干湿交替对新疆绿洲农田土壤CO2排放的影响

牛百成, 赵成义, 冯广龙, 唐钢梁

(1.中国科学院 新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 新疆 乌鲁木齐830011; 2.中国科学院大学, 北京 100049)



干湿交替对新疆绿洲农田土壤CO2排放的影响

牛百成1,2, 赵成义1, 冯广龙1, 唐钢梁1,2

(1.中国科学院 新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 新疆 乌鲁木齐830011; 2.中国科学院大学, 北京 100049)

摘要：[目的] 分析不同土壤水分变化及干湿交替对土壤CO2排放的影响，为绿洲农田土壤碳循环提供科学依据。[方法] 选取新疆绿洲棉田土壤，通过室内控制模拟试验，以及用气相色谱仪分析CO2浓度。[结果] (1) 与60%WFPS(土壤充水孔隙度)相比，40%WFPS对土壤CO2排放起到了显著的抑制作用(p<0.05)，而80%WFPS对土壤CO2排放无显著性影响(p<0.05)。培养结束时，与60%WFPS的土壤CO2累积排放量相比，40%WFPS的土壤CO2累积排放量降低26%(p<0.05)，而80%WFPS的土壤CO2累积排放量仅增加0.04%(p>0.05)。(2) 多次干湿交替循环后，干湿交替处理下的土壤CO2累积排放量显著低于恒湿处理。在不同干旱强度处理中，重度干旱(SD)处理对土壤CO2排放速率响应程度大于适度干旱(MD)处理，但多次干湿交替循环后，SD处理下的土壤CO2累积排放量却显著小于MD处理。随干湿交替循环次数的增加，干湿交替对土壤CO2排放速率的影响显著降低，特别是对土壤CO2排放速率最高值的影响最大。[结论] 在新疆绿洲棉田土壤中，干湿交替能降低土壤CO2排放量，降低量随干旱强度的增大而增大。

关键词：绿洲农田; 土壤水分; 干湿交替; 土壤CO2排放

文献参数： 牛百成, 赵成义, 冯广龙, 等.干湿交替对新疆绿洲农田土壤CO2排放的影响[J].水土保持通报，2016,36(3)：74-80.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.014

农田土壤是陆地生态系统中最大的碳库，其碳储量约为1 500 Pg[1]。土壤呼吸是指土壤释放CO2的过程，严格意义上讲，指的是未扰动的土壤产生CO2的所有代谢过程，包括土壤微生物呼吸、根系呼吸和土壤动物呼吸3个生物过程以及一个含碳矿物质的化学氧化作用的非生物学过程[2]。CO2是主要的温室气体之一，每年土壤排放到大气中的CO2量约79.3～81.8 Pg[3]。已有研究表明，土壤温度和湿度是影响土壤排放CO2的主要环境因素[2,4-5]。目前针对干旱区绿洲农田土壤CO2排放的研究，主要集中在土壤温度[6]、湿度[7]和覆膜[8]等对土壤CO2排放的影响。

水分胁迫在干旱地区非常普遍，干燥的土壤遇到降水或者灌溉等事件后，会导致土壤微生物发生变化[9]，从而影响土壤CO2排放。新疆绿洲农田的生产主要依靠灌溉，灌溉方式以漫灌和滴灌为主，受灌溉次数和高强度蒸发的影响，在农田中就形成了干湿交替现象，而这种干湿交替过程会对土壤CO2排放产生影响[10]。Miller等[11]的研究结果表明干湿交替处理能增加土壤CO2排放量；但也有学者[12-13]研究得出不同结果，干湿交替处理的土壤CO2累积排放量均低于恒湿处理；而Kruse等[14]认为干湿交替处理对土壤CO2累积排放量没有显著的影响。目前针对干湿交替处理对土壤CO2排放的影响的研究结论争议较大，其次，干湿交替对新疆绿洲农田土壤CO2排放的影响研究鲜有报道。

本文拟以新疆棉田为研究对象，通过室内模拟试验，分析不同水分梯度和干湿交替强度对新疆绿洲农田土壤CO2排放的影响，以期为新疆绿洲农田土壤碳循环及碳平衡的研究提供重要的基础数据，以及在土壤水分交替变化情况下，对于研究和掌握土壤碳循环的变化规律提供依据。

1材料与方法

1.1供试土壤

供试土壤采自新疆阿克苏绿洲棉田试验地(80°45′E，40°37′N，海拔1 028 m，站区多年平均气温11.2 ℃，年均降水量45.7 mm，无霜期207 d)，土壤类型为灌耕土。试验选用棉田表层0—20 cm土壤，自然风干后除去杂物，研磨并过2 mm的筛子。试验地的土壤质地为粉砂土壤(44%沙粒、50%粉粒和6%黏粒)，0—20 cm的土壤pH值为7.16；土壤容重1.32 g/cm3；有机质为6.96 g/kg；全氮含量为0.48 g/kg。

1.2方 法

1.2.1试验设计试验设置了3个不同水分梯度(水分含量分别为40%WFPS，60%WFPS和80%WFPS，其中WFPS表示土壤充水孔隙度，即充水孔隙体积占总孔隙体积的百分数)和2个不同强度的干湿交替，即重度干旱(用SD表示，水分含量设40%WFPS)和适度干旱(用MD表示，水分含量设60%WFPS)，共计5个处理，每个处理重复3次。在25 ℃恒温培养箱中培养，培养期共64 d。在整个培养过程中，3个不同水分梯度的水分含量始终保持在40%，60%和80%WFPS。2个不同强度的干湿交替处理总共4次循环，每次循环周期为16 d。

在SD处理中，每次干湿交替过程都包括3个时期。湿润期：快速湿润后培养4 d(WFPS值保持在80%)；干燥期：WFPS值从80%降到60%，培养4 d；接着WFPS值又从60%降到40%，培养4 d；干旱期：WFPS值保持在40%，培养4 d；在MD处理中，每次干湿交替过程中也经历3个时期。湿润期：快速湿润后培养4 d(WFPS值保持在80%)；干燥期：WFPS值从80%降到60%，培养4 d；干旱期：WFPS值保持在60%，培养8 d。恒湿处理水分含量为80%WFPS(与不同水分梯度处理共用)。干燥期：通过加入定量的硅胶干燥剂进行缓慢干旱(通过早期试验计算出，在2次取样之间(4 d)加入定量的干燥剂，能使WFPS值从80%降到60%或者60%降到40%来完成缓慢干旱)。硅胶干燥剂装进一次性纸杯中，并在纸杯四周扎出许多小孔(小孔直径小于干燥剂颗粒直径，防止干燥剂漏出,如图1所示)。

1.2.2试验培养称取100 g风干土，均匀置于730 ml玻璃瓶中，试验装置见图1。该装置参考俞永祥等[15]的研究做了一定的改进。试验前期加水至干燥风干土，使土壤水分含量达到80%WFPS，在温度为25 ℃的培养箱中培养16 d，用于恢复土壤微生物活性为干湿交替试验开始做准备。试验开始时3个不同梯度的土壤水分含量，分别为40%WFPS，60%WFPS和80%WFPS，而SD和MD处理的土壤水分含量分别为40%WFPS和60%WFPS(在湿润期时，通过加入蒸馏水使SD和MD处理的土壤水分含量恢复到80%WFPS)。

图1　土壤干湿交替模拟装置

试验开始后，每隔4 d采集1次气体样品，共计采集16次。采集气体时间为10∶00—12∶00。采样流程：采用50 ml注射器通过培养瓶盖上三通阀抽取50 ml气体。操作完成后打开培养瓶盖，在培养瓶顶部煽动，使培养瓶内空气流动，目的是瓶内CO2浓度与室内空气接近[9]，大约15 min后，通过称重法，使用注射器喷洒蒸馏水进行再湿润，使3个不同梯度

的土壤水分含量分别恢复到40%WFPS，60%WFPS和80%WFPS，以及使SD和MD处理的土壤水分含量恢复到80%WFPS，在需要缓慢干燥的培养瓶里加入定量的干燥剂后拧紧瓶盖继续置于25 ℃恒温培养箱中培养。

1.3CO2测定

抽取的气体样品使用气相色谱仪(Agilent 7890 A，Agilent,Palo Alto,USA)进行测定。CO2气体样品分析流程：气体样品中的CO2，主要经过进样、分离和检验3个过程，最终将CO2成分推入镍触媒转化器，在375 ℃高温下被H2还原定量转化成CH4后被FID检验。

1.4数据处理

采用SPSS 16.0软件进行方差分析(ANOVN)，差异显著性水平(p<0.05)通过最小显著差数法(LSD)进行检验，并采用Origin 9.0软件绘图。土壤CO2排放速率以平均值加减标准差(mean ±SD)表示。

2结果与分析

2.1不同水分梯度对土壤CO2排放的影响

整个培养期土壤CO2排放速率随WFPS值增大而增大(图2a)，但20 d之后，60%WFPS和80%WFPS处理下的土壤CO2排放速率的数值接近。60%WFPS和80%WFPS处理下的土壤CO2排放速率显著大于40%WFPS的土壤CO2排放速率。在整个培养过程中，不同水分梯度处理下的土壤CO2排放速率都趋于下降，培养初期不同水分梯度处理下土壤CO2排放速率分别是培养末期的2.25，2.20，2.64倍。

注:不同处理间土壤CO2累积排放量间多重比较是在5%水平下进行。下同。

整个培养过程中，土壤CO2累积排放量随WFPS值增大而增大(图2b)。培养结束时，80%WFPS处理下的土壤CO2累积排放量(以C计)约为135 μg/g，分别是60%WFPS和40%WFPS处理下的1.04，1.4倍。培养过程中，3个不同水分梯度处理下的土壤CO2累积排放量的增长速率均趋于平缓，而40%WFPS处理下的土壤CO2累积排放量的增长速率在40 d后变得更加平缓。80%WFPS和60%WFPS处理下的土壤CO2累积排放量之间无显著性差异(p>0.05)，但均显著大于40%WFPS处理下的土壤CO2累积排放量(p<0.05)。

2.2干湿交替对土壤CO2排放速率的影响

干湿交替处理下的土壤CO2排放速率表现为：第1个循环的湿润期(0～4 d)，SD和MD处理下的土壤CO2排放速率分别减小到1.39和1.74 μg/(g·d)，显著低于恒湿处理。与第1个循环相比，第2,3和4个循环中，SD和MD处理下的土壤CO2排放速率的最低值，分别降低了2.17，2.44，3.11，1.71，1.82，1.74倍(图3)。其中，4个干湿交替循环中SD处理下的土壤CO2排放速率的最低值与MD处理下的土壤CO2排放速率最低值相比，分别降低了20%，35%，40%，40%。

注：SD为重度干旱； MD为适度干旱； WFPS为土壤充水孔隙度。下同。

图3干湿交替对土壤CO2排放速率的影响

在SD处理中，第1次循环的干燥期(8～12 d)，土壤CO2排放速率达到这个循环的最高值，约为2.38 μg/(g·d)。其余3次循环中土壤CO2排放速率的最高值出现的时间与第1次循环类似。SD处理中除第1次循环外(第1次土壤CO2排放速率的最高值远小于其余3次)，第2次循环的干燥期(24～28 d)，土壤CO2排放速率的最高值分别是第3,4次循环干燥期(第3次：40～44 d，第4次：56～60 d)土壤CO2排放速率的最高值的1.31，1.37倍。在MD处理中，第1次循环的干燥期(4～8 d)土壤CO2排放速率也达到这个循环的最高值，约为3.39 μg/(g·d)。其余3次循环中土壤CO2排放速率的最高值出现的时间也与第1次循环类似。MD处理下的第1次循环的干燥期(4～8 d)土壤CO2排放速率的最高值分别是第2,3和4次循环干燥期(第2次：20～24 d，第3次：36～40 d，第4次：52～56 d)土壤CO2排放速率的最高值的1.18，1.27，1.96倍。在每次循环中，与MD处理相比，SD处理下土壤CO2排放速率的最高值落后4 d出现。4个干湿交替循环中，SD处理中除第1次循环外，其余3次循环中土壤CO2排放速率的最高值与MD处理下的土壤CO2排放速率的最高值相比分别提高了12.4%，32.4%和29.7%。

随干湿交替循环次数的增加，SD和MD处理下的土壤CO2排放速率在不同培养时期存在一定的差异性：在SD处理中，湿润期、干燥期和干旱期之间的土壤CO2排放速率均存在显著性差异。在MD处理中，湿润期与干燥期和干旱期之间的土壤CO2排放速率均存在显著性差异，而干燥期和干旱期之间的土壤CO2排放速率的显著性差异变化趋势不一致。

随着干湿交替循环次数的增加，对SD和MD处理下的土壤CO2排放速率的最高值和最低值的影响均呈显著降低的趋势(表1)。虽然SD和MD处理下的土壤CO2排放速率的最低值变化趋势存在差异(第3次循环)，但总的来说干湿交替循环次数对其影响趋势大体一致。干湿交替循环次数对土壤CO2排放速率的最高值的影响均呈现降低的趋势，特别是第3和第4次循环的土壤CO2排放量最高值之间已不存在显著性差异，表明对土壤CO2排放速率的影响程度随干湿交替循环次数的增加而降低。

表1　　　　干湿交替循环次数对重度干旱(SD)和适度

注：CO2 min和CO2 max代表SD或MD处理土壤CO2排放速率的最低值和最高值。同一个处理(SD或MD)中的CO2 min或CO2 max之间多重比较是在5%水平下进行。

2.3干湿交替对土壤CO2累积排放量的影响

试验过程中，干湿交替处理相对于恒湿处理显著降低了土壤CO2累积排放量(图4)。SD和MD处理下的土壤CO2累积排放量，在每次再湿润后增加趋于变缓，而在干燥期迅速增加。其中MD处理下的土壤CO2累积排放量变化幅度低于SD处理。此外，土壤CO2累积排放量增长速率随着干湿交替循环次数的增加而降低。培养结束后，不同处理下的土壤CO2累积排放量差异性显著(p<0.05)。

3讨 论

3.1不同水分梯度对土壤CO2排放的影响

土壤水分含量是影响土壤CO2排放的重要影响因子之一[16]。已有学者[17]研究表明，土壤微生物活性最强的WFPS值为60%，这时土壤CO2排放量最大。当WFPS值低于60%时，就会抑制土壤微生物的活性，而当高于60%时，又会降低土壤的氧气含量，从而影响需氧性微生物的活性。在本文中，40%WFPS处理显著抑制了土壤CO2排放速率，表现为整个培养过程中40%WFPS处理土壤CO2排放速率显著低于60%WFPS和80%WFPS处理，与Linn等[17]的结果相接近。60%WFPS和80%WFPS处理之间土壤CO2平均排放速率无显著性差异(p>0.05)，可能80%WFPS处理从不同程度上抑制需氧微生物的活性[17]。

图4　干湿交替对土壤CO2积累排放量的影响

60%WFPS和80%WFPS处理下的土壤CO2累积排放量显著高于40%WFPS处理下的土壤CO2累积排放量(p<0.05，图2b)。可能原因是40%WFPS的土壤溶液中可溶性有机碳扩散受到抑制，这时土壤微生物处于底物缺乏状态[18]。在Linn等[17]的研究中也认为，当土壤水分含量低于某一水平时，土壤CO2排放量就会下降的主要原因为土壤水膜上的水溶性有机碳的利用率降低。其次，本文中60%WFPS和80%WFPS处理之间的土壤CO2累积排放量没有显著差异性(p>0.05)，说明在60%WFPS和80%WFPS之间出现了最适的土壤CO2排放速率的WFPS值，因此80%WFPS可能对土壤CO2排放产生抑制作用。虽然本文没有对土壤CO2排放最适的WFPS值进行研究，通过试验数据分析可基本认为土壤CO2排放最适的WFPS值与Ding等[19]的研究结果比较接近。

3.2干湿交替对土壤CO2排放速率的影响

在干燥期，SD和MD处理下的WFPS值分别会从80%降到40%和80%降到60%。由于土壤水分含量的降低，可能影响土壤微生物的活性和土壤中碳的累积矿化量[12,20]，也可能会对土壤微生物的流动性起到限制作用[21]以及抑制土壤微生物对营养物质的利用[22]，以上这些都可能对土壤微生物的活性产生抑制作用。很多研究表明，再湿润干燥的土壤会激发土壤CO2排放速率[12-13]，而在本文中，再湿润不同干旱程度的土壤(SD和MD处理)，土壤CO2排放速率却是下降的，显著低于恒湿处理，与Zhang[23]的研究结果相似。同时出现土壤CO2排放速率的最低值(SD

每次循环的干燥期，SD和MD处理中均出现土壤CO2排放速率的最高值(SD >MD，图3a)。说明土壤微生物的活性和数量在各自的这个时期基本恢复了[20]，因此快速增加了对土壤有机碳和干旱时期死亡的微生物残体以及由干湿交替循环引起的土壤团聚体裂解而暴露出有机质的矿化量[25-27]，迅速增加了土壤CO2排放速率，因此出现干湿交替过程中的土壤CO2排放速率的最高值。而SD处理下的土壤CO2排放速率的最高值大约落后MD处理4 d，可能由于SD处理下的土壤比MD处理下的更加干燥，所以SD处理可能造成了更多的土壤微生物死亡[13,23-24]，当再湿润时，在SD处理中微生物的数量要达到原来微生物的活性和数量水平，可能就要比MD处理花费更长的时间(本文4 d左右)。从干湿交替强度对土壤CO2排放速率的影响来看，SD处理下的土壤CO2排放速率的最高值要大于MD处理，这个结果与Liu等[28]的结论非常相似，再湿润前土壤含水量越低，再湿润时对土壤CO2排放速率的影响越大。

在本文中，SD处理下的第1次循环与其余3次循环相比，土壤CO2排放速率的最高值都小于其余3次土壤CO2排放速率的最高值(图3)，在Zhang等[23]的研究中也出现类似结果，而本文MD处理却没有出现这样的现象。可能在SD处理中，第1次循环时的土壤与其他处理(MD)相比较干燥，其次，也可能土壤微生物没有适应这样的环境以及在干旱期引起土壤微生物大量死亡，而在后面3次循环中的土壤微生物大部分可能适应了这样环境[23-24]，因此在SD处理中，在第1次循环就出现这种现象。

3.3干湿交替循环次数对土壤CO2排放速率的影响

随着干湿交替循环次数的增加，对SD和MD处理下的土壤CO2排放速率的最低值和最高值的影响显著降低的趋势(表1)。但SD和MD处理下的第3,4次循环土壤CO2排放速率的最高值之间无显著性差异。原因可能是，经历几次这样的循环过程，使微生物改变了自己的生理状态，让它们慢慢适应了这种干湿交替循环过程[21,24]。也可能是土壤微生物通过改变它们的渗透势来抵御这种干湿交替循环过程。其次，本试验整个培养过程中没有外来碳源的进入，也可能使土壤微生物处于底物缺乏状态[29]。而SD和MD处理下的第3,4次循环中，土壤CO2排放速率的最低值之间显著性差异变化趋势不一致。原因可能是，在干旱期间微生物会失去了降解复杂化合物的能力，而微生物在土壤水分含量适合的条件下，在一定程度上可以维持这种能力[12,27]，因此在MD处理中，第3,4次循环之间的土壤CO2排放速率的最低值差异性显著。虽然本文没有对微生物的量和活性进行研究，但从表1可以看出，在SD和MD处理中，第3,4次循环对土壤CO2排放速率的最高值之间已无显著性差异。说明土壤微生物可能已经适应了这样的环境，以上这些研究结果可能是干湿交替循环次数对土壤CO2排放速率的最低值和最高值影响降低的原因，有待于进一步研究。

3.4干湿交替对土壤CO2累积排放量的影响

多次干湿交替循环后，土壤CO2累积排放量显著低于恒湿处理(图4)，这个结论与部分学者的研究结果一致[12-13]。本文发现，在干湿交替过程中，湿润期不但没有出现土壤CO2排放速率的激增，反而降低了土壤CO2排放速率。只有在干燥期出现一个较长时间段的土壤CO2排放速率持续增加，但弥补不了湿润期和干旱期造成的土壤CO2排放速率的低值。从干旱强度来看，土壤CO2累积排放量随干旱强度的增加而减少。干旱时期土壤可以大大减少土壤CO2的排放，这与王苑等[13]研究结果是相似的。

4结 论

(1) 与60%WFPS处理相比，40%WFPS处理对土壤CO2排放起到了抑制作用，而80%WFPS处理对土壤CO2排放速率的影响不大。整个培养过程中，土壤CO2累积排放量随WFPS值的增大而增大，但60%WFPS和80%WFPS处理之间土壤CO2累积排放量无显著性差异。

(2) 与恒湿处理相比较，干湿交替过程中，土壤CO2排放速率的动态变化表现为先下降后上升再下降的规律。多次干湿交替循环后，土壤CO2累积排放量显著低于恒湿处理。在不同干旱强度处理中，SD处理对土壤CO2排放速率造成的变化幅度显著大于MD处理，但多次干湿交替循环后，SD处理下的土壤CO2累积排放量却显著小于MD处理的。随干湿交替循环次数的增加，对土壤CO2排放速率的影响幅度显著降低。干湿交替能降低土壤CO2排放量，降低量随干旱强度的增大而增大。

(3) 本文以新疆绿洲农田为研究对象，分析了灌溉对CO2的影响，但仅仅只是进行了室内模拟试验，没有在大田中进行实际观测，在以后的研究工作中，将结合大田试验，验证该结论，进一步剖析该过程机理，并讨论其尺度特征。

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收稿日期：2015-03-26修回日期：2015-06-16

通讯作者：赵成义(1966—),男(汉族),新疆维吾尔自治区玛纳斯县人,博士,主要从事干旱区流域水文生态学理论及应用,水文与生态过程模拟,农田水利,区域土壤水盐运动及水碳耦合过程与模拟,区域生态环境质量演变与评价等方面的研究。E-mail:zcy@ms.xjb.ac.cn。

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2016)03-0074-07

中图分类号：S152.7

Effects of Alternate Drying and Wetting on Soil CO2Emissions in Oasis Farmland of Xinjiang Region

NIU Baicheng1,2, ZHAO Chengyi1, FENG Guanglong1, TANG Gangliang1,2

(1.StateLaboratoryofOasisEcologyandDesertEnvironment,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi,Xinjiang830011,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：[Objective] To evaluate the effects of soil water change and alternate drying and wetting on soil CO2 emissions in order to provide basis for soil carbon cycle in oasis farmland. [Methods] Soil samples were taken from oasis farmland in Xinjiang region, which was used for incubation experiment in laboratory. CO2 concentration was analyzed by meteorological chromatograph. [Results] (1) Compared with 60% WFPS(water filling soil porosity), 40% WFPS had a significant inhibiting effect on soil CO2 emissions(p<0.05), while 80% WFPS was no significant influence on soil CO2 emissions(p<0.05). At the end of the experiment, compared with 60% WFPS , accumulation of soil CO2 emissions of 40% WFPS was reduced by 26%(p<0.05), while accumulation of soil CO2 emissions of 80% WFPS was increased by 0.04%(p>0.05). (2) After multiple wet dry cycling, soil CO2 accumulative emissions under alternate drying and wetting condition was significant lower than that of constant moisture treatment(p<0.05). Under different drought intensity, the effect of severe drought on soil CO2 emission rate was higher than that of the moderate drought. But after multiple wet dry cycling, the effect of severe drought on the accumulation of soil CO2 emissions was lower than that of moderate drought(p<0.05). With the increased of drying and wetting alternation, the effects on soil CO2 emission rate was reduced significantly, especially for maximum soil CO2 emission rate. [Conclusion] Drying and wetting alternation can reduce soil CO2 emissions, and the amount of reduction increases with the increasing of drought intensity in Xinjiang oasis soil.

Keywords:oasis farmland; soil moisture; drying and wetting alternation; soil CO2 emissions.

资助项目：中德科学基金研究交流中心项目“塔里木盆地绿洲棉田土壤固碳研究”(GZ867)

第一作者：牛百成(1987—),男(汉族),甘肃省会宁市人,在读硕士,主要从事农田土壤碳循环研究。E-mail:niubch@foxmail.com。