劉芳婷，范文波，張金璽，董倩倩，李長(zhǎng)曉

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)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(xué)界關(guān)注的一大熱點(diǎn)問題。土壤CO2通量是全球碳循環(huán)的重要組成部分，在調(diào)控大氣CO2濃度等方面起著十分關(guān)鍵的作用[1]。根據(jù)IPCC第4次評(píng)估報(bào)告指出，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是大氣CO2的重要源與匯，全球范圍內(nèi)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)釋放的CO2估計(jì)達(dá)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(dòng)，可能導(dǎo)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(diǎn)研究?jī)?nèi)容[3-5]。

滴灌技術(shù)是干旱區(qū)高效節(jié)水灌溉的重要手段[6]，尤其新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中膜下滴灌技術(shù)得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)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(kuò)散速率，使CO2的排放量發(fā)生改變。楊曉莉等[12]通過室內(nèi)土柱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤水分越高，土壤CO2的排放量越高，兩者的變化趨勢(shì)同步。國(guó)外學(xué)者Huang等[13]研究發(fā)現(xiàn)，雨季土壤CO2的排放量為旱季的2～5倍。不少學(xué)者在溫度對(duì)土壤CO2排放的影響方面也有所研究，GUO Jian-fen等[14]通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)，土壤CO2的排放量與土壤溫度關(guān)系密切。

目前，國(guó)內(nèi)草原和林地生態(tài)系統(tǒng)的土壤CO2排放的動(dòng)態(tài)變化報(bào)道較多，而對(duì)干旱區(qū)農(nóng)田的土壤CO2排放的動(dòng)態(tài)變化及其影響機(jī)制研究較少。本研究以沙壤土為試驗(yàn)用土，進(jìn)行不同滴灌水量對(duì)土壤CO2排放影響的試驗(yàn)，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(duì)土壤CO2排放的影響機(jī)理，為今后研究土壤氣體、溫度、水分等環(huán)境要素對(duì)溫室氣體CO2的綜合控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)采用土柱試驗(yàn)，供試土壤為沙壤土。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)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(yàn)重復(fù)3次。土樣經(jīng)碾碎及風(fēng)干處理后，過直徑2 mm篩，按設(shè)計(jì)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?jī)?nèi)徑×底部?jī)?nèi)徑×高)。采用輸液袋的方式進(jìn)行滴灌，滴頭固定在土柱表面中心位置，各處理的灌水時(shí)間相同。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

利用Li-8100紅外氣體分析儀對(duì)不同灌水水平下土壤呼吸作用進(jìn)行測(cè)定。在試驗(yàn)前1～2 d，將PVC圓柱體(內(nèi)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(jīng)過24 h平衡后開始測(cè)定，盡可能減少因土壤擾動(dòng)而造成短期內(nèi)土壤呼吸速率的不穩(wěn)定。為了準(zhǔn)確地反映灌水后土壤呼吸的變化過程，在灌后48 h內(nèi)對(duì)各處理進(jìn)行晝夜的動(dòng)態(tài)測(cè)定，每隔1 h進(jìn)行一次測(cè)定。同時(shí)利用土壤溫濕度計(jì)在PVC圓柱體附近進(jìn)行土壤溫度和土壤含水率的測(cè)定，每隔1 h測(cè)定一次。此外，采用烘干法對(duì)土壤含水率的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 20.0分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層土壤CO2通量的時(shí)間變化

在1.0、1.5和2.0 L 3個(gè)灌溉水量處理下，土壤表面CO2通量的動(dòng)態(tài)變化過程見圖1。由圖1可知，在連續(xù)48 h內(nèi)，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(xiàn)出先降低后升高再降低再升高的變化趨勢(shì)。峰值均出現(xiàn)在18∶30 ，隨后逐步降低，谷值出現(xiàn)在10∶30，在10∶30后，土壤表面CO2通量呈明顯的上升趨勢(shì)。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(guān)。

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(duì)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(guān)鍵因子，從溫度的變化過程對(duì)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(xiàn)在10∶30，在10∶30以后，隨著時(shí)間的推移，地溫均逐步上升，在19∶30達(dá)到最大值，而后開始回落，與土壤表面CO2通量的變化趨勢(shì)一樣。這可能是灌水后12 h內(nèi)，夜間土壤溫度較低，微生物活動(dòng)減弱，CO2的排放量較少，在12～24 h內(nèi)，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(jī)質(zhì)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(nèi)，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(shì)。由此可見，土壤溫度的降低對(duì)土壤CO2的排放產(chǎn)生抑制作用。在36～48 h內(nèi)，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(guān)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(guān)系數(shù)分別為0.725、0.570和0.649，表明土壤溫度對(duì)表層土壤CO2通量的影響顯著。此外，進(jìn)一步對(duì)土壤溫度與表層土壤CO2通量進(jìn)行擬合(見圖3)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2者呈指數(shù)關(guān)系，且表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，與前人的研究結(jié)論相似[15,16]。

表2 土壤溫度與表層土壤CO2通量的相關(guān)性

注：**為通過0.01顯著水平檢驗(yàn)，n=50。

圖3 土壤溫度與表層土壤CO2通量關(guān)系的擬合

2.3 土壤含水率對(duì)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(shí)間的推移，土壤含水率變化呈平穩(wěn)的下降趨勢(shì)，波動(dòng)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(guān)性分析(見表3)來看，處理F1的土壤含水率對(duì)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(guān)性減弱。

表3 土壤含水率與表層土壤CO2通量的相關(guān)性

注：**為通過0.01顯著水平檢驗(yàn)，n=50。

2.4 水熱條件對(duì)土壤表面CO2通量的影響。

從相關(guān)系數(shù)來看，土壤含水率對(duì)表層土壤CO2通量的影響不如溫度對(duì)表層土壤CO2通量的影響，但土壤含水率通過土壤溫度對(duì)土壤CO2通量產(chǎn)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(duì)土壤表面CO2通量的影響，結(jié)果見表4。

通徑分析結(jié)果表明，不同滴灌水量下，土壤溫度和含水率對(duì)表層土壤CO2通量的直接影響差異較大，溫度對(duì)表層土壤CO2通量的直接作用最大。以處理F1為例，溫度對(duì)土壤CO2通量的直接作用系數(shù)為0.818 3，表現(xiàn)為正相關(guān)，說明溫度每增加1個(gè)單位，土壤表面CO2通量就增加0.818 3個(gè)單位，而其通過含水率對(duì)表層土壤CO2通量有較小的負(fù)向間接作用，間接作用系數(shù)為-0.092 9，直接作用與間接作用正負(fù)抵消使土壤溫度與表層土壤CO2通量的綜合作用系數(shù)為0.725 4，表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系。土壤含水率對(duì)表層土壤CO2通量的直接正向作用系數(shù)為0.538 2，其通過溫度對(duì)表層CO2通量有較小的負(fù)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(shù)均大于其間接通徑系數(shù)，表明2者對(duì)土壤CO2通量的主要貢獻(xiàn)表現(xiàn)為直接作用效應(yīng)。處理F1、F2和F3的這2個(gè)因素及其互作效應(yīng)對(duì)土壤表面CO2通量的決定系數(shù)分別為0.807 3、0.370 1和0.615 3，剩余通徑系數(shù)分別為0.439 0、0.793 6和0.620 2，說明還有其他因素對(duì)土壤CO2通量變化產(chǎn)生影響，還需要進(jìn)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(shù)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(duì)土壤表面CO2通量變化的貢獻(xiàn)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(duì)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(jié)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(xiàn)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(yàn)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(diǎn)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(dá)到最大值，然后下午和整個(gè)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(cè)結(jié)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(xiàn)，土壤溫度和水分對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)較大。表層土壤CO2通量的變化規(guī)律與溫度的變化趨勢(shì)相同，這可能是由于溫度升高，土壤微生物活性增強(qiáng)，加速了土壤中含碳物質(zhì)的分解和CO2的產(chǎn)生，同時(shí)也促進(jìn)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(guān)系(圖3)來看，2者表現(xiàn)為指數(shù)關(guān)系，這與嚴(yán)俊霞等[22]“指數(shù)方程很好地表達(dá)了土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系”的結(jié)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(guān)系數(shù)較小(表3)，可見含水率對(duì)土壤呼吸的影響不顯著。同時(shí)，土壤呼吸是一個(gè)復(fù)雜的過程，為了闡明土壤溫度和含水率對(duì)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(duì)土壤CO2排放的直接作用和間接作用效應(yīng)，研究結(jié)果表明溫度對(duì)土壤CO2通量的影響最大，其次是含水率，2者對(duì)土壤CO2通量均產(chǎn)生直接的正面效應(yīng)，這說明溫度和含水率是影響土壤CO2通量的重要指標(biāo)。為此，應(yīng)合理控制土壤溫度和水分，有利于控制土壤CO2的排放。

4 結(jié) 論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論。

(1)在灌水后連續(xù)48 h內(nèi)，表層土壤CO2通量呈現(xiàn)出先降低后升高再降低再升高的變化趨勢(shì)，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(shù)關(guān)系，表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤含水率與表層土壤CO2通量的相關(guān)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(diào)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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