土壤水分垂直非均匀分布下CO2的日排放特征

徐俊增，张 庆，王艳华，王 飞，孙 勇，卫 琦(.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 南京 0098；.黄河水利科学研究院引黄灌溉工程技术研究中心， 河南 新乡 45000；.江苏省高邮市水利局，江苏 高邮 5600)

0 引 言

温室效应的加剧以及由此引发的全球温室变暖已经对人类生活、资源环境、经济发展和社会稳定等方面产生了一系列的负面影响，成为近年来重点关注的全球性环境问题。二氧化碳(CO2)作为三大温室气体之一，是温室效应的主要贡献者。土壤作为大气CO2的源和汇，是控制大气CO2浓度增加的一个重要因素[1]。土壤水分条件是影响土壤呼吸的主要环境因子之一，探究土壤水分状况对土壤呼吸的影响机理，有效控制土壤碳库释放，直接关系到大气中CO2浓度的变化。目前，对于灌溉、降雨、施肥等因素对土壤CO2排放影响的研究[2-6]，主要从水分高低以及灌溉制度等方面来分析其对土壤CO2排放的影响，且大多是针对土壤水分均匀分布条件下，而关于局部灌溉即水分非均匀分布条件下CO2排放的研究甚少。在水资源供需矛盾日益短缺的背景下，发展节水灌溉、高效地利用水资源，支撑社会与经济的良性循环，是农业水资源合理开发与利用的核心任务和必然选择。节水灌溉技术的大面积应用以及由此产生的非均匀水分分布特征必然会所导致土壤呼吸等方面发生一系列的变化，因此，本文以黏土为研究对象，通过土箱试验研究不同水分非均匀分布条件下土壤CO2通量的日变化特征，研究结果对于准确估算节水灌溉对温室气体排放影响提供科学依据，同时可为从灌溉调控角度实现温室气体减排的研究提供借鉴。

1材料与方法

1.1 试验区概况与供试土壤

试验于2013年4-8月在河海大学水文水资源与水利工程国家重点实验室开展。该地区(32°3′24″N，118°45′E)属亚热带季风气候，年平均气温15.4 ℃，年平均降水量1 106 mm，年蒸发量1 500 mm。供试土壤为壤质黏土，采自江苏省南京市蔬菜花卉科学研究所的蔬菜大棚中，其0～30 cm土层的土壤有机质含量为18.2 g/kg，总氮为0.14 g/kg，总磷为0.03 g/kg，pH值为6.24。土壤样本在自然条件下进行风干，剔除杂物，粉碎、过4 mm筛，混匀后装袋备用。

1.2 试验设计

在矩形土箱(长×宽×高为40 cm×40 cm×60 cm)内开展实验。土箱底部布置十字交叉的供水管(内径6 mm,均匀开孔，外面包裹土工布防堵塞)，外部包裹细砂和石子组成的反滤层内(5 cm厚)。透水管一端通过供水阀门连接马氏瓶(长×宽×高=10 cm×10 cm×80 cm)，形成一个地下供水系统，另一端连接排水阀门。通过地下供水，形成不同的土壤水分垂直分布。试验共设4种灌水处理：SI处理(表面灌水使0～55 cm土壤至田间持水量)；SDI12处理(地下供水使地下12～55 cm土壤至田间持水量)；SDI15处理(地下供水使地下15～55 cm土壤至田间持水量)；SDI18处理(地下供水使地下18～55 cm土壤至田间持水量)，以表面灌水SI处理为对照，每个处理设2个重复。供水时，首先通过土壤初始含水率、田间持水量及其相应的土箱体积计算出各处理的灌水量。灌溉水源为自来水。为了减少填土等土壤扰动活动对温室气体排放的影响，填土提前于2012年12月完成，填土后土箱一直处于静置状态直至试验开始，本实验分为两个灌水阶段(初次灌水时间为2013年4月18日10∶00，第二次灌水时间为2013年6月14日10∶00)，共进行为期80 d左右的定期观测。当试验期间出现降雨时，采用帐篷遮盖防止降雨对试验的影响。

1.3 气样采集及浓度分析

采用人工静态箱-气相色谱法对CO2排放进行测定，其中静态箱(长×宽×高：40 cm×40 cm×40 cm)由6 mm PVC材料制成。静态箱顶配有温度计、电动小风扇以及取样孔。观测时，将静态箱覆盖在正方形土箱上的凹状底槽中，并在底槽中加水形成液封，以防止取样过程中与外界产生气体交换。用10 mL的注射器于盖箱后0、10、20、30 min抽取箱内4个气样。每次灌水后，在试验的前中后3个阶段分别选取有代表性的一天开展CO2日变化观测，其中初次灌水后分别选取4月25日，5月6日，5月20日；第二次灌水后分别选取6月17日，7月1日，7月22日。每日在07∶00-22∶00时段平均每3 h进行一次采样，取样同时记录大气温度和静态箱温度，并用取土烘干法测定0～24 cm土层内各层土壤含水率(每隔4 cm处均有取样口)，按含水率占孔隙度的百分比计算土壤充水孔隙度(WFPS)。对采集的气样使用Aglient7890A气相色谱仪分析CO2浓度，根据浓度的增加梯度计算计算排放通量[7]。

1.4 数据统计与分析方法

采用Microsoft Excel 2007和SPSS19.0软件对试验数据进行统计分析，采用Microsoft Excel 2007和Origin 8.5对图表进行绘制， 显著性分析采用最小显著性差异(least significant difference, LSD)法。

2 结果与讨论

2.1 土壤水分垂直非均匀分布下CO2的日变化规律

初次灌水后各处理(SI、SDI12、SDI15和SDI18)的CO2日排放通量的动态变化显示(图1)，SI处理和SDI各处理的CO2日排放呈现出较为一致的单峰曲线变化规律，其最大排放通量均出现在一天内温度最高的14∶00。但与SI处理的排放峰值[393.1、382.5和409.2 mg/(m2·h)]相比，SDI12、SDI15和SDI18处理的排放峰值在不同观测阶段均有不同程度的降低，其降低幅度依次为11.2%、26.8%和36.8%(4月25日)，16.2%、16.5%和23.8%(5月6日)和17.4%、27.8%和35.1%(5月20日)。总体上，5月20日，各处理的CO2日平均排放通量分别为315.7、267.4、244.2和222.7 mg/(m2·h)，较4月25日[282.4、234.6、201.2和170.5 mg/(m2·h)]和5月6日[301.9、259.9 240.1和213.9 mg/(m2·h)]略有提高。原因在于观测中期(5月6日)和后期(5月20日)气温升高促进了土壤中微生物的呼吸作用。整体上，由表1可以看出，各处理在初次灌水后不同观测日其CO2日平均排放通量的大小关系为：SI>SDI12>SDI15>SDI18, 且SI处理在初次灌水后各观测日的排放通量均显著大于SDI15和SDI18处理。此外，5月6日，SDI12处理显著大于SDI15和SDI18处理，且SDI15处理也显著大于SDI18处理。5月20日，SDI12处理显著大于SDI18处理。

表1 两次灌水后不同观测日各处理日平均排放通量Tab.1 The daily average CO2 flux of each treatment in different observation period after two waterings

图1 初次灌水后各处理在不同观测期的CO2日变化规律Fig.1 The diurnal variation of CO2 in different observation period after the first watering

第二次灌水后各处理在不同观测期的CO2日排放通量的动态特征见图2。各处理CO2日排放通量在观测前期(6月17日)和中期(7月1日)均呈双峰曲线的形式，其最大排放峰值均出现在18∶00，而不是温度最高的14∶00。原因在于在该观时段内出现的部分高温抑制了微生物的呼吸作用，从而导致CO2的排放通量并不随着温度的升高而增加[8]。而CO2日排放在观测后期(7月22日)则呈现出逐渐递减的趋势，其排放通量最大值出现在7∶00，这可能是由于该次取样前24 h出现了降雨、显著增大了空气湿度，促进了表层土壤微生物的活性，增强了其呼吸作用所导致的[9]。此外，SI处理在第二次灌水后不同观测期的CO2日排放通量均明显大于SDI的各处理，其平均排放通量分别为841.6、786.0、734.4和647.2 mg/(m2·h)(6月17日)；867.0、790.0、669.8和551.2 mg/(m2·h)(7月1日)和872.6、795.4、693.0和656.0 mg/(m2·h)(7月22日)。此外，各处理在第二次灌水后不同观测日其CO2日平均排放通量的大小关系也表现为：SI>SDI12>SDI15>SDI18, 且总体上各处理排放通量的差异均比较显著(见表1)。其中6月17日，SI和SDI12处理均显著大于SDI18处理。7月1日，SI处理显著大于SDI15和SDI18处理，且SDI15处理也显著大于SDI18处理。7月22日，SI处理显著大于SDI15和SDI18处理，且SDI12处理也显著大于SDI18处理。

图2 第二次灌水后各处理在不同观测期的CO2日变化规律Fig.2 The diurnal variation of CO2 in different observation period after the second watering

总体上，不同观测期内其CO2日排放通量之间的大小关系均表现为SI>SDI12>SDI15>SDI18，但不同观测时段的CO2日排放通量的变化范围却有所差异。其中初次灌水后三次测定CO2排放通量的日变化范围依次为：95.4～393.1、174.9～382.5和192.0～409.2 mg/(m2·h)。第二次灌水后三次测定的CO2排放通量的日变化范围依次为：522.7～1 133.1、418.1～995.35和476.0～1 185.6 mg/(m2·h)。对比各处理(SI和SDI)两次灌水后不同观测期的CO2日排放通量可以看出，第二次灌水后的CO2日排放通量显著高于初次灌水后的CO2的通量值，其原因在于第二次灌水后各观测期的温度较初次灌水后有了大幅度的提升，促进了土壤微生物的呼吸，增加了CO2的排放，这与大多数学者的研究结论基本一致[10]。此外，可以发现，第二次灌水后观测前期和中期CO2的日变化规律呈现双峰曲线趋势，而初次灌水后各观测期均呈单峰曲线，这主要是因为初次灌水后各观测时段均处于温度较为适宜的4-6月，其最高温度低于土壤微生物的最适宜温度(25～35 ℃)，CO2排放通量随温度的升高而升高，且在温度最高的14∶00出现最大值；而第二次灌水后各观测时段处于温度较高的6-8月，这期间部分过高的温度势必会抑制土壤微生物的活性，减弱土壤呼吸作用，导致CO2排放峰值通常出现在温度和水分适宜的时刻[5]。

2.2 水分变化对CO2排放规律的影响

图3是灌水后各处理在不同观测阶段的土壤水分WFPS的变化规律，整体上可以看出，无论是SI还是SDI处理，土壤含水率均随着土层深度的增加而逐渐增大，且时间上土壤水分含水率在不同深度均随观测期的延续而逐渐减小。此外，土壤水分在不同观测阶段其表层0～12 cm的变化程度较为剧烈，而12～24 cm土层的土壤含水率则变化较小。因此重点分析表层0～12 cm土层土壤含水率的变化过程[11]。初次灌水后3个观测日，SI处理0～12 cm土层的土壤含水率变化范围分别为47.8%～72.1%、33.1%～62.8%和19.2%～59.2%WFPS，5月6日0～12 cm土层的土壤平均含水率较4月25日降低了16.2%，而5月20日则较5月6日降低了15.9%。同时，与之相应的各观测期的CO2平均排放通量随土壤含水率的降低而逐渐增加，这一变化规律与邓东周[12]等人的研究结论正好相反，其原因是初次灌水后其表层土壤含水率较高，导致土壤孔隙被水分所填充，不利于CO2的排放和土壤微生物的呼吸作用，而随着水分的蒸腾蒸发作用，土壤含水率逐渐降低，其CO2随之排出，CO2排放通量有所提高[13]。

图3 不同处理在不同观测期的土壤水分WFPS的变化规律Fig.3 The variations of WFPS of different treatments in different observation period

SDI处理在同期的土壤含水率(0～12 cm)变化规律与SI处理较为相似，但其变化范围却有所差异。其中SDI12、SDI15和SDI18处理在初次灌水后3个观测日0～12 cm 土层的土壤含水率范围依次为38.4%～69.1%、30.4%～64.3%和27.2%～56.9%WFPS(SDI12)；28.4%～69.8%、25.5%～60.1%和20.9%～58.2%WFPS(SDI15)；28.7%～65.0%、24.3%～61.9%和20.3%～56.9%WFPS(SDI18)。且SDI12、SDI15和SDI18处理在5月6日的平均含水率(0～12 cm)较4月25日降低了13.2%、9.4%和9.0%，而5月20日较5月6日则分别下降了12.7%、6.8%和8.2%。而其相应的各观测阶段的CO2日平均排放通量均呈现出逐渐增大的趋势，这一变化规律与SI处理较为相似。整体上，SI处理在初次灌水后各个观测阶段其0～12 cm土层的土壤水分变化幅度大于SDI处理，与其对应SI处理的CO2日平均排放通量和日排放最大值也均大于SDI处理。其原因是SI处理条件下其表层土壤含水率较高，且与空气接触面积大，导致土壤水分变化速率快，促进了土壤微生物的呼吸作用以及CO2的扩散[14]；而SDI处理条件下的土壤湿润体与空气接触面积小，且表层土壤含水率较低，导致表层土壤水分变化速率慢，从而使得微生物的土壤呼吸作用较弱，因此，产生较小的CO2排放通量。

而第二次灌水后的3个观测日，SI处理0～12 cm土层的土壤水分WFPS的变化范围分别为35.0%～69.9%、29.0%～57.5%和16.6%～47.5%。7月1日土壤平均含水率较6月17日降低了13.6%，而7月22日则较7月1日降低了17.2%，原因在于7月1日至7月22日的时段内出现了大量的降雨，导致空气湿度增大，表层土壤的蒸发作用受到限制，而7月22日则是由于气温的升高所导致的。

SDI处理的土壤水分在第二次灌水后各个观测阶段也呈现出逐渐递减的趋势，3个观测日0～12 cm土层的土壤含水率变化范围分别为29.5%～64.8%、28.8%～58.8%和25.3%～55.2%WFPS(SDI12)；34.1%～66.7%、26.7%～64.7%和19.7%～55.7%WFPS(SDI15)；36.4%～68.1%、33.0%～69.5%和19.8%～64.9%WFPS(SDI18)。7月1日的平均含水率较6月17日分别降低了8.9%(SDI12)，8.6%(SDI15)和4.5%(SDI18)，而7月22日的平均含水率较7月1日则分别降低了11.4%，13.7%和14.4%。同时，与其相应的SDI各处理则表现出不同的变化趋势，其中SDI12在第二次灌水后不同观测期随着土壤水分的减小而逐渐增加，而SDI15和SDI18处理的相应值则随着土壤水分的降低呈现出先降低再增加的趋势。出现这一现象的主要原因是SDI12处理的表层土壤水分在前期(6月17日)至中期(7月1日)过程中更容易受辐射等外界因素的影响，导致其土壤水分变化速率快于SDI15和SDI18处理，使得土壤呼吸作用也有所增强，而随着土壤水分的向上迁移，SDI15和SDI18处理在灌水中期至后期过程中，其土壤水分变化速率有了明显的提升，因此促进了土壤CO2的排放[15]。此外，可以发现SDI各处理的CO2日排放最大值也呈现出先逐渐递减而逐渐递增的趋势，其最大CO2日排放峰值出现在7月22日，并没有出现在土壤含水率较高的6月17日，一方面是由于过高的土壤水分可能会堵塞土壤颗粒之间的空隙，阻止土壤微生物的呼吸作用和CO2的扩散；另一方面是因为部分时段气温过高、高出了土壤呼吸所需微生物的最佳温度范围(25～35 ℃)，抑制了土壤相关微生物的活性、O2以及反应物的有效性[16]，因此CO2日排放最大峰值出现在水分和温度较为适宜的7月22日。这也表明CO2排放通量是受土壤含水率和温度等共同作用结果。

总之，对比各处理两次灌水后土壤水分及其相应的CO2日排放通量的变化情况，可以得出，各个处理在两次灌水后同一观测期内，其0～12 cm土层的土壤水分WFPS之间的大小关系分别为：SI>SDI12>SDI15>SDI18和SI

3 结 语

以黏土为研究对象，利用静态箱对不同处理条件下的CO2进行连续观测，探讨了水分非均匀分布下旱地土壤在不同观测阶段的CO2日排放特征。土壤水分垂直非均匀分布下不同处理在不同观测期其CO2日排放通量变化趋势基本一致，其CO2日平均排放通量之间的大小关系均表现为SI>SDI12>SDI15>SDI18，且SI处理在初次灌水后各观测日的排放通量均显著大于SDI15和SDI18处理，而第二次灌水后各处理之间均有明显的差异性。比较第一次灌水后(温度较低的季节)和第二次灌水后(温度较高的季节)CO2的日排放通量曲线，发现季节温度是影响CO2日排放通量重要因素， CO2的日排放通量随着温度的升高而增加，而温度过高时(35 ℃)，CO2的日排放通量随着温度升高而降低。此外，各处理在两次灌水后同一观测期内，其0～12 cm土层的土壤水分WFPS之间的大小关系分别为：SI>SDI12>SDI15>SDI18和SI

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