黃土高原輪作休耕梯田土壤碳通量特征及其與影響因素的關系

董彥麗，李澤霞，陳愛華，馬濤，蔡海珍

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020)

地表CO2通量生態(tài)系統(tǒng)通過某一生態(tài)斷面的碳元素總和，是大氣CO2濃度變化的關鍵生態(tài)學指標[1]，在全球碳循環(huán)中扮演著至關重要的角色[2]，成為全球變暖研究必不可少的關鍵內(nèi)容之一.農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[3]，而土壤碳通量則是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中重要部分，不同農(nóng)田管理措施使其土壤碳通量形成強烈的空間異質(zhì)性[4].土壤碳通量受到土壤理化性質(zhì)、土地利用方式、溫度、水分、施肥、耕作制度等多種因素的影響.有研究表明[5]，旱作農(nóng)田改變土地利用方式后土壤呼吸的差異可能與土壤有機碳(SOC)、土壤碳氮比(C∶N)、土壤溫度和土壤水分等因素有關.不同耕作措施通過影響土壤水分、有機碳、全氮、微生物豐富度和多樣性以及土壤微生物量碳等土壤質(zhì)量指標而影響土壤碳排放及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡，土壤質(zhì)量的提高，可以減少土壤碳排放量[6]，如不同的耕作方式對生長季玉米地土壤CO2排放量的影響差異顯著[7].有對河西干旱區(qū)甜高粱農(nóng)田研究表明，水肥相互作用能夠顯著促進土壤呼吸[8]；有對北疆夏大豆農(nóng)田的研究表明，翻耕覆膜地土壤呼吸速率顯著高于翻耕與免耕[9]，也有研究表明牧草地土壤呼吸速率大于撂荒地[10].杜杰等[11]收集了黃土高原地區(qū)近20 a出版的43篇文獻資料，采用Meta分析方法，得出免耕秸稈不還田和免耕秸稈還田的耕作措施有利于降低作物生育期農(nóng)田土壤碳排放量，傳統(tǒng)耕作秸稈還田和深松耕處理顯著促進農(nóng)田土壤碳排放.何甜甜等[12]研究表明生物炭和秸稈還田可顯著增加土壤微生物量碳氮以及功能菌菌落數(shù)，土壤呼吸速率與土壤微生物量碳氮以及細菌、放線菌的數(shù)量顯著正相關.

黃土高原是我國典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)[13]，梯田分布范圍廣泛，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的主要場所，但由于長期的集約化種植使耕層淺薄化、土壤緊實化、養(yǎng)分利用率較低[14]，出現(xiàn)耕地質(zhì)量下降問題，而輪作休耕制度是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在一定時期內(nèi)土地休養(yǎng)生息不耕種，從而保護、養(yǎng)育和恢復地力，實現(xiàn)土地可持續(xù)有效利用的一種措施[15].農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程是大氣溫室氣體一個重要的排放源，不同耕作模式中，免耕能減少土壤呼吸[16].黃土高原梯田主要農(nóng)作物有小麥、玉米、土豆等，通過不同輪作休耕模式可有效降低碳排放，緩解土地生產(chǎn)壓力，提高土壤質(zhì)量.基于此，本研究選擇輪作玉米(玉米-黃芪-玉米)、牧草地(苜蓿)、2 a休耕地、4 a休耕地和長期休耕荒草地5種模式梯田農(nóng)地作為研究對象，分析不同輪作休耕模式下土壤碳通量特征及其與土壤溫度、土壤理化性質(zhì)的關系，以期為黃土高原梯田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳排放和農(nóng)地生產(chǎn)力提供數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省定西市隴西縣云田鎮(zhèn)，海拔1 028～1 374 m，相對高差346 m，屬溫帶半濕潤氣候，年均氣溫8.2℃，年均降水量414.8 mm，年蒸發(fā)量1 562.8 mm，年均風速1.5 m/s，無霜期161.8 d，最大凍土深98 cm.試驗年份2019年均氣溫10 ℃，降水量435.93 mm，植被類型主要有冰草(Agropyroncristatum)、駱駝蓬(Peganumharmala)、山苦荬(Ixerisdenticulata)、車前草(Plantagoasiatica)、灰菜(Chenopodiumalbum)等；農(nóng)作物以小麥、玉米、馬鈴薯為主，中藥材有黃芪、當歸等.土壤類型為黃綿土和黑壚土.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無灌溉措施，屬典型的旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[17].

1.2 樣地設置

選擇坡向、坡度基本相同、位置相近的輪作玉米地(玉米-黃芪-玉米)、連作牧草的苜蓿地、荒草地、4 a休耕地和2 a休耕地5種輪作休耕模式的梯田作為試驗樣地(表1).各樣地都為2010年修建的梯田，其中荒草地是撂荒近8 a的農(nóng)地，玉米地在生育期內(nèi)的管理措施同其他大田作物，其他地類無施肥措施.梯田田面分挖方段、中間段和填方段3部分，因此，本研究在每個試驗樣地不同位置分別布置2個測量環(huán)，每個樣地6個測量環(huán)(圖1)，共計30個.為避免由于安置測量環(huán)(直徑20 cm×高10 cm的PVC環(huán))對土壤擾動造成的短期內(nèi)碳通量的波動，測量環(huán)于試驗前一天布置完成，剪除并清理環(huán)內(nèi)植物，經(jīng)過24 h穩(wěn)定后測定.

表1 試驗樣地

圖1 梯田樣地及測量環(huán)布設示意圖

1.3 土壤碳通量測定

土壤碳通量測定采用LI-8100土壤碳通量測量系統(tǒng)，測量時間選擇在2019年3月、5月、7月、9月、11月進行，為避免降雨、風力等氣象因素的影響，選擇天氣狀況良好的一天進行，測量時間為8∶00～18∶00，每2 h測定1次，共計6次，每個測量環(huán)重復3次.測定土壤碳通量的同時，用LI-8100自帶溫度探針同步測定測量環(huán)附近5 cm土壤溫度.

1.4 土壤理化性質(zhì)測定

苜蓿地、荒草地、4 a休耕地和2 a休耕地為長期不擾動土地，在土壤碳通量測量之前(2018年11月)取樣，玉米地為擾動施肥樣地，采樣在土壤碳通量期間(2019年5月)進行.根據(jù)梯田分布特點，在5個試驗樣地挖方段、中間段和填方段3個位置分別布置5 m×10 m的樣地，共15個，在樣地內(nèi)按“S”形隨機布設3個1 m×1 m樣點，重復3次取0～5 cm表層土樣.用鋁盒、環(huán)刀和自封袋采集土壤樣品并編號，稱量土樣濕重后帶回實驗室進行土壤理化性質(zhì)測定.

土壤速效鉀(available potassium，AK)采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定，有效磷(available phosphorus，AP)采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測定，水解性氮(hydrolyzable nitrogen，HN)采用堿解擴散法測定，土壤有機碳(organic carbon，OC)采用重鉻酸鉀氧化分光光度法測定[18].

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析；采用單因素方差分析(One-way ANOVA)對不同樣地間土壤碳通量、土壤理化性質(zhì)進行差異顯著性檢驗；采用皮爾遜(Pearson)相關分析進行土壤碳通量與土壤溫度及土壤理化性質(zhì)的相關性分析；采用指數(shù)回歸方程擬合土壤碳通量與土壤溫度的關系.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作休耕梯田土壤碳通量特征

2.1.1 土壤碳通量日變化特征 不同輪作休耕梯田土壤碳通量日最高值基本在12∶00～14∶00之間(圖2).在測量周期內(nèi)碳通量日均值表現(xiàn)為玉米地(1.32 μmol/(m2·s))>苜蓿地(1.26 μmol/(m2·s))>荒草地(0.97 μmol/(m2·s))>2 a休耕地(0.79 μmol/(m2·s))>4 a休耕地(0.75 μmol/(m2·s))，玉米地高于其他地類，2 a休耕地和4 a休耕地日均值相差不大.苜蓿地日較差(0.62 μmol/(m2·s))最高，其次為2 a休耕地和玉米地，4 a休耕地最低；2 a休耕地和4 a休耕地碳通量日變幅在60%左右，玉米地日變幅為44.33%.不同輪作休耕梯田5月、7月和9月生長季土壤碳通量日均值高于非生長季3月和11月，方差分析結(jié)果顯示，3月、5月和7月的土壤碳通量差異顯著(P<0.05)，9月和11月碳通量差異不顯著(P>0.05)；不同輪作休耕梯田土壤碳通量不同月份差異顯著(P<0.05).

圖2 不同輪作休耕梯田土壤碳通量日變化曲線

2.1.2 梯田不同部位土壤碳通量特征 坡面梯田修建由于開挖、填埋等分為挖方段、中間段和填方段3部分.經(jīng)分析，不同輪作休耕梯田不同部位土壤碳通量基本都呈先增加后降低的變化趨勢(圖3)，荒草地、苜蓿地、2a休耕地挖方段、中間段和填方段土壤碳通量日變化曲線基本一致，不同部位土壤碳通量之間無顯著差異(P>0.05).4 a休耕地和玉米地填方段日均碳通量(0.98、1.52 μmol/(m2·s))顯著高于挖方段(0.65、1.12 μmol/(m2·s))和中間段(0.62、1.32 μmol/(m2·s)，P<0.05).

2.2 不同輪作休耕梯田土壤理化性質(zhì)

2.2.1 不同輪作休耕梯田土壤溫度的變化 5種輪作休耕梯田地表溫度和5 cm土壤溫度動態(tài)變化如圖4所示.不同地類地表溫度和5 cm土壤溫度總體表現(xiàn)出先升高后逐漸降低的變化趨勢，地表溫度較5 cm土壤溫度降低較快.整個測量周期內(nèi)，苜蓿地和荒草地地表溫度、5 cm土壤溫度高于其他地類，但苜蓿地地表溫度(17.76 ℃)高于荒草地(17.10 ℃)，5 cm土壤溫度則反之；其他3種地類地表溫度和5 cm土壤溫度則表現(xiàn)為4 a休耕地>2 a休耕地>玉米地，玉米地平均溫度最低.

圖4 不同輪作休耕梯田土壤溫度的日變化

2.2.2 不同輪作休耕梯田其他土壤理化性質(zhì)特征 由表2可知，在0～5 cm表層土壤中，不同輪作休耕梯田土壤速效鉀均值特征為：玉米地>荒草地>2 a休耕地>4 a休耕地>苜蓿地，方差分析結(jié)果顯示玉米地與苜蓿地、4 a休耕地差異顯著(P<0.05)；有效磷和有機碳均值特征基本相同，都為玉米地>苜蓿地>2 a休耕地>荒草地>4 a休耕地，方差分析結(jié)果顯示，玉米地與4 a休耕地差異顯著(P<0.05)，這可能是由于玉米地施肥作用促進了土壤肥力的增加.苜蓿地水解性氮含量為40.70 mg/kg，顯著高于荒草地、玉米地和4 a休耕地(P<0.05)；苜蓿地pH值顯著高于4 a休耕地(P<0.05).

表2 不同輪作休耕梯田土壤理化性質(zhì)

2.3 土壤碳通量與土壤理化性質(zhì)的關系

2.3.1 土壤碳通量與溫度的關系 采用單因素指數(shù)回歸方程Rs=β0×eβ1T擬合不同輪作休耕梯田土壤碳通量與地表溫度、5 cm土壤溫度的動態(tài)關系，Rs表示土壤碳通量；T為土壤溫度；β0為0 ℃時的土壤碳通量，β1是溫度反應系數(shù)(表3).5種輪作休耕梯田土壤碳通量與地表溫度、5 cm土壤溫度呈顯著相關關系(P<0.05)，地表溫度的相關性高于5 cm土壤溫度，對土壤碳通量的影響程度大小關系都表現(xiàn)為：荒草地(0.778 4、0.673 3)>2 a休耕地(0.756 9、0.630 8)>苜蓿地(0.716 3、0.598 8)>4 a休耕地(0.623 9、0.504 2)>玉米地(0.449 4、0.377 2)，荒草地相關系數(shù)最高，玉米地最低.Q10表示溫度敏感性指數(shù)，指溫度增加10 ℃所造成的呼吸速率增加的倍數(shù)，是表示土壤碳通量與溫度關系的一個重要參數(shù)，Q10值越高表明土壤碳通量對溫度的依賴性越大[19]，Q10計算公式為Q10=e(10×β1).玉米地土壤碳通量對溫度的敏感性低于其他地類，Q10值為1.64；荒草地、苜蓿地、4 a休耕地和2 a休耕地對地表溫度的敏感性都高于5 cm土壤溫度.

表3 不同輪作休耕梯田土壤碳通量與溫度的關系

2.3.2 土壤碳通量與土壤理化性質(zhì)的相關性 由表4可知，不同輪作休耕梯田土壤碳通量Rs與土壤有機碳顯著正相關(P<0.01)，相關系數(shù)為0.528，與pH值、速效鉀、有效磷和水解性氮無顯著相關性(P>0.01).土壤各指標相關性分析結(jié)果顯示，pH值與水解性氮顯著正相關(P<0.01)，相關系數(shù)為0.557，其他土壤理化性質(zhì)之間無顯著相關關系(P>0.01).

表4 不同輪作休耕梯田與其他土壤理化性質(zhì)相關分析

3 討論

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸具有明顯的晝夜變化，多表現(xiàn)為單峰曲線，且白天土壤呼吸量顯著大于夜間[14-15].本研究中5種輪作休耕梯田土壤碳通量在整個測量周期內(nèi)，日變化特征表現(xiàn)出單峰曲線，最高值出現(xiàn)在中午12∶00～14∶00左右，與齊鵬等[20]的研究結(jié)果一致.受耕作方式及施肥等因素的影響，玉米地土壤透氣性提高，微生物生長和代謝增強，土壤呼吸作用增加，其土壤碳通量日均值高于苜蓿地、荒草地和休耕地；7月份是玉米生長期，水分、氣溫均適宜，玉米生長迅速，根呼吸增強[7]，土壤碳通量表現(xiàn)最高.荒草地土壤碳通量高于休耕地，是由于荒草地已經(jīng)過多年撂荒，土層擾動較輕，土壤結(jié)構穩(wěn)定，大量植物根系分布于土壤表層，根系的分泌物為土壤微生物生長提供能源，微生物的生命活動旺盛[21]，從而促進土壤碳排放.2 a休耕地和4 a休耕地土壤碳通量低于其他地類，說明休耕期短的地類碳排放量低于休耕期長的荒草地；2種休耕地由于休耕年限差距不大，且地面植被較少，方差分析結(jié)果顯示土壤碳通量無顯著差異(P>0.05).由于不同季節(jié)里受到氣溫、濕度和降水等[22]因素的影響，不同月份土壤碳通量具有顯著差異(P<0.05).荒草地、苜蓿地和2 a休耕地挖方段、中間段和填方段土壤碳通量無顯著差異(P>0.05)，是由于梯田經(jīng)過多年機械耕作施肥，經(jīng)撂荒、休耕等減少了人為的耕作干擾，不同部位土壤處于穩(wěn)定狀態(tài)；玉米地和4 a休耕地由于連年的耕作及有機和無機肥料的投入[23]，以及耕作方式等因素的影響，使不同部位土壤碳通量差異顯著(P<0.05).

溫度是土壤碳通量的敏感性影響因子，農(nóng)田土壤CO2排放與0～10 cm地溫具有較高的相關性[24]，5種輪作休耕梯田土壤碳通量與地表溫度、5 cm土壤溫度都表現(xiàn)出顯著相關(P<0.05).不同的土地利用類型的溫度變化對碳通量的控制作用會有明顯的區(qū)別[25].土壤碳通量日變化受到土壤溫度日變化的影響，因為一天內(nèi)土壤理化性質(zhì)和土壤水分的變化非常小[26].適度增溫可以提高土壤微生物的活性，直接影響根呼吸，但當溫度較高時，它不再是限制土壤呼吸的因子[27]，因此，在一定溫度范圍內(nèi)，土壤碳通量與土壤溫度有顯著正相關關系[28].5種輪作休耕梯田Q10在1.64～1.9之間，與Zheng等[29]的研究結(jié)果對應，其中，玉米地Q10最低，對溫度的敏感性低于其他輪作休耕梯田，可能由于在測量時植株較高，對太陽輻射有一定的遮蔽性有關.土壤結(jié)構隨土地利用方式的改變而發(fā)生變化，從而使土壤理化特征呈現(xiàn)顯著差異[30]，本研究中由于玉米地施肥因素影響，有機碳含量顯著高于其他地類，速效鉀和有效磷含量高于4 a休耕地；苜蓿地水解性氮含量和土壤pH值高于其他地類.Franzluebbers等[31]研究認為土壤呼吸強烈地受土壤有機質(zhì)中碳底物的調(diào)控，且土壤基礎呼吸與土壤有機碳含量呈線性相關關系，這與本研究中土壤碳通量與有機碳含量呈顯著正相關關系的結(jié)果一致，但左嫚[32]等研究結(jié)果顯示土壤呼吸與有機碳無顯著相關性，其原因可能是不同處理對土壤呼吸的影響程度不同有關，且有機碳的可利用性也會隨物理環(huán)境的變化而變化，也同樣受N等其他土壤因子的影響.土壤碳通量受到氣候條件、植被類型和土壤狀況等諸多因子的影響[33]，僅用單因素分析方式說明的問題很有限，因此在后續(xù)的研究中應考慮多因素綜合作用對土壤碳通量的影響.

4 結(jié)論

1) 不同輪作休耕梯田土壤碳通量最高值在12∶00～14∶00之間，日均值表現(xiàn)為玉米地>苜蓿地>荒草地>2 a休耕地>4 a休耕地.5月、7月和9月生長季土壤碳通量日均值高于非生長季3月和11月.不同月份土壤碳通量差異顯著.4 a休耕地和玉米地填方段日均碳通量顯著高于挖方段和中間段.

2) 5種輪作休耕梯田地溫總體呈先升高后降低趨勢，5 cm土壤溫度降低較慢；土壤碳通量與地表溫度、5 cm土壤溫度呈顯著相關關系，不同地類相關性大小表現(xiàn)為：荒草地>2 a休耕地>苜蓿地>4 a休耕地>玉米地；溫度敏感性指數(shù)Q10值在1.64～1.9之間，玉米地最低，苜蓿地最高.

3) 玉米地土壤速效鉀含量顯著高于苜蓿地和4 a休耕地，有效磷和有機碳含量顯著高于高于4 a休耕地；不同輪作休耕梯田土壤碳通量與土壤有機碳呈正相關關系.