本研究于2015年在陕西省西安市长安区宏府现代农业科技示范园(109°08'07—109°″9'12″E, 34°03'14″—34°06'23″N)进行,该区域属于暖温带半湿润大陆性季风气候区,雨量适中,四季分明,气候温和,秋短春长。年平均气温15.5℃,降水量约600 mm,湿度69.6%,无霜期216 d,平均日照约1 377 h。最冷的1月份平均气温-0.9℃,最热的7月份平均气温26.8℃。雨量主要分布在7—9月。年平均降雪日为13.8日,初雪日一般在11月下旬,终雪日一般在3月中旬。受地形影响,该区全年多东北风,年平均风速为1.3～2.6 m/s,试验区土壤为塿土,土壤基本理化性质状况见表1。

试验采用随机区组设计,葡萄林下设置5个覆盖处理:对照CK(未覆盖,裸露地表)(处理1),分别引种酢浆草(Oxalis corniculata L.)(处理2)、白三叶草(Trifolium repens L.)(处理3),覆盖黑膜(处理4)、白膜(处理5)(图1)。白三叶草在2014年3月21日播种,同日移栽酢浆草。葡萄品种为户太8号,栽植密度为株距1.2 m,行距3 m,2014年进入葡萄结果期的第3年。所有处理均在距离树干50 cm的操作行中进行,处理小区面积25.0 m×2 m,2014年秋季施用有机肥5 kg/株; 2014年5月12日,施用钾肥K₂O每株20 g、氮肥N每株20 g。每一次施肥后,进行灌溉(滴灌)。在2015年3月10日,进行覆盖黑色和白色聚乙烯塑料薄膜处理,葡萄园按照当地程序进行管理,每株葡萄树保留13～15串果穗,每串果实保留80～90个果粒,此外,在果实结实期、果实膨大期和品质形成期对各处理分别进行了3次等量补充灌溉,保证生产需水量。每个处理在操作行中,采用“S”型随机设置5个土壤呼吸测点,覆膜处理在各测点设置直径11 cm膜孔,压入PVC环,以备测定,呼吸测定完毕后用地膜封闭膜孔,生草处理在各测点直接压入PVC环进行测定,环内不做除草处理; 温度测点紧邻呼吸测点布设,每个监测点埋设一个温度测量探头,布设深度5 cm,共计5个温度测点,; 土壤水分监测点布设在呼吸测点之间,共计4个土壤水分监测点,每个监测点布设一根40 cm深TDR管。具体试验布置见图1。

表1 试验区土壤理化性质概况

图1 试验小区布置示意图

(1)土壤呼吸速率测定(2015年5月上旬—10月下旬)。每小区选取代表性的5个测点,用美国Li-Cor公司生产Li-6400～09土壤呼吸室测定。测量前24 h将内径为10.5 cm、高4.5 cm的PVC环压入土壤3 cm,压实外圈土壤以防漏气。之后PVC环长期定位放置。上午09:00—11:00测定,取5个测点平均值作为小区CO₂通量[μmol/(m²·s)],即土壤呼吸速率。

(2)水分监测。土壤水分使用时域反射仪(TDR,英国剑桥伯威尔)进行测定,每个测量地块深埋40 cm的TDR管,测量0—40 cm土壤含水量(每隔10 cm一个测点),每隔7 d,测量1次水分,每个测量点重复3次。

(3)土壤温度监测。土壤温度使用北京百万电子科技中心生产的多点温度传感器(HB403-04)进行测定,每小时测定1次,测量深度为5 cm。

(4)大气温度、湿度。在每个小区的中间部位(试验区)上部1.5 m处,采用日本生产的HOBO(Prov2 Temp/RH Data Logger)温湿度记录仪,设置每两个小时自动记录一次,试验研究阶段温湿度变化特征见图2A。

(5)太阳辐射、风速。太阳辐射采用美国的CR10X-2M数据采集装置和LI200X硅晶体辐射传感器组成的太阳辐射测量仪监测,风速采用LE2151风速传感器进行监测,在08:00—18:00每两个小时自动记录,太阳辐射与风速变化特征见图2B。

(6)降雨量。使用HM-YLJC降雨监测设备逐日监测降雨量,降雨情况见图3。

图2 2015年葡萄生长期大气温度、湿度、风速和太阳辐射强度变化特征

图3 2015年葡萄生长期降雨量特征

采用Origin 2019 pro绘图,采用SASV8.0统计软件进行方差分析(ANOVA)及多重比较、非线性回归分析。

利用非线性回归方法分析不同覆盖处理下土壤呼吸速率与土壤湿度的关系[公式(1)—(3)],选择最优模型,并进行显著性检验:

R=aM²+bM+c (1)

R=ae^bM (2)

R=aM^b (3)

式中:R为土壤呼吸速率; M为土壤含水率(%); a,b,c均为拟合参数。

利用指数模型分析不同覆盖处理下土壤呼吸速率与土壤温度的关系[公式(4)],进行显著性检验,并计算呼吸速率温度敏感性系数Q₁₀[公式(5)]:

R=Ae^BT (4)

Q₁₀=e^10B (5)

式中:R为土壤呼吸速率; T为土壤温度(℃); A,B均为拟合参数。

土壤贮水量计算公式:

D_w=θ_v·h (6)

式中:D_w为土壤贮水量(mm); θ_v为土壤容积含水量(%); h为土壤厚度(mm)。

对不同生长时期土壤呼吸数据资料分布情况进行总体分析,小提琴图(图4A)显示,CK土壤呼吸速率均值较低,白三叶覆盖处理下的葡萄园地土壤呼吸速率均值较高; CK土壤呼吸速率分布比较集中,其余处理(酢浆草、白三叶、黑膜、白膜)葡萄园地土壤呼吸速率分布较为离散,尤其以酢浆草和白三叶覆盖处理数据分布不够均匀,覆盖处理土壤呼吸速率存在较为明显的离散值。对不同覆盖处理葡萄园地土壤呼吸速率进行多重比较(LSR法)显示(图4A),各覆盖处理(酢浆草、白三叶、黑膜、白膜)相对于CK,土壤呼吸存在极显著差异(p<0.01),说明各覆盖处理均显著提高了CO₂的排放速率。

分析不同时期土壤呼吸变化特征(图4B),在葡萄生产期(5—10月),各处理土壤呼吸均呈现出一定的峰值变化特征,总体表现为先增后减再增再减的变化趋势,各处理的峰值出现在8月,CK、酢浆草、白三叶、黑膜、白膜覆盖葡萄园地最大值分别为5.11,8.72,12.17,9.99,8.08 μmol/(m²·s)。而林下覆膜处理(黑膜、白膜)和林下生草(酢浆草、白三叶)处理表现出一定的时间变化异质性,林下覆膜分别在6月份(白膜覆盖)和7月份(黑膜覆盖)表现出短暂的局部下降趋势。各处理土壤呼吸在5—7月、9—10月变化速率相比7—9月期间较弱。白三叶覆盖处理相对于其他覆盖处理,在5—10月期间一直表现出较高的CO₂排放速率。

图4 土壤呼吸速率变化特征

不同处理下的葡萄园地水分在不同时期呈现出较为明显的剖面垂直分异特征,且覆盖处理相比CK均表现出明显的水分保持能力(图5)。在5—10月,在0—40 cm土层内,随着深度的增加,土壤水分整体表现为增加趋势,下层土壤表现出较为良好的持水能力; 在30—40 cm土层上,各处理土壤含水率有不断接近,趋于稳定变化。5—7月,在0—30 cm剖面内,黑膜和白膜覆盖相比酢浆草、白三叶覆盖处理表现出较好的持水能力,而在30—40 cm土层区域内,酢浆草和白三叶覆盖处理开始表现出较好的持水能力。8—9月,在0—40 cm土层,酢浆草、白三叶、黑膜覆盖相比白膜覆盖表现出较强的持水保水能力。在5—10月,由于5月与7月份相比其他月份月降雨量较少(图3),因而各处理在0—40 cm土壤含水量相对较低,但下层土壤(20—40 cm)相比表层土壤(0—10 cm)表现出较高的含水量。

不同处理下的葡萄园地各土层层之间土壤平均贮水量显现出不同的变化规律(表2,图6)。不同覆盖处理下土壤0—10 cm土层内平均贮水量介于(11.79±1.00)～(19.70±0.98)mm,各处理与CK贮水量存在显著差异,黑膜贮水量显著高于其他覆盖处理,黑膜与白膜相比其他覆盖模式贮水量波动较小; 10—20 cm土层内平均贮水量介于(14.06±1.33)～(22.34±0.72)mm,酢浆草、白三叶、白膜覆盖贮水量差异并不明显,但与黑膜、CK组存在显著差异,且黑膜与白膜仍表现出较小波动,黑膜在该区域贮水量最高,且变异程度相对较弱; 20—30 cm土层内平均贮水量介于(16.90±0.56)～(23.38±0.51)mm,该层各处理与CK贮水量存在显著差异,但各处理之间差异并不显著,波动较为相近,该层的持水效果较为接近; 30—40 cm剖面内平均贮水量介于(18.56±0.54)～(24.75±0.16)mm,该区域内各处理与CK存在显著差异,CK与白膜覆盖表现出较强的变异性。

不同覆盖模式下,随着土层深度的增加,各区域的贮水量增加,地膜覆盖和生草覆盖相对于露地蓄水能力提升明显,在0—10 cm层,生草覆盖贮水量提升40.9%～42.7%,地膜覆盖提升50.7%～67.1%; 在10—20 cm层,生草覆盖贮水量提升36.4%～37.3%,地膜覆盖提升43.5%～58.8%; 在20—30 cm层,生草覆盖贮水量提升33.4%～36.7%,地膜覆盖提升30.3%～38.3%; 在30—40 cm层,生草覆盖贮水量提升32.3%～33.3%,地膜覆盖提升30.2%～22.1%。

不同覆盖处理下的葡萄园地温度(5 cm)在不同时期呈现出一定的差异特征(图7),各处理土壤温度特征值见表3。林下覆膜处理(黑膜、白膜)平均温度均高于CK,而林下生草覆盖处理(酢浆草、白三叶)平均温度均低于CK,林下覆膜处理增温效果整体强于林下生草覆盖处理。温度的最大值为38.9℃,出现在黑膜覆盖处理中,而最小值为15.1℃,出现在CK当中,黑膜的增温效果相对较强,而CK的增温效果最差。总体分析各处理5—10月土壤温度变化趋势,温度变化趋势和变化节点表现出较为相似的规律性,但局部的变化幅度和变异程度存在一定差异,变化峰值出现在9—10月份。黑膜覆盖处理的温度变异系数相比其他处理,表现为最小,而CK变异系数最大,这表明黑膜在维持土壤温度稳定(小变异系数)要优于其他处理,而露地维持温度稳定相对较差,除黑膜外,其他覆盖处理在维持土壤温度稳定方面为未表现出明显差异。

图5 土壤水分垂直变化特征

表2 5-10月土壤贮水量垂直变化状况mm

图6 土壤水分垂直剖面变异系数

为了进一步探明不同覆盖处理下葡萄园地林下土壤呼吸对水分和温度的响应趋势,分别对不同覆盖处理的土壤呼吸和土壤水分、温度进行非线性回归[水分与呼吸速率回归模型见公式(1)—(3)选择较优模型,温度与呼吸速率回归模型见公式(5)]。

由表4可知,CK、黑膜、白膜覆盖处理土壤水分与土壤呼吸均呈现二次函数关系,其中CK处理在0—10 cm,10—20 cm,30—40 cm土层呈现极显著关系(p<0.01),在20—30 cm剖面呈现显著关系(p<0.05); 黑膜和白膜覆盖处理在0—10 cm土层呈现显著关系(p<0.05),在10—20 cm,20—30 cm,30—40 cm土层呈现极显著关系(p<0.01)。酢浆草和白三叶覆盖处理呈现显著指数函数变化关系,其中酢浆草覆盖处理在0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm呈现极显著关系(p<0.01),在30—40 cm土层呈现显著关系(p<0.05); 白三叶覆盖处理在0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm呈现显著关系(p<0.05),在30—40 cm土层呈现极显著关系(p<0.01)(表3)。酢浆草、白三叶覆盖处理土壤呼吸对各剖面水分呈现较为单一的响应变化趋势,而黑膜与白膜覆盖处理土壤呼吸对各剖面水分呈现出较为复杂的响应变化趋势,水分存在一定阈值变化响应关系。这些现象可能归因于不同覆盖处理下表层土壤与下层土壤生化环境的异质性。

图7 2015年土壤温度变化特征

表3 不同处理土壤温度特征值

由表5可知,各处理土壤温度(5 cm)与土壤呼吸速率呈现指数函数关系,其中黑膜与白膜覆盖处理表现出极显著(p<0.01)指数关系,而其他处理表现为显著(p<0.05)指数关系。这表明随着温度的增长,各处理土壤呼吸速率均表现为增长趋势。进一步分析各处理呼吸速率温度敏感系数(Q₁₀),各处理温度敏感系数表现为:黑膜>CK>白膜>白三叶>酢浆草,在发生同样的温度变化扰动时,黑膜覆盖园地将比CK(露地)土壤将表现出更强的土壤CO₂排放速率,而其他处理相对CK(露地)土壤将表现出较弱的CO₂排放速率,其中白三叶覆盖与酢浆草覆盖园地呼吸速率温度敏感性相差较小。

表4 不同处理下水分(M)与土壤呼吸速率(R)拟合模型

表5 不同处理下温度(T)与土壤呼吸速率(R)拟合模型

Tang^[33],Pingintha^[34]等认为土壤呼吸的季节性波动可能要归因于土壤温度、水分,通常具有温度和水分驱动的季节性模式。本研究中5种不同覆盖模式下葡萄园地土壤呼吸值在5—10月均表现出一定的峰值变化趋势,变化具有明显的季节性; 各处理土壤呼吸峰值均出现在8月份,这种季节性变化应该归因于研究区域温度和水分综合作用。Li等^[29]学者研究认为塑料薄膜覆盖相比未覆盖可以显著提高细菌、真菌和放线菌的丰度,增加了土壤呼吸。Mu等^[30]对设施蔬菜黄瓜进行秸秆、薄膜以及混合覆盖处理,结果发现覆盖处理土壤呼吸速率显著高于未覆盖处理。也有学者认为,秸秆和塑料薄膜的覆盖可以提升农田对CO₂的有效固定量,增加作物产量,与未覆盖相比更有利于农田生态系统的碳汇,并且在未来的气候情景下可能减轻土壤呼吸的变化^[32,35]。本研究中,无论是林下生草还是林下覆膜覆盖方式相比未覆盖处理均增强了土壤呼吸速率。而林下生草作为一种覆盖模式,除了改变土壤理化环境,对作物生长的生物环境也有复杂的影响过程,本研究中,林下种植白三叶和酢浆草的葡萄园地表现出相差较大的土壤CO₂排放速率。因此林下生草相比林下覆膜碳源汇强度表现更为复杂,在实际种植过程中要根据培植植物的种类和生物学特性进行剖析。

土壤水分影响土壤形成的各个过程,直接制约植株生理生化及营养生长过程。土壤温度也是影响果树的生长和发育另一个重要因素。而地表覆盖可以有效地减少土壤水分蒸发,保持土壤湿度^[36-37],同样可以通过改变地表光照度和热量向深层土壤传递,影响果园土壤热量的收支平衡^[38]。李晓龙等^[39]研究发现与清耕相比,农用地毯和碎木屑覆盖、行间生草可明显降低深度土壤温度,提高土壤含水量。黄金辉等^[40]则认为各覆盖处理的蓄水量与其土壤温度并不都呈负相关,而是由不同覆盖物的保水效果和保温性质共同决定。本研究中,在同样的生产管理程序下,薄膜覆盖处理和生草覆盖葡萄园地在(0—40 cm)土层内土壤含水率、贮水量均高于CK,表现出较强的土壤水分保持能力,而且不同时期呈现出较为明显的剖面垂直分异特征。随着深度的增加,土壤水分整体表现为增加趋势,下层土壤相比表层土壤表现出较为良好的持水能力,这是由于覆盖处理相比裸露地表增加了土壤下层的土壤含水量,同时覆盖可以通过限制土壤表层蒸发来增强水分的向下渗透^[41]。8—9月,酢浆草、白三叶林下生草处理相比黑膜、白膜覆盖处理表现出较强的持水保水能力,且土壤表层以下表现出较为稳定的水分含量,这可能与草皮根系的水源涵养能力有关。在改善地表温度方面,林下覆膜处理增温效果整体强于CK,而林下生草覆盖处理弱于CK。黑膜的增温效果相对较强,而露地的保温效果最差。同样,黑膜在维持土壤温度稳定方面要优于其他处理,而露地维持温度稳定相对较差,这正好印证了黄金辉关于覆盖的保温效果的研究结果,土壤温度的保温效果跟覆盖物的性质有很大关系,黑膜的增加、保持地温的效果与膜材质本身有很大的关联^[40]。

土壤水分和温度是影响土壤呼吸的两个重要因素。土壤水分对呼吸的影响机制较为复杂,不同剖面深度土壤水分的波动会引发生土壤呼吸响应特征的差异。部分学者^[42-45]认为土壤水分与土壤CO₂排放之间或存在二次函数,或存在指数函数,或存在幂函数关系,土壤呼吸速率在一定范围内随土壤含水量的增加而增加,当含水量超过此范围时,土壤呼吸速率随土壤含水量增加而降低或者保持平稳,不同生态系统中均存在土壤呼吸的水分阈值。本研究中,黑膜和白膜覆盖以及裸露地表的葡萄园地中,各剖面的土壤水分与土壤呼吸速率呈现显著的二次函数关系,而林下种植白三叶和酢浆草的葡萄园地中,各剖面土壤水分与土壤呼吸则呈现指数函数关系,造成这种现象的原因可能来自于两方面:其一,在生长—生产期,与地膜覆盖和裸露地表园地相比,在原有土壤呼吸的基础上增加了林下草根系和根系微生物的呼吸作用; 其二,虽然林下生草园地剖面下层土壤水分高于薄膜覆盖和裸露地表园地,但林下生草园地总体生物量较大,生产过程需水量较高,较高的土壤含水量并不能对总体土壤呼吸造成限制。关于土壤温度与土壤呼吸响应特征研究多以指数函数形式拟合,且土壤表层温度与呼吸拟合效果较好^[8,46-48]。本研究中,在温度响应方面,各覆盖处理土壤温度(5 cm)与土壤呼吸速率呈现指数函数关系,这表明,随着温度的增长,各处理土壤呼吸速率均表现为增长趋势。土壤升高相同温度时,黑膜覆盖将表现出更强的土壤CO₂排放速率,而其他处理表现出相对较弱的CO₂排放速率,这表明黑膜覆盖与其他覆盖模式相比,更容易引发土壤CO₂的排放。