劉芳婷，范文波，張金璽，董倩倩，李長曉

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引 言

隨著全球氣候變暖，碳循環(huán)已成為科學界關注的一大熱點問題。土壤CO2通量是全球碳循環(huán)的重要組成部分，在調控大氣CO2濃度等方面起著十分關鍵的作用[1]。根據IPCC第4次評估報告指出，農田生態(tài)系統(tǒng)是大氣CO2的重要源與匯，全球范圍內農田生態(tài)系統(tǒng)釋放的CO2估計達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，可能導致全球氣候變暖，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研究內容[3-5]。

滴灌技術是干旱區(qū)高效節(jié)水灌溉的重要手段[6]，尤其新疆農業(yè)生產中膜下滴灌技術得到快速發(fā)展和廣泛應用[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在土壤孔隙中的擴散速率，使CO2的排放量發(fā)生改變。楊曉莉等[12]通過室內土柱試驗發(fā)現(xiàn)土壤水分越高，土壤CO2的排放量越高，兩者的變化趨勢同步。國外學者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。不少學者在溫度對土壤CO2排放的影響方面也有所研究，GUO Jian-fen等[14]通過室內培養(yǎng)試驗發(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系密切。

目前，國內草原和林地生態(tài)系統(tǒng)的土壤CO2排放的動態(tài)變化報道較多，而對干旱區(qū)農田的土壤CO2排放的動態(tài)變化及其影響機制研究較少。本研究以沙壤土為試驗用土，進行不同滴灌水量對土壤CO2排放影響的試驗，探索灌水后表層土壤CO2通量的變化規(guī)律，揭示溫度、含水率對土壤CO2排放的影響機理，為今后研究土壤氣體、溫度、水分等環(huán)境要素對溫室氣體CO2的綜合控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗采用土柱試驗，供試土壤為沙壤土。試驗設計3個灌溉水量，分別為1.0、1.5和2.0 L，即處理F1、F2和F3，每組試驗重復3次。土樣經碾碎及風干處理后，過直徑2 mm篩，按設計容重(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(頂部內徑×底部內徑×高)。采用輸液袋的方式進行滴灌，滴頭固定在土柱表面中心位置，各處理的灌水時間相同。

1.2 測定項目與方法

利用Li-8100紅外氣體分析儀對不同灌水水平下土壤呼吸作用進行測定。在試驗前1～2 d，將PVC圓柱體(內徑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。經過24 h平衡后開始測定，盡可能減少因土壤擾動而造成短期內土壤呼吸速率的不穩(wěn)定。為了準確地反映灌水后土壤呼吸的變化過程，在灌后48 h內對各處理進行晝夜的動態(tài)測定，每隔1 h進行一次測定。同時利用土壤溫濕度計在PVC圓柱體附近進行土壤溫度和土壤含水率的測定，每隔1 h測定一次。此外，采用烘干法對土壤含水率的測定結果進行校準。

1.3 數(shù)據處理

采用Excel 2010和SPSS 20.0分析軟件進行數(shù)據處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 表層土壤CO2通量的時間變化

在1.0、1.5和2.0 L 3個灌溉水量處理下，土壤表面CO2通量的動態(tài)變化過程見圖1。由圖1可知，在連續(xù)48 h內，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。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。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。

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排放速率的關鍵因子，從溫度的變化過程對比曲線(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，隨著時間的推移，地溫均逐步上升，在19∶30達到最大值，而后開始回落，與土壤表面CO2通量的變化趨勢一樣。這可能是灌水后12 h內，夜間土壤溫度較低，微生物活動減弱，CO2的排放量較少，在12～24 h內，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，有機質分解加速，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，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。由此可見，土壤溫度的降低對土壤CO2的排放產生抑制作用。在36～48 h內，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通量的相關系數(shù)分別為0.725、0.570和0.649，表明土壤溫度對表層土壤CO2通量的影響顯著。此外，進一步對土壤溫度與表層土壤CO2通量進行擬合(見圖3)，結果發(fā)現(xiàn)2者呈指數(shù)關系，且表現(xiàn)為正相關關系，與前人的研究結論相似[15,16]。

表2 土壤溫度與表層土壤CO2通量的相關性

注：**為通過0.01顯著水平檢驗，n=50。

圖3 土壤溫度與表層土壤CO2通量關系的擬合

2.3 土壤含水率對土壤CO2通量的影響

由土壤含水率變化曲線圖2可知，隨著時間的推移，土壤含水率變化呈平穩(wěn)的下降趨勢，波動較小。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通量的相關性分析(見表3)來看，處理F1的土壤含水率對表層土壤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通量的相關性減弱。

表3 土壤含水率與表層土壤CO2通量的相關性

注：**為通過0.01顯著水平檢驗，n=50。

2.4 水熱條件對土壤表面CO2通量的影響。

從相關系數(shù)來看，土壤含水率對表層土壤CO2通量的影響不如溫度對表層土壤CO2通量的影響，但土壤含水率通過土壤溫度對土壤CO2通量產生一定的影響，因此采用通徑分析方法研究溫度和含水率2者共同對土壤表面CO2通量的影響，結果見表4。

通徑分析結果表明，不同滴灌水量下，土壤溫度和含水率對表層土壤CO2通量的直接影響差異較大，溫度對表層土壤CO2通量的直接作用最大。以處理F1為例，溫度對土壤CO2通量的直接作用系數(shù)為0.818 3，表現(xiàn)為正相關，說明溫度每增加1個單位，土壤表面CO2通量就增加0.818 3個單位，而其通過含水率對表層土壤CO2通量有較小的負向間接作用，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)為顯著的正相關關系。土壤含水率對表層土壤CO2通量的直接正向作用系數(shù)為0.538 2，其通過溫度對表層CO2通量有較小的負向間接作用。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者對土壤CO2通量的主要貢獻表現(xiàn)為直接作用效應。處理F1、F2和F3的這2個因素及其互作效應對土壤表面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土壤CO2通量變化產生影響，還需要進一步深入研究。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，說明溫度對土壤表面CO2通量變化的貢獻最大，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左右達到最大值，然后下午和整個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。由觀測結果(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)，土壤溫度和水分對土壤呼吸的貢獻較大。表層土壤CO2通量的變化規(guī)律與溫度的變化趨勢相同，這可能是由于溫度升高，土壤微生物活性增強，加速了土壤中含碳物質的分解和CO2的產生，同時也促進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通量的擬合關系(圖3)來看，2者表現(xiàn)為指數(shù)關系，這與嚴俊霞等[22]“指數(shù)方程很好地表達了土壤呼吸與土壤溫度的關系”的結論一致。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者的相關系數(shù)較小(表3)，可見含水率對土壤呼吸的影響不顯著。同時，土壤呼吸是一個復雜的過程，為了闡明土壤溫度和含水率對表層土壤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土壤CO2排放的直接作用和間接作用效應，研究結果表明溫度對土壤CO2通量的影響最大，其次是含水率，2者對土壤CO2通量均產生直接的正面效應，這說明溫度和含水率是影響土壤CO2通量的重要指標。為此，應合理控制土壤溫度和水分，有利于控制土壤CO2的排放。

4 結 論

綜上所述，可以得出以下結論。

(1)在灌水后連續(xù)48 h內，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，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)關系，表現(xiàn)為顯著正相關關系；土壤含水率與表層土壤CO2通量的相關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。

：

[1] Schlesinger W H, Andrews J A. Soil respiration and the global carbon cycle[J]. Biogeochemistry, 2000, 48(1):7-20.

[2] Climate change 2007: Mitigation. Contribution of Working Group III to the fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge United Kingdom: Cambridge University Press, 2007:63-67.

[3] 張俊麗，溫曉霞，陳月星，等.不同耕作方式下旱作玉米田土壤呼吸及其影響因素[J].農業(yè)工程學報，2012，28(18)：192-199.

[4] 李 虎，邱建軍，王立剛.農田土壤呼吸特征及根呼吸貢獻的模擬分析[J].農業(yè)工程學報，2008，24(4)：15-20.

[5] 劉 爽，嚴昌榮，何文清，等.不同耕作措施下旱作農田土壤呼吸及其影響因素[J].生態(tài)學報，2010，30(11)：2 919-2 924.

[6] 康 靜，黃興法.膜下滴灌的研究及發(fā)展[J].節(jié)水灌溉，2013，(9)：71-74.

[7] 李向春，李文昊，韓冬梅.綠洲區(qū)長期膜下滴灌棉田土壤鹽分離子分布[J].節(jié)水灌溉，2016，(7)：65-69.

[8] 李 慧，虎膽·吐馬爾白，楊鵬年.南疆膜下滴灌不同鹽分棉田水鹽運移規(guī)律研究[J].節(jié)水灌溉，2014，(7)：4-6,9.

[9] 馬英杰，何繼武，洪 明.新疆膜下滴灌技術發(fā)展過程及趨勢分析[J].節(jié)水灌溉，2010，(12)：87-89.

[10] 袁晶晶，汪丙國.膜下滴灌棉田土壤溫度分布特征[J].中國農村水利水電，2014，(9)：16-22.

[11] 周世軍，雷曉云，李芳松，等.滴灌條件下核桃土壤水分空間變異性[J].節(jié)水灌溉，2011，(3)：9-11.

[12] 楊曉莉，樊 軍.水分對梯度法估算土壤表面CO2擴散通量的影響[J].土壤通報，2015，46(4)：923-928.

[13] Huang L, Zhang Z, Li X. Soil CO2concentration in biological soil crusts and its driving factors in a revegetated area of the Tengger Desert, Northern China[J]. Environmental Earth Sciences, 2013,72(3):767-777.

[14] GUO Jian-fen, YANG Yu-sheng, LIU Le-zhong, et al. Effect of temperature on soil respiration in a Chinese fir forest[J]. Journal of Forestry Research, 2009,20(1):49-53.

[15] Bekele A, Kellman L, Beltrami H. Soil profile CO2concentrations in forested and clear cut sites in Nova Scotia, Canada[J]. Forest Ecology and Managent, 2007,242(2):587-597.

[16] 張 宏，黃懿梅，祁金花，等.溫度和水分對黃土丘陵區(qū)3種典型土地利用方式下土壤釋放CO2潛力的影響[J].中國生態(tài)農業(yè)學報，2011，19(4)：731-737.

[17] 崔驍勇，陳四青，陳佐忠.大針茅典型草原土壤CO2排放規(guī)律研究[J].應用生態(tài)學報，2000，11(3)：390-394.

[18] 張金霞，曹廣民，周黨衛(wèi)，等.草氈寒凍雛形土CO2釋放特征[J].生態(tài)學報，2001，21(4)：544-549.

[19] Jiang X, Li Y. Path analysis on the meteorological factors impacting soil respiration rate of wheat field [J]. Agricultural Science & Technology, 2009,10(1):74 -76.

[20] 郝旺林，梁銀麗，吳 興，等.不同前茬冬小麥土壤呼吸特征及影響因子分析[J].環(huán)境科學，2011，32(11)：3 167-3 173.

[21] 吳 靜，陳書濤，胡正華，等.不同溫度下的土壤微生物呼吸及其與水溶性有機碳和轉化酶的關系[J].環(huán)境科學，2015，36(4)：1 497-1 506.

[22] 嚴俊霞，秦作棟，張義輝，等.土壤溫度和水分對油松林土壤呼吸的影響[J].生態(tài)學報，2009，29(12)：6 366-6 375.

[23] 袁志發(fā).通徑分析方法簡介[J].麥類作物學報，1981，(3)：42-48.