杨 凡，侯会静，蔡焕杰，陈 慧，王晓文

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点试验室，陕西 杨凌 712100； 2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

大气中CO2、N2O和CH4温室气体浓度的增加对温室效应的贡献率占近80%[1]，其中CO2对增强温室效应的贡献率最大，约占60%，是最重要的温室气体[2]。农田生态系统是 CO2的重要排放源[3]，据估计，大约有 20%的 CO2来源于农业活动[4]。中国是世界农业大国，耕地总面积约为1.21 亿hm2，农田的耕作、氮肥的施用以及灌溉等农田管理措施在保障粮食安全的同时，对区域乃至全球气候变化所造成的影响已经受到国际社会的广泛关注[5]。

农田生态系统碳循环是陆地生态系统碳循环的重要组成部分[6],土壤呼吸是一个主要的控制碳排放的过程[7]，同时也是全球碳平衡的重要组成部分[8]。随着对气候变化的日益关注，对环境因子与土壤呼吸之间的交互作用的了解也逐渐深入。除土壤温度外，土壤含水量对土壤生物学活动有根本的影响，特别是在干旱条件下。土壤含水量是控制土壤碳通量的一个重要因素[9, 10]。土壤水分的限制抑制植物根系和土壤微生物的活动，不管土壤温度如何，都将可能抑制土壤CO2的排放[11, 12]。因此，了解土壤含水量是如何控制土壤呼吸是很重要的。

亏缺灌溉下作物充分利用环境水并最大限度地节约用水，是实现作物高效用水的基本途径[13]。近年来，国内外有关作物亏缺灌溉的研究发展较快[14, 15]，但对于涉及农田温室气体的研究，国内主要集中于稻田和棉田的研究[16, 17]，对于夏玉米的研究较少涉及，夏玉米作为我国主要的粮食作物之一，主要种植在水资源匮乏的干旱和半干旱地区[18]。因此，本文通过研究不同灌水水平下夏玉米地土壤CO2的排放特征，旨在为农业节水模式下农田温室气体的综合控制及减排提供科学依据，同时也可为节水技术的应用提供重要的环境效应评价数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年6-10月在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院农田水分转化试验场的遮雨棚下进行。试验区位于东经108°04′，北纬 34°18′，海拔521 m。属于大陆性暖温带季风气候，试验站多年平均温度12.5 ℃，多年平均降水量609 mm，多年平均蒸发量1 500 mm，全年无霜期212 d。站内土壤为中壤土，1 m 土层田间持水量为23%～25%，凋萎含水量为11%～12% (以上均为重量含水量)，平均干密度为1.40 g/cm3。试验小区为有底测坑，地下水埋藏较深，可忽略地下水补给量的影响。

1.2 试验设计及实施

以夏玉米为研究对象，试验小区为钢筋混凝土测坑，面积6.67 m2，测坑区上方安装有移动式遮雨棚用以阻挡降水，无降水时打开以保证日常光照。于2015年6月5日每个测坑灌水100.45 mm以保证出苗， 2015年6月10日播种。每个测坑内夏玉米株距为30 cm，行距为60 cm。生育期划分为播种至拔节期(2015年6月10日-7月21日)，拔节至抽雄期(2015年7月22日-8月24日)，抽雄至成熟期(2015年8月25日-10月10日)，收获时间为2015年10月10日，全生育期共117 d。

试验按灌水单因素设计，设置3个灌水水平，分别为：充分灌溉(CK)、亏水20%(T1)和亏水40%(T2)。充分灌水水平的灌水量由蒸渗仪测定，为 2 次灌水之间的蒸散量，亏水水平的灌水量在充分灌水水平基础上按比例计算。每个灌水水平设置3个重复，一个测坑作为一个重复，采用完全随机设计布设，共9个测坑。灌水次数和灌水时间根据蒸渗仪的土壤含水量状态确定，即当土壤含水量达到下限(田间持水量的60%)时安排灌溉。大型称重式蒸渗仪(西安清远测控技术有限公司)，测量系统包括主称重系统和排水称重系统, 称重数据自动记录并储存在数据采集器中，主称重系统测量精度为 0.139 kg，相当于 0.021 mm 的水分消耗；排水称重系统测量精度为1 g，每隔1 h记录1次数据[19]。于7月11日进行一次灌水，CK、T1 和T2处理分别灌水52.47、41.98和31.48 mm。施肥只施基肥，于2015年6月10日播种时施入磷酸二铵((NH4)2HPO4)643.18 kg/hm2, 尿素(CO(NH2)2)320.84 kg/hm2。由于夏玉米播种的深度较浅，后期抗倒伏能力较差，故只进行了一次灌水。

1.3 田间采样与观测

采用静态箱原位采集气样，箱体由厚6 mm的聚氯乙烯材料制成，长×宽×高分别为45 cm×45 cm×45 cm。箱体外表面用海绵与锡箔纸包裹，防止取样时因阳光照射导致箱体内温度发生剧变，箱体顶部安装小风扇用于搅拌空气，从而保证箱体内的气体均匀。静态箱底座在播种时埋设于测坑中央，直到玉米收获。底座不罩作物，每次取样前去除底座内的杂草，使得试验只监测土壤CO2的排放。底座上端有深约5 cm的凹槽用以放置静态箱箱体，取样时注水密封，防止周围空气与箱内的气体发生交换。气体采样从播种后第4 d开始，夏玉米生育期内每隔1周左右采集1次，当有灌水的时候加测，即间隔3或4 d采样一次。气体采集时间为上午 9∶00-11∶00，分别在密封后 0、10、20、30 min 时用带有三通阀的50 mL注射器进行4次气体采集，每次取气40 mL(样品量足以同时分析CO2的浓度)[20]，并于当天在室内进行浓度分析。CO2浓度采用安捷伦气相色谱仪分析仪测定(Agilent Technologies 7890A GC System)，并计算气体排放通量[21]。

式中：F为CO2气体排放通量，mg/(m2·h)；ρ是标准状态下气体密度，g/cm3；h为采样箱高度，0.45 m；dc/dt为箱内气体浓度变化率，mg/(m2·h)；T为采样时箱内温度，℃。去除数据奇异点，使样品浓度的测量值随时间的线性回归系数R2≥0.85[22]。 采集气体的同时用安在箱体顶部的水银温度计读取箱内温度，用于计算气体排放通量。每次取气的同时在小区内用土钻取土，且3个重复同时进行，每一小区各采集3钻混合，用烘干法测量土壤0～10和10～20 cm土层深度的土壤含水量，并计算土壤充水孔隙率(WFPS)[23]，取3个重复的平均值作为该处理的土壤充水孔隙率。

1.4 数据分析

采用OriginPro8.5作图并利用其积分功能计算CO2累积排放量[24]，用SPSS Statistics 22.0对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉处理下夏玉米地土壤CO2的排放特征

图1为不同灌溉处理下夏玉米地土壤CO2排放通量及土壤充水孔隙率的变化图。由图1(a)可知，夏玉米地各处理土壤CO2排放通量变化规律基本一致。在夏玉米生育前期，土壤CO2排放通量由5 DAS(播种后天数，Days after sowing)的排放峰值[CK：628.14 mg/(m2·h);T1：626.62 mg/(m2·h); 752.50 mg/(m2·h)]下降至22 DAS的排放低谷[CK：28.88 mg/(m2·h); T1：44.74 mg/(m2·h); 35.36 mg/(m2·h)]，排放通量次高峰出现在29 DAS，且CK处理最高[357.19 mg/(m2·h)]，T1处理次之313.06 mg/(m2·h)，T2处理最低226.19 mg/(m2·h)，且CK与T2，T1与T2处理间差异显著(P<0.05)。在36 DAS后直到玉米收获，土壤CO2排放通量在较小范围内波动，波动范围为11.83～51.13 mg/(m2·h)。

由图1可以看出，夏玉米地各处理土壤CO2排放通量与土壤0～10 cm及10～20 cm的WFPS变化规律相似，即在播种后下降，只有在灌水后出现骤增，随着灌水后WFPS的增加，CO2排放通量明显上升并达到次峰值，随着灌水后天数的增加，WFPS的逐渐减小，CO2排放通量也逐渐减小。

图1 不同灌溉处理对夏玉米地土壤CO2排放通量及土壤充水孔隙率的影响Fig.1 Effects of variation of CO2 fluxes from soils and WFPS in summer maize fields under different irrigation treatments

由表1可知，夏玉米全生育期内，土壤CO2的排放通量以CK处理最大95.10 mg/(m2·h)，分别较T1 和T2 处理增大0.29和3.69 mg/(m2·h)(P>0.05)。在播种至拔节期CO2的排放通量以CK处理最大[217.38 mg/(m2·h)]，分别较T1和T2处理增大4.99%和9.16%(P>0.05)，且T1处理和T2处理间差异不显著(P=0.25)，该规律与夏玉米全生育期土壤CO2的排放通量变化规律一致。夏玉米拔节至抽雄期各处理间无显著差异，抽雄至成熟期土壤CO2的排放通量CK显著高于T2(P=0.04)，T1显著高于T2(P=0.04)，CK与T1间无显著差异(P>0.05)。各生育期内，不同处理下夏玉米地土壤CO2平均排放通量表现为：CK>T1>T2，除抽雄至成熟期外，其他生育期内差异尽管存在，但都没有达到显著水平。同一处理，不同生育阶段土壤CO2阶段平均排放通量表现为：播种至拔节期>拔节至抽雄期>抽雄至成熟期。

注：同一列中数值后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著，下同。

2.2 夏玉米地土壤CO2排放通量与土壤水分的关系

夏玉米全生育期内0～10 cm土层WFPS为16.2%～65.8%，10～20 cm土层WFPS为29.2%～58.7%(图2)。不同灌水水平下土壤CO2排放通量与0～10及10～20 cm 土层WFPS均呈指数正相关关系，且两者之间关系显著(P<0.05)(表2)。当WFPS<50%时，土壤CO2排放通量维持在较低水平，当WFPS>50%时，土壤CO2排放通量出现骤增的趋势。土壤CO2排放通量对0～10 cm土层WFPS变化较10～20 cm土层WFPS变化响应敏感，0～10 cm土层WFPS>30%时，随着WFPS的增加，土壤CO2排放通量快速增加，WFPS<30%时，WFPS的变化对土壤CO2排放通量无显著影响，而10～20 cm土层WFPS>50%时, 土壤CO2排放通量随着WFPS的增加而快速增加。将3个处理的土壤CO2排放通量汇总，即不进行处理的划分，用汇总后的数据分别与0～10及10～20 cm 土层WFPS进行函数模拟，得出二者呈指数正相关关系(P<0.01)(表2)。

图2 夏玉米地土壤 CO2排放通量与土壤充水孔隙率的关系Fig.2 Relationship between CO2 flux and soil WFPS in summer maize fields

处理土层深度/cm拟合方程R2PCKT1T2各处理汇总0～10y=3．36×10-11e(x/0．02)+28．620．9050．005y=0．29e(x/0．06)+12．300．5580．007y=4．66×10-6e(x/0．03)+22．090．7730．006y=15．40e(x/0．18)-33．160．4160CKT1T2各处理汇总10～20y=3．36×10-11e(x/0．02)+28．620．9050．009y=1．80×10-7e(x/0．03)+24．230．9420．008y=5．79×10-25e(x/0．01)+17．250．9430．018y=2．84×10-4e(x/0．04)+19．750．6480

3 讨 论

3.1 亏缺灌溉对夏玉米地土壤CO2排放的影响

播种后前20 d，CO2排放通量出现骤减现象，可能与播种前5 d的灌水以及播种当天的施肥有关，夏玉米地土壤CO2排放通量在播种后出现峰值，随后不断降低。播种后30 d左右出现一个次峰值，可能与播种后26 d的灌水有关，播种后约40 d之后，排放通量基本上维持在一个较低的稳定水平，可能与后期水分含量低以及土壤肥力不足有关。汤亿等[25]利用闭合动态法对晋中盆地春季裸露地研究结果表明，灌溉处理的平均土壤呼吸约为对照非灌溉处理3倍左右。土壤呼吸以根系呼吸和微生物呼吸为主，占土壤总呼吸的90%以上[26, 27]。两次灌溉期间较长时间的表层土壤干旱状态会导致土壤中微生物活性降低，土壤呼吸强度减弱，土壤CO2排放通量维持在较低水平，随着灌溉后土壤微生物活性的恢复土壤呼吸快速增加[28]。以CK处理为例，播种后22～29 d，土壤0～10 cm土层WFPS从41.96%增加到65.84%，土壤CO2排放通量从28.88 mg/(m2·h)增加到357.19 mg/(m2·h)。夏玉米全生育期内土壤CO2排放通量主峰值出现在播种后第5 d，次高峰出现在播种后29 d，且主峰值比次峰值高出许多，出现此现象的原因除灌水量的差异外(第一次灌水量较第二次大)，可能与播种时施肥因素有关，施用氮肥会显著增加土壤呼吸量[29]。

7月份灌水后，不同处理下土壤CO2排放通量达到次峰值且表现为：CK>T1>T2，且CK与T2，T1与T2处理间差异显著(P<0.05)，此时0～10 cm土层WFPS也表现为: CK>T1>T2，且CK与T2，T1与T2处理间差异显著(P<0.05)。在夏玉米的其他生育阶段，不同处理间的WFPS无显著差异，土壤CO2排放通量亦无显著差异(P>0.05)。出现这种现象的原因是在合适的灌溉量下，土壤呼吸与灌溉量呈正相关，而过多或过低的土壤水分均不利于土壤微生物生长和繁衍[30]，本试验在灌溉后土壤含水量并未超过田间持水量。

同一处理，不同生育阶段土壤CO2阶段平均排放通量表现为：播种至拔节期>拔节至抽雄期>抽雄至成熟期。播种至拔节期的值最大的原因可能与两次灌水以及播种时施的基肥有关。灌溉和施肥通过影响植物生长和微生物活性进而影响土壤CO2排放[31, 32]。底肥的施入为土壤中微生物的活动提供营养物质和能源，促进土壤微生物的活动以及根系的生长，加快土壤呼吸速率[33]。灌溉通过影响根系生物量、土壤中微生物生物量和有机质矿化分解速率及气体在土壤孔隙中的扩散速率等进而对土壤碳排放强度产生影响[30]。拔节至抽雄期土壤CO2阶段平均排放通量较大可能是由于此阶段随着玉米根系生物量的增加，根系呼吸占土壤呼吸的比例也随之增加，在抽雄期达到最大，从而增加土壤CO2排放量[34]。抽雄至成熟期的值最小是由于后期未灌水，土壤含水量较低，土壤0～10 cm土层WFPS为19.20%～29.08%，虽然土壤温度在一定范围内波动，但此时土壤水分成为限制土壤呼吸的主要因素。当土壤湿度小时，土壤呼吸与水分表现为明显的相关关系[35]。低水条件降低了植物根系活力，破坏了根系和微生物呼吸的平衡[36]，低水也限制了植物对光合产物的输送，而根系呼吸在很大程度上取决于植物的光合产物往地上部的输送[37]。另一方面，玉米生长后期，由于氮肥的供应水平有限，减缓了作物生长，降低了根系活性，进而降低了土壤呼吸[38]。

3.2 夏玉米地不同灌溉处理下土壤CO2排放通量与土壤水分的关系

不同处理间由于WFPS无显著差异，土壤CO2排放通量无显著差异(次峰值除外)，综合各处理进行分析，土壤CO2排放通量与WFPS之间有显著的关系。土壤含水量在一定范围内时，土壤水分与土壤呼吸之间有显著的相关性[39]。目前，水分与土壤呼吸之间的模型有抛物线、线性、二次式和对数等多种函数关系，且随着土壤充水孔隙率的增加，CO2排放通量呈增加的趋势，在灌溉后出现显著增长的趋势[40]。本试验结果表明，土壤CO2排放通量与0～10及10～20 cm土层土壤充水孔隙率的关系曲线均可以用指数方程拟合，且两者呈指数正相关关系(P<0.05)。由图2可以看出，WFPS<50%时，土壤含水量对土壤呼吸无显著影响且CO2排放通量维持在较低水平，可能是由于水分胁迫抑制了土壤中微生物的生命活动，降低了植物根系活力，从而降低土壤呼吸速率[41]。对土壤呼吸而言，最适宜的土壤水分状况通常接近田间持水量[42]，本试验地田间持水量对应的WFPS为74.2%，试验所测得的WFPS均低于该值，且当WFPS>50%时，CO2排放通量随着土壤充水孔隙率的增加而迅速增加。前人较多研究了改变土壤CO2排放通量的临界WFPS，即WFPS在何种范围内，土壤CO2排放通量会增加或者减少，而对于土壤CO2排放通量如何增加以及增加的快慢程度较少研究。本试验研究结果表明该试验地土壤WFPS<50%和WFPS>50%时，对土壤CO2排放通量影响有较大不同。土壤CO2排放通量对0～10 cm土层WFPS变化较10～20 cm土层WFPS的变化响应敏感，当0～10 cm土层WFPS高于30%时，土壤CO2排放通量有显著增加的趋势，10～20 cm土层WFPS高于50%时，土壤CO2排放通量才有显著增加的趋势，此种现象与张宇等[43]研究结果一致，0～5 cm表层土壤含水率对土壤CO2排放通量的影响较大，而下层土壤水分对土壤 CO2排放通量的影响依次减弱。

由于试验两次取气间隔时间较长，一般为一周一次，在灌水后为一周两次。故在灌水后未能及时捕捉到土壤CO2排放量的变化。在下一步的研究中，可以结合作物产量，探究出在农业节水模式下，如何在既不减产或者少量减产的同时降低土壤CO2排放量的有效途径。

4 结 语

利用静态暗箱-气相色谱法，研究不同灌溉水平对夏玉米地土壤CO2排放的影响试验表明，夏玉米整个生育期内，不同处理下土壤CO2排放呈现先降低，再增加后降低的趋势。随着亏缺程度的增加，土壤CO2的排放通量也有所降低，但除抽雄至拔节期外，其他生育期及全生育期内，各处理的差异虽存在，但未达到差异显著水平(P>0.05)。不同灌溉水平下夏玉米地土壤CO2排放通量与WFPS关系密切，呈指数正相关关系，且相关性达显著水平(P<0.05)。研究结果对评估节水灌溉的农田生态效应有一定的意义。

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