黄土高原轮作休耕梯田土壤碳通量特征及其与影响因素的关系

2021-11-25董彦丽李泽霞陈爱华马涛蔡海珍

甘肃农业大学学报 2021年5期

董彦丽，李泽霞，陈爱华，马涛，蔡海珍

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州 730020)

地表CO2通量生态系统通过某一生态断面的碳元素总和，是大气CO2浓度变化的关键生态学指标[1]，在全球碳循环中扮演着至关重要的角色[2]，成为全球变暖研究必不可少的关键内容之一.农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分[3]，而土壤碳通量则是农田生态系统碳循环中重要部分，不同农田管理措施使其土壤碳通量形成强烈的空间异质性[4].土壤碳通量受到土壤理化性质、土地利用方式、温度、水分、施肥、耕作制度等多种因素的影响.有研究表明[5]，旱作农田改变土地利用方式后土壤呼吸的差异可能与土壤有机碳(SOC)、土壤碳氮比(C∶N)、土壤温度和土壤水分等因素有关.不同耕作措施通过影响土壤水分、有机碳、全氮、微生物丰富度和多样性以及土壤微生物量碳等土壤质量指标而影响土壤碳排放及农田生态系统碳平衡，土壤质量的提高，可以减少土壤碳排放量[6]，如不同的耕作方式对生长季玉米地土壤CO2排放量的影响差异显著[7].有对河西干旱区甜高粱农田研究表明，水肥相互作用能够显著促进土壤呼吸[8]；有对北疆夏大豆农田的研究表明，翻耕覆膜地土壤呼吸速率显著高于翻耕与免耕[9]，也有研究表明牧草地土壤呼吸速率大于撂荒地[10].杜杰等[11]收集了黄土高原地区近20 a出版的43篇文献资料，采用Meta分析方法，得出免耕秸秆不还田和免耕秸秆还田的耕作措施有利于降低作物生育期农田土壤碳排放量，传统耕作秸秆还田和深松耕处理显著促进农田土壤碳排放.何甜甜等[12]研究表明生物炭和秸秆还田可显著增加土壤微生物量碳氮以及功能菌菌落数，土壤呼吸速率与土壤微生物量碳氮以及细菌、放线菌的数量显著正相关.

黄土高原是我国典型旱作农业区[13]，梯田分布范围广泛，是农业生产活动的主要场所，但由于长期的集约化种植使耕层浅薄化、土壤紧实化、养分利用率较低[14]，出现耕地质量下降问题，而轮作休耕制度是农业生产在一定时期内土地休养生息不耕种，从而保护、养育和恢复地力，实现土地可持续有效利用的一种措施[15].农业生产过程是大气温室气体一个重要的排放源，不同耕作模式中，免耕能减少土壤呼吸[16].黄土高原梯田主要农作物有小麦、玉米、土豆等，通过不同轮作休耕模式可有效降低碳排放，缓解土地生产压力，提高土壤质量.基于此，本研究选择轮作玉米(玉米-黄芪-玉米)、牧草地(苜蓿)、2 a休耕地、4 a休耕地和长期休耕荒草地5种模式梯田农地作为研究对象，分析不同轮作休耕模式下土壤碳通量特征及其与土壤温度、土壤理化性质的关系，以期为黄土高原梯田生态系统土壤碳排放和农地生产力提供数据支持.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省定西市陇西县云田镇，海拔1 028～1 374 m，相对高差346 m，属温带半湿润气候，年均气温8.2℃，年均降水量414.8 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.试验年份2019年均气温10 ℃，降水量435.93 mm，植被类型主要有冰草(Agropyroncristatum)、骆驼蓬(Peganumharmala)、山苦荬(Ixerisdenticulata)、车前草(Plantagoasiatica)、灰菜(Chenopodiumalbum)等；农作物以小麦、玉米、马铃薯为主，中药材有黄芪、当归等.土壤类型为黄绵土和黑垆土.农业生产无灌溉措施，属典型的旱地雨养农业区[17].

1.2 样地设置

选择坡向、坡度基本相同、位置相近的轮作玉米地(玉米-黄芪-玉米)、连作牧草的苜蓿地、荒草地、4 a休耕地和2 a休耕地5种轮作休耕模式的梯田作为试验样地(表1).各样地都为2010年修建的梯田，其中荒草地是撂荒近8 a的农地，玉米地在生育期内的管理措施同其他大田作物，其他地类无施肥措施.梯田田面分挖方段、中间段和填方段3部分，因此，本研究在每个试验样地不同位置分别布置2个测量环，每个样地6个测量环(图1)，共计30个.为避免由于安置测量环(直径20 cm×高10 cm的PVC环)对土壤扰动造成的短期内碳通量的波动，测量环于试验前一天布置完成，剪除并清理环内植物，经过24 h稳定后测定.

表1 试验样地

图1 梯田样地及测量环布设示意图

1.3 土壤碳通量测定

土壤碳通量测定采用LI-8100土壤碳通量测量系统，测量时间选择在2019年3月、5月、7月、9月、11月进行，为避免降雨、风力等气象因素的影响，选择天气状况良好的一天进行，测量时间为8∶00～18∶00，每2 h测定1次，共计6次，每个测量环重复3次.测定土壤碳通量的同时，用LI-8100自带温度探针同步测定测量环附近5 cm土壤温度.

1.4 土壤理化性质测定

苜蓿地、荒草地、4 a休耕地和2 a休耕地为长期不扰动土地，在土壤碳通量测量之前(2018年11月)取样，玉米地为扰动施肥样地，采样在土壤碳通量期间(2019年5月)进行.根据梯田分布特点，在5个试验样地挖方段、中间段和填方段3个位置分别布置5 m×10 m的样地，共15个，在样地内按“S”形随机布设3个1 m×1 m样点，重复3次取0～5 cm表层土样.用铝盒、环刀和自封袋采集土壤样品并编号，称量土样湿重后带回实验室进行土壤理化性质测定.

土壤速效钾(available potassium，AK)采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，有效磷(available phosphorus，AP)采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法测定，水解性氮(hydrolyzable nitrogen，HN)采用碱解扩散法测定，土壤有机碳(organic carbon，OC)采用重铬酸钾氧化分光光度法测定[18].

1.5 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 21.0统计软件进行数据分析；采用单因素方差分析(One-way ANOVA)对不同样地间土壤碳通量、土壤理化性质进行差异显著性检验；采用皮尔逊(Pearson)相关分析进行土壤碳通量与土壤温度及土壤理化性质的相关性分析；采用指数回归方程拟合土壤碳通量与土壤温度的关系.

2 结果与分析

2.1 不同轮作休耕梯田土壤碳通量特征

2.1.1 土壤碳通量日变化特征不同轮作休耕梯田土壤碳通量日最高值基本在12∶00～14∶00之间(图2).在测量周期内碳通量日均值表现为玉米地(1.32 μmol/(m2·s))>苜蓿地(1.26 μmol/(m2·s))>荒草地(0.97 μmol/(m2·s))>2 a休耕地(0.79 μmol/(m2·s))>4 a休耕地(0.75 μmol/(m2·s))，玉米地高于其他地类，2 a休耕地和4 a休耕地日均值相差不大.苜蓿地日较差(0.62 μmol/(m2·s))最高，其次为2 a休耕地和玉米地，4 a休耕地最低；2 a休耕地和4 a休耕地碳通量日变幅在60%左右，玉米地日变幅为44.33%.不同轮作休耕梯田5月、7月和9月生长季土壤碳通量日均值高于非生长季3月和11月，方差分析结果显示，3月、5月和7月的土壤碳通量差异显著(P<0.05)，9月和11月碳通量差异不显著(P>0.05)；不同轮作休耕梯田土壤碳通量不同月份差异显著(P<0.05).

图2 不同轮作休耕梯田土壤碳通量日变化曲线

2.1.2 梯田不同部位土壤碳通量特征坡面梯田修建由于开挖、填埋等分为挖方段、中间段和填方段3部分.经分析，不同轮作休耕梯田不同部位土壤碳通量基本都呈先增加后降低的变化趋势(图3)，荒草地、苜蓿地、2a休耕地挖方段、中间段和填方段土壤碳通量日变化曲线基本一致，不同部位土壤碳通量之间无显著差异(P>0.05).4 a休耕地和玉米地填方段日均碳通量(0.98、1.52 μmol/(m2·s))显著高于挖方段(0.65、1.12 μmol/(m2·s))和中间段(0.62、1.32 μmol/(m2·s)，P<0.05).

2.2 不同轮作休耕梯田土壤理化性质

2.2.1 不同轮作休耕梯田土壤温度的变化 5种轮作休耕梯田地表温度和5 cm土壤温度动态变化如图4所示.不同地类地表温度和5 cm土壤温度总体表现出先升高后逐渐降低的变化趋势，地表温度较5 cm土壤温度降低较快.整个测量周期内，苜蓿地和荒草地地表温度、5 cm土壤温度高于其他地类，但苜蓿地地表温度(17.76 ℃)高于荒草地(17.10 ℃)，5 cm土壤温度则反之；其他3种地类地表温度和5 cm土壤温度则表现为4 a休耕地>2 a休耕地>玉米地，玉米地平均温度最低.

图4 不同轮作休耕梯田土壤温度的日变化

2.2.2 不同轮作休耕梯田其他土壤理化性质特征由表2可知，在0～5 cm表层土壤中，不同轮作休耕梯田土壤速效钾均值特征为：玉米地>荒草地>2 a休耕地>4 a休耕地>苜蓿地，方差分析结果显示玉米地与苜蓿地、4 a休耕地差异显著(P<0.05)；有效磷和有机碳均值特征基本相同，都为玉米地>苜蓿地>2 a休耕地>荒草地>4 a休耕地，方差分析结果显示，玉米地与4 a休耕地差异显著(P<0.05)，这可能是由于玉米地施肥作用促进了土壤肥力的增加.苜蓿地水解性氮含量为40.70 mg/kg，显著高于荒草地、玉米地和4 a休耕地(P<0.05)；苜蓿地pH值显著高于4 a休耕地(P<0.05).

表2 不同轮作休耕梯田土壤理化性质

2.3 土壤碳通量与土壤理化性质的关系

2.3.1 土壤碳通量与温度的关系采用单因素指数回归方程Rs=β0×eβ1T拟合不同轮作休耕梯田土壤碳通量与地表温度、5 cm土壤温度的动态关系，Rs表示土壤碳通量；T为土壤温度；β0为0 ℃时的土壤碳通量，β1是温度反应系数(表3).5种轮作休耕梯田土壤碳通量与地表温度、5 cm土壤温度呈显著相关关系(P<0.05)，地表温度的相关性高于5 cm土壤温度，对土壤碳通量的影响程度大小关系都表现为：荒草地(0.778 4、0.673 3)>2 a休耕地(0.756 9、0.630 8)>苜蓿地(0.716 3、0.598 8)>4 a休耕地(0.623 9、0.504 2)>玉米地(0.449 4、0.377 2)，荒草地相关系数最高，玉米地最低.Q10表示温度敏感性指数，指温度增加10 ℃所造成的呼吸速率增加的倍数，是表示土壤碳通量与温度关系的一个重要参数，Q10值越高表明土壤碳通量对温度的依赖性越大[19]，Q10计算公式为Q10=e(10×β1).玉米地土壤碳通量对温度的敏感性低于其他地类，Q10值为1.64；荒草地、苜蓿地、4 a休耕地和2 a休耕地对地表温度的敏感性都高于5 cm土壤温度.

表3 不同轮作休耕梯田土壤碳通量与温度的关系

2.3.2 土壤碳通量与土壤理化性质的相关性由表4可知，不同轮作休耕梯田土壤碳通量Rs与土壤有机碳显著正相关(P<0.01)，相关系数为0.528，与pH值、速效钾、有效磷和水解性氮无显著相关性(P>0.01).土壤各指标相关性分析结果显示，pH值与水解性氮显著正相关(P<0.01)，相关系数为0.557，其他土壤理化性质之间无显著相关关系(P>0.01).

表4 不同轮作休耕梯田与其他土壤理化性质相关分析

3 讨论

农田生态系统土壤呼吸具有明显的昼夜变化，多表现为单峰曲线，且白天土壤呼吸量显著大于夜间[14-15].本研究中5种轮作休耕梯田土壤碳通量在整个测量周期内，日变化特征表现出单峰曲线，最高值出现在中午12∶00～14∶00左右，与齐鹏等[20]的研究结果一致.受耕作方式及施肥等因素的影响，玉米地土壤透气性提高，微生物生长和代谢增强，土壤呼吸作用增加，其土壤碳通量日均值高于苜蓿地、荒草地和休耕地；7月份是玉米生长期，水分、气温均适宜，玉米生长迅速，根呼吸增强[7]，土壤碳通量表现最高.荒草地土壤碳通量高于休耕地，是由于荒草地已经过多年撂荒，土层扰动较轻，土壤结构稳定，大量植物根系分布于土壤表层，根系的分泌物为土壤微生物生长提供能源，微生物的生命活动旺盛[21]，从而促进土壤碳排放.2 a休耕地和4 a休耕地土壤碳通量低于其他地类，说明休耕期短的地类碳排放量低于休耕期长的荒草地；2种休耕地由于休耕年限差距不大，且地面植被较少，方差分析结果显示土壤碳通量无显著差异(P>0.05).由于不同季节里受到气温、湿度和降水等[22]因素的影响，不同月份土壤碳通量具有显著差异(P<0.05).荒草地、苜蓿地和2 a休耕地挖方段、中间段和填方段土壤碳通量无显著差异(P>0.05)，是由于梯田经过多年机械耕作施肥，经撂荒、休耕等减少了人为的耕作干扰，不同部位土壤处于稳定状态；玉米地和4 a休耕地由于连年的耕作及有机和无机肥料的投入[23]，以及耕作方式等因素的影响，使不同部位土壤碳通量差异显著(P<0.05).

温度是土壤碳通量的敏感性影响因子，农田土壤CO2排放与0～10 cm地温具有较高的相关性[24]，5种轮作休耕梯田土壤碳通量与地表温度、5 cm土壤温度都表现出显著相关(P<0.05).不同的土地利用类型的温度变化对碳通量的控制作用会有明显的区别[25].土壤碳通量日变化受到土壤温度日变化的影响，因为一天内土壤理化性质和土壤水分的变化非常小[26].适度增温可以提高土壤微生物的活性，直接影响根呼吸，但当温度较高时，它不再是限制土壤呼吸的因子[27]，因此，在一定温度范围内，土壤碳通量与土壤温度有显著正相关关系[28].5种轮作休耕梯田Q10在1.64～1.9之间，与Zheng等[29]的研究结果对应，其中，玉米地Q10最低，对温度的敏感性低于其他轮作休耕梯田，可能由于在测量时植株较高，对太阳辐射有一定的遮蔽性有关.土壤结构随土地利用方式的改变而发生变化，从而使土壤理化特征呈现显著差异[30]，本研究中由于玉米地施肥因素影响，有机碳含量显著高于其他地类，速效钾和有效磷含量高于4 a休耕地；苜蓿地水解性氮含量和土壤pH值高于其他地类.Franzluebbers等[31]研究认为土壤呼吸强烈地受土壤有机质中碳底物的调控，且土壤基础呼吸与土壤有机碳含量呈线性相关关系，这与本研究中土壤碳通量与有机碳含量呈显著正相关关系的结果一致，但左嫚[32]等研究结果显示土壤呼吸与有机碳无显著相关性，其原因可能是不同处理对土壤呼吸的影响程度不同有关，且有机碳的可利用性也会随物理环境的变化而变化，也同样受N等其他土壤因子的影响.土壤碳通量受到气候条件、植被类型和土壤状况等诸多因子的影响[33]，仅用单因素分析方式说明的问题很有限，因此在后续的研究中应考虑多因素综合作用对土壤碳通量的影响.