土壤水含量变化对农田系统CO2净排放影响的实验研究进展

2016-03-24秦天玲于志磊

节水灌溉 2016年4期

何萌，秦天玲，于志磊，万盛

(中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

0 引言

在全球气候变化的背景下，气候变暖和水分时空分布不均成为环境焦点问题。根据政府气候变化专业委员会[1]最新发布的第五次评估报告(AR5)得出明确结论，95%以上的温室效应主要是由于温室气体排放造成的(包含其他人类活动造成的部分)。其中温室气体CO2对全球变暖的贡献率比其他气体都高，在2011年达到70%，且在过去的100年间，大气CO2浓度增加了近25%[2]。研究显示大气CO2浓度、全球碳循环以及全球气候会随着土壤有机碳储量、土壤呼吸和作物呼吸的微小变化而发生巨大的变化。水资源分布状况与土地资源的不匹配早已成为我国的基本国情[3]，总体上呈“南涝北旱”态势，“北涝南旱”也时有发生，区域性缺水问题较为普遍。农田系统作为反映水碳关系的最直接场所，农田作物等一系列生理指标均与土壤含水量多少有着密切的关系，水分的多少将影响着C在农田系统中的循环过程，涵盖“CO2吸收”和“CO2排放”过程，通过控制灌溉水量以提高土壤和作物有机碳储量、减少农田系统的CO2排放对减缓大气CO2浓度升高具有重要意义。

现有研究成果显示，在轮种制度、耕作方式、还田模式以及覆膜措施等通过调控温度来控制CO2排放方面已经做出了大量的研究成果。而较少的关注土壤水含量变化对CO2排放的影响。笔者根据国内外文献数据资料，综合分析当前农田系统下土壤含水量变化对CO2净排放的影响的研究进展，并对CO2净排放涉及的各个过程，如作物呼吸、土壤微生物呼吸、及作物吸收CO2等过程进行分析讨论，同时概括了不同水分来源对CO2净排放的影响，并指出了研究中的不足和今后发展的研究方向。

1 土壤水含量变化对“CO2排放”的影响

水分的供应状况作为作物“CO2排放”和“CO2吸收”等过程的重要影响因子之一，在分析研究其本身规律及其对作物碳循环过程造成的影响具有更加重要的意义。在农田系统下，作物的“CO2排放”过程的研究主要集中在作物自养呼吸和土壤微生物呼吸上[4,5]，土壤水变化对其的影响也从以上两方面进行分析，同时从降水、灌溉和地下水3种主要的土壤含水量补给来源对土壤呼吸作用的影响研究进行整理。

1.1 土壤水含量变化对作物呼吸的影响

作物呼吸的研究包括作物的主要器官根、茎、叶呼吸作用以及作物作为整体的呼吸作用。而水分胁迫下影响作物呼吸代谢途径的研究相对较少，研究主要集中于土壤含水量变化与作物根系呼吸的关系上。具体分述如下：

(1)对作物根呼吸的影响。根系为作物吸收土壤含水量的主要器官，可直接感应到土壤含水量的变化状况。从Passioura(1981年)[6]首次明确根呼吸速率要比地上部分高得多，有关作物根呼吸作用逐渐成为研究热点，后续的研究成果显示，对于不同种作物根呼吸的耗碳量占光合作用固定碳量的1/4～2/3[7-9]。

土壤含水量变化对作物根呼吸的影响实验研究主要集中于室内实验尺度。研究者大多采用盆栽法研究水分亏缺对作物根呼吸作用的影响[10,11]，不同品种的小麦采用不同方式应对土壤含水量亏缺状况，一是通过增强根系吸收能力减缓水分胁迫的程度，二是通过抑制根系代谢活性以适应干旱环境。大量研究显示根系生物量在土壤水含量变化对根呼吸的影响中起到较大作用，明确了土壤含水量与根系生物量呈显著相关性[12-15]。侯晓林等人(2007年)[11]的研究得到了与上述观点相同的结论，从土壤湿润或中度干旱条件到土壤含水量亏缺的状态，作物根系生物量增加以增大吸水量，同时造成庞大的根系耗碳量过多从而影响地上部分的生物学产量。适度限量供水所形成的合理根系，将有利于提高水分利用效率和产量，这对干旱半干旱地区作物的提高尤其重要。

(2)对作物茎、叶呼吸作用的影响。相比作物根系呼吸作用的研究，作物茎、叶呼吸作用的研究虽然较少，但已有研究指出水分亏缺下作物的根、茎、叶呼吸速率变化响应模式不同[16]。小麦叶片呼吸总的变化在水分亏缺初期表现为呼吸速率升高，随着水分亏缺程度加深，呼吸又降低下来；而根呼吸速率变化模式从胁迫开始即呈现指数式下降。同时作物主要器官的年龄是影响研究的另一重要因素[17,18]，在土壤含水量轻度亏缺时，2～3周龄小麦幼苗呼吸速率增加20%；而对一些作物成熟叶片的呼吸速率则无明显改变。

(3)对作物整体呼吸作用的影响。作物整体的呼吸作用对水分胁迫响应的研究还未形成较为统一的定论性研究成果，可能由于主要器官茎、叶呼吸作用研究的欠缺，致使在水分胁迫下，作物呼吸作用整体性的机理仍不清晰，同时还存在研究对象过于宽泛并不集中，水分胁迫的处理范围也没有统一的标准等一系列实验研究缺陷。刘丹(1990年)[19]总结了作物整体的呼吸作用对干旱胁迫响应的模式，共分为4种，由于作物的暗呼吸作用模式、机理以及这些变化与作物在水分胁迫下生存的关系等不十分清楚，并未得到较为一致的研究结果。而对于水淹胁迫研究表明，水分过多主要是阻碍了气体扩散，O2扩散的限制是淹水条件下影响作物呼吸最大的环境因素[20]。同时有限的CO2气体扩散会导致固碳率降低，并对作物生长和代谢过程中产生不利影响[21]。

1.2 土壤水含量变化对土壤微生物呼吸的影响

根据土壤水含量分为水分亏缺、水分适宜和水分过多3个状态，土壤水含量变化对土壤微生物的影响则相应存在3个过程。①土壤含水量很低时，微生物生命活动受到抑制[22]，其呼吸量很低；此时降雨将会使土壤微生物产生“Birch效应”[23-29]，土壤水含量增加将诱发土壤微生物数量和活性激增，致使CO2释放量在降水后瞬时增加[30]，且降雨前的土壤含水量越低，土壤微生物的“Birch 效应”越剧烈，但这样的激增效应并不会持续很长时间[31]。②水分条件较适宜时，土壤微生物活性较强，呼吸也较强，土壤CO2净排放量也随之增长，当土壤含水量处于最优含水量时[32]，土壤呼吸会受到温度等其他因素胁迫的影响。③当土壤含水量超过某一阈值时，水分会充满土壤空隙，阻碍底物和O2、CO2等气体的传输，抑制了微生物的呼吸，从而达到抑制土壤呼吸的作用[33-36]。

土壤水含量变化对土壤微生物呼吸的影响的研究还涉及对土壤的理化性质[37]、土壤类型[38]、微生物类型[39]以及土壤微生物存在的位置[40]等方面的研究。

1.3 不同水分来源对土壤呼吸的影响

降水、灌溉和地下水是土壤水含量的主要补给来源形式，三者对土壤呼吸作用均具有影响。地下水对土壤呼吸的影响途径取决于地下水埋深[41,42]，但可能由于近年来地下水水位下降过快，这方面的研究成果相对较少。同时在靳虎甲等人[43](2012年)和王艳华等人[44](2015年)的研究中均认为，表层土壤含水量对土壤呼吸的影响大于深层土壤。改变表层土壤含水量的方式包括降水和灌溉，一为自然条件，二为人为因素。

(1)降水对土壤呼吸的影响。降水(尤其是降雨)事件对土壤呼吸的影响是显著的[22]。土壤含水量不仅作为土壤呼吸的重要基质载体以促进根系生长及根对离子的吸收[45,46]，同时促进地上的有机残体向地下运输[25,47,48]，还对地下生物化学过程起到重要的调控作用[49]。

研究显示，降雨量、降雨强度[50]和降雨格局会对土壤呼吸造成影响[51]，而降雨前的土壤自身的水分状况与土壤呼吸有着更为密切的关系[51,52]，表现在两方面(见表1)，降雨能激发干燥土壤的呼吸[53]，而抑制潮湿土壤的呼吸[54]。已有研究证明，降雨激发的土壤呼吸增量与土壤干燥时间成正比[55,56]，且与雨前土壤呼吸速率成反比[26]。

表1 土壤呼吸对降雨的响应两方面的参考文献整理

(2)灌溉对土壤呼吸的影响。人为因素对土壤含水量的处理是基于调控不同的灌溉制度。有研究显示，灌溉方式、灌水量、灌水频率、灌溉水质以及灌溉本身均对土壤呼吸产生重要影响[64]。但调节灌溉制度与土壤CO2净排放量之间的研究，目前集中于调控单个影响因子来改变土壤含水量含量，进而影响作物的生长及产量(见表2)。

表2 灌溉制度对土壤呼吸的影响参考文献整理

从表2可以看出，研究并未直接对不同灌溉方式对土壤含水量的影响进行探讨。全面灌溉(地面灌溉和喷灌)和局部灌溉(微喷灌、滴灌等)等不同类型的灌溉方式，对水分处理都将起到比较大的影响[64]，而研究成果相对较少。

2 土壤水含量变化对“CO2吸收”的影响

“CO2吸收”的过程是获取碳的途径，主要来源于作物进行光合作用。已有研究发现，高温和干旱环境条件会显著降低生态系统的光合生产力。土壤水变化对“CO2吸收”的影响实验研究集中于室内实验和大田实验。两种尺度下的研究结果均表明，作物受到水分亏缺胁迫和水淹胁迫时，都表现为光合速率下降(见表3)。

关于土壤含水量变化对光合特性的响应关系研究也相应得到了开展，一些研究者[74,75]认为，土壤含水量适宜时光合速率日变化呈“单峰型”曲线，水分胁迫时光合速率日变化呈“双峰型”曲线。但也有研究表明，无论土壤含水量状况适宜或胁迫，随着生育阶段的不同，光合速率日变化有时呈“单峰型”曲线，有时呈“双峰型”曲线[76]，尚未定论。

3 土壤水含量变化对CO2净排放量的影响

在农田系统下，由水分处理控制实验所引起的土壤水含量变化与CO2净排放量的影响的研究相对较少，结论比较零散，同时也并未形成一些合理的农业措施管理意见。由于目前研究主要集中于温度作为CO2净排放量的主导控制因素，对土壤含水量因素造成的影响研究比较欠缺。

表3 土壤水含量变化对“CO2吸收”的影响参考文献整理

一些较早的农田实验研究认识到土壤含水量是作为作物气孔开启程度的决定因素。在杨晓光等人[77](1998年)和郭家选等人[78](2006年)的研究中显示在农田灌溉后由于作物气孔增大致使CO2浓度差的升高，碳汇能力得到提升。而其中的内在机理研究表明土壤含水量状况是通过影响光饱和点的范围而对净光合速率产生影响，进而影响CO2净排放状况[79]。随后的研究更加明确的将水分设置为CO2净排放的限制因子，从不同的角度进行水分处理用以研究土壤水含量变化对CO2净排放量的影响。

在区域尺度上的研究主要集中于干湿季节的CO2净排放特征，结论显示湿季相比旱季的日变化CO2净排放波动更大，CO2的净排放则主要集中在旱季、干湿季的交换过度季节，这可以解释为碳的吸收主要发生在雨季，随着极端气候干旱的出现，区域范围内的碳储存呈下降趋势，相对碳的排放则成增加趋势。特别地，S. F. Smith 等人(2014年)的研究对比了灌溉管理农田和干旱农田，经过灌溉管理的农田CO2净排放量相对较高。

4 未来发展态势

综合上述对已有研究成果显示，为满足不同时期的研究需求，农田系统下土壤含水量变化对CO2净排放量的影响研究已呈现出多元化发展。但在全球气候变化的背景下，已有的研究成果不能满足现阶段的研究需求，有待于进一步研究，具体如下：

(1)作物茎、叶和作物整体的呼吸作用对土壤含水量变化的响应方面探究。现有研究成果有所偏向，在作物茎、叶和作物整体的呼吸作用对土壤含水量变化的响应方面的研究机理尚未清晰，可能由于这两方面受到其他因素的影响较大，不适合建立独立的研究体系，导致研究成果较薄弱。从而限制了农田系统下土壤含水量变化对CO2净排放量影响研究的进展。

(2)室内和大田尺度下实验条件的水分胁迫界限设定研究。大量实验研究所设计水分胁迫界限各不相同，当前研究并未形成标准的实验测试界限，造成即便是在相同地区同种作物的前提下，也有可能得到相差甚远的结论。而灌溉上下限和水分胁迫的界限的设定研究目的是寻找出有助于节水减排的灌水制度。

(3)作物不同物候期的土壤水含量变化对CO2净排放的研究。当前研究结论中并未对作物的整个物候期给出较为完整的研究结论，仅对其中的一个或几个物候期或特殊时段进行监测与分析。在此基础上，可以进一步细化研究作物的各个物候期，以便在生长阶段就可控制灌水量以达到土壤和作物共同固碳减排的作用。

(4)不同灌溉方式下土壤水含量变化对CO2净排放的研究。目前研究成果并未真正涉及地面灌溉、喷灌、滴灌等在技术上调控水分灌溉的研究。针对干旱半干旱地区，由于水分作为主要的影响因子，研究不同灌溉方式对CO2净排放量的影响将有助于提出节能合理的农田措施建议。灌溉制度的综合制定将对作物生长过程中土壤水含量与CO2净排放量之间的相关性起到不可忽视调控作用。通过在作物生长过程中对CO2的排放进行控制，对作物的各个物候期，提出既可增产又能减排节水的灌溉制度，将对土壤固碳及碳平衡产生积极的作用。

(5)农田管理措施建议。在应对全球气候变化背景的农田生态系统下，合理的节水灌溉制度对作物形成的既减排又增产的农业要求将作为未来发展中需要拟定的高标准的农田管理措施。而当前研究仅局限在规律、特征和机理的分析及整理。缺乏对实际农田作物种植提出合理控制土壤水含量以提高土壤固碳能力，增加土壤碳储量农业措施给意见，也并未形成结论性成果以指导实际操作。在未来的研究中，要结合实际状况，提出更加完善合理的灌溉策略以指导实际生产过程是发展趋势。

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