玉米農(nóng)田土壤碳排放及碳平衡對(duì)地膜覆蓋方式 及種植行距的響應(yīng)

于愛(ài)忠，柴強(qiáng)，殷文，胡發(fā)龍，樊志龍，趙財(cái)

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玉米農(nóng)田土壤碳排放及碳平衡對(duì)地膜覆蓋方式 及種植行距的響應(yīng)

于愛(ài)忠，柴強(qiáng)，殷文，胡發(fā)龍，樊志龍，趙財(cái)

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

【目的】分析干旱綠洲灌區(qū)玉米農(nóng)田土壤碳排放特征及碳平衡對(duì)地膜覆蓋方式及種植行距的響應(yīng)，為評(píng)價(jià)區(qū)域典型農(nóng)作制模式及其關(guān)鍵栽培技術(shù)的生態(tài)效益提供參考依據(jù)?！痉椒ā刻镩g試驗(yàn)于2013—2014年在甘肅河西綠洲灌區(qū)進(jìn)行，共設(shè)4個(gè)處理：全膜覆蓋等行距（50 cm）、全膜覆蓋寬窄行（40 cm+80 cm）、半膜覆蓋等行距（50 cm）和半膜覆蓋寬窄行（40 cm+80 cm）。分析土壤呼吸速率季節(jié)變化特征及土壤碳排放量。計(jì)算土壤碳排放效率（CEE），并采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）評(píng)估農(nóng)田碳平衡及其強(qiáng)度。【結(jié)果】土壤呼吸速率隨玉米生育進(jìn)程呈典型的單峰曲線。全膜覆蓋均顯著提高了玉米全生育期農(nóng)田土壤碳排量，且玉米根呼吸碳排放量的貢獻(xiàn)率在18.8%—77.2%，平均為49.1%。半膜覆蓋寬窄行碳排放效率最高，達(dá)到2.65 kg·kg-1，分別較全膜覆蓋等行距和全膜覆蓋寬窄行處理高37.3%和26.2%。4種玉米種植模式中，半膜寬窄行模式凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力最高，達(dá)到7 446.2 kg C·hm-2，顯著高于其他3種植模式。【結(jié)論】4種種植模式均表現(xiàn)為大氣CO2的匯，半膜覆蓋寬窄行種植模式碳排放量最低的同時(shí)碳匯效應(yīng)最強(qiáng)。

玉米；土壤呼吸；碳排放效率；碳平衡

0 引言

【研究意義】土壤呼吸是一個(gè)復(fù)雜的生物和化學(xué)過(guò)程，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中占有重要地位。農(nóng)田作為受人類活動(dòng)影響最大的生態(tài)系統(tǒng)之一，研究其碳排放特征為科學(xué)估算區(qū)域乃至全球碳平衡提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來(lái)，許多研究者在不同區(qū)域，針對(duì)不同類型的作物、土壤管理措施下的土壤呼吸特征及其影響因素與農(nóng)田碳平衡開(kāi)展了大量研究[1-4]。這些研究基本上明確了土壤呼吸的時(shí)空變異特征，揭示了土壤管理措施如耕作、覆蓋等導(dǎo)致的土壤溫度及水分條件的差異是影響土壤呼吸的主導(dǎo)因子[5-7]；與此同時(shí)，土壤呼吸還受到土壤有機(jī)碳、植物光合生產(chǎn)力、施肥等因子的影響[8-10]。一些研究者將農(nóng)田作為一種土地利用方式，評(píng)價(jià)了其與森林、草地等生態(tài)碳匯效應(yīng)[11-12]。另有研究者以區(qū)域主要種植模式為研究對(duì)象，分析并明確了干旱綠洲灌區(qū)不同種植模式的碳排放量，認(rèn)為多熟種植及保護(hù)性耕作措施可降低農(nóng)田碳排放[13-14]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】縱觀農(nóng)田碳排放作物生產(chǎn)理論與技術(shù)研究進(jìn)展不難發(fā)現(xiàn)，從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)尺度上，對(duì)典型種植模式及其配套農(nóng)藝措施的土壤碳平衡的評(píng)價(jià)顯得較為薄弱。這在一定程度上限制了區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放估算及評(píng)價(jià)。西北綠洲灌區(qū)是我國(guó)山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的重要生態(tài)屏障，區(qū)域內(nèi)玉米種植面積最大，且普遍采用全膜或半膜覆蓋種植模式，探討玉米不同生育階段土壤呼吸速率動(dòng)態(tài)變化是系統(tǒng)分析農(nóng)田碳排放的基礎(chǔ)。分析區(qū)域內(nèi)典型農(nóng)作制模式的碳排放特征是科學(xué)評(píng)估農(nóng)田生態(tài)服務(wù)功能的重要內(nèi)容?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以甘肅河西石羊河流域玉米農(nóng)田為研究對(duì)象，通過(guò)分析不同栽培模式下土壤碳排放特征及碳平衡，以期為區(qū)域農(nóng)作制模式生態(tài)效益評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗(yàn)于2013—2014年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站進(jìn)行，該站位于河西走廊東端（37° 30′ N，103° 5′ E），海拔1 776 m，屬季風(fēng)性冷溫帶半干旱區(qū)。多年平均太陽(yáng)輻射5.67 kJ·m-2，平均氣溫7.2℃，≥10℃積溫2 985℃，無(wú)霜期156 d，年均降水量156 mm，且主要集中在7—9月份，是典型的一熟有余、兩熟不足的干旱綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。主栽作物有玉米、小麥等，資源性缺水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最主要的限制因子。試驗(yàn)區(qū)土壤為典型的石灰性灌漠土，0—110 cm土層容重1.44 g·cm-3，0—30 cm土層有機(jī)碳含量11.3 g·kg-1，全氮、速效磷、速效鉀含量分別為0.94 g·kg-1、29.2 mg·kg-1和152.6 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用二因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。地膜覆蓋方式：全膜覆蓋（膜寬140 cm）、半膜覆蓋（膜寬80 cm）；行距：等行距（50 cm），寬窄行（40 cm +80 cm），共4個(gè)處理（圖1），3次重復(fù)，小區(qū)面積12 m×8 m，全膜覆蓋種5帶，半膜覆蓋種10帶。玉米（L.）品種為先玉335，4月20日播種，9月25日收獲，密度82 500株/hm2，玉米全生育期施用純氮450 kg·hm-2，按基肥﹕大喇叭口期追肥﹕灌漿期追肥=3﹕6﹕1施入；施用P2O5225 kg·hm-2，全部用作基肥。采用輸水管道分小區(qū)水表計(jì)量灌溉，灌溉定額525 mm，其中冬儲(chǔ)灌120 mm；拔節(jié)期、大喇叭口、抽雄吐絲期、灌漿初期、灌漿中期灌水定額分別為90、75、90、75和75 mm。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤呼吸速率 玉米播種后每隔15—20 d，采用土壤呼吸測(cè)定系統(tǒng)LI-8100A（LI-COR，USA）于8：00—20：00，每隔2 h測(cè)定一次，連續(xù)測(cè)定3 d。測(cè)定時(shí)將呼吸室置于小區(qū)中間作物行間，裸露區(qū)在兩條地膜帶作物行間，地膜覆蓋區(qū)和裸露區(qū)各隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)定5個(gè)值。地膜覆蓋區(qū)測(cè)定前12 h將地膜揭出呼吸室邊緣大小的裸區(qū)，讓膜內(nèi)累積的CO2排出。地膜覆蓋區(qū)和裸露區(qū)的平均值視為該小區(qū)土壤呼吸速率值（）[14-15]。每小區(qū)預(yù)留未種植玉米區(qū)同時(shí)觀測(cè)，作為同等處理?xiàng)l件下該處理土壤礦化呼吸速率（），根呼吸則根據(jù)=-計(jì)算。

1.3.2 籽粒產(chǎn)量 玉米收獲時(shí)每小區(qū)單獨(dú)收獲測(cè)定籽粒產(chǎn)量，為避免邊行優(yōu)勢(shì)干擾，將小區(qū)四周50 cm剔除。

1.3.3 地上部與地下部生物量 玉米收獲時(shí)采用根鉆法測(cè)定各處理0—110 cm土層范圍內(nèi)根系，清洗烘干稱重。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇3個(gè)樣方測(cè)定地上部生物量（包括地上部各器官以及凋落物）。

FU：全膜覆蓋等行距（50 cm）；FP：全膜覆蓋寬窄行（40 cm+80 cm）；HU：半膜覆蓋等行距（50 cm）；HP：半膜覆蓋寬窄行（80 cm+40 cm）。下同

1.3.4 碳排放量計(jì)算

碳排放量（carbon emission, CE）計(jì)算公式如下[16]：

式中，為土壤呼吸碳排放量（kg C·hm-2），為土壤呼吸速率（g CO2·m-2·h-1），(+1)和分別為第1次和第次的土壤呼吸速率，為播種后天數(shù)（d），12/44為g CO2·m-2·h-1轉(zhuǎn)換為 g C·m-2·h-1的系數(shù)，10 與 24 為將碳排放數(shù)值單位由 g C·m-2·h-1轉(zhuǎn)換為kg C·hm-2的系數(shù)。

1.3.5 碳排放效率 碳排放效率（carbon emission efficiency，CEE）表示農(nóng)田每排放1 kg的碳產(chǎn)生多少kg的籽粒產(chǎn)量，計(jì)算公式如下[13]：

（2）

式中，為作物籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2），為生育期內(nèi)土壤呼吸碳排放總量（kg C·hm-2）。

1.3.6 碳平衡計(jì)算 采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）來(lái)表示生態(tài)系統(tǒng)碳平衡[17]。計(jì)算公式如下：

（3）

式中，為作物地上部生物量與地下部生物量的總和，作物地上部組織和根的碳含量取45%（據(jù)估算，作物利用光合作用合成1 g有機(jī)質(zhì)需要吸收 C 0.45 g）[18]，土壤微生物異養(yǎng)呼吸C 釋放量為不同處理相應(yīng)裸地在整個(gè)玉米生育期間農(nóng)田CO2的排放量。為正值時(shí)，表示系統(tǒng)是大氣CO2的吸收“匯”；反之為大氣CO2的排放“源”。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0（SPSS Institute Ltd，USA）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan’s multiple-range test對(duì)處理進(jìn)行多重比較。土壤呼吸速率、土壤碳排放量與年度之間互作效應(yīng)不顯著，故取兩年平均值比較處理之間的差異。

2 結(jié)果

2.1 地膜覆蓋方式及種植行距對(duì)土壤呼吸速率季節(jié)變化的影響

不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下土壤呼吸速率隨玉米生育進(jìn)程呈典型的單峰曲線，地膜覆蓋方式及行距對(duì)玉米全生育期平均土壤呼吸速率影響顯著（圖2）。從玉米生育期土壤呼吸速率動(dòng)態(tài)變化來(lái)看，玉米出苗至拔節(jié)期（5月5—20日）各處理土壤呼吸速率無(wú)顯著差異；拔節(jié)期至灌漿中期，全膜覆蓋等行距（FU：6.82 μmol·m-2·s-1）和全膜覆蓋寬窄行（FP：6.51 μmol·m-2·s-1）處理土壤呼吸速率顯著高于半膜覆蓋等行距（HU）和半膜覆蓋寬窄行（HP）處理。從玉米全生育期平均土壤呼吸速率來(lái)看，兩個(gè)全膜覆蓋處理顯著高于兩個(gè)半膜覆蓋處理；其中，全膜覆蓋等行距（FU）處理平均土壤呼吸速率為4.25 μmol·m-2·s-1，較兩個(gè)半膜覆蓋處理（HU和HP）分別高29.2%和39.3%；全膜覆蓋寬窄行（FP）處理平均土壤呼吸速率為4.06 μmol·m-2·s-1，分別較兩個(gè)半膜覆蓋處理（HU和HP）高23.4%和33.1%。綜合上述結(jié)果，地膜覆蓋方式及種植行距對(duì)玉米拔節(jié)期至灌漿中期土壤呼吸速率影響顯著，全膜覆蓋條件下玉米全生育期土壤呼吸速率顯著高于半膜覆蓋處理。

2.2 不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米不同生育時(shí)期土壤碳排放量

不同地膜覆蓋方式及種植行距對(duì)玉米不同生育時(shí)期土壤碳排放量影響顯著，且二者互作效應(yīng)顯著（=0.003）。圖3顯示，玉米苗期至大喇叭口期，全膜覆蓋等行距（FU）和全膜覆蓋寬窄行（FP）處理土壤碳排放量均顯著高于半膜覆蓋等行距（HU）和半膜覆蓋寬窄行（HP）處理。其中，苗期至拔節(jié)期，全膜覆蓋處理（FU和FP）玉米根呼吸碳排放量貢獻(xiàn)率分別為23.1%和26.2%，較兩個(gè)半膜覆蓋處理（HU和HP）高1.8—7.4個(gè)百分點(diǎn)，差異顯著。玉米大喇叭口期至成熟期，各處理土壤碳排放量依次為：FU＞FP＞HU＞HP，且處理間差異顯著。抽雄吐絲期至灌漿中期，各處理土壤碳排放量達(dá)到了全生育期最大值；其中，F(xiàn)U和FP處理土壤碳排放量分別達(dá)到1 486.7和1 386.5 kg C·hm-2，較對(duì)應(yīng)半膜覆蓋處理分別高32.8%和37.3%，且差異顯著。大喇叭口期至灌漿中期，全膜覆蓋處理玉米根呼吸碳排放量貢獻(xiàn)率均顯著高于半膜覆蓋處理；其中，大喇叭口期至抽雄吐絲期，各處理玉米根呼吸碳排放量貢獻(xiàn)率達(dá)到全生育期最高值，為68.7%—77.2%。綜上所述，相對(duì)于半膜覆蓋，無(wú)論采用等行距還是寬窄行種植，全膜覆蓋均顯著提高了玉米全生育期農(nóng)田土壤碳排放量，且玉米根呼吸碳排放量的貢獻(xiàn)率在18.8%—77.2%，平均為49.1%，不同生育時(shí)期處理間存在差異，最大值出現(xiàn)在玉米生長(zhǎng)較為旺盛的大喇叭口期至抽雄吐絲期。

左圖中圖上方的誤差線表示LSD值。右圖中不同小寫(xiě)字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。下同

圖3 不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米不同生育階段土壤碳排放量及玉米根呼吸貢獻(xiàn)率

2.3 不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米農(nóng)田碳排放效率

不同地膜覆蓋方式及種植行距對(duì)玉米碳排放效率影響顯著，且二者互作效應(yīng)顯著（表1）。從不同覆膜方式來(lái)看，全膜覆蓋玉米籽粒產(chǎn)量及碳排放總量均顯著高于半膜覆蓋，但后者碳排放效率達(dá)到2.50 kg·kg-1，較前者高24.4%，差異顯著。從種植行距來(lái)看，寬窄行種植玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于等行距種植模式，但前者碳排放總量卻顯著低于后者；寬窄行種植碳排放效率達(dá)到2.34 kg·kg-1，較等行距種植模式高10.4%，且差異顯著。就地膜覆蓋方式和行距組合來(lái)看，全膜覆蓋寬窄行籽粒產(chǎn)量達(dá)到14 070.3 kg·hm-2，顯著高于其他處理；而全膜覆蓋等行距模式碳排放總量達(dá)到7 068.9 kg·hm-2，顯著高于其他處理。各處理中，半膜覆蓋寬窄行碳排放效率最高，達(dá)到2.65 kg·kg-1，分別較全膜覆蓋等行距和全膜覆蓋寬窄行處理高37.3%和26.2%。由此看來(lái)，相對(duì)半膜覆蓋，全膜覆蓋處理獲得較高的籽粒產(chǎn)量的同時(shí)，其碳排放總量也相對(duì)較高。從碳排放效率的角度分析，半膜覆蓋寬窄行種植是建議在試區(qū)推廣應(yīng)用的種植模式。

表1 不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米碳排放效率

NS、*和**分別表示無(wú)顯著差異及在0.05 和0.01水平上差異顯著。同一列數(shù)字后的不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。下同

NS, *, **: Non-significant or significant at＜0.05 or＜0.01, respectively. Means followed by different letters within a column are significantly different at＜0.05. The same as below

2.4 玉米農(nóng)田碳平衡對(duì)地膜覆蓋方式及種植行距的響應(yīng)

為了進(jìn)一步量化分析玉米農(nóng)田碳平衡對(duì)地膜覆蓋及種植行距的響應(yīng)，本研究分別采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）和農(nóng)田固碳總量與碳排放總量的比值（NPP/CE）來(lái)表征玉米農(nóng)田碳平衡及碳匯強(qiáng)度。結(jié)果表明，不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下，玉米農(nóng)田均表現(xiàn)為大氣CO2碳的“匯”。地膜覆蓋方式及種植行距對(duì)玉米農(nóng)田NEP和NPP/CE影響顯著，且二者互作效應(yīng)顯著（表2）。就不同地膜覆蓋方式而言，半膜覆蓋條件下NEP達(dá)到7 193.8 kg C·hm-2，較全膜覆蓋高17.9%，差異顯著；全膜覆蓋條件下的NPP/CE達(dá)到2.37。就不同種植行距而言，寬窄行種植模式下NEP達(dá)到6 986.0 kg C·hm-2，較等行距種植模式高6.8%，差異顯著；寬窄行種植模式下的NPP/CE達(dá)到2.18。綜合分析地膜覆蓋方式與種植行距，半膜覆蓋寬窄行種植模式下NEP最高，達(dá)到7 446.2 kg C·hm-2，較其他3個(gè)處理高7.3%—31.2%，差異顯著；該模式下NPP/CE達(dá)到2.45。上述結(jié)果說(shuō)明，試區(qū)內(nèi)由不同地膜覆蓋方式和種植行距形成的4種玉米種植模式均表現(xiàn)為大氣CO2碳的“匯”，二者對(duì)土壤碳平衡影響顯著，半膜覆蓋寬窄行種植模式碳匯效應(yīng)最強(qiáng)，其主要原因是該模式下碳排放總量最低。

3 討論

3.1 地膜覆蓋方式和種植行距對(duì)農(nóng)田碳排放特征的影響

土壤呼吸速率受到氣候條件、植被類型和土壤狀況等諸多因子的影響[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在干旱內(nèi)陸氣候背景下，玉米農(nóng)田土壤呼吸速率季節(jié)變化呈現(xiàn)典型的單峰曲線，且峰值出現(xiàn)玉米生長(zhǎng)較為旺盛的大喇叭口期至抽雄吐絲期。這一研究結(jié)果與LIU等研究結(jié)果一致[21]。針對(duì)不同作物土壤呼吸速率影響因子的一些發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸速率的變異很大程度上決定于土壤溫度與水分條件[22-24]。耕作及覆蓋措施對(duì)土壤呼吸速率的影響在一定程度上是由于土壤水熱條件的差異所導(dǎo)致[25]。本研究發(fā)現(xiàn)全膜覆蓋條件下玉米全生育期土壤呼吸速率顯著高于半膜覆蓋處理。這主要?dú)w因于全膜覆蓋條件下土壤水熱條件優(yōu)于半膜覆蓋[26]。此外，有研究表明，土壤溫度直接影響微生物和植物呼吸酶的活性，從而影響土壤的呼吸速率[27]。因此，4種種植模式土壤呼吸碳排放存在差異的原因在一定程度上可歸因于地膜覆蓋方式及種植行距所導(dǎo)致土壤水熱條件的不同。

表2 不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力

土壤呼吸是有機(jī)體和植物地下部分產(chǎn)生CO2的過(guò)程，精確量化分析土壤呼吸組分是土壤碳循環(huán)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究沿用前人所采用的根去除法，分析了玉米不同生育階段，根呼吸碳排放量占土壤碳排放總量的比例。結(jié)果表明，玉米根呼吸碳排放量的貢獻(xiàn)率在18.8%—77.2%，平均為49.1%，最大值出現(xiàn)在玉米生長(zhǎng)較為旺盛的大喇叭口期至抽雄吐絲期。韓廣軒等[28]研究發(fā)現(xiàn)玉米根系呼吸碳排放作用占土壤碳排放的比例為43.1%—63.6%。張宇等[29]研究得出冬小麥不同耕作措施下根呼吸對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)率在15%—85%。張前兵等[30]研究認(rèn)為棉花滴灌條件下根系呼吸對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)率為36.4%—58.7%。LI等[31]則發(fā)現(xiàn)谷子根呼吸占土壤呼吸比例介于22.3%—86.6%之間。說(shuō)明作物根呼吸占土壤呼吸的比例因作物而已，相同作物在不同農(nóng)藝技術(shù)措施條件下也存在較大的不確定性。

3.2 農(nóng)田土壤碳平衡的評(píng)價(jià)方法

不同研究者采用不同方法對(duì)土壤碳排放量及碳平衡進(jìn)行了估算和研究。YU等[32]采用GSMSR模型對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸碳排放速率進(jìn)行了估算?？紤]到追求較高的籽粒產(chǎn)量是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控的關(guān)鍵目標(biāo)之一，一些研究者通過(guò)分析土壤碳排放效率（CEE）來(lái)評(píng)價(jià)不同種植模式的固碳效應(yīng)[13]。近年來(lái)，用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）作為評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤碳平衡的方法被一些研究者所采用[33]。本研究結(jié)果表明，在西北干旱內(nèi)陸氣候背景下，玉米采用全膜覆蓋方式在獲得較高籽粒產(chǎn)量的同時(shí)，其碳排放總量也相對(duì)較高，但其碳排放效率卻低于籽粒產(chǎn)量較低的半膜覆蓋處理。因此，為了進(jìn)一步分析地膜覆蓋方式和種植行距兩種農(nóng)藝技術(shù)措施的固碳效應(yīng)，本研究分別采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）和農(nóng)田固碳總量與碳排放總量的比值來(lái)表征玉米農(nóng)田平衡及碳匯強(qiáng)度。結(jié)果表明，4種玉米種植模式均表現(xiàn)為大氣CO2碳的“匯”，這一研究結(jié)果與李銀坤等在華北平原夏玉米上的研究結(jié)果一致[34]。本研究還發(fā)現(xiàn)半膜覆蓋寬窄行種植模式碳匯效應(yīng)最強(qiáng)，其主要是由于該模式下碳排放總量最低，這是由于半膜覆蓋土壤溫度較低，進(jìn)而使該模式土壤呼吸強(qiáng)度較低所致。

另外，采用NEP作為評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的指標(biāo)在一定程度上彌補(bǔ)了用CEE估算的不足。當(dāng)然，也有研究者指出采用模型評(píng)價(jià)作物系統(tǒng)碳平衡的優(yōu)點(diǎn)[35]。認(rèn)為土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化可以用于較長(zhǎng)時(shí)間尺度上土壤碳平衡評(píng)價(jià)。不同的評(píng)價(jià)方法中所涉及的指標(biāo)因作物種類、土壤生態(tài)環(huán)境等因子變化而敏感性有所不同。對(duì)于不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)而言，作物種類、生產(chǎn)技術(shù)措施差異較大，如何選擇適宜的土壤碳平衡量化分析方法有待進(jìn)一步深入探討。

4 結(jié)論

在干旱內(nèi)陸氣候背景下，玉米農(nóng)田土壤呼吸速率季節(jié)變化呈現(xiàn)典型的單峰曲線，且峰值出現(xiàn)玉米生長(zhǎng)較為旺盛的大喇叭口期至抽雄吐絲期。地膜覆蓋方式及種植行距對(duì)玉米農(nóng)田土壤碳排放量影響顯著，半膜較全膜覆蓋具有明顯碳減排效應(yīng)。半膜覆蓋寬窄行碳排放效率最高的，達(dá)到2.65 kg·kg-1，分別較全膜覆蓋等行距和全膜覆蓋寬窄行處理高37.3%和26.2%。玉米根呼吸碳排放量的貢獻(xiàn)率在18.8%—77.2%，平均為49.1%。玉米采用全膜覆蓋方式在獲得較高籽粒產(chǎn)量的同時(shí)，其碳排放總量也相對(duì)較高。4種玉米種植模式均表現(xiàn)為大氣CO2碳的“匯”，半膜覆蓋寬窄行種植模式碳匯效應(yīng)最強(qiáng)。

[1] SONG J, HUI Y, YU C, ZHANG Q, ZHOU Y, LI Y, LIU X, ZHU L, HUI D, WAN S. Carbon balance under four double-season cropping systems in North China Plain., 2017, 421(1/2): 319-336.

[2] 王丙文, 遲淑筠, 田慎重, 寧堂原, 韓惠芳, 趙紅香, 李增嘉. 不同玉米秸稈還田方式對(duì)冬小麥田土壤呼吸的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(5): 1374-1380.

WANG B W, CHI S Y, TIAN S Z, Ning T Y, HAI H F, ZHAO H X, LI Z J. Effect of different maize straw-returning modes on the soil respiration in a winter wheat field., 2013, 24(5): 1374-1380. (in Chinese)

[3] NEOGI S, BHATTACHARYYA P, ROY K S, PANDA B B, NAYAK A K, RAO K S, MANNA M C. Soil respiration, labile carbon pools, and enzyme activities as affected by tillage practices in a tropical rice-maize-cowpea cropping system., 2014, 186(7): 4223-4236.

[4] 張恒恒, 嚴(yán)昌榮, 張燕卿, 王健波, 何文清, 陳保青, 劉恩科. 北方旱區(qū)免耕對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳與碳平衡的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(4): 240-247.

ZHANG H H, YAN C R, ZHANG Y Q, WANG J B, HE W Q, CHEN B Q, LIU E K. Effect of no tillage on carbon sequestration and carbon balance in farming ecosystem in dryland area of northern China., 2015, 31(4): 240-247. (in Chinese)

[5] DING W, YU H, CAI Z, HAN F, XU Z. Responses of soil respiration to N fertilization in a loamy soil under maize cultivation., 2010, 155(3/4): 381-389.

[6] MORARU P I, RUSU T. Effect of tillage systems on soil moisture, soil temperature, soil respiration and production of wheat, maize and soybean crops., 2012, 10(2): 445-448.

[7] 王小彬, 王燕, 代快, 武雪萍, 趙全勝, 張丁辰, 馮宗會(huì), 蔡典雄. 旱地農(nóng)田不同耕作系統(tǒng)的能量/碳平衡. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(16): 4638-4652.

WANG X B, WANG Y, DAI K, WU X P, ZHAO Q S, ZHANG D C, FENG Z H, CAI D X. Coupled energy and carbon balance analysis under dryland tillage systems., 2011, 31(16): 4638-4652. (in Chinese)

[8] HUANG N, WANG L, GUO Y, HAO P, NIU Z. Modeling spatial patterns of soil respiration in maize fields from vegetation and soil property factors with the use of remote sensing and geographical information system., 2014. 9(8): 1-14.

[9] 楊毅, 黃玫, 劉洪升, 劉華杰. 土壤呼吸的溫度敏感性和適應(yīng)性研究進(jìn)展. 自然資源學(xué)報(bào), 2011, 26(10): 1811-1820.

YANG Y, HUANG M, LIU H S, LIU H J. The interrelation between temperature sensitivity and adaptability of soil respiration., 2011, 26(10): 1811-1820. (in Chinese)

[10] 黃晶, 李冬初, 劉淑軍, 劉宏斌, 王伯仁. 長(zhǎng)期施肥下紅壤旱地土壤CO2排放及碳平衡特征. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2012, 18(3): 602-610.

HUANG J, LI C D, LIU S J, LIU H B, WANG B R. Characteristics of soil CO2emission and carbon balance under long-term fertilization in red soil., 2012, 18(3): 602-610. (in Chinese)

[11] CHEN S, YAO H, ZOU J, SHEN Q, HU Z, QIN Y, CHEN H, PAN G. Modeling interannual variability of global soil respiration from climate and soil properties., 2010, 150(4): 590-605.

[12] 展小云, 于貴瑞, 鄭澤梅, 王秋鳳. 中國(guó)區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸碳排放及其空間格局—基于通量觀測(cè)的地學(xué)統(tǒng)計(jì)評(píng)估. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2012, 31(1): 97-108.

ZHAN X Y, YU G R, ZHENG Z M, WANG Q F. Carbon emission and spatial pattern of soil respiration of terrestrial ecosystems in china: based on geostatistic estimation of flux measurement., 2012, 31(1): 97-108. (in Chinese)

[13] QIN A Z, HUANG G B, CHAI Q, YU A Z, HUANG P. Grain yield and soil respiratory response to intercropping systems on arid land., 2013, 144(6): 1-10.

[14] YIN W, CHAI Q, GUO Y, FENG F X, ZHAO C, YU A Z, LIU C, FAN Z L, HU F H, CHEN G D. Reducing carbon emissions and enhancing crop productivity through strip intercropping with improved agricultural practices in an arid area., 2017, 166: 197-208.

[15] 胡發(fā)龍, 柴強(qiáng), 甘延太, 殷文, 趙財(cái), 馮福學(xué). 少免耕及秸稈還田小麥間作玉米的碳排放與水分利用特征. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49(1): 120-131.

HU F L, CHAI Q, GAN Y T, YIN W, ZHAO C, FENG F X. Characteristics of soil carbon emission and water utilization in wheat/maize intercropping with minimal/zero tillage and straw retention., 2016, 49(1): 120-131. (in Chinese)

[16] CHAI Q, QIN A Z, GAN Y T, YU A Z. Higher yield and lower carbon emission by intercropping maize with rape, pea, and wheat in arid irrigation areas., 2014, 34(2): 535-543.

[17] WOODWELL G M, WHITAKER R H, REINERS W A, LIKENS G E, DELWICH C C, BOTKIN D B. Biota and the world carbon budget., 1978, 199: 141-146.

[18] KUZYAKOV Y. Separating microbial respiration of exudates from root respiration in non-sterile soils: a comparison of four methods., 2002, 34(11): 1621-1631.

[19] FANG C, MONCRIEFF J B. The dependence of soil CO2efflux on temperature., 2001, 33(2): 155-165.

[20] 嚴(yán)俊霞, 李洪建, 尤龍鳳. 玉米農(nóng)田土壤呼吸與環(huán)境因子的關(guān)系研究. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2010, 24(3):183-189.

YAN J X, LI H J, YOU L F. Studies on soil respiration and its relation with environmental factors in a maize field in Taiyuan Basin., 2010, 24(3): 183-189. (in Chinese)

[21] LIU S B, CHAI Q, HUANG G B. Relationships among soil respiration, soil temperature and dry matter accumulation for wheat- maize intercropping in an arid environment., 2013, 93(4): 715-724.

[22] 涂純, 王俊, 劉文兆. 不同覆蓋條件下旱作農(nóng)田土壤呼吸及其影響因素. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2012, 18(5): 1103-1110.

TU C, WANG J, LIU W Z. Variation in soil respiration and its driving factors in rainfed winter wheat fields with different mulching measures., 2012, 18(5): 1103-1110. (in Chinese)

[23] 張丁辰, 蔡典雄, 代快, 馮宗會(huì), 張曉明, 王小彬. 旱作農(nóng)田不同耕作土壤呼吸及其對(duì)水熱因子的響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(6): 1916-1925.

ZHANG D C, CAI D X, DAI K, FENG Z H, ZHANG X M, WANG X B. Soil respiration and its responses to soil moisture and temperature under different tillage systems in dryland maize fields., 2013, 33(6): 1916-1925. (in Chinese)

[24] 劉爽, 嚴(yán)昌榮, 何文清, 劉勤. 不同耕作措施下旱地農(nóng)田土壤呼吸及其影響因素. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(11): 2919-2924.

LIU S, YAN C R, HE W Q, LIU Q. Soil respiration and its affected factors under different tillage systems in dryland production systems., 2010, 30(11): 2919-2924. (in Chinese)

[25] 于愛(ài)忠, 黃高寶, 柴強(qiáng). 不同耕作措施對(duì)西北綠洲灌區(qū)冬小麥農(nóng)田土壤呼吸的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 21(1): 237-278.

YU A Z, HUANG G B, CHAI Q. Effect of different tillage treatments on soil respiration on winter-wheat farmland in oasis irrigated area Northwest China., 2012, 21(1): 237-278. (in Chinese)

[26] 劉春芬, 劉文兆, 林文, 韓曉陽(yáng), 李超. 黃土塬區(qū)不同地膜覆蓋度下土壤水熱狀況研究. 水土保持研究, 2017, 24(6): 62-67.

LIU C F, LIU W Z, LIN W, HAN X Y, LI C. Soil hydrothermal status under different degrees of film mulching coverage on the Loess Tableland., 2017, 24(6): 62-67. (in Chinese)

[27] LIU Y, HE N P, WEN X F, XU L, SUN X M, YU G R, LIANG L Y, SCHIPPER L A. The optimum temperature of soil microbial respiration: Patterns and controls., 2018, 121: 35-42.

[28] 韓廣軒, 周廣勝, 許振柱, 楊揚(yáng), 劉景利, 史奎橋. 玉米農(nóng)田土壤呼吸作用的空間異質(zhì)性及其根系呼吸作用的貢獻(xiàn). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(7): 5254-5261.

HAN G X, ZHOU G S, XU Z Z, YANG Y, LIU J L, SHI K Q. Spatial heterogeneity of soil respiration and contribution of root respiration in a maize agricultural field., 2007, 27(7): 5254-5261. (in Chinese)

[29] 張宇, 張海林, 陳繼康, 陳阜. 耕作方式對(duì)冬小麥田土壤呼吸及各組分貢獻(xiàn)的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(9): 3354-3360.

ZHANG Y, ZHANG H L, CHEN J K, CHEN F. Tillage effects on soil respiration and contributions of its components in winter wheat field., 2009, 42(9): 3354-3360. (in Chinese)

[30] 張前兵, 楊玲, 王進(jìn), 羅宏海, 張亞黎, 張旺鋒. 干旱區(qū)不同灌溉方式及施肥措施對(duì)棉田土壤呼吸及各組分貢獻(xiàn)的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45(12): 2420-2430.

ZHANG Q B, YANG L, WANG J, LUO H H, ZHANG Y L, ZHANG W F. Effects of different irrigation methods and fertilization measures on soil respiration and its component contributions in cotton field in arid region., 2012, 45(12): 2420-2430. (in Chinese)

[31] LI X, FU H, GUO D, LI X, WAN C. Partitioning soil respiration and assessing the carbon balance in a(L.) Beauv. Cropland on the Loess Plateau, Northern China., 2010, 42(2): 337-346.

[32] YU G R, ZHENG Z M, WANG Q F, FU Y L, ZHUANG J, SUN X M, WANG Y S. Spatiotemporal pattern of soil respiration of terrestrial ecosystems in China: The development of a geostatistical model and its simulation., 2010, 44(16): 6074-6080.

[33] LUO Q, GONG J, YANG L, LI X, PAN Y, LIU M, ZHAI Z. Impacts of nitrogen addition on the carbon balance in a temperate semiarid grassland ecosystem., 2017, 53(8): 911-927.

[34] 李銀坤, 陳敏鵬, 夏旭, 梅旭榮, 李昊儒, 郝衛(wèi)平. 不同氮水平下夏玉米農(nóng)田土壤呼吸動(dòng)態(tài)變化及碳平衡研究. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013, 22(1): 18-24.

LI Y K, CHEN M P, XIA X, MEI X R, LI H R, HAO W P. Dynamics of soil respiration and carbon balance of summer-maize field under different nitrogen addition., 2013, 22(1): 18-24. (in Chinese)

[35] WATTENBACH M, SUS O, VUICHARD N, LEHUGER S, GOTTSCHALK P, LI L, LEIP A, WILLIAMS M, TOMELLERI E, KUTSCH W L, BUCHMANN N, EUGSTER W, DIETIKER D, AUBINET M, CESCHIA E, BEZIAT P, GRUENWALD T, HASTINGS A, OSBORNE B, CIAIS P, CELLIER P, SMITH P. The carbon balance of European croplands: A cross-site comparison of simulation models., 2010, 139(3): 419-453.

（責(zé)任編輯 李云霞）

Responses of Soil Carbon Emission and Carbon Balance of Maize Field to Plastic Film Mulching Pattern and Row Space

YU AiZhong, CHAI Qiang, YIN Wen, HU FaLong, FAN ZhiLong, ZHAO Cai

(College of Agronomy, Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Arid Land Crop Science in Gansu Province, Lanzhou 730070)

【Objective】Field experiment was carried out to analyze and evaluate the effects of plastic film mulching pattern and row space on soil carbon emission and carbon balance of maize field in arid inland river irrigated area. The experimental results provided a reference for evaluating ecological effect of typical cropping systems and its key cultivating techniques in this area.【Method】Full-film mulching with uniform row (50 cm), full-film mulching with paired row (80 cm+40 cm), half-film mulching with uniform row (50 cm), half-film mulching with paired row (80 cm+40 cm) were layout in the year of 2013 and 2014. Dynamics of soil respiration rate and CO2-C emission during maize growth stage were to be measured by using portable Li-8100A (LI-COR). Carbon emission efficiency (CEE) and net ecology productivity (NEP) were used as indexes to estimate carbon sequestration intensity.【Result】Soil respiration rate was significantly affected by different film mulching pattern and row space, and it showed a single peak curve during the entire growth stage of maize. Full-film mulching treatments increased soil CO2emission significantly, compared with half-film mulching treatments. The contribution rate of root CO2-C emission to soil total CO2-C emission varied from 18.8% to 77.2% between different film mulching pattern and row space treatments and its average was 49.1%. Half-film mulching with paired row space showed the highest CEE among the four cropping patterns, up to 2.64 kg·kg-1, which was 37.3% and 26.2% higher than that of full-film mulching with uniform row space and paired row space cropping pattern, respectively. Half-film mulching with paired row space showed the highest NEP in four cropping patterns, up to 7 446.2 kg C·hm-2, which was significantly higher than that of other three cropping patterns.【Conclusion】Soil CO2emission of maize cropland was affected significantly by different film mulching patterns and row spaces, and the four main maize crop systems were sinks of atmospheric CO2in arid inland river irrigation area. Half-film mulching with paired row space showed the lowest carbon emission and the highest carbon sequestration intensity.

maize; soil respiration; carbon emission efficiency; carbon balance

2018-03-17；

2018-08-01

國(guó)家自然科學(xué)基金（31401350）、國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-22-G-12）、農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201503125-3）

于愛(ài)忠，E-mail：yuaizh@gsau.edu.cn。通信作者柴強(qiáng)，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn