加气灌溉下红壤土呼吸速率变化及其与土壤水氧的关系

于珍珍 王宏轩 邹华芬 孙海天 汪汇源 汪春 李海亮

摘  要：加氣灌溉技术是在地下滴灌的基础上发展起来的一种土壤通气增氧的新型灌溉方式，可以有效避免土壤含氧量低、通气性差给作物带来的危害。探明加气灌溉（AI）技术下红壤土呼吸速率变化规律与作用机理，为加气灌溉技术的推广提供理论依据。本研究基于中国热带农业科学院国家土壤质量湛江观测实验站，对比研究了加气灌溉与不加气灌溉处理下土壤呼吸速率的动态变化，并分析了土壤呼吸速率变化对土壤含水率及土壤含氧量的响应关系。结果表明：2种处理下土壤呼吸速率的日变化特征曲线基本一致。总体上呈现出单峰曲线变化，土壤呼吸速率峰值出现在11：00左右，最小值出现在23：00—次日3：00，2种试验处理日变化规律相似，AI和CK处理下土壤呼吸速率日均值分别为1.64 μmol/（m2·s）和1.53 μmol/（m2·s），AI处理显著高于CK处理（P<0.05）。季节变化下AI处理下的土壤呼吸速率一直高于对照组CK，在整个生长期内基本均存在一定的差异性。与常规种植方式（CK）相比，加气灌溉分别提高了土壤呼吸速率和土壤含氧量7.50%和27.75%，降低了土壤含水率4.90%，土壤含水率和含氧量分别可以解释AI和CK处理下红壤土呼吸变化的85.04%、61.15%和69.92%、41.61%，土壤含水率和含氧量共同解释了AI和CK处理下土壤呼吸变化的41.2%～58.4%。AI处理下土壤含水率和含氧量对土壤呼吸交互作用拟合效果更优。该研究证明加气灌溉技术主要通过提高土壤氧气含量进而提高土壤呼吸速率，研究结果为补充完善加气灌溉下土壤呼吸排放机理及加气灌溉技术在我国红壤地区的推广应用提供数据支撑和技术参考。

关键词：红壤土;玉米;加气灌溉;土壤呼吸;含水率;含氧量

中图分类号：Q949.748.5      文献标识码：A

Changes of Red Soil Respiration Rate under Aerated Irrigation and Its Relationship with Soil Water and Oxygen

YU Zhenzhen1，2， WANG Hongxuan2， ZOU Huafen2， SUN Haitian1，2， WANG Huiyuan4， WANG Chun1，2*，

LI Hailiang2，3*

1. College of Engineering， Heilongjiang Bayi Land Reclamation University， Daqing， Heilongjiang 163319， China; 2. South Subtropical Crops Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / National Soil Quality Zhanjiang Observation and Experimental Station， Zhanjiang， Guangdong 524000， China; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou， Henan 450002， China; 4. Institute of Science and Technology Information， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract： Aerated irrigation technology is a new type of soil aeration and oxygen-enhancing irrigation method developed on the basis of underground drip irrigation， which can effectively avoid the harm to crops caused by low soil oxygen content and poor aeration.The study is aimed to prove the law and mechanism of the red soil respiration rate under aerated irrigation （AI） technology， and provide a theoretical basis for the popularization of aerated irrigation technology. This study is based on the National Soil Quality Observation and Experimental Station， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences. It compared the dynamic changes of soil respiration rate under aerated and non-aerated irrigation treatments， and analyzed the effects of changes in soil respiration rate on soil moisture and soil oxygen， and the amount of response relationship. The daily variation characteristic curves of soil respiration rate under the two treatments were basically the same. In general， it showed a single-peak curve change. The peak of soil respiration rate appeared at about

11：00， and the minimum appeared at about 23：00—3：00 in the morning. The diurnal changes of the two experimental

treatments were similar. The daily average values of the rates of soil respiration under AI and CK treatments was

1.64 μmol/（m2·s） and 1.53 μmol/（m2·s）， respectively. The AI treatment was significantly higher than that of CK （P<0.05）. Under seasonal changes， the soil respiration rate under the AI treatment was always higher than that of the control， and there were basically certain differences throughout the growth period. Compared with conventional planting methods （CK）， aerated irrigation increased soil respiration rate and soil oxygen content by 7.50% and 27.75%， and reduced soil water content by 4.90%. Soil water content and oxygen content could explain AI and respiration changes of red loam under CK treatment were 85.04%， 61.15% and 69.92%， 41.61%. The soil moisture content and oxygen content together explained 41.2%–58.4% of the soil respiration changes under AI and CK treatments. Under AI treatment， soil moisture content and oxygen content had a better fitting effect on soil respiration interaction. This study proves that aerated irrigation technology mainly increases soil respiration rate by increasing the oxygen content of the soil. The research results provide data support and technical reference for supplementing and improving the soil respiration emission mechanism under aerated irrigation and the popularization and application of aerated irrigation technology in red soil regions in my country.

Keywords： red loam; corn; aerated irrigation; soil respiration; water content; oxygen content

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.01.015

土壤呼吸是土壤中的微生物、植物根系和食碎屑动物等由于新陈代谢消耗O2的同时向大气中释放CO2的过程[1-4]，受土壤环境因子和生物因子的交互影响，是土壤和大气碳库相互交换的重要途径[5]。据统计，土壤呼吸每年向大气中输出碳83×109～108×109 t，超过化石燃料排放的10倍[1， 6]。农田土壤呼吸对农田管理措施变化响应十分敏感，大量研究表明，土壤水分和气体的变化均对土壤呼吸产生重大影响[6]。

加气灌溉技术是在地下滴灌的基础上，利用空气泵或者罗茨风机等通风装置向作物根部土壤增加空气，或者采用文丘里装置将空气以微气泡的形式掺入灌溉水中，实现对土壤水分和气体含量的有效调控[7-9]。土壤水分和气体的变化进而对土壤呼吸产生影响。王建林等[10]研究表明，在水肥亏缺下，农田土壤呼吸速率随着土壤水分的增加而增强，但是土壤水分过高，氧气含量降低，作物有氧呼吸受阻或者中断，土壤呼吸作用减弱，亦会限制CO2排放。加气灌溉技术直接改变土壤中水分和含氧量，进而影响土壤呼吸作用。但是由于土壤类型及地理位置不同，相同的田间管理下土壤呼吸作用不尽相同，综合研究土壤类型的影响因素，将有助于准确评估加气灌溉技术对土壤呼吸作用的影响[11-14]。

我国热带红壤地区（包括热带和南亚热带地区）是我国热带林果、经济作物和粮食的主要产区，然而，该地区由于受季风影响，大量集中降水造成土壤孔隙中氣体被雨水驱替，导致土壤水气不平衡，严重阻碍土壤–大气气体交换，土壤呼吸作用减弱[13， 15]，对我国红壤区作物种植具有显著的影响，探明加气灌溉技术下红壤区土壤呼吸变化特征是实现作物持续增产或稳产、建立可持续热带红壤区生态系统的关键。目前已有研究报道了土壤呼吸对加气灌溉技术的响应及机理，但是关于加气灌溉下红壤土呼吸变化与土壤环境因子的关联分析未见报道。

本文通过对比分析加气灌溉和不加气灌溉处理下土壤呼吸速率的日变化及季节变化规律的差异，明确加气处理对红壤土呼吸作用的影响，分析加气条件下土壤呼吸速率变化对土壤水分及含氧量的互动响应过程，揭示加气灌溉技术影响土壤呼吸的作用及机理，以期为加气灌溉技术在红壤地区高效合理的推广应用提供理论基础和实践依据。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

试验在广东省湛江市中国热带农业科学院南亚热带作物研究所循环农业研究中心（109°31' E，21°35' N）进行，年平均日照时间为2160 h，无霜期为350 d，年平均气温为23.2℃，玉米生长期内气温和降雨量变化如图1所示。供试土壤类型为红壤土，速效N、P、K和有机质分含量别为60.71 mg/kg、20.08 mg/kg、77.03 mg/kg和19.75 g/kg。

1.2  方法

1.2.1  试验设计  供试玉米品种为‘惠玉甜三号’。试验地每个垄的垄长为8 m，宽1.5 m，株距40 cm，每个小区种植15株。2019年9月2日进行穴播，2020年12月3日收获。玉米全生育期时长为91 d，生育期划分为苗期、拔节期、抽雄期、成熟期，自2019年9月16日开始试验处理。地下滴灌带采用内镶贴片式渗管带，流量为2.5 L/h，滴头工作压力为0.1 MPa，滴灌管直径为16 mm，埋深为20 cm，滴灌带干管与罗茨风机相连，借助地下滴灌带为作物根部提供水分、养分及气体。

试验加气灌溉（AI）和不加气灌溉（CK）2种灌溉方式，每个试验重复3次，1次重复为1个小区，共计6个小区。利用φE601型标准蒸发皿控制灌水量，以灌水间隔内每天9：00测得的蒸发量为灌溉依据，玉米不同生育周期选取不同的Kp，分别为苗期0.8、拔节期1.2、抽雄期1.2、成熟期1.0[16-17]。各处理每次灌水量计算公式为：

（1）

式中，W为各处理每次的灌水量，L;A为单个滴头控制的小区面积，为0.14 m2（0.35 m× 0.4 m）;Ep为2次灌溉时间间隔内E601型标准蒸发皿测得的蒸发量，mm;Kp为作物-蒸发皿系数，根据玉米不同生育期进行选择。

单次通气量是以土壤孔隙率的100%作为标准通气量，每次通气量计算公式为[18]：

（2）

式中，V为每次通气量，L;S为垄的横截面积，1500 cm2;L为垄长，m;b为土壤容重，1.23 g/cm3;s为土壤密度，1.65 g/cm3。据此得出每个试验小区通气量为744.75 L，试验过程中不考虑土壤气体的逃逸，按照罗茨风机铭牌标示功率及通气量换算为相应的通气时间，利用通气时间控制通气量

1.2.2  测定指标  （1）土壤呼吸速率。利用Li-6400型便携式气体分析系统进行测定，土壤呼吸环测得的土壤呼吸速率是仪器2次循环测量的平均值。日变化从7：00开始的24 h内，每隔2 h测量一次土壤呼吸速率的变化，季节性变化测量当天在7：00—9：00之间进行测量[19]。除了开始日期和收获日期之外，玉米生长阶段每10 d测量一次，如遇强降雨天气则推迟测定时间。

（2）含水率。采用土壤多参数测定仪对土壤温度、含水率进行全程跟踪测量。测量土壤表层下20 cm的含水率，每次测量3个点，取平均值作为该组的测定结果，测定日期、时间与土壤呼吸速率测定日期一致。

（3）土壤含氧量。利用光纤式氧气测量仪（fiber-optic oxygen meter firesting O2）测定距离土壤表层20 cm的氧气含量，测定深度为20 cm，每个点重复测量3次，取平均值作为该点的测定结果，测量日期、时间与土壤呼吸速率测定一致。

1.3  数据处理

利用Excel 2010软件对试验所得数据进行整理，剔除异常数据。通过SPSS 18.0软件进行显著性、相关关系分析，用Origin 2019进行绘图分析。土壤呼吸速率与土壤含水率和土壤含氧量的关系采用线性模型、多项式模型进行拟合，最后通过决定系数R2筛选出最优拟合方程：

（3）

（4）

式中：R为土壤呼吸速率，μmol/（m2·s）;W为土壤含水率，%;O为土壤含氧量，%;a、b、c、d均为参数。

2  结果与分析

2.1  加气灌溉下红壤土呼吸速率、含水率及含氧量动态变化规律

AI和CK处理下土壤呼吸速率（以CO2计）、含水率及含氧量的日动态变化存在一定的差异性（图2）。单日内土壤呼吸总体呈现单峰型日变化，最大值出现在11：00左右，最小值出现在凌晨23：00—次日3：00，2种试验处理日变化规律相似，AI和CK处理下土壤呼吸速率日均值分别为1.64 μmol/（m2·s）和1.53 μmol/（m2·s），AI处理显著高于CK处理（P<0.05）。2种试验处理下土壤含水率最大值出现在早上7：00—9：00，最低值出现在17：00左右，AI处理下土壤含水率虽然低于CK处理，但是仅部分测定点间存在显著性差异（P<0.05）。土壤含氧量最高值基本出现在日间7：00和夜间23：00左右，最低值出现在13：00—15：00。土壤含氧量在日间7：00— 15：00内呈现下降趋势，在17：00—次日3：00间呈现上升趋势，AI处理下土壤含氧量日均值分别为14.83%，高于CK（12.10%）22.56%。

如图3所示，土壤呼吸速率在玉米拔节末期至抽雄期（第40～60天）较高，AI处理下的土壤呼吸速率一直高于对照组CK，除初始值外，在整个生长期内基本均存在一定的差异性。AI和CK处理下土壤呼吸速率在玉米整个生育周期内的平均值分别为1.786 μmol/（m2·s）和1.662 μmol/（m2·s），AI处理下土壤呼吸速率增大了7.50%。土壤含水率在玉米生长前期较高且波动范围较大，在生长中后期變化范围较小。AI和CK处理下含水率平均值分别为27.77%和29.14%，比CK处理分别下降了4.9%。部分测定点存在显著差异（P<0.05）。整个生育期内，土壤含氧量在玉米苗期至拔节期呈下降的趋势，在拔节期至成熟期逐渐升高。CK处理下土壤含氧量平均值为11.71%，AI处理为14.96%。即使在玉米拔节期和抽雄期土壤呼吸速率较高，耗氧量较大时，AI处理下依然可以保持较高的土壤含氧量。

2.2  加气灌溉技术下红壤土呼吸速率与土壤含水率的关系

由图4可知，AI和CK处理下土壤含水率变化范围为15.2%～37.2%和16.4%～37.5%，2种试验处理下土壤呼吸速率随着含水率的升高呈先升高后降低的趋势，AI处理下，当土壤含水率达到31.6%时，土壤呼吸速率达到峰值2.13 μmol/ （m2·s），其次为CK处理下，当土壤含水率为32.5%时达到峰值1.98 μmol/（m2·s）;对土壤呼吸速率与土壤含氧量分段拟合发现，土壤呼吸速率与土壤含水率呈顺时针环状分布，其中，AI处理下最明显，2种试验处理下土壤呼吸速率与含水率均呈现二次函数关系，其决定系数分别为0.8504、0.6115（表1）。

2.3  加气灌溉技术下红壤土呼吸速率与土壤含氧量的关系

由图5可知，2种处理下土壤含氧量变化幅度较小，AI处理下含氧量可以保持在12.1%～ 16.5%，CK处理下土壤含氧量的变化范围10.2%～ 15.7%，说明AI处理下可以使土壤氧气含量保持在一个较高的范围。由图5可知，2种试验处理下土壤呼吸速率呈先升高后降低的变化趋势，AI处理下当土壤含氧量为14.8%时，土壤呼吸速率达到最高值2.12 μmol/（m2·s），其次为CK处理下，当土壤含氧量为14.1%时达到峰值1.98 μmol/ （m2·s），CK处理下，大部分测量点都是随着土壤含氧量升高而增强，只有极少测量点出现负相关，可能土壤含氧量最高值没有达到抑制土壤呼吸速率的阈值。由表2可知，对土壤呼吸速率与土壤含氧量分段拟合发现，土壤呼吸速率与土壤含氧量呈顺时针环形分布，2种处理下土壤呼吸速率与土壤含氧量最优拟合关系为二次函数，其决定系数分别为0.6992、0.4161（P<0.01）。

2.4  加气灌溉下红壤土呼吸速率与土壤含水率、含氧量的耦合关系

综合考虑土壤含水率和含氧量对土壤呼吸速率的交叉影响，利用方程式（3）、（4）进行回归拟合方程如表3所示。2种处理下土壤呼吸速率与土壤含水率和含氧量拟合方程均表现为多项式拟合效果最好，2种处理下土壤含水率和含氧量综合解释了土壤呼吸速率变化的41.2%～72.8%，加气灌溉条件下土壤含水率和含氧量拟合结果优于对照组，可以解释58.3%～72.8%的土壤呼吸速率变化情况，但是对照处理CK拟合方程解释系数为41.2%～58.4%，说明加气灌溉条件下土壤含水率和含氧量对红壤土呼吸速率的敏感性高于不加气灌溉，且R=a+bW+cO+dWO函数方程可以较好地预测不同水氧条件下红壤土呼吸速率的变化。

3  讨论

3.1  加气灌溉技术对土壤呼吸速率、含水率及含氧量的影响

本研究中，与不加气灌溉相比，加气灌溉处理下土壤含氧量和土壤呼吸速率显著增大，分别提高了27.75%和7.50%。BHATTARAI等[19]的研究也表明，与传统地下滴灌方式相比较，加气灌溉技术下土壤含氧量增加16%左右，同时，BHATTARAI等[20]通过对加气灌溉下土壤昼夜测量土壤含氧量得出，土壤含氧量最高值在14：00—16：00之间，但是该时间段是本研究土壤呼吸及土壤含氧量的最低点，本研究中，土壤含氧量与土壤呼吸最高值在11：00—16：00中，这主要是由于试验区域不同而造成的温度差异，相关研究也表明，土壤温度越高，氧气含量越低[21]，温度过高，会对作物根系呼吸及微生物呼吸产生一定的抑制作用。在通气性较差的土壤中，植株根系与土壤微生物生命活动受到影响，有氧呼吸降低，土壤呼吸速率会显著降低，因此，加气灌溉下可以获得较高的土壤呼吸速率，一方面是由于土壤含氧量的提高，为植株根系和微生物生命活动提供了良好的有氧环境，另一方面是因为对土壤进行加气处理，可以提高土壤通气性，促进土壤与大气之间的气体交换，保证了土壤呼吸的顺利进行。BHATTARAI等[22]的研究结果也表明，与不加气灌溉相比，加气灌溉下土壤呼吸速率提升了124%～183%，加气灌溉下土壤CO2排放量增加了11.8%。

AI处理下，土壤含水率下降了4.9%左右，一是由于加气灌溉条件下，土壤呼吸作用增强，植株根系及微生物生命活动旺盛，对水分和养分的吸收高于对照组，所以土壤水分含量会有所下降[23];二是由于加气灌溉提高了土壤通气性，进而改善了土壤水分的分布均匀度，水分在土壤中扩散更加均匀，避免水分在土壤中某一点的堆积[24-25]。

3.2  土壤呼吸速率与土壤含水率、含氧量之间的相关关系

土壤呼吸速率主要受土壤生物因素和环境因素的共同作用。本研究中，土壤含水率和含氧量分別可以解释AI和CK处理下红壤土呼吸变化的85.04%、61.15%和69.92%、41.61%。候毛毛等[26]相关研究结果表明，只有当土壤水分低于较低阈值（12.8%）或高于较高阈值（28.2%）时，土壤呼吸速率才与土壤含水率呈显著线性正相关，但是当水分含量处于适宜的数值范围时，与土壤呼吸速率与土壤水分含量没有显著的相关性。其他研究也表明[27-29]，不同地区、不同土壤类型下土壤呼吸的最佳土壤水分可能范围很广，只有在土壤水分极高或极低时才会抑制土壤呼吸。在本研究中，土壤水分变化范围较大，在2种处理中土壤含水率与土壤呼吸速率呼吸相关性较强。

土壤呼吸的本质是消耗氧气、释放CO2的过程[30]。因此，在本研究中，土壤呼吸速率与土壤含氧量呈显著负相关关系。土壤呼吸过程包括有机质分解、根系与微生物等呼吸作用的顺利进行，都需要氧气的参与。与对照相比，加气灌溉下土壤呼吸和土壤含氧量均显著增大，但是土壤含水率降低，一是由于加气灌溉下土壤环境得到改善，提高土壤通气性，作物根系及土壤微生物活性增强[31-33]，进而对土壤水分的利用提高，所以加气灌溉下土壤含水率均值低于不加气灌溉[34];二是加气灌溉下土壤通气性改善，大气与土壤之间的气体交换增强，即使加气灌溉下土壤呼吸作用增强对土壤氧气消耗增大，土壤含氧量在玉米整个生育周期内仍高于不加气灌溉[35-36]。

4  结论

（1）2种处理下土壤呼吸速率的日变化特征曲线基本一致。总体上呈现出单峰曲线变化，土壤呼吸速率峰值出现在11：00—15：00。加气灌溉下根区土壤环境得到明显改善，与对照相比，加气灌溉分别提高了土壤呼吸速率、土壤含氧量7.50%、27.75%，土壤含水率降低了4.90%。

（2）2种试验处理下土壤呼吸速率与土壤含水率和含氧量均呈二次多项式函数关系，在加气灌溉条件下，土壤含水率、土壤含氧量与土壤呼吸之间的关系均为显著水平（P<0.05），AI和CK处理下土壤含水率、含氧量交互作用分别解释了土壤呼吸速率变化的73%和58%左右。

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