气候变化是当今世界共同面临的重大挑战,人类社会活动引发的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因[1]。在温室气体中,CO2的增加对气候变化产生的影响尤其引人关注[2]。而农田生态系统是CO2气体排放重要的源于汇,是陆地生态系统重要组成部分,对全球温室气体排放的贡献约为20%[3]。中国作为一个农业大国,对于温室气体减排肩负着重要责任。目前有关农田生态系统温室气体排放的影响效应和减排机理的研究大多集中在大田的管理措施,比如施肥、耕作、秸秆还田以及施加生物炭等[4-7]。对于设施蔬菜的温室气体排放研究少有报道,中国设施蔬菜的栽培面积逐年增多,截至2015年达到了400万hm2[8]。设施蔬菜反季节栽培提高了菜农的经济收入,但盲目为了追求产量和经济利益,采用过量的水肥灌溉,加之日光温室内高温高湿的环境条件会造成CO2等温室气体大量排放,加速气候变暖的步伐[9-10]。为了人类社会的可持续发展,迫切需要转变传统的栽培模式以达到低肥高产,环保的目的。
以往研究认为,温度是影响土壤呼吸的重要因子,它可以通过影响土壤微生物的代谢,以及作物根系的生长,从而达到CO2排放的改变[11-12]。此外,土壤含水率也会影响植物根系的呼吸以及分布,进而引起土壤呼吸的变动[13-14]。针对设施蔬菜在反季节生产过程中存在的低温胁迫等问题,傅国海等[15] 提出了一种新的栽培方式-土垄内嵌式基质栽培方法(Soil-ridged substrate-embedded cultivation,SSC),SSC栽培模式在栽培介质上与土垄栽培有所不同,温热条件有所差异[16],众多因子协同作用下势必会造成CO2排放特征的改变。另外,SSC栽培模式采用水肥一体化进行滴灌,与大田中采用大水漫灌的方式有所差异,日变化排放趋势较为稳定。为了准确估算SSC栽培模式下CO2排放结果的准确性,进而进行CO2排放通量的日变化研究尤为重要。
因此,本研究通过检测CO2温室气体日排放通量,有助于评价SSC栽培模式对根区CO2排放量,排放特征与土垄栽培的差异,为进一步优化最佳的减排增效的栽培模式,为SSC新型栽培模式的熟化推广提供科学依据。
试验地点设在北京市顺义区大孙各庄镇的中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所试验基地(40°15′N,116°55′E),该地区处于华北平原北部,平均海拔为30 m,属于典型的暖温带半湿润大陆季风气候。年平均气温12.5 ℃,供试日光温室东西长60 m,跨度为8 m,脊高3.8 m,供试日光温室室龄为4 a。试验小区距后墙体1.5 m,距西侧山墙4 m,冬、春两季种植作物时棚膜上覆盖棉被,试验当天棉被8:00自动卷上,16:00棉被放下,试验当天为晴天,通风口未打开,外界空气与室内气体交换较弱。供试作物为甜椒,品种为海丰16号,穴盘育苗,两叶一心时移栽定植,定值时间为2018年10月17日。
甜椒栽培采用基质和土壤2种方式,采用水肥一体化自动滴管,基质配比(体积比)为草炭∶蛭石∶珍珠岩=2∶1∶1。因与传统施肥方式不同,水肥一体化滴管每日施相同肥量,选取苗期一日内测定其CO2排放通量的排放特征进行分析。试验以土垄内嵌式基质栽培(SSC)为基础,SSC垄为梯形垄,规格为长3 m,上底宽20 cm,下底宽40 cm,垄高15 cm(图1)。
图1 土垄(A)、SSC标准垄(B)、SSC矮垄(C)栽培截面示意图
Fig.1 Schematic diagram of cultivation of soil ridge(A),SSC standard ridge(B),SSC dwarf ridge(C)
试验共设置3个处理,每个处理设置3次重复,共6个不同测点,分别为土垄栽培、SSC标准垄、SSC矮垄3种栽培模式的内嵌区和土垄栽培、SSC标准垄、SSC矮垄的整个垄部。设置处理A为梯形土垄,底宽40 cm,高15 cm;处理B为土垄内嵌式基质栽培(SSC)标准垄,底宽40 cm,高15 cm;处理C为土垄内嵌式基质栽培(SSC)矮垄,底宽为40 cm,高度10 cm。不同处理的栽培垄如图2所示。
图2 土垄(A)、SSC标准垄(B)、SSC矮垄(C)栽培尺寸示意图
Fig.2 Schematic diagram of of soil ridge(A),SSC standard ridge(B),SSC dwarf ridge(C)
试验中每垄放置2个不同规格的静态箱,内嵌采样装置由底座(20 cm×25 cm×10 cm,带凹槽),箱体(11 cm×21 cm×40 cm)组成;整垄采样装置底座(50 cm×25 cm×20 cm,带凹槽),箱体(41 cm×21 cm×40 cm)组成,上述为外径尺寸,板材厚度为5 mm,由箱体内顶部固定一个风扇以混匀气体,箱体内部分别放置采气管、温度探头。取样从当日8:00开始,至22:00结束,每隔1 h采集1次气体样品,采样时将采样箱扣在底座凹槽内并加水密封,扣箱后用30 mL塑料注射器抽取箱内气体,每次取样结束后,将上罩打开,并准确记录采样时间箱体内气温,以及5 cm地温(国产YM-CJ型智能土壤温度记录仪,精度为±0.05 ℃)气样带回实验室进行测定,测定使用的气相色谱仪型号为HP7890。
气体通量(F)计算公式为:
F=ρ·V/A·dc/dt·273/(273+T)·P/P0
式中:F为N2O的排放通量,正值表示土壤向大气排放,负值表示吸收,mg/(m2·h);ρ为标准状态下气体的密度,g/L;V为采样箱体积,A为土壤面积;T为采样箱内气温,℃;dc/dt为采样箱内N2O气体浓度随时间变化的速率,μL/(L·h);P为采样时气压,mm·Hg;P0为标准大气压,mm·Hg;P/P0≈1。
数据采用Excel 2013软件处理及作图,并采用SPSS 23软件的One-way ANONA比较处理间气体通量的差异显著性,Person相关系数分析气体排放通量与温度的相关性。
如图3可知,3种栽培方式内嵌部分的日变化均具有明显的昼高夜低的现象。在9:00出现明显的排放峰值,且土垄栽培显著高于SSC矮垄处理。在9:00,土垄栽培排放峰值最高,为560 mg/(m2·h),SSC矮垄的排放值最低,为230 mg/(m2·h),SSC标准内嵌的排放通量为468 mg/(m2·h)。SSC矮垄的排放通量最高值在13:00,为306 mg/(m2·h)。最高排放通量与最低排放通量的差值分别为:SSC标准垄的为451 mg/(m2·h),土垄对应区的为605 mg/(m2·h),SSC矮垄的为227 mg/(m2·h),说明土垄对应区的日变化波动较大,SSC矮垄内嵌区的日变化较为稳定。土垄对应区在8:00的CO2排放通量为-45 mg/(m2·h),说明在夜间未观测时间段内,土壤出现了吸收现象。其他时间段内,SSC标准垄的内嵌区排放通量维持在113~378 mg/(m2·h),土垄对应区的CO2排放通量维持在70~330 mg/(m2·h),SSC矮垄的内嵌区排放通量维持在83~267 mg/(m2·h)。
不同字母表明在P<0.05水平下存在显著差异。图4-5同。
Different letters indicate significant difference at 0.05 level.The same as Fig.4-5.
图3 SSC内嵌基质与土垄对应部分CO2排放通量的变化
Fig.3 Change of CO2 emission fluxes form SSC embedded substrates and soil ridge corresponding parts
如图4可知,3种栽培方式的整个垄部同样出现明显的昼高夜低的现象,呈单峰型,在8:00保温被打开之后,CO2排放通量迅速上升,并在有一段时间内维持在较高水平,在16:00保温被扣棚之后,3种处理的CO2排放通量基本维持在100 mg/(m2·h)左右。土垄的CO2排放通量最高值出现在9:00,为584 mg/(m2·h),SSC标准垄的CO2排放通量最高值出现在10:00,为354 mg/(m2·h),SSC矮垄的CO2排放通量最高值出现在11:00,为407 mg/(m2·h)。3种栽培方式在11:00~14:00时间段内的CO2排放通量存在差异。观测时间段内,土垄的最高排放通量与最低排放通量的差值为397 mg/(m2·h),SSC矮垄的最高排放通量与最低排放通量的差值为280 mg/(m2·h),说明土垄的日变化波动较大,SSC矮垄的日变化较为稳定。
图4 SSC垄与土垄CO2排放通量的变化
Fig.4 Change of CO2 emission fluxes from SSC ridge and soil ridge
由图5可知,室内气温与根区温度的变化一致,呈单峰型。根区温度的峰值滞后于气温1~3 h。观测时间内,气温的变化比根区温度的变化更为剧烈。3种栽培方式的根区温度有所差别, SSC矮垄的最高温度>土垄的最高温度>SSC标准垄的最高温度,SSC标准垄的日变化较为稳定,对于高温的缓冲效果比其他2种栽培方式较好。在夜间(17:00-22:00)时间段内,3种栽培处理的根区平均温度为SSC标准垄21.67 ℃,土垄为21.17 ℃,SSC矮垄为19.30 ℃,说明SSC标准垄在夜间能够有效地维持根区储存的热量。对于不同介质的根区温度有所差异,SSC矮垄的日变化波动要大,且升温速度比土垄的根区温度变化要快,说明基质栽培根区温度吸热较快,但相对于SSC标准垄的根区温度变化而言,基质体积比例也会影响根区温度的变化。
图5 日光温室内气温基质温度、土壤温度的变化规律
Fig.5 The variation of temperature,matrix temperature and soil temperature in solar greenhouse
由表1可知,在白天时间段内(8:00-16:00),土垄的整垄区域与SSC标准垄的整垄区域差异显著,而与SSC矮垄的整垄区域差异不显著;在夜间(17:00-22:00),SSC标准垄的内嵌部分与SSC矮垄的内嵌部分的CO2平均排放通量差异不显著,但均显著高于土垄的内嵌区域,3个处理的整垄区域无显著差异。在整个观测时间段内,对于CO2昼夜累积排放总量而言,土垄的整垄部分与SSC矮垄的整垄区域无显著差异,但均显著高于SSC标准垄的整垄部分,3个处理的内嵌区域无显著差异。
表1 日光温室中4种栽培方式下CO2排放通量
Tab.1 CO2 emission fluxes under four cultivation modes in solar greenhouse
处理Treatments测试区域Test area白天CO2平均排放通量/(mg/(m2·h))Average CO2 emis-sion fluxes in day夜晚CO2平均排放通量/(mg/(m2·h))Average CO2 emis-sion fluxes in night白天CO2累积排放量/(mg/m2)CO2 cumulative emissions during the day夜晚CO2累积排放量/(mg/m2)CO2 cumulative emissions during the night昼夜累积排放总量/(mg/m2)Total accumul-ated emissions土垄整垄325±22a110±5b2 922±198a660±27b3 582±201aSoil ridge内嵌对应区247±7ab109±13b2 222±65ab109±13d2 331±54bcSSC标准垄整垄164±70b80±3b1 474±627b482±17bc1 956±637cSSC standard ridge内嵌区218±22ab153±15a1 965±200ab921±87a2 886±286abcSSC矮垄整垄236±29ab78±17b2 123±263ab466±103c2 588±334abcSSC dwarf ridge内嵌区231±10ab179±7a2 079±86ab1 071±42a3 150±87ab
注:同列不同小写字母分别表示处理间差异显著(P<0.05)。
Notes: Different lowercase letters in the same column showed significant differences between treatments (P<0.05).
不同的土地管理措施通过影响土壤温度、含水量等环境条件间接影响土壤CO2排放通量[17]。3种栽培模式的CO2排放通量日变化趋势一致,无论是内嵌区还是整个垄部都呈单峰型。3种模式的栽培条件下CO2排放通量日变化差异与温度和栽培介质有着密切联系,这与众多研究结果一致[18-19]。但本研究表明,SSC栽培与土壤栽培和基质5 cm温度、土壤5 cm温度,室内气温并无显著相关性,这与董玉红等[19-21]的研究具有不同的结论。此外,土壤含水率能为土壤微生物提供良好的生存环境,从而增加氧的消耗,进而加大了土壤CO2排放通量。SSC栽培介质为基质栽培,其理化性质与土壤的截然不同,且基质栽培具有较大的孔隙度,更增加了氧气的含量,但本研究中,SSC垄的CO2排放通量显著低于土垄的CO2排放通量,可能是由于基质中含有少量的微生物,进而影响了CO2排放通量的改变;也可能是由于基质栽培中,水分扩散速度较快,基质含水率较低导致CO2排放通量的改变,基质栽培中CO2排放机理仍需深入研究。土壤呼吸是个复杂的生物化学过程,并非是单一因素的响应,碳氮比(C/N)是影响微生物活性的重要因子[22]。基质栽培种含有丰富草炭,碳氮比值较高,CO2排放通量相较于土壤栽培相对较低。
另外,有学者研究表明,碳通量的日变化主要由光合有效辐射引起的[23]。本研究结果表明,日出后随光合有效辐射逐渐增强,加之室内的高温高湿环境,甜椒的光合速率迅速上升,CO2消耗增大,引起CO2排放通量迅速增加,当甜椒光合速率达到恒定时,CO2排放通量也基本保持恒定。到了夜间,保温被扣棚之后,光合有效辐射下降,CO2排放通量也逐渐维持在较低水平,但因本试验过程当天,小型气象站仪器损坏,并未取得光合有效辐射的数据,故无法做出相关数据上的分析,以期在日后试验中作进一步阐述。SSC栽培模式结合了滴灌方式,Lavigne等[23]研究认为滴灌处理可降低CO2累计排放量,滴灌施肥有效控制水肥投入,可显著降低CO2排放,且由于基质的孔隙度大,滴管后较短时间抑制植物和微生物呼吸,随着水分蒸散,有利于微生物活性的水热和通气环境[24],这与本试验的上午CO2排放通量急剧增加,得到了较好的验证。
本研究观测时间段内,3种处理不同测点的CO2累积排放量有显著差异,白天CO2平均排放通量土垄最高,SSC标准垄的CO2排放通量最低;在夜间,就整个垄部而言,土垄CO2排放通量最高,SSC矮垄CO2排放通量最低。根据昼夜累积排放总量分析,土垄的累计排放量最多,SSC栽培模式的排放总量较低。但由于本次试验测定时间较短,导致CO2排放通量的日变化没有完全捕捉,以及其他生长季的CO2排放机理和排放特征尚不明确,有待在将来的试验中加以完善。
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