不同耕作措施对西北绿洲灌区冬小麦农田土壤呼吸的影响

于爱忠，黄高宝，柴强

（甘肃省干旱生境作物学重点实验室 甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州730070）

土壤呼吸是土壤中的微生物、动物、植物部分释放CO2的过程。其在调控大气CO2浓度和气候动态中起着重要作用。土壤呼吸与生态系统生产力、土壤肥力以及全球的碳循环有密切关系［1，2］。农田生态系统在陆地生态系统中占据着重要地位，同时也是受人类活动影响最大的生态系统之一。在农田尺度上，农业生产过程显著影响着土壤生态过程，很多研究结果证明，土壤温度［3］、土壤湿度［4］、土壤微生物状况［5］、氮肥［6］等是影响土壤呼吸的关键因子。近年来，耕作措施对土壤呼吸的影响及其机制成为国内外学者关注的热点。以少免耕、秸秆覆盖为核心技术的保护性耕作措施在减少水土流失［7］，改善土壤环境［8］方面发挥着积极作用。已有研究证明，耕作方式对农田土壤CO2排放具有显著影响，且表现出明显的季节性排放特征［9］。免耕条件下土壤呼吸速率显著低于翻耕和旋耕处理［10］；深耕结合秸秆还田有利于减少农田土壤CO2排放［11］。但这些研究大多探讨了耕作措施下土壤呼吸变化特征，而对其机制的研究较为薄弱。在西北干旱绿洲灌区，不同耕作措施下土壤呼吸研究甚少，影响了区域内不同土壤耕作措施生态效应的系统评价。本研究在多年定位试验的基础上探讨了冬小麦农田土壤呼吸对不同耕作措施的响应和对土壤水热因子的敏感性，以期为区域内发展生态保护型农作制模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2008年9月－2009年7月在甘肃省武威市凉州区黄羊镇甘肃农业大学教学实验场的多年定位试验（始于2004年）上进行。该地区位于甘肃河西走廊东端（37°30′N，103°5′E），属冷温带干旱区，是典型的大陆性气候，日照充足，平均海拔1 776m，降水年际变化不大，但季节变化较大，多年平均降水量160mm左右，主要集中在7－9月份，冬春季干旱，降水无法满足作物生长的需要。年蒸发量2 400mm，干燥度5.85，年平均气温7.2℃，1月最低平均气温－27.7℃，7月最高平均气温34.0℃，≥0℃年积温3 513.4℃，≥10℃年积温2 985.4℃。全年无霜期156d，年日照时数2 945h。土壤以荒漠灌淤土为主，粉沙壤质，土层深厚。试验布设前耕层（0～30 cm）速效氮、速效磷、速效钾含量分别为64.42，3.06和243.08mg／kg，有机质含量为15.70g／kg，土壤容重为1.08g／cm3。

1.2 试验设计

田间试验采用随机区组设计，设置3个处理，3次重复。小区长27m，宽4m。试验处理为：1）传统耕作处理（T）：前茬作物收获后深耕（25cm）灭茬、耙耱整平；不覆盖。2）免耕不覆盖处理（NT）：前茬作物收获后免耕，不覆盖。3）免耕秸秆覆盖处理（NTS）：前茬作物收获后免耕并将秸秆切碎为5cm长度覆盖。秸秆覆盖量为6 750 kg／hm2。

试验冬小麦（Triticumaestivum）品种为甘肃省张掖市农业科学研究所引进的强冬性品种繁13，净度98%，发芽率95%，纯度96%。2008年9月18日用甘肃农业大学工学院研制的免耕覆盖施肥播种机播种，播量337.5 kg／hm2，行距15cm，播深6cm。基肥施肥量为施纯N 192kg／hm2、P2O5138kg／hm2，折合磷二铵300kg／hm2，尿素300kg／hm2。拔节初期结合灌水追施磷酸二铵150kg／hm2，尿素225kg／hm2；抽穗期结合灌水追施磷酸二铵45kg／hm2，尿素75kg／hm2。试验期间灌越冬水1 800m3／hm2、拔节水1 200m3／hm2、抽穗水1 050m3／hm2和灌浆水900m3／hm2，全生育期灌水量为4 950m3／hm2。3个处理播种、施肥、灌水同步进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤呼吸速率 采用CFX－2土壤CO2通量系统（PP SYSTEM，Amesbury，Hitchin）测定。日变化分别在冬小麦返青至成熟期的前、中、后期测定，每次观测从8：00开始至次日6：00，每隔1h测定1次，每小区随机选择观测点，重复3次；生育期变化分别于3月28日（返青期）、4月19日（拔节期）、5月10日（孕穗期）、6月3日（开花期）、6月21日（灌浆期）和7月11日（成熟期）测定，每次测定从8：00－18：00，每隔1h测定1次，连续观测3d，求平均值作为该生育时期土壤呼吸速率。

1.3.2 土壤温度 测定土壤呼吸的同时，采用曲管地温计观测每小区5，15和25cm深处的土壤温度。

1.3.3 土壤含水率 测定土壤呼吸生育期变化的同时，采用烘干法［12］测定每小区0～10，10～20和20～30cm

土壤含水率，0～30cm的土壤含水率为以上3个层次的平均值。

1.4 计算和数据分析

统计分析均采用SPSS 13.0完成。土壤呼吸过程的敏感性采用Q10来描述，它是温度每增加10℃土壤呼吸速率增加的倍数。当温度和土壤呼吸之间的关系用指数函数拟合时，Q10就可以用式（1）［13］估算出来：

式中，b为温度响应系数。

2 结果与分析

2.1 不同耕作措施下土壤呼吸的日变化和生育期动态变化

一般地，1d之内，早晨土壤呼吸随着土壤温度的升高而增加，在中午或半下午时达到高峰，下午和整个夜间都随温度的降低而下降［14］。本研究结果表明（图1，2），3种耕作措施土壤呼吸速率存在明显的变化规律，均呈单峰曲线，且免耕秸秆覆盖（NTS）峰值出现时间滞后于免耕不覆盖（NT）和传统耕作（T）处理。以冬小麦返青期土壤呼吸速率日变化为例（图1），NTS处理峰值出现在15：00，达到1.49μmol／（m2·s），而NT和T处理峰值均出现在14：00，分别达到1.42和1.55μmol／（m2·s），3种耕作措施最低值均出现在4：00－5：00，各处理22：00至次日6：00无明显差异。不同耕作措施土壤呼吸速率冬小麦生育期动态变化结果表明（图2），3种耕作措施土壤呼吸速率存在明显变化规律，也呈单峰曲线，各处理峰值均出现在冬小麦开花期（6月3日），NTS、NT和T处理土壤呼吸速率分别达到2.72，1.52和2.20μmol／（m2·s），说明各处理土壤呼吸速率的峰值均出现在冬小麦生长的旺盛时期。

2.2 不同耕作措施下土壤呼吸速率的影响

不同耕作措施土壤呼吸速率日变化及生育期变化均值结果表明（图3），无论是土壤呼吸日变化均值还是生育期动态变化均值，NT处理土壤呼吸速率显著低于NTS和T处理（P＜0.05）。对土壤呼吸日变化均值而言，NTS和T处理分别较NT处理高14.13%和9.68%；对土壤呼吸生育期均值动态变化而言，NTS和T处理分别较NT处理高43.01%和33.33%。这主要是因为免耕结合秸秆还田，显著增加了土壤有机质含量［15］，使有机质分解释放的CO2对土壤呼吸的贡献增加；T处理中，由于机械的翻耕作用改善了土壤耕层通透性，加速了土壤有机质的分解，进而提高了土壤呼吸速率。

图1 不同耕作措施土壤呼吸速率日变化Fig.1 Diurnal variations of soil respiration rate under different tillage

2.3 不同耕作措施下土壤呼吸对土壤温度和湿度变化的敏感性

在农田生态系统尺度上，土壤呼吸和温度之间的关系可以用指数函数、线性函数、二次函数和幂函数等形式表达［16］。而土壤湿度对土壤呼吸的直接影响是通过影响根和微生物的生理过程，对土壤呼吸的间接影响是通过影响呼吸底物和氧气的扩散［2］。本研究中采用指数函数（Rs＝aebT）拟合了不同耕作措施下土壤呼吸速率（Rs）与土壤温度（T），并通过指数函数中的参数b计算了土壤呼吸对土壤温度的敏感性（Q10）。结果表明，3种耕作措施土壤呼吸速率与5cm处的土壤温度呈显著的正相关关系（P＜0.01），而与15和25cm处土壤温度相关不显著。不同处理土壤呼吸（Rs）与5cm处土壤温度（T）拟合方程及土壤呼吸对土壤温度的敏感性（Q10）如表1所示。3种耕作措施下土壤呼吸速率很大程度上决定于土壤温度（5cm），土壤温度解释了土壤呼吸速率日变化的78.15%～96.60%。3种耕作措施下土壤呼吸对土壤温度的敏感性依次为NT＞NTS＞T，敏感性（Q10）在1.93～3.00。采用抛物线拟合了不同耕作措施土壤呼吸速率（Rs）与耕层（0～30cm）土壤含水率（θ）之间的关系，结果表明（表2），3种耕作措施下土壤呼吸对土壤含水量不敏感，其中，以传统耕作表现最不敏感，土壤含水量仅解释了土壤呼吸季节变化的15.31%～25.26%。说明在西北绿洲灌区，不同耕作措施条件下，土壤呼吸对土壤湿度变化不敏感。

图2 不同耕作措施土壤呼吸速率生育期变化Fig.2 Dynamics of soil respiration rate under different tillage during growth period

图3 不同耕作措施土壤呼吸速率日变化和生育期变化均值Fig.3 Average rate of diurnal and seasonal soil respiration under different tillage

3 讨论

3.1 不同耕作措施对土壤呼吸的影响

许多研究结果表明，土壤呼吸表现出很强的日变化和季节变化规律，韩广轩和周广胜［17］总结了国内外一些研究结果，发现土壤呼吸作用的日变化多呈单峰型曲线。刘爽等［14］在山西寿阳地区研究得出，土壤呼吸速率日变化峰值出现在11：30－13：30，季节峰值出现在7月上旬至中旬；邓爱娟等［18］在华北平原研究认为冬小麦农田土壤呼吸日变化峰值出现在12：30－14：30。林同保等［19］研究认为冬小麦各生育时期CO2通量日变化均呈倒“U”型。本研究得出，3种耕作措施下冬小麦农田土壤呼吸日变化和冬小麦生育期变化呈明显的单峰曲线，日变化峰值出现在14：00－15：00，生育期变化峰值出现在6月上旬。由此说明不同生态背景下，农田土壤呼吸变化峰值基本出现在中午或午后，而季节变化峰值则出现在气温相对较高也是作物生长旺盛的夏季。

表1 不同处理土壤呼吸速率（Rs）与土壤温度（T）拟合方程及土壤呼吸对土壤温度的敏感性（Q10）Table 1 Fitted equation of soil respiration rate（Rs）with soil temperature（T）and temperature sensitivity of soil respiration rate（Q10）

表2 不同处理土壤呼吸速率（Rs）与土壤含水率（θ）拟合方程Table 2 Fitted equation of soil respiration rate（Rs）with soil water content（θ）

张宇等［9］研究认为耕作方式对冬小麦农田土壤CO2排放具有显著影响；江晓东等［10］研究认为翻耕条件下农田土壤呼吸速率显著高于免耕。本研究比较了免耕秸秆覆盖、免耕不覆盖和传统翻耕条件下冬小麦农田土壤呼吸速率，发现无论是土壤呼吸日变化均值还是季节变化均值，免耕秸秆覆盖和传统耕作条件下土壤呼吸速率均显著高于免耕不覆盖处理，这说明秸秆覆盖或翻耕均能增加土壤碳排放。这主要是因为免耕秸秆覆盖处理中秸秆还田增加了土壤有机质含量，使有机质分解释放的CO2对土壤呼吸的贡献增加，而对于传统耕作而言，由于机械的翻耕作用改善了土壤耕层通透性，加速了土壤有机质的分解，进而提高了土壤呼吸速率。

3.2 土壤呼吸对土壤水热因子的敏感性

土壤呼吸受许多因子的交互影响，尽管很难将它们的作用区分开来。土壤温度和湿度作为2个影响土壤呼吸的主要因子，Raich和Schlesinger［20］总结前人研究结果发现土壤呼吸对温度的敏感性值（Q10）一般在1.3～3.3变化。Philip等［4］研究认为，传统耕作中土壤CO2通量与表层（6.5cm）土壤含水率显著相关。本研究发现，3种耕作措施下土壤呼吸对土壤温度（5cm）的敏感性值（Q10）在1.93～3.00，这与Raich和Schlesinger［20］的研究结果一致；同时江晓东等［10］研究也认为翻耕、旋耕、耙耕和免耕4种土壤耕作模式中土壤呼吸速率与5cm土壤温度的相关性最大。不同耕作措施对温度的敏感性依次为免耕不覆盖＞免耕秸秆覆盖＞传统耕作，这一结果与代快等［21］的研究结果一致。很多野外测量结果表明，土壤湿度只有在最低或最高的情况下才会抑制土壤CO2通量［2］。从本研究结果来看，3种耕作措施下土壤呼吸速率对土壤湿度均不敏感，说明在此研究条件下，土壤水分尚未达到影响土壤呼吸的阈值。有关作物根系时空分布、土壤有机质、土壤空隙对农田土壤呼吸的影响及其机制有待进一步深入研究。

4 结论

在西北绿洲灌区，免耕秸秆覆盖、免耕不覆盖和传统耕作措施下冬小麦农田土壤呼吸日变化峰值出现在14：00－15：00，生育期变化峰值出现在6月上旬。从冬小麦返青至成熟，免耕秸秆覆盖和传统翻耕处理土壤呼吸平均速率分别较免耕不覆盖处理高43.01%和33.33%。土壤湿度对冬小麦农田土壤呼吸影响不显著，不同耕作措施下土壤呼吸主要受土壤温度的控制。

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