陈俊江¹, 江长胜^1,2, 熊维霞¹, 赵仲婧¹, 曾唯¹, 郝庆菊^1,2
1. 西南大学资源环境学院, 西南山地生态循环农业国家级培育基地, 重庆 400716;
2. 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715
收稿日期: 2020-06-25; 修回日期: 2020-07-24; 录用日期: 2020-07-24
基金项目: 重庆市基础研究与前沿探索专项(No.cstc2018jcyjAX0476, cstc2019jcyj-msxmX0425);国家自然科学基金(No.41275160, 41977186)
作者简介: 陈俊江(1997-), 男, E-mail: 794343456@qq.com
通讯作者（责任作者）: 郝庆菊, E-mail: haoqingju@163.com

摘要：为了解地膜覆盖对菜地剖面温室气体的影响，本研究利用扩散箱法测定了2014-2015年西南地区辣椒-萝卜轮作菜地10、20和30 cm土壤剖面的CH₄、CO₂和N₂O的浓度.结果表明，整个观测季覆膜（F）和不覆膜（NF）处理土壤剖面的CH₄浓度均随土壤深度增加而降低.与NF相比，覆膜极显著提高了辣椒季30 cm土层的CH₄浓度（p < 0.01），但极显著降低了萝卜季20 cm土层的CH₄浓度（p < 0.01），且对观测季其他土层的CH₄浓度无显著影响（p>0.05）；与CH₄相反，整个观测季覆膜和不覆膜处理土壤剖面的CO₂浓度均随土壤深度增加而增加.与NF相比，覆膜显著提高了辣椒季30 cm土层和萝卜季各土层的CO₂浓度（p < 0.05）；与CO₂相似，整个观测季节覆膜和不覆膜处理土壤剖面的N₂O浓度均随土壤深度增加而增加.与NF相比，覆膜对辣椒季各土层的N₂O浓度影响不显著（p < 0.05），却显著增加了萝卜季各土层的N₂O浓度（p < 0.05）.总之，在辣椒季，地膜覆盖有利于深层土壤（30 cm）CH₄和CO₂的积累，而对N₂O的影响却不显著.在萝卜季，地膜覆盖不利于中层土壤（20 cm）CH₄的积累，但有利于各土层CO₂和N₂O的积累.Pearson相关性分析结果表明，在辣椒季，各处理10 cm土层的CH₄浓度与土壤充水孔隙度（WFPS）呈显著正相关（p < 0.05），各处理10 cm土层的CO₂浓度与各环境因子相关性均不显著（p>0.05）.与CO₂类似，覆膜处理10 cm土层的N₂O浓度与各环境因子相关性不显著（p>0.05），但不覆膜处理10 cm土层的N₂O浓度与WFPS呈显著正相关（p < 0.05）.在萝卜季，各处理10 cm土层的CH₄浓度与各环境因子相关性不显著（p>0.05），各处理10 cm土层的CO₂和N₂O浓度与地下10 cm温度和土壤氮素呈显著正相关（p < 0.05）.WFPS是影响10 cm土层CH₄浓度的主要因素，土壤温度和土壤氮素是影响10 cm土层CO₂浓度的主要因素，WFPS、土壤温度和土壤氮素是影响10 cm土层N₂O浓度的主要因素.
关键词：地膜覆盖菜地土壤剖面温室气体
Effects of plastic film mulching on greenhouse gases in vegetable soil profiles
CHEN Junjiang¹, JIANG Changsheng^1,2, XIONG Weixia¹, ZHAO Zhongjing¹, ZENG Wei¹, HAO Qingju^1,2
1. State Cultivation Base of Eco-agriculture for Southwest Mountainous Land, College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716;
2. Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region of Ministry of Education, Chongqing 400715
Received 25 June 2020; received in revised from 24 July 2020; accepted 24 July 2020
Abstract: In order to understand the effect of plastic film mulching on greenhouse gases in vegetable soil profiles, the concentration of CH₄, CO₂ and N₂O in soils with depth of 10, 20 and 30 cm profiles of pepper-radish rotation vegetable fields in southwestern China were measured by diffusion box method during 2014-2015. The results showed that the CH₄ concentration of the treated soil profiles with film mulching (F) and no film mulching (NF) decreased with increasing soil depth during the whole observation period. Compared with NF, the film mulching significantly increased CH₄ concentration in 30 cm soil layer in pepper growing season (p < 0.01), but significantly decreased CH₄ concentration in 20 cm soil layer in radish growing season (p < 0.01), and had no significant effect on CH₄ concentration in other soil layer during observation season (p>0.05); Contrary to CH₄, the CO₂ concentrations of the F and NF-treated soil profiles increased with increasing soil depth during the whole observation period. Compared with NF, the film mulching significantly increased the CO₂ concentration in the soil layer of 30 cm in pepper growing season and the all soil layers of radish growing season (p < 0.05); Similar to CO₂, the N₂O concentrations of the F and NF-treated soil profiles increased with increasing soil depth during the entire observation season. Compared with NF, the influence of film mulching on N₂O concentration in soil layers was not significant (p < 0.05) in pepper growing season. However, it significantly increased the N₂O concentration of all soil layers in radish growing season (p < 0.05). In short, in the pepper growing season, mulching film is beneficial to the accumulation of CH₄ and CO₂ in the deep soil (30 cm), but the effect on N₂O is not significant. In the radish season, plastic film mulching is not conducive to the accumulation of CH₄ in the middle soil (20 cm), but it is conducive to the accumulation of CO₂ and N₂O in each soil layer. Pearson correlation analysis results showed that, in the pepper growing season, the CH₄ concentrations of the F and NF-treated 10cm soil profile were significantly positively correlated with the soil water filled pore space (WFPS) (p < 0.05), while the CO₂ concentrations of the F and NF-treated 10cm soil profile were not significantly correlated with various environmental factors (p>0.05). Similar to CO₂, the N₂O concentration of the F-treated 10cm soil profile was not significantly correlated with various environmental factors (p>0.05), but the N₂O concentration of the NF-treated in 10cm soil profile was significantly positively correlated with WFPS (p < 0.05). In the radish growing season, the CH₄ concentrations of the F and NF-treated 10cm soil profile were not significantly correlated with various environmental factors (p>0.05). The CO₂ and N₂O concentrations of the F and NF-treated 10 cm soil profile were significantly positively correlated with the temperature of 10 cm underground and soil nitrogen (p < 0.05). The effect of plastic film mulching on the greenhouse gases concentration of soil profiles is not consistent in different planting seasons WFPS is the main factor affecting the concentration of CH₄ in the 10 cm profile. Soil temperature and soil nitrogen are the main factors affecting the concentration of CO₂ in the 10 cm profile. WFPS, soil temperature and soil nitrogen are the main factors affecting the concentration of N₂O in the 10cm profile.
Keywords: plastic film mulchingvegetable fieldsoil profilesgreenhouse gases
1 引言(Introduction)大气中温室气体的不断增加是导致全球变暖的重要原因(Crowley, 2000).近10年来, 农业和林业等土地利用造成的温室气体(Greenhouse gases, GHGs)人为净排放约占全球总人为排放量的23%, 其中, 农业GHGs排放量约占总人为排放量的9%~15%(IPCC, 2019a).据估算, 大气中人为GHGs排放量每年有18%的CO₂、44%的CH₄和81%的N₂O来源于土壤(IPCC, 2019b).目前, CO₂、CH₄和N₂O在大气中的平均浓度分别为(407.8±0.1) ppm、(1869±2) ppb和(331.1±0.1) ppb(WMO, 2019).与工业革命前相比, CO₂、CH₄和N₂O在大气中的平均浓度分别增加了47%、159%和23%, 并且在过去的10年里分别以每年2.26 ppm、7.1 ppb和0.95 ppb的速率持续增长(WMO, 2019).
地膜覆盖是一种常见的农田管理措施, 具有改善土壤水热性质(李文昊等, 2020)、抑制杂草(席福民等, 2017), 以及促进作物生长和增产(霍轶珍等, 2020)等作用.截止2012年末, 全国农田地膜覆盖面积已达1800万hm², 全国约有13%的耕地覆盖地膜, 占全球地膜使用量的60%(Sun et al., 2020).目前有大量研究表明, 地膜覆盖会改变碳氮组分含量(毛海兰等, 2018; Li et al., 2019)和土壤微生物群落(Luo et al., 2019)等土壤环境.因此, 地膜覆盖可能会对土壤温室气体浓度有重要影响.目前, 国内外关于覆膜对农田温室气体的研究主要集中于GHGs的排放规律及其影响因子等方面(Chen et al., 2017; 倪雪等, 2019a; 2019b;陈世杰等, 2019), 针对土壤GHGs剖面分布特征的研究(贾俊香等, 2015)相对较少.基于此, 本文以西南地区常见的辣椒-萝卜轮作菜地为研究对象, 利用扩散箱法测定10、20和30 cm土深的CO₂、CH₄和N₂O浓度, 研究地膜覆盖对辣椒-萝卜轮作菜地GHGs剖面分布的影响.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 试验区概况试验地点选在西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内, 坐标为东经106°26′、北纬30°26′, 海拔高度为230 m.属于亚热带季风气候, 年均气温为18.3 ℃, 7月气温最高, 平均气温为29.7 ℃, 2月温度最低, 平均温度为8.0 ℃.年均降水量为1105 mm, 年平均相对湿度多为70%~80%, 在全国属高湿区.年日照时数1276.7 h, 无霜期年均约344 d.试验土壤为中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥岩母质上发育的中性紫色土.土壤有机碳含量为25.29 g · kg^-1, 全氮含量为1.35 g · kg^-1, 碱解氮含量为56.62 mg · kg^-1, 总磷含量为646.00 mg · kg^-1, 有效磷含量为5.94 mg · kg^-1, 总钾含量为9.44 g · kg^-1, 有效钾含量为102.47 mg · kg^-1.
2.2 试验设计与管理本试验从2014年5月—2015年3月, 以西南地区常见的菜地(辣椒-萝卜轮作)为研究对象, 设置地膜覆盖(F)和不覆盖(NF)两种处理, 每种处理设置3个重复, 总共6个试验小区, 小区随机排列.每个小区垄长为280 cm, 垄宽为70 cm, 垄高为15 cm, 垄间距为30 cm.垄上10、20和30 cm土深处分别水平放置扩散箱.扩散箱由四部分组成：集气管、导气管、橡胶塞和三通阀.集气管是一根圆柱形的PVC管(直径为5 cm, 容积为1000 cm³), 管端有橡胶塞, 导气管是一根聚乙烯塑料管(内径为1 mm).集气管管壁上钻有很多个洞(直径为3 mm, 四排孔, 每排25孔), 两端用橡胶塞密封.导气管一端穿过橡胶塞伸到集气管中央, 另一端垂直伸出地表并在顶端配有一个三通阀.覆膜处理的垄面上覆膜, 选用120 cm宽的聚乙烯材质地膜, 两边用细土压实, 作物生育期全程覆膜.辣椒季和萝卜季所有小区磷肥和钾肥施加量一样, 分别为200 kg · hm^-2(以P₂O₅计)和100 kg · hm^-2(以K₂O计), 辣椒季和萝卜季施氮量分别为300 kg · hm^-2和200 kg · hm^-2(均以N计).氮肥为尿素, 磷肥为过磷酸钙, 钾肥为氯化钾, 磷钾肥作为基肥一次性施入, 氮肥在基肥和追肥时各1/2, 试验期间无人工灌溉.于2014年5月17日对实验小区进行整地、埋扩散箱、施基肥和覆膜, 2014年5月18日移栽辣椒苗(龙椒一号, 重庆龙胜种子经营部), 2014年7月5日追施氮肥, 辣椒分批收获, 于2014年9月23日移除辣椒并翻耕农田.2014年10月1日进行农地翻耕、施肥、覆膜和种植萝卜籽(九斤玉, 广西横县子龙种业有限公司), 2014年11月28日追肥, 萝卜于2015年3月16日一次性收获.
2.3 样品采集和分析2.3.1 气体样品的采集与分析每周采集一次气体样品, 每次采样时间在上午9：00—11：00.采样时, 用60 mL聚丙烯材质的注射器从扩散箱采集不同剖面的气体, 采集气样后关闭三通阀, 并及时送到实验室用Agilent 78901A气相色谱仪测定CH₄、CO₂和N₂O浓度.CH₄和CO₂浓度用氢火焰离子检测器(FID)测定, N₂O浓度用电子捕获检测器(ECD)检测, 具体分析方法及工作条件参见文献(Wang et al., 2003).
2.3.2 土样的采集与分析每两周采集一次垄上土样, 采样深度为0~20 cm, 样品带回实验室后一部分土样风干处理, 一部分放于4 ℃冰箱保存.土壤剖面温度通过插入在相应土深的水银温度计读取.土壤各指标测定参考文献方法(鲁如坤, 2000)进行：土壤水分用烘干法测定；碱解氮采用扩散法测定；总磷和有效磷的测定分别采用酸溶-钼锑比色法和NaHCO₃-钼锑比色法；总钾和有效钾的测定分别采用氢氧化钠熔融法和NH₄AC-原子吸收分光光度法；铵态氮和硝态氮的测定分别采用可见分光光度法和紫外分光光度法；全氮(TN)采用凯氏定氮法测定；总有机碳(TOC)采用重铬酸钾-外加热法测定；易氧化有机碳用高锰酸钾氧化法测定；微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸测定；可溶性总氮(DTN)和可溶性有机碳(DOC)用Multi N/C 2100分析仪测定, 可溶性有机氮(DON)用差减法计算：

(1)

土壤充水孔隙度(Water Filled Pore Space, WFPS)按照式(2)计算(聂皇华等, 2019)：

(2)

式中, VSWC为体积含水率, ρ_b为土壤容重(g · cm^-3), 假定土壤密度为2.65 g · cm^-3(鲁如坤, 2000).
2.4 数据分析运用SPSS 21.0对数据进行统计性分析, 覆膜和不覆膜处理间土壤温度、土壤含水率、GHGs浓度的显著性差异采用配对样品t检验分析, 同一处理的土壤剖面间土壤温度、土壤含水率和GHGs浓度的显著性差异采用单因素方差分析(Duncan法), 环境因子与10 cm土层的GHGs浓度相关性采用Pearson相关性分析.
3 结果(Results)3.1 土壤温度和土壤湿度整个观测季, 各剖面土壤温度的季节变化呈先升后降的趋势, 但辣椒季土壤温度高于萝卜季(图 1). 各剖面土壤最高温度出现在7—8月, 覆膜处理10、20和30 cm剖面土壤最高温度分别为45.2、42.8和39.6 ℃, 不覆膜处理10、20和30 cm剖面土壤最高温度分别为40.8、38.0和34.8 ℃.各剖面土壤最低温度出现在1—2月, 覆膜处理10、20和30 cm剖面土壤最低温度分别为8.1、9.2和10.1 ℃, 不覆膜处理10、20和30 cm剖面土壤最低温度分别为8.4、9.2和10.0 ℃.在辣椒季, 覆膜和不覆膜处理的土壤温度均随着剖面深度的增加而显著降低(p < 0.05).覆膜处理10、20和30 cm剖面土壤平均温度分别为32.2、31.5和29.7 ℃, 不覆膜处理各剖面土壤平均温度分别为29.9、28.7和27.8 ℃.配对样品t检验分析表明, 覆膜极显著地提高了不同剖面的土壤温度(p < 0.01).在萝卜季, 覆膜和不覆膜处理的土壤温度垂直变化不显著(p>0.05), 覆膜处理10、20和30 cm剖面土壤平均温度分别为14.2、15.0和15.5 ℃, 不覆膜处理10、20和30 cm剖面土壤平均温度分别为14.1、14.8和14.9 ℃.配对样品t检验分析表明, 覆膜对10 cm土壤剖面的土壤温度无显著影响(p>0.05), 但显著提高了20 cm和30 cm土壤剖面的土壤温度(p < 0.05).
图 1(Fig. 1)

图 1 整个观测季覆膜和不覆膜处理的不同土壤剖面温度 Fig. 1Temperatures of different soil profiles under mulching and no mulching treatments during the whole observation season

另外, WFPS在整个观测季波动较大, 整体表现为辣椒季WFPS低于萝卜季(图 2).在辣椒季, WFPS变化范围为15.06%~70.92%, 覆膜和不覆膜处理的WFPS均值分别为47.37%和51.24%, 配对样品t检验表明覆膜对辣椒季的WFPS无显著影响(p>0.05).在萝卜季, WFPS变化范围为28.00%~93.21%, 覆膜和不覆膜处理的WFPS均值分别为58.36%和56.48%, 配对样品t检验表明覆膜对萝卜季的WFPS无显著影响(p>0.05).
图 2(Fig. 2)

图 2 整个观测季覆膜和不覆膜处理土壤充水孔隙度 Fig. 2The water filled pore space of soil under mulching and no mulching treatments during the whole observation season

3.2 不同剖面CH₄浓度不同种植季土壤剖面的CH₄浓度如图 3所示.在不同的土壤剖面, 覆膜并未改变CH₄浓度的季节变化趋势.同一处理的各剖面CH₄浓度随时间变化的趋势一致. 在不同生长季, 不同处理下不同土壤剖面的CH₄浓度如表 1所示.在辣椒季, 覆膜处理10~30 cm剖面的CH₄浓度为1.68~4.14 ppm, 不覆膜处理10~30 cm剖面的CH₄浓度为1.58~2.80 ppm；配对样品t检验显示, 覆膜对10 cm和20 cm土壤剖面的CH₄浓度无显著影响(p>0.05), 但极显著增加了30 cm土壤剖面的CH₄浓度(p < 0.01)；方差分析表明, 覆膜处理各土壤剖面的CH₄浓度差异不显著(p>0.05), 不覆膜处理土壤剖面的CH₄浓度随着土深的增加显著降低(p < 0.05). 在萝卜季, 覆膜处理10~30 cm剖面CH₄浓度为1.31~2.93 ppm, 不覆膜处理10~30 cm剖面CH₄浓度为1.23~2.80 ppm；配对样品t检验表明, 覆膜对10 cm和30 cm土壤剖面的CH₄浓度无显著影响(p>0.05), 但极显著降低了20 cm土壤剖面的CH₄浓度(p < 0.01)；方差分析显示, 覆膜和不覆膜处理的CH₄浓度均随着剖面深度的增加而显著降低(p < 0.01).
图 3(Fig. 3)

图 3 整个观测季覆膜和不覆膜处理不同土壤剖面CH4浓度 Fig. 3CH4 concentration in different soil profiles under mulching and no mulching treatments during the whole observation season

表 1(Table 1)

表 1 不同生长季不同处理各剖面温室气体浓度 Table 1 Concentrations of greenhouse gases in different profiles under mulching and no mulching treatments in different growing seasons

表 1 不同生长季不同处理各剖面温室气体浓度 Table 1 Concentrations of greenhouse gases in different profiles under mulching and no mulching treatments in different growing seasons 生长季 温室气体 覆膜类型 气体浓度/ppm 10 cm土层 20 cm土层 30 cm土层 辣椒季 CH4 F 2.31±0.11Aa 2.24±0.06Aa 2.19±0.08Aa NF 2.27±0.06Aa 2.21±0.05ABa 2.06±0.07Bb CO2 F 3301.94±512.44Ca 4931.78±573.29Ba 10200.56±861.78Aa NF 4259.03±524.73Ca 5151.52±527.00Ba 7789.78±677.61Ab N2O F 4.14±1.01Aa 4.97±1.33Aa 7.28±1.84Aa NF 2.75±0.78Ca 4.14±0.94Ba 9.35±2.07Aa 萝卜季 CH4 F 2.15±0.06Aa 1.95±0.05Bb 1.61±0.05Ca NF 2.14±0.05Aa 2.08±0.05Ba 1.68±0.06Ca CO2 F 4456.19±662.38Ca 6825.71±948.84Ba 8855.4±1039.98Aa NF 2875.75±222.00Cb 3557.51±161.33Bb 6112.37±595.52Ab N2O F 1.79±0.52Aa 2.53±0.71Aa 2.74±0.70Aa NF 0.83±0.11Ab 1.06±0.16Ab 1.35±0.23Ab ??注: 不同大写字母表示同一生长季、同种类温室气体、同一覆膜类型、不同剖面间温室气体浓度达到显著性差异(p < 0.05), 不同小写字母表示同一生长季、同一温室气体、同一剖面、不同覆膜类型间温室气体浓度达显著性差异(p < 0.05).

3.3 不同剖面CO₂浓度不同种植季土壤剖面的CO₂浓度如图 4所示.在整个观测季, 不同土壤剖面的CO₂浓度有较明显的季节变化, 大致表现为先增后减的变化趋势.如表 1所示, 在辣椒季, 覆膜处理10~30 cm剖面的CO₂浓度为3301.94~10200.56 ppm, 不覆膜处理10~30 cm剖面的CO₂浓度为4259.03~7789.78 ppm；单因素方差分析结果表明, 覆膜和不覆膜处理的CO₂浓度均随着剖面深度的增加而显著升高(p < 0.01)；此外, 配对样品t检验结果表明, 覆膜对10 cm和20 cm土壤剖面的CO₂浓度无显著影响(p>0.05), 但显著提高了30 cm土壤剖面的CO₂浓度(p < 0.05).在萝卜季, 覆膜处理10~30 cm剖面CO₂浓度为4456.19~8855.4 ppm, 不覆膜处理10~30 cm剖面CO₂浓度为2875.75~6112.37 ppm；方差分析结果表明, 覆膜和不覆膜处理的CO₂浓度均随着剖面深度的增加而显著升高(p < 0.01)；配对样品t检验结果表明, 覆膜显著提高了各土壤剖面的CO₂浓度(p < 0.01).
图 4(Fig. 4)

图 4 整个观测季覆膜和不覆膜处理不同土壤剖面CO2浓度 Fig. 4CO2 concentration in different soil profiles under mulching and no mulching treatments during the whole observation season

3.4 不同剖面N₂O浓度不同种植季土壤剖面的N₂O浓度如图 5所示, 辣椒季的N₂O浓度明显高于萝卜季. 如表 1所示, 在辣椒季, 覆膜处理10~30 cm剖面的N₂O浓度为4.13~7.2 ppm, 不覆膜处理10~30 cm剖面N₂O的浓度为2.75~9.35 ppm；单因素方差分析结果表明, 覆膜处理的各剖面N₂O浓度没有显著差异(p>0.05), 不覆膜处理的N₂O浓度均随着剖面深度的增加而显著升高(p < 0.05)；此外, 配对样品t检验结果表明, 覆膜对各土壤剖面的N₂O浓度无显著影响(p>0.05).在萝卜季, 覆膜处理10~30 cm剖面N₂O的浓度为1.79~2.74 ppm, 不覆膜处理10~30 cm剖面N₂O的浓度为0.83~1.35 ppm；单因素方差分析结果表明, 各处理不同剖面间N₂O浓度均无显著差异(p>0.05)；配对样品t检验表明, 覆膜显著提高了萝卜季各土壤剖面的N₂O浓度(p < 0.05).
图 5(Fig. 5)

图 5 整个观测季覆膜和不覆膜处理不同土壤剖面N2O浓度 Fig. 5N2O concentration in different soil profiles under mulching and no mulching treatments during the whole observation season

3.5 环境因子对10 cm土壤剖面温室气体浓度的影响辣椒季和萝卜季各处理10 cm土层的CH₄、CO₂和N₂O浓度与环境因子的Pearson相关性分析结果如表 2所示.分析结果表明, 在辣椒季, 覆膜和不覆膜处理的CH₄剖面浓度均与WFPS呈显著正相关(p < 0.05), 而与其他环境因子相关关系不显著.覆膜和不覆膜处理的CO₂剖面浓度与各环境因子均无显著相关关系.覆膜处理的N₂O剖面浓度与各环境因子均无显著相关关系, 不覆膜处理的N₂O剖面浓度与WFPS呈显著正相关(p < 0.05), 与其他环境因子相关关系不显著(p>0.05).在萝卜季, 覆膜和不覆膜处理的CH₄剖面浓度与各环境因子均无显著相关关系.覆膜和不覆膜处理的CO₂剖面浓度与地下10 cm温度、铵态氮、硝态氮和总氮呈显著的正相关(p < 0.05), 与其他环境因子相关关系不显著.覆膜处理的N₂O剖面浓度也与地下10 cm温度、铵态氮、硝态氮和总氮呈显著的正相关(p < 0.05), 但不覆膜处理的N₂O剖面浓度只与地下10 cm温度和硝态氮呈显著正相关(p < 0.05).
表 2(Table 2)

表 2 环境因子与10 cm土壤剖面温室气体浓度相关关系 Table 2 Correlation between environmental factors and greenhouse gas concentration in 10 cm soil profile

表 2 环境因子与10 cm土壤剖面温室气体浓度相关关系 Table 2 Correlation between environmental factors and greenhouse gas concentration in 10 cm soil profile 生长季 处理 温室气体 环境因子 WFPS 地下10 cm温度 铵态氮 硝态氮 TN DON DOC TOC 辣椒季 F CH4 0.654* -0.049 0.143 -0.226 -0.023 -0.052 0.257 -0.047 CO2 0.114 -0.605 -0.515 0.495 -0.564 0.294 0.529 0.459 N2O 0.429 -0.283 0.543 -0.042 0.373 0.002 0.445 0.293 NF CH4 0.733* -0.191 0.412 0.327 0.372 -0.221 -0.498 -0.544 CO2 0.565 0.052 0.219 -0.228 0.044 0.005 0.375 0.120 N2O 0.664* 0.261 0.360 0.597 0.459 -0.421 -0.447 -0.519 萝卜季 F CH4 0.426 -0.105 -0.138 -0.214 -0.176 -0.223 -0.372 -0.443 CO2 0.065 0.678* 0.584* 0.928* 0.714** 0.005 -0.243 -0.243 N2O -0.243 0.912** 0.797** 0.631* 0.828** -0.082 -0.370 -0.334 NF CH4 -0.238 0.122 -0.344 -0.166 -0.303 -0.125 -0.169 -0.180 CO2 0.009 0.869** 0.528 0.802** 0.798** 0.776** -0.095 -0.133 N2O 0.060 0.702* 0.157 0.723** 0.473 0.383 -0.075 -0.124 ??注：* p < 0.05, ** p < 0.01.

4 讨论(Discussion)4.1 覆膜对土壤湿度和地下土壤温度的影响本研究表明, 在辣椒季, 覆膜显著提高了20 cm和30 cm剖面土壤温度, 对10 cm剖面土壤温度增加效果不明显, 而萝卜季, 覆膜显著提高了各剖面土壤温度.覆膜的增温效应与前人研究结果一致(赵凯男等, 2018；裴瑞娜等, 2019).这主要是因为地膜可以有效减少土壤以长波形式向外辐射的热量损失, 同时又可以有效地接纳太阳光, 使其被土壤吸收从而转化为热能(王树森等, 1991).地表土壤热量主要源于太阳辐射, 土壤吸收热量后, 在土壤内部产生热传导, 导致土壤温度在不同土层深度间存在差异(巩玉玲等, 2016).此外, 辣椒季各处理的土壤温度均随着土深的增加而显著降低(p < 0.05), 但萝卜季各处理的土壤温度随土深变化不显著(p>0.05).辣椒季各处理土壤温度随着土深的增加而显著降低, 这可能是因为夏季太阳辐射强烈, 不同土层获得的热量差距较大导致, 这与王一菲等(2019)的研究结果一致.萝卜季各处理的土壤温度随土深变化不显著, 这可能是因为西南地区秋冬季节云量多, 太阳辐射不强, 各土层吸收的热量差异不显著.
本研究表明, 在辣椒季和萝卜季覆膜对土壤湿度的影响均不明显.但覆膜的保湿效应在西北旱区却很显著, 范颖丹等(2013)研究表明覆膜显著增加了黄土高原半干旱雨养区土壤水分含量.这种研究结果上的差异性可能是由于气候差异引起的, 西北地区处于干旱半干旱区, 而本研究试验区处于湿润区, 降水充沛.此外, 在雨季经常出现采样前几天连续下雨的情况, 在这种情况下, 覆膜阻挡了雨水, 反而会降低土壤湿度.只有在旱季, 地膜才可以阻止水分蒸发, 起到保湿的作用.地膜在不同的天气状况下有着截然相反的作用, 两种作用相互抵消, 这可能导致本研究中覆膜的增温保湿作用不显著.
4.2 覆膜对土壤剖面CH₄浓度的影响本研究结果表明, 辣椒季和萝卜季各处理的CH₄剖面浓度均随土深的增加而降低, 这与前人研究结果相似(刘芳等, 2010; Nan et al., 2016).浅层土壤(0~30 cm)的CH₄浓度主要取决于大气CH₄向土壤扩散的能力(刘芳等, 2010), 而大气CH₄向土壤的扩散能力受到土壤水分的强烈影响(Wang et al., 2013).晓贤等(2009)研究表明, 土壤湿度随着土深的增加而增加.因此, 表层土壤充气孔隙度大, 从大气中吸收的CH₄也更多.此外, 土壤具有空间异质性, 表层土壤有机质等营养物质高于底层土壤, 植物根系也主要分布在0~15 cm土层, 因而表层土壤也是CH₄产生的主要区域(周自强等, 2015).由于表层土壤产生CH₄的量和从大气中吸收CH₄的量均高于底层土壤, 所以土壤中CH₄浓度随着土深的增加而减少.
本研究还表明, 在辣椒季, 覆膜对10 cm和20 cm剖面的CH₄浓度无显著影响, 但显著增加了30 cm剖面的CH₄浓度.在萝卜季, 覆膜对10 cm和30 cm剖面的CH₄浓度无显著影响, 但显著降低了20 cm剖面的CH₄浓度.覆膜对辣椒季和萝卜季CH₄剖面浓度的影响相反, 这可能是温度导致的.辣椒季温度较高, 温度接近产甲烷最佳温度(丁维新等, 2003), 此时土壤中CH₄浓度可能主要取决于产甲烷细菌产CH₄的量, 覆膜的增温作用促进了CH₄的产生.萝卜季温度较低, 较低的温度不利于甲烷的产生(丁维新等, 2003), 土壤中CH₄浓度可能主要取决于大气CH₄向土壤扩散的量, 而覆膜的阻挡作用不利于土壤对大气CH₄的吸收.
4.3 覆膜对土壤剖面CO₂浓度的影响土壤CO₂浓度受植物根系呼吸和微生物呼吸的强烈影响(梁东丽等, 2002).本研究表明, 辣椒季和萝卜季各处理的土壤剖面CO₂浓度均随土壤深度的增加而显著增加(p < 0.05), 这与前人研究结果一致(刘芳等, 2010; Wang et al., 2013).这主要是因为表层土丰富的有机质改善了土壤结构, 土壤疏松, 透气性好, 利于CO₂向大气排放(刘芳等, 2010), 而底层土壤紧实不利于CO₂向上扩散, 使底层土累积了更多的CO₂(Wang et al., 2013).本研究还表明, 在辣椒季, 覆膜对10 cm和20 cm剖面的CO₂浓度无显著影响, 但显著提高了30 cm剖面的CO₂浓度(p < 0.05).而萝卜季覆膜显著提高了各土层剖面的CO₂浓度(p < 0.05).说明覆膜促进了土壤剖面CO₂的积累, 这与前人研究结果相似(俞永祥等, 2015; Nan et al., 2016).这主要是因为覆膜阻挡作用减少了CO₂向大气排放(俞永祥等, 2015).此外, 覆膜还增加了地下温度, 土壤呼吸作用通常随着温度的升高而加强(赵爽凯等, 2019), 因此, 覆膜促进了土壤剖面CO₂的积累.
4.4 覆膜对土壤剖面N₂O浓度的影响本研究结果表明, 在辣椒季和萝卜季, 各处理的N₂O剖面浓度均随土壤深度的增加而增加, 这与前人研究结果一致(刘芳等, 2010; Wang et al., 2013; 贾俊香等, 2015).这主要是因为表层土壤疏松, 通气性和透水性均好, 表层土壤产生的N₂O易向大气中扩散, 且不利于反硝化过程的进行(贾俊香等, 2015).此外, 底层土壤含水率比表层高, 充水孔隙度大(晓贤等, 2009), 有利于反硝化作用的进行, 且向地表扩散慢(周自强等, 2015).此外, 在辣椒季, 覆膜对各土壤剖面N₂O浓度无显著影响.覆膜在辣椒季表现出了两种相反效果, 一个是增温, 表现出对N₂O的促进作用；另一个是降低土壤湿度, 表现出对N₂O的抑制作用.覆膜的增温优势可能被较低的含水率所抵消, 因此, 覆膜对辣椒季土壤剖面N₂O浓度无明显影响, 而在萝卜季, 覆膜显著增加了各土壤剖面N₂O浓度.这与前人结果一致(Nan et al., 2016), 这主要是因为覆膜显著提高了地下温度, 较高的温度有利于土壤氮素的转化(周自强等, 2015)和N₂O的产生(徐文彬等, 2002).此外, 覆膜的阻挡作用也减少了N₂O向大气排放.
4.5 环境因子对10 cm剖面温室气体的影响本研究表明, 辣椒季各处理的CH₄浓度与WFPS呈显著正相关(p < 0.05).陈慧等(2019)研究也指出CH₄排放量随着土壤水分含量的增加而显著增加.这主要是因为水分的增多会减少土壤孔隙中的氧气, 一方面抑制了甲烷氧化菌对CH₄的氧化, 另一方面也有利于产甲烷菌产生甲烷.萝卜季各处理的CO₂浓度与地下10 cm温度和土壤氮素指标呈显著正相关, 这与段存涛(2011)研究结果类似, 其研究表明CO₂排放通量与溶解性有机碳氮和土壤温度呈显著正相关, 这主要是因为土壤碳、氮可为呼吸作用提供底物, 此外, 作物根系和微生物呼吸速率一般也会随着温度的升高而加快.辣椒季不覆膜处理的N₂O浓度与WFPS呈显著正相关, 这与丁洪等(2010)研究结论类似, 这主要是因为厌氧环境更有利于N₂O的产生.萝卜季各处理的N₂O浓度与地下10 cm温度和土壤氮素指标显著正相关, 这与前人研究结论类似(Schellenberg et al., 2012).土壤氮素、温度和土壤含水率都是影响N₂O排放的重要因素(曹文超等, 2019), 萝卜季土壤湿度较大, 在水分不是主要限制因子时, N₂O的产生量通常随着温度的升高而增多(徐文彬等, 2002).
5 结论(Conclusions)1) 在整个观测季, 各处理土壤剖面的CH₄浓度均随土壤深度增加而降低.覆膜显著提高了辣椒季30 cm土层的CH₄浓度, 但显著降低了萝卜季20 cm土层的CH₄浓度, 且对观测季其他土层的CH₄浓度无显著影响.
2) 在整个观测季, 各处理土壤剖面的CO₂浓度均随土壤深度增加而增加.覆膜显著提高了辣椒季30 cm土层的CO₂浓度, 但对其他土层的CO₂浓度影响不显著, 覆膜显著提高了萝卜季各土层的CO₂浓度.
3) 在整个观测季, 各处理土壤剖面的N₂O浓度均随土壤深度增加而增加.覆膜对辣椒季各土层N₂O浓度无显著影响, 但却显著提高了萝卜季各土层N₂O浓度.
4) 在辣椒季, WFPS是影响剖面CH₄浓度的主要因子, 各环境因子对剖面CO₂浓度影响均不显著, WFPS是影响剖面N₂O浓度的主要因子.在萝卜季, 各环境因子对剖面CH₄浓度影响均不显著, 地下10 cm温度和土壤氮素是影响剖面CO₂和N₂O浓度的主要因子.

参考文献

Chen H X, Liu J J, Zhang A F, et al. 2017. Effects of straw and plastic film mulching on greenhouse gas, emissions in Loess Plateau, China: A field study of 2 consecutive wheat-maize rotation cycles[J]. Science of the Total Environment, 579: 814-824. DOI:10.1016/j.scitotenv.2016.11.022

Crowley T J. 2000. Causes of climate change over the past 1000 years[J]. Science, 289(5477): 270-277. DOI:10.1126/science.289.5477.270

曹文超, 宋贺, 王娅静, 等. 2019. 农田土壤N2O排放的关键过程及影响因素[J]. 植物营养与肥料学报, 25(10): 1781-1798.

陈慧, 商子惠, 王云霏, 等. 2019. 灌水量对温室番茄土壤CO2、N2O和CH4排放的影响[J]. 应用生态学报, 30(9): 3126-3136.

陈世杰, 江长胜, 倪雪, 等. 2019. 地膜覆盖对稻-油轮作农田温室气体排放的影响[J]. 环境科学, 40(9): 4213-4220.

丁洪, 张玉树, 王跃思, 等. 2010. 辣椒地土壤氮素反硝化损失与N2O排放研究[J]. 长江蔬菜, (8): 86-89.

丁维新, 蔡祖聪. 2003. 温度对甲烷产生和氧化的影响[J]. 应用生态学报, 14(4): 604-608.

段存涛. 2011. 林隙和温度对温带森林土壤CO2和N2O气体排放和氮素净矿化的影响[D]. 西安: 长安大学. 15-35

范颖丹, 柴守玺, 程宏波, 等. 2013. 覆盖方式对旱地冬小麦土壤水分的影响[J]. 应用生态学报, 24(11): 3137-3144.

巩玉玲, 王兆锋, 张镱锂, 等. 2016. 拉萨灌丛草甸区土壤温度变化特征[J]. 土壤学报, 53(2): 411-420.

国家统计局. 2018. 农用塑料薄膜使用量[EB/OL]. 2020-06-25. http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=E0103

霍轶珍, 丁春莲, 王文达, 等. 2020. 黑色地膜覆盖土壤水热效应及对玉米产量的影响[J]. 水土保持研究, 27(1): 335-339.

贾俊香, 熊正琴. 2015. 典型菜地土壤剖面N2O、CH4与CO2分布特征研究[J]. 中国生态农业学报, 23(12): 1536-1543.

IPCC. 2019a. Climate Change and Land 2019:Chapter 2:Land-climate Interactions.Greenhouse Gas Fluxes between Land and Atmosphere[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 151-165.

IPCC. 2019b. Climate Change and Land 2019:Summary for Policymakers.People, Land and Climate in a Warming World[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 5-17.

Li S, Li T L, Fang L, et al. 2019. Effects of fertilization and plastic film mulching on yield formation and soil carbon pool of dry land wheat[J]. Applied and Environmental Biology, 25(3): 603-610.

Luo S S, Wang S J, Yao P W, et al. 2019. Soil microbial communities under film mulching and N fertilization in semiarid farmland[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 114(2): 157-170. DOI:10.1007/s10705-019-09998-9

李文昊, 韩冬梅, 胡松可. 2020. 干旱绿洲区可降解地膜覆盖对滴灌棉田土壤水分和温度的影响[J]. 石河子大学学报(自然科学版), 38(1): 63-68.

梁东丽, 同延安, Emterdy O, 等. 2002. 黄土性土壤剖面中N2O排放的研究初报[J]. 土壤学报, 39(6): 802-809.

刘芳, 刘丛强, 王仕禄, 等. 2010. 喀斯特地区土壤剖面CO2、CH4和N2O浓度的相关关系[J]. 生态学杂志, 29(4): 717-723.

鲁如坤. 2000. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社.

毛海兰, 付鑫, 赵丹丹, 等. 2018. 秸秆与地膜覆盖条件下旱作玉米田土壤氮组分生长季动态[J]. 水土保持学报, 32(4): 246-254.

聂皇华, 张家升, 和周明, 等. 2019. 长期定位施用牛粪对夏玉米-冬小麦体系农田N2O和NO排放的影响[J]. 环境科学, 40(2): 885-892.

Nan W G, Yue S C, Huang H Z, et al. 2016. Effects of plastic film mulching on soil greenhouse gases (CO2, CH4 and N2O) concentration within soil profiles in maize fields on the Loess Plateau, China[J]. Journal of Integrative Agriculture, 15(2): 451-464.

倪雪, 江长胜, 陈世杰, 等. 2019a. 地膜覆盖和施氮对菜地CH4排放的影响[J]. 环境科学, 40(5): 2404-2412.

倪雪, 郝庆菊, 陈世杰, 等. 2019b. 地膜覆盖和施氮对菜地N2O排放的影响[J]. 环境科学, 40(2): 893-903.

裴瑞娜, 郭鹏, 栾清业. 2019. 覆膜方式对冬小麦及土壤水分和温度的影响[J]. 甘肃农业科技, (10): 73-76.

Schellenberg D L, Alsina M M, Muhammad S, et al. 2012. Yield-scaled global warming potential from N2O emissions and CH4 oxidation for almond (Prunus dulcis) irrigated with nitrogen fertilizers on arid land[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 155: 7-15.

Sun D B, Li H G, Wang E L, et al. 2020. An overview of the use of plastic film mulching in China to increase crop yield and water use efficiency[J]. National Science Review. DOI:10.1093/nsr/nwaa146

Wang Y S, Wang Y H. 2003. Quick Measurement of CH4, CO2 and N2O Emissions from a Short-Plant Ecosystem[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 20(5): 842-844.

Wang Y Y, Hu C S, Ming H, et al. 2013. Concentration profiles of CH4, CO2 and N2O in soils of a wheat-maize rotation ecosystem in North China Plain, measured weekly over a whole year[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 164: 260-272.

WMO.2019.WMO Statement on the state of the global climate 2018[R].Geneva: Atmospheric Environment Research Division.1-8

王树森, 邓根云. 1991. 地膜覆盖增温机制研究[J]. 中国农业科学, 24(3): 74-78.

王一菲, 郑粉莉, 周秀杰, 等. 2019. 黑土农田冻结-融化期土壤剖面温度变化特征[J]. 水土保持通报, 39(3): 57-64.

席福民, 谷瑞民, 白岗栓. 2017. 黑色地布覆盖对杂草和花椰菜生长的影响[J]. 北方园艺, (12): 11-15.

晓贤, 张学培. 2009. 晋西黄土高原土壤水分垂直变化规律及生态影响[J]. 水土保持研究, 16(2): 200-204.

徐文彬, 刘维屏, 刘广深. 2002. 温度对旱田土壤N2O排放的影响研究[J]. 土壤学报, 39(1): 1-9.

俞永祥, 赵成义, 贾宏涛, 等. 2015. 覆膜对绿洲棉田土壤CO2通量和CO2浓度的影响[J]. 应用生态学报, 26(1): 155-160.

赵凯男, 常旭虹, 张赵星, 等. 2018. 地膜覆盖对小麦土壤水热状况及灌浆特性的影响[J]. 麦类作物学报, 38(10): 1237-1245.

赵爽凯, 陈克龙, 吴成永, 等. 2019. 增温对高寒湿地土壤呼吸动态变化的影响[J]. 生态与农村环境学报, 35(2): 225-233.

周自强, 李露, 张恒, 等. 2015. 氮肥配施小麦秸秆生物炭对稻麦轮作土壤剖CH4和N2O浓度的影响[J]. 南京农业大学学报, 38(3): 341-438.