不同灌水下限设施番茄土壤CO2排放特征及其影响因素研究

韩昌东，叶旭红，马 玲，马建辉，邹洪涛，张玉龙

（沈阳农业大学 土地与环境学院/农业部东北耕地保育重点实验室/土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳 110866）

0 引 言

土壤CO2排放是陆地生态系统碳循环的重要组成部分，其占全球各单元 CO2排放总量的 5%～25%[1]。土壤CO2排放量的增加是加剧全球气候变暖的主要因素之一[2]。随着农业种植结构的调整，我国设施蔬菜种植面积占蔬菜总种植面积的比例不断增加，2012—2017年平均增加了10%，其中2017年达到了32.3%[3]。农田生态系统是陆地生态系统中最活跃、最易受人类活动影响的部分[4-5]。设施农业具有高温高湿、灌溉频率高、无雨水淋洗、土地利用强度高、肥料投入量大、土壤CO2排放较高[6-8]等特点。因此，研究设施农业土壤CO2排放规律及其与环境因子之间的关系对于减缓土壤碳排放具有重要意义。

越来越多的学者关注到了设施农业土壤碳排放的问题。任涛等[9]在设施菜地施用不同有机肥和氮肥的试验中发现，有机肥和秸秆的施用显著提高了设施菜地土壤 CO2排放速率；王春新等[10]指出，氮肥与有机肥配施比单施氮肥处理显著提高了土壤 CO2排放速率；杨洋等[11]对设施番茄采用不同灌溉方式的灌溉试验研究发现，土壤CO2排放速率表现为沟灌>滴灌>渗灌；朱艳等[12]研究表明，加气灌溉比地下滴灌显著提高了土壤 CO2排放速率；王亚芳等[13]通过研究灌溉方式和秸秆还田对设施番茄田 CO2排放的影响发现，无论是否添加秸秆，滴灌处理均比传统畦灌显著降低了 CO2累积排放量；师梦娇等[14]对未种植作物设施土壤释放温室气体的研究发现，CO2的排放总量表现为高水处理>中水处理>低水处理。目前，相关学者关于设施蔬菜土壤 CO2排放的研究主要集中在不同施肥和不同灌溉方式，而针对膜下滴灌不同灌水控制下限设施农业土壤 CO2排放特征影响的研究鲜有报道。

膜下滴灌逐渐成为设施蔬菜栽培的主要灌溉方式，但由于缺乏科学的灌溉指导，菜农只能根据经验进行灌溉，灌水量和灌溉次数具有一定的随机性[15]。而土壤水分是影响设施蔬菜土壤 CO2排放的重要因素[16]，灌水量和灌溉次数的不同会对土壤碳排放产生较大影响。因此，如何科学合理制定灌溉决策，减少土壤碳排放已成为当今研究的热门问题。

本研究以连续7 a膜下滴灌的设施蔬菜土壤为研究对象，设置不同灌水下限处理，监测土壤CO2排放特征，探讨设施番茄膜下滴灌土壤CO2排放特征及其影响因素，以期为科学调控设施番茄土壤水分和土壤碳排放提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验于2018年4月30—7月26日在沈阳农业大学设施蔬菜栽培节水灌溉科研试验基地（41.62°N，123.46°E）进行，该基地已连续7 a进行设施蔬菜栽培膜下滴灌试验。供试土壤类型为棕壤，基本理化性质：pH值、有机质量、全氮量、速效磷量、速效钾量、碱解氮量分别为6.6、10.91 g/kg、1.34 g/kg、71.27 mg/kg、183.59 mg/kg、57.01 mg/kg。供试作物为番茄。

1.2 试验设计

试验共设置 3个灌水下限处理，分别为 20 kPa（D20）、30 kPa（D30）和 40 kPa（D40），各处理灌水上限均设定为6 kPa。每个处理设3个重复，试验小区随机排列，面积为20 m2。相邻小区之间埋设深度为0.6 m的隔离带（塑料薄膜）以防止相互影响。灌溉方式均采用膜下滴灌。滴灌带选用市售普通滴灌带，滴头流量为2.5 L/h，相邻出水孔间距为30 cm。番茄定植后，将张力计（ICF，Australia）分别埋设至地表以下15、30和45 cm深度，每天上午08:00读取张力计数值并据此进行灌溉。设定各处理土壤水吸力达到20、30、40 kPa时开始灌溉，并根据计算确定灌水量。灌水上下限土壤体积含水率通过所测得的计划湿润层代表性土壤水分特征曲线计算得出，曲线方程[17]为：

式中：θ为土壤体积含水率（cm3/cm3）；h为土壤水吸力（kPa）。小区单次灌水量计算式为：

式中：Q为小区单次灌水量（m3）；H为计划湿润层厚度（cm），本试验取30 cm；R为计划湿润比，本试验取0.50；θ2和θ1分别为灌水控制上下限土壤体积含水率（cm3/cm3）；S为小区面积（m2）。具体参数如表1所示。

表1 不同灌水下限试验设计参数Table 1 Text design of different controlled irrigation low limits

1.3 试验实施

各处理所施用的肥料为膨化鸡粪（37.5 t/hm2）、磷酸二铵（0.6 t/hm2）、硫酸钾（0.6 t/hm2）和尿素（0.45 t/hm2）。定植前，各处理撒施有机肥、磷酸二铵和硫酸钾。尿素分为等量3份，分别在定植前撒施、第1次追肥（6月22日）和第2次追肥（7月4日）随水施入。其他田间管理同当地设施蔬菜栽培一致。

2018年5月3日定植番茄，5月30日开始试验，7月26日田间试验结束。

1.4 测定项目与方法

番茄收获后，采集0～20 cm土层土壤。土壤体积质量（BD）采用环刀法测定；土壤有机质（OM）和全氮（TN）采用元素分析仪（Vario ELⅢ，Elementar，Germany）测定；土壤pH值采用pH计测定；土壤速效磷量（AP）、速效钾量（AK）和碱解氮量（AN）采用常规方法测定[18-19]；微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸法测定[20]。番茄生长期间，采用ENVIdata-DT植物生理生态检测系统（ENVIdata-DT，China）连续监测（每30 min采集数据1次）15 cm深度土壤含水率和温度的变化。

在测定土壤CO2排放速率之前48 h将土壤环均匀插入土壤中[21]，以尽可能减少土壤扰动。为了减小空间分布的差异性和测量期间植物对土壤 CO2排放的影响，将土壤环安装在各小区相同位置，并将土壤环中地表植物的地上部分剪除。安置平衡48 h后，使用 LI-8100A土壤碳通量自动测定仪（Li-Cor，Lincon，NE，USA）测定土壤 CO2排放速率。土壤CO2排放测定时间为水分处理期间灌溉后 1～3 d上午08:00—11:00。设施土壤CO2累计排放量（SR）计算式[22]为：

式中：SR为CO2累计排放量（g/m2，以CO2计）；F为土壤CO2排放速率第i次测定（μmol/（m2·s））；（ti+1-ti）为连续2次测定间隔时间；n为测定的总次数。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2013进行数据统计并绘图；采用SPSS 22.0软件进行数据统计分析；采用R语言和 Origin8.5软件进行绘图。采用非线性回归的方法分析不同灌水下限处理的土壤CO2排放速率与15 cm土壤温度的关系，采用的指数模型如下[23-24]：

式中：Y为土壤 CO2排放速率（μmol/（m2·s））；T为15 cm深度土壤温度（℃）；a、b为反映土壤基础呼吸高低的参数。基于此计算表征土壤温度对土壤CO2排放速率的影响程度的Q10值（Q10=e10b），其含义为土壤温度每升高10 ℃土壤呼吸作用增加的倍数[25-26]。

土壤CO2排放与土壤水分之间的关系较为复杂，相关学者多用数学模型来描述，例如线性、对数、指数以及多项式方程等[27-28]，本研究采用多项式方程模型进行拟合。为了更好地描述土壤温度和含水率对土壤CO2排放的协同作用，采用土壤温度和土壤含水率双因素复合模型模拟土壤 CO2排放对二者的响应机理[29-30]。

2 结果与分析

2.1 不同灌水下限土壤CO2排放速率的动态变化

不同灌水下限处理土壤 CO2排放速率变化趋势如图1所示。由图1可知，各水分处理初期土壤CO2排放速率呈先升高再下降趋势，2次追肥后各处理土壤CO2排放速率均有明显的增加，随后下降。番茄生育期内，D20和D30处理的土壤CO2排放速率均出现 5次明显的峰值，变化范围分别为 2.283～3.277 μmol/（m2·s）和 2.282～2.993 μmol/（m2·s），平均速率分别为 2.759 μmol/（m2·s）和 2.601 μmol/（m2·s）；D40处理土壤CO2排放速率出现4次明显的峰值，变化范围为 2.238～3.087 μmol/（m2·s），平均速率 2.559 μmol/（m2·s）。各处理土壤 CO2排放速率的最高峰出现在6月24日，以D20处理的峰值最高。

2.2 不同灌水下限对土壤CO2累积排放量的影响

如图2所示，番茄生育期内D20处理的土壤CO2累积排放量最高，为590.654 g/m2（以CO2计），其次是D30处理，为556.647 g/m2，D40处理土壤CO2累积排放量最小，为546.808 g/m2。D20处理土壤CO2累积排放量显著高于 D30、D40处理（P<0.05），但D30和D40处理之间并未达到显著差异。说明D20处理促进了土壤CO2排放。

图1 不同灌水下限处理的土壤CO2排放速率的动态变化Fig.1 Dynamic changes of CO2 emission flux under different controlled irrigation low limits

图2 不同灌水下限土壤CO2累积排放量Fig.2 Cumulative soil CO2 emission under different controlled irrigation low limits

2.3 土壤CO2排放的影响因素分析

2.3.1 土壤温度

不同灌水下限处理土壤温度的动态变化趋势基本一致，呈先下降后上升再下降随后缓慢上升的趋势（图3）。番茄生育期内，土壤温度以D40处理变化范围最大，为20.867～27.724 ℃，其次是D20处理，变化范围在21.083～27.529 ℃，D30处理变化范围最小为21.033～27.271 ℃；土壤温度平均值以D20处理最高（24.124 ℃），其次是 D40处理（23.893 ℃），D30处理平均值最小（23.602 ℃）。

为进一步探明不同灌水下限处理土壤 CO2排放对土壤温度的响应，本文采用指数方程对3种灌水下限处理土壤CO2排放速率与土壤温度进行拟合（图4），并计算温度敏感系数Q10值。如图4所示，3种灌水下限处理下土壤 CO2排放速率与其各自对应的土壤温度（T）拟合效果较好，D20、D30和D40处理拟合方程分别为：Y=1.052e0.0404T、Y=1.068e0.0376T、Y=1.075e0.0366T，均达到了1%显著水平（R2=0.411 1～0.501 2）。温度敏感系数Q10值以D20处理最大，为1.498，其次是D30处理（1.456），D40处理最小，为1.442，D20处理的温度敏感性最高，D40处理的温度敏感性最低。

图3 不同灌水下限土壤温度动态变化Fig.3 Soil temperature under different controlled irrigation low limits

2.3.2 土壤含水率

不同灌水下限处理的灌水时间和灌水量如表 2所示。番茄生育期内，灌水次数和总灌水量均表现为D20处理>D30处理>D4处理，单次灌水量表现为D40处理>D30处理>D20处理。D20处理灌水18次，总灌水量为 1 683.35 m3/hm2，平均每次灌水 93.519 m3/hm2；D30处理灌水 14次，总灌水量为 1 334.1 m3/hm2，平均每次灌水95.293 m3/hm2；D40处理灌水11次，总灌水量为1 138.87 m3/hm2，平均每次灌水103.532 m3/hm2。如图5所示，不同灌水下限处理土壤含水率的变化规律不一致。D40处理土壤含水率变化范围最大，为19.1%～25.2%，其次是D20处理，为 22.8%～27.8%，D30处理变化范围最小，为21.6%～26.0%。土壤含水率平均值表现为 D20处理>D30处理>D40处理。

图4 不同灌水下限土壤CO2排放速率与土壤温度拟合Fig.4 Relationship between soil CO2 emission and soil temperature under different controlled irrigation low limits

表2 不同灌水下限处理的灌水时间和灌水量Table 2 Irrigation time and amount of different controlled irrigation low limits treatments

图5 不同灌水下限土壤含水率动态变化Fig.5 Soil water content under different controlled irrigation low limits

如图6所示，土壤含水率（W）是影响不同灌水下限土壤CO2排放的重要因素，其解释了46%～51%的土壤CO2排放的变化。D20、D30和D40处理拟合方程为：Y=0.13W2-6.473W+83.252、Y=0.0049W2-0.366W+8.597、Y=0.0407W2-1.771W+21.66。此外，D20处理土壤含水率<24.9%时，土壤CO2排放速率与土壤含水率负相关，当含水率>24.9%时，土壤CO2排放速率与土壤含水率正相关；D30处理土壤含水率<37.3%时，土壤CO2排放速率与土壤含水率负相关，当含水率>37.3%时，土壤 CO2排放速率与土壤含水率正相关；D40处理土壤含水率<21.8%时，土壤CO2排放速率与土壤含水率呈负相关，当含水率>21.8 %时，土壤CO2排放速率与土壤含水率正相关。

图6 不同灌水下限土壤CO2排放速率与土壤含水率拟合Fig.6 Relationship between Soil CO2 emission and soil water content under different controlled irrigation low limits

2.3.3 土壤水热因子的综合作用

由图 7可知，在不同灌水下限处理下，以土壤含水率（W）和土壤温度（T）为自变量，土壤呼吸速率（Y）为因变量建立双因素复合模型，D20、D30处理和 D40处理拟合方程分别为：Y=-0.026T2+1.289T+0.119W2-5.923W+60.467、Y=0.020T2-0.873T+0.018W2-0.984W+20.085 、Y=0.019T2-0.798T+0.016W2-0.728W+19.08，且各处理复合模型均达极显著水平，R2在0.685～0.838之间，相比于单因素模型（R2=0.411～0.515），土壤温度与土壤含水率双因素复合模型可以更好地解释土壤CO2排放的变化。?

图7 不同灌水下限土壤CO2排放对土壤温度和含水率的响应曲面Fig.7 Response surface of soil CO2 emission to soil temperature and soil water content under different controlled irrigation low limits

2.3.4 土壤理化性状

为了探究土壤CO2排放对土壤理化性质的响应，对土壤CO2累积排放量和收获期0～20 cm土壤理化性质做相关性分析，结果见图8。土壤CO2排放量与有机质、微生物量碳和速效钾呈极显著相关关系（P<0.01），与pH值、全氮量、碱解氮量和速效磷量呈显著相关关系（P<0.05），与土壤体积质量无显著相关关系。

2.3.5 土壤CO2排放影响因子主成分分析

主成分分析（PCA）结果表明（图9）：土壤CO2排放影响因子可以提取出2个主成分，这2个主成分的累积贡献率为85.8%。主成分1由微生物量碳量、速效钾量、全氮量和土壤含水率构成，荷载分别为0.982、0.982、0.956和 0.947，贡献率为 72.9%；主成分 2由土壤温度构成，荷载为 0.796，贡献率为12.9%。由此可知，不同灌水下限条件下，0～20 cm土壤含水率、土壤温度、微生物量碳、全氮量和速效钾量是影响土壤CO2排放的主要因素。

图8 土壤CO2累积排放量与土壤理化性质的相关性Fig.8 Relationship between cumulative soil CO2 emission and General characteristics of soils

图9 土壤CO2排放影响因子主成分分析Fig.9 PCA of soil CO2 emission and influence factors

3 讨 论

以往研究表明，灌溉通常会增加土壤CO2排放量，但土壤 CO2排放量与灌水量间并非简单的线性关系[31]；杜世宇等[32]研究表明，灌水促进土壤 CO2的排放，CO2排放累积量与土壤含水率存在显著正相关关系；师梦娇等[14]研究表明，土壤 CO2的排放随着灌溉量的增加而增加，灌溉频率过高降低了土壤 CO2的排放量。本研究中，D20处理土壤CO2排放速率和累积量显著高于D30和D40处理。滴灌是一种间歇性灌溉方式，灌水量与干湿交替的变化会影响土壤微生物数量和活性[22,33]，进而影响土壤CO2排放。D20处理灌水下限值最小，到达灌水始点的时间最短，干湿交替最频繁[15,34]，土壤在干湿交替过程中，会释放有机碳颗粒，提高反应底物浓度[35]，进而增强土壤CO2排放。这表明频繁灌溉在提高土壤含水率的同时可能会增加土壤CO2排放。2次追施氮肥后，各处理土壤CO2排放速率均明显上升，这可能是由于氮肥的施用促进了土壤微生物的活动，加快了土壤有机质的分解，进而提高了土壤CO2排放速率[36,37]。

土壤温度和土壤含水率是影响土壤 CO2排放的重要因素[38]。有研究指出，土壤 CO2排放速率与土壤温度呈显著的指数回归关系[39]，与本研究结果一致。本研究中，不同灌水下限处理土壤温度变化趋势基本一致，且都在 20.867～27.724 ℃之间变化，这可能是由于地膜的覆盖使土壤温度维持在一个较稳定的水平。土壤CO2排放温度敏感性系数Q10表现为D20处理>D30处理>D40处理，说明在同一温度条件下，Q10值会因灌水下限的不同而不同。此外，温度敏感性系数还受底物数量和质量[5,40]以及一些不确定性因素的影响[41]。土壤水分参与土壤环境中多种生物和化学反应过程，影响着土壤养分的迁移[36]、土壤通透性、微生物活性、土壤结构以及根系生长等来调控土壤CO2排放[42-43]。研究表明，土壤CO2排放速率与土壤含水率呈较好的二项式模型关系[21]，与本研究得到的结果一致。李贤红[44]指出，土壤 CO2排放速率随土壤含水率的增加而增大，但本研究并未完全呈现此规律。在本研究范围内，当土壤含水率大于某一值时，土壤CO2排放速率会随土壤含水率的增大而增大，这可能是因为不同的微生物群落具有特定的含水率适宜范围。本研究中，土壤温度和土壤含水率双因素复合关系模型可以解释68.5%～83.8%的土壤CO2排放的变化，高于单因子模型，说明土壤温度和土壤含水率共同交互作用于土壤CO2排放，而不是单独作用于土壤CO2排放。

以往研究表明，土壤有机质量、全氮量与土壤CO2排放累积量呈现负相关关系[45]，与本研究结果一致，可能是因为在施肥量相同的条件下，土壤呼吸作用的增强促进了土壤有机质的分解。有研究表明，土壤CO2排放与速效磷、速效钾、碱解氮呈负相关关系[46]，与本研究结果一致，说明土壤速效养分与土壤CO2排放之间关系密切。土壤体积质量是衡量土壤通透性的重要指标，有研究指出土壤CO2排放与土壤容重呈负相关关系[44]，但本研究中二者之间无显著相关性。其原因可能是不同灌水下限处理都是基于覆膜滴灌，水从出水口滴出，这样的局部湿润对土壤结构的影响较小。土壤pH值主要通过影响土壤微生物的活动、有机质的合成与分解等影响土壤 CO2排放[47]。本研究结果表明，土壤CO2排放与土壤pH值呈负相关关系，且各处理的土壤pH值均处在土壤微生物活性的最适pH值在6～8之间[48]。本研究中，灌水下限显著影响土壤微生物量碳的变化，土壤微生物量碳与土壤CO2排放呈极显著正相关关系，这与前人的研究结果一致[49]，说明土壤微生物量碳是影响土壤CO2排放的重要指标。

4 结 论

1）设施番茄栽培条件下，设置不同膜下滴灌灌水下限对土壤CO2排放产生了显著影响。3种灌水下限处理下，D20处理土壤CO2累积排放量最大，显著高于D30和D40处理；D30和D40处理之间未达到显著性差异。

2）土壤CO2排放影响因子可以提取出2个主成分，主成分1由微生物量碳、速效钾、全氮和土壤含水率构成，主成分2由土壤温度构成，这2个主成分的累积贡献率为 85.79%；土壤含水率、土壤温度与土壤CO2排放的复合关系模型可解释68.5%～83.8%的土壤CO2排放变化，说明不同灌水下限造成的土壤微环境的变化会导致土壤CO2排放的差异。