不同地表覆蓋物對城郊農業區葡萄園土壤呼吸及水熱環境的影響

郝旺林,梁銀麗,穆 蘭,印 寧,許明祥

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;2.中國科學院大學, 北京 100190;3.呂梁學院 生命科學系,山西 呂梁 033000;4.西北農林科技大學水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;5.陜西師范大學 西北歷史環境與經濟社會發展研究院,西安 710061)

城郊農業是位于城市邊緣一定動態范圍內的農業地域類型，被譽為“城市后花園”[1]。城郊農業自工業革命以來就被納入城市景觀當中。作為一種以生產服務功能為基礎，生態涵養功能為重點，文化休憩功能為發展方向的新型農業，城郊農業擔負著維護城市生態和諧與保障農產品健康質量的雙重功能，因此，城郊農業生態系統的可持續發展受到前所未有的關注。

土壤呼吸被認為是第二大陸地碳通量[2-4]，受到了許多學者的關注[5-7]。農業生態系統作為陸地上最活躍、人為因素干擾最強的生態系統，對全球碳循環研究有極其重要的作用[8]。近年來國內外就農業管理措施對土壤呼吸及微環境的影響開展了大量研究[9-17]，但多數集中在農田生態系統中，針對果園尤其是城郊農業區果園的研究則較少，城郊農業區果園對區域經濟和生態系統碳平衡發揮著不可或缺的作用，因此，探討城郊農業區果園生態系統土壤呼吸及環境響應對于提高土壤固碳減排能力具有重要意義。

農田覆蓋是一種重要的作物栽培技術，主要包括秸稈、地膜、地布、草簾覆蓋以及林下生草等栽培模式[18-19]。它具有保持土壤溫度[20]、改變土壤理化性質[21-22]、改善生態環境[23]、增加作物產量和品質的作用[24-27]，是糧食、果蔬高產的有力保障之一。關于秸稈、地膜等覆蓋模式研究多見于大田作物和設施蔬菜當中[28-32]，而果園覆蓋研究相對較少。因此，掌握覆蓋模式下果園土壤環境效應的演變規律，可為制定果園科學合理管理模式提供理論依據。

本研究通過對比不同地膜覆蓋和林下生草覆蓋模式下城郊農業區葡萄園土壤呼吸以及水熱環境特征，探討林下地表覆蓋模式對城郊農業區葡萄園生態系統碳循環與水熱環境變化過程的影響，以期為探索可操作的農業增匯減排技術、合理規劃城郊農業生態系統生產模式、提升雙重服務功能提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究于2015年在陜西省西安市長安區宏府現代農業科技示范園(109°08′07—109°″9′12″E,34°03′14″—34°06′23″N)進行，該區域屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，雨量適中，四季分明，氣候溫和，秋短春長。年平均氣溫15.5℃，降水量約600 mm，濕度69.6%，無霜期216 d，平均日照約1 377 h。最冷的1月份平均氣溫-0.9℃，最熱的7月份平均氣溫26.8℃。雨量主要分布在7—9月。年平均降雪日為13.8日，初雪日一般在11月下旬，終雪日一般在3月中旬。受地形影響，該區全年多東北風，年平均風速為1.3～2.6 m/s，試驗區土壤為塿土，土壤基本理化性質狀況見表1。

表1 試驗區土壤理化性質概況

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，葡萄林下設置5個覆蓋處理:對照CK(未覆蓋，裸露地表)(處理1)，分別引種酢漿草(OxaliscorniculataL.)(處理2)、白三葉草(TrifoliumrepensL.)(處理3)，覆蓋黑膜(處理4)、白膜(處理5)(圖1)。白三葉草在2014年3月21日播種，同日移栽酢漿草。葡萄品種為戶太8號，栽植密度為株距1.2 m，行距3 m，2014年進入葡萄結果期的第3年。所有處理均在距離樹干50 cm的操作行中進行，處理小區面積25.0 m×2 m，2014年秋季施用有機肥5 kg/株；2014年5月12日，施用鉀肥K2O每株20 g、氮肥N每株20 g。每一次施肥后，進行灌溉(滴灌)。在2015年3月10日，進行覆蓋黑色和白色聚乙烯塑料薄膜處理，葡萄園按照當地程序進行管理，每株葡萄樹保留13～15串果穗，每串果實保留80～90個果粒，此外，在果實結實期、果實膨大期和品質形成期對各處理分別進行了3次等量補充灌溉，保證生產需水量。每個處理在操作行中，采用“S”型隨機設置5個土壤呼吸測點，覆膜處理在各測點設置直徑11 cm膜孔，壓入PVC環，以備測定，呼吸測定完畢后用地膜封閉膜孔，生草處理在各測點直接壓入PVC環進行測定，環內不做除草處理；溫度測點緊鄰呼吸測點布設，每個監測點埋設一個溫度測量探頭，布設深度5 cm，共計5個溫度測點，；土壤水分監測點布設在呼吸測點之間，共計4個土壤水分監測點，每個監測點布設一根40 cm深TDR管。具體試驗布置見圖1。

圖1 試驗小區布置示意圖

1.3 土壤呼吸及微環境指標測定

(1)土壤呼吸速率測定(2015年5月上旬—10月下旬)。每小區選取代表性的5個測點，用美國Li-Cor公司生產Li-6400～09土壤呼吸室測定。測量前24 h將內徑為10.5 cm、高4.5 cm的PVC環壓入土壤3 cm，壓實外圈土壤以防漏氣。之后PVC環長期定位放置。上午09:00—11:00測定，取5個測點平均值作為小區CO2通量[μmol/(m2·s)]，即土壤呼吸速率。

(2)水分監測。土壤水分使用時域反射儀(TDR，英國劍橋伯威爾)進行測定，每個測量地塊深埋40 cm的TDR管，測量0—40 cm土壤含水量(每隔10 cm一個測點)，每隔7 d，測量1次水分，每個測量點重復3次。

(3)土壤溫度監測。土壤溫度使用北京百萬電子科技中心生產的多點溫度傳感器(HB403-04)進行測定，每小時測定1次，測量深度為5 cm。

(4)大氣溫度、濕度。在每個小區的中間部位(試驗區)上部1.5 m處，采用日本生產的HOBO(Prov2 Temp/RH Data Logger)溫濕度記錄儀，設置每兩個小時自動記錄一次，試驗研究階段溫濕度變化特征見圖2A。

(5)太陽輻射、風速。太陽輻射采用美國的CR10X-2M數據采集裝置和LI200X硅晶體輻射傳感器組成的太陽輻射測量儀監測，風速采用LE2151風速傳感器進行監測，在08：00—18：00每兩個小時自動記錄，太陽輻射與風速變化特征見圖2B。

圖2 2015年葡萄生長期大氣溫度、濕度、風速和太陽輻射強度變化特征

(6)降雨量。使用HM-YLJC降雨監測設備逐日監測降雨量，降雨情況見圖3。

1.4 數據分析

采用Origin 2019 pro繪圖，采用SASV8.0統計軟件進行方差分析(ANOVA)及多重比較、非線性回歸分析。

利用非線性回歸方法分析不同覆蓋處理下土壤呼吸速率與土壤濕度的關系[公式(1)—(3)]，選擇最優模型，并進行顯著性檢驗：

R=aM2+bM+c

(1)

R=aebM

(2)

R=aMb

(3)

式中：R為土壤呼吸速率；M為土壤含水率(%)；a，b，c均為擬合參數。

利用指數模型分析不同覆蓋處理下土壤呼吸速率與土壤溫度的關系[公式(4)]，進行顯著性檢驗，并計算呼吸速率溫度敏感性系數Q10[公式(5)]：

R=AeBT

(4)

Q10=e10B

(5)

式中：R為土壤呼吸速率；T為土壤溫度(℃)；A，B均為擬合參數。

土壤貯水量計算公式：

Dw=θv·h

(6)

式中:Dw為土壤貯水量(mm);θv為土壤容積含水量(%);h為土壤厚度(mm)。

2 結果與分析

2.1 土壤呼吸特征

對不同生長時期土壤呼吸數據資料分布情況進行總體分析，小提琴圖(圖4A)顯示，CK土壤呼吸速率均值較低，白三葉覆蓋處理下的葡萄園地土壤呼吸速率均值較高；CK土壤呼吸速率分布比較集中，其余處理(酢漿草、白三葉、黑膜、白膜)葡萄園地土壤呼吸速率分布較為離散，尤其以酢漿草和白三葉覆蓋處理數據分布不夠均勻，覆蓋處理土壤呼吸速率存在較為明顯的離散值。對不同覆蓋處理葡萄園地土壤呼吸速率進行多重比較(LSR法)顯示(圖4A)，各覆蓋處理(酢漿草、白三葉、黑膜、白膜)相對于CK，土壤呼吸存在極顯著差異(p<0.01)，說明各覆蓋處理均顯著提高了CO2的排放速率。

分析不同時期土壤呼吸變化特征(圖4B)，在葡萄生產期(5—10月)，各處理土壤呼吸均呈現出一定的峰值變化特征，總體表現為先增后減再增再減的變化趨勢，各處理的峰值出現在8月，CK、酢漿草、白三葉、黑膜、白膜覆蓋葡萄園地最大值分別為5.11，8.72，12.17，9.99，8.08 μmol/(m2·s)。而林下覆膜處理(黑膜、白膜)和林下生草(酢漿草、白三葉)處理表現出一定的時間變化異質性，林下覆膜分別在6月份(白膜覆蓋)和7月份(黑膜覆蓋)表現出短暫的局部下降趨勢。各處理土壤呼吸在5—7月、9—10月變化速率相比7—9月期間較弱。白三葉覆蓋處理相對于其他覆蓋處理，在5—10月期間一直表現出較高的CO2排放速率。

圖4 土壤呼吸速率變化特征

2.2 土壤水分垂直變化特征

不同處理下的葡萄園地水分在不同時期呈現出較為明顯的剖面垂直分異特征，且覆蓋處理相比CK均表現出明顯的水分保持能力(圖5)。在5—10月，在0—40 cm土層內，隨著深度的增加，土壤水分整體表現為增加趨勢，下層土壤表現出較為良好的持水能力；在30—40 cm土層上，各處理土壤含水率有不斷接近，趨于穩定變化。5—7月，在0—30 cm剖面內，黑膜和白膜覆蓋相比酢漿草、白三葉覆蓋處理表現出較好的持水能力，而在30—40 cm土層區域內，酢漿草和白三葉覆蓋處理開始表現出較好的持水能力。8—9月，在0—40 cm土層，酢漿草、白三葉、黑膜覆蓋相比白膜覆蓋表現出較強的持水保水能力。在5—10月，由于5月與7月份相比其他月份月降雨量較少(圖3)，因而各處理在0—40 cm土壤含水量相對較低，但下層土壤(20—40 cm)相比表層土壤(0—10 cm)表現出較高的含水量。

圖5 土壤水分垂直變化特征

不同處理下的葡萄園地各土層層之間土壤平均貯水量顯現出不同的變化規律(表2，圖6)。不同覆蓋處理下土壤0—10 cm土層內平均貯水量介于(11.79±1.00)～(19.70±0.98)mm，各處理與CK貯水量存在顯著差異，黑膜貯水量顯著高于其他覆蓋處理，黑膜與白膜相比其他覆蓋模式貯水量波動較小；10—20 cm土層內平均貯水量介于(14.06±1.33)～(22.34±0.72)mm，酢漿草、白三葉、白膜覆蓋貯水量差異并不明顯，但與黑膜、CK組存在顯著差異，且黑膜與白膜仍表現出較小波動，黑膜在該區域貯水量最高，且變異程度相對較弱；20—30 cm土層內平均貯水量介于(16.90±0.56)～(23.38±0.51)mm，該層各處理與CK貯水量存在顯著差異，但各處理之間差異并不顯著，波動較為相近，該層的持水效果較為接近；30—40 cm剖面內平均貯水量介于(18.56±0.54)～(24.75±0.16)mm，該區域內各處理與CK存在顯著差異，CK與白膜覆蓋表現出較強的變異性。

圖6 土壤水分垂直剖面變異系數

表2 5-10月土壤貯水量垂直變化狀況 mm

不同覆蓋模式下，隨著土層深度的增加，各區域的貯水量增加，地膜覆蓋和生草覆蓋相對于露地蓄水能力提升明顯，在0—10 cm層，生草覆蓋貯水量提升40.9%～42.7%，地膜覆蓋提升50.7%～67.1%；在10—20 cm層，生草覆蓋貯水量提升36.4%～37.3%，地膜覆蓋提升43.5%～58.8%；在20—30 cm層，生草覆蓋貯水量提升33.4%～36.7%，地膜覆蓋提升30.3%～38.3%；在30—40 cm層，生草覆蓋貯水量提升32.3%～33.3%，地膜覆蓋提升30.2%～22.1%。

2.3 土壤溫度變化特征

不同覆蓋處理下的葡萄園地溫度(5 cm)在不同時期呈現出一定的差異特征(圖7)，各處理土壤溫度特征值見表3。林下覆膜處理(黑膜、白膜)平均溫度均高于CK，而林下生草覆蓋處理(酢漿草、白三葉)平均溫度均低于CK，林下覆膜處理增溫效果整體強于林下生草覆蓋處理。溫度的最大值為38.9℃，出現在黑膜覆蓋處理中，而最小值為15.1℃，出現在CK當中，黑膜的增溫效果相對較強，而CK的增溫效果最差。總體分析各處理5—10月土壤溫度變化趨勢，溫度變化趨勢和變化節點表現出較為相似的規律性，但局部的變化幅度和變異程度存在一定差異，變化峰值出現在9—10月份。黑膜覆蓋處理的溫度變異系數相比其他處理，表現為最小，而CK變異系數最大，這表明黑膜在維持土壤溫度穩定(小變異系數)要優于其他處理，而露地維持溫度穩定相對較差，除黑膜外，其他覆蓋處理在維持土壤溫度穩定方面為未表現出明顯差異。

圖7 2015年土壤溫度變化特征

2.4 土壤呼吸速率對水熱環境的響應

為了進一步探明不同覆蓋處理下葡萄園地林下土壤呼吸對水分和溫度的響應趨勢，分別對不同覆蓋處理的土壤呼吸和土壤水分、溫度進行非線性回歸[水分與呼吸速率回歸模型見公式(1)—(3)選擇較優模型，溫度與呼吸速率回歸模型見公式(5)]。

由表4可知，CK、黑膜、白膜覆蓋處理土壤水分與土壤呼吸均呈現二次函數關系，其中CK處理在0—10 cm，10—20 cm，30—40 cm土層呈現極顯著關系(p<0.01)，在20—30 cm剖面呈現顯著關系(p<0.05)；黑膜和白膜覆蓋處理在0—10 cm土層呈現顯著關系(p<0.05)，在10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層呈現極顯著關系(p<0.01)。酢漿草和白三葉覆蓋處理呈現顯著指數函數變化關系，其中酢漿草覆蓋處理在0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm呈現極顯著關系(p<0.01)，在30—40 cm土層呈現顯著關系(p<0.05)；白三葉覆蓋處理在0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm呈現顯著關系(p<0.05)，在30—40 cm土層呈現極顯著關系(p<0.01)(表3)。酢漿草、白三葉覆蓋處理土壤呼吸對各剖面水分呈現較為單一的響應變化趨勢，而黑膜與白膜覆蓋處理土壤呼吸對各剖面水分呈現出較為復雜的響應變化趨勢，水分存在一定閾值變化響應關系。這些現象可能歸因于不同覆蓋處理下表層土壤與下層土壤生化環境的異質性。

表3 不同處理土壤溫度特征值

表4 不同處理下水分(M)與土壤呼吸速率(R)擬合模型

由表5可知，各處理土壤溫度(5 cm)與土壤呼吸速率呈現指數函數關系，其中黑膜與白膜覆蓋處理表現出極顯著(p<0.01)指數關系，而其他處理表現為顯著(p<0.05)指數關系。這表明隨著溫度的增長，各處理土壤呼吸速率均表現為增長趨勢。進一步分析各處理呼吸速率溫度敏感系數(Q10)，各處理溫度敏感系數表現為：黑膜>CK>白膜>白三葉>酢漿草，在發生同樣的溫度變化擾動時，黑膜覆蓋園地將比CK(露地)土壤將表現出更強的土壤CO2排放速率，而其他處理相對CK(露地)土壤將表現出較弱的CO2排放速率，其中白三葉覆蓋與酢漿草覆蓋園地呼吸速率溫度敏感性相差較小。

表5 不同處理下溫度(T)與土壤呼吸速率(R)擬合模型

3 討 論

3.1 不同覆蓋模式下土壤呼吸變化特征分析

Tang[33]，Pingintha[34]等認為土壤呼吸的季節性波動可能要歸因于土壤溫度、水分，通常具有溫度和水分驅動的季節性模式。本研究中5種不同覆蓋模式下葡萄園地土壤呼吸值在5—10月均表現出一定的峰值變化趨勢，變化具有明顯的季節性；各處理土壤呼吸峰值均出現在8月份，這種季節性變化應該歸因于研究區域溫度和水分綜合作用。Li等[29]學者研究認為塑料薄膜覆蓋相比未覆蓋可以顯著提高細菌、真菌和放線菌的豐度，增加了土壤呼吸。Mu等[30]對設施蔬菜黃瓜進行秸稈、薄膜以及混合覆蓋處理，結果發現覆蓋處理土壤呼吸速率顯著高于未覆蓋處理。也有學者認為，秸稈和塑料薄膜的覆蓋可以提升農田對CO2的有效固定量，增加作物產量，與未覆蓋相比更有利于農田生態系統的碳匯，并且在未來的氣候情景下可能減輕土壤呼吸的變化[32,35]。本研究中，無論是林下生草還是林下覆膜覆蓋方式相比未覆蓋處理均增強了土壤呼吸速率。而林下生草作為一種覆蓋模式，除了改變土壤理化環境，對作物生長的生物環境也有復雜的影響過程，本研究中，林下種植白三葉和酢漿草的葡萄園地表現出相差較大的土壤CO2排放速率。因此林下生草相比林下覆膜碳源匯強度表現更為復雜，在實際種植過程中要根據培植植物的種類和生物學特性進行剖析。

3.2 不同覆蓋模式下土壤水分與溫度變化規律

土壤水分影響土壤形成的各個過程，直接制約植株生理生化及營養生長過程。土壤溫度也是影響果樹的生長和發育另一個重要因素。而地表覆蓋可以有效地減少土壤水分蒸發，保持土壤濕度[36-37]，同樣可以通過改變地表光照度和熱量向深層土壤傳遞，影響果園土壤熱量的收支平衡[38]。李曉龍等[39]研究發現與清耕相比，農用地毯和碎木屑覆蓋、行間生草可明顯降低深度土壤溫度，提高土壤含水量。黃金輝等[40]則認為各覆蓋處理的蓄水量與其土壤溫度并不都呈負相關，而是由不同覆蓋物的保水效果和保溫性質共同決定。本研究中，在同樣的生產管理程序下，薄膜覆蓋處理和生草覆蓋葡萄園地在(0—40 cm)土層內土壤含水率、貯水量均高于CK，表現出較強的土壤水分保持能力，而且不同時期呈現出較為明顯的剖面垂直分異特征。隨著深度的增加，土壤水分整體表現為增加趨勢，下層土壤相比表層土壤表現出較為良好的持水能力，這是由于覆蓋處理相比裸露地表增加了土壤下層的土壤含水量，同時覆蓋可以通過限制土壤表層蒸發來增強水分的向下滲透[41]。8—9月，酢漿草、白三葉林下生草處理相比黑膜、白膜覆蓋處理表現出較強的持水保水能力，且土壤表層以下表現出較為穩定的水分含量，這可能與草皮根系的水源涵養能力有關。在改善地表溫度方面，林下覆膜處理增溫效果整體強于CK，而林下生草覆蓋處理弱于CK。黑膜的增溫效果相對較強，而露地的保溫效果最差。同樣，黑膜在維持土壤溫度穩定方面要優于其他處理，而露地維持溫度穩定相對較差，這正好印證了黃金輝關于覆蓋的保溫效果的研究結果，土壤溫度的保溫效果跟覆蓋物的性質有很大關系，黑膜的增加、保持地溫的效果與膜材質本身有很大的關聯[40]。

3.3 不同覆蓋模式下水熱環境對土壤呼吸響應特征

土壤水分和溫度是影響土壤呼吸的兩個重要因素。土壤水分對呼吸的影響機制較為復雜，不同剖面深度土壤水分的波動會引發生土壤呼吸響應特征的差異。部分學者[42-45]認為土壤水分與土壤CO2排放之間或存在二次函數，或存在指數函數，或存在冪函數關系，土壤呼吸速率在一定范圍內隨土壤含水量的增加而增加，當含水量超過此范圍時，土壤呼吸速率隨土壤含水量增加而降低或者保持平穩，不同生態系統中均存在土壤呼吸的水分閾值。本研究中，黑膜和白膜覆蓋以及裸露地表的葡萄園地中，各剖面的土壤水分與土壤呼吸速率呈現顯著的二次函數關系，而林下種植白三葉和酢漿草的葡萄園地中，各剖面土壤水分與土壤呼吸則呈現指數函數關系，造成這種現象的原因可能來自于兩方面：其一，在生長—生產期，與地膜覆蓋和裸露地表園地相比，在原有土壤呼吸的基礎上增加了林下草根系和根系微生物的呼吸作用；其二，雖然林下生草園地剖面下層土壤水分高于薄膜覆蓋和裸露地表園地，但林下生草園地總體生物量較大，生產過程需水量較高，較高的土壤含水量并不能對總體土壤呼吸造成限制。關于土壤溫度與土壤呼吸響應特征研究多以指數函數形式擬合，且土壤表層溫度與呼吸擬合效果較好[8,46-48]。本研究中，在溫度響應方面，各覆蓋處理土壤溫度(5 cm)與土壤呼吸速率呈現指數函數關系，這表明，隨著溫度的增長，各處理土壤呼吸速率均表現為增長趨勢。土壤升高相同溫度時，黑膜覆蓋將表現出更強的土壤CO2排放速率，而其他處理表現出相對較弱的CO2排放速率，這表明黑膜覆蓋與其他覆蓋模式相比，更容易引發土壤CO2的排放。

4 結 論

(1)4種不同覆蓋處理相比CK顯著提高了葡萄園地土壤呼吸速率(p<0.05)，各處理土壤呼吸速率表現出一定的季節變化特征，峰值出現在8月份；林下生草模式相比林下覆膜模式較為復雜，總體表現為：白三葉>黑膜>白膜>酢漿草。

(2)各處理葡萄園地隨著深度的增加，土壤水分整體表現為增加趨勢，下層土壤表現出較為良好的持水能力，且覆蓋處理相比CK均表現出明顯的水分保持能力。林下覆膜(黑膜、白膜)相比林下生草(酢漿草、白三葉)持水保水能力表現突出。林下覆膜處理(黑膜、白膜)平均溫度均高于CK，而林下生草覆蓋處理(酢漿草、白三葉)平均溫度均低于CK，林下覆膜處理增溫效果整體強于林下生草覆蓋處理。黑膜的增溫效果相對較強，且維持土壤溫度穩定要優于其他處理，而露地維持溫度穩定相對最差。

(3)林下覆膜模式土壤呼吸與土壤水分呈現顯著二次函數關系(p<0.05)，而林下生草模式土壤呼吸與土壤水分呈現指數函數關系(p<0.05)；各處理土壤溫度與土壤呼吸速率呈現指數函數關系，且各處理溫度敏感系數表現為：黑膜>CK>白膜>白三葉>酢漿草。