不同耕作措施對西北綠洲灌區冬小麥農田土壤呼吸的影響

于愛忠，黃高寶，柴強

（甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州730070）

土壤呼吸是土壤中的微生物、動物、植物部分釋放CO2的過程。其在調控大氣CO2濃度和氣候動態中起著重要作用。土壤呼吸與生態系統生產力、土壤肥力以及全球的碳循環有密切關系［1，2］。農田生態系統在陸地生態系統中占據著重要地位，同時也是受人類活動影響最大的生態系統之一。在農田尺度上，農業生產過程顯著影響著土壤生態過程，很多研究結果證明，土壤溫度［3］、土壤濕度［4］、土壤微生物狀況［5］、氮肥［6］等是影響土壤呼吸的關鍵因子。近年來，耕作措施對土壤呼吸的影響及其機制成為國內外學者關注的熱點。以少免耕、秸稈覆蓋為核心技術的保護性耕作措施在減少水土流失［7］，改善土壤環境［8］方面發揮著積極作用。已有研究證明，耕作方式對農田土壤CO2排放具有顯著影響，且表現出明顯的季節性排放特征［9］。免耕條件下土壤呼吸速率顯著低于翻耕和旋耕處理［10］；深耕結合秸稈還田有利于減少農田土壤CO2排放［11］。但這些研究大多探討了耕作措施下土壤呼吸變化特征，而對其機制的研究較為薄弱。在西北干旱綠洲灌區，不同耕作措施下土壤呼吸研究甚少，影響了區域內不同土壤耕作措施生態效應的系統評價。本研究在多年定位試驗的基礎上探討了冬小麥農田土壤呼吸對不同耕作措施的響應和對土壤水熱因子的敏感性，以期為區域內發展生態保護型農作制模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2008年9月－2009年7月在甘肅省武威市涼州區黃羊鎮甘肅農業大學教學實驗場的多年定位試驗（始于2004年）上進行。該地區位于甘肅河西走廊東端（37°30′N，103°5′E），屬冷溫帶干旱區，是典型的大陸性氣候，日照充足，平均海拔1 776m，降水年際變化不大，但季節變化較大，多年平均降水量160mm左右，主要集中在7－9月份，冬春季干旱，降水無法滿足作物生長的需要。年蒸發量2 400mm，干燥度5.85，年平均氣溫7.2℃，1月最低平均氣溫－27.7℃，7月最高平均氣溫34.0℃，≥0℃年積溫3 513.4℃，≥10℃年積溫2 985.4℃。全年無霜期156d，年日照時數2 945h。土壤以荒漠灌淤土為主，粉沙壤質，土層深厚。試驗布設前耕層（0～30 cm）速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為64.42，3.06和243.08mg／kg，有機質含量為15.70g／kg，土壤容重為1.08g／cm3。

1.2 試驗設計

田間試驗采用隨機區組設計，設置3個處理，3次重復。小區長27m，寬4m。試驗處理為：1）傳統耕作處理（T）：前茬作物收獲后深耕（25cm）滅茬、耙耱整平；不覆蓋。2）免耕不覆蓋處理（NT）：前茬作物收獲后免耕，不覆蓋。3）免耕秸稈覆蓋處理（NTS）：前茬作物收獲后免耕并將秸稈切碎為5cm長度覆蓋。秸稈覆蓋量為6 750 kg／hm2。

試驗冬小麥（Triticumaestivum）品種為甘肅省張掖市農業科學研究所引進的強冬性品種繁13，凈度98%，發芽率95%，純度96%。2008年9月18日用甘肅農業大學工學院研制的免耕覆蓋施肥播種機播種，播量337.5 kg／hm2，行距15cm，播深6cm。基肥施肥量為施純N 192kg／hm2、P2O5138kg／hm2，折合磷二銨300kg／hm2，尿素300kg／hm2。拔節初期結合灌水追施磷酸二銨150kg／hm2，尿素225kg／hm2；抽穗期結合灌水追施磷酸二銨45kg／hm2，尿素75kg／hm2。試驗期間灌越冬水1 800m3／hm2、拔節水1 200m3／hm2、抽穗水1 050m3／hm2和灌漿水900m3／hm2，全生育期灌水量為4 950m3／hm2。3個處理播種、施肥、灌水同步進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤呼吸速率 采用CFX－2土壤CO2通量系統（PP SYSTEM，Amesbury，Hitchin）測定。日變化分別在冬小麥返青至成熟期的前、中、后期測定，每次觀測從8：00開始至次日6：00，每隔1h測定1次，每小區隨機選擇觀測點，重復3次；生育期變化分別于3月28日（返青期）、4月19日（拔節期）、5月10日（孕穗期）、6月3日（開花期）、6月21日（灌漿期）和7月11日（成熟期）測定，每次測定從8：00－18：00，每隔1h測定1次，連續觀測3d，求平均值作為該生育時期土壤呼吸速率。

1.3.2 土壤溫度 測定土壤呼吸的同時，采用曲管地溫計觀測每小區5，15和25cm深處的土壤溫度。

1.3.3 土壤含水率 測定土壤呼吸生育期變化的同時，采用烘干法［12］測定每小區0～10，10～20和20～30cm

土壤含水率，0～30cm的土壤含水率為以上3個層次的平均值。

1.4 計算和數據分析

統計分析均采用SPSS 13.0完成。土壤呼吸過程的敏感性采用Q10來描述，它是溫度每增加10℃土壤呼吸速率增加的倍數。當溫度和土壤呼吸之間的關系用指數函數擬合時，Q10就可以用式（1）［13］估算出來：

式中，b為溫度響應系數。

2 結果與分析

2.1 不同耕作措施下土壤呼吸的日變化和生育期動態變化

一般地，1d之內，早晨土壤呼吸隨著土壤溫度的升高而增加，在中午或半下午時達到高峰，下午和整個夜間都隨溫度的降低而下降［14］。本研究結果表明（圖1，2），3種耕作措施土壤呼吸速率存在明顯的變化規律，均呈單峰曲線，且免耕秸稈覆蓋（NTS）峰值出現時間滯后于免耕不覆蓋（NT）和傳統耕作（T）處理。以冬小麥返青期土壤呼吸速率日變化為例（圖1），NTS處理峰值出現在15：00，達到1.49μmol／（m2·s），而NT和T處理峰值均出現在14：00，分別達到1.42和1.55μmol／（m2·s），3種耕作措施最低值均出現在4：00－5：00，各處理22：00至次日6：00無明顯差異。不同耕作措施土壤呼吸速率冬小麥生育期動態變化結果表明（圖2），3種耕作措施土壤呼吸速率存在明顯變化規律，也呈單峰曲線，各處理峰值均出現在冬小麥開花期（6月3日），NTS、NT和T處理土壤呼吸速率分別達到2.72，1.52和2.20μmol／（m2·s），說明各處理土壤呼吸速率的峰值均出現在冬小麥生長的旺盛時期。

2.2 不同耕作措施下土壤呼吸速率的影響

不同耕作措施土壤呼吸速率日變化及生育期變化均值結果表明（圖3），無論是土壤呼吸日變化均值還是生育期動態變化均值，NT處理土壤呼吸速率顯著低于NTS和T處理（P＜0.05）。對土壤呼吸日變化均值而言，NTS和T處理分別較NT處理高14.13%和9.68%；對土壤呼吸生育期均值動態變化而言，NTS和T處理分別較NT處理高43.01%和33.33%。這主要是因為免耕結合秸稈還田，顯著增加了土壤有機質含量［15］，使有機質分解釋放的CO2對土壤呼吸的貢獻增加；T處理中，由于機械的翻耕作用改善了土壤耕層通透性，加速了土壤有機質的分解，進而提高了土壤呼吸速率。

圖1 不同耕作措施土壤呼吸速率日變化Fig.1 Diurnal variations of soil respiration rate under different tillage

2.3 不同耕作措施下土壤呼吸對土壤溫度和濕度變化的敏感性

在農田生態系統尺度上，土壤呼吸和溫度之間的關系可以用指數函數、線性函數、二次函數和冪函數等形式表達［16］。而土壤濕度對土壤呼吸的直接影響是通過影響根和微生物的生理過程，對土壤呼吸的間接影響是通過影響呼吸底物和氧氣的擴散［2］。本研究中采用指數函數（Rs＝aebT）擬合了不同耕作措施下土壤呼吸速率（Rs）與土壤溫度（T），并通過指數函數中的參數b計算了土壤呼吸對土壤溫度的敏感性（Q10）。結果表明，3種耕作措施土壤呼吸速率與5cm處的土壤溫度呈顯著的正相關關系（P＜0.01），而與15和25cm處土壤溫度相關不顯著。不同處理土壤呼吸（Rs）與5cm處土壤溫度（T）擬合方程及土壤呼吸對土壤溫度的敏感性（Q10）如表1所示。3種耕作措施下土壤呼吸速率很大程度上決定于土壤溫度（5cm），土壤溫度解釋了土壤呼吸速率日變化的78.15%～96.60%。3種耕作措施下土壤呼吸對土壤溫度的敏感性依次為NT＞NTS＞T，敏感性（Q10）在1.93～3.00。采用拋物線擬合了不同耕作措施土壤呼吸速率（Rs）與耕層（0～30cm）土壤含水率（θ）之間的關系，結果表明（表2），3種耕作措施下土壤呼吸對土壤含水量不敏感，其中，以傳統耕作表現最不敏感，土壤含水量僅解釋了土壤呼吸季節變化的15.31%～25.26%。說明在西北綠洲灌區，不同耕作措施條件下，土壤呼吸對土壤濕度變化不敏感。

圖2 不同耕作措施土壤呼吸速率生育期變化Fig.2 Dynamics of soil respiration rate under different tillage during growth period

圖3 不同耕作措施土壤呼吸速率日變化和生育期變化均值Fig.3 Average rate of diurnal and seasonal soil respiration under different tillage

3 討論

3.1 不同耕作措施對土壤呼吸的影響

許多研究結果表明，土壤呼吸表現出很強的日變化和季節變化規律，韓廣軒和周廣勝［17］總結了國內外一些研究結果，發現土壤呼吸作用的日變化多呈單峰型曲線。劉爽等［14］在山西壽陽地區研究得出，土壤呼吸速率日變化峰值出現在11：30－13：30，季節峰值出現在7月上旬至中旬；鄧愛娟等［18］在華北平原研究認為冬小麥農田土壤呼吸日變化峰值出現在12：30－14：30。林同保等［19］研究認為冬小麥各生育時期CO2通量日變化均呈倒“U”型。本研究得出，3種耕作措施下冬小麥農田土壤呼吸日變化和冬小麥生育期變化呈明顯的單峰曲線，日變化峰值出現在14：00－15：00，生育期變化峰值出現在6月上旬。由此說明不同生態背景下，農田土壤呼吸變化峰值基本出現在中午或午后，而季節變化峰值則出現在氣溫相對較高也是作物生長旺盛的夏季。

表1 不同處理土壤呼吸速率（Rs）與土壤溫度（T）擬合方程及土壤呼吸對土壤溫度的敏感性（Q10）Table 1 Fitted equation of soil respiration rate（Rs）with soil temperature（T）and temperature sensitivity of soil respiration rate（Q10）

表2 不同處理土壤呼吸速率（Rs）與土壤含水率（θ）擬合方程Table 2 Fitted equation of soil respiration rate（Rs）with soil water content（θ）

張宇等［9］研究認為耕作方式對冬小麥農田土壤CO2排放具有顯著影響；江曉東等［10］研究認為翻耕條件下農田土壤呼吸速率顯著高于免耕。本研究比較了免耕秸稈覆蓋、免耕不覆蓋和傳統翻耕條件下冬小麥農田土壤呼吸速率，發現無論是土壤呼吸日變化均值還是季節變化均值，免耕秸稈覆蓋和傳統耕作條件下土壤呼吸速率均顯著高于免耕不覆蓋處理，這說明秸稈覆蓋或翻耕均能增加土壤碳排放。這主要是因為免耕秸稈覆蓋處理中秸稈還田增加了土壤有機質含量，使有機質分解釋放的CO2對土壤呼吸的貢獻增加，而對于傳統耕作而言，由于機械的翻耕作用改善了土壤耕層通透性，加速了土壤有機質的分解，進而提高了土壤呼吸速率。

3.2 土壤呼吸對土壤水熱因子的敏感性

土壤呼吸受許多因子的交互影響，盡管很難將它們的作用區分開來。土壤溫度和濕度作為2個影響土壤呼吸的主要因子，Raich和Schlesinger［20］總結前人研究結果發現土壤呼吸對溫度的敏感性值（Q10）一般在1.3～3.3變化。Philip等［4］研究認為，傳統耕作中土壤CO2通量與表層（6.5cm）土壤含水率顯著相關。本研究發現，3種耕作措施下土壤呼吸對土壤溫度（5cm）的敏感性值（Q10）在1.93～3.00，這與Raich和Schlesinger［20］的研究結果一致；同時江曉東等［10］研究也認為翻耕、旋耕、耙耕和免耕4種土壤耕作模式中土壤呼吸速率與5cm土壤溫度的相關性最大。不同耕作措施對溫度的敏感性依次為免耕不覆蓋＞免耕秸稈覆蓋＞傳統耕作，這一結果與代快等［21］的研究結果一致。很多野外測量結果表明，土壤濕度只有在最低或最高的情況下才會抑制土壤CO2通量［2］。從本研究結果來看，3種耕作措施下土壤呼吸速率對土壤濕度均不敏感，說明在此研究條件下，土壤水分尚未達到影響土壤呼吸的閾值。有關作物根系時空分布、土壤有機質、土壤空隙對農田土壤呼吸的影響及其機制有待進一步深入研究。

4 結論

在西北綠洲灌區，免耕秸稈覆蓋、免耕不覆蓋和傳統耕作措施下冬小麥農田土壤呼吸日變化峰值出現在14：00－15：00，生育期變化峰值出現在6月上旬。從冬小麥返青至成熟，免耕秸稈覆蓋和傳統翻耕處理土壤呼吸平均速率分別較免耕不覆蓋處理高43.01%和33.33%。土壤濕度對冬小麥農田土壤呼吸影響不顯著，不同耕作措施下土壤呼吸主要受土壤溫度的控制。

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