灌溉方式和秸秆还田对设施番茄田CO2排放的影响.pdf

第 34 卷 第 17 期 农 业 工 程 学 报 Vol.34 No.17 76 2018 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2018 灌溉方式和秸秆还田对设施番茄田 CO 2 排放的影响王亚芳 1 ，吕昊峰 1 ，杜九月 1 ，李英杰 1 ，廉晓娟 2 ，王正祥 2 ，王敬国 1 ，林 杉 1（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2. 天津农业科学科学院资源与环境研究所，天津 300100） 摘 要：中国北方下沉式设施菜田表层土壤缺失，以及高温高湿的环境条件，导致耕层土壤有机质含量低、矿化快。如 何减缓土壤有机质矿化，是该文所关注的焦点问题。该研究采用二因素试验设计，主因素为灌溉方式（传统畦灌施肥、 滴灌施肥） ，副因素为秸秆（含 C 量为 0、3 500 kg/hm 2 ） 。测定了 48 h 内每 3 h 的 CO 2 排放通量，以及全生育期 CO 2 日排 放通量、土壤温度。结果表明：1）08:0009:00 测定的土壤 CO 2 排放通量与 CO 2 日均排放通量不存在显著差异，二者呈 极显著线性正相关关系，其决定系数为 0.987；而其他时段测定值与日均值均存在显著差异。2）与传统畦灌相比，无论 是否添加秸秆，滴灌处理均显著降低了 CO 2 累积排放量。3）CO 2 排放高峰出现在定植后 815 d，随后逐渐降低并趋于 平稳；定植后 40 d内能检测到处理间 CO 2 日排放通量的差异，此后处理间差异不显著。4）CO 2 累积排放通量和土壤积温呈 显著正相关关系。综上所述，滴灌施肥栽培体系可显著降低土壤 CO 2 排放量，有利于设施菜田土壤有机质的积累。 关键词：土壤；灌溉；排放控制；设施菜田；CO 2 排放通量；土壤呼吸；秸秆还田 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.011 中图分类号：S152.6 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2018)-17-0076-06 王亚芳，吕昊峰，杜九月，李英杰，廉晓娟，王正祥，王敬国，林 杉. 灌溉方式和秸秆还田对设施番茄田CO2排放的影响J. 农业工程学报，2018，34(17)：7681. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.011 http:/www.tcsae.org Wang Yafang, Lü Haofeng, Du Jiuyue, Li Yingjie, Lian Xiaojuan, Wang Zhengxiang, Wang Jingguo, Lin Shan. Effect of irrigation and straw returning on soil CO 2emissions in greenhouse tomatoJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 76 81. (in Chinese with English abstract) doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.011 http:/www.tcsae.org 0 引 言中国设施蔬菜发展迅猛， 1982年种植面积仅 1万 hm 2 ， 2013 年达到 370 万 hm 2 ，占蔬菜种植面积的 18%，总产 量高达 2.5 亿 t，占蔬菜总产量的 34% 1 。设施蔬菜反 季节栽培显著提高了产量和菜农的经济收入。然而，一 方面，北方下沉式设施菜田表层土壤缺失，导致土壤有 机质含量低和生产体系稳定性差 2 ；另一方面，菜农盲 目追求产量和经济利益，采用大水大肥的栽培模式，以 及高温高湿的环境条件，可能导致土壤有机质矿化快、 积累慢。 土壤有机质是土壤肥力和作物产量的重要决定因 子，可以改善土壤结构和保蓄性 3 。一般认为，当土壤有 机质质量分数低于 34 g/kg，土壤质量下降的潜在风险增 加 4 。集约化耕作将加快有机质分解过程，导致有机质数 量下降，引起有机质组分和质量退化 5 。因此，保持和提 升土壤有机质含量，更新土壤有机质质量，提高活性有 机质成分， 成为当今国际土壤学最活跃的研究课题。 Lal 6 指出，包括中国在内的发展中国家，增加土壤有机质是收稿日期：2018-04-23 修订日期：2018-07-11 基金项目：国家科技支撑计划项目（2015BAD23B01-4） ；国家自然科学基 金项目（41761134087） 作者简介：王亚芳，博士生，主要从事菜田土壤碳氮转化的研究。 Email：15701574181163.com 通信作者：林 杉，教授，博士生导师，主要从事植物营养生理生态研究。 Email：linshancau.edu.cn 保障粮食安全的必然选择。虽然中国设施菜田的土壤有 机质含量高于露地农田系统，但是仍然低于欧美国家设 施蔬菜栽培土壤有机质含量的最低标准 7 。此外，为了降 低冬季保温成本，中国菜农在设施蔬菜生产上常采用下 沉式设施大棚，将表土移走建造保温墙，造成富含有机 质的表层肥沃土壤缺失 2 。 如何快速有效地提高设施菜田 土壤有机质含量，进而提升土壤养分的保蓄和供应能力， 以满足设施蔬菜快速生长对养分和水分的高需求，是中 国设施蔬菜生产面临的技术瓶颈。 水分和氮肥是影响设施蔬菜栽培的重要因子，合理 施肥灌溉将有利于设施蔬菜的生长。然而，过量水肥投 入，一方面将造成土壤酸化和次生盐渍化、土壤结构破 坏；另一方面，高温高湿的环境条件将加快土壤有机质 分解 8-9 ， 进而增加植物对外源水分和养分投入的依赖性。 滴灌施肥一体化是解决上述矛盾的有效技术手段，除满 足设施蔬菜对水肥的高需求外，还可大幅度减少对环境 的负面影响。然而，滴灌施肥对土壤有机质和秸秆矿化 的影响，则鲜见报道。 土壤有机碳的收支主要取决于有机物质的投入量和 异养呼吸分解消耗量 10 。秸秆进入土壤，一部分被微生 物异养呼吸分解释放到大气中，另一部分转化成土壤有 机碳，土壤呼吸是土壤有机碳输出的主要途径，是陆地 生态系统碳循环的重要组成部分 11 ，通常可将土壤呼吸 划分为：微生物分解有机质的基础呼吸、根呼吸、根际 微生物呼吸、激发效应引起的微生物分解植物残体及根 系分泌物呼吸 12 。通过检测土壤呼吸 CO 2 排放通量和累 ·农业水土工程· 第 17 期 王亚芳等：灌溉方式和秸秆还田对设施番茄田 CO 2 排放的影响 77 积排放量，有助于评价灌溉方式和添加秸秆对土壤有机 质含量的间接影响。本文将在建立和完善土壤 CO 2 日排 放规律的基础上，评价 2 种灌溉施肥模式和秸秆还田对 设施菜田土壤 CO 2 累积排放量的影响。 1 材料与方法 1.1 试验设计与田间管理 试验于 2016年 3月至 7月在天津农科院现代农业科 技创新基地日光温室进行。该日光温室建于 2011 年，长 70 m，宽 7 m，北墙高 3.5 m。表层 030 cm土壤质地为 粉砂质壤土，砂粒、粉粒和黏粒质量分数分别为 30%、 62%和 8%，容重为 1.34 g/cm 3 ，pH 值 8.6，有机质质量 分数 34 g/kg。 试验采用二因素裂区设计，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 （含 C 量为 0、3 500 kg/hm 2 ）。共设 4 个处理，分别为畦 灌施肥 （CIF） 、 畦灌施肥+秸秆 （CIF+S） 、 滴灌施肥 （DIF） 、 滴灌施肥+秸秆（DIF+S）。重复 3 次，共 12 个小区。小 区间埋设防渗膜隔离至 60 cm 深，畦灌区和滴灌区防渗 膜埋深 90 cm。供试番茄品种为朝研圣迪，种苗为天津朝 研种苗有限公司培育，留 4 穗果，每穗留果 45 个。采 用当地典型的冬春茬和秋冬茬一年两熟种植制度，37 月为冬春茬，3 月 11 日定植，6 月开始采收，7 月 9 日收 获完毕。小区面积 6.7 m×3.6 m，每小区 3 畦，分别为土 壤和植物样品采集区（6.7×1.2 m）、监测区 （6.7×1.2 m）、 测产区（6.7×1.2 m）；畦宽 1.2 m分宽窄行进行种植，宽 行 70 cm，窄行 50 cm，4 叶期番茄幼苗双行定植于窄行。 畦灌区株距 0.4 m，滴灌区株距 0.35 m。所有处理基施商 品鸡粪 13 800 kg/hm 2 （相当于施 N 200 kg/hm 2 ），施玉 米秸秆 7 800 kg/hm 2 （相当于施 C 3 500 kg/hm 2 ）。在定 植前，上述鸡粪和经粉碎的玉米秸秆均匀撒施地表后， 立即旋耕。畦灌处理，按照当地农户传统习惯进行施肥 灌溉。每季基施 NPK 复合肥 2 060 kg/hm 2 （N:P 2 O 5 :K 2 O 比例 17-17-17，金正大复合肥料工程研究中心），定植后 每 15 d 追施上述复合肥 300 kg/hm 2 ，全生育期共施用复 合肥 4 500 kg/hm 2 ；浇定植水 100 mm，每次施肥后浇水 60 mm，总灌溉量 600 mm。滴灌处理，依据目标产量法 估算作物整个生育期内的需肥总量，然后根据作物不 同生育期的需水肥规律，将其分配到每天进行滴灌施 肥。在实际操作过程中，综合考虑土壤含水量、气象 等因素进行滴灌施肥。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 13 时，即需要灌 溉施肥； 阴雨天， 不进行滴灌施肥。 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 介于 46 mm，全生育期灌溉量 300 mm；平均每次 施肥量 14.7 kg/hm 2 ，全生育期施肥量 1 300 kg/hm 2 ， 滴灌肥 N:P 2 O 5 :K 2 O 比例 19-8-27 （圣诞树滴灌专用肥， 北京富特森公司）。 1.2 测定与计算方法 每小区中间种植畦距离走道 85 cm 处，分别埋设长 宽高分别为 50 cm×50 cm×20 cm 的不锈钢底座（厚度 4 mm）。为了确保采样箱内外土壤水分和养分的交换， 底座四周高 10 cm处共开直径 3 cm圆孔 20 个； 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。定植前，底座埋入土壤，使其水槽上沿与地表持平。 底座内和底座外 40 cm范围内不种植植物，全生育期农事 操作与常规操作保 持一致。气体采样箱体积为 0.5×0.5×0.5 m 3 ，由厚度 4 mm 透明 PVC板制成。气体箱 两侧有通气口（玻璃胶密封），其顶部安装温度自动记 录仪（EBI-20T，Ebro Instruments，Germany），记录测 定时气体箱内的空气温度，并且顶部安装直径 12 cm 风 扇，混匀气体箱内的气体。此外，每小区距土表 10 cm 处，埋设温度自动记录仪，精度 0.1 ，记录每小时土壤 温度。番茄果实转色时分次采收，将各小区测产区的果 实全部称质量，计算单位面积番茄累积总产量。 应用 CO 2 红外分析仪（GXH-3010E1，北京华云分析 仪器研究所有限公司），测定土壤呼吸 14 。红外分析仪 二氧化碳探头量程为 01 000×10 -6 ，最小测量精度为 1×10 6 。为了验证上午 08:0009:00 测定的 CO 2 排放通 量，是否能够代表全天日均排放通量，于 2016 年 3 月 27 和 28 日检测了所有小区 48 h内每 3 h的 CO 2 排放通量， 进行了配对 T 检验和相关性统计分析。 从定植开始， 每天 08:0009:00采样测定箱体内 CO 2 排放通量。将底座水槽内注入高约 0.5 cm的水，将气体 箱进气管以及出气管（直径 4 mm）分别与红外分析仪的 出气口和进气口相连，同时接通风扇电源，将气体箱平 稳的扣在底座水槽内，开始测定。每次检测箱体内 8 个 时间段 CO 2 浓度，测定总时长 240 s；采样时长 20 s，采 样间隔 10 s。根据单位时间箱体内 CO 2 浓度的变化，计 算土壤 CO 2 排放通量和累积排放量，计算公式如下。 1 1 (273.15 ) c P V F M t R T A = × +（1） 2 2 1 1 24 60 60 M F F M = × × × （2） 式中 F 1 为 CO 2 排放通量， mg/(m 2 ·s)； F 2 为 CO 2 -C排放通 量，kg/(hm 2 ·d)； c t 为t 时间内气体箱内 CO 2 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，m 3 和 m 2 ；M 1 为 CO 2 摩尔质量 44 g/mol，M 2 为 C摩尔质量 12 g/mol。 3 2 0 ( ) ( 0,1,2, ) n i F F n = = = （3） 式中 F 3 为 CO 2 -C累积排放量， kg/hm 2 ； i为移栽后天数， d。 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，作二因素方差分析，包括灌溉施肥方式和有无添 加秸秆，以及灌溉施肥方式和有无添加秸秆的交互作用。 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2018 年 78 48 h的 CO 2 排放通量，作配对 T 检验和相关性统计分析。 2 结果与分析 从 27、28 日和二日平均值来看，上午 08:0009:00 所测定的 CO 2 排放通量与日均排放通量间，均不存在显 著差异（表 1）；而其他时间段除 28 日 11:00 和 23:00所 测定排放通量与日均排放通量不存在显著差异外，均存 在显著差异。此外，上午 08:0009:00 所测定的 CO 2 排放 通量与日均排放通量间，存在极显著正相关关系，其决 定系数为 0.987（图 1）。 表 1 CO 2 日均排放通量与各时段排放通量平均值比较 Table 1 Average daily CO 2emission flux compared with average emission at different time periods 测定时间 Time 测定日期 Date CO 2日均值 Average daily CO 2 /(mol·m -2 ·s -1 ) 08:00 11:00 14:00 17:00 20:00 23:00 02:00 05:00 03-27 5.94± 0.015 5.90±0.014 ns 7.85±0.014*7.99±0.018* 6.30±0.018* 4.89±0.014* 5.22±0.016* 4.84±0.014* 4.50±0.013* 03-28 5.06 ± 0.013 4.80±0.011 ns 5.39±0.011 ns 6.31±0.016* 6.13±0.018* 4.44±0.013* 5.26±0.015 ns 4.26±0.012* 3.86±0.010* 汇总 Total 5.50 ± 0.003 5.35±0.003 ns 6.62±0.003* 7.15±0.004* 6.22±0.004* 4.66±0.003* 5.40±0.004* 4.55±0.003* 4.18±0.003* 注：*，*，*分别代表 0.001，0.01，0.05水平差异显著；ns，差异不显著。对于 27或 28 日，n=15。 Note: *, *,* represent a significant difference at levels 0.001, 0.01, and 0.05, respectively; ns, not signification. For 27 thor 28 th , n = 15. 图 1 08:00-09:00土壤 CO 2 排放通量与日均排放 通量的相关关系图 Fig.1 Correlation between soil CO 2 emission flux measured at 08:0009:00 and calculated average daily emission 移栽后 30、60、90 和 120 d 时，畦灌和滴灌处理间 CO 2 累积排放量差异显著（图 2）。与滴灌相比，畦灌显 著增加了土壤 CO 2 累积排放量；与不添加秸秆的处理相比， 注：CIF、DIF、S 分别表示畦灌、滴灌和秸秆。不同大写字母表示灌溉施肥 方式间差异显著， 不同小写字母表示是否施用秸秆之间差异显著 （P0.05，添加秸秆 F值=0.18，P值=0.689 7>0.05）。 注：图中箭头表示所有的畦灌灌溉日期。 Note: Arrows in figure indicate dates of all conventional flooding irrigation fertilization. 图 4 灌溉方式和施用秸秆对土壤 CO 2 日排放通量的影响 Fig.4 Effects of irrigation methods and straw application on daily soil CO 2emission flux 图 5 土壤 CO 2 累积排放量与土壤积温的拟合 Fig.5 Fitting of soil accumulative CO 2emission and soil temperature 表 2 不同处理下的番茄产量 Table 2 Tomato yields of different test treatments t·hm -2试验处理 Test treatment CIF CIF+S DIF DIF+S 产量 Yield 110±4.02 117±0.56 114±4.34 114±6.16 3 讨 论 采用 CO 2 红外分析仪-动态箱法，可方便快捷地检测 设施菜田土壤 CO 2 排放 15 。为了了解土壤 CO 2 日变化特 征，确定正确的采样测定时间，本试验 48 h连续测定结 果表明，每天上午 08:0009:00 测定的土壤 CO 2 排放通 量与日排放通量的平均值，不存在显著差异（表 1）；并 且二者之间存在极显著正相关关系（图 1）。这为后续 CO 2 排放通量的测定打下了良好的基础（表 1，图 1）。 下沉式设施菜田富含有机质的表层土壤缺失、土壤 有机质矿化快和积累慢 8 ， 不能满足设施蔬菜对水肥量大 和强度高的需求，大水大肥成为中国设施菜田水肥管理 的传统模式。定植后 1-4 个月，与传统畦灌相比，无论是 否添加秸秆， 滴灌处理均显著降低了 CO 2 累积排放量 （图 2，3），这与曾睿等 16 和 Lavigne 17 等的研究结果一致。 传统畦灌施肥体系土壤含水量高，土壤呼吸速率则随着 土壤含水量增加而提高 17 。滴灌施肥体系有效控制了水 肥投入，显著降低了土壤 CO 2 排放，有利于设施蔬菜土 壤有机质的积累（图 3）。传统畦灌施肥方式单次灌溉水 量大，灌溉后短时间内可能抑制了土壤微生物和植物根 系呼吸，随着水分蒸散，形成了有利于微生物活性的水 热和通气环境 18 ，这从灌溉后第 3 天传统畦灌施肥 CO 2 排放通量急剧增加，可以得到很好的验证（图 4）。此外， 传统畦灌后期水分的大量蒸散，表层土壤含水量低，造 成干湿交替频繁发生，将激发土壤有机碳矿化 19 。 温度是影响土壤呼吸的主要因子 20 ，主要通过影响 微生物、根生物量及根际活动，影响土壤呼吸，二者间 具有明显的相关关系。 CO 2 累积排放量与土壤积温呈显著 正相关关系（图 5），这与 Adviento-Borbe 等的研究结果 一致 21 。不同处理 CO 2 累积排放量与土壤积温拟合方程 中斜率和截距的差异，则恰恰反映了相同温度条件下土 壤水分和秸秆对土壤 CO 2 排放的影响（图 5） 22-24 。传统漫 灌施肥条件下，添加秸秆为土壤微生物提供了大量碳源物 质，进而显著增加了设施番茄土壤呼吸累积排放量 24-25 ； 温度升高，将导致土壤微生物呼吸作用增强， CO 2 排放量 增加 25 。 4 结 论 1）08:0009:00 测定的土壤 CO 2 排放通量与 CO 2 日 均排放通量，不存在显著差异，且二者呈极显著线性正 相关关系。CO 2 排放高峰出现在定植后 815 d，随后逐 渐降低并趋于平稳。 2）定植后 40 d 内能检测到传统畦灌与滴灌处理间 CO 2 排放通量的差异，此后处理间差异不显著。 3）与传统畦灌相比，无论是否添加秸秆，滴灌处理 均未减少番茄产量，不添加秸秆时畦灌和滴灌番茄平均 产量分别为（110±4.02）和（114±4.34）t/hm 2 ，添加秸秆 时则分别为（117±0.56）和（114±6.16）t/hm 2 ；但显著降 低了土壤 CO 2 排放强度和累积排放量，有利于设施菜田 土壤有机质的积累。 4）不同处理 CO 2 累积排放通量与土壤积温的拟合方 程中斜率和截距的差异，可以很好地反映水分和秸秆对 土壤 CO 2 排放的影响。 参 考 文 献 1 董静，赵志伟，梁斌，等. 我国设施蔬菜产业发展现状J. 中国园艺文摘，2017，33(1)：7577. 2 Fan Z B, Lin S, Zhang X M, et al. 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