土壤水分垂直非均勻分布下CO2的日排放特征

徐俊增，張 慶，王艷華，王 飛，孫 勇，衛(wèi) 琦(.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室， 南京 0098；.黃河水利科學(xué)研究院引黃灌溉工程技術(shù)研究中心， 河南 新鄉(xiāng) 45000；.江蘇省高郵市水利局，江蘇 高郵 5600)

0 引 言

溫室效應(yīng)的加劇以及由此引發(fā)的全球溫室變暖已經(jīng)對人類生活、資源環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定等方面產(chǎn)生了一系列的負面影響，成為近年來重點關(guān)注的全球性環(huán)境問題。二氧化碳(CO2)作為三大溫室氣體之一，是溫室效應(yīng)的主要貢獻者。土壤作為大氣CO2的源和匯，是控制大氣CO2濃度增加的一個重要因素[1]。土壤水分條件是影響土壤呼吸的主要環(huán)境因子之一，探究土壤水分狀況對土壤呼吸的影響機理，有效控制土壤碳庫釋放，直接關(guān)系到大氣中CO2濃度的變化。目前，對于灌溉、降雨、施肥等因素對土壤CO2排放影響的研究[2-6]，主要從水分高低以及灌溉制度等方面來分析其對土壤CO2排放的影響，且大多是針對土壤水分均勻分布條件下，而關(guān)于局部灌溉即水分非均勻分布條件下CO2排放的研究甚少。在水資源供需矛盾日益短缺的背景下，發(fā)展節(jié)水灌溉、高效地利用水資源，支撐社會與經(jīng)濟的良性循環(huán)，是農(nóng)業(yè)水資源合理開發(fā)與利用的核心任務(wù)和必然選擇。節(jié)水灌溉技術(shù)的大面積應(yīng)用以及由此產(chǎn)生的非均勻水分分布特征必然會所導(dǎo)致土壤呼吸等方面發(fā)生一系列的變化，因此，本文以黏土為研究對象，通過土箱試驗研究不同水分非均勻分布條件下土壤CO2通量的日變化特征，研究結(jié)果對于準(zhǔn)確估算節(jié)水灌溉對溫室氣體排放影響提供科學(xué)依據(jù)，同時可為從灌溉調(diào)控角度實現(xiàn)溫室氣體減排的研究提供借鑒。

1材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況與供試土壤

試驗于2013年4-8月在河海大學(xué)水文水資源與水利工程國家重點實驗室開展。該地區(qū)(32°3′24″N，118°45′E)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.4 ℃，年平均降水量1 106 mm，年蒸發(fā)量1 500 mm。供試土壤為壤質(zhì)黏土，采自江蘇省南京市蔬菜花卉科學(xué)研究所的蔬菜大棚中，其0～30 cm土層的土壤有機質(zhì)含量為18.2 g/kg，總氮為0.14 g/kg，總磷為0.03 g/kg，pH值為6.24。土壤樣本在自然條件下進行風(fēng)干，剔除雜物，粉碎、過4 mm篩，混勻后裝袋備用。

1.2 試驗設(shè)計

在矩形土箱(長×寬×高為40 cm×40 cm×60 cm)內(nèi)開展實驗。土箱底部布置十字交叉的供水管(內(nèi)徑6 mm,均勻開孔，外面包裹土工布防堵塞)，外部包裹細砂和石子組成的反濾層內(nèi)(5 cm厚)。透水管一端通過供水閥門連接馬氏瓶(長×寬×高=10 cm×10 cm×80 cm)，形成一個地下供水系統(tǒng)，另一端連接排水閥門。通過地下供水，形成不同的土壤水分垂直分布。試驗共設(shè)4種灌水處理：SI處理(表面灌水使0～55 cm土壤至田間持水量)；SDI12處理(地下供水使地下12～55 cm土壤至田間持水量)；SDI15處理(地下供水使地下15～55 cm土壤至田間持水量)；SDI18處理(地下供水使地下18～55 cm土壤至田間持水量)，以表面灌水SI處理為對照，每個處理設(shè)2個重復(fù)。供水時，首先通過土壤初始含水率、田間持水量及其相應(yīng)的土箱體積計算出各處理的灌水量。灌溉水源為自來水。為了減少填土等土壤擾動活動對溫室氣體排放的影響，填土提前于2012年12月完成，填土后土箱一直處于靜置狀態(tài)直至試驗開始，本實驗分為兩個灌水階段(初次灌水時間為2013年4月18日10∶00，第二次灌水時間為2013年6月14日10∶00)，共進行為期80 d左右的定期觀測。當(dāng)試驗期間出現(xiàn)降雨時，采用帳篷遮蓋防止降雨對試驗的影響。

1.3 氣樣采集及濃度分析

采用人工靜態(tài)箱-氣相色譜法對CO2排放進行測定，其中靜態(tài)箱(長×寬×高：40 cm×40 cm×40 cm)由6 mm PVC材料制成。靜態(tài)箱頂配有溫度計、電動小風(fēng)扇以及取樣孔。觀測時，將靜態(tài)箱覆蓋在正方形土箱上的凹狀底槽中，并在底槽中加水形成液封，以防止取樣過程中與外界產(chǎn)生氣體交換。用10 mL的注射器于蓋箱后0、10、20、30 min抽取箱內(nèi)4個氣樣。每次灌水后，在試驗的前中后3個階段分別選取有代表性的一天開展CO2日變化觀測，其中初次灌水后分別選取4月25日，5月6日，5月20日；第二次灌水后分別選取6月17日，7月1日，7月22日。每日在07∶00-22∶00時段平均每3 h進行一次采樣，取樣同時記錄大氣溫度和靜態(tài)箱溫度，并用取土烘干法測定0～24 cm土層內(nèi)各層土壤含水率(每隔4 cm處均有取樣口)，按含水率占孔隙度的百分比計算土壤充水孔隙度(WFPS)。對采集的氣樣使用Aglient7890A氣相色譜儀分析CO2濃度，根據(jù)濃度的增加梯度計算計算排放通量[7]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法

采用Microsoft Excel 2007和SPSS19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Microsoft Excel 2007和Origin 8.5對圖表進行繪制， 顯著性分析采用最小顯著性差異(least significant difference, LSD)法。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤水分垂直非均勻分布下CO2的日變化規(guī)律

初次灌水后各處理(SI、SDI12、SDI15和SDI18)的CO2日排放通量的動態(tài)變化顯示(圖1)，SI處理和SDI各處理的CO2日排放呈現(xiàn)出較為一致的單峰曲線變化規(guī)律，其最大排放通量均出現(xiàn)在一天內(nèi)溫度最高的14∶00。但與SI處理的排放峰值[393.1、382.5和409.2 mg/(m2·h)]相比，SDI12、SDI15和SDI18處理的排放峰值在不同觀測階段均有不同程度的降低，其降低幅度依次為11.2%、26.8%和36.8%(4月25日)，16.2%、16.5%和23.8%(5月6日)和17.4%、27.8%和35.1%(5月20日)。總體上，5月20日，各處理的CO2日平均排放通量分別為315.7、267.4、244.2和222.7 mg/(m2·h)，較4月25日[282.4、234.6、201.2和170.5 mg/(m2·h)]和5月6日[301.9、259.9 240.1和213.9 mg/(m2·h)]略有提高。原因在于觀測中期(5月6日)和后期(5月20日)氣溫升高促進了土壤中微生物的呼吸作用。整體上，由表1可以看出，各處理在初次灌水后不同觀測日其CO2日平均排放通量的大小關(guān)系為：SI>SDI12>SDI15>SDI18, 且SI處理在初次灌水后各觀測日的排放通量均顯著大于SDI15和SDI18處理。此外，5月6日，SDI12處理顯著大于SDI15和SDI18處理，且SDI15處理也顯著大于SDI18處理。5月20日，SDI12處理顯著大于SDI18處理。

表1 兩次灌水后不同觀測日各處理日平均排放通量Tab.1 The daily average CO2 flux of each treatment in different observation period after two waterings

圖1 初次灌水后各處理在不同觀測期的CO2日變化規(guī)律Fig.1 The diurnal variation of CO2 in different observation period after the first watering

第二次灌水后各處理在不同觀測期的CO2日排放通量的動態(tài)特征見圖2。各處理CO2日排放通量在觀測前期(6月17日)和中期(7月1日)均呈雙峰曲線的形式，其最大排放峰值均出現(xiàn)在18∶00，而不是溫度最高的14∶00。原因在于在該觀時段內(nèi)出現(xiàn)的部分高溫抑制了微生物的呼吸作用，從而導(dǎo)致CO2的排放通量并不隨著溫度的升高而增加[8]。而CO2日排放在觀測后期(7月22日)則呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢，其排放通量最大值出現(xiàn)在7∶00，這可能是由于該次取樣前24 h出現(xiàn)了降雨、顯著增大了空氣濕度，促進了表層土壤微生物的活性，增強了其呼吸作用所導(dǎo)致的[9]。此外，SI處理在第二次灌水后不同觀測期的CO2日排放通量均明顯大于SDI的各處理，其平均排放通量分別為841.6、786.0、734.4和647.2 mg/(m2·h)(6月17日)；867.0、790.0、669.8和551.2 mg/(m2·h)(7月1日)和872.6、795.4、693.0和656.0 mg/(m2·h)(7月22日)。此外，各處理在第二次灌水后不同觀測日其CO2日平均排放通量的大小關(guān)系也表現(xiàn)為：SI>SDI12>SDI15>SDI18, 且總體上各處理排放通量的差異均比較顯著(見表1)。其中6月17日，SI和SDI12處理均顯著大于SDI18處理。7月1日，SI處理顯著大于SDI15和SDI18處理，且SDI15處理也顯著大于SDI18處理。7月22日，SI處理顯著大于SDI15和SDI18處理，且SDI12處理也顯著大于SDI18處理。

圖2 第二次灌水后各處理在不同觀測期的CO2日變化規(guī)律Fig.2 The diurnal variation of CO2 in different observation period after the second watering

總體上，不同觀測期內(nèi)其CO2日排放通量之間的大小關(guān)系均表現(xiàn)為SI>SDI12>SDI15>SDI18，但不同觀測時段的CO2日排放通量的變化范圍卻有所差異。其中初次灌水后三次測定CO2排放通量的日變化范圍依次為：95.4～393.1、174.9～382.5和192.0～409.2 mg/(m2·h)。第二次灌水后三次測定的CO2排放通量的日變化范圍依次為：522.7～1 133.1、418.1～995.35和476.0～1 185.6 mg/(m2·h)。對比各處理(SI和SDI)兩次灌水后不同觀測期的CO2日排放通量可以看出，第二次灌水后的CO2日排放通量顯著高于初次灌水后的CO2的通量值，其原因在于第二次灌水后各觀測期的溫度較初次灌水后有了大幅度的提升，促進了土壤微生物的呼吸，增加了CO2的排放，這與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)論基本一致[10]。此外，可以發(fā)現(xiàn)，第二次灌水后觀測前期和中期CO2的日變化規(guī)律呈現(xiàn)雙峰曲線趨勢，而初次灌水后各觀測期均呈單峰曲線，這主要是因為初次灌水后各觀測時段均處于溫度較為適宜的4-6月，其最高溫度低于土壤微生物的最適宜溫度(25～35 ℃)，CO2排放通量隨溫度的升高而升高，且在溫度最高的14∶00出現(xiàn)最大值；而第二次灌水后各觀測時段處于溫度較高的6-8月，這期間部分過高的溫度勢必會抑制土壤微生物的活性，減弱土壤呼吸作用，導(dǎo)致CO2排放峰值通常出現(xiàn)在溫度和水分適宜的時刻[5]。

2.2 水分變化對CO2排放規(guī)律的影響

圖3是灌水后各處理在不同觀測階段的土壤水分WFPS的變化規(guī)律，整體上可以看出，無論是SI還是SDI處理，土壤含水率均隨著土層深度的增加而逐漸增大，且時間上土壤水分含水率在不同深度均隨觀測期的延續(xù)而逐漸減小。此外，土壤水分在不同觀測階段其表層0～12 cm的變化程度較為劇烈，而12～24 cm土層的土壤含水率則變化較小。因此重點分析表層0～12 cm土層土壤含水率的變化過程[11]。初次灌水后3個觀測日，SI處理0～12 cm土層的土壤含水率變化范圍分別為47.8%～72.1%、33.1%～62.8%和19.2%～59.2%WFPS，5月6日0～12 cm土層的土壤平均含水率較4月25日降低了16.2%，而5月20日則較5月6日降低了15.9%。同時，與之相應(yīng)的各觀測期的CO2平均排放通量隨土壤含水率的降低而逐漸增加，這一變化規(guī)律與鄧東周[12]等人的研究結(jié)論正好相反，其原因是初次灌水后其表層土壤含水率較高，導(dǎo)致土壤孔隙被水分所填充，不利于CO2的排放和土壤微生物的呼吸作用，而隨著水分的蒸騰蒸發(fā)作用，土壤含水率逐漸降低，其CO2隨之排出，CO2排放通量有所提高[13]。

圖3 不同處理在不同觀測期的土壤水分WFPS的變化規(guī)律Fig.3 The variations of WFPS of different treatments in different observation period

SDI處理在同期的土壤含水率(0～12 cm)變化規(guī)律與SI處理較為相似，但其變化范圍卻有所差異。其中SDI12、SDI15和SDI18處理在初次灌水后3個觀測日0～12 cm 土層的土壤含水率范圍依次為38.4%～69.1%、30.4%～64.3%和27.2%～56.9%WFPS(SDI12)；28.4%～69.8%、25.5%～60.1%和20.9%～58.2%WFPS(SDI15)；28.7%～65.0%、24.3%～61.9%和20.3%～56.9%WFPS(SDI18)。且SDI12、SDI15和SDI18處理在5月6日的平均含水率(0～12 cm)較4月25日降低了13.2%、9.4%和9.0%，而5月20日較5月6日則分別下降了12.7%、6.8%和8.2%。而其相應(yīng)的各觀測階段的CO2日平均排放通量均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，這一變化規(guī)律與SI處理較為相似。整體上，SI處理在初次灌水后各個觀測階段其0～12 cm土層的土壤水分變化幅度大于SDI處理，與其對應(yīng)SI處理的CO2日平均排放通量和日排放最大值也均大于SDI處理。其原因是SI處理條件下其表層土壤含水率較高，且與空氣接觸面積大，導(dǎo)致土壤水分變化速率快，促進了土壤微生物的呼吸作用以及CO2的擴散[14]；而SDI處理條件下的土壤濕潤體與空氣接觸面積小，且表層土壤含水率較低，導(dǎo)致表層土壤水分變化速率慢，從而使得微生物的土壤呼吸作用較弱，因此，產(chǎn)生較小的CO2排放通量。

而第二次灌水后的3個觀測日，SI處理0～12 cm土層的土壤水分WFPS的變化范圍分別為35.0%～69.9%、29.0%～57.5%和16.6%～47.5%。7月1日土壤平均含水率較6月17日降低了13.6%，而7月22日則較7月1日降低了17.2%，原因在于7月1日至7月22日的時段內(nèi)出現(xiàn)了大量的降雨，導(dǎo)致空氣濕度增大，表層土壤的蒸發(fā)作用受到限制，而7月22日則是由于氣溫的升高所導(dǎo)致的。

SDI處理的土壤水分在第二次灌水后各個觀測階段也呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢，3個觀測日0～12 cm土層的土壤含水率變化范圍分別為29.5%～64.8%、28.8%～58.8%和25.3%～55.2%WFPS(SDI12)；34.1%～66.7%、26.7%～64.7%和19.7%～55.7%WFPS(SDI15)；36.4%～68.1%、33.0%～69.5%和19.8%～64.9%WFPS(SDI18)。7月1日的平均含水率較6月17日分別降低了8.9%(SDI12)，8.6%(SDI15)和4.5%(SDI18)，而7月22日的平均含水率較7月1日則分別降低了11.4%，13.7%和14.4%。同時，與其相應(yīng)的SDI各處理則表現(xiàn)出不同的變化趨勢，其中SDI12在第二次灌水后不同觀測期隨著土壤水分的減小而逐漸增加，而SDI15和SDI18處理的相應(yīng)值則隨著土壤水分的降低呈現(xiàn)出先降低再增加的趨勢。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是SDI12處理的表層土壤水分在前期(6月17日)至中期(7月1日)過程中更容易受輻射等外界因素的影響，導(dǎo)致其土壤水分變化速率快于SDI15和SDI18處理，使得土壤呼吸作用也有所增強，而隨著土壤水分的向上遷移，SDI15和SDI18處理在灌水中期至后期過程中，其土壤水分變化速率有了明顯的提升，因此促進了土壤CO2的排放[15]。此外，可以發(fā)現(xiàn)SDI各處理的CO2日排放最大值也呈現(xiàn)出先逐漸遞減而逐漸遞增的趨勢，其最大CO2日排放峰值出現(xiàn)在7月22日，并沒有出現(xiàn)在土壤含水率較高的6月17日，一方面是由于過高的土壤水分可能會堵塞土壤顆粒之間的空隙，阻止土壤微生物的呼吸作用和CO2的擴散；另一方面是因為部分時段氣溫過高、高出了土壤呼吸所需微生物的最佳溫度范圍(25～35 ℃)，抑制了土壤相關(guān)微生物的活性、O2以及反應(yīng)物的有效性[16]，因此CO2日排放最大峰值出現(xiàn)在水分和溫度較為適宜的7月22日。這也表明CO2排放通量是受土壤含水率和溫度等共同作用結(jié)果。

總之，對比各處理兩次灌水后土壤水分及其相應(yīng)的CO2日排放通量的變化情況，可以得出，各個處理在兩次灌水后同一觀測期內(nèi)，其0～12 cm土層的土壤水分WFPS之間的大小關(guān)系分別為：SI>SDI12>SDI15>SDI18和SI

3 結(jié) 語

以黏土為研究對象，利用靜態(tài)箱對不同處理條件下的CO2進行連續(xù)觀測，探討了水分非均勻分布下旱地土壤在不同觀測階段的CO2日排放特征。土壤水分垂直非均勻分布下不同處理在不同觀測期其CO2日排放通量變化趨勢基本一致，其CO2日平均排放通量之間的大小關(guān)系均表現(xiàn)為SI>SDI12>SDI15>SDI18，且SI處理在初次灌水后各觀測日的排放通量均顯著大于SDI15和SDI18處理，而第二次灌水后各處理之間均有明顯的差異性。比較第一次灌水后(溫度較低的季節(jié))和第二次灌水后(溫度較高的季節(jié))CO2的日排放通量曲線，發(fā)現(xiàn)季節(jié)溫度是影響CO2日排放通量重要因素， CO2的日排放通量隨著溫度的升高而增加，而溫度過高時(35 ℃)，CO2的日排放通量隨著溫度升高而降低。此外，各處理在兩次灌水后同一觀測期內(nèi)，其0～12 cm土層的土壤水分WFPS之間的大小關(guān)系分別為：SI>SDI12>SDI15>SDI18和SI

□

[1] 劉 強, 劉嘉麒, 賀懷宇. 溫室氣體濃度變化及其源與匯研究進展[J]. 地球科學(xué)進展, 2000,14(4):453-460.

[2] 郭樹芳, 齊玉春, 董云社, 等. 滴灌對農(nóng)田土壤CO2和N2O產(chǎn)生與排放的影響研究進展[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,(11):7.

[3] Archer S, Schimel D S, Holland E A. Mechanisms of shrubland expansion: land use, climate or CO2[J]. Climatic Change, 1995,29(1):91-99.

[4] 時秀煥, 張曉平, 梁愛珍,等. 土壤 CO2排放主要影響因素的研究進展[J]. 土壤通報, 2010,41(3):761-768.

[5] 鄒建文, 黃 耀, 宗良綱,等. 稻田 CO2, CH4和N2O排放及其影響因素[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2003,23(6):758-764.

[6] 翟 勝, 高寶玉, 王巨媛,等. 農(nóng)田土壤溫室氣體產(chǎn)生機制及影響因素研究進展[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2008,17(6):2 488-2 493.

[7] 王 虎, 楊群慧, 季福武,等. 二維氣相色譜法分析天然氣水合物區(qū)沉積物間隙水中示蹤氣體的濃度[J]. 色譜, 2011,29(1):70-74.

[8] 秦小光, 蔡炳貴, 吳金水, 等. 北京靈山草地土壤 CO2源匯和排放通量與溫度濕度晝夜變化的關(guān)系[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2004,13(4):470-475.

[9] 夏 雪, 車升國. 陸地生態(tài)系統(tǒng)有機碳儲量和碳排放的研究進展[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2011,27(29):214-218.

[10] 楊曉光, 于滬寧. 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳通量與群體水分利用率研究[J]. 地理科學(xué)進展, 1998,17(4):16-24.

[11] 彭家中, 常宗強, 馮 起. 溫度和土壤水分對祁連山青海云杉林土壤呼吸的影響[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2008,22(3):165-169.

[12] 鄧東周, 范志平, 王 紅, 等. 土壤水分對土壤呼吸的影響[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2009,22(5):722-727.

[13] 蔣延玲, 周廣勝, 趙 敏, 等. 長白山闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用研究[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 2005,29(3):411-414.

[14] 鄭應(yīng)順, 王 云. 土壤地理學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社, 1983.

[15] 李兆富, 呂憲國, 楊 青. 濕地土壤CO2通量研究進展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2002,21(6):47-50.

[16] 黃看看, 李吉躍, 張學(xué)利, 等. 土壤呼吸影響因素研究進展[J]. 內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計, 2008,31(2):98-100.