于愛忠，黃高寶，柴強(qiáng)

（甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

土壤呼吸是土壤中的微生物、動(dòng)物、植物部分釋放CO2的過程。其在調(diào)控大氣CO2濃度和氣候動(dòng)態(tài)中起著重要作用。土壤呼吸與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、土壤肥力以及全球的碳循環(huán)有密切關(guān)系［1，2］。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在陸地生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，同時(shí)也是受人類活動(dòng)影響最大的生態(tài)系統(tǒng)之一。在農(nóng)田尺度上，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程顯著影響著土壤生態(tài)過程，很多研究結(jié)果證明，土壤溫度［3］、土壤濕度［4］、土壤微生物狀況［5］、氮肥［6］等是影響土壤呼吸的關(guān)鍵因子。近年來，耕作措施對(duì)土壤呼吸的影響及其機(jī)制成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。以少免耕、秸稈覆蓋為核心技術(shù)的保護(hù)性耕作措施在減少水土流失［7］，改善土壤環(huán)境［8］方面發(fā)揮著積極作用。已有研究證明，耕作方式對(duì)農(nóng)田土壤CO2排放具有顯著影響，且表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性排放特征［9］。免耕條件下土壤呼吸速率顯著低于翻耕和旋耕處理［10］；深耕結(jié)合秸稈還田有利于減少農(nóng)田土壤CO2排放［11］。但這些研究大多探討了耕作措施下土壤呼吸變化特征，而對(duì)其機(jī)制的研究較為薄弱。在西北干旱綠洲灌區(qū)，不同耕作措施下土壤呼吸研究甚少，影響了區(qū)域內(nèi)不同土壤耕作措施生態(tài)效應(yīng)的系統(tǒng)評(píng)價(jià)。本研究在多年定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上探討了冬小麥農(nóng)田土壤呼吸對(duì)不同耕作措施的響應(yīng)和對(duì)土壤水熱因子的敏感性，以期為區(qū)域內(nèi)發(fā)展生態(tài)保護(hù)型農(nóng)作制模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2008年9月－2009年7月在甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的多年定位試驗(yàn)（始于2004年）上進(jìn)行。該地區(qū)位于甘肅河西走廊東端（37°30′N，103°5′E），屬冷溫帶干旱區(qū)，是典型的大陸性氣候，日照充足，平均海拔1 776m，降水年際變化不大，但季節(jié)變化較大，多年平均降水量160mm左右，主要集中在7－9月份，冬春季干旱，降水無法滿足作物生長(zhǎng)的需要。年蒸發(fā)量2 400mm，干燥度5.85，年平均氣溫7.2℃，1月最低平均氣溫－27.7℃，7月最高平均氣溫34.0℃，≥0℃年積溫3 513.4℃，≥10℃年積溫2 985.4℃。全年無霜期156d，年日照時(shí)數(shù)2 945h。土壤以荒漠灌淤土為主，粉沙壤質(zhì)，土層深厚。試驗(yàn)布設(shè)前耕層（0～30 cm）速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為64.42，3.06和243.08mg／kg，有機(jī)質(zhì)含量為15.70g／kg，土壤容重為1.08g／cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置3個(gè)處理，3次重復(fù)。小區(qū)長(zhǎng)27m，寬4m。試驗(yàn)處理為：1）傳統(tǒng)耕作處理（T）：前茬作物收獲后深耕（25cm）滅茬、耙耱整平；不覆蓋。2）免耕不覆蓋處理（NT）：前茬作物收獲后免耕，不覆蓋。3）免耕秸稈覆蓋處理（NTS）：前茬作物收獲后免耕并將秸稈切碎為5cm長(zhǎng)度覆蓋。秸稈覆蓋量為6 750 kg／hm2。

試驗(yàn)冬小麥（Triticumaestivum）品種為甘肅省張掖市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所引進(jìn)的強(qiáng)冬性品種繁13，凈度98%，發(fā)芽率95%，純度96%。2008年9月18日用甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制的免耕覆蓋施肥播種機(jī)播種，播量337.5 kg／hm2，行距15cm，播深6cm?；适┓柿繛槭┘僋 192kg／hm2、P2O5138kg／hm2，折合磷二銨300kg／hm2，尿素300kg／hm2。拔節(jié)初期結(jié)合灌水追施磷酸二銨150kg／hm2，尿素225kg／hm2；抽穗期結(jié)合灌水追施磷酸二銨45kg／hm2，尿素75kg／hm2。試驗(yàn)期間灌越冬水1 800m3／hm2、拔節(jié)水1 200m3／hm2、抽穗水1 050m3／hm2和灌漿水900m3／hm2，全生育期灌水量為4 950m3／hm2。3個(gè)處理播種、施肥、灌水同步進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤呼吸速率 采用CFX－2土壤CO2通量系統(tǒng)（PP SYSTEM，Amesbury，Hitchin）測(cè)定。日變化分別在冬小麥返青至成熟期的前、中、后期測(cè)定，每次觀測(cè)從8：00開始至次日6：00，每隔1h測(cè)定1次，每小區(qū)隨機(jī)選擇觀測(cè)點(diǎn)，重復(fù)3次；生育期變化分別于3月28日（返青期）、4月19日（拔節(jié)期）、5月10日（孕穗期）、6月3日（開花期）、6月21日（灌漿期）和7月11日（成熟期）測(cè)定，每次測(cè)定從8：00－18：00，每隔1h測(cè)定1次，連續(xù)觀測(cè)3d，求平均值作為該生育時(shí)期土壤呼吸速率。

1.3.2 土壤溫度 測(cè)定土壤呼吸的同時(shí)，采用曲管地溫計(jì)觀測(cè)每小區(qū)5，15和25cm深處的土壤溫度。

1.3.3 土壤含水率 測(cè)定土壤呼吸生育期變化的同時(shí)，采用烘干法［12］測(cè)定每小區(qū)0～10，10～20和20～30cm

土壤含水率，0～30cm的土壤含水率為以上3個(gè)層次的平均值。

1.4 計(jì)算和數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS 13.0完成。土壤呼吸過程的敏感性采用Q10來描述，它是溫度每增加10℃土壤呼吸速率增加的倍數(shù)。當(dāng)溫度和土壤呼吸之間的關(guān)系用指數(shù)函數(shù)擬合時(shí)，Q10就可以用式（1）［13］估算出來：

式中，b為溫度響應(yīng)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施下土壤呼吸的日變化和生育期動(dòng)態(tài)變化

一般地，1d之內(nèi)，早晨土壤呼吸隨著土壤溫度的升高而增加，在中午或半下午時(shí)達(dá)到高峰，下午和整個(gè)夜間都隨溫度的降低而下降［14］。本研究結(jié)果表明（圖1，2），3種耕作措施土壤呼吸速率存在明顯的變化規(guī)律，均呈單峰曲線，且免耕秸稈覆蓋（NTS）峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后于免耕不覆蓋（NT）和傳統(tǒng)耕作（T）處理。以冬小麥返青期土壤呼吸速率日變化為例（圖1），NTS處理峰值出現(xiàn)在15：00，達(dá)到1.49μmol／（m2·s），而NT和T處理峰值均出現(xiàn)在14：00，分別達(dá)到1.42和1.55μmol／（m2·s），3種耕作措施最低值均出現(xiàn)在4：00－5：00，各處理22：00至次日6：00無明顯差異。不同耕作措施土壤呼吸速率冬小麥生育期動(dòng)態(tài)變化結(jié)果表明（圖2），3種耕作措施土壤呼吸速率存在明顯變化規(guī)律，也呈單峰曲線，各處理峰值均出現(xiàn)在冬小麥開花期（6月3日），NTS、NT和T處理土壤呼吸速率分別達(dá)到2.72，1.52和2.20μmol／（m2·s），說明各處理土壤呼吸速率的峰值均出現(xiàn)在冬小麥生長(zhǎng)的旺盛時(shí)期。

2.2 不同耕作措施下土壤呼吸速率的影響

不同耕作措施土壤呼吸速率日變化及生育期變化均值結(jié)果表明（圖3），無論是土壤呼吸日變化均值還是生育期動(dòng)態(tài)變化均值，NT處理土壤呼吸速率顯著低于NTS和T處理（P＜0.05）。對(duì)土壤呼吸日變化均值而言，NTS和T處理分別較NT處理高14.13%和9.68%；對(duì)土壤呼吸生育期均值動(dòng)態(tài)變化而言，NTS和T處理分別較NT處理高43.01%和33.33%。這主要是因?yàn)槊飧Y(jié)合秸稈還田，顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量［15］，使有機(jī)質(zhì)分解釋放的CO2對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)增加；T處理中，由于機(jī)械的翻耕作用改善了土壤耕層通透性，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，進(jìn)而提高了土壤呼吸速率。

圖1 不同耕作措施土壤呼吸速率日變化Fig.1 Diurnal variations of soil respiration rate under different tillage

2.3 不同耕作措施下土壤呼吸對(duì)土壤溫度和濕度變化的敏感性

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)尺度上，土壤呼吸和溫度之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、二次函數(shù)和冪函數(shù)等形式表達(dá)［16］。而土壤濕度對(duì)土壤呼吸的直接影響是通過影響根和微生物的生理過程，對(duì)土壤呼吸的間接影響是通過影響呼吸底物和氧氣的擴(kuò)散［2］。本研究中采用指數(shù)函數(shù)（Rs＝aebT）擬合了不同耕作措施下土壤呼吸速率（Rs）與土壤溫度（T），并通過指數(shù)函數(shù)中的參數(shù)b計(jì)算了土壤呼吸對(duì)土壤溫度的敏感性（Q10）。結(jié)果表明，3種耕作措施土壤呼吸速率與5cm處的土壤溫度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與15和25cm處土壤溫度相關(guān)不顯著。不同處理土壤呼吸（Rs）與5cm處土壤溫度（T）擬合方程及土壤呼吸對(duì)土壤溫度的敏感性（Q10）如表1所示。3種耕作措施下土壤呼吸速率很大程度上決定于土壤溫度（5cm），土壤溫度解釋了土壤呼吸速率日變化的78.15%～96.60%。3種耕作措施下土壤呼吸對(duì)土壤溫度的敏感性依次為NT＞NTS＞T，敏感性（Q10）在1.93～3.00。采用拋物線擬合了不同耕作措施土壤呼吸速率（Rs）與耕層（0～30cm）土壤含水率（θ）之間的關(guān)系，結(jié)果表明（表2），3種耕作措施下土壤呼吸對(duì)土壤含水量不敏感，其中，以傳統(tǒng)耕作表現(xiàn)最不敏感，土壤含水量?jī)H解釋了土壤呼吸季節(jié)變化的15.31%～25.26%。說明在西北綠洲灌區(qū)，不同耕作措施條件下，土壤呼吸對(duì)土壤濕度變化不敏感。

圖2 不同耕作措施土壤呼吸速率生育期變化Fig.2 Dynamics of soil respiration rate under different tillage during growth period

圖3 不同耕作措施土壤呼吸速率日變化和生育期變化均值Fig.3 Average rate of diurnal and seasonal soil respiration under different tillage

3 討論

3.1 不同耕作措施對(duì)土壤呼吸的影響

許多研究結(jié)果表明，土壤呼吸表現(xiàn)出很強(qiáng)的日變化和季節(jié)變化規(guī)律，韓廣軒和周廣勝［17］總結(jié)了國(guó)內(nèi)外一些研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)土壤呼吸作用的日變化多呈單峰型曲線。劉爽等［14］在山西壽陽地區(qū)研究得出，土壤呼吸速率日變化峰值出現(xiàn)在11：30－13：30，季節(jié)峰值出現(xiàn)在7月上旬至中旬；鄧愛娟等［18］在華北平原研究認(rèn)為冬小麥農(nóng)田土壤呼吸日變化峰值出現(xiàn)在12：30－14：30。林同保等［19］研究認(rèn)為冬小麥各生育時(shí)期CO2通量日變化均呈倒“U”型。本研究得出，3種耕作措施下冬小麥農(nóng)田土壤呼吸日變化和冬小麥生育期變化呈明顯的單峰曲線，日變化峰值出現(xiàn)在14：00－15：00，生育期變化峰值出現(xiàn)在6月上旬。由此說明不同生態(tài)背景下，農(nóng)田土壤呼吸變化峰值基本出現(xiàn)在中午或午后，而季節(jié)變化峰值則出現(xiàn)在氣溫相對(duì)較高也是作物生長(zhǎng)旺盛的夏季。

表1 不同處理土壤呼吸速率（Rs）與土壤溫度（T）擬合方程及土壤呼吸對(duì)土壤溫度的敏感性（Q10）Table 1 Fitted equation of soil respiration rate（Rs）with soil temperature（T）and temperature sensitivity of soil respiration rate（Q10）

表2 不同處理土壤呼吸速率（Rs）與土壤含水率（θ）擬合方程Table 2 Fitted equation of soil respiration rate（Rs）with soil water content（θ）

張宇等［9］研究認(rèn)為耕作方式對(duì)冬小麥農(nóng)田土壤CO2排放具有顯著影響；江曉東等［10］研究認(rèn)為翻耕條件下農(nóng)田土壤呼吸速率顯著高于免耕。本研究比較了免耕秸稈覆蓋、免耕不覆蓋和傳統(tǒng)翻耕條件下冬小麥農(nóng)田土壤呼吸速率，發(fā)現(xiàn)無論是土壤呼吸日變化均值還是季節(jié)變化均值，免耕秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作條件下土壤呼吸速率均顯著高于免耕不覆蓋處理，這說明秸稈覆蓋或翻耕均能增加土壤碳排放。這主要是因?yàn)槊飧斩捀采w處理中秸稈還田增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，使有機(jī)質(zhì)分解釋放的CO2對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)增加，而對(duì)于傳統(tǒng)耕作而言，由于機(jī)械的翻耕作用改善了土壤耕層通透性，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，進(jìn)而提高了土壤呼吸速率。

3.2 土壤呼吸對(duì)土壤水熱因子的敏感性

土壤呼吸受許多因子的交互影響，盡管很難將它們的作用區(qū)分開來。土壤溫度和濕度作為2個(gè)影響土壤呼吸的主要因子，Raich和Schlesinger［20］總結(jié)前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤呼吸對(duì)溫度的敏感性值（Q10）一般在1.3～3.3變化。Philip等［4］研究認(rèn)為，傳統(tǒng)耕作中土壤CO2通量與表層（6.5cm）土壤含水率顯著相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，3種耕作措施下土壤呼吸對(duì)土壤溫度（5cm）的敏感性值（Q10）在1.93～3.00，這與Raich和Schlesinger［20］的研究結(jié)果一致；同時(shí)江曉東等［10］研究也認(rèn)為翻耕、旋耕、耙耕和免耕4種土壤耕作模式中土壤呼吸速率與5cm土壤溫度的相關(guān)性最大。不同耕作措施對(duì)溫度的敏感性依次為免耕不覆蓋＞免耕秸稈覆蓋＞傳統(tǒng)耕作，這一結(jié)果與代快等［21］的研究結(jié)果一致。很多野外測(cè)量結(jié)果表明，土壤濕度只有在最低或最高的情況下才會(huì)抑制土壤CO2通量［2］。從本研究結(jié)果來看，3種耕作措施下土壤呼吸速率對(duì)土壤濕度均不敏感，說明在此研究條件下，土壤水分尚未達(dá)到影響土壤呼吸的閾值。有關(guān)作物根系時(shí)空分布、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤空隙對(duì)農(nóng)田土壤呼吸的影響及其機(jī)制有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

在西北綠洲灌區(qū)，免耕秸稈覆蓋、免耕不覆蓋和傳統(tǒng)耕作措施下冬小麥農(nóng)田土壤呼吸日變化峰值出現(xiàn)在14：00－15：00，生育期變化峰值出現(xiàn)在6月上旬。從冬小麥返青至成熟，免耕秸稈覆蓋和傳統(tǒng)翻耕處理土壤呼吸平均速率分別較免耕不覆蓋處理高43.01%和33.33%。土壤濕度對(duì)冬小麥農(nóng)田土壤呼吸影響不顯著，不同耕作措施下土壤呼吸主要受土壤溫度的控制。

［1］Bond－Lamberty B，Thomson A.Temperature associated increases in the global soil respiration record［J］.Nature，2010，464：580－581.

［2］Luo Y Q，Zhou X H.Soil Respiration and the Environment［M］.San Diego，California：Academic Press／Elsevier，2006.

［3］Zhang H X，Wang X K，F(xiàn)eng Z W，etal.Soil temperature and moisture sensitivities of soil CO2efflux before and after tillage in a wheat field of Loess Plateau，China［J］.Journal of Environmental Sciences，2011，23（1）：79－86.

［4］Philip J B，James R F，Jeff M N，etal.Soil CO2flux from a Norfolk loamy sand after 25years of conventional and conservation tillage［J］.Soil and Tillage Research，2006，90（1－2）：205－211.

［5］屈冉，李俊生，羅遵蘭，等.土壤微生物和有機(jī)酸對(duì)土壤呼吸速率的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2010，24（4）：242－245.

［6］高會(huì)議，郭勝利，劉文兆，等.黃土旱塬區(qū)冬小麥不同施肥處理的土壤呼吸及土壤碳動(dòng)態(tài)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（5）：2551－2559.

［7］黃高寶，于愛忠，郭清毅，等.甘肅河西冬小麥保護(hù)性耕作對(duì)土壤風(fēng)蝕影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，2007，44（6）：968－973.

［8］Pandey C B，Chaudhari S K，Dagar J C，etal.Soil N mineralization and microbial biomass carbon affected by different tillage levels in a hot humid tropic［J］.Soil and Tillage Research，2010，110（1）：33－41.

［9］張宇，張海林，陳繼康，等.耕作方式對(duì)冬小麥田土壤呼吸及各組分貢獻(xiàn)的影響［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42（9）：3354－3360.

［10］江曉東，遲淑筠，寧堂原，等.少免耕模式對(duì)土壤呼吸的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（2）：253－256.

［11］Russ W G，Don C R，Robert A G，etal.Influence of tillage and plant residue management on respiration of a Florida Everglades Histosol［J］.Soil and Tillage Research，2007，92（1－2）：156－166.

［12］依艷麗.土壤物理性質(zhì)研究［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2009.

［13］Chen H，Harmon M E，Griffiths R P，etal.Effects of temperature and moisture on carbon respired from decomposing woody roots［J］.Forest Ecology and Management，2000，138（1－3）：51－63.

［14］劉爽，嚴(yán)昌榮，何文清，等.不同耕作措施下旱地農(nóng)田土壤呼吸及其影響因素［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（11）：2919－2924.

［15］楊晶，沈禹穎，南志標(biāo)，等.保護(hù)性耕作對(duì)黃土高原玉米－小麥－大豆輪作系統(tǒng)產(chǎn)量及表層土壤碳管理指數(shù)的影響［J］.草業(yè)學(xué)報(bào)，2010，19（1）：75－82.

［16］韓廣軒，周廣勝，許振柱.中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用研究與展望［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，32（3）：719－733.

［17］韓廣軒，周廣勝.土壤呼吸作用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其影響機(jī)制研究與展望［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，33（1）：197－205.

［18］鄧愛娟，申雙和，張雪松，等.華北平原地區(qū)麥田土壤呼吸特征［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（11）：2286－2292.

［19］林同保，王志強(qiáng)，宋雪雷，等.冬小麥農(nóng)田二氧化碳通量及其影響因素分析［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，16（6）：1458－1463.

［20］Raich J W，Schlesinger W H.The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate［J］.Tellus，1992，44（2）：81－89.

［21］代快，蔡典雄，王燕，等.不同耕作措施對(duì)旱作春玉米農(nóng)田土壤呼吸影響的研究——土壤溫度對(duì)土壤呼吸速率的影響［J］.中國(guó)土壤與肥料，2010，（6）：64－69.