保護性耕作對黃土旱塬箭筈豌豆地土壤呼吸的影響

杜珊珊, 楊 倩, 張清平, 王 濤, 沈禹穎

(1.草地農業系統國家重點實驗室， 甘肅 蘭州 730020； 2.蘭州大學 草地農業科技學院, 甘肅 蘭州 730020)

保護性耕作對黃土旱塬箭筈豌豆地土壤呼吸的影響

杜珊珊1,2, 楊 倩1,2, 張清平1,2, 王 濤1,2, 沈禹穎1,2

(1.草地農業系統國家重點實驗室， 甘肅 蘭州 730020； 2.蘭州大學 草地農業科技學院, 甘肅 蘭州 730020)

摘要：[目的] 揭示保護性耕作對土壤呼吸的影響，為旱區保護性農業的發展提供理論依據。 [方法] 采用多通道土壤碳通量系統監測傳統耕作(T)、傳統耕作+秸稈覆蓋(TS)、免耕(NT)和免耕+秸稈覆蓋(NTS)下箭筈豌豆(Vicia sativa)地的土壤呼吸速率。 [結果] 各措施下花期呼吸速率比收獲期高10.45%～45.09%，NTS處理下土壤呼吸速率最低別比TS，NT和T處理顯著減少39.17%，21.37%和30.25%(p<0.01)。耕作處理(T，TS)下日均土壤呼吸速率高于免耕處理(NT，NTS)(p>0.05)。晴天土壤呼吸變化呈單峰曲線，最大值出現在14:00。耕作下土壤呼吸速率與氣溫顯著線性相關，免耕下(NT，NTS)與氣溫呈指數關系(p<0.01)。不同耕作措施間氣溫敏感性Q10值大小依次為：T(1.97)>NT(1.62)>TS(1.58)>NTS(1.52)。 [結論] 免耕加秸稈還田處理對減少溫室氣體排放有一定的貢獻。

關鍵詞：保護性耕作; 箭筈豌豆; 土壤呼吸; 大氣溫度

土壤呼吸指土壤向大氣排放CO2的過程，是土壤有機碳輸出的主要形式[1]，主要包括植物根系呼吸、微生物呼吸、土壤動物呼吸和土壤含碳物質化學氧化釋放CO2[2]等過程。土壤呼吸作為影響大氣中CO2濃度的一個重要因素，已經成為當今研究全球氣候變暖的一個熱點問題。土壤呼吸的變化主要受環境因素、植物生長以及人為活動的影響。研究土壤呼吸的連續變化以及影響因素，是準確預測未來氣候變化條件下土壤呼吸變化的關鍵。許多研究表明，土壤呼吸與溫度具有良好的相關性，在多種不同類型的生態系統中，土壤呼吸速率往往都是隨溫度增加而增大[3]，其響應方程有多種類型，包括指數方程、線性方程、二次方程和邏輯斯蒂方程等[4]。為了定量描述土壤呼吸與溫度間的關系，土壤呼吸的溫度敏感性(Q10)成為重要參數被引用。耕作措施會改變土壤性質和作物生長條件，從而影響到土壤呼吸速率。研究表明，免耕降低土壤呼吸速率和排放通量[5]；而在玉米田的試驗發現免耕土壤呼吸速率高于傳統耕作[6]。與傳統耕作相比，各種覆蓋措施都能不同程度地降低土壤呼吸[7]；但官情等人[8]的研究發現秸稈覆蓋在全生育期能夠提高6.6%～10.2%的土壤呼吸速率。從以往的研究看，關于免耕與翻耕、秸稈覆蓋措施對土壤呼吸影響的研究尚無定論，且目前對于長期連續原位監測耕作措施對土壤呼吸影響的研究尚未見報道。因此，本研究在多年定位試驗的基礎上，以玉米(Zeamays)—冬小麥(Triticumaestivum)—箭筈豌豆(Viciasativa)輪作系統為對象，探討保護性耕作對箭筈豌豆主要生育期土壤呼吸的影響，評價不同耕作措施對降低或減緩土壤CO2排放的貢獻，以期為黃土高原旱作農業發展生態保護型農作制模式、確定該區保護性農業的發展方向提供理論依據。

1材料與方法

1.1　試驗地概況

試驗地位于蘭州大學慶陽黃土高原試驗站(東經107°51′，北緯35°39′)，在甘肅省慶陽市西峰區什社鄉境內，屬于隴東黃土高原中部，海拔1 298 m。年降雨量480～660 mm，全年降雨60%以上，多集中在7—9月，年蒸發量1 100～1 500 mm，年日照時數2 300～2 700 h，年均氣溫8～10 ℃，極端最高氣溫達到39.6 ℃，極端最低氣溫-22.4 ℃，無霜期150～190 d，土壤為黑壚土。

1.2　試驗設計

保護性耕作試驗始于2001年，共設4個耕作處理：傳統耕作(T)，傳統耕作+秸稈還田(TS)，免耕(NT)，免耕+秸稈還田(NTS)，每個處理4個重復，完全隨機區組排列，共16個小區，小區面積為4 m×13 m。傳統耕作處理分別于作物收獲后和播種前各耕作1次，耕深30 cm左右；免耕處理除播種時采用聯合作業的免耕播種機播種外，其余時間不擾動土壤。秸稈還田處理均采用前茬作物秸稈作為覆蓋物。作物生長期間定期人工除草。

作物輪作序列為玉米—冬小麥—箭筈豌豆。在4月上中旬播種玉米(播量300 kg/hm2，行間距40 cm)，9月中下旬收獲，玉米收獲后立即播種冬小麥(播量187 kg/hm2，行間距20 cm)，翌年6月底收獲，箭筈豌豆(播量75 kg/hm2，行間距25 cm)在小麥收獲后立即播種，10月中旬收獲。為消除不同年份作物生長的差異，使3種作物在同一輪作周期、同一序列內同時出現，采用雙序列設計。玉米和冬小麥播種時均以磷二銨(含氮18%，P2O546%)為底肥，玉米拔節期、冬小麥返青期追尿素(含氮46%)300和150 kg/hm2，箭筈豌豆播種時施用磷肥。

1.3　土壤呼吸的測定

土壤呼吸速率測定采用LI-8 150～16多通道土壤碳通量測量系統(LI-COR，Linco ln，NE，USA)。測定前將直徑為20 cm，高10 cm的土壤呼吸底座(PVC)埋入土壤中，露出地面5 cm與氣室緊密接觸(定期除去底座PVC環內的一切活體)。為了減少安置測定基座PVC環對土壤系統的破壞，在測定基座安置24 h后再進行測定，從而避免了由于安置氣室基座PVC環對土壤擾動而造成的短期呼吸速率波動。選擇在2012年9月19日(箭筈豌豆花期)至2012年10月15日(箭筈豌豆收獲期)進行連續測定。大氣溫度測定采用Campbell Scientific氣象站(CR200 Datalogger)。

1.4　數據統計分析

采用SPSS 17.0軟件進行統計分析，對4種耕作處理下土壤呼吸速率進行單因素方差分析，采用線性模型和非線性模型擬合土壤日呼吸速率與大氣溫度的回歸方程。用Excel軟件進行圖形制作。

1.4.1溫度敏感性指數Q10的計算當溫度和土壤呼吸之間的關系用指數函數擬合時，Q10可用公式(1)估算：

Q10=e10b

(1)

式中：Q10——表示溫度每增加10 ℃時土壤呼吸速率增加的倍數；b——溫度響應系數。

1.4.2土壤碳排放量的計算土壤碳排放量的計算公式為：

生育期的土壤碳排放量(kg/hm2)=土壤呼吸速率〔g/(m2· d)〕×作物生育期天數/1.036 8[9]

2結果與分析

2.1　箭筈豌豆生長期溫度和降水變化

箭筈豌豆在花期至收獲期的平均氣溫最高達17.9 ℃，最低為8.2 ℃，溫差為9.7 ℃。降水主要出現在9月20日和25日，且導致了平均溫度的降低。少量降水在9月21日和24日(圖1)。

圖1　箭筈豌豆生長期間日均氣溫與日降水量

2.2　箭筈豌豆生育期內土壤呼吸速率的季節變化

不同耕作處理下箭筈豌豆于花期至收獲期的土壤呼吸變化規律基本一致，花期(9月19—20日)各處理下的土壤呼吸速率達到最高，以NTS處理下的土壤呼吸速率最低，TS處理下土壤呼吸速率最高，比NT處理顯著高出81.12%(p<0.05)，是NTS處理的2倍，與NT處理相比差異不顯著(p>0.05)；收獲期(10月4日)，NTS處理下土壤呼吸速率依然顯著低于其他處理，分別是TS，NT，T處理的60%，42.19%，53.75%(p<0.05)，2個時期相比，T，NT，TS，NTS花期的土壤呼吸平均速率分別比收獲期同處理下高出10.45%，11.23%，15.53%和45.09%。9月20—21日和25日，箭筈豌豆土壤呼吸速率有急劇下降，這是由于陰雨天氣，致使田間持水量升高，抑制了土壤生物和根的呼吸，限制了氣體的運動。各處

理下土壤呼吸速率與日平均大氣溫度變化基本一致(圖2)。

圖2　保護性耕作下箭筈豌豆花期至

2.3　花期箭筈豌豆土壤呼吸速率日動態

通過晴天(10月1日)和陰天(10月8日)來分析土壤呼吸速率的日動態規律。在晴天早晨，隨著溫度的上升，各處理下土壤呼吸速率隨之增大，在14：00出現最大值，此時以NTS的土壤呼吸速率最低，為2.59 μmol/(m2·s)，由低到高依次為：NT〔2.95 μmol/(m2·s)〕

圖3　晴天和陰天的土壤呼吸速率日變化

2.4　花期至收獲期箭筈豌豆土壤C排放量

從花期至收獲期，各處理下箭筈豌豆土壤C排放量均達3 kg/hm2以上，其中TS處理下土壤C排放量最高，達5.08 kg/hm2，NTS處理下最低，為3.09 kg/hm2，分別比TS，NT和T處理顯著低了39.17%，21.37%和30.25%(p<0.01)。可見，在一個連續測量的生育期內，免耕加秸稈覆蓋措施對減少土壤C排放具有一定的貢獻(圖4)。

2.5　土壤呼吸日變化對大氣溫度的響應

運用線性和指數模型分別對各處理下土壤日呼吸變化與具有極顯著相關性的大氣溫度進行擬合，線性和指數模型都能較好地描述土壤日呼吸與溫度的關系，其中在T，TS處理下，線性模型的決定指數R2(69.9%，63.6%)均高于指數模型(60.1%，57.8%)，說明線性模型對實測點的估測的可靠程度大于指數模型；而在兩個免耕處理(NT，NTS)下，線性模型的決定指數R2(60.3%，61.5%)分別低于指數模型(69.3%，74.3%)，說明免耕處理下溫度與呼吸的關系趨于復雜(表1)。Q10值是衡量土壤呼吸的溫度敏感性指數，Q10值越高表明土壤呼吸速率對溫度的依賴性越大，指數模型的Q10值大小依次為：T(1.97)>NT(1.62)>TS(1.58)>NTS(1.52)，各處理下指數模型所獲Q10值均低于線性模型，但無論是由線性模型還是指數模型其Q10值均變動于1.52～2.51。

圖4　保護性耕作下箭筈豌豆花期至收獲期的土壤C排放量

處理回歸方程Q10FsigR2TY=0.401+0.092X2.5148.7250.0000.699Y=0.619e0.068X1.9736.7070.0000.636TSY=0.788+0.079X2.2033.0800.0000.601Y=0.952e0.046X1.5830.0880.0000.578NTY=0.596+0.059X1.8033.4250.0000.603Y=0.703e0.048X1.6235.1290.0000.615NTSY=0.626+0.048X1.6249.6550.0000.693Y=0.712e0.042X1.5263.4550.0000.743

3討 論

許多研究表明，土壤呼吸具有明顯的日變化和季節變化，韓廣軒和周廣勝[10]綜述了國內外已有研究發現土壤呼吸作用的日變化多呈單峰型曲線，生長旺盛期土壤呼吸速率高于生育初期和后期。江曉東等[11]報道冬小麥/夏玉米一年兩熟灌溉農田中，作物花期土壤呼吸速率均高于收獲期，本研究結果符合相同規律。從日動態來看，呼吸速率峰值大多出現在午后，如水稻田土壤CO2排放通量最大值出現在15：00[2]，保護性耕作下河西走廊灌溉冬小麥土壤呼吸日變化峰值出現在14：00—15：00[12]，華北平原冬小麥農田土壤呼吸日變化峰值出現在12：30—14：30[13]，玉米土壤呼吸日變化最大值在14：00[14]。不同區域土壤日呼吸峰值出現時間有一定的差異，是由測定時期及環境的不同造成。江曉東等[15]的研究結果表明：在晴天和陰天2種綜合氣象條件下，土壤呼吸速率晴天高于陰天，原因可能是在晴天土壤呼吸的變化主要受太陽輻射和溫度的影響；而在陰天，溫度變化不明顯，主要受太陽輻射的影響。耕作方式對農田CO2的排放有一定的影響，眾多研究認為[5,11]耕作條件下農田土壤呼吸速率顯著高于免耕。楊倩等[16]研究表明，玉米—小麥—大豆輪作系統中，與傳統耕作相比，免耕和秸稈還田均能不同程度地降低小麥和玉米生土壤呼吸。本研究得出免耕+秸稈覆蓋(NTS)措施的土壤C排放量最低，這是因為長期免耕條件下土壤日益變得緊實，以致空氣接觸面積較小，加之秸稈覆蓋下，土壤溫度相對較低，使得土壤呼吸較弱；耕作對耕層土壤水穩性團聚體和毛孔結構的破壞更為強烈，土壤溫度和水分變化顯著，使得耕作下土壤呼吸排放量較高[5]。溫度是影響土壤呼吸的控制性因素[17]，土壤呼吸隨著溫度的升高而增加[18]，苜蓿人工草地土壤呼吸速率與大氣溫度呈顯著正相關[19]。本研究中箭筈豌豆地的土壤呼吸速率同樣正相關于大氣溫度。可見，溫度是土壤呼吸速率的主要氣象因子。土壤呼吸與溫度的關系常符合線性模型或指數模型，但哪種模型更為適宜，還沒有定論[10]。Raich等[20]提出Q10是大氣碳平衡估算的關鍵參數之一，其值大致在1.3～3.3之間。本研究發現Q10的變化范圍為1.52～2.51。其中，T處理下Q10值大于其他3個保護性耕作處理，說明耕作下土壤呼吸對溫度的變化更為敏感，表明保護性耕作能緩沖溫度變化對土壤呼吸的影響，進而抑制了土壤呼吸。

4結 論

(1) 箭筈豌豆田花期土壤呼吸速率高于收獲期；土壤呼吸日變化呈單峰曲線，最大值均出現在14：00左右，晴天的土壤呼吸速率高于陰天。

(2) 免耕加秸稈還田(NTS)處理的土壤呼吸速率較其他處理的土壤呼吸速率要低，且土壤C排放量最低，對減少溫室氣體排放有一定的貢獻。

(3) 耕作處理(T，TS)的土壤呼吸速率和大氣溫度呈現較好的線性相關，而免耕處理(NT，NTS)的土壤呼吸速率和大氣溫度具有較好的指數相關。

[參考文獻]

[1]曹興,金莉莉.農田生態系統土壤呼吸研究進展[J].現代農業科技,2008(22):155-156,159.

[2]韓廣軒,朱波,江長勝.川中丘陵區水稻田土壤呼吸及其影響因素[J].植物生態學報,2006,30(3):450-456.

[3]Davidson E A, Trumbore S E, Amundson R. Soil warming and organic carbon content[J]. Nature, 2000,408(14):789-790.

[4]Fang C, Moncrieff J B. The dependence of soil CO2efflux on temperature[J]. Soil Biology and Biochemistry,2001,33(2):155-165.

[5]張宇,張海林,陳繼康,等.耕作方式對冬小麥田土壤呼吸及各組分貢獻的影響[J].中國農業科學,2009,42(9):3354-3360.

[6]代快,蔡典雄,王燕,等.不同耕作措施對旱作春玉米農田土壤呼吸影響的研究：土壤溫度對土壤呼吸速率的影響[J].中國土壤與肥料,2010,47(6):64-69.

[7]孫小花,張仁陟,蔡立群,等.不同耕作措施對黃土高原旱地土壤呼吸的影響[J].應用生態學報,2009,20(9):2173-2178.

[8]官情,王俊,宋淑亞,等.黃土旱塬區不同覆蓋措施對冬小麥農田土壤呼吸的影響[J].應用生態學報,2011,22(6):1471-1476.

[9]張前兵,楊玲,王進,等.干旱區不同灌溉方式及施肥措施對棉田土壤呼吸及各組分貢獻的影響[J].中國農業科學,2012,45(12):2420-2430.

[10]韓廣軒,周廣勝,許振柱.玉米農田生態系統土壤呼吸作用季節動態與碳收支初步估算[J].中國生態農業學報,2009,17(5):874-879.

[11]江曉東,遲淑筠,寧堂原,等.少免耕模式對土壤呼吸的影響[J].水土保持學報,2009,23(2):253-256.

[12]于愛忠,黃高寶,柴強.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[J].草業學報,2012,21(1):273-278.

[13]鄧愛娟,申雙和,張雪松,等.華北平原地區麥田土壤呼吸特征[J].生態學雜志,2009,28(11):2286-2292.

[14]呂佩毓,柴強,李廣.不同施氮水平對玉米生長季土壤呼吸的影響[J].草業科學,2011,28(11):1919-1923.

[15]江曉東,李永秀.氣象因子對麥田土壤呼吸速率影響的通徑分析[J].安徽農業科學,2009,37(2):701-702,707.

[16]楊倩,張清平,蔣海亮,等.保護性耕作對黃土旱塬玉米土壤呼吸及微生物數量的影響[J].草業科學,2012,29(12):1810-1815.

[17]寇太記,苗艷芳,龐靜,等.農田土壤呼吸對大氣CO2濃度升高的響應[J].生態環境,2008,17(3):950-956.

[18]Chen Quansheng, Li Linghao, Han Xingguo, et al. Responses of soil respiration to temperature in eleven communities in Xilingol Grassland, Inner Mongolia[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2003,27(4):441-447.

[19]徐麗君,唐華俊,楊桂霞,等.不同苜蓿品種人工草地土壤呼吸及對土氣溫度反應[J].西北植物學報,2010,30(9):1882-1886.

[20]Raich J W, Schlesinger W H. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J]. Tellus, 1992,44(2):81-99.

[12]楊大文,李翀,倪廣恒,等.分布式水文模型在黃河流域的應用[J].地理學報,2004,59(1)：143-154.

Effects of Conservation Tillage on Soil Respiration in Vetch Field in Rain-fed Loessial Tablelands

DU Shanshan1,2, YANG Qian1,2, ZHANG Qingping1,2, WANG Tao1,2, SHEN Yuying1,2

(1.StateKeyLaboratoryofAgro-ecosystems,Lanzhou，Gansu730020,China; 2.CollegeofPastoralandAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou，Gansu730020,China)

Abstract：[Objective] The effects of conservation tillage on soil respiration were researched to provide a theoretical basis for the development of conservation agriculture in arid area. [Methods] Soil respiration rate was carried out using multi-channel soil carbon flux measurement system instrument. Tillage treatments were: conventional tillage(T), conventional tillage with stubble retention(TS), no tillage(NT) and no tillage with stubble retention(NTS). [Results] Respiration rate in flowering period was 10.45%～45.09% higher than that in harvest period for all tillage measures. In comparison with TS, NT and T treatment, NTS treatment significantly reduced soil C emission with the percentages of 39.17%, 21.37% and 30.25%, respectively(p<0.01). Soil respiration at sunny day presented an stubble unimodal curve with the peak value at 14:00. The averaged daily soil respiration rates under the two tillage treatments were high but not insignificant than that under the two no-tillage treatments. Under tillage treatments(T, TS), a significant linear correlation was found between soil respiration rate and air temperature; under the no-tillage treatment(NT, NTS), they had a significant exponential relationship(p<0.01). Q10values, namely the atmospheric temperature sensitivity under the four tillage treatments had a rank of T(1.97)>NT(1.62)>TS(1.58)>NTS(1.52). [Conclusion] Conservation tillage as the no tillage with stubble retention (NTS) has its contribution to the reduction of greenhouse gas emissions.

Keywords:conservation tillage; vetch; soil respiration; atmospheric temperature

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0144-05

中圖分類號：S154.4

通信作者：沈禹穎(1965—),女(漢族),上海市人,博士,教授,博士生導師,主要從事草地農業系統研究。E-mail:yy.shen@lzu.edu.cn。

收稿日期：2014-08-28修回日期：2014-09-25

資助項目：科技部科技支撐項目“西部城郊生態涵養高效農業模式研究與示范(2014BAD14B006); 教育部創新研究團隊目(IRT13019); 教育部重大科技項目(313028)

第一作者：杜珊珊(1989—),女(漢),新疆自治區石河子市人,碩士研究生,研究方向為作物栽培與耕作。E-mail:dushsh12@lzu.edu.cn。