保护性耕作下蚕豆田土壤呼吸及碳平衡特性

熊瑛，王龙昌，赵琳璐，杜娟，张赛,周泉

(1.西南大学农学与生物科技学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，南方山地农业教育部工程研究中心，重庆 400716；2.河南科技大学农学院，河南 洛阳471003)

保护性耕作下蚕豆田土壤呼吸及碳平衡特性

熊瑛1,2，王龙昌1*，赵琳璐1，杜娟1，张赛1,周泉1

(1.西南大学农学与生物科技学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，南方山地农业教育部工程研究中心，重庆 400716；2.河南科技大学农学院，河南 洛阳471003)

土壤呼吸是碳循环的重要环节，为探讨垄作和覆盖对旱三熟蚕豆田土壤呼吸的影响，测定了平作(T)、垄作(R)、平作+半量覆盖(TS1)、垄作+半量覆盖(RS1)、平作+全量覆盖(TS2)、垄作+全量覆盖(RS2)6种处理下的西南紫色土丘陵区蚕豆/玉米/甘薯旱三熟体系中蚕豆生长季节的土壤呼吸变化，分析了蚕豆田碳平衡特性。结果表明，蚕豆生长季节农田土壤呼吸随作物生长一致，呈先增加后减弱的变化趋势，变化范围为0.885～10.213 μmol/(m2·s)。全生育期平均土壤呼吸速率差异显著，表现为TS2>RS2>RS1>TS1>T>R；分别为4.096，3.780，3.441，3.104，2.850，2.439 μmol/(m2·s)，较平作不覆盖处理增加了43.7%，32.6%，20.7%，8.9%，-14.4%。垄作显著降低了蚕豆农田土壤呼吸速率，而秸秆覆盖显著提高土壤呼吸速率，且随着覆盖量的增加而增加。不同生育阶段土壤呼吸总量存在差异，表现为成熟期<苗期<鼓粒期<分枝现蕾期<开花结荚期，其中开花结荚期约占50%；利用根排除法测得蚕豆田根系呼吸占土壤呼吸比例变幅为19.49%～54.23%，利用回归分析法测得结果为37.02%～60.64%，二者均值分别为38.62%和49.12%。不同耕作和覆盖处理下蚕豆田整个生长季均表现为碳汇，净碳汇为857.26～2236.25 kg/hm2。与平作不覆盖相比， RS2、TS2、RS1、TS1、R分别较平作不覆盖处理T高出160.86%，101.44%，30.78%，47.63%，110.41%，差异达显著水平。试验结果表明垄作和秸秆覆盖有利于蚕豆田生态系统的碳汇，以垄作+全量覆盖的效果最好。

土壤呼吸；根系呼吸；碳平衡；蚕豆；保护性耕作

土壤呼吸是土壤碳素向大气输出的主要途径，也是农田生态系统有机碳输出的主要形式，是陆地生态系统碳循环的重要环节[1]，占陆地生态系统与大气气体交换量的三分之二[2]。严格意义上的土壤呼吸是指受扰动的土壤产生二氧化碳的所有代谢作用，包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸及土壤有机质分解和土壤动物呼吸等3个生物学过程和含碳物质的化学氧化作用的一个非生物学过程[3]。由于土壤呼吸大多与生物效应相关，除去对土壤呼吸贡献很少的非生物过程，土壤呼吸实际上是植物根系、土壤微生物和土壤动物呼吸的总和。一般认为，土壤动物呼吸作用对土壤呼吸的贡献较小，因此土壤呼吸主要是以根系呼吸与土壤微生物为主的异养呼吸[4]。影响土壤呼吸的因子复杂多样，除土壤温度和土壤湿度等因子外，生物因子通过影响土壤微环境和结构、凋落物数量和质量以及根系呼吸作用，从而影响土壤呼吸作用[5]。不同类型的作物具有自身独特的生物特性，包括根系生物量、NPP等也会对土壤呼吸有直接的影响。关于作物类型对农田生态系统土壤呼吸的影响目前已有较多研究，大多集中在水稻(Oryzasativa)[6]、玉米(Zeamays)[7]、小麦(Triticumaestivum)[8]、棉花(Gossypiumspp.)[9]等非豆科作物上，对豆科作物的研究较少，且作物类型单一，主要为大豆(Glycinemax)[10]。已有研究证明，以垄作和秸秆覆盖为主的保护性耕作在保土保水、改善土壤肥力、提高作物产量方面有显著效益[11-13]，是适宜西南丘陵地区采用的耕作模式。蚕豆(Viciafaba)是西南旱地丘陵区的主要种植作物，目前关于蚕豆田的土壤呼吸研究很少，保护性耕作对蚕豆田温室气体的综合影响也未见报道。基于此，本研究分析了垄作和秸秆覆盖模式下西南旱地丘陵区蚕豆/玉米/甘薯(Ipomoeabatatas)旱三熟蚕豆田土壤呼吸的变化特征，在补充完善作物类型对土壤呼吸的影响机制研究方面具有重要意义；通过探讨保护性耕作模式下蚕豆田CO2呼吸通量特性，分析蚕豆田的碳平衡状况，以期为准确评估农田生态系统碳收支提供理论依据，进而为全面理解农田土壤碳库和科学评价其碳循环过程提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2013年11月至2014年10月在重庆市北碚区西南大学教学实验农场进行。当地属亚热带季风气候，四季分明，光温水同季。年日照时数在888.5～1539.6 h之间，年平均气温17.5 ℃，冬季7.9 ℃，夏季26.4 ℃，春、秋季分别为17.4 ℃、18.2 ℃。全年无霜期可达334 d，多年平均降雨量为1125.3 mm，主要集中在5-9月，占全年总量的69%，冬季降雨量最少，仅占5.5%。试验地土壤为旱地中性紫色土，地力相对均匀。试验前20 cm土层的土壤容重为1.21 g/cm3，pH值为6.47，土壤有机碳16.24 g，全氮1.68 g，碱解氮38.23 mg，速效磷18.13 mg，速效钾170.13 mg。

1.2 试验设计

试验地采用“蚕豆/玉米/甘薯”三熟复种间套作模式，设置2种耕作方式和3个覆盖水平。2种耕作方式分别为，1)平作(CK/T)：秋季整地后不起垄。2)垄作(R)：于秋季整地后横向起垄，垄宽1 m，沟宽1 m，垄高20 cm，采用垄上双行栽培。所有种植模式均采用2 m开厢(1 m+1 m)，分厢带状套种，第1茬(蚕豆)和第3茬(甘薯)均种在垄上，第2茬(玉米)种在沟内，整个生育期内实行少耕。3个覆盖水平分别为，1)无覆盖：各种作物收获后，秸秆全部清除，整个生育期内无覆盖。2)秸秆半量覆盖(S1)：作物生育期内分别将3750 kg/hm2玉米秸秆和3750 kg/hm2小麦秸秆均匀覆盖在垄上和沟内。3)秸秆全量覆盖(S2)：作物生育期内将7500 kg/hm2玉米秸秆和7500 kg/hm2小麦秸秆均匀覆盖在垄上和沟内。覆盖处理所用的玉米及小麦秸秆，收获后人工截成10 cm左右。

试验共有6个处理，分别为平作无覆盖(traditional tillage+straw mulching level 0 kg/hm2，T)、垄作无覆盖(ridge tillage+straw mulching level 0 kg/hm2，R)、平作+半量覆盖(traditional tillage+straw mulching level 3750 kg/hm2，TS1)、垄作+半量覆盖(ridge tillage+straw mulching level 3750 kg/hm2，RS1)、平作+全量覆盖(traditional tillage+straw mulching level 7500 kg/hm2，TS2)、垄作+全量覆盖(ridge tillage+straw mulching level 7500 kg/hm2，RS2)，随机区组排列，重复3次，小区面积4 m×8 m。供试作物为蚕豆(当地品种，种植密度180000 株/hm2)，玉米(东单80，移栽密度80000 株/hm2)和甘薯(渝紫七号，移栽密度为40000株/hm2)。蚕豆、玉米、甘薯各处理均施复合肥(N-P2O5-K2O=16-16-16)225 kg/hm2，作为基肥一次施入，玉米在拔节期追施尿素450 kg/hm2。蚕豆采用穴播，每穴留苗3株；玉米和甘薯均采用育苗移栽。蚕豆于2013年11月上旬播种、2014年5月上旬收获；玉米于2014年4月上旬移栽、同年7月底收获；甘薯于2014年5月下旬移栽、同年10月下旬收获。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤呼吸测定 采用LI6400便携式光合作用系统连接6400-09呼吸室测定土壤呼吸。各处理按照行间、株间和条带边缘3个位置选取3个固定点，放置PVC环，底面积80 cm2，高5 cm，插入土壤2 cm左右。为减少对土壤的干扰，PVC环于测定前一天安置好。每个PVC环测定1次，设定2个循环，每个处理3次重复，共6个数据，取其平均值作为日土壤呼吸值。蚕豆整个生育期内每半个月测定一次，如遇下雨天气则适当调整，测定时间统一为上午09：00-11：00。

为区分土壤呼吸中根系呼吸与土壤微生物呼吸，各处理分别在每小区的4 厢中选择一厢不种植蚕豆，在测定种植蚕豆土壤呼吸的同时测定不种植蚕豆土壤的土壤呼吸，种植蚕豆土壤呼吸记作土壤呼吸(Rs)，不种植蚕豆土壤呼吸记作土壤微生物呼吸(Rm)，两者的差值即为根系呼吸(Rr)[14]。Rs、Rm、Rr单位均为μmol/(m2·s)，1 μmol/(m2·s)=1.0368 g/(m2·d)=10.368 kg/(hm2·d)。依据土壤呼吸速率和蚕豆播种后天数，换算成各时间段的土壤呼吸总量。

1.3.2 植被碳固定测定与计算 分别于蚕豆播种后46 d(2013年12月25日)、播种后86 d(2014年2月3日)、播种后112 d(2014年3月1日)、播种后149 d(2014年4月7日)及播种后167 d(2014年4月25日)，选取长势均匀一致的蚕豆植株6株以根茎为中心，取长20 cm、宽20 cm、深40 cm 的土块，装入尼龙袋中，用自来水冲洗，之后将根系80 ℃烘干至恒重后测定根系干重，并按照种植密度计算根系生物量。收获时同时测定地上生物量(包括地上部分各器官以及凋落物)。

1.3.3 碳平衡计算 采用净生态系统生产力(NEP)来表示生态系统碳平衡[15]。NEP为正值时，表示系统是大气CO2的吸收“汇”；反之为大气CO2的排放“源”。碳平衡计算公式为：NEP=NPP-Rm。式中,NPP为作物地上部碳积累量与地下部碳积累量的总和，作物地上部组织(茎、叶、荚)和根的碳含量由总有机碳分析仪(TOC-5000AShimadiu)测定，分别为44.967%，43.043%，44.117%和40.680%，土壤微生物异养呼吸碳释放量为6个处理下相应不种植蚕豆土壤呼吸在整个蚕豆生育期间农田CO2的排放量。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行实验数据作图，采用SPSS 22.0一般性检验中单变量方差分析进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 蚕豆田土壤呼吸速率动态变化

不同耕作方式下蚕豆田土壤呼吸速率变化趋势呈倒“V”字形,峰值出现在播种后136 d左右(图1)。整个生育期土壤呼吸速率与作物生长及温度变化表现出较强的一致性，即随着作物生长进程的推进和温度增加土壤呼吸速率增加。在播后86 d之前和159 d之后，蚕豆田土壤呼吸速率变化较小，各处理间差异未达到显著水平；播后100～149 d这一阶段，土壤呼吸速率迅速增加，处理间差异变大，达到峰值的大小也各不相同,表现为RS2>RS1>TS2>T>TS1>R，差异达显著水平。全生育期平均土壤呼吸速率的均值表现为TS2>RS2>RS1>TS1>T>R，分别为4.096，3.780，3.441，3.104，2.850，2.439 μmol/(m2·s)，较平作不覆盖处理增加了43.7%，32.6%，20.7%，8.9%，-14.4%。方差分析结果表明，平作条件下蚕豆田土壤呼吸速率显著高于垄作(P<0.05)，说明垄作降低了蚕豆田土壤呼吸速率；在两种耕作方式下，秸秆全量覆盖下的土壤呼吸显著高于半量覆盖处理，均显著高于不覆盖处理(P<0.05)，说明秸秆覆盖增加了蚕豆田土壤呼吸速率。

图1 蚕豆田土壤呼吸速率动态变化Fig.1 Changes of soil respiration rate in fava bean soil

由图1还可以看出，蚕豆田不种植蚕豆土壤呼吸速率的动态变化与种植蚕豆土壤呼吸速率一致，表明各处理土壤微生物呼吸速率随温度增加而逐渐增加，在播种后15 d左右最低，播种后136 d达到最大。蚕豆生长季不种植蚕豆土壤呼吸速率均值处理间表现为RS2>RS1>TS2>TS1>T>R，分别比平作不覆盖处理增加了19.8%，13.0%，11.7%，4.8%，-13.8%。方差分析结果表明，垄作不覆盖处理显著低于平作不覆盖处理；不同覆盖量表现为覆盖各处理显著高于不覆盖，但覆盖量间差异不显著,说明蚕豆田垄作不覆盖可以显著降低裸地土壤呼吸速率，秸秆覆盖增加了土壤呼吸速率,受覆盖量的影响不大。

在整个蚕豆生长季，不种植蚕豆土壤呼吸速率变化幅度为0.524～3.628 μmol/(m2·s),而种植蚕豆土壤呼吸变化幅度为0.885～10.213 μmol/(m2·s)，后者显著高于前者，其均值约为前者的2倍。随着蚕豆的生长，土壤呼吸增加，同一时期不种植蚕豆土壤呼吸速率显著低于种植蚕豆田土壤呼吸速率，即无根土壤的土壤呼吸速率显著低于有根土壤的土壤呼吸速率，这是由于有根土壤中蚕豆根系的存在，显著提高了土壤呼吸速率，该现象在蚕豆播种后100～159 d最为明显，二者的最大值可相差4倍，体现了根系在土壤呼吸中的重要作用。

2.2 土壤呼吸组分区分

利用种植蚕豆土壤呼吸值(Rs)减去相应处理不种植蚕豆土壤呼吸值(Rm)，得到相应各处理农田根系呼吸值(Rr)，该方法为根排除法。结果表明，Rr 占总土壤呼吸的比例各处理分别为：T 41.3%、TS144.4%、TS254.8%、R 41.4%、 RS145.5%、 RS247.5%。与平作处理相比，其余5处理均显著高于平作，说明垄作和秸秆覆盖提高了根系呼吸占土壤总呼吸的比例。从覆盖量对根系呼吸的影响来看，垄作处理3个覆盖量间差异不显著，而平作各处理表现为全量覆盖显著高于半量覆盖，且二者均显著高于不覆盖处理，说明在平作的耕作方式下，秸秆覆盖可以提高根系呼吸所占比例，垄作条件下秸秆覆盖并无此效应。

为进一步探讨蚕豆田土壤呼吸、根系呼吸及微生物呼吸之间的关系，分别以播种后46 d(2013年12月25日)、播种后86 d(2014年2月3日)、播种后112 d(2014年3月1日)、播种后149 d(2014年4月7日)及播种后167 d(2014年4月25日)各处理的根系生物量为自变量x、同一天的土壤呼吸速率为因变量y建立回归方程如表1所示，利用二者之间的关系可间接估算出土壤根系呼吸速率和微生物呼吸速率，该方法为回归分析法。由表1可以看出，蚕豆田土壤呼吸速率与根系生物量之间的相关系数R2变化范围为0.351～0.860，说明在这5个观测时间的根系生长情况分别可以解释12月25日约为80%，2月3日、3月1日和4月7日约为40%，4月25日约为50%的土壤呼吸速率变化。依据回归方程，当根系生物量为0时的土壤呼吸速率为微生物呼吸速率，表明这5个观测时间的微生物呼吸速率变化范围为0.872～2.261 μmol/(m2·s)。

表1 两种方法下根系呼吸占土壤呼吸比例Table 1 Contributions of root respiration to soil respiration based on root exclusion and root biomass regression methods

Rs: Soil respiration; Rm: Microbial respiration; Rr: Root respiration.RBR: Root biomass regression; RE: Root exclusion.

在5个观测时间分别采用根排除法和回归分析法得到根系呼吸和微生物呼吸大小及根系呼吸所占土壤呼吸比例存在差异(表1)，除播后112 d这一观测时间，其余4个观测时间根排除法得到的微生物呼吸速率均高于回归分析法，根系呼吸速率表现为相反的趋势。两种方法下5个观测时间平均根系呼吸所占比例分别为38.62%(根排除法)和49.12%(回归分析法)，除播后112 d这一时间外均表现为回归分析法高于根排除法，尤其在播后167 d即收获前5 d这一时间，两种方法得出的结果差异较大，这可能与根系的衰老死亡有关。

表2 蚕豆田各生育阶段土壤呼吸总量、微生物呼吸总量及根系呼吸总量Table 2 Cumulative soil respiration (CRs), cumulative microbial respiration(CRm), and cumulative rhizosphere respiration(CRr) during each growing stage of fava bean

同列不同小写字母表示数据在P<0.05 水平上差异显著。Different letters in the same column represent the significant level atP<0.05.

2.3 蚕豆田土壤呼吸总量特征

根据蚕豆的生长发育规律，在栽培学上把蚕豆的一生划分为苗期(播种-播种后30 d)、分枝现蕾期(播种后31～86 d)、开花结荚期(播种后87～136 d)、鼓粒期(播种后137～159 d)和成熟期(播种后160～173 d)5个生育阶段。6个处理不同生育阶段蚕豆田土壤呼吸通量如表2所示，不同生育阶段蚕豆田土壤呼吸总量表现为成熟期<苗期<鼓粒期<分枝现蕾期<开花结荚期。在本实验条件下，蚕豆开花结荚期约占全生育期时长的28.9%，但这一阶段的土壤呼吸总量约占全生育期碳通量的50%，显著高于其余生育阶段。不同处理间比较发现，蚕豆全生育期土壤呼吸总量表现为TS2>RS2>RS1>TS1>T>R，处理间差异显著(除TS2和RS2两处理间差异不显著外)，说明秸秆覆盖能显著增加蚕豆田土壤呼吸总量，垄作较平作而言可以降低土壤的碳排放。

在忽略作物生长对土壤呼吸激发效应的基础上，不种植蚕豆土壤呼吸总量视作微生物呼吸总量，采用根排除法求得根系呼吸总量(表2)。不同生育阶段根系呼吸总量存在差异，开花结荚期显著高于分枝现蕾期和鼓粒期，也显著高于苗期和成熟期。根系呼吸总量占土壤呼吸总量的比例在不同生育阶段也存在差异，以开花结荚期最高，约占60%左右，成熟期最低，约为19%，二者差异显著，与其余3个生育阶段间差异也达显著水平。由表2可知，蚕豆开花结荚期不同处理间土壤呼吸总量、根系呼吸总量差异变大，基本表现为TS2处理最大，垄作不覆盖处理最低；不论是平作还是垄作，均表现为全量覆盖>半量覆盖>不覆盖，差异达显著水平。就根系呼吸总量占土壤呼吸总量比例而言，该效应仅存在于平作各处理之间，垄作各处理之间差异不显著。

蚕豆田根系呼吸总量比例随生育进程推进先增加，各处理均在开花结荚期达到峰值后逐渐降低。6个处理根系呼吸比例最大值表现为TS2>RS2>RS1>TS1>R>T，均显著高于平作不覆盖处理。方差分析结果还表明，开花结荚期垄作处理3个秸秆覆盖水平间差异不显著，而平作处理间则表现为随覆盖量的增加而增加，说明根系呼吸总量比例受耕作方式和秸秆覆盖的影响。

2.4 蚕豆田碳平衡特征

不同处理下蚕豆田碳平衡计算结果见表3，结果表明西南丘陵区旱作蚕豆田生长季节6种处理均为碳汇。与平作处理相比，其余各处理碳汇总量均显著高于平作，且以垄作+全量覆盖最高，RS2、TS2、RS1、TS1、R分别较平作不覆盖处理T高出160.86%，101.44%，30.78%，47.63%，110.41%，说明在西南紫色土丘陵区旱地条件下，在蚕豆/玉米/甘薯三熟体系中垄作或秸秆覆盖均能显著提高蚕豆田生态系统碳汇能力，且以垄作+全量覆盖的效果最好。进一步分析覆盖量对碳汇强度的影响效应发现，在本实验条件下，平作处理下净生态系统生产力随着覆盖量的增加而增加，但在垄作模式下却无此效应，半量覆盖处理小于不覆盖处理，这可能是由半量覆盖对农田系统净初级生产力NPP的增加效应要低于对微生物呼吸总量的增加效应引起的。

表3 不同处理下蚕豆田碳平衡Table 3 Carbon balance at fava bean growth season under different systems

同行不同小写字母表示数据在P<0.05 水平上差异显著。Different letters in the same line represent the significant level atP<0.05.

3 讨论

3.1 根系呼吸所占土壤呼吸的比例

目前，区分根系自养呼吸与微生物异养呼吸的方法有3种：回归分析法、根排除法及同位素示踪法[4,16]。由于区别方法、试验因素、植被种类差异，各研究者所采用的方法及所计算的根系呼吸的比例也存在一定的差异[7,17-19]。Skopp等[20]利用文献资料总结出农田生态系统中根呼吸对土壤呼吸的贡献平均为(48±5)%，Qiao等[10]利用回归分析法得出不同施肥模式大豆田根系呼吸比例为63%，利用根排除法则为69.8%；张赛等[21]利用根系生物量外推法和根排除法比较分析了小麦生育期根系呼吸对土壤呼吸的贡献，发现利用前者得到的根系呼吸贡献率为47.05%，而后者为53.97%；均表现出根排除法高于回归分析法。本实验结果表明，在5个观察时间里蚕豆田根系呼吸占土壤呼吸的比例变化幅度根排除法和回归分析法分别为19.49%～54.23%和37.02%～60.64%，均值分别为38.62%和49.12%，除播种后112 d即开花结荚期表现为根排除法高于回归分析法外(分别为54.23%和37.02%)，其余4个时间均表现为后者高于前者。根排除法下，全生育期内蚕豆田根系呼吸比例呈倒”V”字形变化，即随着根系生长根系呼吸比例增加，到达蚕豆开花结荚期也是根系生长盛期后逐渐降低；而回归分析法则呈相反的趋势。这可能是由根排除法自身的缺点造成的。利用该方法的前提是假定根系生长随土壤有机质分解的激发效应不存在的，即种植蚕豆田和裸土的微生物异养呼吸是相同的，但是事实上，根系提高了土壤微生物活性[22]，进而低估了在蚕豆根系建成过程(开花结荚期之前)和衰老死亡过程(开花结荚期至成熟)中根系呼吸比例。

作物光合作用积累的绝大部分碳以土壤呼吸的方式释放到空气中，不同类型作物的光合特性不同，土壤呼吸总量亦有差异。根系呼吸总量占土壤呼吸总量比例因作物类型不同，比例亦不相同(变幅为10%～90%)，同时，土壤呼吸也受到不同生育阶段的碳分配情况及根系特性的影响[23]。在本实验中，在蚕豆全生育期内通过根排除法得到根系呼吸总量占土壤呼吸总量比例的变幅为14.12%～66.95%，开花结荚期最大，其余4个时期较低，这一研究结果与前人基本一致[24-25]。这是因为开花结荚期有较多的光合产物分配到根系中；苗期和分枝现蕾期较低的根系生物量是造成这两个时期根系呼吸总量比例较低的原因，而鼓粒期和成熟期则是由于根系的衰老和死亡引起的。

3.2 垄作和秸秆覆盖对蚕豆田土壤呼吸的影响

一般认为秸秆还田会促进土壤中二氧化碳的释放[26-28]，本实验的研究结果也证实了这一点。无论是全量覆盖还是半量覆盖，覆盖各处理土壤呼吸显著高于不覆盖处理，且随着秸秆还田量的增加，种植蚕豆田土壤呼吸速率显著增加,在秸秆还田后随着时间的推移增加效应逐渐减小,这与前人多数研究结论一致[29-30]。关于垄作对土壤呼吸的影响效应研究较少，且结论不尽一致。张赛等[31-32]研究表明小麦/玉米/大豆三熟套作模式下小麦田、大豆田垄作提高了土壤呼吸作用，而玉米农田垄作降低了土壤呼吸的作用。本研究结果表明,垄作不覆盖模式下蚕豆田土壤呼吸、微生物呼吸均显著低于平作不覆盖模式，但根系呼吸总量二者差异不显著，这可能是因为垄作改善了根际土壤的通气性，加厚了适宜作物生长的熟土层，为作物根系生长创造了一个良好的生态环境，垄作条件下根系生物量高于平作模式，进而增加了根系呼吸。由根系生物量增加而产生的根系呼吸增加量并不能抵消微生物呼吸的降低量，最终表现为蚕豆田土壤呼吸显著低于平作。在分析过程中还发现，秸秆覆盖和垄作存在交互效应，平作覆盖增加了土壤呼吸速率，而垄作覆盖后土壤呼吸的提高幅度会减弱。因此，在西南丘陵地区旱地蚕豆田秸秆覆盖促进土壤呼吸，而垄作对土壤呼吸的影响效应，因作物类型、土壤性质和种植模式不同而异，产生该现象的机制还有待于进一步研究。

4 结论

整个生育期蚕豆田土壤呼吸呈先增强后减弱的趋势，变化范围为0.885～10.213 μmol/(m2·s)，不同生育阶段蚕豆田土壤呼吸总量表现为成熟期<苗期<鼓粒期<分枝现蕾期<开花结荚期，说明蚕豆田土壤呼吸与作物生长发育进程基本一致，作物生长发育的盛期也是土壤呼吸速率与通量最大的时期。种植蚕豆土壤呼吸显著高于不种植蚕豆土壤呼吸，表明蚕豆田根系生长在土壤呼吸中具有重要作用。保护性耕作对土壤呼吸有一定影响，垄作显著降低土壤呼吸，而秸秆覆盖提高土壤呼吸速率；二者存在交互效应，平作覆盖增加了土壤呼吸速率，而垄作覆盖后土壤呼吸的提高幅度会减弱。利用根排除法和回归分析法估算出根系呼吸比例分别为38.62%和49.12%，尤其在蚕豆成熟期，二者的差异最大，这表明根排除法低估了蚕豆成熟期根系呼吸；在平作模式上配合秸秆覆盖可以显著增加根系呼吸比例，而垄作条件下秸秆覆盖无此效应，所有处理下蚕豆田整个生长季均表现为碳汇，净碳汇为857.26～2236.25 kg C/hm2。与平作相比，垄作与秸秆覆盖均有利于农田生态系统的碳汇，且以垄作+全量覆盖模式下的碳汇能力最高。基于此研究结果，在西南丘陵区旱地蚕豆农田可以采用垄作和秸秆覆盖的保护性耕作栽培方式，减少农田生态系统的碳排放。

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Soil respiration and carbon balance in fava bean farmland under conservation tillage

XIONG Ying1,2, WANG Long-Chang1*, ZHAO Lin-Lu1, DU Juan1, ZHANG Sai1, ZHOU Quan1

1.CollegeofAgronomyandBiotechnology,SouthwestUniversity,KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion,MinistryofEducation,EngineeringResearchCenterofSouthUplandAgriculture,MinistryofEducation,Chongqing400716,China; 2.CollegeofAgriculture,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471003,China

Soil respiration is an important process in carbon cycling. This study investigated effects of two tillage practices (ridge tillage and traditional tillage) and straw mulching at 0, 3750, or 7500 kg straw dry matter/ha on soil respiration of fava bean farmland. Six treatments applied were: traditional tillage without straw mulching (T), ridge tillage without straw mulching (R), traditional tillage+straw mulching at 3750 kg/ha (TS1), ridge tillage+straw mulching at 3750 kg/ha (RS1), traditional tillage+straw mulching at 7500 kg/ha (TS2), and ridge tillage+straw mulching at 7500 kg/ha (RS2). Soil respiration properties and carbon balance in dry-cropped farmland with a triple intercropping system of fava bean, maize, and sweet tomato were evaluated during the crop growth period, in a region of southwest China known as the purple hilly region. This study identified seasonal changes in soil respiration rate reflecting crop growth, with a peak in the middle of the fava bean growth cycle, and with a range from 0.885-10.213 μmol/(m2·s) in cropped soils, respectively. The soil respiration rates of the different treatments ranked TS2>RS2>RS1>TS1>T>R [4.096, 3.780, 3.441, 3.104, 2.850, 2.439 μmol/(m2·s), respectively]. Ridge tillage reduced soil respiration in fava bean farmland, whereas straw mulching treatment resulted in increased respiration corresponding to straw mulching levels. In soil planted with fava bean, the respiration rate at different crop growth stages ranked ripening

soil respiration; root respiration; carbon balance; fava bean; conservation tillage

10.11686/cyxb2016089

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-14；改回日期：2016-06-28

国家自然科学基金项目(31271673)和公益性行业(农业)科研专项(201503127)资助。

熊瑛(1980-)，女，河南信阳人，讲师，在读博士。E-mail:amber1109@126.com*通信作者Corresponding author. E-mail: wanglc2003@163.com

熊瑛, 王龙昌, 赵琳璐, 杜娟, 张赛, 周泉. 保护性耕作下蚕豆田土壤呼吸及碳平衡特性. 草业学报, 2017, 26(1): 13-22.

XIONG Ying, WANG Long-Chang, ZHAO Lin-Lu, DU Juan, ZHANG Sai, ZHOU Quan. Soil respiration and carbon balance in fava bean farmland under conservation tillage. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(1): 13-22.