地膜覆盖与施加γ-HCH对农田土壤温室气体排放的影响

邹 茜，王 森, ，丁柳屹，李 娇，肖 丹

1.西北大学 陕西省地表过程与环境承载力重点实验室，西安 710127

2.西北大学 城市与环境学院，西安 710127

3.陕西西安城市生态系统定位观测研究站，西安 710127

温室气体的增加使温室效应加剧，其引起的气候变化将对人类社会和生态系统造成一定影响（IPCC，2013，2014；Chen et al，2014）。土壤是温室气体（N2O、CH4和CO2等）的重要排放源，对全球气候变化起着重要的作用。据估计，大气中每年有5% — 20%的CO2、15% — 30%的CH4、80% — 90%的N2O来源于土壤（Hansen et al，1990），而土壤温室气体的排放主要受土壤理化性质、微生物、环境等多方面因素的影响（武岩等，2018）。因此，科学合理地改善土壤性质将具有巨大的增汇减排潜力（周际海等，2019），如何通过有效的农田管理措施降低温室气体排放成为当前应对气候变化研究的热点之一（王勤花等，2007）。

塑料地膜因其立竿见影的经济效益已成为一种全球应用的农业生产方式。地膜可以改变土壤的微生物群落（丁柳屹等，2019），加速碳氮代谢，最终耗尽土壤有机质储量，增加土壤的斥水性，促进温室气体的释放（Kasirajan and Ngouajio，2012；Steinmetz et al，2016）。地膜覆盖还可以通过改善旱地土壤的温度和湿度条件增加N2O和CH4等温室气体的排放，并使全球增温潜势总量增 加（Cuello et al，2015；Nawaz et al，2017）。Cuello et al（2015）在韩国典型温带山地土壤的研究发现，塑料地膜在很大程度上增加了CH4和N2O的排放，且使全球增温潜势（global warming potential，GWP）增加了12% — 82%。Nan et al（2016）在陕西长武进行的田间试验研究表明，地膜覆盖显著增加了玉米农田土壤CO2和N2O的潜在排放，促进了土壤对CH4的吸收。但也有研究表明，覆膜会降低旱地N2O或水田CH4的排放（张怡等，2013；Berger et al，2013；Gao et al，2014），具体机理有待进一步探究。

林丹（hexachlorocyclohexane gamma-isomer，简称γ-HCH）具有良好的杀虫性，曾是世界上产量与使用量最高的有机氯农药（organochlorine pesticides，OCPs）之一，是一类典型的持久性有机污染物，因其具有使用量巨大、难降解、半挥发性、毒性和易被生物体富集等特点（安琼等，2005；刘佳等，2018），引起全球广泛关注。OCPs进入到土壤环境后，会影响土壤微生物群落的数量和多样性，从而间接地影响到土壤中的各种生物化学转化过程（Johnsen et al，2001），这可能成为驱动土壤温室气体（N2O、CH4和CO2）排放的重要因素。

综上所述，作为农田生态系统常见的田间管理方式，地膜覆盖和施加γ-HCH农药均会直接影响土壤温室气体排放过程，然而关于二者的相互作用尚鲜有报道。本研究以紫苜蓿为模式植物，采用静态箱盆栽试验研究了地膜覆盖与施加γ-HCH对土壤温室气体（N2O、CH4和CO2）排放通量和土壤理化性质的影响，旨在进一步加深地膜覆盖与施加有机氯农药对农田土壤碳氮循环的理解，为农业生产中土壤温室气体的排放与有机氯农药使用的监管提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

以紫苜蓿为模式植物，设置地膜覆盖和无地膜覆盖处理、γ-HCH不同浓度处理（0 ng · g-1、50 ng · g-1、500 ng · g-1），以及无植物种植的对照处理（表1），每个处理重复3次，共计36盆。试验每盆装土0.75 kg，加入基肥9.5 g（N∶P∶K=14∶16∶15），浇纯水至田间持水量的40%。制备γ-HCH污染土壤需要先分别将相应处理应添加的γ-HCH与500 g土壤样品混合均匀（制备10份），将10份土壤样置于通风橱下24 h后充分混匀后再均分为10份，每份与干净土样混匀制成9 kg土样，将90 kg土样充分混匀后均分为12份土样装入花盆中老化一周。用农用地膜将盆口密封，室内平衡1周。试验在室内进行，苜蓿于2018年6月种植，2018年11月收获。采用钠灯进行光照，白天光照12 h，植物位置随机摆放，每天更换一次位置以保证光照均匀。每天定量浇水，试验开始时及试验前期定时向土壤中施加营养液。收获前一天停止浇水。

表1 实验设计Tab.1 Experimental design

1.2 土壤温湿度分析

自播种之日起，每周采集温室气体时使用便携式土壤温湿度计测定土壤温湿度。

1.3 气体采集与分析

每周采集一次气体样品，测定时间限于09∶00 — 10∶00，采用静态箱气相色谱法（Liebig et al，2010；刘全全等，2016）测定气体通量。气体排放通量利用HM模型进行计算（Hutchinson and Mosier，1981）。年度累计排放量以相邻两次采样平均通量乘以间隔时间然后累加得出（王金龙等，2018），即：

式中：M为土壤温室气体累积排放总量；F为CH4、N2O或CO2排放通量；i代表采样次数；ti+1-ti表示两个相邻测定日期的间隔。

式中：25和298分别为CH4和N2O在100 a尺度上相对于CO2的GWP倍数，[CH4]、[N2O]和[CO2]分别代表土壤CH4、N2O和CO2的累积排放总量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016处理数据，运用SPSS 25.0对数据进行统计分析，覆膜及对照处理下N2O、CH4和CO2的排放通量差异显著性采用多因素方差分析进行检验，显著性水平为P＜0.05，利用Origin 2017作图。

2 结果与分析

2.1 地膜覆盖和施加γ-HCH处理下土壤水分和温 度的变化趋势

地膜覆盖、γ-HCH对土壤水分和温度有一定影响（表2），其中地膜覆盖极显著增加了土壤水分含量（P＜0.01）。与不施加γ-HCH相比，施加γ-HCH减少了土壤水分的消耗，提高了土壤温度。施加低浓度γ-HCH（50 ng · g-1）使土壤水分和温度分别平均提高了3.89%、1.31%，低于施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）（6.07%、1.47%），但 二 者无显著差异（P＞0.05，表2）。种植苜蓿使土壤水分极显著降低（P＜0.01），且地膜覆盖与植物具有显著的交互作用（P＜0.05，表3）。

表2 地膜覆盖和施加γ-HCH对土壤温室气体排放、土壤温度及土壤水分的影响Tab. 2 Effects of plastic film mulching and γ-HCH on greenhouse gas flux, soil temperature and soil water content

表3 地膜覆盖、施加γ-HCH以及植物间的交互作用Tab. 3 γ-HCH and plant interactions under plastic film mulching

2.2 地膜覆盖和施加γ-HCH处理下土壤温室气体（N2O、CH4和CO2）排放通量的变化

2.2.1 N2O

地膜覆盖使种植苜蓿的土壤N2O排放增加且对一段时间内无植物处理土壤N2O排放具有显著的抑制作用（P＜0.05），不同浓度γ-HCH处理间N2O排放通量具有显著性差异（P＜0.05，表2），且N2O排放通量与土壤含水率和土壤温度呈极显著正相关（P＜0.01）。从整体来看，地膜覆盖使种植苜蓿的土壤N2O日均排放通量增加了32.12%（表2，P＞0.05）。N2O排放通量随时间均大致呈现单峰型的变化趋势（图1）。地膜覆盖显著抑制了无植物处理土壤第28 — 35 d N2O的排放（P＜0.05）（图1a、1b）。种植苜蓿时，地膜覆盖增加了第28 — 35 d土壤N2O总量的排放（图1c、1d，P＞0.05）。高 浓 度γ-HCH（500 ng · g-1）处 理 下N2O排放通量显著高于低浓度（50 ng · g-1）γ-HCH（P＜0.05）。与不施加γ-HCH相比，施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）显著促进了N2O在第28 — 35 d的排放（P＜0.05），其中对苜蓿处理土壤的促进效果极显著（图1c、1d，P＜0.01）。此外，施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）推迟了无植物处理土壤中覆膜处理时N2O排放通量峰值的出现时间，推迟了7 d（图1b）。

图1 地膜覆盖与施加γ-HCH处理下土壤N2O排放通量的变化Fig. 1 Variation of N2O emission flux under γ-HCH and film plastic mulching treatment

2.2.2 CH4

与N2O排放情况不同，土壤CH4排放通量大多呈负值，说明土壤是大气CH4的吸收汇。地膜覆盖和γ-HCH对CH4排放通量没有显著影响（P＞0.05，表2）。平均来看，地膜覆盖处理的CH4日均吸收量与无覆盖相比变化不显著（P＞0.05）；从土壤CH4排放通量动态来看波动也较小（图2）。种植苜蓿时，地膜覆盖对不施加和施加低浓度γ-HCH（50 ng · g-1）时土壤CH4的吸收峰值有极显著的促进作用（图2c、2d，P＜0.01）；但是地膜覆盖抑制了无植物处理土壤施加γ-HCH时土壤对CH4的吸收峰值（P＜0.05）。与不施加γ-HCH相比，施加γ-HCH使土壤对CH4的吸收通量峰值增加，在无植物处理土壤中施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）时这种促进效果更明显（图2a、2b，P＜0.01）；种植苜蓿时，施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）极显著地增加了无地膜覆盖处理的情况下土壤对CH4的吸收峰值（P＜0.01）。

剪1 cm2大小的橡胶草叶片、叶柄接种至MS+6-BA 1 mg/L+NAA 0.5 mg/L固体培养基上进行培养，待其培养至15 d左右，发现叶片四周分化形成具有生长节基点的幼苗，而叶柄两端快速分化形成较多结构紧实的愈伤组织（图1A），与叶片相比容易诱导愈伤组织形成，原因有待进一步探究。挑选结构紧实的愈伤组织再次培养，将外植体脱分化形成的结构紧实的愈伤组织进行2次继代培养，每隔5 d继代1次，可得到结构松散、颜色为淡黄色或偏白的胚性愈伤组织（图1B）。

图2 地膜覆盖与施加γ-HCH处理下土壤CH4排放通量的变化Fig. 2 Variation of CH4 emission flux under γ-HCH and film plastic mulching treatment

2.2.3 CO2

地膜覆盖极显著地促进了CO2的排放（P＜0.01），施加γ-HCH使CO2排放受到抑制（P＞0.05，表1），CO2的排放与土壤湿度呈极显著正相关（P＜0.01），与土壤温度呈显著正相关（P＜0.05）。与不施加γ-HCH相比，施加低浓度γ-HCH（50 ng · g-1）使CO2排放通量降低（P＞0.05）作用比施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）更明显（图3）。

图3 地膜覆盖与施加γ-HCH处理下土壤CO2排放通量的变化Fig. 3 Variation of CO2 emission flux under γ-HCH and film plastic mulching treatment

2.3 地膜覆盖和施加γ-HCH处理下全球增温潜势（GWP）的变化

根据公式(2)计算了各处理的全球增温潜势（GWP）（表4），CH4的GWP均为负值，CO2的GWP值大多为负值，说明土壤主要作为CH4和CO2的吸收汇。所有处理的GWP总量都主要取决于N2O排放通量，而CH4排放通量对GWP的贡献较小，这与Cuello et al（2015）研究结论相似。地膜覆盖使无植物处理土壤中不施加、施加低浓度（50 ng · g-1）和施加高浓度（500 ng · g-1）的γ-HCH时GWP分别降低了87.04%、56.12%和0.69%，使种植苜蓿时分别升高了57.63%、86.78%和28.81%，且地膜覆盖显著降低了无植物处理土壤的GWP（P＜0.05）。

表4 地膜覆盖和施加γ-HCH对GWP的影响Tab. 4 Effects of plastic film mulching and γ-HCH on GWP

从整体来看，与不施加γ-HCH相比，在无植物不覆膜处理以及种植苜蓿覆膜处理和无覆膜处理的情况下，施加低浓度γ-HCH（50 ng · g-1）使GWP分别降低了61.10%、63.26%和88.54%，施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）使GWP分别增加了89.78%、21.69%、32.34%和59.73%。

3 讨论

3.1 地膜覆盖和γ-HCH对土壤温湿度的影响

水是农业生产的主要动力（Hanjra and Qureshi，2010）。本研究发现地膜覆盖极显著提高了土壤水

分含量（P＜0.01），这是因为地膜覆盖可以减少水分的蒸发，有利于蓄保水分，进而提高了土壤含水量（李华等，2011；Liu et al，2014；Ma et al，2018）。土壤温度是影响土壤微生物活性、田间土壤呼吸速率和根系伸长的重要因素（Tan et al，2017），大量研究表明，地膜覆盖具有使土壤增温的作用（彭超等，2014；程宏波等，2015）。本研究也发现地膜覆盖使各处理土壤温度有所升高。

3.2 地膜覆盖和施加γ-HCH对土壤温室气体排放（N2O、CH4和CO2）的影响

3.2.1 N2O

土壤主要通过硝化和反硝化过程产生N2O，且与土壤水分密切相关（Vilain et al，2014），当土壤具有较高的湿度时，增强了硝化和反硝化过程（Okuda et al，2007；Cuello et al，2015），使N2O排放增加。本研究发现N2O排放通量与土壤含水率和土壤温度呈极显著正相关（P＜0.01），这与相关学者结论相似（陈优阳等，2019；韩佳乐等，2019）。地膜覆盖显著抑制了无植物处理土壤第28 — 35 d N2O的排放（P＜0.05），可能是因为无植物种植的土壤虽然在地膜覆盖下水热条件较好，但由于缺少植物根系的激发作用，土壤硝化和反硝化过程维持在较低的水平，N2O排放量相对较低（白红英等，2003）。杀虫剂的施用对土壤微生物活性会产生一定的影响，从而影响土壤中温室气体的排放（Ekundayo，2003）。γ-HCH可通过作用于土壤微生物而影响土壤的硝化与反硝化作用，从而影响N2O的排放。本研究中高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）处理下N2O排放通量显著高 于 低 浓 度γ-HCH（50 ng · g-1）（P＜0.05）；且与不施加γ-HCH相比，施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）显著促进了N2O在第28 — 35 d的排放（P＜0.05），施加低浓度γ-HCH（50 ng · g-1）对第28 — 35 d N2O排放通量具有一定的抑制作用，这可能是因为在覆膜处理时，施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）使参与硝化作用的亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）的相对丰度显著低于无γ-HCH及 施 加 低 浓 度γ-HCH（50 ng · g-1）的 根 际 土 壤（P＜0.05），从而抑制了硝化作用同时增加了土壤的反硝化进程（Blanco-Jarvio et al，2011；丁柳屹，2019），减少了N2O的氧化从而增加了其产生，促进其排放。施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）使无植物处理土壤中覆膜处理时N2O排放通量峰值的出现时间推迟了7 d，这与郑祥洲等（2014）的研究结论相似，杀虫剂吡虫啉和毒死蜱分别使土壤N2O的排放高峰推迟了4 d和8 d。

3.2.2 CH4

土壤CH4的产生主要是由于土壤中产甲烷菌的存在，在厌氧的环境中，产甲烷菌可以通过利用土壤微生物分解的有机酸来产生CH4，然而土壤产生的CH4并不会全部排放到大气中，其中一部分会在土壤或者水层被氧化（李晓莎，2016；倪雪等，2019），CH4氧化过程与土壤温度、水分等因子密切相关（孙向阳，2000），同时微生物也介导了碳循环中碳固定、甲烷代谢等基本过程（Madigan et al，2010）。本研究发现土壤是CH4的汇，这与相关研究结论一致（Li et al，2014；刘建粲等，2018），值越小表明土壤对CH4的吸收越强烈（戈小荣等，2018）。当CH4的消耗超过其产生时，环境就是一个CH4的汇，土壤中的甲烷被微生物氧化所消除，从而氧化了大气中的CH4（Mer et al，2001）。地膜覆盖抑制了无植物处理土壤施加γ-HCH时土壤对CH4的吸收峰值（P＜0.05），这与相关学者（Cuello et al，2015；倪雪等，2019）研究相似，这可能是因为地膜覆盖形成的厌氧环境创造了有利于产甲烷菌活动的土壤条件，限制了甲烷氧化菌的活动（丁柳屹，2019），从而抑制了CH4的吸收。高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）极显著促进了无植物处理土壤和种植苜蓿时无覆盖土壤CH4的吸收峰值（P＜0.01），说明高浓度γ-HCH改变了土壤对CH4的吸收。

3.2.3 CO2

地膜覆盖通过改善土壤水热环境及土壤中气体排放的途径，微生物群落和活性也继而发生改变，从而影响土壤中CO2的排放（张凯莉，2018）。本研究发现CO2的排放与土壤温湿度呈显著正相关（P＜0.05），地膜覆盖极显著促进了CO2的排放（P＜0.01）；地膜覆盖可能通过增加土壤温湿度，从而提高土壤微生物和土壤根系呼吸作用强度，增加CO2排放量（张前兵等，2012；Chen et al，2017）。施加γ-HCH对CO2的排放产生了一定抑制作用（P＞0.05），可能是因为γ-HCH会对土壤的呼吸有一定的抑制作用，从而减少CO2的排放，有研究表明杀虫剂吡虫啉对土壤的呼吸有强烈的抑制作用（刘慧君等，2001）。且课题组研究也发现γ-HCH可显著减少根际土壤中部分参与碳降解的细菌（丁柳屹，2019），这可能是CO2排放减少的原因之一。

3.3 地膜覆盖与施加γ-HCH对土壤全球增温潜势（GWP）的影响

全球增温潜势（GWP）通常被用来定量衡量不同温室气体对全球变暖的影响，常以CO2当量来衡量（Whiting and Chanton，2001）。在100 a时间尺度上，1分子CH4排放到大气中相当于25分子CO2的辐射影响，而1分子N2O的辐射影响是CO2的298倍（IPCC，2007）。总体来说，地膜覆盖和施加高浓度γ-HCH（500 ng · g-1）都使种植苜蓿土壤的GWP上升，且N2O贡献较大，表明农业生产中地膜覆盖和较高浓度的γ-HCH会加剧温室效应，这与相关学者的研究结果相似，地膜覆盖会使全球增温潜势增加，这主要是由于N2O排放的增加（Cuello et al，2015）。因此，追求农业产量最大化的同时，地膜的合理使用和有机氯农药使用量的监管具有重要意义。

4 结论

地膜覆盖对土壤水分含量具有极显著的促进作用（P＜0.01），且地膜覆盖与植物具有显著的交互作用（P＜0.05）。N2O和CO2排放通量随着土壤温湿度的增加而显著增加（P＜0.05）。土壤主要表现为N2O的排放源和CH4的弱吸收汇。地膜覆盖对一段时间内无植物处理土壤N2O的排放有显著抑制作用（P＜0.05），但极显著促进了CO2的排放（P＜0.01）。高浓度γ-HCH处理下N2O排放通量显著高于低浓度γ-HCH（P＜0.05）。与不施加γ-HCH相比，施加高浓度γ-HCH显著促进了N2O在一段时间内的排放（P＜0.05），且极显著促进了无植物处理土壤以及种植苜蓿时无覆盖土壤对CH4的吸收峰值（P＜0.01）。同时，施加γ-HCH会对CO2的排放有一定抑制作用（P＞0.05）。本研究有助于加深认识农业生产中不同农业措施对土壤温室气体排放过程的影响。