西藏玉米田養鵝模式下的土壤碳排放特征

楊 紅，柳文杰，劉合滿，曹麗花

(1.西藏農牧學院資源與環境學院，西藏 林芝 860000；2.信陽農林學院，河南 信陽 464000)

土壤呼吸作為大氣CO2濃度升高的主要因素，所指為土壤中產生CO2的所有代謝過程，包括土壤生物(動物、植物、微生物等)在生命活動過程中所進行的呼吸作用以及土壤有機碳礦化分解等作用產生的CO2，是陸地生態系統土壤碳排放的主要途徑[1]。土壤呼吸每年的CO2排放量是全球化石燃料排放量的10倍[2]。在全球氣候變化背景下，土壤呼吸碳排放量可能會進一步增加，西藏作為全球氣候變化的敏感區，在本世紀中葉增溫幅度可達到2.4℃～3.2℃[3]，這將激發西藏高原敏感區土壤溫室氣體的排放，從而加速全球變暖。

農田生態系統作為受人為干預和支配較為頻繁的半自然陸地生態系統，農耕方式、水肥管理措施及作物種類均可通過改變土壤的結構、質地及肥力等因素，影響土壤碳排放強度[4]。西藏農田主要集中在“一江兩河”流域，是西藏人民賴以生存的主要糧食來源，然而，由于氣候惡劣、土壤貧瘠等原因，施肥成了提高作物產量的主要措施，施肥的殘留物質，通過淋溶污染地下水，產生的氮氧化物增加大氣溫室氣體濃度，而這可能是導致青藏高原脆弱生態環境被破壞的“致命一擊”。更值得注意的是隨著全球氣候變化的進一步加劇，青藏高原作為氣候變化的敏感區，農田土壤碳排放將積極響應于這一變化。

玉米田養鵝(Raising geese in corn field，RGC)是遵循生態學原理，在同一塊土地內同時進行種養結合的一種可持續農業生產模式，這種模式可有效提高農業經濟收入[5]、維持農田生態系統多樣性[6]和雜草防控[7]。然而，“玉米田養鵝”模式在提高農業經濟效益的條件下，對土壤碳排放的影響如何尚鮮見報道，從而制約對玉米田養鵝模式生態經濟效益的有效評估。青藏高原高寒農田生態系統十分脆弱，正在經歷著明顯的氣候變暖，因此，研究青藏高原玉米田養鵝模式下高寒農田生態系統土壤碳排放，對預測未來大氣CO2濃度、改變傳統農業措施造成的面源污染及有效評價玉米田養鵝模式的利弊具有重大意義。故本研究以西藏高寒區域玉米田養鵝農業生產模式下的農田土壤為研究對象，分析玉米田養鵝對土壤呼吸速率的影響，以期為科學闡明高寒氣候條件下玉米田養鵝模式的固碳效應和為研究青藏高原高寒農田生態系統土壤呼吸速率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于藏東南林芝市巴宜區八一鎮章麥村，29°33′N，94°21′E，海拔3 100 m，全年均溫8.6℃～8.8℃，7月(當地最熱月)均溫可達18℃；≥10℃的年有效積溫2 225.7℃，年平均降雨量634.2 mm，降水主要集中在5～9月，占全年降水的79.1%，年日照時數1 988.6 h左右，年總輻射量為6.1×109～70×109J·m-2，光合有效輻射為2.5×109～3.0×109J·m-2，無霜期177 d。試驗地為高寒農田，無遮陰，土壤類型為沙質土，沙粒含量較多。試驗地的耕作制度為油菜—冬小麥或油菜—春青稞輪作。2012年種植青稞，于2013年開始長期定位試驗。

1.2 試驗設計

于2013年5月9日試驗組進行玉米播種，所播玉米品種為酒單4號，玉米株、行間間隔分別為30 cm和70 cm，設置保護行。底肥施用復合肥(組成：N33%，P2O517%，K2O17%，有機質20%)，用量為240 kg·hm-2。設置玉米田養鵝(RGC)和常規玉米種植(CK)，重復3次，每個試驗小區20 m2，總面積為120 m2，隨機排列，各小區之間間隔1 m，養鵝處理的農田不除雜草，各小區間用0.5 m高的網圍住。綜合考量小區內雜草的持續供應性和玉米的正常生長，3個試驗處理小區的養鵝總數量為10只，并在3個小區內輪換放牧，每個小區方放牧時間相等。于8∶00左右放入試驗地，確保鵝的飲水供應充足，19∶00左右收回鵝圈，并一次性投加飼料1 kg。對照使用除草劑玉雕(成分：銹去津，含量：90%；硝磺草酮，含量：10%)來進行雜草管理，施用量為1.65 kg·hm-2，利用背式噴霧器進行近地面噴施，共噴施2次(第1次在播種后，第2次與第1次間隔50 d)。除此之外，RGC和CK的其他管理措施相同。2013年開始試驗至2017年期間處理相同。本試驗數據采集于2017年5—8月。

1.3 測定項目及方法

采用開路式土壤碳通量測定系統(Li-8100，Li-COR，USA)進行土壤呼吸速率的測定，為降低土壤表面植物生理活動對土壤呼吸速率的影響，測量前24 h在每個小區玉米行間隨機選擇3個樣點，并安裝直徑為20 cm，高10 cm的土壤環(呈對角線安裝)，將土壤環高度的2/3插入土壤，環內的植物齊地面剪除。于2017年5月29—31日、6月12—14日、6月28—30日、7月16—18日、7月28—29日、8月6—8日進行土壤呼吸速率及10 cm土壤深度的溫度、5 cm深度的體積含水量測定；儀器測定時間步長設為3 min，土壤呼吸、體積含水量和溫度的變化取該時段內20次(1 h)測定值的平均數，并將24 h的指標變化作為日變化特征進行統計。

土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量測定分別采用重鉻酸鉀-外加熱法、半微量開氏法、HClO4—H2SO4法和NaOH熔融—火焰光度法。土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量測定分別采用堿解擴散法、0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法、NH4OAc浸提—火焰光度法，土壤pH值測定采用5∶1水土比，即攪拌1 min，靜置30 min后，采用pH測定儀(IQ150，美國IQ公司)進行測定，采用土壤緊實度儀(SC900)測量土壤緊實度。

1.4 數據分析

采用Excel 2007進行數據處理，處理間土壤呼吸、土壤溫度和土壤體積含水量之間的差異分析采用單因素方差分析(One-way ANOVA)法，CK與RGC處理土壤呼吸之間的差異分析采用配對樣本T檢驗。作圖及相關性分析采用Origin 9.0(Originlab公司，美國)進行。

土壤呼吸溫度敏感性Q10值采用指數模型擬合，計算公式為：

Rs=aebT

(1)

Q10=e10b

(2)

式中，Rs為土壤呼吸速率，T為土壤溫度，a是當土壤溫度為0℃時的土壤呼吸速率，b為溫度反應系數，Q10為土壤呼吸溫度敏感性系數。

2 結果與分析

2.1 玉米田養鵝模式下土壤理化性質的變化特征

由表1可知，較試驗農田初建時的養分狀況，經過5 a試驗后，RGC處理和CK處理的土壤pH值均有所降低，但RGC處理降低趨勢較CK顯著(P<0.05)。有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、緊實度和土壤容重均表現為RGC>CK。

2.2 玉米田養鵝模式下土壤呼吸日變化動態

由圖1可知，CK土壤呼吸速率日變化特征呈“單峰型”變化態勢，其中幼苗期、拔節期、抽雄期、開花期、吐絲期和成熟期土壤呼吸速率分別分布在0.59～1.86、0.69～2.40、1.02～2.79、1.28～2.50、1.92～3.14 μmol·m-2·s-1和1.09～2.83 μmol·m-2·s-1，各生長期最大值分別出現在16∶00、16∶00、17∶00、19∶00、18∶00和17∶00。幼苗期、抽雄期和吐絲期最小值出現時段一致，在06∶00—07∶00，拔節期和開花期最小值出現時段一致，在07∶00—08∶00，成熟期最小值出現在06∶00。RGC處理幼苗期、拔節期、抽雄期、開花期、吐絲期和成熟期土壤呼吸速率分別在1.34～2.40、1.75～3.54、2.26～3.20、2.65～4.33、2.39～4.21 μmol·m-2·s-1和2.38～4.13 μmol·m-2·s-1，日變化趨勢與CK一致，但極值出現時間存在差異。

2.3 玉米田養鵝模式下不同生長期土壤呼吸變化特征

由圖2可知，隨著生長期的推進，RGC和CK土壤呼吸速率均呈先增加后降低的變化趨勢，即從幼苗期(RGC,1.75 μmol·m-2·s-1，CK,1.16 μmol·m-2·s-1，下同)開始，土壤呼吸速率逐漸增加，直至吐絲期(RGC,3.32 μmol·m-2·s-1，CK,2.32 μmol·m-2·s-1)達到最大，隨后開始降低，至成熟期時，RGC和CK土壤呼吸速率分別為3.11 μmol·m-2·s-1和2.03 μmol·m-2·s-1。

從幼苗期至成熟期，土壤呼吸速率均表現為RGC>CK，RGC較CK分別高出51.74%、80.02%、81.61%、91.84%、43.19%和53.46%。在幼苗期至成熟期，RGC變異系數介于5.17%～26.48%，CK變異系數分布在3.16%～36.81%，各生長期均表現為CK>RGC，說明CK處理土壤呼吸更容易受到外界環境變化的干擾。

2.4 玉米田養鵝模式下土壤溫度、體積含水量變化特征

2.4.1 土壤溫度 由圖3可知，從幼苗期至成熟期，RGC土壤溫度變化范圍分別為9.33～27.24、11.65～23.33、12.66～24.13、11.84～25.87、13.43～29.01、13.17～28.84℃，CK土壤溫度變化范圍分別為9.97～26.64、11.24～27.01、12.67～23.62、11.98～24.08、13.38～31.92、13.14～31.85℃，呈單峰型日變化特征。土壤溫度快速升溫期主要在07∶00—15∶00，快速降溫主要在16∶00—19∶00。將幼苗期至成熟期土壤溫度平均，土壤平均溫度均表現為CK>RGC，且CK較RGC分別高出了2.58%、3.83%、0.41%、2.60%、0.64%和3.07%。

圖3 不同處理下土壤溫度日變化特征Fig.3 Diurnal variation characteristics of soil temperature under different treatments

2.4.2 土壤體積含水量 由圖4可知，土壤體積含水量呈單峰型日變化態勢。在6個生長期內，RGC處理土壤體積含水量變化范圍分別在0.15～0.29、0.14～0.25、0.19～0.26、0.19～0.27、0.16～0.26 m3·m-3和0.17～0.26 m3·m-3；CK土壤體積含水量變化范圍分別在0.15～0.23、0.13～0.23、0.18～0.28、0.17～0.29、0.19～0.27 m3·m-3和0.17～0.27 m3·m-3。各生長期土壤體積含水量最大值一般出現在06∶00—07∶00，最小值一般出現在14∶00—17∶00。平均而言，整個生育期內土壤平均體積含水量均表現為RGC>CK，幼苗期至成熟期，RGC分別較CK高出了6.41%、3.34%、0.79%、2.67%、3.04%和1.81%。

2.5 玉米田養鵝模式下土壤呼吸對溫度和體積含水量的響應

2.5.1 土壤呼吸對溫度的響應 土壤溫度與土壤呼吸速率二者之間的對應關系呈近橢圓形分布特征，由圖5可知，土壤溫度與土壤呼吸速率二者并不是保持同步變化，而是在溫度變化幅度大的一段時間內，土壤呼吸速率變化明顯滯后于溫度變化。處理RGC的幼苗期，土壤溫度最小和最大值分別出現在05∶00和15∶00，而土壤呼吸速率最小和最大值出現在06∶00和16∶00，可見，土壤呼吸速率滯后于土壤溫度變化1 h；CK處理土壤溫度最小值和最大值出現時間分別為06∶00和15∶00，而土壤呼吸最大值和最小值分別滯后于土壤溫度變化1 h和2 h。其他各生長期兩者的變化特征與幼苗期相似，均存在土壤呼吸滯后現象。

圖5 不同處理下土壤呼吸速率對溫度的響應Fig.5 Response of soil respiration rate to temperature under different treatments

2.5.2 土壤呼吸對土壤體積含水量的響應 土壤呼吸速率與土壤體積含水量的關系同樣呈近橢圓形分布特征(圖6)，表現為隨土壤體積含水量的增加土壤呼吸速率呈降低的趨勢。RGC處理幼苗期、拔節期、抽雄期、開花期、吐絲期和成熟期的土壤呼吸速率最小值滯后于土壤體積含水量變化0、1、1、3、0 h和0 h，土壤呼吸速率最大值分別滯后于體積含水量變化1、0、0、3、2 h和1 h。CK幼苗期至成熟期，在最小值出現時間上土壤呼吸速率分別滯后于土壤體積含水量變化0、1、0、1、1 h和-1 h，在最大值出現時間上土壤呼吸速率分別滯后于土壤體積含水量變化0、1、0、4、4 h和1 h。

圖6 不同處理下土壤呼吸速率對土壤體積含水量的響應Fig.6 Response of soil respiration rate to soil volumetric water content under different treatments

2.5.3 土壤呼吸速率與土壤溫度、體積含水量的復合關系 土壤呼吸速率的變化并非受單一因子的影響，而是受多種因素的共同作用，其中，土壤溫度和土壤體積含水量的影響尤為重要[11]，且關系復雜。諸多研究者在進行回歸分析時選擇的關系擬合模型差異較大，筆者采用雙變量回歸模型y=at+bw+k(y為土壤呼吸速率，t為土壤溫度，w為土壤體積含水量)對土壤呼吸速率與土壤溫度及體積含水量的關系進行回歸分析，結果見表2。CK幼苗期至成熟期，土壤呼吸速率與土壤溫度及體積含水量之間均達到了極顯著相關水平(P<0.01)，土壤溫度和土壤體積含水量兩者擬合的雙變量模型可共同解釋土壤呼吸速率日變化的86.21%～98.12%；RGC處理幼苗期至成熟期，土壤呼吸速率與土壤溫度及體積含水量之間亦均達到了極顯著相關水平(P<0.01)，土壤溫度和體積含水量兩者擬合的雙變量模型可共同解釋土壤呼吸速率日變化的58.32%～96.51%。相對于RGC處理，CK的土壤呼吸速率整體上更容易受到土壤溫度和體積含水量變化的影響。可見，玉米田養鵝可能會通過提高土壤碳庫的穩定性，從而降低土壤呼吸對外界環境溫濕度變化的響應程度。

表2 不同處理下土壤呼吸與土壤溫度、體積含水量的復合關系Table 2 Compound relation between soil respiration and temperature and volume water content under different treatments

土壤有機碳分解的溫度敏感性(Q10)是指土壤溫度每上升10℃，土壤有機碳分解速率所增加的倍數。Q10值越大，表明土壤有機碳分解對溫度變化越敏感[8]。本研究中，各生長期CK溫度敏感性系數Q10值分布在1.19～1.38，平均值為1.33；各生長期RGC溫度敏感性系數Q10值分布在1.12～1.30，平均值為1.25，溫度敏感性系數Q10值整體表現為：CK>RGC。其原因可能是鵝糞進入土壤改善了土壤結構，提高了土壤團聚體的穩定性，對土壤有機碳起到了保護作用，從而降低了土壤有機碳分解的溫度敏感性。

3 討 論

3.1 玉米田養鵝模式下土壤理化性狀變化特征及影響因素分析

相對于CK而言，RGC處理可有效提高土壤養分含量，但會降低土壤pH值，增加土壤容重和緊實度，其原因可能與RGC處理具有豐富的雜草多樣性、較高的生物量以及鵝以雜草和作物基部葉片為食，養分以糞便形式還田，從而使RGC處理模式具有更加良好的物質循環和養分反饋特性，但鵝的活動會增加土壤緊實度和土壤容重，同時，鵝糞為生理酸性肥，可使土壤酸化。綜上可知，RGC處理模式可降低化肥投入，減小環境污染，同時，土壤養分含量明顯增加，土壤肥力有效性提高，另外，土壤pH值的降低，有利于鹽漬化土壤理化性狀的改善。

各生長期土壤溫度和體積含水量均呈“單峰型”日變化趨勢，且整個生育期內，土壤體積含水量表現為RGC>CK，這主要可能是鵝產生的糞便增加了土壤有機質含量，改善了土壤物理性狀，提高了土壤保水保肥性能，從而使得RGC處理的體積含水量高于CK。本研究中，土壤溫度表現為CK>RGC，其原因可能在于RGC處理地上生物量(386.30 g·m-2)是CK(5.67 g·m-2)的68.13倍，蓋度(90.56%)是CK(7.22%)的12.54倍[9]，這可使得RGC處理能有效阻擋太陽輻射，同時，RGC處理較高的體積含水量和有機質含量使得其比熱容大于CK，導致在同一大氣環境條件下，RGC處理的溫度變化(升溫或降溫)小于CK。可見，RGC模式可有效提高土壤保水能力，降低土壤溫度。

3.2 玉米田養鵝模式下土壤呼吸變化特征及影響因素分析

本研究對RGC模式下土壤呼吸速率的研究表明，CK和RGC土壤呼吸速率均呈“單峰型”日變化特征，但不同測定日期土壤呼吸峰值出現時間存在差異，這與大多數研究結果[10-11]一致。其原因可能是不同測定季節的作物生長狀況[12]、測定時段的天氣變化特征[13]、樣地土壤的類型和質地[14]、作物根系分布及生物量[15]、土壤生物組成及分布[16]等不同有關。同時，CK和RGC的田間管理措施和外源養分輸入等存在差異，這也可導致在同一測定條件下土壤呼吸峰值出現時間上存在位差。

在整個生長期內，CK土壤呼吸速率峰值出現在吐絲期，其值變化范圍在1.92～3.14 μmol·m-2·s-1，均值為2.32 μmol·m-2·s-1。RGC處理土壤呼吸速率峰值亦出現在吐絲期，其值變化范圍在2.39～4.21 μmol·m-2·s-1，均值為3.32 μmol·m-2·s-1，RGC處理較CK提高了43.10%(P<0.05)。相對于CK而言，其一，RGC處理具有更高的地上地下生物量，其二，鵝的活動為土壤增加了額外的碳源和氮源，增強了土壤微生物活性[17]，提升了土壤微生物呼吸的碳排放速率，同時，由于養分的額外輸入，使得RGC較CK更能滿足作物生長的養分需求，使植物的根系生物量、土壤養分、微生物多樣性和酶活性均有提高[18-19]，從而提高了土壤自養呼吸，表現為RGC處理的土壤呼吸整體高于CK。CK處理為單施化肥，而化肥的施用會降低微生物多樣性、活性及碳源的利用效率[20]，從而抑制了土壤異養呼吸的能力，降低了土壤呼吸速率。其他生長期平均土壤呼吸速率均表現為RGC>CK。

從土壤呼吸空間變異性的角度，RGC處理的土壤呼吸速率空間變異性遠小于CK，這可能是因為長期的鵝糞輸入土壤后改善了土壤理化性狀，增加了土壤團聚體對有機碳的物理保護，從而使得RGC模式的土壤碳庫相對較穩定，土壤呼吸速率的空間變異性小；另外，RGC模式長期的鵝糞輸入增加了土壤微生物的營養來源，改善其生存環境，提高土壤微生物的種類和數量，使得其在外界環境變化時具有更高的抵抗能力，故使得RGC模式下的土壤呼吸速率變異性較小。

3.3 玉米田養鵝模式下土壤呼吸速率與土壤溫度、體積含水量的關系

土壤呼吸速率的變化主要是受土壤溫度和土壤體積含水量的協同影響，而非單一因子的作用[21]。本研究表明，CK和RGC處理的土壤溫度和體積含水量均可顯著影響土壤呼吸速率的變化，二者可共同解釋土壤呼吸變化的86.21%～98.12%(CK)和58.32%～96.51%(RGC)，可見，相對于CK，RGC處理可能會通過改善土壤養分結構及物理性質，從而減弱土壤呼吸對外界環境的響應程度。相關研究表明，在沒有水分脅迫的條件下，土壤溫度與土壤呼吸之間呈顯著正相關關系[22]，而土壤水分只有在最低或最高時才會對土壤呼吸速率產生影響[23]。本研究中，土壤呼吸速率隨土壤溫度的變化呈正相關近橢圓形分布關系，與土壤體積含水量之間呈負相關橢圓分布關系，但在極值出現時間上，土壤呼吸速率略滯后于土壤溫度和體積含水量的變化。Vargas等[24]研究得出，光合作用是造成土壤呼吸與土壤溫度日滯后現象的主要因素，其原因可能是溫度的增加導致植物的蒸騰作用增加，植物葉片水分減少，限制了光合作用和減少了光合產物向根部的輸送，同時，光合產物從葉片輸送至根系需要一定的時間，導致了增溫與根呼吸之間產生了位差，從而影響了根呼吸，導致了呼吸作用的滯后現象；另外，土壤熱傳遞符合傅里葉熱傳導定律[25]，表層土壤是連接地上與地下熱輻射和氣體交換的關鍵層，土壤呼吸動態變化優先受近地表溫度的影響，而深層土壤呼吸受到增溫的影響較小，導致表層和深層土壤呼吸速率之間出現位差[26]，使得土壤呼吸速率滯后于溫度的變化。

3.4 玉米田養鵝模式下土壤呼吸溫度敏感性

研究者常用溫度敏感性系數(Q10)來反映土壤溫度和土壤呼吸速率之間的關系，Zheng等[27]研究表明，不同農業管理措施下土壤溫度敏感性系數(Q10值)的變化范圍分別在1.28～4.75和2.35～3.49。在本研究中，CK和RGC處理的Q10值變化范圍分別為1.19～1.38和1.12～1.30，均小于以上研究結果，但本研究結果與Raich等[28]的研究范圍相似(Q10值范圍為1.3～3.3)。有研究表明，相對于難分解有機質而言，易分解有機質的Q10值相對較小[29]，本研究中，RGC處理的Q10值整體小于CK處理，這主要是因為本研究區域農田土壤類型為沙壤土，沙粒含量較高，肥力較低，相對于CK而言，RGC處理通過鵝糞投入和雜草腐殖化[30]，增加了土壤有機質含量，改善了土壤物理結構、提高了土壤膠結、保肥和緩沖能力[31]，同時，RGC處理有鵝的活動，提高了土壤緊實度，降低了孔隙度，從而使得本研究中Q10值表現為RGC

4 結 論

本文基于全球氣候變化及青藏高原高寒環境條件的雙重背景下，研究高寒區域玉米田養鵝模式下土壤碳排放特征，所得結論如下：

1)相對于CK而言，RGC處理可有效提高土壤養分含量，但會降低土壤pH值，增加土壤容重和緊實度；

2)土壤溫度、體積含水量和碳排放速率均表現為“單峰型”日變化特征，但在峰值和谷值出現時間上存在差異，即土壤呼吸速率滯后于土壤溫度和含水量的變化。雙變量擬合模型顯示，土壤呼吸速率的日變化極顯著響應土壤溫度與體積含水量的協同變化(86.21%

3)整個生育期內，土壤碳排放速率均表現為RGC>CK，說明玉米田養鵝模式可有效提高土壤碳排放效率，但從空間變異性(變異系數CK>RGC)和溫度敏感性系數(Q10值表現為CK(1.19～1.38)>RGC(1.12～1.30))來看，玉米田養鵝生產模式可有效提高土壤呼吸抵抗外界干擾的能力和降低高寒區域農田土壤溫度敏感性；

4)本研究測定期間，土壤呼吸速率表現為RGC>CK，但變異系數表現為CK>RGC，說明CK的土壤呼吸更容易受到外界環境變化的影響。因此，在高寒區域農田進行玉米田養鵝模式，有利于提高土壤肥力、增加土壤碳穩定性，降低土壤碳排放速率溫度敏感性，這對高寒環境條件下玉米田養鵝模式的進行及土壤固碳減排具有一定指導意義。