不同种植模式对农田土壤呼吸速率的影响

赵财，陈桂平，柴 强，文玉良

(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)



不同种植模式对农田土壤呼吸速率的影响

赵财，陈桂平，柴 强，文玉良

(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)

【目的】 探讨不同种植模式对农田土壤CO2排放的影响，以期为农田固碳减排提供理论参考.【方法】 以河西绿洲灌区的7种种植模式为研究对象，采用CFX-2开放式呼吸测定系统进行土壤呼吸速率测定.【结果】 7类种植模式下农田土壤呼吸速率具有明显的季节变化规律，其中，单作玉米的波动幅度最大，呈先上升再下降的趋势；平均土壤呼吸速率表现为单作玉米>玉米间作豌豆>小麦间作玉米>春小麦复种冬油菜>春小麦复种冬小麦>春小麦复种春油菜>春油菜复种马铃薯，且不同处理间平均土壤呼吸速率差异显著(P<0.05)；单作玉米农田土壤呼吸速率最强，春油菜复种马铃薯最小，且单作玉米农田土壤呼吸速率为春油菜复种马铃薯的4.6倍.间作模式下小麦、玉米带土壤呼吸速率较相应的单作分别降低20.9%和26.3%.【结论】 7种种植模式中，单作玉米潜在温室气体排放量最大，春油菜复种马铃薯最有利于农田温室气体减排，而间作模式可有效降低配置作物的土壤呼吸速率强度.

复种；间作；土壤呼吸速率；秸秆还田

随着全球气候变暖和大气污染的日益加剧，温室气体排放研究成为学术界关注的热点.有研究表明，除工业生产外，农业活动是最重要的人为温室气体排放源，占全球人为排放总量的10%～20%[1].大气中CO2、CH4和N2O是最主要的3大温室气体，导致温室效应的潜力近80%[2]，其中CO2对温室效应贡献最大，约占60%，是最重要的温室气体[3].据估计，大气中每年有5%～20%的CO2来源于土壤，而农田土壤则是CO2重要的排放来源[4-5].大量研究表明，农田温室气体排放主要受土壤温度、水分、pH值和质地等土壤微环境影响.此外，氮肥使用、耕作方式和种植模式对农田碳排放的影响较大[6].因此，国际社会对发展高效、低碳农业的呼声愈来愈强[7]，而与之相应的供粮安全更是全球科学界面临的严峻挑战[8-9].

间作、复种是解决粮食安全，实现作物产品多样化，推动农业可持续发展的重要手段，对提高资源利用效率的优势在国内外已被广泛证实[10-11].当前，中国70%的农产品产出得益于间作、复种等多熟种植[12]，尤其是我国西北内陆灌区，光热资源丰富，土质良好，适宜发展多熟种植.在影响土壤呼吸的各种因素中，作物是最重要的因素之一，耕作方式，特别是作物种间互作的影响普遍存在，作物与环境互作下的土壤呼吸速率具有一定差异.因此，探索能否通过优化种植模式来调控土壤CO2排放具有重要研究价值.本试验以河西绿洲灌区现存主要复种、间作模式为研究对象，拟通过作物生长期对土壤CO2释放动态变化特征的研究，以期为河西灌区优化作物种植模式，降低土壤CO2的排放提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究在甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地(E 103°5′E，N 37°30′)进行.试验区位于河西走廊东端，属寒温带干旱气候区，海拔1 506 m，无霜期约155 d，多年平均降水量约156 mm，年蒸发量约2 400 mm，年平均气温7.2 ℃，≥0 ℃和≥10 ℃的积温分别为3 513.4 ℃和2 985.4 ℃，日照时数2 945 h，适于发展间作套种及两年三熟的复种模式.试验地土壤为沙壤土，耕层0～30 cm层次的土壤全氮0.68 g/kg、全磷1.41 g/kg、铵态氮1.78 mg/kg、硝态氮12.51 mg/kg、有机质14.31 g/kg、容重1.57 g/cm3.

1.2 试验设计

1.2.1 供试材料 小麦(Triticumaestivum)，‘永良4号’，早熟性品种；油菜(BrassicacampestrisL)，天祝‘浩油4号’和‘MXW-1’冬油菜；玉米(Zeamays)，‘沈丹16号’，中熟丰产型品种；豌豆(Pisumsativum)，针叶豌豆‘MZ-1’，早熟品种.

1.2.2 试验设计 试验共设7种种植模式，复种模式有：春小麦复种冬油菜(WSRW)，3月19日播种春小麦，7月18日收获，25 cm高茬收割，秸秆粉碎还田，9月26日播种冬油菜，次年夏季收获；春小麦复种春油菜(WSRS)，3月19日播种春小麦，7月18日收获，25 cm高茬收割，秸秆粉碎还田，7月20日抢播春油菜，10月6日收获；春小麦复种冬小麦(WSWW)，3月19日播种春小麦，7月18日收获，25 cm高茬收割，秸秆粉碎还田，9月28日播种冬小麦，次年夏季收获；春油菜复种马铃薯(RSP)，3月17日播种油菜，6月24日收获，高茬收割，秸秆粉碎还田，6月26日抢播马铃薯，10月6日收获.间作模式分别为：玉米间作豌豆(M//P)，总带宽480 cm，豌豆播6行，行距15 cm，7月7日豌豆留茬20 cm收割，秸秆还田，玉米为薄膜覆盖播种，行距30 cm，株距20 cm，两作物间距27 cm；小麦间作玉米(W//M)，总带宽480 cm，小麦播6行，行距15 cm，7月18日留茬25 cm收割，秸秆粉碎还田，玉米为薄膜覆盖播种，行距30 cm，株距20 cm，两作物间距27 cm.对照为单作玉米(M)，播种密度为82 500 株/hm2，覆膜；单作小麦(WS)取不同复种模式内春小麦作为参考.各处理重复3次，田间随机排列.

不同复种模式单作小麦施肥制度为纯N 225 kg/ hm2，全作基肥；纯P2O5150 kg/hm2，全作基肥；复种冬油菜于返青期施纯N 225 kg/ hm2，抽薹后追施纯N 150 kg/ hm2；复种春油菜基施纯P2O541 kg/hm2、纯K2O 39 kg/hm2，不进行氮肥追施；复种马铃薯基施纯N 150 kg/hm2、纯P2O5375 kg/hm2；复种冬小麦于返青期施纯N 225 kg/ hm2，拔节后追施纯N 150 kg/ hm2.不同复种模式灌溉制度参照当地习惯并结合施肥进行.间作模式和单作玉米灌溉制度和施肥制度见表1.

表1 不同间作处理及单作玉米灌溉制度和施肥制度Tab.1 The irrigation and fertilizing levels to different inter-cropping and sole-cropping

1.3 测定指标

土壤呼吸速率：采用CFX-2开放式呼吸测定系统进行土壤呼吸速率测定.在4月17日到10月14日之间每隔20 d测定1次，测定时间为的8∶00～18∶00，每天分3个时间段进行测定，将3个时间点的平均值作为该天的土壤呼吸速率值.此仪器自带20 cm直径的呼吸室，测定时将呼吸室置于单作小区中心和不同间作作物带中心分别进行，每点测定5个值，每值测定时长3 min，按照田间小区布置进行“蛇形”测定，每轮总测定时长1 h 30 min.对玉米覆膜带测定前12 h，将地膜揭开呼吸室边缘大小的裸露区，让膜内累积的CO2排出，测定时视为玉米土壤内呼吸速率值.

1.4 数据统计分析

试验数据采用Excel进行整理汇总，用SPSS 17.0软件进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 不同种植模式下的农田土壤呼吸特征

由图1可以看出，在河西绿洲灌区整个作物生长季(4～10月)，不同种植模式土壤呼吸速率变化特征有明显的差异.其中单作玉米的土壤呼吸速率在整个生育期明显高于其他处理，呈现出先升后降的变化趋势，且其变动幅度较大，五月中旬单作玉米地的土壤呼吸速率达到最大值19.2 μmol/(m2·s)，玉米收获后土壤呼吸速率也随之降到最低值1.3μmol/(m2·s).两种间作模式M//P和W//M的土壤呼吸速率波动幅度相对较小，在间作作物共生期土壤呼吸速率较高，而小麦和豌豆收获后土壤呼吸则急剧下降；与之相对应的WsRw、WsRs、WsWw和RsP 4种复种模式的波动较小，分别在5月中旬和7月中旬出现两个较高峰值，作物收获后，不同复种模式土壤呼吸速率同样迅速降低.

图1 不同种植模式下农田土壤呼吸变化特征Fig.1 The variation characteristics of soil respiration under different cropping patterns

2.2 不同种植模式下的农田土壤呼吸速率

在作物生长季节，不同复种模式农田土壤呼吸速率平均值存显著差异(图2).单作玉米平均土壤呼吸速率显著高于间作和复种模式；而两种间作模式M//P和W//M农田土壤呼吸速率平均值显著高于WsRw、WsRs、WsWw和RsP 4种复种模式，其中春油菜复种马铃薯的农田土壤呼吸平均速率最低.总体上，土壤呼吸速率平均值大小为：M(9.73 μmol/(m2·s))>M//P(4.98 μmol/(m2·s))>W//M(4.69 μmol/(m2·s))>WsRw(2.45 μmol/(m2·s))>WsWw(2.43 μmol/(m2·s))>WsRs(2.42 μmol/(m2·s))>RsP(2.11 μmol/(m2·s)).

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05).图2 不同种植方式农田土壤呼吸速率Fig.2 The soil respiration rate under different cropping patterns

单作玉米的土壤呼吸平均速率是RsP模式的4.6倍，两种间作模式土壤呼吸平均速率分别是RsP模式的1.4和1.2倍.3种复种模式(RsP除外)土壤呼吸平均速率较单作玉米(M)均显著降低了75%，较玉米间作豌豆(M//P)降低了51%，较小麦间作玉米(W//M)降低了48%.说明春/冬油菜、冬小麦和马铃薯与春小麦复种可有效抑制农田土壤呼吸速率，并减少CO2排放.其中，春小麦复种马铃薯(RsP)具有显著减少农田土壤碳排放的潜力.

2.3 间作模式对农田土壤呼吸速率的影响

如图3所示，与单作小麦(不同复种模式中单作小麦土壤呼吸平均值)农田土壤的呼吸速率相比，在小麦整个生育期，小麦间作玉米模式中间作小麦的土壤呼吸速率明显降低，但变化趋势与单作小麦相同，呈先升后降再逐渐升高的趋势.而玉米土壤呼吸速率在单作模式与间作模式中变化趋势则有所不同，尤其是在间作共生期内，单作玉米土壤呼吸速率表现为先增强后减弱的趋势，而间作玉米带则不同，在M//P和W//M两种模式中都表现为先减弱而后增强的趋势；但在间作小麦与间作豌豆收获后其土壤呼吸速率与单作玉米的呼吸速率趋于一致，均表现为下降趋势，尤其是在间作模式中，M//P模式土壤呼吸速率由豌豆收获时的7.7 μmol/(m2·s)降低到玉米收获后的1.1 μmol/(m2·s)，降低幅度为86%；W//M模式中土壤呼吸速率由小麦收获时的7.0 μmol/(m2·s)降低到玉米收获后的1.2 μmol/(m2·s)，降低幅度为83%.说明作物生长对土壤呼吸速率具有重要贡献.

2.4 间作模式下的农田土壤呼吸速率

如图4所示，在整个生育期无论间作或单作，玉米土壤呼吸平均速率均显著高于相应模式的小麦土壤呼吸速率平均值.单作小麦农田土壤呼吸速率平均值较间作小麦高26.37%，但差异不显著.单作玉米与M//P和W//M两种模式中玉米带土壤呼吸速率平均值同样表现出无显著性差异，但单作玉米土壤呼吸速率平均值比M//P和W//M间作玉米带分别高22.2%和35.6%.在同样的种植模式中，玉米带与小麦带生育期内土壤呼吸平均速率差异显著.单作模式中玉米地土壤呼吸速率是单作小麦的2.4倍，同样在小麦间作玉米种植模式中，玉米带土壤呼吸平均速率是小麦带的2.0倍；在玉米豌豆种植模式中，玉米带土壤呼吸平均速率是豌豆带的1.8倍.以玉米为基础的两种间作模式中W//M比M//P土壤呼吸平均速率降低了5.8%，说明，在相同的种植模式下，种植不同作物对农田土壤呼吸速率有明显影响.

图3 间作对农田土壤呼吸速率的影响Fig.3 Effects of intercropping pattern on farmland soil respiration rate

图4 间作对农田土壤呼吸速率的影响Fig.4 Effects of intercropping pattern on farmland soil respiration rate

3 讨论与结论

一般认为影响土壤CO2排放的关键因素是土壤温度和土壤湿度，其中农田土壤CO2排放与0～10 cm地温具有较高的相关性[5].除土壤温度、水分外，土壤微生物状况、秸秆覆盖、施肥、灌溉等因素也可通过影响植被的分布和各种环境因素的时空分布，从而间接影响农田土壤CO2排放[6].在农田生态系统影响土壤呼吸的诸多因素中，作物是最重要的因素之一，不同种植模式因对土壤的扰动、耕作方式、土壤微生物、叶面积指数的差异，必然导致农田土壤呼吸的不同[13].本研究中，所参试的7种种植模式以单作玉米的土壤呼吸平均速率最高(9.73 μmol/(m2·s)，是其他处理的2.0～4.6倍，且其在整个生长季的变化波动较大，表现出先增强后减弱的趋势，这可能与该模式叶面积指数变化相关.有研究表明，土壤CO2通量与叶面积指数和生物量的年变化趋势一致，二者有很好的正相关关系[13].此外，也可能与玉米根呼吸有直接关系.研究表明，玉米生长季中,根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在43.1%～63.6%之间[14].在作物不同生长发育阶段，根系呼吸在土壤呼吸中所占的比例也不同.从作物生长发育初级阶段开始，随着温度的升高，温度对土壤CO2排放的限制作用减小，植物处于生长旺盛阶段，根系生物量相应增加，根系呼吸在土壤呼吸中占的比重逐渐增加[15-16].

本研究中，小麦间作玉米较单作相比，小麦土壤呼吸速率降低了20.9%，玉米降低了26.3%.已有研究表明，合理的间作种植可以增加农田土壤碳汇，减少农田温室气体排放.例如，白杨(Populusdeltoids)间作大麦(Hordeumvulgare)体系较相应的单作种植显著降低了农田二氧化碳的排放量[17].南洋樱(Gliricidiasepium)间作玉米体系可有效提高农田土壤碳汇，减少农田温室气体排放[18].Lisa等[19]也发现玉米间作大豆体系较单作玉米显著降低了农田二氧化碳排放量[19].这些研究结果与本研究结果相一致，说明合理的间作种植可通过抑制农田土壤呼吸速率减少二氧化碳排放量，从而增加农田土壤碳汇.

目前对农田土壤CO2排放单个影响因素的研究较多，但对多个因素的综合影响研究较少.然而，土壤呼吸的影响因素之间并不是孤立的，众多影响因素不仅自身对土壤呼吸产生直接或间接的影响，它们之间也往往相互作用，相互影响，共同作用于土壤CO2排放.尤其是在间作复种的复合种植群体中研究土壤CO2排放时，必须要考虑到各种因素的综合影响，而不是仅进行片面分析，这些将有待我们进一步深入研究.

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(责任编辑 胡文忠)

Effects of different cropping systems on farmland soil respiration

ZHAO Cai,CHEN Gui-ping,CHAI Qiang,WEN Yu-liang

(Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science,College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】 In order to provide theoretical basis for sequestrating carbon and reducing CO2emission on farmland.【Method】 A field experiment was conducted to investigate the effects of different cropping systems on farmland CO2emission,by using a CFX-2 portable infrared analyzer to measure the soil respiration rate under 7 various cropping patterns in the oasis region of Hexi Corridor,Gansu Province.【Result】 Soil respiration rate of various cropping systems had an explicit regular change of seasonal variations.Monoculture maize had the highest fluctuation range,with the range increased at first growing stage and decreased at last with maize harvest.The values order of averaged soil respiration rate were: sole maize (M) > maize//pea (M//P) > wheat//maize (W//M) > wheat-winter rape (WsRw) > wheat-winter wheat (WsWw) > wheat-spring rape (WsRs) > spring rape-potato (RsP).The absolute value of soil respiration rate differed significantly (P<0.05) among treatments.Sole maize had the highest soil respiration rate,while spring rape-potato had the lowest,which was 1/4.6 to sole maize.The soil respiration rate of wheat and maize strips in intercropping was decreased by 20.9% and 26.3% as compared to the corresponding sole cropping,respectively.【Conclusion】 Spring rape-potato multiple cropping was the optimal treatment in reducing farmland greenhouse gas emissions and thereby mitigating global climate change among the 7 tested modes.Intercropping,as well,potentially decreased the soil respiration rate both in pea//maize and wheat//maize.

multiple cropping；intercropping；soil respiration rate；straw retention

赵财(1978-)，男，博士，主要从事多熟种植和节水农业研究.E-mail:zhaoc@gsau.edu.cn

柴强,男,教授,博士生导师,主要研究方向为多熟种植、循环农业和节水农业.E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

国家自然科学基金项目(31160265)；甘肃省杰出青年基金项目(1111RJDA006)；国家公益性行业项目(201103001).

2014-09-26；

2015-12-22

S 34

A

1003-4315(2016)06-0024-06