玉米農田土壤碳排放及碳平衡對地膜覆蓋方式 及種植行距的響應

于愛忠，柴強，殷文，胡發龍，樊志龍，趙財

?

玉米農田土壤碳排放及碳平衡對地膜覆蓋方式 及種植行距的響應

于愛忠，柴強，殷文，胡發龍，樊志龍，趙財

（甘肅農業大學農學院/甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070）

【目的】分析干旱綠洲灌區玉米農田土壤碳排放特征及碳平衡對地膜覆蓋方式及種植行距的響應，為評價區域典型農作制模式及其關鍵栽培技術的生態效益提供參考依據。【方法】田間試驗于2013—2014年在甘肅河西綠洲灌區進行，共設4個處理：全膜覆蓋等行距（50 cm）、全膜覆蓋寬窄行（40 cm+80 cm）、半膜覆蓋等行距（50 cm）和半膜覆蓋寬窄行（40 cm+80 cm）。分析土壤呼吸速率季節變化特征及土壤碳排放量。計算土壤碳排放效率（CEE），并采用凈生態系統生產力（NEP）評估農田碳平衡及其強度。【結果】土壤呼吸速率隨玉米生育進程呈典型的單峰曲線。全膜覆蓋均顯著提高了玉米全生育期農田土壤碳排量，且玉米根呼吸碳排放量的貢獻率在18.8%—77.2%，平均為49.1%。半膜覆蓋寬窄行碳排放效率最高，達到2.65 kg·kg-1，分別較全膜覆蓋等行距和全膜覆蓋寬窄行處理高37.3%和26.2%。4種玉米種植模式中，半膜寬窄行模式凈生態系統生產力最高，達到7 446.2 kg C·hm-2，顯著高于其他3種植模式。【結論】4種種植模式均表現為大氣CO2的匯，半膜覆蓋寬窄行種植模式碳排放量最低的同時碳匯效應最強。

玉米；土壤呼吸；碳排放效率；碳平衡

0 引言

【研究意義】土壤呼吸是一個復雜的生物和化學過程，在陸地生態系統碳循環中占有重要地位。農田作為受人類活動影響最大的生態系統之一，研究其碳排放特征為科學估算區域乃至全球碳平衡提供關鍵數據支撐。【前人研究進展】近年來，許多研究者在不同區域，針對不同類型的作物、土壤管理措施下的土壤呼吸特征及其影響因素與農田碳平衡開展了大量研究[1-4]。這些研究基本上明確了土壤呼吸的時空變異特征，揭示了土壤管理措施如耕作、覆蓋等導致的土壤溫度及水分條件的差異是影響土壤呼吸的主導因子[5-7]；與此同時，土壤呼吸還受到土壤有機碳、植物光合生產力、施肥等因子的影響[8-10]。一些研究者將農田作為一種土地利用方式，評價了其與森林、草地等生態碳匯效應[11-12]。另有研究者以區域主要種植模式為研究對象，分析并明確了干旱綠洲灌區不同種植模式的碳排放量，認為多熟種植及保護性耕作措施可降低農田碳排放[13-14]。【本研究切入點】縱觀農田碳排放作物生產理論與技術研究進展不難發現，從農田生態系統尺度上，對典型種植模式及其配套農藝措施的土壤碳平衡的評價顯得較為薄弱。這在一定程度上限制了區域農田生態系統碳排放估算及評價。西北綠洲灌區是我國山地-綠洲-荒漠生態系統中的重要生態屏障，區域內玉米種植面積最大，且普遍采用全膜或半膜覆蓋種植模式，探討玉米不同生育階段土壤呼吸速率動態變化是系統分析農田碳排放的基礎。分析區域內典型農作制模式的碳排放特征是科學評估農田生態服務功能的重要內容。【擬解決的關鍵問題】本研究以甘肅河西石羊河流域玉米農田為研究對象，通過分析不同栽培模式下土壤碳排放特征及碳平衡，以期為區域農作制模式生態效益評價提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試區概況

試驗于2013—2014年在甘肅農業大學綠洲農業綜合試驗站進行，該站位于河西走廊東端（37° 30′ N，103° 5′ E），海拔1 776 m，屬季風性冷溫帶半干旱區。多年平均太陽輻射5.67 kJ·m-2，平均氣溫7.2℃，≥10℃積溫2 985℃，無霜期156 d，年均降水量156 mm，且主要集中在7—9月份，是典型的一熟有余、兩熟不足的干旱綠洲灌溉農業區。主栽作物有玉米、小麥等，資源性缺水是農業生產最主要的限制因子。試驗區土壤為典型的石灰性灌漠土，0—110 cm土層容重1.44 g·cm-3，0—30 cm土層有機碳含量11.3 g·kg-1，全氮、速效磷、速效鉀含量分別為0.94 g·kg-1、29.2 mg·kg-1和152.6 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗采用二因素完全隨機區組設計。地膜覆蓋方式：全膜覆蓋（膜寬140 cm）、半膜覆蓋（膜寬80 cm）；行距：等行距（50 cm），寬窄行（40 cm +80 cm），共4個處理（圖1），3次重復，小區面積12 m×8 m，全膜覆蓋種5帶，半膜覆蓋種10帶。玉米（L.）品種為先玉335，4月20日播種，9月25日收獲，密度82 500株/hm2，玉米全生育期施用純氮450 kg·hm-2，按基肥﹕大喇叭口期追肥﹕灌漿期追肥=3﹕6﹕1施入；施用P2O5225 kg·hm-2，全部用作基肥。采用輸水管道分小區水表計量灌溉，灌溉定額525 mm，其中冬儲灌120 mm；拔節期、大喇叭口、抽雄吐絲期、灌漿初期、灌漿中期灌水定額分別為90、75、90、75和75 mm。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤呼吸速率 玉米播種后每隔15—20 d，采用土壤呼吸測定系統LI-8100A（LI-COR，USA）于8：00—20：00，每隔2 h測定一次，連續測定3 d。測定時將呼吸室置于小區中間作物行間，裸露區在兩條地膜帶作物行間，地膜覆蓋區和裸露區各隨機選取3個點，每點測定5個值。地膜覆蓋區測定前12 h將地膜揭出呼吸室邊緣大小的裸區，讓膜內累積的CO2排出。地膜覆蓋區和裸露區的平均值視為該小區土壤呼吸速率值（）[14-15]。每小區預留未種植玉米區同時觀測，作為同等處理條件下該處理土壤礦化呼吸速率（），根呼吸則根據=-計算。

1.3.2 籽粒產量 玉米收獲時每小區單獨收獲測定籽粒產量，為避免邊行優勢干擾，將小區四周50 cm剔除。

1.3.3 地上部與地下部生物量 玉米收獲時采用根鉆法測定各處理0—110 cm土層范圍內根系，清洗烘干稱重。每個小區隨機選擇3個樣方測定地上部生物量（包括地上部各器官以及凋落物）。

FU：全膜覆蓋等行距（50 cm）；FP：全膜覆蓋寬窄行（40 cm+80 cm）；HU：半膜覆蓋等行距（50 cm）；HP：半膜覆蓋寬窄行（80 cm+40 cm）。下同

1.3.4 碳排放量計算

碳排放量（carbon emission, CE）計算公式如下[16]：

式中，為土壤呼吸碳排放量（kg C·hm-2），為土壤呼吸速率（g CO2·m-2·h-1），(+1)和分別為第1次和第次的土壤呼吸速率，為播種后天數（d），12/44為g CO2·m-2·h-1轉換為 g C·m-2·h-1的系數，10 與 24 為將碳排放數值單位由 g C·m-2·h-1轉換為kg C·hm-2的系數。

1.3.5 碳排放效率 碳排放效率（carbon emission efficiency，CEE）表示農田每排放1 kg的碳產生多少kg的籽粒產量，計算公式如下[13]：

（2）

式中，為作物籽粒產量（kg·hm-2），為生育期內土壤呼吸碳排放總量（kg C·hm-2）。

1.3.6 碳平衡計算 采用凈生態系統生產力（NEP）來表示生態系統碳平衡[17]。計算公式如下：

（3）

式中，為作物地上部生物量與地下部生物量的總和，作物地上部組織和根的碳含量取45%（據估算，作物利用光合作用合成1 g有機質需要吸收 C 0.45 g）[18]，土壤微生物異養呼吸C 釋放量為不同處理相應裸地在整個玉米生育期間農田CO2的排放量。為正值時，表示系統是大氣CO2的吸收“匯”；反之為大氣CO2的排放“源”。

1.4 數據統計分析

數據采用SPSS 20.0（SPSS Institute Ltd，USA）進行統計分析，用Duncan’s multiple-range test對處理進行多重比較。土壤呼吸速率、土壤碳排放量與年度之間互作效應不顯著，故取兩年平均值比較處理之間的差異。

2 結果

2.1 地膜覆蓋方式及種植行距對土壤呼吸速率季節變化的影響

不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下土壤呼吸速率隨玉米生育進程呈典型的單峰曲線，地膜覆蓋方式及行距對玉米全生育期平均土壤呼吸速率影響顯著（圖2）。從玉米生育期土壤呼吸速率動態變化來看，玉米出苗至拔節期（5月5—20日）各處理土壤呼吸速率無顯著差異；拔節期至灌漿中期，全膜覆蓋等行距（FU：6.82 μmol·m-2·s-1）和全膜覆蓋寬窄行（FP：6.51 μmol·m-2·s-1）處理土壤呼吸速率顯著高于半膜覆蓋等行距（HU）和半膜覆蓋寬窄行（HP）處理。從玉米全生育期平均土壤呼吸速率來看，兩個全膜覆蓋處理顯著高于兩個半膜覆蓋處理；其中，全膜覆蓋等行距（FU）處理平均土壤呼吸速率為4.25 μmol·m-2·s-1，較兩個半膜覆蓋處理（HU和HP）分別高29.2%和39.3%；全膜覆蓋寬窄行（FP）處理平均土壤呼吸速率為4.06 μmol·m-2·s-1，分別較兩個半膜覆蓋處理（HU和HP）高23.4%和33.1%。綜合上述結果，地膜覆蓋方式及種植行距對玉米拔節期至灌漿中期土壤呼吸速率影響顯著，全膜覆蓋條件下玉米全生育期土壤呼吸速率顯著高于半膜覆蓋處理。

2.2 不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米不同生育時期土壤碳排放量

不同地膜覆蓋方式及種植行距對玉米不同生育時期土壤碳排放量影響顯著，且二者互作效應顯著（=0.003）。圖3顯示，玉米苗期至大喇叭口期，全膜覆蓋等行距（FU）和全膜覆蓋寬窄行（FP）處理土壤碳排放量均顯著高于半膜覆蓋等行距（HU）和半膜覆蓋寬窄行（HP）處理。其中，苗期至拔節期，全膜覆蓋處理（FU和FP）玉米根呼吸碳排放量貢獻率分別為23.1%和26.2%，較兩個半膜覆蓋處理（HU和HP）高1.8—7.4個百分點，差異顯著。玉米大喇叭口期至成熟期，各處理土壤碳排放量依次為：FU＞FP＞HU＞HP，且處理間差異顯著。抽雄吐絲期至灌漿中期，各處理土壤碳排放量達到了全生育期最大值；其中，FU和FP處理土壤碳排放量分別達到1 486.7和1 386.5 kg C·hm-2，較對應半膜覆蓋處理分別高32.8%和37.3%，且差異顯著。大喇叭口期至灌漿中期，全膜覆蓋處理玉米根呼吸碳排放量貢獻率均顯著高于半膜覆蓋處理；其中，大喇叭口期至抽雄吐絲期，各處理玉米根呼吸碳排放量貢獻率達到全生育期最高值，為68.7%—77.2%。綜上所述，相對于半膜覆蓋，無論采用等行距還是寬窄行種植，全膜覆蓋均顯著提高了玉米全生育期農田土壤碳排放量，且玉米根呼吸碳排放量的貢獻率在18.8%—77.2%，平均為49.1%，不同生育時期處理間存在差異，最大值出現在玉米生長較為旺盛的大喇叭口期至抽雄吐絲期。

左圖中圖上方的誤差線表示LSD值。右圖中不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。下同

圖3 不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米不同生育階段土壤碳排放量及玉米根呼吸貢獻率

2.3 不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米農田碳排放效率

不同地膜覆蓋方式及種植行距對玉米碳排放效率影響顯著，且二者互作效應顯著（表1）。從不同覆膜方式來看，全膜覆蓋玉米籽粒產量及碳排放總量均顯著高于半膜覆蓋，但后者碳排放效率達到2.50 kg·kg-1，較前者高24.4%，差異顯著。從種植行距來看，寬窄行種植玉米籽粒產量顯著高于等行距種植模式，但前者碳排放總量卻顯著低于后者；寬窄行種植碳排放效率達到2.34 kg·kg-1，較等行距種植模式高10.4%，且差異顯著。就地膜覆蓋方式和行距組合來看，全膜覆蓋寬窄行籽粒產量達到14 070.3 kg·hm-2，顯著高于其他處理；而全膜覆蓋等行距模式碳排放總量達到7 068.9 kg·hm-2，顯著高于其他處理。各處理中，半膜覆蓋寬窄行碳排放效率最高，達到2.65 kg·kg-1，分別較全膜覆蓋等行距和全膜覆蓋寬窄行處理高37.3%和26.2%。由此看來，相對半膜覆蓋，全膜覆蓋處理獲得較高的籽粒產量的同時，其碳排放總量也相對較高。從碳排放效率的角度分析，半膜覆蓋寬窄行種植是建議在試區推廣應用的種植模式。

表1 不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米碳排放效率

NS、*和**分別表示無顯著差異及在0.05 和0.01水平上差異顯著。同一列數字后的不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下同

NS, *, **: Non-significant or significant at＜0.05 or＜0.01, respectively. Means followed by different letters within a column are significantly different at＜0.05. The same as below

2.4 玉米農田碳平衡對地膜覆蓋方式及種植行距的響應

為了進一步量化分析玉米農田碳平衡對地膜覆蓋及種植行距的響應，本研究分別采用凈生態系統生產力（NEP）和農田固碳總量與碳排放總量的比值（NPP/CE）來表征玉米農田碳平衡及碳匯強度。結果表明，不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下，玉米農田均表現為大氣CO2碳的“匯”。地膜覆蓋方式及種植行距對玉米農田NEP和NPP/CE影響顯著，且二者互作效應顯著（表2）。就不同地膜覆蓋方式而言，半膜覆蓋條件下NEP達到7 193.8 kg C·hm-2，較全膜覆蓋高17.9%，差異顯著；全膜覆蓋條件下的NPP/CE達到2.37。就不同種植行距而言，寬窄行種植模式下NEP達到6 986.0 kg C·hm-2，較等行距種植模式高6.8%，差異顯著；寬窄行種植模式下的NPP/CE達到2.18。綜合分析地膜覆蓋方式與種植行距，半膜覆蓋寬窄行種植模式下NEP最高，達到7 446.2 kg C·hm-2，較其他3個處理高7.3%—31.2%，差異顯著；該模式下NPP/CE達到2.45。上述結果說明，試區內由不同地膜覆蓋方式和種植行距形成的4種玉米種植模式均表現為大氣CO2碳的“匯”，二者對土壤碳平衡影響顯著，半膜覆蓋寬窄行種植模式碳匯效應最強，其主要原因是該模式下碳排放總量最低。

3 討論

3.1 地膜覆蓋方式和種植行距對農田碳排放特征的影響

土壤呼吸速率受到氣候條件、植被類型和土壤狀況等諸多因子的影響[19-20]。本研究發現，在干旱內陸氣候背景下，玉米農田土壤呼吸速率季節變化呈現典型的單峰曲線，且峰值出現玉米生長較為旺盛的大喇叭口期至抽雄吐絲期。這一研究結果與LIU等研究結果一致[21]。針對不同作物土壤呼吸速率影響因子的一些發現，土壤呼吸速率的變異很大程度上決定于土壤溫度與水分條件[22-24]。耕作及覆蓋措施對土壤呼吸速率的影響在一定程度上是由于土壤水熱條件的差異所導致[25]。本研究發現全膜覆蓋條件下玉米全生育期土壤呼吸速率顯著高于半膜覆蓋處理。這主要歸因于全膜覆蓋條件下土壤水熱條件優于半膜覆蓋[26]。此外，有研究表明，土壤溫度直接影響微生物和植物呼吸酶的活性，從而影響土壤的呼吸速率[27]。因此，4種種植模式土壤呼吸碳排放存在差異的原因在一定程度上可歸因于地膜覆蓋方式及種植行距所導致土壤水熱條件的不同。

表2 不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米農田凈生態系統生產力

土壤呼吸是有機體和植物地下部分產生CO2的過程，精確量化分析土壤呼吸組分是土壤碳循環領域研究的重點和難點。本研究沿用前人所采用的根去除法，分析了玉米不同生育階段，根呼吸碳排放量占土壤碳排放總量的比例。結果表明，玉米根呼吸碳排放量的貢獻率在18.8%—77.2%，平均為49.1%，最大值出現在玉米生長較為旺盛的大喇叭口期至抽雄吐絲期。韓廣軒等[28]研究發現玉米根系呼吸碳排放作用占土壤碳排放的比例為43.1%—63.6%。張宇等[29]研究得出冬小麥不同耕作措施下根呼吸對土壤呼吸的貢獻率在15%—85%。張前兵等[30]研究認為棉花滴灌條件下根系呼吸對土壤呼吸的貢獻率為36.4%—58.7%。LI等[31]則發現谷子根呼吸占土壤呼吸比例介于22.3%—86.6%之間。說明作物根呼吸占土壤呼吸的比例因作物而已，相同作物在不同農藝技術措施條件下也存在較大的不確定性。

3.2 農田土壤碳平衡的評價方法

不同研究者采用不同方法對土壤碳排放量及碳平衡進行了估算和研究。YU等[32]采用GSMSR模型對中國陸地生態系統土壤呼吸碳排放速率進行了估算。考慮到追求較高的籽粒產量是農田生態系統調控的關鍵目標之一，一些研究者通過分析土壤碳排放效率（CEE）來評價不同種植模式的固碳效應[13]。近年來，用凈生態系統生產力（NEP）作為評價農田土壤碳平衡的方法被一些研究者所采用[33]。本研究結果表明，在西北干旱內陸氣候背景下，玉米采用全膜覆蓋方式在獲得較高籽粒產量的同時，其碳排放總量也相對較高，但其碳排放效率卻低于籽粒產量較低的半膜覆蓋處理。因此，為了進一步分析地膜覆蓋方式和種植行距兩種農藝技術措施的固碳效應，本研究分別采用凈生態系統生產力（NEP）和農田固碳總量與碳排放總量的比值來表征玉米農田平衡及碳匯強度。結果表明，4種玉米種植模式均表現為大氣CO2碳的“匯”，這一研究結果與李銀坤等在華北平原夏玉米上的研究結果一致[34]。本研究還發現半膜覆蓋寬窄行種植模式碳匯效應最強，其主要是由于該模式下碳排放總量最低，這是由于半膜覆蓋土壤溫度較低，進而使該模式土壤呼吸強度較低所致。

另外，采用NEP作為評價農田生態系統碳平衡的指標在一定程度上彌補了用CEE估算的不足。當然，也有研究者指出采用模型評價作物系統碳平衡的優點[35]。認為土壤有機碳庫的變化可以用于較長時間尺度上土壤碳平衡評價。不同的評價方法中所涉及的指標因作物種類、土壤生態環境等因子變化而敏感性有所不同。對于不同農田生態系統而言，作物種類、生產技術措施差異較大，如何選擇適宜的土壤碳平衡量化分析方法有待進一步深入探討。

4 結論

在干旱內陸氣候背景下，玉米農田土壤呼吸速率季節變化呈現典型的單峰曲線，且峰值出現玉米生長較為旺盛的大喇叭口期至抽雄吐絲期。地膜覆蓋方式及種植行距對玉米農田土壤碳排放量影響顯著，半膜較全膜覆蓋具有明顯碳減排效應。半膜覆蓋寬窄行碳排放效率最高的，達到2.65 kg·kg-1，分別較全膜覆蓋等行距和全膜覆蓋寬窄行處理高37.3%和26.2%。玉米根呼吸碳排放量的貢獻率在18.8%—77.2%，平均為49.1%。玉米采用全膜覆蓋方式在獲得較高籽粒產量的同時，其碳排放總量也相對較高。4種玉米種植模式均表現為大氣CO2碳的“匯”，半膜覆蓋寬窄行種植模式碳匯效應最強。

[1] SONG J, HUI Y, YU C, ZHANG Q, ZHOU Y, LI Y, LIU X, ZHU L, HUI D, WAN S. Carbon balance under four double-season cropping systems in North China Plain., 2017, 421(1/2): 319-336.

[2] 王丙文, 遲淑筠, 田慎重, 寧堂原, 韓惠芳, 趙紅香, 李增嘉. 不同玉米秸稈還田方式對冬小麥田土壤呼吸的影響. 應用生態學報, 2013, 24(5): 1374-1380.

WANG B W, CHI S Y, TIAN S Z, Ning T Y, HAI H F, ZHAO H X, LI Z J. Effect of different maize straw-returning modes on the soil respiration in a winter wheat field., 2013, 24(5): 1374-1380. (in Chinese)

[3] NEOGI S, BHATTACHARYYA P, ROY K S, PANDA B B, NAYAK A K, RAO K S, MANNA M C. Soil respiration, labile carbon pools, and enzyme activities as affected by tillage practices in a tropical rice-maize-cowpea cropping system., 2014, 186(7): 4223-4236.

[4] 張恒恒, 嚴昌榮, 張燕卿, 王健波, 何文清, 陳保青, 劉恩科. 北方旱區免耕對農田生態系統固碳與碳平衡的影響. 農業工程學報, 2015, 31(4): 240-247.

ZHANG H H, YAN C R, ZHANG Y Q, WANG J B, HE W Q, CHEN B Q, LIU E K. Effect of no tillage on carbon sequestration and carbon balance in farming ecosystem in dryland area of northern China., 2015, 31(4): 240-247. (in Chinese)

[5] DING W, YU H, CAI Z, HAN F, XU Z. Responses of soil respiration to N fertilization in a loamy soil under maize cultivation., 2010, 155(3/4): 381-389.

[6] MORARU P I, RUSU T. Effect of tillage systems on soil moisture, soil temperature, soil respiration and production of wheat, maize and soybean crops., 2012, 10(2): 445-448.

[7] 王小彬, 王燕, 代快, 武雪萍, 趙全勝, 張丁辰, 馮宗會, 蔡典雄. 旱地農田不同耕作系統的能量/碳平衡. 生態學報, 2011, 31(16): 4638-4652.

WANG X B, WANG Y, DAI K, WU X P, ZHAO Q S, ZHANG D C, FENG Z H, CAI D X. Coupled energy and carbon balance analysis under dryland tillage systems., 2011, 31(16): 4638-4652. (in Chinese)

[8] HUANG N, WANG L, GUO Y, HAO P, NIU Z. Modeling spatial patterns of soil respiration in maize fields from vegetation and soil property factors with the use of remote sensing and geographical information system., 2014. 9(8): 1-14.

[9] 楊毅, 黃玫, 劉洪升, 劉華杰. 土壤呼吸的溫度敏感性和適應性研究進展. 自然資源學報, 2011, 26(10): 1811-1820.

YANG Y, HUANG M, LIU H S, LIU H J. The interrelation between temperature sensitivity and adaptability of soil respiration., 2011, 26(10): 1811-1820. (in Chinese)

[10] 黃晶, 李冬初, 劉淑軍, 劉宏斌, 王伯仁. 長期施肥下紅壤旱地土壤CO2排放及碳平衡特征. 植物營養與肥料學報, 2012, 18(3): 602-610.

HUANG J, LI C D, LIU S J, LIU H B, WANG B R. Characteristics of soil CO2emission and carbon balance under long-term fertilization in red soil., 2012, 18(3): 602-610. (in Chinese)

[11] CHEN S, YAO H, ZOU J, SHEN Q, HU Z, QIN Y, CHEN H, PAN G. Modeling interannual variability of global soil respiration from climate and soil properties., 2010, 150(4): 590-605.

[12] 展小云, 于貴瑞, 鄭澤梅, 王秋鳳. 中國區域陸地生態系統土壤呼吸碳排放及其空間格局—基于通量觀測的地學統計評估. 地理科學進展, 2012, 31(1): 97-108.

ZHAN X Y, YU G R, ZHENG Z M, WANG Q F. Carbon emission and spatial pattern of soil respiration of terrestrial ecosystems in china: based on geostatistic estimation of flux measurement., 2012, 31(1): 97-108. (in Chinese)

[13] QIN A Z, HUANG G B, CHAI Q, YU A Z, HUANG P. Grain yield and soil respiratory response to intercropping systems on arid land., 2013, 144(6): 1-10.

[14] YIN W, CHAI Q, GUO Y, FENG F X, ZHAO C, YU A Z, LIU C, FAN Z L, HU F H, CHEN G D. Reducing carbon emissions and enhancing crop productivity through strip intercropping with improved agricultural practices in an arid area., 2017, 166: 197-208.

[15] 胡發龍, 柴強, 甘延太, 殷文, 趙財, 馮福學. 少免耕及秸稈還田小麥間作玉米的碳排放與水分利用特征. 中國農業科學, 2016, 49(1): 120-131.

HU F L, CHAI Q, GAN Y T, YIN W, ZHAO C, FENG F X. Characteristics of soil carbon emission and water utilization in wheat/maize intercropping with minimal/zero tillage and straw retention., 2016, 49(1): 120-131. (in Chinese)

[16] CHAI Q, QIN A Z, GAN Y T, YU A Z. Higher yield and lower carbon emission by intercropping maize with rape, pea, and wheat in arid irrigation areas., 2014, 34(2): 535-543.

[17] WOODWELL G M, WHITAKER R H, REINERS W A, LIKENS G E, DELWICH C C, BOTKIN D B. Biota and the world carbon budget., 1978, 199: 141-146.

[18] KUZYAKOV Y. Separating microbial respiration of exudates from root respiration in non-sterile soils: a comparison of four methods., 2002, 34(11): 1621-1631.

[19] FANG C, MONCRIEFF J B. The dependence of soil CO2efflux on temperature., 2001, 33(2): 155-165.

[20] 嚴俊霞, 李洪建, 尤龍鳳. 玉米農田土壤呼吸與環境因子的關系研究. 干旱區資源與環境, 2010, 24(3):183-189.

YAN J X, LI H J, YOU L F. Studies on soil respiration and its relation with environmental factors in a maize field in Taiyuan Basin., 2010, 24(3): 183-189. (in Chinese)

[21] LIU S B, CHAI Q, HUANG G B. Relationships among soil respiration, soil temperature and dry matter accumulation for wheat- maize intercropping in an arid environment., 2013, 93(4): 715-724.

[22] 涂純, 王俊, 劉文兆. 不同覆蓋條件下旱作農田土壤呼吸及其影響因素. 植物營養與肥料學報, 2012, 18(5): 1103-1110.

TU C, WANG J, LIU W Z. Variation in soil respiration and its driving factors in rainfed winter wheat fields with different mulching measures., 2012, 18(5): 1103-1110. (in Chinese)

[23] 張丁辰, 蔡典雄, 代快, 馮宗會, 張曉明, 王小彬. 旱作農田不同耕作土壤呼吸及其對水熱因子的響應. 生態學報, 2013, 33(6): 1916-1925.

ZHANG D C, CAI D X, DAI K, FENG Z H, ZHANG X M, WANG X B. Soil respiration and its responses to soil moisture and temperature under different tillage systems in dryland maize fields., 2013, 33(6): 1916-1925. (in Chinese)

[24] 劉爽, 嚴昌榮, 何文清, 劉勤. 不同耕作措施下旱地農田土壤呼吸及其影響因素. 生態學報, 2010, 30(11): 2919-2924.

LIU S, YAN C R, HE W Q, LIU Q. Soil respiration and its affected factors under different tillage systems in dryland production systems., 2010, 30(11): 2919-2924. (in Chinese)

[25] 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. 草業學報, 2012, 21(1): 237-278.

YU A Z, HUANG G B, CHAI Q. Effect of different tillage treatments on soil respiration on winter-wheat farmland in oasis irrigated area Northwest China., 2012, 21(1): 237-278. (in Chinese)

[26] 劉春芬, 劉文兆, 林文, 韓曉陽, 李超. 黃土塬區不同地膜覆蓋度下土壤水熱狀況研究. 水土保持研究, 2017, 24(6): 62-67.

LIU C F, LIU W Z, LIN W, HAN X Y, LI C. Soil hydrothermal status under different degrees of film mulching coverage on the Loess Tableland., 2017, 24(6): 62-67. (in Chinese)

[27] LIU Y, HE N P, WEN X F, XU L, SUN X M, YU G R, LIANG L Y, SCHIPPER L A. The optimum temperature of soil microbial respiration: Patterns and controls., 2018, 121: 35-42.

[28] 韓廣軒, 周廣勝, 許振柱, 楊揚, 劉景利, 史奎橋. 玉米農田土壤呼吸作用的空間異質性及其根系呼吸作用的貢獻. 生態學報, 2007, 27(7): 5254-5261.

HAN G X, ZHOU G S, XU Z Z, YANG Y, LIU J L, SHI K Q. Spatial heterogeneity of soil respiration and contribution of root respiration in a maize agricultural field., 2007, 27(7): 5254-5261. (in Chinese)

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

ZHANG Y, ZHANG H L, CHEN J K, CHEN F. Tillage effects on soil respiration and contributions of its components in winter wheat field., 2009, 42(9): 3354-3360. (in Chinese)

[30] 張前兵, 楊玲, 王進, 羅宏海, 張亞黎, 張旺鋒. 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. 中國農業科學, 2012, 45(12): 2420-2430.

ZHANG Q B, YANG L, WANG J, LUO H H, ZHANG Y L, ZHANG W F. Effects of different irrigation methods and fertilization measures on soil respiration and its component contributions in cotton field in arid region., 2012, 45(12): 2420-2430. (in Chinese)

[31] LI X, FU H, GUO D, LI X, WAN C. Partitioning soil respiration and assessing the carbon balance in a(L.) Beauv. Cropland on the Loess Plateau, Northern China., 2010, 42(2): 337-346.

[32] YU G R, ZHENG Z M, WANG Q F, FU Y L, ZHUANG J, SUN X M, WANG Y S. Spatiotemporal pattern of soil respiration of terrestrial ecosystems in China: The development of a geostatistical model and its simulation., 2010, 44(16): 6074-6080.

[33] LUO Q, GONG J, YANG L, LI X, PAN Y, LIU M, ZHAI Z. Impacts of nitrogen addition on the carbon balance in a temperate semiarid grassland ecosystem., 2017, 53(8): 911-927.

[34] 李銀坤, 陳敏鵬, 夏旭, 梅旭榮, 李昊儒, 郝衛平. 不同氮水平下夏玉米農田土壤呼吸動態變化及碳平衡研究. 生態環境學報, 2013, 22(1): 18-24.

LI Y K, CHEN M P, XIA X, MEI X R, LI H R, HAO W P. Dynamics of soil respiration and carbon balance of summer-maize field under different nitrogen addition., 2013, 22(1): 18-24. (in Chinese)

[35] WATTENBACH M, SUS O, VUICHARD N, LEHUGER S, GOTTSCHALK P, LI L, LEIP A, WILLIAMS M, TOMELLERI E, KUTSCH W L, BUCHMANN N, EUGSTER W, DIETIKER D, AUBINET M, CESCHIA E, BEZIAT P, GRUENWALD T, HASTINGS A, OSBORNE B, CIAIS P, CELLIER P, SMITH P. The carbon balance of European croplands: A cross-site comparison of simulation models., 2010, 139(3): 419-453.

（責任編輯 李云霞）

Responses of Soil Carbon Emission and Carbon Balance of Maize Field to Plastic Film Mulching Pattern and Row Space

YU AiZhong, CHAI Qiang, YIN Wen, HU FaLong, FAN ZhiLong, ZHAO Cai

(College of Agronomy, Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Arid Land Crop Science in Gansu Province, Lanzhou 730070)

【Objective】Field experiment was carried out to analyze and evaluate the effects of plastic film mulching pattern and row space on soil carbon emission and carbon balance of maize field in arid inland river irrigated area. The experimental results provided a reference for evaluating ecological effect of typical cropping systems and its key cultivating techniques in this area.【Method】Full-film mulching with uniform row (50 cm), full-film mulching with paired row (80 cm+40 cm), half-film mulching with uniform row (50 cm), half-film mulching with paired row (80 cm+40 cm) were layout in the year of 2013 and 2014. Dynamics of soil respiration rate and CO2-C emission during maize growth stage were to be measured by using portable Li-8100A (LI-COR). Carbon emission efficiency (CEE) and net ecology productivity (NEP) were used as indexes to estimate carbon sequestration intensity.【Result】Soil respiration rate was significantly affected by different film mulching pattern and row space, and it showed a single peak curve during the entire growth stage of maize. Full-film mulching treatments increased soil CO2emission significantly, compared with half-film mulching treatments. The contribution rate of root CO2-C emission to soil total CO2-C emission varied from 18.8% to 77.2% between different film mulching pattern and row space treatments and its average was 49.1%. Half-film mulching with paired row space showed the highest CEE among the four cropping patterns, up to 2.64 kg·kg-1, which was 37.3% and 26.2% higher than that of full-film mulching with uniform row space and paired row space cropping pattern, respectively. Half-film mulching with paired row space showed the highest NEP in four cropping patterns, up to 7 446.2 kg C·hm-2, which was significantly higher than that of other three cropping patterns.【Conclusion】Soil CO2emission of maize cropland was affected significantly by different film mulching patterns and row spaces, and the four main maize crop systems were sinks of atmospheric CO2in arid inland river irrigation area. Half-film mulching with paired row space showed the lowest carbon emission and the highest carbon sequestration intensity.

maize; soil respiration; carbon emission efficiency; carbon balance

2018-03-17；

2018-08-01

國家自然科學基金（31401350）、國家現代農業產業技術體系（CARS-22-G-12）、農業部公益性行業科研專項（201503125-3）

于愛忠，E-mail：yuaizh@gsau.edu.cn。通信作者柴強，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn