加气条件下土壤CO2排放对土壤过氧化氢酶活性及番茄生长的响应

2018-12-26胡文同杨志超郑心洁蒋洪丽蔡焕杰

节水灌溉 2018年12期

胡文同，杨志超，郑心洁，蒋洪丽，蔡焕杰,2，陈慧,2

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点试验室，陕西杨凌 712100)

0 引言

由温室气体引起的全球气候变暖已经成为了当今世界备受关注的环境问题[1]。CO2是大气中最主要的温室气体，对全球气候变暖起了重大作用。据统计，全球大约有20%的CO2来自农田生态系统[2]。中国是世界农业大国，其中，北方设施蔬菜面积已达125.3 多万hm2[3]。随着反季节蔬菜市场的扩大，我国设施菜地的面积正在并将不断增加。然而不合理施肥，尤其是大量有机肥的施入是设施菜地的常见现象，这会引起大量CO2排放。因此，研究设施菜地的CO2排放规律对调节全球气候变暖问题有重大意义。

截止目前，美国、以色列和意大利等国家都已对加气灌溉技术进行了相关研究，特别是通过文丘里加气灌溉。前人研究表明，加气灌溉能减轻土壤板结状况且改善土壤的通气状态，满足作物根系对O2需求，利于根区土壤微生物的活动和矿物质的运移，进而满足作物根系对养分和水分的吸取[4, 5]。加气灌溉能提高作物水分利用效率、品质及产量已被大量研究证实[6-9]，然而加气灌溉对土壤环境效应方面的研究仍缺少。土壤中的过氧化氢酶能促进土壤中过氧化氢的分解、促进过氧化氢对多种化合物的氧化作用，有利于减轻土壤过氧化氢对作物根系和土壤微生物的毒害作用，进而促进作物根系的呼吸[4, 10]。因此，研究土壤过氧化氢酶活性对研究土壤CO2排放有着重要意义。目前为止，有关加气灌溉对土壤CO2排放或土壤酶活性的影响研究相对较少。例如，陈慧等[11]表明加气灌溉增加了土壤CO2排放，但不显著。李元等[4]通过采用空气压缩机实现水气分离加气方式，在对大棚甜瓜地土壤过氧化氢酶进行研究时发现，加气增加了土壤过氧化氢酶活性，但其研究只在作物不同生育期进行了3次简单观测，而不能准确评估土壤过氧化氢酶活性的变化规律。此外，对不同作物及种植环境下土壤CO2排放和土壤过氧化氢酶间联系的研究较多[12, 13]，但有关加气条件下土壤CO2排放与过氧化氢酶间联系的研究鲜见报道。因此，本文通过田间观测，研究加气条件下土壤CO2排放对土壤过氧化氢酶活性及番茄生长的响应，研究结果为深入研究农田土壤碳循环过程提供参考和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4月4日到7月4日在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点试验室的日光温室内进行(长36 m、宽10.3 m、高4 m)。研究站位于北纬34°20′，东经108°04′，海拔高度为521 m。所处地理位置属半干旱偏湿润区，多年平均气温12.5 ℃，年均日照时数为2 163.8 h，无霜期为210 d，降雨量548.80 mm。小区试验土壤为塿土，1 m土层内平均土壤干容重为1.35 g/cm3, 田间持水量22.3%(质量含水率)。种植前测得土壤有机质含量为9.51 g/kg，全氮含量为1.86 g/kg，全磷含量为1.397 g/kg，全钾含量20.224 g/kg，土壤肥力中等。

1.2 试验设计

试验以温室番茄(品种：“金鹏10号”)为供试作物，采用营养钵育苗，于2017年4月6日定植，此时番茄秧苗处于3叶1心或4叶1心状态。定植时对番茄幼苗进行浇透底水，浇水后在垄上覆膜。在番茄三穗时进行打顶处理，试验于2017年7月4日结束，生育期为90 d。试验番茄生育期具体划分见表1。

表1 番茄生育期具体描述Tab.1 The description of tomato growth period

本次试验共设计两个处理：加气灌溉(AI)和常规膜下滴灌(CK)。每个处理设置三个重复，其中一垄为一个重复，共计6垄，采用完全随机分布布设。为防止水分侧渗，垄与垄之间用塑料膜隔开。每垄的尺寸为长4.0 m，宽0.8 m，面积为3.2 m2。每垄种植11株供试番茄，每株间距35 cm。灌水方式采用地下滴灌，滴灌带埋深和滴头间距分别为15 cm和35 cm。AI处理，灌溉与加气同步，即采用水气结合的加气灌溉方式，在每个小区首端安装文丘里计(图1)，以此作为加气设备进行加气，进口压力为0.1 MPa，出口压力为0.02 MPa，由排气法得到进气量约占灌水量的17%。

图1 加气膜下滴灌简图Fig.1 Schematics of aerated subsurface drip irrigation

试验中的灌水量由安置在温室内的E601型蒸发皿测得的蒸发量确定，每次灌水量由式(1)计算：

W=kCp·Epan·A

(1)

式中：W表示灌水量，L；kCp为蒸发皿系数，本次取为1.0；Epan为蒸发皿测得的蒸发量，mm；A为一个灌水器控制的小区面积，m2。

番茄整个生育期，AI和CK处理各进行了16次灌水，合计灌水量为30.7 L(表2)。此外，根据当地农民的经验，试验只施基肥，于1月22日施有机肥料(N-P2O5-K2O≥10%；有机质≥45%)3 437.5 kg/hm2与复混肥料(总养分≥45%，其中氮、磷、钾各含15%)2 187.5 kg/hm2。

表2 番茄整个生育期灌水时间及灌水量Tab.2 Irrigation time and amount throughout the whole tomato growth period

1.3 测定指标及方法

土壤CO2排放：采用静态暗箱原位采集气体[14]，箱体为6 mm厚的PVC材质构成，底面积为25 cm×25 cm，高度为25 cm。箱体外表面用锡箔纸包裹，顶部安装有搅拌空气的小风扇以使气体均匀。番茄移植当天在小区靠近中央的两棵幼苗之间预埋方形底座(25 cm×25 cm)，底座嵌入土壤5 cm深，底座上端由大约3 cm深的凹槽构成用以放置静态箱箱体，取气时对底座进行注水密封处理，避免空气对气体样品的干扰。气体采样从移苗后第9 d开始，每隔5～7 d采样1次，分别在10∶00、10∶10、10∶20和10∶30利用带有三通阀的50 mL注射器进行4次气体采集，每次取气30 mL，并在当天采用安捷伦气相色谱仪分析仪7890A型(Agilent Technologies 7890A GC System)进行浓度分析，CO2排放通量采用(2)式计算：

(2)

番茄全生育期内土壤CO2排放量通过下式计算：

(3)

式中：Y为土壤CO2的累积排放量；F为土壤CO2排放通量；(Ti+1-Ti)为相邻两次测定间隔天数；i为第i次测定；n为测定总次数。

土壤过氧化氢酶活性：利用对角线法每隔15 d左右在每垄首、中、末端2棵番茄植株之间进行3点取土，深度至20 cm，使其充分混合作为该重复的土壤样品。样本风干后过1 mm筛，用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性[15]。

土壤充水孔隙率：在每垄首、中和末端2棵番茄植株之间利用土钻取土法取出0～10 cm深度的土壤样本，混合，用烘干法测量每个小区的土壤水分，取其平均值作为每个处理的土壤含水量，并转换成土壤充水孔隙率(Soil Water-filled Pore Space，WFPS)。成熟期之前每7 d取一次土壤样品，成熟期每10 d取一次土壤样品。WFPS由式(4)确定：

(4)

式中：ω代表土壤重量含水率，%；P代表土壤孔隙度，%；ρ代表土壤容积，g/cm3。

土壤/箱内温度：每次取气的同时，利用插入土壤10 cm深度的地温计获取土壤温度；用安插在箱体顶部的水银温度计测定取样时的箱温。

番茄株高：在番茄苗期和开花坐果期，每5 d左右测一次；之后，每8 d左右测定一次。用卷尺测定从植株基部到顶点的高度，每株每次测量三次，取其平均值作为番茄株高。

1.4 数据分析

利用软件Origin 8.5画图，用Excel和IBM SPSS Statistics 20数据处理软件进行数据统计分析。

2 结果

2.1 加气灌溉对土壤CO2排放的影响

由图2可见，在番茄的整个生育期内，AI和CK处理下的土壤CO2排放通量同步变化，均随番茄移植天数的增加总体呈现为先增加后减小的趋势。处理间对比显示，在番茄生育期绝大多数时间内，AI处理的土壤CO2排放通量高于对应的CK处理。在番茄整个生育期内，AI处理土壤CO2排放通量均值为460.30 mg/(m2·h)，较CK处理增加了2.4%。苗期13 d(移植后天数)左右时，不同灌溉模式下土壤CO2排放通量在整个生育期最小，AI和CK处理土壤CO2排放通量分别为整个生育期平均值的52.2%和47.7%；随后逐渐增大，到59 d时达到峰值，AI和CK处理土壤CO2排放通量分别为整个生育期平均值的1.4倍和1.5倍；80 d后土壤CO2排放通量维持在一个较稳定的水平，其值约等于整个生育期土壤CO2排放通量的平均值。此外，AI处理土壤CO2累积排放量为9 031.08 kg/hm2，较CK处理增加了2 06.75 kg/hm2，处理间差异性未达到显著水平(P>0.05)。

图2 加气与常规膜下滴灌条件下番茄整个生育期土壤CO2排放通量的变化Fig.2 Variations of soil CO2 fluxes during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

2.2 加气灌溉对土壤过氧化氢酶活性的影响

从图3可以看出，在番茄的整个生育期内，不同处理土壤过氧化氢酶活性均呈现先增加后减小再增加的趋势；在番茄的采摘期(90 DAT)土壤过氧化氢酶活性达到最大值。此外，AI处理的土壤过氧化氢酶活性全生育期均值为1.11 mL/g，较CK处理增加了0.6%，但处理间差异性未达到显著水平(P>0.05)。

图3 加气与常规膜下滴灌条件下番茄整个生育期土壤过氧化氢酶活性的变化Fig.3 Variations of soil catalase activity during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

2.3 加气灌溉对WFPS及土壤温度的影响

不同灌溉条件下的WFPS在番茄的整个生育期内均总体呈现先减小后增加的趋势[图4(a)]，苗期WFPS较高主要是对幼苗进行浇透底水所致。随着气温上升，作物蒸腾和土壤蒸发加强，且作物生长对水分需求不断增加，消耗大量水分，引起WFPS下降；后期WFPS增加是因为番茄成熟期的生命活动较果实膨大期弱，消耗的水分较少，且较大的蒸发量使灌水量增加，这增大了WFPS。此外，AI处理WFPS的波动范围为40.3%～70.6%，平均值为53.9%；CK处理WFPS的波动值为38.5%～73.1%，平均值为54.2%。在番茄的果实膨大期(59 d)WFPS达到最小值，AI条件下为其平均值的74.8%，CK条件下为其平均值的71.1%。由此可见，加气灌溉较不加气灌溉降低了WFPS，但不明显(P>0.05)。

图4 加气与常规膜下滴灌条件下番茄整个生育期土壤充水孔隙率(WFPS)和温度的变化Fig.4 Variations of soil water-filled pore space (WFPS) and soil temperature during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

从土壤温度变化曲线可以看出[图4(b)]，在番茄地10 cm深度层，AI和CK两种灌溉模式下土壤温度的变化是一致的。14 d前土壤温度呈现下降的趋势；之后，各处理土壤温度均随着番茄移植天数的增加呈现上升的趋势。番茄整个生育期内，AI处理下的土壤温度均高于CK处理；且AI和CK处理平均土壤温度分别为24.76 ℃和24.36 ℃。可见，AI较CK处理增加了土壤温度，但不明显(P>0.05)。

2.4 加气灌溉对番茄生长的影响

由图5可见，不同处理番茄株高在番茄整个生育期内变化规律一致。前期随着移植天数增加，番茄株高在不断增加，在50 d左右达到最大值；之后，番茄株高基本不变。处理间对比显示，在番茄整个生育期内(成熟期的最后阶段除外)，AI条件下的株高都比CK条件下高，平均增加了1.1%。说明AI条件下，番茄生长速度较快。

图5 加气与常规膜下滴灌条件下番茄整个生育期株高的变化Fig.5 Variations of plant height during the whole tomato growing period under aerated irrigation (AI) and control (CK)

2.5 土壤CO2排放通量与各影响因子之间的相关性分析

由表3可知，不同处理土壤CO2排放通量与土壤过氧化氢酶活性均呈正相关性，AI和CK处理相关系数分别为0.449和0.298。说明，土壤过氧化氢酶活性越高，对土壤中的过氧化氢分解地越彻底，能更加有效地减轻过氧化氢对作物的毒害作用，有利于作物根系的发育，促进土壤CO2排放。此外，不同灌溉条件下，土壤CO2排放通量与WFPS均呈负相关性且相关性极强(P<0.01)，AI条件下的相关系数为-0.887，CK条件下为-0.930。因此，加气灌溉较不加气处理降低了WFPS[图4(a)]，改善了土壤通气性，利于气体排放。研究也发现，不同灌溉条件下的土壤CO2排放通量与土壤10 cm深度处的土壤温度均呈正相关性，AI条件下的相关系数为0.472，CK条件下为0.482。AI条件下的WFPS与土壤10 cm深度处的土壤温度呈显著负相关，相关系数为-0.752；CK条件下也呈负相关，相关系数为-0.646。此外，不同处理下土壤CO2排放与番茄株高呈现显著正相关关系(P<0.05)，AI处理的相关系数为0.725，相关性略低于CK处理(r=0.776)。

表3 加气灌溉与对照处理土壤CO2排放与各影响因子之间的相关系数Tab.3 Correlation coefficients of soil respiration rates and its affecting factors under AI and CK

注：AI表示加气灌溉，CK表示常规膜下滴灌，CAT代表土壤过氧化氢酶活性，WFPS代表土壤充水孔隙率，*表示在0.05水平显著相关；**表示在0.01水平显著相关。

3 讨论

通过静态暗箱/气相色谱法对温室番茄地土壤CO2排放进行原位观测发现，土壤CO2排放通量随番茄移植天数的增加总体呈现为先增加后减小的趋势(图2)，这与一些学者的研究结果相似[16-18]，但朱艳等[6]研究得出CO2排放峰值出现在番茄开花坐果期，而本试验中土壤CO2排放主峰值出现在59 d(果实膨大期)，这与该时期土壤过氧化氢酶活性(图3)、WFPS[图4(a)]和植物生长情况(图5)有密切关系。较高的土壤过氧化氢酶活性利于土壤中的过氧化氢分解，有效地减轻其对作物的毒害作用，有利于作物根系的发育，进而促进土壤CO2排放；且较低的WFPS有利于气体排放；加之植株在59 d左右生长趋势稳定，根系生长达到最大值，进而观测到59 d土壤CO2排放主峰值。

此外，研究也发现，AI和CK处理的番茄整个生育期平均土壤CO2排放通量分别为460.30和449.58 mg/(m2·h)，而陈慧等[11]指出不同灌溉模式番茄地平均土壤CO2排放通量在193.66～259.10 mg/(m2·h)范围内波动。产生差异的主要原因为本试验的温度较高，较高的土壤温度将提高微生物活性，进而促进土壤CO2排放。这与林淼等[18]和俞永祥等[19]的结论相一致，随着温度的升高，土壤呼吸速率呈指数增加。

研究表明，AI较CK处理增加了土壤CO2排放(图2)，这与不少学者的研究结果相似[6, 11, 20]，产生该现象的主要原因是加气灌溉增加了土壤过氧化氢酶活性(图3)，这有效的减轻了土壤过氧化氢对番茄根系和土壤微生物的毒害作用；此外，加气灌溉降低了WFPS[图4(a)]，有利于气体排放；且加气较不加气增加了土壤温度[图4(b)]，这促进了微生物活性。以上皆表明加气较不加气处理能够促进土壤CO2排放。

研究发现，土壤过氧化氢酶活性在整个生育期内有波动性，在果实膨大期前期和成熟期末期活性较高，而果实膨大期末期最低。而张璇等[10]指出过氧化氢酶活性在番茄生育期内先升后降，果实膨大期达到峰值，这可能是因为两个试验的试验时间和番茄培育方法不同。此外，在番茄生育期的各个阶段，AI条件下的土壤过氧化氢酶活性都比CK条件下高，平均增加了0.62%(图3)，这与Niu等[21]的研究结果相似。而李元等[22]研究发现每两天加一次气，过氧化氢酶活性提高6%，这与本试验的研究结果差距较大，其原因可能是由于本试验中的灌溉间隔相对而言较长。

相关分析表明(表3)，不同灌溉条件下土壤CO2排放通量与土壤过氧化氢酶活性、土壤温度和株高均呈正相关，而与WFPS呈极显著负相关。朱艳等[6]研究表明土壤CO2排放通量与土壤温度存在正相关性，这与本试验的研究结果相似；陈慧等[11]研究得出土壤CO2排放通量与WFPS呈负相关，但相关性并不显著，其原因可能是两次试验的灌水量和番茄生育期的时间长短不同。