栽培管理對農田土壤呼吸的影響及減排途徑

摘要在全球變化加劇背景下，農田碳排放問題越來越引起人們的關注。結合國內外已有的相關報道，系統(tǒng)綜述了栽培管理措施對農田土壤呼吸影響的差異，探討栽培管理措施影響土壤呼吸速率的可能機制，并提出了農田土壤碳減排可行的管理措施，展望了未來該領域應加強的研究方面，旨在為農田生態(tài)系統(tǒng)在全球變化背景下碳匯功能的發(fā)揮提高理論依據和技術指導。

關鍵詞栽培措施；土壤呼吸；農田生態(tài)系統(tǒng)；減排

中圖分類號S154.1文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）14-04269-03

Effects of Cultural Practices on Soil Respiration in Cropland and the Management Options for Reducing CO2 Emissions

XU Hua et al（Agricultural Technique Service Center of Hongxu， Tengzhou， Shandong 277512）

AbstractGrowing attention is being focused on the carbon cycle research in cropland under global climate changes scenarios. The effects and probable mechanisms of the cultural practices on the soil respiration in cropland based on the earlier reports at home and abroad completely were reviewed. Many viable cultural practices for reduce the soil carbon emissions from cropland in crop production were put forward， together with some suggestions on future researches that should be strengthened in this field.

Key words Cultural practice； Soil respiration； Cropland ecosystem； Emission reduction

土壤呼吸是土壤向大氣釋放的過程，主要是由微生物氧化有機物和根系呼吸產生，也有極少的部分來自于土壤動物的呼吸和土壤有機碳化學氧化。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳輸出的一個重要方面，是陸地生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)和全球氣候變化中的一個關鍵過程，也是預測全球變化的一個關鍵因素[1-3]。隨著全球氣候變化研究成為公眾和科學界關注的熱點之一，1土壤呼吸的概念及影響因素

土壤呼吸是土壤釋放CO2的過程，主要包括3個生物學過程（植物根呼吸、土壤微生物呼吸及土壤動物呼吸）和一個非生物學過程（含碳物質的化學氧化作用）[2]。土壤呼吸作為一個復雜的生物學過程，受到多種因素的作用，使得土壤呼吸一方面具有某種規(guī)律性，另一方面表現出不規(guī)則的變化[4]。土壤呼吸主要受環(huán)境因素、生物因素和人為活動3個方面的影響。在環(huán)境因子中，溫度、降雨、光合有效輻射、土壤濕度、土壤理化性狀都會對土壤呼吸產生重要的影響[4，7]。溫度會影響生物呼吸相關的酶活性和土壤有機碳的分解，從而影響到土壤呼吸速率，在一定范圍內土壤呼吸速率與土壤溫度之間呈正相關關系，且溫度變化一般可解釋土壤呼吸日變化和季節(jié)性變化的大部分變異[3，11]。土壤濕度會影響土壤的透氣性和生物的呼吸活性，從而影響土壤呼吸速率，特別是在干旱或半干旱地區(qū)，當水分成為脅迫因子時可能取代溫度而成為土壤呼吸的主要控制因子[12]。光合有效輻射作為植物光合作用的主要能量來源，可以改變土壤的溫濕度，間接影響土壤呼吸速率[13]。土壤質地、土壤理化性狀、土壤pH、鹽分、污染等也可以直接或間接地引起土壤呼吸速率的差異[10，14]。

植物活動是土壤呼吸速率差異的一個關鍵影響因素。葉面積指數直接影響植被覆蓋下土壤的微氣候，而凋落物是異養(yǎng)呼吸的一個重要碳源。根系性狀、活性將直接影響自身呼吸強度。根系的分泌物也會對土壤有機碳分解產生影響。這些均將會影響土壤呼吸速率[15-16]。土壤動物和微生物作為土壤呼吸的直接參與者，其類型和數量的變化將會直接對土壤呼吸產生一定的影響[17]。此外，土壤動物和微生物活動將會改變土壤物理結構和養(yǎng)分循環(huán)以及有機質分解和周轉。這些均會間接地對土壤呼吸產生一定的影響[18]。人類的足跡幾乎已遍布全球每個角落。人類活動在很多方面已成為生態(tài)環(huán)境演變的重要驅動力之一[18]，如改變植物群落組成、土壤理化性狀、小氣候和降水等。這些都會直接或間接地改變土壤環(huán)境，影響土壤CO2的排放。人類活動對土壤呼吸的影響主要體現在土地利用變化、耕作方式和栽培管理措施等方面[7，19]。

2栽培管理措施對土壤呼吸的影響

2.1 作物特性不同類型作物根系特性和共生根際微生物特性存在差異。這將直接造成土壤呼吸作用產生差異。李虎等[20]研究表明，農田土壤呼吸主要來自于根系呼吸，且不同作物類型存在差異，以棉花最高，玉米次之，冬小麥最低。作物類型還會引起土壤溫度和土壤含水量發(fā)生變化，導致不同作物類型農田土壤呼吸速率存在較大的差異[16]。有研究表明，大豆農田與C4牧草相比，生長季平均土壤呼吸速率可降低34.2%，且主要是由土壤溫濕度的變化所引起的[21-22]。作物生長也會對土壤呼吸產生影響。首先，作物生長狀況可以影響其對根系和根際微生物呼吸底物的供應，從而引起土壤呼吸產生差異。此外，作物根系的生長狀況、活性也會直接影響土壤呼吸作用。因此，不同作物類型、同一作物不同生長階段和生長狀況都會引起農田土壤呼吸發(fā)生改變。通過優(yōu)化作物種植結構，調節(jié)作物生長狀態(tài)可以調節(jié)農田土壤碳排放。

2.2肥料管理施有機肥能夠提高農田土壤呼吸作用[21-24]。有機肥施入農田后，土壤有機質含量提高，土壤呼吸底物供應量增加，土壤呼吸作用加強。李永平等[23]研究表明，每公頃玉米田施入45 t雞糞，土壤呼吸速率可提高36.49%[23]。有機肥還可以促進作物的生長發(fā)育，增強根系密度和根際微生物活性[24-25]，從而提高土壤呼吸作用。杜社妮等[24]研究認為，施用有機肥可提高土壤微生物的數量，土壤呼吸速率可提高23.5%～118.6%。施用有機肥還可以改善土壤的理化性狀，提高土壤通透性。這也可能有利于土壤呼吸碳排放的增加。化肥施用對土壤呼吸的影響規(guī)律和影響機制目前存在較大的爭議。陳書濤等[26]研究認為，N肥可在短期內提高農田土壤呼吸速率。高會議等[27]研究則認為，施N或N、P配施均能夠明顯提高冬小麥田的土壤呼吸速率[27]。而Ding等[28]研究認為，施N肥對玉米田土壤呼吸速率無顯著影響。但多數研究認為，施用化肥可以改善作物生長發(fā)育，通過提高作物根系密度，并且改變土壤中碳氮比例，從而提高土壤呼吸作用[22-27]。

2.3灌溉措施土壤水分變化能夠影響土壤通透性、植物根系和微生物活性，使得土壤溶解性有機質發(fā)生變化，并且改變植物和微生物能量的分配，從而影響到土壤呼吸作用[29]。農田灌溉一般是在土壤水分虧缺情況下進行的，因此能夠增強土壤呼吸作用。湯億等[30]研究表明，灌溉農田土壤呼吸速率與未灌溉相比可提高2.3～2.4倍。在土壤水分虧缺情況下，土壤呼吸會隨著灌水量的增大而增強，但灌溉水分過量時會抑制土壤呼吸[31]。灌溉方式也會影響土壤呼吸速率。交替灌溉土壤呼吸速率會顯著高于傳統(tǒng)灌溉方式[32]。韓琳等[33]研究發(fā)現，灌溉方式可以改變土壤可溶性有機碳和微生物量碳含量，其中可溶性有機碳含量表現為溝灌和滴灌高于滲灌，微生物量碳含量也表現為滴灌和溝灌高于滲灌。這也可能會造成土壤呼吸速率產生差異。

2.4耕作方式翻耕將加大對農田土壤環(huán)境的擾動，一方面使得深層土壤有機碳更多的暴露在空氣中，加速有機碳的礦化和分解；另一方面，翻耕還可以改變土壤通透性，改變土壤溫度和含水量，從而影響根系生長和微生物的活性。這些均會使土壤呼吸速率發(fā)生改變[10，30-34]。張宇等[34]對華北平原冬小麥田的研究發(fā)現，翻耕和旋耕農田土壤呼吸速率顯著高于免耕。湯億等[30]研究表明，翻耕農田土壤呼吸速率約是未翻耕農田的2倍。Ussir等[35]研究也發(fā)現，與免耕相比，翻耕和旋耕農田平均土壤呼吸速率分別增加32.9%和28.6%，且夏季和秋季的增加程度更高。秸稈還田能夠調節(jié)土壤理化性狀，促進微生物代謝活動，從而提高農田土壤呼吸作用，隨著秸稈還田量的增加土壤呼吸速率也顯著增加，并且隨時間的推移增加效應逐漸變小[36-37]。免耕秸稈覆蓋可以降低土壤溫度，并且維持較高的土壤含水量，從而降低土壤呼吸速率[38-39]。李昌珍等[38]研究表明，與未覆蓋農田相比，免耕秸稈覆蓋土壤呼吸速率可以降低2.7%，施肥后則降低22.11%；免耕留茬覆蓋農田中，土壤呼吸速率隨著秸稈覆蓋量的增加而降低[39]。

2.5種植模式通過間套作種植，可以降低農田土壤呼吸碳排放[40-43]。Dyer等[40]研究表明，玉米-大豆間作CO2排放速率在整個生長季均低于玉米凈作和大豆凈作，并且認為引起的原因是物種間的相互作用。Qin等[41]研究表明，干旱區(qū)灌溉農田小麥-玉米套作的土壤呼吸速率顯著低于玉米單作，生長季土壤總的土壤碳排放比玉米單作低47%。Liu等[42]研究表明，小麥-玉米套作的土壤呼吸速率比玉米單作低30%～43%。Chai等[43]研究也表明，與玉米單作相比，玉米-油菜間套作、玉米-豌豆間套作和玉米-小麥間套作土壤呼吸速率均顯著降低，分別約下降51%、44%和35%，但產量分別增加41%、42%和25%。還有研究表明，豆科作物與禾本科作物間套種植能夠通過間套系統(tǒng)自身復雜性的增加和作物資源利用時間與空間的協(xié)作互補有效地降低C和N的損失[44]。已有的研究表明，間套作種植能夠改變農田土壤微環(huán)境、影響作物的生長發(fā)育和土壤生物群落結構和活性[45-47]。這些均將影響土壤呼吸作用，但其具體的影響過程、機制方面的報道較為少見，有必要加強。

3農田碳減排的管理措施

3.1減少翻耕強度，推廣秸稈覆蓋技術 較多的研究表明，減少翻耕可有效降低土壤呼吸速率，有利于農田土壤有機碳的提升和維持。因此，在生產中應降低土壤翻耕的強度和頻率，盡量實施和推廣免耕秸稈覆蓋技術。

3.2優(yōu)化肥料和灌溉管理 肥料的施用能夠影響作物的生長發(fā)育和土壤微生物的活性，還可以調節(jié)土壤理化性狀，從而影響土壤呼吸作用。通過土壤有機肥深施，可縮短有機糞肥的田間暴露時間，減少向大氣的排放量。根據作物需求，開展測土配方施肥，可以避免化肥過多投入而造成土壤呼吸碳排放加劇。因此，生產中應提倡有機肥深施，大力發(fā)展測土配方施肥技術，并且優(yōu)化田間水分管理。

3.3大力推廣間套作技術間套作種植技術作為中國民族農業(yè)發(fā)展史上的傳統(tǒng)瑰寶，能夠有效地提高資源利用率，提高糧食產量。間套作模式種間的相互作用及其系統(tǒng)微環(huán)境的變化會降低土壤呼吸速率。因此，應大力推廣。

4結語

在全球變化加劇的大背景下，我國農業(yè)正向現代化、規(guī)?；彤a業(yè)化發(fā)展。生態(tài)值高、低碳化的農業(yè)生產方式也是我國農業(yè)發(fā)展的重要方向。加強農田生態(tài)系統(tǒng)作物固碳能力，同時減少土壤呼吸的排放，可有效地提升農田生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的發(fā)揮。農業(yè)栽培管理措施會對農田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸碳排放產生重大的影響，但降低農田土壤碳排放的農業(yè)栽培管理措施體系較少報道，因此未來應加強單一或多種栽培管理措施對農田土壤呼吸的影響及機制方面的研究，還應該加強低碳農業(yè)綜合栽培管理技術體系方面的研究。

42卷14期徐華等栽培管理對農田土壤呼吸的影響及減排途徑參考文獻

[1] SMITH V R.Soil respiration and its determinants on a subantarctic island[J].Soil Biology and Biochemistry，2003，35：77-91.

[2] LUO Y Q，ZHOU X H.Soil Respiration and the Environment[M].San Diego：Elsevier Academic Press，2006.

[3] DAVIDSON E A，TRUMBORE S E，AMUNDSON R.Soil warming and carbon content[J].Nature，2000，408：789-790.

[4] 陳書濤，胡正華，張勇，等.陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸時空變異的影響因素研究進展[J].環(huán)境科學，2011，32（8）：2184-2192.

[5] SCHLESINGER W H，ANDREWS J A.Soil respiration and the global carbon cycle[J].Biogeochemistry，2000，48：7-20.

[6] RAICH J W，SCHLESINGER W H.The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J].Tellus B，1992，44：81-99.

[7] 劉紹輝，方精云.土壤呼吸的影響因素及全球尺度下溫度的影響[J].生態(tài)學報，1997，17（5）：469-476.

[8] PAUSTIAN K，ANDREN O，JANZEN H，et al.Agricultural soil as a C sink to offset CO2 emissions[J].Soil Use Manage，1997，13：230-244.

[9] 韓冰，王效科，逯非，等.中國農田土壤生態(tài)系統(tǒng)固碳現狀和潛力[J].生態(tài)學報，2008，28（2）：612-619.

[10] FOLLETT R F.Soil management concepts and carbon sequestration in cropland soils[J].Soil and Tillage Research，2001，61：77-92.

[11] JENKINSON D S，ADAMS D E，WILD A.Model estimates of CO2 emissions from soil in response to global warming[J].Nature，1991，351：304-306.

[12] WANG Y S，HU Y Q，JI B M，et al.An investigation on the relationship between emission / uptake of greenhouse gases and environmental factors in semiarid grassland[J].Advances in Atmospheric Sciences，2003，20：119-127.

[13] 孫勁松，周廣勝，韓廣軒.太陽輻射對玉米農田土壤呼吸作用的影響[J].生態(tài)學報，2010，30（21）：5925-5932.

[14] CHEN S T，HUANG Y，ZOU J W.Modeling interannual variability of global soil respiration from climate and soil properties[J].Agricultural and Forest Meteorology，2010，150（4）：590-605.

[15] HGBERG P，READ D J.Towards a more plant physiological perspective on soil ecology[J].Trends in Ecology and Evolution，2006，21：548-554.

[16] RAICH J W，WTUFEKCIOGLU A.Vegetation and soil respiration：correlations and controls[J].Biogeochemistry，2000，48：71-90.

[17] BADIA D V，ALCANIZ J M.Basal and specific microbial respiration in semiarid agricultural soils：Organic amendment and irrigation management effects[J].Geomicrobiology Journal，1993，11（3）：261-274.

[18] BUTLER S J，VICKERY J A，NORRIS K.Farmland biodiversity and the footprint of agriculture[J].Science，2007，315：381-384.

[19] PETERSEN S O，KLUG M J.Effects of tillage，storage，and incubation temperature on the phospholipids fatty acid profile of a soil microbial community[J].Application of Environmental Microbiology，1994，60：2421-2430.

[20] 李虎，邱建軍，王立剛.農田土壤呼吸特征及根呼吸貢獻的模擬分析[J].農業(yè)工程學報，2008，24（4）：14-20.

[21] 韓廣軒，周廣勝，許振柱.中國農田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用研究與展望[J].植物生態(tài)學報，2008，32（3）：719-733.

[22] 楊蘭芳，蔡祖聰.玉米生長中的土壤呼吸及其受氮肥施用的影響[J].土壤學報，2005，42（1）：9-15.

[23] 李永平，史向遠，周靜，等.雞糞深施對土壤呼吸速率及玉米產量的影響[J].作物雜志，2013（2）：104-107.

[24] 杜社妮，梁銀麗，張成娥.施肥對西紅柿土壤微生物和土壤呼吸的影響[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2011，29（5）：178-181.

[25] LIU E，YAN C，MEI X，et al.Longterm effect of chemical fertilizer，straw，and manure on soil chemical and biological properties in northwest China[J].Geoderma，2010，158：173-180.

[26] 陳書濤，朱大威，牛傳坡，等.管理措施對農田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的影響[J].環(huán)境科學，2009，30（10）：2858-2865.

[27] 高會議，郭勝利，劉文兆，車國升.黃土旱塬區(qū)冬小麥不同施肥處理的土壤呼吸及土壤碳動態(tài)[J].生態(tài)學報，2009，29（5）：2551-2559.

[28] DING W X，CAI Y，CAI Z C，et al.Soil respiration under maize crops：effects of water，temperature，and nitrogen fertilization[J].Soil Science Society of America Journal，2007，71：944-951.

[29] 陳全勝，李凌浩，韓興國，等.水分對土壤呼吸的影響及機理[J].生態(tài)學報，2003，23（5）：972-978.

[30] 湯億，嚴俊霞，孫明，等.灌溉和翻耕對土壤呼吸速率的影響[J].安徽農業(yè)科學，2009，37（6）：2625-2627.

[31] 王建林，趙風華，歐陽竹.灌溉量對灌漿期麥田土壤呼吸的影響[J].華北農學報，2010，25（3）：186-189.

[32] 王同朝，杜園園，常曉，等.壟作覆蓋條件下灌溉方式與灌溉量對夏玉米田土壤呼吸的影響[J].河南農業(yè)大學學報，2010，44（3）：238-242.

[33] 韓琳，張玉龍，金爍，等.灌溉模式對保護地土壤可溶性有機碳與微生物量碳的影響[J].中國農業(yè)科學，2010，43（8）：1625-1633.

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

[35] USSIRI D A N，LAL R.Longterm tillage effects on soil carbon storage and carbon dioxide emissions in continuous corn cropping system from an alfisol in Ohio[J].Soil and Tillage Research，2009，104：39-47.

[36] 張慶忠，吳文良，王明新，等.秸稈還田和施氮對農田土壤呼吸的影響[J].生態(tài)學報，2005，25（11）：2883-2887.

[37] 強學彩，袁紅莉，高旺盛.秸稈還田量對土壤 CO2釋放和土壤微生物量的影響[J].應用生態(tài)學報，2004，15（3）：469-472.

[38] 李昌珍，張婷婷，楊改河，等.秸稈覆蓋和施肥對關中灌區(qū)夏玉米生長后期土壤呼吸速率的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報，2013，22（3）：411-416.

[39] 崔鳳娟，李立軍，劉景輝，等.免耕留茬覆蓋對土壤呼吸和土壤酶活性及養(yǎng)分的影響[J].中國農學通報，2011，27（21）：147-153.

[40] DYER L，OELBERMANN M，ECHARTE L.Soil carbon dioxide and nitrous oxide emissions during the growing season from temperate maizesoybean intercrops[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2012，175：394-400.

[41] QIN A Z，HUANG G B，CHAI Q，et al.Grain yield and soil respiratory response to intercropping systems on arid land[J].Field Crops Research，2013，144：1-10.

[42] LIU S B，CHAI Q，HUANG G B.Relationships among soil respiration，soil temperature and dry matter accumulation for wheatmaize intercropping in an arid environment[J].Canadian Journal of Plant Science，2013，93：715-724.

[43] CHAI Q，QIN A Z，Gan Y T，et al.Higher yield and lower carbon emission by intercropping maize with rape，pea，and wheat in arid irrigation areas[J].Agronomy for Sustainable Development，2014，34：535-543.

[44] PRASAD R B，BROOK R M.Effect of varying maize densities on intercropped maize and soybean in Nepal[J].Experimental Agriculture，2005，41：365-382.

[45] 蘇本營，陳圣賓，李永庚，等.間套作種植提升農田生態(tài)系統(tǒng)服務功能[J].生態(tài)學報，2013，33（14）：4505-4514.

[46] 王竹，楊文鈺，吳其林，等.玉/豆套作蔭蔽對大豆光合特性與產量的影響[J].作物學報，2007，33（9）：1502-1507.

[47] 雍太文，楊文鈺，向達兵，等.小麥/玉米/大豆和小麥/玉米/甘薯套作對根際土壤細菌群落多樣性及植株氮素吸收的影響[J].作物學報，2012，38（4）：333-343.