不同種植模式對(duì)農(nóng)田土壤呼吸速率的影響

趙財(cái)，陳桂平，柴 強(qiáng)，文玉良

(甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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不同種植模式對(duì)農(nóng)田土壤呼吸速率的影響

趙財(cái)，陳桂平，柴 強(qiáng)，文玉良

(甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

【目的】 探討不同種植模式對(duì)農(nóng)田土壤CO2排放的影響，以期為農(nóng)田固碳減排提供理論參考.【方法】 以河西綠洲灌區(qū)的7種種植模式為研究對(duì)象，采用CFX-2開(kāi)放式呼吸測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行土壤呼吸速率測(cè)定.【結(jié)果】 7類(lèi)種植模式下農(nóng)田土壤呼吸速率具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，其中，單作玉米的波動(dòng)幅度最大，呈先上升再下降的趨勢(shì)；平均土壤呼吸速率表現(xiàn)為單作玉米>玉米間作豌豆>小麥間作玉米>春小麥復(fù)種冬油菜>春小麥復(fù)種冬小麥>春小麥復(fù)種春油菜>春油菜復(fù)種馬鈴薯，且不同處理間平均土壤呼吸速率差異顯著(P<0.05)；單作玉米農(nóng)田土壤呼吸速率最強(qiáng)，春油菜復(fù)種馬鈴薯最小，且單作玉米農(nóng)田土壤呼吸速率為春油菜復(fù)種馬鈴薯的4.6倍.間作模式下小麥、玉米帶土壤呼吸速率較相應(yīng)的單作分別降低20.9%和26.3%.【結(jié)論】 7種種植模式中，單作玉米潛在溫室氣體排放量最大，春油菜復(fù)種馬鈴薯最有利于農(nóng)田溫室氣體減排，而間作模式可有效降低配置作物的土壤呼吸速率強(qiáng)度.

復(fù)種；間作；土壤呼吸速率；秸稈還田

隨著全球氣候變暖和大氣污染的日益加劇，溫室氣體排放研究成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn).有研究表明，除工業(yè)生產(chǎn)外，農(nóng)業(yè)活動(dòng)是最重要的人為溫室氣體排放源，占全球人為排放總量的10%～20%[1].大氣中CO2、CH4和N2O是最主要的3大溫室氣體，導(dǎo)致溫室效應(yīng)的潛力近80%[2]，其中CO2對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)最大，約占60%，是最重要的溫室氣體[3].據(jù)估計(jì)，大氣中每年有5%～20%的CO2來(lái)源于土壤，而農(nóng)田土壤則是CO2重要的排放來(lái)源[4-5].大量研究表明，農(nóng)田溫室氣體排放主要受土壤溫度、水分、pH值和質(zhì)地等土壤微環(huán)境影響.此外，氮肥使用、耕作方式和種植模式對(duì)農(nóng)田碳排放的影響較大[6].因此，國(guó)際社會(huì)對(duì)發(fā)展高效、低碳農(nóng)業(yè)的呼聲愈來(lái)愈強(qiáng)[7]，而與之相應(yīng)的供糧安全更是全球科學(xué)界面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[8-9].

間作、復(fù)種是解決糧食安全，實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)品多樣化，推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段，對(duì)提高資源利用效率的優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)外已被廣泛證實(shí)[10-11].當(dāng)前，中國(guó)70%的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出得益于間作、復(fù)種等多熟種植[12]，尤其是我國(guó)西北內(nèi)陸灌區(qū)，光熱資源豐富，土質(zhì)良好，適宜發(fā)展多熟種植.在影響土壤呼吸的各種因素中，作物是最重要的因素之一，耕作方式，特別是作物種間互作的影響普遍存在，作物與環(huán)境互作下的土壤呼吸速率具有一定差異.因此，探索能否通過(guò)優(yōu)化種植模式來(lái)調(diào)控土壤CO2排放具有重要研究?jī)r(jià)值.本試驗(yàn)以河西綠洲灌區(qū)現(xiàn)存主要復(fù)種、間作模式為研究對(duì)象，擬通過(guò)作物生長(zhǎng)期對(duì)土壤CO2釋放動(dòng)態(tài)變化特征的研究，以期為河西灌區(qū)優(yōu)化作物種植模式，降低土壤CO2的排放提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地(E 103°5′E，N 37°30′)進(jìn)行.試驗(yàn)區(qū)位于河西走廊東端，屬寒溫帶干旱氣候區(qū)，海拔1 506 m，無(wú)霜期約155 d，多年平均降水量約156 mm，年蒸發(fā)量約2 400 mm，年平均氣溫7.2 ℃，≥0 ℃和≥10 ℃的積溫分別為3 513.4 ℃和2 985.4 ℃，日照時(shí)數(shù)2 945 h，適于發(fā)展間作套種及兩年三熟的復(fù)種模式.試驗(yàn)地土壤為沙壤土，耕層0～30 cm層次的土壤全氮0.68 g/kg、全磷1.41 g/kg、銨態(tài)氮1.78 mg/kg、硝態(tài)氮12.51 mg/kg、有機(jī)質(zhì)14.31 g/kg、容重1.57 g/cm3.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 供試材料 小麥(Triticumaestivum)，‘永良4號(hào)’，早熟性品種；油菜(BrassicacampestrisL)，天?！朴?號(hào)’和‘MXW-1’冬油菜；玉米(Zeamays)，‘沈丹16號(hào)’，中熟豐產(chǎn)型品種；豌豆(Pisumsativum)，針葉豌豆‘MZ-1’，早熟品種.

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)共設(shè)7種種植模式，復(fù)種模式有：春小麥復(fù)種冬油菜(WSRW)，3月19日播種春小麥，7月18日收獲，25 cm高茬收割，秸稈粉碎還田，9月26日播種冬油菜，次年夏季收獲；春小麥復(fù)種春油菜(WSRS)，3月19日播種春小麥，7月18日收獲，25 cm高茬收割，秸稈粉碎還田，7月20日搶播春油菜，10月6日收獲；春小麥復(fù)種冬小麥(WSWW)，3月19日播種春小麥，7月18日收獲，25 cm高茬收割，秸稈粉碎還田，9月28日播種冬小麥，次年夏季收獲；春油菜復(fù)種馬鈴薯(RSP)，3月17日播種油菜，6月24日收獲，高茬收割，秸稈粉碎還田，6月26日搶播馬鈴薯，10月6日收獲.間作模式分別為：玉米間作豌豆(M//P)，總帶寬480 cm，豌豆播6行，行距15 cm，7月7日豌豆留茬20 cm收割，秸稈還田，玉米為薄膜覆蓋播種，行距30 cm，株距20 cm，兩作物間距27 cm；小麥間作玉米(W//M)，總帶寬480 cm，小麥播6行，行距15 cm，7月18日留茬25 cm收割，秸稈粉碎還田，玉米為薄膜覆蓋播種，行距30 cm，株距20 cm，兩作物間距27 cm.對(duì)照為單作玉米(M)，播種密度為82 500 株/hm2，覆膜；單作小麥(WS)取不同復(fù)種模式內(nèi)春小麥作為參考.各處理重復(fù)3次，田間隨機(jī)排列.

不同復(fù)種模式單作小麥?zhǔn)┓手贫葹榧僋 225 kg/ hm2，全作基肥；純P2O5150 kg/hm2，全作基肥；復(fù)種冬油菜于返青期施純N 225 kg/ hm2，抽薹后追施純N 150 kg/ hm2；復(fù)種春油菜基施純P2O541 kg/hm2、純K2O 39 kg/hm2，不進(jìn)行氮肥追施；復(fù)種馬鈴薯基施純N 150 kg/hm2、純P2O5375 kg/hm2；復(fù)種冬小麥于返青期施純N 225 kg/ hm2，拔節(jié)后追施純N 150 kg/ hm2.不同復(fù)種模式灌溉制度參照當(dāng)?shù)亓?xí)慣并結(jié)合施肥進(jìn)行.間作模式和單作玉米灌溉制度和施肥制度見(jiàn)表1.

表1 不同間作處理及單作玉米灌溉制度和施肥制度Tab.1 The irrigation and fertilizing levels to different inter-cropping and sole-cropping

1.3 測(cè)定指標(biāo)

土壤呼吸速率：采用CFX-2開(kāi)放式呼吸測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行土壤呼吸速率測(cè)定.在4月17日到10月14日之間每隔20 d測(cè)定1次，測(cè)定時(shí)間為的8∶00～18∶00，每天分3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行測(cè)定，將3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均值作為該天的土壤呼吸速率值.此儀器自帶20 cm直徑的呼吸室，測(cè)定時(shí)將呼吸室置于單作小區(qū)中心和不同間作作物帶中心分別進(jìn)行，每點(diǎn)測(cè)定5個(gè)值，每值測(cè)定時(shí)長(zhǎng)3 min，按照田間小區(qū)布置進(jìn)行“蛇形”測(cè)定，每輪總測(cè)定時(shí)長(zhǎng)1 h 30 min.對(duì)玉米覆膜帶測(cè)定前12 h，將地膜揭開(kāi)呼吸室邊緣大小的裸露區(qū)，讓膜內(nèi)累積的CO2排出，測(cè)定時(shí)視為玉米土壤內(nèi)呼吸速率值.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行整理匯總，用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下的農(nóng)田土壤呼吸特征

由圖1可以看出，在河西綠洲灌區(qū)整個(gè)作物生長(zhǎng)季(4～10月)，不同種植模式土壤呼吸速率變化特征有明顯的差異.其中單作玉米的土壤呼吸速率在整個(gè)生育期明顯高于其他處理，呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢(shì)，且其變動(dòng)幅度較大，五月中旬單作玉米地的土壤呼吸速率達(dá)到最大值19.2 μmol/(m2·s)，玉米收獲后土壤呼吸速率也隨之降到最低值1.3μmol/(m2·s).兩種間作模式M//P和W//M的土壤呼吸速率波動(dòng)幅度相對(duì)較小，在間作作物共生期土壤呼吸速率較高，而小麥和豌豆收獲后土壤呼吸則急劇下降；與之相對(duì)應(yīng)的WsRw、WsRs、WsWw和RsP 4種復(fù)種模式的波動(dòng)較小，分別在5月中旬和7月中旬出現(xiàn)兩個(gè)較高峰值，作物收獲后，不同復(fù)種模式土壤呼吸速率同樣迅速降低.

圖1 不同種植模式下農(nóng)田土壤呼吸變化特征Fig.1 The variation characteristics of soil respiration under different cropping patterns

2.2 不同種植模式下的農(nóng)田土壤呼吸速率

在作物生長(zhǎng)季節(jié)，不同復(fù)種模式農(nóng)田土壤呼吸速率平均值存顯著差異(圖2).單作玉米平均土壤呼吸速率顯著高于間作和復(fù)種模式；而兩種間作模式M//P和W//M農(nóng)田土壤呼吸速率平均值顯著高于WsRw、WsRs、WsWw和RsP 4種復(fù)種模式，其中春油菜復(fù)種馬鈴薯的農(nóng)田土壤呼吸平均速率最低.總體上，土壤呼吸速率平均值大小為：M(9.73 μmol/(m2·s))>M//P(4.98 μmol/(m2·s))>W//M(4.69 μmol/(m2·s))>WsRw(2.45 μmol/(m2·s))>WsWw(2.43 μmol/(m2·s))>WsRs(2.42 μmol/(m2·s))>RsP(2.11 μmol/(m2·s)).

不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05).圖2 不同種植方式農(nóng)田土壤呼吸速率Fig.2 The soil respiration rate under different cropping patterns

單作玉米的土壤呼吸平均速率是RsP模式的4.6倍，兩種間作模式土壤呼吸平均速率分別是RsP模式的1.4和1.2倍.3種復(fù)種模式(RsP除外)土壤呼吸平均速率較單作玉米(M)均顯著降低了75%，較玉米間作豌豆(M//P)降低了51%，較小麥間作玉米(W//M)降低了48%.說(shuō)明春/冬油菜、冬小麥和馬鈴薯與春小麥復(fù)種可有效抑制農(nóng)田土壤呼吸速率，并減少CO2排放.其中，春小麥復(fù)種馬鈴薯(RsP)具有顯著減少農(nóng)田土壤碳排放的潛力.

2.3 間作模式對(duì)農(nóng)田土壤呼吸速率的影響

如圖3所示，與單作小麥(不同復(fù)種模式中單作小麥土壤呼吸平均值)農(nóng)田土壤的呼吸速率相比，在小麥整個(gè)生育期，小麥間作玉米模式中間作小麥的土壤呼吸速率明顯降低，但變化趨勢(shì)與單作小麥相同，呈先升后降再逐漸升高的趨勢(shì).而玉米土壤呼吸速率在單作模式與間作模式中變化趨勢(shì)則有所不同，尤其是在間作共生期內(nèi)，單作玉米土壤呼吸速率表現(xiàn)為先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，而間作玉米帶則不同，在M//P和W//M兩種模式中都表現(xiàn)為先減弱而后增強(qiáng)的趨勢(shì)；但在間作小麥與間作豌豆收獲后其土壤呼吸速率與單作玉米的呼吸速率趨于一致，均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，尤其是在間作模式中，M//P模式土壤呼吸速率由豌豆收獲時(shí)的7.7 μmol/(m2·s)降低到玉米收獲后的1.1 μmol/(m2·s)，降低幅度為86%；W//M模式中土壤呼吸速率由小麥?zhǔn)斋@時(shí)的7.0 μmol/(m2·s)降低到玉米收獲后的1.2 μmol/(m2·s)，降低幅度為83%.說(shuō)明作物生長(zhǎng)對(duì)土壤呼吸速率具有重要貢獻(xiàn).

2.4 間作模式下的農(nóng)田土壤呼吸速率

如圖4所示，在整個(gè)生育期無(wú)論間作或單作，玉米土壤呼吸平均速率均顯著高于相應(yīng)模式的小麥土壤呼吸速率平均值.單作小麥農(nóng)田土壤呼吸速率平均值較間作小麥高26.37%，但差異不顯著.單作玉米與M//P和W//M兩種模式中玉米帶土壤呼吸速率平均值同樣表現(xiàn)出無(wú)顯著性差異，但單作玉米土壤呼吸速率平均值比M//P和W//M間作玉米帶分別高22.2%和35.6%.在同樣的種植模式中，玉米帶與小麥帶生育期內(nèi)土壤呼吸平均速率差異顯著.單作模式中玉米地土壤呼吸速率是單作小麥的2.4倍，同樣在小麥間作玉米種植模式中，玉米帶土壤呼吸平均速率是小麥帶的2.0倍；在玉米豌豆種植模式中，玉米帶土壤呼吸平均速率是豌豆帶的1.8倍.以玉米為基礎(chǔ)的兩種間作模式中W//M比M//P土壤呼吸平均速率降低了5.8%，說(shuō)明，在相同的種植模式下，種植不同作物對(duì)農(nóng)田土壤呼吸速率有明顯影響.

圖3 間作對(duì)農(nóng)田土壤呼吸速率的影響Fig.3 Effects of intercropping pattern on farmland soil respiration rate

圖4 間作對(duì)農(nóng)田土壤呼吸速率的影響Fig.4 Effects of intercropping pattern on farmland soil respiration rate

3 討論與結(jié)論

一般認(rèn)為影響土壤CO2排放的關(guān)鍵因素是土壤溫度和土壤濕度，其中農(nóng)田土壤CO2排放與0～10 cm地溫具有較高的相關(guān)性[5].除土壤溫度、水分外，土壤微生物狀況、秸稈覆蓋、施肥、灌溉等因素也可通過(guò)影響植被的分布和各種環(huán)境因素的時(shí)空分布，從而間接影響農(nóng)田土壤CO2排放[6].在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響土壤呼吸的諸多因素中，作物是最重要的因素之一，不同種植模式因?qū)ν寥赖臄_動(dòng)、耕作方式、土壤微生物、葉面積指數(shù)的差異，必然導(dǎo)致農(nóng)田土壤呼吸的不同[13].本研究中，所參試的7種種植模式以單作玉米的土壤呼吸平均速率最高(9.73 μmol/(m2·s)，是其他處理的2.0～4.6倍，且其在整個(gè)生長(zhǎng)季的變化波動(dòng)較大，表現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，這可能與該模式葉面積指數(shù)變化相關(guān).有研究表明，土壤CO2通量與葉面積指數(shù)和生物量的年變化趨勢(shì)一致，二者有很好的正相關(guān)關(guān)系[13].此外，也可能與玉米根呼吸有直接關(guān)系.研究表明，玉米生長(zhǎng)季中,根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在43.1%～63.6%之間[14].在作物不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，根系呼吸在土壤呼吸中所占的比例也不同.從作物生長(zhǎng)發(fā)育初級(jí)階段開(kāi)始，隨著溫度的升高，溫度對(duì)土壤CO2排放的限制作用減小，植物處于生長(zhǎng)旺盛階段，根系生物量相應(yīng)增加，根系呼吸在土壤呼吸中占的比重逐漸增加[15-16].

本研究中，小麥間作玉米較單作相比，小麥土壤呼吸速率降低了20.9%，玉米降低了26.3%.已有研究表明，合理的間作種植可以增加農(nóng)田土壤碳匯，減少農(nóng)田溫室氣體排放.例如，白楊(Populusdeltoids)間作大麥(Hordeumvulgare)體系較相應(yīng)的單作種植顯著降低了農(nóng)田二氧化碳的排放量[17].南洋櫻(Gliricidiasepium)間作玉米體系可有效提高農(nóng)田土壤碳匯，減少農(nóng)田溫室氣體排放[18].Lisa等[19]也發(fā)現(xiàn)玉米間作大豆體系較單作玉米顯著降低了農(nóng)田二氧化碳排放量[19].這些研究結(jié)果與本研究結(jié)果相一致，說(shuō)明合理的間作種植可通過(guò)抑制農(nóng)田土壤呼吸速率減少二氧化碳排放量，從而增加農(nóng)田土壤碳匯.

目前對(duì)農(nóng)田土壤CO2排放單個(gè)影響因素的研究較多，但對(duì)多個(gè)因素的綜合影響研究較少.然而，土壤呼吸的影響因素之間并不是孤立的，眾多影響因素不僅自身對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生直接或間接的影響，它們之間也往往相互作用，相互影響，共同作用于土壤CO2排放.尤其是在間作復(fù)種的復(fù)合種植群體中研究土壤CO2排放時(shí)，必須要考慮到各種因素的綜合影響，而不是僅進(jìn)行片面分析，這些將有待我們進(jìn)一步深入研究.

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(責(zé)任編輯 胡文忠)

Effects of different cropping systems on farmland soil respiration

ZHAO Cai,CHEN Gui-ping,CHAI Qiang,WEN Yu-liang

(Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science,College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】 In order to provide theoretical basis for sequestrating carbon and reducing CO2emission on farmland.【Method】 A field experiment was conducted to investigate the effects of different cropping systems on farmland CO2emission,by using a CFX-2 portable infrared analyzer to measure the soil respiration rate under 7 various cropping patterns in the oasis region of Hexi Corridor,Gansu Province.【Result】 Soil respiration rate of various cropping systems had an explicit regular change of seasonal variations.Monoculture maize had the highest fluctuation range,with the range increased at first growing stage and decreased at last with maize harvest.The values order of averaged soil respiration rate were: sole maize (M) > maize//pea (M//P) > wheat//maize (W//M) > wheat-winter rape (WsRw) > wheat-winter wheat (WsWw) > wheat-spring rape (WsRs) > spring rape-potato (RsP).The absolute value of soil respiration rate differed significantly (P<0.05) among treatments.Sole maize had the highest soil respiration rate,while spring rape-potato had the lowest,which was 1/4.6 to sole maize.The soil respiration rate of wheat and maize strips in intercropping was decreased by 20.9% and 26.3% as compared to the corresponding sole cropping,respectively.【Conclusion】 Spring rape-potato multiple cropping was the optimal treatment in reducing farmland greenhouse gas emissions and thereby mitigating global climate change among the 7 tested modes.Intercropping,as well,potentially decreased the soil respiration rate both in pea//maize and wheat//maize.

multiple cropping；intercropping；soil respiration rate；straw retention

趙財(cái)(1978-)，男，博士，主要從事多熟種植和節(jié)水農(nóng)業(yè)研究.E-mail:zhaoc@gsau.edu.cn

柴強(qiáng),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槎嗍旆N植、循環(huán)農(nóng)業(yè)和節(jié)水農(nóng)業(yè).E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31160265)；甘肅省杰出青年基金項(xiàng)目(1111RJDA006)；國(guó)家公益性行業(yè)項(xiàng)目(201103001).

2014-09-26；

2015-12-22

S 34

A

1003-4315(2016)06-0024-06