土壤含水率和含鹽量對鹽漬土甲烷吸收能力的影響

李亞威，周姣艷，張 堅，劉笑吟，衛(wèi) 琦，繳錫云，徐俊增

·農(nóng)業(yè)水土工程·

土壤含水率和含鹽量對鹽漬土甲烷吸收能力的影響

李亞威1,2，周姣艷3，張 堅3，劉笑吟1，衛(wèi) 琦1，繳錫云1,2，徐俊增1,2※

（1. 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100；2. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)試驗室，南京 210098；3. 昆山市水務(wù)水文調(diào)度中心，蘇州 215300）

甲烷（CH4）是一種強(qiáng)效溫室氣體，準(zhǔn)確認(rèn)識特定類型土壤CH4源匯特征及影響因子調(diào)控作用，對于提升土壤CH4吸收潛力以減緩全球氣候變化具有重要意義。該研究以鹽漬土為研究對象，在土壤室內(nèi)培養(yǎng)試驗中，設(shè)置了3個土壤含水率處理，分別為田間持水率（Field Capacity，F(xiàn)C）的50%（50%FC），75% FC和100% FC，并在每個含水率下設(shè)置了6個含鹽量處理，電導(dǎo)率分別為0.3、1.0、2.0、3.2、4.9和6.2 dS/m，研究不同土壤含水率和含鹽量條件下鹽漬土CH4吸收特征。在田間測坑試驗中，觀測了0.3、1.0和5.0 dS/m 3種含鹽量土壤的CH4吸收特征及其對水分動態(tài)的響應(yīng)。室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗結(jié)果表明，100%FC下6種鹽分水平土壤CH4累積吸收量分別是75%FC下的1.08～1.39倍和50%FC的1.27～1.72倍，表明在田間持水率范圍內(nèi)，含水率升高促進(jìn)了土壤CH4吸收；在3種含水率下，土壤CH4累積吸收量均隨著處理含鹽量升高而降低，6.2 dS/m最高含鹽量處理的CH4累積吸收量相比0.3 dS/m最低含鹽量處理顯著降低了42.6%、52.3%和55.1%（<0.05）；相比50%FC，100%FC含水率下高含鹽量對土壤CH4吸收具有更強(qiáng)的抑制作用，土壤含水率和含鹽量對CH4吸收的影響存在顯著的交互作用。田間測坑試驗在野外田間條件下進(jìn)一步驗證了室內(nèi)培養(yǎng)試驗的結(jié)果，試驗觀測期內(nèi)所有含鹽量處理土壤CH4吸收速率均與土壤含水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.01）；1.0和5.0 dS/m含鹽量處理的累積CH4吸收量分別為0.3 dS/m非鹽漬土處理的82.6%和59.8%，高含鹽量抑制了土壤對CH4的吸收。研究結(jié)果表明鹽漬土是CH4的匯，并受到土壤含水率和含鹽量顯著影響，在鹽漬土開發(fā)利用中應(yīng)考慮通過合理的水鹽調(diào)控以提高土壤CH4匯的能力。

含水率；鹽分；甲烷；鹽漬土；碳匯

0 引 言

甲烷（CH4）是三大主要溫室氣體之一，其單分子的增溫潛勢是CO2的28倍，對全球溫室效應(yīng)的影響越來越顯著。2020年世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）發(fā)布的溫室氣體公報顯示，大氣中CH4濃度近10年正在以10 ppb/a（10-8/a）的速度快速升高[1]，減緩大氣CH4濃度的升高速度已經(jīng)迫在眉睫。陸地生態(tài)系統(tǒng)既是CH4的源也是CH4的匯[2]。對于旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)來說，由于其表層土壤長期處于水分非飽和的相對好氧狀態(tài)，對大氣CH4有一定氧化能力，表現(xiàn)為CH4的匯，這對全球大氣CH4的吸收具有重要作用[3]。然而，土壤CH4氧化作用的影響因素眾多，準(zhǔn)確了解不同類型土壤CH4氧化吸收能力對環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系，對于準(zhǔn)確量化全球土壤CH4匯和制定增匯策略具有重要意義。

土壤鹽漬化是主要的土壤退化類型之一，鹽漬土在世界范圍內(nèi)分布廣泛，總面積約占全球人類可利用土地面積的14%[4]。中國的鹽漬土面積同樣巨大，總面積約有34.6×106hm2，廣泛分布在中西部干旱半干旱地區(qū)及濱海地區(qū)[5]。而對于農(nóng)田，由于氣候和水資源利用的疊加影響，有超過12.3%的灌溉農(nóng)田發(fā)生了鹽漬化。土壤鹽漬化不僅嚴(yán)重阻礙植物生長發(fā)育和產(chǎn)量，也對土壤微生物環(huán)境和碳氮等物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。土壤CH4產(chǎn)生和氧化均由土壤微生物驅(qū)動，勢必會受到鹽分的作用。鹽漬土成因和分布決定了其大部分為水分非飽和的旱地土壤，相對好氧的環(huán)境決定了其在大部分時間表現(xiàn)為CH4的匯[6]。鹽漬土的水鹽運(yùn)移規(guī)律可以概括為“鹽隨水來，鹽隨水去，鹽隨水來，水去鹽留”，這體現(xiàn)了鹽漬土中水分和鹽分關(guān)系密切。已有研究表明，在土壤整體表現(xiàn)為CH4匯的前提下，土壤含水率依然是影響土壤CH4吸收速率的主要因素之一。一部分研究認(rèn)為隨著含水率的升高土壤CH4吸收速率隨之下降[7-9]，但也有研究發(fā)現(xiàn)低的含水率會限制土壤對CH4的氧化能力，可能存在著一個CH4吸收最適宜土壤含水率[10]。而對于鹽分的影響，已有的研究傾向于認(rèn)為高含鹽量會降低土壤對CH4的吸收能力[6,11-15]?？紤]到土壤含水率和含鹽量對CH4吸收均有顯著影響，在較寬的含水率和含鹽量范圍內(nèi)，CH4吸收對含水率和含鹽量梯度二者單獨(dú)和疊加的響應(yīng)規(guī)律還少有報道。在鹽漬土的改良利用中，通過灌溉調(diào)控土壤水鹽合理分布可以有效提高鹽漬土的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力[16]。而在優(yōu)化土壤水鹽分布時，更需要明確不同水鹽條件下的土壤CH4吸收規(guī)律，這對通過水鹽調(diào)控提高土壤CH4吸收的潛力具有重要意義。

本研究通過土壤室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究了不同含水率和含鹽量條件下鹽漬土CH4吸收規(guī)律，結(jié)合田間測坑試驗，觀測了3種含鹽量土壤的水鹽變化規(guī)律及CH4吸收速率對水分動態(tài)的響應(yīng)，旨在明確培養(yǎng)條件和自然條件下CH4吸收速率對土壤水鹽梯度的響應(yīng)規(guī)律，為在鹽漬土改良利用中通過水鹽調(diào)控提高鹽漬土CH4匯的能力提供支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取樣地位于江蘇省鹽城市東臺縣沿海灘涂區(qū)（32°44'17″N，120°52'14″E），所取土樣包括重鹽漬土和非鹽漬土。鹽漬土取樣點(diǎn)保持多年鹽荒地狀態(tài)，表層0～20 cm平均含鹽量（用電導(dǎo)率表征，土水比1∶5，下同）在1.0 dS/m以上，零星鹽斑區(qū)域表層含鹽量達(dá)6.0 dS/m以上。非鹽漬土取樣點(diǎn)在鹽漬土取樣點(diǎn)鄰近區(qū)域，為原有鹽漬土經(jīng)過改良形成的農(nóng)田，表層含鹽量在0.3 dS/m以下。供試土壤類型均為粉砂壤土，具體土壤基本理化性質(zhì)見表1。重度鹽漬土分布面積較小，取少量裝袋用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗。輕中度鹽漬土和非鹽漬土取樣用于室外測坑試驗，現(xiàn)場過5 mm篩去除小石子和植物殘枝，裝袋做標(biāo)記后運(yùn)回試驗基地待用。

表1 供試土壤理化特性

注：根據(jù)國際土粒分類制，砂粒、粉砂、黏粒粒徑分別為>0.02～2、>0.002～0.02、0.000 2～0.002 mm。EC為電導(dǎo)率。

Note: Soil particle size are classified by sand-size fraction (0.02-2 mm), silt-size fraction (>0.002-0.02 mm) and clay-size fraction (0.0002-0.002 mm), according to the International Classification of Soil Particles. EC is electrical conductivity.

1.2 試驗設(shè)計及試驗過程

1.2.1 室內(nèi)培養(yǎng)試驗

取自然風(fēng)干的重度鹽漬土樣和等量的非鹽漬土樣，過2 mm篩。根據(jù)2種土樣的含鹽量，對二者進(jìn)行不同比例的混合，形成6個含鹽量水平：0.3、1.0、2.0、3.2、4.9、6.2 dS/m，分別用LS1～LS6表示。在1個月的時間內(nèi)，對混合土樣進(jìn)行3次干濕循環(huán)（噴灑去離子水濕潤，然后風(fēng)干），目的是為了使土壤鹽離子分布均勻，同時土壤微生物能夠適應(yīng)當(dāng)前土壤含鹽量。干濕循環(huán)結(jié)束時所有土壤的含水率被調(diào)節(jié)為田間持水率（Field Capacity，F(xiàn)C）的40%，放置在恒溫培養(yǎng)箱中在（25±1）℃下預(yù)培養(yǎng)1周。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，將每種含鹽量土樣均分為3份，添加不同量去離子水形成3個含水率水平：50% FC，75%FC和100%FC，共形成18個含水率和含鹽量組合處理。對于每個處理，取相當(dāng)于150 g干土的土樣，放入500 mL的培養(yǎng)瓶中，每個處理3個重復(fù)。將所有培養(yǎng)瓶置于和預(yù)培養(yǎng)相同環(huán)境下進(jìn)行為期6周的培養(yǎng)。培養(yǎng)期間，除了氣體取樣時，其余時間玻璃瓶保持敞開。每天往培養(yǎng)瓶中噴灑去離子水以保持含水率在預(yù)期水平，添加的水量為培養(yǎng)瓶的質(zhì)量減少量。在6周的培養(yǎng)期內(nèi)，于0、3、7、11、16、21、28、35、42 d對所有處理進(jìn)行CH4吸收速率觀測。

1.2.2 測坑試驗

將運(yùn)回的非鹽漬土樣和鹽漬土樣分別按照1.30× 103kg/m3的干容重裝填入預(yù)先布置好的測坑（1 m×1 m）中。試驗共設(shè)3個不同含鹽量處理：PS1（0.3 dS/m）、PS2（1.0 dS/m）和PS3（5.0 dS/m），每個處理3個重復(fù)，共計9個測坑小區(qū)。PS2測坑的土壤含鹽量由輕中度鹽漬土添加一定濃度的NaCl溶液獲得。測坑深度為0.5 m，邊壁由4塊焊接的亞克力板組成，高出周圍土面5 cm左右。試驗地塊上方安裝了防雨棚，以隔絕強(qiáng)降雨影響。土樣裝填完成后放置約1 a，期間定期進(jìn)行灌水和除草。2018年8月對所有小區(qū)進(jìn)行了一次統(tǒng)一的灌水，灌水量為25 mm，然后對灌水后一段時間的土壤水鹽動態(tài)和CH4吸收速率進(jìn)行了觀測。

1.3 測試指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤含水率、含鹽量和pH值

在測坑試驗中，灌水后每5 d取表層0～10 cm土樣，使用烘干法測定測量土壤含水率。土壤含鹽量用土壤溶液EC表征，測定方法為一定量的土樣加入去離子水，土水比為1∶5，充分?jǐn)嚢韬箪o置1 h，使用電導(dǎo)率儀（Spectrum EC450，美國）測定上清液EC值。隨后使用pH計（Mettler Toledo FiveGo F2，瑞士）測定上述上清液pH值。

1.3.2 土壤CH4吸收速率

對于室內(nèi)培養(yǎng)試驗，在每個氣體采集日，首先使用空氣泵（5 L/min）對培養(yǎng)瓶頂空沖洗30 min，重復(fù)3次，以達(dá)到培養(yǎng)瓶頂空與周圍空氣一致的目的。隨后立即蓋緊瓶蓋，使用注射器抽取瓶內(nèi)氣體20 mL注入氣體采集袋，培養(yǎng)瓶內(nèi)與瓶蓋連接有一氣壓平衡袋，可以平衡氣體抽取產(chǎn)生的負(fù)壓[17]。在第1個氣樣抽取6 h后，抽取第2個氣樣（20 mL）。氣樣在采集后的24 h內(nèi)使用氣相色譜工作站（Agilent 7890A，美國）測定CH4濃度。土壤對CH4的吸收速率使用式（1）計算得到。

F=··Δ/Δ·273/((273+) ·) （1）

式中F為CH4吸收速率，g/(kg·h)；為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4體積密度，本文為0.717 kg/m3；表示培養(yǎng)瓶頂空體積，本文為0.365 L；Δ表示密閉期CH4濃度差值；Δ表示密閉時長，本文為6 h；表示培養(yǎng)箱溫度，本文為25 ℃；表示培養(yǎng)瓶內(nèi)土樣干質(zhì)量，本文為0.15 kg。

對于測坑小區(qū)試驗，使用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定CH4通量。在每個氣體采集日10:00，將圓柱形靜態(tài)箱（高0.4 m，直徑0.3 m）的法蘭與測坑內(nèi)的底座的法蘭對接密封（中間有密封橡膠圈），在0、10、20和30 min時使用注射器分別抽取靜態(tài)箱內(nèi)氣體20 mL注入氣體采集袋。采集的氣樣在24 h內(nèi)使用氣相色譜工作站測定CH4濃度?；?個樣品的CH4濃度和線性斜率，使用式（2）計算CH4通量。

F=··Δ/·273/(273+1) （2）

式中F表示CH4通量，mg/(m2·h)；表示靜態(tài)箱的高度，=0.4 m；1表示取樣期間靜態(tài)箱內(nèi)溫度平均值（℃），靜態(tài)箱內(nèi)部放置有溫度傳感器。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用IBM SPSS 19.0軟件對室內(nèi)培養(yǎng)試驗和測坑小區(qū)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了單因素方差分析、雙因素方差分析和線性回歸分析；使用Microsoft Excel 2016軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計算；使用SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含水率和含鹽量下培養(yǎng)土壤CH4吸收速率

室內(nèi)培養(yǎng)試驗不同含水率和含鹽量條件下土壤CH4吸收速率動態(tài)變化過程如圖1所示。所有處理土樣在培養(yǎng)期內(nèi)的CH4吸收速率范圍處在-0.335～-0.023g/(kg·h)，幾乎全部為負(fù)通量，即表現(xiàn)為CH4吸收。在6周的培養(yǎng)時間內(nèi)，所有水鹽處理的CH4吸收速率整體為逐漸降低的趨勢，50%FC含水率處理整個培養(yǎng)期平均CH4吸收速率為-0.062g/(kg·h)，而75%FC和100%FC含水率CH4吸收速率平均值分別為-0.077和-0.088g/(kg·h)，這說明在田間持水率范圍內(nèi)，更高的土壤含水率表現(xiàn)出了更高的CH4吸收能力。對于土壤鹽分影響來說，6個含鹽量處理的CH4吸收速率在單次的測量上具有較大差異，表現(xiàn)為隨著處理含鹽量的升高CH4吸收速率下降，說明在本培養(yǎng)試驗條件下含鹽量可能對土壤CH4吸收有抑制作用。

a. 50% FCb. 75% FCc. 100% FC

注：FC為田間持水率。6個含鹽量水平：0.3、1.0、2.0、3.2、4.9、6.2 dS·m-1，分別用LS1～LS6表示。下同。

Note: FC represents field capacity. Six salinity levels of 0.3, 1.0, 2.0, 3.2, 4.9 and 6.2 dS·m-1are labelled by LS1-LS6, respectively. Same as below.

圖1 培養(yǎng)期各處理土壤甲烷吸收速率動態(tài)變化

Fig.1 Soil CH4uptake rate for different treatments during the incubation period

整個培養(yǎng)期土壤CH4累積吸收量在不同含水率和含鹽量下存在顯著差異（圖2）。對于3種土壤含水率來說，100%FC含水率下所有6個含鹽量土樣的CH4累積吸收量均對應(yīng)高于75%FC和50%FC，分別是75%FC含水率下的1.08～1.39倍和50%FC含水率下的1.27～1.72倍，這表明高土壤含水率顯著促進(jìn)了土壤CH4吸收，同時，所有6種土壤含鹽量下均如此，證明本試驗的含鹽量并沒有從根本上改變這種規(guī)律。土壤含鹽量也顯著影響了土壤CH4累積吸收量，首先，LS1含鹽量處理即非鹽漬土具有最大的CH4累積吸收量，在3種含水率下均是如此。隨著處理含鹽量的增大，CH4累積吸收量逐漸降低。在50%FC和75%FC含水率條件下，LS1、LS2和LS3處理的CH4累積吸收量未達(dá)到顯著水平（>0.05），然而在100% FC含水率下三者具有顯著差異（<0.05），而在更高的含鹽量下，隨含鹽量增加而降低的效應(yīng)愈發(fā)顯著，如最高含鹽量處理LS6的CH4累積吸收量相比LS1顯著降低了42.6%（50%FC）、52.3%（75%FC）和55.1%（100%FC）。雙因素方差分析的結(jié)果也證明了上述結(jié)論，含水率和含鹽量對CH4累積吸收量均有顯著影響（<0.001）。同時二者對CH4累積吸收量影響存在顯著的交互作用（<0.001），這主要是由于不同含水率下CH4累積吸收量對含鹽量梯度的響應(yīng)雖然具有相似的趨勢，但響應(yīng)的程度有所差異，反之，在不同含鹽量下其對含水率梯度的響應(yīng)也有明顯的差異。

2.2 不同含鹽量土壤CH4吸收速率對水分動態(tài)的響應(yīng)

在測坑試驗觀測期，不同含鹽量處理土壤表層0～10 cm含水率和EC變化如圖3所示。灌水之后的第1天，3個含鹽量處理的表層含水率均在23%左右，接近田間持水率，土壤表面蒸發(fā)，各處理表層含水率逐漸降低。但3個含鹽量處理下降速度有很大差別，非鹽漬土PS1處理在觀測結(jié)束時含水率為8.1%，而鹽漬土PS2和PS3則為13.1%和16.1%，這表明土壤含鹽量顯著阻礙了土壤水分的蒸發(fā)損失。而隨著水分蒸發(fā)，鹽漬土PS2和PS3處理的表層含鹽量則出現(xiàn)一定程度的增加，分別相較于試驗開始增加了46.9%和9.4%，這符合隨著水分蒸發(fā)土壤鹽分發(fā)生表聚的規(guī)律。

圖4給出了測坑試驗觀測期不同含鹽量處理的CH4通量變化和累積排放量。與培養(yǎng)試驗相似，在整個觀測期，各處理的CH4通量均為負(fù)通量，表現(xiàn)為CH4吸收。從通量變化趨勢來看，3個含鹽量處理的CH4在觀測期整體變化趨勢相似，均隨著時間逐漸降低。同時刻的通量表現(xiàn)為處理土壤含鹽量越高，CH4通量絕對值越小，即CH4吸收速率越小，這一推斷在3個含鹽量處理累積通量上得到驗證（圖4b）。PS2和PS3處理的累積CH4吸收量分別為PS1的82.6%和59.8%，且差異顯著（<0.01），這說明高含鹽量顯著抑制了土壤的CH4吸收能力，這也與培養(yǎng)試驗的結(jié)果相一致。

a. 50% FCb. 75% FCc. 100% FC

注：不同小寫字母表示在0.05的水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level.

圖2 培養(yǎng)期各處理土壤累積甲烷吸收量

Fig.2 Soil cumulative CH4uptake for different treatments during the incubation period

注：PS1～PS3分別表示鹽分處理0.3、1.0和5.0 dS·m-1。下同。

圖4 測坑試驗不同含鹽量處理CH4通量和累積吸收量

圖5給出了3個含鹽量處理土壤含水率和CH4通量的回歸關(guān)系。3個含鹽量處理下，土壤含水率和CH4通量均呈顯著正相關(guān)（<0.01）。對于PS1處理，土壤為非鹽漬土，排除了鹽分的影響，CH4通量的改變可以主要由土壤含水率解釋，而在PS2和PS3處理，在表層水分下降的同時，表層含鹽量也有一定的升高，但兩個處理的初始鹽分又導(dǎo)致土壤含水率的緩慢下降。因此，含水率下降和含鹽量升高可能共同導(dǎo)致了CH4吸收速率的下降，但二者的相對貢獻(xiàn)難以區(qū)分。

注： Y1～Y3分別表示PS1～PS3的擬合值。

3 討 論

3.1 含水率和含鹽量對土壤CH4吸收能力的影響

根據(jù)土壤厭氧條件發(fā)生CH4產(chǎn)生和好氧條件下發(fā)生甲烷氧化的普遍規(guī)律，由土壤水分狀態(tài)決定的土壤含氧量很大程度上決定了CH4的源匯狀態(tài)[18]。對于常處在水分非飽和狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)（如旱地農(nóng)田、草地、森林等）來說，均表現(xiàn)為CH4的匯，大量基于原位觀測的研究關(guān)注了這些生態(tài)系統(tǒng)土壤CH4吸收能力對土壤含水率梯度的響應(yīng)模式。李君怡等[7]在中國南部熱帶森林的試驗發(fā)現(xiàn)CH4吸收速率與土壤含水率在5%～20%體積含水率范圍內(nèi)呈線性負(fù)相關(guān)，即高含水率對土壤CH4吸收速率有抑制作用。一些基于草地土壤和農(nóng)田土壤的研究也得到了相似的結(jié)論[8-9,18]。然而，一些研究認(rèn)為CH4吸收速率與土壤含水率在從干到濕的含水率梯度上并非線性關(guān)系，Dijkstra等[10,19]基于草地土壤的研究發(fā)現(xiàn)土壤含水率與CH4吸收速率呈“鐘”型趨勢，即隨著含水率的升高先增大后減小，在含水率為土壤孔隙飽和充水度的24%時，土壤CH4吸收能力達(dá)到最強(qiáng)，Dasselaar等[20]在草地土壤也得到了相似的結(jié)果。Dobbie等[21]對比分析了林地、農(nóng)田和荒地土壤CH4吸收速率與含水率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在林地土壤和荒地土壤中，二者呈負(fù)相關(guān)，而在農(nóng)田土壤中二者呈正相關(guān)，說明不同類型土壤CH4吸收速率和土壤含水率的關(guān)系會有較大差異。假設(shè)不同類型土壤均存在一個CH4吸收最適含水率，該最適含水率值可能主要由土壤甲烷氧化菌群落特征決定，并受多種影響土壤微生物的因子調(diào)節(jié)，如土壤質(zhì)地、碳氮比、pH值、土壤溫度等。本研究在培養(yǎng)試驗和室外測坑試驗均發(fā)現(xiàn)，在田間持水率范圍內(nèi)，土壤含水率和CH4吸收速率呈正相關(guān)，這說明在本試驗條件下，土壤CH4吸收的最適土壤含水率可能大于或等于土壤田間持水率，而這一含水率顯著高于Dijkstra等得出的土壤孔隙飽和充水度的24%[10,19]?；谝陨戏治觯蟛糠值南惹霸囼炗^測的含水率范圍大部分并不完整，沒能捕捉到每種土壤類型對應(yīng)的CH4吸收最適含水率。因此，在考慮含水率對CH4吸收能力的調(diào)控作用時，應(yīng)盡可能明確特定土壤的CH4吸收速率對完整的含水率梯度的響應(yīng)規(guī)律。

與土壤含水率響應(yīng)模式的復(fù)雜性不同，已有的研究[6,11-15]關(guān)于鹽分對土壤CH4吸收的影響的結(jié)果較為一致，即隨著含鹽量的升高土壤CH4吸收能力降低，本研究的2個試驗也同樣取得了相似的結(jié)果。本研究的培養(yǎng)試驗土樣含鹽量涵蓋了從非鹽漬土到重度鹽漬土的范圍，說明土壤CH4吸收速率與土壤含鹽量可能在較寬的土壤含鹽量范圍內(nèi)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤CH4的氧化能力是由甲烷氧化菌決定的，其活性與其他土壤微生物一樣，易受土壤環(huán)境因子變化影響[22]。Serrano-Silva等[23]的研究認(rèn)為土壤CH4吸收能力隨含鹽量升高而降低的原因是高含鹽量抑制了CH4氧化菌的活性并改變了甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)。但鹽漬土的種類繁多，它們的主要區(qū)別體現(xiàn)在不同的鹽分離子組成上，是否在所有的鹽分類型上均具有這樣的關(guān)系仍然需要更多的試驗探究。本研究的結(jié)果是在穩(wěn)定的土壤含鹽量梯度得出的，反映了初始土壤鹽分對CH4吸收能力的影響。Zhang等[15]通過對非鹽漬土和輕度鹽漬土添加額外外源鹽發(fā)現(xiàn)非鹽漬土的CH4吸收能力顯著降低，而輕度鹽漬土對外源鹽的響應(yīng)則不顯著，這說明輕度鹽漬土的甲烷氧化菌可能已經(jīng)適應(yīng)了鹽環(huán)境。在研究土壤CH4吸收對含鹽量變化的影響時，應(yīng)考慮甲烷氧化微生物對鹽分的短期應(yīng)激和長期的適應(yīng)。自然或農(nóng)田鹽漬化土壤的水鹽運(yùn)動密切相關(guān)，根據(jù)本研究的結(jié)果，在高含水率和低含鹽量的土壤環(huán)境下，土壤有最強(qiáng)的CH4吸收能力，而在低含水率和高含鹽量時，CH4吸收能力會受到顯著抑制。但鑒于土壤其他因子可能會改變CH4吸收速率對土壤水分動態(tài)和鹽分動態(tài)的響應(yīng)模式，因此還需要針對性質(zhì)差別較大的土壤類型進(jìn)行深入對比探究。

3.2 鹽漬土CH4增匯的水鹽調(diào)控策略

對于廣泛分布的鹽漬土農(nóng)田來說，通過灌溉技術(shù)和制度調(diào)控來實現(xiàn)水鹽合理分布已經(jīng)被廣泛研究[16,24-26]，這種優(yōu)化的水鹽分布幾乎均以促進(jìn)作物生長發(fā)育和提高產(chǎn)量及品質(zhì)為最終目標(biāo)[27-28]，很少考慮生態(tài)方面的影響。近些年，在一些鹽漬土農(nóng)田節(jié)水控鹽實踐中，開始關(guān)注水鹽分布及其交互作用對農(nóng)田碳氮?dú)怏w（如CO2和N2O）排放的影響[29-30]，但對CH4吸收的影響還未見報道。鑒于鹽漬土的巨大面積以及鹽漬土農(nóng)業(yè)的發(fā)展，通過水鹽調(diào)控最大程度地發(fā)揮鹽漬土CH4吸收潛力可以部分抵消其他陸地生態(tài)系統(tǒng)類型如濕地的CH4高排放。盡管已有的證據(jù)表明高含鹽量可能抑制土壤的CH4吸收能力，但面積廣大的旱地鹽漬土在絕大多數(shù)時期依然是CH4的匯[6,14]。本研究關(guān)于土壤不同含水率和含鹽量下CH4吸收速率的結(jié)果在一定程度上說明通過調(diào)控鹽漬土的水鹽分布可能是增加鹽漬土CH4吸收能力的有效潛在措施。如在鹽漬土農(nóng)田滴灌系統(tǒng)中，每個滴頭灌水會在滴頭下方區(qū)域形成濕潤體，通過滴頭位置、灌水時間和流量的設(shè)置，可以對濕潤體形狀、田表濕潤比和水鹽分布實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，從而營造有利于作物根系水和養(yǎng)分利用環(huán)境，同時避免高含鹽量帶來的不利影響[31]。但這樣的濕潤體和水鹽分布也會對微生物驅(qū)動的碳氮轉(zhuǎn)化和氣體排放產(chǎn)生影響[32-33]，因此在設(shè)置滴灌參數(shù)時，需要根據(jù)土壤含水率和含鹽量與CH4吸收間的定量關(guān)系，構(gòu)造同時有利于作物生長和CH4吸收的濕潤體形式。根據(jù)本研究的結(jié)果，提高土壤含水率和降低含鹽量可以提高土壤對CH4的吸收能力，但對于其他類型的土壤，其最大CH4吸收對應(yīng)的含水率可能顯著低于本研究的100%FC[20]，應(yīng)針對不同類型土壤開展研究，以獲得全面的CH4吸收和土壤含水率間的定量關(guān)系。此外，在考慮土壤CH4增匯的同時，還要考慮節(jié)水高產(chǎn)和其他碳氮?dú)怏w的減排的協(xié)同實現(xiàn)，這也是未來的鹽漬土農(nóng)田生產(chǎn)水鹽精準(zhǔn)調(diào)控研究和實踐中需要進(jìn)一步研究回答的關(guān)鍵問題。

4 結(jié) 論

開展鹽漬土室內(nèi)培養(yǎng)試驗和田間測坑試驗，研究了土壤含水率和含鹽量對土壤CH4吸收能力的影響，結(jié)論如下：

1）在室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗中，田間持水率（Field Capacity，F(xiàn)C）范圍內(nèi)不同含鹽量土壤的CH4吸收速率均隨著處理土壤含水率的增大而增大，100%FC下土壤CH4累積吸收量分別是75%FC下的1.08～1.39倍和50%FC的1.27～1.72倍；在田間測坑試驗中，CH4吸收速率與土壤含水率均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，2種試驗結(jié)果一致，含水率升高對土壤CH4氧化有促進(jìn)作用。

2）在田間持水率范圍內(nèi)，含鹽土壤為CH4的匯，但土壤CH4吸收速率會隨著土壤含鹽量升高而降低，在3種含水率下，6.2 dS/m最高含鹽量處理的CH4累積吸收量相比0.3 dS/m最低含鹽量處理均顯著降低了40%以上，高含鹽量會減弱土壤作為甲烷的匯的能力；土壤含水率和含鹽量對CH4吸收的影響均有顯著影響且存在交互作用，在進(jìn)行鹽漬土水鹽調(diào)控時應(yīng)考慮水鹽分布對提高鹽漬土CH4匯能力的潛在作用。

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Effects of soil moisture and salinity on methane uptake in salt-affected soils

Li Yawei1,2, Zhou Jiaoyan3, Zhang Jian3, Liu Xiaoyin1, Wei Qi1, Jiao Xiyun1,2, Xu Junzeng1,2※

(1.,,211100,; 2.-,,210098,; 3.,215300,)

Methane (CH4) is the second most important greenhouse gas, after Carbon Dioxide (CO2). The concentration of CH4in the atmosphere is still rising more rapidly than ever before. Among them, most CH4sinks are widely distributed in water-unsaturated lands. It is a high demand to clarify the CH4uptake characteristics in the different types of soils in response to certain environmental factors. The soil CH4uptake potential can then be improved to mitigate global warming. In this study, a soil laboratory incubation experiment was conducted to investigate the CH4uptake rates of the salt-affected soil at the different moisture (50%, 75%, and 100% of Field Capacity (FC)), and Salinity Levels (LS1: 0.3 dS/m, LS2: 1.0 dS/m, LS3: 2.0 dS/m, LS4: 3.2 dS/m, and LS5: 4.9 dS/m, and LS6: 6.2 dS/m). A field plot experiment was also carried out to verify the reproducibility of the laboratory incubation under natural conditions. The soil CH4uptake was characterized by three soil salinity levels (PS1: 0.3 dS/m, PS2: 1.0 dS/m, and PS3: 5.0 dS/m), and their responses to the soil moisture dynamics. The soil laboratory incubation results showed that the cumulative CH4uptake of soils (including all six salinity levels) under 100%FC was 1.08-1.39 times those of the 75%FC, and 1.27-1.72 times those of the 50%FC, respectively. It infers that the capacity of soil CH4uptake increased with the increase of soil moisture within the range of field water-holding capacity. By contrast, the cumulative soil CH4uptake decreased under all three soil moisture levels, as the soil salinity increased from 0.3 to 6.2 dS/m. Specifically, the cumulative CH4uptake of the highest salinity LS6 was significantly reduced by 42.6%, 52.3%, and 55.1% under three soil moisture levels, respectively, compared with the non-saline soil of LS1. The soil moisture with the 100%FC aggravated the soil CH4uptake capacity along the salinity gradient from 0.3 to 6.2 dS/m, compared with the 50%FC. There was a significant interaction between the soil moisture and salinity on the soil CH4uptake. The laboratory incubation was validated by the field plot experiment under natural environments. The soil CH4uptake rates were significantly positively correlated with the soil moisture for all three soil salinity levels (<0.01). Compared with soil PS1, both PS2 and PS3 salinity levels led to a significant decrease in the cumulative CH4uptake, indicating that the high salinitysignificantly inhibited the soil CH4uptake. The laboratory incubation and field experiments indicated that the salt-affected soil was a CH4sink, where the CH4 uptake capacity depended mainly on the soil moisture and salinity. Consequently, a sub-goal of the water-salt regulation can be formulated to improve the CH4sink capacity for the high agricultural productivity in salt-affected soils.

soil moisture; salinity; methane; salt-affected soil; carbon sink

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.013

S156.4

A

1002-6819(2022)-16-0117-07

李亞威，周姣艷，張堅，等. 土壤含水率和含鹽量對鹽漬土甲烷吸收能力的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(16)：117-123.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.013 http://www.tcsae.org

Li Yawei, Zhou Jiaoyan, Zhang Jian, et al. Effects of soil moisture and salinity on methane uptake in salt-affected soils[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 117-123. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.013 http://www.tcsae.org

2022-06-22

2022-08-10

國家自然科學(xué)基金資助項目（52209050；51879075）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（B210205014；B220202071）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20210373）

李亞威，博士，助理研究員，研究方向為農(nóng)田高效灌排及其環(huán)境效應(yīng)。Email：yaweizx@hhu.edu.cn

徐俊增，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為節(jié)水灌溉理論與技術(shù)。Email：xjz481@hhu.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：徐俊增（E04000023A）