环境科学学报  2021, Vol. 41 Issue (11): 4720-4730
引用本文
涂婷婷, 江长胜, 胡曼利, 等. 2021. 地膜覆盖和施氮对菜地CO2通量的影响[J]. 环境科学学报, 41(11): 4720-4730.
Tu T T, Jiang C S, Hu M L, et al. 2021. Effects of plastic film mulching and nitrogen fertilizer application on CO2 fluxes from a vegetable field[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 41(11): 4720-4730.
地膜覆盖和施氮对菜地CO2通量的影响    [PDF全文]
涂婷婷1,2, 江长胜1,2, 胡曼利1, 陈鑫童1, 胡剑1, 熊艳芳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: 2021-02-02; 修回日期: 2021-03-24; 录用日期: 2021-03-24
基金项目: 国家自然科学基金（No.41977186，41275160）；重庆市基础研究与前沿探索项（No.cstc2019jcyj-msxmX0425，cstc2018jcyjAX0476）；重庆市研究生科研创新项目（No.CYS20115）
作者简介: 涂婷婷(1997—), E-mail: 1454834907@qq.com
通讯作者（责任作者）: 郝庆菊, E-mail: haoqingju@126.com
摘要：为了探讨地膜覆盖和不同施氮处理对菜地生态系统CO2净交换通量（Net CO2 Ecosystem Exchange，简称NEE）、生态系统呼吸通量（Ecosystem Respiration，简称ER）及总初级生产力（Gross Primary Productivity，简称GPP）的影响，以辣椒-萝卜轮作菜地为研究对象，采用静态明/暗箱-气相色谱法，进行了为期1 a（2014年5月-2015年4月）的田间原位观测.试验设置8个处理，分别为常规无氮（CN0）、覆膜无氮（MN0）、常规低氮（CN1）、覆膜低氮（MN1）、常规中氮（CN2）、覆膜中氮（MN2）、常规高氮（CN3）、覆膜高氮（MN3）.结果表明，辣椒季累积NEE最大值分别为CN3和MN3处理下的-30.96和-29.83 t·hm-2，累积ER排放量最大值分别为CN1和MN1处理下的40.18和39.16 t·hm-2，累积GPP最大值分别为CN3和MN3处理下的70.60和68.61 t·hm-2；萝卜季累积NEE最大值分别为CN3和MN3处理下的-22.25和-24.88 t·hm-2，累积ER排放量最大值分别为CN2和MN2处理下的17.00和19.43 t·hm-2，累积GPP最大值分别为CN3和MN3处理下的37.92和43.80 t·hm-2.在两个生长季中，覆膜及覆膜和施氮的交互作用只对辣椒季中ER有显著影响，对于NEE和GPP均无显著影响（p>0.05）；施氮显著提高了菜地生态系统NEE和GPP而降低了辣椒季ER（p < 0.05），并且这种增加或降低效应随着施氮量的提高而逐渐增强.本研究中菜地呈现碳汇并随着施氮水平的提高碳汇逐渐增强，而覆膜对CO2固定无显著影响，表明常规高氮的农田管理措施能够提高西南地区代表性的辣椒-萝卜轮作菜地的固碳潜力，对该地区农田生态系统碳的源/汇功能具有一定的参考意义.
关键词：地膜覆盖    施氮    CO2净交换通量    生态系统呼吸通量    总初级生产力    
Effects of plastic film mulching and nitrogen fertilizer application on CO2 fluxes from a vegetable field
TU Tingting1,2, JIANG Changsheng1,2, HU Manli1, CHEN Xintong1, HU Jian1, XIONG Yanfang1, HAO Qingju1,2    
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 2 February 2021; received in revised from 24 March 2021; accepted 24 March 2021
Abstract: In order to investigate the effects of plastic film mulching and nitrogen application on carbon fluxes from vegetable fields, net CO2 ecosystem exchange (NEE), ecosystem respiration (ER) and gross primary productivity (GPP) were monitored in a hot pepper (Capsicum annuum)-radish (Raphanus sativus) rotation in southwest China for one year between May 2014 to April 2015 by using static transparent/opaque chamber method. Plastic film mulching (M) and no mulching (C) were installed as main treatments, and four N application rates as sub-treatments were arranged in each main treatment. Thus the following eight field treatments were included: MN0 and CN0 (no-N application control), MN1 and CN1 (150 or 100 kg·hm-2 for hot pepper or radish), MN2 and CN2 (300 or 200 kg·hm-2 for hot pepper or radish), MN3 and CN3 (450 or 300 kg·hm-2 for hot pepper or radish season). The results showed that in hot pepper season, the maximum cumulative NEE was -30.96 and -29.83 t·hm-2 under CN3 and MN3 treatments, the maximum cumulative ER was 40.18 and 39.16 t·hm-2 under CN1 and MN1 treatments, and the maximum cumulative GPP was 70.60 and 68.61 t·hm-2 under CN3 and MN3 treatments, respectively. In radish season, the maximum cumulative NEE was -22.25 and -24.88 t·hm-2 under CN3 and MN3 treatments, and the maximum cumulative ER in radish season was 17.00 and 19.43 t·hm-2 under CN2 and MN2, and the maximum cumulative GPP was 37.92 and 43.80 t·hm-2 under CN2 and MN2, respectively. During the two growing seasons, film mulching had significant effect on ER in hot pepper season, but had no significant effect on NEE and GPP (p>0.05); nitrogen application significantly increased NEE and GPP in hot pepper and radish seasons, but decreased ER in hot pepper season (p < 0.05), and these effects of increase or decrease gradually strengthened with the increase of nitrogen application. Vegetable field acted as a carbon sink and increased with the increase of nitrogen application, while film mulching had no significant effect on CO2 fixation, indicating that high nitrogen application with no mulching practice can increase the carbon sequestration potential in hot pepper and radish rotation field in Southwest China.
Keywords: plastic film mulching    nitrogen application    net CO2 ecosystem exchange    ecosystem respiration    gross primary productivity    
1 引言(Introduction)

CO2是大气中最重要的温室气体, 约占全球变暖强度的56%(IPCC, 2007).农田生态系统的碳循环对全球碳平衡会产生明显的影响(Foley et al., 2005).农田生态系统通过土壤和作物呼吸向大气释放CO2, 再通过作物光合作用从大气中吸收CO2, 从而形成碳汇或碳源.这种碳循环的变化可以通过研究生态系统中CO2净交换通量(NEE)、生态系统呼吸通量(ER)和总初级生产力(GPP)间的变化情况反映出来.NEE作为生态系统呼吸CO2排放与光合作用CO2吸收量的差值, 其值为负表示净吸收, 代表该生态系统为碳汇；其值为正表示净排放, 则代表该系统为碳源(王进等, 2015).GPP能够表征陆地生态系统的质量状况, 是判定生态系统碳收支情况和调节生态系统过程的主要因子(闫霜, 2014).NEE动态可确定GPP和ER在生态系统碳动态中的重要性, 而累计NEE可确定碳储存或释放周期(Beziat et al., 2009).碳汇/源的大小和细微的动态变化都可能会对大气中CO2浓度产生重大影响(Steven, 1998; Schlesinger et al., 2000; Batjes, 2014).

地膜覆盖栽培具有包括增温保温、保墒提墒、改善土壤结构等作用(彭素华等, 2019), 但覆膜通过改变土壤环境, 从而影响生态系统碳通量.目前, 覆膜对农田生态系统固碳能力影响的研究结果并不一致.Nan等(2016)在对黄土高原玉米田覆膜后的温室气体排放研究中发现, 地膜覆盖后玉米根系生长促进了土壤呼吸, 提高了土壤CO2产量, 因此, 显著增加了生态系统CO2的潜在排放.但Li等(2011)研究表明, 地膜覆盖之下的生态系统CO2排放量降低, 主要是由于薄膜阻碍了CO2排放入大气的途径.氮素是保证作物生长的重要营养元素, 施加氮肥能够直接影响碳转化微生物数量和活性(高洪军等, 2017), 进而影响生态系统碳循环(卢蒙, 2009).Yan等(2020)的实验表明, 施氮促进了农田生态系统C通量的增加, 而过量施氮对农田生态系统的固碳率没有促进作用.近年来, 地膜覆盖和施氮作为最普遍的增产措施常常被联合使用, 有学者发现覆膜和施氮引起的生态系统碳循环变化可通过CO2通量反映出来(Niu et al., 2010).覆膜和施氮及二者的交互作用如何影响农田生态系统的碳通量？有关该方面的研究还未见报道.因此, 研究覆膜和施氮对农田生态系统CO2通量的影响对科学评估其固碳潜力有着重要意义.

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, 采用静态明/暗箱技术进行为期1年的田间原位观测, 探讨地膜覆盖和施氮对菜地生态系统CO2各通量变化的影响, 以及探寻农田作物增产固碳的最佳农艺措施.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验区概况

实验地点位于西南大学实验农场(106°26′E, 30°26′N), 海拔230 m, 气候类型为亚热带季风气候, 年日照时数为1276.7 h, 无霜期年均约334 d.如图 1所示, 该试验站在实验期内大气温度和降雨具有明显的季节性变化, 且具有明显的雨热同期的特征.辣椒季的气温相对较高, 在8月达到最高温度35.1 ℃, 降雨频繁且日降雨量较高, 符合南方夏季潮湿闷热的特点.萝卜季温度在1、2月降到了最低的4.4 ℃, 降雨较春夏季显著减少, 在12—3月降雨天数仅有26 d且日降雨量低于5 mm.试验期间全年降雨量为934.2 mm, 年平均气温为18.9 ℃.

图 1 试验区日平均气温和降雨量的季节变化 Fig. 1 Seasonal changes in daily for precipitation and daily mean air temperature

实验研究对象为西南地区具有代表性的辣椒-萝卜轮作菜地.由于重庆冬暖春早、夏热秋凉的气候条件和食辣的饮食习惯, 辣椒已成为重庆重点发展的特色作物之一.统计数据表明, 重庆辣椒常年种植面积约占重庆蔬菜种植面积的10%, 约3.4万余hm2(黄任中等, 2010).而作为冬春蔬菜的萝卜是重庆市蔬菜品种中种植面积与产量均位列前3位的蔬菜品种(重庆市农业技术推广总站, 2012).土壤类型为中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥岩母质上发育的灰棕紫泥, 其基本理化性质为: 有机质25.29 g·kg-1、全氮1.35 g·kg-1、碱解氮56.62 mg·kg-1、总磷646.00 mg·kg-1、有效磷5.94 mg·kg-1、总钾9.44 g·kg-1、有效钾102.47 mg·kg-1.

2.2 实验设计与方法

于2014年5月—2015年3月进行了为期约1 a的田间试验观测.种植作物为辣椒-萝卜轮作, 蔬菜种植前平地起垄, 单垄长280 cm、垄宽70 cm、高15 cm, 垄间距30 cm.设置地膜覆盖和常规(不覆盖)两种处理, 其中, 覆膜处理选用120 cm宽的地膜(0.005 mm聚乙烯透明薄膜)覆于垄上, 两边用土压实, 作物生育期及休闲期全程覆膜.根据梁涛等(2021)的调查, 重庆地区蔬菜氮肥施用量为200~300 kg ·hm-2, 本实验的常规和覆膜处理在此基础上均设置4个施氮梯度, 共8个处理: 常规无氮和覆膜无氮(CN0和MN0, 辣椒季和萝卜季均施氮0 kg·hm-2)、常规低氮和覆膜低氮(CN1和MN1, 辣椒季和萝卜季分别施氮150和100 kg·hm-2)、常规中氮和覆膜中氮(CN2和MN2, 辣椒季和萝卜季分别施氮300和200 kg·hm-2)、常规高氮和覆膜高氮(CN3和MN3, 辣椒季和萝卜季分别施氮450和300 kg·hm-2), 所有处理均设置4个重复.所有实验小区施入相同的钾肥(100 kg·hm-2)和磷肥(150 kg·hm-2), 均在翻耕栽种(播种)前一次性施入耕作层中, 氮肥则按基肥追肥体积比1∶1施入土中.氮肥为尿素(TN≥46.4%), 磷肥为过磷酸钙(有效P2O5≥12%), 钾肥为氯化钾(K2O≥60%).2014年5月18日移栽辣椒苗, 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10日进行农地翻耕、施肥、覆膜和点种萝卜籽, 2014年11月28日追施氮肥, 2015年3月16日一次性收获.

2.3 气体样品的采集和分析

菜地生态系统CO2净交换通量(NEE)的测定采用静态明箱法, 生态系统呼吸通量(ER)的测定采用静态暗箱法.箱体设计制作为分节组合式标准箱, 由底座、延长箱和顶箱组成, 明箱的顶箱和延长箱为透明材料聚碳酸酯, 暗箱的顶箱和延长箱均由不锈钢制成, 顶箱和延长箱长50 cm、宽50 cm、高50 cm, 顶箱内上部有两个轴流扇, 用于混合箱内气体, 外侧面安装有电源接头和气体样品接口, 箱体覆盖棉被.底座(长50 cm、宽50 cm、高20 cm)均由不绣钢制成, 上端有深3 cm、宽2 cm的密封水槽, 埋置在垄上, 采样时将顶箱扣在底座上, 用水密封.

每周采集一次气体(如遇下雨等天气视情况延期采样时间), 采样时间均为上午9:00—11:00, 先使用静态暗箱法采集气样, 在30 min的罩箱时间内每隔10 min采集一次气样, 共采集4个气样.然后再使用静态明箱法采集气体, 扣箱时间为6 min, 采样间隔为2 min, 一共采集4个气样.每次施基肥、追肥和大雨后均连续采样3 d.

采集的气体样品立即送回实验室用Agilent 7890A气相色谱仪分析测定, 采用氢火焰离子检测器测定CO2浓度, 并根据采样箱内气体浓度随采样时间的变化来计算气体的排放通量(Davidson et al., 2002), 用线性内插法计算季节累积排放量(高德才等, 2015), 根据Lloyd & Taylor方程, 以同一天内NEE与ER的差值计算得到GPP, 即GPP=ER-NEE(Lindner et al., 2015).

2.4 土壤指标的测定方法

在气体样品采集的同时由JM624型便携式测温计测定5 cm深土壤温度.在每次采集气体之后, 多点采样法(5个点)分别采集CN2和MN2处理垄上0~20 cm深土样, 用烘干法((105±2) ℃)测定土壤含水率.土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸法提取(Vance et al., 1987), Multi N/C 2100分析仪测定, 土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定(鲁国坤, 2000).

2.5 数据处理

采用SPSS 21.0独立样本t检验分析覆膜处理下CN2与MN2中土壤湿度、土壤温度、土壤微生物生物量碳及土壤有机质的显著差异性；覆膜和施氮处理下NEE、ER和GPP累积排放量的显著差异性采用双因素方差分析；NEE、ER及GPP与土壤含水率和温度的相关性采用Pearson相关性分析.

3 结果(Results) 3.1 地膜覆盖对土壤性质的影响 3.1.1 土壤温度和湿度

图 2为观测期间CN2及MN2处理下土壤温度和湿度的季节变化情况.辣椒季CN2和MN2处理下平均土壤温度分别为23.5 ℃和26.7 ℃, 平均土壤湿度分别为16.9%和16.3%.种植初期由于温度适宜且降雨量多, 土壤温度和湿度均趋于稳定状态, 7、8月受炎热天气影响土壤温度大幅提升, 达到最高值(CN2处理为26.95 ℃, MN2处理为33.5 ℃), 在不断升高的土壤温度下土壤蒸发作用旺盛, 导致土壤湿度降低, 含水率降到最低值(CN2处理为7.35%, MN2为6.41%).萝卜季CN2和MN2处理下平均土壤温度分别为12.8 ℃和12.9 ℃, 平均土壤湿度分别为19.7%和22.1%, 该种植季降雨量少且气温低, 土壤温度在初期不断降低至12月达到稳定状态, 而含水率不断升高到11月后波动幅度减小.在辣椒季中, 覆膜显著提高了土壤温度(p < 0.05), 而对土壤湿度无显著影响(p>0.05)；但在萝卜季呈相反的结果, 表现为覆膜对土壤温度无显著影响(p>0.05), 却显著提高了土壤湿度(p < 0.05).这表明覆膜的增温保温作用在气温较高的春夏季能更好发挥, 而提高土壤湿度的保水作用在冬季更加明显.

图 2 CN2和MN2处理下土壤温度和湿度的季节变化 Fig. 2 Seasonal variation of soil temperature and humidity under CN2 and MN2
3.1.2 土壤微生物量生物量

图 3为观测期间CN2及MN2处理下土壤MBC的季节变化情况. MBC是一种土壤属性, 用于指示土壤肥力状况(Li et al., 2004), 可以在一定程度上表征土壤微生物的生物量.由图可知, 地膜覆盖和常规处理下土壤中MBC的含量具有一致的变化趋势.在辣椒季, 覆膜对MBC含量无显著影响(p>0.05), 但覆膜后的MBC总体高于常规处理；在萝卜季, 覆膜显著提高了MBC含量(p＜0.05).

图 3 CN2和MN2处理下菜地土壤微生物生物量的季节变化 Fig. 3 Seasonal variation of microbial biomass carbon in vegetable soil treated under CN2 and MN2
3.1.3 土壤有机质

图 4为观测期间CN2及MN2处理下土壤有机质的季节变化情况.土壤有机质是土壤呼吸的主要碳源, 对土壤CO2排放有重要影响(陈召月等, 2020).在本研究中, 覆膜和常规处理的土壤有机质在辣椒季中变化趋势一致, 无显著差异(p>0.05)；而在萝卜季中二者变化趋势相反, 差异显著(p＜0.05), 覆膜促进了有机质在土壤中的积累.

图 4 CN2和MN2处理下菜地土壤有机质的季节变化 Fig. 4 Seasonal variation of soil organic matter in vegetable plots treated under CN2 and MN2
3.2 地膜覆盖和施氮量对NEE的影响

图 5为观测期内不同施氮水平下覆膜和常规处理所观测到的NEE的季节动态.在整个观测期内各处理变化趋势大致相同, 表明覆膜和施氮均未显著改变NEE的季节变化模式.辣椒季中, NEE从6月中旬开始快速增长, 在7、8月趋于稳定, 然后在8月末缓慢下降.而在萝卜季中, 整个观测期内均无较大波动, 只在生长旺盛的12月和1月有升高, 而后又趋于平缓.

图 5 不同处理下NEE的季节变化 Fig. 5 Seasonal variations of NEE under all the treatments

由表 1可知, 在辣椒和萝卜两个种植季, 各处理菜地累积NEE都呈现负值, 表现为CO2净吸收的状态, 菜地生态系统均为碳汇.从表 2可以看出, 覆膜在萝卜和辣椒季对NEE均无显著影响(p＞0.05), 而施氮则显著提高了累积NEE(p < 0.05), 且NEE随施氮量的增加而升高, 表明施氮促进了菜地生态系统对大气CO2的固存.另外, 覆膜与施氮的交互作用对NEE均无显著影响(p＞0.05)(表 2).

表 1 覆膜和施氮各处理季节累积NEE、ER及GPP Table 1 Seasonally cumulative NEE, ER and GPP under all the treatments t·hm-2

表 2 覆膜和施氮对NEE、ER及GPP的双因素方差分析 Table 2 Two-factor anova analysis of NEE, ER and GPP with all the treatments
3.3 地膜覆盖和施氮量对ER的影响

从图 6可以看出, ER在各处理中均具有相似的季节变化趋势.辣椒季中ER均呈钟形变化, 从5月底开始呈上升趋势, 在7、8月达到高峰, CN0、CN1、CN2、CN3处理下峰值分别为1615.05、2343.48、2370.04和3011.91 mg·m-2·h-1, MN0、MN1、MN2、MN3处理下的峰值分别为1060.15、2161.28、2098.51和2496.07 mg·m-2·h-1, 而后在9月初缓慢下降.萝卜季ER远低于辣椒季且变化幅度微小.

图 6 不同处理下ER的季节变化 Fig. 6 Seasonal variation of ecosystem respiration under all the treatments

表 1为整个观测期间各处理下ER的累积排放量.辣椒季中, 覆膜、施氮及其交互作用对ER均具有显著影响(p < 0.05)(表 2).除高氮处理外, 其余施氮处理下覆膜均显著降低了ER的累积排放量.不管是覆膜还是常规处理, 施氮处理下的ER累积排放量均显著高于无氮处理.而由表 2可知在萝卜季, 覆膜、施氮及其交互作用对ER的累积排放量均无显著影响(p>0.05).表明ER在雨热同期的辣椒季对覆膜和施氮的响应更加敏感.

3.4 地膜覆盖和施氮量对GPP的影响

各处理下GPP均表现出相似的季节变化趋势(图 7).辣椒季中, 7月GPP增长迅速, 在8月达到峰值后缓慢下降, 表现为明显的单峰型.而在萝卜季GPP随时间变化表现为脉冲式, 波动幅度小于辣椒季.

图 7 不同处理下总初级生产力的季节变化 Fig. 7 Seasonal variation of gross primary productivity under all the treatments

从表 2可以看出, 不管是辣椒季还是萝卜季, 施氮对GPP季节累积量均具有显著影响(p < 0.05), 而覆膜及其交互作用则影响不显著(p>0.05).在辣椒季和萝卜季, 不管是否覆膜, 施氮均显著提高了GPP的季节累积量, 而且这种提升作用随着氮肥施用量的增加而逐渐减弱(表 1).辣椒季和萝卜季中, 常规处理下CN1与CN0之间GPP季节累积量的增幅百分比最大, 分别达到28.81%和17.24%.而覆膜处理下, 辣椒季中MN1与MN0之间增幅最大, 为44.54%, 萝卜季中MN2与MN1之间的增幅最大, 为26.80%.

3.5 相关性分析

相关性分析表明(表 3), 各处理中NEE、ER及GPP均随着大气温度的升高而增加.CN2、MN0、MN1处理下的NEE与大气温度呈显著正相关(p < 0.05), 除MN0外, 其它处理下的ER均与大气温度呈显著正相关(p < 0.01), 所有处理下的GPP均与大气温度呈显著正相关(p < 0.05, p < 0.01).CN1、CN2、MN1、MN3处理下的ER与含水率(即土壤湿度)呈显著负相关(p < 0.05, p < 0.01).常规处理下ER、GPP均与土壤温度呈显著正相关(p < 0.05), 而覆膜后MN1、MN2、MN3处理中的ER, MN0、MN1、MN3处理中的GPP均与土壤温度呈显著正相关(p < 0.05, p < 0.01).仅有CN0、CN1、CN2处理下的ER与土壤中MBC呈显著正相关(p < 0.05), 而所有处理下的NEE、ER、GPP均与土壤有机质含量无显著相关性(p>0.05).

表 3 NEE、ER及GPP与环境因子的相关性 Table 3 Correlation between environment variables and NEE, ER and GPP
4 讨论(Discussion) 4.1 地膜覆盖及施氮对菜地ER的影响

本研究中, 辣椒季覆膜显著降低了CO2排放量.众多研究表明, 土壤温度和湿度通过影响土壤微生物的活性(罗晓琦等, 2018)、土壤有机质的含量来改善土壤根系环境(Koncz et al., 2015), 从而对农田生态系统生态系统CO2的排放产生影响(Xu et al., 2016; Wang et al., 2020).覆膜显著提高了辣椒季的土壤温度(图 2), 使土壤中微生物活性增强(图 3), 从而促进了土壤CO2的排放(表 3).然而, 也有研究发现, 菜地土壤经过覆膜处理后可使土壤与大气隔离, 使得气体输送条件变差, 并且减少土壤表面的风扰动或湍流, 从而降低土壤与大气间CO2的交换速率, CO2仅通过一些植物孔洞释放或渗透到塑料薄膜中(Li et al., 2011), 因而减少了CO2排放通量.地膜覆盖一方面能阻碍气体交换而减少ER, 另一方面也能提高土壤温度来促进ER, 这两种情况的相对强弱决定了覆膜对ER的影响.因此, 本实验中覆膜显著降低了ER的主要原因可能是覆膜对气体交换的阻碍作用占主导地位, 造成了多产量而少排放的结果.Okuda等(2007)报道, 日本果园实验中覆膜减少了39%的CO2年排放量, 也与本研究结果相符.

同时, 研究发现施氮仅对辣椒季ER产生显著影响, 无论是覆膜还是常规处理, 施氮均会促进菜地CO2的排放.施加氮肥降低了农田土壤的碳氮比, 使微生物增长与繁殖速度加快, 刺激土壤根系的生长和植物根系呼吸, 从而促进土壤中有机质的分解与CO2的释放(张耀鸿等, 2011).周君玺等(2019)研究也发现, 与不施肥相比, 施用氮肥能显著增加农田CO2排放通量.此外, ER与气温呈显著正相关, 与土壤含水率呈负相关(表 3), 因此, 在气温较高且含水率较低的7—8月菜地生态系统呼吸导致的CO2排放最为强烈.

4.2 地膜覆盖及施氮对菜地NEE的影响

本研究发现, 覆膜对菜地NEE的影响并不显著.温度和水分是光合作用和呼吸作用的主导因子, 温度通过改变生物酶活性来影响叶绿素生成(Xiao et al., 2018)和生态系统呼吸(李岩等, 2019), 而土壤湿度通过控制植物气孔导度(罗丹丹等, 2019)和土壤通气性(雷宏军等, 2017)分别影响光合作用和呼吸作用, NEE作为光合作用和呼吸作用权衡后的生态系统碳收支, 受到上述两个过程的影响(干珠扎布, 2017), 因此, 土壤水热条件同时也是影响NEE的主要因素.高翔等(2014)在研究覆膜对旱作春玉米产量中发现覆膜通过增加土壤湿度、微生物活性来促进作物生长发育, 抑制土壤呼吸, 降低土壤CO2排放, 增大NEE.此外, 还有研究发现, 土壤中的CO2不能直接释放到大气中, 只能从不覆膜土壤和膜孔进行释放(Reth et al., 2005；Nishimura et al., 2012), 降低了土壤异养呼吸速率, 提高了净初级生产力(李志国等, 2012), 从而增加了NEE.但本研究的相关性分析表明, NEE与土壤温度、土壤湿度均无显著相关性(表 3), 这可能与试验区湿润多雨的气候特征有关.重庆属于亚热带季风性湿润气候, 冬暖夏热, 雨量充沛.试验年份的全市降水量较常年偏多近2成, 全年平均气温18.9 ℃, 丰沛的降水和较高的气温可能使得土壤温度和土壤湿度对于试验菜地NEE来说处于过饱和状态(陈继康等, 2009; 詹艳玲等, 2012), 从而导致覆膜未能对菜地NEE产生显著影响.

施氮显著提高了菜地NEE, 氮素可以通过改变生物和非生物因素对NEE产生影响.从表 2可以看出, 施氮显著提高了GPP的季节累积量, 增强了植物光合作用和地表活性.同时施氮也刺激了根和微生物的活性(朱利霞等, 2019)及呼吸作用(表 2), 导致整个生态系统的呼吸作用增强.然而, 施加氮素对GPP的提高幅度大于ER, 最终导致碳汇增加(蒋丽等, 2011).

4.3 地膜覆盖及施氮对菜地GPP的影响

在辣椒季和萝卜季中, 覆膜对GPP均无显著影响.由图 8可以看出, GPP在各处理下均与ER存在极显著的线性关系, 表明ER受GPP驱动.这与Lindner等(2015)的研究结果一致, 他们认为, GPP与作物生物量呈正相关, 而随着根生物量的增加, 维持呼吸增加, 因此, GPP与ER也呈正相关.总初级生产力代表植物吸收总碳量的过程, 也是生态系统光合作用的直接指标(高翔, 2018).申胜龙(2018)研究发现, 覆膜能延缓植株衰老, 对夏玉米进行覆膜能使植株叶绿素含量在一定程度上增加, 从而增强其光合作用的能力.高翔(2018)也认为覆盖地膜通常能促进作物的生长发育, 故对GPP有促进作用.而在本试验中, 覆膜在辣椒季对土壤含水率无显著影响, 反而导致温度过高；在萝卜季对土壤温度无显著影响, 未能达到保温的作用.温度直接影响光合作用过程中光反应与暗反应酶的催化活性(刘东焕等, 2002), 而夏季7、8月覆膜导致的过高温度会使植物体内的酶活性降低；此外, 为了减少蒸腾, 提高水分利用率, 植物势必引起气孔关闭, 并进一步影响光合速率(Beziat et al., 2009).因此, 在气候炎热的辣椒季和温度较低的萝卜季, 覆膜未能对GPP产生促进作用.

图 8 总初级生产力(GPP)与生态系统呼吸通量(ER)的关系 Fig. 8 Relationship between gross primary productivity (GPP) and ecosystem respiration(ER)

施氮对植物光合作用的影响会导致GPP的变化(Metcalfe et al, 2011).本研究中, 施氮显著提高了GPP累积量, 且GPP累积量随着施氮量的增加而增加.不同施氮量处理下GPP与ER之间呈显著线性关系(p < 0.001, 图 8), 这和重要的生态系统功能与植物生产力紧密耦合的观点相一致(游成铭等, 2016).研究证明, 氮肥输入可以通过提高叶片N浓度而增强植被光合能力(彭琴等, 2008), 同时增强土壤肥力, 使植物的叶片叶绿素含量升高, 促进植物的生长, 提高叶片光合作用和叶面积指数, 从而显著提高GPP.

5 结论(Conclusions)

1) 菜地生态系统CO2净交换通量(NEE)、生态系统呼吸通量(ER)及总初级生产力(GPP)具有明显的季节变化特征, 地膜覆盖和施氮均未改变其季节变化模式.

2) 地膜覆盖仅在辣椒季对ER有显著影响, 降低了CO2排放, 而对辣椒季和萝卜季中的NEE、GPP均无显著影响, 说明地膜覆盖并未增强菜地生态系统的固碳能力, 对生态系统碳循环未产生显著影响.

3) 施氮显著提高了辣椒和萝卜季中NEE、GPP, 且累积NEE、累积GPP均随氮肥施用量的增加而增强；只在辣椒季对ER有显著影响, 促进了CO2的排放.研究表明施氮增加了菜地生态系统固碳能力, 长期呈现碳汇, 对农业碳循环的可持续管理具有重要意义.

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