PS-9000土壤碳通量測量系統(tǒng)在節(jié)水稻田CO2通量研究方面的應(yīng)用

全球變暖引發(fā)的溫室效應(yīng)問題備受關(guān)注，其中二氧化碳 (CO₂) 是主要的溫室氣體。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在碳吸收與排放中發(fā)揮著重要作用。通過秸稈還田 (SR) 和生物炭施用 (BA) 等土壤管理措施來促進碳封存，已成為應(yīng)對氣候變化的重要手段。

秸稈還田 (SR)：

SR 能增加土壤有機碳 (SOC) 含量，但可能伴隨 CO₂ 排放的增加，其影響受到管理條件和土壤深度等因素的制約。部分研究還表明，SR 對 SOC 的提升有限，甚至可能產(chǎn)生負面作用。

生物炭施用 (BA)：

BA 能提升 SOC 并降低 CO₂ 排放，但研究結(jié)果存在分歧，這可能與生物炭的性質(zhì)、土壤條件及實驗方法的差異有關(guān)。

研究不足與重點：

現(xiàn)有研究多將 SR 和 BA 與對照處理進行比較，但在相同碳輸入量條件下的影響及其與灌溉模式的聯(lián)合作用尚不明確，特別是在不同水分管理條件下對 CO₂ 通量的影響研究較少。

研究目標：

本研究通過盆栽試驗，結(jié)合暗箱和敞箱方法，探討 SR 和 BA 在相同碳輸入量條件下對稻田 CO₂ 通量的影響，分析碳管理與灌溉模式的聯(lián)合作用，并揭示調(diào)控稻田 CO₂ 交換能力的關(guān)鍵因素。

試驗于 2021 年 7 月 2 日至 10 月 25 日在位于中國江蘇省蘇州市的昆山排灌試驗站（北緯 34°15′21″，東經(jīng) 121°05′22″）進行，該站位于太湖流域，是傳統(tǒng)的水稻種植區(qū)。2021年水稻生產(chǎn)季節(jié)的平均氣溫為 26.2°C，季節(jié)性降雨量為 427.2毫米。該地區(qū)輪作夏稻和冬小麥。

試驗設(shè)置2種灌溉管理方式（漫灌（FI）和控制灌溉（CI））和3種碳源管理方式（無碳處理（K）、SR和BA），采用全因素試驗設(shè)計，共設(shè)置FI+K、FI+SR、FI+BA、CI+K、CI+SR和CI+BA（分別為FK、FS、FB、CK、CS和CB）6個處理。

如圖A1所示，所有試驗均在一系列長76cm、寬53cm、深60cm的塑料桶中進行。每個桶從下到上分為四層，包括倒置濾層、土壤層、土壤+秸稈處理層和地表水層，高度分別為5cm、25cm、20cm和10cm。土壤+秸稈處理層中的填料為土壤和秸稈（秸稈生物炭）的均勻混合物。每個處理有3個重復，共18個桶。

圖 1 各處理土壤呼吸速率（Rs）、生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Reco）、凈生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳交換（NEE）和總初級生產(chǎn)力（GPP）通量隨時間的變化。

CO₂通量測量 在首次開始CO₂通量測量前4-5 天，在每個桶上建立一個裝有健康、有代表性的水稻的土壤框架，用于測量CO₂凈生態(tài)系統(tǒng)交換 (NEE)、總初級生產(chǎn)力 (GPP) 和 Reco，以及一個不裝水稻的框架，用于測量 Rs，然后保持在原位直到收獲。將外徑20cm、內(nèi)徑16 cm、高10cm 的框架垂直插入7cm 深處，為 CO₂測量室提供穩(wěn)定的底座。用于 NEE 和 Rs 的CO₂測量室由透明有機玻璃（直徑17cm，厚度0.5cm）制成，高度不同（40 cm、50 cm），以適應(yīng)水稻植株的生長高度。用于測量 Reco 的暗室由透明暗室制成，上面覆蓋一層不透明的鋁箔。測量室和底座之間的連接用水密封。CO₂通量測量時間為7月20日至10月18日晴天上午10：00-11：00，間隔7天。采用便攜式土壤碳通量自動測量系統(tǒng)（PS-9000）（北京理加聯(lián)合科技有限公司）評估箱內(nèi)CO₂濃度隨時間的變化。平衡時間為30s，每隔15s記錄一次數(shù)據(jù)，單次測量持續(xù)時間為2 min。

表1 土壤呼吸速率(Rs)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Reco)、生態(tài)系統(tǒng)凈二氧化碳交換(NEE)和總初級生產(chǎn)

圖2 水稻分蘗中期（MT）、分蘗后期（LT）、孕穗期（JB）、抽穗開花期（HF）、乳熟期（M）和成熟期（R）土壤有機碳（SOC）、溶解性有機碳（DOC）、過氧化氫酶活性（CAT）和蔗糖酶活性（SC）濃度。柱狀圖表示各時期指標平均值，散點圖表示整個水稻生育期指標平均值。小寫字母表示各處理間顯著性差異（p<0.05）。

圖3 測量指標的多面板散點圖，包括土壤呼吸速率（Rs）、生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Reco）、凈生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳交換（NEE）、總初級生產(chǎn)力（GPP）、土壤有機碳（SOC）、溶解有機碳（DOC）、過氧化氫酶活性（CAT）、蔗糖酶活性（SC）、蒸騰速率（E）、凈光合速率（A）、葉片瞬時水分利用效率（WUEleaf）和氣孔導度（gsw）。對角線顯示每個指標的質(zhì)量分布圖。下圖和上圖中分別顯示了成對散點圖，紅線表示最佳擬合，紅色橢圓表示95％置信區(qū)間和皮爾遜相關(guān)系數(shù)，符號為“**”（p<0.01）和“*”（p<0.05）。

在節(jié)水灌溉稻田等碳投入條件下，研究了施用生物炭和秸稈對大氣-水稻-土壤系統(tǒng)碳循環(huán)關(guān)鍵過程的影響。結(jié)果表明，生物炭和秸稈的施用顯著提高了水稻的總初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)凈CO₂交換量、凈光合速率和土壤溶解有機碳水平，并且土壤呼吸與溶解有機碳和總初級生產(chǎn)力呈顯著正相關(guān)。這些結(jié)果表明，生物炭和秸稈能夠增強水稻冠層對碳的捕獲能力，并促進初級光合產(chǎn)物向地面分配，從而促進植物根系生長，刺激微生物活動，最終增加土壤呼吸。此外，生物炭與節(jié)水灌溉相結(jié)合能夠更有效地提升水稻生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。然而，本研究的一個局限是無法區(qū)分土壤呼吸的具體來源。在后續(xù)研究中，可通過碳同位素示蹤技術(shù)進行補充。研究成果為提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力、減緩溫室效應(yīng)和氣候變化、以及實現(xiàn)碳中和目標提供了重要的理論支持。