長期保護性耕作對農(nóng)田土壤水分和呼吸的影響

，， ，，士權(quán)，

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室， 吉林 長春 130102；2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049;3.農(nóng)安縣巴吉壘鎮(zhèn)農(nóng)機技術(shù)推廣站,吉林 農(nóng)安 130200)

0 引 言

全球陸地土壤是一個巨大的碳庫(約存儲1 500 Pg有機碳)[1-2]。作為土壤碳庫的主要輸出途徑和大氣CO2的重要來源[3-4]，土壤呼吸通過自養(yǎng)和異養(yǎng)呼吸每年向大氣釋放50～80.4 Pg(1015g)碳，為化石燃料的燃燒年輸入大氣CO2量的11倍[5],所以土壤碳庫的細微變化都可能引起大氣中CO2濃度的劇烈變化[6]。

農(nóng)田是受人為干擾最為嚴(yán)重的陸地生態(tài)系統(tǒng)，其對大氣溫室氣體(CO2)積累貢獻是人類活動釋放量的1/4[7]，不合理的農(nóng)田措施使土壤結(jié)構(gòu)改變，土壤侵蝕加劇，土壤有機質(zhì)含量降低[8-9]，因此對土壤碳存儲量和其循環(huán)的周期產(chǎn)生巨大影響[10]。但農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)也是最有希望通過良好的耕作管理措施實現(xiàn)碳固定的陸地生態(tài)系統(tǒng)[11]。保護性耕作(減少土壤擾動、秸稈還田和輪作)是備受國際關(guān)注的既能滿足人類需求又對環(huán)境影響最小的農(nóng)業(yè)管理措施[12-13]。但是有關(guān)保護性耕作(免耕)對土壤呼吸的影響，目前還存在著爭議。有研究認(rèn)為，免耕由于作物殘渣覆蓋在地表，使得作物殘渣與土壤接觸減少，因此分解較慢，并使得土壤向大氣排放CO2減少，土壤CO2排放量降低[14]。但是也有研究認(rèn)為，免耕保持了表層土壤較高的有機碳含量和水分從而有助于微生物分解活動，相比翻耕有等量或者更大的CO2排放量[15]。這些不同的研究結(jié)果與耕作實施年限、作物種植模式以及土壤呼吸監(jiān)測的時間長短等密切相關(guān)[16]。那么長期保護性耕作措施(包括種植模式)下農(nóng)田土壤呼吸的變化研究，將有利于深入理解保護性耕作對土壤碳循環(huán)過程的影響，對提高農(nóng)田土壤有機碳含量和穩(wěn)定土壤碳庫有意義。因此,本研究通過對比免耕與秋翻在輪作與連作兩種不同種植模式下的土壤呼吸以及其影響因素，探討耕作方式對東北黑土土壤呼吸和土壤水分影響，以期為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機理研究與過程提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土農(nóng)業(yè)試驗示范基地-吉林省德惠市米沙子鄉(xiāng)(44°12′N，125°33′E)，初建于2001年9月。該地區(qū)的氣候是中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫在4.4 ℃左右，年降水量約為520 mm，且主要集中于6-8月。試驗區(qū)的土壤類型是中層典型黑土，壤質(zhì)粘土，表層0～20 cm土壤的pH值在6.5左右，呈現(xiàn)出中性或者微酸性(表1)。小區(qū)試驗實施之前是傳統(tǒng)耕作方式，以玉米連作為主。

表1 試驗前研究區(qū)土壤理化性質(zhì)(2001年)Table 1 Soil physicochemical properties in the study area before the experiment in 2001(mean±SE)

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=4。

Note:Average value ±SE,n=4.

1.2 試驗設(shè)計

試驗小區(qū)采用了單因素裂區(qū)、4個重復(fù)的隨機區(qū)組設(shè)計。單因素是耕作方式，其中包括免耕和秋翻。主要處理裂分為兩種耕作模式，分別是玉米連作和玉米-大豆輪作(每年均有種植玉米和大豆的小區(qū))。每個小區(qū)的面積是5.2 m×20 m=104 m2。本研究選取的耕作處理包括免耕輪作(NTCR)、免耕連作(NTCC)、秋翻輪作(MPCR)和秋翻連作(MPCC)，所有輪作處理監(jiān)測當(dāng)季種植的作物均為玉米。免耕處理，采用聯(lián)合作業(yè)牽引免耕播種機(KINZE3000)播種，收獲后到播種前不擾動土壤，作物殘留物覆蓋地表，應(yīng)用廣譜性除草劑于播種前、播種后對土壤進行處理及苗期噴灑。秋翻處理，作物殘留物秋翻時被翻于地表之下，人工除草和中耕起壟。所有處理的氮肥(底肥和追肥)施入量為150 kg·hm-2，磷肥(P)和鉀肥(K)只在播種時作為底肥施入，施用量分別為45.5 kg·hm-2和80 kg·hm-2。

1.3 測定方法

播種之后，每個測試小區(qū)選取靠近中間的無苗區(qū)，其中每個無苗區(qū)的中間位置放置一個直徑20 cm，高10 cm的PVC環(huán)，PVC環(huán)垂直插入土壤中約3～5 cm，為防止測量中漏氣，需將PVC外圍土壤輕輕壓實。為減少土壤擾動對實驗測量結(jié)果的影響，PVC環(huán)需在測量前一天插入。測量儀器使用的是全自動土壤碳通量測量系統(tǒng)Li-Cor8100(Li-Cor，Lincoln,NE)。在能代表CO2釋放速率平均值的時間段(9:00-11:00)進行測量，因為測量時間有限，每個處理只能選擇3個區(qū)組重復(fù)。2011-2016年的6年生長季中約15 d測定一次土壤呼吸速率，同時測量每個PVC環(huán)附近的土壤溫度與水分含量，用Li-Cor-8100溫度探頭和針式溫度計測量10 cm深度土壤溫度，用Li-Cor-8100水分探頭測定22 cm土壤含水量。

1.4 全年土壤CO2排放通量估算

每個耕作方式的全年土壤CO2排放通量估算是計算兩個采樣時間段的平均土壤CO2釋放速率得到，且計算平均CO2釋放速率以及不同采樣日期間隔時間的總值(也就是合成)[17]，具體計算方法見公式(1)：

(1)

式中:TSR表示測量季節(jié)總的土壤CO2排放通量；n表示全年土壤CO2釋放測量次數(shù)；SRmk、SRmk+1表示在tk和tk+1時間內(nèi)土壤CO2釋放速率平均值；Δtk=tk+1-tk，表示每個測量的間隔天數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

由于冬季耕作處理間土壤呼吸差異較小，本研究以生產(chǎn)季節(jié)的土壤呼吸為主，全年的土壤呼吸數(shù)據(jù)只用來計算土壤CO2年釋放量。所有數(shù)據(jù)經(jīng)過Microsoft Excel和Rstudio[18]處理，使用箱線圖法對土壤呼吸速率、土壤水分進行單變量異常值檢驗，使用mice包進行缺失數(shù)據(jù)的多重插補。利用單因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比較中的TukeyHSD檢驗方法比較不同時間和耕作方式下土壤呼吸速率、土壤水分的季節(jié)差異；利用多因素方差分析(MANOVA)比較耕作方式和種植模式的影響；利用nls2包進行多元非線性回歸，建立土壤呼吸速率與土壤溫度和水分含量的統(tǒng)計模型。土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤含水量的復(fù)合模型為：

log(R)=α+β×tlog(W)

(2)

式中：R為土壤呼吸速率，單位為umol·m-2·s-1；t為土壤溫度,單位為℃；w為土壤含水量，單位為%；α、β為相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸速率

2.1.1 耕作方式對土壤呼吸的影響。土壤呼吸速率表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，與土壤溫度變化規(guī)律相同，隨時間的推進呈先上升后下降的趨勢，土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在7月份(3.82 umol·m-2·s-1)，土壤呼吸速率最小值出現(xiàn)在10月份(1.09 umol·m-2·s-1)(圖1)。

玉米連作條件下，在2011-2016年內(nèi)秋翻5-7月份土壤呼吸速率比免耕高(P<0.05,圖1)，且分別高出20.9%、14.8%和6.7%。在7-10月份，秋翻土壤呼吸速率與免耕無顯著性差異(圖1)。在玉米大豆輪作的條件下，整個生長季節(jié)內(nèi)秋翻與免耕處理的土壤呼吸速率無顯著性差異(圖1，表2)。

圖1 2011-2016年玉米免耕連作和輪作下土壤呼吸速率Fig.1 Soil respiration rate under corn monoculture and corn-maize rotation from 2011 to 2016

表2 耕作方式和種植模式對土壤呼吸和含水量影響的方差分析Table 2 The ANOVA of soil respiration rate and soil water content under different tillage and planting treatment

注：表中＊代表各處理之間的顯著差異(*：P<0.05；**：P<0.01；***：P<0.001)。

Note:* indicates significant difference between treatments(*：P<0.05；**：P<0.01；***：P<0.001).

2.1.2 種植模式對土壤呼吸的影響。無論是在秋翻還是免耕處理下，輪作7月和8月的土壤呼吸速率均小于連作，但是差異不顯著(圖1)。值得注意的是5月份輪作的呼吸速率比連作高，且免耕處理下顯著高出30.2%(P<0.05,圖1)。

2.2 土壤CO2年釋放量

土壤CO2年釋放量存在年際變化，但是差異不顯著；耕作處理間土壤CO2年釋放量也無明顯差異(表3)。作物種植模式影響土壤CO2年釋放量，無論秋翻還是免耕下輪作6年平均值均高于連作(除2012年)，但無顯著性差異，其中秋翻高出3.4%，免耕高出5.9%(表3)。

2.3 土壤水分

免耕連作處理土壤含水量的季節(jié)性變幅較其它處理小。耕作處理對土壤含水量的影響因種植模式而異(圖2)。連作下免耕增加土壤含水量，生長季節(jié)平均比秋翻增加14.6%，其中5月、6月和10月份差異顯著(P>0.05)；輪作下免耕的含水量較秋翻高(除5月份)，但是差異不顯著(圖2)。秋翻處理下輪作的土壤含水量較連作高，但是差異未達到顯著水平。

表3 不同耕作方式下土壤年CO2釋放量Table 3 Annual soil CO2 emissions under corn monoculture and corn-maize rotation

注：不同字母代表同年內(nèi)耕作處理間在0.05水平上差異顯著。

Note：Different small letters indicate the significant differences among tillage treatments at 0.05 level.

圖2 玉米免耕連作和輪作下土壤水分Fig.2 Soil water content under corn monoculture and corn-maize rotation

2.4 土壤呼吸速率與水分和溫度的關(guān)系

土壤溫度、土壤含水量與土壤呼吸速率混合模型log(R)=-0.503 483+0.020 774×tlog(w)能更好地反應(yīng)其變化規(guī)律，解釋土壤呼吸速率變異的52.4%(P<0.001)。三者的相關(guān)分析表明，土壤呼吸與土壤溫度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。但土壤呼吸與土壤水分關(guān)系并未達到顯著水平(圖3)。

圖3 土壤水分和溫度與土壤呼吸速率的關(guān)系Fig 3 The relationship between soil temperature and water content and soil respiration

3 討 論

土壤水分是作物生長的必要因子[19]。在生長季節(jié)內(nèi)免耕能夠增加表層和深層的土壤含水量及土壤水分利用效率[20]。我們的結(jié)果也表明免耕連作能夠增加表層的土壤含水量(圖2)，這主要是因為覆蓋在土壤表層的秸稈能夠通過增加入滲率和減少徑流及蒸發(fā)起到緩沖作用[21-24]。例如在本試驗地上免耕較秋翻表現(xiàn)出更高的土壤入滲速率[25]。其次秸稈覆蓋通過影響大孔隙和團聚體間接地增加土壤吸水性[26]。免耕有利于一些大孔隙(如死亡的根系通道、蚯蚓洞穴)的形成，本試驗地內(nèi)免耕處理下表層(0～5 cm)>100 μm的孔隙比秋翻高出 9.8%[27]。同時免耕處理的秸稈覆蓋還有利于增加土壤團聚體形成和保護土壤表面[28-29]，研究表明免耕顯著地增加了表層(0～5 cm )>1 mm的土壤團聚體，我們推斷在本試驗區(qū)內(nèi)免耕處理的土壤吸水性高于秋翻，這也是其土壤含水量增加的原因。因此，免耕(秸稈覆蓋在土壤表面)可以通過對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過程的影響來提高植物可獲得的水分含量[24]。

土壤呼吸是土壤碳庫的重要輸出途徑以及大氣 CO2的重要來源，也是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的重要組成部分之一[2,30-31]。以往的研究表明耕作方式改變會增加或減少土壤呼吸速率[15,32-35]，也有研究表明秋翻和免耕處理的土壤呼吸釋放速率無顯著差異[36-37]。通過分析發(fā)現(xiàn)有以下幾方面的原因：首先，土壤擾動是主要原因之一，土壤耕作后立即測定土壤呼吸速率時常規(guī)耕作處理較免耕高[33-35,38-40]，尤其是常規(guī)耕作處理將秸稈翻入土壤時(與無翻動相比較)[41]。因為翻耕不僅使土壤疏松增加空氣傳導(dǎo)系數(shù)[38,40]，且土壤通氣性增加通常會引起短期的激發(fā)效應(yīng)，即土壤碳礦化加劇[42]。這就解釋了為什么秋翻處理5～7月的土壤呼吸速率較免耕高(圖1)。另外，土壤擾動通常會破壞土壤團聚體結(jié)構(gòu)，而由于缺少土壤團聚體的保護作用會加速土壤有機質(zhì)的分解[43]。

其次，耕作對土壤物理性質(zhì)的影響也是引起免耕和秋翻處理間土壤呼吸速率存在差異的原因。當(dāng)土壤容重從 1.1 g·cm-3升高到1.3 g·cm-3和1.5 g·cm-3時平均土壤呼吸速率(CO2釋放量)降低27%和37%[44]，因為容重增加會降低相對氣體擴散率[45]，也會使土壤呼吸速率(CO2釋放量)降低[46]。在本研究試驗區(qū)內(nèi)免耕使5～10 cm和10～20 cm的土壤容重顯著地增加了11%和6%[47]，這將會減少免耕土壤呼吸釋放速率。

再次，秸稈還田方式的差異也是引起耕作處理間的土壤呼吸速率存在差異的原因。土壤呼吸受土壤碳輸入量及土壤有機碳分解過程的調(diào)控。我們以往的研究表明耕作處理間的秸稈還田量(玉米產(chǎn)量換算結(jié)果)無顯著性差異[48]，但是實際上免耕處理的碳輸入量比秋翻處理低(覆蓋在土壤表面的秸稈會被風(fēng)吹走一些)。當(dāng)考慮秸稈的影響時，耕作處理的影響會被弱化，例如秸稈埋入土壤的CO2釋放速率是無秸稈還田的2.3倍[41]，并且免耕處理的秸稈分解速率要低于翻入土壤的秸稈分解速率[49]。因此，免耕處理的秸稈還田量相對較少及較慢的分解速率使得其土壤呼吸速率較秋翻處理低。

最后，耕作處理間土壤微生物的差異。土壤微生物參與的土壤有機碳和秸稈分解是土壤呼吸的主要組成部分。翻耕和秸稈覆蓋在土壤表面會導(dǎo)致耕作處理間土壤微生物生物量的差異。(1)秋翻增加生長季節(jié)內(nèi)的土壤溫度(未發(fā)表數(shù)據(jù))，秋翻處理后土壤通氣性的增加能夠增加土壤微生物活性進而增加CO2的量[50]； (2)免耕下秸稈覆蓋在土壤表面可增加土壤微生物所需的有效底物，致使表層土壤具有更高的土壤微生物生物量[51]，這些微生物會產(chǎn)生更多的CO2，例如免耕處理的土壤微生物呼吸比秋翻處理高8.8%[52]；(3)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化被認(rèn)為會引起更高的土壤呼吸[53]，在我們的試驗區(qū)上長期保護性耕作改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)(真菌和細菌比值)[51]。因此，秋翻處理下因翻耕引起的CO2增加量與免耕處理下因秸稈覆蓋而增加的CO2相互抵消，從而使得耕作處理間的土壤CO2年釋放量無顯著差異。

土壤呼吸主要由土壤有機質(zhì)分解的異養(yǎng)呼吸和植物根系的自養(yǎng)呼吸組成，前茬作物的秸稈性質(zhì)(碳氮比)和秸稈還田數(shù)量也是影響土壤呼吸的原因。輪作條件下的前茬作物是大豆，其秸稈比玉米秸稈更易分解[54]，并且大豆秸稈含氮量高在早期的分解過程中有利于土壤微生物的生長繁殖，在秸稈分解前期釋放更多CO2[55]，但是在分解后期可利用物質(zhì)減少，不利于保持較高的土壤微生物活性[56]。這可能是輪作下夏季(7月、8月)土壤呼吸速率比連作低，而春季略高于連作的原因。另外，秸稈還田的數(shù)量也是影響土壤呼吸速率原因。免耕和秋翻玉米連作下的秸稈還田量約為5.7 MgC·hm-2和5.9 MgC·hm-2，而輪作下的大豆分別為2.7 MgC·hm-2和2.8 MgC·hm-2(根據(jù)作物產(chǎn)量換算，玉米和大豆的籽粒與秸稈比值為1∶1.2和1∶1.6)，也就是說連作下的秸稈還田量是輪作下的近2倍。如果只是考慮土壤微生物對秸稈的分解作用，大豆秸稈還田處理的土壤微生物呼吸速率是玉米秸稈還田的2倍左右[55]，這就能合理地解釋為什么我們的研究中連作與輪作下的土壤呼吸速率無明顯差異(圖1)。綜上，相較于耕作方式的影響，作物種植模式對土壤呼吸速率的影響較小。

4 結(jié) 論

6年的保護性耕作長期野外監(jiān)測結(jié)果表明：玉米連作條件下，秋翻顯著增加作物生長前半期的土壤呼吸速率；在玉米大豆輪作的條件下，不同耕作處理間土壤呼吸速率無顯著性差異。作物種植模式對土壤呼吸速率的影響主要體現(xiàn)在7月和8月，輪作的土壤呼吸速率小于連作。土壤CO2年釋放量年際變化和耕作處理間無顯著差異，輪作土壤CO2年釋放量比連作略高。耕作處理對土壤水分含量影響因種植模式而異，免耕連作增加土壤含水量。從土壤碳釋放的角度出發(fā)，玉米免耕連作減少作物生長前半期的土壤呼吸速率，并且增加土壤水分含量是有利于農(nóng)田土壤有機碳固定的耕作措施。