旱改水型農(nóng)田整治對(duì)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(guó)礦業(yè)大學(xué)礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心,徐州 221116 2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院,徐州 221008 3 上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院,上海 200240

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的重要組成部分[1-2],其微小波動(dòng)可能誘發(fā)全球碳循環(huán)巨變。土地利用變化驅(qū)動(dòng)著全球變化及生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[3- 4],不同土地利用方式轉(zhuǎn)換下土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)是碳循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5],一直倍受關(guān)注[6- 7]。農(nóng)業(yè)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(duì)全球碳減排意義重大[8]。中國(guó)是人口第一大國(guó),也是重要的農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)業(yè)碳排放高達(dá)數(shù)億t[9]。如何既保障國(guó)家糧食安全,又滿足碳減排對(duì)中國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)至關(guān)重要[10]。

土地整治是提升農(nóng)田生產(chǎn)力的重要手段[11],尤其是增加灌溉設(shè)施,即旱改水型農(nóng)田整治[12- 14]。近幾年,為滿足日益增長(zhǎng)的糧食需求和認(rèn)真貫徹落實(shí)“占優(yōu)補(bǔ)優(yōu)、占水田補(bǔ)水田”新政策要求,我國(guó)許多地方開展了大范圍的旱改水型農(nóng)田整治工程,尤其是華北、東北地區(qū)[14- 15]。盡管科學(xué)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(zhuǎn)換勢(shì)必對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)格局和服務(wù)產(chǎn)生了更為復(fù)雜的影響[5],土壤碳庫(kù)表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異和復(fù)雜的時(shí)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(jī)碳含量提高4%—27%[17],但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)土地整治后土壤有機(jī)碳含量總體呈下降趨勢(shì),降幅為17.5% —55.8%[16,18]。馬原等研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量在旱改水整治后出現(xiàn)先降后升趨勢(shì),短期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)區(qū)域性不平衡現(xiàn)象,其穩(wěn)定性隨水稻種植年限延長(zhǎng)、土層加深而增強(qiáng)[19]。大規(guī)模的農(nóng)田旱改水轉(zhuǎn)變不可避免地影響了土壤碳儲(chǔ)量[5,20],且水田被認(rèn)為是重要的溫室氣體排放源[21],對(duì)全球氣候有著重要的威脅[20]。此外,旱地-水田轉(zhuǎn)化因地面覆蓋狀況差異會(huì)對(duì)區(qū)域氣候特征和區(qū)域生態(tài)服務(wù)產(chǎn)生潛在影響[14]。不同農(nóng)田管理方式通過改變土壤環(huán)境因子引起土壤微生物結(jié)構(gòu)功能及分子網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)變化[13,22]。Hopkins等[23]對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)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(chǎn)生。由此可見,大規(guī)模實(shí)施旱改水必將改變局部乃至大區(qū)域農(nóng)田土壤環(huán)境,影響土壤的物理性狀、化學(xué)性質(zhì)及其生物學(xué)過程,進(jìn)而直接或間接地影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)及CO2、CH4等溫室氣體排放。

土地利用轉(zhuǎn)換的碳效應(yīng)一直倍受關(guān)注[3,5],旱改水型整治必定影響長(zhǎng)期旱作農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性已是不爭(zhēng)的事實(shí)[13- 15]。然而,人們對(duì)旱改水整治過程中微觀環(huán)境的變化規(guī)律、土壤碳通量動(dòng)態(tài)及其與環(huán)境因子間互饋機(jī)制認(rèn)知匱乏。旱改水型整治在提升糧食生產(chǎn)潛力的同時(shí),對(duì)農(nóng)田土壤碳通量產(chǎn)生什么影響？是否有助于提升農(nóng)田土壤固碳能力？碳通量與環(huán)境因子的互作機(jī)制如何？這些問題均亟待研究。為此,本研究采用大田實(shí)驗(yàn),利用LI- 8100開路式土壤碳通量測(cè)試儀監(jiān)測(cè)旱地與水田的土壤碳通量動(dòng)態(tài)變化,分析土壤有機(jī)碳組成特征,并基于結(jié)構(gòu)方程模型揭示土壤碳通量特征與環(huán)境因子之間的交互關(guān)系,旨在為土地整治、農(nóng)田管理和低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展等提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究旱改水大田實(shí)驗(yàn)位于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)土地科學(xué)研究中心,屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年均氣溫14.1 ℃,年均降水量841.2 mm。該區(qū)傳統(tǒng)種植結(jié)構(gòu)為一年二熟的小麥-玉米輪作,土壤類型主要為褐潮土,長(zhǎng)期以來(lái)受鹽漬化、田塊破碎等影響。為改善灌溉條件和增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性,該區(qū)域周邊農(nóng)田近幾年已推廣旱改水整治。

該實(shí)驗(yàn)田從2011年起已連續(xù)種植小麥-玉米8年。2019年6月1日,設(shè)立了不相鄰的二組各6塊15 m×20 m格田：一組繼續(xù)種植玉米(Dry land, DL),品種為農(nóng)華101;另一組先淹水浸泡5d再移栽水稻(Paddy field, PF),品種為無(wú)育梗31。為防止相互滲水,兩組格田間設(shè)1.2 m防滲溝。水稻生長(zhǎng)期按當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水定額425 m3進(jìn)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(jī)五點(diǎn)法采集0—20 cm表土混合樣約1000 g,二組每個(gè)格田采集5個(gè),總共60個(gè)土壤樣品,分別記為DL和PF。土壤樣品采用無(wú)菌的Ziploc袋包裝,密封后立刻帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品分兩部分處理：①在室內(nèi)自然風(fēng)干后剔除石礫、動(dòng)植物殘?bào)w,磨碎過2 mm篩,用于土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定。測(cè)定采用常規(guī)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(cè)序技術(shù)分別對(duì)土壤細(xì)菌16S rRNA和標(biāo)準(zhǔn)真菌ITS測(cè)定,在Galaxy平臺(tái)(http//:mem.rcees.ac.cn.8080/)計(jì)算Alpha多樣性指數(shù)[15]。

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

1.3 土壤碳通量監(jiān)測(cè)

旱地和水田土壤碳通量監(jiān)測(cè)采用LI- 8100開路式土壤碳通量測(cè)試儀,2019年9月18—24日在DL和PF內(nèi)選取適合點(diǎn)位,測(cè)定前24小時(shí)隨機(jī)放置2—3個(gè)PVC環(huán),確保PVC環(huán)嵌入土壤后露出地面3—4 cm,環(huán)內(nèi)無(wú)活體植物,土壤凋落物保持原狀。同時(shí),利用LI- 8100自帶的溫度探針和土壤水分探針,同步測(cè)定PVC環(huán)附近深度為3—5 cm處的土壤溫度和土壤含水量。

1.4 碳庫(kù)管理指數(shù)計(jì)算

碳庫(kù)管理指數(shù)用于反映農(nóng)田不同土地利用方式下土壤質(zhì)量的變化[25]。以實(shí)驗(yàn)田周邊無(wú)人為管理措施(即不種植農(nóng)作物)土壤碳庫(kù)活度(A)和總有機(jī)碳(TOC)含量的平均值作為參考土壤的 A、TOC,計(jì)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(kù)活度;Ar：參考土壤碳庫(kù)活度;AI：碳庫(kù)活度指數(shù);CPI：碳庫(kù)指數(shù);TOC：土壤總有機(jī)碳;TOCr：參考土壤總有機(jī)碳;CPMI：碳庫(kù)管理指數(shù)。

1.5 結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建

結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Model,SEM)是一種基于變量的協(xié)方差矩陣來(lái)分析變量之間關(guān)系的方法,可同時(shí)處理分析多個(gè)變量。土壤碳通量的變化具有高度復(fù)雜性,傳統(tǒng)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(shù)、土壤碳庫(kù)等5個(gè)指標(biāo)作為結(jié)構(gòu)方程模型的觀測(cè)變量,借助Amos 7.0軟件進(jìn)行SEM擬合分析,探究旱改水型農(nóng)田整治后土壤碳通量、碳庫(kù)與土壤環(huán)境因子變量之間關(guān)系。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

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

2 結(jié)果與分析

2.1 旱改水型農(nóng)田整治對(duì)土壤碳通量動(dòng)態(tài)變化的影響

圖1 7日內(nèi)不同時(shí)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(cè)定值,計(jì)算不同時(shí)點(diǎn)DL與PF土壤碳通量及標(biāo)準(zhǔn)差(圖1)。結(jié)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(dá)到峰值,隨后快速下降,19：00后下降速率減緩,該變化趨勢(shì)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(nóng)田整治對(duì)土壤碳庫(kù)組成的影響

從圖2可知：旱改水型整治后土壤有機(jī)碳含量顯著降低(P<0.05),碳庫(kù)各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差減小,土壤碳庫(kù)相對(duì)均一。土壤活性有機(jī)碳呈顯著減低水平(P<0.05),微生物量碳、易氧化有機(jī)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(jī)碳含量。旱地較水田碳庫(kù)管理指數(shù)變化幅度大,離散程度也相對(duì)較大,旱改水后CPMI平均降幅高達(dá)11.65%,呈顯著差異水平。該結(jié)果在一定程度上證實(shí)了旱改水整治后短期內(nèi)土壤肥力降低,不利于農(nóng)田土壤質(zhì)量改善。

圖2 旱改水型農(nóng)田整治前后土壤碳庫(kù)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(jī)碳 Dissolved organic carbon;MBC：微生物量碳 Microbial biomass carbon;EOC：易氧化有機(jī)碳 Easily oxidized organic carbon;ROC：惰性有機(jī)碳 Resistant organic carbon;A：碳庫(kù)活度Carbon pool activity;AI：碳庫(kù)活度指數(shù) Carbon pool activity index;CPI：碳庫(kù)指數(shù) Carbon pool index;CPMI：碳庫(kù)管理指數(shù) 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(duì)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(duì)土壤溫度、水分的響應(yīng),結(jié)果如圖3所示。從顯著性水平(P<0.001)和決定系數(shù)(R2)看,土壤溫度和水分是影響碳通量變化的重要環(huán)境因子,土壤碳通量與溫度、水分呈顯著性正相關(guān)和顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系。相比旱地,水田含水量對(duì)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(xiàn)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(guān)系數(shù)又明顯不同,這表明由旱改水型農(nóng)田整治導(dǎo)致土壤物理?xiàng)l件變化對(duì)碳通量變化異常敏感。此外,淹水狀態(tài)短期內(nèi)對(duì)土壤微生物等產(chǎn)生脅迫,加劇了土壤呼吸的不穩(wěn)定性,從而降低了土壤水分與碳通量之間相關(guān)性。

圖3 溫度和水分條件對(duì)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(huán)境因子對(duì)土壤碳通量變化的貢獻(xiàn)

由圖4可知,農(nóng)田土壤碳庫(kù)與pH、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、水分含量、微生物Shannon指數(shù)等多個(gè)指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤EC、溫度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),這表明旱改水整治后土壤碳庫(kù)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(guān)關(guān)系,與pH、有機(jī)質(zhì)、水分含量等呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。旱改水前后土壤環(huán)境因子與土壤碳通量之間相關(guān)性存在著差異,均以旱地的相關(guān)系數(shù)較大。從單個(gè)指標(biāo)來(lái)看,旱地和水田土壤碳通量均與EC、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮和溫度存在顯著相關(guān)性,但二者的相關(guān)系數(shù)又明顯不同,如旱地和水田土壤硝態(tài)氮與碳通量相關(guān)系數(shù)為0.86和0.58,這一方面說明土壤碳通量對(duì)環(huán)境因子變化較為敏感,硝態(tài)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(huán)境因子與碳通量之間相互作用。

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

為厘清各環(huán)境因子的貢獻(xiàn),引入結(jié)構(gòu)方程模型分析旱地、水田各環(huán)境因子與土壤碳通量的相互關(guān)系(圖5),二者模型結(jié)構(gòu)具有相似性。土壤水分含量直接導(dǎo)致土壤溫度、理化性狀(pH、EC、有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)的改變,旱地和水田路徑系數(shù)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(yǎng)分的調(diào)節(jié)與分配。土壤碳庫(kù)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(shù)對(duì)碳通量作了積極貢獻(xiàn),其中微生物OTU數(shù)主要受土壤理化和溫度的調(diào)控。旱地、水田土壤碳庫(kù)指標(biāo)對(duì)CO2通量的路徑系數(shù)分別高達(dá)0.84、0.68,呈非常顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001),在未來(lái)農(nóng)田土壤CO2減排過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注土壤碳庫(kù)這一觀測(cè)變量。

圖5 旱改水型整治中不同途徑影響碳通量的結(jié)構(gòu)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(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮(絕對(duì)含量)PAC分析第一軸的指標(biāo)因子,旱地、水田解釋度分別為89.5%、98.1%;微生物OTU數(shù)為細(xì)菌OTU數(shù)、真菌OTU數(shù)(絕對(duì)含量)PAC分析第一軸的指標(biāo)因子,旱地、水田解釋度分別為100%、100%,土壤碳庫(kù)為可溶性有機(jī)碳、微生物量碳、易氧化有機(jī)碳、惰性有機(jī)碳、土壤總有機(jī)碳(絕對(duì)含量)PAC分析第一軸的指標(biāo)因子,旱地、水田解釋度分別為99.3%、99.5%。箭頭上的數(shù)值代表標(biāo)準(zhǔn)通經(jīng)系數(shù),箭頭粗細(xì)代表相關(guān)性高低;紅色箭頭表示顯著正相關(guān)(P<0.05),綠色箭頭表示顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),虛線箭頭表示無(wú)顯著影響,R2值表示通經(jīng)解釋度

3 討論

3.1 旱改水型農(nóng)田整治對(duì)土壤碳排放的影響

雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)向灌溉農(nóng)業(yè)可有效增加糧食生產(chǎn)能力[12],但極易改變區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、地表覆被和下墊面性狀[14],對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本研究發(fā)現(xiàn)旱改水整治短期內(nèi)增加了土壤CO2排放量。一方面,在土壤干濕交替情況下,亦會(huì)出現(xiàn)土壤呼吸 CO2通量短暫而急劇增大的激發(fā)效應(yīng)[27-28]。Ruser等發(fā)現(xiàn)土壤由干變濕會(huì)增加土壤碳的有效性,而土壤呼吸消耗O2,導(dǎo)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(chǎn)生更多溫室氣體[21,30],水稻根系分泌的有機(jī)物增加使地下的微生物的生命活動(dòng)加劇,共同促進(jìn)了CO2的排放[31]。因此,大規(guī)模旱改水型整治存在農(nóng)業(yè)碳排放增加的風(fēng)險(xiǎn)。

土壤碳排放兼受生物因素和非生物因素的影響[32],一般認(rèn)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(xué)反應(yīng)速率在CO2、N2O 排放中發(fā)揮關(guān)鍵作用[33-34];當(dāng)水分供給不足時(shí),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(guān)關(guān)系(P<0.001)。但“旱改水”后減弱了溫度、含水量與碳通量的相關(guān)系數(shù)R2(圖3)。這可能是由于淹水增加對(duì)土壤的擾動(dòng),從而使得土壤的原有結(jié)構(gòu)被破壞,加劇了土壤呼吸的不穩(wěn)定性,進(jìn)而降低了土壤環(huán)境因子與碳通量之間相關(guān)性。土壤水分對(duì)碳通量的影響,不同土壤環(huán)境條件下亦有所差異。Holt 等[36]發(fā)現(xiàn)干旱條件下土壤水分與碳通量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,而Kucera等[37]認(rèn)為當(dāng)土壤含水量低于永久萎蔫點(diǎn)時(shí),隨著土壤水分增加,CO2排放量會(huì)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(fù)相關(guān)(P<0.001),這可能與本研究所處地區(qū)較為濕潤(rùn)有關(guān)。土壤環(huán)境具有一定復(fù)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(diào)控, 農(nóng)田CO2排放難以單用一個(gè)簡(jiǎn)單方程來(lái)刻畫,要綜合考慮各因素的互饋?zhàn)饔脵C(jī)制。

3.2 旱改水后土壤碳通量的變化機(jī)制

旱改水型農(nóng)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(dòng)土壤水熱條件、通氣狀況等微生態(tài)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(jī)碳周轉(zhuǎn)和保護(hù)、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等方面差異懸殊[15,38],使得土壤有機(jī)碳的輸入及排放產(chǎn)生變化[39-40]。本研究發(fā)現(xiàn),土壤水分、微生物OTU數(shù)、土壤碳庫(kù)對(duì)碳通量的排放速率的互作效應(yīng)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(fā)現(xiàn)土壤微生物學(xué)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(shù),進(jìn)而影響碳通量變化。微生物對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)敏感[36],土壤pH、水分含量、有機(jī)質(zhì)等理化因子對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)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(nóng)田土壤環(huán)境條件的極大差異影響到微生物參與的土壤碳氮循環(huán)過程[13,15]。

先前的田間實(shí)驗(yàn)表明,長(zhǎng)期種植水稻有利于土壤有機(jī)碳固存,水田有機(jī)碳含量平均高出同一景觀的旱地10%以上[6,16]。但也有學(xué)者認(rèn)為淹水可促進(jìn)有機(jī)碳的降解,Ma等研究表明農(nóng)田土壤淹水后有利于有機(jī)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(jié)果相似。旱改水整治后短期內(nèi)土壤有機(jī)碳和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)均呈減少趨勢(shì),我們判斷主要原因是干濕交替驅(qū)動(dòng)了土壤有機(jī)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(jī)碳的積累量。土壤碳庫(kù)兼受pH、硝態(tài)氮、溫度、微生物OTU數(shù)等多重環(huán)境因子影響。其中土壤硝態(tài)氮比與碳庫(kù)含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.001),其原因可能是硝態(tài)氮與土壤消化、反消化過程關(guān)系密切,其變化會(huì)影響微生物對(duì)有機(jī)碳的分解速率[15]。

3.3 旱改水的不確定性

為應(yīng)對(duì)耕地過快損失和維護(hù)糧食安全,近年來(lái)中國(guó)大規(guī)模開展旱改水型農(nóng)田整治工程,導(dǎo)致華北、東北水田面積持續(xù)擴(kuò)張[14]。灌溉農(nóng)業(yè)大規(guī)模擴(kuò)張的威脅包含二方面：一是地下水資源安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[34],二是地表蒸發(fā)加強(qiáng)導(dǎo)致夏季極端高溫氣候出現(xiàn),加速全球氣候變化[43]。例如水田面積持續(xù)擴(kuò)大,地下水位下降,導(dǎo)致華北平原現(xiàn)已成為世界上最大的地下降落水漏斗區(qū)[30]。農(nóng)業(yè)灌溉大規(guī)模擴(kuò)張,致使地表輻射、能量平衡發(fā)生變化,進(jìn)而影響地表濕度和溫度。Kang和Eltahir 研究表明,華北平原灌溉農(nóng)業(yè)大面積擴(kuò)張,地表蒸發(fā)愈發(fā)強(qiáng)烈,地表輻射增強(qiáng)導(dǎo)致高溫?zé)崂祟l發(fā),將會(huì)在本世紀(jì)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(chǎn)已成為各界關(guān)注的熱點(diǎn)[3,24]。一方面區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程對(duì)土地利用方式、田間管理措施的響應(yīng)程度存在差異[3,5],先前研究表明,農(nóng)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)化也會(huì)造成大量的溫室氣體排放,如森林或草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍⒑堤镛D(zhuǎn)變?yōu)樗锏萚16]。另一方面稻田作為重要的溫室氣體排放源,產(chǎn)生大量的CO2、CH4、N2O嚴(yán)重威脅全球變化[44]。

當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)正面臨資源約束與環(huán)境趨緊雙重壓力[30],本研究以持續(xù)田間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),發(fā)現(xiàn)旱改水在短期內(nèi)增加了土壤碳通量,旱改水整治在確保耕地占補(bǔ)平衡、維護(hù)糧食安全的同時(shí),在溫室氣體排放等方面產(chǎn)生潛在的風(fēng)險(xiǎn)。綜合全國(guó)旱改水整治工程而言,本文僅對(duì)探究了黃淮海平原旱改水整治對(duì)土壤碳通量的短期影響。未來(lái)可在全國(guó)范圍內(nèi)選取旱地改水田不同年限的農(nóng)田土壤為研究對(duì)象,建立全國(guó)范圍旱改水整治土壤環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù),深入探討旱改水整治農(nóng)田土壤碳排放時(shí)空變化特征。同時(shí)兼顧作物產(chǎn)量、農(nóng)田碳排放、生產(chǎn)資料等數(shù)據(jù),定量測(cè)算生產(chǎn)單位標(biāo)準(zhǔn)糧旱地、水田投入產(chǎn)出間的關(guān)系,評(píng)估旱改水對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放的適應(yīng)性。大面積旱改水帶來(lái)的農(nóng)田碳循環(huán)機(jī)理的改變需引起足夠的重視,并持續(xù)關(guān)注旱改水型整治中碳排放的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化。作為農(nóng)業(yè)大國(guó),我國(guó)未來(lái)應(yīng)推行農(nóng)業(yè)減排政策、推廣兼顧生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的農(nóng)業(yè)技術(shù),以期積極應(yīng)對(duì)全球變化影響。

4 結(jié)論

全面、系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)土地利用方式轉(zhuǎn)化過程中土壤碳通量變化至關(guān)重要。本研究利用田間模擬實(shí)驗(yàn)、野外監(jiān)測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法,探索旱改水型整治下土壤碳通量動(dòng)態(tài)及碳庫(kù)組成特征及其驅(qū)動(dòng)因子,取得如下主要結(jié)論：①“旱改水”整治短期內(nèi)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(xiàn)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(nèi)土壤有機(jī)碳下降,農(nóng)田土壤可溶性有機(jī)碳、微生物量碳、易氧化有機(jī)碳、惰性有機(jī)碳、總有機(jī)碳和碳庫(kù)管理指數(shù)均減少,對(duì)土壤微生物量碳、易氧化有機(jī)碳影響較大,平均降幅分別達(dá)28.55%、29.09%。③土壤碳排放與環(huán)境因子顯著相關(guān)。旱改水整治引起的土壤含水量、微生物OTU、碳庫(kù)含量改變是導(dǎo)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(kù)的主控因素(P<0.05)。可見,旱改水型整治雖能落實(shí)耕地占補(bǔ)平衡、維護(hù)糧食安全,但同時(shí)可能造成農(nóng)田碳排放壓力增大,故未來(lái)應(yīng)引入土壤碳通量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系,以期實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)低碳化發(fā)展、減緩全球氣候變化。