灌溉转为旱作对土壤有机碳动态的影响：碳输入减少主导土壤碳平衡变化

《Plant and Soil》：Shifts in soil organic carbon dynamics during the transition from irrigated to dryland cropping systems

本研究针对半干旱地区因水资源短缺导致的灌溉退耕趋势，探讨了其对土壤有机碳（SOC）储存的潜在影响。研究人员通过三年田间试验，比较了连续玉米和连续小麦系统在灌溉与旱作条件下的碳输入、土壤呼吸（Rs）组分及SOC形成。结果表明，灌溉退耕主要通过减少作物生产力（碳输入）而非直接抑制微生物呼吸（Rh）来影响SOC动态，其中玉米系统的响应更为显著。研究强调，选择能最小化生物量下降的种植系统对缓解SOC损失至关重要。

　　

在全球水资源日益紧张的背景下，半干旱地区的农业灌溉面积预计将逐步缩减，转为依赖自然降水的旱作系统。这一转变对维持和提升土壤有机碳（SOC）储量构成了挑战，因为灌溉通常能提高作物产量，从而增加归还土壤的有机物质。然而，灌溉退耕究竟如何影响土壤碳的“收支平衡”——即碳输入与碳输出的动态变化——尚不明确。人们普遍预期碳输入会减少，但碳输出，特别是由微生物分解作用主导的异养呼吸（Rh）将如何响应，其内在机制仍知之甚少。是土壤水分减少直接抑制了微生物活性，还是作物减产导致的“食物”短缺间接影响了微生物？解答这些问题，对于预测和管理灌溉退耕后的土壤碳库变化至关重要。

为了揭示这一谜题，研究人员在美国科罗拉多州立大学农业研究发展教育中心开展了一项为期三年的田间试验。他们精心设计了试验方案，比较了两种作物（连续玉米和连续小麦）在两种水分管理模式（灌溉与旱作）下的表现。试验不仅测量了作物生物量和碳输入，还创新性地设置了不同年限的休闲小区（年度休闲和长期休闲），以精确区分土壤呼吸（Rs）中的自养呼吸（Ra，主要来自植物根系）和异养呼吸（Rh，主要来自微生物分解）。此外，研究还运用了土壤有机碳物理分组（分为颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC））和稳定碳同位素（δ¹³C）自然丰度技术，来追踪新碳（来自当期作物）的固定和旧碳（土壤原有碳）的分解动态。

本研究综合运用了田间试验与室内分析相结合的方法。关键技术与方法包括：1） 田间试验设计：采用随机区组设计，设置灌溉与旱作处理下的连续玉米和连续小麦系统，并布设年度休闲和长期休闲小区以区分土壤呼吸组分；2） 生物量与碳输入量化：测量作物地上部和地下部生物量，并分析其碳含量和δ¹³C值；3） 土壤呼吸监测：使用便携式红外气体分析仪（LI-8100）定期测量不同小区（种植区、年度休闲区、长期休闲区）的土壤CO₂通量，并同步记录土壤温度和体积含水量；4） 土壤有机碳库分析：在试验初期和末期采集土壤样品，通过物理分组方法分离水提取有机碳（WEOC）、POC和MAOC，并利用元素分析-稳定同位素比值质谱法（EA-IRMS）测定各组分碳含量和δ¹³C值；5） 碳动态估算：基于δ¹³C混合模型计算新形成SOC和残留旧SOC的量。

生物量生产和碳输入

灌溉退耕对玉米生物量生产和碳输入产生了强烈影响。旱作玉米的碳输入比灌溉处理减少了2.4倍以上，这主要源于地上部生物量的大幅下降（减少约2.96倍），而根系生物量减少幅度较小（减少约1.47倍）。与之形成对比的是，灌溉退耕对冬小麦生产的影响较小且不总是显著，灌溉仅使小麦地上部残留物产量平均增加16%，两个生长季的总碳输入在处理间无显著差异。

土壤呼吸动态和累积通量

尽管玉米碳输入大幅减少，但对土壤呼吸（Rs）的影响相对较小，且效应随时间变化。灌溉退耕降低了玉米的Rs，但这主要与自养呼吸（Ra）的减少有关。而异养呼吸（Rh）仅在试验第三年，即碳输入差异累积两个生长季后，才在灌溉玉米中显著高于旱作玉米（高出约20%）。在长期休闲小区（无新碳输入），灌溉处理并未影响土壤碳输出。对于小麦，由于水分输入和作物生产力差异较小，灌溉对Rs各组分的影响微乎其微。进一步分析表明，玉米年度休闲小区的Rh与土壤含水量无显著相关性，支持了Rh变化主要由基质可用性驱动而非直接受水分限制的观点。

SOC库、组分和同位素组成的变化

经过三个生长季，不同处理间的总SOC储量未发现显著差异，但同位素分析揭示了SOC动态的差异。在灌溉玉米的种植区，土壤δ¹³C值显著富集，更接近玉米植株的同位素特征，表明有新碳输入并形成SOC。而在旱作玉米种植区，则未检测到显著的新碳形成。物理分组显示，颗粒有机碳（POC）对管理措施响应迅速，在所有处理的长期休闲区均显著下降。在灌溉玉米中，发现了由玉米形成的新POC和新的矿物结合有机碳（MAOC）证据，但在旱作玉米中，仅在上层土壤检测到新POC，未发现新MAOC的形成。小麦系统中，仅在旱作条件下检测到新的、小麦来源的SOC。

SOC组成的变化

基于同位素混合模型的估算表明，灌溉显著增加了玉米来源的新SOC形成量（0-10厘米土层），而旱作玉米则几乎没有新SOC形成。同时，各处理在种植区和长期休闲区均观测到旧SOC的损失，但损失量不受灌溉、作物类型或有无植物的显著影响。这意味着，灌溉退耕主要通过影响新碳的形成而非改变旧碳的分解来影响SOC动态。

本研究通过整合土壤呼吸组分测量和碳同位素示踪技术，清晰地揭示了灌溉退耕影响土壤有机碳（SOC）动态的主导机制。结果表明，从灌溉系统转为旱作系统后，SOC的变化主要受作物生产力下降导致的碳输入减少所驱动，而非土壤水分减少对微生物呼吸（Rh）的直接抑制。这种响应在水分需求高的玉米系统中尤为明显。短期内，碳输入锐减而Rh响应滞后，可能导致SOC，特别是活性较高的颗粒有机碳（POC）库的净损失。从长远看，由于新碳（尤其是形成较稳定矿物结合有机碳（MAOC）的碳）输入不足，SOC库的平衡将难以维持。因此，在选择灌溉退耕后的替代种植系统时，优先考虑那些能够最大限度维持生物量生产的系统（如某些多年生作物或根系发达的作物），对于减缓SOC损失、维持土壤健康和生产可持续性具有关键意义。这项研究为半干旱农业区在水资源约束下如何管理土壤碳提供了重要的科学依据。