旱改水型農田整治對土壤碳排放的短期影響

陳 浮,李肖肖,馬 靜,于昊辰,楊永均,王藝霏

1 中國礦業大學礦山生態修復教育部工程研究中心,徐州 221116 2 中國礦業大學低碳能源研究院,徐州 221008 3 上海交通大學農業與生物學院,上海 200240

土壤是陸地生態系統碳庫的重要組成部分[1-2],其微小波動可能誘發全球碳循環巨變。土地利用變化驅動著全球變化及生態系統碳循環[3- 4],不同土地利用方式轉換下土壤有機碳動態是碳循環的關鍵環節[5],一直倍受關注[6- 7]。農業約占全球碳排放量的1/4,從源頭上控制和減少碳排放是最佳途徑,對全球碳減排意義重大[8]。中國是人口第一大國,也是重要的農業大國,農業碳排放高達數億t[9]。如何既保障國家糧食安全,又滿足碳減排對中國未來實現碳中和目標至關重要[10]。

土地整治是提升農田生產力的重要手段[11],尤其是增加灌溉設施,即旱改水型農田整治[12- 14]。近幾年,為滿足日益增長的糧食需求和認真貫徹落實“占優補優、占水田補水田”新政策要求,我國許多地方開展了大范圍的旱改水型農田整治工程,尤其是華北、東北地區[14- 15]。盡管科學合理的土地利用和管理方式可重新固定了60%—70%已耗損的碳[4],但土地利用轉換勢必對農田生態系統格局和服務產生了更為復雜的影響[5],土壤碳庫表現出明顯的區域差異和復雜的時空變化[16]。丁金枝等研究表明,合理的土地整治措施可將土壤表層有機碳含量提高4%—27%[17],但也有學者發現土地整治后土壤有機碳含量總體呈下降趨勢,降幅為17.5% —55.8%[16,18]。馬原等研究發現土壤有機碳含量在旱改水整治后出現先降后升趨勢,短期內會出現區域性不平衡現象,其穩定性隨水稻種植年限延長、土層加深而增強[19]。大規模的農田旱改水轉變不可避免地影響了土壤碳儲量[5,20],且水田被認為是重要的溫室氣體排放源[21],對全球氣候有著重要的威脅[20]。此外,旱地-水田轉化因地面覆蓋狀況差異會對區域氣候特征和區域生態服務產生潛在影響[14]。不同農田管理方式通過改變土壤環境因子引起土壤微生物結構功能及分子網絡的相應變化[13,22]。Hopkins等[23]對土壤有機質分解的定量研究表明,土壤58%—90%的碳通量通過微生物分解作用產生。由此可見,大規模實施旱改水必將改變局部乃至大區域農田土壤環境,影響土壤的物理性狀、化學性質及其生物學過程,進而直接或間接地影響農田生態系統碳氮循環及CO2、CH4等溫室氣體排放。

土地利用轉換的碳效應一直倍受關注[3,5],旱改水型整治必定影響長期旱作農田土壤生態環境的穩定性已是不爭的事實[13- 15]。然而,人們對旱改水整治過程中微觀環境的變化規律、土壤碳通量動態及其與環境因子間互饋機制認知匱乏。旱改水型整治在提升糧食生產潛力的同時,對農田土壤碳通量產生什么影響？是否有助于提升農田土壤固碳能力？碳通量與環境因子的互作機制如何？這些問題均亟待研究。為此,本研究采用大田實驗,利用LI- 8100開路式土壤碳通量測試儀監測旱地與水田的土壤碳通量動態變化,分析土壤有機碳組成特征,并基于結構方程模型揭示土壤碳通量特征與環境因子之間的交互關系,旨在為土地整治、農田管理和低碳農業發展等提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區和實驗設計

本研究旱改水大田實驗位于中國礦業大學南湖校區土地科學研究中心,屬暖溫帶半濕潤季風氣候,年均氣溫14.1 ℃,年均降水量841.2 mm。該區傳統種植結構為一年二熟的小麥-玉米輪作,土壤類型主要為褐潮土,長期以來受鹽漬化、田塊破碎等影響。為改善灌溉條件和增強農業生產穩定性,該區域周邊農田近幾年已推廣旱改水整治。

該實驗田從2011年起已連續種植小麥-玉米8年。2019年6月1日,設立了不相鄰的二組各6塊15 m×20 m格田：一組繼續種植玉米(Dry land, DL),品種為農華101;另一組先淹水浸泡5d再移栽水稻(Paddy field, PF),品種為無育梗31。為防止相互滲水,兩組格田間設1.2 m防滲溝。水稻生長期按當地農業用水定額425 m3進行淺水灌溉。

1.2 土壤樣品采集與分析

2019年11月6日,采用隨機五點法采集0—20 cm表土混合樣約1000 g,二組每個格田采集5個,總共60個土壤樣品,分別記為DL和PF。土壤樣品采用無菌的Ziploc袋包裝,密封后立刻帶回實驗室。土壤樣品分兩部分處理：①在室內自然風干后剔除石礫、動植物殘體,磨碎過2 mm篩,用于土壤基本理化性質的測定。測定采用常規方法[24],具體理化性狀見表1。②新鮮土壤樣品直接用于生物多樣性分析。采用高通量測序技術分別對土壤細菌16S rRNA和標準真菌ITS測定,在Galaxy平臺(http//:mem.rcees.ac.cn.8080/)計算Alpha多樣性指數[15]。

選取土壤總有機碳(Soil total organic carbon, TOC)、可溶性有機碳(Dissolved organic carbon, DOC)、微生物量碳(Microbial biomass carbon, MBC)、易氧化有機碳(Easily oxidized organic carbon, EOC)和惰性有機碳(Resistant organic carbon, ROC)等土壤碳庫指標,并分別測定。其中,土壤有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定,可溶性有機碳采用TOC自動分析法(艾力蒙塔,Vario TOC,德國),微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法,易氧化有機碳采用333 mmol/LKMnO4氧化法[25]。土壤惰性有機碳測定采用鹽酸水解法[26],同一土樣相同指標測試3次,計算其平均值。

表1 旱改水整治前后土壤基本理化性狀描述性統計

1.3 土壤碳通量監測

旱地和水田土壤碳通量監測采用LI- 8100開路式土壤碳通量測試儀,2019年9月18—24日在DL和PF內選取適合點位,測定前24小時隨機放置2—3個PVC環,確保PVC環嵌入土壤后露出地面3—4 cm,環內無活體植物,土壤凋落物保持原狀。同時,利用LI- 8100自帶的溫度探針和土壤水分探針,同步測定PVC環附近深度為3—5 cm處的土壤溫度和土壤含水量。

1.4 碳庫管理指數計算

碳庫管理指數用于反映農田不同土地利用方式下土壤質量的變化[25]。以實驗田周邊無人為管理措施(即不種植農作物)土壤碳庫活度(A)和總有機碳(TOC)含量的平均值作為參考土壤的 A、TOC,計算旱地和水田土壤的CPMI,具體公式如下：

A=EOC(g/kg)/|TOC(g/kg)-EOC(g/kg)|

AI=A/Ar

CPI=TOC(g/kg)/TOCr(g/kg)

CPMI=CPI×AI×100

式中,A：碳庫活度;Ar：參考土壤碳庫活度;AI：碳庫活度指數;CPI：碳庫指數;TOC：土壤總有機碳;TOCr：參考土壤總有機碳;CPMI：碳庫管理指數。

1.5 結構方程模型構建

結構方程模型(Structural Equation Model,SEM)是一種基于變量的協方差矩陣來分析變量之間關系的方法,可同時處理分析多個變量。土壤碳通量的變化具有高度復雜性,傳統的多元回歸方法難以滿足分析需求。本研究選取土壤水分、溫度、土壤理化、微生物OTU數、土壤碳庫等5個指標作為結構方程模型的觀測變量,借助Amos 7.0軟件進行SEM擬合分析,探究旱改水型農田整治后土壤碳通量、碳庫與土壤環境因子變量之間關系。

1.6 數據統計與處理

采用SPSS 20.0 軟件(IBM,美國)做方差分析(ANOVA)與Pearson相關分析。用R-project(MathSoft,美國)進行相關分析。用Origin 9.0軟件(Origin Lab,美國)繪制土壤碳通量、溫度、水分變化趨勢圖。

2 結果與分析

2.1 旱改水型農田整治對土壤碳通量動態變化的影響

圖1 7日內不同時刻旱地和水田土壤碳通量、溫度和水分的變化Fig.1 Changes of soil carbon flux, temperature and moisture in dry land (DL) and paddy field (PF) within seven days

從LI- 8100讀取測定值,計算不同時點DL與PF土壤碳通量及標準差(圖1)。結果表明：DL和PF土壤碳通量均為晝高夜低的單峰型曲線,峰值分別為3.26、3.56 μmol m-2s-1,PF平均值略高于DL。自每日9:00起土壤碳通量快速上升,11:00—14:00達到峰值,隨后快速下降,19：00后下降速率減緩,該變化趨勢與溫度極為相似。DL和PF土壤碳通量日際間存在差異,日變幅分別為39.43%、42.42%,日變化差異顯著(P<0.05)。由此可見,旱改水整治后一定程度上增加了土壤碳排放。

2.2 旱改水型農田整治對土壤碳庫組成的影響

從圖2可知：旱改水型整治后土壤有機碳含量顯著降低(P<0.05),碳庫各指標標準差減小,土壤碳庫相對均一。土壤活性有機碳呈顯著減低水平(P<0.05),微生物量碳、易氧化有機碳降幅分別為28.50%、29.09%,呈極顯著性差異(P<0.01)。但水旱條件改變幾乎不影響土壤惰性有機碳含量。旱地較水田碳庫管理指數變化幅度大,離散程度也相對較大,旱改水后CPMI平均降幅高達11.65%,呈顯著差異水平。該結果在一定程度上證實了旱改水整治后短期內土壤肥力降低,不利于農田土壤質量改善。

圖2 旱改水型農田整治前后土壤碳庫組成特征變化Fig.2 Contents characteristics of soil carbon pool in dry land (DL) and paddy field (PF)DOC：可溶性有機碳 Dissolved organic carbon;MBC：微生物量碳 Microbial biomass carbon;EOC：易氧化有機碳 Easily oxidized organic carbon;ROC：惰性有機碳 Resistant organic carbon;A：碳庫活度Carbon pool activity;AI：碳庫活度指數 Carbon pool activity index;CPI：碳庫指數 Carbon pool index;CPMI：碳庫管理指數 Carbon pool management index

2.3 不同水旱條件下土壤碳通量變化的主控因子

2.3.1溫度和水分條件對土壤碳通量變化的影響

利用線性回歸方程模型擬合土壤碳通量對土壤溫度、水分的響應,結果如圖3所示。從顯著性水平(P<0.001)和決定系數(R2)看,土壤溫度和水分是影響碳通量變化的重要環境因子,土壤碳通量與溫度、水分呈顯著性正相關和顯著性負相關關系。相比旱地,水田含水量對土壤碳通量敏感性較弱,且水分與碳通量回歸模型離散程度大。土壤溫度的影響貢獻度高于土壤含水量,二者共同作用于土壤碳通量變化。但土壤溫度、水分與碳通量的相關系數又明顯不同,這表明由旱改水型農田整治導致土壤物理條件變化對碳通量變化異常敏感。此外,淹水狀態短期內對土壤微生物等產生脅迫,加劇了土壤呼吸的不穩定性,從而降低了土壤水分與碳通量之間相關性。

圖3 溫度和水分條件對土壤碳通量變化的影響Fig.3 Effects of soil temperature and moisture on the soil CO2 flux

2.3.2不同環境因子對土壤碳通量變化的貢獻

由圖4可知,農田土壤碳庫與pH、有機質、硝態氮、氨態氮、水分含量、微生物Shannon指數等多個指標均呈極顯著正相關關系,與土壤EC、溫度呈顯著負相關關系(P<0.05),這表明旱改水整治后土壤碳庫受多重因子抑制。土壤碳通量則與土壤EC、溫度呈極顯著正相關關系,與pH、有機質、水分含量等呈顯著負相關關系(P<0.05)。旱改水前后土壤環境因子與土壤碳通量之間相關性存在著差異,均以旱地的相關系數較大。從單個指標來看,旱地和水田土壤碳通量均與EC、有機質、硝態氮和溫度存在顯著相關性,但二者的相關系數又明顯不同,如旱地和水田土壤硝態氮與碳通量相關系數為0.86和0.58,這一方面說明土壤碳通量對環境因子變化較為敏感,硝態氮是影響碳通量的重要因素;另一方面也說明旱改水整治后短期的淹水脅迫減低了土壤環境因子與碳通量之間相互作用。

圖4 土壤環境因子與土壤碳庫、碳通量之間的相關關系Fig.4 The correlation between soil environmental factors and soil carbon pool index, soil carbon fluxBON：細菌 OTU 數 Bacterial OTU numbers;FON：真菌 OTU 數 Fungus OTU numbers;BSI：細菌Shannon指數 Bacterial Shannon index;FSI：真菌Shannon指數 Fungus Shannon index;上(左)圖為旱地,下(右)圖為水田

為厘清各環境因子的貢獻,引入結構方程模型分析旱地、水田各環境因子與土壤碳通量的相互關系(圖5),二者模型結構具有相似性。土壤水分含量直接導致土壤溫度、理化性狀(pH、EC、有機質、銨態氮、硝態氮)的改變,旱地和水田路徑系數分別為-0.76、-0.26和-0.92、-0.18,一方面水分條件影響著土壤保溫保熵,另一方面短期淹水脅迫在一定程度上也影響著土壤養分的調節與分配。土壤碳庫主要受到土壤水分、溫度、理化因素直接或間接的影響。土壤水分含量、微生物OTU數對碳通量作了積極貢獻,其中微生物OTU數主要受土壤理化和溫度的調控。旱地、水田土壤碳庫指標對CO2通量的路徑系數分別高達0.84、0.68,呈非常顯著負相關(P<0.001),在未來農田土壤CO2減排過程中應重點關注土壤碳庫這一觀測變量。

圖5 旱改水型整治中不同途徑影響碳通量的結構方程模型Fig.5 The structural equation model (SEM) of dryland-to-paddy conversion affecting soil carbon flux through different ways土壤理化為土壤pH、EC、有機質、銨態氮、硝態氮(絕對含量)PAC分析第一軸的指標因子,旱地、水田解釋度分別為89.5%、98.1%;微生物OTU數為細菌OTU數、真菌OTU數(絕對含量)PAC分析第一軸的指標因子,旱地、水田解釋度分別為100%、100%,土壤碳庫為可溶性有機碳、微生物量碳、易氧化有機碳、惰性有機碳、土壤總有機碳(絕對含量)PAC分析第一軸的指標因子,旱地、水田解釋度分別為99.3%、99.5%。箭頭上的數值代表標準通經系數,箭頭粗細代表相關性高低;紅色箭頭表示顯著正相關(P<0.05),綠色箭頭表示顯著負相關(P<0.05),虛線箭頭表示無顯著影響,R2值表示通經解釋度

3 討論

3.1 旱改水型農田整治對土壤碳排放的影響

雨養農業轉向灌溉農業可有效增加糧食生產能力[12],但極易改變區域農業生產結構、地表覆被和下墊面性狀[14],對農田生態系統碳排放產生深遠影響。本研究發現旱改水整治短期內增加了土壤CO2排放量。一方面,在土壤干濕交替情況下,亦會出現土壤呼吸 CO2通量短暫而急劇增大的激發效應[27-28]。Ruser等發現土壤由干變濕會增加土壤碳的有效性,而土壤呼吸消耗O2,導致土壤呼吸的顯著增加[29]。另一方面,植被覆蓋類型能夠影響土壤呼吸,大量研究表明稻田中產生更多溫室氣體[21,30],水稻根系分泌的有機物增加使地下的微生物的生命活動加劇,共同促進了CO2的排放[31]。因此,大規模旱改水型整治存在農業碳排放增加的風險。

土壤碳排放兼受生物因素和非生物因素的影響[32],一般認為在水分充足的情況下,溫度是主要限制因子,通過控制生物化學反應速率在CO2、N2O 排放中發揮關鍵作用[33-34];當水分供給不足時,溫度和濕度共同影響土壤 CO2排放[35]。本研究中,土壤溫度、含水量與土壤碳通量均存在顯著相關關系(P<0.001)。但“旱改水”后減弱了溫度、含水量與碳通量的相關系數R2(圖3)。這可能是由于淹水增加對土壤的擾動,從而使得土壤的原有結構被破壞,加劇了土壤呼吸的不穩定性,進而降低了土壤環境因子與碳通量之間相關性。土壤水分對碳通量的影響,不同土壤環境條件下亦有所差異。Holt 等[36]發現干旱條件下土壤水分與碳通量呈極顯著的正相關關系,而Kucera等[37]認為當土壤含水量低于永久萎蔫點時,隨著土壤水分增加,CO2排放量會降低。本研究中旱地和水田土壤碳通量與含水量均存在顯著負相關(P<0.001),這可能與本研究所處地區較為濕潤有關。土壤環境具有一定復雜性,碳通量不僅受溫度、水分影響,且受土壤理化、微生物、植被覆蓋等多因素調控, 農田CO2排放難以單用一個簡單方程來刻畫,要綜合考慮各因素的互饋作用機制。

3.2 旱改水后土壤碳通量的變化機制

旱改水型農田整治過程中土地平整、合并地塊、差異化田間管理措施等是推動土壤水熱條件、通氣狀況等微生態變化的重要因素[13-14]。水田和旱地是兩種截然不同的土地利用方式,二者在土壤有機碳周轉和保護、土壤微生物群落結構等方面差異懸殊[15,38],使得土壤有機碳的輸入及排放產生變化[39-40]。本研究發現,土壤水分、微生物OTU數、土壤碳庫對碳通量的排放速率的互作效應顯著。微生物呼吸作用是土壤碳排放的主要途徑[23],Pille等[41]發現土壤微生物學特性在一定程度上影響微生物生物量碳和微生物的呼吸作用。旱地、水田土壤理化性狀通過改變土壤微生物OTU數,進而影響碳通量變化。微生物對環境變化反應敏感[36],土壤pH、水分含量、有機質等理化因子對微生物群落結構和組成具有較大影響[21,39],筆者此前研究也表明,旱改水前后農田土壤環境條件的極大差異影響到微生物參與的土壤碳氮循環過程[13,15]。

先前的田間實驗表明,長期種植水稻有利于土壤有機碳固存,水田有機碳含量平均高出同一景觀的旱地10%以上[6,16]。但也有學者認為淹水可促進有機碳的降解,Ma等研究表明農田土壤淹水后有利于有機碳的礦化,淹水處理CO2的排放速率在15—60 d和60—180 d分別增加了188%和74%,土壤CO2排放量顯著增加[42],這與本研究結果相似。旱改水整治后短期內土壤有機碳和土壤碳庫管理指數均呈減少趨勢,我們判斷主要原因是干濕交替驅動了土壤有機碳在植物-土壤-微生物中重新分配,土壤也在呼吸釋放二氧化碳,減少有機碳的積累量。土壤碳庫兼受pH、硝態氮、溫度、微生物OTU數等多重環境因子影響。其中土壤硝態氮比與碳庫含量呈極顯著正相關(P<0.001),其原因可能是硝態氮與土壤消化、反消化過程關系密切,其變化會影響微生物對有機碳的分解速率[15]。

3.3 旱改水的不確定性

為應對耕地過快損失和維護糧食安全,近年來中國大規模開展旱改水型農田整治工程,導致華北、東北水田面積持續擴張[14]。灌溉農業大規模擴張的威脅包含二方面：一是地下水資源安全面臨嚴峻挑戰[34],二是地表蒸發加強導致夏季極端高溫氣候出現,加速全球氣候變化[43]。例如水田面積持續擴大,地下水位下降,導致華北平原現已成為世界上最大的地下降落水漏斗區[30]。農業灌溉大規模擴張,致使地表輻射、能量平衡發生變化,進而影響地表濕度和溫度。Kang和Eltahir 研究表明,華北平原灌溉農業大面積擴張,地表蒸發愈發強烈,地表輻射增強導致高溫熱浪頻發,將會在本世紀末不適宜人類生存[43]。

伴隨全球變化加劇,溫室氣體減排與低碳生產已成為各界關注的熱點[3,24]。一方面區域生態系統碳氮循環過程對土地利用方式、田間管理措施的響應程度存在差異[3,5],先前研究表明,農用地內部轉化也會造成大量的溫室氣體排放,如森林或草地轉變為耕地、旱田轉變為水田等[16]。另一方面稻田作為重要的溫室氣體排放源,產生大量的CO2、CH4、N2O嚴重威脅全球變化[44]。

當前我國農業正面臨資源約束與環境趨緊雙重壓力[30],本研究以持續田間監測數據為基礎,發現旱改水在短期內增加了土壤碳通量,旱改水整治在確保耕地占補平衡、維護糧食安全的同時,在溫室氣體排放等方面產生潛在的風險。綜合全國旱改水整治工程而言,本文僅對探究了黃淮海平原旱改水整治對土壤碳通量的短期影響。未來可在全國范圍內選取旱地改水田不同年限的農田土壤為研究對象,建立全國范圍旱改水整治土壤環境數據庫,深入探討旱改水整治農田土壤碳排放時空變化特征。同時兼顧作物產量、農田碳排放、生產資料等數據,定量測算生產單位標準糧旱地、水田投入產出間的關系,評估旱改水對農業碳排放的適應性。大面積旱改水帶來的農田碳循環機理的改變需引起足夠的重視,并持續關注旱改水型整治中碳排放的長期動態變化。作為農業大國,我國未來應推行農業減排政策、推廣兼顧生態與經濟的農業技術,以期積極應對全球變化影響。

4 結論

全面、系統地認識土地利用方式轉化過程中土壤碳通量變化至關重要。本研究利用田間模擬實驗、野外監測和室內實驗方法,探索旱改水型整治下土壤碳通量動態及碳庫組成特征及其驅動因子,取得如下主要結論：①“旱改水”整治短期內可增加土壤碳通量。旱地與水田的土壤碳通量和溫度的最大值均出現在13: 00前后,且土壤碳通量的日變幅分別為21.84%、15.02%。②旱改水短期內土壤有機碳下降,農田土壤可溶性有機碳、微生物量碳、易氧化有機碳、惰性有機碳、總有機碳和碳庫管理指數均減少,對土壤微生物量碳、易氧化有機碳影響較大,平均降幅分別達28.55%、29.09%。③土壤碳排放與環境因子顯著相關。旱改水整治引起的土壤含水量、微生物OTU、碳庫含量改變是導致土壤碳通量速率變化的主要原因(P<0.05),土壤溫度、理化性狀是制約碳庫的主控因素(P<0.05)。可見,旱改水型整治雖能落實耕地占補平衡、維護糧食安全,但同時可能造成農田碳排放壓力增大,故未來應引入土壤碳通量實時監測體系,以期實現農業低碳化發展、減緩全球氣候變化。