灌溉方式对旱区农田温室气体排放影响的Meta 分析

2023-09-07宋娟娟高晓东蔡耀辉于流洋宋小林李昌见赵西宁

灌溉排水学报 2023年8期

宋娟娟，高晓东，蔡耀辉，于流洋，宋小林，李昌见，赵西宁

（1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；3.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100；4.西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100）

0 引言1

【研究意义】自1750 年以来，大气中CO2、N2O、CH4等温室气体浓度增加速度较快，预计到21世纪末，全球平均温度将上升2 ℃[1]。农业生产作为温室气体的重要排放来源，产生的温室气体排放量约占全球温室气体排放量的13%，其中农业排放的CO2、N2O、CH4排放量分别占人类活动温室气体排放量的18%、52%、84%[2-3]，因此，农业管理措施对减少温室气体排放具有重要意义。在干旱和半干旱地区，节水灌溉技术（如滴灌、喷灌等）迅速发展。截至2020 年底，我国节水灌溉面积已经达到5.67 hm2[4]，灌溉方式带来土壤水分的动态变化差异影响土壤温度、养分及微生物活性[5]，因此可能会对土壤CO2、N2O、CH4排放产生影响[6]。

【研究进展】棉花漫灌的土壤CO2排放量明显小于滴灌[7-8]；但也有研究[9]表明，马铃薯盆栽试验中漫灌与滴灌2 种灌溉方式下土壤CO2排放通量无显著差异；亦有研究[10]发现，冬小麦滴灌方式下土壤CO2排放量会显著小于漫灌处理。出现较大差异可能是由于土壤环境因子及灌溉制度不同，进而影响土壤微生物活性及土壤呼吸。同时有关灌溉方式对N2O 和CH4排放影响的研究结果[9-13]也发现了一些不一致的结论。因此，在农田生态系统温室气体排放研究中必须对相关结果进行有效的整合分析，明确灌溉方式对温室气体排放的影响，进而明确其出现差异的原因。

Meta 分析是对同一主题下的多项研究结果运用统计学手段进行整合分析的一种方法，该方法可以综合多项独立研究的数据，系统分析相关处理的影响指标，对其研究成果进行定量评价，有效地避免单一研究所得结论的片面性。【切入点】目前，国内外关于不同灌溉方式的Meta 分析主要集中在水分利用效率和产量[14-16]，农田管理措施对温室气体排放效应的Meta 分析大多集中在耕作[17-19]、施肥[20-21]、秸秆还田[22-23]、生物炭[24-26]等方面，而灌溉方式对温室气体排放方面的综合分析大多基于稻田CH4[23,27]或N2O 排放[28]，针对旱区不同灌溉方式下温室气体排放的Meta 分析较少。

【拟解决的关键问题】因此，本研究采用Meta分析方法，研究不同灌溉方式对CO2、N2O、CH4的影响，探讨造成不同灌溉方式下温室气体排放产生差异的关键驱动因素，为了解灌溉方式对温室气体排放的影响和缓解旱区农田温室气体排放提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究通过对 Web of Science（https://www.webofscience.com/ ）和中国知网（https://www.cnki.net）数据库进行检索，收集了截至2021 年9 月国内外发表的有关灌溉方式对温室气体排放和作物产量影响的田间和设施试验论文，中文检索词包括“灌溉方式”或“滴灌”或“地下滴灌”或“喷灌”或“沟灌”或“漫灌”和“温室气体”或“CO2”或“N2O”或“CH4”（英文检索词包括Irrigation method, Drip irrigation, Subsurface drip irrigation, Sprinkler irrigation, Furrow irrigation, Flood irrigation, Greenhouse gas, CO2、N2O、CH4）等及其组合，共检索到中文文献4 506 篇，英文文献5 494 篇。

与滴灌相比，地下滴灌的N2O 排放量没有显著差异，但是沟灌、漫灌、喷灌的N2O 排放量显著增加，这与Kuang 等[53]、王广帅[37]、Ye 等[54]、张亚捷等[55]研究结果一致。N2O 排放主要是由硝化和反硝化作用产生，其排放强度与土壤充水孔隙度有明显关系：土壤充水孔隙度较低时，硝化作用占主导；随着土壤充水孔隙度增加，土壤孔隙逐渐被水充满，阻碍了O2在土壤中的扩散，形成土壤厌氧环境，反硝化作用增强，土壤N2O 排放通量增加；当土壤WFPS增加到大于60%时，硝化和反硝化细菌共同作用产生的N2O 最多[56]。滴灌和地下滴灌的水分主要聚集在滴头附近，而后横向及纵向入渗，其在表层土壤的平均含水率远低于沟灌、漫灌和喷灌，而表层土壤是N2O 排放的重要来源[57]，所以沟灌、漫灌、喷灌的N2O 排放量明显高于滴灌和地下滴灌。

对检索到的文献按以下筛选标准进行筛选：①试验为田间原位观测试验且监测作物整个生育期的温室气体排放；②文中详细描述试验地点、时间、试验设计和水分管理等基本信息；③文献研究结果互相具有独立性，重复发表的文献选择最早发表的予以纳入，其余排除；④文献至少包括2 种灌溉方式，排除水稻田；⑤文中要给出排放通量或累积排放量，对于原文中没有给出的，笔者依据生育期内平均排放通量与累积排放量的关系进行推算。根据筛选标准初步筛选后获得文献118 篇，符合筛选文献经过全文浏览后纳入的文献数量43 篇，另外根据以上标准筛选文献时，符合“包括漫灌或沟灌或喷灌或地下滴灌的，同时又包含2 种或2 种以上灌溉方式下的温室气体排放”标准的文献较少，唯有以滴灌作为对照组纳入的文献数量较多，因此根据文献中灌溉方式的不同对筛选的数据进行分类，以滴灌为对照组，漫灌、喷灌、沟灌、地下滴灌为试验组，同一研究的不同处理组合被认为是不同数据组；若为多年试验，则不同年份的测量值也被认为是不同数据组，最终获得37 篇文献（中文19 篇，英文18 篇），178 组数据。

为了更直观地反映灌溉方式对农田土壤温室气体排放效应，将效应值转化为变化率（Z）：

提取的信息包括：①试验的基本信息：试验地点、年平均降水量、年平均气温、作物类型和试验处理；②土壤性质：土壤质地、pH 值、土壤水分及硝态氮、铵态氮；③目标数据：试验期间各处理的土壤温室气体排放通量及累积排放量平均值、样本量、标准差（standard deviation，SD），对于文献中没有给出SD的研究，则SD假定为平均值的1/10[29-30]。文献中的数据有4 种呈现形式：文字描述、表格、折线图与柱状图。对文字描述及表格中的数据直接提取；对以折线图与柱状图呈现的数据，则采用GetData Graph Digitizer 2.20 软件进行提取。

1.2 数据分析

利用OpenMEE 软件进行整合分析，反应比的自然对数（lnRR）作为效应值，计算式为：

式中：Xt、Xc分别为试验组（漫灌、喷灌、沟灌、地下滴灌）和对照组（滴灌）中温室气体排放量的平均值；lnRR是无单位指数，其正负值表示温室气体排放量随灌溉方式的变化而增加或减少。

调查结果显示，有待进一步提高的知识包括跨学科知识、专业基础知识、研究方法论知识、专业前沿知识等。分别有42.5%和22.5%的学生认为要提高专业前沿知识和研究方法论知识；另有17.5%和12.5%学生认为应该提高跨学科知识和专业基础知识。其中，大部分学生把专业前沿知识看做最需要提高的知识。在课程设置时，如果没有按照学生的知识结构合理整合课程知识内容，将会降低应有的知识覆盖面。在能力提升方面，大多数学生认为创新能力和解决问题能力有待提高。从目前高校对学生培养情况看，这两种能力的确也是当今大学生最欠缺的。

灌溉方式会改变土壤水分分布，进而影响土壤通气性、土壤温度和养分（图4）。表层土壤是温室气体排放的重要来源，表层土壤的通气性、温度、养分（硝态氮、铵态氮、可溶性有机碳）对根系呼吸和微生物活性有着重要的影响，进而会影响土壤温室气体排放。

式中：St、Sc分别为试验组（漫灌、喷灌、沟灌、地下滴灌）和对照组（滴灌）中温室气体排放量的标准差，Nt、Nc分别为试验组（漫灌、喷灌、沟灌、地下滴灌）和对照组（滴灌）中温室气体排放量的样本量。

为了确定灌溉方式对温室气体排放的总体响应，选择混合效应模型计算累积效应值（lnRR+）：

式中：ωi为第i个研究的权重，Li为第i个研究的效应值。

灌溉作为重要的农田管理措施，不仅可以在水分亏缺时补充水分满足作物生长需求，还会补给土壤养分促进微生物活动，加快有机碳分解，从而影响根系生长和土壤碳排放[37]。一般来说，灌溉农田释放的CO2较雨养农田增加约13%[38]。Meta 分析结果表明，与滴灌相比，喷灌显著增加了CO2排放，这与Wang 等[39]、Guardia 等[40]的研究结果一致。这是因为与滴灌相比，喷灌水分辐射的有效范围更大，在覆盖区域水分均匀喷洒在表层土壤[36]，而后由表层入渗至深层；而滴灌水分主要聚集在滴头附近的土壤，以此为中心横向及纵向入渗，因此喷灌的表层土壤充水孔隙度高，且灌溉的有效范围大[36]，可以促进作物的生长发育、土壤微生物的活动[41-42]、根系呼吸和根系生物量的增加[43]，从而提高土壤CO2排放。滴灌、地下滴灌会造成土壤部分干燥、部分湿润的干湿交替现象频繁发生，随着干湿交替次数的增加，土壤中可获得的有机质库受到限制，微生物的代谢底物减少，使土壤的湿润脉冲减少，土壤碳、氮矿化量降低[38]，另外，Borken 等[44]研究发现，在干旱、半干旱地区，湿润脉冲对碳、氮矿化有显著影响，有机质库随着干旱持续时间和强度的增加而增大，由于漫灌和沟灌灌水周期长，干旱持续时间和强度增加，因此长期干燥的土壤遇水湿润后，土壤有机质矿化和微生物活性增强，从而导致滴灌和地下滴灌的CO2排放量低于漫灌和沟灌。但是当漫灌、沟灌一次灌水量过大时，其土壤湿度过高、土壤通气性降低[45]，使得土壤中O2的扩散受到限制，微生物活动受到一定程度的抑制[9]，导致土壤CO2排放量相对降低。因此，与滴灌相比，漫灌和沟灌的土壤CO2排放量虽然不同，但并没有显著差异。

2 结果与分析

2.1 灌溉方式对农田土壤温室气体排放量的影响

温室气体排放量对不同灌溉方式的响应如图1所示。由图1 可知，灌溉方式对CO2排放量有显著影响（p<0.05）。与滴灌相比，喷灌显著增加了CO2排放量（p<0.05），其平均效应值为0.352，其他3 种灌溉方式的CO2排放量与滴灌的差异不显著（p>0.05）。灌溉方式显著影响 N2O 排放量（p<0.05）。与滴灌相比，沟灌、漫灌、喷灌显著增加了N2O 排放量（p<0.05），其平均效应值分别为0.549、0.246、0.329；滴灌和地下滴灌的N2O 排放量无显著差异（p>0.05）；不同灌溉方式农田N2O 排放量排序为：沟灌>喷灌>漫灌>滴灌=地下滴灌。灌溉方式对CH4排放量无显著影响（p>0.05）。旱区灌溉方式对CH4排放量的影响不显著，且基本保持吸收状态。图中的数值代表数据样本数，点和误差线分别代表效应值及其95%的置信区间，*表示在p<0.05 水平下显著相关。

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图1 温室气体排放量对不同灌溉方式的响应Fig.1 The response of greenhouse gas emissions to different irrigation methods

2.2 不同灌溉方式下土壤环境因子与CO2 排放通量相关性分析

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图2 不同灌溉方式下CO2与土壤环境因子的相关性Fig.2 The correlation of carbon dioxide with soil environmental factors under different irrigation methods

2.3 不同灌溉方式下土壤环境因子与N2O 排放通量相关性分析

不同灌溉方式下土壤N2O 排放通量与土壤NO3-、NH4+、土壤温度T、土壤WFPS的相关性如图3 所示，喷灌方式下的NO3-、NH4+无法提取动态观测数据，无法进行相关性分析，故部分处理无相关分析图。由图3 可知，沟灌方式下，土壤N2O 排放通量与土壤NO3-负相关，但并不显著（p>0.05）；与土壤NH4+表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.09；与土壤温度表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.03；与土壤WFPS表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.14，对解释沟灌方式下N2O 排放通量变化的贡献较大。漫灌方式下，土壤N2O 排放通量与土壤NO3-正相关，但并不显著（p>0.05）；与土壤NH4+表现为显著的正相关关系（p<0.05），R2为0.06；与土壤温度表现为极显著的负相关关系（p<0.01），R2为0.07；与土壤WFPS表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.08。喷灌方式下，土壤N2O 排放通量与土壤温度负相关，但并不显著（p>0.05）；与土壤WFPS表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.13，对解释喷灌方式下N2O 排放通量变化的贡献较大。地下滴灌方式下，土壤N2O 排放通量与土壤NO3-表现为显著的正相关关系（p<0.05），R2为0.68，对解释地下滴灌方式下N2O 排放通量变化的贡献较大；与土壤 NH4+和土壤温度负相关，但并不显著（p>0.05）；与土壤WFPS表现为显著的负相关关系（p<0.05），R2为0.05，对解释地下滴灌方式下N2O 排放通量变化的贡献较小。滴灌方式下，土壤N2O 排放通量与土壤NO3-表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.06；与土壤NH4+表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.11，对解释滴灌方式下N2O 排放通量变化的贡献较大；与土壤温度负相关，但并不显著（p>0.05）；与土壤WFPS表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.09。灌溉方式影响土壤N2O 排放通量与土壤NO3-、NH4+、土壤温度T和土壤WFPS的相关性。

图3 不同灌溉方式下N2O 与土壤环境因子的相关性Fig.3 The correlation of nitrous oxide with soil environmental factors under different irrigation methods

3 讨论

单个效应值对应的研究内方差（VlnRR）的计算式为：

图4 灌溉方式影响温室气体排放的过程Fig.4 Processes influencing impacts of irrigation method on greenhouse gas emissions

水分是影响温室气体排放的重要环境因子。图5是漫灌、沟灌、喷灌、滴灌及地下滴灌的土壤剖面水分分布示意图。由图5 可知，漫灌后整个计划湿润层的土壤含水率几乎都处于田间持水率；沟灌借助重力和毛管力作用，使水分向沟底和两侧沟壁入渗[31]，与漫灌相比湿润体体积变小，地面湿润面积缩小，再分布后土壤剖面平均含水率降低；喷灌能够控制灌水量和灌水时间，均匀湿润地表土壤，水分以颗粒状快速进入土壤并下渗，含水率分布相对均匀[32]；滴灌和地下滴灌均为局部灌溉，滴灌仅湿润植株附近的土壤表层，其湿润体呈半椭圆状[33-35]，与传统灌溉（漫灌、沟灌）相比，土壤蒸发减少，土壤养分大多储存在土壤表层，减少了养分淋溶，与喷灌相比，滴灌的水分全部滴入滴头附近的土壤，水分大量堆积，使得水分辐射的有效范围较小[36]；地下滴灌通过埋于地下的滴灌管直接将水肥灌入作物根系活动层，再通过毛管力及重力湿润周围土体，其湿润体呈椭圆状[35]，土壤表层保持干燥，有效减少地表蒸发损失。地下滴灌较滴灌湿润体内水分增加，以滴头为中心在土壤湿润体内呈高含水率区。

图5 不同灌溉方式下土壤水分剖面分布示意图Fig.5 The schematic diagram of soil water profile distribution under different irrigation methods

根据95%置信区间来判断结果的显著性，如果95%置信区间包含0，说明Meta 分析的结果不显著，即对照组和试验组的差异不显著。如果95%置信区间不包含0，认为Meta 分析结果显著：若95%置信区间的最小值大于0，表示试验组显著提高了温室气体排放；若其最大值小于0，则表示试验组显著降低了温室气体排放。

不同的灌溉方式会通过调整水分分布来改变土壤蒸发，进而对土壤温度造成影响，土壤温度的升高会提高植物和微生物呼吸作用及促进土壤有机质降解为可溶性有机碳（微生物的重要能量来源），提高微生物活性，进而导致CO2排放增加。在一定范围内，土壤水分和温度的升高会增强微生物的繁殖及代谢能力，提高微生物活性，从而促进土壤CO2排放，关于CO2排放的相关性分析也表明，随着土壤温度增加，CO2排放也会显著增加[46-47]。CO2排放与土壤WFPS表现出不同的相关关系，这可能是因为漫灌方式灌水量大，表层土壤WFPS接近饱和，土壤WFPS越高，土壤通气性越差，因此漫灌方式下CO2排放与土壤WFPS负相关；而滴灌CO2排放与土壤WFPS负相关的原因可能是因为某些试验区气温或太阳辐射较高，使得在土壤WFPS较低的情况下也呈现高CO2排放。同时，相关性分析发现，CO2排放与土壤NO3-正相关，这与周晓丽等[48]、李晓密等[49]研究结果一致，可能是因为土壤NO3-为植物和微生物生长提供了所需的N 素，使得根系呼吸和微生物活动增强，从而促进了CO2排放；CO2排放与土壤NH4+负相关，这与杜世宇[50]、王鸿飞[51]研究结果一致，可能是因为土壤NH4+大部分被微生物自身繁殖利用[52]，形成了其他复杂化合物，并没有产生CO2。

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不同灌溉方式下土壤CO2排放通量与土壤NO3-、NH4+、土壤温度T、土壤充水孔隙度（Water Filled Pore Space，WFPS）的相关性如图2 所示，沟灌和地下滴灌下的NO3-、NH4+及漫灌方式下的土壤温度无法提取动态观测数据，无法进行相关性分析，故部分处理无相关分析图。由图2 可知，沟灌方式下，土壤CO2排放通量与土壤温度正相关，但关系并不显著（p>0.05）；与土壤WFPS表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.31，对解释沟灌方式下CO2排放通量变化贡献较大。漫灌方式下，土壤CO2排放通量与土壤NO3-表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.39，对解释漫灌方式下CO2排放通量变化的贡献较大；与土壤NH4+表现为显著的负相关关系（p<0.05），R2为0.11；与土壤WFPS负相关，但关系并不显著（p>0.05）。地下滴灌方式下，土壤CO2排放通量与土壤温度表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.57，对解释地下滴灌方式下CO2排放通量变化的贡献较大；与土壤WFPS正相关，但关系并不显著（p>0.05）。滴灌方式下，土壤CO2排放通量与土壤NO3-表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.43，对解释滴灌方式下CO2排放通量变化的贡献较大；与土壤NH4+表现为显著的负相关关系（p<0.05），R2为0.10；与土壤温度表现为极显著的正相关关系（p<0.01），R2为0.64，对解释滴灌方式下CO2排放通量变化的贡献较大；与土壤WFPS表现为显著的负相关关系（p<0.05），R2为0.03。不同灌溉方式下土壤CO2排放通量与土壤NO3-正相关，与土壤NH4+负相关，与土壤温度T正相关；灌溉方式影响土壤CO2排放通量与土壤WFPS的相关性。

土壤温度和土壤WFPS是影响N2O 排放的关键驱动因素[58]，一般来说，随着土壤温度和土壤WFPS增加，N2O 的排放速率提高[54,59-61]，然而相关性分析发现，地下滴灌方式下N2O 排放通量与土壤WFPS负相关，这可能是因为提取的土壤数据多为0～20 cm表层土壤数据，土壤充水孔隙度受灌溉的影响不显著。另外，相关性分析发现沟灌方式下N2O 排放通量与土壤温度显著正相关，漫灌、喷灌、滴灌、地下滴灌方式下N2O 排放通量与土壤温度负相关，这与江雨倩[62]、王艳丽[63]得出的试验结果类似，可能是因为漫灌、喷灌、滴灌、地下滴灌方式下均有个别试验在试验前期施用基肥，使得土壤温度逐渐上升期间，N2O 排放逐渐降低。NH4+和NO3-分别是硝化和反硝化作用的重要底物，NH4+水解后为硝化过程提供底物，而硝化过程的产物NO3-又可以直接参与反硝化过程[64]，在土壤中添加铵态氮或硝态氮之后，硝化过程和反硝化过程协同发生，会加快N2O的排放速率[49,57]。

出现上述情况，究其原因，主要还是部分单位对宣传工作的重要性认识不足，思想观念存在偏差。一些基层领导存在“重业务轻宣传”的思想倾向，把宣传工作作为一项软任务，没有认识到宣传工作是基层工作的重要组成部分，导致宣传工作没有领导抓、没有具体人做。

本研究利用Meta 分析方法对不同灌溉方式下的CO2、N2O、CH4排放量进行了初步整合及定量分析，并针对不同灌溉方式产生的环境因子差异来进行与温室气体排放的相关性分析，可以在一定程度上反映灌溉方式对温室气体排放的影响机制，但也存在局限性：灌溉的温室气体排放受多种因素影响，这些因素之间存在一定的交互作用，本研究仅对土壤NO3-、NH4+、土壤温度及土壤WFPS进行分析，而其他会对温室气体排放产生影响的因素，如可溶性有机碳、pH 值、微生物量及活性等没有涉及；另外，尽管本研究搜集了37 篇符合所有筛选条件的文献，但分类到不同灌溉方式下进行相关性分析时的数据较少甚至缺乏，未来的田间试验工作可增加滴灌、漫灌处理以及对环境因子的长期监测，这样可以对不同灌溉方式下温室气体排放的差异进行更为客观的量化，以便为缓解农田温室气体排放提供参考依据。

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