长期保护性耕作对农田土壤水分和呼吸的影响

，， ，，士权，

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室， 吉林 长春 130102；2.中国科学院大学， 北京 100049;3.农安县巴吉垒镇农机技术推广站,吉林 农安 130200)

0 引 言

全球陆地土壤是一个巨大的碳库(约存储1 500 Pg有机碳)[1-2]。作为土壤碳库的主要输出途径和大气CO2的重要来源[3-4]，土壤呼吸通过自养和异养呼吸每年向大气释放50～80.4 Pg(1015g)碳，为化石燃料的燃烧年输入大气CO2量的11倍[5],所以土壤碳库的细微变化都可能引起大气中CO2浓度的剧烈变化[6]。

农田是受人为干扰最为严重的陆地生态系统，其对大气温室气体(CO2)积累贡献是人类活动释放量的1/4[7]，不合理的农田措施使土壤结构改变，土壤侵蚀加剧，土壤有机质含量降低[8-9]，因此对土壤碳存储量和其循环的周期产生巨大影响[10]。但农田生态系统也是最有希望通过良好的耕作管理措施实现碳固定的陆地生态系统[11]。保护性耕作(减少土壤扰动、秸秆还田和轮作)是备受国际关注的既能满足人类需求又对环境影响最小的农业管理措施[12-13]。但是有关保护性耕作(免耕)对土壤呼吸的影响，目前还存在着争议。有研究认为，免耕由于作物残渣覆盖在地表，使得作物残渣与土壤接触减少，因此分解较慢，并使得土壤向大气排放CO2减少，土壤CO2排放量降低[14]。但是也有研究认为，免耕保持了表层土壤较高的有机碳含量和水分从而有助于微生物分解活动，相比翻耕有等量或者更大的CO2排放量[15]。这些不同的研究结果与耕作实施年限、作物种植模式以及土壤呼吸监测的时间长短等密切相关[16]。那么长期保护性耕作措施(包括种植模式)下农田土壤呼吸的变化研究，将有利于深入理解保护性耕作对土壤碳循环过程的影响，对提高农田土壤有机碳含量和稳定土壤碳库有意义。因此,本研究通过对比免耕与秋翻在轮作与连作两种不同种植模式下的土壤呼吸以及其影响因素，探讨耕作方式对东北黑土土壤呼吸和土壤水分影响，以期为农田生态系统碳循环机理研究与过程提供数据支持和理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

试验地位于中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土农业试验示范基地-吉林省德惠市米沙子乡(44°12′N，125°33′E)，初建于2001年9月。该地区的气候是中温带大陆性季风气候，年平均气温在4.4 ℃左右，年降水量约为520 mm，且主要集中于6-8月。试验区的土壤类型是中层典型黑土，壤质粘土，表层0～20 cm土壤的pH值在6.5左右，呈现出中性或者微酸性(表1)。小区试验实施之前是传统耕作方式，以玉米连作为主。

表1 试验前研究区土壤理化性质(2001年)Table 1 Soil physicochemical properties in the study area before the experiment in 2001(mean±SE)

注：平均值±标准差，n=4。

Note:Average value ±SE,n=4.

1.2 试验设计

试验小区采用了单因素裂区、4个重复的随机区组设计。单因素是耕作方式，其中包括免耕和秋翻。主要处理裂分为两种耕作模式，分别是玉米连作和玉米-大豆轮作(每年均有种植玉米和大豆的小区)。每个小区的面积是5.2 m×20 m=104 m2。本研究选取的耕作处理包括免耕轮作(NTCR)、免耕连作(NTCC)、秋翻轮作(MPCR)和秋翻连作(MPCC)，所有轮作处理监测当季种植的作物均为玉米。免耕处理，采用联合作业牵引免耕播种机(KINZE3000)播种，收获后到播种前不扰动土壤，作物残留物覆盖地表，应用广谱性除草剂于播种前、播种后对土壤进行处理及苗期喷洒。秋翻处理，作物残留物秋翻时被翻于地表之下，人工除草和中耕起垄。所有处理的氮肥(底肥和追肥)施入量为150 kg·hm-2，磷肥(P)和钾肥(K)只在播种时作为底肥施入，施用量分别为45.5 kg·hm-2和80 kg·hm-2。

1.3 测定方法

播种之后，每个测试小区选取靠近中间的无苗区，其中每个无苗区的中间位置放置一个直径20 cm，高10 cm的PVC环，PVC环垂直插入土壤中约3～5 cm，为防止测量中漏气，需将PVC外围土壤轻轻压实。为减少土壤扰动对实验测量结果的影响，PVC环需在测量前一天插入。测量仪器使用的是全自动土壤碳通量测量系统Li-Cor8100(Li-Cor，Lincoln,NE)。在能代表CO2释放速率平均值的时间段(9:00-11:00)进行测量，因为测量时间有限，每个处理只能选择3个区组重复。2011-2016年的6年生长季中约15 d测定一次土壤呼吸速率，同时测量每个PVC环附近的土壤温度与水分含量，用Li-Cor-8100温度探头和针式温度计测量10 cm深度土壤温度，用Li-Cor-8100水分探头测定22 cm土壤含水量。

1.4 全年土壤CO2排放通量估算

每个耕作方式的全年土壤CO2排放通量估算是计算两个采样时间段的平均土壤CO2释放速率得到，且计算平均CO2释放速率以及不同采样日期间隔时间的总值(也就是合成)[17]，具体计算方法见公式(1)：

(1)

式中:TSR表示测量季节总的土壤CO2排放通量；n表示全年土壤CO2释放测量次数；SRmk、SRmk+1表示在tk和tk+1时间内土壤CO2释放速率平均值；Δtk=tk+1-tk，表示每个测量的间隔天数。

1.5 数据处理

由于冬季耕作处理间土壤呼吸差异较小，本研究以生产季节的土壤呼吸为主，全年的土壤呼吸数据只用来计算土壤CO2年释放量。所有数据经过Microsoft Excel和Rstudio[18]处理，使用箱线图法对土壤呼吸速率、土壤水分进行单变量异常值检验，使用mice包进行缺失数据的多重插补。利用单因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比较中的TukeyHSD检验方法比较不同时间和耕作方式下土壤呼吸速率、土壤水分的季节差异；利用多因素方差分析(MANOVA)比较耕作方式和种植模式的影响；利用nls2包进行多元非线性回归，建立土壤呼吸速率与土壤温度和水分含量的统计模型。土壤呼吸速率与土壤温度、土壤含水量的复合模型为：

log(R)=α+β×tlog(W)

(2)

式中：R为土壤呼吸速率，单位为umol·m-2·s-1；t为土壤温度,单位为℃；w为土壤含水量，单位为%；α、β为相关系数。

2 结果与分析

2.1 土壤呼吸速率

2.1.1 耕作方式对土壤呼吸的影响。土壤呼吸速率表现出明显的季节性变化，与土壤温度变化规律相同，随时间的推进呈先上升后下降的趋势，土壤呼吸速率最大值出现在7月份(3.82 umol·m-2·s-1)，土壤呼吸速率最小值出现在10月份(1.09 umol·m-2·s-1)(图1)。

玉米连作条件下，在2011-2016年内秋翻5-7月份土壤呼吸速率比免耕高(P<0.05,图1)，且分别高出20.9%、14.8%和6.7%。在7-10月份，秋翻土壤呼吸速率与免耕无显著性差异(图1)。在玉米大豆轮作的条件下，整个生长季节内秋翻与免耕处理的土壤呼吸速率无显著性差异(图1，表2)。

图1 2011-2016年玉米免耕连作和轮作下土壤呼吸速率Fig.1 Soil respiration rate under corn monoculture and corn-maize rotation from 2011 to 2016

表2 耕作方式和种植模式对土壤呼吸和含水量影响的方差分析Table 2 The ANOVA of soil respiration rate and soil water content under different tillage and planting treatment

注：表中＊代表各处理之间的显著差异(*：P<0.05；**：P<0.01；***：P<0.001)。

Note:* indicates significant difference between treatments(*：P<0.05；**：P<0.01；***：P<0.001).

2.1.2 种植模式对土壤呼吸的影响。无论是在秋翻还是免耕处理下，轮作7月和8月的土壤呼吸速率均小于连作，但是差异不显著(图1)。值得注意的是5月份轮作的呼吸速率比连作高，且免耕处理下显著高出30.2%(P<0.05,图1)。

2.2 土壤CO2年释放量

土壤CO2年释放量存在年际变化，但是差异不显著；耕作处理间土壤CO2年释放量也无明显差异(表3)。作物种植模式影响土壤CO2年释放量，无论秋翻还是免耕下轮作6年平均值均高于连作(除2012年)，但无显著性差异，其中秋翻高出3.4%，免耕高出5.9%(表3)。

2.3 土壤水分

免耕连作处理土壤含水量的季节性变幅较其它处理小。耕作处理对土壤含水量的影响因种植模式而异(图2)。连作下免耕增加土壤含水量，生长季节平均比秋翻增加14.6%，其中5月、6月和10月份差异显著(P>0.05)；轮作下免耕的含水量较秋翻高(除5月份)，但是差异不显著(图2)。秋翻处理下轮作的土壤含水量较连作高，但是差异未达到显著水平。

表3 不同耕作方式下土壤年CO2释放量Table 3 Annual soil CO2 emissions under corn monoculture and corn-maize rotation

注：不同字母代表同年内耕作处理间在0.05水平上差异显著。

Note：Different small letters indicate the significant differences among tillage treatments at 0.05 level.

图2 玉米免耕连作和轮作下土壤水分Fig.2 Soil water content under corn monoculture and corn-maize rotation

2.4 土壤呼吸速率与水分和温度的关系

土壤温度、土壤含水量与土壤呼吸速率混合模型log(R)=-0.503 483+0.020 774×tlog(w)能更好地反应其变化规律，解释土壤呼吸速率变异的52.4%(P<0.001)。三者的相关分析表明，土壤呼吸与土壤温度呈明显的正相关关系。但土壤呼吸与土壤水分关系并未达到显著水平(图3)。

图3 土壤水分和温度与土壤呼吸速率的关系Fig 3 The relationship between soil temperature and water content and soil respiration

3 讨 论

土壤水分是作物生长的必要因子[19]。在生长季节内免耕能够增加表层和深层的土壤含水量及土壤水分利用效率[20]。我们的结果也表明免耕连作能够增加表层的土壤含水量(图2)，这主要是因为覆盖在土壤表层的秸秆能够通过增加入渗率和减少径流及蒸发起到缓冲作用[21-24]。例如在本试验地上免耕较秋翻表现出更高的土壤入渗速率[25]。其次秸秆覆盖通过影响大孔隙和团聚体间接地增加土壤吸水性[26]。免耕有利于一些大孔隙(如死亡的根系通道、蚯蚓洞穴)的形成，本试验地内免耕处理下表层(0～5 cm)>100 μm的孔隙比秋翻高出 9.8%[27]。同时免耕处理的秸秆覆盖还有利于增加土壤团聚体形成和保护土壤表面[28-29]，研究表明免耕显著地增加了表层(0～5 cm )>1 mm的土壤团聚体，我们推断在本试验区内免耕处理的土壤吸水性高于秋翻，这也是其土壤含水量增加的原因。因此，免耕(秸秆覆盖在土壤表面)可以通过对农业生态系统的结构和过程的影响来提高植物可获得的水分含量[24]。

土壤呼吸是土壤碳库的重要输出途径以及大气 CO2的重要来源，也是全球陆地生态系统碳循环中的重要组成部分之一[2,30-31]。以往的研究表明耕作方式改变会增加或减少土壤呼吸速率[15,32-35]，也有研究表明秋翻和免耕处理的土壤呼吸释放速率无显著差异[36-37]。通过分析发现有以下几方面的原因：首先，土壤扰动是主要原因之一，土壤耕作后立即测定土壤呼吸速率时常规耕作处理较免耕高[33-35,38-40]，尤其是常规耕作处理将秸秆翻入土壤时(与无翻动相比较)[41]。因为翻耕不仅使土壤疏松增加空气传导系数[38,40]，且土壤通气性增加通常会引起短期的激发效应，即土壤碳矿化加剧[42]。这就解释了为什么秋翻处理5～7月的土壤呼吸速率较免耕高(图1)。另外，土壤扰动通常会破坏土壤团聚体结构，而由于缺少土壤团聚体的保护作用会加速土壤有机质的分解[43]。

其次，耕作对土壤物理性质的影响也是引起免耕和秋翻处理间土壤呼吸速率存在差异的原因。当土壤容重从 1.1 g·cm-3升高到1.3 g·cm-3和1.5 g·cm-3时平均土壤呼吸速率(CO2释放量)降低27%和37%[44]，因为容重增加会降低相对气体扩散率[45]，也会使土壤呼吸速率(CO2释放量)降低[46]。在本研究试验区内免耕使5～10 cm和10～20 cm的土壤容重显著地增加了11%和6%[47]，这将会减少免耕土壤呼吸释放速率。

再次，秸秆还田方式的差异也是引起耕作处理间的土壤呼吸速率存在差异的原因。土壤呼吸受土壤碳输入量及土壤有机碳分解过程的调控。我们以往的研究表明耕作处理间的秸秆还田量(玉米产量换算结果)无显著性差异[48]，但是实际上免耕处理的碳输入量比秋翻处理低(覆盖在土壤表面的秸秆会被风吹走一些)。当考虑秸秆的影响时，耕作处理的影响会被弱化，例如秸秆埋入土壤的CO2释放速率是无秸秆还田的2.3倍[41]，并且免耕处理的秸秆分解速率要低于翻入土壤的秸秆分解速率[49]。因此，免耕处理的秸秆还田量相对较少及较慢的分解速率使得其土壤呼吸速率较秋翻处理低。

最后，耕作处理间土壤微生物的差异。土壤微生物参与的土壤有机碳和秸秆分解是土壤呼吸的主要组成部分。翻耕和秸秆覆盖在土壤表面会导致耕作处理间土壤微生物生物量的差异。(1)秋翻增加生长季节内的土壤温度(未发表数据)，秋翻处理后土壤通气性的增加能够增加土壤微生物活性进而增加CO2的量[50]； (2)免耕下秸秆覆盖在土壤表面可增加土壤微生物所需的有效底物，致使表层土壤具有更高的土壤微生物生物量[51]，这些微生物会产生更多的CO2，例如免耕处理的土壤微生物呼吸比秋翻处理高8.8%[52]；(3)土壤微生物群落结构变化被认为会引起更高的土壤呼吸[53]，在我们的试验区上长期保护性耕作改变了土壤微生物群落结构(真菌和细菌比值)[51]。因此，秋翻处理下因翻耕引起的CO2增加量与免耕处理下因秸秆覆盖而增加的CO2相互抵消，从而使得耕作处理间的土壤CO2年释放量无显著差异。

土壤呼吸主要由土壤有机质分解的异养呼吸和植物根系的自养呼吸组成，前茬作物的秸秆性质(碳氮比)和秸秆还田数量也是影响土壤呼吸的原因。轮作条件下的前茬作物是大豆，其秸秆比玉米秸秆更易分解[54]，并且大豆秸秆含氮量高在早期的分解过程中有利于土壤微生物的生长繁殖，在秸秆分解前期释放更多CO2[55]，但是在分解后期可利用物质减少，不利于保持较高的土壤微生物活性[56]。这可能是轮作下夏季(7月、8月)土壤呼吸速率比连作低，而春季略高于连作的原因。另外，秸秆还田的数量也是影响土壤呼吸速率原因。免耕和秋翻玉米连作下的秸秆还田量约为5.7 MgC·hm-2和5.9 MgC·hm-2，而轮作下的大豆分别为2.7 MgC·hm-2和2.8 MgC·hm-2(根据作物产量换算，玉米和大豆的籽粒与秸秆比值为1∶1.2和1∶1.6)，也就是说连作下的秸秆还田量是轮作下的近2倍。如果只是考虑土壤微生物对秸秆的分解作用，大豆秸秆还田处理的土壤微生物呼吸速率是玉米秸秆还田的2倍左右[55]，这就能合理地解释为什么我们的研究中连作与轮作下的土壤呼吸速率无明显差异(图1)。综上，相较于耕作方式的影响，作物种植模式对土壤呼吸速率的影响较小。

4 结 论

6年的保护性耕作长期野外监测结果表明：玉米连作条件下，秋翻显著增加作物生长前半期的土壤呼吸速率；在玉米大豆轮作的条件下，不同耕作处理间土壤呼吸速率无显著性差异。作物种植模式对土壤呼吸速率的影响主要体现在7月和8月，轮作的土壤呼吸速率小于连作。土壤CO2年释放量年际变化和耕作处理间无显著差异，轮作土壤CO2年释放量比连作略高。耕作处理对土壤水分含量影响因种植模式而异，免耕连作增加土壤含水量。从土壤碳释放的角度出发，玉米免耕连作减少作物生长前半期的土壤呼吸速率，并且增加土壤水分含量是有利于农田土壤有机碳固定的耕作措施。