黃土區(qū)梯田不同覆膜條件下土壤的呼吸特征

陳愛華, 馬 濤, 董彥麗, 李澤霞, 呂文強(qiáng)

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所, 甘肅 蘭州 730020)

土壤呼吸是碳循環(huán)過程的一個(gè)重要組分，每年全球土壤呼吸碳釋放約98±12 Pg碳進(jìn)入大氣層[1]，約占每年大氣中CO2輸入的10%[2]，其量值遠(yuǎn)大于化石燃燒的碳排放量，占生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力的49%～55%[3]，成為陸地生態(tài)系統(tǒng)的第二大碳通量組分，能解釋整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)呼吸的70%左右[4]。所以，土壤呼吸在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中有著十分重要的地位。

在梯田區(qū)域內(nèi)廣泛采用薄膜覆蓋是一項(xiàng)有效的旱作增產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)于1987年正式由日本引入我國，在20世紀(jì)80年代推廣以來，普及較快，目前中國已經(jīng)成為世界上地膜覆蓋栽培作物面積最大的國家[5]。覆膜管理方式有效抑制了蒸發(fā)，使總蒸發(fā)量大幅度下降，保證了耕層土壤有較高的含水量，增加了耕層的土壤溫度，從而到達(dá)增產(chǎn)的效果。覆膜等農(nóng)業(yè)管理措施通過改變土壤水分、養(yǎng)分狀況以及改變土壤碳排放過程，進(jìn)而影響土壤碳平衡，土壤養(yǎng)分及其循環(huán)有著極為重要的影響。以往的研究者對玉米膜覆蓋栽培方式進(jìn)行的大量研究主要集中在增溫、保水、增產(chǎn)和提高水分利用效率方面[6-7]。還有一些學(xué)者對露地栽培玉米的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的凈碳交換和土壤呼吸研究[8-10]，但對不同覆膜條件下春玉米田碳循環(huán)的觀測較少，從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量角度來探討覆膜栽培方式對作物生物量和產(chǎn)量影響的研究目前同樣尚淺。因此，本研究以黃土區(qū)梯田為研究對象，選擇甘肅省隴西縣為研究區(qū)，通過野外定位監(jiān)測，通過研究不同覆膜情況下梯田土壤理化性質(zhì)的分布特征和土壤呼吸速率的特征，分析黃土區(qū)梯田不同覆膜處理對玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響機(jī)制，探尋土壤碳循環(huán)的合理農(nóng)業(yè)覆膜措施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇甘肅省定西市隴西縣云田鎮(zhèn)梯田(2010年修建)為研究對象。該區(qū)地處東經(jīng)107°15′—107°23′E，北緯35°21′—35°27′N，海拔1 028～1 374 m，相對高差346 m，屬溫帶半濕潤氣候，日照充足，夏季炎熱，冬季微寒。據(jù)隴西氣象站1981—2010年系列數(shù)據(jù)，研究區(qū)年均氣溫8.2 ℃，年均降水量414.8 mm，最大24 h降水量54.8 mm，年蒸發(fā)量1 562.8 mm，年均風(fēng)速1.5 m/s，無霜期161.8 d，最大凍土深98 cm。植物資源比較豐富，區(qū)域內(nèi)主要草本植物有冰草、豬毛菜、車前草等，人工種植作物主要有小麥、玉米、苜蓿、洋芋、中藥材等，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無灌溉措施，為典型的旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，梯田土壤類型為黃綿土和黑壚土。

1.2 試驗(yàn)樣地概況

試驗(yàn)樣地(裸地)0—60 m土層中，土壤有機(jī)質(zhì)含量6.33～13.10 g/kg，速效鉀含量70.20～209.20 mg/kg，速效磷2.77～17.46 mg/kg，堿解氮6.89～17.48 mg/kg。土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、堿解氮含量均隨土層深度增加而減少。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)研究黃土區(qū)梯田不同覆膜方式對土壤呼吸速率的影響，試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，設(shè)置裸地(對照，不覆膜)，覆白膜地和覆黑膜地。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積10 m×15 m，每塊田地的挖方段、中間段、填方段3個(gè)部位為3個(gè)小區(qū)，3塊田地共計(jì)9個(gè)小區(qū)，玉米種植行距55 cm，株距40 cm。試驗(yàn)于2019年3月18日平耙地采用機(jī)械平地覆膜，4月1日人工點(diǎn)種玉米，10月20日收獲。玉米生育期的水分供給依賴自然降雨，全生育期內(nèi)不進(jìn)行灌溉。玉米播種時(shí)施底肥有機(jī)肥7.5×104kg/hm2，尿素225 kg/hm2，磷酸二胺225 kg/hm2。在覆膜前15 d左右，將農(nóng)家肥、化肥混合均勻地面撒施，再進(jìn)行1次深耕翻地，耕后及時(shí)耙耱保墑。試驗(yàn)不在施肥期進(jìn)行。

1.3.2 試驗(yàn)方法

(1) 試驗(yàn)方法。本試驗(yàn)于2019年在甘肅省定西市隴西縣石家門村進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)計(jì)在3塊田地的每個(gè)小區(qū)分別布設(shè)2個(gè)測量環(huán)進(jìn)行土壤呼吸速率測定，9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)共計(jì)18個(gè)測量環(huán)(圖1)。在試驗(yàn)測定前24 h將直徑200 mm，高100 mm的PVC土壤呼吸速率測量環(huán)于打入玉米植株之間的空地中，深度約30—40 mm，盡量避免由于安置測量環(huán)對土壤擾動造成的短期內(nèi)呼吸速率的波動；測量環(huán)嵌入土壤后，將環(huán)內(nèi)地表植被自土壤表層剪除干凈，盡量做到不破壞土壤，以減少土壤擾動對測定結(jié)果的影響。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)及測量環(huán)布設(shè)示意圖

(2) 土壤呼吸速率的測定。土壤呼吸速率采用LI-8100土壤碳通量自動測量系統(tǒng)測定，該設(shè)備由美國LI-COR公司生產(chǎn)，北京力高泰科技有限公司提供。

本試驗(yàn)土壤呼吸速率測定時(shí)間為2019年的3，5，7，9和11月，每個(gè)測定周期為10 h，早上8：00開始，下午18：00結(jié)束，每2 h測定1次，共計(jì)6次。每個(gè)測量環(huán)測量3次，取平均值計(jì)為測量時(shí)間點(diǎn)的土壤呼吸速率。測定土壤呼吸速率的同時(shí)，LI-8100自帶的溫度探針和土壤水分探頭可同步測定觀測點(diǎn)附近5 cm土壤溫度，利用氣溫計(jì)同步觀測記錄大氣溫度和地表溫度。

(3) 土壤水分的測定。土壤水分測定采用烘干法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

采集土樣采用Excel和SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析并繪圖。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)中最小顯著差異法(LSD)分析不同覆膜方式對土壤呼吸速率的影響，顯著性差異水平取p<0.05。回歸方程檢驗(yàn)土壤呼吸速率與溫度間單因素和雙因素的擬合程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜條件土壤呼吸日變化特征

由圖2可知，不同月份不同覆膜條件玉米地的土壤呼吸速率日變化特征都呈單峰曲線變化趨勢，且土壤呼吸速率最高值基本都出現(xiàn)在12：00—14：00之間。不同的覆膜方式中，覆蓋黑膜玉米地的土壤呼吸速率日平均值最高。由表1可看出，不同月份覆蓋黑膜的玉米地土壤呼吸速率日均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于覆白膜玉米地和裸地，3個(gè)不同覆膜處理玉米地的平均日均值大小表現(xiàn)為：黑膜地〔4.01 μmol/(m2·s)〕>白膜地〔2.99 μmol/(m2·s)〕>裸地〔1.32 μmol/(m2·s)〕，黑膜地平均日均值高于白膜34.11%，高于裸地204.79%。經(jīng)方差分析全年土壤呼吸速率平均值可知，白膜玉米地、黑膜玉米地及裸地的土壤呼吸速率兩兩之間差異顯著(p<0.05)。經(jīng)多重比較分析可知，3月白膜玉米地、黑膜玉米地及裸地的土壤呼吸速率兩兩之間差異顯著(p<0.05)；5月白膜玉米地、黑膜玉米地及裸地的土壤呼吸速率兩兩之間差異顯著(p<0.05)；7月白膜玉米地、黑膜玉米地及裸地的土壤呼吸速率兩兩之間差異顯著(p<0.05)；9月白膜玉米地與黑膜玉米地的土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)，黑膜玉米地與裸地的土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)，白膜玉米地與裸地的土壤呼吸速率差異不顯著(p>0.05)；11月白膜玉米地、黑膜玉米地及裸地的土壤呼吸速率兩兩之間差異顯著(p<0.05)。

圖2 不同覆膜條件土壤呼吸特征日變化

由表1可知，不同覆膜條件玉米地在不同月份日較差表現(xiàn)不規(guī)律，根據(jù)平均日較差值，白膜玉米地日較差最高為1.42 μmol/(m2·s)，其次為黑膜玉米地日較差為1.39 μmol/(m2·s)，日較差最低的是裸地為0.50 μmol/(m2·s)，說明白膜玉米地一天之中土壤呼吸速率最高值與最低值相差較大，裸地土壤呼吸速率最高值與最低值差異較?。桓鶕?jù)不同覆膜處理玉米地平均日變幅值，白膜玉米地日變幅最高為45.48%，其次為裸地43.71%，最低為黑膜玉米地25.80%。

表1 土壤呼吸特征分析

2.2 不同覆膜條件土壤呼吸月變化特征

由圖3—4可以看出，白膜玉米地和黑膜玉米地不同月份土壤呼吸速率變化表現(xiàn)為：7月>5月>3月>9月>11月，裸地不同月份土壤呼吸速率變化表現(xiàn)為：7月>3月>9月>5月>11月。5和9月正處于夏秋季，土壤微生物活動劇烈，土壤呼吸速率大，3和11月處于冬春季，植物處于生長末期或休眠期，土壤微生物活動緩慢，土壤呼吸速率小。方差分析結(jié)果可知，不同覆膜條件在不同月份的土壤呼吸速率兩兩之間均差異顯著(p<0.05)，多重比較分析可知，白膜玉米地在7月和11月的土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)，在3，5和9月的土壤呼吸速率兩兩之間差異不顯著(p>0.05)；黑膜玉米地在7，9和11月的土壤呼吸速率兩兩之間差異顯著(p<0.05)，在3與5月的土壤呼吸速率差異不顯著(p>0.05)；裸地在5，9和11月的土壤呼吸速率兩兩之間差異差異顯著(p<0.05)，在3與7月土壤呼吸速率差異不顯著(p>0.05)。

圖3 不同覆膜條件不同月份土壤呼吸速率變化特征

2.3 不同覆膜條件土壤碳排放量估算

土壤CO2通量作為陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2通量第二大組成部分，在全球碳循環(huán)中扮演著極其重要的角色。本項(xiàng)目土壤碳排放量估算利用不同覆膜處理不同季度晝間的日均土壤呼吸速率，換算出日間土壤呼吸速率，獲得每季度土壤碳排放量，從而估算出全年的土壤碳排放量。經(jīng)過計(jì)算不同覆膜條件不同季度的土壤CO2排放量，最后合計(jì)土壤CO2排放量，由表2可知，不同覆膜條件玉米地在4個(gè)季節(jié)的土壤CO2排放量表現(xiàn)為：黑膜地>白膜地>裸地，且夏季和秋季的土壤CO2排放量高于春季和冬季。這是因?yàn)橄那锛救蛰椛淠芰扛?，日照時(shí)數(shù)長，且土壤水熱條件好，土壤微生物活動劇烈，植物根系分解速度快，促促使土壤以較快的速度排放CO2，因此土壤呼吸速率大；冬春季，植物處于生長末期或休眠期，基本停止生長，日輻射能量降低，制約了土壤生物的活動，從而使壤呼吸速率在秋、冬兩季較小(表2)。

表2 不同覆膜條件土壤CO2排放量估算 g/(m2·a)

圖4 不同覆膜條件土壤呼吸速率月變化特征

2.4 土壤呼吸速率與地表溫度和5 cm土壤溫度的關(guān)系

通過建立不同覆膜條件玉米地土壤呼吸速率與地表溫度、5 cm土壤溫度的指數(shù)回歸方程(圖5—6)。由圖5—6和表3可知，白膜玉米地與黑膜玉米地土壤呼吸速率與地表溫度、5 cm土壤溫度都表現(xiàn)出極顯著相關(guān)(p<0.01)，裸地土壤呼吸速率與地表溫度表現(xiàn)出顯著相關(guān)(p<0.05)、與5 cm土壤溫度表現(xiàn)出極顯著相關(guān)(p<0.01)。白膜玉米地、黑膜玉米地和裸地的土壤呼吸速率與5 cm土壤溫度的R2達(dá)到了0.700 4，0.560 1和0.377 2，說明5 cm土壤溫度能夠解釋土壤呼吸速率變異百分比分別是70.04%(白膜玉米地)，56.01%(黑膜玉米地)，37.72%(裸地)，白膜玉米地與5 cm土壤溫度的相關(guān)性高于黑膜玉米地和裸地；白膜玉米地、黑膜玉米地和裸地的土壤呼吸速率與地表溫度的R2達(dá)到了0.700 1，0.524 1和0.449 4，說明地表溫度能夠解釋土壤呼吸速率變異百分比分別是70.01%(白膜玉米地)，52.41%(黑膜玉米地)，44.94%(裸地)，白膜玉米地與地表溫度的相關(guān)性高于黑膜玉米地和裸地。通過比較分析，白膜玉米地和黑膜玉米地5 cm土壤溫度對土壤呼吸速率的影響高于地表溫度，裸地地表溫度對土壤碳通量的影響高于5 cm土壤溫度。

圖5 土壤呼吸速率與地表溫度(Te)的關(guān)系

表示溫度與土壤呼吸速率關(guān)系的另一個(gè)重要參數(shù)是Q10。Q10為溫度敏感性指數(shù)，Q10越高表明土壤呼吸速率對溫度的依賴性越大[11]。利用Q10值的計(jì)算公式Q10=e10×β1，計(jì)算土壤呼吸的Q10值，其中，β1是土壤呼吸速率的溫度指數(shù)曲線方程 的溫度反應(yīng)系數(shù)，其中，β0為0 ℃時(shí)的土壤呼吸速率[12]。通過分析計(jì)算，由表3可以看出，白膜玉米地土壤呼吸速率對溫度的敏感性高于其他覆膜方式，Q10分別為2.03，2.15；黑膜玉米地和裸地玉米地的土壤呼吸速率對5 cm土壤溫度的敏感性高于地表溫度。

表3 不同覆膜條件梯田土壤呼吸速率與地表溫度、5 cm土壤溫度的擬合關(guān)系

2.5 不同覆膜條件土壤含水率變化

由圖7可知，不同覆膜條件下土壤0—60 cm土層含水率的變化趨勢一致，自表層至深層呈現(xiàn)S形變化規(guī)律。5月22日，白膜地、黑膜地各土層的含水率差異性不顯著，但均高于裸地，0—60 cm土層白膜地、黑膜地的土壤含水率平均值較裸地高6.00%和3.10%。9月22日，不同覆膜條件下土壤表層含水率均高于深層含水率，0—20 cm土層白膜地、黑膜地的含水量均明顯高于裸地，但白膜覆蓋與黑膜覆蓋對土壤含水率的影響均無顯著性差異；隨著土層的加深，20—40 cm土層的含水量在兩種覆膜方式下均明顯高于裸地，隨土層深度的增加差異呈減小趨勢。5月和9月兩種覆膜條件下土壤含水量增加，這是由于隨著外界氣溫的回升，地膜內(nèi)的溫度升高更快，迫使深層土壤水分上移，在表層聚積，形成提水上升的保墑效應(yīng)。研究結(jié)果表明，與白色地膜覆蓋相比，黑色地膜同樣具有較好的土壤保墑功能，可滿足玉米正常生長所需的水分。

圖7 玉米不同時(shí)期土壤含水率變化

3 結(jié) 論

(1) 不同覆膜條件玉米地的土壤呼吸速率日變化都呈單峰曲線變化趨勢，最高值基本都出現(xiàn)在12：00—14：00之間。3種不同覆膜處理玉米地的日均值表現(xiàn)為：黑膜地>白膜地>裸地，且不同覆膜處理的土壤呼吸速率差異顯著。

(2) 白膜玉米地和黑膜玉米地不同月份土壤呼吸速率變化表現(xiàn)為：7月>5月>3月>9月>11月，裸地不同月份土壤呼吸速率變化表現(xiàn)為：7月>3月>9月>5月>11月，夏季土壤呼吸活動最劇烈，且不同覆膜處理不同月份土壤呼吸速率兩兩之間差異顯著。

(3) 不同覆膜條件土壤CO2年排放量表現(xiàn)為：黑膜地>白膜地>裸地，且夏季和秋季的土壤CO2年排放量均高于春季和冬季。

(4) 不同覆膜條件玉米地土壤呼吸速率與地表溫度、5 cm土壤溫度具有很好的相關(guān)性，且都表現(xiàn)出極顯著相關(guān)，覆膜玉米地5 cm土壤溫度對土壤呼吸速率的影響高于地表溫度，裸地則反之，白膜玉米地土壤呼吸速率對溫度的敏感性高于其他覆膜方式。

(5) 不同覆膜條件下，土壤0—60 cm土層含水率的變化趨勢一致，自表層至深層呈現(xiàn)“S”型變化規(guī)律。裸地土壤蒸發(fā)量大，裸地在0—60 cm土層的含水率明顯低于兩種覆膜地。研究結(jié)果表明，與白色地膜覆蓋相比，黑色地膜同樣具有較好的土壤保墑功能，可滿足玉米正常生長所需的水分。

本文通過對黃土區(qū)梯田不同覆膜條件下土壤呼吸速率及土壤CO2排放量進(jìn)行分析認(rèn)為，3種覆膜處理下，覆蓋黑膜玉米地的土壤呼吸速率和土壤CO2排放量于白膜玉米地和裸地，且夏季和秋季的土壤呼吸速率和土壤CO2排放量大。由此可見，梯田不同覆膜條件增大了土壤呼吸速率和土壤呼吸CO2釋放量，有效改善了黃土區(qū)梯田土壤碳循環(huán)環(huán)境，因此，提倡推廣覆膜措施，推進(jìn)黃土區(qū)梯田的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)健康發(fā)展。