旱作農田不同耕作土壤呼吸及其對水熱因子的響應

張丁辰，蔡典雄，代 快，馮宗會，張曉明，王小彬，*

(1.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，農業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點開放實驗室，北京 100081;2.北京京誠嘉宇環(huán)境科技有限公司，中冶京誠工程技術有限公司，北京 100053;3.農業(yè)部旱作節(jié)水農業(yè)重點開放實驗室，北京 100081)

土壤呼吸是土壤碳庫向大氣碳庫輸入碳的主要途徑［1］。研究表明，土壤碳庫0.1%的變化將導致大氣圈CO2濃度1 mg/L的變化，從而加劇或減緩全球氣候變暖［2］。過去100a間(1906—2005年)全球地面平均溫度升高了(0.74±0.18)℃［3］，溫度的升高會導致土壤釋放出更多的 CO2，進一步加劇氣候變暖［4］，已經引起各國政府和科研工作者的高度重視。因此，明確陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸變化規(guī)律及其影響因素的控制機理對制定溫室氣體減排政策與正確評估區(qū)域碳匯/源效應具有重要意義。陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用主要有3個特征:土壤呼吸強度、時間變異性和空間變異性［5］。測定不同區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率及其影響因素，明確其時間和空間變異特征，對于全球碳平衡預算、估測及其變化研究是最為基礎的數據［6］。因此，必須加強不同區(qū)域土壤呼吸過程及其影響因素的研究［6-8］。

陸地生態(tài)系統(tǒng)中，森林和草原生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸是當前國內外研究重點，兩生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳儲量分別約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳總量的40%和15.5%，是全球碳循環(huán)的重要組成部分［9-11］;近幾十年來，作為人為干擾最為強烈的農田生態(tài)系統(tǒng)被證明也是影響氣候變化的主要因素之一［12］。目前，我國農田土壤呼吸方面研究主要集中在黃淮海、東北和長江中下游地區(qū)［13-14］，而旱作農田土壤呼吸及其影響因素的研究報道較少，且對土壤呼吸與水熱因素之間關系的研究結論存在爭議［14-16］。本試驗基于農業(yè)部壽陽旱作農業(yè)試驗基地自2003年開始的長期定位試驗，測定了傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕土壤呼吸速率，同步測定了0—10 cm和10—20 cm土壤水分以及5、10cm和15cm土壤溫度，分析了春玉米生育期內不同耕作措施下土壤呼吸變化特征，對土壤呼吸與水熱兩因素之間關系進行了擬合和分析，以期為土壤碳循環(huán)過程及其變化機制研究提供理論依據和數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗設在半濕潤偏旱區(qū)的山西省晉中地區(qū)壽陽旱農試驗站(東經112°—113°，北緯37°—38°)，屬中緯度暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)。該區(qū)近10年的平均年降水量為443.8 mm，平均氣溫7.4℃。試區(qū)內大部分土地地勢較高，海拔1066—1159 m。試驗地選在較平緩、無灌溉條件的旱塬砂質壤土的褐土上，屬全年無灌溉雨養(yǎng)地，基礎養(yǎng)分含量為有機質 25.7 g/kg，速效磷(P)7.3 mg/kg，速效鉀(K)84.0 mg/kg，全氮 1.04 g/kg，無機態(tài)堿解氮(NH+4+NO－3)54.0 mg/kg，pH 值為 7.87。

2009年春玉米生育期為4月27日至10月4日，共161 d;2010年春玉米生育期為4月26日至10月12日，共170 d。在春玉米生育期內，2009—2010年分別降水33次和37次，總量分別為359.3 mm和279.3 mm，兩年中均為8月份降水量最大(圖1)。

1.2 試驗設計與管理

本試驗為長期定位試驗，始于2003年4月份。供試玉米品種為當地優(yōu)勢品種(4月下旬播種，10月中旬收獲)，2009—2010年均為晉單48號。試驗設3種耕作處理，分別為傳統(tǒng)耕作(CT)、少耕(RT)和免耕(NT)。

(1)傳統(tǒng)耕作處理，秋收后秸稈移出并耕翻(秸稈殘留量約25%)，春播前施化肥并耕翻;

(2)少耕處理，秋收后秸稈還田并配合施化肥及翻耕(秸稈、殘茬還田量約90%)，春季免耕播種;

圖1 2009—2010年降水量Fig.1 Precipitation in 2009—2010

(3)免耕處理(NT)，秋收后秸稈順行覆蓋(秸稈、殘茬還田量約90%)，春季改秸稈壟溝覆蓋(壟、溝寬度均為60 cm，壟高、溝深均為5 cm，坡度約10°)，順壟開5 cm深小槽，點播玉米種子并在兩播種點之間穴施化肥。處理小區(qū)面積為10 m×5 m=50 m2，重復6次，每年不同耕作處理NP施肥量為105 kg/hm2，肥料為復合肥20-20-0(N%-P%-K%)。

1.3 觀測指標與數據處理

1.3.1 土壤呼吸、溫度與水分測定方法

采用紅外氣體分析法測定土壤呼吸速率，測定儀器型號為LI-6400-09(LI-COR，Lincoln，NE，USA)，在玉米播種期(4月底)、苗期(5月份)、拔節(jié)期(6月份)、大喇叭口期(7—8月份)、灌漿期(9月份)、成熟期和收獲期(10月份)分別選取一天進行土壤呼吸測定，每個處理5—6組重復，具體測定方法詳見韓廣軒等［17］。每次測定均限定在08:00—10:00點之間，此時土壤呼吸速率最為接近24 h均值［18］。為避免測定土壤受到擾動，每年播種后在各小區(qū)內隨機放置測定基座后整個生育期內不再移動，測定基座放置在相鄰兩行的4棵玉米植株之間(免耕處理中，在相鄰溝、壟分別放置1個測定基座，記為1組，隨機放置3組，土壤呼吸速率取該組的平均值)，插入土壤深度為2 cm，作為氣室連接LI-6400的呼吸探頭，測定時儀器直接輸出結果。

在測定土壤呼吸時采用酒精溫度計同步測定當天5、10 cm和15 cm土壤溫度;采用經典烘干法測定0—10 cm和10—20 cm土壤水分，以質量含水率(%)表示;降水量采用不銹鋼雨量器收集記錄。

1.3.2 溫度敏感性系數計算方法

土壤呼吸速率隨溫度變化程度使用溫度敏感性系數Q10表示，即溫度每升高10℃土壤呼吸增加的倍數［19］，公式［20］為:

式中，y為土壤呼吸速率(μCO2mol·m－2·s－1)，T為土壤溫度(℃)，a、b為模擬計算值。

1.3.3 數據分析與處理

采用Microsoft excel 2003進行數據處理和圖表制作，土壤呼吸與水熱兩因子之間關系采用SAS V8中的REG統(tǒng)計程序進行統(tǒng)計分析，各關系方程如下:

土壤呼吸與土壤水分關系方程 y=aW2+bW+c

土壤呼吸與土壤溫度關系方程 y=aTb

土壤呼吸與水熱因子關系方程 y=a ebTWc，y=a+bT+cW

式中，y為土壤呼吸速率(μCO2mol·m－2·s－1)，W為土壤質量含水量(%)，T為土壤溫度(℃)，a、b、c為模擬計算值。

2 結果與分析

2.1 不同耕作處理玉米生育期地表土壤水分、溫度

2.1.1 不同耕作處理玉米生育期地表土壤水分變化

土壤水分很大程度上隨降水量的變化而變化，圖2顯示，生育期內土壤含水率波動劇烈，呈波浪形變化趨勢，波動程度最大的少耕土壤含水率變化范圍為5.6%—23.9%;3種耕作處理之間，免耕土壤含水率最高，其次是少耕土壤，傳統(tǒng)耕作土壤最小，2009—2010年生育期內平均土壤含水率(0—20 cm)三者分別為15.7%、13.7% 和 13.5%，前者分別比后兩者高出14.8%和17.7%，可見免耕的保水性能最好;不同土層間，0—10 cm與10—20 cm相比，后者土壤含水率均高于前者(圖2)。

2.1.2 不同耕作處理玉米生育期地表土壤溫度變化

由圖3可見，春玉米生育期內，土壤溫度呈單峰型變化趨勢，峰值出現在7月份;不同土層間，土壤溫度隨土層的不斷加深而逐漸降低;不同處理間，CT、RT和NT土壤0—15 cm平均溫度變化范圍分別是:4.5—28.5、5.0—28.2和3.3—25.2℃，波動幅度較大，傳統(tǒng)耕作和少耕土壤在各土層上均相差無幾，但都略高于免耕土壤，在夏季高溫時期尤為明顯。

圖2 春玉米生育期內土壤水分Fig.2 Soil moisture in spring maize growth stage

2.2 不同耕作措施土壤呼吸速率

由表1可見，春玉米生育期內，除2010年7月份土壤呼吸速率略低于2010年6月份外(差異不顯著)，土壤呼吸變化趨勢基本表現為單峰型，相同處理下各月份土壤呼吸速率差異顯著，自5月份開始逐漸升高，至8月份達到峰值，后又逐漸降低;3種耕作處理之間，除2009年8月份、2010年6月份和8月份之外土壤呼吸速率均無顯著差異(表1)，CT、RT和NT土壤呼吸速率變化范圍分別是 0.50—4.81、1.11—5.44 和 0.40—5.89μmolCO2m－2·s－1，傳統(tǒng)耕作與少耕土壤呼吸速率變化趨勢基本一致，其中少耕略高于傳統(tǒng)耕作，而免耕土壤與前兩者相比波動幅度較大;免耕土壤呼吸速率在4月底玉米播種期最小，8月份玉米生長旺季超過傳統(tǒng)耕作和少耕土壤達到最大，10月份玉米收獲后又降至三者中最低水平;年際間，除2010年8月份免耕土壤呼吸速率與2009年同期相比無明顯變化外，其它時期2010年各處理土壤呼吸速率均低于2009年，這可能是2010年土壤含水率(0—20 cm)和溫度(0—15 cm)相較2009年均略有降低導致(圖2，圖3)。

2.3 土壤呼吸與水熱因子之間的關系

圖3 春玉米生育期內土壤溫度Fig.3 Soil temperature in spring maize growth stage

表1 春玉米生育期內不同耕作土壤呼吸速率Table 1 Soil respiration rate under different tillage treatment in spring maize growth stage

圖4 春玉米生育期內土壤呼吸與水分的關系Fig.4 Relationship between soil respiration and moisture in spring maize growth stage

基于土壤水分(y=aW2+bW+c)或土壤溫度(y=aTb)的單因素模型擬合結果顯示，2009年、2010年兩年土壤呼吸峰值與水分、溫度單因子之間均無顯著相關，其余時期土壤呼吸與水熱因子表現出了良好的相關關系(圖4，圖5);基于土壤水分和土壤溫度的雙因素模型(y=a ebTWc或y=a+bT+cW)擬合結果顯示，整個生育期內土壤呼吸和水熱因子之間均呈顯著相關關系(P＜0.05)，而除土壤呼吸峰值外其他時期土壤呼吸和水熱因子相關程度更高。峰值時期作物生長旺盛，土壤微生物代謝活動增強，土壤有機質礦化速率提高［21］，與生育期內其它時期相比上述因素對土壤呼吸的影響作用大幅提高，可能是導致土壤呼吸峰值對水熱因子響應程度降低的主要原因，有待于進一步研究論證。為更好的研究其它時期土壤呼吸對水熱因子的響應情況，本文對有無峰值兩種情況下土壤呼吸與水熱因子之間的關系分別做了數據統(tǒng)計分析。

圖5 春玉米生育期內土壤呼吸與溫度的關系Fig.5 Relationship between soil respiration and temperature in spring maize growth stage

2.3.1 土壤呼吸與水分之間的關系

土壤呼吸和水分之間的擬合方法很多，本試驗使用一元二次方程y=aW2+bW+c的擬合效果最好。由圖4可見，除峰值時期外其它時期土壤呼吸和水分之間在一定范圍內呈現出了良好的“U”型曲線關系，此時土壤水分(0—10 cm)能夠解釋57%—76%的土壤呼吸季節(jié)變化;由圖5中土壤呼吸與水分的關系公式可得，當傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕土壤含水率(0—10 cm)分別小于12.0%、11.4%和14.7%時，土壤呼吸與水分呈顯著負相關關系，而分別大于上述三值時土壤呼吸與水分呈顯著正相關關系。

不同耕作處理之間，除峰值時期外其它時期，土壤呼吸與水分(0—20 cm)的關系均達到了顯著相關(P＜0.05)，其中免耕土壤對水分變化敏感性最高，相關程度表現為免耕＞少耕＞傳統(tǒng)耕作;不同土層之間土壤呼吸對0—10 cm土壤水分的響應程度高于10—20 cm土壤，3種耕作0—10 cm土壤呼吸與水分的關系均達到顯著水平(P＜0.05)，其中免耕0—10 cm土壤達到極顯著水平(P＜0.01)，在10—20 cm土壤上只有免耕處理達到顯著水平(P＜0.05)。

2.3.2 土壤呼吸與溫度之間的關系

本試驗使用y=aTb乘冪方程模擬土壤呼吸與溫度的關系效果最好，圖5可見，除峰值時期外其他時期，3種耕作土壤呼吸與溫度均呈現出了顯著相關關系(P＜0.05)，土壤呼吸速率隨溫度的上升而逐漸增大，土壤溫度(15 cm)最高可以解釋土壤呼吸變化的67%—82%;不同處理間，免耕土壤呼吸與溫度的相關性最高，決定系數最高達到0.82，少耕和傳統(tǒng)耕作分別為0.67和0.70;不同土層間，土層越深土壤呼吸與溫度的相關性越好，10 cm和15 cm土層均達到極顯著水平;國內外學者一般將土壤呼吸速率隨溫度的變化程度使用溫度敏感性系數(Q10)表示，由公式計算可得，除峰值時期外其他時期土壤呼吸對傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕土壤(15 cm)溫度敏感性系數Q10分別為2.02、1.59和2.47。由上可知，3種耕作處理下，免耕土壤呼吸對土壤溫度變化最為敏感，其次是傳統(tǒng)耕作土壤，少耕土壤最低。

2.3.3 土壤呼吸與水熱因子之間的關系

分別使用指數-冪函數y=a ebTWc和線性方程y=a+bT+cW兩種模型擬合了土壤呼吸與水熱因子之間的關系，其中指數-冪函數能夠更好的擬合試驗結果。由表2可知，在0—10 cm和10—20 cm土層土壤上，水熱因子分別可以解釋土壤呼吸變化的66%—83%和81%—87%;不考慮峰值時，水熱因子分別可以解釋土壤呼吸變化的70%—90%和85%—90%。兩模型對無峰值數據擬合結果中R2較有峰值數據擬合結果均有不同幅度的增大，其中線性模型擬合結果變化巨大，說明峰值時期有水分和溫度以外的因素對土壤呼吸有較大影響，且均高于水分、溫度單因子模型擬合結果，說明水熱兩因子對土壤呼吸的協(xié)同影響作用高于單因子的影響程度。

不同土層間，兩種模型擬合結果均顯示10—20 cm土壤水熱綜合狀況對土壤呼吸變化的影響高于0—10 cm;不同處理間，水熱因子對土壤呼吸的影響程度均達到了顯著水平(P＜0.05)，其中傳統(tǒng)耕作土壤呼吸速率對水熱因子(10—20 cm)的響應程度最高(R2=0.87)，其次是免耕(R2=0.83)，少耕響應程度最低(R2=0.81)，與水分和溫度單因子模型擬合結果有明顯不同，說明土壤呼吸在水熱雙因子的協(xié)同影響下與只受水分或溫度單因子影響具有不同的變化趨勢，水熱雙因子的協(xié)同影響機制有待進一步研究。

表2 基于土壤水分(W)和土壤溫度(T)的土壤呼吸模型參數Table 2 Parameters of soil respiration models based on soil temperature and soil moisture

3 討論與結論

3.1 不同耕作土壤呼吸變化規(guī)律

眾多研究結果顯示，土壤呼吸季節(jié)變化一般呈現單峰型特點［22-26］，本試驗得到相同的結論，雖然出現高峰的時間多有不同，但土壤呼吸的整體變化規(guī)律基本一致，峰值出現時間的差異可能由測定時期、地域、土壤類型以及土地利用方式等因素的不同造成。

3.2 土壤呼吸與水熱因子之間的關系

本文研究表明，土壤水分和溫度是影響土壤呼吸的關鍵因子，與前人研究結果一致［21-24］;但兩年的試驗結果均顯示，土壤呼吸峰值對土壤水分和土壤溫度單因子響應異常，本研究認為在土壤呼吸峰值時期，有水分和溫度以外的因素對土壤呼吸起了較大的影響作用，如作物生長、微生物代謝活動等，具體因素仍需要進一步的研究論證。

水熱因子對土壤呼吸的協(xié)同影響程度高于單因子，最高(10—20 cm土壤)可以解釋土壤呼吸季節(jié)變化的81%—87%，這與韓廣軒［27］、姜艷［28］等的結論相同，韓廣軒［27］在錦州玉米農田的研究中指出水熱因子可以解釋土壤呼吸的87%，姜艷［28］在江西大崗山不同林分土壤呼吸的研究中發(fā)現水熱因子可以解釋土壤呼吸的66%—81%，兩者研究結果均顯示雙因子影響程度高于單因子。

土壤水分對呼吸的影響較為復雜，取決于環(huán)境因子的配置狀況。Wagai R［29］研究表明土壤呼吸與水分呈正相關關系，但不顯著;Wildung R E［30］發(fā)現兩者呈極顯著相關;姜艷［28］指出當杉木林土壤質量含水率小于22.13%時，土壤呼吸與水分呈顯著負相關關系，大于22.13%時呈顯著正相關關系;本文研究結果與姜艷［28］基本一致，除峰值時期外其它時期土壤水分(0—10 cm)可以解釋呼吸的57%—76%，當傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕土壤含水率(0—10 cm)分別小于12.0%、11.4%和14.7%時，土壤呼吸與水分呈顯著負相關關系，大于上述三值時呈顯著正相關關系。

在土壤溫度對呼吸影響的研究中，馬駿［31］在內蒙古農牧交錯區(qū)的研究中指出不同土地利用方式土壤溫度(10—15 cm)在表土層中對呼吸速率的影響最為顯著，決定系數為0.66—0.72，劉爽［23］研究了10 cm 土壤呼吸與之溫度間的關系，指出傳統(tǒng)耕作、秸稈還田和免耕覆蓋土壤溫度對呼吸的決定系數分別為0.55、0.62和0.77，大量文獻表明，土壤呼吸隨溫度變化的敏感性系數Q10在1.3—3.3之間［6］;本文研究表明，除峰值時期外其它時期傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕土壤呼吸速率對溫度(15 cm)的敏感性系數Q10分別是2.02、1.59和2.47，土壤溫度對呼吸的決定系數分別是0.70、0.67和0.82，與前人研究結果一致;同區(qū)域結果比較，與劉爽［23］不同耕作土壤溫度對呼吸的決定系數之間關系基本一致，均表現出免耕遠高于傳統(tǒng)耕作和少耕土壤，而后兩者差異不大，但其決定系數均小于本文對15 cm土壤的研究結果，由此說明，在本研究區(qū)域內土壤呼吸對15 cm土壤溫度單因子的敏感性較0—10 cm土壤更高。

3.3 結論

本研究結果得出，在春玉米生育期內，土壤呼吸呈單峰型變化趨勢。水熱因子是影響土壤呼吸的重要因素，基于水熱雙因子(10—20 cm土壤)的指數－冪模型最高能夠解釋土壤呼吸變化的81%—87%(P＜0.01);3種耕作土壤呼吸對水熱雙因子的協(xié)同影響敏感性關系表現為少耕＜免耕＜傳統(tǒng)耕作，對水分單因子敏感性關系表現為:傳統(tǒng)耕作＜少耕＜免耕，而對溫度單因子敏感性關系表現為少耕＜傳統(tǒng)耕作＜免耕。峰值時期土壤呼吸的主要影響因素需要進一步研究論證。

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