咸淡水組合灌溉模式對棉田土壤CO2 日排放特征影響

李會文，管 瑤*，賀興宏,2，范德寶，王育強

（1.塔里木大學 水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學 南疆巖土工程研究中心，新疆 阿拉爾 843000）

0 引 言

【研究意義】CO2對全球溫室效應加劇的貢獻率達到60%左右，每年大氣CO2有5%～20%來自土壤[1]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放是陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2排放的重要影響因素之一，對全球土壤碳排放也有重要影響[2]。干旱半干旱地區(qū)水資源短缺問題日益突出，微咸水作為淡水資源的替代資源，合理開發(fā)和利用微咸水是解決干旱地區(qū)淡水資源短缺的重要措施。微咸水是指礦化度在2～5 g/L 范圍內(nèi)的水資源[3]，通過微咸水與淡水組合灌溉，不僅可以降低土壤蒸發(fā)量，將鹽分淋洗至周圍，減小鹽分對作物的影響，還能提高灌溉水分的利用效率[4]。灌溉不僅對土壤整體環(huán)境產(chǎn)生影響，還影響土壤呼吸速率和CO2排放通量。因此，研究咸淡水組合灌溉下土壤CO2日排放規(guī)律對土壤固碳減排具有重要意義。

【研究現(xiàn)狀】目前，關于土壤碳排放影響的研究主要集中在耕作方式、灌溉水量、施肥模式和秸稈還田等方面。張俊麗等[5]指出，夏玉米生長季，深松、免耕、旋耕和翻耕4 種耕作方式下土壤呼吸速率隨生育期推進均呈先增加后減少的趨勢；陳慧等[6]研究表明，番茄生育期內(nèi)土壤CO2排放通量隨灌水量增加逐漸增大；劉春海等[7]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥和化肥配施促進了水稻生育盛期CO2排放；武開闊等[8]研究表明，玉米秸稈還田通過促進微生物生物量增加并加劇有機質(zhì)消耗來促進土壤CO2排放，并隨玉米秸稈還田量的增加而顯著增加。此外，灌溉作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中重要管理措施，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間溫室氣體交換和碳排放有重要影響。新疆地處我國西北干旱地區(qū)，淡水資源短缺，利用微咸水灌溉的農(nóng)業(yè)實踐經(jīng)驗豐富，但長期微咸水灌溉會導致土壤鹽分積累嚴重，土壤質(zhì)量下降，更會對土壤溫室氣體排放產(chǎn)生重要影響。

【切入點】現(xiàn)階段灌溉對土壤CO2排放影響的研究主要集中于灌水量和施肥，關于不同礦化度微咸水與淡水組合灌溉對土壤CO2排放的相關研究還比較少?！緮M解決的關鍵問題】為此，以南疆地區(qū)膜下滴灌棉田為研究對象進行田間試驗，采用4 種水質(zhì)，設置4 種咸水淡水灌溉配比，研究咸淡水組合灌溉對土壤理化性質(zhì)變化和CO2氣體日排放特征影響，以期為南疆地區(qū)節(jié)水灌溉和固碳減排提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022 年7—8 月在塔里木大學水利與建筑工程學院節(jié)水灌溉試驗基地進行。試驗區(qū)地處東經(jīng)81°17'，北緯 40°32'，試驗期間平均土壤溫度為25.78 ℃，平均氣溫為30.06 ℃，平均濕度為24.71%，地下水埋深3.5 m，試驗期間逐日溫度及降水量如圖1所示。試驗用地土壤為砂質(zhì)壤土，黏粒質(zhì)量分數(shù)、粉粒質(zhì)量分數(shù)、砂粒質(zhì)量分數(shù)分別為3.40%、32.95%和63.65%，土壤體積質(zhì)量為1.33 g/cm3，播種前土壤pH值為7.81，電導率為161.15 μS/cm。

圖1 試驗期間大氣溫度、土壤溫度及降水量Fig.1 Temperature change and rainfall during the test

1.2 試驗設計

試驗設置淡水灌溉CK，3 種不同礦化度微咸水與淡水組合灌溉，組合灌溉順序均為先灌咸水后灌淡水，灌溉方式為膜下滴灌，微咸水的礦化度分別為S1（2 g/L）、S2（3 g/L）、S3（5 g/L），每種微咸水下設置4 種咸水淡水灌溉配比，ω（微咸水）∶ω（淡水）分別為P1（1∶1）、P2（1∶4）、P3（4∶1）、P4（1∶0），共計13 個處理，每個處理設置3 個重復，具體試驗方案如表1 所示。小區(qū)面積7.0 m2（3.5 m×2.0 m），各小區(qū)之間用塑料薄膜隔開，薄膜埋深40 cm。種植模式為1 膜3 管6 行的寬窄行，設置膜寬為200 cm，寬行距為60 cm，窄行距為30 cm，株距20 cm。滴灌帶布置在窄行中心，滴灌帶直徑為16 mm，滴頭間距為20 cm，滴頭流量為4.0 L/h。播種前施入底肥磷酸二銨（190 kg/hm2）和尿素（50 kg/hm2），于棉花蕾期、花鈴期和吐絮期按2∶2∶1 隨滴灌追施尿素，總施氮量為270 kg/hm2。各處理灌水頻率為7 d/次，每次灌水定額為225 m3/hm2，供試棉花品種為“塔河一號”。

表3 土壤CO2 排放通量與土壤溫度和含水率雙因素回歸方程擬合Table 3 Fitting of two-factor regression equation of soil CO2 emission flux with soil temperature and water content

1.3 取樣及測定方法

1.3.1 氣體樣品的采集與測定

棉花花鈴期逐日采集與測定灌水前后棉田土壤CO2氣體，共監(jiān)測2 個灌水周期。利用靜態(tài)箱對土壤CO2氣體進行原位采集，靜態(tài)箱分為頂箱和底座2 個部分，材質(zhì)為2 mm厚的不銹鋼（底座尺寸為50 cm×50 cm×15 cm，頂箱尺寸為50 cm×50 cm×50 cm）。箱內(nèi)頂部布置1 個風扇用于將箱內(nèi)氣體混合均勻，箱內(nèi)設有溫度計插槽用于觀測箱內(nèi)氣體溫度變化，箱外布設有2 cm 厚的泡沫板和膠帶防止采樣時箱內(nèi)氣體溫度升高過快。底座提前安放在各試驗小區(qū)行與行的中間，每個小區(qū)1 個底座，每次采集氣體時向底座凹槽內(nèi)注水密封保證裝置的氣密性。氣體采集時間為11:00—13:00，在罩箱后0、10、20、30 min 的4 個時間點采集4 次，利用三通閥與50 mL 注射器從箱體內(nèi)抽取氣體裝入100 mL 的集氣袋中。采集后的氣體樣品利用氣相色譜儀（Agilent 7890A）測定，土壤CO2排放通量計算式為：

式中：F為CO2排放通量（mg/（m2·h ））；ρ為CO2在標準狀態(tài)下的密度（g/cm3）；V、A為頂箱體積和底面積；Dc/Dt為采樣時CO2濃度隨時間變化的斜率（采用線性回歸擬合）；T為箱內(nèi)平均溫度（℃）。

土壤CO2累計排放量計算式為：

式中：M為土壤CO2累計排放量（kg/hm2）；F為土壤CO2排放通量（mg/（m2·h））；i為采樣次數(shù)；t為采樣時間（d）。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)測定

采集CO2氣體時用提前埋置好的地溫計測定土壤溫度；采集完CO2氣體樣品后在底座周圍鉆取0～40 cm 的膜下土樣，利用烘干法在105 ℃測定各土層土壤質(zhì)量含水率。利用電導率儀（DDSJ-308A）測定土壤電導率（EC1:5）；土壤pH 值通過pH 計（PHS-3C）測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2021 處理數(shù)據(jù)，使用Origin 2019 軟件繪圖，通過IBM SPSS Statistics 26.0 軟件的LSD 和Duncan 進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 咸淡水組合灌溉下土壤CO2排放通量的動態(tài)變化

各處理土壤CO2排放通量變化趨勢如圖2 所示。各處理土壤CO2排放通量變化類似，均呈先增大后減小的趨勢，2 次灌水后各處理土壤CO2排放通量均有明顯上升，而后逐漸下降，各處理土壤CO2的排放峰值共出現(xiàn)2 次，均出現(xiàn)在灌水施肥后1 d。CK 的平均CO2排放峰值為425.12 mg/（m2·h ），CO2日平均排放通量為350.98 mg/（m2·h ）。P1S1、P2S1、P3S1、P4S1處理平均CO2排放峰值分別為359.99、376.45、345.75、308.29 mg/（m2·h ）；與CK 相比，P1S1、P2S1、P3S1、P4S1 處理的CO2日平均排放通量分別顯著減少了17.37%、12.64%、20.21%、24.35%（P＜0.05）。P1S2、P2S2、P3S2、P4S2 處理平均CO2排放峰值分別為350.34、364.34、323.76、306.38 mg/（m2·h ）；與CK相比，P1S2、P2S2、P3S2、P4S2 處理的CO2日平均排放通量分別顯著減少了22.23%、18.30%、25.26%和 26.69%（P＜0.05），其余處理之間無顯著差異（P＞0.05）。P1S3、P2S3、P3S3、P4S3 處理平均CO2排放峰值分別為336.68、334.43、310.56、290.12 mg/（m2·h ）；與CK 相比，P1S3、P2S3、P3S3、P4S3 處理的CO2日平均排放通量分別顯著減少了23.60%、22.16%、26.98%和28.57%（P＜0.05），但4 個處理之間差異并不顯著（P＞0.05）。這表明土壤CO2日排放通量隨微咸水礦化度和咸水淡水灌溉配比的增加而減小。

圖2 不同處理土壤CO2 排放通量Fig.2 CO2 emission flux from soil with different treatments

2.2 咸淡水組合灌溉下土壤CO2累計排放量的變化規(guī)律

圖3為不同處理土壤CO2平均排放通量及累計排放量。由圖3 可知，CK 的土壤CO2累計排放量最大，為85.91 g/m2，顯著高于其他處理；P4S3 處理土壤CO2累計排放量最小，為52.68 g/m2。不同咸水淡水灌溉配比下，S1 處理與S2、S3 處理土壤CO2累計排放量均存在顯著差異（P＜0.05），但S2 處理和S3 處理之間無顯著差異（P＞0.05），故微咸水礦化度可以抑制土壤CO2排放，但微咸水礦化度超過一定閾值對CO2排放的影響并不顯著。

圖3 不同處理土壤CO2 平均排放通量及累計排放量Fig.3 Average emission flux and cumulative emission of CO2 from soils under different treatments

2.3 土壤CO2 排放的影響因素分析

2.3.1 箱內(nèi)氣體溫度與土壤溫度

圖4 為不同處理箱內(nèi)氣體溫度及土壤溫度變化。由圖4 可知，不同處理下箱內(nèi)氣體溫度均高于土壤溫度，箱內(nèi)氣體溫度與土壤溫度的動態(tài)變化趨勢整體保持一致。試驗期間CK 的箱內(nèi)氣體平均溫度和土壤平均溫度分別為27.58 ℃和24.27 ℃；S1 處理箱內(nèi)氣體平均溫度和土壤平均溫度分別為28.08～31.18 ℃和24.40～27.41 ℃；S2 處理箱內(nèi)氣體平均溫度和土壤平均溫度分別為29.19～31.42 ℃和24.68～27.01 ℃；S3處理箱內(nèi)氣體平均溫度和土壤平均溫度分別為29.09～30.87 ℃和25.34～26.35 ℃。微咸水礦化度對土壤溫度的影響并不顯著（P＞0.05），但由表4 可知，箱內(nèi)氣體溫度和土壤溫度存在一定正相關關系，相關系數(shù)0.827。

表4 土壤CO2 排放通量與各影響因素的相關分析Table 4 Correlation analysis of soil CO2 emission flux with each influencing factor

2.3.2 土壤含水率

圖5 為不同處理0～20、20～40 cm 土層土壤含水率。由圖5 可知，各處理土壤含水率變化基本保持一致，在灌水后第1 天土壤含水率均達到峰值，隨后呈遞減趨勢。各處理0～20、20～40 cm 土層土壤含水率基本表現(xiàn)為P4S3 處理最大，CK 最小，且灌水后這種現(xiàn)象最為明顯。與CK 相比，S1、S2、S3 處理土壤含水率分別增加6%～43%、16%～44%和23%～48%，這表明微咸水礦化度顯著影響了土壤含水率（P＜0.05），土壤含水率隨微咸水礦化度增大顯著增大（P＜0.05）。由表4 可知，土壤含水率與土壤CO2排放通量顯著正相關（P＜0.01）。

圖5 不同處理土壤含水率動態(tài)變化規(guī)律Fig.5 Changes in soil water content under different treatments

圖6為不同微咸水礦化度下土壤CO2排放通量與土壤含水率擬合。土壤含水率（W）是影響微咸水與淡水組合灌溉下土壤CO2排放的重要因素，其解釋了50%～66%的土壤CO2排放的變化。S1、S2、S3 處理微咸水與淡水組合灌溉處理下的擬合方程為：Y=-0.14W2+9.77W+193、Y=0.23W2+0.02W+229.39、Y=0.17W2+0.48W+223.43。不同礦化度微咸水與淡水組合灌溉下土壤CO2排放通量均與土壤含水率顯著正相關，土壤CO2排放通量隨土壤含水率的增加顯著增加。

2.3.3 土壤水熱因素的綜合作用

通過建立以土壤溫度（T）和土壤含水率（W）為自變量，土壤CO2排放通量為因變量的雙因素復合模型，S1、S2、S3 礦化度微咸水與淡水組合灌溉處理下的擬合方程詳見表3，R2在0.702～0.846 之間，與單因素模型相比（R2=0.504～0.658），土壤溫度與土壤含水率雙因素復合模型可以更全面地解釋土壤CO2排放的變化。由圖7 可知，當土壤溫度一定時，S1、S2、S3 處理下土壤CO2排放通量均隨土壤含水率的增加而增大；當土壤含水率一定時，S1、S2 處理土壤CO2排放通量隨土壤溫度的增加而增大，S3處理土壤CO2排放通量先隨土壤溫度的增加而減小，下降至土壤溫度25 ℃左右時，土壤CO2排放通量隨土壤溫度的增加而增大。

圖7 不同微咸水礦化度下土壤CO2 排放通量對土壤含水率和土壤溫度的響應曲面Fig.7 Response surface of soil CO2 emission flux to soil water content and temperature under different brackish water mineralization

2.3.4 土壤電導率與pH 值

如圖8 所示，試驗期間各處理土壤電導率整體均有所增加，CK 的土壤電導率較其他處理增長緩慢。微咸水礦化度和咸水淡水灌溉配比對土壤電導率存在顯著影響（P＜0.05，表2）；與S1 處理相比，S2、S3 處理土壤電導率分別顯著增加了 2%～7%和3%～20%，且在同一咸水淡水灌溉配比下，S2、S3 處理與S1 處理之間均存在顯著差異（P＜0.05）。由圖8可知，各處理土壤pH 值隨灌水施肥呈先減小后增大的趨勢，在灌水后第2～第3 天土壤pH 值下降至最小值。當?shù)V化度為5 g/L 時，不同咸水淡水灌溉配比對土壤pH 值具有顯著影響（P＜0.05）；當咸水淡水灌溉配比為P3、P4 時，微咸水礦化度對土壤pH 值存在顯著影響（P＜0.05），故土壤pH 值隨微咸水礦化度和咸水淡水灌溉配比的增大而增加。

圖8 不同處理土壤電導率和pH 值隨時間變化Fig.8 Soil conductivity and pH change with time under different treatments

3 討 論

灌溉水鹽分會影響土壤微生物的數(shù)量、種類、活性和利用碳源的能力，并通過滲透脅迫改變土壤酶的活性，造成土壤環(huán)境整體活性下降[9]，從而影響土壤CO2排放通量。王帥杰等[10]研究表明，土壤CO2排放通量隨灌溉水鹽分的增加而減小；張前前等[11]在研究微咸水滴灌對土壤CO2排放通量的影響時發(fā)現(xiàn)，不同處理對土壤CO2排放通量影響表現(xiàn)為淡水＞微咸水≥咸水。這都與本研究結果一致。本試驗發(fā)現(xiàn)，S1 礦化度微咸水與淡水組合灌溉下土壤CO2排放通量與累計排放量均顯著高于S2 處理和S3 處理。微咸水灌溉會增加土壤鹽分，改變土壤滲透勢和孔隙度[12]，進而影響土壤CO2排放。在灌水施肥后1 d，各處理土壤CO2排放均出現(xiàn)排放峰值，這可能是由于灌水施肥提高了土壤含水率，且肥料通過灌水后基本完成水解，促進了土壤根際呼吸和微生物活性，加快了土壤有機質(zhì)的分解，從而顯著提高土壤CO2排放通量[13]。這表明灌水和施肥在提高土壤水分和養(yǎng)分的同時可能也會增加土壤CO2排放，但微咸水和淡水組合灌溉下，微咸水礦化度的增加也會抑制土壤CO2排放，這與以往大多數(shù)試驗研究[10,14-15]結果一致。

土壤溫度和土壤含水率是影響土壤CO2排放的重要因素[16]。土壤溫度與土壤呼吸速率正相關[17]，與本研究結果一致，雖然土壤溫度與土壤CO2排放正相關，但相關性并不顯著。土壤水分與土壤CO2排放通量之間并非簡單的線性關系，土壤水分參與了土壤環(huán)境中眾多反應過程，通過影響土壤根系呼吸、土壤孔隙、微生物活性以及土壤結構等多個方面來調(diào)控土壤CO2排放[18]。李賢紅[19]研究表明，土壤CO2排放速率隨土壤含水率的增大而增加；單獨分析土壤水分對CO2排放的影響時，二者相關性并不大，土壤水分和溫度相互協(xié)調(diào)對CO2排放通量產(chǎn)生影響[5,20-22]。這與本研究結果相符，通過土壤溫度和含水率雙因素復合模型解釋了70.2%～84.6%的土壤CO2排放規(guī)律，高于單因子模型，說明土壤溫度和土壤含水率并非單獨作用于土壤CO2排放，而是共同交互作用于土壤CO2排放。

微咸水和淡水組合灌溉也可能通過影響土壤鹽分和pH 值來影響土壤CO2排放。郭慧楠等[23]研究表明，長期利用微咸水灌溉會導致土壤鹽分、含水率顯著增加。本研究發(fā)現(xiàn)，S1、S2、S3 礦化度微咸水與淡水組合灌溉下土壤EC值較CK分別提高13.3%～92.5%、21.8%～100%和36.9%～126%，表明不同礦化度微咸水明顯提高了土壤鹽分。微咸水灌溉在顯著增加土壤耕層鹽分的同時，也會導致土壤導水率和入滲速率下降，微咸水中的Na+會增大土壤鈉吸附比，進而提高土壤pH 值[24]，這與本研究結果類似。本研究表明，不同礦化度微咸水和淡水組合灌溉會導致pH 值升高。Wang 等[25]認為利用微咸水灌溉后，土壤中異養(yǎng)微生物活性降低，土壤CO2排放也相應減少，王國棟等[26]研究表明，長期利用微咸水灌溉后，土壤生物量、酶活性和有機質(zhì)量與淡水灌溉相比均顯著下降，土壤溫室氣體排放也顯著降低。本研究表明，隨著微咸水礦化度和咸淡水施配比例的增加，土壤CO2排放通量相應減少。這可能是微咸水和淡水組合灌溉通過提高土壤鹽分和pH 值，抑制土壤中微生物和酶活性，減少土壤中生物量和有機碳量，導致土壤呼吸強度減弱，從而抑制土壤CO2排放；同時土壤耕層鹽分和pH 值的增大，也會減小土壤孔隙度和蒸發(fā)量、抑制作物吸水導致土壤含水率提高，而過高的土壤含水率會阻止土壤中O2擴散[5]，抑制作物根系呼吸，進而導致土壤CO2排放通量減少。

4 結 論

1）微咸水礦化度相同時，在淡水灌溉（CK）和4 種咸水淡水灌溉配比下，土壤含水率、pH 值和電導率表現(xiàn)均為：CK＜P2 處理＜P1 處理＜P3 處理＜P4 處理；咸水淡水灌溉配比相同時，土壤含水率、pH 值和電導率表現(xiàn)均為：CK＜S1 處理＜S2 處理＜S3 處理。

2）咸淡水組合灌溉抑制土壤CO2氣體的排放。微咸水礦化度相同時，與CK 相比，P1、P2、P3、P4 處理土壤 CO2日平均排放通量分別減少了17.37%～23.6%、12.64%～22.16%、20.21%～26.98%、24.35%～28.57%；咸水淡水灌溉配比相同時，與CK相比，S1、S2、S3 處理土壤CO2日平均排放通量分別 降 低 了 12.64%～24.35% 、18.30%～26.69% 、22.16%～28.57%。

3）本試驗條件下，選用2 g/L 微咸水與淡水按1∶4 施配比例用于灌溉時，土壤鹽分、pH 值、CO2排放通量和累計排放量相對較低，可為該地區(qū)合理利用微咸水灌溉、節(jié)約淡水資源、保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境提供理論參考。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）