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]。農田生態系統土壤CO2排放是陸地生態系統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，合理開發和利用微咸水是解決干旱地區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境產生影響，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日排放規律對土壤固碳減排具有重要意義。

【研究現狀】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]研究發現，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，灌溉作為農業生產活動中重要管理措施，對農田生態系統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，淡水資源短缺，利用微咸水灌溉的農業實踐經驗豐富，但長期微咸水灌溉會導致土壤鹽分積累嚴重，土壤質量下降，更會對土壤溫室氣體排放產生重要影響。

【切入點】現階段灌溉對土壤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。【擬解決的關鍵問題】為此，以南疆地區膜下滴灌棉田為研究對象進行田間試驗，采用4 種水質，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變化和CO2氣體日排放特征影響，以期為南疆地區節水灌溉和固碳減排提供參考依據。

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水灌溉試驗基地進行。試驗區地處東經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壤土，黏粒質量分數、粉粒質量分數、砂粒質量分數分別為3.40%、32.95%和63.65%，土壤體積質量為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。小區面積7.0 m2（3.5 m×2.0 m），各小區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，共監測2 個灌水周期。利用靜態箱對土壤CO2氣體進行原位采集，靜態箱分為頂箱和底座2 個部分，材質為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）。箱內頂部布置1 個風扇用于將箱內氣體混合均勻，箱內設有溫度計插槽用于觀測箱內氣體溫度變化，箱外布設有2 cm 厚的泡沫板和膠帶防止采樣時箱內氣體溫度升高過快。底座提前安放在各試驗小區行與行的中間，每個小區1 個底座，每次采集氣體時向底座凹槽內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；t為采樣時間（d）。

1.3.2 土壤理化性質測定

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 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2021 處理數據，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2 次，均出現在灌水施肥后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 箱內氣體溫度與土壤溫度

圖4 為不同處理箱內氣體溫度及土壤溫度變化。由圖4 可知，不同處理下箱內氣體溫度均高于土壤溫度，箱內氣體溫度與土壤溫度的動態變化趨勢整體保持一致。試驗期間CK 的箱內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，箱內氣體溫度和土壤溫度存在一定正相關關系，相關系數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為P4S3 處理最大，CK 最小，且灌水后這種現象最為明顯。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變化規律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。當礦化度為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現，不同處理對土壤CO2排放通量影響表現為淡水＞微咸水≥咸水。這都與本研究結果一致。本試驗發現，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調對CO2排放通量產生影響[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。本研究發現，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，可為該地區合理利用微咸水灌溉、節約淡水資源、保護農田生態環境提供理論參考。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）