滴灌水量与温度对表层土壤CO2通量的影响

刘芳婷，范文波，张金玺，董倩倩，李长晓

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引 言

随着全球气候变暖，碳循环已成为科学界关注的一大热点问题。土壤CO2通量是全球碳循环的重要组成部分，在调控大气CO2浓度等方面起着十分关键的作用[1]。根据IPCC第4次评估报告指出，农田生态系统是大气CO2的重要源与汇，全球范围内农田生态系统释放的CO2估计达0.4 亿t[2]，它的微小变化使大气中CO2浓度发生明显的波动，可能导致全球气候变暖，因此土壤CO2的排放成为生态系统碳平衡与气候变化的重点研究内容[3-5]。

滴灌技术是干旱区高效节水灌溉的重要手段[6]，尤其新疆农业生产中膜下滴灌技术得到快速发展和广泛应用[7-10]。滴灌水量不同，土壤水分的空间分布及土壤的蓄水能力也不同[11]，从而影响CO2在土壤孔隙中的扩散速率，使CO2的排放量发生改变。杨晓莉等[12]通过室内土柱试验发现土壤水分越高，土壤CO2的排放量越高，两者的变化趋势同步。国外学者Huang等[13]研究发现，雨季土壤CO2的排放量为旱季的2～5倍。不少学者在温度对土壤CO2排放的影响方面也有所研究，GUO Jian-fen等[14]通过室内培养试验发现，随着土壤温度的升高，土壤呼吸速率逐渐增高，致使CO2的排放量增加。Bekele等[15]研究发现，土壤CO2的排放量与土壤温度关系密切。

目前，国内草原和林地生态系统的土壤CO2排放的动态变化报道较多，而对干旱区农田的土壤CO2排放的动态变化及其影响机制研究较少。本研究以沙壤土为试验用土，进行不同滴灌水量对土壤CO2排放影响的试验，探索灌水后表层土壤CO2通量的变化规律，揭示温度、含水率对土壤CO2排放的影响机理，为今后研究土壤气体、温度、水分等环境要素对温室气体CO2的综合控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验概况

本试验采用土柱试验，供试土壤为沙壤土。试验设计3个灌溉水量，分别为1.0、1.5和2.0 L，即处理F1、F2和F3，每组试验重复3次。土样经碾碎及风干处理后，过直径2 mm筛，按设计容重(1.53 g/cm3)每10 cm分层装入土柱中，土柱的规格为48 cm×39 cm×55 cm(顶部内径×底部内径×高)。采用输液袋的方式进行滴灌，滴头固定在土柱表面中心位置，各处理的灌水时间相同。

1.2 测定项目与方法

利用Li-8100红外气体分析仪对不同灌水水平下土壤呼吸作用进行测定。在试验前1～2 d，将PVC圆柱体(内径20.3 cm、外径21.34 cm、高11.43 cm)分别插入不同处理的土壤中，嵌入土中约7 cm。经过24 h平衡后开始测定，尽可能减少因土壤扰动而造成短期内土壤呼吸速率的不稳定。为了准确地反映灌水后土壤呼吸的变化过程，在灌后48 h内对各处理进行昼夜的动态测定，每隔1 h进行一次测定。同时利用土壤温湿度计在PVC圆柱体附近进行土壤温度和土壤含水率的测定，每隔1 h测定一次。此外，采用烘干法对土壤含水率的测定结果进行校准。

1.3 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 20.0分析软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 表层土壤CO2通量的时间变化

在1.0、1.5和2.0 L 3个灌溉水量处理下，土壤表面CO2通量的动态变化过程见图1。由图1可知，在连续48 h内，不同滴灌水量的土壤表面CO2通量变化过程较为一致，均为双峰型，呈现出先降低后升高再降低再升高的变化趋势。峰值均出现在18∶30 ，随后逐步降低，谷值出现在10∶30，在10∶30后，土壤表面CO2通量呈明显的上升趋势。处理F1的土壤CO2通量的变化范围是2.8～5.36 μmol/(m2·s)，平均值为3.86 μmol/(m2·s)。处理F2的土壤CO2通量的变化范围是3.48～7.25 μmol/(m2·s)，平均值为5.03 μmol/(m2·s)，高于处理F1的土壤CO2通量。处理F3的土壤CO2通量的变化范围是5.1～8.78 μmol/(m2·s)，均值为6.3 μmol/(m2·s)，明显高于处理F1和F2的土壤CO2通量。从土壤CO2通量的方差分析来看(见表1)，不同处理间土壤CO2通量差异显著，处理F3的土壤表面CO2通量最大，大小为6.298 6±0.1 μmol/(m2·s)，处理F2的次之，处理F1的最小，大小为3.859 0±0.1 μmol/(m2·s)，这可能与其影响因素温度和水分有关。

图1 不同处理下土壤表面CO2通量特征

表1 不同灌溉水量下表层土壤CO2通量均值 μmol/(m2·s)

注：a、b、c表示不同灌水水平下土壤CO2通量差异显著(P<0.05)。

2.2 温度对表层土壤CO2通量的影响

土壤温度是影响土壤CO2排放速率的关键因子，从温度的变化过程对比曲线(见图2)可以看出，处理F1、F2和F3的平均温度分别为30.53、30.79和30.14 ℃，处理F3的地温变化过程比处理F1和F2的稍微平缓。不同滴灌水量下土壤温度的变化呈双峰曲线，谷值出现在10∶30，在10∶30以后，随着时间的推移，地温均逐步上升，在19∶30达到最大值，而后开始回落，与土壤表面CO2通量的变化趋势一样。这可能是灌水后12 h内，夜间土壤温度较低，微生物活动减弱，CO2的排放量较少，在12～24 h内，随着日出后土壤温度的持续升高，微生物消耗大量的活性碳，有机质分解加速，从而释放大量的CO2，造成了10∶30之后，土壤表面CO2通量上升。在24～36 h内，由于土壤温度的降低，抑制了土壤微生物的活性和土壤生物的呼吸作用，减少了土壤CO2的排放，使土壤CO2通量呈下降趋势。由此可见，土壤温度的降低对土壤CO2的排放产生抑制作用。在36～48 h内，土壤CO2通量又随着土壤温度的升高缓慢增加。

图2 不同处理下土壤温度、土壤含水率的变化特征

由相关性分析(见表2)可知，处理F1、F2和F3的土壤温度与土壤CO2通量的相关系数分别为0.725、0.570和0.649，表明土壤温度对表层土壤CO2通量的影响显著。此外，进一步对土壤温度与表层土壤CO2通量进行拟合(见图3)，结果发现2者呈指数关系，且表现为正相关关系，与前人的研究结论相似[15,16]。

表2 土壤温度与表层土壤CO2通量的相关性

注：**为通过0.01显著水平检验，n=50。

图3 土壤温度与表层土壤CO2通量关系的拟合

2.3 土壤含水率对土壤CO2通量的影响

由土壤含水率变化曲线图2可知，随着时间的推移，土壤含水率变化呈平稳的下降趋势，波动较小。处理F1的土壤含水率最大值为17.3%，最小值为13.6%，变化幅度为3.7%；处理F2的土壤含水率变化范围是16%～19.7%，变幅为3.7%；处理F3的土壤含水率最大值为24.5%，明显的高于处理F1和F2的土壤含水率。由土壤含水率与表层土壤CO2通量的相关性分析(见表3)来看，处理F1的土壤含水率对表层土壤CO2通量的影响程度高于处理F2和F3，表明随着滴灌水量的增加，土壤含水率与表层土壤CO2通量的相关性减弱。

表3 土壤含水率与表层土壤CO2通量的相关性

注：**为通过0.01显著水平检验，n=50。

2.4 水热条件对土壤表面CO2通量的影响。

从相关系数来看，土壤含水率对表层土壤CO2通量的影响不如温度对表层土壤CO2通量的影响，但土壤含水率通过土壤温度对土壤CO2通量产生一定的影响，因此采用通径分析方法研究温度和含水率2者共同对土壤表面CO2通量的影响，结果见表4。

通径分析结果表明，不同滴灌水量下，土壤温度和含水率对表层土壤CO2通量的直接影响差异较大，温度对表层土壤CO2通量的直接作用最大。以处理F1为例，温度对土壤CO2通量的直接作用系数为0.818 3，表现为正相关，说明温度每增加1个单位，土壤表面CO2通量就增加0.818 3个单位，而其通过含水率对表层土壤CO2通量有较小的负向间接作用，间接作用系数为-0.092 9，直接作用与间接作用正负抵消使土壤温度与表层土壤CO2通量的综合作用系数为0.725 4，表现为显著的正相关关系。土壤含水率对表层土壤CO2通量的直接正向作用系数为0.538 2，其通过温度对表层CO2通量有较小的负向间接作用。处理F2和F3也有相同的规律。由此可见，土壤含水率和温度之间存在明显的相互作用，共同影响表层土壤CO2通量的排放。

由表4可知，不同滴灌水量下温度和含水率的直接通径系数均大于其间接通径系数，表明2者对土壤CO2通量的主要贡献表现为直接作用效应。处理F1、F2和F3的这2个因素及其互作效应对土壤表面CO2通量的决定系数分别为0.807 3、0.370 1和0.615 3，剩余通径系数分别为0.439 0、0.793 6和0.620 2，说明还有其他因素对土壤CO2通量变化产生影响，还需要进一步深入研究。处理F1的土壤温度和土壤含水率的决策系数分别为0.517 6和0.137 6，温度作用明显大于土壤含水率作用，说明温度对土壤表面CO2通量变化的贡献最大，是最主要的影响因子，处理F2和F3也有相同的规律。

表4 土壤温度(x1)和土壤含水率(x2)对表层土壤CO2通量影响的通径分析

3 讨 论

(1)表层土壤CO2通量的变化规律。由结果分析可知，从第1天9∶00到次日9∶00，表层土壤CO2通量呈现由低到高再到低的变化规律。从第1天9∶00，土壤CO2通量开始升高，高值段持续到18∶30，之后CO2浓度开始降低(见图1)。9∶00-19∶00，处理F1的土壤CO2通量变化为3.09～5.13 μmol/(m2·s)，均值为4.11 μmol/(m2·s)；夜间12∶00的土壤CO2通量变化为2.83～3.93 μmol/(m2﹒s)，均值为3.38 μmol/(m2·s)，白昼变化幅度为0.73 μmol/(m2·s)，白天12∶00的土壤CO2通量大于夜间12∶00的土壤CO2通量。前人通过试验也表明白天土壤CO2释放量高于夜间[17,18]。处理F2和F3也具有相同的规律。这种变化特点与土壤24 h的温度变化基本相同。早晨日出后，随着土壤温度的持续升高，土壤CO2通量逐渐升高，在下午18∶30左右达到最大值，然后下午和整个夜间又随土壤温度的降低而降低。

(2)土壤CO2排放的影响因素。由观测结果(图2、表4)可以看出，温度和含水率是影响土壤CO2排放的重要因素。Jiang等[19]和郝旺林等[20]通过研究也发现，土壤温度和水分对土壤呼吸的贡献较大。表层土壤CO2通量的变化规律与温度的变化趋势相同，这可能是由于温度升高，土壤微生物活性增强，加速了土壤中含碳物质的分解和CO2的产生，同时也促进了土壤中生物的呼吸作用，释放大量的CO2，从而使土壤中CO2通量增加[21]。由土壤温度与表层土壤CO2通量的拟合关系(图3)来看，2者表现为指数关系，这与严俊霞等[22]“指数方程很好地表达了土壤呼吸与土壤温度的关系”的结论一致。图2中土壤含水率的变化与土壤CO2通量的变化规律没有一致性以及2者的相关系数较小(表3)，可见含水率对土壤呼吸的影响不显著。同时，土壤呼吸是一个复杂的过程，为了阐明土壤温度和含水率对表层土壤CO2通量的作用程度，本文引用了通径分析的方法[23]说明了温度和含水率对土壤CO2排放的直接作用和间接作用效应，研究结果表明温度对土壤CO2通量的影响最大，其次是含水率，2者对土壤CO2通量均产生直接的正面效应，这说明温度和含水率是影响土壤CO2通量的重要指标。为此，应合理控制土壤温度和水分，有利于控制土壤CO2的排放。

4 结 论

综上所述，可以得出以下结论。

(1)在灌水后连续48 h内，表层土壤CO2通量呈现出先降低后升高再降低再升高的变化趋势，与土壤温度的变化基本相同；白天12∶00的土壤CO2排放量大于夜间12∶00的土壤CO2排放量。

(2)土壤温度与表层土壤CO2通量呈指数关系，表现为显著正相关关系；土壤含水率与表层土壤CO2通量的相关性随着滴灌水量的增加逐渐减弱。

(3)土壤温度和土壤含水率相互调控共同影响表层土壤CO2通量，土壤温度是表层土壤CO2通量的最主要影响因素。

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