黄土旱塬区麦田土壤碳排放特征及其与休闲裸地的差异

郭 强

(河北省唐山市农业科学研究院，河北 唐山，063000)



黄土旱塬区麦田土壤碳排放特征及其与休闲裸地的差异

郭 强

(河北省唐山市农业科学研究院，河北 唐山，063000)

利用Li-8100开路式土壤碳通量系统，于2014-03～2014-06研究了黄土旱塬区麦田(RT)土壤CO2排放特征及其与休闲裸地(ck)的差异。结果表明：(1)RT和ck等2个处理土壤CO2排放速率的日、季节变化趋势均呈单峰曲线；在小麦返青至拔节期土壤CO2排放速率日变化峰值出现在13∶00前后，而在开花至成熟期土壤CO2排放速率日变化峰值出现在11∶00前后；土壤CO2排放速率季节变化的最大值出现在小麦拔节中期，最小值出现在小麦灌浆后期；观测日麦田土壤CO2排放速率平均值为221 mg·(m2·h)-1，比休闲裸地的201 mg·(m2·h)-1约高出9.05%。(2)回归分析表明，土壤CO2排放速率与土壤水分和温度均成二次函数关系(P<0.05)。随着土层深度的增加，相关性逐渐降低。在同一土层深度下，RT处理土壤CO2排放速率与土壤中水的质量分数和温度的相关性均高于ck处理。(3)相关分析表明，土壤CO2排放速率与土壤细菌数量和过氧化氢酶活性呈显著正相关关系(P<0.05)。综合分析表明，黄土高原种植小麦能增加土壤碳排放，并且土壤中水的质量分数对土壤CO2排放速率的影响大于土壤温度对土壤CO2排放速率的影响，土壤细菌数量和过氧化氢酶活性能够显著影响土壤CO2排放速率。

旱作麦田；CO2排放速率；土壤水分；土壤温度；土壤酶；土壤微生物

土壤呼吸是全球碳循环的一个重要组成部分,土壤呼吸作用的微小变动将会对全球的碳循环产生显著的影响[1,2]。土壤呼吸作用实质上就是土壤CO2释放的过程，主要包括土壤微生物的呼吸、土壤有机质的分解、植物根系呼吸、土壤动物呼吸以及土壤中矿物质的氧化分解，其中以前3个过程为主[3]。土壤呼吸作用主要受土壤温度、水分、土壤酶活性、土壤微生物数量、土壤有机质、耕作施肥措施等条件的影响[4,5]。旱地农业在农业生态系统中占有很重要的地位[6～8]。近些年来，由于不合理的开发利用使得旱地农田土壤严重退化并造成了CO2排放量的增加[9]。深入了解旱地农田生态系统中土壤CO2的排放规律及其控制机理，为准确评估我国的碳收支状况及制定相应的CO2减排措施提供一定的理论指导依据。刘爽等[10]测得旱地玉米土壤在整个玉米生长季平均CO2排放速率为2.64 μmol·(m2·s)-1；王才斌等[11]测得旱地花生在4～9月平均土壤CO2排放速率为2.8 μmol·(m2·s)-1；孙小花等[12]测得黄土高原旱地小麦在三叶至收获期麦田土壤CO2排放速率的平均值为460 mg·(m2·h)-1。不同类型作物的土壤CO2排放速率最大值相似[13,14]，约为476.7 mg·(m2·h)-1。旱地麦田是旱地农田生态系统的主要类型之一，同时也是受人类扰动较为频繁的生态系统之一。因此，研究黄土高原旱作麦田及裸地土壤CO2排放速率变化及其与环境因子(温度、水分)、土壤因子(土壤微生物和酶)的关系，对于了解黄土高原旱作麦田土壤CO2排放的动态，准确评估黄土高原旱作麦田生态系统的综合效益以及揭示黄土高原碳收支机理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014年在西北农林科技大学长武黄土高原农业生态试验站进行,试验田地处北纬35°12.787′东经107°44.703′，海拔1 220 m，年平均气温9.1 ℃，多年平均降雨量为584 mm,降雨季节性分布不均，无霜期为171 d。该区域土壤为黄绵土，土质疏松，抗蚀性较差，水土流失较为严重。

1.2 试验设计

试验品种为冬小麦长武134。试验共设置裸地(ck)和常规耕作(RT)等2个处理，每个处理设置3次重复。其中裸地处理在整个小麦的生长以及收获后阶段始终保持地面干净裸露，无杂草等生长。常规耕作的小麦田于9月下旬播种，第二年6月下旬收获后土壤处于休闲状态，期间采用圆盘耙机松土，松土深度大约20 cm，以增加土壤的蓄水保墒能力,其他管理措施同当地麦田。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤CO2排放速率的测定 土壤CO2排放速率使用Li8100(Li-Cor,Lincon,NE,USA)开路式土壤碳通量测定系统测定。2014-03-27(小麦返青期)至2014-06-28(小麦收获期)期间每隔7～10 d选择晴天上午9∶00～11∶00对2个处理的土壤CO2排放速率进行测定，每处理重复测定5次。2014-03-27(返青期)，2014-04-16(拔节期)，2014-05-06(孕穗期)，2014-05-31(灌浆期)，2014-06-28(收获期)进行土壤CO2排放速率日变化的测定，测定时间为7∶00～19∶00，每间隔2 h测定1次。在测定土壤CO2排放速率以前，在每个处理小区内安置测定基座(去除测定基座内的活体)，为了减少安置测定基座对土壤CO2排放速率的影响，在安置基座24 h后再进行测定[15]。在每次测定土壤CO2排放速率的同时，测定0～15,15～30 cm土层的土壤含水量和土壤温度。其中土壤中水的质量分数采用烘干法测定，土壤温度采用曲管地温计进行测定。

1.3.2 土壤微生物数量和酶活性的测定 测定土壤CO2排放速率日变化的当天进行田间土壤取样，每个小区采用S形5点取样，用土钻取0～15 cm土层的土样。将采集的土样分成两部分，其中一部分土样经混匀风干后过1 mm土筛，对土壤的脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性进行测定，参照李振高[16]的测定方法；另一部分土样立即混匀放入-20 ℃条件保存，用于土壤微生物数量的测定。采用稀释平板涂布法分离土壤中的真菌、细菌、放线菌，并对分离出的菌落进行计数，选用的培养基分别为马丁氏培养基、牛肉膏蛋白胨培养基和改良一号培养基。

2 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和Spass 17.0软件进行数据分析，采用Sigmaplot 12.0软件作图。

3 结果与分析

3.1 不同处理下土壤CO2排放速率的季节变化

2个处理的土壤CO2排放速率在整个观测时期表现出相似的季节变化趋势，06-21前后土壤CO2排放速率下降到最低值，2个处理的土壤CO2排放速率平均值的变化范围为155.24～274.76 mg·(m2·

图1 不同处理土壤CO2排放速率的季节变化

h)-1(图1)。冬小麦自返青期(03-27)至拔节期(04-16)各处理土壤CO2排放速率急剧上升，到拔节期达到整个观测期间的最大值，其中RT处理的土壤CO2排放速率最高，为274 mg·(m2·h)-1，随后土壤CO2排放速率逐渐减低，到灌浆后期(06-21)各处理土壤CO2排放速率降至最低。期间由于降雨等天气的影响，土壤CO2排放速率在灌浆中期(06-08)和收获期(06-28)表现出升高趋势。在整个观测期间RT处理土壤CO2排放速率平均为221 mg·(m2·h)-1，较ck处理的(201 mg·(m2·h)-1)提高了9.05%。

图2 不同生育时期土壤CO2排放速率日变化

3.2 不同处理下土壤CO2排放速率的日变化

冬小麦返青期(03-27)至收获期(06-28)，ck处理和RT处理土壤CO2排放速率均呈单峰曲线变化(图2)，其中在返青和拔节期，2个处理的峰值均出现在13∶00前后；而在开花、灌浆和成熟期，2个处理的峰值均出现在11∶00前后。在整个观测期间，RT处理土壤CO2排放速率的日变化峰值均大于ck处理的。

3.3 不同处理下土壤的水热因子对土壤CO2排放速率的影响

3.3.1 土壤中水的质量分数对土壤CO2排放速率的影响 在返青期(03-27)至拔节期(04-16)，2个处理的土壤中水的质量分数差异不大，4月26日以后2个处理的土壤中水的质量分数差异逐渐增大(图3)。而对于15～30 cm土层，2个处理的土壤中水的质量分数差异大于0～15 cm土层的，可能由于在15～30 cm土层，小麦的根系分布较多，吸收的土壤水分较多，因而造成2个处理的土壤中水的质量分数差异较大。

用冬小麦返青期(03-27)至收获期(06-28)0～15 cm和15～30 cm土层土壤中水的质量分数与土壤CO2排放速率进行拟合。结果表明，2个处理土壤的CO2排放速率与土壤中水的质量分数之间均呈二次函数关系(P<0.05)(图4)，在同一土层深度下，RT处理的相关性均高于ck处理的，并且随着土层深度的增加，2个处理的相关性都逐渐减小。土壤水分对土壤呼吸变化的解释能力为56%～78%。

图3 不同处理土壤含水量的季节变化

3.3.2 土壤温度对土壤CO2排放速率的影响 在整个观测时期，RT处理的土壤温度均高于ck处理的(图5)。但随着土层深度的增加，两者的差异逐渐减小。0～15 cm土层的土壤温度变化趋势均与15～30 cm土层的基本一致。

用0～15 cm和15～30 cm土层的土壤温度与土壤CO2排放速率进行拟合，结果表明，2个处理土壤CO2排放速率与不同土层地温之间均呈二次函数关系(P<0.05)(图6)。不同深度土壤温度与土壤CO2排放速率显著相关，土壤CO2排放速率与0～15 cm地温相关性最好，在同一土层深度下，RT处理的相关性高于ck处理的。

图4 不同处理土壤CO2排放速率与0～15,15～30 cm土层土壤中水的质量分数的关系

图5 不同处理土壤温度的季节变化

图6 不同处理土壤CO2排放速率与0～15,15～30 cm土层土壤温度的关系

3.4 土壤微生物和酶对土壤CO2排放速率的影响

3.4.1 土壤酶活性与微生物数量的动态变化 对2种处理方式下，不同生育时期土壤酶活性以及微生物数量动态变化进行分析。结果表明，从返青(03-27)到拔节期(04-16)，RT处理的土壤中真菌数量和过氧化氢酶活性都逐渐增高，拔节期达到最大值，而后逐渐下降；细菌、放线菌的数量和脲酶、蔗糖酶的活性在整个测定时期都逐渐降低(表1)；ck处理土壤中的真菌、细菌数量以及蔗糖酶和过氧化氢酶的活性均在拔节期达到最大值，而放线菌的数量则在整个测定时期逐渐降低。在同一测定时期，RT处理的土壤中真菌、放线菌数量均高于ck处理的。

表1 不同处理土壤中微生物和酶的季节变化(干土壤)

注：同一列中相同字母表示测定指标在不同生育时期差异不显著 (P>0.05)，不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3.4.2 土壤CO2排放速率与土壤微生物和土壤酶的相关性 通过对土壤CO2排放速率与土壤微生物数量和土壤酶活性进行相关分析(表2)，结果表明，在2个处理方式下土壤CO2排放速率与土壤真菌、细菌、放线菌、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶均成正相关，其中与过氧化氢酶活性达到了显著相关水平(P<0.05)。

表2 不同处理土壤CO2排放速率与土壤微生物和酶的相关性

注：*表示显著相关(P<0.05),**表示极显著相关 (P<0.01)。

4 结论与讨论

4.1 土壤CO2排放速率的变化及其与土壤水热因子的关系

本次研究表明，从土壤CO2排放速率的总体变化趋势看，麦田的CO2排放速率大于裸地的。主要是由于小麦根系在地下C循环中起着很重要的作用[17]，小麦根系呼吸占土壤呼吸的很大一部分。其中小麦根系呼吸中大约有一半来源于新近形成的有机质的分解，仅有大约10%来源于难利用的有机质等的分解[2]，同时小麦凋落物经过代谢、降解变成简单的有机物或无机物。

从冬小麦返青期至拔节期，土壤温度逐渐升高，土壤水分较为充足，良好的水热条件为小麦的生长提供了一个较为适宜的生长环境，地上、地下部分生长旺盛，土壤的微生物活性增强，有机质的分解加快，同时土壤呼吸作用中的酶促反应敏感性的加强加剧了对ATP的需求，这些都促进了土壤呼吸的增加[18]。对于土壤呼吸而言，土壤水分和温度间既有其协调性又有其相对性，较高的土壤温度可能导致土壤的相对干化，并且通过改变土壤的水分状况进而影响植物根系呼吸。在一定温度下，土壤水分对植物根系呼吸的影响程度大于土壤养分的供给，提高水分含量可以提高约20%的根系呼吸[19]。在拔节期至收获期，土壤水分含量相对较低，土壤水分成为限制土壤CO2排放的主要因子,过低的土壤水分使得小麦根系或微生物的正常生长受到抑制,这与肖复明等[20]研究结果基本一致。本次研究表明，麦田和裸地土壤中CO2排放速率受土壤水分的影响比土壤温度明显。而张连举等[21]、黄承才等[22]，对不同区域的毛竹林研究表明，土壤CO2排放速率与土壤温度的相关性大于与土壤水分的相关性；Conant等[23]研究表明,在干旱半干旱生态系统,土壤温度成为影响土壤CO2排放季节变化的主要因素,但在干旱的夏季,土壤水分成为限制土壤CO2排放的主要因子。造成这种差异的主要原因是由于试验地点的土壤以及气候条件有差异。

同一土层中，土壤CO2排放速率与土壤水热条件的决定系数，麦田的大于裸地的。原因可能是由于小麦冠层的遮蔽和保护作用，使麦田土壤受外界环境条件的干扰比较小，土壤水分和温度为限制土壤CO2排放速率的主要因素；而裸地由于地表缺乏保护，造成影响裸地土壤CO2排放速率的因子较为复杂。

4.2 土壤酶活性对土壤CO2排放速率的影响

土壤酶活性在土壤C循环中扮演着重要的角色[24]。土壤有机质和动植物残体等的分解都离不开土壤酶的调节作用。Lee等[25]和Boken等[26]的研究表明，表层土壤(0～15 cm)包含了90%或者更大比例的植物根系以及土壤微生物数量,表层土壤对于土壤CO2排放的影响远大于深层土壤。土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶是参加土壤碳循环的主要酶。通过对表层土壤酶活性的研究表明，土壤CO2排放速率与土壤酶活性之间成正相关关系，这与李雅红等[27]的研究结果一致。在不同处理间过氧化氢酶活性与土壤CO2排放速率之间的相关性都达到显著水平(P<0.05)，这与张志栋等[5]的研究结果不一致，可能是由于在不同试验处理下，土壤的理化特性不同所造成。

4.3 土壤微生物活性对土壤CO2排放速率的影响

土壤微生物是土壤养分(N，P，S)和土壤有机质循环和转化的动力[28]。通常在凋落物初期，细菌首先分解凋落物，随着真菌数量的逐渐增加，后期真菌逐渐转变成主要的分解者，而放线菌则在土壤腐殖质的形成过程中起着关键的作用，通常肥沃的土壤中放线菌的数量大于贫瘠的土壤[29]。相关分析表明，不同处理间土壤CO2排放速率与土壤真菌、细菌、放线菌数量呈正相关关系，并且与细菌数量的相关性达到了显著水平(P<0.05)。土壤微生物中细菌的数量占据绝对优势，这表明土壤细菌对土壤CO2排放速率的影响较大。

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(责任编辑：朱宝昌)

Soil CO2Efflux of Rain-fed Wheat Field and the Discrepancy With Fallow Bare Land in Dryland of Loess Plateau

GUO Qiang

(Tangshan Academy of Agricultural Science，Tangshan Hebei，063000,China)

In order to accurate assessment comprehensive benefit of rain fed Wheatland ecosystem, we used bare land treatment as control. During March to June in 2014, we used LI-8100 automated soil CO2flux system to determine the characteristic of wheat field soil(RT) CO2emission rate and the discrepancy with leisure bare land soil(ck) every 7-10 d. Meanwhile Soil samples were collected from 0-15 cm soil depth to determine soil enzyme and microorganism at about every 20 d. The results showed that: (1) the daily and seasonal change of soil CO2emission rate under RT and ck treatments were unimodal curves; From green up to jointing stage, the peak value of diurnal variation of soil CO2emission appeared at about 13:00, but from booting stage to harvest stage, the peak value of diurnal variation of soil CO2emission rate appeared at about 11:00; The maximum value of seasonal variation of soil CO2emission rate was in the middle of wheat jointing stage, the minimum value of seasonal variation of soil CO2emission rate was in wheat filling later; The average wheat field soil CO2emission rate was 221 mg·(m2·h)-1in observational days, which was about 9.05% higher than leisure bare land(201 mg·(m2·h)-1). (2) Regression analysis showed that the relationship between soil CO2emission rate and soil moisture, temperature was fitted to an quadratic equation(P<0.05), with the soil depth increasing, the correlation reduced gradually. Under the same soil layer depth, the correlation between soil CO2emission rate and soil moisture was higher than soil temperature, the correlation between soil CO2emission rate and soil moisture, temperature under RT treatment was higher than ck treatment. (3) Correlation analysis showed that the correlation between soil CO2emission rate and soil enzyme, microorganism exhibited a positive correlation in the 0 cm to 15 cm soil layer, even if the number of soil bacteria, the activity of hydrogen peroxide reached significant positive correlation(P<0.05) under two treatments. Comprehensive analysis showed that planting wheat could increase soil carbon emissions on Loess Plateau; The effects of soil moisture on soil CO2emission rate was greater than the soil temperature; The number of soil bacteria, the activity of hydrogen peroxide could affect soil CO2emission obviously.

dry wheat field; CO2emission rate; soil moisture; soil temperature; soil enzyme; soil microorganism

10.3969/J.ISSN.1672-7983.2015.01.009

郭强(1983-)，男，博士，助理研究员。主要研究方向：作物栽培与育种。

国家自然科学基金项目(项目编号：31171506)。

2015-02-04；修改稿收到日期：2015-03-26

S154.1

A

1672-7983(2015)01-0045-04