葡萄园土壤呼吸特征及CO2排放监测方法比较

陈盟，张杰，刘巧，郭艳杰，张丽娟,2，吉艳芝

(1 河北农业大学 资源与环境学院，河北 保定 071000；2 河北省农田生态环境重点实验室/河北农业大学邸洪杰土壤与环境实验室，河北 保定 071000)

全球气候变暖是当今世界面临的最主要环境问题，2018年WMO温室气体公报显示，CO2、N2O、CH4摩尔分数分别达到了工业化前水平146%，122%，257%[1-2]。其中CO2对全球增温作用最大，约占56%[3]。农业活动是全球温室气体排放的重要组成部分。据统计，农业源温室气体排放占全球温室气体总排放的14%[4]，并呈现逐年上升的趋势。葡萄在我国水果产业中的地位举足轻重。河北省种植面积及产量居全国第二，仅次于新疆，居全省果品种类第3位，2016年种植面积已超过8.6×103hm2，总产量达170.74×104t[5]。葡萄已成为主产区重要经济来源。近年来，为提高产量,水肥投入日益增多，有机肥高达75 t/hm2，化肥用量超出了6 750 kg/hm2[6]，过量的水肥投入不仅使葡萄生产效益降低，而且会导致温室气体大量排放并造成环境风险[7]。目前基于开路式土壤碳通量监测系统的土壤呼吸机和静态箱法是可以直接监测农田土壤碳通量的2种常见方法，近年来大量研究应用这2种方法进行了土壤碳通量研究[8-11]，但同时使用这2种方法进行结合观测，并对2种方法的结果差异进行分析的研究还比较少。本研究选取北方典型葡萄园区作为研究对象，以2种方法分别对酿酒葡萄和鲜食葡萄进行了长达1 a的碳通量观测，以期在观测葡萄园土壤碳通量特征的同时对2种观测方法进行评价，为建立更完备的生态系统碳收支综合观测体系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验地点设在河北省昌黎县十里铺乡耿氏酒堡，分别以酿酒葡萄“赤霞珠”和鲜食葡萄“红地球”为研究对象。酿酒赤霞珠葡萄园株行距0.5 m×2.5 m，垄沟宽1.5 m，深度约0.1 m，垄背宽1 m，小区面积为100 m2，供试材料为12 a生赤霞珠，使用双臂篱架进行栽植。鲜食红地球葡萄园株行距1.0 m×2.7 m，垄沟宽2.2 m，深度约0.1 m，垄背宽1.6 m，小区面积为164 m2，供试材料为10 a生红地球，使用棚架方式进行栽植。试验土壤养分状况见表1，根据《河北省果园土壤养分评价标准》分析，酿酒葡萄园有机质、碱解氮含量处于适中水平，速效磷、速效钾、有效铁、锰、铜、锌含量丰富；鲜食葡萄园有机质丰富，碱解氮较低，速效磷、速效钾含量适中，有效铁、锰、铜、锌处于丰富水平。

表1 供试土壤基础地力状况

1.2 土壤CO2排放监测

1.2.1 基于静态箱法的CO2通量观测 为精确测量葡萄园CO2通量特征，分别在施肥灌水区与不施肥不灌水区设置并列静态箱采样点，最终结合施肥与不施肥区域面积估算园区的CO2通量特征。选用圆柱体结构，内径13.8 cm，高15.5 cm的静态箱，箱体装有三通阀和瞬时温度计，且密闭性良好，选取的静态箱构造符合IPCC的温室气体测定标准[12]。安放时罩箱底座没入土壤5 cm，取样时将箱体扣于底座上，加水液封。

采样期选取生长季内每次施肥后第1、2、3、5、7天进行气体采集，春、夏、秋季无农事操作时为每10 d采集样品1次，冬季无耕作冻土期内(12月、1月、2月)每30 d采集样品1次。采样时间选取上午9点至11点，采样方式为每隔10 min使用注射器抽取罩箱内气体1次，每次抽取40 mL，共取3次，气体样品转入气象瓶中保存，并同步记录箱内温度。气体样品采用Agilent-7890A型气相色谱仪测定。

1.2.2 基于开路式土壤碳通量测量系统的CO2通量观测 开路式土壤碳通量测量系统选取美国LI-COR公司研发的LI-8100型土壤呼吸机，仪器包括主机和嵌入土壤中的PVC底座(内径20 cm，高13 cm)2部分，主机包括系统的电子设备和红外气体分析仪(IRGA)。LI-8100 的红外气体分析仪是一个绝对的、非扩散的、单光路、双波长的检测系统，用于检测测量室中CO2浓度变化[13-14]。通过平板电脑操控仪器及获取数据结果，测定原理是通过测定气罩内CO2浓度的变化速率，推算测量土壤CO2扩散到空气中的速率。土壤碳通量测量系统监测时选取与静态箱法相同的观测时期，观测位点与静态箱点位平行设置。

1.3 数据处理

1.3.1 静态箱法通量数据的计算

(1)

F是气体排放通量[mg/(m2·h)]，ρ=m/22.414是气体浓度(g/L)，m为分子量，H是箱体高度(m)，T0=273 K，c1和c2是t1和t2时间箱内气体浓度(μg/kg)，T1和T2是t1和t2时间箱内气体温度(K)，Δt=t2-t1，t1和t2为时间(h)。

1.3.2 季度平均排放通量和累计排放通量 各季度平均排放通量和累计排放通量由施肥期通量监测结果和无施肥时期通量监测结果结合计算，具体公式如下：

M=(Ts×Ds+Tw×Dw)×24

(2)

T=(Ts×Ds+Tw×Dw)/90

(3)

M是CO2季度累计排放通量(kg/hm2)，T是CO2季度平均排放通量[g/(hm2·h)]，Ts是施肥期CO2平均排放通量[g/(hm2·h)]，Ds是施肥期天数(d)，Tw是无施肥期CO2平均排放通量[g/(hm2·h)]，Dw是无施肥期天数(d)。

2 结果与分析

2.1 葡萄园土壤春季施肥期CO2排放特征

不同方法监测葡萄园春季施肥期CO2排放特征见图1。

图1 不同方法监测葡萄园春季施肥期CO2排放特征

Figure 1 Monitoring CO2emission characteristics of vineyards during spring fertilization

由图1可知，葡萄园春季施肥期内，静态箱法测得结果普遍低于开路式土壤碳通量测量系统观测结果，二者平均相差7%，且特征曲线大致相同。施肥并进行灌溉后CO2在短期内出现较高排放。每次施肥灌溉事件造成的排放峰持续7 d左右，排放最大值通常出现在灌溉后第3到5天。春季施肥期内鲜食葡萄CO2排放通量远高于酿酒葡萄，约是酿酒葡萄CO2排放通量的2倍。

2.2 葡萄园土壤夏季施肥期CO2排放特征

不同方法监测葡萄园夏季施肥期CO2排放特征见图2。

图2 不同方法监测葡萄园夏季施肥期CO2排放特征

Figure 2 Monitoring CO2emission characteristics of vineyards during summer fertilization

由图2可知，鲜食葡萄园夏季施肥期内土壤CO2排放通量高于春季，监测峰值可达3 203.64 g/(hm2·h)；酿酒葡萄园CO2通量结果与春季基本保持持平。不同监测方法的监测结果同样为开路式土壤碳通量测量系统普遍较高。夏季施肥期内2种葡萄的CO2排放结果差异较大，鲜食葡萄的CO2排放通量是酿酒葡萄的1.62倍到23.37倍。

2.3 葡萄园土壤秋季施肥期CO2排放特征

不同方法监测葡萄园秋季施肥期CO2排放特征见图3。

图3 不同方法监测葡萄园秋季施肥期CO2排放特征

Figure 3 Monitoring CO2emission characteristics of vineyards during autumn fertilization

由图3可知，秋季随气温降低，CO2排放通量较夏季呈现明显下降。不同监测方法的监测结果同样一致性较好但差值较春夏大幅增加，二者差值可达-68%～36%。不同园区土壤CO2通量结果同样是鲜食葡萄较高，鲜食葡萄的CO2通量是酿酒葡萄的1.26倍到4.05倍。

2.4 葡萄园土壤全年CO2排放特征

葡萄园全年土壤CO2排放特征见图4。

图4 葡萄园全年土壤CO2排放特征

Figure 4 Characteristics of CO2emissions from vineyard soils throughout the year

由图4可知，2种方法观测葡萄园土壤全年CO2通量特征趋势一致，开路式土壤碳通量测量系统测得结果普遍较高。酿酒葡萄全年土壤CO2排放通量最高值出现在4月初冻土期结束后的首次翻耕，静态箱法测得峰值为1 282.72 g/(hm2·h)，开路式土壤碳通量测量系统测得峰值为1 739.23 g/(hm2·h)，二者相差26.25%；鲜食葡萄园土壤CO2排放峰值出现在7月施肥期，静态箱法测得峰值为3 203.64 g/(hm2·h)，开路式土壤碳通量测量系统测得峰值为3 256.80 g/(hm2·h)，峰值结果没有明显差异。

对比2类葡萄园CO2通量结果，鲜食葡萄园的CO2排放明显更高，全年大多数监测期内鲜食葡萄园CO2通量结果可达酿酒葡萄园的2倍以上。

2.5 全年累计通量特征

土壤CO2累计排放通量见表2。

表2 土壤CO2累计排放通量

Table 2 Soil CO2cumulative flux g/(hm2·h)

时期Period酿酒葡萄园Wine vineyard开路式土壤碳通量测量系统Open-circuit soil carbonflux measurement system静态箱法Static boxmethod鲜食葡萄园Fresh vineyard开路式土壤碳通量测量系统Open-circuit soil carbonflux measurement system静态箱法Static boxmethod春78 839.7964 643.78183 995.9414 8712.84夏65 809.7153 796.18162 724.9214 9214.56秋37 317.7221 995.9552 578.0040 107.14冬9 573.641 964.2022 508.1012 234.09全年累计排放191 540.86142 400.12421 806.97350 268.64

由表2可知，对比2种方法观测的全年通量结果，开路式土壤碳通量测量系统观测结果明显高于静态箱法，不同季节存在8.30%到387.41%的差异，差值随通量结果降低而升高。鲜食葡萄园全年CO2累计排放通量可达酿酒葡萄园的2倍以上，其中开路式土壤碳通量测量系统观测的结果相差54.59%，静态箱法观测的结果相差59.35%。2类葡萄园均为春季累计排放通量最大，随季节更替逐渐降低，其中春夏2季的土壤CO2排放量占全年总排放量额75%以上。

3 讨论

3.1 不同品种葡萄园区CO2排放结果的差异性分析

本研究观测到鲜食葡萄园与酿酒葡萄园CO2排放差异明显，且2类葡萄园CO2累计排放通量均为春季最高，随季节更替逐渐降低。观测结果与李泽等在对果园土壤观测时得到结果较为一致，鲜食葡萄园土壤疏松程度更好，耕作精细度更高，导致CO2总排放量高，且土壤呼吸速率受农业活动频次和温度影响显著[15]。

3.2 开路式土壤碳通量测量系统与静态箱法测定结果的差异性分析

本研究结合开路式土壤碳通量测量系统和静态箱法观测北方典型葡萄园CO2通量排放，二者结果达成了较好的一致性，全年累计排放通量差异为20.42%到34.51%。随着秋冬季温度降低，碳通量减小，2种方法观测结果的差异会呈现明显上升。分析原因可能有以下几点：(1)静态箱法受本身条件限制，会对被测土壤表层气体自然湍流造成明显影响，这种改变会必然影响土壤表面和大气间的气体交换，导致测量结果产生误差[15-18]。(2)开路式土壤碳通量测量系统通气处为独特的截面为锥形的圆盘形通气孔，使得在保证箱体内外压差相同的同时，使外界对内部空气扰动降到最低，但仍会对箱内土壤表面气体扩散产生影响，导致最终结果偏高。(3)静态箱法由于箱体密闭性良好，会使箱体内外存在压差，使得最终土壤CO2通量监测结果存在误差[19-20]。(4)开路式土壤碳通量测量系统的采样箱体隔温效果明显优于静态箱，郑泽梅等研究发现，箱体升温速率不同会直接影响CO2排放结果，因此2种方法测定结果必然存在差异[21-21]。由于土壤碳通量测量系统和静态箱法的观测结果中都存在不确定性，所以在今后的研究中使用这2种观测方法对土壤碳通量观测时，还应进一步分析确定具体的结果差异和误差来源，以确保这2种方法的结果具有可比性和统一性，可以明确误差产生源和存在比例。

4 结论

(1)开路式土壤碳通量测量系统和静态箱法均能观测到施肥、翻耕或降水后引起CO2的剧烈排放，施肥后高水平排放通常持续7 d左右，峰值一般在第3到5天出现。

(2)在对葡萄园的土壤CO2通量观测中，2种方法测得结果一致性较好，开路式土壤碳通量测量系统测得结果普遍高于静态箱法结果，不同季节存在8.30%到387.41%的差异，差值大小随通量降低而增高。

(3)在全年观测中，春季累计排放通量最大，随季节更替逐渐降低。葡萄园CO2排放主要集中于春、夏2季，春、夏2季的土壤CO2排放量占全年总排放量额75%以上。