咸淡水组合灌溉模式对棉田土壤CO2 日排放特征影响

李会文，管 瑶*，贺兴宏,2，范德宝，王育强

（1.塔里木大学 水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学 南疆岩土工程研究中心，新疆 阿拉尔 843000）

0 引 言

【研究意义】CO2对全球温室效应加剧的贡献率达到60%左右，每年大气CO2有5%～20%来自土壤[1]。农田生态系统土壤CO2排放是陆地生态系统CO2排放的重要影响因素之一，对全球土壤碳排放也有重要影响[2]。干旱半干旱地区水资源短缺问题日益突出，微咸水作为淡水资源的替代资源，合理开发和利用微咸水是解决干旱地区淡水资源短缺的重要措施。微咸水是指矿化度在2～5 g/L 范围内的水资源[3]，通过微咸水与淡水组合灌溉，不仅可以降低土壤蒸发量，将盐分淋洗至周围，减小盐分对作物的影响，还能提高灌溉水分的利用效率[4]。灌溉不仅对土壤整体环境产生影响，还影响土壤呼吸速率和CO2排放通量。因此，研究咸淡水组合灌溉下土壤CO2日排放规律对土壤固碳减排具有重要意义。

【研究现状】目前，关于土壤碳排放影响的研究主要集中在耕作方式、灌溉水量、施肥模式和秸秆还田等方面。张俊丽等[5]指出，夏玉米生长季，深松、免耕、旋耕和翻耕4 种耕作方式下土壤呼吸速率随生育期推进均呈先增加后减少的趋势；陈慧等[6]研究表明，番茄生育期内土壤CO2排放通量随灌水量增加逐渐增大；刘春海等[7]研究发现，有机肥和化肥配施促进了水稻生育盛期CO2排放；武开阔等[8]研究表明，玉米秸秆还田通过促进微生物生物量增加并加剧有机质消耗来促进土壤CO2排放，并随玉米秸秆还田量的增加而显著增加。此外，灌溉作为农业生产活动中重要管理措施，对农田生态系统和大气之间温室气体交换和碳排放有重要影响。新疆地处我国西北干旱地区，淡水资源短缺，利用微咸水灌溉的农业实践经验丰富，但长期微咸水灌溉会导致土壤盐分积累严重，土壤质量下降，更会对土壤温室气体排放产生重要影响。

【切入点】现阶段灌溉对土壤CO2排放影响的研究主要集中于灌水量和施肥，关于不同矿化度微咸水与淡水组合灌溉对土壤CO2排放的相关研究还比较少。【拟解决的关键问题】为此，以南疆地区膜下滴灌棉田为研究对象进行田间试验，采用4 种水质，设置4 种咸水淡水灌溉配比，研究咸淡水组合灌溉对土壤理化性质变化和CO2气体日排放特征影响，以期为南疆地区节水灌溉和固碳减排提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2022 年7—8 月在塔里木大学水利与建筑工程学院节水灌溉试验基地进行。试验区地处东经81°17'，北纬 40°32'，试验期间平均土壤温度为25.78 ℃，平均气温为30.06 ℃，平均湿度为24.71%，地下水埋深3.5 m，试验期间逐日温度及降水量如图1所示。试验用地土壤为砂质壤土，黏粒质量分数、粉粒质量分数、砂粒质量分数分别为3.40%、32.95%和63.65%，土壤体积质量为1.33 g/cm3，播种前土壤pH值为7.81，电导率为161.15 μS/cm。

图1 试验期间大气温度、土壤温度及降水量Fig.1 Temperature change and rainfall during the test

1.2 试验设计

试验设置淡水灌溉CK，3 种不同矿化度微咸水与淡水组合灌溉，组合灌溉顺序均为先灌咸水后灌淡水，灌溉方式为膜下滴灌，微咸水的矿化度分别为S1（2 g/L）、S2（3 g/L）、S3（5 g/L），每种微咸水下设置4 种咸水淡水灌溉配比，ω（微咸水）∶ω（淡水）分别为P1（1∶1）、P2（1∶4）、P3（4∶1）、P4（1∶0），共计13 个处理，每个处理设置3 个重复，具体试验方案如表1 所示。小区面积7.0 m2（3.5 m×2.0 m），各小区之间用塑料薄膜隔开，薄膜埋深40 cm。种植模式为1 膜3 管6 行的宽窄行，设置膜宽为200 cm，宽行距为60 cm，窄行距为30 cm，株距20 cm。滴灌带布置在窄行中心，滴灌带直径为16 mm，滴头间距为20 cm，滴头流量为4.0 L/h。播种前施入底肥磷酸二铵（190 kg/hm2）和尿素（50 kg/hm2），于棉花蕾期、花铃期和吐絮期按2∶2∶1 随滴灌追施尿素，总施氮量为270 kg/hm2。各处理灌水频率为7 d/次，每次灌水定额为225 m3/hm2，供试棉花品种为“塔河一号”。

表3 土壤CO2 排放通量与土壤温度和含水率双因素回归方程拟合Table 3 Fitting of two-factor regression equation of soil CO2 emission flux with soil temperature and water content

1.3 取样及测定方法

1.3.1 气体样品的采集与测定

棉花花铃期逐日采集与测定灌水前后棉田土壤CO2气体，共监测2 个灌水周期。利用静态箱对土壤CO2气体进行原位采集，静态箱分为顶箱和底座2 个部分，材质为2 mm厚的不锈钢（底座尺寸为50 cm×50 cm×15 cm，顶箱尺寸为50 cm×50 cm×50 cm）。箱内顶部布置1 个风扇用于将箱内气体混合均匀，箱内设有温度计插槽用于观测箱内气体温度变化，箱外布设有2 cm 厚的泡沫板和胶带防止采样时箱内气体温度升高过快。底座提前安放在各试验小区行与行的中间，每个小区1 个底座，每次采集气体时向底座凹槽内注水密封保证装置的气密性。气体采集时间为11:00—13:00，在罩箱后0、10、20、30 min 的4 个时间点采集4 次，利用三通阀与50 mL 注射器从箱体内抽取气体装入100 mL 的集气袋中。采集后的气体样品利用气相色谱仪（Agilent 7890A）测定，土壤CO2排放通量计算式为：

式中：F为CO2排放通量（mg/（m2·h ））；ρ为CO2在标准状态下的密度（g/cm3）；V、A为顶箱体积和底面积；Dc/Dt为采样时CO2浓度随时间变化的斜率（采用线性回归拟合）；T为箱内平均温度（℃）。

土壤CO2累计排放量计算式为：

式中：M为土壤CO2累计排放量（kg/hm2）；F为土壤CO2排放通量（mg/（m2·h））；i为采样次数；t为采样时间（d）。

1.3.2 土壤理化性质测定

采集CO2气体时用提前埋置好的地温计测定土壤温度；采集完CO2气体样品后在底座周围钻取0～40 cm 的膜下土样，利用烘干法在105 ℃测定各土层土壤质量含水率。利用电导率仪（DDSJ-308A）测定土壤电导率（EC1:5）；土壤pH 值通过pH 计（PHS-3C）测定。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2021 处理数据，使用Origin 2019 软件绘图，通过IBM SPSS Statistics 26.0 软件的LSD 和Duncan 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 咸淡水组合灌溉下土壤CO2排放通量的动态变化

各处理土壤CO2排放通量变化趋势如图2 所示。各处理土壤CO2排放通量变化类似，均呈先增大后减小的趋势，2 次灌水后各处理土壤CO2排放通量均有明显上升，而后逐渐下降，各处理土壤CO2的排放峰值共出现2 次，均出现在灌水施肥后1 d。CK 的平均CO2排放峰值为425.12 mg/（m2·h ），CO2日平均排放通量为350.98 mg/（m2·h ）。P1S1、P2S1、P3S1、P4S1处理平均CO2排放峰值分别为359.99、376.45、345.75、308.29 mg/（m2·h ）；与CK 相比，P1S1、P2S1、P3S1、P4S1 处理的CO2日平均排放通量分别显著减少了17.37%、12.64%、20.21%、24.35%（P＜0.05）。P1S2、P2S2、P3S2、P4S2 处理平均CO2排放峰值分别为350.34、364.34、323.76、306.38 mg/（m2·h ）；与CK相比，P1S2、P2S2、P3S2、P4S2 处理的CO2日平均排放通量分别显著减少了22.23%、18.30%、25.26%和 26.69%（P＜0.05），其余处理之间无显著差异（P＞0.05）。P1S3、P2S3、P3S3、P4S3 处理平均CO2排放峰值分别为336.68、334.43、310.56、290.12 mg/（m2·h ）；与CK 相比，P1S3、P2S3、P3S3、P4S3 处理的CO2日平均排放通量分别显著减少了23.60%、22.16%、26.98%和28.57%（P＜0.05），但4 个处理之间差异并不显著（P＞0.05）。这表明土壤CO2日排放通量随微咸水矿化度和咸水淡水灌溉配比的增加而减小。

图2 不同处理土壤CO2 排放通量Fig.2 CO2 emission flux from soil with different treatments

2.2 咸淡水组合灌溉下土壤CO2累计排放量的变化规律

图3为不同处理土壤CO2平均排放通量及累计排放量。由图3 可知，CK 的土壤CO2累计排放量最大，为85.91 g/m2，显著高于其他处理；P4S3 处理土壤CO2累计排放量最小，为52.68 g/m2。不同咸水淡水灌溉配比下，S1 处理与S2、S3 处理土壤CO2累计排放量均存在显著差异（P＜0.05），但S2 处理和S3 处理之间无显著差异（P＞0.05），故微咸水矿化度可以抑制土壤CO2排放，但微咸水矿化度超过一定阈值对CO2排放的影响并不显著。

图3 不同处理土壤CO2 平均排放通量及累计排放量Fig.3 Average emission flux and cumulative emission of CO2 from soils under different treatments

2.3 土壤CO2 排放的影响因素分析

2.3.1 箱内气体温度与土壤温度

图4 为不同处理箱内气体温度及土壤温度变化。由图4 可知，不同处理下箱内气体温度均高于土壤温度，箱内气体温度与土壤温度的动态变化趋势整体保持一致。试验期间CK 的箱内气体平均温度和土壤平均温度分别为27.58 ℃和24.27 ℃；S1 处理箱内气体平均温度和土壤平均温度分别为28.08～31.18 ℃和24.40～27.41 ℃；S2 处理箱内气体平均温度和土壤平均温度分别为29.19～31.42 ℃和24.68～27.01 ℃；S3处理箱内气体平均温度和土壤平均温度分别为29.09～30.87 ℃和25.34～26.35 ℃。微咸水矿化度对土壤温度的影响并不显著（P＞0.05），但由表4 可知，箱内气体温度和土壤温度存在一定正相关关系，相关系数0.827。

表4 土壤CO2 排放通量与各影响因素的相关分析Table 4 Correlation analysis of soil CO2 emission flux with each influencing factor

2.3.2 土壤含水率

图5 为不同处理0～20、20～40 cm 土层土壤含水率。由图5 可知，各处理土壤含水率变化基本保持一致，在灌水后第1 天土壤含水率均达到峰值，随后呈递减趋势。各处理0～20、20～40 cm 土层土壤含水率基本表现为P4S3 处理最大，CK 最小，且灌水后这种现象最为明显。与CK 相比，S1、S2、S3 处理土壤含水率分别增加6%～43%、16%～44%和23%～48%，这表明微咸水矿化度显著影响了土壤含水率（P＜0.05），土壤含水率随微咸水矿化度增大显著增大（P＜0.05）。由表4 可知，土壤含水率与土壤CO2排放通量显著正相关（P＜0.01）。

图5 不同处理土壤含水率动态变化规律Fig.5 Changes in soil water content under different treatments

图6为不同微咸水矿化度下土壤CO2排放通量与土壤含水率拟合。土壤含水率（W）是影响微咸水与淡水组合灌溉下土壤CO2排放的重要因素，其解释了50%～66%的土壤CO2排放的变化。S1、S2、S3 处理微咸水与淡水组合灌溉处理下的拟合方程为：Y=-0.14W2+9.77W+193、Y=0.23W2+0.02W+229.39、Y=0.17W2+0.48W+223.43。不同矿化度微咸水与淡水组合灌溉下土壤CO2排放通量均与土壤含水率显著正相关，土壤CO2排放通量随土壤含水率的增加显著增加。

2.3.3 土壤水热因素的综合作用

通过建立以土壤温度（T）和土壤含水率（W）为自变量，土壤CO2排放通量为因变量的双因素复合模型，S1、S2、S3 矿化度微咸水与淡水组合灌溉处理下的拟合方程详见表3，R2在0.702～0.846 之间，与单因素模型相比（R2=0.504～0.658），土壤温度与土壤含水率双因素复合模型可以更全面地解释土壤CO2排放的变化。由图7 可知，当土壤温度一定时，S1、S2、S3 处理下土壤CO2排放通量均随土壤含水率的增加而增大；当土壤含水率一定时，S1、S2 处理土壤CO2排放通量随土壤温度的增加而增大，S3处理土壤CO2排放通量先随土壤温度的增加而减小，下降至土壤温度25 ℃左右时，土壤CO2排放通量随土壤温度的增加而增大。

图7 不同微咸水矿化度下土壤CO2 排放通量对土壤含水率和土壤温度的响应曲面Fig.7 Response surface of soil CO2 emission flux to soil water content and temperature under different brackish water mineralization

2.3.4 土壤电导率与pH 值

如图8 所示，试验期间各处理土壤电导率整体均有所增加，CK 的土壤电导率较其他处理增长缓慢。微咸水矿化度和咸水淡水灌溉配比对土壤电导率存在显著影响（P＜0.05，表2）；与S1 处理相比，S2、S3 处理土壤电导率分别显著增加了 2%～7%和3%～20%，且在同一咸水淡水灌溉配比下，S2、S3 处理与S1 处理之间均存在显著差异（P＜0.05）。由图8可知，各处理土壤pH 值随灌水施肥呈先减小后增大的趋势，在灌水后第2～第3 天土壤pH 值下降至最小值。当矿化度为5 g/L 时，不同咸水淡水灌溉配比对土壤pH 值具有显著影响（P＜0.05）；当咸水淡水灌溉配比为P3、P4 时，微咸水矿化度对土壤pH 值存在显著影响（P＜0.05），故土壤pH 值随微咸水矿化度和咸水淡水灌溉配比的增大而增加。

图8 不同处理土壤电导率和pH 值随时间变化Fig.8 Soil conductivity and pH change with time under different treatments

3 讨 论

灌溉水盐分会影响土壤微生物的数量、种类、活性和利用碳源的能力，并通过渗透胁迫改变土壤酶的活性，造成土壤环境整体活性下降[9]，从而影响土壤CO2排放通量。王帅杰等[10]研究表明，土壤CO2排放通量随灌溉水盐分的增加而减小；张前前等[11]在研究微咸水滴灌对土壤CO2排放通量的影响时发现，不同处理对土壤CO2排放通量影响表现为淡水＞微咸水≥咸水。这都与本研究结果一致。本试验发现，S1 矿化度微咸水与淡水组合灌溉下土壤CO2排放通量与累计排放量均显著高于S2 处理和S3 处理。微咸水灌溉会增加土壤盐分，改变土壤渗透势和孔隙度[12]，进而影响土壤CO2排放。在灌水施肥后1 d，各处理土壤CO2排放均出现排放峰值，这可能是由于灌水施肥提高了土壤含水率，且肥料通过灌水后基本完成水解，促进了土壤根际呼吸和微生物活性，加快了土壤有机质的分解，从而显著提高土壤CO2排放通量[13]。这表明灌水和施肥在提高土壤水分和养分的同时可能也会增加土壤CO2排放，但微咸水和淡水组合灌溉下，微咸水矿化度的增加也会抑制土壤CO2排放，这与以往大多数试验研究[10,14-15]结果一致。

土壤温度和土壤含水率是影响土壤CO2排放的重要因素[16]。土壤温度与土壤呼吸速率正相关[17]，与本研究结果一致，虽然土壤温度与土壤CO2排放正相关，但相关性并不显著。土壤水分与土壤CO2排放通量之间并非简单的线性关系，土壤水分参与了土壤环境中众多反应过程，通过影响土壤根系呼吸、土壤孔隙、微生物活性以及土壤结构等多个方面来调控土壤CO2排放[18]。李贤红[19]研究表明，土壤CO2排放速率随土壤含水率的增大而增加；单独分析土壤水分对CO2排放的影响时，二者相关性并不大，土壤水分和温度相互协调对CO2排放通量产生影响[5,20-22]。这与本研究结果相符，通过土壤温度和含水率双因素复合模型解释了70.2%～84.6%的土壤CO2排放规律，高于单因子模型，说明土壤温度和土壤含水率并非单独作用于土壤CO2排放，而是共同交互作用于土壤CO2排放。

微咸水和淡水组合灌溉也可能通过影响土壤盐分和pH 值来影响土壤CO2排放。郭慧楠等[23]研究表明，长期利用微咸水灌溉会导致土壤盐分、含水率显著增加。本研究发现，S1、S2、S3 矿化度微咸水与淡水组合灌溉下土壤EC值较CK分别提高13.3%～92.5%、21.8%～100%和36.9%～126%，表明不同矿化度微咸水明显提高了土壤盐分。微咸水灌溉在显著增加土壤耕层盐分的同时，也会导致土壤导水率和入渗速率下降，微咸水中的Na+会增大土壤钠吸附比，进而提高土壤pH 值[24]，这与本研究结果类似。本研究表明，不同矿化度微咸水和淡水组合灌溉会导致pH 值升高。Wang 等[25]认为利用微咸水灌溉后，土壤中异养微生物活性降低，土壤CO2排放也相应减少，王国栋等[26]研究表明，长期利用微咸水灌溉后，土壤生物量、酶活性和有机质量与淡水灌溉相比均显著下降，土壤温室气体排放也显著降低。本研究表明，随着微咸水矿化度和咸淡水施配比例的增加，土壤CO2排放通量相应减少。这可能是微咸水和淡水组合灌溉通过提高土壤盐分和pH 值，抑制土壤中微生物和酶活性，减少土壤中生物量和有机碳量，导致土壤呼吸强度减弱，从而抑制土壤CO2排放；同时土壤耕层盐分和pH 值的增大，也会减小土壤孔隙度和蒸发量、抑制作物吸水导致土壤含水率提高，而过高的土壤含水率会阻止土壤中O2扩散[5]，抑制作物根系呼吸，进而导致土壤CO2排放通量减少。

4 结 论

1）微咸水矿化度相同时，在淡水灌溉（CK）和4 种咸水淡水灌溉配比下，土壤含水率、pH 值和电导率表现均为：CK＜P2 处理＜P1 处理＜P3 处理＜P4 处理；咸水淡水灌溉配比相同时，土壤含水率、pH 值和电导率表现均为：CK＜S1 处理＜S2 处理＜S3 处理。

2）咸淡水组合灌溉抑制土壤CO2气体的排放。微咸水矿化度相同时，与CK 相比，P1、P2、P3、P4 处理土壤 CO2日平均排放通量分别减少了17.37%～23.6%、12.64%～22.16%、20.21%～26.98%、24.35%～28.57%；咸水淡水灌溉配比相同时，与CK相比，S1、S2、S3 处理土壤CO2日平均排放通量分别 降 低 了 12.64%～24.35% 、18.30%～26.69% 、22.16%～28.57%。

3）本试验条件下，选用2 g/L 微咸水与淡水按1∶4 施配比例用于灌溉时，土壤盐分、pH 值、CO2排放通量和累计排放量相对较低，可为该地区合理利用微咸水灌溉、节约淡水资源、保护农田生态环境提供理论参考。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）