干濕交替對(duì)新疆綠洲農(nóng)田土壤CO2排放的影響

牛百成, 趙成義, 馮廣龍, 唐鋼梁

(1.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊830011; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

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干濕交替對(duì)新疆綠洲農(nóng)田土壤CO2排放的影響

牛百成1,2, 趙成義1, 馮廣龍1, 唐鋼梁1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊830011; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

摘要：[目的] 分析不同土壤水分變化及干濕交替對(duì)土壤CO2排放的影響，為綠洲農(nóng)田土壤碳循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 選取新疆綠洲棉田土壤，通過(guò)室內(nèi)控制模擬試驗(yàn)，以及用氣相色譜儀分析CO2濃度。[結(jié)果] (1) 與60%WFPS(土壤充水孔隙度)相比，40%WFPS對(duì)土壤CO2排放起到了顯著的抑制作用(p<0.05)，而80%WFPS對(duì)土壤CO2排放無(wú)顯著性影響(p<0.05)。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，與60%WFPS的土壤CO2累積排放量相比，40%WFPS的土壤CO2累積排放量降低26%(p<0.05)，而80%WFPS的土壤CO2累積排放量?jī)H增加0.04%(p>0.05)。(2) 多次干濕交替循環(huán)后，干濕交替處理下的土壤CO2累積排放量顯著低于恒濕處理。在不同干旱強(qiáng)度處理中，重度干旱(SD)處理對(duì)土壤CO2排放速率響應(yīng)程度大于適度干旱(MD)處理，但多次干濕交替循環(huán)后，SD處理下的土壤CO2累積排放量卻顯著小于MD處理。隨干濕交替循環(huán)次數(shù)的增加，干濕交替對(duì)土壤CO2排放速率的影響顯著降低，特別是對(duì)土壤CO2排放速率最高值的影響最大。[結(jié)論] 在新疆綠洲棉田土壤中，干濕交替能降低土壤CO2排放量，降低量隨干旱強(qiáng)度的增大而增大。

關(guān)鍵詞：綠洲農(nóng)田; 土壤水分; 干濕交替; 土壤CO2排放

文獻(xiàn)參數(shù)： 牛百成, 趙成義, 馮廣龍, 等.干濕交替對(duì)新疆綠洲農(nóng)田土壤CO2排放的影響[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：74-80.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.014

農(nóng)田土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其碳儲(chǔ)量約為1 500 Pg[1]。土壤呼吸是指土壤釋放CO2的過(guò)程，嚴(yán)格意義上講，指的是未擾動(dòng)的土壤產(chǎn)生CO2的所有代謝過(guò)程，包括土壤微生物呼吸、根系呼吸和土壤動(dòng)物呼吸3個(gè)生物過(guò)程以及一個(gè)含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用的非生物學(xué)過(guò)程[2]。CO2是主要的溫室氣體之一，每年土壤排放到大氣中的CO2量約79.3～81.8 Pg[3]。已有研究表明，土壤溫度和濕度是影響土壤排放CO2的主要環(huán)境因素[2,4-5]。目前針對(duì)干旱區(qū)綠洲農(nóng)田土壤CO2排放的研究，主要集中在土壤溫度[6]、濕度[7]和覆膜[8]等對(duì)土壤CO2排放的影響。

水分脅迫在干旱地區(qū)非常普遍，干燥的土壤遇到降水或者灌溉等事件后，會(huì)導(dǎo)致土壤微生物發(fā)生變化[9]，從而影響土壤CO2排放。新疆綠洲農(nóng)田的生產(chǎn)主要依靠灌溉，灌溉方式以漫灌和滴灌為主，受灌溉次數(shù)和高強(qiáng)度蒸發(fā)的影響，在農(nóng)田中就形成了干濕交替現(xiàn)象，而這種干濕交替過(guò)程會(huì)對(duì)土壤CO2排放產(chǎn)生影響[10]。Miller等[11]的研究結(jié)果表明干濕交替處理能增加土壤CO2排放量；但也有學(xué)者[12-13]研究得出不同結(jié)果，干濕交替處理的土壤CO2累積排放量均低于恒濕處理；而Kruse等[14]認(rèn)為干濕交替處理對(duì)土壤CO2累積排放量沒(méi)有顯著的影響。目前針對(duì)干濕交替處理對(duì)土壤CO2排放的影響的研究結(jié)論爭(zhēng)議較大，其次，干濕交替對(duì)新疆綠洲農(nóng)田土壤CO2排放的影響研究鮮有報(bào)道。

本文擬以新疆棉田為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析不同水分梯度和干濕交替強(qiáng)度對(duì)新疆綠洲農(nóng)田土壤CO2排放的影響，以期為新疆綠洲農(nóng)田土壤碳循環(huán)及碳平衡的研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及在土壤水分交替變化情況下，對(duì)于研究和掌握土壤碳循環(huán)的變化規(guī)律提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試土壤

供試土壤采自新疆阿克蘇綠洲棉田試驗(yàn)地(80°45′E，40°37′N，海拔1 028 m，站區(qū)多年平均氣溫11.2 ℃，年均降水量45.7 mm，無(wú)霜期207 d)，土壤類型為灌耕土。試驗(yàn)選用棉田表層0—20 cm土壤，自然風(fēng)干后除去雜物，研磨并過(guò)2 mm的篩子。試驗(yàn)地的土壤質(zhì)地為粉砂土壤(44%沙粒、50%粉粒和6%黏粒)，0—20 cm的土壤pH值為7.16；土壤容重1.32 g/cm3；有機(jī)質(zhì)為6.96 g/kg；全氮含量為0.48 g/kg。

1.2方 法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)置了3個(gè)不同水分梯度(水分含量分別為40%WFPS，60%WFPS和80%WFPS，其中WFPS表示土壤充水孔隙度，即充水孔隙體積占總孔隙體積的百分?jǐn)?shù))和2個(gè)不同強(qiáng)度的干濕交替，即重度干旱(用SD表示，水分含量設(shè)40%WFPS)和適度干旱(用MD表示，水分含量設(shè)60%WFPS)，共計(jì)5個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)期共64 d。在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，3個(gè)不同水分梯度的水分含量始終保持在40%，60%和80%WFPS。2個(gè)不同強(qiáng)度的干濕交替處理總共4次循環(huán)，每次循環(huán)周期為16 d。

在SD處理中，每次干濕交替過(guò)程都包括3個(gè)時(shí)期。濕潤(rùn)期：快速濕潤(rùn)后培養(yǎng)4 d(WFPS值保持在80%)；干燥期：WFPS值從80%降到60%，培養(yǎng)4 d；接著WFPS值又從60%降到40%，培養(yǎng)4 d；干旱期：WFPS值保持在40%，培養(yǎng)4 d；在MD處理中，每次干濕交替過(guò)程中也經(jīng)歷3個(gè)時(shí)期。濕潤(rùn)期：快速濕潤(rùn)后培養(yǎng)4 d(WFPS值保持在80%)；干燥期：WFPS值從80%降到60%，培養(yǎng)4 d；干旱期：WFPS值保持在60%，培養(yǎng)8 d。恒濕處理水分含量為80%WFPS(與不同水分梯度處理共用)。干燥期：通過(guò)加入定量的硅膠干燥劑進(jìn)行緩慢干旱(通過(guò)早期試驗(yàn)計(jì)算出，在2次取樣之間(4 d)加入定量的干燥劑，能使WFPS值從80%降到60%或者60%降到40%來(lái)完成緩慢干旱)。硅膠干燥劑裝進(jìn)一次性紙杯中，并在紙杯四周扎出許多小孔(小孔直徑小于干燥劑顆粒直徑，防止干燥劑漏出,如圖1所示)。

1.2.2試驗(yàn)培養(yǎng)稱取100 g風(fēng)干土，均勻置于730 ml玻璃瓶中，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。該裝置參考俞永祥等[15]的研究做了一定的改進(jìn)。試驗(yàn)前期加水至干燥風(fēng)干土，使土壤水分含量達(dá)到80%WFPS，在溫度為25 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)16 d，用于恢復(fù)土壤微生物活性為干濕交替試驗(yàn)開(kāi)始做準(zhǔn)備。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)3個(gè)不同梯度的土壤水分含量，分別為40%WFPS，60%WFPS和80%WFPS，而SD和MD處理的土壤水分含量分別為40%WFPS和60%WFPS(在濕潤(rùn)期時(shí)，通過(guò)加入蒸餾水使SD和MD處理的土壤水分含量恢復(fù)到80%WFPS)。

圖1　土壤干濕交替模擬裝置

試驗(yàn)開(kāi)始后，每隔4 d采集1次氣體樣品，共計(jì)采集16次。采集氣體時(shí)間為10∶00—12∶00。采樣流程：采用50 ml注射器通過(guò)培養(yǎng)瓶蓋上三通閥抽取50 ml氣體。操作完成后打開(kāi)培養(yǎng)瓶蓋，在培養(yǎng)瓶頂部煽動(dòng)，使培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)空氣流動(dòng)，目的是瓶?jī)?nèi)CO2濃度與室內(nèi)空氣接近[9]，大約15 min后，通過(guò)稱重法，使用注射器噴灑蒸餾水進(jìn)行再濕潤(rùn)，使3個(gè)不同梯度

的土壤水分含量分別恢復(fù)到40%WFPS，60%WFPS和80%WFPS，以及使SD和MD處理的土壤水分含量恢復(fù)到80%WFPS，在需要緩慢干燥的培養(yǎng)瓶里加入定量的干燥劑后擰緊瓶蓋繼續(xù)置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。

1.3CO2測(cè)定

抽取的氣體樣品使用氣相色譜儀(Agilent 7890 A，Agilent,Palo Alto,USA)進(jìn)行測(cè)定。CO2氣體樣品分析流程：氣體樣品中的CO2，主要經(jīng)過(guò)進(jìn)樣、分離和檢驗(yàn)3個(gè)過(guò)程，最終將CO2成分推入鎳觸媒轉(zhuǎn)化器，在375 ℃高溫下被H2還原定量轉(zhuǎn)化成CH4后被FID檢驗(yàn)。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析(ANOVN)，差異顯著性水平(p<0.05)通過(guò)最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行檢驗(yàn)，并采用Origin 9.0軟件繪圖。土壤CO2排放速率以平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差(mean ±SD)表示。

2結(jié)果與分析

2.1不同水分梯度對(duì)土壤CO2排放的影響

整個(gè)培養(yǎng)期土壤CO2排放速率隨WFPS值增大而增大(圖2a)，但20 d之后，60%WFPS和80%WFPS處理下的土壤CO2排放速率的數(shù)值接近。60%WFPS和80%WFPS處理下的土壤CO2排放速率顯著大于40%WFPS的土壤CO2排放速率。在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，不同水分梯度處理下的土壤CO2排放速率都趨于下降，培養(yǎng)初期不同水分梯度處理下土壤CO2排放速率分別是培養(yǎng)末期的2.25，2.20，2.64倍。

注:不同處理間土壤CO2累積排放量間多重比較是在5%水平下進(jìn)行。下同。

整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，土壤CO2累積排放量隨WFPS值增大而增大(圖2b)。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，80%WFPS處理下的土壤CO2累積排放量(以C計(jì))約為135 μg/g，分別是60%WFPS和40%WFPS處理下的1.04，1.4倍。培養(yǎng)過(guò)程中，3個(gè)不同水分梯度處理下的土壤CO2累積排放量的增長(zhǎng)速率均趨于平緩，而40%WFPS處理下的土壤CO2累積排放量的增長(zhǎng)速率在40 d后變得更加平緩。80%WFPS和60%WFPS處理下的土壤CO2累積排放量之間無(wú)顯著性差異(p>0.05)，但均顯著大于40%WFPS處理下的土壤CO2累積排放量(p<0.05)。

2.2干濕交替對(duì)土壤CO2排放速率的影響

干濕交替處理下的土壤CO2排放速率表現(xiàn)為：第1個(gè)循環(huán)的濕潤(rùn)期(0～4 d)，SD和MD處理下的土壤CO2排放速率分別減小到1.39和1.74 μg/(g·d)，顯著低于恒濕處理。與第1個(gè)循環(huán)相比，第2,3和4個(gè)循環(huán)中，SD和MD處理下的土壤CO2排放速率的最低值，分別降低了2.17，2.44，3.11，1.71，1.82，1.74倍(圖3)。其中，4個(gè)干濕交替循環(huán)中SD處理下的土壤CO2排放速率的最低值與MD處理下的土壤CO2排放速率最低值相比，分別降低了20%，35%，40%，40%。

注：SD為重度干旱； MD為適度干旱； WFPS為土壤充水孔隙度。下同。

圖3干濕交替對(duì)土壤CO2排放速率的影響

在SD處理中，第1次循環(huán)的干燥期(8～12 d)，土壤CO2排放速率達(dá)到這個(gè)循環(huán)的最高值，約為2.38 μg/(g·d)。其余3次循環(huán)中土壤CO2排放速率的最高值出現(xiàn)的時(shí)間與第1次循環(huán)類似。SD處理中除第1次循環(huán)外(第1次土壤CO2排放速率的最高值遠(yuǎn)小于其余3次)，第2次循環(huán)的干燥期(24～28 d)，土壤CO2排放速率的最高值分別是第3,4次循環(huán)干燥期(第3次：40～44 d，第4次：56～60 d)土壤CO2排放速率的最高值的1.31，1.37倍。在MD處理中，第1次循環(huán)的干燥期(4～8 d)土壤CO2排放速率也達(dá)到這個(gè)循環(huán)的最高值，約為3.39 μg/(g·d)。其余3次循環(huán)中土壤CO2排放速率的最高值出現(xiàn)的時(shí)間也與第1次循環(huán)類似。MD處理下的第1次循環(huán)的干燥期(4～8 d)土壤CO2排放速率的最高值分別是第2,3和4次循環(huán)干燥期(第2次：20～24 d，第3次：36～40 d，第4次：52～56 d)土壤CO2排放速率的最高值的1.18，1.27，1.96倍。在每次循環(huán)中，與MD處理相比，SD處理下土壤CO2排放速率的最高值落后4 d出現(xiàn)。4個(gè)干濕交替循環(huán)中，SD處理中除第1次循環(huán)外，其余3次循環(huán)中土壤CO2排放速率的最高值與MD處理下的土壤CO2排放速率的最高值相比分別提高了12.4%，32.4%和29.7%。

隨干濕交替循環(huán)次數(shù)的增加，SD和MD處理下的土壤CO2排放速率在不同培養(yǎng)時(shí)期存在一定的差異性：在SD處理中，濕潤(rùn)期、干燥期和干旱期之間的土壤CO2排放速率均存在顯著性差異。在MD處理中，濕潤(rùn)期與干燥期和干旱期之間的土壤CO2排放速率均存在顯著性差異，而干燥期和干旱期之間的土壤CO2排放速率的顯著性差異變化趨勢(shì)不一致。

隨著干濕交替循環(huán)次數(shù)的增加，對(duì)SD和MD處理下的土壤CO2排放速率的最高值和最低值的影響均呈顯著降低的趨勢(shì)(表1)。雖然SD和MD處理下的土壤CO2排放速率的最低值變化趨勢(shì)存在差異(第3次循環(huán))，但總的來(lái)說(shuō)干濕交替循環(huán)次數(shù)對(duì)其影響趨勢(shì)大體一致。干濕交替循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤CO2排放速率的最高值的影響均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，特別是第3和第4次循環(huán)的土壤CO2排放量最高值之間已不存在顯著性差異，表明對(duì)土壤CO2排放速率的影響程度隨干濕交替循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

表1　　　　干濕交替循環(huán)次數(shù)對(duì)重度干旱(SD)和適度

注：CO2 min和CO2 max代表SD或MD處理土壤CO2排放速率的最低值和最高值。同一個(gè)處理(SD或MD)中的CO2 min或CO2 max之間多重比較是在5%水平下進(jìn)行。

2.3干濕交替對(duì)土壤CO2累積排放量的影響

試驗(yàn)過(guò)程中，干濕交替處理相對(duì)于恒濕處理顯著降低了土壤CO2累積排放量(圖4)。SD和MD處理下的土壤CO2累積排放量，在每次再濕潤(rùn)后增加趨于變緩，而在干燥期迅速增加。其中MD處理下的土壤CO2累積排放量變化幅度低于SD處理。此外，土壤CO2累積排放量增長(zhǎng)速率隨著干濕交替循環(huán)次數(shù)的增加而降低。培養(yǎng)結(jié)束后，不同處理下的土壤CO2累積排放量差異性顯著(p<0.05)。

3討 論

3.1不同水分梯度對(duì)土壤CO2排放的影響

土壤水分含量是影響土壤CO2排放的重要影響因子之一[16]。已有學(xué)者[17]研究表明，土壤微生物活性最強(qiáng)的WFPS值為60%，這時(shí)土壤CO2排放量最大。當(dāng)WFPS值低于60%時(shí)，就會(huì)抑制土壤微生物的活性，而當(dāng)高于60%時(shí)，又會(huì)降低土壤的氧氣含量，從而影響需氧性微生物的活性。在本文中，40%WFPS處理顯著抑制了土壤CO2排放速率，表現(xiàn)為整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中40%WFPS處理土壤CO2排放速率顯著低于60%WFPS和80%WFPS處理，與Linn等[17]的結(jié)果相接近。60%WFPS和80%WFPS處理之間土壤CO2平均排放速率無(wú)顯著性差異(p>0.05)，可能80%WFPS處理從不同程度上抑制需氧微生物的活性[17]。

圖4　干濕交替對(duì)土壤CO2積累排放量的影響

60%WFPS和80%WFPS處理下的土壤CO2累積排放量顯著高于40%WFPS處理下的土壤CO2累積排放量(p<0.05，圖2b)。可能原因是40%WFPS的土壤溶液中可溶性有機(jī)碳擴(kuò)散受到抑制，這時(shí)土壤微生物處于底物缺乏狀態(tài)[18]。在Linn等[17]的研究中也認(rèn)為，當(dāng)土壤水分含量低于某一水平時(shí)，土壤CO2排放量就會(huì)下降的主要原因?yàn)橥寥浪ど系乃苄杂袡C(jī)碳的利用率降低。其次，本文中60%WFPS和80%WFPS處理之間的土壤CO2累積排放量沒(méi)有顯著差異性(p>0.05)，說(shuō)明在60%WFPS和80%WFPS之間出現(xiàn)了最適的土壤CO2排放速率的WFPS值，因此80%WFPS可能對(duì)土壤CO2排放產(chǎn)生抑制作用。雖然本文沒(méi)有對(duì)土壤CO2排放最適的WFPS值進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可基本認(rèn)為土壤CO2排放最適的WFPS值與Ding等[19]的研究結(jié)果比較接近。

3.2干濕交替對(duì)土壤CO2排放速率的影響

在干燥期，SD和MD處理下的WFPS值分別會(huì)從80%降到40%和80%降到60%。由于土壤水分含量的降低，可能影響土壤微生物的活性和土壤中碳的累積礦化量[12,20]，也可能會(huì)對(duì)土壤微生物的流動(dòng)性起到限制作用[21]以及抑制土壤微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用[22]，以上這些都可能對(duì)土壤微生物的活性產(chǎn)生抑制作用。很多研究表明，再濕潤(rùn)干燥的土壤會(huì)激發(fā)土壤CO2排放速率[12-13]，而在本文中，再濕潤(rùn)不同干旱程度的土壤(SD和MD處理)，土壤CO2排放速率卻是下降的，顯著低于恒濕處理，與Zhang[23]的研究結(jié)果相似。同時(shí)出現(xiàn)土壤CO2排放速率的最低值(SD

每次循環(huán)的干燥期，SD和MD處理中均出現(xiàn)土壤CO2排放速率的最高值(SD >MD，圖3a)。說(shuō)明土壤微生物的活性和數(shù)量在各自的這個(gè)時(shí)期基本恢復(fù)了[20]，因此快速增加了對(duì)土壤有機(jī)碳和干旱時(shí)期死亡的微生物殘?bào)w以及由干濕交替循環(huán)引起的土壤團(tuán)聚體裂解而暴露出有機(jī)質(zhì)的礦化量[25-27]，迅速增加了土壤CO2排放速率，因此出現(xiàn)干濕交替過(guò)程中的土壤CO2排放速率的最高值。而SD處理下的土壤CO2排放速率的最高值大約落后MD處理4 d，可能由于SD處理下的土壤比MD處理下的更加干燥，所以SD處理可能造成了更多的土壤微生物死亡[13,23-24]，當(dāng)再濕潤(rùn)時(shí)，在SD處理中微生物的數(shù)量要達(dá)到原來(lái)微生物的活性和數(shù)量水平，可能就要比MD處理花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間(本文4 d左右)。從干濕交替強(qiáng)度對(duì)土壤CO2排放速率的影響來(lái)看，SD處理下的土壤CO2排放速率的最高值要大于MD處理，這個(gè)結(jié)果與Liu等[28]的結(jié)論非常相似，再濕潤(rùn)前土壤含水量越低，再濕潤(rùn)時(shí)對(duì)土壤CO2排放速率的影響越大。

在本文中，SD處理下的第1次循環(huán)與其余3次循環(huán)相比，土壤CO2排放速率的最高值都小于其余3次土壤CO2排放速率的最高值(圖3)，在Zhang等[23]的研究中也出現(xiàn)類似結(jié)果，而本文MD處理卻沒(méi)有出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。可能在SD處理中，第1次循環(huán)時(shí)的土壤與其他處理(MD)相比較干燥，其次，也可能土壤微生物沒(méi)有適應(yīng)這樣的環(huán)境以及在干旱期引起土壤微生物大量死亡，而在后面3次循環(huán)中的土壤微生物大部分可能適應(yīng)了這樣環(huán)境[23-24]，因此在SD處理中，在第1次循環(huán)就出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

3.3干濕交替循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤CO2排放速率的影響

隨著干濕交替循環(huán)次數(shù)的增加，對(duì)SD和MD處理下的土壤CO2排放速率的最低值和最高值的影響顯著降低的趨勢(shì)(表1)。但SD和MD處理下的第3,4次循環(huán)土壤CO2排放速率的最高值之間無(wú)顯著性差異。原因可能是，經(jīng)歷幾次這樣的循環(huán)過(guò)程，使微生物改變了自己的生理狀態(tài)，讓它們慢慢適應(yīng)了這種干濕交替循環(huán)過(guò)程[21,24]。也可能是土壤微生物通過(guò)改變它們的滲透勢(shì)來(lái)抵御這種干濕交替循環(huán)過(guò)程。其次，本試驗(yàn)整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中沒(méi)有外來(lái)碳源的進(jìn)入，也可能使土壤微生物處于底物缺乏狀態(tài)[29]。而SD和MD處理下的第3,4次循環(huán)中，土壤CO2排放速率的最低值之間顯著性差異變化趨勢(shì)不一致。原因可能是，在干旱期間微生物會(huì)失去了降解復(fù)雜化合物的能力，而微生物在土壤水分含量適合的條件下，在一定程度上可以維持這種能力[12,27]，因此在MD處理中，第3,4次循環(huán)之間的土壤CO2排放速率的最低值差異性顯著。雖然本文沒(méi)有對(duì)微生物的量和活性進(jìn)行研究，但從表1可以看出，在SD和MD處理中，第3,4次循環(huán)對(duì)土壤CO2排放速率的最高值之間已無(wú)顯著性差異。說(shuō)明土壤微生物可能已經(jīng)適應(yīng)了這樣的環(huán)境，以上這些研究結(jié)果可能是干濕交替循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤CO2排放速率的最低值和最高值影響降低的原因，有待于進(jìn)一步研究。

3.4干濕交替對(duì)土壤CO2累積排放量的影響

多次干濕交替循環(huán)后，土壤CO2累積排放量顯著低于恒濕處理(圖4)，這個(gè)結(jié)論與部分學(xué)者的研究結(jié)果一致[12-13]。本文發(fā)現(xiàn)，在干濕交替過(guò)程中，濕潤(rùn)期不但沒(méi)有出現(xiàn)土壤CO2排放速率的激增，反而降低了土壤CO2排放速率。只有在干燥期出現(xiàn)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間段的土壤CO2排放速率持續(xù)增加，但彌補(bǔ)不了濕潤(rùn)期和干旱期造成的土壤CO2排放速率的低值。從干旱強(qiáng)度來(lái)看，土壤CO2累積排放量隨干旱強(qiáng)度的增加而減少。干旱時(shí)期土壤可以大大減少土壤CO2的排放，這與王苑等[13]研究結(jié)果是相似的。

4結(jié) 論

(1) 與60%WFPS處理相比，40%WFPS處理對(duì)土壤CO2排放起到了抑制作用，而80%WFPS處理對(duì)土壤CO2排放速率的影響不大。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，土壤CO2累積排放量隨WFPS值的增大而增大，但60%WFPS和80%WFPS處理之間土壤CO2累積排放量無(wú)顯著性差異。

(2) 與恒濕處理相比較，干濕交替過(guò)程中，土壤CO2排放速率的動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)為先下降后上升再下降的規(guī)律。多次干濕交替循環(huán)后，土壤CO2累積排放量顯著低于恒濕處理。在不同干旱強(qiáng)度處理中，SD處理對(duì)土壤CO2排放速率造成的變化幅度顯著大于MD處理，但多次干濕交替循環(huán)后，SD處理下的土壤CO2累積排放量卻顯著小于MD處理的。隨干濕交替循環(huán)次數(shù)的增加，對(duì)土壤CO2排放速率的影響幅度顯著降低。干濕交替能降低土壤CO2排放量，降低量隨干旱強(qiáng)度的增大而增大。

(3) 本文以新疆綠洲農(nóng)田為研究對(duì)象，分析了灌溉對(duì)CO2的影響，但僅僅只是進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，沒(méi)有在大田中進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)，在以后的研究工作中，將結(jié)合大田試驗(yàn)，驗(yàn)證該結(jié)論，進(jìn)一步剖析該過(guò)程機(jī)理，并討論其尺度特征。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Jia Bingrui, Zhou G, Wang Yanqin, et al. Effects of temperature and soil water-content on soil respiration of grazed and ungrazedLeymuschinensissteppes, Inner Mongolia[J]. Journal of Arid Environments, 2006,67(1):60-76.

[2]Raich J W, Schlesinger W H. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J]. Tellus B, 1992,44(2):81-99.

[3]Raich J W, Potter C S, Bhagawati D. Interannual variability in global soil respiration, 1980—1994[J]. Global Change Biology, 2002,8(8):800-812.

[4]曹興,陳榮毅,季楓,等.干旱區(qū)綠洲棉田土壤CO2通量變化特征及溫濕度影響分析[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,28(8):199-207.

[5]謝靜霞,翟翠霞,李彥.鹽生荒漠與綠洲農(nóng)田土壤CO2通量的對(duì)比研究[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2008,18(3):262-268.

[6]趙志敏,趙成義.塔里木河流域干旱區(qū)棉田土壤呼吸的溫度敏感性研究[J].冰川凍土,2012,34(1):169-176.

[7]Yu Yongxiang, Zhao Chengyi, Zhao Zhiming, et al. Soil respiration and the contribution of root respiration of cotton(GossypiumhirsutumL.) in arid region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015,35(3):17-21.

[8]俞永祥,趙成義,賈宏濤,等.覆膜對(duì)綠洲棉田土壤CO2通量和CO2濃度的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26(1):155-160.

[9]Xiang Shurong, Doyle A, Holden P A, et al. Drying and rewetting effects on C and N mineralization and microbial activity in surface and subsurface California grassland soils[J].Soil Biology and Biochemistry, 2008,40(9):2281-2289.

[10]Unger S, Máguas C, Pereira J S, et al. Interpreting post-drought rewetting effects on soil and ecosystem carbon dynamics in a Mediterranean oak savannah[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2012,154(2):9-18.

[11]Miller A E, Schimel J P, Meixner T, et al. Episodic rewetting enhances carbon and nitrogen release from chaparral soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005,37(12):2195-2204.

[12]Mikha M M, Rice C W, Milliken G A. Carbon and nitrogen mineralization as affected by drying and wetting cycles[J].Soil Biology and Biochemistry, 2005,37(2):339-347.

[13]王苑,宋新山,王君,等.干濕交替對(duì)土壤碳庫(kù)和有機(jī)碳礦化的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2014(2):342-350.

[14]Kruse J S, Kissel D E, Cabrera M L. Effects of drying and rewetting on carbon and nitrogen mineralization in soils and incorporated residues[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2004,69(3):247-256.

[15]Yu Yongxiang, Zhao Chengyi, Jia Hongtao. Ability of split urea applications to reduce nitrous oxide emissions: A laboratory incubation experiment[J]. Applied Soil Ecology, 2016,100(4):75-80.

[16]鄧東周,范志平,王紅,等.土壤水分對(duì)土壤呼吸的影響[J].林業(yè)科學(xué)研究,2009,22(5):722-727.

[17]Linn D M, Doran J W. Effect of water-filled pore space on carbon dioxide and nitrous oxide production in tilled and nontilled soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1984,48(6):1267-1272.

[18]陳全勝,李凌浩,韓興國(guó),等.水分對(duì)土壤呼吸的影響及機(jī)理[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2003,23(5):972-978.

[19]Ding Weixin, Meng Lei, Yin Yunfeng, et al. CO2emission in an intensively cultivated loam as affected by long-term application of organic manure and nitrogen fertilizer[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2007,39(2):669-679.

[20]Franzluebbers K, Weaver R W, Juo A S R, et al. Carbon and nitrogen mineralization from cowpea plants part decomposing in moist and in repeatedly dried and wetted soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1994,26(10):1379-1387.

[21]Griffin D M. Water potential as a selective factor in the microbial ecology of soils[M]∥Water Potential Relations in Soil Microbiology. Soil Science Society of America, 1981:141-151.

[22]Sommers L E, Gilmour C M, Wildung R E, et al. The effect of water potential on decomposition processes in soils[M]∥Water Potential Relations in Soil Microbiology. Soil Science Society of America, 1981:97-117.

[23]Zhang B, Yao S H, Hu F. Microbial biomass dynamics and soil wettability as affected by the intensity and frequency of wetting and drying during straw decomposition[J]. European Journal of Soil Science, 2007,58(6):1482-1492.

[24]Muhr J, Goldberg S D, Borken W, et al. Repeated drying-rewetting cycles and their effects on the emission of CO2, N2O, NO, and CH4 in a forest soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2008,171(5):719-728.

[25]Denef K, Six J, Bossuyt H, et al. Influence of dry-wet cycles on the interrelationship between aggregate, particulate organic matter, and microbial community dynamics[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2001,33(12):1599-1611.

[26]Van Gestel M, Ladd J N, Amato M. Carbon and nitrogen mineralization from two soils of contrasting texture and microaggregate stability: Influence of sequential fumigation, drying and storage[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1991,23(4):313-322.

[27]Van Gestel M, Merckx R, Vlassak K. Microbial biomass responses to soil drying and rewetting: The fate of fast-and slow-growing microorganisms in soils from different climates[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1993,25(1):109-123.

[28]Liu Xiaozhong, Wan S Q, Su Bo, et al. Response of soil CO2efflux to water manipulation in a tallgrass prairie ecosystem[J]. Plant & Soil, 2002,240(2):213-223.

[29]戴萬(wàn)宏,王益權(quán),黃耀,等.干燥和重新濕潤(rùn)過(guò)程引起土壤CO2激發(fā)釋放的模擬研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2004,23(2):318-322.

收稿日期：2015-03-26修回日期：2015-06-16

通訊作者：趙成義(1966—),男(漢族),新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯縣人,博士,主要從事干旱區(qū)流域水文生態(tài)學(xué)理論及應(yīng)用,水文與生態(tài)過(guò)程模擬,農(nóng)田水利,區(qū)域土壤水鹽運(yùn)動(dòng)及水碳耦合過(guò)程與模擬,區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演變與評(píng)價(jià)等方面的研究。E-mail:zcy@ms.xjb.ac.cn。

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0074-07

中圖分類號(hào)：S152.7

Effects of Alternate Drying and Wetting on Soil CO2Emissions in Oasis Farmland of Xinjiang Region

NIU Baicheng1,2, ZHAO Chengyi1, FENG Guanglong1, TANG Gangliang1,2

(1.StateLaboratoryofOasisEcologyandDesertEnvironment,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi,Xinjiang830011,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：[Objective] To evaluate the effects of soil water change and alternate drying and wetting on soil CO2 emissions in order to provide basis for soil carbon cycle in oasis farmland. [Methods] Soil samples were taken from oasis farmland in Xinjiang region, which was used for incubation experiment in laboratory. CO2 concentration was analyzed by meteorological chromatograph. [Results] (1) Compared with 60% WFPS(water filling soil porosity), 40% WFPS had a significant inhibiting effect on soil CO2 emissions(p<0.05), while 80% WFPS was no significant influence on soil CO2 emissions(p<0.05). At the end of the experiment, compared with 60% WFPS , accumulation of soil CO2 emissions of 40% WFPS was reduced by 26%(p<0.05), while accumulation of soil CO2 emissions of 80% WFPS was increased by 0.04%(p>0.05). (2) After multiple wet dry cycling, soil CO2 accumulative emissions under alternate drying and wetting condition was significant lower than that of constant moisture treatment(p<0.05). Under different drought intensity, the effect of severe drought on soil CO2 emission rate was higher than that of the moderate drought. But after multiple wet dry cycling, the effect of severe drought on the accumulation of soil CO2 emissions was lower than that of moderate drought(p<0.05). With the increased of drying and wetting alternation, the effects on soil CO2 emission rate was reduced significantly, especially for maximum soil CO2 emission rate. [Conclusion] Drying and wetting alternation can reduce soil CO2 emissions, and the amount of reduction increases with the increasing of drought intensity in Xinjiang oasis soil.

Keywords:oasis farmland; soil moisture; drying and wetting alternation; soil CO2 emissions.

資助項(xiàng)目：中德科學(xué)基金研究交流中心項(xiàng)目“塔里木盆地綠洲棉田土壤固碳研究”(GZ867)

第一作者：牛百成(1987—),男(漢族),甘肅省會(huì)寧市人,在讀碩士,主要從事農(nóng)田土壤碳循環(huán)研究。E-mail:niubch@foxmail.com。