环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (12): 1927-1933  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.56

引用本文  

陶宝先. 北方典型设施菜地土壤CO2排放特征[J]. 环境科学研究, 2017, 30(12): 1927-1933.
TAO Baoxian. CO2 Emissions from Typical Greenhouse Soils in Northern China[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(12): 1927-1933.

基金项目

国家自然科学基金项目(41501099);山东省自然科学基金项目(ZR2014DQ015);聊城大学基金项目(318051430)

责任作者

作者简介

陶宝先(1981-), 男, 山东淄博人, 讲师, 博士, 主要从事土壤碳氮循环研究, taobaoxian@sina.com

文章历史

收稿日期:2017-03-15
修订日期:2017-09-05
北方典型设施菜地土壤CO2排放特征
陶宝先     
聊城大学环境与规划学院, 山东 聊城 252059
摘要:为研究我国北方典型设施菜地的土壤CO2排放特征及其影响因素,通过原位监测手段,研究山东省寿光市农田转变为不同种植年限(6、12 a)设施菜地及设施菜地荒废12 a后土壤CO2排放规律及影响因素.结果表明:①种植6 a设施菜地较农田具有较高的土壤CO2排放量,可能是由于设施菜地种植过程中大量施加有机肥造成的,并且设施菜地土壤温度及含水率较高,增加了土壤蔗糖酶活性,加剧土壤CO2排放.②当种植年限超过10 a,设施菜地施肥量减少,降低了土壤微生物可利用底物的供应.因此,种植12 a设施菜地土壤CO2排放量降至农田水平.③种植6 a设施菜地土壤的w(DOC)(DOC表示水溶性有机碳)比农田较高.④土壤CO2排放年内分配不均匀,表现为农田及荒废设施菜地土壤CO2排放主要集中在5—8月,其排放量占全年的75.09%、87.02%,峰值出现在7月.种植6 a设施菜地土壤CO2排放主要集中在5—8月和11月—翌年2月,两阶段排放量分别占全年的48.48%、42.34%,峰值分别出现在7月、12月.研究显示,农田转变为设施菜地短期(种植6 a)内可显著促进土壤CO2排放及DOC的输出,但随着种植年限延长至12 a,土壤CO2排放降至农田水平.
关键词设施菜地    CO2排放    土壤水热状况    寿光市    
CO2 Emissions from Typical Greenhouse Soils in Northern China
TAO Baoxian     
College of Environment and Planning, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China
Abstract: In order to study the effects of land use change on CO2 emissions and its influencing factors, the CO2 flux rates and environmental factors were studied in farmland greenhouse soil cultivated for 6 and 12 a, as well as greenhouse soil that was abandoned for 12 a. The results showed that:(1) The highest CO2 emission rates existed in the soils of greenhouse soil cultivated for 6 a. More fertilizers, higher soil temperature and higher soil moisture could enhance the soil invertase enzyme activities in the treatment, then increase the CO2 released from soils. (2) After more than ten years' cultivation, the application of organic manure could be reduced in the greenhouse. This could reduce the supply of available substrates for microbial decomposition. Then, the annual CO2 emissions in greenhouse soil cultivated for 12 a decreased to the level of farmland. (3) The concentrations of dissolved organic carbon (DOC) in greenhouse soil cultivated for 6 a were higher than those in farmland. (4) The CO2 emission patterns were different between the treatments. The percentages of annual CO2 emissions occurring from May to August were 75.08% in farmland and 87.02% in greenhouse soil that was abandoned for 12 a, and peak values of CO2 emissions occurred in July in these treatments. CO2 in greenhouse soil cultivated for 6 a was mainly released from May to August (48.48%) and from November to the next February (42.34%), and peak values of CO2 emission occurred in July and December, respectively. In conclusion, land use change from farmland to greenhouse soil cultivated for 6 a enhances CO2 emissions and soil DOC production. However, CO2 emissions decrease with years of cultivation. After 12 years of cultivation, CO2 emission decrease to the level of farmland.
Keywords: greenhouse cultivation    CO2 emissions    soil temperature and moisture    Shouguang City    

土壤是陆地生态系统重要的碳汇,通过土壤呼吸向大气释放CO2.土壤CO2排放速率轻微改变将对大气CO2浓度及全球变化产生较大影响[1].农业过程对温室气体排放有较大贡献,其产生的温室气体占人为排放温室气体的10%~12%[2].农业耕作措施能调节土壤理化性质,影响温室气体排放[3].设施栽培是我国蔬菜生产的重要方式之一.与传统的农业种植措施相比(如冬小麦—玉米轮作),设施菜地高强度的土地利用、较高的复种指数及特殊的栽培、施肥、灌溉措施及环境条件,使设施菜地土壤具有高温、高湿、持续且大量施肥等特点[4].农田转变为设施菜地可能对土壤碳循环过程生较大影响.目前研究多关注农业耕作措施对大田土壤呼吸及其组分的影响[5-6],设施菜地土壤CO2排放特征及影响因素的研究仍不充分.

土壤温度对全球土壤碳循环过程有着重要影响.通常,增温促进SOM(土壤有机碳)分解及CO2排放[7-9].土壤水分也是影响土壤CO2排放的重要因素[10-11].近期研究发现,灌溉促进土壤CO2排放[10],并且较高的土壤含水量进一步增强有机底物(organic substrates)添加对土壤CO2排放的促进作用[12].此外,土壤容重变化影响土壤孔隙度及土壤中氧气的扩散[11],可能改变SOM的矿化及CO2排放.研究发现,土壤容重与土壤CO2排放显著相关[13].土壤酶也是调节土壤碳循环的重要因素[14].土壤理化性质改变显著影响土壤酶活性.土壤温度与土壤酶活性显著相关[15],并且SOM质量也能影响与土壤碳循环相关的酶活性[16].农田转变为设施菜地对土壤理化性质的影响[4],可能调节与土壤碳循环相关的酶活性,改变土壤CO2排放过程.

寿光市是全国重要的蔬菜生产基地,有“中国蔬菜之乡”之称,大量农田转变为设施菜地[17].设施菜地种植过程中施加了大量有机肥及化肥,并且灌溉频繁[18],可能对土壤理化性质〔如土壤温度、水分、w(SOM)及SOM质量等〕及酶活性产生较大影响,改变土壤碳循环过程.然而,鲜有研究报道寿光市设施菜地土壤CO2排放特征及影响因素.该研究以寿光市农田(小麦-玉米轮作)为对照,利用原位监测手段研究农田转变为设施菜地后土壤CO2排放规律及影响因素,以期明确农田转变为设施菜地后土壤碳排放过程,为设施菜地土壤CO2减排提供依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

寿光市位于山东半岛北部(36°41′N~37°19′N,118°32′E~119°10′E),属于温带大陆性季风气侯,年均温度为12.4 ℃,年均降水量为608.2 mm.农田为冬小麦-玉米轮作模式.20世纪80年代起,大量农田转变为设施菜地,转变为设施菜地前的农田土壤基本理化性质具有相似性[19].设施菜地施加有机肥主要为鸡粪,年均施加量为207.2 t/hm2(以鲜质量计),最大施加量为493.8 t/hm2(以鲜质量计).化肥以复合肥(N:P2O5:K2O=15:15:15)为主,年均施加量为10.6 t/hm2,最大施加量为38.9 t/hm2,农田主要施加复合肥,年均施加量1 125 kg/hm2.小麦播种后、苗期及灌浆期浇水,设施菜地7~10 d浇水一次,采取沟灌模式[20].种植10 a以上设施菜地平均施肥量较10 a以下设施菜地下降30%左右[4].

1.2 研究方法 1.2.1 样品采集与分析

2015年6月,在研究区选取农田、种植6、12 a设施菜地及荒废12 a设施菜地为研究对象.农田选择相邻3块固定样地(每块样地50 m×50 m),每类设施菜地选择相邻的3个大棚作为固定样地.采用静态箱法采集气体样品.每块样地或每个大棚设置一个位置固定的不锈钢基座(长×宽×高为50 cm×50 cm×20 cm),基座埋入土下16 cm,地表留4 cm高的水槽,基座设置于样地或大棚中心.静态箱(长×宽×高为50 cm×50 cm×50 cm)外包裹白色泡沫用于保温,箱内设置风扇,保证取样时箱内气体的均匀性.在作物株高超高45 cm时增加外包裹白色泡沫的中段箱(长×宽×高为50 cm×50 cm×100 cm),保证作物的正常生长和取样顺利进行.2015年9月—2016年8月,每月选择天气晴朗的3 d采集气体样品,每天的取样时间为09:00—11:00.采样时将静态箱下部插入基座水槽,并在槽内灌水密封箱体.第0、10、20、30 min用注射器从静态箱抽取一定体积的气体存贮于气袋中,采样结束后将箱体移开.样品于实验室内采用气相色谱(Agilent 7890A, USA)测试CO2浓度.土壤CO2排放速率采用SONG等[21]的方法计算.土壤CO2年排放量采用如下公式计算:

$A = \sum\limits_{i = 1}^{12} {({\rm{S}}{{\rm{R}}_i} \times D \times 24 \times {{10}^{ - 6}})} $

式中:A为土壤CO2年排放量,kg/m2;SRi为土壤CO2月排放通量,mg/(m2·h);D为每月天数.

采集气体样品时,同步观测静态箱内气温及5 cm深度土壤温度.每月最后一次采集气体样品结束后,采集0~10 cm深度新鲜土样,保存于密封大铝盒内,于4 h内送往实验室.实验室内手工检出土样中肉眼可见根系、石块及动物、过2 mm筛,测试土壤含水率、w(DOC)(DOC表示水溶性有机碳)及蔗糖酶活性.土壤蔗糖酶活性采用比色法[22],土壤含水率采用烘干法[23],DOC采用水土比为5:1,混合振荡30 min,过0.25 μm滤膜[24],耶拿N/C分析仪测试(Analytik Jena AG, Germany).2015年9月采集的部分土样风干、分成两份:一份过2 mm筛,测试土壤pH、土壤机械组成、土壤大团聚体[0.25~2 mm)、微团聚体(0.053~0.25 mm)及土壤最大持水量;另一份过0.15 mm筛,测试w(SOM)和w(全氮). w(SOM)采用重铬酸钾容量法,全氮采用开氏法,土壤pH采用电位法,容重采用环刀法,土壤团聚体采用湿筛法,土壤机械组成采用比重计法测试[23],土壤最大持水量采用Rey等[25](2005)的方法,土壤基本理化性质见表 1.

表 1 土壤基本理化性质 Table 1 Basic characteristic of soil samples
1.2.2 统计分析

采用Excel 2007计算CO2排放通量及年排放总量;采用Origin 9.0软件作图,图中误差棒代表标准差;采用SPSS 15.0进行不同样地间的差异显著性检验(配对-t检验)及CO2排放通量与各因素间的Pearson相关关系分析,统计显著水平(P<0.05).

2 结果与讨论 2.1 不同土地利用方式对土壤CO2排放的影响

农业耕作措施能改变土壤的理化性质[3],影响土壤碳循环过程.由图 1可知,种植6 a设施菜地的土壤CO2排放通量显著高于农田(P<0.05),农田、种植6、12 a设施菜地及荒废12 a设施菜地的土壤CO2年排放量分别为(3.52±0.80)(12.09±1.36)(4.97±0.04)(2.95±0.06) kg/m2.由方差分析可知,种植6 a设施菜地的年排放量明显高于其他样地(P<0.05),农田及种植12 a设施菜地的年排放量无显著差异,荒废12 a设施菜地的年排放量明显小于种植12 a设施菜地(P<0.05),但与农田无显著差异.由Pearson相关分析可知,w(SOM)与土壤CO2年排放量呈显著正相关(R=0.964, P<0.001).设施菜地种植过程中较农田施加更多有机肥[4, 20],其中绝大部分是易分解有机碳组分[2],增加了w(SOM)(见表 1),为土壤微生物提供了更多可利用底物,促进SOM的分解及CO2排放.种植12 a设施菜地虽然部分月份CO2排放通量高于农田,但其年排放总量与农田无差异.设施菜地连续种植10 a以上,由于连作障碍影响蔬菜产量[18],施肥量较种植10 a以下设施菜地有所降低[4],可能减少土壤微生物可利用底物的供应,降低土壤CO2排放.

图 1 不同样地土壤CO2排放通量 Fig.1 The soil CO2 flux rates in four research sites
2.2 土壤物理属性对CO2排放的影响

由于设施菜地上覆塑料薄膜及草毡等保温材料,土壤温度显著高于农田,尤其是11月—翌年3月(见图 2).土壤温度与CO2排放通量呈显著正相关(见表 2).表明设施菜地较高的土壤温度促进了土壤CO2排放. 4类样地土壤CO2排放年内分配较不均匀,并且样地间差异明显(见图 1).农田及荒废12 a设施菜地呈单峰型变化趋势,其5—8月土壤CO2排放量分别占全年的75.09%、87.02%,并且峰值均出现在7月,该月排放量分别占全年的28.99%、35.24%.然而,种植6 a设施菜地呈双峰型变化趋势:11月—翌年2月和5—8月,两阶段CO2排放量分别占年排放总量的48.48%、42.34%;其中12月排放量最大,占全年的19.83%.造成上述年内分配趋势的原因如下:①农田及荒废12 a设施菜地的土壤温度在5—8月保持较高水平(见图 2),年内相对较高的土壤温度促进了土壤CO2排放,尤其是7月达到全年最高土壤温度,该月土壤CO2排放量也明显大于其他月份.其后土壤温度逐渐降低,CO2排放量也随之下降,至1月份土壤温度最低时,土壤CO2排放量也降至全年最低水平.7月份种植12 a设施菜地的土壤温度与农田无明显差异,但其CO2排放通量仍大于农田,这可能归因于设施菜地较大的有机肥施加. ②11月—翌年2月,种植6 a设施菜地的土壤CO2排放量接近全年的50%,并且仅12月份土壤CO2排放量就接近全年的20%.原因是设施菜地具有保温措施,使其冬季土壤温度较高,有利于提高土壤微生物活性,加速有机质分解.这也验证了土壤温度对CO2排放的促进作用.此外,11月—翌年2月是设施菜地反季节蔬菜生长旺季,对养分的需求量可能较大,有利于增强根呼吸.

图 2 不同样地5 cm深度土壤温度 Fig.2 Soil temperature at the depth of 0-5 cm

表 2 土壤性质相关性分析结果 Table 2 The Pearson′s relationships between the soil CO2 flux rates and environment factors

灌溉[12]及其产生的较高土壤含水率[26]可能加速土壤CO2排放.同时,土壤水分与有机底物的添加也会对土壤CO2排放产生交互作用[12].根据方差分析可知,设施菜地土壤含水率明显高于农田及荒废12 a设施菜地(见图 3),可能是设施菜地频繁灌溉所致.并且土壤含水率与土壤CO2排放通量呈显著正相关(见表 2).据此推断,较高的土壤含水率增加了种植6 a的设施菜地土壤CO2排放.近期研究发现,不同灌溉方式(如沟灌、滴灌、渗灌等)对土壤温室气体排放产生显著影响,以沟灌的排放量最大[27].该研究区农田采用漫灌方式,而设施菜地采用沟灌方式,不同灌溉方式可能对土壤碳排放过程产生影响.通常,灌溉将增加土壤碳排放强度[28].设施菜地灌溉频次高于农田,灌溉前后由于土壤水分改变,可能对土壤碳排放过程产生较大影响.因此,后续研究中应该侧重对比不同灌溉方式及灌溉前后土壤碳排放水平的变化,以期更深入了解农业土壤碳排放过程.

图 3 不同样地土壤含水率 Fig.3 The concentration of soil moisture in four research sites

土壤氧气含量能调节SOM分解,并且该因素受制于土壤容重[29-30].施用有机肥能够促进土壤团聚体形成[31],可能改变土壤容重及孔隙度,影响土壤中氧气扩散[11]及土壤持水能力.该研究发现,设施菜地土壤容重小于农田,大团聚体含量及土壤最大持水量均显著高于农田(见表 1).由于设施菜地在种植过程中大量施加有机肥[4, 20],可能促进团聚体形成、增加土壤孔隙度,加速土壤中氧气扩散及提高土壤持水能力,有助于SOM分解.

2.3 土壤酶活性对CO2排放的影响

土壤酶活性是调节土壤碳循环的重要因素[14].土壤属性(如温度、SOM质量)变化可以调节土壤酶活性[15-16].由图 4可知,大部分月份种植6、12 a设施菜地的蔗糖酶活性显著高于荒废12 a设施菜地,并且种植6 a设施菜地的蔗糖酶活性明显高于种植12 a设施菜地(P<0.05),荒废12 a设施菜地的蔗糖酶活性与农田无显著差异,但明显小于种植6、12 a设施菜地.表明农田变为设施菜地后提高了土壤蔗糖酶活性.此外,蔗糖酶活性与土壤CO2排放通量、土壤温度、含水率呈显著正相关(见表 2).据此推测,设施菜地土壤高温、高湿的环境条件增加土壤蔗糖酶活性,进而促进SOM分解及CO2排放.

注:不同小写字母代表不同样地间有显著差异(P<0.05). 图 4 不同样地土壤蔗糖酶活性 Fig.4 The invertase enzyme activities in four research sites
2.4 不同土地利用方式对DOC的影响

图 5可知,种植6 a设施菜地的w(DOC)明显高于农田(P<0.05).一年中9个月种植12 a设施菜地的w(DOC)与农田无明显差异.荒废12 a设施菜地有7个月的w(DOC)明显大于农田(P<0.05). DOC作为易分解碳组分,易被微生物利用、转化为CO2[32].研究[33]认为,w(DOC)与土壤CO2排放通量显著相关.然而,将4类样地的数据综合分析发现,w(DOC)与土壤CO2排放通量无显著相关性,但土壤含水率与w(DOC)呈显著正相关(R=-0.646, P<0.001).表明设施菜地频繁灌溉可能促进DOC产出.将农田及荒废12 a设施菜地的数据综合分析发现,w(DOC)与土壤CO2排放通量显著负相关(见表 2).表明两种土地利用类型的土壤微生物可能利用DOC,并将其转化为CO2.然而,将种植6、12 a设施菜地的数据综合分析发现,w(DOC)与土壤CO2排放通量显著正相关(R=0.295, P=0.012),与另外两类样地的结果相反,也解释了将四类样地数据综合分析无显著相关性.据此推测:设施菜地种植过程中大量施加有机肥、高湿、高温等特点[4, 20],可能促进DOC大量产出.设施菜地土壤微生物极有可能将部分DOC转化为CO2,但仍有较多DOC未被微生物利用而滞留土壤中,导致设施菜地w(DOC)及土壤CO2排放通量均保持较高水平,并呈显著正相关.研究也表明,农田转变为种植6 a设施菜地将增加DOC的输出.

注:不同小写字母代表不同样地间有显著差异(P<0.05). 图 5 不同样地土壤中w(DOC) Fig.5 The concentrations of dissolved organic carbon in four research sites
3 结论

a) 农田变为设施菜地,短期内(种植6 a)促进土壤CO2排放.主要原因是设施菜地种植过程中,频繁灌溉及较高的土壤温度提高了土壤蔗糖酶活性,促进了土壤有机碳分解.随着种植年限延长至12 a,土壤CO2排放降至农田水平.

b) CO2排放年内分配极不均匀.农田及荒废设施菜地CO2排放呈单峰变化趋势,排放主要集中在5—8月.设施菜地CO2排放呈双峰变化趋势,排放主要集中在5—8月及11月—翌年2月.

c) 农田变为种植6 a设施菜地促进土壤水溶性有机碳的输出.

d) 设施菜地种植初期(种植6 a)应适当减少施肥量,在保证产量的基础上,降低土壤碳排放水平.

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