兩種輪作模式下秸稈還田對土壤呼吸及其溫度敏感性的影響*

丁瑞霞, 王維鈺, 張 青

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兩種輪作模式下秸稈還田對土壤呼吸及其溫度敏感性的影響*

丁瑞霞1, 王維鈺2,3, 張 青2

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院/農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院 楊凌 712100; 3. 陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心 楊凌 712100)

通過分析不同作物輪作模式下秸稈還田對土壤呼吸及其溫度敏感性的影響, 為深入探究關(guān)中地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)提供理論依據(jù)。試驗設(shè)置于陜西省楊凌地區(qū), 在2012年10月至2014年9月期間以冬小麥-夏玉米輪作模式和冬小麥-夏大豆輪作模式作為研究對象, 分別設(shè)置秸稈還田(SM)和秸稈不還田(NS)兩個處理, 測定分析不同處理下土壤呼吸、土壤溫度及土壤含水量的變化趨勢和差異, 并估算土壤呼吸的溫度敏感性(10)。結(jié)果表明: 土壤呼吸存在明顯的季節(jié)變化, 在作物生育期大部分時間內(nèi), SM處理的土壤呼吸速率均顯著高于NS處理(<0.05), 且SM處理的作物生育期土壤呼吸平均速率及土壤呼吸累計排放量也極顯著高于NS處理(<0.01); 不同作物生育期土壤呼吸平均速率依次為夏玉米>夏大豆>冬小麥, 土壤呼吸總量表現(xiàn)為冬小麥>夏玉米>夏大豆、冬小麥-夏玉米輪作>冬小麥-夏大豆輪作。冬小麥-夏玉米輪作與冬小麥-大豆輪作的土壤溫度間存在差異; 其中, 在冬小麥生育前期, 冬小麥-夏玉米輪作的土壤溫度顯著高于冬小麥-大豆輪作; 第2季夏玉米生育期內(nèi)5 cm深度的土壤溫度顯著低于同季的夏大豆; 相比NS處理, SM處理能提高冬季土壤的溫度, 并降低春季和夏季的土壤溫度; 在高溫少雨的時期內(nèi), SM處理能夠提高0~30 cm土壤的平均含水量, 不同的前茬作物引起兩種輪作模式中冬小麥耕作層土壤含水量間明顯的差異，夏玉米耕作層土壤含水量顯著高于夏大豆。相關(guān)分析表明, 土壤呼吸與5 cm和10 cm土壤溫度均存在極顯著的正相關(guān)性, 且與5 cm土壤溫度的相關(guān)性更好; 但土壤呼吸與0~30 cm的土壤平均含水量無顯著相關(guān)性。5 cm和10 cm土壤溫度變化能夠分別解釋土壤呼吸變化的64.6%~67.3%和51.5%~59.6%。整個研究周期內(nèi), 溫度敏感性(10)為1.70~2.01, 冬小麥-夏玉米輪作的溫度敏感性顯著高于冬小麥-大豆輪作, 且同一輪作模式下SM處理的溫度敏感性顯著低于NS處理。因此, 秸稈還田能夠提高農(nóng)田的土壤呼吸作用, 降低土壤呼吸的溫度敏感性, 同時能夠調(diào)節(jié)土壤的水熱狀況。

輪作模式; 秸稈還田; 土壤呼吸; 溫度敏感性; 土壤水熱

自工業(yè)革命以來, 人類社會快速發(fā)展導(dǎo)致自然環(huán)境受到前所未有的挑戰(zhàn), 其中氣候變化及其影響是當(dāng)前人類面臨的最大環(huán)境問題之一[1]。隨著環(huán)境的日益惡化, 與氣候變化密切相關(guān)的碳循環(huán)問題成為當(dāng)今國內(nèi)外研究熱點之一。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫, 土壤呼吸作為土壤碳庫與大氣碳庫之間CO2交換的主要形式, 其排放量占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)總排放量的2/3以上[2]。據(jù)統(tǒng)計, 每年全球超過75 Pg(1 Pg=1×1015g)的碳通過土壤呼吸的方式向大氣中釋放[3]。土壤呼吸微小的變化也將勢必導(dǎo)致大氣中碳濃度的變化[4], 進(jìn)而加劇全球氣候變暖, 危急人類今后的生存與環(huán)境。有研究認(rèn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程排放的CO2占人為溫室氣體排放量的21%~25%[5]。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國, 由農(nóng)田所引起的碳排放量在1999—2009這10年間的增幅達(dá)93.9%[6]。因此, 研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的碳排放具有重要的現(xiàn)實意義。

相比其他陸地生態(tài)系統(tǒng), 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受到人類活動的干擾最大, 耕作方式、施肥方式、灌溉方式的不同均會引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤環(huán)境的差異, 進(jìn)而影響土壤呼吸速率[7-8]。一般認(rèn)為, 土壤表面所測定的土壤呼吸通量是根呼吸和微生物呼吸的總和[9]。土壤呼吸強度與土壤有機質(zhì)含量及礦化速率、土壤微生物種類及活性之間均存在密切的聯(lián)系[10]。秸稈還田作為目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的耕作措施, 被認(rèn)為能夠改善土壤的水熱狀況, 提高土壤的透氣性。同時前人的研究也指出秸稈還田能夠顯著影響土壤的有機質(zhì)含量[11]及土壤的微生物量[12]。前人針對土壤呼吸對秸稈還田的響應(yīng)做出了大量的研究, 研究結(jié)果表明, 秸稈還田對于土壤呼吸具有顯著影響。其中于愛忠等[13]的研究表明免耕秸稈還田提高了土壤的有機質(zhì)含量, 促進(jìn)了有機質(zhì)分解釋放CO2, 因而提高了農(nóng)田土壤呼吸速率。也有研究者認(rèn)為免耕留茬能夠顯著降低土壤呼吸速率, 且土壤呼吸速率降低的幅度隨留茬量的增多而增大[14]。

前人的研究表明, 土壤呼吸與溫度有密切的聯(lián)系[15], 這種關(guān)聯(lián)通常表現(xiàn)為: 溫度升高會導(dǎo)致土壤CO2通量增大[16]。而土壤呼吸對溫度的變化也具有適應(yīng)性, 這種適應(yīng)性會弱化及降低土壤呼吸和溫度變化之間的關(guān)系[17]。這種適應(yīng)性的強弱主要取決于土壤呼吸對溫度變化的敏感性。因此, 土壤呼吸的溫度敏感性與全球碳循環(huán)對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系有非常緊密的聯(lián)系[18]。目前, 研究者已經(jīng)對此開展了大量的有關(guān)研究, 構(gòu)建了溫度響應(yīng)函數(shù), 而在這其中使用最廣泛的函數(shù)為10(土壤呼吸敏感性),10被定義為溫度增加10 ℃所引起的土壤呼吸的變化量[19]。在影響土壤呼吸溫度敏感性的眾多因子中, 溫度和水分對于土壤呼吸及其溫度敏感性的影響占主導(dǎo)地位。溫度和水分的差異不僅造成土壤生物種類和數(shù)量的差異, 同時也影響土壤微生物所需底物的供應(yīng)[20]。前人總結(jié)不同生態(tài)系統(tǒng)下的土壤呼吸溫度敏感性可知,10值介于1.28~4.75[21]。近年來, 有關(guān)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)下土壤呼吸的溫度敏感性(10)的研究逐漸增多, 前人的研究發(fā)現(xiàn)耕作栽培措施的差異能夠引起土壤的水熱條件、養(yǎng)分含量及微生物狀況的變化, 最終導(dǎo)致土壤呼吸的溫度敏感性發(fā)生變化。但研究的主要側(cè)重點多集中在不同施肥條件或耕作模式下土壤呼吸溫度敏感性的變化[22-25]。而有關(guān)秸稈還田條件對土壤呼吸敏感性的研究仍不多見, 已有的研究也多將秸稈還田作為耕作措施的一種, 分析不同耕作措施對土壤呼吸及其溫度敏感性的影響[26-27]; 此外, 針對不同秸稈還田量對土壤呼吸及其溫度敏感性影響的研究也多為一種作物[28], 對于不同作物土壤呼吸溫度敏感性的研究鮮有報道。本研究以陜西省常見的兩種輪作模式為研究對象, 分析和比較不同輪作模式下秸稈還田對土壤呼吸溫度敏感性的影響, 探究秸稈還田對土壤呼吸與溫度變化之間反饋關(guān)系的影響, 為進(jìn)一步研究和分析關(guān)中地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地基本信息

試驗區(qū)域設(shè)于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)示范區(qū)內(nèi)(108°07′E, 34°12′N), 該區(qū)域氣候類型為大陸性暖溫帶季風(fēng)區(qū)氣候, 年平均溫度12.9 ℃, 全年降水主要分布在每年的7—9月, 年平均降水量約為660 mm, 作物熟制為一年兩熟制。試驗土壤為土, 試驗地土壤基本理化性狀見表1。

表1 試驗地土壤養(yǎng)分特性

試驗地土壤養(yǎng)分特性于2011年試驗前測定。The soil chemical properties of the tested field were measured before experiment in 2011.

1.2 試驗設(shè)計

本試驗的周期為2012—2014年, 研究對象為冬小麥(L.)-夏玉米(L.)和冬小麥-夏大豆(L.)兩種輪作模式。其中, 冬小麥分別于2012年及2013年10月初播種, 并于2013年及2014年的6月收獲, 夏玉米及夏大豆在上季冬小麥?zhǔn)斋@后立即播種, 于2013年及2014年的10月初收獲。冬小麥品種為‘西農(nóng)889’, 夏玉米品種為‘漯單9號’, 夏大豆品種為‘東豆339’。由于灌溉刺激干旱土壤的土壤呼吸[29], 進(jìn)而影響土壤呼吸測定的準(zhǔn)確性, 在本研究周期內(nèi)盡可能避免灌溉, 每季冬小麥均只進(jìn)行一次冬灌, 時間約為每年的1月中旬(冬小麥越冬期), 其余時間均依靠降水補充作物生長所需; 每季夏玉米及夏大豆生育期內(nèi)均只灌溉一次, 以減緩作物的干旱脅迫, 時間為每年的7月中旬, 其余時間均依靠降水補充作物生長所需。所有灌溉均為漫灌。

整個試驗地均實行免耕播種, 每個輪作模式下均設(shè)置2個處理: 秸稈還田(SM)和秸稈不還田(NS, 對照)。其中, 冬小麥-夏玉米輪作模式下的處理為SM1和NS1, 冬小麥-夏大豆輪作模式下的處理為SM2和NS2。所有試驗處理均設(shè)置為8.6 m×8 m的小區(qū), 小區(qū)相互間隔0.5 m, 相同處理均設(shè)置3個重復(fù)。秸稈還田處理在前茬作物收獲后, 直接將作物殘茬還田; 秸稈不還田處理在前茬作物收獲后, 清理所有根茬。冬小麥?zhǔn)┯媚蛩丶傲姿岫@(尿素375 kg×hm-2+磷酸二銨375 kg×hm-2), 夏玉米僅施用尿素(375 kg×hm-2), 夏大豆僅施用磷酸二銨(150 kg×hm-2), 所有肥料均作為基肥施用。不同作物秸稈還田情況及施氮量見表2。各處理其余的田間管理均保持一致。

表2 秸稈還田處理的不同作物秸稈還田量及秸稈還田和不還田處理的施氮量

施氮量根據(jù)所購買的尿素及磷酸二銨的總氮含量估算, 其中尿素的總氮含量≥46%, 磷酸二銨總氮含量≥17.4%。The amount of nitrogen was calculated based on nitrogen content in urea and diammonium phosphate, respectively. Urea and diammonium phosphate contain 46% and 17.4% nitrogen, respectively.

1.3 測定項目

1.3.1 氣體測定

土壤呼吸速率采用GXH-3010E1型便攜式紅外線分析器(華云分析儀器研究所有限公司)測定。在作物播種后, 在每個小區(qū)中部分別放置PVC腔室(腔室高10 cm, 底部直徑為16 cm), 埋置深度為5 cm, 每個小區(qū)重復(fù)3次, 腔室呈“三角形”排列, 相互間隔1 m。在測量一定時間范圍內(nèi)的土壤CO2通量的過程中, 在腔室的頂部放置1個小風(fēng)扇, 持續(xù)開啟3 min, 使腔室內(nèi)的氣體混合均勻, 然后測量。每次測量均在每日的9:00—11:00完成。

土壤呼吸速率計算公式:

(2-1)Δ(1)

式中:為土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1);為換算系數(shù),=1.80(25 ℃, 1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓);1、2分別為測定時CO2初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)和測定結(jié)束后即時質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%);為容器高(m); Δ為測定時間變化(s)。

土壤呼吸速率自第1季冬小麥播種后(2012年10月)開始測量, 由于冬小麥在返青前的生長較慢, 故分別于冬小麥的苗期(播種后15 d)、分蘗期(播種后50 d)、越冬期(播種后95 d)、返青期(播種后155 d)各測定一次, 返青期后每15 d測定一次, 全生育期內(nèi)共測定9次; 下茬作物播種后, 每15 d測定一次, 全生育期內(nèi)共測定7次。在降雨天氣出現(xiàn)后, 可適當(dāng)后延3~5 d測定土壤呼吸速率, 以降低降水引起的干擾。

1.3.2 土壤溫度測定

作物播種后, 將一組不同深度的直角地溫計埋至距PVC腔室10 cm處, 每個處理3組。測定土壤呼吸速率的當(dāng)天內(nèi), 讀取土壤CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的同時讀取5 cm、10 cm、15 cm 層土壤溫度值。

1.3.3 土壤含水量測定

采用烘干稱量法測定土壤含水量, 每次土壤呼吸速率測定的當(dāng)天, 用土鉆采集0~30 cm土壤樣品(每10 cm為一層), 3次重復(fù), 帶回實驗室測定。

1.3.4 土壤呼吸累計釋放量測定

土壤呼吸累計釋放量參考Zhai等[29]的計算公式:

R=(R+R+1)/2×3 600×24×44×10-8(2)

式中:R為土壤呼吸累計釋放量[t(CO2)·hm-2],R為第次測量的土壤呼吸速率,R+1為間隔天測量的土壤呼吸速率,為相鄰兩次測量間隔天數(shù)。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析方法及軟件

有關(guān)土壤呼吸速率對溫度響應(yīng)的研究多使用指數(shù)函數(shù)[30], 函數(shù)表達(dá)式為:

=′e′(3)

式中:為測定的土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1),為測定的土壤溫度(℃),和為回歸系數(shù)。

土壤呼吸對溫度的敏感性通常用10來描述,10指溫度升高10 ℃所引起的土壤呼吸的變化值:

10=e10b(4)

式中:通過(2)式獲得。

所有數(shù)據(jù)及圖表均采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0、Origin 2016軟件進(jìn)行分析處理, Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式下各處理土壤溫度的動態(tài)變化

如圖1所示, 2012年10月—2013年9月期間, 月平均氣溫最低的月份為2013年1月, 為-1.6 ℃; 月平均氣溫最高的月份為2013年8月, 為23.1 ℃。2013年10月—2014年9月期間, 月平均氣溫最低的月份為2013年12月, 為-1.3 ℃; 月平均氣溫最高的月份為2014年6月, 為28.2 ℃。2013—2014連續(xù)兩年內(nèi), 6—8月的月平均溫度均高于21 ℃。在整個研究周期內(nèi), 大部分時間的月平均降雨量均低于230 mm, 僅2013年4月、2014年2月、2014年4月、2014年9月的降雨量超過300 mm。

在冬小麥-夏玉米(麥玉)和冬小麥-夏大豆(麥豆)兩種輪作模式下, 冬小麥生育期的土壤溫度以播種后95 d為節(jié)點, 呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(圖2)。在連續(xù)兩季冬小麥播種后95 d時, 麥玉輪作SM處理5 cm深度的土壤溫度比NS處理高0.1 ℃和0.8 ℃, 麥豆輪作SM處理5 cm深度的土壤溫度比NS處理高0.7 ℃和0.2 ℃; 同理, 麥玉輪作SM處理10 cm深度的土壤溫度比NS處理高0.6 ℃和0.2 ℃, 麥豆輪作SM處理10 cm深度的土壤溫度比NS處理高0.8 ℃和0.4 ℃。在冬小麥播種95~230 d, SM處理在5 cm及10 cm深度的土壤溫度均低于NS處理, 其中麥玉輪作2012—2013年冬小麥生育期分別下降4.4%~10.7%和1.3%~5.3%, 2013—2014年分別下降2.5%~10%和0.5%~4.2%; 同理, 麥豆輪作2012—2013年冬小麥生育期SM處理較NS處理分別下降1.9%~5.4%和1.1%~4.6%, 而在2013—2014年冬小麥生育期內(nèi)分別下降2.1%~8.1%和1.6%~4.4%。

第一季后茬作物生育期內(nèi)(2013年6—9月)2013年夏大豆生育期內(nèi)土壤溫度呈降低趨勢; 夏玉米播種后15~60 d土壤溫度變化幅度不大, 60~105 d土壤溫度逐漸下降; 在第二季后茬作物生育期內(nèi)(2014年6—9月)夏玉米和夏大豆生育期土壤溫度以播種后45 d為節(jié)點均呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。第一季夏玉米生育期內(nèi)(2013年), 5 cm深度和10 cm深度, SM處理土壤溫度分別比NS低0.3%~7.7%和0.3%~7.4%, 在第二季生育期內(nèi)(2014年)分別低1.7%~9.8%和0.35%~0.4%。同理, 在2013年夏大豆生育期內(nèi), SM處理土壤溫度分別比NS處理低0.3%~4.4%和0.7%~6.1%, 而在2014年夏大豆生育期內(nèi)則分別低0.7%~4.6%和0.7%~3.7%。

在整個研究周期內(nèi), 麥玉輪作在冬小麥生育前期的土壤溫度顯著高于麥豆輪作; 而在第2茬作物生育期內(nèi), 夏玉米5 cm深度的土壤溫度也顯著低于夏大豆。同一輪作模式下, SM處理與NS處理間的差異存在顯著差異; 此外, 除冬小麥播種后50 d至95 d外, 其余時段內(nèi)各處理土壤溫度均隨土壤深度的增加而顯著降低。

2.2 不同輪作模式下各處理土壤含水量變化

不同輪作模式下各處理的0~30 cm平均含水量的變化如圖3所示。不同輪作模式間差異顯著(<0.05)在2012—2013年冬小麥播種后185 d、200 d和230 d, 麥玉輪作SM處理的土壤平均含水量比NS處理分別高為9.58%、1.77%和7.46%; 麥豆輪作高0.08%、6.21%和3.53%。而在2013—2014年冬小麥生育期內(nèi), 播種后215 d、230 d麥玉和麥豆輪作模式下SM處理土壤平均含水量均高于NS處理, 增幅分別為6.62%、2.92%和3.08%、5.39%。

兩季夏玉米生育期內(nèi), 播種后30~90 d, SM處理的土壤平均含水量均高于NS處理, 增幅依次為0.5%~3.18%和0.06%~4.17%。2012—2013年夏大豆整個生育期內(nèi), SM處理的土壤平均含水量均高于NS處理, 增幅為0.78%~3.50%, 而2013—2014年夏大豆生育期內(nèi), 除播種后90 d外, 其余時間內(nèi)SM處理的土壤平均含水量均高于NS處理, 增幅為0.44%~13.85%。

2.3 不同輪作模式下各處理土壤水熱因子對土壤呼吸的影響

通過Pearson相關(guān)分析法分析不同處理土壤呼吸與土壤水熱因子間的相關(guān)性。分析結(jié)果表明, 兩種輪作模式下各處理土壤呼吸與土壤溫度極顯著正相關(guān)(表3)。麥玉輪作下, 土壤呼吸與土壤溫度間的相關(guān)系數(shù)為0.611~0.687, 麥豆輪作為0.227~0.397。此外, 兩種輪作模式下, SM處理土壤呼吸與不同深度土壤溫度間的相關(guān)系數(shù)大于NS處理, 且所有處理土壤呼吸與地下5 cm的土壤溫度間的相關(guān)系數(shù)均大于地下10 cm。但不同處理土壤呼吸與0~30 cm深度下的土壤平均含水量間的相關(guān)性不顯著。

通過擬合不同處理土壤溫度對土壤呼吸的影響可知, 土壤呼吸與土壤溫度間的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)解釋(表4)。從土壤深度來看, 地下5 cm土壤的溫度能夠解釋土壤呼吸變化的64.6%~67.3%, 而地下10 cm土壤溫度能夠解釋土壤呼吸變化的51.5%~59.6%。

實線為冬小麥-夏玉米輪作, 虛線為冬小麥-夏大豆輪作; NS為秸稈不還田處理, SM為秸稈還田處理。The solid line indicates winter wheat-summer maize rotation system and the dashed line indicates winter wheat-summer soybean rotation system. NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment

2.4 不同輪作模式下各處理土壤呼吸速率的動態(tài)變化

由圖4所示, 冬小麥播種后, 不同處理土壤呼吸速率均逐漸下降, 至播種后95 d, 土壤呼吸速率降至最低。但不同處理的土壤呼吸速速率在播種后155~230 d的變化規(guī)律有所差異。2012—2013年冬小麥播種后95~185 d, 僅麥豆輪作的SM處理的土壤呼吸速率持續(xù)增大, 其余處理均表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢。2013—2014年冬小麥播種后, 所有處理的土壤呼吸速率95~200 d持續(xù)升高, 但215~230 d均變?yōu)榻档?。在后茬作物生育期?nèi), 不同處理的土壤呼吸速率均基本呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。2012—2013年后茬作物生育期內(nèi), 夏玉米和夏大豆土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)的時期有所差異, 夏大豆出現(xiàn)在播種后45 d, 而夏玉米出現(xiàn)在播種后60 d。2013—2014年后茬作物生育期內(nèi), 麥玉輪作的播種后30~105 d土壤呼吸率始終高于麥豆輪作, 且所有處理土壤呼吸速率的最大值均出現(xiàn)在播種后60 d。

麥玉輪作, 除冬小麥2012—2013年播種后230 d以及2013—2014年播種后200 d外, SM處理的土壤呼吸速率在其余時期均顯著高于NS處理, 增幅為1.08%~36.53%; 同理, 麥豆輪作下, SM處理在2012—2014年播種后95~155 d之外的其余時期內(nèi)的土壤呼吸速率均顯著高于NS處理, 增幅為1.51%~99.43%。在連續(xù)兩季夏玉米生育期內(nèi), 除2013—2014年播后30 d及75 d外, 其余時期內(nèi)SM處理的土壤呼吸速率均顯著高于NS處理, 增幅為0.70%~56.24%; 而在連續(xù)兩季夏大豆生育期內(nèi), SM處理的土壤呼吸速率均顯著高于NS處理, 增幅為0.73%~11.64%。

實線為冬小麥-夏玉米輪作, 虛線為冬小麥-夏大豆輪作; NS為秸稈不還田處理, SM為秸稈還田處理。The solid line indicates winter wheat-summer maize rotation system and the dashed line indicates winter wheat-summer soybean rotation system. NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment.

表3 兩種輪作模式下不同處理土壤呼吸與土壤水熱因子的相關(guān)性

NS為秸稈不還田處理, SM為秸稈還田處理。**和*分別表示極顯著(<0.01)和顯著(<0.05)相關(guān)。NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment. ** and * indicate significant correlation at 0.01 and 0.05 levels, respectively.

表4 兩種輪作模式下不同處理土壤呼吸與土壤溫度擬合方程

NS為秸稈不還田處理, SM為秸稈還田處理。NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment.

冬小麥生育期土壤呼吸平均速率為2.673~3.141 μmol·m-2·s-1, 夏玉米生育期土壤呼吸平均速率為3.401~4.810 μmol·m-2·s-1, 夏大豆生育期土壤呼吸平均速率為3.390~3.762 μmol·m-2·s-1(表5)。整個研究周期內(nèi)SM處理的作物生育期土壤呼吸平均速率均顯著高于NS處理(<0.01); 兩季麥玉輪作模式中, 冬小麥SM處理的作物生育期土壤呼吸平均速率比NS處理分別高14.13%和9.35%, 而麥豆輪作模式中冬小麥SM處理比NS處理分別高12.61%和7.29%, 兩季夏玉米中SM處理比NS處理分別高16.55%和16.70%, 兩季夏大豆中SM處理分別比NS處理高4.01%和2.33%。

實線為冬小麥-夏玉米輪作, 虛線為冬小麥-夏大豆輪作; NS為秸稈不還田處理, SM為秸稈還田處理。The solid line indicates winter wheat-summer maize rotation system and the dashed line indicates winter wheat-summer soybean rotation system. NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment.

2.5 不同輪作模式下各處理土壤呼吸累計釋放量的動態(tài)變化

土壤呼吸總量能夠描述整個作物生育期內(nèi)土壤釋放的CO2總量。如表6所示, 不同作物生育期內(nèi)土壤呼吸總量有很大的差異, 表現(xiàn)為冬小麥>夏玉米>夏大豆, 受此影響, 麥玉輪作的土壤呼吸總量[34.68~40.81 t(CO2)·hm-2]高于麥豆輪作[30.04~33.86 t(CO2)·hm-2]。不同作物生育期內(nèi)土壤呼吸總量均為SM>NS, 且處理間差異極顯著(<0.01), 這與作物生育期土壤呼吸平均速率的變化規(guī)律相同。

2.6 不同輪作模式下各處理土壤呼吸溫度敏感性(10)的變化

利用指數(shù)函數(shù)=e對連續(xù)兩個輪作周期內(nèi)不同處理土壤呼吸速率對地下5 cm土壤溫度的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行模擬, 通過模擬, 進(jìn)而估算不同處理土壤呼吸的溫度敏感性(10), 不同處理的10值如圖5所示。整個研究周期內(nèi), 不同處理的10值介于1.70~2.01, 相同處理的10表現(xiàn)為麥玉輪作>麥豆輪作(<0.05); 兩種輪作模式中, SM處理的10值均極顯著低于NS處理。在麥玉輪作中, SM的10值比NS處理的低0.20, 在麥豆輪作中, SM的10值比NS處理的低0.16。

表5 2012年10月(2012-10)—2014年6月(2014-06)兩種輪作模式下作物生育期不同處理的土壤呼吸平均速率

NS為秸稈不還田處理, SM為秸稈還田處理。不同字母表示同一生育期內(nèi)不同處理間差異顯著(<0.01)。NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment. Different letters indicate significant difference among treatments in the same growth period at< 0.01 level.

表6 2012年10月(2012-10)—2014年6月(2014-06)兩種輪作模式下作物生育期不同處理的土壤呼吸總量

NS為秸稈不還田處理, SM為秸稈還田處理。不同字母表示同一生育期內(nèi)不同處理間差異顯著(<0.01)。NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment. Different letters indicate significant difference among treatments in the same growth period at< 0.01 level.

NS為秸稈不還田處理, SM為秸稈還田處理。不同大寫字母表示同一輪作模式不同處理間差異顯著(<0.01)。NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment. Different letters indicate significant difference between treatments for the same rotation system at< 0.01 level.

3 討論與結(jié)論

土壤溫度的動態(tài)變化對氣溫的變化有明顯的響應(yīng), 同時也與地表接收的太陽輻射量有關(guān)。在本研究中, 不同處理土壤溫度的季節(jié)變化趨勢與氣溫變化趨勢相同。但土壤溫度隨土層深度變化的規(guī)律并不一致, 具體表現(xiàn)為: 冬季地下10 cm土壤溫度高于5 cm, 而春季和夏季則正好相反?？赡艿脑蚴钱?dāng)外界氣溫較低時, 土壤熱量由深層向淺層傳導(dǎo), 而當(dāng)外界氣溫升高時, 土壤中的熱量則由淺層向深層傳導(dǎo)[31]。前人的研究結(jié)果證實, 秸稈還田能夠調(diào)節(jié)耕層土壤的溫度[32], 本研究所得結(jié)果也驗證了這一結(jié)論, 具體表現(xiàn)為: 當(dāng)外界溫度較低時, 秸稈還田處理的土壤溫度高于不還田處理, 當(dāng)外界溫度逐漸升高時, 秸稈還田處理的土壤溫度均低于不還田處理。在兩種輪作模式下的冬小麥生育期內(nèi), 由于前茬作物(夏玉米和夏大豆)的秸稈還田量不同, 導(dǎo)致土壤向大氣散失的熱量出現(xiàn)差異, 最終引起兩種輪作模式下冬小麥生育前期土壤溫度出現(xiàn)顯著差異, 對于后茬作物而言, 由于夏玉米和夏大豆的作物群體不同, 進(jìn)入作物的生育后期, 植株能夠在土壤的上方形成一個覆蓋層[33], 在外界氣溫較高時, 夏玉米較大的葉片, 減少了地表接收的太陽輻射, 進(jìn)而降低了土壤的溫度。

前人的研究結(jié)果表明, 秸稈還田能夠提高作物生育期內(nèi)土壤的含水量[34-35]。但本研究結(jié)果顯示, 在作物生育期內(nèi), 秸稈還田的土壤含水量并非在所有時間均高于秸稈不還田處理, 通過分析可知, 在外界氣溫較高且降雨量較低的月份里, 秸稈還田處理耕作層土壤平均含水量高于秸稈不還田處理。這可能是由于在這些月份中, 較高的氣溫加劇了土壤水分的蒸散作用, 單次降雨量較少以及降雨的間隔時間較長, 導(dǎo)致土壤的整體濕潤程度較低, 秸稈還田能夠減緩株間無效蒸散, 進(jìn)而提高土壤的含水量。此外, 研究還發(fā)現(xiàn), 夏玉米耕作層土壤含水量高于夏大豆, 可能的原因是由于夏玉米的葉片較大, 一定程度上減少了太陽輻射與土壤的直接接觸, 從而減緩了土壤的蒸散作用; 對于兩種輪作模式內(nèi)冬小麥耕作層土壤含水量的差異, 可能的原因是由于輪作體系下, 作物根系的數(shù)量及分布均有所差異, 一定程度上改變了土壤的入滲速率[36]。

有研究者認(rèn)為, 免耕秸稈還田能夠降低土壤呼吸[37-38]。而本試驗基于免耕條件下實行秸稈還田, 研究結(jié)果表明, 秸稈還田處理顯著提高了土壤呼吸作用, 這與Blanco-Canqui等[39-40]研究結(jié)果一致。原因可能是秸稈的腐解是一個緩慢的過程, 秸稈中的碳不能完全轉(zhuǎn)化為土壤碳, 未轉(zhuǎn)化的部分通常以CO2或CH4的形式向大氣中釋放。同時, 由于研究中在秸稈還田的基礎(chǔ)上額外施用氮肥的量較大, 引起土壤C/N發(fā)生變化, 更有利于微生物分解有機質(zhì), 進(jìn)而增加了土壤有機質(zhì)中碳的分解與釋放[41]。此外, 秸稈還田處理的作物生育期土壤呼吸平均速率也高于秸稈不還田處理, 這一研究結(jié)果也與前人相近[42]。研究發(fā)現(xiàn), 在不同輪作模式下土壤呼吸速率有明顯的差異, 這種差異主要來源于不同生長特性的作物交替種植改變了土壤微生物的群體分布和多樣性, 以及土壤養(yǎng)分的循環(huán)[43]。同時, 在輪作模式下, 不同作物生長過程中, 土壤溫度及土壤濕度也存在差異[44]。此外, 前人的研究還指出施氮量、秸稈還田量的不同能夠引起土壤呼吸的差異[45-46], 這些都是引起不同輪作模式間土壤呼吸速率差異的潛在因素。土壤溫度和土壤含水量被認(rèn)為是影響土壤呼吸的重要環(huán)境因子, 在本研究中, 土壤呼吸與地下5 cm及地下10 cm土壤溫度均呈顯著正相關(guān), 且與地下5 cm土壤溫度的相關(guān)性更好, 這與李昌珍等[47]的研究結(jié)果一致。通過回歸分析可知, 地下5 cm土壤的溫度能夠解釋土壤呼吸變化的64.6%~67.3%, 略低于張俊麗等[48]研究結(jié)果中的62.31%~78.66%。此外, 本研究顯示土壤呼吸與0~30 cm土壤平均含水量的相關(guān)性不顯著, 這一結(jié)果也與前人的研究結(jié)果一致[49-50]。

在整個研究周期內(nèi), 不同處理的10值介于1.70~2.01。數(shù)值略低于前人研究結(jié)果中我國10值范圍(2.25±0.28)[51]。本研究結(jié)果顯示, 麥玉輪作的10略高于麥豆輪作, 可能的原因是由于第2輪作周期內(nèi), 冬小麥生育后期以及后茬作物生育期內(nèi), 麥豆輪作的土壤溫度均顯著高于麥玉輪作, 較低的溫度能夠豐富土壤微生物的種類, 進(jìn)而潛在地提高10[52]。本研究結(jié)果還顯示, 秸稈還田處理的10低于秸稈不還田處理, 這與前人的研究結(jié)果一致[53-54]。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是由于外界氣候條件發(fā)生變化所致, 前人在研究中指出溫度升高及干旱都會引起土壤呼吸溫度敏感性降低[55-56]。在本研究周期內(nèi), 由于試驗區(qū)域的夏季溫度較高, 且夏玉米及夏大豆生育期內(nèi)根據(jù)當(dāng)年的天氣情況僅灌溉一次, 可能引發(fā)潛在的干旱脅迫, 進(jìn)而降低土壤呼吸的溫度敏感性。由于本研究屬于長期定位試驗的一個部分, 研究周期也僅為兩年, 所得結(jié)論還需進(jìn)一步的驗證, 今后有關(guān)秸稈還田對土壤呼吸的溫度敏感性長期影響的試驗將進(jìn)一步完善和開展。

2012—2014連續(xù)兩年內(nèi)不同輪作模式下秸稈還田對土壤呼吸及其溫度敏感性的研究結(jié)果顯示, 不同作物生育期內(nèi), 土壤呼吸均存在明顯的季節(jié)變化趨勢, 且在生育期的大部分時間內(nèi), SM處理的土壤呼吸速率均高于NS處理, 相比NS處理, SM顯著提高了作物生育期土壤呼吸平均速率和生育期土壤呼吸累計釋放量。不同輪作模式下, 麥玉輪作的生育期土壤呼吸累計釋放量高于麥豆輪作。秸稈還田具有調(diào)節(jié)土壤溫度的作用, 在冬季能夠提高土壤的溫度, 但在春季和夏季表現(xiàn)為降低土壤溫度。對于土壤含水量而言, 在高溫少雨的時期內(nèi), 秸稈還田能夠有效提高土壤含水量。土壤溫度與土壤呼吸間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系, 地下5 cm和地下10 cm的土壤溫度變化能夠分別解釋土壤呼吸變化的64.6%~67.3%和51.5%~59.6%, 但土壤呼吸與地下0~30 cm土壤平均含水量間無顯著相關(guān)性。此外, 秸稈還田還能夠降低土壤呼吸的溫度敏感性, 對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對全球氣候變化響應(yīng)的研究具有一定實際意義。

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Effect of straw mulching on soil respiration and its’ temperature sensitivity under different crop rotation systems*

DING Ruixia1, WANG Weiyu2,3, ZHANG Qing2

(1. Institute of Water-saving Agriculture in Arid Areas of China, Northwest A&F University / Key Laboratory of Crop Physiology and Tillage Sciences in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China; 2. College of Agronomy, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 3. Research Center of Recycle Agricultural Engineering and Technology of Shaanxi Province, Yangling 712100, China)

Soil respiration is the second largest source of terrestrial carbon (C) flux between the atmosphere and the terrestrial ecosystems. It is critical for regulating global soil C dynamics. As soil temperature and soil moisture would exert stronger effects on soil respiration in the future, a thorough understanding of the response of soil microbes to temperature change can provide a novel method of studying the effects of drought on soil respiration and of predicting drought-induced changes in future terrestrial C cycle. Temperature sensitivity of soil respiration can explain the relationship between soil respiration and soil temperature. The objective of this study was to explore the effects of straw mulch on the linkages between the changes in soil respiration and temperature. The study aimed to lay the basis of C cycle process in agro-ecosystems in Yangling, Shaanxi province. To that end, a 2-year field experiment (October 2012 to September 2014) was conducted to study the linkages under different crop rotation systems. It included two treatments of no straw (NS) and straw mulch (SM) in winter wheat-summer maize rotation and winter wheat-summer soybean rotation systems. Soil respiration rate, temperature, and moisture were analyzed under different crop rotation systems. In addition, the10(with10value as the multiplier in determining soil respiration rate after temperature increase of 10 ℃) was used to determine the effect of soil temperature change on soil respiration. It was noted that SM significantly (< 0.05) increased soil respiration rate during crop growth period. Mean soil respiration rate and cumulative soil respiration during crop growth period significantly increased under straw mulch (< 0.01). The order of mean soil respiration rate under various crops was as follows: maize (3.401–4.810 μmol×m-2×s-1) > soybean (3.390–3.762 μmol×m-2×s-1) > wheat (2.673–3.141 μmol×m-2×s-1). Then the order of cumulative soil respiration among different rotations was as follows: wheat-maize [34.68–40.81 t(CO2)×hm-2] > wheat-soybean [30.04–33.86 t(CO2)×hm-2]. In addition, soil temperature varied significantly (< 0.05) among different crops. Particularly, soil temperature under wheat-maize rotation system was higher than that under wheat-soybean rotation system during the growth stage of wheat. Soil temperature at 5 cm soil depth in maize field was higher than that in soybean field during the summer of 2014. It was noted that SM treatment was a major regulator of soil temperature — significantly increasing it in winter and then significantly decreasing it in spring and summer. Moreover, mean soil moisture content in the 0–30 cm soil layer was significantly higher under SM treatment than under NS treatment during the dry season. Further, mean soil moisture content in the 0–30 cm layer during wheat growth period varied significantly among different crop rotation systems, which was associated with root characteristics under crop rotation. The mean soil moisture content for the 0–30 cm soil layer during maize growth period was significantly higher than that during soybean growth period. Soil temperature at the 5–10 cm soil layer was positively correlated with soil respiration. However, soil moisture at the 0–30 cm soil layer was not significantly correlated with soil respiration. Changes in soil temperature at 5 and 10 cm soil depths were respectively 64.6%–67.3% and 51.5%–59.6% explained by the variance in soil respiration. In this study,10varied within 1.70?2.01 across different crop rotation systems and was significantly higher under wheat-maize than wheat-soybean rotation system. In addition,10was significantly higher under SM treatment than under NS treatment. Therefore, SM treatment was more advantageous in terms of the ability to effectively reduce temperature sensitivity of soil respiration and to accurately predict soil moisture and soil heat conditions.

Crop rotation system; Straw mulch; Soil respiration; Temperature sensitivity; Soil moisture and heat condition

10.13930/j.cnki.cjea.170078

S344.13

A

1671-3990(2017)08-1106-13

*陜西省科技統(tǒng)籌計劃項目(2015KTCL02-07)資助

丁瑞霞, 主要從事旱區(qū)農(nóng)業(yè)研究。E-mail: dingruixia@sohu.com

2017-01-21 接受日期: 2017-04-05

*This work was funded by the Science and Technology Overall Planning Project in Shaanxi Province of China (2015KTCL02-07).

, DING Ruixia, E-mail: dingruixia@sohu.com

Jan. 21, 2017; accepted Apr. 5, 2017

丁瑞霞, 王維鈺, 張青. 兩種輪作模式下秸稈還田對土壤呼吸及其溫度敏感性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2017, 25(8): 1106-1118

Ding R X, Wang W Y, Zhang Q. Effect of straw mulching on soil respiration and its’ temperature sensitivity under different crop rotation systems[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(8): 1106-1118