干旱区盐渍化弃耕地复垦后农田土壤呼吸及碳平衡

张玉龙　蔡旭　张凤华

摘要：通过干旱区典型内陆河玛纳斯河流域绿洲农田定点定位试验，研究盐渍化弃耕地不同复垦年限土壤呼吸与生物量，并对其农田生态系统的碳平衡进行估算。结果表明，复垦前盐渍化弃耕地与复垦后的土壤呼吸速率差异显著，复垦15年、复垦10年、复垦5年、复垦1年与CK相比，土壤呼吸速率在花期分别增加360.0%、308.2%、241.5%、204.3%，在铃期分别增加166.2%、125.2%、89.4%、42.7%，在吐絮期分别增加196.0%、147.3%、110.0%、50.3%。不同复垦年限的生物量在花期、铃期、吐絮期等3个生育期总体表现为复垦15年>复垦5年>复垦10年>复垦1年>CK，在不同生长时期总体表现为铃期>吐絮期>花期，其生物量依次为37 637.3、21 823.2、19 536.6 kg/hm2。盐渍化弃耕地垦殖前为碳源，复垦后在花期、铃期、吐絮期等3个生育期不同年限均转变为碳汇;碳汇强度有所不同，表现为铃期>花期>吐絮期，其NEP依次为3 261.8、2 620.9、2 549.2 kg/hm2。

关键词：盐渍化弃耕地;复垦年限;农田生态系统;土壤呼吸;复垦农田碳平衡

中图分类号： S153.6;S181文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）09-0284-04

土壤是地球表层的主要碳库，土壤碳库约是大气碳库的2倍、植物碳库的3倍，在全球碳循环问题中起着至关重要的作用[1]。由于土地的大面积开垦、过度放牧、以及森林破坏等原因，导致土壤发生严重退化，是土壤碳平衡遭到破坏及土壤碳库亏缺的重要原因[2]。退化的土壤所损失的碳可通过生态修复的手段来重新固定[3]。国外学者研究表明，保护性耕作方式可以减少温室气体CO2的排放，增加碳固定并提升土壤质量[4-6]。国内学者发现，退耕还林还草模式下时间空间尺度其碳储量均有不同程度的增加[7]。森林遭到破坏对其进行修复重建，随着时间的增加其碳的固定量随之增加[8]。对不同种植年限苜蓿人工草地土壤CO2的研究得出，随着种植年限的增加，土壤CO2排放通量也随之增加[9]。呼伦贝尔天然草原随着刈割年限的增加土壤呼吸速率呈现降低趋势[10]。自然土壤经过垦殖后，随着垦殖年限的延长，有利于干旱区绿洲棉田土壤碳的积累[11]。

土壤呼吸与碳平衡有着密切的联系，土壤呼吸的微小变化都会对全球碳平衡产生较大的影响[12]。一方面，陆地上的植物通过光合作用，从大气中吸收大量的CO2，使之进入农田生态系统;另一方面又通过土壤呼吸作用，使土壤中的碳素以CO2的形式释放到大气中[13]。农田土壤呼吸受温度、水分等环境因素表现出明显的日变化和季节变化，农田不同区域土地类型的土壤呼吸变化差异很大，不同耕作方式、不同种植模式土壤呼吸的变化也不尽相同，因此研究农田土壤呼吸的变化对准确评估区域乃至全球土壤碳平衡具有重要意义。

由于长期耕作导致地力下降使得原来进行农业经营的土地不再进行农业耕种而撂荒的土地称之为弃耕地[14]。新疆属于干旱荒漠性气候，生态环境脆弱，较少的降水与强烈的蒸发引发土壤原生盐渍化问题[15];加之不合理的施肥、灌溉制度、长期连作等因素导致土壤地力下降，引发土壤次生盐渍化问题[16]，使得大面积的农田变为弃耕地。随着滴灌技术在新疆大规模的使用，盐渍化弃耕地得以复垦，对土壤碳平衡造成很大的影响。国内外学者在农田碳平衡方面已经取得了许多成果，然而针对新疆干旱区绿洲农田土壤呼吸与碳平衡机制的研究较为薄弱，其土壤呼吸变化规律与碳平衡机制尚不明确。因此，本试验以新疆干旱区玛纳斯河流域盐渍化弃耕地及人工复垦棉田为研究对象，分析不同种植年限农田土壤的呼吸值，研究土壤呼吸的动态变化过程，探明复垦农田土壤碳源/汇关系，以期为干旱区绿洲农田碳平衡研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验选取新疆石河子地区玛纳斯河流域典型冲积洪积扇缘地带147农场，地理位置处于85°37.275′E，44°33.493′N，海拔为378 m。为大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷，干旱少雨，蒸发剧烈，日照充足，土质多为盐碱土、荒漠灰钙土，年平均气温为6.6 ℃，≥10 ℃积温达到3 490 ℃，年降水量为 110～200 mm，年蒸发量为1 500～2 000 mm，无霜期为148～187 d。由于该区域位于冲积洪积扇缘，地下水位高，长期处于盐随水来，水去盐留的状态[15]，易发生土壤次生盐渍化弃耕现象。

1.2 试验设计

试验选择因次生盐渍化问题导致弃耕的盐渍化农田作为试验样地，对样地进行不同复垦年限的复垦重建，试验分为5个处理：原始弃耕地（CK）、复垦1年、复垦5年、复垦10年、复垦15年。原始弃耕地作为垦殖前对照，垦殖前其主要植被为多枝柽柳（Tamarix ramosissima）、猪毛菜（Salsola collina Pall）、盐爪爪（Kalidium foliatum）、盐穗木[Halostachys caspica （Bieb.） C. A. Mey.]、补血草[Limonium sinense （Girard） Kuntze]等，地表植被覆盖度低，其余4块样地均垦殖棉花。试验样地土壤理化性质如表1所示。

1.3 数据测定及样品采集

在棉花生长季（2014年7—9月），选择晴朗无风少云的天气，利用LI-8100（Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，USA）开路式土壤碳通量测定系统，分别于棉花花期（2014年7月12日）、铃期（2014年8月13日）、吐絮期（2014年9月12日）进行田间定点定位的土壤呼吸速率原位测定。测定频率为 1次/2 h，24 h（0：00—24：00）连续采集，共测定12次，12次土壤呼吸的平均值代表该样地土壤呼吸速率的日均值。为避免由于观测时间差异而导致的试驗系统误差，不同处理采用轮回测量的方法，每次测量顺序均与第1次测量顺序相同，以避免由于测量时间差异而导致的试验结果误差。为减少对土壤层次的干扰，土壤呼吸室放置在聚氯乙烯的基座上，基座高度为11.5 cm，内径为20 cm，测定基座插入土壤1～2 cm，为排除棉花根系对土壤呼吸的影响，测定基座安置在2条滴灌膜中间。至少在测定前24 h安装基座，清除测定基座内土壤表层所有的凋落物及动植物活体，在整个测量过程中减少对基座的干扰，测定位置始终不发生改变。测定时在基座与呼吸罩接触外缘涂上一层硅润滑脂，两者密闭切合，使测定的结果更加稳定可靠。

测定土壤呼吸速率的同时，采集植株地上、地下部分生物量，并用土钻钻取0～60 cm 5个层次（0～5、5～10、10～20、20～40、40～60 cm）的土壤，随机采3点土样进行混合，采用四分法分取约1 kg土样，5个处理共计25个土样。土样带回实验室风干，过1、0.149 mm筛孔，用于测定基础养分。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 净初级生产力的测定

植被净初级生产力（net primary productivity，简称NPP）是指绿色植物在单位面积、单位时间内所积累的有机物数量，是光合作用所产生的有机质总量减去呼吸消耗后的剩余部分[17]。NPP作为判定生态系统碳源/汇的主要因子，在碳循环中起到重要作用。

按棉花花期、铃期、吐絮期在原始弃耕地（CK）选择具有代表性的3个1 m×1 m的样方，收取植株地上、地下部分生物量。分别在复垦1年、复垦5年、复垦10年、复垦15年每个处理小区内选择具有代表性的棉花植株5株，测定棉花植株地上、地下部分生物量，以子叶节为界，收取地上部分，挖取棉花地下部分土壤，逐层根系筛选其根系，并收集地面凋落物，設置3次重复。将棉花植株鲜样放入牛皮纸袋，在105 ℃烘箱中杀青30 min，之后于80 ℃条件下烘干至恒质量，求其平均值并转换成单株生物量。根据棉花田间种植密度，将单株生物量再转换成单位面积棉花生物量。按下式进行计算[18]：

NPP=ΔB/Δt=C（B2-B1）/（t2-t1）。

式中：NPP为净初级生产力，kg/hm2;C为生物量的含碳量，g/g;B1、B2分别为生物量，g/m2;t1、t2分别为采样时间，d。

1.4.2 异养微生物呼吸消耗量

不同恢复年限裸地土壤呼吸即为土壤异养呼吸（microbial respiration，简称Rm）。在不同种植年限与不同种植方式农田均设置相应的裸地，裸地只进行相应施肥和灌溉，施肥量、施肥种类以及灌溉量与各处理相同，但不播种。

1.4.3 碳平衡计算

采用净生态系统生产力（net ecosystem productivity，简称NEP）来表示碳平衡。NEP是指净初级生产力中减去异养呼吸消耗（土壤呼吸）光合产物之后的部分[19]，即

NEP=NPP-Rm。

式中：NEP为净生态系统生产力，kg/hm2;NPP为净初级生产力，kg/hm2，碳含量取45%[20];Rm为异养微生物呼吸消耗量，kg/hm2。NEP表示大气中CO2进入生态系统的净光合产量，它的大小受诸多环境因子控制，当NEP为正值时，表示系统是大气CO2的吸收汇;当NEP为负值时，表示系统是大气CO2的吸收源。

1.5 数据处理分析

采用Microsoft Office Excel 2003、SPSS 11.5及DPS 7.05统计分析软件对试验数据进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 弃耕地复垦后农田土壤呼吸速率变化

由图1可知，土壤呼吸速率在3个生育期随复垦年限的不同呈现较大幅度的变化;土壤呼吸速率随生育期变化的幅度也较大。可以看出，复垦前盐渍化弃耕地的土壤呼吸速率较弱，复垦后各处理的土壤呼吸速率增强，表现为复垦15 年> 复垦10年>复垦5年>复垦1年>CK。土壤呼吸速率表现出明显的季节动态变化，土壤呼吸速率最高值出现在花期，花期到铃期土壤呼吸速率总体有着大幅度减小，铃期到吐絮期又略微减小，但变化幅度不大。总体来看，弃耕地土壤呼吸速率在花期、铃期、吐絮期等3个时期变化不大，复垦后4个处理在花期明显高于铃期与吐絮期，铃期与吐絮期相差不大。花期、铃期、吐絮期等3个生育期平均土壤呼吸速率分别为 4.45、2.57、2.47 μmol/（m2·s）。与CK相比，复垦后4个处理的土壤呼吸速率在3个生育期均有不同程度的增加，在花期复垦15年、复垦10年、复垦5年、复垦1年分别增加 360.0%、308.2%、241.5%、204.3%，在铃期分别增加 166.2%、125.2%、89.4%、42.7%，在吐絮期分别增加 196.0%、147.3%、110.0%、50.3%。

2.2 弃耕地复垦后农田生物量

由图2可知，在花期、铃期、吐絮期等3个生育期的生物量平均值差异显著，且总体表现为复垦15年>复垦5年>复垦10年>复垦1年>CK。棉花的生物量在不同生育期平均值表现为铃期>吐絮期>花期，依次为37 637.3、21 823.2、19 536.6 kg/hm2。盐渍化弃耕地的生物量在3个生育期表现为随着时间的增长生物量逐渐减小的趋势，生物量依次为 3 490.7、2 447.0、1 760.6 kg/hm2。棉花生物量复垦15年、复垦10年、复垦5年与复垦1年相比，在花期分别增加40.2%、33.3%、15.6%，[CM（8*3]在铃期分别增加59.0%、34.3%、45.0%，在吐絮期分别增加3.0%、0.2%、3.6%。

2.3 弃耕地复垦农田土壤碳平衡

由表2可知，Rm在花期、铃期、吐絮期总体表现为随着复垦年限的增加而增加，随棉花生育期的延长而减小的趋势;NPP总体表现为随复垦年限的增加而增加，铃期>花期>吐絮期的趋势;NEP与NPP变化趋势相同，NEP表现为弃耕地为负值，复垦棉花地为正值。结果表明，盐渍化弃耕地垦殖前为碳源，复垦后在花期、铃期、吐絮期等3个生育期不同年限均转变为碳汇，但碳汇强度有所不同，总体表现为复垦15年>复垦10年>复垦5年>复垦1年，但复垦10年碳储量在铃期与吐絮期有下降的趋势。盐渍化弃耕地在花期、铃期、吐絮期均为碳源，碳源强度表现为吐絮期>铃期>花期;复垦后3个生育期均为碳汇，碳汇强度表现为铃期>花期>吐絮期，4个处理的NEP平均值依次为3 261.8、2 620.9、2 549.2 kg/hm2。复垦15年、10年、复垦5年与复垦1年相比，NEP在花期分别增加 100.6%、46.9%、68.7%，在铃期分别增加46.5%、38.3%、45.2%，在吐絮期分别增加260.9%、164.7%、225.7%。