保护性耕作对华北地区玉米田土壤呼吸的影响

于玲玲， 郭 强， 徐 阳， 王长里， 张树林

(1.河北省唐山市农作物种子管理检验站，河北唐山 063000； 2.唐山市农业科学研究院，河北唐山 063000)

土壤呼吸在全球碳循环中扮演着重要的角色，土壤呼吸的微小变化将会对全球的碳循环产生深远的影响[1]。土壤呼吸作用实际上就是土壤释放CO2的过程，主要包括植物根系呼吸、微生物的呼吸以及土壤有机质的分解这3个过程[2-3]。土壤呼吸作用主要受土壤水分含量、温度、酶活性、微生物活性、有机质含量等条件的影响[4]。根呼吸在土壤呼吸中占有重要的地位，而关于根呼吸与土壤呼吸关系的研究多集中在森林生态系统[5]，而春玉米作为华北地区主要的粮食与饲料作物，春玉米田的土壤呼吸在我国的农田碳循环中占有重要的地位。本试验采取根系切除法测定不同保护性耕作模式下土壤呼吸速率、根系呼吸速率以及根呼吸占土壤呼吸的比例，以期评估区域碳收支情况并筛选出低碳、高效的保护性耕作模式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年在河北省唐山市海港开发区王滩镇十家子村进行，该地区位于河北省的东北部，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温10 ℃以上，年积温3 300～3 600 ℃，无霜期180 d左右，年降水量600 mm左右。试验地土壤为壤土，0～10 cm土壤中有机质含量为11.76 g/kg，全氮含量为0.62 g/kg，速效磷含量为17.34 mg/kg，速效钾含量为120.64 mg/kg，pH值7.35。试验处理前各个小区的地力情况基本一致。

1.2 试验设计

在唐山市农业科学研究院试验场，基于大田条件下进行试验，处理为不同秸秆还田和耕作模式。其中秸秆还田设置2种方式，分别为秸秆还田(SR)和秸秆不还田(NSR)，耕作模式设置3种方式，分别为免耕(NT)、旋耕(RT)和深翻耕(PT)，共设6个处理。其中，秸秆还田处理为玉米秸秆全量还田，上茬玉米成熟收获后，先将夏玉米秸秆粉碎至5 cm左右的小段，后结合土壤耕作混入土壤中进行秸秆全量翻埋还田，土壤耕作在玉米播种前进行。旋耕采用旋耕机旋地1遍，作业深度为15 cm，之后耙地2遍。深翻采用铧式犁翻耕1遍，作业深度为30 cm，之后耙地2遍。试验采用2因素随机区组随机设计，重复3次，每小区面积为15 m×10 m。试验材料为当地主栽玉米品种中地77，播种密度为 6万株/hm2。2015年5月8日播种，9月10日收获。底肥施过磷酸钙(P2O546%)365 kg/hm2，拔节期穴施尿素(N 46%) 375 kg/hm2，整个生育期不进行灌水，其他田间管理措施同当地常规栽培。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤呼吸速率的测定 土壤呼吸速率使用Li-8100(Li-Cor，Lincon，NE，USA)开路式土壤碳通量测定系统测定。2015年5月8日(玉米播种期)至9月10日(玉米收获期)期间，每隔15 d左右选择晴天09：00—11：00对玉米田土壤呼吸速率进行测定，每处理重复测定3次。在测定土壤呼吸速率以前，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呼吸速率的影响，在安置基座24 h后再进行测定[6]。

1.3.2 根系呼吸速率的测定 每次土壤呼吸测定完毕以后，立即采用根系切除法[7]对玉米根系呼吸速率进行测定。在土壤呼吸速率测定完成之后，拔掉测定基座，在测定基座的原位用直径15 cm、长度50 cm的根钻取0～100 cm土层的土壤。将根系从所取土壤中仔细挑出，清水洗净后用吸水纸将其擦干。利用2，3，5-氯化三苯基四氮唑(TTC)染色法[8]将有活性与无活性的根系区分开，分开后立即用Li-8100(Li-Cor，Lincoln，NE，USA)对活性根系进行呼吸测定，用1个密闭的玻璃锥形瓶(颈部与基部直径分别为10、30 cm)作为根室。根呼吸的测定从5月23日开始。

1.3.3 土壤水分含量和土壤温度的测定 在每次测定土壤呼吸速率的同时，原位测定0～20 cm土层的土壤温度和土壤水分含量。土壤温度采用曲管地温计测定，土壤水分含量采用烘干法进行测定。

1.3.4 数据处理 数据统计分析采用DPS 6. 55和Excel 2003进行，多重比较采用Duncan’s新复极差法；作图采用Excel 2003进行。

2 结果与分析

2.1 不同处理下土壤呼吸速率的季节变化

表1显示，与其他研究结果基本一致，土壤呼吸速率具有较为明显的季节变化规律，而且不同处理间土壤呼吸速率在整个观测期间都表现出相似的季节变化趋势。从5月8日(播种期)至6月7日(幼苗期)各个处理的土壤呼吸速率呈现出一直升高的趋势，之后土壤呼吸速率逐渐下降，由于降水等因素的影响，土壤呼吸速率在7月22日急剧上升并且达到整个观测期间的最大值，随后土壤呼吸速率逐渐下降。在整个测定期间，NTSR、NTNSR、RTSR、RTNSR、PTSR、PTNSR平均土壤呼吸速率值分别为232.6、184.6、356.1、304.4、405.1、 357.0 mg/(m2·h)。不同处理土壤呼吸速率具有明显差异，平均土壤呼吸速率大小顺序依次表现为PTSR>PTNSR>RTSR>RTNSR>NTSR>NTNSR。

表1 土壤呼吸速率的季节变化特征

2.2 土壤呼吸速率与土壤水分含量、温度的关系

2.2.1 土壤水分含量 土壤水分含量(0～20 cm)随作物生育时期及降水量的变化而变化(表2)，各处理间水分含量的变化规律基本一致，苗期(5月8日)到大喇叭口期(7月7日)土壤水分含量逐渐降低，由于降水因素的影响，7月22日各处理的土壤水分含量都表现出升高的趋势，与NSR相比，整个玉米生长季SR的保墒效果大于NSR。

表2 不同耕作方式下土壤水分含量的动态变化特征

2.2.2 土壤温度 由表3可知，在整个观测时期，SR处理的土壤温度均高于NSR，PT处理的土壤温度高于NT和RT处理。不同处理的土壤温度变化趋势基本一致，各处理土壤温度最高值均出现在7月7日，最低值均出现在5月8日。

表3 不同耕作方式下土壤温度的动态变化特征

2.2.3 土壤呼吸速率与土壤水热因子的相关关系 土壤水分含量和温度是影响土壤呼吸最重要的2个因素。在整个玉米生长期，不同处理间的土壤呼吸速率与土壤水分含量和温度的相关性差异较大(表4)。总体来看，土壤水分含量与土壤呼吸速率的相关性表现为PT>RT>NT；土壤温度与土壤呼吸速率的相关性表现为NT>RT>PT。

2.3 根呼吸速率

根呼吸速率和根呼吸速率占土壤呼吸速率的比例见表5和表6。在整个测定期间，根系呼吸速率呈现出单峰曲线的变化趋势，最大值出现在8月7日(灌浆中期)，最小值出现在5月23日(苗期)。根呼吸速率占土壤呼吸速率的比例波动较大，整体上各处理的最大值出现在7月7日(吐丝期)—8月22日(灌浆后期)，造成各处理的最大值出现时间不一致的主要因素可能与不同处理间土壤的水热状况不一致，并且和植株的发育状况不同有关。

表4 土壤呼吸与土壤水分和土壤温度之间的相关性

表5 根呼吸速率的季节变化特征

表6 根呼吸速率占土壤总呼吸速率的比例

3 结论与讨论

本研究表明，从平均土壤呼吸速率值来看，翻耕秸秆还田大于其他处理，主要是由于翻耕处理改变了土壤的内部结构，使耕层土壤变得疏松多孔，进而增加了土壤的通透性，土壤的通透性一方面可以影响土壤中微生物的活性以及部分有机质的分解速率，另一方面还可以影响土壤中CO2的扩散速率，国内相关学者也研究证明了这一点[9-10]。秸秆还田增加了土壤中有机质的含量，进而为土壤中微生物的活动提供了能源，增加了其繁殖和活动的频率，促进了土壤中CO2的释放。

在众多影响土壤呼吸速率的因素当中，土壤水分含量和温度是影响土壤呼吸速率主要的2个环境因子，但关于土壤呼吸速率与土壤水分含量、土壤温度的关系在不同的研究中得出的结论有很大的差异性。本研究发现，当土壤水分含量较高时，土壤温度与土壤呼吸速率的相关性较大，相反，当土壤温度较高时，土壤水分含量成了限制土壤呼吸速率的主要因素，这与前人研究结果基本一致。

各处理根呼吸速率整体上呈现出单峰曲线的变化趋势，最大值均出现在8月7日，此时正处于玉米的灌浆中期，玉米的根系发育达到最大值。

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