室內(nèi)平衡1周。試驗在室內(nèi)進行，苜蓿于2018年6月種植，2018年11月收獲。采用鈉燈進行光照，白天光照12 h，植物位置隨機擺放，每天更換一次位置以保證光照均勻。每天定量澆水，試驗開始時及試驗前期定時向土壤中施加營養(yǎng)液。收獲前一天停止?jié)菜?/p>

表1 實驗設(shè)計Tab.1 Experimental design

1.2 土壤溫濕度分析

自播種之日起，每周采集溫室氣體時使用便攜式土壤溫濕度計測定土壤溫濕度。

1.3 氣體采集與分析

每周采集一次氣體樣品，測定時間限于09∶00 — 10∶00，采用靜態(tài)箱氣相色譜法（Liebig et al，2010；劉全全等，2016）測定氣體通量。氣體排放通量利用HM模型進行計算（Hutchinson and Mosier，1981）。年度累計排放量以相鄰兩次采樣平均通量乘以間隔時間然后累加得出（王金龍等，2018），即：

式中：M為土壤溫室氣體累積排放總量；F為CH4、N2O或CO2排放通量；i代表采樣次數(shù)；ti+1-ti表示兩個相鄰測定日期的間隔。

式中：25和298分別為CH4和N2O在100 a尺度上相對于CO2的GWP倍數(shù)，[CH4]、[N2O]和[CO2]分別代表土壤CH4、N2O和CO2的累積排放總量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016處理數(shù)據(jù)，運用SPSS 25.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，覆膜及對照處理下N2O、CH4和CO2的排放通量差異顯著性采用多因素方差分析進行檢驗，顯著性水平為P＜0.05，利用Origin 2017作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜覆蓋和施加γ-HCH處理下土壤水分和溫 度的變化趨勢

地膜覆蓋、γ-HCH對土壤水分和溫度有一定影響（表2），其中地膜覆蓋極顯著增加了土壤水分含量（P＜0.01）。與不施加γ-HCH相比，施加γ-HCH減少了土壤水分的消耗，提高了土壤溫度。施加低濃度γ-HCH（50 ng · g-1）使土壤水分和溫度分別平均提高了3.89%、1.31%，低于施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）（6.07%、1.47%），但 二 者無顯著差異（P＞0.05，表2）。種植苜蓿使土壤水分極顯著降低（P＜0.01），且地膜覆蓋與植物具有顯著的交互作用（P＜0.05，表3）。

表2 地膜覆蓋和施加γ-HCH對土壤溫室氣體排放、土壤溫度及土壤水分的影響Tab. 2 Effects of plastic film mulching and γ-HCH on greenhouse gas flux, soil temperature and soil water content

表3 地膜覆蓋、施加γ-HCH以及植物間的交互作用Tab. 3 γ-HCH and plant interactions under plastic film mulching

2.2 地膜覆蓋和施加γ-HCH處理下土壤溫室氣體（N2O、CH4和CO2）排放通量的變化

2.2.1 N2O

地膜覆蓋使種植苜蓿的土壤N2O排放增加且對一段時間內(nèi)無植物處理土壤N2O排放具有顯著的抑制作用（P＜0.05），不同濃度γ-HCH處理間N2O排放通量具有顯著性差異（P＜0.05，表2），且N2O排放通量與土壤含水率和土壤溫度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。從整體來看，地膜覆蓋使種植苜蓿的土壤N2O日均排放通量增加了32.12%（表2，P＞0.05）。N2O排放通量隨時間均大致呈現(xiàn)單峰型的變化趨勢（圖1）。地膜覆蓋顯著抑制了無植物處理土壤第28 — 35 d N2O的排放（P＜0.05）（圖1a、1b）。種植苜蓿時，地膜覆蓋增加了第28 — 35 d土壤N2O總量的排放（圖1c、1d，P＞0.05）。高 濃 度γ-HCH（500 ng · g-1）處 理 下N2O排放通量顯著高于低濃度（50 ng · g-1）γ-HCH（P＜0.05）。與不施加γ-HCH相比，施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）顯著促進了N2O在第28 — 35 d的排放（P＜0.05），其中對苜蓿處理土壤的促進效果極顯著（圖1c、1d，P＜0.01）。此外，施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）推遲了無植物處理土壤中覆膜處理時N2O排放通量峰值的出現(xiàn)時間，推遲了7 d（圖1b）。

圖1 地膜覆蓋與施加γ-HCH處理下土壤N2O排放通量的變化Fig. 1 Variation of N2O emission flux under γ-HCH and film plastic mulching treatment

2.2.2 CH4

與N2O排放情況不同，土壤CH4排放通量大多呈負值，說明土壤是大氣CH4的吸收匯。地膜覆蓋和γ-HCH對CH4排放通量沒有顯著影響（P＞0.05，表2）。平均來看，地膜覆蓋處理的CH4日均吸收量與無覆蓋相比變化不顯著（P＞0.05）；從土壤CH4排放通量動態(tài)來看波動也較?。▓D2）。種植苜蓿時，地膜覆蓋對不施加和施加低濃度γ-HCH（50 ng · g-1）時土壤CH4的吸收峰值有極顯著的促進作用（圖2c、2d，P＜0.01）；但是地膜覆蓋抑制了無植物處理土壤施加γ-HCH時土壤對CH4的吸收峰值（P＜0.05）。與不施加γ-HCH相比，施加γ-HCH使土壤對CH4的吸收通量峰值增加，在無植物處理土壤中施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）時這種促進效果更明顯（圖2a、2b，P＜0.01）；種植苜蓿時，施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）極顯著地增加了無地膜覆蓋處理的情況下土壤對CH4的吸收峰值（P＜0.01）。

剪1 cm2大小的橡膠草葉片、葉柄接種至MS+6-BA 1 mg/L+NAA 0.5 mg/L固體培養(yǎng)基上進行培養(yǎng)，待其培養(yǎng)至15 d左右，發(fā)現(xiàn)葉片四周分化形成具有生長節(jié)基點的幼苗，而葉柄兩端快速分化形成較多結(jié)構(gòu)緊實的愈傷組織（圖1A），與葉片相比容易誘導(dǎo)愈傷組織形成，原因有待進一步探究。挑選結(jié)構(gòu)緊實的愈傷組織再次培養(yǎng)，將外植體脫分化形成的結(jié)構(gòu)緊實的愈傷組織進行2次繼代培養(yǎng)，每隔5 d繼代1次，可得到結(jié)構(gòu)松散、顏色為淡黃色或偏白的胚性愈傷組織（圖1B）。

圖2 地膜覆蓋與施加γ-HCH處理下土壤CH4排放通量的變化Fig. 2 Variation of CH4 emission flux under γ-HCH and film plastic mulching treatment

2.2.3 CO2

地膜覆蓋極顯著地促進了CO2的排放（P＜0.01），施加γ-HCH使CO2排放受到抑制（P＞0.05，表1），CO2的排放與土壤濕度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與土壤溫度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。與不施加γ-HCH相比，施加低濃度γ-HCH（50 ng · g-1）使CO2排放通量降低（P＞0.05）作用比施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）更明顯（圖3）。

圖3 地膜覆蓋與施加γ-HCH處理下土壤CO2排放通量的變化Fig. 3 Variation of CO2 emission flux under γ-HCH and film plastic mulching treatment

2.3 地膜覆蓋和施加γ-HCH處理下全球增溫潛勢（GWP）的變化

根據(jù)公式(2)計算了各處理的全球增溫潛勢（GWP）（表4），CH4的GWP均為負值，CO2的GWP值大多為負值，說明土壤主要作為CH4和CO2的吸收匯。所有處理的GWP總量都主要取決于N2O排放通量，而CH4排放通量對GWP的貢獻較小，這與Cuello et al（2015）研究結(jié)論相似。地膜覆蓋使無植物處理土壤中不施加、施加低濃度（50 ng · g-1）和施加高濃度（500 ng · g-1）的γ-HCH時GWP分別降低了87.04%、56.12%和0.69%，使種植苜蓿時分別升高了57.63%、86.78%和28.81%，且地膜覆蓋顯著降低了無植物處理土壤的GWP（P＜0.05）。

表4 地膜覆蓋和施加γ-HCH對GWP的影響Tab. 4 Effects of plastic film mulching and γ-HCH on GWP

從整體來看，與不施加γ-HCH相比，在無植物不覆膜處理以及種植苜蓿覆膜處理和無覆膜處理的情況下，施加低濃度γ-HCH（50 ng · g-1）使GWP分別降低了61.10%、63.26%和88.54%，施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）使GWP分別增加了89.78%、21.69%、32.34%和59.73%。

3 討論

3.1 地膜覆蓋和γ-HCH對土壤溫濕度的影響

水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要動力（Hanjra and Qureshi，2010）。本研究發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋極顯著提高了土壤水

分含量（P＜0.01），這是因為地膜覆蓋可以減少水分的蒸發(fā)，有利于蓄保水分，進而提高了土壤含水量（李華等，2011；Liu et al，2014；Ma et al，2018）。土壤溫度是影響土壤微生物活性、田間土壤呼吸速率和根系伸長的重要因素（Tan et al，2017），大量研究表明，地膜覆蓋具有使土壤增溫的作用（彭超等，2014；程宏波等，2015）。本研究也發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋使各處理土壤溫度有所升高。

3.2 地膜覆蓋和施加γ-HCH對土壤溫室氣體排放（N2O、CH4和CO2）的影響

3.2.1 N2O

土壤主要通過硝化和反硝化過程產(chǎn)生N2O，且與土壤水分密切相關(guān)（Vilain et al，2014），當(dāng)土壤具有較高的濕度時，增強了硝化和反硝化過程（Okuda et al，2007；Cuello et al，2015），使N2O排放增加。本研究發(fā)現(xiàn)N2O排放通量與土壤含水率和土壤溫度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），這與相關(guān)學(xué)者結(jié)論相似（陳優(yōu)陽等，2019；韓佳樂等，2019）。地膜覆蓋顯著抑制了無植物處理土壤第28 — 35 d N2O的排放（P＜0.05），可能是因為無植物種植的土壤雖然在地膜覆蓋下水熱條件較好，但由于缺少植物根系的激發(fā)作用，土壤硝化和反硝化過程維持在較低的水平，N2O排放量相對較低（白紅英等，2003）。殺蟲劑的施用對土壤微生物活性會產(chǎn)生一定的影響，從而影響土壤中溫室氣體的排放（Ekundayo，2003）。γ-HCH可通過作用于土壤微生物而影響土壤的硝化與反硝化作用，從而影響N2O的排放。本研究中高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）處理下N2O排放通量顯著高 于 低 濃 度γ-HCH（50 ng · g-1）（P＜0.05）；且與不施加γ-HCH相比，施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）顯著促進了N2O在第28 — 35 d的排放（P＜0.05），施加低濃度γ-HCH（50 ng · g-1）對第28 — 35 d N2O排放通量具有一定的抑制作用，這可能是因為在覆膜處理時，施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）使參與硝化作用的亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）的相對豐度顯著低于無γ-HCH及 施 加 低 濃 度γ-HCH（50 ng · g-1）的 根 際 土 壤（P＜0.05），從而抑制了硝化作用同時增加了土壤的反硝化進程（Blanco-Jarvio et al，2011；丁柳屹，2019），減少了N2O的氧化從而增加了其產(chǎn)生，促進其排放。施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）使無植物處理土壤中覆膜處理時N2O排放通量峰值的出現(xiàn)時間推遲了7 d，這與鄭祥洲等（2014）的研究結(jié)論相似，殺蟲劑吡蟲啉和毒死蜱分別使土壤N2O的排放高峰推遲了4 d和8 d。

3.2.2 CH4

土壤CH4的產(chǎn)生主要是由于土壤中產(chǎn)甲烷菌的存在，在厭氧的環(huán)境中，產(chǎn)甲烷菌可以通過利用土壤微生物分解的有機酸來產(chǎn)生CH4，然而土壤產(chǎn)生的CH4并不會全部排放到大氣中，其中一部分會在土壤或者水層被氧化（李曉莎，2016；倪雪等，2019），CH4氧化過程與土壤溫度、水分等因子密切相關(guān)（孫向陽，2000），同時微生物也介導(dǎo)了碳循環(huán)中碳固定、甲烷代謝等基本過程（Madigan et al，2010）。本研究發(fā)現(xiàn)土壤是CH4的匯，這與相關(guān)研究結(jié)論一致（Li et al，2014；劉建粲等，2018），值越小表明土壤對CH4的吸收越強烈（戈小榮等，2018）。當(dāng)CH4的消耗超過其產(chǎn)生時，環(huán)境就是一個CH4的匯，土壤中的甲烷被微生物氧化所消除，從而氧化了大氣中的CH4（Mer et al，2001）。地膜覆蓋抑制了無植物處理土壤施加γ-HCH時土壤對CH4的吸收峰值（P＜0.05），這與相關(guān)學(xué)者（Cuello et al，2015；倪雪等，2019）研究相似，這可能是因為地膜覆蓋形成的厭氧環(huán)境創(chuàng)造了有利于產(chǎn)甲烷菌活動的土壤條件，限制了甲烷氧化菌的活動（丁柳屹，2019），從而抑制了CH4的吸收。高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）極顯著促進了無植物處理土壤和種植苜蓿時無覆蓋土壤CH4的吸收峰值（P＜0.01），說明高濃度γ-HCH改變了土壤對CH4的吸收。

3.2.3 CO2

地膜覆蓋通過改善土壤水熱環(huán)境及土壤中氣體排放的途徑，微生物群落和活性也繼而發(fā)生改變，從而影響土壤中CO2的排放（張凱莉，2018）。本研究發(fā)現(xiàn)CO2的排放與土壤溫濕度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），地膜覆蓋極顯著促進了CO2的排放（P＜0.01）；地膜覆蓋可能通過增加土壤溫濕度，從而提高土壤微生物和土壤根系呼吸作用強度，增加CO2排放量（張前兵等，2012；Chen et al，2017）。施加γ-HCH對CO2的排放產(chǎn)生了一定抑制作用（P＞0.05），可能是因為γ-HCH會對土壤的呼吸有一定的抑制作用，從而減少CO2的排放，有研究表明殺蟲劑吡蟲啉對土壤的呼吸有強烈的抑制作用（劉慧君等，2001）。且課題組研究也發(fā)現(xiàn)γ-HCH可顯著減少根際土壤中部分參與碳降解的細菌（丁柳屹，2019），這可能是CO2排放減少的原因之一。

3.3 地膜覆蓋與施加γ-HCH對土壤全球增溫潛勢（GWP）的影響

全球增溫潛勢（GWP）通常被用來定量衡量不同溫室氣體對全球變暖的影響，常以CO2當(dāng)量來衡量（Whiting and Chanton，2001）。在100 a時間尺度上，1分子CH4排放到大氣中相當(dāng)于25分子CO2的輻射影響，而1分子N2O的輻射影響是CO2的298倍（IPCC，2007）?？傮w來說，地膜覆蓋和施加高濃度γ-HCH（500 ng · g-1）都使種植苜蓿土壤的GWP上升，且N2O貢獻較大，表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中地膜覆蓋和較高濃度的γ-HCH會加劇溫室效應(yīng)，這與相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果相似，地膜覆蓋會使全球增溫潛勢增加，這主要是由于N2O排放的增加（Cuello et al，2015）。因此，追求農(nóng)業(yè)產(chǎn)量最大化的同時，地膜的合理使用和有機氯農(nóng)藥使用量的監(jiān)管具有重要意義。

4 結(jié)論

地膜覆蓋對土壤水分含量具有極顯著的促進作用（P＜0.01），且地膜覆蓋與植物具有顯著的交互作用（P＜0.05）。N2O和CO2排放通量隨著土壤溫濕度的增加而顯著增加（P＜0.05）。土壤主要表現(xiàn)為N2O的排放源和CH4的弱吸收匯。地膜覆蓋對一段時間內(nèi)無植物處理土壤N2O的排放有顯著抑制作用（P＜0.05），但極顯著促進了CO2的排放（P＜0.01）。高濃度γ-HCH處理下N2O排放通量顯著高于低濃度γ-HCH（P＜0.05）。與不施加γ-HCH相比，施加高濃度γ-HCH顯著促進了N2O在一段時間內(nèi)的排放（P＜0.05），且極顯著促進了無植物處理土壤以及種植苜蓿時無覆蓋土壤對CH4的吸收峰值（P＜0.01）。同時，施加γ-HCH會對CO2的排放有一定抑制作用（P＞0.05）。本研究有助于加深認識農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不同農(nóng)業(yè)措施對土壤溫室氣體排放過程的影響。