旱作农田不同耕作土壤呼吸及其对水热因子的响应

2013-12-21张丁辰蔡典雄冯宗会张晓明王小彬

生态学报 2013年6期

张丁辰，蔡典雄，代快，冯宗会，张晓明，王小彬，*

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部作物营养与施肥重点开放实验室，北京 100081;2.北京京诚嘉宇环境科技有限公司，中冶京诚工程技术有限公司，北京 100053;3.农业部旱作节水农业重点开放实验室，北京 100081)

土壤呼吸是土壤碳库向大气碳库输入碳的主要途径［1］。研究表明，土壤碳库0.1%的变化将导致大气圈CO2浓度1 mg/L的变化，从而加剧或减缓全球气候变暖［2］。过去100a间(1906—2005年)全球地面平均温度升高了(0.74±0.18)℃［3］，温度的升高会导致土壤释放出更多的 CO2，进一步加剧气候变暖［4］，已经引起各国政府和科研工作者的高度重视。因此，明确陆地生态系统土壤呼吸变化规律及其影响因素的控制机理对制定温室气体减排政策与正确评估区域碳汇/源效应具有重要意义。陆地生态系统土壤呼吸作用主要有3个特征:土壤呼吸强度、时间变异性和空间变异性［5］。测定不同区域陆地生态系统土壤呼吸速率及其影响因素，明确其时间和空间变异特征，对于全球碳平衡预算、估测及其变化研究是最为基础的数据［6］。因此，必须加强不同区域土壤呼吸过程及其影响因素的研究［6-8］。

陆地生态系统中，森林和草原生态系统土壤呼吸是当前国内外研究重点，两生态系统土壤有机碳储量分别约占全球陆地生态系统土壤有机碳总量的40%和15.5%，是全球碳循环的重要组成部分［9-11］;近几十年来，作为人为干扰最为强烈的农田生态系统被证明也是影响气候变化的主要因素之一［12］。目前，我国农田土壤呼吸方面研究主要集中在黄淮海、东北和长江中下游地区［13-14］，而旱作农田土壤呼吸及其影响因素的研究报道较少，且对土壤呼吸与水热因素之间关系的研究结论存在争议［14-16］。本试验基于农业部寿阳旱作农业试验基地自2003年开始的长期定位试验，测定了传统耕作、少耕和免耕土壤呼吸速率，同步测定了0—10 cm和10—20 cm土壤水分以及5、10cm和15cm土壤温度，分析了春玉米生育期内不同耕作措施下土壤呼吸变化特征，对土壤呼吸与水热两因素之间关系进行了拟合和分析，以期为土壤碳循环过程及其变化机制研究提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验设在半湿润偏旱区的山西省晋中地区寿阳旱农试验站(东经112°—113°，北纬37°—38°)，属中纬度暖温带大陆性季风气候区。该区近10年的平均年降水量为443.8 mm，平均气温7.4℃。试区内大部分土地地势较高，海拔1066—1159 m。试验地选在较平缓、无灌溉条件的旱塬砂质壤土的褐土上，属全年无灌溉雨养地，基础养分含量为有机质 25.7 g/kg，速效磷(P)7.3 mg/kg，速效钾(K)84.0 mg/kg，全氮 1.04 g/kg，无机态碱解氮(NH+4+NO－3)54.0 mg/kg，pH 值为 7.87。

2009年春玉米生育期为4月27日至10月4日，共161 d;2010年春玉米生育期为4月26日至10月12日，共170 d。在春玉米生育期内，2009—2010年分别降水33次和37次，总量分别为359.3 mm和279.3 mm，两年中均为8月份降水量最大(图1)。

1.2 试验设计与管理

本试验为长期定位试验，始于2003年4月份。供试玉米品种为当地优势品种(4月下旬播种，10月中旬收获)，2009—2010年均为晋单48号。试验设3种耕作处理，分别为传统耕作(CT)、少耕(RT)和免耕(NT)。

(1)传统耕作处理，秋收后秸秆移出并耕翻(秸秆残留量约25%)，春播前施化肥并耕翻;

(2)少耕处理，秋收后秸秆还田并配合施化肥及翻耕(秸秆、残茬还田量约90%)，春季免耕播种;

图1 2009—2010年降水量Fig.1 Precipitation in 2009—2010

(3)免耕处理(NT)，秋收后秸秆顺行覆盖(秸秆、残茬还田量约90%)，春季改秸秆垄沟覆盖(垄、沟宽度均为60 cm，垄高、沟深均为5 cm，坡度约10°)，顺垄开5 cm深小槽，点播玉米种子并在两播种点之间穴施化肥。处理小区面积为10 m×5 m=50 m2，重复6次，每年不同耕作处理NP施肥量为105 kg/hm2，肥料为复合肥20-20-0(N%-P%-K%)。

1.3 观测指标与数据处理

1.3.1 土壤呼吸、温度与水分测定方法

采用红外气体分析法测定土壤呼吸速率，测定仪器型号为LI-6400-09(LI-COR，Lincoln，NE，USA)，在玉米播种期(4月底)、苗期(5月份)、拔节期(6月份)、大喇叭口期(7—8月份)、灌浆期(9月份)、成熟期和收获期(10月份)分别选取一天进行土壤呼吸测定，每个处理5—6组重复，具体测定方法详见韩广轩等［17］。每次测定均限定在08:00—10:00点之间，此时土壤呼吸速率最为接近24 h均值［18］。为避免测定土壤受到扰动，每年播种后在各小区内随机放置测定基座后整个生育期内不再移动，测定基座放置在相邻两行的4棵玉米植株之间(免耕处理中，在相邻沟、垄分别放置1个测定基座，记为1组，随机放置3组，土壤呼吸速率取该组的平均值)，插入土壤深度为2 cm，作为气室连接LI-6400的呼吸探头，测定时仪器直接输出结果。

在测定土壤呼吸时采用酒精温度计同步测定当天5、10 cm和15 cm土壤温度;采用经典烘干法测定0—10 cm和10—20 cm土壤水分，以质量含水率(%)表示;降水量采用不锈钢雨量器收集记录。

1.3.2 温度敏感性系数计算方法

土壤呼吸速率随温度变化程度使用温度敏感性系数Q10表示，即温度每升高10℃土壤呼吸增加的倍数［19］，公式［20］为:

式中，y为土壤呼吸速率(μCO2mol·m－2·s－1)，T为土壤温度(℃)，a、b为模拟计算值。

1.3.3 数据分析与处理

采用Microsoft excel 2003进行数据处理和图表制作，土壤呼吸与水热两因子之间关系采用SAS V8中的REG统计程序进行统计分析，各关系方程如下:

土壤呼吸与土壤水分关系方程 y=aW2+bW+c

土壤呼吸与土壤温度关系方程 y=aTb

土壤呼吸与水热因子关系方程 y=a ebTWc，y=a+bT+cW

式中，y为土壤呼吸速率(μCO2mol·m－2·s－1)，W为土壤质量含水量(%)，T为土壤温度(℃)，a、b、c为模拟计算值。

2 结果与分析

2.1 不同耕作处理玉米生育期地表土壤水分、温度

2.1.1 不同耕作处理玉米生育期地表土壤水分变化

土壤水分很大程度上随降水量的变化而变化，图2显示，生育期内土壤含水率波动剧烈，呈波浪形变化趋势，波动程度最大的少耕土壤含水率变化范围为5.6%—23.9%;3种耕作处理之间，免耕土壤含水率最高，其次是少耕土壤，传统耕作土壤最小，2009—2010年生育期内平均土壤含水率(0—20 cm)三者分别为15.7%、13.7% 和 13.5%，前者分别比后两者高出14.8%和17.7%，可见免耕的保水性能最好;不同土层间，0—10 cm与10—20 cm相比，后者土壤含水率均高于前者(图2)。

2.1.2 不同耕作处理玉米生育期地表土壤温度变化

由图3可见，春玉米生育期内，土壤温度呈单峰型变化趋势，峰值出现在7月份;不同土层间，土壤温度随土层的不断加深而逐渐降低;不同处理间，CT、RT和NT土壤0—15 cm平均温度变化范围分别是:4.5—28.5、5.0—28.2和3.3—25.2℃，波动幅度较大，传统耕作和少耕土壤在各土层上均相差无几，但都略高于免耕土壤，在夏季高温时期尤为明显。

图2 春玉米生育期内土壤水分Fig.2 Soil moisture in spring maize growth stage

2.2 不同耕作措施土壤呼吸速率

由表1可见，春玉米生育期内，除2010年7月份土壤呼吸速率略低于2010年6月份外(差异不显著)，土壤呼吸变化趋势基本表现为单峰型，相同处理下各月份土壤呼吸速率差异显著，自5月份开始逐渐升高，至8月份达到峰值，后又逐渐降低;3种耕作处理之间，除2009年8月份、2010年6月份和8月份之外土壤呼吸速率均无显著差异(表1)，CT、RT和NT土壤呼吸速率变化范围分别是 0.50—4.81、1.11—5.44 和 0.40—5.89μmolCO2m－2·s－1，传统耕作与少耕土壤呼吸速率变化趋势基本一致，其中少耕略高于传统耕作，而免耕土壤与前两者相比波动幅度较大;免耕土壤呼吸速率在4月底玉米播种期最小，8月份玉米生长旺季超过传统耕作和少耕土壤达到最大，10月份玉米收获后又降至三者中最低水平;年际间，除2010年8月份免耕土壤呼吸速率与2009年同期相比无明显变化外，其它时期2010年各处理土壤呼吸速率均低于2009年，这可能是2010年土壤含水率(0—20 cm)和温度(0—15 cm)相较2009年均略有降低导致(图2，图3)。

2.3 土壤呼吸与水热因子之间的关系

图3 春玉米生育期内土壤温度Fig.3 Soil temperature in spring maize growth stage

表1 春玉米生育期内不同耕作土壤呼吸速率Table 1 Soil respiration rate under different tillage treatment in spring maize growth stage

图4 春玉米生育期内土壤呼吸与水分的关系Fig.4 Relationship between soil respiration and moisture in spring maize growth stage

基于土壤水分(y=aW2+bW+c)或土壤温度(y=aTb)的单因素模型拟合结果显示，2009年、2010年两年土壤呼吸峰值与水分、温度单因子之间均无显著相关，其余时期土壤呼吸与水热因子表现出了良好的相关关系(图4，图5);基于土壤水分和土壤温度的双因素模型(y=a ebTWc或y=a+bT+cW)拟合结果显示，整个生育期内土壤呼吸和水热因子之间均呈显著相关关系(P＜0.05)，而除土壤呼吸峰值外其他时期土壤呼吸和水热因子相关程度更高。峰值时期作物生长旺盛，土壤微生物代谢活动增强，土壤有机质矿化速率提高［21］，与生育期内其它时期相比上述因素对土壤呼吸的影响作用大幅提高，可能是导致土壤呼吸峰值对水热因子响应程度降低的主要原因，有待于进一步研究论证。为更好的研究其它时期土壤呼吸对水热因子的响应情况，本文对有无峰值两种情况下土壤呼吸与水热因子之间的关系分别做了数据统计分析。

图5 春玉米生育期内土壤呼吸与温度的关系Fig.5 Relationship between soil respiration and temperature in spring maize growth stage

2.3.1 土壤呼吸与水分之间的关系

土壤呼吸和水分之间的拟合方法很多，本试验使用一元二次方程y=aW2+bW+c的拟合效果最好。由图4可见，除峰值时期外其它时期土壤呼吸和水分之间在一定范围内呈现出了良好的“U”型曲线关系，此时土壤水分(0—10 cm)能够解释57%—76%的土壤呼吸季节变化;由图5中土壤呼吸与水分的关系公式可得，当传统耕作、少耕和免耕土壤含水率(0—10 cm)分别小于12.0%、11.4%和14.7%时，土壤呼吸与水分呈显著负相关关系，而分别大于上述三值时土壤呼吸与水分呈显著正相关关系。

不同耕作处理之间，除峰值时期外其它时期，土壤呼吸与水分(0—20 cm)的关系均达到了显著相关(P＜0.05)，其中免耕土壤对水分变化敏感性最高，相关程度表现为免耕＞少耕＞传统耕作;不同土层之间土壤呼吸对0—10 cm土壤水分的响应程度高于10—20 cm土壤，3种耕作0—10 cm土壤呼吸与水分的关系均达到显著水平(P＜0.05)，其中免耕0—10 cm土壤达到极显著水平(P＜0.01)，在10—20 cm土壤上只有免耕处理达到显著水平(P＜0.05)。

2.3.2 土壤呼吸与温度之间的关系

本试验使用y=aTb乘幂方程模拟土壤呼吸与温度的关系效果最好，图5可见，除峰值时期外其他时期，3种耕作土壤呼吸与温度均呈现出了显著相关关系(P＜0.05)，土壤呼吸速率随温度的上升而逐渐增大，土壤温度(15 cm)最高可以解释土壤呼吸变化的67%—82%;不同处理间，免耕土壤呼吸与温度的相关性最高，决定系数最高达到0.82，少耕和传统耕作分别为0.67和0.70;不同土层间，土层越深土壤呼吸与温度的相关性越好，10 cm和15 cm土层均达到极显著水平;国内外学者一般将土壤呼吸速率随温度的变化程度使用温度敏感性系数(Q10)表示，由公式计算可得，除峰值时期外其他时期土壤呼吸对传统耕作、少耕和免耕土壤(15 cm)温度敏感性系数Q10分别为2.02、1.59和2.47。由上可知，3种耕作处理下，免耕土壤呼吸对土壤温度变化最为敏感，其次是传统耕作土壤，少耕土壤最低。

2.3.3 土壤呼吸与水热因子之间的关系

分别使用指数-幂函数y=a ebTWc和线性方程y=a+bT+cW两种模型拟合了土壤呼吸与水热因子之间的关系，其中指数-幂函数能够更好的拟合试验结果。由表2可知，在0—10 cm和10—20 cm土层土壤上，水热因子分别可以解释土壤呼吸变化的66%—83%和81%—87%;不考虑峰值时，水热因子分别可以解释土壤呼吸变化的70%—90%和85%—90%。两模型对无峰值数据拟合结果中R2较有峰值数据拟合结果均有不同幅度的增大，其中线性模型拟合结果变化巨大，说明峰值时期有水分和温度以外的因素对土壤呼吸有较大影响，且均高于水分、温度单因子模型拟合结果，说明水热两因子对土壤呼吸的协同影响作用高于单因子的影响程度。

不同土层间，两种模型拟合结果均显示10—20 cm土壤水热综合状况对土壤呼吸变化的影响高于0—10 cm;不同处理间，水热因子对土壤呼吸的影响程度均达到了显著水平(P＜0.05)，其中传统耕作土壤呼吸速率对水热因子(10—20 cm)的响应程度最高(R2=0.87)，其次是免耕(R2=0.83)，少耕响应程度最低(R2=0.81)，与水分和温度单因子模型拟合结果有明显不同，说明土壤呼吸在水热双因子的协同影响下与只受水分或温度单因子影响具有不同的变化趋势，水热双因子的协同影响机制有待进一步研究。

表2 基于土壤水分(W)和土壤温度(T)的土壤呼吸模型参数Table 2 Parameters of soil respiration models based on soil temperature and soil moisture

3 讨论与结论

3.1 不同耕作土壤呼吸变化规律

众多研究结果显示，土壤呼吸季节变化一般呈现单峰型特点［22-26］，本试验得到相同的结论，虽然出现高峰的时间多有不同，但土壤呼吸的整体变化规律基本一致，峰值出现时间的差异可能由测定时期、地域、土壤类型以及土地利用方式等因素的不同造成。

3.2 土壤呼吸与水热因子之间的关系

本文研究表明，土壤水分和温度是影响土壤呼吸的关键因子，与前人研究结果一致［21-24］;但两年的试验结果均显示，土壤呼吸峰值对土壤水分和土壤温度单因子响应异常，本研究认为在土壤呼吸峰值时期，有水分和温度以外的因素对土壤呼吸起了较大的影响作用，如作物生长、微生物代谢活动等，具体因素仍需要进一步的研究论证。

水热因子对土壤呼吸的协同影响程度高于单因子，最高(10—20 cm土壤)可以解释土壤呼吸季节变化的81%—87%，这与韩广轩［27］、姜艳［28］等的结论相同，韩广轩［27］在锦州玉米农田的研究中指出水热因子可以解释土壤呼吸的87%，姜艳［28］在江西大岗山不同林分土壤呼吸的研究中发现水热因子可以解释土壤呼吸的66%—81%，两者研究结果均显示双因子影响程度高于单因子。

土壤水分对呼吸的影响较为复杂，取决于环境因子的配置状况。Wagai R［29］研究表明土壤呼吸与水分呈正相关关系，但不显著;Wildung R E［30］发现两者呈极显著相关;姜艳［28］指出当杉木林土壤质量含水率小于22.13%时，土壤呼吸与水分呈显著负相关关系，大于22.13%时呈显著正相关关系;本文研究结果与姜艳［28］基本一致，除峰值时期外其它时期土壤水分(0—10 cm)可以解释呼吸的57%—76%，当传统耕作、少耕和免耕土壤含水率(0—10 cm)分别小于12.0%、11.4%和14.7%时，土壤呼吸与水分呈显著负相关关系，大于上述三值时呈显著正相关关系。

在土壤温度对呼吸影响的研究中，马骏［31］在内蒙古农牧交错区的研究中指出不同土地利用方式土壤温度(10—15 cm)在表土层中对呼吸速率的影响最为显著，决定系数为0.66—0.72，刘爽［23］研究了10 cm 土壤呼吸与之温度间的关系，指出传统耕作、秸秆还田和免耕覆盖土壤温度对呼吸的决定系数分别为0.55、0.62和0.77，大量文献表明，土壤呼吸随温度变化的敏感性系数Q10在1.3—3.3之间［6］;本文研究表明，除峰值时期外其它时期传统耕作、少耕和免耕土壤呼吸速率对温度(15 cm)的敏感性系数Q10分别是2.02、1.59和2.47，土壤温度对呼吸的决定系数分别是0.70、0.67和0.82，与前人研究结果一致;同区域结果比较，与刘爽［23］不同耕作土壤温度对呼吸的决定系数之间关系基本一致，均表现出免耕远高于传统耕作和少耕土壤，而后两者差异不大，但其决定系数均小于本文对15 cm土壤的研究结果，由此说明，在本研究区域内土壤呼吸对15 cm土壤温度单因子的敏感性较0—10 cm土壤更高。

3.3 结论

本研究结果得出，在春玉米生育期内，土壤呼吸呈单峰型变化趋势。水热因子是影响土壤呼吸的重要因素，基于水热双因子(10—20 cm土壤)的指数－幂模型最高能够解释土壤呼吸变化的81%—87%(P＜0.01);3种耕作土壤呼吸对水热双因子的协同影响敏感性关系表现为少耕＜免耕＜传统耕作，对水分单因子敏感性关系表现为:传统耕作＜少耕＜免耕，而对温度单因子敏感性关系表现为少耕＜传统耕作＜免耕。峰值时期土壤呼吸的主要影响因素需要进一步研究论证。

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