不同秸稈還田方式對黃土高原坡耕地土壤呼吸的影響

李英臣, 侯翠翠, 李小宇, 王奇博, 張 芳, 李 勇

(河南師范大學(xué), 河南 新鄉(xiāng) 453007)

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不同秸稈還田方式對黃土高原坡耕地土壤呼吸的影響

李英臣, 侯翠翠, 李小宇, 王奇博, 張 芳, 李 勇

(河南師范大學(xué), 河南 新鄉(xiāng) 453007)

選取豫西黃土高原典型玉米坡耕地，設(shè)置常規(guī)耕作+秸稈不還田(CT)，常規(guī)耕作+秸稈還田(TSI)和常規(guī)耕作+秸稈覆蓋(TSM)3種處理，采用LI-8100A土壤碳通量測定系統(tǒng)，研究非生長季不同秸稈還田方式對土壤呼吸時(shí)空變化的影響。結(jié)果表明：CT，TSI，TSM處理下土壤呼吸速率隨時(shí)間變化趨勢基本一致，變化范圍分別為0.22～1.23，0.29～1.35，0.26～0.91 μmol/(m2·s)，在溫度和水分較低時(shí)段3者差異不顯著，在溫度和水分較高的時(shí)段3種處理土壤呼吸差異顯著，表現(xiàn)為TSI>CT>TSM。3種處理不同坡位土壤呼吸有明顯差異，總體表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上，TSM處理下土壤呼吸空間異質(zhì)性明顯低于其他兩種處理；不同坡位土壤溫度和水分呈現(xiàn)明顯的差異性，表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上，并隨溫度和水分的升高，空間差異性增大。不同處理下土壤呼吸與溫度和水分都呈現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。秸稈覆蓋在非生長季能有效減少土壤呼吸量，而秸稈還田增加土壤呼吸量，因此秸稈覆蓋從減少溫室氣體排放的角度是較合理的秸稈還田方式。

坡耕地; 秸稈覆蓋; 秸稈還田; 土壤呼吸; 空間異質(zhì)性

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)重要組成部分，每年釋放的CO2量約為80～100 Pg[1]，成為僅次于光合作用的第二大碳通量。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作為土壤碳排放的一個(gè)重要組成部分，同時(shí)也是受人類活動干擾最大的生態(tài)系統(tǒng)類型，其對全球碳循環(huán)的影響不容忽視。作物秸稈中含有豐富的營養(yǎng)元素，是一種良好的有機(jī)肥資源，同時(shí)，秸稈飼料是飼草食家畜粗飼料的重要來源之一[2]。目前，秸稈還田是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的作業(yè)方式，但是隨著保護(hù)性農(nóng)業(yè)的發(fā)展，秸稈覆蓋作為一種重要的農(nóng)業(yè)措施，因其在減少土壤侵蝕、保持土壤水分，增加土壤質(zhì)量等方面的重要作用被越來越多的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[3]。

土壤侵蝕已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最大威脅之一，特別是在坡度比較大的山區(qū)及丘陵地區(qū)[4]。秸稈覆蓋被認(rèn)為是控制土壤侵蝕的有效措施[5]。黃土高原地區(qū)是我國糧食主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)活動歷史悠久。由于其獨(dú)特的地形條件和密集的農(nóng)事活動，成為世界上土壤侵蝕和退化最為嚴(yán)重的地區(qū)[6]。鑒于秸稈覆蓋措施在減少土壤侵蝕、提高水分利用效率、改變土壤理化性質(zhì)等方面的作用，正被越來越多的應(yīng)用于黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[7]?，F(xiàn)有研究主要集中在不同的秸稈還田量和不同覆蓋方式對土壤呼吸的影響[2]，坡耕地不同處理下土壤呼吸空間變異性的相關(guān)研究較少[8]，而對冬季非生長季的研究更為少見。因此，本研究選取豫西黃土高原典型坡耕地，研究秸稈還田和秸稈覆蓋措施對坡耕地非生長季土壤呼吸的影響，為精確估算黃土高原不同秸稈處理措施下土壤呼吸排放量提供數(shù)據(jù)支持，并為黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)發(fā)展合理的農(nóng)業(yè)措施提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

野外監(jiān)測試驗(yàn)依托河南師范大學(xué)靈寶土壤侵蝕與景觀生態(tài)試驗(yàn)點(diǎn)。該試驗(yàn)點(diǎn)位于河南省靈寶市陽店鎮(zhèn)柿子灣村(34°31′N，110°59′E)，該區(qū)屬典型豫西黃土高原區(qū)域，氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，平均氣溫約為14.4℃，無霜期約206 d，年降水量為400～900 mm，年際變化大，60%～70%降水集中于夏季，春季降水少，雨季多暴雨，雨強(qiáng)大，是造成研究區(qū)土壤侵蝕的重要原因。土壤為典型的黃綿土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)點(diǎn)周圍選取典型坡耕地，平均坡度12°，種植模式為一年一熟，種植作物為玉米，品種為中金368，每年4月下旬耕種，10月中旬收獲，然后土地休閑至次年玉米耕種。試驗(yàn)于2013年5月開始，試驗(yàn)隨機(jī)做3個(gè)處理：常規(guī)耕作(CT)、常規(guī)耕作+秸稈還田(TSI)，常規(guī)耕作+秸稈覆蓋(TSM)，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。常規(guī)耕作按照當(dāng)?shù)氐母髁?xí)慣，各樣地全年不灌溉，在種植玉米前肥料一次施入，施入量折合純氮100 kg/hm2(尿素，含氮46%)，施純P2O5100 kg/hm2(過磷酸鈣，含P2O514%)。秸稈覆蓋為秸稈打碎后均勻覆蓋于土壤表層，常規(guī)耕作秸稈還田為秸稈打碎后隨翻耕與土壤均勻混合，秸稈還田量為4 500 kg/hm2。每塊樣地面積約5 m×30 m，每塊樣地都與坡向平行，沿坡向侵蝕區(qū)和堆積區(qū)(即坡上、坡中和坡下)分別設(shè)置觀測小區(qū)，每個(gè)小區(qū)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，各小區(qū)的平均值代表整個(gè)樣地土壤溫室氣體的排放通量，各個(gè)處理不同坡位對比研究秸稈處理措施下土壤呼吸的空間變異特征。

1.3 土壤呼吸測定

土壤呼吸速率采用LI-8100A土壤碳通量測定系統(tǒng)測定。測定基座為直徑20 cm、高10 cm的PVC管，測定前24 h嵌入土中約8 cm，并將管內(nèi)的雜草齊地面剪掉，每個(gè)小區(qū)3個(gè)重復(fù)，測定土壤呼吸的同時(shí)，采用LI-8100A自帶的土壤溫度探針插入呼吸環(huán)附近土壤5 cm測定土壤溫度，采用LI-8100A自帶的土壤水分探頭插入呼吸環(huán)附近土壤5 cm測定土壤水分。土壤呼吸測定于2013年11月17日開始，2014年3月16日結(jié)束，觀測期間每半月左右測定1次，每次的測定時(shí)間為上午9:00—12:00。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin Pro 9進(jìn)行作圖，Excel和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下土壤溫度和水分變化

不同處理土壤溫度整個(gè)監(jiān)測期呈相同的變化趨勢，但3種處理之間溫度有明顯差異，表現(xiàn)為TSI>CT>TSM，特別是在溫度較高的時(shí)段差異更加明顯；同種處理不同坡位之間溫度總體表現(xiàn)為坡上<坡中<坡下，溫度越高差異越顯著。TSM處理坡上部明顯小于坡中部和坡上部，但是坡中部和坡下部差異不明顯(圖1)。

3種處理方式下土壤水分整個(gè)監(jiān)測期整體都呈“V”型變化趨勢，在1月下旬土壤含水量最低(圖2)。3種處理土壤水分在監(jiān)測開始階段TSM明顯大于其他兩種處理，CT，TSI差異不大；在其余時(shí)間段TSM略小于其他兩種處理，但是差異不顯著。TSM處理不同坡段之間僅在2013年11月17日和2014年3月2日時(shí)間點(diǎn)坡上含水量明顯低于坡中和坡下處理，其余時(shí)間土壤含水量基本無差異。CT和TSI處理除2014年3月16日土壤含水量表現(xiàn)為坡下小于坡上和坡中處理外，整體都呈現(xiàn)坡上<坡中<坡下處理，而且大部分時(shí)間段(除2014年1月3日和2014年1月19日)不同坡位之間含水量差異較大。

圖1 不同秸稈還田處理方式下不同坡段土壤溫度變化

2.2 不同處理下土壤呼吸隨時(shí)間變化

3種不同處理?xiàng)l件下不同坡位土壤呼吸差異明顯，除個(gè)別時(shí)間點(diǎn)之外(TSI處理2013年11月30日)，均表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上，而且溫度越高，差異越明顯，3種處理在2013年11月17日、2014年3月16日兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)坡中和坡下顯著高于坡上處理，處理間差異達(dá)到顯著水平(圖3)(p<0.05)。CT，TSI，TSM處理坡上土壤呼吸量隨時(shí)間變化不大，且處理間差異不顯著，波動范圍分別為0.18～0.34，0.18～0.42，0.18～0.46 μmol/(m2·s)。坡中和坡下土壤呼吸季節(jié)波動大，相比較之下，CT，TSI比TSM隨時(shí)間變異系數(shù)大，3者的變異系數(shù)在坡中分別為88%，81%，54%，坡下分別為100%，77%，44%。

圖2 不同秸稈還田處理方式下不同坡段土壤水分變化

3種處理土壤呼吸平均值隨時(shí)間變化趨勢基本一致，都呈兩端高，中間低的變化趨勢，在溫度較低的時(shí)段(12月、1月、2月)3者的差異不顯著，但是在溫度較高的時(shí)間3者差異顯著，分別為TSI>CT>TSM(圖4)。

2.3 土壤呼吸和溫度、水分的關(guān)系

不同處理之間土壤呼吸與土壤溫度、水分都存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系。CT，TSI，TSM三種處理土壤呼吸與土壤溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.922，0.926，0.880。TSM處理土壤呼吸隨溫度升高增長較慢，TSI處理土壤呼吸隨溫度升高增長較快。3種處理土壤呼吸與土壤水分也有顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.640，0.680，0.619。

注：*表示不同坡位之間土壤呼吸差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

圖3 不同秸稈還田處理方式下不同坡段土壤呼吸速率變化

圖4 不同秸稈還田處理土壤呼吸速率平均值

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸受土壤理化性質(zhì)、土地利用方式、溫度、水分、施肥、耕作制度等多種因素的影響。大部分研究認(rèn)為秸稈覆蓋增加土壤呼吸，并隨著秸稈覆蓋量的增加CO2排放量增大[9-10]，但本研究發(fā)現(xiàn)TSM處理降低土壤呼吸速率，TSI處理增加土壤呼吸(圖3—4)。究其原因主要有以下3方面：首先TSM處理土壤溫度有所降低，TSM處理比CT，TSI處理監(jiān)測期平均溫度下降了0.66，0.69℃，溫度與土壤呼吸有重要的相關(guān)關(guān)系(表1)，其次，TSM處理土壤水分的空間變異性減小(圖2)，監(jiān)測期除監(jiān)測初期平均土壤水分值高于其他兩種處理之外，其余階段土壤水分明顯低于TSI，CT處理，原因可能為冬季該區(qū)域降雨較少，而秸稈覆蓋對降雨下滲有一定的阻擋作用，因此秸稈覆蓋處理冬季平均水分含量較低，這可能也是造成土壤呼吸降低的原因；最后，TSM處理可有效減少土壤侵蝕[5]，并進(jìn)一步減少土壤表層活性有機(jī)碳CO2釋放，減少土壤呼吸的空間排放差異(圖3)，最終降低總的土壤呼吸量。與CT處理相比，TSI處理明顯增加土壤呼吸，直接原因?yàn)榻斩挶旧頃尫乓徊糠諧O2[10-11]，另外秸稈還田對土壤溫度和水分影響不大(圖1—2)，而秸稈作為土壤重要的有機(jī)質(zhì)來源，可以通過改變土壤中微生物量和微生物群落，增加土壤總孔隙度，最終增加土壤呼吸量[12]。

土壤溫度和水分是土壤重要的物理性質(zhì)，影響土壤中所進(jìn)行的所有反應(yīng)和進(jìn)程、土壤微生物活性、土壤養(yǎng)分的遷移變化等。有些學(xué)者用指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、二次函數(shù)等形式擬合了土壤呼吸與二者之間的關(guān)系[12-14]，得出不同的擬合關(guān)系,可能是由于研究區(qū)域和研究時(shí)間的不同造成的。本研究中土壤溫度和土壤水分都與土壤呼吸有極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(表1)，主要原因?yàn)楸狙芯勘O(jiān)測期主要在非生長季，土壤溫度相對較低，降水較少，土壤水分也較低，溫度和水分都為土壤呼吸的限制性因子，土壤呼吸量都隨溫度和水分的增加而增加。明確這種關(guān)系對正確評估非生長季黃土高原地區(qū)土壤呼吸具有重要的指導(dǎo)意義。

本研究中，不同處理下土壤呼吸都表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，總體都表現(xiàn)為坡上侵蝕區(qū)土壤呼吸較低，坡下堆積區(qū)土壤呼吸速率較高，這與其他大部分研究結(jié)果相同[15-16]。土壤侵蝕引起土壤有機(jī)碳和營養(yǎng)空間再分布可能是引起土壤呼吸空間異質(zhì)性的重要原因[17]。坡耕地上部土壤有機(jī)碳減少，微生物呼吸基質(zhì)減少，下部土壤有機(jī)碳增加，微生物可利用基質(zhì)增多，進(jìn)而影響土壤呼吸強(qiáng)度[8]；另外土壤侵蝕可引起土壤容重、土壤孔隙度等物理性質(zhì)改變也會引起土壤呼吸的空間差異性[15-16]。以后研究應(yīng)加強(qiáng)坡耕地土壤微生物和土壤理化性質(zhì)空間變異性研究，以便從機(jī)理上揭示土壤呼吸空間差異性的機(jī)理。

另外，本研究認(rèn)為坡地土壤溫度和水分差異是造成土壤呼吸空間差異性的另一個(gè)重要原因，3種不同處理的坡地土壤溫度和水分都有較明顯的差異，尤其是在溫度較高的監(jiān)測期差異更加顯著，秸稈覆蓋通過改變侵蝕堆積速率，影響土壤溫度，并進(jìn)一步影響土壤呼吸(圖1—2)，這與Bajracharya等[18]研究結(jié)論相似。

表1 土壤呼吸與土壤溫度和土壤水分的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)不同秸稈還田處理對土壤呼吸空間異質(zhì)性有一定的影響，其中TSM處理土壤呼吸空間差異性明顯低于CT，TSI處理，尤其是在溫度和水分條件較高的時(shí)期，而后面兩種處理差異不顯著(圖3)。我們認(rèn)為不同秸稈還田處理主要是通過影響土壤溫度和土壤水分進(jìn)而影響土壤呼吸，CT，TSI處理與土壤溫度和土壤水分的相關(guān)系數(shù)更高，而且隨溫度和水分的變化，土壤呼吸速率變化更快，而TSM處理下隨溫度和水分的變化，土壤呼吸變化更小(表1)，表明秸稈覆蓋處理下土壤溫度和水分對土壤呼吸空間差異性的影響變小，究其原因一方面秸稈覆蓋下土壤侵蝕速率降低，土壤空間差異性變小，另一方面秸稈覆蓋下土壤溫度和水分的時(shí)空變異小(圖1—2)，最終導(dǎo)致秸稈覆蓋下土壤呼吸的時(shí)空變異性小于其他兩種處理。未來在評估坡耕地溫室氣體排放時(shí)要加強(qiáng)土壤呼吸空間異質(zhì)性研究，并注意耕作和秸稈覆蓋對這種空間異質(zhì)性的影響，使估算更加準(zhǔn)確。

3.2 結(jié) 論

(1) 不同的秸稈還田方式下土壤呼吸存在差異，秸稈覆蓋降低土壤呼吸，秸稈還田促進(jìn)土壤呼吸，特別是在溫度水分較高的時(shí)段表現(xiàn)更為明顯。

(2) 不同處理下土壤呼吸都存在空間異質(zhì)性，不同坡位表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上，秸稈覆蓋使土壤呼吸空間異質(zhì)性程度降低。

(3) 土壤溫度和水分存在空間差異性，且都與土壤呼吸存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

(4) 通過對比研究，在黃土高原非生長季，秸稈覆蓋還田是較理想的降低CO2排放的方式，既降低溫室氣體排放，減少土壤呼吸空間異質(zhì)性，又增加了土壤有機(jī)碳的輸入，是一種合理的農(nóng)作方式，應(yīng)積極加以推廣。

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Effects of Different Straw Returning Patterns on Soil Respiration in Sloping Cropland of the Loess Plateau

LI Yingchen, HOU Cuicui, LI Xiaoyu, WANG Qibo, ZHANG Fang, LI Yong

(He′nanNormalUniversity,Xinxiang,He′nan453007,China)

The typical maize sloping cropland was selected in the Loess Plateau of west He′nan to investigate the effect of different straw returning patterns on soil respiration using LI-8100A soil carbon fluxes measuring system. Three patterns of straw returning were set up: conventional tillage with no straw returning (CT), conventional tillage with straw incorporation into the soil (TSI) and conventional tillage with straw mulch on soil surface (TSM). The results indicated that the tendency of soil respiration in the studied period was similar under different straw returning patterns, and soil respiration varied from 0.22～1.23, 0.29～1.35, 0.26～0.91 μmol/(m2·s), respectively. The difference of soil respiration rates among three patterns was significant when the soil temperature and moisture was high, and soil respiration decreased in the order: TSI>CT>TSM; Soil respiration rates under different slope position were obviously different in all three treatments, decreasing in the order: lower position>middle position>upper position. The spatial difference of soil respiration was less under TSM treatment than other treatments, and the difference was significant as the soil temperature and moisture was higher. Soil temperature and moisture were significant different under different positions, decreasing in the order: lower position>middle position>upper position. There was significant linear relationship between soil respiration and soil temperature and moisture (p<0.01) under all three treatments. Straw mulching decreased soil respiration in non-growing season, therefore, straw mulching was a rational method of straw returning from the point of reducing greenhouse gas emission.

sloping cropland; straw mulching; straw incorporation; soil respiration; spatial difference

2014-10-13

2014-11-10

河南師范大學(xué)博士科研啟動課題(qd12129,qd12126);國際原子能機(jī)構(gòu)合作項(xiàng)目(17680)

李英臣(1982—),男,山東聊城人,博士,副教授.主要從事坡耕地溫室氣體排放研究。E-mail:xiayuchen211@163.com

S154; S513

1005-3409(2015)05-0122-05