土壤呼吸在陆地生态系统碳收支中扮演着重要的角色[1]，农田作为陆地生态系统的重要组成部分，其土壤呼吸的巨大时空变化影响区域乃至全球的碳循环[2]。农田土壤呼吸对管理措施变化响应十分敏感，灌溉便是对其影响较大的一项农田管理措施。大量研究表明，灌溉方式、灌水量、灌水频率、灌溉水质以及灌溉本身均对土壤呼吸产生重要影响[3]。如在水分亏缺下，土壤呼吸随着灌溉量的增大而增强，但过量灌溉会抑制土壤呼吸[4]。在同一水分条件下，交替灌溉方式夏玉米农田土壤呼吸速率要高于常规灌溉[5]。已有灌溉对农田土壤呼吸影响的研究主要针对旱作物，关于稻田的研究较少，已有研究分析了稻田土壤呼吸与水层深度及短期晒田的关系[6-8]，均是在淹水灌溉条件下进行的。20 世纪 90 年代以来，各种水稻节水灌溉技术得到大面积推广应用[9]，它们的一个共同点是在水稻某些生育期甚至绝大部分生育期内稻田田面处于无水层或土壤非饱和状态，使田间的水分条件不同于传统的淹水灌溉。田间水分条件的变化势必会影响稻田土壤呼吸，因此，节水灌溉模式稻田土壤呼吸规律及其影响因素有待深入研究。本文通过蒸渗仪试验，研究了节水灌溉模式对稻田土壤呼吸日变化的影响，阐明了土壤呼吸对复水、退水过程的响应，并分析了稻田土壤呼吸速率与土温及土壤含水率的关系，旨在更加全面地评价节水灌溉的生态环境效应，同时为准确评估稻田生态系统碳源/汇特征提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况试验研究在河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山试验研究基地进行，试验区(34°63′21″N，120°05′22″E)属亚热带南部季风气候区，年平均气温 15.5℃，年降雨量 1 097.1 mm，年蒸发量 1 365.9 mm，日照时数 2 085.9 h，平均无霜期 234 d。当地土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤为重壤土，0～18 cm 土层土壤有机碳 30.3 g/kg，全氮 1.79 g/kg，全磷 1.4 g/kg，全钾 20.86 g/kg，pH 值 7.4，0～30cm 土壤容重 1.3 g/cm3 。
1.2 试验设计试验设 2 个灌水处理：控制灌溉，简称控灌;常规灌溉，简称常灌。每个处理设 3 个重复，试验在蒸渗仪中进行，每个蒸渗仪面积为 5 m2 (2.5 m×2 m)。控灌处理在秧苗移栽后返青期内田面保留浅薄水层，返青期以后田面不建立水层，以根系活动层土壤水分为控制指标，确定灌水时间和灌水定额[10]。常灌模式按照当地水稻种植习惯管理，除分蘖后期排水晒田和黄熟期自然落干外，其他各生育期内均在田面保持 3～5 cm 水层。
1.3 测定项目与方法每个控灌处理蒸渗仪分别在计划湿润层预埋 2 个 TDR 探头(探头长度为 20 cm)，埋设深度根据计划湿润层变化进行调整，利用 Trease 系统(美国 Soil Moisture 公司)于每天上午 8:00 观测不同土层土壤含水率。根据计划湿润层土壤含水率来确定是否灌水;常灌小区及当控灌小区田面存有水层时，每天上午 8:00 前后通过预埋在田面的砖块和竖尺读取水层深度，确定是否需要灌水。采用水表测量灌溉水量。5cm 土壤温度采用土温计(地温计，河北省武强县华洋仪表厂)测定。
2 结果与分析
2.1 节水灌溉稻田土壤呼吸速率日变化不同灌溉模式稻田土壤呼吸速率日变化规律表现为在处理间土壤水分状况差异较小的生育阶段，2 种灌溉模式稻田土壤呼吸速率日变化规律基本一致;在处理间水分差异较大的生育阶段控灌稻田土壤呼吸日变化幅度较大，且控灌稻田土壤呼吸速率和变化幅度均要大于常灌稻田(如图 1)。返青期控灌稻田保持薄水层返青，水分状况与常灌稻田基本一致，故土壤呼吸日变化规律也基本一致。2 种灌溉条件下土壤呼吸总体均呈现先升高后降低的趋势，在 12:00 达到最大值，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，分析其原因为控灌稻田返青期水层保持在 3cm 以内，较常灌水层薄，薄水层增加土壤中氧气含量，促进土壤呼吸的同时，也缩短了土壤呼吸排出的 CO2 向大气中释放的距离。分蘖后期由于常灌稻田进行晒田，2 种灌溉模式稻田田间均无水层，土壤呼吸速率变化相差不大。分蘖后期晒田增加了土壤中含氧量，明显促进了常灌稻田土壤呼吸速率。常灌稻田分蘖后期土壤呼吸速率日均值为 0.24 mol/(m2 ·d)，是分蘖前期土壤呼吸速率日均值的 4 倍。这与已有研究中干湿交替能够显著的激发土壤中 CO2 释放的结论相一致[11-13]。黄熟期是水稻成熟前的最后一个生育期，按照水稻种植习惯为田面自然落干期，2 种灌溉模式稻田田间水分状况基本一致，土壤呼吸速率日变化趋势也基本一致。与分蘖后期一样，常灌稻田由乳熟的有水层管理进入黄熟期的无水层之后，土壤呼吸速率也出现了明显增加，黄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 稻田复水退水对土壤呼吸速率的影响控制稻田从有水层逐渐落干到土壤非饱和，可以看做是 1 个干湿交替过程。虽然作为同一处理重复的蒸渗仪之间土壤水分状况在同一时间相差不大，但由于位置、作物生长等的差异导致土壤水分状况还是存在一定的差异，而很小的差异均会导致土壤呼吸的不同，故在拔节孕穗期和乳熟期选择典型干湿交替过程，针对控灌 2 个重复蒸渗仪于每天 10:00 观测稻田土壤呼吸速率，并同步测定田间水分状况(水层或土壤含水率)，分析稻田从脱水到复水和从有水层到脱水 2 个过程对土壤呼吸的影响。
2.3 节水灌溉稻田土壤呼吸速率影响因素分析 2.3.1 土温对土壤呼吸速率的影响已有研究表明，土壤温度升高对植物根系呼吸作用、土壤微生物活动以及土壤中有机质分解都有促进和加速作用，土壤呼吸速率因此会随着土温的升高而增强[16-17]，特别是与土壤 5 cm 土温有很好的相关性[18]。对不同灌溉模式稻田土壤呼吸速率与 5 cm 土壤温度进行回归分析，经验指数模型能够较好地表示土壤呼吸速率随土壤温度的变化规律。其中控灌稻田拟合的相关系数达到显著相关水平(P<0.05)，常灌稻田不显著。控灌稻田的无水层管理模式使稻田土壤水分状况趋于旱田，因此控灌稻田土壤呼吸速率与已有旱田或森林的研究结论更为一致。常灌稻田田面长期保持水层，使稻田土壤处于严格厌氧环境条件，土温对土壤呼吸的影响被相对减弱。2.3.2 控灌稻田土壤含水率对土壤呼吸的影响相关研究表明土壤含水率是影响土壤呼吸强度的重要因子[19-20]。彭家中等研究得出祁连山青海云杉林土壤呼吸随着土壤水分含量的增加，土壤呼吸速率也随着增加，但是当土壤水分含量增加到一定程度时，土壤呼吸速率则表现出降低的趋势[21]。Linn and Doran 等认为，当土壤含水率为饱和含水率的 50%～80%时即为土壤生物活动的较适宜水分含量[22]，这与本试验所得的结论较为一致。对土壤呼吸与土壤水分之间的关系有学者认为呈线性关系[23]，有学者认为二次多项式能更好的描述二者之间的变化趋势[24]。
3 结 论
1)在处理间土壤水分状况差异较小的生育阶段，节水灌溉和常规灌溉模式稻田土壤呼吸速率日变化规律基本一致;在处理间水分差异较大的生育阶段，控灌稻田土壤呼吸日变化幅度较大，且控灌稻田土壤呼吸速率和变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变化均值为常灌稻田的 1.47 倍。但在水分管理有明显区别的分蘖前期、拔节孕穗期与乳熟期，控灌稻田土壤呼吸速率日均值分别为常灌稻田的 3.85、1.42 和 3.74 倍，这与控灌稻田频繁的干湿交替过程促进了土壤呼吸的进行有关。 2)控制灌溉的复水和退水过程对土壤呼吸速率有重要影响，一般在复水和脱水的临界点上会出现一个土壤呼吸速率峰值。 3)控制灌溉土壤呼吸速率受土温和土壤水分影响较大。稻田土壤呼吸速率与 5 cm 土温有较好的指数相关性，控灌稻田达到了显著水平。土壤体积含水率在 35%～55% 之间，当土壤体积含水率低于 43%时，土壤呼吸速率随着土壤含水率的升高而逐渐增大(P<0.05)，当土壤体积含水率超过 43%时，土壤呼吸速率随着土壤含水率的增大而降低(P<0.05)。
[参 考 文 献]
[1] Schlesinger William H, Andrews Jeffrey A. Soil respiration and the global carbon cycle[J]. Biogeochemistry, 2000, 48(1): 7-20.
[2] 李长生，肖向明，Frolking S，等. 中国农田的温室气体排放[J]. 第四纪研究，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)
《节水灌溉稻田土壤呼吸变化及其影响因素分析》来源：《农业工程学报》，作者：杨士红 1,2，王乙江 3 ，徐俊增 1,2，刘笑吟 2
