膜下不同滴灌量对复播大豆农田土壤呼吸及有机碳的影响

杜孝敬，安崇霄，徐文修，唐江华，房彦飞，张 娜，李 玲

(新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】土壤在陆地生态系统碳循环中起着重要作用，全球土壤有机碳含量为1 500～2 500 Pg(1 Pg=1015g)，是大气和生物碳储量的4～5倍[1-2]，土壤有机碳轻微的改变对大气中CO2浓度产生较大影响[3]。农田生态系统不但是重要的陆地碳库，而且是温室气体重要的“源”和“汇”，据估计，农业活动产生的CO2占人类活动排放CO2的11%(5.6 Pg)[4-5]，大气CO2浓度不断上升相对应的是全球气候变暖[6]。气候变暖对粮食作物的种植区域和种植制度等方面的影响日益加剧[7-8]，北疆伊犁河谷地区冬小麦收获后利用富余热量资源种植复播大豆，虽提高了复种指数，但复种模式加大了对农田灌溉水和肥的周年总投入，增加了温室气体总排放量，对农田生态系统碳平衡造成一定影响。利用有限的水资源，提高作物稳产的同时减少农田生态系统碳排放，对提高农田土壤固碳潜力有重要意义。【前人研究进展】土壤中的水、气、热等因素常被认为是影响土壤有机碳的主要限制因子，这些研究主要集中在耕作方式[9-10]、有机肥配施[11-12]、灌水量[13-14]等。其中灌水量的多少对土壤有机碳含量变化的影响不尽相同，土壤水分含量通过影响土壤的透气性，进而改变土壤外源有机碳的降解和土壤有机碳的矿化分解过程[15]，影响农田土壤有机碳含量的高低。当土壤水分过量时，其透气性下降，土壤有机碳矿化分解变慢，土壤水分过多也会加速有机残体降解为土壤中的有机物质，使土壤有机碳含量提高[16-17]；当土壤水分比较低时，会增大土壤孔隙度，加速土壤有机碳的分解速率，增加温室气体CO2的排放，使土壤有机碳含量减少[18]。地膜覆盖措施因其良好的增温、保水、增产等作用在我国北方旱区农业生产中被广泛推广和应用[19]。张成娥[20]和Liu等[21]研究认为，地膜覆盖能够改善土壤水热条件[22]，增加土壤有机质(碳)含量；李晓莎等[23]研究发现，地膜覆盖显著的增加了春玉米生长季农田 CO2累积排放量，增加幅度为 8%～39%，但Yang等[24]却认为覆膜会抑制农田 CO2的产生。【本研究切入点】目前研究多以一年一熟作物居多，有关一年两熟作物主要以冬小麦-夏玉米[25-26]为主。研究冬小麦收获后种植的膜下滴灌复播大豆。【拟解决的关键问题】研究减量滴灌对复播大豆农田土壤呼吸及土壤有机碳的影响，评价出复播大豆既不减产或者少量减产的同时又能促进土壤有机碳积累的最佳膜下滴灌量，为新疆北疆应对气候变化、发展低碳农业提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年7～10月在伊犁州伊宁县农业科技示范园进行(44°N，81°E，海拔813 m)。该试验区位于天山西部，伊犁河谷中部，属温带大陆性半干旱气候，夏秋气候干燥较热，昼夜温差显著，年平均日照可达2 800～3 000 h，年平均气温8.9℃，年均降水量257 mm，无霜期169～175 d。试验土地质地为壤土，0～30 cm耕层有机质含量14.5 g/kg，碱解氮含量86.6 mg/kg，速效磷含量16.8 mg/kg，速效钾含量159 mg/kg，土壤pH值为 8.0。复播大豆各生育期降水量：苗期、开花期、结荚期、鼓粒期和成熟期分别为27.00、29.80、3.30、34.80和1.30 mm。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用单因素随机区组试验设计。复播大豆未覆膜条件下的不同灌水量进行研究，并筛选出能获得大豆高产的最佳灌水量为4 200 m3/hm2。以4 200 m3/hm2灌水量为额定灌水量，设置膜下滴灌量分别为额定灌水量的100% (W0)、90% (W1)、80% (W2)、70% (W3)、60% (W4)和50% (W5)，并以未覆膜的额定灌水量为空白对照(CK)，共7个处理。每个处理重复3次，共21个小区，每个小区面积为30 m2(5 m×6 m)，各小区进水口均有水表控制进水量。试验地前茬作物均为冬小麦。2019年7月4日人工播种，供试品种为黑河45号，采取地膜栽培，膜宽为70、30 cm等行距播种(株距为6.3 cm)。灌溉方式为膜下滴灌技术，滴灌带采用1管2的铺设方式，毛管间距为60 cm。各处理在开花期均随水滴施尿素150 kg/hm2，在鼓粒期喷施叶面肥(KH2PO4)1次，其他管理同当地大田一致，2019年10月18日成熟收获。全生育期均灌水8次。表1

1.2.2 测定指标1.2.2.1 土壤CO2呼吸

采用开路式土壤碳通量测量系统LI-8100A仪器测定，在复播大豆各生育时期对农田土壤呼吸进行观测。自制规格直径为20 cm、高为20 cm的PVC环，气室放置在PVC环上，PVC环垂直插入土壤中，其上部距土壤表面5 cm，将其安装在两膜之间的裸地，选择晴朗无风条件下，在12：00～14：00测定。LI-8100A 数据采集频率为每 2 s 记录1次数据，测定时长为180 s，每个处理重复测定3次，取平均值代表该处理当天土壤 CO2的平均释放速率。

1.2.2.2 土壤总有机碳、活性有机碳及非活性有机碳

在复播大豆播种前和成熟后进行土样的选取，取土样时采用“S”取样法在各小区选择3点，每个点用土钻分层取土样，深度分别为0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm，将取得的每一层次土样混合均匀带回实验室。在室温下风干后过2、1和0.25 mm筛子后装自封袋。

土壤总有机碳(SOC)测定采用重铬酸钾氧化-分光光度法。

土壤活性有机碳(AOC)测定采用333 mmol/L KMnO4氧化法。

土壤非活性有机碳含量(NAOC)=土壤总有机碳(SOC)-土壤活性有机碳(AOC)。

1.2.2.3 碳库管理指数

参照 Blair等的计算方法，土壤碳库管理指数计算方法如下：

碳库指数(CPI)=样品中全碳含量/参照土壤全碳含量；

碳库活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量；

碳库活性指数(AI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度；

碳库管理指数(CPMI)=碳库指数(CPI)×碳库活度指数(AI)×100%。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理并制图，用SPSS 19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 膜下滴灌量对土壤CO2呼吸的影响

研究表明，各处理在不同测定时期土壤CO2排放速率均随着滴灌量的增加表现为“先升后降”的变化规律。覆膜条件下，不同测定时期各处理土壤中CO2排放速率基本表现为W2>W3>W4>W5>W1>W0，计算不同测定时期各处理平均值可得，以W2处理最大，为2.88 μmol/(m2·s)，较W0、W1、W3、W4、W5各处理的平均值分别高出46.67%、30.37%、0.88%、17.74%和24.45%，且W2和W3处理之间无显著差异，均与其他处理达到显著水平(P<0.05)。在覆膜条件下，过多或过少的滴灌量可以降低土壤CO2排放速率，减缓温室效应，但中等的滴灌量反而促进土壤CO2排放。图1

图1 不同滴灌量下复播大豆土壤CO2排放速率变化(μmol/(m2·s))Fig.1 Effects of soil CO2 emission rate of summer soybean under different treatments

2.2 膜下滴灌量对复播大豆农田土壤总有机碳(SOC)的影响

研究表明，各处理的土壤总有机碳(SOC)含量均随着土层深度的增加呈现减小的变化趋势，其中各处理SOC含量在土层0～30 cm较大，为16.94～20.48 g/kg，30～60 cm土层为14.27～15.38 g/kg，60～100 cm土层为11.39～12.69 g/kg。因为0～30 cm为土壤耕作层，是复播大豆根系主要集中层，再加上土壤犁地翻耕使冬小麦收获后的秸秆还田，进而该层次土壤有机碳更多的积累。

同等滴灌量的覆膜W0处理比未覆膜CK处理增加0.25 g/kg，覆膜可增加土壤总有机碳含量。0～10和10～20 cm土层的SOC含量均随着滴灌量的减少呈现“先增后降”的趋势，其平均值均以W3处理最大，分别为20.48和18.46 g/kg，较滴灌量最大的W0处理高出8.23%和5.37%，较滴灌量最小的W5处理高出7.54%和3.44%，其中W2和W3处理之间无显著差异(P<0.05)；大豆生长期间过少或过多的滴灌量都会导致土壤SOC 含量降低，而中等滴灌量更有利于促进大豆农田 SOC 的积累。图2

图2 不同处理下复播大豆土壤总有机碳变化Fig.2 Effects of soil organic carbon of summer soybean under different treatments

2.3 膜下滴灌量对复播大豆农田土壤活性有机碳(AOC)的影响

研究表明，各处理0～100 cm土层土壤活性有机碳(AOC)含量的变化趋势与 SOC相同，均随着土层的加深而降低。其中，不同土层的未覆膜CK处理AOC含量均低于覆膜W0处理，覆膜能够使土壤活性有机碳含量增加。0～30 cm土层AOC含量随着滴灌量的减少呈现“先增后降”的趋势，累加0～30 cm土层AOC含量并计算其平均值可得，以W3处理最大为2.62 g/kg，较滴灌量W0、W1、W2、W4、W5处理分别高出9.44%、5.90%、0.22%、7.02%和10.54%；土层40～100 cm的土壤基本不受外界灌溉、机具等作用力的影响，该层次的 AOC 含量也相对较为稳定，各处理之间无显著差异(P>0.05)。中等的滴灌量有利于农田耕作层(0～30 cm)AOC 含量的增加。图3

图3 不同处理下复播大豆土壤活性有机碳变化Fig.3 Effects of soil active organic carbon of summer soybean under different treatments

2.4 膜下滴灌量对复播大豆农田土壤碳库管理指数(CPMI)的影响

研究表明，不同土层覆膜W0处理的土壤CPMI均大于未覆膜CK处理。进一步分析覆膜条件下不同滴灌量处理可知，0～30 cm土壤CPMI 随着灌水量的增加呈“先增后降”的变化趋势，计算不同滴灌量0～100 cm土层CPMI的平均值以W3处理最高，相对于W0、W1、W2、W4和W5处理增加了5.60%、3.99%、0.83%、4.63%和5.88%，其中W3和W2处理之间无显著性差异，与其它处理均达到显著差异(P<0.05)。中等的滴灌量改善了土壤环境，有利于 SOC和 AOC 含量的积累，从而减少了土壤耕层 AOC 的流失，促进了土壤 CPMI 的提高，提高土壤肥力。表2

表2 不同处理下复播大豆土壤碳库管理指数变化Table 2 Effects of carbon pool management index (CPMI) of summer soybean under different treatments

2.5 膜下滴灌量对复播大豆产量及水分利用效率的影响

研究表明，不同滴灌量对复播大豆产量及产量构成因素影响不同。覆膜W0处理的单株荚数、单株粒数、百粒重和产量均大于未覆膜CK处理，说明覆膜滴灌能有效提高大豆的单株荚数、单株粒数和百粒重，进而提高大豆产量。复播大豆产量随着滴灌量的增加呈“先升高后降低”的变化趋势，以W3处理最高，为3 304.90 kg/hm2，较W0、W1、W3、W4、W5处理分别提高了7.45%、5.16%、0.77%、8.42%和18.68%。方差分析产量构成因素，其百粒重受滴灌量影响不明显，大豆产量受单株荚数和单株粒数影响较大，均基本表现为W2>W3>W1>W4>W0>W5，且W2和W3处理之间无显著性差异(P>0.05)。过多或过少的滴灌量会抑制大豆荚数和粒数的形成，影响产量的提高。

覆膜滴灌量处理的灌溉水利用效率均比未覆膜CK处理的高，覆膜条件下灌溉水利用效率均随着滴灌量的降低呈上升趋势，其中W3和W4之间差异不显著，但均与其他处理达到显著差异(P<0.05)，中等的滴灌量(W3处理)不仅能保证大豆获得较高的产量，还能使得农田灌溉水得以充分利用。表3

表3 不同处理下夏大豆产量、产量构成因素及灌溉水效率变化Table 3 Yields，yield components factor and irrigation water use efficiencies of summer soybean under different treatments

2.6 产量与土壤有机碳的相关性

研究表明，农田土壤SOC、AOC、CPMI 三者之间存在极显著相关关系，其中AOC与CPMI相关性最大，为0.994，碳库管理指数受土壤 AOC 含量影响最大。各处理复播大豆产量与农田土壤SOC、AOC、CPMI 均达到极显著相关性，其与土壤 AOC 的相关关系最为密切，土壤 AOC 的高低不仅体现农田土壤总有机碳矿化分解的多少，间接影响土壤质量的高低，还对作物产量的高低密不可分。表4

表4 产量与碳库管理指数的相关性Table 4 Correlation between yield and carbon pool management index

3 讨 论

3.1 滴灌量对土壤CO2呼吸的影响

植物根系呼吸和土壤微生物呼吸是土壤呼吸最重要的组成部分[27]，土壤水分的多少会影响植物根系和土壤微生物的活动[28]，进而改变土壤 CO2的排放量[29-30]。试验中，不同测定时期土壤CO2排放速率随着膜下滴灌量的增加呈“先增后降”的变化趋势，以中等滴灌量最大，滴灌量过多或过少时土壤呼吸均受到抑制，这与Kucera[31]和王健林[32]等研究结论一致。但与杨凡等[33]研究结果不同，其研究认为未覆膜夏玉米的CO2排放通量随着灌水量的减少而降低，造成这种原因可能是地膜覆盖后改善了土壤温度和水分条件[34-35]，导致土壤 CO2释放显著增加[36]。

3.2 滴灌量对土壤有机碳的影响

大部分学者研究认为在半干旱、干旱区的灌溉能够增加 SOC 储量的结论，而对湿润区的影响不明显[37]。试验中，在一定范围内，0～30 cm土层SOC和AOC的含量均随滴灌量的增加而增加，进而提高碳库管理指数(CPMI)，在滴灌量2 940或3 360 m3/hm2时达到最大，当继续增加滴灌量，SOC和AOC含量则呈现降低的趋势，说明适量的灌溉能够增加土壤有机碳的含量，过多和过少的灌水量则会降低，这与俞华林等[38]在常规灌溉条件下研究结果存在一致性。试验还得出地膜覆盖可增加耕作层的SOC和AOC含量，提高碳库管理指数(CPMI)，这可能是因为在覆膜处理能够增加土壤温度[39-40]，加快耕作层土壤有机质的矿化分解，使得耕作层的SOC和AOC含量增加，CPMI提高。

4 结 论

4.1 不同滴灌量处理的土壤SOC、AOC、CPMI含量均随着土层的加深呈不断减小的趋势，其中对土层0～30 cm差异显著。

4.2 不同测定时期各处理土壤中CO2排放速率基本表现为W2>W3>W4>W5>W1>W0；土层0～ 30 cm的SOC、AOC、CPMI含量均随着滴灌量的增加呈现“先增后降”的趋势，均以W2或W3处理达到最大，其大豆产量也以W3处理最高，为3 304.90 kg/hm2，较W0、W1、W2、W4、W5处理分别提高了7.45%、5.16%、0.77%、8.42%和18.68%。

复播大豆适宜的膜下滴灌量为灌水定额的70%～80%(2 940～3 360 m3/hm2)，尽管在该区间时土壤CO2的排放较多，但同样能够固定更多的土壤有机碳和提高作物的产量。