川中丘陵區(qū)冬水田種植模式轉(zhuǎn)旱作土壤呼吸組分特征及碳平衡

岳雪萍,王 淘,呂天星,周 濤,劉 琦,唐 磊,周高子,賈媛麗,周 偉,任萬軍,陳 勇,*

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 溫江 611130 2 浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院/農(nóng)藥與環(huán)境毒理研究所, 杭州 310012

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最活躍的碳庫,農(nóng)業(yè)土壤碳庫對全球碳循環(huán)的影響十分重要[1]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與大氣的二氧化碳交換過程是影響大氣二氧化碳濃度的關(guān)鍵過程[2]。土壤呼吸是土壤碳庫以CO2形式回歸大氣碳庫的主要途徑,占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間碳交換總量的2/3,對氣候變化和碳循環(huán)起著不可忽視的重要作用,土壤呼吸強(qiáng)度的微小變化可能對大氣中二氧化碳的濃度產(chǎn)生很大影響[3]。土壤呼吸(Rs)是由土壤產(chǎn)生并向大氣中釋放CO2的過程,主要包括異養(yǎng)呼吸(Ra)和自養(yǎng)呼吸(Rh)兩個(gè)組分,前者主要來自于土壤動物和微生物呼吸,后者屬于根源呼吸[4—5]。精確地測定陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸及其組分特征,對于揭示大氣“失蹤的碳匯”之謎以及尋找土壤固碳增匯的措施具有重要的指導(dǎo)意義[6]。研究表明,自養(yǎng)呼吸對土壤呼吸的貢獻(xiàn)可達(dá)到50%—65%,但其并非土壤自身的碳損失,在核算土壤碳平衡時(shí)一般扣除自養(yǎng)呼吸[6—7]。自養(yǎng)呼吸由植物光合產(chǎn)物控制,異養(yǎng)呼吸則由土壤有機(jī)質(zhì)控制,它們各自呼吸所利用的碳源不同,對土壤呼吸的貢獻(xiàn)、對全球變化的作用也不同[8]。土壤呼吸是農(nóng)田碳平衡研究的基礎(chǔ)[9],農(nóng)田系統(tǒng)碳平衡常采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)衡量,即凈初級生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NPP)與土壤異養(yǎng)呼吸碳釋放量(Rh)的差值[10—11]。種植模式改變、作物配置不同、養(yǎng)分管理措施改變等均影響農(nóng)田土壤碳平衡[12—15]。因此,通過土壤呼吸組分測定并分析系統(tǒng)碳平衡對理解系統(tǒng)固碳增匯具有重要的意義。

冬水田-水稻種植模式是川中丘陵區(qū)傳統(tǒng)的以蓄水為中心的種植制度。隨著農(nóng)業(yè)水利工程和機(jī)械化的發(fā)展,該種植模式逐漸演變?yōu)樗递喿骰蚝底鞫嗍旆N植模式,提高了周年生產(chǎn)效益[16]。研究表明[17],冬水田是重要的CO2排放源,具有很大的溫室氣體減排空間。由于環(huán)境劇烈變化,冬水田-水稻種植模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹底鬟^程的土壤呼吸及組分會受到極大影響,但其具體排放特征仍不明確。為了探索冬水田-水稻模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹底鬟^程中作物季及季后休閑期土壤呼吸組分及其影響因素,本研究設(shè)置冬水田-水稻、冬水田-水稻轉(zhuǎn)為旱作玉米、冬閑—玉米3種種植模式的試驗(yàn),探明冬水田-水稻轉(zhuǎn)旱作過程中作物生長季及季后休閑期土壤呼吸的變化特征和組分貢獻(xiàn),并闡明溫度敏感性,以期為冬水田種植模式轉(zhuǎn)變后的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳平衡評估提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地點(diǎn)位于四川省成都市金堂縣轉(zhuǎn)龍鎮(zhèn)大橋村(30°40′N,104°45′E),該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性溫潤氣候,年均降雨量900—1300 mm,年均日照1042—1412 h,年均溫度16℃,土壤屬于潛育水稻土。該區(qū)屬于典型川中丘陵區(qū),立體氣候明顯,形成了冬水田-水稻、油菜—水稻、冬閑田—玉米、馬鈴薯—玉米等多元化種植模式。試驗(yàn)期間當(dāng)?shù)貧庀筚Y料如圖1,其中,平均氣溫18.2℃,最低氣溫出現(xiàn)在12月,為0.6℃,最高氣溫出現(xiàn)在8月,為36.9℃,累積降雨量859.7 mm,集中分布在7—8月。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)氣溫和降雨量分布Fig.1 Temperature and precipitation distribution in the experimental site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年4月20日至2019年12月31日期間開展,其中4月20日至9月16日為作物季,9月16日至12月31日為作物季后休閑期。試驗(yàn)設(shè)置冬水田-水稻(FR)、冬閑田—玉米(FM)、冬水田-水稻轉(zhuǎn)旱作玉米(FTD)3種種植模式,形成水水連作、旱旱連作、水作轉(zhuǎn)旱作3種類型,單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù),共9個(gè)小區(qū),小區(qū)面積為58.5 m2(6.5 m×9.0 m)。試驗(yàn)開始前,當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶已經(jīng)在FR模式田塊上實(shí)行了20年以上的冬水田-水稻種植模式,FM田塊為附近(<50 m)實(shí)行了5年以上的冬閑田—玉米種植模式,FTD種植模式為冬水田-水稻種植模式下從稻季開始轉(zhuǎn)旱作玉米。本研究的作物季為3種模式的玉米和水稻生長期,玉米和水稻收獲后為季后休閑期,不種植其它作物,由于本試驗(yàn)中FTD模式次年種植馬鈴薯,為了研究冬水田轉(zhuǎn)旱作利用的水旱轉(zhuǎn)換過程,本研究設(shè)定3種種植模式的季后休閑期均截止于當(dāng)年12月31日。三個(gè)處理的作物的播期和播栽密度見表1,耕作及管理措施見表2。

表1 各作物播栽期和播栽密度

1.3 氣體樣品采集與測定

采用根排除法和密閉氣室-氣相色譜法測定土壤呼吸及其組分,2019年6月10日開始,每隔10d選擇晴天(遇雨適當(dāng)延后)進(jìn)行土壤呼吸測定,取樣時(shí)間為上午9:00—11:00。取樣裝置由頂箱和底座構(gòu)成,規(guī)格根據(jù)各作物行穴距設(shè)置,采集水稻土壤呼吸的頂箱和底座長寬規(guī)格為20 cm×40 cm,采集玉米土壤呼吸的頂箱和底座長寬規(guī)格為30 cm×40 cm,底座的高度設(shè)置為5 cm和30 cm,其中底座高度為5 cm的采樣箱用于測定土壤總呼吸(Rs),底座高度為30 cm的采樣箱用測定異養(yǎng)呼吸(Rh),頂箱由亞克力板制成,高度為20 cm,頂端安裝1個(gè)小型風(fēng)扇、溫度計(jì)插口和氣體樣品取樣接口。

表2 各作物施肥和管理措施

采樣裝置的底座于水稻和玉米移栽當(dāng)天安置于行間,并用泥土對外部進(jìn)行敷邊防止呼吸外溢,整個(gè)采樣期間底座均不移動。采樣時(shí)底座水槽內(nèi)加水以密封頂箱和底座之間的空隙,并打開風(fēng)扇使采樣箱內(nèi)氣體充分混合。頂箱扣入底座后立刻用20 mL 注射器采集第1次樣品,然后每10 min采集1次,共采集4次,每次采集氣體樣品20 mL。每次取樣前一天,去除底座內(nèi)土壤表層的一切活體,為了避免由于采樣時(shí)間差異而導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差,每次采樣時(shí)三個(gè)重復(fù)同時(shí)進(jìn)行。采樣后立即將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,使用日本島津氣相色譜儀(2010 Plus)測定CO2濃度。

1.4 土壤呼吸速率計(jì)算

土壤呼吸速率計(jì)算公式[18]如下：

(1)

式中,F為土壤呼吸速率,mg m-2h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的CO2密度,為1.97 kg/m3；T為采樣過程中取樣箱內(nèi)的平均溫度,℃；H是取樣箱內(nèi)的凈高度,m；dC/dt是采樣氣體濃度的變化率。自養(yǎng)呼吸計(jì)算公式[19]如下:

Ra=Rs-Rh

(2)

式中,Rs為土壤總呼吸,Ra為自養(yǎng)呼吸,Rh為異養(yǎng)呼吸。

土壤呼吸累積排放量計(jì)算公式[20]如下：

(3)

式中,中,M為土壤呼吸累積排放量(kg/hm2)；F為土壤呼吸速率(mg m-2h-1)；i為第i次測定；(ti+1-ti)為相鄰兩次測定間隔天數(shù)。

1.5 水熱生態(tài)因子測定

于每次土壤呼吸氣體取樣時(shí),同步測定土壤溫度、箱內(nèi)氣溫,有水層期間測定箱內(nèi)水層高度和水溫。土壤溫度、箱內(nèi)氣溫和水溫均采用便攜式溫度測定儀(MITIR-TP678)測定,土壤溫度分0—5 cm和5—10 cm分別測定。田間水層高度用直尺測量。

1.6 溫度敏感系數(shù)(Q10)計(jì)算

土壤呼吸速率與土壤溫度之間的關(guān)系采用指數(shù)模型擬合[21],公式如下：

R=aebt

(4)

式中,R為土壤呼吸速率(mg m-2h-1),t為土壤溫度(℃),a是溫度為0℃時(shí)的土壤呼吸速率,b為溫度反應(yīng)系數(shù)。溫度敏感系數(shù)(Q10)計(jì)算公式如下：

Q10=e10b

(5)

式中,b同上式(4),Q10指溫度升高10℃時(shí)土壤呼吸速率變化的倍數(shù),該指標(biāo)可以衡量土壤呼吸速率對溫度的響應(yīng)程度。

1.7 作物生長季的碳平衡測算

采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)衡量生態(tài)系統(tǒng)碳平衡[14]。其計(jì)算公式如下：

NEP=NPP-Rh

(6)

式中,NPP為凈初級生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力,是作物全生育期地上部碳積累量與地下部碳積累量的總和,常采用成熟期作物地上部和根的生物量來計(jì)算NPP,作物地上部各器官和根的碳含量一般取45%,即作物光合過程中合成1 g有機(jī)質(zhì)需要吸收0.45 g C[22]。土壤異養(yǎng)呼吸碳排放量(Rh)為各處理下排除根系的土壤異養(yǎng)呼吸在整個(gè)作物生育期間CO2的累積排放量。NEP為正值時(shí),表示該系統(tǒng)是大氣CO2的吸收匯；反之為大氣CO2的排放源。

1.8 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS13.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,LSD法進(jìn)行多重比較,origin 2020進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 不同種植模式下土壤總呼吸通量特征

通過對作物季和季后休閑期農(nóng)田土壤呼吸速率的連續(xù)測定,結(jié)果表明3種種植模式下農(nóng)田土壤總呼吸速率在作物生長季和季后休閑期具有較大差異。在作物生長季,冬水田-水稻轉(zhuǎn)旱作模式(FTD)和冬水田-玉米模式(FM)的土壤呼吸速率均表現(xiàn)為單峰變動趨勢,峰值出現(xiàn)在玉米籽粒灌漿期(7月下旬—8月中旬),冬水田-水稻模式(FR)土壤呼吸速率總體維持在較低的排放水平(圖2)。

圖2 不同種植模式下作物季及季后休閑期土壤呼吸速率變化Fig.2 Changes of soil respiration rate in crop season and fallow period under different planting patternsFR：冬水田-水稻 Paddy field-rice；FM：冬閑田-玉米 Fallow field-maize；FTD：冬水田-水稻轉(zhuǎn)旱作 Paddy field-rice to upland cropping

從3種種植模式土壤呼吸速率比較來看,6月20日前,土壤呼吸速率表現(xiàn)為FM>FTD>FR,6月20日—6月30日,FM的土壤呼吸速率升高,FTD次之,FR最小；6月30日后,均表現(xiàn)為FTD>FM>FR。3種模式下全生育期土壤呼吸速率平均值表現(xiàn)為FTD>FM>FR(P<0.05),平均排放速率分別為400.67 mg m-2h-1、234.38 mg m-2h-1和59.87 mg m-2h-1。在季后休閑期,3種種植模式的土壤呼吸速率較小,變化平穩(wěn),其中FTD的土壤呼吸速率高于FM和FR,FM和FR的土壤呼吸速率的部分時(shí)點(diǎn)為負(fù)值,表現(xiàn)為碳吸收(圖2)。

2.2 不同種植模式下土壤呼吸組分特征

各處理土壤呼吸組分在作物季表現(xiàn)出不同的排放特征。總體來看,各處理土壤自養(yǎng)呼吸速率均表現(xiàn)為雙峰變化趨勢,但呼吸速率大小和峰值出現(xiàn)的時(shí)間有較大差異。FM自養(yǎng)呼吸速率峰值出現(xiàn)在6月30日和7月28日,FTM的峰值出現(xiàn)在7月28日和9月1日,FR模式的自養(yǎng)呼吸速率峰值出現(xiàn)在水稻拔節(jié)期(7月28日)和灌漿期(9月1日)。從整個(gè)生育期來看,FM和FTD的自養(yǎng)呼吸速率均顯著高于FR,而FTD的自養(yǎng)呼吸速率在7月10日前低于FM,之后迅速上升并高于FM。整個(gè)作物季各處理平均自養(yǎng)呼吸速率表現(xiàn)為FTD>FM>FR(P<0.05),呼吸速率值分別為191.43 mg m-2h-1、153.08 mg m-2h-1和26.63 mg m-2h-1。季后休閑期,各處理自養(yǎng)呼吸速率均較低,其中FTM的自養(yǎng)呼吸速率表現(xiàn)為逐漸降低直至平穩(wěn)狀態(tài),而FR和FM的自養(yǎng)呼吸速率一直維持很低水平,FTD、FM和FR處理在整個(gè)休閑期的平均呼吸速率分別為11.49 mg m-2h-1、-13.21 mg m-2h-1和2.41 mg m-2h-1(圖3)。

圖3 不同種植模式作物季及季后休閑期土壤自養(yǎng)呼吸與異養(yǎng)呼吸變化Fig.3 Changes of autotrophic and heterotrophic respiration in crop season and fallow period under different planting patterns

作物季各處理土壤異養(yǎng)呼吸速率呈現(xiàn)波動變化的特征,其中FTM波動較大,呈現(xiàn)出移栽期(6月10日)和灌漿期(8月21日)兩個(gè)排放峰值,FM總體呈現(xiàn)單峰變化,峰值出現(xiàn)在7月28日,FR全生育期波動較小。從呼吸速率大小來看,FTM的異養(yǎng)呼吸速率顯著高于FM模式和FR模式(P<0.05),FTM、FM和FR模式的平均呼吸速率分別為209.24 mg m-2h-1、81.30 mg m-2h-1和33.24 mg m-2h-1。季后休閑期,各處理異養(yǎng)呼吸速率均較低,且波動小,但FTM模式的異養(yǎng)呼吸速率較FM和FR稍高(圖3)。

2.3 不同土地利用方式土壤呼吸累積排放量特征

各處理在作物季的土壤總呼吸累積排放量表現(xiàn)為FTD>FM>FR(P<0.05),其排放量分別為8948.69 kg/hm2、5910.46 kg/hm2和1117.64 kg/hm2；季后休閑期的土壤總呼吸累積排放量表現(xiàn)為FTD>FR>FM。其中,在作物生長季自養(yǎng)呼吸累積排放量表現(xiàn)為FTD>FM>FR,排放總量分別為4334.57 kg/hm2、3586.99 kg/hm2和353.92 kg/hm2,季后休閑期的自養(yǎng)呼吸累積排放量表現(xiàn)為FTD>FR>FM,其中FTD和FR表現(xiàn)為凈排放,排放量分別為266.40 kg/hm2和19.52 kg/hm2,而FM表現(xiàn)為凈吸收,其吸收量為319.91 kg/hm2；異養(yǎng)呼吸累積排放量在作物生長季的排放規(guī)律與總呼吸和自養(yǎng)呼吸一致,表現(xiàn)為FTD>FM>FR,其排放量分別為4614.12 kg/hm2、2323.46 kg/hm2和763.72 kg/hm2,季后休閑期異養(yǎng)呼吸排放量表現(xiàn)為FTD>FM>FR,其中FTD表現(xiàn)為凈排放,排量為46.15 kg/hm2,FM和FR表現(xiàn)為凈吸收,吸收量別為160.63 kg/hm2和482.27 kg/hm2。就作物生長季和休閑期整體來看,無論是自養(yǎng)呼吸、異養(yǎng)呼吸還是總呼吸均表現(xiàn)CO2的凈排放,處理間表現(xiàn)為FTD>FM>FR,累積排放量分別為9261.23 kg/hm2、5429.92 kg/hm2和654.89 kg/hm2；其中,自養(yǎng)呼吸的累積排放量分別為4600.96 kg/hm2、3267.08 kg/hm2和373.44 kg/hm2；異養(yǎng)呼吸的累積排放量分別為4660.27 kg/hm2、2162.84 kg/hm2和281.45 kg/hm2(圖4)。

圖4 不同種植模式作物季及季后休閑期土壤呼吸累積排放量特征Fig.4 Characteristics of soil respiration cumulative emission in crop season and fallow period under different planting patterns不同小寫字母標(biāo)注表示處理間在0.05水平上差異顯著

根據(jù)土壤呼吸組分對總呼吸的貢獻(xiàn)來分,作物生長季土壤自養(yǎng)呼吸對土壤總呼吸的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為FM>FTD>FR,其貢獻(xiàn)量分別為60.69%、48.44%和31.67%；就休閑季來看,FTD表現(xiàn)為向大氣釋放CO2,而FR和FM表現(xiàn)為吸收CO2；就作物生長季和休閑期整體來看,自養(yǎng)呼吸對總呼吸的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為FM>FR>FTD,其貢獻(xiàn)量分別為60.17%、57.02%和49.68%。因此,冬水田-水稻模式轉(zhuǎn)旱作后顯著提高了土壤呼吸及其自養(yǎng)和異養(yǎng)呼吸,增強(qiáng)了異養(yǎng)呼吸對土壤呼吸的貢獻(xiàn)率。

2.4 不同土地利用方式土壤呼吸的溫度敏感性

通過對土壤呼吸速率與土壤溫度的回歸分析發(fā)現(xiàn),不同模式下土壤呼吸速率與0—5 cm和5—10 cm土壤溫度均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)(P<0.01),表明土壤呼吸速率隨著土壤溫度的升高而增高。從不同土層來看,0—5 cm的Q10在3.7—27.6之間,5—10 cm的Q10在3.9—45.7之間,3種種植模式Q10均表現(xiàn)為0—5cm<5—10 cm,表明土壤呼吸速率與土壤溫度的敏感性隨深度增加而增大。從不同組分呼吸速率的Q10來看,表現(xiàn)為自養(yǎng)呼吸<總呼吸<異養(yǎng)呼吸,表明受溫度影響較大是異養(yǎng)呼吸,受溫度影響較小的是自養(yǎng)呼吸。從不同模式來看,在0—5 cm土層中,土壤總呼吸的Q10表現(xiàn)為FM>FR>FTD,其大小分別為14.9、8.9和8.4；異養(yǎng)呼吸的Q10表現(xiàn)為FR>FM>FTD,其大小為27.6、19.3和9.6；自養(yǎng)呼吸的Q10表現(xiàn)為FM>FR>FTD,其大小分別為7.7、4.5和3.7。在5—10cm土層中,土壤總呼吸的Q10表現(xiàn)為FM>FR>FTD,其大小分別為45.7、21.2和12.6；土壤異養(yǎng)呼吸的Q10表現(xiàn)為FR>FM>FTD,其大小為37.8、30.2和12.1；自養(yǎng)呼吸的Q10表現(xiàn)為FTD>FR>FM,其大小分別為5.8、5.1和3.9。這表明：冬水田-水稻模式轉(zhuǎn)旱作后降低了土壤呼吸的自養(yǎng)呼吸、異養(yǎng)呼吸和總呼吸的溫度敏感性(表3)。

表3 不同種植模式作物季及季后休閑期土壤呼吸的溫度敏感性

2.5 不同種植模式下農(nóng)田系統(tǒng)碳平衡

不同種植模式下農(nóng)田系統(tǒng)碳平衡測算結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明,各模式的凈初級生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NPP)表現(xiàn)為FTD

表4 不同種植模式作物季的農(nóng)田系統(tǒng)碳平衡

3 討論

3.1 冬水田-水稻模式轉(zhuǎn)旱作對土壤呼吸及其組分的影響

稻田是受人類活動干擾頻繁的一種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),冬水田-水稻模式轉(zhuǎn)旱作后,其作物類型及田間管理措施也會發(fā)生改變[23],冬水田由于長期淹水,土壤濕度較大,不利于CO2的排放,厭氧微生物較多。種植模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹底鬟^程中,土壤水分降低,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸癄顟B(tài),厭氧微生物減少,好氧微生物增多,微生物活性增強(qiáng),有利于有機(jī)質(zhì)的氧化分解,促進(jìn)CO2的排放[24—25]。此外常年旱作模式一直處于較為干旱的環(huán)境,由于其土壤長期與氧氣接觸,微生物活躍,且具有較高的溫度使之具有較強(qiáng)的有機(jī)碳礦化能力和CO2排放能力[26]。

本研究結(jié)果表明,FTD>FM>FR(P<0.05)(圖2),表現(xiàn)為冬水田-水稻模式的土壤呼吸小于旱作的土壤呼吸。其原因是由于在水稻季田間長期處于淹水狀態(tài),抑制了土壤呼吸作用,導(dǎo)致水稻田的土壤呼吸速率小于旱作環(huán)境[27—29]。將冬水田-水稻模式轉(zhuǎn)為旱作后,富含碳氮的淹水土壤水分減少, 刺激好氧微生物生長,微生物分解的底物豐富,促進(jìn)微生物活動并降解有機(jī)質(zhì),從而使CO2排放顯著增加[24]。研究表明[30—31],土壤水分是影響土壤呼吸的重要因素,土壤含水量在一定范圍時(shí),隨著土壤含水量的增加,土壤呼吸速率相應(yīng)上升,當(dāng)土壤含水量超出這個(gè)范圍時(shí),則會抑制土壤呼吸速率。在本試驗(yàn)的7月—8月間土壤呼吸出現(xiàn)了明顯的波動現(xiàn)象,主要是由于該時(shí)期正值雨季。降雨后土壤含水量增高,透氣性變差,土壤微生物的活動受到一定抑制,降低了旱作系統(tǒng)土壤呼吸速率。從作物季及季后休閑期的總呼吸速率來看,作物季的土壤呼吸速率顯著高于季后休閑期(圖2、3),這主要由于作物季土壤溫度較高和根系生物量增加,土壤微生物活性增加,根源呼吸也十分活躍,進(jìn)而提高了土壤總呼吸速率[3]。

土壤自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸是土壤呼吸的重要組成成分,自養(yǎng)呼吸對土壤呼吸的貢獻(xiàn)變化很大,在整個(gè)生物群落,整個(gè)氣候區(qū)以及不同年份之間在10%到90%之間,導(dǎo)致自養(yǎng)呼吸的時(shí)空變化很大[32—33]。研究表明[19,34]土壤自養(yǎng)呼吸的變化是由土壤溫度、覆蓋作物的光合能力和根系性狀的共變異解釋的,而土壤水分、溫度和土壤碳對異養(yǎng)呼吸的變化有較強(qiáng)的解釋力。本研究發(fā)現(xiàn)冬水田-水稻模式轉(zhuǎn)旱作過程中,土壤自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸均顯著增大,從而增強(qiáng)了土壤總呼吸。其原因是由于冬水田模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹底鬟^程中,土壤濕度減小,溫度升高,土壤微生物活性增強(qiáng),增強(qiáng)了土壤碳的礦化能力,從而增強(qiáng)了異養(yǎng)呼吸[12]。此外,在模式轉(zhuǎn)變過程中,覆蓋作物類型也由原來的C3作物水稻變成了C4作物玉米,光合能力增強(qiáng),溫度升高增強(qiáng)了根系的活性,從而增強(qiáng)了自養(yǎng)呼吸[35]。

3.2 土壤溫度對土壤呼吸及組分的影響

溫度是土壤呼吸速率的主要影響因素之一。研究表明[36—37],土壤溫度主要通過影響土壤微生物代謝和植物根系生長來調(diào)控土壤呼吸通量,土壤溫度能解釋土壤呼吸季節(jié)變化的14%—96%。土壤呼吸與土壤溫度并不是簡單的線性關(guān)系,單一因子模型無法全面的解釋土壤呼吸[38]。大多數(shù)學(xué)者用采用指數(shù)模型,用Q10表示土壤溫度與土壤呼吸的關(guān)系,Q10表示溫度每增加10℃土壤呼吸增加的倍數(shù)。本研究表明,土壤溫度與土壤呼吸及其自養(yǎng)和異養(yǎng)呼吸速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系,3種種植模式的Q10變化范圍為3.7—45.7,并且自養(yǎng)呼吸的溫度敏感性介于異養(yǎng)呼吸和土壤總呼吸之間,這表明土壤異養(yǎng)呼吸隨土壤溫度變化的幅度更大,溫度主要通過影響異養(yǎng)呼吸的變化來調(diào)節(jié)土壤呼吸的變化。前人研究表明,Q10值變化范圍一般在1.3—3.3之間。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大,并且隨著土層的加深,Q10增大。這與趙爽凱等[39]的研究一致,原因可能是在濕地生態(tài)系統(tǒng)中,表層的土壤溫度高于更深土層的溫度,更深層的溫度變化幅度小,很微小的變化就能引起土壤呼吸的劇烈變化。

本研究還發(fā)現(xiàn),異養(yǎng)呼吸比自養(yǎng)呼吸具有更高的溫度敏感性(表3),表明有機(jī)質(zhì)分解比根源呼吸對溫度的變化更為敏感。前人研究[5]表明,溫度升高對自養(yǎng)呼吸沒有顯著影響,但是能顯著影響異養(yǎng)呼吸,這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致。這是由于溫度升高能夠提高土壤微生物和酶的活性,刺激土壤異養(yǎng)呼吸,從而促進(jìn)土壤CO2的排放[40]。關(guān)于異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸溫度敏感性差異,前人的研究結(jié)果存在較大分歧[41]。

3.3 冬水田-水稻種植模式轉(zhuǎn)旱作對農(nóng)田碳匯強(qiáng)度的影響

農(nóng)田土壤固碳在溫室氣體減排中占有重要地位。研究表明[42],農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可以在較短的時(shí)間尺度上對碳庫起調(diào)節(jié)作用。據(jù)估算,中國農(nóng)田土壤固碳潛力占土壤總固碳潛力的20%[43],張宇等[8]研究認(rèn)為不同耕作下小麥田土壤均表現(xiàn)為大氣CO2排放的匯。本試驗(yàn)結(jié)果表明,3種種植模式的生態(tài)系統(tǒng)在作物季均表現(xiàn)為碳匯(表4),說明作物光合作用固定CO2的量高于土壤異養(yǎng)呼吸釋放的CO2量。然而,冬水田-水稻模式轉(zhuǎn)旱作過程中的碳匯強(qiáng)度顯著低于冬水田-水稻模式和冬閑田—玉米模式,主要是種植模式改變導(dǎo)致土壤碳排放量增大,抵消了部分系統(tǒng)凈初級生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)固定的碳,從而導(dǎo)致凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力減小,弱化了系統(tǒng)的碳匯功能。因此,在冬水田種植系統(tǒng)管理過程中,應(yīng)構(gòu)建穩(wěn)定的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),或者在不同種植模式的轉(zhuǎn)變過程中,配置固碳效率高的作物,結(jié)合高效低排栽培管理技術(shù)以實(shí)現(xiàn)碳匯強(qiáng)度的增加。

4 結(jié)論

冬水田-水稻是川中丘陵區(qū)傳統(tǒng)的稻田種植模式,通過與冬水田-水稻模式和冬閑田—玉米模式對比,對冬水田-水稻轉(zhuǎn)旱作的土壤呼吸組分特征和農(nóng)田系統(tǒng)碳平衡進(jìn)行研究,結(jié)果表明,(1)冬水田-水稻轉(zhuǎn)旱作后的土壤呼吸速率(400.67 mg m-2h-1)最大,其累積排放量(9261.23 kg/hm2)也顯著高于冬水田-水稻模式和冬閑田—玉米模式(P<0.05)。冬水田-水稻轉(zhuǎn)旱作后顯著提高了土壤自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸,從而顯著提高了土壤總呼吸速率(P<0.05)。(2)3種種植模式的土壤溫度與土壤呼吸速率均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系,并且對溫度變化較為敏感,其Q10的變化范圍為3.7—45.7,其中FM對溫度變化最為敏感,FR次之,FTD最小,說明冬水田模式轉(zhuǎn)旱作后降低了其溫度敏感性。(3)3種種植模式的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力均為正值,表現(xiàn)為大氣CO2的碳匯,但冬水田-水稻轉(zhuǎn)旱作后,由于異養(yǎng)呼吸顯著增加導(dǎo)致凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力顯著小于冬水田-水稻和冬閑田—玉米模式,呈現(xiàn)出較弱的碳匯。因此,在川中丘陵區(qū)冬水田利用管理中,應(yīng)減少冬水田種植系統(tǒng)盲目轉(zhuǎn)換,要通過碳高效品種及高效低排栽培措施,并構(gòu)建穩(wěn)定的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)冬水田利用方式轉(zhuǎn)換,以達(dá)到固碳增匯的目的。