滴灌水量與溫度對表層土壤CO2通量的影響

劉芳婷，范文波，張金璽，董倩倩，李長曉

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引 言

隨著全球氣候變暖，碳循環(huán)已成為科學界關注的一大熱點問題。土壤CO2通量是全球碳循環(huán)的重要組成部分，在調控大氣CO2濃度等方面起著十分關鍵的作用[1]。根據IPCC第4次評估報告指出，農田生態(tài)系統(tǒng)是大氣CO2的重要源與匯，全球范圍內農田生態(tài)系統(tǒng)釋放的CO2估計達0.4 億t[2]，它的微小變化使大氣中CO2濃度發(fā)生明顯的波動，可能導致全球氣候變暖，因此土壤CO2的排放成為生態(tài)系統(tǒng)碳平衡與氣候變化的重點研究內容[3-5]。

滴灌技術是干旱區(qū)高效節(jié)水灌溉的重要手段[6]，尤其新疆農業(yè)生產中膜下滴灌技術得到快速發(fā)展和廣泛應用[7-10]。滴灌水量不同，土壤水分的空間分布及土壤的蓄水能力也不同[11]，從而影響CO2在土壤孔隙中的擴散速率，使CO2的排放量發(fā)生改變。楊曉莉等[12]通過室內土柱試驗發(fā)現土壤水分越高，土壤CO2的排放量越高，兩者的變化趨勢同步。國外學者Huang等[13]研究發(fā)現，雨季土壤CO2的排放量為旱季的2～5倍。不少學者在溫度對土壤CO2排放的影響方面也有所研究，GUO Jian-fen等[14]通過室內培養(yǎng)試驗發(fā)現，隨著土壤溫度的升高，土壤呼吸速率逐漸增高，致使CO2的排放量增加。Bekele等[15]研究發(fā)現，土壤CO2的排放量與土壤溫度關系密切。

目前，國內草原和林地生態(tài)系統(tǒng)的土壤CO2排放的動態(tài)變化報道較多，而對干旱區(qū)農田的土壤CO2排放的動態(tài)變化及其影響機制研究較少。本研究以沙壤土為試驗用土，進行不同滴灌水量對土壤CO2排放影響的試驗，探索灌水后表層土壤CO2通量的變化規(guī)律，揭示溫度、含水率對土壤CO2排放的影響機理，為今后研究土壤氣體、溫度、水分等環(huán)境要素對溫室氣體CO2的綜合控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗采用土柱試驗，供試土壤為沙壤土。試驗設計3個灌溉水量，分別為1.0、1.5和2.0 L，即處理F1、F2和F3，每組試驗重復3次。土樣經碾碎及風干處理后，過直徑2 mm篩，按設計容重(1.53 g/cm3)每10 cm分層裝入土柱中，土柱的規(guī)格為48 cm×39 cm×55 cm(頂部內徑×底部內徑×高)。采用輸液袋的方式進行滴灌，滴頭固定在土柱表面中心位置，各處理的灌水時間相同。

1.2 測定項目與方法

利用Li-8100紅外氣體分析儀對不同灌水水平下土壤呼吸作用進行測定。在試驗前1～2 d，將PVC圓柱體(內徑20.3 cm、外徑21.34 cm、高11.43 cm)分別插入不同處理的土壤中，嵌入土中約7 cm。經過24 h平衡后開始測定，盡可能減少因土壤擾動而造成短期內土壤呼吸速率的不穩(wěn)定。為了準確地反映灌水后土壤呼吸的變化過程，在灌后48 h內對各處理進行晝夜的動態(tài)測定，每隔1 h進行一次測定。同時利用土壤溫濕度計在PVC圓柱體附近進行土壤溫度和土壤含水率的測定，每隔1 h測定一次。此外，采用烘干法對土壤含水率的測定結果進行校準。

1.3 數據處理

采用Excel 2010和SPSS 20.0分析軟件進行數據處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 表層土壤CO2通量的時間變化

在1.0、1.5和2.0 L 3個灌溉水量處理下，土壤表面CO2通量的動態(tài)變化過程見圖1。由圖1可知，在連續(xù)48 h內，不同滴灌水量的土壤表面CO2通量變化過程較為一致，均為雙峰型，呈現出先降低后升高再降低再升高的變化趨勢。峰值均出現在18∶30 ，隨后逐步降低，谷值出現在10∶30，在10∶30后，土壤表面CO2通量呈明顯的上升趨勢。處理F1的土壤CO2通量的變化范圍是2.8～5.36 μmol/(m2·s)，平均值為3.86 μmol/(m2·s)。處理F2的土壤CO2通量的變化范圍是3.48～7.25 μmol/(m2·s)，平均值為5.03 μmol/(m2·s)，高于處理F1的土壤CO2通量。處理F3的土壤CO2通量的變化范圍是5.1～8.78 μmol/(m2·s)，均值為6.3 μmol/(m2·s)，明顯高于處理F1和F2的土壤CO2通量。從土壤CO2通量的方差分析來看(見表1)，不同處理間土壤CO2通量差異顯著，處理F3的土壤表面CO2通量最大，大小為6.298 6±0.1 μmol/(m2·s)，處理F2的次之，處理F1的最小，大小為3.859 0±0.1 μmol/(m2·s)，這可能與其影響因素溫度和水分有關。

圖1 不同處理下土壤表面CO2通量特征

表1 不同灌溉水量下表層土壤CO2通量均值 μmol/(m2·s)

注：a、b、c表示不同灌水水平下土壤CO2通量差異顯著(P<0.05)。

2.2 溫度對表層土壤CO2通量的影響

土壤溫度是影響土壤CO2排放速率的關鍵因子，從溫度的變化過程對比曲線(見圖2)可以看出，處理F1、F2和F3的平均溫度分別為30.53、30.79和30.14 ℃，處理F3的地溫變化過程比處理F1和F2的稍微平緩。不同滴灌水量下土壤溫度的變化呈雙峰曲線，谷值出現在10∶30，在10∶30以后，隨著時間的推移，地溫均逐步上升，在19∶30達到最大值，而后開始回落，與土壤表面CO2通量的變化趨勢一樣。這可能是灌水后12 h內，夜間土壤溫度較低，微生物活動減弱，CO2的排放量較少，在12～24 h內，隨著日出后土壤溫度的持續(xù)升高，微生物消耗大量的活性碳，有機質分解加速，從而釋放大量的CO2，造成了10∶30之后，土壤表面CO2通量上升。在24～36 h內，由于土壤溫度的降低，抑制了土壤微生物的活性和土壤生物的呼吸作用，減少了土壤CO2的排放，使土壤CO2通量呈下降趨勢。由此可見，土壤溫度的降低對土壤CO2的排放產生抑制作用。在36～48 h內，土壤CO2通量又隨著土壤溫度的升高緩慢增加。

圖2 不同處理下土壤溫度、土壤含水率的變化特征

由相關性分析(見表2)可知，處理F1、F2和F3的土壤溫度與土壤CO2通量的相關系數分別為0.725、0.570和0.649，表明土壤溫度對表層土壤CO2通量的影響顯著。此外，進一步對土壤溫度與表層土壤CO2通量進行擬合(見圖3)，結果發(fā)現2者呈指數關系，且表現為正相關關系，與前人的研究結論相似[15,16]。

表2 土壤溫度與表層土壤CO2通量的相關性

注：**為通過0.01顯著水平檢驗，n=50。

圖3 土壤溫度與表層土壤CO2通量關系的擬合

2.3 土壤含水率對土壤CO2通量的影響

由土壤含水率變化曲線圖2可知，隨著時間的推移，土壤含水率變化呈平穩(wěn)的下降趨勢，波動較小。處理F1的土壤含水率最大值為17.3%，最小值為13.6%，變化幅度為3.7%；處理F2的土壤含水率變化范圍是16%～19.7%，變幅為3.7%；處理F3的土壤含水率最大值為24.5%，明顯的高于處理F1和F2的土壤含水率。由土壤含水率與表層土壤CO2通量的相關性分析(見表3)來看，處理F1的土壤含水率對表層土壤CO2通量的影響程度高于處理F2和F3，表明隨著滴灌水量的增加，土壤含水率與表層土壤CO2通量的相關性減弱。

表3 土壤含水率與表層土壤CO2通量的相關性

注：**為通過0.01顯著水平檢驗，n=50。

2.4 水熱條件對土壤表面CO2通量的影響。

從相關系數來看，土壤含水率對表層土壤CO2通量的影響不如溫度對表層土壤CO2通量的影響，但土壤含水率通過土壤溫度對土壤CO2通量產生一定的影響，因此采用通徑分析方法研究溫度和含水率2者共同對土壤表面CO2通量的影響，結果見表4。

通徑分析結果表明，不同滴灌水量下，土壤溫度和含水率對表層土壤CO2通量的直接影響差異較大，溫度對表層土壤CO2通量的直接作用最大。以處理F1為例，溫度對土壤CO2通量的直接作用系數為0.818 3，表現為正相關，說明溫度每增加1個單位，土壤表面CO2通量就增加0.818 3個單位，而其通過含水率對表層土壤CO2通量有較小的負向間接作用，間接作用系數為-0.092 9，直接作用與間接作用正負抵消使土壤溫度與表層土壤CO2通量的綜合作用系數為0.725 4，表現為顯著的正相關關系。土壤含水率對表層土壤CO2通量的直接正向作用系數為0.538 2，其通過溫度對表層CO2通量有較小的負向間接作用。處理F2和F3也有相同的規(guī)律。由此可見，土壤含水率和溫度之間存在明顯的相互作用，共同影響表層土壤CO2通量的排放。

由表4可知，不同滴灌水量下溫度和含水率的直接通徑系數均大于其間接通徑系數，表明2者對土壤CO2通量的主要貢獻表現為直接作用效應。處理F1、F2和F3的這2個因素及其互作效應對土壤表面CO2通量的決定系數分別為0.807 3、0.370 1和0.615 3，剩余通徑系數分別為0.439 0、0.793 6和0.620 2，說明還有其他因素對土壤CO2通量變化產生影響，還需要進一步深入研究。處理F1的土壤溫度和土壤含水率的決策系數分別為0.517 6和0.137 6，溫度作用明顯大于土壤含水率作用，說明溫度對土壤表面CO2通量變化的貢獻最大，是最主要的影響因子，處理F2和F3也有相同的規(guī)律。

表4 土壤溫度(x1)和土壤含水率(x2)對表層土壤CO2通量影響的通徑分析

3 討 論

(1)表層土壤CO2通量的變化規(guī)律。由結果分析可知，從第1天9∶00到次日9∶00，表層土壤CO2通量呈現由低到高再到低的變化規(guī)律。從第1天9∶00，土壤CO2通量開始升高，高值段持續(xù)到18∶30，之后CO2濃度開始降低(見圖1)。9∶00-19∶00，處理F1的土壤CO2通量變化為3.09～5.13 μmol/(m2·s)，均值為4.11 μmol/(m2·s)；夜間12∶00的土壤CO2通量變化為2.83～3.93 μmol/(m2﹒s)，均值為3.38 μmol/(m2·s)，白晝變化幅度為0.73 μmol/(m2·s)，白天12∶00的土壤CO2通量大于夜間12∶00的土壤CO2通量。前人通過試驗也表明白天土壤CO2釋放量高于夜間[17,18]。處理F2和F3也具有相同的規(guī)律。這種變化特點與土壤24 h的溫度變化基本相同。早晨日出后，隨著土壤溫度的持續(xù)升高，土壤CO2通量逐漸升高，在下午18∶30左右達到最大值，然后下午和整個夜間又隨土壤溫度的降低而降低。

(2)土壤CO2排放的影響因素。由觀測結果(圖2、表4)可以看出，溫度和含水率是影響土壤CO2排放的重要因素。Jiang等[19]和郝旺林等[20]通過研究也發(fā)現，土壤溫度和水分對土壤呼吸的貢獻較大。表層土壤CO2通量的變化規(guī)律與溫度的變化趨勢相同，這可能是由于溫度升高，土壤微生物活性增強，加速了土壤中含碳物質的分解和CO2的產生，同時也促進了土壤中生物的呼吸作用，釋放大量的CO2，從而使土壤中CO2通量增加[21]。由土壤溫度與表層土壤CO2通量的擬合關系(圖3)來看，2者表現為指數關系，這與嚴俊霞等[22]“指數方程很好地表達了土壤呼吸與土壤溫度的關系”的結論一致。圖2中土壤含水率的變化與土壤CO2通量的變化規(guī)律沒有一致性以及2者的相關系數較小(表3)，可見含水率對土壤呼吸的影響不顯著。同時，土壤呼吸是一個復雜的過程，為了闡明土壤溫度和含水率對表層土壤CO2通量的作用程度，本文引用了通徑分析的方法[23]說明了溫度和含水率對土壤CO2排放的直接作用和間接作用效應，研究結果表明溫度對土壤CO2通量的影響最大，其次是含水率，2者對土壤CO2通量均產生直接的正面效應，這說明溫度和含水率是影響土壤CO2通量的重要指標。為此，應合理控制土壤溫度和水分，有利于控制土壤CO2的排放。

4 結 論

綜上所述，可以得出以下結論。

(1)在灌水后連續(xù)48 h內，表層土壤CO2通量呈現出先降低后升高再降低再升高的變化趨勢，與土壤溫度的變化基本相同；白天12∶00的土壤CO2排放量大于夜間12∶00的土壤CO2排放量。

(2)土壤溫度與表層土壤CO2通量呈指數關系，表現為顯著正相關關系；土壤含水率與表層土壤CO2通量的相關性隨著滴灌水量的增加逐漸減弱。

(3)土壤溫度和土壤含水率相互調控共同影響表層土壤CO2通量，土壤溫度是表層土壤CO2通量的最主要影響因素。

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