黄土区梯田不同覆膜条件下土壤的呼吸特征

陈爱华, 马 涛, 董彦丽, 李泽霞, 吕文强

(甘肃省水土保持科学研究所, 甘肃 兰州 730020)

土壤呼吸是碳循环过程的一个重要组分，每年全球土壤呼吸碳释放约98±12 Pg碳进入大气层[1]，约占每年大气中CO2输入的10%[2]，其量值远大于化石燃烧的碳排放量，占生态系统总初级生产力的49%～55%[3]，成为陆地生态系统的第二大碳通量组分，能解释整个生态系统呼吸的70%左右[4]。所以，土壤呼吸在陆地生态系统碳循环中有着十分重要的地位。

在梯田区域内广泛采用薄膜覆盖是一项有效的旱作增产技术，该技术于1987年正式由日本引入我国，在20世纪80年代推广以来，普及较快，目前中国已经成为世界上地膜覆盖栽培作物面积最大的国家[5]。覆膜管理方式有效抑制了蒸发，使总蒸发量大幅度下降，保证了耕层土壤有较高的含水量，增加了耕层的土壤温度，从而到达增产的效果。覆膜等农业管理措施通过改变土壤水分、养分状况以及改变土壤碳排放过程，进而影响土壤碳平衡，土壤养分及其循环有着极为重要的影响。以往的研究者对玉米膜覆盖栽培方式进行的大量研究主要集中在增温、保水、增产和提高水分利用效率方面[6-7]。还有一些学者对露地栽培玉米的农田生态系统进行了较深入的净碳交换和土壤呼吸研究[8-10]，但对不同覆膜条件下春玉米田碳循环的观测较少，从农田生态系统碳通量角度来探讨覆膜栽培方式对作物生物量和产量影响的研究目前同样尚浅。因此，本研究以黄土区梯田为研究对象，选择甘肃省陇西县为研究区，通过野外定位监测，通过研究不同覆膜情况下梯田土壤理化性质的分布特征和土壤呼吸速率的特征，分析黄土区梯田不同覆膜处理对玉米农田生态系统碳平衡的影响机制，探寻土壤碳循环的合理农业覆膜措施。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选择甘肃省定西市陇西县云田镇梯田(2010年修建)为研究对象。该区地处东经107°15′—107°23′E，北纬35°21′—35°27′N，海拔1 028～1 374 m，相对高差346 m，属温带半湿润气候，日照充足，夏季炎热，冬季微寒。据陇西气象站1981—2010年系列数据，研究区年均气温8.2 ℃，年均降水量414.8 mm，最大24 h降水量54.8 mm，年蒸发量1 562.8 mm，年均风速1.5 m/s，无霜期161.8 d，最大冻土深98 cm。植物资源比较丰富，区域内主要草本植物有冰草、猪毛菜、车前草等，人工种植作物主要有小麦、玉米、苜蓿、洋芋、中药材等，农业生产无灌溉措施，为典型的旱地雨养农业区，梯田土壤类型为黄绵土和黑垆土。

1.2 试验样地概况

试验样地(裸地)0—60 m土层中，土壤有机质含量6.33～13.10 g/kg，速效钾含量70.20～209.20 mg/kg，速效磷2.77～17.46 mg/kg，碱解氮6.89～17.48 mg/kg。土壤有机质、速效钾、速效磷、碱解氮含量均随土层深度增加而减少。

1.3 试验设计与方法

1.3.1 试验设计 本试验研究黄土区梯田不同覆膜方式对土壤呼吸速率的影响，试验共设3个处理，设置裸地(对照，不覆膜)，覆白膜地和覆黑膜地。试验采用单因素随机区组设计，小区面积10 m×15 m，每块田地的挖方段、中间段、填方段3个部位为3个小区，3块田地共计9个小区，玉米种植行距55 cm，株距40 cm。试验于2019年3月18日平耙地采用机械平地覆膜，4月1日人工点种玉米，10月20日收获。玉米生育期的水分供给依赖自然降雨，全生育期内不进行灌溉。玉米播种时施底肥有机肥7.5×104kg/hm2，尿素225 kg/hm2，磷酸二胺225 kg/hm2。在覆膜前15 d左右，将农家肥、化肥混合均匀地面撒施，再进行1次深耕翻地，耕后及时耙耱保墒。试验不在施肥期进行。

1.3.2 试验方法

(1) 试验方法。本试验于2019年在甘肃省定西市陇西县石家门村进行，试验设计在3块田地的每个小区分别布设2个测量环进行土壤呼吸速率测定，9个试验小区共计18个测量环(图1)。在试验测定前24 h将直径200 mm，高100 mm的PVC土壤呼吸速率测量环于打入玉米植株之间的空地中，深度约30—40 mm，尽量避免由于安置测量环对土壤扰动造成的短期内呼吸速率的波动；测量环嵌入土壤后，将环内地表植被自土壤表层剪除干净，尽量做到不破坏土壤，以减少土壤扰动对测定结果的影响。

图1 试验小区及测量环布设示意图

(2) 土壤呼吸速率的测定。土壤呼吸速率采用LI-8100土壤碳通量自动测量系统测定，该设备由美国LI-COR公司生产，北京力高泰科技有限公司提供。

本试验土壤呼吸速率测定时间为2019年的3，5，7，9和11月，每个测定周期为10 h，早上8：00开始，下午18：00结束，每2 h测定1次，共计6次。每个测量环测量3次，取平均值计为测量时间点的土壤呼吸速率。测定土壤呼吸速率的同时，LI-8100自带的温度探针和土壤水分探头可同步测定观测点附近5 cm土壤温度，利用气温计同步观测记录大气温度和地表温度。

(3) 土壤水分的测定。土壤水分测定采用烘干法。

1.4 数据处理与统计方法

采集土样采用Excel和SPSS 21.0软件进行数据整理分析并绘图。采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)中最小显著差异法(LSD)分析不同覆膜方式对土壤呼吸速率的影响，显著性差异水平取p<0.05。回归方程检验土壤呼吸速率与温度间单因素和双因素的拟合程度。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜条件土壤呼吸日变化特征

由图2可知，不同月份不同覆膜条件玉米地的土壤呼吸速率日变化特征都呈单峰曲线变化趋势，且土壤呼吸速率最高值基本都出现在12：00—14：00之间。不同的覆膜方式中，覆盖黑膜玉米地的土壤呼吸速率日平均值最高。由表1可看出，不同月份覆盖黑膜的玉米地土壤呼吸速率日均值远远高于覆白膜玉米地和裸地，3个不同覆膜处理玉米地的平均日均值大小表现为：黑膜地〔4.01 μmol/(m2·s)〕>白膜地〔2.99 μmol/(m2·s)〕>裸地〔1.32 μmol/(m2·s)〕，黑膜地平均日均值高于白膜34.11%，高于裸地204.79%。经方差分析全年土壤呼吸速率平均值可知，白膜玉米地、黑膜玉米地及裸地的土壤呼吸速率两两之间差异显著(p<0.05)。经多重比较分析可知，3月白膜玉米地、黑膜玉米地及裸地的土壤呼吸速率两两之间差异显著(p<0.05)；5月白膜玉米地、黑膜玉米地及裸地的土壤呼吸速率两两之间差异显著(p<0.05)；7月白膜玉米地、黑膜玉米地及裸地的土壤呼吸速率两两之间差异显著(p<0.05)；9月白膜玉米地与黑膜玉米地的土壤呼吸速率差异显著(p<0.05)，黑膜玉米地与裸地的土壤呼吸速率差异显著(p<0.05)，白膜玉米地与裸地的土壤呼吸速率差异不显著(p>0.05)；11月白膜玉米地、黑膜玉米地及裸地的土壤呼吸速率两两之间差异显著(p<0.05)。

图2 不同覆膜条件土壤呼吸特征日变化

由表1可知，不同覆膜条件玉米地在不同月份日较差表现不规律，根据平均日较差值，白膜玉米地日较差最高为1.42 μmol/(m2·s)，其次为黑膜玉米地日较差为1.39 μmol/(m2·s)，日较差最低的是裸地为0.50 μmol/(m2·s)，说明白膜玉米地一天之中土壤呼吸速率最高值与最低值相差较大，裸地土壤呼吸速率最高值与最低值差异较小；根据不同覆膜处理玉米地平均日变幅值，白膜玉米地日变幅最高为45.48%，其次为裸地43.71%，最低为黑膜玉米地25.80%。

表1 土壤呼吸特征分析

2.2 不同覆膜条件土壤呼吸月变化特征

由图3—4可以看出，白膜玉米地和黑膜玉米地不同月份土壤呼吸速率变化表现为：7月>5月>3月>9月>11月，裸地不同月份土壤呼吸速率变化表现为：7月>3月>9月>5月>11月。5和9月正处于夏秋季，土壤微生物活动剧烈，土壤呼吸速率大，3和11月处于冬春季，植物处于生长末期或休眠期，土壤微生物活动缓慢，土壤呼吸速率小。方差分析结果可知，不同覆膜条件在不同月份的土壤呼吸速率两两之间均差异显著(p<0.05)，多重比较分析可知，白膜玉米地在7月和11月的土壤呼吸速率差异显著(p<0.05)，在3，5和9月的土壤呼吸速率两两之间差异不显著(p>0.05)；黑膜玉米地在7，9和11月的土壤呼吸速率两两之间差异显著(p<0.05)，在3与5月的土壤呼吸速率差异不显著(p>0.05)；裸地在5，9和11月的土壤呼吸速率两两之间差异差异显著(p<0.05)，在3与7月土壤呼吸速率差异不显著(p>0.05)。

图3 不同覆膜条件不同月份土壤呼吸速率变化特征

2.3 不同覆膜条件土壤碳排放量估算

土壤CO2通量作为陆地生态系统CO2通量第二大组成部分，在全球碳循环中扮演着极其重要的角色。本项目土壤碳排放量估算利用不同覆膜处理不同季度昼间的日均土壤呼吸速率，换算出日间土壤呼吸速率，获得每季度土壤碳排放量，从而估算出全年的土壤碳排放量。经过计算不同覆膜条件不同季度的土壤CO2排放量，最后合计土壤CO2排放量，由表2可知，不同覆膜条件玉米地在4个季节的土壤CO2排放量表现为：黑膜地>白膜地>裸地，且夏季和秋季的土壤CO2排放量高于春季和冬季。这是因为夏秋季日辐射能量高，日照时数长，且土壤水热条件好，土壤微生物活动剧烈，植物根系分解速度快，促促使土壤以较快的速度排放CO2，因此土壤呼吸速率大；冬春季，植物处于生长末期或休眠期，基本停止生长，日辐射能量降低，制约了土壤生物的活动，从而使壤呼吸速率在秋、冬两季较小(表2)。

表2 不同覆膜条件土壤CO2排放量估算 g/(m2·a)

图4 不同覆膜条件土壤呼吸速率月变化特征

2.4 土壤呼吸速率与地表温度和5 cm土壤温度的关系

通过建立不同覆膜条件玉米地土壤呼吸速率与地表温度、5 cm土壤温度的指数回归方程(图5—6)。由图5—6和表3可知，白膜玉米地与黑膜玉米地土壤呼吸速率与地表温度、5 cm土壤温度都表现出极显著相关(p<0.01)，裸地土壤呼吸速率与地表温度表现出显著相关(p<0.05)、与5 cm土壤温度表现出极显著相关(p<0.01)。白膜玉米地、黑膜玉米地和裸地的土壤呼吸速率与5 cm土壤温度的R2达到了0.700 4，0.560 1和0.377 2，说明5 cm土壤温度能够解释土壤呼吸速率变异百分比分别是70.04%(白膜玉米地)，56.01%(黑膜玉米地)，37.72%(裸地)，白膜玉米地与5 cm土壤温度的相关性高于黑膜玉米地和裸地；白膜玉米地、黑膜玉米地和裸地的土壤呼吸速率与地表温度的R2达到了0.700 1，0.524 1和0.449 4，说明地表温度能够解释土壤呼吸速率变异百分比分别是70.01%(白膜玉米地)，52.41%(黑膜玉米地)，44.94%(裸地)，白膜玉米地与地表温度的相关性高于黑膜玉米地和裸地。通过比较分析，白膜玉米地和黑膜玉米地5 cm土壤温度对土壤呼吸速率的影响高于地表温度，裸地地表温度对土壤碳通量的影响高于5 cm土壤温度。

图5 土壤呼吸速率与地表温度(Te)的关系

表示温度与土壤呼吸速率关系的另一个重要参数是Q10。Q10为温度敏感性指数，Q10越高表明土壤呼吸速率对温度的依赖性越大[11]。利用Q10值的计算公式Q10=e10×β1，计算土壤呼吸的Q10值，其中，β1是土壤呼吸速率的温度指数曲线方程 的温度反应系数，其中，β0为0 ℃时的土壤呼吸速率[12]。通过分析计算，由表3可以看出，白膜玉米地土壤呼吸速率对温度的敏感性高于其他覆膜方式，Q10分别为2.03，2.15；黑膜玉米地和裸地玉米地的土壤呼吸速率对5 cm土壤温度的敏感性高于地表温度。

表3 不同覆膜条件梯田土壤呼吸速率与地表温度、5 cm土壤温度的拟合关系

2.5 不同覆膜条件土壤含水率变化

由图7可知，不同覆膜条件下土壤0—60 cm土层含水率的变化趋势一致，自表层至深层呈现S形变化规律。5月22日，白膜地、黑膜地各土层的含水率差异性不显著，但均高于裸地，0—60 cm土层白膜地、黑膜地的土壤含水率平均值较裸地高6.00%和3.10%。9月22日，不同覆膜条件下土壤表层含水率均高于深层含水率，0—20 cm土层白膜地、黑膜地的含水量均明显高于裸地，但白膜覆盖与黑膜覆盖对土壤含水率的影响均无显著性差异；随着土层的加深，20—40 cm土层的含水量在两种覆膜方式下均明显高于裸地，随土层深度的增加差异呈减小趋势。5月和9月两种覆膜条件下土壤含水量增加，这是由于随着外界气温的回升，地膜内的温度升高更快，迫使深层土壤水分上移，在表层聚积，形成提水上升的保墒效应。研究结果表明，与白色地膜覆盖相比，黑色地膜同样具有较好的土壤保墒功能，可满足玉米正常生长所需的水分。

图7 玉米不同时期土壤含水率变化

3 结 论

(1) 不同覆膜条件玉米地的土壤呼吸速率日变化都呈单峰曲线变化趋势，最高值基本都出现在12：00—14：00之间。3种不同覆膜处理玉米地的日均值表现为：黑膜地>白膜地>裸地，且不同覆膜处理的土壤呼吸速率差异显著。

(2) 白膜玉米地和黑膜玉米地不同月份土壤呼吸速率变化表现为：7月>5月>3月>9月>11月，裸地不同月份土壤呼吸速率变化表现为：7月>3月>9月>5月>11月，夏季土壤呼吸活动最剧烈，且不同覆膜处理不同月份土壤呼吸速率两两之间差异显著。

(3) 不同覆膜条件土壤CO2年排放量表现为：黑膜地>白膜地>裸地，且夏季和秋季的土壤CO2年排放量均高于春季和冬季。

(4) 不同覆膜条件玉米地土壤呼吸速率与地表温度、5 cm土壤温度具有很好的相关性，且都表现出极显著相关，覆膜玉米地5 cm土壤温度对土壤呼吸速率的影响高于地表温度，裸地则反之，白膜玉米地土壤呼吸速率对温度的敏感性高于其他覆膜方式。

(5) 不同覆膜条件下，土壤0—60 cm土层含水率的变化趋势一致，自表层至深层呈现“S”型变化规律。裸地土壤蒸发量大，裸地在0—60 cm土层的含水率明显低于两种覆膜地。研究结果表明，与白色地膜覆盖相比，黑色地膜同样具有较好的土壤保墒功能，可满足玉米正常生长所需的水分。

本文通过对黄土区梯田不同覆膜条件下土壤呼吸速率及土壤CO2排放量进行分析认为，3种覆膜处理下，覆盖黑膜玉米地的土壤呼吸速率和土壤CO2排放量于白膜玉米地和裸地，且夏季和秋季的土壤呼吸速率和土壤CO2排放量大。由此可见，梯田不同覆膜条件增大了土壤呼吸速率和土壤呼吸CO2释放量，有效改善了黄土区梯田土壤碳循环环境，因此，提倡推广覆膜措施，推进黄土区梯田的生态系统可持续健康发展。