不同秸稈還田方式對黃土高原坡耕地土壤呼吸的影響

李英臣, 侯翠翠, 李小宇, 王奇博, 張 芳, 李 勇

(河南師范大學, 河南 新鄉 453007)

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不同秸稈還田方式對黃土高原坡耕地土壤呼吸的影響

李英臣, 侯翠翠, 李小宇, 王奇博, 張 芳, 李 勇

(河南師范大學, 河南 新鄉 453007)

選取豫西黃土高原典型玉米坡耕地，設置常規耕作+秸稈不還田(CT)，常規耕作+秸稈還田(TSI)和常規耕作+秸稈覆蓋(TSM)3種處理，采用LI-8100A土壤碳通量測定系統，研究非生長季不同秸稈還田方式對土壤呼吸時空變化的影響。結果表明：CT，TSI，TSM處理下土壤呼吸速率隨時間變化趨勢基本一致，變化范圍分別為0.22～1.23，0.29～1.35，0.26～0.91 μmol/(m2·s)，在溫度和水分較低時段3者差異不顯著，在溫度和水分較高的時段3種處理土壤呼吸差異顯著，表現為TSI>CT>TSM。3種處理不同坡位土壤呼吸有明顯差異，總體表現為坡下>坡中>坡上，TSM處理下土壤呼吸空間異質性明顯低于其他兩種處理；不同坡位土壤溫度和水分呈現明顯的差異性，表現為坡下>坡中>坡上，并隨溫度和水分的升高，空間差異性增大。不同處理下土壤呼吸與溫度和水分都呈現出顯著的線性相關關系(p<0.01)。秸稈覆蓋在非生長季能有效減少土壤呼吸量，而秸稈還田增加土壤呼吸量，因此秸稈覆蓋從減少溫室氣體排放的角度是較合理的秸稈還田方式。

坡耕地; 秸稈覆蓋; 秸稈還田; 土壤呼吸; 空間異質性

土壤呼吸是陸地生態系統碳循環的一個重要組成部分，每年釋放的CO2量約為80～100 Pg[1]，成為僅次于光合作用的第二大碳通量。農田生態系統土壤呼吸作為土壤碳排放的一個重要組成部分，同時也是受人類活動干擾最大的生態系統類型，其對全球碳循環的影響不容忽視。作物秸稈中含有豐富的營養元素，是一種良好的有機肥資源，同時，秸稈飼料是飼草食家畜粗飼料的重要來源之一[2]。目前，秸稈還田是農業生產中普遍采用的作業方式，但是隨著保護性農業的發展，秸稈覆蓋作為一種重要的農業措施，因其在減少土壤侵蝕、保持土壤水分，增加土壤質量等方面的重要作用被越來越多的應用于農業生產中[3]。

土壤侵蝕已經成為農業可持續發展的最大威脅之一，特別是在坡度比較大的山區及丘陵地區[4]。秸稈覆蓋被認為是控制土壤侵蝕的有效措施[5]。黃土高原地區是我國糧食主產區，農業活動歷史悠久。由于其獨特的地形條件和密集的農事活動，成為世界上土壤侵蝕和退化最為嚴重的地區[6]。鑒于秸稈覆蓋措施在減少土壤侵蝕、提高水分利用效率、改變土壤理化性質等方面的作用，正被越來越多的應用于黃土高原地區農業生產中[7]。現有研究主要集中在不同的秸稈還田量和不同覆蓋方式對土壤呼吸的影響[2]，坡耕地不同處理下土壤呼吸空間變異性的相關研究較少[8]，而對冬季非生長季的研究更為少見。因此，本研究選取豫西黃土高原典型坡耕地，研究秸稈還田和秸稈覆蓋措施對坡耕地非生長季土壤呼吸的影響，為精確估算黃土高原不同秸稈處理措施下土壤呼吸排放量提供數據支持，并為黃土高原旱作農業區發展合理的農業措施提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

野外監測試驗依托河南師范大學靈寶土壤侵蝕與景觀生態試驗點。該試驗點位于河南省靈寶市陽店鎮柿子灣村(34°31′N，110°59′E)，該區屬典型豫西黃土高原區域，氣候為暖溫帶大陸性季風氣候，平均氣溫約為14.4℃，無霜期約206 d，年降水量為400～900 mm，年際變化大，60%～70%降水集中于夏季，春季降水少，雨季多暴雨，雨強大，是造成研究區土壤侵蝕的重要原因。土壤為典型的黃綿土。

1.2 試驗設計

在試驗點周圍選取典型坡耕地，平均坡度12°，種植模式為一年一熟，種植作物為玉米，品種為中金368，每年4月下旬耕種，10月中旬收獲，然后土地休閑至次年玉米耕種。試驗于2013年5月開始，試驗隨機做3個處理：常規耕作(CT)、常規耕作+秸稈還田(TSI)，常規耕作+秸稈覆蓋(TSM)，每個處理設3個重復。常規耕作按照當地的耕作習慣，各樣地全年不灌溉，在種植玉米前肥料一次施入，施入量折合純氮100 kg/hm2(尿素，含氮46%)，施純P2O5100 kg/hm2(過磷酸鈣，含P2O514%)。秸稈覆蓋為秸稈打碎后均勻覆蓋于土壤表層，常規耕作秸稈還田為秸稈打碎后隨翻耕與土壤均勻混合，秸稈還田量為4 500 kg/hm2。每塊樣地面積約5 m×30 m，每塊樣地都與坡向平行，沿坡向侵蝕區和堆積區(即坡上、坡中和坡下)分別設置觀測小區，每個小區設置3個重復，各小區的平均值代表整個樣地土壤溫室氣體的排放通量，各個處理不同坡位對比研究秸稈處理措施下土壤呼吸的空間變異特征。

1.3 土壤呼吸測定

土壤呼吸速率采用LI-8100A土壤碳通量測定系統測定。測定基座為直徑20 cm、高10 cm的PVC管，測定前24 h嵌入土中約8 cm，并將管內的雜草齊地面剪掉，每個小區3個重復，測定土壤呼吸的同時，采用LI-8100A自帶的土壤溫度探針插入呼吸環附近土壤5 cm測定土壤溫度，采用LI-8100A自帶的土壤水分探頭插入呼吸環附近土壤5 cm測定土壤水分。土壤呼吸測定于2013年11月17日開始，2014年3月16日結束，觀測期間每半月左右測定1次，每次的測定時間為上午9:00—12:00。

1.4 數據處理

采用Origin Pro 9進行作圖，Excel和SPSS 19.0軟件進行數據統計和分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理下土壤溫度和水分變化

不同處理土壤溫度整個監測期呈相同的變化趨勢，但3種處理之間溫度有明顯差異，表現為TSI>CT>TSM，特別是在溫度較高的時段差異更加明顯；同種處理不同坡位之間溫度總體表現為坡上<坡中<坡下，溫度越高差異越顯著。TSM處理坡上部明顯小于坡中部和坡上部，但是坡中部和坡下部差異不明顯(圖1)。

3種處理方式下土壤水分整個監測期整體都呈“V”型變化趨勢，在1月下旬土壤含水量最低(圖2)。3種處理土壤水分在監測開始階段TSM明顯大于其他兩種處理，CT，TSI差異不大；在其余時間段TSM略小于其他兩種處理，但是差異不顯著。TSM處理不同坡段之間僅在2013年11月17日和2014年3月2日時間點坡上含水量明顯低于坡中和坡下處理，其余時間土壤含水量基本無差異。CT和TSI處理除2014年3月16日土壤含水量表現為坡下小于坡上和坡中處理外，整體都呈現坡上<坡中<坡下處理，而且大部分時間段(除2014年1月3日和2014年1月19日)不同坡位之間含水量差異較大。

圖1 不同秸稈還田處理方式下不同坡段土壤溫度變化

2.2 不同處理下土壤呼吸隨時間變化

3種不同處理條件下不同坡位土壤呼吸差異明顯，除個別時間點之外(TSI處理2013年11月30日)，均表現為坡下>坡中>坡上，而且溫度越高，差異越明顯，3種處理在2013年11月17日、2014年3月16日兩個時間點坡中和坡下顯著高于坡上處理，處理間差異達到顯著水平(圖3)(p<0.05)。CT，TSI，TSM處理坡上土壤呼吸量隨時間變化不大，且處理間差異不顯著，波動范圍分別為0.18～0.34，0.18～0.42，0.18～0.46 μmol/(m2·s)。坡中和坡下土壤呼吸季節波動大，相比較之下，CT，TSI比TSM隨時間變異系數大，3者的變異系數在坡中分別為88%，81%，54%，坡下分別為100%，77%，44%。

圖2 不同秸稈還田處理方式下不同坡段土壤水分變化

3種處理土壤呼吸平均值隨時間變化趨勢基本一致，都呈兩端高，中間低的變化趨勢，在溫度較低的時段(12月、1月、2月)3者的差異不顯著，但是在溫度較高的時間3者差異顯著，分別為TSI>CT>TSM(圖4)。

2.3 土壤呼吸和溫度、水分的關系

不同處理之間土壤呼吸與土壤溫度、水分都存在極顯著的線性相關關系。CT，TSI，TSM三種處理土壤呼吸與土壤溫度的相關系數分別為0.922，0.926，0.880。TSM處理土壤呼吸隨溫度升高增長較慢，TSI處理土壤呼吸隨溫度升高增長較快。3種處理土壤呼吸與土壤水分也有顯著的相關關系，相關系數分別為0.640，0.680，0.619。

注：*表示不同坡位之間土壤呼吸差異達到顯著水平(p<0.05)。

圖3 不同秸稈還田處理方式下不同坡段土壤呼吸速率變化

圖4 不同秸稈還田處理土壤呼吸速率平均值

3 討論與結論

3.1 討 論

農田生態系統土壤呼吸受土壤理化性質、土地利用方式、溫度、水分、施肥、耕作制度等多種因素的影響。大部分研究認為秸稈覆蓋增加土壤呼吸，并隨著秸稈覆蓋量的增加CO2排放量增大[9-10]，但本研究發現TSM處理降低土壤呼吸速率，TSI處理增加土壤呼吸(圖3—4)。究其原因主要有以下3方面：首先TSM處理土壤溫度有所降低，TSM處理比CT，TSI處理監測期平均溫度下降了0.66，0.69℃，溫度與土壤呼吸有重要的相關關系(表1)，其次，TSM處理土壤水分的空間變異性減小(圖2)，監測期除監測初期平均土壤水分值高于其他兩種處理之外，其余階段土壤水分明顯低于TSI，CT處理，原因可能為冬季該區域降雨較少，而秸稈覆蓋對降雨下滲有一定的阻擋作用，因此秸稈覆蓋處理冬季平均水分含量較低，這可能也是造成土壤呼吸降低的原因；最后，TSM處理可有效減少土壤侵蝕[5]，并進一步減少土壤表層活性有機碳CO2釋放，減少土壤呼吸的空間排放差異(圖3)，最終降低總的土壤呼吸量。與CT處理相比，TSI處理明顯增加土壤呼吸，直接原因為秸稈本身會釋放一部分CO2[10-11]，另外秸稈還田對土壤溫度和水分影響不大(圖1—2)，而秸稈作為土壤重要的有機質來源，可以通過改變土壤中微生物量和微生物群落，增加土壤總孔隙度，最終增加土壤呼吸量[12]。

土壤溫度和水分是土壤重要的物理性質，影響土壤中所進行的所有反應和進程、土壤微生物活性、土壤養分的遷移變化等。有些學者用指數函數、線性函數、二次函數等形式擬合了土壤呼吸與二者之間的關系[12-14]，得出不同的擬合關系,可能是由于研究區域和研究時間的不同造成的。本研究中土壤溫度和土壤水分都與土壤呼吸有極顯著的線性相關關系(表1)，主要原因為本研究監測期主要在非生長季，土壤溫度相對較低，降水較少，土壤水分也較低，溫度和水分都為土壤呼吸的限制性因子，土壤呼吸量都隨溫度和水分的增加而增加。明確這種關系對正確評估非生長季黃土高原地區土壤呼吸具有重要的指導意義。

本研究中，不同處理下土壤呼吸都表現出明顯的空間異質性，總體都表現為坡上侵蝕區土壤呼吸較低，坡下堆積區土壤呼吸速率較高，這與其他大部分研究結果相同[15-16]。土壤侵蝕引起土壤有機碳和營養空間再分布可能是引起土壤呼吸空間異質性的重要原因[17]。坡耕地上部土壤有機碳減少，微生物呼吸基質減少，下部土壤有機碳增加，微生物可利用基質增多，進而影響土壤呼吸強度[8]；另外土壤侵蝕可引起土壤容重、土壤孔隙度等物理性質改變也會引起土壤呼吸的空間差異性[15-16]。以后研究應加強坡耕地土壤微生物和土壤理化性質空間變異性研究，以便從機理上揭示土壤呼吸空間差異性的機理。

另外，本研究認為坡地土壤溫度和水分差異是造成土壤呼吸空間差異性的另一個重要原因，3種不同處理的坡地土壤溫度和水分都有較明顯的差異，尤其是在溫度較高的監測期差異更加顯著，秸稈覆蓋通過改變侵蝕堆積速率，影響土壤溫度，并進一步影響土壤呼吸(圖1—2)，這與Bajracharya等[18]研究結論相似。

表1 土壤呼吸與土壤溫度和土壤水分的關系

本研究發現不同秸稈還田處理對土壤呼吸空間異質性有一定的影響，其中TSM處理土壤呼吸空間差異性明顯低于CT，TSI處理，尤其是在溫度和水分條件較高的時期，而后面兩種處理差異不顯著(圖3)。我們認為不同秸稈還田處理主要是通過影響土壤溫度和土壤水分進而影響土壤呼吸，CT，TSI處理與土壤溫度和土壤水分的相關系數更高，而且隨溫度和水分的變化，土壤呼吸速率變化更快，而TSM處理下隨溫度和水分的變化，土壤呼吸變化更小(表1)，表明秸稈覆蓋處理下土壤溫度和水分對土壤呼吸空間差異性的影響變小，究其原因一方面秸稈覆蓋下土壤侵蝕速率降低，土壤空間差異性變小，另一方面秸稈覆蓋下土壤溫度和水分的時空變異小(圖1—2)，最終導致秸稈覆蓋下土壤呼吸的時空變異性小于其他兩種處理。未來在評估坡耕地溫室氣體排放時要加強土壤呼吸空間異質性研究，并注意耕作和秸稈覆蓋對這種空間異質性的影響，使估算更加準確。

3.2 結 論

(1) 不同的秸稈還田方式下土壤呼吸存在差異，秸稈覆蓋降低土壤呼吸，秸稈還田促進土壤呼吸，特別是在溫度水分較高的時段表現更為明顯。

(2) 不同處理下土壤呼吸都存在空間異質性，不同坡位表現為坡下>坡中>坡上，秸稈覆蓋使土壤呼吸空間異質性程度降低。

(3) 土壤溫度和水分存在空間差異性，且都與土壤呼吸存在顯著的線性相關關系。

(4) 通過對比研究，在黃土高原非生長季，秸稈覆蓋還田是較理想的降低CO2排放的方式，既降低溫室氣體排放，減少土壤呼吸空間異質性，又增加了土壤有機碳的輸入，是一種合理的農作方式，應積極加以推廣。

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Effects of Different Straw Returning Patterns on Soil Respiration in Sloping Cropland of the Loess Plateau

LI Yingchen, HOU Cuicui, LI Xiaoyu, WANG Qibo, ZHANG Fang, LI Yong

(He′nanNormalUniversity,Xinxiang,He′nan453007,China)

The typical maize sloping cropland was selected in the Loess Plateau of west He′nan to investigate the effect of different straw returning patterns on soil respiration using LI-8100A soil carbon fluxes measuring system. Three patterns of straw returning were set up: conventional tillage with no straw returning (CT), conventional tillage with straw incorporation into the soil (TSI) and conventional tillage with straw mulch on soil surface (TSM). The results indicated that the tendency of soil respiration in the studied period was similar under different straw returning patterns, and soil respiration varied from 0.22～1.23, 0.29～1.35, 0.26～0.91 μmol/(m2·s), respectively. The difference of soil respiration rates among three patterns was significant when the soil temperature and moisture was high, and soil respiration decreased in the order: TSI>CT>TSM; Soil respiration rates under different slope position were obviously different in all three treatments, decreasing in the order: lower position>middle position>upper position. The spatial difference of soil respiration was less under TSM treatment than other treatments, and the difference was significant as the soil temperature and moisture was higher. Soil temperature and moisture were significant different under different positions, decreasing in the order: lower position>middle position>upper position. There was significant linear relationship between soil respiration and soil temperature and moisture (p<0.01) under all three treatments. Straw mulching decreased soil respiration in non-growing season, therefore, straw mulching was a rational method of straw returning from the point of reducing greenhouse gas emission.

sloping cropland; straw mulching; straw incorporation; soil respiration; spatial difference

2014-10-13

2014-11-10

河南師范大學博士科研啟動課題(qd12129,qd12126);國際原子能機構合作項目(17680)

李英臣(1982—),男,山東聊城人,博士,副教授.主要從事坡耕地溫室氣體排放研究。E-mail:xiayuchen211@163.com

S154; S513

1005-3409(2015)05-0122-05