杜孝敬，安崇霄，徐文修，唐江華，房彥飛，張 娜，李 玲

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起著重要作用，全球土壤有機(jī)碳含量為1 500～2 500 Pg(1 Pg=1015g)，是大氣和生物碳儲量的4～5倍[1-2]，土壤有機(jī)碳輕微的改變對大氣中CO2濃度產(chǎn)生較大影響[3]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不但是重要的陸地碳庫，而且是溫室氣體重要的“源”和“匯”，據(jù)估計(jì)，農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的CO2占人類活動排放CO2的11%(5.6 Pg)[4-5]，大氣CO2濃度不斷上升相對應(yīng)的是全球氣候變暖[6]。氣候變暖對糧食作物的種植區(qū)域和種植制度等方面的影響日益加劇[7-8]，北疆伊犁河谷地區(qū)冬小麥?zhǔn)斋@后利用富余熱量資源種植復(fù)播大豆，雖提高了復(fù)種指數(shù)，但復(fù)種模式加大了對農(nóng)田灌溉水和肥的周年總投入，增加了溫室氣體總排放量，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡造成一定影響。利用有限的水資源，提高作物穩(wěn)產(chǎn)的同時減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放，對提高農(nóng)田土壤固碳潛力有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤中的水、氣、熱等因素常被認(rèn)為是影響土壤有機(jī)碳的主要限制因子，這些研究主要集中在耕作方式[9-10]、有機(jī)肥配施[11-12]、灌水量[13-14]等。其中灌水量的多少對土壤有機(jī)碳含量變化的影響不盡相同，土壤水分含量通過影響土壤的透氣性，進(jìn)而改變土壤外源有機(jī)碳的降解和土壤有機(jī)碳的礦化分解過程[15]，影響農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的高低。當(dāng)土壤水分過量時，其透氣性下降，土壤有機(jī)碳礦化分解變慢，土壤水分過多也會加速有機(jī)殘體降解為土壤中的有機(jī)物質(zhì)，使土壤有機(jī)碳含量提高[16-17]；當(dāng)土壤水分比較低時，會增大土壤孔隙度，加速土壤有機(jī)碳的分解速率，增加溫室氣體CO2的排放，使土壤有機(jī)碳含量減少[18]。地膜覆蓋措施因其良好的增溫、保水、增產(chǎn)等作用在我國北方旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛推廣和應(yīng)用[19]。張成娥[20]和Liu等[21]研究認(rèn)為，地膜覆蓋能夠改善土壤水熱條件[22]，增加土壤有機(jī)質(zhì)(碳)含量；李曉莎等[23]研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋顯著的增加了春玉米生長季農(nóng)田 CO2累積排放量，增加幅度為 8%～39%，但Yang等[24]卻認(rèn)為覆膜會抑制農(nóng)田 CO2的產(chǎn)生。【本研究切入點(diǎn)】目前研究多以一年一熟作物居多，有關(guān)一年兩熟作物主要以冬小麥-夏玉米[25-26]為主。研究冬小麥?zhǔn)斋@后種植的膜下滴灌復(fù)播大豆?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究減量滴灌對復(fù)播大豆農(nóng)田土壤呼吸及土壤有機(jī)碳的影響，評價出復(fù)播大豆既不減產(chǎn)或者少量減產(chǎn)的同時又能促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累的最佳膜下滴灌量，為新疆北疆應(yīng)對氣候變化、發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2019年7～10月在伊犁州伊寧縣農(nóng)業(yè)科技示范園進(jìn)行(44°N，81°E，海拔813 m)。該試驗(yàn)區(qū)位于天山西部，伊犁河谷中部，屬溫帶大陸性半干旱氣候，夏秋氣候干燥較熱，晝夜溫差顯著，年平均日照可達(dá)2 800～3 000 h，年平均氣溫8.9℃，年均降水量257 mm，無霜期169～175 d。試驗(yàn)土地質(zhì)地為壤土，0～30 cm耕層有機(jī)質(zhì)含量14.5 g/kg，堿解氮含量86.6 mg/kg，速效磷含量16.8 mg/kg，速效鉀含量159 mg/kg，土壤pH值為 8.0。復(fù)播大豆各生育期降水量：苗期、開花期、結(jié)莢期、鼓粒期和成熟期分別為27.00、29.80、3.30、34.80和1.30 mm。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。復(fù)播大豆未覆膜條件下的不同灌水量進(jìn)行研究，并篩選出能獲得大豆高產(chǎn)的最佳灌水量為4 200 m3/hm2。以4 200 m3/hm2灌水量為額定灌水量，設(shè)置膜下滴灌量分別為額定灌水量的100% (W0)、90% (W1)、80% (W2)、70% (W3)、60% (W4)和50% (W5)，并以未覆膜的額定灌水量為空白對照(CK)，共7個處理。每個處理重復(fù)3次，共21個小區(qū)，每個小區(qū)面積為30 m2(5 m×6 m)，各小區(qū)進(jìn)水口均有水表控制進(jìn)水量。試驗(yàn)地前茬作物均為冬小麥。2019年7月4日人工播種，供試品種為黑河45號，采取地膜栽培，膜寬為70、30 cm等行距播種(株距為6.3 cm)。灌溉方式為膜下滴灌技術(shù)，滴灌帶采用1管2的鋪設(shè)方式，毛管間距為60 cm。各處理在開花期均隨水滴施尿素150 kg/hm2，在鼓粒期噴施葉面肥(KH2PO4)1次，其他管理同當(dāng)?shù)卮筇镆恢拢?019年10月18日成熟收獲。全生育期均灌水8次。表1

1.2.2 測定指標(biāo)1.2.2.1 土壤CO2呼吸

采用開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)LI-8100A儀器測定，在復(fù)播大豆各生育時期對農(nóng)田土壤呼吸進(jìn)行觀測。自制規(guī)格直徑為20 cm、高為20 cm的PVC環(huán)，氣室放置在PVC環(huán)上，PVC環(huán)垂直插入土壤中，其上部距土壤表面5 cm，將其安裝在兩膜之間的裸地，選擇晴朗無風(fēng)條件下，在12：00～14：00測定。LI-8100A 數(shù)據(jù)采集頻率為每 2 s 記錄1次數(shù)據(jù)，測定時長為180 s，每個處理重復(fù)測定3次，取平均值代表該處理當(dāng)天土壤 CO2的平均釋放速率。

1.2.2.2 土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及非活性有機(jī)碳

在復(fù)播大豆播種前和成熟后進(jìn)行土樣的選取，取土樣時采用“S”取樣法在各小區(qū)選擇3點(diǎn)，每個點(diǎn)用土鉆分層取土樣，深度分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm，將取得的每一層次土樣混合均勻帶回實(shí)驗(yàn)室。在室溫下風(fēng)干后過2、1和0.25 mm篩子后裝自封袋。

土壤總有機(jī)碳(SOC)測定采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法。

土壤活性有機(jī)碳(AOC)測定采用333 mmol/L KMnO4氧化法。

土壤非活性有機(jī)碳含量(NAOC)=土壤總有機(jī)碳(SOC)-土壤活性有機(jī)碳(AOC)。

1.2.2.3 碳庫管理指數(shù)

參照 Blair等的計(jì)算方法，土壤碳庫管理指數(shù)計(jì)算方法如下：

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品中全碳含量/參照土壤全碳含量；

碳庫活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量；

碳庫活性指數(shù)(AI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)(CPI)×碳庫活度指數(shù)(AI)×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并制圖，用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜下滴灌量對土壤CO2呼吸的影響

研究表明，各處理在不同測定時期土壤CO2排放速率均隨著滴灌量的增加表現(xiàn)為“先升后降”的變化規(guī)律。覆膜條件下，不同測定時期各處理土壤中CO2排放速率基本表現(xiàn)為W2>W3>W4>W5>W1>W0，計(jì)算不同測定時期各處理平均值可得，以W2處理最大，為2.88 μmol/(m2·s)，較W0、W1、W3、W4、W5各處理的平均值分別高出46.67%、30.37%、0.88%、17.74%和24.45%，且W2和W3處理之間無顯著差異，均與其他處理達(dá)到顯著水平(P<0.05)。在覆膜條件下，過多或過少的滴灌量可以降低土壤CO2排放速率，減緩溫室效應(yīng)，但中等的滴灌量反而促進(jìn)土壤CO2排放。圖1

圖1 不同滴灌量下復(fù)播大豆土壤CO2排放速率變化(μmol/(m2·s))Fig.1 Effects of soil CO2 emission rate of summer soybean under different treatments

2.2 膜下滴灌量對復(fù)播大豆農(nóng)田土壤總有機(jī)碳(SOC)的影響

研究表明，各處理的土壤總有機(jī)碳(SOC)含量均隨著土層深度的增加呈現(xiàn)減小的變化趨勢，其中各處理SOC含量在土層0～30 cm較大，為16.94～20.48 g/kg，30～60 cm土層為14.27～15.38 g/kg，60～100 cm土層為11.39～12.69 g/kg。因?yàn)?～30 cm為土壤耕作層，是復(fù)播大豆根系主要集中層，再加上土壤犁地翻耕使冬小麥?zhǔn)斋@后的秸稈還田，進(jìn)而該層次土壤有機(jī)碳更多的積累。

同等滴灌量的覆膜W0處理比未覆膜CK處理增加0.25 g/kg，覆膜可增加土壤總有機(jī)碳含量。0～10和10～20 cm土層的SOC含量均隨著滴灌量的減少呈現(xiàn)“先增后降”的趨勢，其平均值均以W3處理最大，分別為20.48和18.46 g/kg，較滴灌量最大的W0處理高出8.23%和5.37%，較滴灌量最小的W5處理高出7.54%和3.44%，其中W2和W3處理之間無顯著差異(P<0.05)；大豆生長期間過少或過多的滴灌量都會導(dǎo)致土壤SOC 含量降低，而中等滴灌量更有利于促進(jìn)大豆農(nóng)田 SOC 的積累。圖2

圖2 不同處理下復(fù)播大豆土壤總有機(jī)碳變化Fig.2 Effects of soil organic carbon of summer soybean under different treatments

2.3 膜下滴灌量對復(fù)播大豆農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳(AOC)的影響

研究表明，各處理0～100 cm土層土壤活性有機(jī)碳(AOC)含量的變化趨勢與 SOC相同，均隨著土層的加深而降低。其中，不同土層的未覆膜CK處理AOC含量均低于覆膜W0處理，覆膜能夠使土壤活性有機(jī)碳含量增加。0～30 cm土層AOC含量隨著滴灌量的減少呈現(xiàn)“先增后降”的趨勢，累加0～30 cm土層AOC含量并計(jì)算其平均值可得，以W3處理最大為2.62 g/kg，較滴灌量W0、W1、W2、W4、W5處理分別高出9.44%、5.90%、0.22%、7.02%和10.54%；土層40～100 cm的土壤基本不受外界灌溉、機(jī)具等作用力的影響，該層次的 AOC 含量也相對較為穩(wěn)定，各處理之間無顯著差異(P>0.05)。中等的滴灌量有利于農(nóng)田耕作層(0～30 cm)AOC 含量的增加。圖3

圖3 不同處理下復(fù)播大豆土壤活性有機(jī)碳變化Fig.3 Effects of soil active organic carbon of summer soybean under different treatments

2.4 膜下滴灌量對復(fù)播大豆農(nóng)田土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)的影響

研究表明，不同土層覆膜W0處理的土壤CPMI均大于未覆膜CK處理。進(jìn)一步分析覆膜條件下不同滴灌量處理可知，0～30 cm土壤CPMI 隨著灌水量的增加呈“先增后降”的變化趨勢，計(jì)算不同滴灌量0～100 cm土層CPMI的平均值以W3處理最高，相對于W0、W1、W2、W4和W5處理增加了5.60%、3.99%、0.83%、4.63%和5.88%，其中W3和W2處理之間無顯著性差異，與其它處理均達(dá)到顯著差異(P<0.05)。中等的滴灌量改善了土壤環(huán)境，有利于 SOC和 AOC 含量的積累，從而減少了土壤耕層 AOC 的流失，促進(jìn)了土壤 CPMI 的提高，提高土壤肥力。表2

表2 不同處理下復(fù)播大豆土壤碳庫管理指數(shù)變化Table 2 Effects of carbon pool management index (CPMI) of summer soybean under different treatments

2.5 膜下滴灌量對復(fù)播大豆產(chǎn)量及水分利用效率的影響

研究表明，不同滴灌量對復(fù)播大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素影響不同。覆膜W0處理的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量均大于未覆膜CK處理，說明覆膜滴灌能有效提高大豆的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重，進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量。復(fù)播大豆產(chǎn)量隨著滴灌量的增加呈“先升高后降低”的變化趨勢，以W3處理最高，為3 304.90 kg/hm2，較W0、W1、W3、W4、W5處理分別提高了7.45%、5.16%、0.77%、8.42%和18.68%。方差分析產(chǎn)量構(gòu)成因素，其百粒重受滴灌量影響不明顯，大豆產(chǎn)量受單株莢數(shù)和單株粒數(shù)影響較大，均基本表現(xiàn)為W2>W3>W1>W4>W0>W5，且W2和W3處理之間無顯著性差異(P>0.05)。過多或過少的滴灌量會抑制大豆莢數(shù)和粒數(shù)的形成，影響產(chǎn)量的提高。

覆膜滴灌量處理的灌溉水利用效率均比未覆膜CK處理的高，覆膜條件下灌溉水利用效率均隨著滴灌量的降低呈上升趨勢，其中W3和W4之間差異不顯著，但均與其他處理達(dá)到顯著差異(P<0.05)，中等的滴灌量(W3處理)不僅能保證大豆獲得較高的產(chǎn)量，還能使得農(nóng)田灌溉水得以充分利用。表3

表3 不同處理下夏大豆產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素及灌溉水效率變化Table 3 Yields，yield components factor and irrigation water use efficiencies of summer soybean under different treatments

2.6 產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性

研究表明，農(nóng)田土壤SOC、AOC、CPMI 三者之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系，其中AOC與CPMI相關(guān)性最大，為0.994，碳庫管理指數(shù)受土壤 AOC 含量影響最大。各處理復(fù)播大豆產(chǎn)量與農(nóng)田土壤SOC、AOC、CPMI 均達(dá)到極顯著相關(guān)性，其與土壤 AOC 的相關(guān)關(guān)系最為密切，土壤 AOC 的高低不僅體現(xiàn)農(nóng)田土壤總有機(jī)碳礦化分解的多少，間接影響土壤質(zhì)量的高低，還對作物產(chǎn)量的高低密不可分。表4

表4 產(chǎn)量與碳庫管理指數(shù)的相關(guān)性Table 4 Correlation between yield and carbon pool management index

3 討 論

3.1 滴灌量對土壤CO2呼吸的影響

植物根系呼吸和土壤微生物呼吸是土壤呼吸最重要的組成部分[27]，土壤水分的多少會影響植物根系和土壤微生物的活動[28]，進(jìn)而改變土壤 CO2的排放量[29-30]。試驗(yàn)中，不同測定時期土壤CO2排放速率隨著膜下滴灌量的增加呈“先增后降”的變化趨勢，以中等滴灌量最大，滴灌量過多或過少時土壤呼吸均受到抑制，這與Kucera[31]和王健林[32]等研究結(jié)論一致。但與楊凡等[33]研究結(jié)果不同，其研究認(rèn)為未覆膜夏玉米的CO2排放通量隨著灌水量的減少而降低，造成這種原因可能是地膜覆蓋后改善了土壤溫度和水分條件[34-35]，導(dǎo)致土壤 CO2釋放顯著增加[36]。

3.2 滴灌量對土壤有機(jī)碳的影響

大部分學(xué)者研究認(rèn)為在半干旱、干旱區(qū)的灌溉能夠增加 SOC 儲量的結(jié)論，而對濕潤區(qū)的影響不明顯[37]。試驗(yàn)中，在一定范圍內(nèi)，0～30 cm土層SOC和AOC的含量均隨滴灌量的增加而增加，進(jìn)而提高碳庫管理指數(shù)(CPMI)，在滴灌量2 940或3 360 m3/hm2時達(dá)到最大，當(dāng)繼續(xù)增加滴灌量，SOC和AOC含量則呈現(xiàn)降低的趨勢，說明適量的灌溉能夠增加土壤有機(jī)碳的含量，過多和過少的灌水量則會降低，這與俞華林等[38]在常規(guī)灌溉條件下研究結(jié)果存在一致性。試驗(yàn)還得出地膜覆蓋可增加耕作層的SOC和AOC含量，提高碳庫管理指數(shù)(CPMI)，這可能是因?yàn)樵诟材ぬ幚砟軌蛟黾油寥罍囟萚39-40]，加快耕作層土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解，使得耕作層的SOC和AOC含量增加，CPMI提高。

4 結(jié) 論

4.1 不同滴灌量處理的土壤SOC、AOC、CPMI含量均隨著土層的加深呈不斷減小的趨勢，其中對土層0～30 cm差異顯著。

4.2 不同測定時期各處理土壤中CO2排放速率基本表現(xiàn)為W2>W3>W4>W5>W1>W0；土層0～ 30 cm的SOC、AOC、CPMI含量均隨著滴灌量的增加呈現(xiàn)“先增后降”的趨勢，均以W2或W3處理達(dá)到最大，其大豆產(chǎn)量也以W3處理最高，為3 304.90 kg/hm2，較W0、W1、W2、W4、W5處理分別提高了7.45%、5.16%、0.77%、8.42%和18.68%。

復(fù)播大豆適宜的膜下滴灌量為灌水定額的70%～80%(2 940～3 360 m3/hm2)，盡管在該區(qū)間時土壤CO2的排放較多，但同樣能夠固定更多的土壤有機(jī)碳和提高作物的產(chǎn)量。