灌溉方式对小麦-玉米轮作系统土壤呼吸及碳周转的差异化调控机制

本研究针对传统地表灌溉(SI)与地下滴灌(SSDI)对土壤呼吸(RS)及其组分(异养呼吸RH和根际呼吸RR)影响的认知空白，通过华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统的田间试验，揭示了SSDI通过延迟小麦季RS峰值、提升玉米季RH的差异化调控规律，首次阐明SSDI加速土壤碳周转的生态风险，为优化灌溉策略与全球碳预算评估提供理论依据。

　　

在全球气候变化与水资源短缺的双重压力下，农业灌溉方式的优化成为平衡粮食安全与生态可持续性的关键。土壤呼吸(R_S)作为陆地生态系统第二大碳通量，其微小波动即可显著影响大气CO₂浓度。尽管传统地表灌溉(SI)对R_S的影响已有较多研究，但作为节水技术代表的地下滴灌(SSDI)如何通过改变土壤水分三维分布来调控R_S组分(异养呼吸R_H和根际呼吸R_R)，仍是制约农业碳汇评估准确性的关键瓶颈。更棘手的是，现有模型常假设R_H与R_R对环境变化具有一致性响应，这种简化可能严重低估灌溉转型对土壤碳库的长期影响。

针对这一科学难题，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心的研究团队在华北平原典型冬小麦-夏玉米轮作系统开展为期一年的控制试验。研究设置无灌溉(NI)、SI和SSDI三种处理，采用LI-8100A土壤碳通量系统监测R_S动态，通过深环法分离R_H组分，结合γ模型计算累积通量，并整合土壤温湿度传感器网络与根系采样数据，系统解析不同灌溉方式下碳周转的驱动机制。

3.1 灌溉方式对土壤呼吸组分的季节调控
研究发现SSDI使小麦季R_S峰值较SI延迟出现，累积量降低15%，主要归因于浅层土壤水分减少导致的R_R抑制；而在玉米季，SSDI反而使R_S提升21%，这源于优化后的土壤通气条件促进R_H。年度尺度上，SSDI与SI的R_S总量无显著差异，但SSDI使碳周转速率提升34%，暗示其可能削弱土壤碳汇功能。

3.2 环境因子的差异化响应
温度敏感性(Q₁₀)分析显示，SSDI处理下R_S的Q₁₀(2.2)显著高于SI(1.9)，表明气候变暖可能放大SSDI对R_S的促进作用。值得注意的是，R_H与R_R对水分的响应阈值存在显著分离：SSDI使R_H的最适土壤含水量提升至23%，而R_R仅在18%时达到峰值。

3.3 产量与碳周转的权衡
尽管SSDI在小麦季实现"节水减排双赢"(产量提升12%而R_S降低)，但在玉米季却呈现"高产高排"特征，其单位产量碳排放较SI增加19%。这种季节不对称性提示，单纯扩大SSDI应用可能加速土壤有机质分解，需配合玉米季水分精准调控。

该研究首次揭示SSDI通过"降低小麦季R_R-提升玉米季R_H"的双路径调控碳周转的机制，挑战了"节水灌溉必然减排"的传统认知。发现R_H与R_R对灌溉方式的异步响应规律，为改进地球系统模型中碳循环参数化方案提供实验依据。研究强调在推广SSDI时，需针对作物类型制定差异化水分管理策略，例如小麦季可优先采用SSDI，而玉米季需控制灌溉量以平衡生产与固碳需求。这些发现发表于《Agricultural Water Management》，对实现"双碳"目标下的农业绿色转型具有重要指导价值。