保護性耕作對旱作農田干濕交替過程中土壤呼吸速率的影響

丁新宇，王自奎，楊軒，杜珊珊，沈禹穎

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保護性耕作對旱作農田干濕交替過程中土壤呼吸速率的影響

丁新宇，王自奎，楊軒，杜珊珊，沈禹穎

（蘭州大學草地農業科技學院/草地農業生態系統國家重點實驗室，蘭州 730020）

探討免耕及秸稈覆蓋等保護性耕作措施對旱作農田干濕交替過程中土壤呼吸速率的影響?；谠O在隴東黃土高原的長期草田輪作定位試驗，試驗開始于2001年，包括傳統耕作（T，翻耕并移除秸稈）、耕作覆蓋（TS，翻耕之后覆蓋秸稈）、免耕移除秸稈（NT，不翻耕但除去秸稈）和免耕（NTS，不翻耕且保留秸稈）4個處理。2014年7—8月干濕交替階段季采用LI-8150多通道土壤碳通量測量系統對農田土壤呼吸速率、土壤溫度和含水量進行連續原位測定。T、TS、NT和NTS處理干旱階段的平均土壤呼吸速率分別為2.16、3.56、2.26和2.45 μmol·m-2·s-1，濕潤階段分別為2.09、5.31、2.80和3.56 μmol·m-2·s-1。降雨初期秸稈覆蓋處理（TS和NTS）土壤呼吸速率動態變化與無秸稈覆蓋處理（NT和T）具有顯著差異。干濕交替過程中，干旱階段土壤呼吸速率與土壤溫度（19.1—28.2℃）呈負相關、與土壤含水量呈正相關關系；濕潤階段則相反，且土壤含水量對土壤呼吸速率的解釋程度降低。土壤呼吸速率在濕潤階段日動態波動較大，其溫度敏感性（10）在T、TS、NT和NTS處理下分別為1.37、1.24、1.31和1.25；干旱階段土壤呼吸速率日動態平緩，10值低于1.0。長期保護性耕作提高了農田的土壤呼吸速率，且秸稈覆蓋處理比免耕措施提高土壤呼吸速率的效應更加顯著。秸稈覆蓋能夠有效平抑土壤水分和溫度的變化，提高土壤呼吸速率，降低土壤呼吸的溫度敏感性。論文明確了干濕條件下旱作農田土壤呼吸動態及其影響因素，對準確量化旱作農田碳通量具有積極意義。

免耕；秸稈覆蓋；土壤呼吸；干濕交替；旱作農田

0 引言

【研究意義】土壤呼吸占農田生態系統總呼吸量的60%以上[1]，是大氣-土壤碳循環的主要途徑之一。土壤溫度和含水量是影響土壤呼吸速率的主要環境因子[2-4]，干旱半干旱條件下土壤含水量是調控土壤呼吸速率的主要因素[5]。在半干旱地區，降雨強度、頻度的變異性影響著土壤呼吸的溫度敏感性[6]，對土壤CO2釋放和碳循環有著重要影響?！厩叭搜芯窟M展】相比自然生態系統，農田生態系統的土壤呼吸還受耕作方式、秸稈和施肥管理的影響[7-10]。長期免耕提高了土壤碳固存能力[11-12]，具有釋放更多CO2的潛力[13-14]，而長期耕作導致土壤有機碳損失[15]、降低了土壤微生物呼吸底物[16]，其土壤呼吸速率低于免耕[17-21]。秸稈覆蓋通過調節土壤溫度和濕度直接影響土壤呼吸速率[22-23]，秸稈分解過程亦釋放CO2[24-26]，間接影響土壤呼吸速率。也有研究表明，不同耕作處理間土壤呼吸速率的差異是由土壤溫度、濕度和作物秸稈分布不同間接作用造成的，而不是耕作本身對土壤產生的物理干擾[17]。降水導致的土壤干濕循環現象頻發，其對土壤呼吸的影響受到了廣泛關注[27-29]。前人將干燥土壤復水后土壤呼吸速率迅速增加[6, 30-31]的現象稱為“Birch效應”[32]，降雨前土壤含水量越低該現象越強烈[33]。【本研究切入點】現有研究多側重于降雨事件對土壤呼吸速率的影響[33-34]，而對不同耕作措施下降雨瞬間及干-濕階段復水前后土壤呼吸速率影響的報道較少，且以盆栽控制試驗為主[33, 35-37]。在黃土高原中西部地區，70%的降水發生在7—9月，土壤干濕交替現象明顯，是研究土壤呼吸速率對干-濕階段的響應的理想時期?！緮M解決的關鍵問題】本研究基于蘭州大學慶陽黃土高原試驗站的長期草田輪作系統定位試驗，通過連續測定夏季農田土壤呼吸速率、土壤溫度和含水量，分析少免耕和秸稈覆蓋處理下干-濕階段土壤呼吸速率對環境因子的響應，以期為該地區通過實施保護性耕作，實現綠色發展量化碳通量，制定CO2減排措施提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在位于甘肅省慶陽市西峰區的蘭州大學慶陽黃土高原試驗站（35°39′N，107°51′E，海拔1 297 m）開展。研究區地貌屬于典型的黃土旱塬，試驗點年平均氣溫9.2°C，多年平均降水量546 mm，降雨主要集中在7—9月，年均蒸發量為1 504 mm。土壤類型為黑壚土，土壤質地為粉壤土，2014年呼吸試驗前測得各耕作處理0—10 cm土層有機碳含量為5.64—6.53 g·kg-1，pH為8.3，田間持水量為29.2%。

1.2 試驗設計

保護性耕作試驗開始于2001年，以傳統耕作（T）為對照，設置耕作覆蓋（TS，翻耕之后覆蓋秸稈）、免耕移除秸稈（NT，不翻耕但除去秸稈）和免耕（NTS，不翻耕且保留秸稈）等處理。T和TS處理分別于作物收獲后和播種前各翻耕1次，翻深30 cm，NT和NTS處理不擾動土壤[38]。各處理均采用免耕播種機作業，秸稈覆蓋處理將上茬作物（冬小麥）秸稈全部覆蓋還田。每個處理4次重復，完全隨機區組排列，小區面積4 m×13 m。本研究于2014年7月7日至8月20日的干濕循環階段進行土壤呼吸速率的原位長期監測。作物為7月1日播種的蘭箭1號箭筈豌豆（L. cv. Lanjian No. 1），前茬作物為冬小麥。箭筈豌豆 播種前4種耕作處理下土壤的主要肥力參數見表1，播種時未施用氮肥，施用磷肥的量為63 kg P2O5·hm-2。

表1 4種耕作處理下土壤性質（0—30 cm土層）

1.3 土壤呼吸速率的測定

采用LI-8150多通道土壤碳通量測量系統（LI-COR，USA）測定土壤呼吸速率，每個耕作處理各安置4個呼吸氣室[34]，共計16個氣室，每氣室每小時測定1次。地下5 cm處土壤溫度和土壤水分采用LI-COR系統自帶的E型熱電偶和EC-5水分傳感器同步測定，傳感器埋深為5 cm。

每兩次降雨間隔的干-濕階段采用土壤相對濕度干旱指數（）進行界定[39]，<60%為干旱階段，≥60%為潤階段。的計算公式為

其中，為土壤體積含水量，f為土壤田間持水量。

1.4 數據篩選與統計分析

首先對土壤呼吸原始數據進行篩選，刪除儀器錯誤數據（#Msgs≠0的數據）、Exp-FluxCV和Lin-FluxCV均大于30的數據以及大于平均值3倍標準差的數據，共計刪除總數據的14.8%。

采用Excel 2016軟件作圖。根據數據分布趨勢，采用Genstat 18.0軟件對各耕作處理下的土壤呼吸速率、土壤溫度和土壤含水量日均值進行單因素方差分析（ANOVA），LSD法進行多重比較。使用General Linear Models模塊分別擬合干濕循環中干-濕階段土壤呼吸速率與土壤溫度和土壤含水量間的一元、二元回歸關系及交互作用，線性擬合效果用決定系數2評價；使用Standard Curve模塊進行土壤呼吸速率與土壤溫度指數關系的van’t Hoff方程模擬[2]，公式為

其中，s為土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1），s為土壤溫度（℃），10為10℃時的土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1），10為土壤溫度每上升10℃土壤呼吸速率增加的倍數，即土壤呼吸溫度敏感性系數。

2 結果

2.1 干濕循環過程中土壤水分、溫度和呼吸速率動態

測定期間，7月9—10日共降雨11.9 mm，8月4日降雨6.3 mm，8月5日降雨32.6 mm，8月7日降雨1.1 mm，8月11日降雨4 mm，8月16日降雨5.7 mm。在7月11日至8月20日期間，各耕作處理均經歷了完整的濕-干-濕狀態的循環過程（以下稱干濕循環）（圖1-a），主要引起干濕交替現象的強降雨發生于8月5日。7月11日至8月5日，各耕作處理下土壤含水量均持續下降，T、TS、NT和NTS處理下平均土壤含水量分別為0.17、0.20、0.25和0.20 m3·m-3，土壤相對濕度干旱指數分別為49.4%、55.9%、59.8%和58.3%，屬于干旱階段。至8月4日再次發生降雨前，土壤含水量比7月10日分別下降了45%、38%、39%和48%（圖1-a）。8月5日發生強降雨，復水后第二天T、TS、NT和NTS處理下土壤含水量增加至0.30、0.30、0.35和0.30 m3·m-3。其后15 d內也有3次不足10 mm的小降水，使土壤保持濕潤狀態（>60%），耕作處理（T和TS）的土壤含水量隨降雨波動幅度高于不耕作（NT和NTS）處理。

土壤溫度在降水發生瞬間均明顯下降。干旱階段，T、TS、NT和NTS處理下土壤溫度平均值分別為26.2、23.7、25.2和22.6℃，T處理下最高；濕潤階段T、TS、NT和NTS處理下土壤溫度平均值分別為20.6、21.1、19.2和19.7℃，2個覆蓋秸稈（TS、NTS）處理下土壤溫度分別比干旱階段降低2.6和2.9℃，2個無覆蓋（T、NT）處理降幅分別高達4.7℃和5.0℃（圖1-b）。

在干旱階段，土壤呼吸速率隨著土壤含水量下降而降低，T、TS、NT和NTS處理土壤呼吸平均速率分別為2.16、3.56、2.26和2.45 μmol·m-2·s-1。強降雨之后，TS和NTS處理土壤呼吸速率平穩上升，受降水影響有小幅度波動，而T和NT處理先降低再緩慢增加，隨降雨的波動較大。在濕潤階段，T、TS、NT和NTS處理的平均呼吸速率分別為2.09、5.31、2.80和3.56 μmol·m-2·s-1。可見濕潤階段覆蓋秸稈處理（TS、NTS）下平均土壤呼吸速率與干旱階段相比增幅較大，接近50%，NT增幅為24%，而T處理則降低了3%（圖1-c）。

2.2 干濕交替前后土壤呼吸速率的日動態

圖2表明，8月4日降雨發生之前，4個耕作處理下土壤呼吸速率均保持在較低水平，日動態變化平緩，最高值出現在正午前后。8月5日19：00強降雨發生1 h（干濕交替瞬間），各耕作處理下土壤呼吸速率均增高，T、TS、NT和NTS處理下比降雨前分別增加了5.2%、67%、52%和52%。2 h后，T和NT處理下迅速下降至降雨前的14%和54%，而TS處理下雖下降，其值仍然顯著高于復水前，NTS也保持小幅度上升。4 h后，各耕作處理土壤呼吸速率上升至峰值，隨后逐漸降低，至凌晨3：00達低谷，此時T、TS、NT和NTS處理下土壤呼吸速率分別為降雨前的2%、151%、10%和166%。8月6日土壤呼吸速率日動態趨于平緩，無秸稈覆蓋的T和NT處理土壤呼吸速率低于降雨前，而覆蓋秸稈的TS和NTS處理下高于降雨前，秸稈覆蓋與否的土壤呼吸速率處理間分異明顯。8月7日土壤呼吸速率呈現增加后降低趨勢，正午后各處理下呼吸速率達到峰值，處理間差異顯著，大小依次為TS處理>NTS處理>NT處理>T處理。

圖2 干濕交替前后不同耕作處理對土壤呼吸速率的影響

2.3 干濕循環中土壤呼吸速率對溫度和水分的敏感性

土壤呼吸受土壤水分和溫度的共同調控。如圖3和圖4所示，土壤呼吸速率呈現干旱階段隨土壤溫度增加而降低、隨土壤含水量增加而增加，濕潤階段隨土壤溫度增加而增加、隨土壤水分增加而降低的相關關系。干旱階段土壤溫度和含水量分別解釋土壤呼吸速率的43%—78%和79%—96%，秸稈覆蓋處理（TS和NTS）下土壤溫度對土壤呼吸速率的解釋程度高于無秸稈覆蓋處理（T和NT），TS處理下土壤呼吸隨土壤水分的增加速率（0.32，擬合線的斜率）顯著高于其他處理；濕潤階段土壤含水量對土壤呼吸速率的決定系數降低，僅解釋土壤呼吸速率的48%—85%，TS處理土壤呼吸降低速率最慢（-0.26），NT和 T處理土壤呼吸隨土壤水分變化的速率在干-濕階段均較為接近。

進一步對土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤水分及其交互作用進行線性擬合發現，多因子線性模型可以較好地描述土壤呼吸速率與土壤溫度和水分的關系（表2）。當不考慮交互作用時，干旱階段TS處理下對土壤溫度和濕度對土壤呼吸速率變化解釋程度最高，在T處理下最低；濕潤階段在NTS處理下解釋效果最好（2=0.93），4種處理下土壤溫度和濕度對土壤呼吸速率的影響（、符號）相反（表2）。加入土壤溫度和土壤水分交互作用后，模型能更好地解釋干旱階段土壤呼吸速率變化，其中T處理下2值從0.575提高到0.905，TS處理下土壤呼吸速率受交互作用影響最大，T處理次之，但交互作用對濕潤階段土壤呼吸速率變化解釋度欠佳。

圖3 不同耕作處理下干-濕階段土壤溫度對土壤呼吸速率的影響

圖4 不同耕作處理下干-濕階段土壤含水量對土壤呼吸速率的影響

表2 干-濕階段不同耕作處理下土壤呼吸速率對土壤溫度、土壤水分及其交互作用的響應

表中數據為每小時的平均值Data points used in the table are hourly means

干-濕階段，每日10值變化均表現為無秸稈覆蓋處理（T和NT）下更高。每次降雨均會造成日10值的波動，在復水后第2天（8月7日），土壤呼吸速率日動態明顯，T和NT處理下10值上升到極高水平（圖5）。干旱階段土壤呼吸速率與土壤溫度呈負相關關系，10平均值<1，日10值從7月10日開始下降，逐漸平緩（圖5）；復水后10值顯著上升，土壤呼吸速率與土壤溫度呈正相關關系，10值>1且在無秸稈覆蓋處理下（T和NT）高于秸稈覆蓋處理（TS和NTS）（圖3）。

圖5 2014年7月7日至8月20日每日土壤呼吸速率Q10值動態變化

3 討論

3.1 干濕交替瞬間耕作措施對土壤呼吸速率的影響

已有研究發現，復水后土壤呼吸速率會迅速增加[6, 30-31]，復水瞬間水分填入土壤空隙，排擠出了空氣導致土壤呼吸速率劇烈上升[40]，隨后由于水分飽和限制了氧氣擴散，土壤呼吸暫時受阻，土壤呼吸速率迅速下降[34]。這兩種現象在本研究中均出現，強降雨幾小時后4種耕作處理下土壤呼吸速率經歷了升高-降低的劇烈波動。覆蓋秸稈處理（TS、NTS）土壤呼吸速率在波動后從較高水平平穩上升，無秸稈覆蓋處理（T、NT）土壤呼吸速率則從較低水平緩慢上升，這可能由于秸稈覆蓋有效平抑土壤水分和溫度的變化，同時為土壤微生物提供了更適宜的生存環境和較多呼吸底物[41]，在增加了土壤呼吸速率同時，還改善了土壤透氣性，使得降雨對氧氣擴散的影響變弱，對土壤呼吸速率的影響降低，與已有報道一致[34, 36]。

3.2 干-濕階段中耕作措施對土壤呼吸速率的影響

降雨前干旱程度會影響“Birch效應”的程度[33]。在全年土壤呼吸最旺盛的7、8月，經歷長時間干旱階段對旱作農田土壤呼吸具有重大影響。有研究表明，長期干燥土壤復水10 d后土壤呼吸速率才能恢復到土壤濕潤時的水平[40]。本研究中復水15 d后4種處理下土壤溫度和濕度均恢復到干濕循環開始時，但土壤呼吸速率值卻高于干濕循環開始時，意味旱作農田土壤經歷干濕交替事件時可能需要更長時間才能恢復。因此，在精確量化土壤呼吸速率過程中，需要考慮長期干濕循環事件，特別是月尺度上干-濕階段對土壤呼吸速率變化的影響，不能將它們與較短降雨時間間隔的降雨事件一概而論。前人研究發現，在一個干濕循環內土壤呼吸速率與土壤含水量無關[33]，認為土壤呼吸對土壤水分的響應可能存在滯后效應，過高或過低的土壤水分才會影響土壤呼吸[33,35]。本研究通過分析月尺度上干濕交替階段土壤呼吸速率的變化，建立了考慮土壤溫度和土壤含水量的多因子線性模型，區分了各耕作處理對干旱階段和濕潤階段土壤呼吸速率的影響。

在干-濕階段，土壤呼吸速率均表現為TS處理> NTS處理> NT處理>T處理。在本試驗地前期研究中，相比T處理，NT處理下土壤總有機碳和易氧化有機碳含量更高[42]，根際土壤細菌、真菌和放線菌數量更多[43]，微生物活性和微生物群落功能多樣性顯著優化[44]，使NT處理具有釋放更多CO2的潛力。就干濕循環過程來看，干旱時土壤呼吸速率降低，與干旱階段土壤呼吸隨著干燥日期的增加而減弱[45]的報道一致。土壤含水量過低時，出現了T處理下土壤呼吸速率略高于NT處理的情況，這可能是土壤水分過低影響了養分運輸、降低了微生物新陳代謝速率[46-47]導致的。秸稈覆蓋通過影響土壤呼吸的驅動因子－土壤溫度和濕度[24-26, 34, 48]，從而間接影響了土壤呼吸速率。因此，秸稈覆蓋對干濕循環過程中穩定土壤溫度和濕度變幅有很大貢獻，在不翻耕加秸稈覆蓋管理下，土壤滲水性能增加，減少了水土流失。干濕循環中T和TS處理的土壤水分低于NT和NTS處理，可能是由于不耕作改變了表層土壤的水力特性，提高了土壤的保水能力[49]。

在干濕交替過程的不同階段，土壤呼吸對水分和溫度的響應不同。干旱階段，土壤水分是呼吸的主要限制因素，土壤呼吸速率隨著水分的降低逐漸降低。此時大氣溫度隨季節變化有升高趨勢，因其變幅不大，對呼吸影響小。在濕潤階段，土壤水分不是限制土壤呼吸的主要因素，所以土壤呼吸速率其隨溫度的升高而升高。土壤呼吸對土壤溫度的敏感性（10）的變化范圍是1.3—3.3[50]，一年中10在仲夏最低，在冬季最高[51]。土壤水分也影響土壤呼吸的溫度敏感性，在濕潤地區10值高于排水良好地區[51-53]，本研究中，10值均在復水后顯著上升，且在覆蓋秸稈處理（TS、NTS）下較低，已有研究報道了土壤溫度和水分解釋不到60%的土壤呼吸季節變化[54-56]，筆者認為可能沒有考慮干濕交替等不同階段環境因子對土壤呼吸速率有不同的影響，導致數據互相干擾，降低了模型預測的準確性，因此，深入理解保護性耕作下干濕循環過程中土壤呼吸的特征，對準確量化碳通量、合理制定CO2減排措施具有重要指導意義。

4 結論

在箭筈豌豆生長季的干濕循環過程中，免耕處理在干旱階段的降溫和保水效果明顯。濕潤階段覆蓋秸稈處理下平均土壤呼吸速率與干旱階段相比增幅接近50%，免耕移除秸稈（NT）處理的增幅為24%，而翻耕并移除秸稈（T）處理則降低了3%。覆蓋秸稈降低了土壤呼吸的環境因子敏感性，免耕處理下10值最小。土壤呼吸速率在干旱階段受土壤溫度和濕度共同影響，與土壤溫度呈負相關、與土壤含水量正相關，濕潤階段土壤呼吸速率與土壤溫度和土壤含水量的相關關系均與干旱階段相反。

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（責任編輯 李云霞）

Response of Dry Land Soil Respiration to Conservation Tillage Practices during Drying-wetting Cycles

DING XinYu, WANG ZiKui, YANG Xuan, DU ShanShan, SHEN YuYing

(College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University/Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystem, Lanzhou 730020)

This study was conducted to investigate the effects of conservation tillage practices on soil respiration during drying and wetting period in dry farmland.A long-term conservation tillage experiment was carried out at the Qingyang Experimental Station of Lanzhou University. The experiment had four treatments: conventional tillage (T), conventional tillage with stubble retention (TS), no-till without stubble retention (NT) and no-till (NTS). Soil respiration rate was measured continuously with LI-8100 automated soil respiration system during the common vetch growing season from July 7 to August 20 in the 2014.The mean soil respiration rates of T, TS, NT and NTS during the drying period were 2.16, 3.56, 2.26 and 2.45 μmol·m-2·s-1, respectively, and the corresponding values during the wetting period were 2.09, 5.31, 2.80 and 3.56 μmol·m-2·s-1, respectively. Diurnal patterns of soil respiration after the heavy rainfall event were different among the four tillage practices. Soil respiration was positively related to soil water content and negatively related to soil temperature during the drying period, but had an opposite relationship with these parameters after the rewetting. The sensitivity of soil respiration to soil temperature (10) reduced by no-till and stubble retention practices. During the wetting period, the10values of T, TS, NT and NTS were 1.37, 1.24, 1.31 and 1.25, respectively, and dropped to less than 1.0 for all treatments during the dry period.No-till has the potential to release less CO2. Residue retention buffers soil temperature and soil water content fluctuations, and reduces the10value. Our results also illustrated that it is fairly important to consider the short-term changes of soil respiration during the drying-wetting cycles when modeling the relationship between soil respiration and its influencing factors.

no-till; stubble retention; soil respiration; drying-wetting cycle; dry farmland

2017-06-06；

2017-09-25

國家科技支撐計劃（2014B AD14B006）、教育部長江學者和創新團隊發展計劃（IRT1R50）、蘭州大學中央高?；究蒲袠I務費專項資金（lzujbky-2016-182）

丁新宇，E-mail：dingxy10@lzu.edu.cn。

沈禹穎，E-mail：yy.shen@lzu.edu.cn