灌水量及可降解膜覆蓋對滴灌玉米土壤呼吸及產量的影響

王風姣，王振華，李文昊

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

土壤是陸地生態系統最大的碳庫[1]，土壤碳庫是大氣碳庫的4倍。土壤中碳元素的吸收和釋放離不開土壤呼吸作用，土壤呼吸作用是一種復雜的生物化學過程[2]，它受到生物因子、非生物因子以及人為因素的影響，而土壤的溫度和濕度是影響土壤呼吸作用的關鍵因素。從全球范圍來看，土壤呼吸作用中碳的釋放速率要比人類活動中碳的釋放速率高一個數量級，因此土壤呼吸的微弱變化會嚴重打破大氣中CO2濃度的平衡。而以土壤為基礎的農田生態系統的碳含量非常可觀，對農田生態系統中的土壤呼吸進行定量的研究，這對構建全球碳循環模式，預測未來全球氣候變化，發展低碳農業具有十分重要的意義。

玉米是世界三大糧食作物之一，具有飼料和工業等多種用途，玉米產量約占全國糧食產量的25%[3]，為全球的經濟社會發展做出卓越的貢獻[4]。西北地區玉米種植面積和年產量已經占到全國份額的50%。2016年新疆玉米播種面積達到9.19萬hm2，占農作物播種總面積的14.78%，2016年新疆玉米產量達663.87萬t，占新疆糧食總產量的44.54%。新疆農業用水占新疆用水總量的90%以上[5]。翟超等[6]研究發現玉米生育期所需的灌水量為3 570～6 370 m3·hm-2，玉米產量在13 061～14 929 kg·hm-2范圍內，隨著灌水量的增加，玉米產量有先增后減的趨勢。

1996年新疆推廣膜下滴灌技術至今，膜下滴灌應用面積已達2.0×106hm2，極大地推動了新疆地區農業的發展[7]。但是隨著地膜的長期應用，地膜殘留污染成為影響新疆農業發展的一個重大問題，嚴昌榮等[8]指出連續10 a膜下滴灌棉田殘膜為(259±36.78) kg·hm-2；殘膜影響根對水肥吸收、影響土壤呼吸、改變土壤結構、降低出苗率和作物產量[9]。可降解膜的使用是解決殘膜污染的有效途徑，2014年新疆地區推廣應用的可降解膜施用面積為3 720 hm2，可降解膜的未來應用面積會逐漸增加。長期以來，針對新疆灌水量和可降解膜對膜下滴灌玉米土壤呼吸的研究較少，本文通過大田試驗，研究不同灌水量和可降解膜對滴灌玉米土壤呼吸及各因子之間的關系，并考慮產量等因素，以期為可降解膜的推廣和水分的高效利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年4月—2018年10月在現代節水灌溉兵團重點實驗室暨新疆石河子大學節水灌溉試驗站(85°59′E、44°19′N，海拔451 m)進行，具體位置見圖1。試驗站位于石河子市西郊石河子大學農試驗場二連，平均地面坡度為6‰，年均日照數為2 865 h，多年平均降水量207 mm，玉米生育期日均氣溫為26.61℃(圖2)，平均蒸發量1 660 mm，年均溫7.7℃，其中>10℃積溫為3 463.5℃，>15℃積溫為2 960.0℃，無霜期170 d，地下水埋深大于10 m，土壤質地為中壤土，0～100 cm平均干容重為1.60 g·cm-3，田間持水率(質量含水率)18.65%。

圖1 試驗區位置Fig.1 Test area location

圖2 玉米生育期日均溫和降雨量Fig.2 Daily average temperature and rainfall during corn growth period

1.2 試驗方法

本試驗以玉米品種“新玉66”為研究對象，播種時間為5月1日，種植模式為一膜兩管四行(圖3)，膜寬為1.45 m，毛管間距為60 cm，行距為30 cm，株距為20 cm，理論株數為82 500株·hm-2，播種深度為3～4 cm。采用小區試驗，每個小區規格為5 m×4.5 m(長×寬)=22.5 m2。試驗用完全生物降解膜(地膜主要成分為PBAT，分別標記為M1、M2)，由廣州金發科技有限公司提供。M1厚度為0.01 mm，誘導期為60 d，M2厚度為0.01 mm，誘導期為80 d。普通聚乙烯塑料地膜(M3)由新疆天業公司提供，M3厚度為0.01 mm。灌水設置3水平：灌溉定額分別為4 625、5 625、6 625 m3·hm-2(分別記為W1、W2、W3)，共9個處理，設3次重復。全生育期灌水10次，灌水次數、灌水定額依據翟超等方法[6]并參閱石河子及周邊農場近年滴灌玉米灌溉水平實際定額制定。P2O5：120 kg·hm-2、K2O：90 kg·hm-2全部做基肥，尿素20%做基肥，在播前深翻入土，每次施肥量參照大田施肥量，用施肥罐隨水施肥，各生育期具體灌水、施肥量見表1。滴灌帶選用單翼迷宮式滴灌帶(新疆天業公司生產)，外徑 16 mm，壁厚0.3 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.6 L·h-1。由足夠動力的出水樁供水，各處理用水表控制灌水量。

圖3 玉米種植模式圖Fig.3 Corn planting pattern

表1 玉米各生育期灌水施肥處理

1.3 測試項目及方法

1.3.1 氣象數據 試驗站設置自動氣象站(TRM-ZS2型)，每分鐘記錄氣溫、降雨量、空氣濕度、太陽輻射等。

1.3.2 土壤呼吸 土壤呼吸的測量儀器為LI-8100A(LI-8150，USA)土壤碳通量自動測量系統，該系統連接多個氣室，其中長期測量氣室為9個。進行長期定點測定土壤呼吸。于試驗前1～2 d，將PVC土壤環分別插入不同處理的土壤中(具體位置見圖3)，嵌入土中，露出地面3～5 cm，保證測量氣室的密閉性，并清除土壤環中的雜物，穩定24 h以后進行第一次測量，盡可能減少土壤擾動及地上植被呼吸影響測量結果。在5月2日開始測定，每隔4 min獲取一次數據，測量順序按小區依次測定，并計算各處理日均土壤呼吸速率。土壤呼吸測定的同時采用儀器自身配置的6000-09TC電阻型土壤溫度探針測量5 cm處土壤溫度和EC-5土壤濕度傳感器測量10 cm深度的土壤體積含水率，并用曲管地溫計和取土烘干法對傳感器所測數據進行校準。

1.3.3 土壤碳累積排放量 根據涂純等[10]作物生長季土壤碳累積排放量的公式計算：

R=∑[(Ri+Ri+1)/2]×60

×60×24×12×10-8×n

(1)

式中,R為土壤碳累積排放量(t·hm-2)；Ri和Ri+1為第i次和第i+1次日均土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)；n為相鄰兩次間隔天數(d)，一般n=5，如遇降雨、灌水等日均土壤呼吸速率差異較大時，適當調整；60×60×24表示將時間s轉化為d；12為碳的摩爾質量。

1.3.4 籽粒產量、灌溉水分利用效率 玉米成熟期內，在各小區隨機取樣，每小區取5個點，每個點連續取5株玉米，分別測量單株穗長、穗粗、穗質量，然后對玉米穗進行脫粒，并將籽粒風干后稱重(稱其百粒質量和總粒質量)，進而折算成每公頃產量。灌溉水分利用效率(iWUE，kg·m-3)以每個處理的總產量和總灌溉量之比表示[11-12]。

1.3.5 經濟—環境效益值計算 作物產量可用來表征農田的經濟效益，而旱作農田土壤碳釋放的形式主要為CO2[13]，環境效益主要是影響大氣CO2濃度。因此通過參照之前的研究[14]，本研究在計算經濟—環境效益值時，采用土壤呼吸累積釋放總量與玉米產量比值得出，計算公式如下：

E=R/Y

(2)

式中,E為經濟環境效益值，表示生產1 kg籽粒，農田釋放出CO2的量(kg·kg-1)。

1.3.6R2與Q10的計算R2是擬合方程的決定系數,R2的值越接近1,說明擬合方程的準確性越高。土壤呼吸溫度敏感系數Q10=e10b,b為土壤呼吸速率與土壤溫度指數方程y=aebt中的擬合參數。

1.4 數據處理

通過Microsoft Excel 2016進行數據計算，通過Origin 2017進行作圖，用SPSS 22進行雙因素方差分析及回歸分析。

2 結果分析

2.1 不同處理下滴灌玉米地膜降解程度

表2是不同灌水量和可降解膜處理玉米生育期內地膜的降解程度分級。覆膜50 d時，W1M1、W2M1、W3M1呈現初始裂紋，其他處理未出現裂紋。覆膜70 d時，W1M1、W2M1、W3M1中田間25%的地膜呈現細微裂紋，W1M2、W2M2、W3M2呈現初始裂紋，W1M3、W2M3、W3M3未出現裂紋。覆膜130 d時，W1M1、W2M1、W3M1地膜均呈現均勻網狀裂紋，大塊地膜已不存在，W1M2、W2M2、W3M2地膜呈現2～2.5 cm裂紋，W1M3、W2M3、W3M3地膜開始呈現細微裂紋(該現象為正常損耗)，M1、M2兩種可降解地膜降解程度受灌水量因素影響不大，兩類地膜實際降解速率均在誘導期之前開始降解，但在玉米生長前期均可保持良好的形態，生長期之后均出現不同程度的降解，在玉米收獲之后可以土地直接耕作，不需耗費人力物力進行地膜回收。

表2 不同處理地膜降解程度分級

注：0級表示未出現裂縫；1級表示開始出現裂紋；2級表示田間25%地膜出現細小裂紋；3級表示地膜出現2～25 cm裂紋；4級表示地膜出現均勻網狀裂紋，無大塊地膜存在；5級表示地膜裂解為4 cm×4 cm以下碎片。

Note: 0 indicates that no cracks appear； level 1 indicates that cracks begin to appear; level 2 indicates that 25% of the film in the field has small cracks; level 3 indicates that the film has 2 to 25 cm cracks; level 4 indicates that the film has uniform network cracks, no large block mulch exists; grade 5 indicates that the mulch is cracked into pieces of 4 cm × 4 cm or less.

2.2 不同處理下滴灌玉米土壤呼吸速率及其影響因素

2.2.1 不同處理下滴灌玉米土壤呼吸速率的日變化 表3是玉米抽穗期(7月20日)土壤呼吸速率日變化特征，不同的灌水量和可降解膜的滴灌玉米土壤呼吸速率日變化過程一致，均呈單峰曲線。地膜、灌水量和地膜對土壤呼吸速率日變化影響極顯著(P<0.01)，灌水量對土壤呼吸速率日變化影響不顯著(P>0.05)。

由表3可知，土壤呼吸速率自10∶00～14∶00逐漸升高，自18∶00～6∶00逐漸降低，高峰出現在14∶00，低谷出現在6∶00，這是由于氣溫引起的，午后14∶00氣溫最高，日出前后氣溫最低。10∶00的土壤呼吸速率很接近日均值，這與前人研究結果一致[15]。抽穗期玉米土壤呼吸速率在W2M3取得日最大值，為10.12 μmol·m-2·s-1。同一灌水水平下，土壤呼吸速率隨著地膜誘導期的延長逐漸增大，各處理之間差異顯著(P<0.05)，這是由于地膜誘導期越長保水保溫效果越好引起的。同一地膜，在不同灌水水平下，土壤呼吸速率差異不顯著(P<0.05)。在W2灌水水平下，14∶00的土壤呼吸速率W2M3比W2M1、W2M2高4.44%、1.61%。

2.2.2 不同處理下滴灌玉米土壤呼吸速率的季節變化 各處理對玉米6月5日(苗期)、7月5日(拔節期)、7月24日(抽雄期)、8月13日(灌漿期)、8月29日(成熟期)土壤呼吸速率的變化及方差分析見表4。單因素的灌水量對土壤呼吸速率各季節變化的影響達到顯著水平(P<0.05)，地膜、灌水量和地膜對土壤呼吸速率各季節變化的影響達到極顯著水平(P<0.01)。單因素的灌水量對土壤呼吸速率不同生育期的變化影響達到顯著水平(P<0.05)，地膜、灌水量和地膜對土壤呼吸速率不同生育期的變化影響達到極顯著水平(P<0.01)。

由表4可知，各處理玉米生育期的土壤呼吸速率動態變化相似，隨著生育期的推進，土壤呼吸速率呈先上升后下降的變化趨勢，在玉米生長旺期抽雄期達到最大值。自6月初至7月下旬，隨著溫度的升高玉米植株和根系生長迅速，同時隨著溫度的升高土壤微生物的活性增強，土壤的有機質增加，使得土壤呼吸作用逐漸增強。抽雄期土壤溫度達到峰值，各處理土壤呼吸速率達到最大值，最大值為7.89 μmol·m-2·s-1；抽雄期—成熟期，氣溫下降，土壤呼吸速率也有所減弱，成熟期最小值為1.46 μmol·m-2·s-1。抽雄期各處理平均值為7.08 μmol·m-2·s-1；灌漿期有所下降，各處理平均值為4.83 μmol·m-2·s-1；成熟期降到最低各處理平均值為1.82 μmol·m-2·s-1。W1、W2、W3處理下，隨著可降解膜誘導期的延長，土壤呼吸速率呈增加的趨勢，W2M3達到最大值，說明土壤呼吸受灌水量和可降解膜的同時影響。抽雄期W2處理下，M3比M1、M2分別提高15.52%、8.83%。

2.2.3 各處理滴灌玉米土壤呼吸速率的影響因素 表5是各處理土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤體積含水率、日均溫、降雨量的相關性分析。由表5可知，各處理土壤呼吸速率與土壤溫度、日均溫均顯著性相關，達到極顯著水平(P<0.01)，土壤呼吸速率與土壤體積含水率、降雨量沒有相關關系(P>0.05)。對土壤溫度與土壤呼吸速率進行回歸分析(表6)，表明土壤呼吸速率與土壤溫度、日均溫均呈正相關指數函數關系，與前人研究結果一致[16-18]。進一步計算各處理土壤呼吸溫度敏感性Q10=e10b，b為土壤呼吸速率與土壤溫度指數方程y=aebt中的擬合參數。結果表明，Q10值在W2M3取得最大值2.034，說明W2M3土壤溫度的敏感性最高，W1M1取得最小值1.584，說明W1M1土壤溫度的敏感性最低。

2.2.4 各處理滴灌玉米土壤呼吸總量、籽粒產量和經濟—環境效益值 不同的灌水量和可降解膜處理土壤呼吸總量、籽粒產量和經濟-環境效益值如表7所示。單因素的地膜、灌水量對土壤呼吸總量差異顯著(P<0.05)；灌水量對玉米籽粒產量、灌溉水利用效率差異顯著(P<0.05)，地膜對玉米籽粒產量、灌溉水利用效率差異不顯著(P>0.05)；灌水量對經濟—環境效益值差異不顯著(P>0.05)；地膜對經濟-環境效益值差異顯著(P<0.05)；雙因素的地膜和灌水量對土壤呼吸總量、籽粒產量、灌溉水利用效率、經濟-環境效益值的影響達到極顯著水平(P<0.01)。

表3 玉米抽穗期不同處理下土壤呼吸速率日變化特征/(μmol·m-2·s-1)

注：*表示顯著差異(P<0.05)，**表示極顯著差異(P<0.01)；同列數值后不同字母表示處理間顯著差異(P<0.05)。W、M分別是單因素的灌水量、可降解膜對土壤呼吸速率日變化的影響，W×M是二者的交互作用。下同。

Note: * indicates significant difference (P<0.05), ** indicates extremely significant difference (P<0.01); different letters after the same column value indicate significant difference between treatments (P<0.05). W and M are the effects of single factor irrigation and degradable membrane on the daily variation of soil respiration rate, respectively, W×M is the interaction between them. The same below.

表4 各處理不同發育期土壤呼吸速率/(μmol·m-2·s-1)

表5 各處理土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤體積含水率、日均溫、降雨量的相關系數

表6 各處理土壤呼吸速率與土壤溫度(t)、日均溫(T)的擬合方程

由表7可知，在玉米生育期土壤呼吸總量在17.75～23.44 t·hm-2。同一灌水水平下，土壤呼吸總量表現為W1M10.05)；同一地膜，在不同灌水水平籽粒產量差異顯著(P<0.05)。中等灌水水平下，W2M3籽粒產量分別比W2M1、W2M2提高2.64%、0.31%。對灌溉水利用效率而言，并未在W2M3取得最大值，而是在W1M2取得最大值。灌溉水利用效率的變化規律與籽粒產量的變化規律相似。

不同灌水量和可降解膜處理的玉米土壤呼吸總量和籽粒產量進行分析、比值，得出每千克籽粒收獲時土壤釋放出CO2的量[19]，并比較不同處理玉米田經濟-環境效益值(表7)。表7可以看出每生產1 kg玉米籽粒，各處理釋放出CO2的量介于1.42～1.83 kg，W2M2處理經濟—環境效益值最優，為1.42 kg·kg-1。綜合各處理土壤呼吸總量、籽粒產量、灌溉水利用效率、經濟—環境效益值，得出W2M2處理效果最好。

2.3 不同灌水量和可降解膜處理下滴灌玉米的投入與產出

表8是不同的灌水量和可降解膜處理滴灌玉米的收入情況，單因素的地膜、灌水量對玉米的投入、收益未達到顯著性差異(P>0.05)，灌水量對玉米產出的影響達到顯著性水平(P<0.05)，雙因素的地膜和灌水量對玉米的投入、產出、收益的影響達到顯著性水平(P<0.05)。

由表8可知，W1灌水水平，W1M1、W1M2投入比W1M3高200、250元·hm-2,主要是由于可降解膜的成本高于普通塑料地膜，M2比M1成本高是由于制作配方不同，誘導期不同。玉米收益介于4 207～6 815元·hm-2，W2M3收益最高，W3M1收益最低。可降解膜處理比普通地膜處理收益平均減少986.33元·hm-2，但可降解膜不需要后期的人工回收，也不會引起殘膜污染、作物減產等問題。可降解膜規模化生產后，其成本可進一步降低，有廣闊的應用前景。

表7 各處理土壤呼吸總量、籽粒產量、灌溉水利用效率、經濟—環境效益值

表8 各處理玉米的投入與產出/(元·hm-2)

3 討 論

土壤呼吸是指植株的根呼吸、土壤微生物分解有機質、動物呼吸，從土壤中釋放出CO2的過程[20]。本研究發現不同灌水量和可降解膜對滴灌玉米土壤呼吸速率日變化均呈單峰型曲線，這與李強等[21]的研究結果相一致，峰值出在14∶00，與高金芳等[22]研究出現的峰值時間不一致，這可能是由于氣候、土壤類型、測定時間的差異引起的，但與崔海等[23]研究峰值出現在12∶00～14∶00相近。9個不同處理玉米土壤呼吸呈“先升高后降低”變化趨勢，表現出的明顯季節特點，最高值出現在抽雄期，最低值出現在苗期，這與前人[14,24]研究結果類似。這是由于玉米苗期，氣溫、土壤濕度低，加之此時植株較小，根呼吸少，土壤微生物活動能力弱引起的；隨著玉米植株生長、氣溫升高等因素，土壤呼吸逐漸升高。

土壤呼吸的季節變化主要是由土壤溫度、濕度、氣象因素、光合產物及其共同作用引起的。本研究表明土壤溫度、氣溫是影響土壤呼吸的重要因子，土壤體積含水率與降水量與土壤呼吸無顯著性(P>0.05)，不是影響土壤呼吸的重要因子。土壤呼吸日變化的驅動因子主要是土壤溫度，劉爽等[25]研究發現，適度增溫可以提高土壤微生物的活性，直接影響根呼吸，但當溫度較高時，它不再是限制土壤呼吸的因子。本研究發現氣溫與5 cm土壤溫度均與土壤呼吸速率的變化規律相似，均與土壤呼吸速率是正相關指數關系。Q10通常被學者用來衡量土壤呼吸的敏感性，其值越大表明土壤呼吸對土壤溫度的敏感性越強，Zheng等[26]研究發現Q10一般為1.28～4.75，本研究不同處理Q10的變化范圍是1.584～2.034，屬于正常范圍。土壤呼吸與土壤水分有正相關、負相關、不相關3種關系[27-29]。本研究發現，土壤體積含水率與土壤呼吸速率無顯著相關性。降水是農田生態系統的重要影響因子，它是通過土壤溫度、土壤含水量、土壤特性等的改變影響土壤呼吸[30]，本研究發現降水量與土壤呼吸相關關系不強，可能是其對土壤呼吸的影響被其他因子掩蓋了。

本研究中不同灌水量和可降解膜的滴灌玉米處理全生育期土壤呼吸總量在17.75～23.44 t·hm-2之間，籽粒產量在11.60～12.81 t·hm-2，說明灌水量和可降解膜的差異會影響土壤呼吸總量和產量。研究發現[31]土壤濕度過高和過低都會影響土壤呼吸，本研究發現土壤呼吸總量隨灌水量的增加呈先升高后降低的趨勢，最大值在W2M3處理取得。翟超等[6]研究發現，玉米產量隨灌水量的增加呈先升高后降低變化，鄔強等[32]研究發現，可降解膜覆蓋相對于普通塑料地膜覆蓋會造成棉花產量下降，本研究發現W2各處理玉米產量相對高于W1、W3各處理的產量，同一灌水水平下，普通地膜覆蓋的玉米產量高于可降解膜覆蓋，產量最大值在W2M3取得。不同灌水量和可降解處理下的滴灌玉米田蓄水、保墑效果會有所差異，帶來的經濟—環境效益值也有所不同。本研究得出玉米經濟—經濟環境效益值為1.53～1.83 kg·kg-1CO2，這與孟磊等[19]研究結果相似，與涂純[33]研究結果不同。這可能是由于作物、氣候狀況、研究方法等不同出現的差異。W2M2經濟—環境效益值最優，具有較好的綜合效益。本研究iWUE在1.87～2.55 kg·m-3，隨著灌水量的增加總體呈降低趨勢。

可降解地膜的成本較普通地膜高，是制約可降解膜大面積推廣的因素。本研究可降解膜覆蓋較普通地膜覆蓋收益平均減少1 479.5元·hm-2。降解膜材料雖較普通地膜高，但是可降解膜降解性能較好，在已有設備條件下，就可生產，而且大面積生產后，其成本會進一步降低。從生態可持續角度考慮，可降解膜的應用可以有效地解決新疆嚴重的殘膜污染問題。

4 結 論

1)研究發現土壤呼吸日變化呈單峰型曲線，最高值出現在14∶00，季節變化隨玉米生育期的推進呈先升后降的變化趨勢，玉米抽雄期最高。各處理土壤呼吸速率與氣溫、地溫呈顯著的正相關指數關系，與土壤含水率相關性不大。W2M3土壤溫度的敏感性指數最高，W1M1土壤溫度敏感型指數最低。

2)W2M3土壤呼吸總量、產量、收益最高，但經濟—環境效益值最差，W1M2的iWUE最高，W2M2產量僅次于W2M3，土壤呼吸總量較低，經濟—環境效益值最好，綜合各指標W2M2處理效果最佳。

3)本試驗對不同灌水量和可降解膜對滴灌玉米土壤呼吸及其影響因子、產量、經濟—環境效益值、經濟效益進行全面的分析，為新疆可降解膜的大面積應用、高效用水、低碳農業的發展提供依據。