两种轮作模式下秸秆还田对土壤呼吸及其温度敏感性的影响*

2017-08-09丁瑞霞王维钰

中国生态农业学报(中英文) 2017年8期

丁瑞霞, 王维钰, 张青

丁瑞霞1, 王维钰2,3, 张青2

(1. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院/农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室杨凌 712100; 2. 西北农林科技大学农学院杨凌 712100; 3. 陕西省循环农业工程技术研究中心杨凌 712100)

通过分析不同作物轮作模式下秸秆还田对土壤呼吸及其温度敏感性的影响, 为深入探究关中地区农田生态系统碳循环提供理论依据。试验设置于陕西省杨凌地区, 在2012年10月至2014年9月期间以冬小麦-夏玉米轮作模式和冬小麦-夏大豆轮作模式作为研究对象, 分别设置秸秆还田(SM)和秸秆不还田(NS)两个处理, 测定分析不同处理下土壤呼吸、土壤温度及土壤含水量的变化趋势和差异, 并估算土壤呼吸的温度敏感性(10)。结果表明: 土壤呼吸存在明显的季节变化, 在作物生育期大部分时间内, SM处理的土壤呼吸速率均显著高于NS处理(<0.05), 且SM处理的作物生育期土壤呼吸平均速率及土壤呼吸累计排放量也极显著高于NS处理(<0.01); 不同作物生育期土壤呼吸平均速率依次为夏玉米>夏大豆>冬小麦, 土壤呼吸总量表现为冬小麦>夏玉米>夏大豆、冬小麦-夏玉米轮作>冬小麦-夏大豆轮作。冬小麦-夏玉米轮作与冬小麦-大豆轮作的土壤温度间存在差异; 其中, 在冬小麦生育前期, 冬小麦-夏玉米轮作的土壤温度显著高于冬小麦-大豆轮作; 第2季夏玉米生育期内5 cm深度的土壤温度显著低于同季的夏大豆; 相比NS处理, SM处理能提高冬季土壤的温度, 并降低春季和夏季的土壤温度; 在高温少雨的时期内, SM处理能够提高0~30 cm土壤的平均含水量, 不同的前茬作物引起两种轮作模式中冬小麦耕作层土壤含水量间明显的差异，夏玉米耕作层土壤含水量显著高于夏大豆。相关分析表明, 土壤呼吸与5 cm和10 cm土壤温度均存在极显著的正相关性, 且与5 cm土壤温度的相关性更好; 但土壤呼吸与0~30 cm的土壤平均含水量无显著相关性。5 cm和10 cm土壤温度变化能够分别解释土壤呼吸变化的64.6%~67.3%和51.5%~59.6%。整个研究周期内, 温度敏感性(10)为1.70~2.01, 冬小麦-夏玉米轮作的温度敏感性显著高于冬小麦-大豆轮作, 且同一轮作模式下SM处理的温度敏感性显著低于NS处理。因此, 秸秆还田能够提高农田的土壤呼吸作用, 降低土壤呼吸的温度敏感性, 同时能够调节土壤的水热状况。

轮作模式; 秸秆还田; 土壤呼吸; 温度敏感性; 土壤水热

自工业革命以来, 人类社会快速发展导致自然环境受到前所未有的挑战, 其中气候变化及其影响是当前人类面临的最大环境问题之一[1]。随着环境的日益恶化, 与气候变化密切相关的碳循环问题成为当今国内外研究热点之一。土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库, 土壤呼吸作为土壤碳库与大气碳库之间CO2交换的主要形式, 其排放量占整个陆地生态系统总排放量的2/3以上[2]。据统计, 每年全球超过75 Pg(1 Pg=1×1015g)的碳通过土壤呼吸的方式向大气中释放[3]。土壤呼吸微小的变化也将势必导致大气中碳浓度的变化[4], 进而加剧全球气候变暖, 危急人类今后的生存与环境。有研究认为农业生产过程排放的CO2占人为温室气体排放量的21%~25%[5]。我国作为一个农业大国, 由农田所引起的碳排放量在1999—2009这10年间的增幅达93.9%[6]。因此, 研究农业生产过程的碳排放具有重要的现实意义。

相比其他陆地生态系统, 农田生态系统受到人类活动的干扰最大, 耕作方式、施肥方式、灌溉方式的不同均会引起农田生态系统土壤环境的差异, 进而影响土壤呼吸速率[7-8]。一般认为, 土壤表面所测定的土壤呼吸通量是根呼吸和微生物呼吸的总和[9]。土壤呼吸强度与土壤有机质含量及矿化速率、土壤微生物种类及活性之间均存在密切的联系[10]。秸秆还田作为目前农业生产中广泛应用的耕作措施, 被认为能够改善土壤的水热状况, 提高土壤的透气性。同时前人的研究也指出秸秆还田能够显著影响土壤的有机质含量[11]及土壤的微生物量[12]。前人针对土壤呼吸对秸秆还田的响应做出了大量的研究, 研究结果表明, 秸秆还田对于土壤呼吸具有显著影响。其中于爱忠等[13]的研究表明免耕秸秆还田提高了土壤的有机质含量, 促进了有机质分解释放CO2, 因而提高了农田土壤呼吸速率。也有研究者认为免耕留茬能够显著降低土壤呼吸速率, 且土壤呼吸速率降低的幅度随留茬量的增多而增大[14]。

前人的研究表明, 土壤呼吸与温度有密切的联系[15], 这种关联通常表现为: 温度升高会导致土壤CO2通量增大[16]。而土壤呼吸对温度的变化也具有适应性, 这种适应性会弱化及降低土壤呼吸和温度变化之间的关系[17]。这种适应性的强弱主要取决于土壤呼吸对温度变化的敏感性。因此, 土壤呼吸的温度敏感性与全球碳循环对气候变化的响应关系有非常紧密的联系[18]。目前, 研究者已经对此开展了大量的有关研究, 构建了温度响应函数, 而在这其中使用最广泛的函数为10(土壤呼吸敏感性),10被定义为温度增加10 ℃所引起的土壤呼吸的变化量[19]。在影响土壤呼吸温度敏感性的众多因子中, 温度和水分对于土壤呼吸及其温度敏感性的影响占主导地位。温度和水分的差异不仅造成土壤生物种类和数量的差异, 同时也影响土壤微生物所需底物的供应[20]。前人总结不同生态系统下的土壤呼吸温度敏感性可知,10值介于1.28~4.75[21]。近年来, 有关农田生态系统下土壤呼吸的温度敏感性(10)的研究逐渐增多, 前人的研究发现耕作栽培措施的差异能够引起土壤的水热条件、养分含量及微生物状况的变化, 最终导致土壤呼吸的温度敏感性发生变化。但研究的主要侧重点多集中在不同施肥条件或耕作模式下土壤呼吸温度敏感性的变化[22-25]。而有关秸秆还田条件对土壤呼吸敏感性的研究仍不多见, 已有的研究也多将秸秆还田作为耕作措施的一种, 分析不同耕作措施对土壤呼吸及其温度敏感性的影响[26-27]; 此外, 针对不同秸秆还田量对土壤呼吸及其温度敏感性影响的研究也多为一种作物[28], 对于不同作物土壤呼吸温度敏感性的研究鲜有报道。本研究以陕西省常见的两种轮作模式为研究对象, 分析和比较不同轮作模式下秸秆还田对土壤呼吸温度敏感性的影响, 探究秸秆还田对土壤呼吸与温度变化之间反馈关系的影响, 为进一步研究和分析关中地区农田生态系统碳循环提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地基本信息

试验区域设于陕西省杨凌农业示范区内(108°07′E, 34°12′N), 该区域气候类型为大陆性暖温带季风区气候, 年平均温度12.9 ℃, 全年降水主要分布在每年的7—9月, 年平均降水量约为660 mm, 作物熟制为一年两熟制。试验土壤为土, 试验地土壤基本理化性状见表1。

表1 试验地土壤养分特性

试验地土壤养分特性于2011年试验前测定。The soil chemical properties of the tested field were measured before experiment in 2011.

1.2 试验设计

本试验的周期为2012—2014年, 研究对象为冬小麦(L.)-夏玉米(L.)和冬小麦-夏大豆(L.)两种轮作模式。其中, 冬小麦分别于2012年及2013年10月初播种, 并于2013年及2014年的6月收获, 夏玉米及夏大豆在上季冬小麦收获后立即播种, 于2013年及2014年的10月初收获。冬小麦品种为‘西农889’, 夏玉米品种为‘漯单9号’, 夏大豆品种为‘东豆339’。由于灌溉刺激干旱土壤的土壤呼吸[29], 进而影响土壤呼吸测定的准确性, 在本研究周期内尽可能避免灌溉, 每季冬小麦均只进行一次冬灌, 时间约为每年的1月中旬(冬小麦越冬期), 其余时间均依靠降水补充作物生长所需; 每季夏玉米及夏大豆生育期内均只灌溉一次, 以减缓作物的干旱胁迫, 时间为每年的7月中旬, 其余时间均依靠降水补充作物生长所需。所有灌溉均为漫灌。

整个试验地均实行免耕播种, 每个轮作模式下均设置2个处理: 秸秆还田(SM)和秸秆不还田(NS, 对照)。其中, 冬小麦-夏玉米轮作模式下的处理为SM1和NS1, 冬小麦-夏大豆轮作模式下的处理为SM2和NS2。所有试验处理均设置为8.6 m×8 m的小区, 小区相互间隔0.5 m, 相同处理均设置3个重复。秸秆还田处理在前茬作物收获后, 直接将作物残茬还田; 秸秆不还田处理在前茬作物收获后, 清理所有根茬。冬小麦施用尿素及磷酸二铵(尿素375 kg×hm-2+磷酸二铵375 kg×hm-2), 夏玉米仅施用尿素(375 kg×hm-2), 夏大豆仅施用磷酸二铵(150 kg×hm-2), 所有肥料均作为基肥施用。不同作物秸秆还田情况及施氮量见表2。各处理其余的田间管理均保持一致。

表2 秸秆还田处理的不同作物秸秆还田量及秸秆还田和不还田处理的施氮量

施氮量根据所购买的尿素及磷酸二铵的总氮含量估算, 其中尿素的总氮含量≥46%, 磷酸二铵总氮含量≥17.4%。The amount of nitrogen was calculated based on nitrogen content in urea and diammonium phosphate, respectively. Urea and diammonium phosphate contain 46% and 17.4% nitrogen, respectively.

1.3 测定项目

1.3.1 气体测定

土壤呼吸速率采用GXH-3010E1型便携式红外线分析器(华云分析仪器研究所有限公司)测定。在作物播种后, 在每个小区中部分别放置PVC腔室(腔室高10 cm, 底部直径为16 cm), 埋置深度为5 cm, 每个小区重复3次, 腔室呈“三角形”排列, 相互间隔1 m。在测量一定时间范围内的土壤CO2通量的过程中, 在腔室的顶部放置1个小风扇, 持续开启3 min, 使腔室内的气体混合均匀, 然后测量。每次测量均在每日的9:00—11:00完成。

土壤呼吸速率计算公式:

(2-1)Δ(1)

式中:为土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1);为换算系数,=1.80(25 ℃, 1个标准大气压);1、2分别为测定时CO2初始质量分数和测定结束后即时质量分数(%);为容器高(m); Δ为测定时间变化(s)。

土壤呼吸速率自第1季冬小麦播种后(2012年10月)开始测量, 由于冬小麦在返青前的生长较慢, 故分别于冬小麦的苗期(播种后15 d)、分蘖期(播种后50 d)、越冬期(播种后95 d)、返青期(播种后155 d)各测定一次, 返青期后每15 d测定一次, 全生育期内共测定9次; 下茬作物播种后, 每15 d测定一次, 全生育期内共测定7次。在降雨天气出现后, 可适当后延3~5 d测定土壤呼吸速率, 以降低降水引起的干扰。

1.3.2 土壤温度测定

作物播种后, 将一组不同深度的直角地温计埋至距PVC腔室10 cm处, 每个处理3组。测定土壤呼吸速率的当天内, 读取土壤CO2质量分数的同时读取5 cm、10 cm、15 cm 层土壤温度值。

1.3.3 土壤含水量测定

采用烘干称量法测定土壤含水量, 每次土壤呼吸速率测定的当天, 用土钻采集0~30 cm土壤样品(每10 cm为一层), 3次重复, 带回实验室测定。

1.3.4 土壤呼吸累计释放量测定

土壤呼吸累计释放量参考Zhai等[29]的计算公式:

R=(R+R+1)/2×3 600×24×44×10-8(2)

式中:R为土壤呼吸累计释放量[t(CO2)·hm-2],R为第次测量的土壤呼吸速率,R+1为间隔天测量的土壤呼吸速率,为相邻两次测量间隔天数。

1.3.5 数据分析方法及软件

有关土壤呼吸速率对温度响应的研究多使用指数函数[30], 函数表达式为:

=´e´(3)

式中:为测定的土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1),为测定的土壤温度(℃),和为回归系数。

土壤呼吸对温度的敏感性通常用10来描述,10指温度升高10 ℃所引起的土壤呼吸的变化值:

10=e10b(4)

式中:通过(2)式获得。

所有数据及图表均采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0、Origin 2016软件进行分析处理, Duncan新复极差法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式下各处理土壤温度的动态变化

如图1所示, 2012年10月—2013年9月期间, 月平均气温最低的月份为2013年1月, 为-1.6 ℃; 月平均气温最高的月份为2013年8月, 为23.1 ℃。2013年10月—2014年9月期间, 月平均气温最低的月份为2013年12月, 为-1.3 ℃; 月平均气温最高的月份为2014年6月, 为28.2 ℃。2013—2014连续两年内, 6—8月的月平均温度均高于21 ℃。在整个研究周期内, 大部分时间的月平均降雨量均低于230 mm, 仅2013年4月、2014年2月、2014年4月、2014年9月的降雨量超过300 mm。

在冬小麦-夏玉米(麦玉)和冬小麦-夏大豆(麦豆)两种轮作模式下, 冬小麦生育期的土壤温度以播种后95 d为节点, 呈现先降低后升高的变化趋势(图2)。在连续两季冬小麦播种后95 d时, 麦玉轮作SM处理5 cm深度的土壤温度比NS处理高0.1 ℃和0.8 ℃, 麦豆轮作SM处理5 cm深度的土壤温度比NS处理高0.7 ℃和0.2 ℃; 同理, 麦玉轮作SM处理10 cm深度的土壤温度比NS处理高0.6 ℃和0.2 ℃, 麦豆轮作SM处理10 cm深度的土壤温度比NS处理高0.8 ℃和0.4 ℃。在冬小麦播种95~230 d, SM处理在5 cm及10 cm深度的土壤温度均低于NS处理, 其中麦玉轮作2012—2013年冬小麦生育期分别下降4.4%~10.7%和1.3%~5.3%, 2013—2014年分别下降2.5%~10%和0.5%~4.2%; 同理, 麦豆轮作2012—2013年冬小麦生育期SM处理较NS处理分别下降1.9%~5.4%和1.1%~4.6%, 而在2013—2014年冬小麦生育期内分别下降2.1%~8.1%和1.6%~4.4%。

第一季后茬作物生育期内(2013年6—9月)2013年夏大豆生育期内土壤温度呈降低趋势; 夏玉米播种后15~60 d土壤温度变化幅度不大, 60~105 d土壤温度逐渐下降; 在第二季后茬作物生育期内(2014年6—9月)夏玉米和夏大豆生育期土壤温度以播种后45 d为节点均呈现出先升高后降低的变化趋势。第一季夏玉米生育期内(2013年), 5 cm深度和10 cm深度, SM处理土壤温度分别比NS低0.3%~7.7%和0.3%~7.4%, 在第二季生育期内(2014年)分别低1.7%~9.8%和0.35%~0.4%。同理, 在2013年夏大豆生育期内, SM处理土壤温度分别比NS处理低0.3%~4.4%和0.7%~6.1%, 而在2014年夏大豆生育期内则分别低0.7%~4.6%和0.7%~3.7%。

在整个研究周期内, 麦玉轮作在冬小麦生育前期的土壤温度显著高于麦豆轮作; 而在第2茬作物生育期内, 夏玉米5 cm深度的土壤温度也显著低于夏大豆。同一轮作模式下, SM处理与NS处理间的差异存在显著差异; 此外, 除冬小麦播种后50 d至95 d外, 其余时段内各处理土壤温度均随土壤深度的增加而显著降低。

2.2 不同轮作模式下各处理土壤含水量变化

不同轮作模式下各处理的0~30 cm平均含水量的变化如图3所示。不同轮作模式间差异显著(<0.05)在2012—2013年冬小麦播种后185 d、200 d和230 d, 麦玉轮作SM处理的土壤平均含水量比NS处理分别高为9.58%、1.77%和7.46%; 麦豆轮作高0.08%、6.21%和3.53%。而在2013—2014年冬小麦生育期内, 播种后215 d、230 d麦玉和麦豆轮作模式下SM处理土壤平均含水量均高于NS处理, 增幅分别为6.62%、2.92%和3.08%、5.39%。

两季夏玉米生育期内, 播种后30~90 d, SM处理的土壤平均含水量均高于NS处理, 增幅依次为0.5%~3.18%和0.06%~4.17%。2012—2013年夏大豆整个生育期内, SM处理的土壤平均含水量均高于NS处理, 增幅为0.78%~3.50%, 而2013—2014年夏大豆生育期内, 除播种后90 d外, 其余时间内SM处理的土壤平均含水量均高于NS处理, 增幅为0.44%~13.85%。

2.3 不同轮作模式下各处理土壤水热因子对土壤呼吸的影响

通过Pearson相关分析法分析不同处理土壤呼吸与土壤水热因子间的相关性。分析结果表明, 两种轮作模式下各处理土壤呼吸与土壤温度极显著正相关(表3)。麦玉轮作下, 土壤呼吸与土壤温度间的相关系数为0.611~0.687, 麦豆轮作为0.227~0.397。此外, 两种轮作模式下, SM处理土壤呼吸与不同深度土壤温度间的相关系数大于NS处理, 且所有处理土壤呼吸与地下5 cm的土壤温度间的相关系数均大于地下10 cm。但不同处理土壤呼吸与0~30 cm深度下的土壤平均含水量间的相关性不显著。

通过拟合不同处理土壤温度对土壤呼吸的影响可知, 土壤呼吸与土壤温度间的关系可用指数函数解释(表4)。从土壤深度来看, 地下5 cm土壤的温度能够解释土壤呼吸变化的64.6%~67.3%, 而地下10 cm土壤温度能够解释土壤呼吸变化的51.5%~59.6%。

实线为冬小麦-夏玉米轮作, 虚线为冬小麦-夏大豆轮作; NS为秸秆不还田处理, SM为秸秆还田处理。The solid line indicates winter wheat-summer maize rotation system and the dashed line indicates winter wheat-summer soybean rotation system. NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment

2.4 不同轮作模式下各处理土壤呼吸速率的动态变化

由图4所示, 冬小麦播种后, 不同处理土壤呼吸速率均逐渐下降, 至播种后95 d, 土壤呼吸速率降至最低。但不同处理的土壤呼吸速速率在播种后155~230 d的变化规律有所差异。2012—2013年冬小麦播种后95~185 d, 仅麦豆轮作的SM处理的土壤呼吸速率持续增大, 其余处理均表现为先升高后降低的变化趋势。2013—2014年冬小麦播种后, 所有处理的土壤呼吸速率95~200 d持续升高, 但215~230 d均变为降低。在后茬作物生育期内, 不同处理的土壤呼吸速率均基本呈现先升高后降低的变化趋势。2012—2013年后茬作物生育期内, 夏玉米和夏大豆土壤呼吸速率最大值出现的时期有所差异, 夏大豆出现在播种后45 d, 而夏玉米出现在播种后60 d。2013—2014年后茬作物生育期内, 麦玉轮作的播种后30~105 d土壤呼吸率始终高于麦豆轮作, 且所有处理土壤呼吸速率的最大值均出现在播种后60 d。

麦玉轮作, 除冬小麦2012—2013年播种后230 d以及2013—2014年播种后200 d外, SM处理的土壤呼吸速率在其余时期均显著高于NS处理, 增幅为1.08%~36.53%; 同理, 麦豆轮作下, SM处理在2012—2014年播种后95~155 d之外的其余时期内的土壤呼吸速率均显著高于NS处理, 增幅为1.51%~99.43%。在连续两季夏玉米生育期内, 除2013—2014年播后30 d及75 d外, 其余时期内SM处理的土壤呼吸速率均显著高于NS处理, 增幅为0.70%~56.24%; 而在连续两季夏大豆生育期内, SM处理的土壤呼吸速率均显著高于NS处理, 增幅为0.73%~11.64%。

表3 两种轮作模式下不同处理土壤呼吸与土壤水热因子的相关性

NS为秸秆不还田处理, SM为秸秆还田处理。**和*分别表示极显著(<0.01)和显著(<0.05)相关。NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment. ** and * indicate significant correlation at 0.01 and 0.05 levels, respectively.

表4 两种轮作模式下不同处理土壤呼吸与土壤温度拟合方程

NS为秸秆不还田处理, SM为秸秆还田处理。NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment.

冬小麦生育期土壤呼吸平均速率为2.673~3.141 μmol·m-2·s-1, 夏玉米生育期土壤呼吸平均速率为3.401~4.810 μmol·m-2·s-1, 夏大豆生育期土壤呼吸平均速率为3.390~3.762 μmol·m-2·s-1(表5)。整个研究周期内SM处理的作物生育期土壤呼吸平均速率均显著高于NS处理(<0.01); 两季麦玉轮作模式中, 冬小麦SM处理的作物生育期土壤呼吸平均速率比NS处理分别高14.13%和9.35%, 而麦豆轮作模式中冬小麦SM处理比NS处理分别高12.61%和7.29%, 两季夏玉米中SM处理比NS处理分别高16.55%和16.70%, 两季夏大豆中SM处理分别比NS处理高4.01%和2.33%。

2.5 不同轮作模式下各处理土壤呼吸累计释放量的动态变化

土壤呼吸总量能够描述整个作物生育期内土壤释放的CO2总量。如表6所示, 不同作物生育期内土壤呼吸总量有很大的差异, 表现为冬小麦>夏玉米>夏大豆, 受此影响, 麦玉轮作的土壤呼吸总量[34.68~40.81 t(CO2)·hm-2]高于麦豆轮作[30.04~33.86 t(CO2)·hm-2]。不同作物生育期内土壤呼吸总量均为SM>NS, 且处理间差异极显著(<0.01), 这与作物生育期土壤呼吸平均速率的变化规律相同。

2.6 不同轮作模式下各处理土壤呼吸温度敏感性(10)的变化

利用指数函数=e对连续两个轮作周期内不同处理土壤呼吸速率对地下5 cm土壤温度的响应关系进行模拟, 通过模拟, 进而估算不同处理土壤呼吸的温度敏感性(10), 不同处理的10值如图5所示。整个研究周期内, 不同处理的10值介于1.70~2.01, 相同处理的10表现为麦玉轮作>麦豆轮作(<0.05); 两种轮作模式中, SM处理的10值均极显著低于NS处理。在麦玉轮作中, SM的10值比NS处理的低0.20, 在麦豆轮作中, SM的10值比NS处理的低0.16。

表5 2012年10月(2012-10)—2014年6月(2014-06)两种轮作模式下作物生育期不同处理的土壤呼吸平均速率

NS为秸秆不还田处理, SM为秸秆还田处理。不同字母表示同一生育期内不同处理间差异显著(<0.01)。NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment. Different letters indicate significant difference among treatments in the same growth period at< 0.01 level.

表6 2012年10月(2012-10)—2014年6月(2014-06)两种轮作模式下作物生育期不同处理的土壤呼吸总量

NS为秸秆不还田处理, SM为秸秆还田处理。不同大写字母表示同一轮作模式不同处理间差异显著(<0.01)。NS: no straw incorporation treatment; SM: straw incorporation treatment. Different letters indicate significant difference between treatments for the same rotation system at< 0.01 level.

3 讨论与结论

土壤温度的动态变化对气温的变化有明显的响应, 同时也与地表接收的太阳辐射量有关。在本研究中, 不同处理土壤温度的季节变化趋势与气温变化趋势相同。但土壤温度随土层深度变化的规律并不一致, 具体表现为: 冬季地下10 cm土壤温度高于5 cm, 而春季和夏季则正好相反。可能的原因是当外界气温较低时, 土壤热量由深层向浅层传导, 而当外界气温升高时, 土壤中的热量则由浅层向深层传导[31]。前人的研究结果证实, 秸秆还田能够调节耕层土壤的温度[32], 本研究所得结果也验证了这一结论, 具体表现为: 当外界温度较低时, 秸秆还田处理的土壤温度高于不还田处理, 当外界温度逐渐升高时, 秸秆还田处理的土壤温度均低于不还田处理。在两种轮作模式下的冬小麦生育期内, 由于前茬作物(夏玉米和夏大豆)的秸秆还田量不同, 导致土壤向大气散失的热量出现差异, 最终引起两种轮作模式下冬小麦生育前期土壤温度出现显著差异, 对于后茬作物而言, 由于夏玉米和夏大豆的作物群体不同, 进入作物的生育后期, 植株能够在土壤的上方形成一个覆盖层[33], 在外界气温较高时, 夏玉米较大的叶片, 减少了地表接收的太阳辐射, 进而降低了土壤的温度。

前人的研究结果表明, 秸秆还田能够提高作物生育期内土壤的含水量[34-35]。但本研究结果显示, 在作物生育期内, 秸秆还田的土壤含水量并非在所有时间均高于秸秆不还田处理, 通过分析可知, 在外界气温较高且降雨量较低的月份里, 秸秆还田处理耕作层土壤平均含水量高于秸秆不还田处理。这可能是由于在这些月份中, 较高的气温加剧了土壤水分的蒸散作用, 单次降雨量较少以及降雨的间隔时间较长, 导致土壤的整体湿润程度较低, 秸秆还田能够减缓株间无效蒸散, 进而提高土壤的含水量。此外, 研究还发现, 夏玉米耕作层土壤含水量高于夏大豆, 可能的原因是由于夏玉米的叶片较大, 一定程度上减少了太阳辐射与土壤的直接接触, 从而减缓了土壤的蒸散作用; 对于两种轮作模式内冬小麦耕作层土壤含水量的差异, 可能的原因是由于轮作体系下, 作物根系的数量及分布均有所差异, 一定程度上改变了土壤的入渗速率[36]。

有研究者认为, 免耕秸秆还田能够降低土壤呼吸[37-38]。而本试验基于免耕条件下实行秸秆还田, 研究结果表明, 秸秆还田处理显著提高了土壤呼吸作用, 这与Blanco-Canqui等[39-40]研究结果一致。原因可能是秸秆的腐解是一个缓慢的过程, 秸秆中的碳不能完全转化为土壤碳, 未转化的部分通常以CO2或CH4的形式向大气中释放。同时, 由于研究中在秸秆还田的基础上额外施用氮肥的量较大, 引起土壤C/N发生变化, 更有利于微生物分解有机质, 进而增加了土壤有机质中碳的分解与释放[41]。此外, 秸秆还田处理的作物生育期土壤呼吸平均速率也高于秸秆不还田处理, 这一研究结果也与前人相近[42]。研究发现, 在不同轮作模式下土壤呼吸速率有明显的差异, 这种差异主要来源于不同生长特性的作物交替种植改变了土壤微生物的群体分布和多样性, 以及土壤养分的循环[43]。同时, 在轮作模式下, 不同作物生长过程中, 土壤温度及土壤湿度也存在差异[44]。此外, 前人的研究还指出施氮量、秸秆还田量的不同能够引起土壤呼吸的差异[45-46], 这些都是引起不同轮作模式间土壤呼吸速率差异的潜在因素。土壤温度和土壤含水量被认为是影响土壤呼吸的重要环境因子, 在本研究中, 土壤呼吸与地下5 cm及地下10 cm土壤温度均呈显著正相关, 且与地下5 cm土壤温度的相关性更好, 这与李昌珍等[47]的研究结果一致。通过回归分析可知, 地下5 cm土壤的温度能够解释土壤呼吸变化的64.6%~67.3%, 略低于张俊丽等[48]研究结果中的62.31%~78.66%。此外, 本研究显示土壤呼吸与0~30 cm土壤平均含水量的相关性不显著, 这一结果也与前人的研究结果一致[49-50]。

在整个研究周期内, 不同处理的10值介于1.70~2.01。数值略低于前人研究结果中我国10值范围(2.25±0.28)[51]。本研究结果显示, 麦玉轮作的10略高于麦豆轮作, 可能的原因是由于第2轮作周期内, 冬小麦生育后期以及后茬作物生育期内, 麦豆轮作的土壤温度均显著高于麦玉轮作, 较低的温度能够丰富土壤微生物的种类, 进而潜在地提高10[52]。本研究结果还显示, 秸秆还田处理的10低于秸秆不还田处理, 这与前人的研究结果一致[53-54]。导致这一现象的原因可能是由于外界气候条件发生变化所致, 前人在研究中指出温度升高及干旱都会引起土壤呼吸温度敏感性降低[55-56]。在本研究周期内, 由于试验区域的夏季温度较高, 且夏玉米及夏大豆生育期内根据当年的天气情况仅灌溉一次, 可能引发潜在的干旱胁迫, 进而降低土壤呼吸的温度敏感性。由于本研究属于长期定位试验的一个部分, 研究周期也仅为两年, 所得结论还需进一步的验证, 今后有关秸秆还田对土壤呼吸的温度敏感性长期影响的试验将进一步完善和开展。

2012—2014连续两年内不同轮作模式下秸秆还田对土壤呼吸及其温度敏感性的研究结果显示, 不同作物生育期内, 土壤呼吸均存在明显的季节变化趋势, 且在生育期的大部分时间内, SM处理的土壤呼吸速率均高于NS处理, 相比NS处理, SM显著提高了作物生育期土壤呼吸平均速率和生育期土壤呼吸累计释放量。不同轮作模式下, 麦玉轮作的生育期土壤呼吸累计释放量高于麦豆轮作。秸秆还田具有调节土壤温度的作用, 在冬季能够提高土壤的温度, 但在春季和夏季表现为降低土壤温度。对于土壤含水量而言, 在高温少雨的时期内, 秸秆还田能够有效提高土壤含水量。土壤温度与土壤呼吸间存在显著的正相关关系, 地下5 cm和地下10 cm的土壤温度变化能够分别解释土壤呼吸变化的64.6%~67.3%和51.5%~59.6%, 但土壤呼吸与地下0~30 cm土壤平均含水量间无显著相关性。此外, 秸秆还田还能够降低土壤呼吸的温度敏感性, 对农田生态系统碳循环对全球气候变化响应的研究具有一定实际意义。

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Effect of straw mulching on soil respiration and its’ temperature sensitivity under different crop rotation systems*

DING Ruixia1, WANG Weiyu2,3, ZHANG Qing2

(1. Institute of Water-saving Agriculture in Arid Areas of China, Northwest A&F University / Key Laboratory of Crop Physiology and Tillage Sciences in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China; 2. College of Agronomy, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 3. Research Center of Recycle Agricultural Engineering and Technology of Shaanxi Province, Yangling 712100, China)

Soil respiration is the second largest source of terrestrial carbon (C) flux between the atmosphere and the terrestrial ecosystems. It is critical for regulating global soil C dynamics. As soil temperature and soil moisture would exert stronger effects on soil respiration in the future, a thorough understanding of the response of soil microbes to temperature change can provide a novel method of studying the effects of drought on soil respiration and of predicting drought-induced changes in future terrestrial C cycle. Temperature sensitivity of soil respiration can explain the relationship between soil respiration and soil temperature. The objective of this study was to explore the effects of straw mulch on the linkages between the changes in soil respiration and temperature. The study aimed to lay the basis of C cycle process in agro-ecosystems in Yangling, Shaanxi province. To that end, a 2-year field experiment (October 2012 to September 2014) was conducted to study the linkages under different crop rotation systems. It included two treatments of no straw (NS) and straw mulch (SM) in winter wheat-summer maize rotation and winter wheat-summer soybean rotation systems. Soil respiration rate, temperature, and moisture were analyzed under different crop rotation systems. In addition, the10(with10value as the multiplier in determining soil respiration rate after temperature increase of 10 ℃) was used to determine the effect of soil temperature change on soil respiration. It was noted that SM significantly (< 0.05) increased soil respiration rate during crop growth period. Mean soil respiration rate and cumulative soil respiration during crop growth period significantly increased under straw mulch (< 0.01). The order of mean soil respiration rate under various crops was as follows: maize (3.401–4.810 μmol×m-2×s-1) > soybean (3.390–3.762 μmol×m-2×s-1) > wheat (2.673–3.141 μmol×m-2×s-1). Then the order of cumulative soil respiration among different rotations was as follows: wheat-maize [34.68–40.81 t(CO2)×hm-2] > wheat-soybean [30.04–33.86 t(CO2)×hm-2]. In addition, soil temperature varied significantly (< 0.05) among different crops. Particularly, soil temperature under wheat-maize rotation system was higher than that under wheat-soybean rotation system during the growth stage of wheat. Soil temperature at 5 cm soil depth in maize field was higher than that in soybean field during the summer of 2014. It was noted that SM treatment was a major regulator of soil temperature — significantly increasing it in winter and then significantly decreasing it in spring and summer. Moreover, mean soil moisture content in the 0–30 cm soil layer was significantly higher under SM treatment than under NS treatment during the dry season. Further, mean soil moisture content in the 0–30 cm layer during wheat growth period varied significantly among different crop rotation systems, which was associated with root characteristics under crop rotation. The mean soil moisture content for the 0–30 cm soil layer during maize growth period was significantly higher than that during soybean growth period. Soil temperature at the 5–10 cm soil layer was positively correlated with soil respiration. However, soil moisture at the 0–30 cm soil layer was not significantly correlated with soil respiration. Changes in soil temperature at 5 and 10 cm soil depths were respectively 64.6%–67.3% and 51.5%–59.6% explained by the variance in soil respiration. In this study,10varied within 1.70‒2.01 across different crop rotation systems and was significantly higher under wheat-maize than wheat-soybean rotation system. In addition,10was significantly higher under SM treatment than under NS treatment. Therefore, SM treatment was more advantageous in terms of the ability to effectively reduce temperature sensitivity of soil respiration and to accurately predict soil moisture and soil heat conditions.

Crop rotation system; Straw mulch; Soil respiration; Temperature sensitivity; Soil moisture and heat condition

10.13930/j.cnki.cjea.170078

S344.13

1671-3990(2017)08-1106-13

*陕西省科技统筹计划项目(2015KTCL02-07)资助

丁瑞霞, 主要从事旱区农业研究。E-mail: dingruixia@sohu.com

2017-01-21 接受日期: 2017-04-05

*This work was funded by the Science and Technology Overall Planning Project in Shaanxi Province of China (2015KTCL02-07).

, DING Ruixia, E-mail: dingruixia@sohu.com

Jan. 21, 2017; accepted Apr. 5, 2017

丁瑞霞, 王维钰, 张青. 两种轮作模式下秸秆还田对土壤呼吸及其温度敏感性的影响[J]. 中国生态农业学报, 2017, 25(8): 1106-1118

Ding R X, Wang W Y, Zhang Q. Effect of straw mulching on soil respiration and its’ temperature sensitivity under different crop rotation systems[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(8): 1106-1118