灌水量及可降解膜覆盖对滴灌玉米土壤呼吸及产量的影响

2019-11-22王风姣王振华李文昊

干旱地区农业研究 2019年5期

王风姣，王振华，李文昊

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

土壤是陆地生态系统最大的碳库[1]，土壤碳库是大气碳库的4倍。土壤中碳元素的吸收和释放离不开土壤呼吸作用，土壤呼吸作用是一种复杂的生物化学过程[2]，它受到生物因子、非生物因子以及人为因素的影响，而土壤的温度和湿度是影响土壤呼吸作用的关键因素。从全球范围来看，土壤呼吸作用中碳的释放速率要比人类活动中碳的释放速率高一个数量级，因此土壤呼吸的微弱变化会严重打破大气中CO2浓度的平衡。而以土壤为基础的农田生态系统的碳含量非常可观，对农田生态系统中的土壤呼吸进行定量的研究，这对构建全球碳循环模式，预测未来全球气候变化，发展低碳农业具有十分重要的意义。

玉米是世界三大粮食作物之一，具有饲料和工业等多种用途，玉米产量约占全国粮食产量的25%[3]，为全球的经济社会发展做出卓越的贡献[4]。西北地区玉米种植面积和年产量已经占到全国份额的50%。2016年新疆玉米播种面积达到9.19万hm2，占农作物播种总面积的14.78%，2016年新疆玉米产量达663.87万t，占新疆粮食总产量的44.54%。新疆农业用水占新疆用水总量的90%以上[5]。翟超等[6]研究发现玉米生育期所需的灌水量为3 570～6 370 m3·hm-2，玉米产量在13 061～14 929 kg·hm-2范围内，随着灌水量的增加，玉米产量有先增后减的趋势。

1996年新疆推广膜下滴灌技术至今，膜下滴灌应用面积已达2.0×106hm2，极大地推动了新疆地区农业的发展[7]。但是随着地膜的长期应用，地膜残留污染成为影响新疆农业发展的一个重大问题，严昌荣等[8]指出连续10 a膜下滴灌棉田残膜为(259±36.78) kg·hm-2；残膜影响根对水肥吸收、影响土壤呼吸、改变土壤结构、降低出苗率和作物产量[9]。可降解膜的使用是解决残膜污染的有效途径，2014年新疆地区推广应用的可降解膜施用面积为3 720 hm2，可降解膜的未来应用面积会逐渐增加。长期以来，针对新疆灌水量和可降解膜对膜下滴灌玉米土壤呼吸的研究较少，本文通过大田试验，研究不同灌水量和可降解膜对滴灌玉米土壤呼吸及各因子之间的关系，并考虑产量等因素，以期为可降解膜的推广和水分的高效利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年4月—2018年10月在现代节水灌溉兵团重点实验室暨新疆石河子大学节水灌溉试验站(85°59′E、44°19′N，海拔451 m)进行，具体位置见图1。试验站位于石河子市西郊石河子大学农试验场二连，平均地面坡度为6‰，年均日照数为2 865 h，多年平均降水量207 mm，玉米生育期日均气温为26.61℃(图2)，平均蒸发量1 660 mm，年均温7.7℃，其中>10℃积温为3 463.5℃，>15℃积温为2 960.0℃，无霜期170 d，地下水埋深大于10 m，土壤质地为中壤土，0～100 cm平均干容重为1.60 g·cm-3，田间持水率(质量含水率)18.65%。

图1 试验区位置Fig.1 Test area location

图2 玉米生育期日均温和降雨量Fig.2 Daily average temperature and rainfall during corn growth period

1.2 试验方法

本试验以玉米品种“新玉66”为研究对象，播种时间为5月1日，种植模式为一膜两管四行(图3)，膜宽为1.45 m，毛管间距为60 cm，行距为30 cm，株距为20 cm，理论株数为82 500株·hm-2，播种深度为3～4 cm。采用小区试验，每个小区规格为5 m×4.5 m(长×宽)=22.5 m2。试验用完全生物降解膜(地膜主要成分为PBAT，分别标记为M1、M2)，由广州金发科技有限公司提供。M1厚度为0.01 mm，诱导期为60 d，M2厚度为0.01 mm，诱导期为80 d。普通聚乙烯塑料地膜(M3)由新疆天业公司提供，M3厚度为0.01 mm。灌水设置3水平：灌溉定额分别为4 625、5 625、6 625 m3·hm-2(分别记为W1、W2、W3)，共9个处理，设3次重复。全生育期灌水10次，灌水次数、灌水定额依据翟超等方法[6]并参阅石河子及周边农场近年滴灌玉米灌溉水平实际定额制定。P2O5：120 kg·hm-2、K2O：90 kg·hm-2全部做基肥，尿素20%做基肥，在播前深翻入土，每次施肥量参照大田施肥量，用施肥罐随水施肥，各生育期具体灌水、施肥量见表1。滴灌带选用单翼迷宫式滴灌带(新疆天业公司生产)，外径 16 mm，壁厚0.3 mm，滴头间距30 cm，滴头流量2.6 L·h-1。由足够动力的出水桩供水，各处理用水表控制灌水量。

图3 玉米种植模式图Fig.3 Corn planting pattern

表1 玉米各生育期灌水施肥处理

1.3 测试项目及方法

1.3.1 气象数据试验站设置自动气象站(TRM-ZS2型)，每分钟记录气温、降雨量、空气湿度、太阳辐射等。

1.3.2 土壤呼吸土壤呼吸的测量仪器为LI-8100A(LI-8150，USA)土壤碳通量自动测量系统，该系统连接多个气室，其中长期测量气室为9个。进行长期定点测定土壤呼吸。于试验前1～2 d，将PVC土壤环分别插入不同处理的土壤中(具体位置见图3)，嵌入土中，露出地面3～5 cm，保证测量气室的密闭性，并清除土壤环中的杂物，稳定24 h以后进行第一次测量，尽可能减少土壤扰动及地上植被呼吸影响测量结果。在5月2日开始测定，每隔4 min获取一次数据，测量顺序按小区依次测定，并计算各处理日均土壤呼吸速率。土壤呼吸测定的同时采用仪器自身配置的6000-09TC电阻型土壤温度探针测量5 cm处土壤温度和EC-5土壤湿度传感器测量10 cm深度的土壤体积含水率，并用曲管地温计和取土烘干法对传感器所测数据进行校准。

1.3.3 土壤碳累积排放量根据涂纯等[10]作物生长季土壤碳累积排放量的公式计算：

R=∑[(Ri+Ri+1)/2]×60

×60×24×12×10-8×n

(1)

式中,R为土壤碳累积排放量(t·hm-2)；Ri和Ri+1为第i次和第i+1次日均土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)；n为相邻两次间隔天数(d)，一般n=5，如遇降雨、灌水等日均土壤呼吸速率差异较大时，适当调整；60×60×24表示将时间s转化为d；12为碳的摩尔质量。

1.3.4 籽粒产量、灌溉水分利用效率玉米成熟期内，在各小区随机取样，每小区取5个点，每个点连续取5株玉米，分别测量单株穗长、穗粗、穗质量，然后对玉米穗进行脱粒，并将籽粒风干后称重(称其百粒质量和总粒质量)，进而折算成每公顷产量。灌溉水分利用效率(iWUE，kg·m-3)以每个处理的总产量和总灌溉量之比表示[11-12]。

1.3.5 经济—环境效益值计算作物产量可用来表征农田的经济效益，而旱作农田土壤碳释放的形式主要为CO2[13]，环境效益主要是影响大气CO2浓度。因此通过参照之前的研究[14]，本研究在计算经济—环境效益值时，采用土壤呼吸累积释放总量与玉米产量比值得出，计算公式如下：

E=R/Y

(2)

式中,E为经济环境效益值，表示生产1 kg籽粒，农田释放出CO2的量(kg·kg-1)。

1.3.6R2与Q10的计算R2是拟合方程的决定系数,R2的值越接近1,说明拟合方程的准确性越高。土壤呼吸温度敏感系数Q10=e10b,b为土壤呼吸速率与土壤温度指数方程y=aebt中的拟合参数。

1.4 数据处理

通过Microsoft Excel 2016进行数据计算，通过Origin 2017进行作图，用SPSS 22进行双因素方差分析及回归分析。

2 结果分析

2.1 不同处理下滴灌玉米地膜降解程度

表2是不同灌水量和可降解膜处理玉米生育期内地膜的降解程度分级。覆膜50 d时，W1M1、W2M1、W3M1呈现初始裂纹，其他处理未出现裂纹。覆膜70 d时，W1M1、W2M1、W3M1中田间25%的地膜呈现细微裂纹，W1M2、W2M2、W3M2呈现初始裂纹，W1M3、W2M3、W3M3未出现裂纹。覆膜130 d时，W1M1、W2M1、W3M1地膜均呈现均匀网状裂纹，大块地膜已不存在，W1M2、W2M2、W3M2地膜呈现2～2.5 cm裂纹，W1M3、W2M3、W3M3地膜开始呈现细微裂纹(该现象为正常损耗)，M1、M2两种可降解地膜降解程度受灌水量因素影响不大，两类地膜实际降解速率均在诱导期之前开始降解，但在玉米生长前期均可保持良好的形态，生长期之后均出现不同程度的降解，在玉米收获之后可以土地直接耕作，不需耗费人力物力进行地膜回收。

表2 不同处理地膜降解程度分级

注：0级表示未出现裂缝；1级表示开始出现裂纹；2级表示田间25%地膜出现细小裂纹；3级表示地膜出现2～25 cm裂纹；4级表示地膜出现均匀网状裂纹，无大块地膜存在；5级表示地膜裂解为4 cm×4 cm以下碎片。

Note: 0 indicates that no cracks appear； level 1 indicates that cracks begin to appear; level 2 indicates that 25% of the film in the field has small cracks; level 3 indicates that the film has 2 to 25 cm cracks; level 4 indicates that the film has uniform network cracks, no large block mulch exists; grade 5 indicates that the mulch is cracked into pieces of 4 cm × 4 cm or less.

2.2 不同处理下滴灌玉米土壤呼吸速率及其影响因素

2.2.1 不同处理下滴灌玉米土壤呼吸速率的日变化表3是玉米抽穗期(7月20日)土壤呼吸速率日变化特征，不同的灌水量和可降解膜的滴灌玉米土壤呼吸速率日变化过程一致，均呈单峰曲线。地膜、灌水量和地膜对土壤呼吸速率日变化影响极显著(P<0.01)，灌水量对土壤呼吸速率日变化影响不显著(P>0.05)。

由表3可知，土壤呼吸速率自10∶00～14∶00逐渐升高，自18∶00～6∶00逐渐降低，高峰出现在14∶00，低谷出现在6∶00，这是由于气温引起的，午后14∶00气温最高，日出前后气温最低。10∶00的土壤呼吸速率很接近日均值，这与前人研究结果一致[15]。抽穗期玉米土壤呼吸速率在W2M3取得日最大值，为10.12 μmol·m-2·s-1。同一灌水水平下，土壤呼吸速率随着地膜诱导期的延长逐渐增大，各处理之间差异显著(P<0.05)，这是由于地膜诱导期越长保水保温效果越好引起的。同一地膜，在不同灌水水平下，土壤呼吸速率差异不显著(P<0.05)。在W2灌水水平下，14∶00的土壤呼吸速率W2M3比W2M1、W2M2高4.44%、1.61%。

2.2.2 不同处理下滴灌玉米土壤呼吸速率的季节变化各处理对玉米6月5日(苗期)、7月5日(拔节期)、7月24日(抽雄期)、8月13日(灌浆期)、8月29日(成熟期)土壤呼吸速率的变化及方差分析见表4。单因素的灌水量对土壤呼吸速率各季节变化的影响达到显著水平(P<0.05)，地膜、灌水量和地膜对土壤呼吸速率各季节变化的影响达到极显著水平(P<0.01)。单因素的灌水量对土壤呼吸速率不同生育期的变化影响达到显著水平(P<0.05)，地膜、灌水量和地膜对土壤呼吸速率不同生育期的变化影响达到极显著水平(P<0.01)。

由表4可知，各处理玉米生育期的土壤呼吸速率动态变化相似，随着生育期的推进，土壤呼吸速率呈先上升后下降的变化趋势，在玉米生长旺期抽雄期达到最大值。自6月初至7月下旬，随着温度的升高玉米植株和根系生长迅速，同时随着温度的升高土壤微生物的活性增强，土壤的有机质增加，使得土壤呼吸作用逐渐增强。抽雄期土壤温度达到峰值，各处理土壤呼吸速率达到最大值，最大值为7.89 μmol·m-2·s-1；抽雄期—成熟期，气温下降，土壤呼吸速率也有所减弱，成熟期最小值为1.46 μmol·m-2·s-1。抽雄期各处理平均值为7.08 μmol·m-2·s-1；灌浆期有所下降，各处理平均值为4.83 μmol·m-2·s-1；成熟期降到最低各处理平均值为1.82 μmol·m-2·s-1。W1、W2、W3处理下，随着可降解膜诱导期的延长，土壤呼吸速率呈增加的趋势，W2M3达到最大值，说明土壤呼吸受灌水量和可降解膜的同时影响。抽雄期W2处理下，M3比M1、M2分别提高15.52%、8.83%。

2.2.3 各处理滴灌玉米土壤呼吸速率的影响因素表5是各处理土壤呼吸速率与土壤温度、土壤体积含水率、日均温、降雨量的相关性分析。由表5可知，各处理土壤呼吸速率与土壤温度、日均温均显著性相关，达到极显著水平(P<0.01)，土壤呼吸速率与土壤体积含水率、降雨量没有相关关系(P>0.05)。对土壤温度与土壤呼吸速率进行回归分析(表6)，表明土壤呼吸速率与土壤温度、日均温均呈正相关指数函数关系，与前人研究结果一致[16-18]。进一步计算各处理土壤呼吸温度敏感性Q10=e10b，b为土壤呼吸速率与土壤温度指数方程y=aebt中的拟合参数。结果表明，Q10值在W2M3取得最大值2.034，说明W2M3土壤温度的敏感性最高，W1M1取得最小值1.584，说明W1M1土壤温度的敏感性最低。

2.2.4 各处理滴灌玉米土壤呼吸总量、籽粒产量和经济—环境效益值不同的灌水量和可降解膜处理土壤呼吸总量、籽粒产量和经济-环境效益值如表7所示。单因素的地膜、灌水量对土壤呼吸总量差异显著(P<0.05)；灌水量对玉米籽粒产量、灌溉水利用效率差异显著(P<0.05)，地膜对玉米籽粒产量、灌溉水利用效率差异不显著(P>0.05)；灌水量对经济—环境效益值差异不显著(P>0.05)；地膜对经济-环境效益值差异显著(P<0.05)；双因素的地膜和灌水量对土壤呼吸总量、籽粒产量、灌溉水利用效率、经济-环境效益值的影响达到极显著水平(P<0.01)。

表3 玉米抽穗期不同处理下土壤呼吸速率日变化特征/(μmol·m-2·s-1)

注：*表示显著差异(P<0.05)，**表示极显著差异(P<0.01)；同列数值后不同字母表示处理间显著差异(P<0.05)。W、M分别是单因素的灌水量、可降解膜对土壤呼吸速率日变化的影响，W×M是二者的交互作用。下同。

Note: * indicates significant difference (P<0.05), ** indicates extremely significant difference (P<0.01); different letters after the same column value indicate significant difference between treatments (P<0.05). W and M are the effects of single factor irrigation and degradable membrane on the daily variation of soil respiration rate, respectively, W×M is the interaction between them. The same below.

表4 各处理不同发育期土壤呼吸速率/(μmol·m-2·s-1)

表5 各处理土壤呼吸速率与土壤温度、土壤体积含水率、日均温、降雨量的相关系数

表6 各处理土壤呼吸速率与土壤温度(t)、日均温(T)的拟合方程

由表7可知，在玉米生育期土壤呼吸总量在17.75～23.44 t·hm-2。同一灌水水平下，土壤呼吸总量表现为W1M10.05)；同一地膜，在不同灌水水平籽粒产量差异显著(P<0.05)。中等灌水水平下，W2M3籽粒产量分别比W2M1、W2M2提高2.64%、0.31%。对灌溉水利用效率而言，并未在W2M3取得最大值，而是在W1M2取得最大值。灌溉水利用效率的变化规律与籽粒产量的变化规律相似。

不同灌水量和可降解膜处理的玉米土壤呼吸总量和籽粒产量进行分析、比值，得出每千克籽粒收获时土壤释放出CO2的量[19]，并比较不同处理玉米田经济-环境效益值(表7)。表7可以看出每生产1 kg玉米籽粒，各处理释放出CO2的量介于1.42～1.83 kg，W2M2处理经济—环境效益值最优，为1.42 kg·kg-1。综合各处理土壤呼吸总量、籽粒产量、灌溉水利用效率、经济—环境效益值，得出W2M2处理效果最好。

2.3 不同灌水量和可降解膜处理下滴灌玉米的投入与产出

表8是不同的灌水量和可降解膜处理滴灌玉米的收入情况，单因素的地膜、灌水量对玉米的投入、收益未达到显著性差异(P>0.05)，灌水量对玉米产出的影响达到显著性水平(P<0.05)，双因素的地膜和灌水量对玉米的投入、产出、收益的影响达到显著性水平(P<0.05)。

由表8可知，W1灌水水平，W1M1、W1M2投入比W1M3高200、250元·hm-2,主要是由于可降解膜的成本高于普通塑料地膜，M2比M1成本高是由于制作配方不同，诱导期不同。玉米收益介于4 207～6 815元·hm-2，W2M3收益最高，W3M1收益最低。可降解膜处理比普通地膜处理收益平均减少986.33元·hm-2，但可降解膜不需要后期的人工回收，也不会引起残膜污染、作物减产等问题。可降解膜规模化生产后，其成本可进一步降低，有广阔的应用前景。

表7 各处理土壤呼吸总量、籽粒产量、灌溉水利用效率、经济—环境效益值

表8 各处理玉米的投入与产出/(元·hm-2)

3 讨论

土壤呼吸是指植株的根呼吸、土壤微生物分解有机质、动物呼吸，从土壤中释放出CO2的过程[20]。本研究发现不同灌水量和可降解膜对滴灌玉米土壤呼吸速率日变化均呈单峰型曲线，这与李强等[21]的研究结果相一致，峰值出在14∶00，与高金芳等[22]研究出现的峰值时间不一致，这可能是由于气候、土壤类型、测定时间的差异引起的，但与崔海等[23]研究峰值出现在12∶00～14∶00相近。9个不同处理玉米土壤呼吸呈“先升高后降低”变化趋势，表现出的明显季节特点，最高值出现在抽雄期，最低值出现在苗期，这与前人[14,24]研究结果类似。这是由于玉米苗期，气温、土壤湿度低，加之此时植株较小，根呼吸少，土壤微生物活动能力弱引起的；随着玉米植株生长、气温升高等因素，土壤呼吸逐渐升高。

土壤呼吸的季节变化主要是由土壤温度、湿度、气象因素、光合产物及其共同作用引起的。本研究表明土壤温度、气温是影响土壤呼吸的重要因子，土壤体积含水率与降水量与土壤呼吸无显著性(P>0.05)，不是影响土壤呼吸的重要因子。土壤呼吸日变化的驱动因子主要是土壤温度，刘爽等[25]研究发现，适度增温可以提高土壤微生物的活性，直接影响根呼吸，但当温度较高时，它不再是限制土壤呼吸的因子。本研究发现气温与5 cm土壤温度均与土壤呼吸速率的变化规律相似，均与土壤呼吸速率是正相关指数关系。Q10通常被学者用来衡量土壤呼吸的敏感性，其值越大表明土壤呼吸对土壤温度的敏感性越强，Zheng等[26]研究发现Q10一般为1.28～4.75，本研究不同处理Q10的变化范围是1.584～2.034，属于正常范围。土壤呼吸与土壤水分有正相关、负相关、不相关3种关系[27-29]。本研究发现，土壤体积含水率与土壤呼吸速率无显著相关性。降水是农田生态系统的重要影响因子，它是通过土壤温度、土壤含水量、土壤特性等的改变影响土壤呼吸[30]，本研究发现降水量与土壤呼吸相关关系不强，可能是其对土壤呼吸的影响被其他因子掩盖了。

本研究中不同灌水量和可降解膜的滴灌玉米处理全生育期土壤呼吸总量在17.75～23.44 t·hm-2之间，籽粒产量在11.60～12.81 t·hm-2，说明灌水量和可降解膜的差异会影响土壤呼吸总量和产量。研究发现[31]土壤湿度过高和过低都会影响土壤呼吸，本研究发现土壤呼吸总量随灌水量的增加呈先升高后降低的趋势，最大值在W2M3处理取得。翟超等[6]研究发现，玉米产量随灌水量的增加呈先升高后降低变化，邬强等[32]研究发现，可降解膜覆盖相对于普通塑料地膜覆盖会造成棉花产量下降，本研究发现W2各处理玉米产量相对高于W1、W3各处理的产量，同一灌水水平下，普通地膜覆盖的玉米产量高于可降解膜覆盖，产量最大值在W2M3取得。不同灌水量和可降解处理下的滴灌玉米田蓄水、保墒效果会有所差异，带来的经济—环境效益值也有所不同。本研究得出玉米经济—经济环境效益值为1.53～1.83 kg·kg-1CO2，这与孟磊等[19]研究结果相似，与涂纯[33]研究结果不同。这可能是由于作物、气候状况、研究方法等不同出现的差异。W2M2经济—环境效益值最优，具有较好的综合效益。本研究iWUE在1.87～2.55 kg·m-3，随着灌水量的增加总体呈降低趋势。

可降解地膜的成本较普通地膜高，是制约可降解膜大面积推广的因素。本研究可降解膜覆盖较普通地膜覆盖收益平均减少1 479.5元·hm-2。降解膜材料虽较普通地膜高，但是可降解膜降解性能较好，在已有设备条件下，就可生产，而且大面积生产后，其成本会进一步降低。从生态可持续角度考虑，可降解膜的应用可以有效地解决新疆严重的残膜污染问题。