地膜覆盖结合秸秆深埋条件下盐渍土壤呼吸及其影响因素

霍 龙， 逄焕成， 卢 闯， 赵永敢， 李玉义

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

地膜覆盖结合秸秆深埋条件下盐渍土壤呼吸及其影响因素

霍 龙， 逄焕成， 卢 闯， 赵永敢， 李玉义*

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

【目的】研究土壤呼吸排放特征及其影响因素是评价土壤碳平衡的基础。本课题组前期研究发现在地表下35～40 cm处埋设作物秸秆隔层结合地表地膜覆盖，具有明显的耕层控抑盐效果。但由于秸秆隔层结合地膜覆盖调控土壤微环境，可能影响土壤CO2的排放。然而，相关研究特别是基于野外试验的研究还比较缺乏，不利于正确评价该技术措施的综合效应。为此本研究拟通过相关试验揭示不同耕作方式对河套灌区盐渍化土壤呼吸的影响。【方法】本文以位于河套灌区实施秸秆深埋三年后的典型盐碱地农田为研究对象，观测研究地膜覆盖结合秸秆深埋条件下盐渍化土壤呼吸及温度、水分、盐分、有机质等影响因素的动态变化。该研究主要分析翻耕(CK)、翻耕结合地膜覆盖(PM)、上盖地膜下埋秸秆(PM+SL)和秸秆深埋(SL)4 种耕作措施下盐渍化土壤呼吸速率的动态变化及其与影响因素的关系。【结果】 1)4 种耕作方式的土壤呼吸速率在食葵全生育期内均呈降低趋势，PM+SL处理在整个生育期内土壤呼吸速率最高，PM次之，SL处理呼吸速率仅在蕾期较CK略高，其余时期与CK基本持平，在盛花期、成熟期10: 00和15: 00两个关键时间点各处理间土壤呼吸值同样表现为: PM+SL>PM>SL>CK；各耕作方式0—40 cm土壤温度变化趋势保持一致，仅在收获期出现差异；PM+SL处理0—40 cm土壤含水量在所有处理中均为最低值，但其在控盐和增加有机质上明显优于其它处理；2)土壤呼吸速率与0—40 cm土壤温度呈极显著的正相关关系(P<0.01)，与0—40 cm土壤水分、盐分、有机质含量无相关性。拟合方程显示盐渍化土壤呼吸受土壤温度、水分、盐分的综合效应影响。【结论】干旱区域盐渍化土壤的呼吸速率受土壤温度、水分、盐分等因素的综合影响，在该区域通过上盖地膜下埋秸秆等相应措施起到保温抑盐效果的同时，可增强食葵根系生长以及微生物的代谢活动。

秸秆深埋； 地膜覆盖； 土壤呼吸； 食葵； 盐渍土

内蒙古河套灌区是我国盐渍土面积较大的区域之一，全灌区盐碱耕地面积约为39.4万公顷，占总耕地面积68.65%[10]，开发潜力较大。本课题组前期研究发现，在地表下35～40 cm处埋设作物秸秆隔层结合地表地膜覆盖，具有明显的耕层控抑盐效果，并显著促进了作物生长，提高了作物产量[11-12]。目前该技术措施在当地得到了广泛认可，对于进一步改良盐碱地具有重要意义。但秸秆隔层结合地膜覆盖由于调控土壤微环境影响微生物活性，进而可能影响土壤CO2的排放。然而，相关这方面研究特别是基于野外试验的研究还比较缺乏，不利于正确评价该技术措施的综合效应。本文将以位于河套灌区实施秸秆深埋3年后的典型盐碱地农田为研究对象，研究地膜覆盖结合秸秆深埋条件下盐渍化土壤的呼吸及其影响因素，为该区域制定科学有效的盐渍化土壤改良与碳调控管理措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

于2013年5～9月，试验在内蒙古五原县新公中镇永联村义长灌域管理局试验站进行(41.07°N、108.00°E，海拔1022 m)。该地属于中温带季风气候，全年日照时数3263 h，年均温6.1℃，≥10℃的积温3362.5℃，无霜期117～136 d。年蒸发量较大，蒸降比较高，冬春季土壤盐分表聚现象严重。试验区0—100 cm层土壤为粉砂壤土，按盐土分类为氯化物-硫酸盐土，平均容重为1.45～1.50 g/cm3，生育期内地下水埋深变幅为1.10～1.70 m。2013年试验区总降水量为103.8 mm，食葵生育期内总降水量为61.8 mm，约占全年降水量的59.54%。试验区域0—40 cm土壤理化性状详见表1。

表1 试验区域土壤理化性状

Table 1 Basic physico-chemical properties of the experimental soil

1.2 试验设计

试验在田间微区进行，微区面积为3.24 m2(1.8 m×1.8 m)，随机区组排列。微区于2010年10月修建，先将各微区四周开槽深挖至1 m，用双层塑料布阻隔，使微区间互不影响，中间再用土填实空隙。每个微区上部四周用40 cm×60 cm混凝土预制板围砌(外露20 cm、下埋40 cm)，然后将露出部分用水泥硬化。微区内土壤没有扰动，40—100 cm土层盐分相对一致，为保证微区表层土壤盐分基本一致，将各微区0—20 cm土层盐分通过人工方法均调到0.4%。具体方法如下: 2010年秋浇前，每个微区均取0—20 cm土层8个点土样混合，并测定其盐分值作为微区土壤盐分基础值，然后根据0—20 cm土层盐分基础值和目标值(0.4%)，添加盐结皮(结皮盐分类型和含量经混匀后完全一致)，所加盐全部均匀撒在地表并用耙挡平。

试验设翻耕(CK)、翻耕结合地表覆盖地膜(PM)、地表覆盖地膜结合秸秆深埋(简称上膜下秸，PM+SL)和秸秆深埋(SL)4个处理，每个处理重复3次。由于食葵根系生长主要分布在40 cm以上土层，为不影响到土壤耕作作业，PM+SL和SL处理均在距地表40 cm深处埋设秸秆层，CK和PM处理不埋设秸秆层。秸秆埋设前先将微区土壤用铁锹按0—20 cm和20—40 cm层次取出，然后把约10 cm长的玉米秸秆均匀铺设在地下，铺设厚度5 cm(压实前厚度)，合1.2 kg/m2，最后将土壤按原层次回填。试验布置完毕，立即进行秋浇压盐，每个微区灌溉定额均为0.60 m3(合1850 m3/hm2)，用黄河水(矿化度为0.58 g/L)灌溉，用水表计量。2011～2013年连续三年种植作物，供试作物均为食葵(HelianthusAnnuus)，品种为LD5009。期间PM+SL和SL处理均没有进行秸秆深埋。

2013年5月18日对微区进行春季定额灌溉，灌水量为1850 m3/hm2，水源为黄河水。播前2 d进行人工耕翻，深度约20 cm。耕翻后松土施肥，所施肥料为尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含N 18%、P2O546%)、硫酸钾(含K2O 50%)，用量分别为N 180 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，均作为底肥一次性条施，用松土将肥料盖住。此后进行地表覆盖，其中，CK和SL处理地表不覆盖，PM和PM+SL处理地表用地膜分两行覆盖，膜间距20 cm，膜间地表裸露。6月3日播种，人工点播，每微区4行，每行3株，穴距45 cm，行距60 cm，种植密度约37000株/hm2。食葵生育期内不再进行灌水和施肥，其它管理措施与当地农户一致。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤呼吸速率的测定 土壤呼吸速率的测定方法为动态密闭气室法，测定仪器为Li-6400(LI-COR，Lincoln，NE，USA)。播种后在每个微区内随机选取1个样点，共设置12个土壤呼吸速率圈(直径10 cm、高8 cm，嵌入土壤中约5 cm)，其中地表覆膜处理呼吸速率圈放置在棵间铺设地膜处。测定前，将呼吸圈内的杂草等杂物清除，经过24 h平衡后开始测定，每次每点测定读数10次。2013年7月至9月，在食葵蕾期(8月4日)、盛花期(8月16日)、成熟期(9月1日)和收获期(9月16日)进行土壤呼吸速率测定，测定时间均为上午9: 00～11: 00。

1.3.2 影响因素的测定 土壤呼吸速率测定的同时，用自制不锈钢土钻在各微区两行食葵之间取0—40 cm土样(有地膜覆盖的处理在膜下取样),分5层，0—10 cm分为0—5、 5—10 cm两层，其余每10 cm一层，带回实验室用烘干法进行土壤水分含量测定，为质量含水量；土样烘干后磨碎，过2 mm筛，以1 ∶5的土水比提取土壤溶液上清液，用电导率仪(DDS-307)测定土壤电导率，根据公式[13]计算出土壤盐分含量:

土壤盐分含量(g/kg)=电导率×0.064×5×10/1000。

使用温度数据记录仪(ZDR-41，杭州泽大仪器)自动记录食葵生育期内0—40 cm土层温度，播种前埋入相应土层，每小时记录一次实时温度。

分别于蕾期、盛花期、成熟期和收获期等关键生育时期土壤呼吸测定后，取0—40 cm 层土壤样品，每10 cm一层，带回实验室自然风干，粉碎过筛后，分别采用重铬酸钾容量法[14]测定土壤有机质。

1.4 数据处理

试验数据均用Excel作图，DPS v6.85版进行统计分析，单因素方差分析采用LSD法，SPSS 18版进行线性逐步回归方程构建。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式下盐渍化土壤呼吸的变化特征

2.1.1 生育期变化特征 由图1可知，食葵生育期内各处理土壤呼吸速率变化范围为4.11～18.64 μmol/(m2·s)，随着生育期的延续，各处理的土壤呼吸速率值均呈现逐渐下降趋势，最大值出现在蕾期，最小值出现在收获期。其中，在食葵蕾期(8月4日)、盛花期(8月16日)和成熟期(9月1日)，PM+SL处理平均土壤呼吸速率均显著高于其它三个处理；在收获期(9月16日)，PM+SL处理土壤呼吸值也显著高于SL和CK处理，但与PM处理间没有显著差异。PM处理土壤呼吸速率仅在食葵盛花期与SL和CK处理有显著差异。SL处理土壤呼吸速率在各时期与CK均没有显著差异。

在全生育期内，PM+SL处理平均土壤呼吸速率较CK提高97.24%～113.85%，PM处理较CK增幅为37.90%～77.20%，而SL处理较CK增幅仅为2.01%～21.78%。

[注(Note): 方柱上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different letters above the bars indicate a significant difference between the treatments(P<0.05).CK—翻耕对照Deep tillage without mulching; PM—地膜覆盖 Plastic film mulching; PM+SL—上膜下秸 Buried straw layer at 40 cm depth plus plastic film mulching; SL—秸秆深埋 Buried straw layer at 40 cm depth without mulching.]

2.1.2 关键时间点变化特征 选择食葵关键生育阶段内的盛花期和成熟期，进行土壤呼吸关键时间点变化比较(图2)，分析发现，在10: 00和15: 00 两个时间点各处理间土壤呼吸值的变化趋势均保持一致，即表现为: PM+SL>PM>SL>CK，且15: 00的土壤呼吸值测量数据均高于10: 00。其中PM+SL、 PM两处理两个时期15: 00的土壤呼吸值较10: 00增幅达13.23%～22.91%，这是由于当地15: 00气温高于10: 00，而地膜的覆盖明显更利于土壤积温，进而导致短时间内土壤呼吸速率大幅度的提升；而SL、CK两个处理在15: 00和10: 00两个时间点的土壤呼吸值均没有显著差异。

2.2 影响土壤呼吸速率的因素分析

2.2.1 土壤温度 由图3A可知，在食葵蕾期、盛花期、成熟期各处理的0—40 cm平均土壤温度变化范围为23.03～18.62℃，呈下降趋势，且各处理间没有显著差异。至收获期，尽管气温继续降低，但由于PM与PM+SL处理地表覆盖地膜使土壤温度较前期有所升高，其中PM处理土壤温度达到19.90℃，但与PM+SL处理间没有显著差异，而与CK和SL处理之间差异显著；CK与SL处理土壤温度则继续降低。

[注(Note): 方柱上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different letters above the bars indicate a significant difference between the treatments(P<0.05).CK—翻耕对照 Deep tillage without mulching; PM—地膜覆盖 Plastic film mulching; PM+SL—上膜下秸 Buried straw layer at 40 cm depth plus plastic film mulching; SL—秸秆深埋 Buried straw layer at 40 cm depth without mulching.]

2.2.2 土壤水分 由图3B可知，食葵生育期内各处理0—40 cm土壤含水率的变化范围在16.72%～20.69%。其中，CK与SL处理仅在蕾期同时呈现最高的土壤含水率，略微上升后便开始下降，且CK的下降幅度更大；PM处理在盛花期开始呈现最高的含水率，直到收获期依然最高；PM+SL处理由于秸秆隔层对毛管水的阻断和根系的吸水，导致0—40 cm土壤含水率变化范围为16.72%～18.25%，在各时期中均为最低值，较CK、PM和SL分别减少13.55%、17.05%和16.22%。

2.2.3 土壤盐分 由图3C可知，食葵生育期各处理0—40 cm土壤平均盐分含量整体呈现下降趋势。全生育期CK处理0—40 cm盐分平均含量最高，分别比PM、PM+SL、SL处理高57.31%、82.24%、19.41%；各生育期内PM+SL处理盐分含量变化范围为1.67～3.15 g/kg，均为最低值，并在全生育期内与CK、SL差异显著；PM处理盐分含量在蕾期、盛花期和成熟期与PM+SL处理差异不明显，但收获期显著高于PM+SL处理；SL处理由于地表没有覆盖，除蕾期外，其他时期土壤盐分值与CK之间没有显著差异。2.2.4 土壤有机质 食葵生育期内各处理0—40 cm土壤有机质含量无显著变化(图3D)，而每个时期各处理间的有机质含量排列趋势均呈现为: PM+SL>SL>CK>PM。其中蕾期PM+SL有机质含量较CK、PM和SL分别高出16.15%、33.31%和5.96%，收获期较CK、PM和SL分别高出22.24%、34.99%和20.59%。在每个时期内PM与PM+SL处理土壤有机质含量差异显著，而CK与SL差异不显著，并且二者仅在盛花期和收获期与PM+SL处理间差异达到显著水平。

2.3 土壤呼吸速率与其影响因素的关系

表2表明，影响土壤呼吸速率的4个因素中，只有0—40 cm土壤平均温度与土壤呼吸速率呈极显著的正相关关系(P<0.01)，而与土壤水分、盐分、有机质含量无相关性。土壤有机质含量与土壤温度、水分、盐分均呈负相关关系，其中与土壤水分呈极显著负相关(P<0.01)。

基于上述土壤呼吸速率与0—40 cm土壤温度、水分、盐分等因素的相关性分析，运用多元线性回归法，将不同处理土壤呼吸速率(Y)与土壤水分(X1)、土壤温度(X2)、土壤有机质(X3)、土壤盐分(X4)进行回归分析，得出如下回归方程(表3)。 多元线性回归方程显示，与土壤呼吸速率呈极显著正相关(P<0.01)的土壤温度所构建的一元线性方程只能解释39.3%的相关数据，土壤温度与土壤水分建立的二元线性方程，较单因子方程能更好解释土壤呼吸速率的变化(R2=0.686)。在构建方程中加入土壤盐分指标后，其回归方程解释能力更强，可解释82.3%的土壤呼吸速率，代表性更强。

3 讨论

3.1 土壤呼吸速率变化

从土壤呼吸生长季变化和关键时间点变化来看，PM+SL处理土壤呼吸速率显著高于CK、PM和SL处理，主要原因可能有两方面: 一是试验田于2010年9月进行过土壤耕翻并在PM+SL处理40 cm土层埋设秸秆层，本研究进行时，秸秆层已埋设三年，基本完全腐烂于土壤中，增加了底物供给[15]，为土壤微生物提供了充足碳源，进而使土壤呼吸速率发生变化；二是PM+SL处理由于地膜覆盖和秸秆隔层的综合作用改善了0—40 cm土层微生态环境，进而促进了作物根系生长和微生物繁殖，从而产生较强的土壤呼吸速率。随着生育期的延续，各处理的土壤呼吸速率均呈现走低趋势，原因是随着时间的延续土壤温度出现下降，作物根系代谢活动有所减弱。各处理中，PM处理的呼吸速率值在各时期内排在第二位，均高于SL处理，另外PM+SL与PM处理的土壤呼吸速率均在10: 00和15: 00两个时间点上达到差异显著水平，进一步证明地膜覆盖造成的土壤温度升高等作用对土壤呼吸速率的影响较大。

[注(Note): 方柱上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different letters above the bars indicate a significant difference between the treatments(P<0.05).CK—翻耕对照 Deep tillage without mulching; PM—地膜覆盖 Plastic film mulching; PM+SL—上膜下秸 Buried straw layer at 40 cm depth plus plastic film mulching; SL—秸秆深埋 Buried straw layer at 40 cm depth without mulching.]

注(Note): *表示显著相关Indicates significant correlation; **表示极显著相关Indicates extremely significant correlation.

3.2 土壤呼吸速率的影响因素

土壤呼吸速率与土壤温度呈极显著的正相关关系(P<0.01)，这与王忠媛等[16]在干旱区盐碱土的研究结论以及Reth等一些学者[17-18]的研究结果吻合，证明在该区域温度是影响土壤呼吸速率最主要的因素。土壤呼吸速率与土壤水分相关性不显著，这与刘爽等[19]关于土壤水分与土壤呼吸速率呈显著正相关的结论不一致，原因可能是该区域地下水位较高(1～1.2 m)，活动频繁，下层土壤含水率高，埋设的秸秆隔层对毛管水向上运移产生了阻断作用，造成呼吸速率偏高的PM+SL处理0—40 cm土层土壤含水率较低，从而形成负相关关系(P>0.05)。土壤盐分对于土壤呼吸速率产生负向影响，这与元炳成等[20]在土壤基础呼吸与土壤溶液电导率之间呈显著负相关的结果类似，路海玲[21]也发现在棉花生育期内随着盐浓度的升高土壤呼吸速率呈显著降低趋势，原因是土壤盐分升高不利于土壤微生物的存活和根部发育，对于微生物代谢及根系生长均产生不利影响，进一步影响土壤呼吸作用。土壤有机质与土壤呼吸速率呈正相关关系(P>0.05)，这与耿远波等[22]的研究结果一致，证明秸秆隔层等增加土壤有机质含量的措施会增加土壤呼吸速率。而土壤有机质与盐分的负相关关系证实盐分的增加不益于土壤有机质的积累，盐分含量过高同时也抑制作物生长，造成根系等凋落物减少，进而影响土壤有机质积累。由此可见，土壤温度、水分、盐分与有机质含量均呈负相关，说明土壤温度、水分和盐分增高不利于土壤有机质的积累，三者相互协调促进或抑制有机质的分解，从而影响土壤呼吸速率。

三元回归方程较其他方程能解释更多关于土壤呼吸速率的数据，这一结果表明除土壤水分和土壤温度外，在盐渍区这一特殊典型区域盐分含量也明显影响到土壤的CO2释放。回归方程的建立，进一步说明影响盐渍化土壤呼吸速率的影响因素之间存在交互作用，而本研究中土壤有机质并未直接参与回归方程的构建，说明0—40 cm土壤有机质含量对于土壤呼吸速率影响较其他几个因子小，该结果与王丙文等[23]关于秸秆还田冬小麦土壤呼吸速率的研究结果一致。表明该干旱区域盐渍化土壤的呼吸速率受土壤温度、水分、含盐量等因素的综合影响，相应措施形成的保温控盐作用对于作物根系生长和微生物代谢意义重大。当然，土壤呼吸速率对水分、温度、有机质、盐分的敏感性和响应程度受土壤质地的影响，不同区域和不同试验条件下得出的各因素对其的相对重要性并不一致。

本研究受到盐渍化土壤盐分含量变化的特殊条件影响。也有研究表明盐分含量的升高对微生物群落的活性具有显著抑制作用[21]，而微生物活性在影响土壤呼吸的同时又进一步影响作物根系的代谢和生长，有报道显示植物根系的呼吸通常占土壤呼吸的50%左右[24]。因此，在下一步研究中，需要继续探讨盐渍土土壤微生物呼吸和植物根系呼吸等在不同处理条件下对土壤呼吸的贡献。

4 结论

1)不同耕作措施对土壤呼吸速率及其影响因素作用较大，PM+SL处理在整个生育期内土壤呼吸速率值最高，该处理在控盐效果和有机质提高上明显优于其它处理，PM在全生育期土壤呼吸速率仅次于PM+SL处理，SL的呼吸速率与CK基本持平。在食葵盛花期和成熟期，在10: 00和15: 00两个不同时间点各处理间土壤呼吸值的变化趋势表现为: PM+SL>PM>SL>CK。

2)本研究中土壤呼吸速率与0—40cm土壤平均温度呈极显著的正相关关系。拟合方程显示对该地区盐渍化土壤呼吸造成影响的是土壤温度、土壤水分和土壤含盐量三者综合效应。因此在该区域通过PM+SL等相应措施起到保温抑盐效果的同时，可增强食葵根系生长以及微生物的代谢活动。

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Effect of plastic mulching along with deep burial of straw on dynamics of salinized soil respiration and its affecting factors

HUO Long, PANG Huan-cheng, LU Chuang, ZHAO Yong-gan, LI Yu-yi*

(InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)

【Objective】 Characteristics and affecting factors of soil respiration are basis of soil carbon balance. The preliminary research found that burying straw layer under 35-40 cm below the surface along with plastic mulching at the surface made a obvious effect of controlling salinity. At the same time, this treatment could affect soil micro-microbial activity and then affect soil CO2emission. However, the relevant research in this area is still lacking, especially based on field trial, which could affect the evaluation of the combined effect of this treatment. Therefore, this study is to reveal how different tillage treatments affect saline soil respiration. 【Method】 Taking typical saline farmland with buried straw layer for three years in Hetao Irrigation District as the study object, this trial was to study the effect of different tillage measures, including conventional tillage(CK), conventional tillage plus plastic mulching(PM), plastic mulching plus straw layer burial(PM+SL)and deep burial of straw layer(SL), on dynamic changes of saline soil respiration and its impact factors and the relationship among them. 【Results】 1)Soil respiration rates in all tillage treatments showed a decreasing trend in the sunflower growth period, the PM+SL had the highest one in the whole growth period and the PM was the second, while the respiration rate of SL was similar to that of CK except with a higher rate at the bud stage. Meanwhile, at 10: 00 and 15: 00 of the flowering and mature stage, the respiration values were: PM+SL> PM > SL> CK. The average soil temperature in 0-40 cm had a same trend, and the differences among all tillage methods only appeared at the harvest period. Soil moisture content in 0-40 cm under PM+SL was the lowest in all treatments, but it had significant advantage in controlling salinity and increasing organic matter. 2)Soil respiration rate had a significant positive correlation(P<0.01)with soil temperature, but it had no correlations with soil moisture, soil salt content and soil organic matter. The fitting equation showed the saline soil respiration was influenced by the combined effect of soil temperature, moisture and salinity. 【Conclusion】The respiration rate of saline soil in arid regions was affected by the combined effects of soil temperature, moisture and salinity, PM + SL could be used for salinity controlling and heat preservation and enhancing sunflower root growth and metabolic activity of microorganisms in this region.

straw interlayer; plastic mulching; soil respiration; sunflower; saline soil

2014-12-10 接受日期: 2014-12-30 网络出版日期: 2015-05-11

国家自然科学基金(31471455, 31000692)；公益性行业(农业)科研专项经费(201303130)资助。

霍龙(1989—)，男，内蒙赤峰人，硕士研究生，主要从事盐碱地改良研究。E-mail: howlown@163.com *通信作者Tel: 010-82105057，E-mail: liyuyi@caas.cn

S156.4+4; 154.1

A

1008-505X(2015)05-1209-08