土壤呼吸在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支中扮演著重要的角色[1]，農(nóng)田作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其土壤呼吸的巨大時空變化影響區(qū)域乃至全球的碳循環(huán)[2]。農(nóng)田土壤呼吸對管理措施變化響應(yīng)十分敏感，灌溉便是對其影響較大的一項農(nóng)田管理措施。大量研究表明，灌溉方式、灌水量、灌水頻率、灌溉水質(zhì)以及灌溉本身均對土壤呼吸產(chǎn)生重要影響[3]。如在水分虧缺下，土壤呼吸隨著灌溉量的增大而增強，但過量灌溉會抑制土壤呼吸[4]。在同一水分條件下，交替灌溉方式夏玉米農(nóng)田土壤呼吸速率要高于常規(guī)灌溉[5]。已有灌溉對農(nóng)田土壤呼吸影響的研究主要針對旱作物，關(guān)于稻田的研究較少，已有研究分析了稻田土壤呼吸與水層深度及短期曬田的關(guān)系[6-8]，均是在淹水灌溉條件下進行的。20 世紀(jì) 90 年代以來，各種水稻節(jié)水灌溉技術(shù)得到大面積推廣應(yīng)用[9]，它們的一個共同點是在水稻某些生育期甚至絕大部分生育期內(nèi)稻田田面處于無水層或土壤非飽和狀態(tài)，使田間的水分條件不同于傳統(tǒng)的淹水灌溉。田間水分條件的變化勢必會影響稻田土壤呼吸，因此，節(jié)水灌溉模式稻田土壤呼吸規(guī)律及其影響因素有待深入研究。本文通過蒸滲儀試驗，研究了節(jié)水灌溉模式對稻田土壤呼吸日變化的影響，闡明了土壤呼吸對復(fù)水、退水過程的響應(yīng)，并分析了稻田土壤呼吸速率與土溫及土壤含水率的關(guān)系，旨在更加全面地評價節(jié)水灌溉的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，同時為準(zhǔn)確評估稻田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯特征提供依據(jù)。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗區(qū)概況試驗研究在河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室昆山試驗研究基地進行，試驗區(qū)(34°63′21″N，120°05′22″E)屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫 15.5℃，年降雨量 1 097.1 mm，年蒸發(fā)量 1 365.9 mm，日照時數(shù) 2 085.9 h，平均無霜期 234 d。當(dāng)?shù)赝寥罏殇笥�型黃泥土，耕層土壤為重壤土，0～18 cm 土層土壤有機碳 30.3 g/kg，全氮 1.79 g/kg，全磷 1.4 g/kg，全鉀 20.86 g/kg，pH 值 7.4，0～30cm 土壤容重 1.3 g/cm3 。

　　1.2 試驗設(shè)計試驗設(shè) 2 個灌水處理：控制灌溉，簡稱控灌;常規(guī)灌溉，簡稱常灌。每個處理設(shè) 3 個重復(fù)，試驗在蒸滲儀中進行，每個蒸滲儀面積為 5 m2 (2.5 m×2 m)。控灌處理在秧苗移栽后返青期內(nèi)田面保留淺薄水層，返青期以后田面不建立水層，以根系活動層土壤水分為控制指標(biāo)，確定灌水時間和灌水定額[10]。常灌模式按照當(dāng)?shù)厮�稻種植習(xí)慣管理，除分蘗后期排水曬田和黃熟期自然落干外，其他各生育期內(nèi)均在田面保持 3～5 cm 水層。

　　1.3 測定項目與方法每個控灌處理蒸滲儀分別在計劃濕潤層預(yù)埋 2 個 TDR 探頭(探頭長度為 20 cm)，埋設(shè)深度根據(jù)計劃濕潤層變化進行調(diào)整，利用 Trease 系統(tǒng)(美國 Soil Moisture 公司)于每天上午 8:00 觀測不同土層土壤含水率。根據(jù)計劃濕潤層土壤含水率來確定是否灌水;常灌小區(qū)及當(dāng)控灌小區(qū)田面存有水層時，每天上午 8:00 前后通過預(yù)埋在田面的磚塊和豎尺讀取水層深度，確定是否需要灌水。采用水表測量灌溉水量。5cm 土壤溫度采用土溫計(地溫計，河北省武強縣華洋儀表廠)測定。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 節(jié)水灌溉稻田土壤呼吸速率日變化不同灌溉模式稻田土壤呼吸速率日變化規(guī)律表現(xiàn)為在處理間土壤水分狀況差異較小的生育階段，2 種灌溉模式稻田土壤呼吸速率日變化規(guī)律基本一致;在處理間水分差異較大的生育階段控灌稻田土壤呼吸日變化幅度較大，且控灌稻田土壤呼吸速率和變化幅度均要大于常灌稻田(如圖 1)。返青期控灌稻田保持薄水層返青，水分狀況與常灌稻田基本一致，故土壤呼吸日變化規(guī)律也基本一致。2 種灌溉條件下土壤呼吸總體均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在 12:00 達到最大值，12:00 之前和 18:00 之后控灌稻田土壤呼吸速率均要大于常灌稻田，分析其原因為控灌稻田返青期水層保持在 3cm 以內(nèi)，較常灌水層薄，薄水層增加土壤中氧氣含量，促進土壤呼吸的同時，也縮短了土壤呼吸排出的 CO2 向大氣中釋放的距離。分蘗后期由于常灌稻田進行曬田，2 種灌溉模式稻田田間均無水層，土壤呼吸速率變化相差不大。分蘗后期曬田增加了土壤中含氧量，明顯促進了常灌稻田土壤呼吸速率。常灌稻田分蘗后期土壤呼吸速率日均值為 0.24 mol/(m2 ·d)，是分蘗前期土壤呼吸速率日均值的 4 倍。這與已有研究中干濕交替能夠顯著的激發(fā)土壤中 CO2 釋放的結(jié)論相一致[11-13]。黃熟期是水稻成熟前的最后一個生育期，按照水稻種植習(xí)慣為田面自然落干期，2 種灌溉模式稻田田間水分狀況基本一致，土壤呼吸速率日變化趨勢也基本一致。與分蘗后期一樣，常灌稻田由乳熟的有水層管理進入黃熟期的無水層之后，土壤呼吸速率也出現(xiàn)了明顯增加，黃熟期常灌稻田土壤呼吸速率日均值是乳熟期的 3.19 倍。

　　2.2 稻田復(fù)水退水對土壤呼吸速率的影響控制稻田從有水層逐漸落干到土壤非飽和，可以看做是 1 個干濕交替過程。雖然作為同一處理重復(fù)的蒸滲儀之間土壤水分狀況在同一時間相差不大，但由于位置、作物生長等的差異導(dǎo)致土壤水分狀況還是存在一定的差異，而很小的差異均會導(dǎo)致土壤呼吸的不同，故在拔節(jié)孕穗期和乳熟期選擇典型干濕交替過程，針對控灌 2 個重復(fù)蒸滲儀于每天 10:00 觀測稻田土壤呼吸速率，并同步測定田間水分狀況(水層或土壤含水率)，分析稻田從脫水到復(fù)水和從有水層到脫水 2 個過程對土壤呼吸的影響。

　　2.3 節(jié)水灌溉稻田土壤呼吸速率影響因素分析 2.3.1 土溫對土壤呼吸速率的影響已有研究表明，土壤溫度升高對植物根系呼吸作用、土壤微生物活動以及土壤中有機質(zhì)分解都有促進和加速作用，土壤呼吸速率因此會隨著土溫的升高而增強[16-17]，特別是與土壤 5 cm 土溫有很好的相關(guān)性[18]。對不同灌溉模式稻田土壤呼吸速率與 5 cm 土壤溫度進行回歸分析，經(jīng)驗指數(shù)模型能夠較好地表示土壤呼吸速率隨土壤溫度的變化規(guī)律。其中控灌稻田擬合的相關(guān)系數(shù)達到顯著相關(guān)水平(P<0.05)，常灌稻田不顯著。控灌稻田的無水層管理模式使稻田土壤水分狀況趨于旱田，因此控灌稻田土壤呼吸速率與已有旱田或森林的研究結(jié)論更為一致。常灌稻田田面長期保持水層，使稻田土壤處于嚴(yán)格厭氧環(huán)境條件，土溫對土壤呼吸的影響被相對減弱。2.3.2 控灌稻田土壤含水率對土壤呼吸的影響相關(guān)研究表明土壤含水率是影響土壤呼吸強度的重要因子[19-20]。彭家中等研究得出祁連山青海云杉林土壤呼吸隨著土壤水分含量的增加，土壤呼吸速率也隨著增加，但是當(dāng)土壤水分含量增加到一定程度時，土壤呼吸速率則表現(xiàn)出降低的趨勢[21]。Linn and Doran 等認(rèn)為，當(dāng)土壤含水率為飽和含水率的 50%～80%時即為土壤生物活動的較適宜水分含量[22]，這與本試驗所得的結(jié)論較為一致。對土壤呼吸與土壤水分之間的關(guān)系有學(xué)者認(rèn)為呈線性關(guān)系[23]，有學(xué)者認(rèn)為二次多項式能更好的描述二者之間的變化趨勢[24]。

　　3 結(jié) 論

　　1)在處理間土壤水分狀況差異較小的生育階段，節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉模式稻田土壤呼吸速率日變化規(guī)律基本一致;在處理間水分差異較大的生育階段，控灌稻田土壤呼吸日變化幅度較大，且控灌稻田土壤呼吸速率和變化幅度均要大于常灌稻田。控灌稻田全生育期土壤呼吸速率日變化均值為常灌稻田的 1.47 倍。但在水分管理有明顯區(qū)別的分蘗前期、拔節(jié)孕穗期與乳熟期，控灌稻田土壤呼吸速率日均值分別為常灌稻田的 3.85、1.42 和 3.74 倍，這與控灌稻田頻繁的干濕交替過程促進了土壤呼吸的進行有關(guān)。 2)控制灌溉的復(fù)水和退水過程對土壤呼吸速率有重要影響，一般在復(fù)水和脫水的臨界點上會出現(xiàn)一個土壤呼吸速率峰值。 3)控制灌溉土壤呼吸速率受土溫和土壤水分影響較大。稻田土壤呼吸速率與 5 cm 土溫有較好的指數(shù)相關(guān)性，控灌稻田達到了顯著水平。土壤體積含水率在 35%～55% 之間，當(dāng)土壤體積含水率低于 43%時，土壤呼吸速率隨著土壤含水率的升高而逐漸增大(P<0.05)，當(dāng)土壤體積含水率超過 43%時，土壤呼吸速率隨著土壤含水率的增大而降低(P<0.05)。

　　[參 考 文 獻]

　　[1] Schlesinger William H, Andrews Jeffrey A. Soil respiration and the global carbon cycle[J]. Biogeochemistry, 2000, 48(1): 7-20.

　　[2] 李長生，肖向明，F(xiàn)rolking S，等. 中國農(nóng)田的溫室氣體排放[J]. 第四紀(jì)研究，2003，23(5)：493-503. Li Changsheng, Xiao Xiangming, Frolking S, et al. Greenhouse gas emissions from croplands of China[J]. Quaternary Sciences, 2003, 23(5): 493-503. (in Chinese with English abstract)

　　《節(jié)水灌溉稻田土壤呼吸變化及其影響因素分析》來源：《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》，作者：楊士紅 1,2，王乙江 3 ，徐俊增 1,2，劉笑吟 2