干旱绿洲区储水灌溉与冻融过程对土壤呼吸的影响

Effects of storage irrigation and freeze-thaw on soil respiration in an arid oasis area

摘要

目的 干旱绿洲区储水灌溉过程中存在着定额大、灌溉水利用效率不高、无效蒸发大和难以大面积推广应用等问题，也是造成绿洲区农业水资源紧缺的主要原因。为彻底改变这种现象并从机理角度探究储水灌溉和季节性冻融循环对干旱区绿洲土壤呼吸的影响。 方法 按照1 200 m³/hm²的低灌溉定额分为灌水和非灌水处理，将冻融循环分为冻结期、冻融期和解冻期3个时间段，采用LI-8100土壤碳通量全自动测量系统对不同处理的土壤呼吸速率进行观测与分析。 结果 储水灌溉在冻融循环作用下会促使干旱绿洲区农田生态系统土壤呼吸速率增强，增加土壤的碳排放，改变干旱绿洲区农田生态系统的碳循环。 结论 在水分与季节性冻融循环叠加作用下，储水灌溉促使土壤呼吸速率随温度的波动更为剧烈。整个冻融过程中土壤呼吸速率呈现出解冻期大于冻结期大于冻融期的规律。不同土地利用方式土壤呼吸速率变化趋势一致，但对水分和温度的响应程度不同，土壤二氧化碳通量均值未灌水处理小麦地块的比玉米地块高出33.60%，灌水处理高出56.08%。冻结期、冻融期和解冻期3个时期土壤CO₂都表现为源。研究成果可为干旱绿洲区灌溉水资源高效利用和储水灌溉制度的制定提供理论基础与技术支撑。

Abstract

Objective In the process of storage irrigation in arid oasis areas，there were problems such as large quota，low irrigation water use efficiency，large ineffective evaporation and difficulty in large-scale application，which were the main reasons for the scarcity of agricultural water resources in the oasis area.In order to completely change the phenomenon and study the effects of storage irrigation and seasonal freeze-thaw cycles on soil respiration in arid oasis areas from a mechanism point of view. Method The LI-8100 automatic soil carbon flux measurement system was used to observe and analyze the soil respiration rate of each treatment，which was divided into irrigated and non-irrigated according to the low irrigation quota of 12 00 m³/hm²，and the freeze-thaw cycle was divided into three time periods： freezing period，freeze-thaw period and thawing period. Result Under the effects of freeze-thaw cycles，low rate storage irrigation will increase the soil respiration rate of farmland ecosystems，increase soil carbon emissions，alter the carbon cycle of farmland ecosystems，and benefit crop growth and improve food production in arid oasis areas. Conclusion Under the superimposed effect of moisture and seasonal freeze-thaw cycles，storage irrigation promotes greater fluctuations in soil respiration rate with temperature.Throughout the process，the soil respiration rate showed the law that the thawing period was greater than the freezing period and greater than the freeze-thaw period.The trend of change in soil respiration rate of different land use patterns was the same，but the degree of response to moisture and temperature was different.The mean soil carbon dioxide flux was 33.60% higher in the non-irrigated wheat plot than in the maize plot，and 56.08% higher in the irrigated treatment.Soil CO₂ in the three periods of freezing，freeze-thawing and thawing were all identified as sources.The research results can provide theoretical basis and technical support for the formulation of storage irrigation schedule and dispatch operation mode of water conservancy project in arid oasis areas.

Graphical abstract

关键词

土壤呼吸速率 / 储水灌溉 / 低定额 / 季节性冻融循环 / 干旱绿洲区

Key words

soil respiration rate / storage irrigation / low quota / seasonal freeze-thaw cycle / arid oasis area

在我国干旱绿洲区农业生态系统中，普遍存在着储水灌溉的传统习惯。储水灌溉具有悠久历史，是传统绿洲灌溉农业的主要农耕技术，尤其在石羊河流域被广泛应用^［1-4］。储水灌溉通过土壤水库的调蓄作用，在水资源可供给时采用较大的定额通过灌溉的方式将水资源储存在深层土体内部，供给作物在生长期使用^［5-6］，目的是为了保证在播种时土壤有较好的墒情。储水灌溉还具有适时蓄存河道来水于土壤，减小水利工程规模，调节土壤温度，淋洗土壤盐分的重要作用。大型灌区冬灌一般从10月中旬开始至11月中旬结束，灌溉期一个月左右。然而，在干旱绿洲区进入冬季以后，气温降低，河流来水量减少，储水灌溉的水量不足，尤其进入11月份以后，渠道开始结冰，输水困难，易引起渠道冻胀破坏和部分农田得不到灌溉。同时，大定额灌水，容易造成水分深层渗漏及耕作层土壤养分的流失，污染地下水，形成土壤的盐渍化。干旱绿洲区的储水灌溉定额大、灌溉水利用效率不高的缺点是造成农业水资源紧缺的主要原因。这种现象与现代高效节水农业的发展思路相悖，是节水灌溉技术需创新突破的主要农业生产环节，因此，要从机理角度研究储水灌溉对于干旱绿洲区农田生态系统的影响，探寻合适的储水灌溉定额、灌溉方式和节水灌溉技术。

近年来，大多数学者对于储水灌溉的研究主要集中在水分利用效率、耗水规律^［2，7］、灌溉制度^［4，8］和增产情况^［9-12］这几方面，对储水灌溉和免储水灌溉技术的研究起到了推动作用，但就解决储水灌溉定额大、无效蒸发大、难以大面积推广应用等问题和改变干旱绿洲区储水灌溉水利用效率不高的现状仍然存在一定差距。然而，干旱绿洲区在储水灌溉后，要经历一个特殊阶段即从冬季至春季土壤的冻结与融化过程，季节性冻融过程对土壤结构等物理、化学性质和土壤呼吸速率有显著影响，这种影响有利无利、储水灌溉在其中起何作用等，目前成果较少。现阶段季节性冻融对干旱绿洲区农田生态系统的影响的研究主要集中在单一的冻融过程中土壤呼吸速率及其影响因素^［13-17］、冻融过程中水热盐的变化^［18-20］和运移规律中^［21-23］，而对于低储水灌溉定额下，季节性冻融对于土壤呼吸的影响的综合性研究还未有文献报道。因此，本研究选择甘肃省石羊河流域的民勤灌区，开展储水灌溉对土壤呼吸速率的试验观测与研究，探究干旱绿洲区农田生态系统在水分作用下土壤呼吸对其的响应，揭示低定额储水灌溉对土壤呼吸速率的影响和土壤呼吸速率在冻融期内不同时间的日变化特征，定量掌握冻融期各阶段水分作用对于土壤呼吸速率的影响，可为区域储水灌溉制度制定和灌溉水资源高效利用提供理论基础与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

项目试验地点选择在甘肃省水利科学研究院民勤节水农业暨生态建设试验示范基地进行，位于民勤县大滩乡（E 103°05′，N 38°37′）。该区属大陆性荒漠干旱区，气候干燥，降雨量少，蒸发强烈，昼夜温差大，日照时间长，自然灾害频发。试验示范基地多年平均气温7.8 ℃，极端最低气温-27.3 ℃，极端最高气温39.5 ℃。多年平均降水量在110 mm左右，且多为作物难以利用的无效降雨，7~9月的降水占全年降水的60%，年蒸发量2 644 mm。日照时数3 010 h以上，大于10 ℃的积温3 147.8 ℃，无霜期150 d，最大冻土深115 cm，地下水埋深为18~25 m。试验地块基本土壤情况为：0~70 cm为粘壤土，70 cm以下由粘壤土逐渐转变为沙壤土，130 cm以下又逐渐出现粘壤土。土壤养分指标为：全氮465 mg/kg，速效钾72 mg/kg，有效磷21 mg/kg，水解性氮49 mg/kg，pH值7.86。试验示范基地属民勤县红崖山灌区，灌区国土面积6 792.6 km²，有效灌溉面积44 460 hm²，种植主要作物有小麦、玉米、茴香、瓜类、棉花、蔬菜等，粮食平均产量9.3 t/hm²，经济作物平均产量48 t/hm²。区内灌溉水源原以河水灌溉为主，由于上游来水锐减，逐渐演变成以井水灌溉为主、河水作为补充的井河水混合灌区；随着石羊河流域重点治理项目的实施，上游来水量逐年增加，现又变成地表水灌溉为主、地下水灌溉为辅的混合灌区。灌区内已建成著名的沙漠水库-红崖山水库一座，总库容9 930万m³。

1.2 试验布设

试验于2019年开展，试验选择干旱绿洲区农田生态系统中最典型的两种土地利用方式小麦和玉米，试验地为免耕留茬覆盖（下文中小麦地块和玉米地块分别指小麦免耕留茬覆盖和玉米免耕留茬覆盖两种处理），于2019年11月1日，按照1 200 m³/hm²的灌溉定额分为灌水处理和非灌水处理，对小麦地块灌水与非灌水、玉米地块灌水与非灌水共计4个试验地块进行（表1，图1），对于灌水处理地块，采用图1右侧形式的储水灌溉形式完成。试验地2019年11月至2020年3月逐日气温、土壤温度和土壤水分变化如图2所示，土壤温度与气温变化相一致且波动较大、热量交换频繁，而土壤体积含水率的变化与气温和土壤温度的变化趋势基本一致、波动没有气温剧烈，基本都在2020年1月最低，在2019年11月和2020年3月较高，这种变化趋势同时也影响着冻融时期土壤的呼吸速率。

1.3 土壤呼吸速率的测定

在进行灌水处理后，在不同冻融阶段采用LI-8100土壤碳通量全自动测量系统（Li-8100，Li-Cor Inc．，Lincoln，NE，USA）（图3），对4个地块分为冻结期、冻融期和解冻期三个时期的土壤呼吸速率的日变化进行监测。每个地块都设置3个样方，每个样方内有3个样点，且样方之间的距离大于10 m，每个处理有9个样点，最后取平均值作为本次处理的土壤二氧化碳通量值（图3），冻融前、中和后共计测样点180个。在每次测定时，提前1天将直径20 cm、高13 cm的聚氯乙烯圆柱体测定基座嵌入平均深度约8 cm的土壤中。一般情况下基座经过24 h的平衡后，土壤呼吸速率会恢复到基座放置前的水平，避免因为安置基座造成的对土壤呼吸速率的扰动。

1.4 测量时间的确定

通过东方生态公司生产的土壤水热实时测量仪（智墒ET100）测量土壤冻融时间，得到2019年民勤地区的冻融阶段为2019年11月13日至次年3月17日。根据土壤温度的变化情况分为冻结期、冻融期和解冻期三个时间段^［27］，其中冻结期选择2个时间点：2019年11月10日和12月19日；冻融期选择1个时间点：2020年3月5日；解冻期选择2个时间点：2020年3月18日和4月12日。对这三个时期，各个样地进行观测，分别为地方时：10∶00，12∶00，14∶00，15∶00，16∶00，19∶00，21∶00，23∶00这8个时间段。

2 结果与分析

将整个冻融过程分为冻结期、冻融期和解冻期三个阶段，由于冻结期和解冻期变化更为复杂，故各选择两个时间段分为前段和后段，冻融期只选择一个时间段。冻结期选择2018年11月11日和12月19日分别为冻结期前段和冻结期后段，冻融期选择一个时间点为2019年3月5日，解冻期选择2019年3月18日和4月12日分别为解冻期前段和后段作为研究时间段。按照不同土地利用类型探究不同水分条件下各个阶段的土壤CO₂通量的变化情况，从而揭示冬季储水灌溉在季节性冻融循环条件下土壤二氧化碳通量的改变以及其对干旱绿洲区农田生态系统的影响。对于冻融过程中这三个阶段，土壤呼吸速率变化的揭示，可详细探明在冻融过程中土壤的状况和储水保墒情况，为在后续改善土壤状况、提高作物产量和提高人民生活水平提供理论基础。

2.1 冻结期不同水分条件对土壤CO₂通量的影响

2.1.1 小麦地块

小麦地块解冻期前段的土壤呼吸速率高于后段，在前段灌水与非灌水两种处理的土壤CO₂通量日变化特征基本呈“几”字形，日间温度较高时，土壤CO₂通量也较大，其中，12∶00~16∶00时间段中的土壤CO₂通量最大，土壤呼吸最为活跃。在日间其他时间段，土壤CO₂通量明显低于12∶00~16∶00这一时间段，说明在冻结期温度对土壤CO₂通量影响显著，温度越高土壤CO₂通量越大。在冻结期的前后两个阶段，灌水处理的日均土壤CO₂通量都小于非灌水处理（图4）。

2.1.2 玉米地块

如图5所示，玉米地块冻结期前段土壤CO₂通量大于后段，日间温度较高时，土壤CO₂通量也较大，在14∶00时土壤CO₂通量达到顶峰，土壤呼吸最为活跃，且在最为活跃的时期灌水处理的土壤呼吸速率较非灌水处理高20.77%。在日间其他时间段，土壤CO₂通量明显低于14∶00时，说明在冻结期温度对土壤CO₂通量影响显著，温度越高土壤CO₂通量越大。在冻结期前段，日均土壤CO₂通量灌水处理为0.16 μmolCO₂/（m²·s）大于未灌水的0.12 μmolCO₂/（m²·s），而在后段灌水处理为0.05 μmolCO₂/（m²·s）小于未灌水处理的0.06 μmolCO₂/（m²·s）。

2.1.3 冻结期不同土地利用方式土壤呼吸速率变化规律

在冻结期前段，未灌水处理小麦地块与玉米地块的土壤呼吸都基本呈现“几”字形，12∶00~16∶00土壤呼吸速率最大，分别占全天的69.21%和71.34%。其中，小麦的日平均土壤呼吸速率为0.38 μmolCO₂/（m²·s），玉米为0.12 μmolCO₂/（m²·s），小麦地块的土壤呼吸速率要高出207.15%，且在各个时段小麦地块的土壤呼吸速率均显著高于玉米地块，说明非灌水处理的土壤CO₂通量除了与温度显著相关之外，还跟土地利用方式有关。对于灌水处理的地块，土壤呼吸除了呈尖“几”字形状之外，在14∶00均达到峰值，小麦为0.75 μmolCO₂/（m²·s），玉米为0.25 μmolCO₂/（m²·s），温度对土壤呼吸速率的影响显著。小麦的日平均土壤呼吸速率为0.32 μmolCO₂/（m²·s），玉米为0.16 μmolCO₂/（m²·s），小麦地块的土壤呼吸速率要高出100%，且除了10∶00玉米的土壤呼吸速率略高于小麦，其余各个时段小麦地块的土壤呼吸速率均高于玉米地块，说明不同的土地利用方式土壤呼吸速率也有差异（图6）。

如图7所示，冻结期后段未灌水处理小麦地块与玉米地块日间土壤呼吸随温度变化显著，在14∶00~16∶00时土壤呼吸速率较大，分别占全天的29.71%，44.48%。除10∶00的小麦地块土壤呼吸速率0.07 μmolCO₂/（m²·s），略低于玉米地块的0.09 μmolCO₂/（m²·s），其余时间段小麦地块的土壤呼吸速率均大于玉米地块的，日均呼吸速率小麦为0.14 μmolCO₂/（m²·s），高于玉米地块124.88%，不同土地利用方式对于土壤呼吸速率的有较强的影响。

对于灌水处理的小麦地块和玉米地块，在10∶00时，14∶00时和16∶00时小麦地块的呼吸速率高于玉米地块，其余时间段则低于玉米地块的，说明灌水处理改变了这两种土地利用方式的土壤呼吸速率，使其呈现了不规则的波动。但是，日均小麦地块土壤呼吸速率为0.07 μmolCO₂/（m²·s），玉米地块为0.05 μmolCO₂/（m²·s），日均小麦地块土壤呼吸速率仅高出44.22%，灌水处理和温度的变化共同显著地改变了不同土地利用方式的土壤呼吸速率。

2.2 冻融期不同水分条件对土壤CO₂通量的影响

2.2.1 小麦地块

在冻融期小麦地块灌水处理的土壤呼吸速率显著高于未灌水处理，土壤呼吸速率随温度的变化较为显著，灌水处理对其也有一定的影响。冻融期灌水处理在12∶00时土壤呼吸速率为0.31 μmolCO₂/（m²·s），达到峰值，12∶00~16∶00时土壤呼吸速率占到全天的83.67%；非灌水处理在15∶00土壤呼吸速率为0.20 μmolCO₂/（m²·s），达到峰值，12∶00~14∶00时土壤呼吸速率占到全天的33.00%，说明土壤呼吸速率随温度的变化而显著波动。小麦地块灌水处理的日平均土壤呼吸速率为0.15 μmol CO₂/（m²·s），高于非灌水处理的200%，并且除15∶00时土壤呼吸速率与非灌水处理相同之外，其余时间段的土壤呼吸速率都显著高于非灌水处理。而在冻融期灌水处理显著地改变了小麦地块土壤的水分情况，促使灌水处理的土壤呼吸速率大幅增大，显著高于非灌水处理，在12∶00时灌水土壤呼吸速率达到0.19 μmolCO₂/（m²·s），差距最为显著，高出非灌水处理270%（图8）。

2.2.2 玉米地块

在冻融期，玉米地块灌水处理的土壤呼吸速率显著高于非灌水处理的，土壤呼吸速率随温度的变化较为显著。冻融期灌水处理在15∶00时土壤呼吸速率为0.27 μmolCO₂/（m²·s），达到峰值，12∶00~16∶00时土壤呼吸速率占到全天的80.59%，非灌水处理也在15：00时达到峰值，土壤呼吸速率为0.20 μmolCO₂/（m²·s），12∶00~14∶00时土壤呼吸速率占到全天的72.82%，土壤呼吸速率随温度的变化而显著波动。灌水处理的日平均土壤呼吸速率为0.08 μmolCO₂/（m²·s），高于非灌水处理的100%，并且除19∶00时和21∶00时土壤呼吸速率低于非灌水处理之外，其余时间段的土壤呼吸速率都高于非灌水处理。而在冻融前期，玉米地块灌水与非灌水处理的土壤呼吸速率随着温度变化剧烈波动，在冻融期灌水处理土壤呼吸速率大幅增大，显著高于非灌水处理，在14∶00时土壤呼吸速率达到0.10 μmolCO₂/（m²·s），差距最为显著（图9）。

2.2.3 冻融期不同土地利用方式土壤呼吸速率变化规律

如图10所示，在冻融期，非灌水处理的小麦地块和玉米地块的土壤呼吸速率都处在很低的水平，小麦地块略高于玉米地块，日均土壤呼吸速率分别为0.05和0.04 μmolCO₂/（m²·s），两种土地利用方式的土壤呼吸速率基本一致，但随着温度的波动而变化，在15∶00时达到峰值，峰值都为0.20 μmolCO₂/（m²·s）。灌水处理改变了小麦和玉米地块的土壤呼吸速率特征，小麦地块的日均土壤呼吸速率为0.15 μmolCO₂/（m²·s），玉米地块为0.08 μmolCO₂/（m²·s），小麦地块高于玉米地块。小麦地块峰值出现在12∶00，为0.15 μmolCO₂/（m²·s），玉米地块则出现在15∶00时，为0.27 μmolCO₂/（m²·s），灌水处理后小麦的土壤呼吸速率峰值提前，土壤呼吸速率整体增大了200%，玉米地块峰值没有改变，土壤呼吸速率也同样增大，增大值100%，灌水处理显著增大了冻融期土壤呼吸速率。

2.3 解冻期不同水分条件对土壤CO₂通量的影响

2.3.1 小麦块地

解冻期前段小麦地块灌水与非灌水处理的土壤呼吸速率随温度的变化显著，变化规律也较为一致，最大值都出现在14∶00时，分别为0.70和0.61 μmolCO₂/（m²·s），12∶00~16∶00时土壤呼吸速率分别占到全天的72.63%和66.25%，灌水处理的土壤呼吸速率随温度的变化波动更为显著。灌水处理的日平均土壤呼吸速率为0.44 μmolCO₂/（m²·s），比非灌水处理的0.43 μmolCO₂/（m²·s）略高，灌水处理促使土壤水分发生变化提高了土壤呼吸速率，灌水处理后土壤呼吸速率随着温度的变化波动更为明显，说明早期土壤水分的变化对解冻期小麦地块土壤呼吸速率有一定的影响。解冻期后段灌水与非灌水处理的土壤呼吸速率显著高于前段，伴随着温度的升高，后段的土壤呼吸速率在各个时段都高于前段，土壤呼吸速率对温度的响应明显。解冻期后段小麦地块灌水与非灌水处理的土壤呼吸速率差别较小，灌水处理的日均土壤呼吸速率为1.12 μmolCO₂/（m²·s），略高于非灌水处理的1.11 μmolCO₂/（m²·s），二者同时在16∶00时达到峰值，分别为1.79和1.77 μmolCO₂/（m²·s），峰值较前段有所推后，12∶00~16∶00时土壤呼吸速率分别占到全天的59.72%和60.24%，灌水处理随着温度的波动相对非灌水处理更大（图11）。

2.3.2 玉米块地

如图12所示，对于玉米地块，解冻期前段灌水与非灌水处理的土壤呼吸速率随温度的变化不大，峰值几乎不出现，但二者变化规律却较为一致。灌水处理的日均土壤呼吸速率为0.52 μmolCO₂/（m²·s），高于非灌水处理218.88%，灌水处理显著地提高了土壤呼吸速率。在解冻期后段，玉米地块灌水与非灌水处理的土壤呼吸速率显著高于解冻期前段，伴随着温度的升高，解冻期后段的土壤呼吸速率在各个时段都高于解冻期前段的，土壤呼吸速率对温度的响应明显。

在解冻期后段玉米地块灌水处理的土壤呼吸速率要高于非灌水处理，灌水处理的日均土壤呼吸速率为2.10 μmolCO₂/（m²·s），高于非灌水处理11.63%，灌水处理提高了土壤呼吸速率。灌水与非灌水处理的土壤呼吸速率峰值都出现在16∶00时，灌水处理峰值为4.05 μmolCO₂/（m²·s），非灌水处理为2.87 μmolCO₂/（m²·s），12∶00~16∶00时土壤呼吸速率分别占到全天的61.86%和57.13%。灌水处理与非灌水处理的土壤呼吸速率日间变化规律基本一致，灌水处理随着温度的波动相对非灌水处理更大，对温度的响应更为明显。在解冻期玉米地块的灌水与非灌水处理土壤CO₂整体都表现为源（图12）。

2.3.3 解冻期不同土地利用方式土壤呼吸速率变化规律

如图13所示，解冻期前段未灌水处理的小麦地块与玉米地块土壤呼吸速率的变化基本呈“几”字形，小麦地块的日均土壤呼吸速率为0.43 μmolCO₂/（m²·s），玉米地块为0.16 μmolCO₂/（m²·s），小麦地块高出玉米地块162.24%，且各个时段小麦地块的土壤呼吸速率均显著高于玉米的。小麦地块峰值出现早于玉米地块，小麦地块的峰值出现在14∶00时，为0.65 μmolCO₂/（m²·s），玉米地块出现在15∶00时，为0.45 μmolCO₂/（m²·s），土壤呼吸速率对温度的响应跟土地利用方式密切相关。

而对于灌水处理，小麦地块土壤呼吸速率曲线呈尖“几”字形状，在14∶00均达到峰值，峰值为0.75 μmolCO₂/（m²·s），日均土壤呼吸速率为0.44 μmolCO₂/（m²·s），低于玉米地块的0.52 μmolCO₂/（m²·s），除14∶00时和15∶00时外，其余时段均低于玉米地块的土壤呼吸速率，说明灌水处理显著地提高了玉米地块的土壤呼吸速率，玉米地块灌水处理土壤呼吸速率峰值出现在14∶00时，峰值为0.67 μmolCO₂/（m²·s），灌水处理促使玉米地块对温度有了更为显著的响应，随着温度的升高显著升高，升高程度要高于小麦地块的。解冻期前段非灌水处理土壤呼吸速率小麦地块高于玉米地块，灌水处理后玉米地块高于小麦地块，玉米地块土壤呼吸速率的提高快于小麦地块的，说明同样的气温、水分条件下，不同的土地利用方式对土壤呼吸速率具有一定的影响（图13）。

如图14所示，解冻期后段灌水处理小麦地块与玉米地块日间土壤呼吸速率随温度变化显著，且两种土地利用方式随温度的波动情况较为一致，在12∶00~16∶00时土壤呼吸速率较大，分别占全天的60.24%和57.13%。未灌水处理的小麦地块的土壤呼吸速率整体小于玉米地块，小麦地块的日均土壤呼吸速率为1.12 μmolCO₂/（m²·s），低于玉米地块67.62%。小麦地块和玉米地块的日间土壤呼吸速率变化趋势基本一致，峰值都出现在16∶00时，小麦峰值为1.77 μmolCO₂/（m²·s），玉米为2.87 μmolCO₂/（m²·s），峰值高出小麦地块62.15%，玉米地块土壤呼吸速率随温度的升高更为明显，解冻期后段不同土地利用方式对温度的响应程度区别较大，不同土地利用方式对于土壤呼吸速率有较强的影响。

对于灌水处理的地块，玉米地块日平均土壤呼吸速率为2.1 μmolCO₂/（m²·s），高于小麦地块89.51%，玉米地块土壤呼吸速率明显高于小麦地块，说明灌水处理改变了这两种土地利用方式土壤呼吸速率，玉米地块的土壤呼吸速率对水分变化的响应比小麦地块明显。两种地块的土壤呼吸峰值都出现在16∶00时，小麦地块的峰值为1.79 μmolCO₂/（m²·s），玉米地块为4.05 μmolCO₂/（m²·s），12∶00~16∶00时土壤呼吸速率分别占全天的59.72%和61.86%。两种土地利用方式的土壤呼吸速率随温度的变化而显著波动，玉米地块随温度的变化波动更为明显（图14）。

3 讨论

3.1 冻结期

在冻结期，小麦地块除个别时间段外，其余时段未灌水处理的土壤呼吸速率均大于灌水处理，未灌水处理日均土壤呼吸速率高于灌水处理35.22%，说明冻结期灌水处理对土壤呼吸具有抑制作用。对于玉米地块，灌水处理的土壤呼吸速率由前段的大于未灌水转为后段小于未灌水，在冻结期灌水处理对玉米地块土壤呼吸同样具有抑制作用。冻结期温度对土壤呼吸速率影响显著，温度越高土壤CO₂通量越大，这与朱文煜等^［24］的研究成果一致，灌水处理对冻结期土壤呼吸速率有抑制作用。

冻结期小麦地块的土壤呼吸速率显著高于玉米地块，土壤呼吸速率随着土壤温度的变化而显著变化，且变化趋势一致。对不同土地利用方式，灌水与非灌水处理小麦地块的土壤呼吸速率均高于玉米地块，不同的土地利用方式对土壤呼吸速率影响较为显著。冻结期后段，对于灌水处理，除极个别时段小麦呼吸速率高于玉米外，其余时段都低于玉米地块，灌水处理改变了这两种土地利用方式的土壤呼吸速率。未灌水处理小麦地块日均土壤呼吸速率高于玉米地块124.88%，而灌水处理仅高出44.22%，灌水处理的玉米地块土壤呼吸速率上升速度较快，灌水处理和温度的变化共同显著地改变了两种地块的土壤呼吸速率，不同土地利用方式对于土壤呼吸速率的有较强的影响，研究成果与辛贵民等^［25］对土壤呼吸对温度的响应研究一致。灌水处理促使玉米地块的土壤呼吸速率快速增加。在冻结期，小麦地块和玉米地块的灌水与非灌水处理土壤CO₂整体都表现为源^［26］。

3.2 冻融期

冻融期小麦和玉米地块灌水处理的土壤呼吸速率显著高于未灌水处理，土壤呼吸速率随温度的变化较为显著，灌水处理对小麦地块土壤呼吸速率具有促进作用。灌水处理促使土壤呼吸速率大幅增大，且温度越高促进作用越明显^［25-26］。

对于不同的土地利用方式，非灌水处理小麦地块和玉米地块的土壤呼吸速率处在很低的水平，小麦地块略高于玉米地块，灌水处理促使小麦地块日均土壤呼吸速率高出玉米地块87.52%。且灌水处理后小麦的土壤呼吸速率峰值提前，土壤呼吸速率整体增大了200%，玉米地块峰值没有改变，土壤呼吸速率也同样增大100%，灌水处理显著增大了冻融期土壤呼吸速率，且随着温度的变化波动更加剧烈^［27］。在冻融期小麦地块和玉米地块的灌水与非灌水处理的土壤CO₂整体都表现为源^［26］。

3.3 解冻期

小麦地块在解冻期前段灌水处理的日均土壤呼吸速率比非灌水处理略高，灌水处理提高了土壤呼吸速率，促使随温度的变化更为明显，灌水处理对解冻期小麦地块土壤呼吸速率有促进作用。解冻期后段灌水与非灌水处理的土壤呼吸速率显著高于前段的，伴随着温度的升高，后段的土壤呼吸速率在各个时段都高于前段，土壤呼吸速率对温度的响应明显。灌水处理日间呼吸速率随温度的波动相对非灌水处理更大，灌水处理对土壤呼吸具有促进作用。玉米地块，解冻期前段灌水处理的土壤呼吸速率略高于非灌水处理，灌水处理促使土壤水分发生变化，显著地提高了土壤呼吸速率，但二者随温度的变化规律却较为一致。在解冻期后段玉米地块灌水处理的土壤呼吸速率要高于非灌水处理，灌水处理有效地提高了土壤呼吸速率^{［24-25，27］}。灌水处理随着温度的波动相对非灌水处理更大，对温度的响应更为明显。

解冻期前段非灌水处理的土壤呼吸速率小麦地块高于玉米地块，灌水处理后玉米地块高于小麦地块，不同土地利用方式对土壤呼吸速率具有一定的影响，玉米地块土壤呼吸速率上升量大于小麦地块的，不同土地利用方式对温度和水分的响应程度不同。解冻期后段玉米地块土壤呼吸速率随温度的升高更为明显，不同土地利用方式对于土壤呼吸速率的有较强的影响^［27］。在解冻期前段小麦地块的土壤呼吸速率高于玉米地块，后期温度持续升高后玉米地块的土壤呼吸速率显著升高，其呼吸速率超过了小麦地块，土壤呼吸速率随着温度的变化而显著改变。灌水处理会显著提高解冻期土壤呼吸速率。不同的土地利用方式对水分和温度的响应程度不同，玉米土壤呼吸速率对水分的变化响应比小麦明显，玉米地块土壤呼吸速率提高要快于小麦地块。在解冻期，小麦地块和玉米地块的灌水与非灌水处理的土壤CO₂整体都表现为源^［26］。

4 结论

1） 储水灌溉在季节性冻融交替循环作用下，会促使干旱绿洲区农田生态系统的土壤呼吸速率增强，增加土壤向大气中排放的二氧化碳，改变了干旱绿洲区农田生态系统的碳循环。

2） 在水分与季节性冻融循环叠加作用下，干旱绿洲区农田生态系统内灌水处理的土壤二氧化碳通量对比未灌水土壤具有随着温度的波动更加剧烈，呈现出峰值更高、谷值更低的趋势。

3） 在干旱绿洲区农田生态系统的冻融循环过程中，土壤呼吸速率随温度变化而剧烈波动，且变幅很大。在水分的作用下，土壤呼吸速率呈现出解冻期大于冻结期大于冻融期的规律，早春冻土融化阶段的土壤呼吸速率要明显高于深冬冻结期的呼吸速率。不同的土地利用方式，对水分和温度的响应程度不同，土壤二氧化碳通量均值未灌水小麦地块比玉米地块高出33.60%，灌水处理高出56.08%。

4） 冻融循环期土壤CO₂整体都表现为源，灌水与未灌水处理的小麦和玉米地块在冻结期、冻融期和解冻期三种时期内土壤CO₂都表现为源。在夜间极低温度时，土壤呼吸速率变为负值，促使二氧化碳由源转化为汇。

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基金资助

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甘肃省水利科学试验研究及推广计划项目(［2021］71号)

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