加氣灌溉下紅壤土呼吸速率變化及其與土壤水氧的關系

于珍珍 王宏軒 鄒華芬 孫海天 汪匯源 汪春 李海亮

摘 ?要：加氣灌溉技術是在地下滴灌的基礎上發(fā)展起來的一種土壤通氣增氧的新型灌溉方式，可以有效避免土壤含氧量低、通氣性差給作物帶來的危害。探明加氣灌溉（AI）技術下紅壤土呼吸速率變化規(guī)律與作用機理，為加氣灌溉技術的推廣提供理論依據(jù)。本研究基于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院國家土壤質(zhì)量湛江觀測實驗站，對比研究了加氣灌溉與不加氣灌溉處理下土壤呼吸速率的動態(tài)變化，并分析了土壤呼吸速率變化對土壤含水率及土壤含氧量的響應關系。結果表明：2種處理下土壤呼吸速率的日變化特征曲線基本一致?？傮w上呈現(xiàn)出單峰曲線變化，土壤呼吸速率峰值出現(xiàn)在11：00左右，最小值出現(xiàn)在23：00—次日3：00，2種試驗處理日變化規(guī)律相似，AI和CK處理下土壤呼吸速率日均值分別為1.64 μmol/（m2·s）和1.53 μmol/（m2·s），AI處理顯著高于CK處理（P<0.05）。季節(jié)變化下AI處理下的土壤呼吸速率一直高于對照組CK，在整個生長期內(nèi)基本均存在一定的差異性。與常規(guī)種植方式（CK）相比，加氣灌溉分別提高了土壤呼吸速率和土壤含氧量7.50%和27.75%，降低了土壤含水率4.90%，土壤含水率和含氧量分別可以解釋AI和CK處理下紅壤土呼吸變化的85.04%、61.15%和69.92%、41.61%，土壤含水率和含氧量共同解釋了AI和CK處理下土壤呼吸變化的41.2%～58.4%。AI處理下土壤含水率和含氧量對土壤呼吸交互作用擬合效果更優(yōu)。該研究證明加氣灌溉技術主要通過提高土壤氧氣含量進而提高土壤呼吸速率，研究結果為補充完善加氣灌溉下土壤呼吸排放機理及加氣灌溉技術在我國紅壤地區(qū)的推廣應用提供數(shù)據(jù)支撐和技術參考。

關鍵詞：紅壤土;玉米;加氣灌溉;土壤呼吸;含水率;含氧量

中圖分類號：Q949.748.5 ? ? ?文獻標識碼：A

Changes of Red Soil Respiration Rate under Aerated Irrigation and Its Relationship with Soil Water and Oxygen

YU Zhenzhen1，2， WANG Hongxuan2， ZOU Huafen2， SUN Haitian1，2， WANG Huiyuan4， WANG Chun1，2*，

LI Hailiang2，3*

1. College of Engineering， Heilongjiang Bayi Land Reclamation University， Daqing， Heilongjiang 163319， China; 2. South Subtropical Crops Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / National Soil Quality Zhanjiang Observation and Experimental Station， Zhanjiang， Guangdong 524000， China; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou， Henan 450002， China; 4. Institute of Science and Technology Information， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract： Aerated irrigation technology is a new type of soil aeration and oxygen-enhancing irrigation method developed on the basis of underground drip irrigation， which can effectively avoid the harm to crops caused by low soil oxygen content and poor aeration.The study is aimed to prove the law and mechanism of the red soil respiration rate under aerated irrigation （AI） technology， and provide a theoretical basis for the popularization of aerated irrigation technology. This study is based on the National Soil Quality Observation and Experimental Station， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences. It compared the dynamic changes of soil respiration rate under aerated and non-aerated irrigation treatments， and analyzed the effects of changes in soil respiration rate on soil moisture and soil oxygen， and the amount of response relationship. The daily variation characteristic curves of soil respiration rate under the two treatments were basically the same. In general， it showed a single-peak curve change. The peak of soil respiration rate appeared at about

11：00， and the minimum appeared at about 23：00—3：00 in the morning. The diurnal changes of the two experimental

treatments were similar. The daily average values of the rates of soil respiration under AI and CK treatments was

1.64 μmol/（m2·s） and 1.53 μmol/（m2·s）， respectively. The AI treatment was significantly higher than that of CK （P<0.05）. Under seasonal changes， the soil respiration rate under the AI treatment was always higher than that of the control， and there were basically certain differences throughout the growth period. Compared with conventional planting methods （CK）， aerated irrigation increased soil respiration rate and soil oxygen content by 7.50% and 27.75%， and reduced soil water content by 4.90%. Soil water content and oxygen content could explain AI and respiration changes of red loam under CK treatment were 85.04%， 61.15% and 69.92%， 41.61%. The soil moisture content and oxygen content together explained 41.2%–58.4% of the soil respiration changes under AI and CK treatments. Under AI treatment， soil moisture content and oxygen content had a better fitting effect on soil respiration interaction. This study proves that aerated irrigation technology mainly increases soil respiration rate by increasing the oxygen content of the soil. The research results provide data support and technical reference for supplementing and improving the soil respiration emission mechanism under aerated irrigation and the popularization and application of aerated irrigation technology in red soil regions in my country.

Keywords： red loam; corn; aerated irrigation; soil respiration; water content; oxygen content

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.01.015

土壤呼吸是土壤中的微生物、植物根系和食碎屑動物等由于新陳代謝消耗O2的同時向大氣中釋放CO2的過程[1-4]，受土壤環(huán)境因子和生物因子的交互影響，是土壤和大氣碳庫相互交換的重要途徑[5]。據(jù)統(tǒng)計，土壤呼吸每年向大氣中輸出碳83×109～108×109 t，超過化石燃料排放的10倍[1， 6]。農(nóng)田土壤呼吸對農(nóng)田管理措施變化響應十分敏感，大量研究表明，土壤水分和氣體的變化均對土壤呼吸產(chǎn)生重大影響[6]。

加氣灌溉技術是在地下滴灌的基礎上，利用空氣泵或者羅茨風機等通風裝置向作物根部土壤增加空氣，或者采用文丘里裝置將空氣以微氣泡的形式摻入灌溉水中，實現(xiàn)對土壤水分和氣體含量的有效調(diào)控[7-9]。土壤水分和氣體的變化進而對土壤呼吸產(chǎn)生影響。王建林等[10]研究表明，在水肥虧缺下，農(nóng)田土壤呼吸速率隨著土壤水分的增加而增強，但是土壤水分過高，氧氣含量降低，作物有氧呼吸受阻或者中斷，土壤呼吸作用減弱，亦會限制CO2排放。加氣灌溉技術直接改變土壤中水分和含氧量，進而影響土壤呼吸作用。但是由于土壤類型及地理位置不同，相同的田間管理下土壤呼吸作用不盡相同，綜合研究土壤類型的影響因素，將有助于準確評估加氣灌溉技術對土壤呼吸作用的影響[11-14]。

我國熱帶紅壤地區(qū)（包括熱帶和南亞熱帶地區(qū)）是我國熱帶林果、經(jīng)濟作物和糧食的主要產(chǎn)區(qū)，然而，該地區(qū)由于受季風影響，大量集中降水造成土壤孔隙中氣體被雨水驅替，導致土壤水氣不平衡，嚴重阻礙土壤–大氣氣體交換，土壤呼吸作用減弱[13， 15]，對我國紅壤區(qū)作物種植具有顯著的影響，探明加氣灌溉技術下紅壤區(qū)土壤呼吸變化特征是實現(xiàn)作物持續(xù)增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)、建立可持續(xù)熱帶紅壤區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的關鍵。目前已有研究報道了土壤呼吸對加氣灌溉技術的響應及機理，但是關于加氣灌溉下紅壤土呼吸變化與土壤環(huán)境因子的關聯(lián)分析未見報道。

本文通過對比分析加氣灌溉和不加氣灌溉處理下土壤呼吸速率的日變化及季節(jié)變化規(guī)律的差異，明確加氣處理對紅壤土呼吸作用的影響，分析加氣條件下土壤呼吸速率變化對土壤水分及含氧量的互動響應過程，揭示加氣灌溉技術影響土壤呼吸的作用及機理，以期為加氣灌溉技術在紅壤地區(qū)高效合理的推廣應用提供理論基礎和實踐依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗地概況

試驗在廣東省湛江市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心（109°31' E，21°35' N）進行，年平均日照時間為2160 h，無霜期為350 d，年平均氣溫為23.2℃，玉米生長期內(nèi)氣溫和降雨量變化如圖1所示。供試土壤類型為紅壤土，速效N、P、K和有機質(zhì)分含量別為60.71 mg/kg、20.08 mg/kg、77.03 mg/kg和19.75 g/kg。

1.2 ?方法

1.2.1 ?試驗設計 ?供試玉米品種為‘惠玉甜三號’。試驗地每個壟的壟長為8 m，寬1.5 m，株距40 cm，每個小區(qū)種植15株。2019年9月2日進行穴播，2020年12月3日收獲。玉米全生育期時長為91 d，生育期劃分為苗期、拔節(jié)期、抽雄期、成熟期，自2019年9月16日開始試驗處理。地下滴灌帶采用內(nèi)鑲貼片式滲管帶，流量為2.5 L/h，滴頭工作壓力為0.1 MPa，滴灌管直徑為16 mm，埋深為20 cm，滴灌帶干管與羅茨風機相連，借助地下滴灌帶為作物根部提供水分、養(yǎng)分及氣體。

試驗加氣灌溉（AI）和不加氣灌溉（CK）2種灌溉方式，每個試驗重復3次，1次重復為1個小區(qū)，共計6個小區(qū)。利用φE601型標準蒸發(fā)皿控制灌水量，以灌水間隔內(nèi)每天9：00測得的蒸發(fā)量為灌溉依據(jù)，玉米不同生育周期選取不同的Kp，分別為苗期0.8、拔節(jié)期1.2、抽雄期1.2、成熟期1.0[16-17]。各處理每次灌水量計算公式為：

（1）

式中，W為各處理每次的灌水量，L;A為單個滴頭控制的小區(qū)面積，為0.14 m2（0.35 m× 0.4 m）;Ep為2次灌溉時間間隔內(nèi)E601型標準蒸發(fā)皿測得的蒸發(fā)量，mm;Kp為作物-蒸發(fā)皿系數(shù)，根據(jù)玉米不同生育期進行選擇。

單次通氣量是以土壤孔隙率的100%作為標準通氣量，每次通氣量計算公式為[18]：

（2）

式中，V為每次通氣量，L;S為壟的橫截面積，1500 cm2;L為壟長，m;b為土壤容重，1.23 g/cm3;s為土壤密度，1.65 g/cm3。據(jù)此得出每個試驗小區(qū)通氣量為744.75 L，試驗過程中不考慮土壤氣體的逃逸，按照羅茨風機銘牌標示功率及通氣量換算為相應的通氣時間，利用通氣時間控制通氣量

1.2.2 ?測定指標 ?（1）土壤呼吸速率。利用Li-6400型便攜式氣體分析系統(tǒng)進行測定，土壤呼吸環(huán)測得的土壤呼吸速率是儀器2次循環(huán)測量的平均值。日變化從7：00開始的24 h內(nèi)，每隔2 h測量一次土壤呼吸速率的變化，季節(jié)性變化測量當天在7：00—9：00之間進行測量[19]。除了開始日期和收獲日期之外，玉米生長階段每10 d測量一次，如遇強降雨天氣則推遲測定時間。

（2）含水率。采用土壤多參數(shù)測定儀對土壤溫度、含水率進行全程跟蹤測量。測量土壤表層下20 cm的含水率，每次測量3個點，取平均值作為該組的測定結果，測定日期、時間與土壤呼吸速率測定日期一致。

（3）土壤含氧量。利用光纖式氧氣測量儀（fiber-optic oxygen meter firesting O2）測定距離土壤表層20 cm的氧氣含量，測定深度為20 cm，每個點重復測量3次，取平均值作為該點的測定結果，測量日期、時間與土壤呼吸速率測定一致。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010軟件對試驗所得數(shù)據(jù)進行整理，剔除異常數(shù)據(jù)。通過SPSS 18.0軟件進行顯著性、相關關系分析，用Origin 2019進行繪圖分析。土壤呼吸速率與土壤含水率和土壤含氧量的關系采用線性模型、多項式模型進行擬合，最后通過決定系數(shù)R2篩選出最優(yōu)擬合方程：

（3）

（4）

式中：R為土壤呼吸速率，μmol/（m2·s）;W為土壤含水率，%;O為土壤含氧量，%;a、b、c、d均為參數(shù)。

2 ?結果與分析

2.1 ?加氣灌溉下紅壤土呼吸速率、含水率及含氧量動態(tài)變化規(guī)律

AI和CK處理下土壤呼吸速率（以CO2計）、含水率及含氧量的日動態(tài)變化存在一定的差異性（圖2）。單日內(nèi)土壤呼吸總體呈現(xiàn)單峰型日變化，最大值出現(xiàn)在11：00左右，最小值出現(xiàn)在凌晨23：00—次日3：00，2種試驗處理日變化規(guī)律相似，AI和CK處理下土壤呼吸速率日均值分別為1.64 μmol/（m2·s）和1.53 μmol/（m2·s），AI處理顯著高于CK處理（P<0.05）。2種試驗處理下土壤含水率最大值出現(xiàn)在早上7：00—9：00，最低值出現(xiàn)在17：00左右，AI處理下土壤含水率雖然低于CK處理，但是僅部分測定點間存在顯著性差異（P<0.05）。土壤含氧量最高值基本出現(xiàn)在日間7：00和夜間23：00左右，最低值出現(xiàn)在13：00—15：00。土壤含氧量在日間7：00— 15：00內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢，在17：00—次日3：00間呈現(xiàn)上升趨勢，AI處理下土壤含氧量日均值分別為14.83%，高于CK（12.10%）22.56%。

如圖3所示，土壤呼吸速率在玉米拔節(jié)末期至抽雄期（第40～60天）較高，AI處理下的土壤呼吸速率一直高于對照組CK，除初始值外，在整個生長期內(nèi)基本均存在一定的差異性。AI和CK處理下土壤呼吸速率在玉米整個生育周期內(nèi)的平均值分別為1.786 μmol/（m2·s）和1.662 μmol/（m2·s），AI處理下土壤呼吸速率增大了7.50%。土壤含水率在玉米生長前期較高且波動范圍較大，在生長中后期變化范圍較小。AI和CK處理下含水率平均值分別為27.77%和29.14%，比CK處理分別下降了4.9%。部分測定點存在顯著差異（P<0.05）。整個生育期內(nèi)，土壤含氧量在玉米苗期至拔節(jié)期呈下降的趨勢，在拔節(jié)期至成熟期逐漸升高。CK處理下土壤含氧量平均值為11.71%，AI處理為14.96%。即使在玉米拔節(jié)期和抽雄期土壤呼吸速率較高，耗氧量較大時，AI處理下依然可以保持較高的土壤含氧量。

2.2 ?加氣灌溉技術下紅壤土呼吸速率與土壤含水率的關系

由圖4可知，AI和CK處理下土壤含水率變化范圍為15.2%～37.2%和16.4%～37.5%，2種試驗處理下土壤呼吸速率隨著含水率的升高呈先升高后降低的趨勢，AI處理下，當土壤含水率達到31.6%時，土壤呼吸速率達到峰值2.13 μmol/ （m2·s），其次為CK處理下，當土壤含水率為32.5%時達到峰值1.98 μmol/（m2·s）;對土壤呼吸速率與土壤含氧量分段擬合發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸速率與土壤含水率呈順時針環(huán)狀分布，其中，AI處理下最明顯，2種試驗處理下土壤呼吸速率與含水率均呈現(xiàn)二次函數(shù)關系，其決定系數(shù)分別為0.8504、0.6115（表1）。

2.3 ?加氣灌溉技術下紅壤土呼吸速率與土壤含氧量的關系

由圖5可知，2種處理下土壤含氧量變化幅度較小，AI處理下含氧量可以保持在12.1%～ 16.5%，CK處理下土壤含氧量的變化范圍10.2%～ 15.7%，說明AI處理下可以使土壤氧氣含量保持在一個較高的范圍。由圖5可知，2種試驗處理下土壤呼吸速率呈先升高后降低的變化趨勢，AI處理下當土壤含氧量為14.8%時，土壤呼吸速率達到最高值2.12 μmol/（m2·s），其次為CK處理下，當土壤含氧量為14.1%時達到峰值1.98 μmol/ （m2·s），CK處理下，大部分測量點都是隨著土壤含氧量升高而增強，只有極少測量點出現(xiàn)負相關，可能土壤含氧量最高值沒有達到抑制土壤呼吸速率的閾值。由表2可知，對土壤呼吸速率與土壤含氧量分段擬合發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸速率與土壤含氧量呈順時針環(huán)形分布，2種處理下土壤呼吸速率與土壤含氧量最優(yōu)擬合關系為二次函數(shù)，其決定系數(shù)分別為0.6992、0.4161（P<0.01）。

2.4 ?加氣灌溉下紅壤土呼吸速率與土壤含水率、含氧量的耦合關系

綜合考慮土壤含水率和含氧量對土壤呼吸速率的交叉影響，利用方程式（3）、（4）進行回歸擬合方程如表3所示。2種處理下土壤呼吸速率與土壤含水率和含氧量擬合方程均表現(xiàn)為多項式擬合效果最好，2種處理下土壤含水率和含氧量綜合解釋了土壤呼吸速率變化的41.2%～72.8%，加氣灌溉條件下土壤含水率和含氧量擬合結果優(yōu)于對照組，可以解釋58.3%～72.8%的土壤呼吸速率變化情況，但是對照處理CK擬合方程解釋系數(shù)為41.2%～58.4%，說明加氣灌溉條件下土壤含水率和含氧量對紅壤土呼吸速率的敏感性高于不加氣灌溉，且R=a+bW+cO+dWO函數(shù)方程可以較好地預測不同水氧條件下紅壤土呼吸速率的變化。

3 ?討論

3.1 ?加氣灌溉技術對土壤呼吸速率、含水率及含氧量的影響

本研究中，與不加氣灌溉相比，加氣灌溉處理下土壤含氧量和土壤呼吸速率顯著增大，分別提高了27.75%和7.50%。BHATTARAI等[19]的研究也表明，與傳統(tǒng)地下滴灌方式相比較，加氣灌溉技術下土壤含氧量增加16%左右，同時，BHATTARAI等[20]通過對加氣灌溉下土壤晝夜測量土壤含氧量得出，土壤含氧量最高值在14：00—16：00之間，但是該時間段是本研究土壤呼吸及土壤含氧量的最低點，本研究中，土壤含氧量與土壤呼吸最高值在11：00—16：00中，這主要是由于試驗區(qū)域不同而造成的溫度差異，相關研究也表明，土壤溫度越高，氧氣含量越低[21]，溫度過高，會對作物根系呼吸及微生物呼吸產(chǎn)生一定的抑制作用。在通氣性較差的土壤中，植株根系與土壤微生物生命活動受到影響，有氧呼吸降低，土壤呼吸速率會顯著降低，因此，加氣灌溉下可以獲得較高的土壤呼吸速率，一方面是由于土壤含氧量的提高，為植株根系和微生物生命活動提供了良好的有氧環(huán)境，另一方面是因為對土壤進行加氣處理，可以提高土壤通氣性，促進土壤與大氣之間的氣體交換，保證了土壤呼吸的順利進行。BHATTARAI等[22]的研究結果也表明，與不加氣灌溉相比，加氣灌溉下土壤呼吸速率提升了124%～183%，加氣灌溉下土壤CO2排放量增加了11.8%。

AI處理下，土壤含水率下降了4.9%左右，一是由于加氣灌溉條件下，土壤呼吸作用增強，植株根系及微生物生命活動旺盛，對水分和養(yǎng)分的吸收高于對照組，所以土壤水分含量會有所下降[23];二是由于加氣灌溉提高了土壤通氣性，進而改善了土壤水分的分布均勻度，水分在土壤中擴散更加均勻，避免水分在土壤中某一點的堆積[24-25]。

3.2 ?土壤呼吸速率與土壤含水率、含氧量之間的相關關系

土壤呼吸速率主要受土壤生物因素和環(huán)境因素的共同作用。本研究中，土壤含水率和含氧量分別可以解釋AI和CK處理下紅壤土呼吸變化的85.04%、61.15%和69.92%、41.61%。候毛毛等[26]相關研究結果表明，只有當土壤水分低于較低閾值（12.8%）或高于較高閾值（28.2%）時，土壤呼吸速率才與土壤含水率呈顯著線性正相關，但是當水分含量處于適宜的數(shù)值范圍時，與土壤呼吸速率與土壤水分含量沒有顯著的相關性。其他研究也表明[27-29]，不同地區(qū)、不同土壤類型下土壤呼吸的最佳土壤水分可能范圍很廣，只有在土壤水分極高或極低時才會抑制土壤呼吸。在本研究中，土壤水分變化范圍較大，在2種處理中土壤含水率與土壤呼吸速率呼吸相關性較強。

土壤呼吸的本質(zhì)是消耗氧氣、釋放CO2的過程[30]。因此，在本研究中，土壤呼吸速率與土壤含氧量呈顯著負相關關系。土壤呼吸過程包括有機質(zhì)分解、根系與微生物等呼吸作用的順利進行，都需要氧氣的參與。與對照相比，加氣灌溉下土壤呼吸和土壤含氧量均顯著增大，但是土壤含水率降低，一是由于加氣灌溉下土壤環(huán)境得到改善，提高土壤通氣性，作物根系及土壤微生物活性增強[31-33]，進而對土壤水分的利用提高，所以加氣灌溉下土壤含水率均值低于不加氣灌溉[34];二是加氣灌溉下土壤通氣性改善，大氣與土壤之間的氣體交換增強，即使加氣灌溉下土壤呼吸作用增強對土壤氧氣消耗增大，土壤含氧量在玉米整個生育周期內(nèi)仍高于不加氣灌溉[35-36]。

4 ?結論

（1）2種處理下土壤呼吸速率的日變化特征曲線基本一致?？傮w上呈現(xiàn)出單峰曲線變化，土壤呼吸速率峰值出現(xiàn)在11：00—15：00。加氣灌溉下根區(qū)土壤環(huán)境得到明顯改善，與對照相比，加氣灌溉分別提高了土壤呼吸速率、土壤含氧量7.50%、27.75%，土壤含水率降低了4.90%。

（2）2種試驗處理下土壤呼吸速率與土壤含水率和含氧量均呈二次多項式函數(shù)關系，在加氣灌溉條件下，土壤含水率、土壤含氧量與土壤呼吸之間的關系均為顯著水平（P<0.05），AI和CK處理下土壤含水率、含氧量交互作用分別解釋了土壤呼吸速率變化的73%和58%左右。

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