设施菜田夏季闷棚对还田秸秆矿化和CO2排放的影响

余亚琳 胡静 樊兆博 王敬国 林杉

摘要 [目的]研究設施蔬菜夏季闷棚对还田秸秆矿化和CO2排放的影响。[方法]设计二因素试验，主因素为灌溉方式（传统畦灌施肥、滴灌施肥），副因素为秸秆还田（0、3 500 kg/hm2），通过测定闷棚前、闷棚期和闷棚后CO2日排放通量，以及6月1日、11月4日2 d内每3 h的CO2排放通量，总结闷棚对还田秸秆矿化的影响。[结果]夏季08：00—09：00和冬季17：00—18：00测定的土壤CO2排放通量与其间CO2日均排放通量之间不存在显著差异，且二者呈极显著线性正相关关系。闷棚期，CO2日均排放通量显著高于闷棚前和闷棚后;尤其是秸秆还田后，闷棚期CO2排放通量急剧增加，是不添加秸秆处理的2倍。尽管闷棚期间CO2累积排放量显著低于闷棚后生长季;然而，闷棚期来自于秸秆的CO2累积排放量和排放率则显著高于闷棚后生长季。[结论]闷棚期高温高湿的环境条件导致闷棚前加入的秸秆迅速矿化，不利于土壤有机碳积累和后续蔬菜作物光合作用对CO2的高需求。

关键词 设施蔬菜;高温闷棚;CO2排放通量;秸秆还田;矿化

中图分类号 S152.6文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）02-0081-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.023

开放科学（资源服务）标识码（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

我国设施蔬菜种植面积由1982年的1.03万hm2增加到2016年的390万hm2，占蔬菜种植总面积的22%[1-3]，产量占蔬菜总产量的30%[2]，为解决我国蔬菜均衡供应和农民致富做出了巨大贡献。由于经济利益驱动和种植习惯等原因[4]，我国设施蔬菜种植中普遍存在单一连作和水肥高投入的现象[5-6]。随着种植年限延长，土传病害问题日益突出，严重威胁我国设施蔬菜生产可持续发展[7-8]。生产上常通过轮作和选用抗病品种来预防土传病害，但见效甚微[7];化学防治措施如大量灌施农药和药物熏蒸等，见效快，但会造成环境污染，使土壤和农产品中农药残留，威胁人体健康[9-10]。

强还原土壤灭菌法，既可以防治土壤病虫害，又可以修复退化土壤[11]，是近年来学术界和生产上获得较高关注的新方法。该方法是在夏季休闲季闷棚期间，在发生土传病害的设施菜田土壤中添加适量有机物料，通过淹水和地膜覆盖等措施快速创造强还原的土壤环境条件，在较短时间内杀灭土传病原菌，可以有效降低和抑制设施菜田土传病害的扩散[11-13]。所添加的有机物料进入土壤后，易于分解的碳水化合物和蛋白质等将可能被异养微生物快速分解，以CO2的形式释放到大气中;僅有少量难分解的纤维素和木质素将转化成土壤有机碳[14-15]。闷棚期间，设施大棚内高温（60 ℃）高湿（>85%）、土壤微生物活性强[4，16]和土壤呼吸剧烈，可能导致还田秸秆在闷棚期间快速矿化，排放大量CO2。然而，闷棚后作物生长期土壤有机质和秸秆矿化释放的CO2数量可能大大降低，不能满足设施蔬菜对CO2的高需求。

设施大棚良好的作物生长环境条件，使得蔬菜作物生长快，对CO2需求量大、强度高[17]。然而，半封闭设施大棚中气体交换不畅，从48 h内设施大棚CO2浓度的动态监测结果可以看出，日出后大棚内CO2浓度随着作物光合作用增强迅速降低，尤其在光合作用最强烈的正午，大棚内CO2浓度远远低于室外大气CO2浓度[18]，进而严重抑制了蔬菜作物光合效率[19]，抑制蔬菜产量的提升，而在设施大棚使用CO2肥料（干冰）可以显著提高设施蔬菜产量[20]。作物呼吸和土壤有机碳矿化是半封闭设施大棚CO2的重要来源，然而，北方下沉式设施菜田富含有机质的表层土壤缺失，0～30 cm土壤有机碳含量普遍较低，仅为11.4 g/kg[21]，低于中等肥力土壤有机碳含量的临界值（20 g/kg）[22]。土壤有机碳对土壤肥力和作物产量具有重要的积极作用[23]，同时，土壤有机碳矿化所产生的CO2对生长迅速和可能存在CO2缺乏的半封闭设施蔬菜显得尤为重要。施用C/N比高的秸秆，可以促进微生物矿化作用，一方面，可以解决设施大棚CO2短缺的问题，另一方面，长期而言，可以提高土壤有机碳储量。然而，关于有机物料在闷棚期间及其后的矿化规律鲜见报道。笔者将通过测定闷棚前、闷棚期和闷棚后土壤CO2排放通量和累积排放量，评价闷棚对还田秸秆矿化率和矿化量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验设计和田间管理

试验布置于山东省寿光市中国农业大学蔬菜研究院示范基地日光温室，试验大棚修建于2007年，长95 m，宽12 m，实际种植面积为924 m2（66畦×1.4 m×10 m）。该试验于2009年进行，温室内表层0～30 cm土壤砂粒、粉粒和黏粒质量分数分别为19%、52%和29%，土壤容重为1.56 g/cm3，pH 8.02，土壤有机碳含量为8.2 g/kg。测定方法参见文献[24-25]。

试验采用二因素裂区试验设计，主因素为灌溉施肥方式（传统畦灌施肥、滴灌施肥一体化），副因素为秸秆还田（0、3 500 kg/hm2）。共设4个处理，分别为传统漫灌施肥（CIF）、传统漫灌施肥+秸秆（CIF+S）、滴灌施肥（DIF）、滴灌施肥+秸秆（DIF+S）。主区内各小区采用完全随机区组排列，每个处理重复3次。所有处理每季基施商品鸡粪，施用量210 kg/hm2纯氮。添加秸秆的处理，玉米秸秆每季添加量8 000 kg/hm2，相当于施用纯氮3 500 kg/hm2。闷棚前，上述有机肥和经粉碎的秸秆均匀撒施于地表，立即旋耕后进行14 d的高温闷棚，闷棚期间滴灌与传统漫灌处理间水分管理一致。

每个小区包括3个种植畦，左侧畦用于测定产量，右侧畦用于采集土壤和植物样品，中间畦用于该研究CO2排放通量的测定。畦长10 m，畦宽1.4 m。采用传统双行种植，宽行0.8 m（走道），窄行0.6 m（种植行）。采用一年两季的种植模式，即冬春季和秋冬季。8月—次年1月为秋冬季，7月上旬开始育苗，苗龄30～35 d;7月31日将有机肥与粉碎的秸秆旋耕施入耕层土壤后，进行闷棚;8月16日定植，11月下旬开始采收，次年2月上旬收获完毕。供试番茄品种为布鲁斯特，每株番茄一般留6穗果，每穗留4～6个果实。传统漫灌施肥区，按照当地农户传统习惯进行灌溉施肥。基施NPK复合肥（16-16-16）2 200 kg/hm2，追施NPK复合肥3 400 kg/hm2，全生育期灌溉量500 mm。滴灌施肥区，依据目标产量法估算作物整个生育期内的需肥总量，然后依据作物的营养生理特点和不同生育期的需水肥规律，确定肥料的品种及比例，将其分配到每天进行滴灌施肥。通过在滴灌处理各小区内埋设张力计（张力计陶土头埋置地下20 cm处）来指示土壤水分变化，确定是否灌溉施肥;当张力计读数（09：00）达到控制灌溉水下限-20 kPa[24]时，即进行灌溉施肥。浇定植水100 mm，定植15 d后进行滴灌施肥，除阴雨天外，每天灌溉量为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比例为17∶6∶31（圣诞树滴灌专用肥，北京富特森公司）。

1.2 测定和计算方法

每小区中间种植畦的中间位置，分别埋设长宽高分别为50、30、20 cm的不锈钢底座（厚度4 mm），为了确保底座与气体采样箱密闭，底座上部焊接宽1.5 cm、深1 cm水槽，闷棚前，将底座埋入土壤，使其水槽上沿与地表持平。采样区内不种植物，为防止根系进入采样区，沿底座四周埋设0.3 m深的塑料薄膜。测定时密封水槽内加水，以保证箱子连接处的气密性。在整个生育时期保证底座内的农事操作（灌水、施肥及耕作等）与周围土壤相同。采样箱的体积为0.5 m×0.3 m×0.5 m，箱体采用2 mm有机玻璃设计。箱子顶部安装一个风扇，用以混匀箱内气体。采用AR-5自动气象站自动记录大棚内距离地面 1.5 m 处空气温度。

采用CO2红外分析仪（GMP343，芬兰VAISALA公司）测定土壤呼吸[26]。红外分析仪二氧化碳探头量程为 0～1 000 μL/L，最小测量精度为 1 μL/L。为探究不同季节土壤呼吸日变化规律，确定合理的采样测定时间，分别于2009年6月1日和11月4日检测所有小区24 h内每3 h的CO2排放通量，进行配对T检验和相关性统计分析。

从闷棚前7 d开始，测定大棚内土壤CO2排放通量。定植后，在传统漫灌施肥的前1 d、灌溉当天、灌溉后第1天、此后每3 d测定一次，直到下次灌溉，测定开始时间均为08：00。测定时，首先将采样箱顶部和底部的气管（直径4 mm）分别与红外分析仪的进气口和出气口相連，同时接通风扇的电源，然后打开采样器开关，待读数稳定时扣上采样箱。当读数增加时开始计数，0 s时的读数被认为是此时棚内近地面的CO2浓度，之后每隔30 s记录一次箱内CO2浓度，连续记录240 s，每次测定所有小区需用时1 h。根据单位时间箱体内CO2浓度的变化，计算闷棚前（7月24—30日）、闷棚期（7月31日—8月15日）和闷棚后（8月16日—10月29日）土壤CO2排放通量和累积排放量，计算公式如下[18]：

F1=ct×PR×（273.15+T）×VA×M1（1）

F2=F1×M2M1×24×60×60（2）

式中，F1为CO2排放通量，mg/（m2·s）;F2为CO2-C排放通量，kg/（hm2·d）;ct为t时间内气体箱内CO2浓度变化率;P为标准大气压101.3 kPa;R为理想气体常数8.314 J/（mol·K）;T为气体箱内温度，℃;V与A分别为气体箱体积和底面积，m3和m2;M1为CO2摩尔质量44 g/mol，M2为C摩尔质量12 g/mol。

F3=ni=1（F2）i （n=0、1、2…）（3）

式中，F3为CO2-C累积排放量，kg/hm2;i为加入秸秆后天数，d。

利用闷棚期和闷棚后CO2累积排放率计算闷棚期和闷棚后的CO2排放增量及秸秆CO2排放率，计算公式如下：

CO2排放增量=添加秸秆CO2排放总量-不加秸秆CO2排放总量（4）

秸秆CO2排放率=CO2排放增量秸秆C添加量×100%（5）

1.3 数据统计

数据处理和统计分析采用Excel 2013 和SAS V8.2软件，对测定的CO2排放量进行三因素方差分析，包括不同时期、灌溉施肥方式和有无添加秸秆，以及三者之间的交互作用。对6月1日和11月4日不同采样时间段的CO2 排放通量进行配对T检验和相关性统计分析。

2 结果与分析

2.1 设施番茄土壤呼吸日变化特点

一般而言，半封闭生态系统CO2排放通量呈明显的日动态变化[27]。了解排放通量的日变化规律，进而确定合适的测定时间，对于CO2排放通量的观测显得尤为重要。大棚内CO2排放通量24 h连续检测结果表明（表1和图1），夏季（6月1日）08：00—09：00测定的CO2排放通量与日均排放通量间不存在显著差异，并且二者呈显著的正相关关系，可以代表全天土壤CO2排放通量，这与前人的研究结果一致[18，28]。然而，冬季（11月4日）17：00—18：00测定值与日均排放通量间不存在显著差异，并且二者呈显著的正相关关系，可以代表全天土壤CO2排放通量;而冬季08：00—09：00的测定结果则显著高于日均排放通量。这可能与夏季和冬季作物光合规律的差异和大棚内气温变化（图2）有关。同时，08：00—09：00或17：00—18：00所测定的CO2排放通量与2 d日均排放通量间呈极显著的正相关关系，其决定系数为0.978 6（图1）。CO2排放通量随着大棚内空气温度的升高而增大，二者之间存在极显著的正相关关系，其决定系数为0.697 1（图2）。

2.2 闷棚对CO2日均排放通量的影响

闷棚期，设施大棚内高温高湿的环境[16，4]导致土壤呼吸加剧，土壤CO2排放通量显著提高，尤其是秸秆还田为微生物提供了大量碳源物质，使闷棚期土壤CO2排放通量急剧增加，显著高于闷棚前和闷棚后（图3）;而闷棚前和闷棚后，不存在显著差异。这与前人的研究报道基本吻合[13，29-30]。同时，闷棚期添加秸秆的处理CO2日均排放通量是不添加秸秆处理的2倍，是闷棚前与闷棚后不添加秸秆处理的近5倍。闷棚前和闷棚后CO2日均排放通量之间差异不显著，且闷棚前与闷棚后的4个处理间CO2日均排放通量之间也不存在显著差异（图3）。

2.3 闷棚对CO2累积排放量的影响

闷棚期间16 d内CO2累积排放量显著高于闷棚前，尤其是秸秆还田后，CO2累积排放量显著增加，添加秸秆处理的CO2累积排放量是不添加秸秆处理的2倍。闷棚前各处理间CO2累积排放量差异不显著（图4）。闷棚期，根据差减法所计算的来自秸秆的CO2排放总量为1 075 kg/hm2，来自秸秆的CO2排放量占秸秆碳投入量的比例为33%。尽管闷棚期时间较短，但是由于闷棚期高温高湿的环境条件，16 d内还田秸秆的33%被矿化，以CO2形式排放，导致闷棚后矿化率较低，不利于后续设施蔬菜的生长。

闷棚后，来自秸秆的CO2排放总量为696 kg/hm2，占秸秆碳投入量的比例为21%。虽然闷棚后的CO2日均排放通量显著低于闷棚期（图3），而闷棚后75 d内CO2累积排放量则显著高于闷棚期和闷棚前（图4）。该研究中，闷棚后不同的灌溉施肥方式对CO2累积排放量的影响不显著，这与王亚芳等[18]的研究结果不一致，可能是因为玉米秸秆的主要成分有易分解的碳水化合物、蛋白质和难以分解的半纤维素、纤维素和木质素[31]。闷棚期间，秸秆中易分解的碳水化合物和蛋白质等被土壤微生物快速分解，表现在CO2排放量急剧增加（图3），导致闷棚后水肥条件对秸秆矿化的影响不显著。闷棚期和闷棚后，添加秸秆显著增加了CO2累积排放量，但这一差异在闷棚前并未检测到，可能是由于闷棚前上一季所添加的秸秆大部分已矿化。

3 结论

该研究通过二因素裂区试验设计，测定了闷棚前、闷棚期和闷棚后CO2日排放通量，以及6月1日、11月4日2 d内每3 h的CO2排放通量，总结出不同季节土壤呼吸日变化规律，结果发现夏季08：00—09：00和冬季17：00—18：00所测定的土壤CO2排放通量可以很好地表征CO2日均排放通量。夏季休闲期高温闷棚的方法可以消除设施菜田土传病害，然而，闷棚期高温高湿的环境条件导致闷棚前加入的秸秆迅速矿化，不利于土壤有机碳积累和后续蔬菜作物光合作用对CO2的高需求。同时，下沉式设施大棚富含有机质的表层土壤缺失、土壤有机质含量低、保蓄性和缓冲能力差，而蔬菜残茬因携带大量病原体，无法直接还田培肥土壤。此外，高温闷棚导致还田秸秆大量矿化，如何协调闷棚期加入有机物料进行土壤灭菌和满足设施蔬菜生长期对CO2的高需求之间的矛盾有待今后深入研究。

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