張丁辰，蔡典雄，代 快，馮宗會，張曉明，王小彬，*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點開放實驗室，北京 100081;2.北京京誠嘉宇環(huán)境科技有限公司，中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100053;3.農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點開放實驗室，北京 100081)

土壤呼吸是土壤碳庫向大氣碳庫輸入碳的主要途徑［1］。研究表明，土壤碳庫0.1%的變化將導(dǎo)致大氣圈CO2濃度1 mg/L的變化，從而加劇或減緩全球氣候變暖［2］。過去100a間(1906—2005年)全球地面平均溫度升高了(0.74±0.18)℃［3］，溫度的升高會導(dǎo)致土壤釋放出更多的 CO2，進一步加劇氣候變暖［4］，已經(jīng)引起各國政府和科研工作者的高度重視。因此，明確陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸變化規(guī)律及其影響因素的控制機理對制定溫室氣體減排政策與正確評估區(qū)域碳匯/源效應(yīng)具有重要意義。陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用主要有3個特征:土壤呼吸強度、時間變異性和空間變異性［5］。測定不同區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率及其影響因素，明確其時間和空間變異特征，對于全球碳平衡預(yù)算、估測及其變化研究是最為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)［6］。因此，必須加強不同區(qū)域土壤呼吸過程及其影響因素的研究［6-8］。

陸地生態(tài)系統(tǒng)中，森林和草原生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸是當前國內(nèi)外研究重點，兩生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳儲量分別約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳總量的40%和15.5%，是全球碳循環(huán)的重要組成部分［9-11］;近幾十年來，作為人為干擾最為強烈的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)被證明也是影響氣候變化的主要因素之一［12］。目前，我國農(nóng)田土壤呼吸方面研究主要集中在黃淮海、東北和長江中下游地區(qū)［13-14］，而旱作農(nóng)田土壤呼吸及其影響因素的研究報道較少，且對土壤呼吸與水熱因素之間關(guān)系的研究結(jié)論存在爭議［14-16］。本試驗基于農(nóng)業(yè)部壽陽旱作農(nóng)業(yè)試驗基地自2003年開始的長期定位試驗，測定了傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕土壤呼吸速率，同步測定了0—10 cm和10—20 cm土壤水分以及5、10cm和15cm土壤溫度，分析了春玉米生育期內(nèi)不同耕作措施下土壤呼吸變化特征，對土壤呼吸與水熱兩因素之間關(guān)系進行了擬合和分析，以期為土壤碳循環(huán)過程及其變化機制研究提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗設(shè)在半濕潤偏旱區(qū)的山西省晉中地區(qū)壽陽旱農(nóng)試驗站(東經(jīng)112°—113°，北緯37°—38°)，屬中緯度暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)。該區(qū)近10年的平均年降水量為443.8 mm，平均氣溫7.4℃。試區(qū)內(nèi)大部分土地地勢較高，海拔1066—1159 m。試驗地選在較平緩、無灌溉條件的旱塬砂質(zhì)壤土的褐土上，屬全年無灌溉雨養(yǎng)地，基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為有機質(zhì) 25.7 g/kg，速效磷(P)7.3 mg/kg，速效鉀(K)84.0 mg/kg，全氮 1.04 g/kg，無機態(tài)堿解氮(NH+4+NO－3)54.0 mg/kg，pH 值為 7.87。

2009年春玉米生育期為4月27日至10月4日，共161 d;2010年春玉米生育期為4月26日至10月12日，共170 d。在春玉米生育期內(nèi)，2009—2010年分別降水33次和37次，總量分別為359.3 mm和279.3 mm，兩年中均為8月份降水量最大(圖1)。

1.2 試驗設(shè)計與管理

本試驗為長期定位試驗，始于2003年4月份。供試玉米品種為當?shù)貎?yōu)勢品種(4月下旬播種，10月中旬收獲)，2009—2010年均為晉單48號。試驗設(shè)3種耕作處理，分別為傳統(tǒng)耕作(CT)、少耕(RT)和免耕(NT)。

(1)傳統(tǒng)耕作處理，秋收后秸稈移出并耕翻(秸稈殘留量約25%)，春播前施化肥并耕翻;

(2)少耕處理，秋收后秸稈還田并配合施化肥及翻耕(秸稈、殘茬還田量約90%)，春季免耕播種;

圖1 2009—2010年降水量Fig.1 Precipitation in 2009—2010

(3)免耕處理(NT)，秋收后秸稈順行覆蓋(秸稈、殘茬還田量約90%)，春季改秸稈壟溝覆蓋(壟、溝寬度均為60 cm，壟高、溝深均為5 cm，坡度約10°)，順壟開5 cm深小槽，點播玉米種子并在兩播種點之間穴施化肥。處理小區(qū)面積為10 m×5 m=50 m2，重復(fù)6次，每年不同耕作處理NP施肥量為105 kg/hm2，肥料為復(fù)合肥20-20-0(N%-P%-K%)。

1.3 觀測指標與數(shù)據(jù)處理

1.3.1 土壤呼吸、溫度與水分測定方法

采用紅外氣體分析法測定土壤呼吸速率，測定儀器型號為LI-6400-09(LI-COR，Lincoln，NE，USA)，在玉米播種期(4月底)、苗期(5月份)、拔節(jié)期(6月份)、大喇叭口期(7—8月份)、灌漿期(9月份)、成熟期和收獲期(10月份)分別選取一天進行土壤呼吸測定，每個處理5—6組重復(fù)，具體測定方法詳見韓廣軒等［17］。每次測定均限定在08:00—10:00點之間，此時土壤呼吸速率最為接近24 h均值［18］。為避免測定土壤受到擾動，每年播種后在各小區(qū)內(nèi)隨機放置測定基座后整個生育期內(nèi)不再移動，測定基座放置在相鄰兩行的4棵玉米植株之間(免耕處理中，在相鄰溝、壟分別放置1個測定基座，記為1組，隨機放置3組，土壤呼吸速率取該組的平均值)，插入土壤深度為2 cm，作為氣室連接LI-6400的呼吸探頭，測定時儀器直接輸出結(jié)果。

在測定土壤呼吸時采用酒精溫度計同步測定當天5、10 cm和15 cm土壤溫度;采用經(jīng)典烘干法測定0—10 cm和10—20 cm土壤水分，以質(zhì)量含水率(%)表示;降水量采用不銹鋼雨量器收集記錄。

1.3.2 溫度敏感性系數(shù)計算方法

土壤呼吸速率隨溫度變化程度使用溫度敏感性系數(shù)Q10表示，即溫度每升高10℃土壤呼吸增加的倍數(shù)［19］，公式［20］為:

式中，y為土壤呼吸速率(μCO2mol·m－2·s－1)，T為土壤溫度(℃)，a、b為模擬計算值。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Microsoft excel 2003進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作，土壤呼吸與水熱兩因子之間關(guān)系采用SAS V8中的REG統(tǒng)計程序進行統(tǒng)計分析，各關(guān)系方程如下:

土壤呼吸與土壤水分關(guān)系方程 y=aW2+bW+c

土壤呼吸與土壤溫度關(guān)系方程 y=aTb

土壤呼吸與水熱因子關(guān)系方程 y=a ebTWc，y=a+bT+cW

式中，y為土壤呼吸速率(μCO2mol·m－2·s－1)，W為土壤質(zhì)量含水量(%)，T為土壤溫度(℃)，a、b、c為模擬計算值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作處理玉米生育期地表土壤水分、溫度

2.1.1 不同耕作處理玉米生育期地表土壤水分變化

土壤水分很大程度上隨降水量的變化而變化，圖2顯示，生育期內(nèi)土壤含水率波動劇烈，呈波浪形變化趨勢，波動程度最大的少耕土壤含水率變化范圍為5.6%—23.9%;3種耕作處理之間，免耕土壤含水率最高，其次是少耕土壤，傳統(tǒng)耕作土壤最小，2009—2010年生育期內(nèi)平均土壤含水率(0—20 cm)三者分別為15.7%、13.7% 和 13.5%，前者分別比后兩者高出14.8%和17.7%，可見免耕的保水性能最好;不同土層間，0—10 cm與10—20 cm相比，后者土壤含水率均高于前者(圖2)。

2.1.2 不同耕作處理玉米生育期地表土壤溫度變化

由圖3可見，春玉米生育期內(nèi)，土壤溫度呈單峰型變化趨勢，峰值出現(xiàn)在7月份;不同土層間，土壤溫度隨土層的不斷加深而逐漸降低;不同處理間，CT、RT和NT土壤0—15 cm平均溫度變化范圍分別是:4.5—28.5、5.0—28.2和3.3—25.2℃，波動幅度較大，傳統(tǒng)耕作和少耕土壤在各土層上均相差無幾，但都略高于免耕土壤，在夏季高溫時期尤為明顯。

圖2 春玉米生育期內(nèi)土壤水分Fig.2 Soil moisture in spring maize growth stage

2.2 不同耕作措施土壤呼吸速率

由表1可見，春玉米生育期內(nèi)，除2010年7月份土壤呼吸速率略低于2010年6月份外(差異不顯著)，土壤呼吸變化趨勢基本表現(xiàn)為單峰型，相同處理下各月份土壤呼吸速率差異顯著，自5月份開始逐漸升高，至8月份達到峰值，后又逐漸降低;3種耕作處理之間，除2009年8月份、2010年6月份和8月份之外土壤呼吸速率均無顯著差異(表1)，CT、RT和NT土壤呼吸速率變化范圍分別是 0.50—4.81、1.11—5.44 和 0.40—5.89μmolCO2m－2·s－1，傳統(tǒng)耕作與少耕土壤呼吸速率變化趨勢基本一致，其中少耕略高于傳統(tǒng)耕作，而免耕土壤與前兩者相比波動幅度較大;免耕土壤呼吸速率在4月底玉米播種期最小，8月份玉米生長旺季超過傳統(tǒng)耕作和少耕土壤達到最大，10月份玉米收獲后又降至三者中最低水平;年際間，除2010年8月份免耕土壤呼吸速率與2009年同期相比無明顯變化外，其它時期2010年各處理土壤呼吸速率均低于2009年，這可能是2010年土壤含水率(0—20 cm)和溫度(0—15 cm)相較2009年均略有降低導(dǎo)致(圖2，圖3)。

2.3 土壤呼吸與水熱因子之間的關(guān)系

圖3 春玉米生育期內(nèi)土壤溫度Fig.3 Soil temperature in spring maize growth stage

表1 春玉米生育期內(nèi)不同耕作土壤呼吸速率Table 1 Soil respiration rate under different tillage treatment in spring maize growth stage

圖4 春玉米生育期內(nèi)土壤呼吸與水分的關(guān)系Fig.4 Relationship between soil respiration and moisture in spring maize growth stage

基于土壤水分(y=aW2+bW+c)或土壤溫度(y=aTb)的單因素模型擬合結(jié)果顯示，2009年、2010年兩年土壤呼吸峰值與水分、溫度單因子之間均無顯著相關(guān)，其余時期土壤呼吸與水熱因子表現(xiàn)出了良好的相關(guān)關(guān)系(圖4，圖5);基于土壤水分和土壤溫度的雙因素模型(y=a ebTWc或y=a+bT+cW)擬合結(jié)果顯示，整個生育期內(nèi)土壤呼吸和水熱因子之間均呈顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，而除土壤呼吸峰值外其他時期土壤呼吸和水熱因子相關(guān)程度更高。峰值時期作物生長旺盛，土壤微生物代謝活動增強，土壤有機質(zhì)礦化速率提高［21］，與生育期內(nèi)其它時期相比上述因素對土壤呼吸的影響作用大幅提高，可能是導(dǎo)致土壤呼吸峰值對水熱因子響應(yīng)程度降低的主要原因，有待于進一步研究論證。為更好的研究其它時期土壤呼吸對水熱因子的響應(yīng)情況，本文對有無峰值兩種情況下土壤呼吸與水熱因子之間的關(guān)系分別做了數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

圖5 春玉米生育期內(nèi)土壤呼吸與溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between soil respiration and temperature in spring maize growth stage

2.3.1 土壤呼吸與水分之間的關(guān)系

土壤呼吸和水分之間的擬合方法很多，本試驗使用一元二次方程y=aW2+bW+c的擬合效果最好。由圖4可見，除峰值時期外其它時期土壤呼吸和水分之間在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出了良好的“U”型曲線關(guān)系，此時土壤水分(0—10 cm)能夠解釋57%—76%的土壤呼吸季節(jié)變化;由圖5中土壤呼吸與水分的關(guān)系公式可得，當傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕土壤含水率(0—10 cm)分別小于12.0%、11.4%和14.7%時，土壤呼吸與水分呈顯著負相關(guān)關(guān)系，而分別大于上述三值時土壤呼吸與水分呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

不同耕作處理之間，除峰值時期外其它時期，土壤呼吸與水分(0—20 cm)的關(guān)系均達到了顯著相關(guān)(P＜0.05)，其中免耕土壤對水分變化敏感性最高，相關(guān)程度表現(xiàn)為免耕＞少耕＞傳統(tǒng)耕作;不同土層之間土壤呼吸對0—10 cm土壤水分的響應(yīng)程度高于10—20 cm土壤，3種耕作0—10 cm土壤呼吸與水分的關(guān)系均達到顯著水平(P＜0.05)，其中免耕0—10 cm土壤達到極顯著水平(P＜0.01)，在10—20 cm土壤上只有免耕處理達到顯著水平(P＜0.05)。

2.3.2 土壤呼吸與溫度之間的關(guān)系

本試驗使用y=aTb乘冪方程模擬土壤呼吸與溫度的關(guān)系效果最好，圖5可見，除峰值時期外其他時期，3種耕作土壤呼吸與溫度均呈現(xiàn)出了顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，土壤呼吸速率隨溫度的上升而逐漸增大，土壤溫度(15 cm)最高可以解釋土壤呼吸變化的67%—82%;不同處理間，免耕土壤呼吸與溫度的相關(guān)性最高，決定系數(shù)最高達到0.82，少耕和傳統(tǒng)耕作分別為0.67和0.70;不同土層間，土層越深土壤呼吸與溫度的相關(guān)性越好，10 cm和15 cm土層均達到極顯著水平;國內(nèi)外學(xué)者一般將土壤呼吸速率隨溫度的變化程度使用溫度敏感性系數(shù)(Q10)表示，由公式計算可得，除峰值時期外其他時期土壤呼吸對傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕土壤(15 cm)溫度敏感性系數(shù)Q10分別為2.02、1.59和2.47。由上可知，3種耕作處理下，免耕土壤呼吸對土壤溫度變化最為敏感，其次是傳統(tǒng)耕作土壤，少耕土壤最低。

2.3.3 土壤呼吸與水熱因子之間的關(guān)系

分別使用指數(shù)-冪函數(shù)y=a ebTWc和線性方程y=a+bT+cW兩種模型擬合了土壤呼吸與水熱因子之間的關(guān)系，其中指數(shù)-冪函數(shù)能夠更好的擬合試驗結(jié)果。由表2可知，在0—10 cm和10—20 cm土層土壤上，水熱因子分別可以解釋土壤呼吸變化的66%—83%和81%—87%;不考慮峰值時，水熱因子分別可以解釋土壤呼吸變化的70%—90%和85%—90%。兩模型對無峰值數(shù)據(jù)擬合結(jié)果中R2較有峰值數(shù)據(jù)擬合結(jié)果均有不同幅度的增大，其中線性模型擬合結(jié)果變化巨大，說明峰值時期有水分和溫度以外的因素對土壤呼吸有較大影響，且均高于水分、溫度單因子模型擬合結(jié)果，說明水熱兩因子對土壤呼吸的協(xié)同影響作用高于單因子的影響程度。

不同土層間，兩種模型擬合結(jié)果均顯示10—20 cm土壤水熱綜合狀況對土壤呼吸變化的影響高于0—10 cm;不同處理間，水熱因子對土壤呼吸的影響程度均達到了顯著水平(P＜0.05)，其中傳統(tǒng)耕作土壤呼吸速率對水熱因子(10—20 cm)的響應(yīng)程度最高(R2=0.87)，其次是免耕(R2=0.83)，少耕響應(yīng)程度最低(R2=0.81)，與水分和溫度單因子模型擬合結(jié)果有明顯不同，說明土壤呼吸在水熱雙因子的協(xié)同影響下與只受水分或溫度單因子影響具有不同的變化趨勢，水熱雙因子的協(xié)同影響機制有待進一步研究。

表2 基于土壤水分(W)和土壤溫度(T)的土壤呼吸模型參數(shù)Table 2 Parameters of soil respiration models based on soil temperature and soil moisture

3 討論與結(jié)論

3.1 不同耕作土壤呼吸變化規(guī)律

眾多研究結(jié)果顯示，土壤呼吸季節(jié)變化一般呈現(xiàn)單峰型特點［22-26］，本試驗得到相同的結(jié)論，雖然出現(xiàn)高峰的時間多有不同，但土壤呼吸的整體變化規(guī)律基本一致，峰值出現(xiàn)時間的差異可能由測定時期、地域、土壤類型以及土地利用方式等因素的不同造成。

3.2 土壤呼吸與水熱因子之間的關(guān)系

本文研究表明，土壤水分和溫度是影響土壤呼吸的關(guān)鍵因子，與前人研究結(jié)果一致［21-24］;但兩年的試驗結(jié)果均顯示，土壤呼吸峰值對土壤水分和土壤溫度單因子響應(yīng)異常，本研究認為在土壤呼吸峰值時期，有水分和溫度以外的因素對土壤呼吸起了較大的影響作用，如作物生長、微生物代謝活動等，具體因素仍需要進一步的研究論證。

水熱因子對土壤呼吸的協(xié)同影響程度高于單因子，最高(10—20 cm土壤)可以解釋土壤呼吸季節(jié)變化的81%—87%，這與韓廣軒［27］、姜艷［28］等的結(jié)論相同，韓廣軒［27］在錦州玉米農(nóng)田的研究中指出水熱因子可以解釋土壤呼吸的87%，姜艷［28］在江西大崗山不同林分土壤呼吸的研究中發(fā)現(xiàn)水熱因子可以解釋土壤呼吸的66%—81%，兩者研究結(jié)果均顯示雙因子影響程度高于單因子。

土壤水分對呼吸的影響較為復(fù)雜，取決于環(huán)境因子的配置狀況。Wagai R［29］研究表明土壤呼吸與水分呈正相關(guān)關(guān)系，但不顯著;Wildung R E［30］發(fā)現(xiàn)兩者呈極顯著相關(guān);姜艷［28］指出當杉木林土壤質(zhì)量含水率小于22.13%時，土壤呼吸與水分呈顯著負相關(guān)關(guān)系，大于22.13%時呈顯著正相關(guān)關(guān)系;本文研究結(jié)果與姜艷［28］基本一致，除峰值時期外其它時期土壤水分(0—10 cm)可以解釋呼吸的57%—76%，當傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕土壤含水率(0—10 cm)分別小于12.0%、11.4%和14.7%時，土壤呼吸與水分呈顯著負相關(guān)關(guān)系，大于上述三值時呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

在土壤溫度對呼吸影響的研究中，馬駿［31］在內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)的研究中指出不同土地利用方式土壤溫度(10—15 cm)在表土層中對呼吸速率的影響最為顯著，決定系數(shù)為0.66—0.72，劉爽［23］研究了10 cm 土壤呼吸與之溫度間的關(guān)系，指出傳統(tǒng)耕作、秸稈還田和免耕覆蓋土壤溫度對呼吸的決定系數(shù)分別為0.55、0.62和0.77，大量文獻表明，土壤呼吸隨溫度變化的敏感性系數(shù)Q10在1.3—3.3之間［6］;本文研究表明，除峰值時期外其它時期傳統(tǒng)耕作、少耕和免耕土壤呼吸速率對溫度(15 cm)的敏感性系數(shù)Q10分別是2.02、1.59和2.47，土壤溫度對呼吸的決定系數(shù)分別是0.70、0.67和0.82，與前人研究結(jié)果一致;同區(qū)域結(jié)果比較，與劉爽［23］不同耕作土壤溫度對呼吸的決定系數(shù)之間關(guān)系基本一致，均表現(xiàn)出免耕遠高于傳統(tǒng)耕作和少耕土壤，而后兩者差異不大，但其決定系數(shù)均小于本文對15 cm土壤的研究結(jié)果，由此說明，在本研究區(qū)域內(nèi)土壤呼吸對15 cm土壤溫度單因子的敏感性較0—10 cm土壤更高。

3.3 結(jié)論

本研究結(jié)果得出，在春玉米生育期內(nèi)，土壤呼吸呈單峰型變化趨勢。水熱因子是影響土壤呼吸的重要因素，基于水熱雙因子(10—20 cm土壤)的指數(shù)－冪模型最高能夠解釋土壤呼吸變化的81%—87%(P＜0.01);3種耕作土壤呼吸對水熱雙因子的協(xié)同影響敏感性關(guān)系表現(xiàn)為少耕＜免耕＜傳統(tǒng)耕作，對水分單因子敏感性關(guān)系表現(xiàn)為:傳統(tǒng)耕作＜少耕＜免耕，而對溫度單因子敏感性關(guān)系表現(xiàn)為少耕＜傳統(tǒng)耕作＜免耕。峰值時期土壤呼吸的主要影響因素需要進一步研究論證。

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