华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统中咸水灌溉对土壤呼吸及碳平衡的影响

《Agronomy》：Effects of Saline Water Irrigation on Soil Respiration and Carbon Balance in the Winter Wheat–Summer Maize Rotation System in the North China Plain

　　

咸水灌溉是应对农业水资源短缺的潜在策略，但其对土壤呼吸与碳平衡的影响尚不清楚。为阐明这些效应并促进咸水资源的安全利用，研究人员于2024—2025年在冬小麦-夏玉米轮作系统中设置5个灌溉水盐度水平ECiw：1.3、3.4、7.1、10.6和14.1 dS·m?1（即1、2、4、6、8 PSU；1000、2000、4000、6000、8000 mg·L?1）开展研究。结果表明，咸水灌溉在小麦季引起盐分累积，而在玉米季发生盐分淋洗。当ECiw ≤ 3.4 dS·m?1时，两作物干物质积累、水分生产率（WP）及碳排放效率（CEE）均无显著下降；当ECiw > 3.4 dS·m?1时，轮作系统作物产量与净碳输入（NEP）受显著抑制。咸水灌溉下小麦季平均土壤呼吸速率降低4.1%—25.2%，玉米季降低7.4%—30.7%。小麦土壤呼吸与土壤盐度及pH负相关，与土壤水分正相关（p < 0.01）；玉米土壤呼吸与盐度负相关（p < 0.01），与土壤水分（p < 0.05）及温度（p < 0.01）正相关。熵权TOPSIS模型确定3.4 dS·m?1为维持该轮作系统产量与碳汇功能的适宜灌溉盐度阈值。

研究背景与立项依据

全球农业用水占比超70%，华北平原（North China Plain, NCP）作为我国粮仓面临淡水资源短缺与浅层咸地下水（2—5 g·L^?1，约3.4—8.7 dS·m^?1）富集的矛盾。咸水灌溉可补水但引入盐分，改变水盐分布与理化性质，而现有研究多聚焦单季作物，缺乏对冬小麦-夏玉米年轮作系统的长期观测。联合国粮农组织（FAO）给定小麦耐盐阈值6.0 dS·m^?1、玉米仅1.7 dS·m^?1，且小麦季残盐滞后至玉米季加重敏感作物胁迫。同时，咸水灌溉对农田土壤呼吸（Rs）及碳平衡调控机制存在“抑制微生物降碳”与“改水热条件增排”的争议。该研究基于此，在河北衡水旱作节水农业试验站以田间定位试验明确轮作系统响应，成果发表于《Agronomy》。

主要技术方法概括

研究人员依托2006年起的长期固定站点田间试验，于2024—2025年设CK（1.3 dS·m^?1深井淡水）及T1—T4（3.4、7.1、10.6、14.1 dS·m^?1，由深井水混海盐配制）5个处理，随机区组3重复，每小区57 m²，冬小麦‘衡麦4399’与夏玉米‘郑单958’周年双作。水分管理采用畦灌（小麦120 mm分2次、玉米苗期60 mm）。观测指标含0—1 m土层重量法含水量与EC_1:5换算EC_e盐度、LI-8100A红外分析仪测0—0.1 m表层温湿度及PVC环（Φ0.2 m）周测Rs、生物量烘干法算干物质与产量、水量平衡方程算作物耗水（CWC）与WP、梯形积分Rs得累积碳排放（CE）、以NPP×45%减异养呼吸（Rm=CE×0.865）算净碳输入（NEP）及碳排放效率（CEE），并以熵权TOPSIS对7项指标（0—1 m水盐、产量、WP、CEE、单位水碳排放、NEP）求相对贴近度C_i选优。

研究结果

3.1 咸水灌溉对土壤水分与盐度的影响

同生育期0—1 m土层SM随EC_iw升高而增，小麦季呈盐累积（成熟期较播期EC_e升10.4%—39.1%）、玉米季降雨淋洗盐下移（0—1 m EC_e降5.0%—24.9%，盐分累至1 m以下），T2—T4处理盐度显著区别于CK。

3.2 对产量与水分生产率的影响

干物质、产量、CWC、WP均随盐度线性下降；EC_iw≤3.4 dS·m^?1（T1）时小麦产量仅降4.3%、玉米降8.9%，不显著。产量降5%阈值小麦3.4、玉米2.5、轮作2.8 dS·m^?1；WP降5%阈值小麦4.3、玉米2.7、轮作3.1 dS·m^?1，印证小麦耐盐性强于玉米及残盐滞后效应。

3.3 对土壤呼吸及表层环境因子的响应

表层SM、温度随盐度微升，EC_e与pH显著升；Rs峰值出现在灌雨後，平均Rs小麦季降4.1%—25.2%、玉米季降7.4%—30.7%。相关分析示小麦Rs与SM极显著正、与EC_e及pH极显著负；玉米Rs与温度极显著正、与SM显著正、与EC_e极显著负。

3.4 对碳排放效率与碳平衡的影响

CE随盐度降；CEE小麦T1略升1.1%后降，玉米持续降（T4降41.8%）；单位水碳排放（WP_CE）各处理降但部分不显著；Rm、NPP、NEP均降而NEP全处理>0（系统仍为碳汇），T1的NEP较CK仅降1.7%不显著，T2起显著缩水（T4降74.7%）。

3.5 熵权TOPSIS综合评价

7指标加权贴近度排序T1>CK>T2>T3>T4，T1（3.4 dS·m^?1）最优，定为轮作适宜灌溉盐阈值。

讨论部分总结

讨论指出小麦季两灌积盐、玉米季少灌多雨致淋洗，长期≤3.4 dS·m^?1可维持根区盐输入输出平衡；高盐损孔隙结构抑根生长故减产，小麦耐盐高于玉米使线性阈值分化。Rs受盐度负向调控源于底物限制与微生物生物质碳受抑，小麦季水分主导、玉米季温度主导因湿季微生物对温敏更强。CEE降因产量降幅大于CE降幅；适宜盐度下NPP稳、Rm降、NEP保正，系统碳汇不破。TOPSIS选3.4 dS·m^?1虽超FAO玉米阈值1.7但依托NCP雨养淋洗与年际残盐动态平衡实可行，且灌溉引入盐源自区域浅层咸水可回归含水层，不构成地下水环境净恶化。文末建议旱期补淡水配合秸秆覆盖等农艺措施。

结论部分翻译

研究结果表明，咸水灌溉导致小麦季盐分累积、后续玉米季以淋洗为主。高盐度灌溉阻碍作物生长并负面影响冬小麦与夏玉米水分生产率。灌溉水盐度升高使两季土壤呼吸速率与累积碳排放逐步下降。小麦季土壤呼吸与土壤水分正相关，受盐度及pH抑制；玉米季主要受土壤温度与水分正向、盐度负向调控。EC_iw≤3.4 dS·m^?1时轮作系统碳排放效率与产量稳定无显著降；超此值则净碳输入显著下降。综合水盐、水碳效率、产量及碳汇稳定性，推荐3.4 dS·m^?1为适宜灌溉水盐度阈值。受方法限制深层渗漏以经验公式估参，后续需长期定位监测精化水平衡。