西南丘陵區(qū)不同耕作模式下玉米田土壤呼吸及影響因素

張 賽，王龍昌，周航飛，羅海秀，張曉雨，馬仲煉

(西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶 400716)

西南丘陵區(qū)不同耕作模式下玉米田土壤呼吸及影響因素

張 賽，王龍昌*，周航飛，羅海秀，張曉雨，馬仲煉

(西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶 400716)

為了探討不同耕作模式對(duì)旱作農(nóng)田土壤呼吸的影響，采用LI6400- 09在重慶北碚西南大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)對(duì)平作(T)、壟作(R)、平作+覆蓋(TS)、壟作+覆蓋(RS)、平作+覆蓋+秸稈速腐劑(TSD)、壟作+覆蓋+秸稈速腐劑(RSD)6種處理下的西南紫色土丘陵區(qū)小麥/玉米/大豆套作體系中玉米生長(zhǎng)季節(jié)的土壤呼吸及其水熱生物因子進(jìn)行了測(cè)定和分析。結(jié)果表明，玉米整個(gè)生育期階段農(nóng)田土壤呼吸先增強(qiáng)后減弱，變化范圍為1.011—5.575 μmol m-2s-1，不同處理土壤呼吸速率差異顯著，表現(xiàn)為RSD>TSD>TS>RS>T>R。壟作降低了玉米農(nóng)田土壤呼吸速率，秸稈覆蓋提高土壤呼吸速率。10 cm土層的土壤溫度表現(xiàn)為R>T>RSD>TSD>RS>TS，土壤呼吸的土溫敏感指標(biāo)Q10值排序?yàn)門S>TSD>RS=R>T>RSD。5 cm土層的土壤含水量高低排序?yàn)門SD>TS>RS>RSD>R>T。土壤呼吸的土壤水分響應(yīng)閾值大小排序依次為R

西南丘陵區(qū)；耕作模式；玉米田；土壤呼吸；土壤溫度；土壤濕度；土壤動(dòng)物

在全球氣候變化的背景下，伴隨著極端天氣氣候事件發(fā)生頻率和強(qiáng)度的增強(qiáng)，氣候變化對(duì)人類社會(huì)活動(dòng)帶來(lái)深遠(yuǎn)的負(fù)面影響。工業(yè)革命以來(lái)的200年間大氣二氧化碳濃度急劇上升，從2.8×10-4增加到現(xiàn)在的3.69×10-4，增加了約32%[1]，那么如何減緩大氣二氧化碳的排放成為亟待解決的全球化問(wèn)題。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，占全球陸地面積的10.5%,其中的二氧化碳排放量占人為溫室氣體排放量的21%—25%。在整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是最活躍的碳庫(kù)，可以在最短時(shí)間內(nèi)通過(guò)人為因素得以調(diào)。土壤呼吸作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳輸出的主要形式，是土壤向大氣釋放二氧化碳的過(guò)程，是陸地生態(tài)系統(tǒng)將碳素以二氧化碳形式歸還給大氣的主要途徑，占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間碳交換量的三分之二[2]。因此深入研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的影響機(jī)制對(duì)于全球性的固碳減排具有重要意義。

土壤呼吸的影響因素復(fù)雜多樣，許多學(xué)者對(duì)土壤呼吸的水熱影響因子進(jìn)行了觀測(cè)和模擬[3]，已經(jīng)有了廣泛的認(rèn)識(shí)。土壤呼吸與土壤溫度之間存在較為明顯的相關(guān)性[4- 5]，土壤溫度與土壤呼吸的關(guān)系通常以指數(shù)模型表示，用符號(hào)Q10表示，即溫度每增加10 ℃土壤呼吸增加的倍數(shù)。多數(shù)學(xué)者一致認(rèn)為，在土壤水分變化范圍較小的情況下，土壤呼吸與土壤含水量之間沒(méi)有顯著的線性關(guān)系，土壤呼吸受水分變化的影響可能被其他因子或系統(tǒng)誤差所掩蓋[6]。Li等[7]指出，嚴(yán)格意義上的土壤呼吸是指受擾動(dòng)的土壤產(chǎn)生二氧化碳的所有代謝作用，包括3個(gè)生物學(xué)過(guò)程(植物根系呼吸、土壤微生物呼吸及土壤有機(jī)質(zhì)分解和土壤動(dòng)物呼吸)和一個(gè)非生物學(xué)過(guò)程(含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用)。一般認(rèn)為在土壤呼吸中以植物根系呼吸和土壤微生物呼吸為主，另外兩種代謝作用對(duì)土壤呼吸的影響較少，但是最近有學(xué)者卻呼吁土壤動(dòng)物呼吸不可忽略，尤其在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，無(wú)脊椎動(dòng)物等往往起著決定性作用。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為最活躍的碳庫(kù)，目前我國(guó)有關(guān)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤動(dòng)物的研究主要集中在土壤動(dòng)物分類和群落分布特征上[8]。在全球變化日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，土壤動(dòng)物與環(huán)境的關(guān)聯(lián)研究顯得越來(lái)越重要[9]。國(guó)內(nèi)外陸續(xù)開展了土壤動(dòng)物與全球變化之間的關(guān)系[10- 13]，涉及土壤動(dòng)物對(duì)土壤污染和土地利用方式的響應(yīng)研究[14- 17]，物種入侵、土壤干擾等多方面[18- 19]。其中土壤動(dòng)物與溫室氣體排放結(jié)合研究較為薄弱[20]。保護(hù)性耕作措施作為當(dāng)今推廣應(yīng)用的一項(xiàng)重要的農(nóng)業(yè)管理措施，具有減少土壤侵蝕、提高土壤有機(jī)質(zhì)、節(jié)水保墑和提高產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)溫室氣體的排放研究影響機(jī)制仍處于起步階段[21]。

基于此，開展本研究，旨在通過(guò)分析保護(hù)性耕作下玉米農(nóng)田土壤呼吸的影響因素，從土壤溫度、土壤濕度和農(nóng)田土壤動(dòng)物這3個(gè)角度，探討保護(hù)性耕作下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸特征，為減緩全球變暖提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)，29°51′N，106°27′E，海拔244 m，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均太陽(yáng)總輻射量87108 kJ/cm2，年均總?cè)照諘r(shí)數(shù)1276.7 h，多年平均氣溫18 ℃，≥10 ℃積溫5979.5 ℃，夏季最高氣溫達(dá)40 ℃左右，無(wú)霜期達(dá)359 d，多年平均降雨量1133.7 mm，春、夏、秋、冬降雨量分別為全年的25.5%、41.4%、27.9%、5.5%，年蒸發(fā)量1181.1 mm，伏旱發(fā)生頻率達(dá)93%。試驗(yàn)地土壤為旱地紫色土，坡度較緩，地力相對(duì)均勻。實(shí)驗(yàn)前按五點(diǎn)法取0—20 cm土層土樣進(jìn)行土壤基本理化性質(zhì)分析，其中土壤容重1.21 g/cm3，pH值為6.47，土壤有機(jī)質(zhì)28.00 g/kg，全氮1.68 g/kg，全磷1.46 g/kg，全鉀34.54 g/kg，速效磷18.13 mg/kg，速效鉀270.23 mg/kg，堿解氮35.23 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地采用“小麥/玉米/大豆”三熟復(fù)種輪作模式，已經(jīng)連續(xù)進(jìn)行保護(hù)性耕作研究6a，前兩年是“小麥/玉米/紅薯”，每年的耕作處理保持一致。共設(shè)6個(gè)處理(表1)，3次重復(fù)，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)小區(qū)的面積為8 m×3.6 m。均分四廂，每廂寬度為1 m，長(zhǎng)度為3.6 m。供試作物為小麥(糯小麥品系，播種量90 kg/hm2)，玉米(西單一號(hào)，移栽密度88933 株/hm2)和大豆(渝豆一號(hào)，播種量115 kg/hm2)。小麥采取撬窩點(diǎn)播，每條帶3行，每行17窩，各處理均施過(guò)磷酸鈣390 kg/hm2、尿素152 kg/hm2，作為基肥在播種的同時(shí)施入。玉米生育期各處理均施復(fù)合肥148 kg/hm2，尿素74 kg/hm2，作為基肥在移栽玉米時(shí)施入。玉米采用育苗移栽，每條帶兩行，每行8窩，每窩2株，總計(jì)每小區(qū)128株。大豆實(shí)行撬窩點(diǎn)播，每條帶3行，每行12窩，各處理均施復(fù)合肥300 kg/hm2。覆蓋處理所用的玉米及小麥秸稈，收獲后人工截成10 cm左右，均勻覆蓋于小區(qū)內(nèi)，每小區(qū)覆蓋秸稈42.7 kg(折合24000 kg/hm2)。

表1 試驗(yàn)處理描述

秸稈速腐劑處理中，采用由廣州農(nóng)冠(臺(tái)資)生物科技有限公司提供的農(nóng)運(yùn)來(lái)堆肥專用菌種，成分為復(fù)合益菌，有效活菌數(shù)≥109cfu/g，速腐劑劑量為秸稈量的0.2%，溶于水后均勻噴灑在秸稈上。田間管理措施同常規(guī)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.1 土壤呼吸測(cè)定

測(cè)定儀器為L(zhǎng)I6400便攜式光合作用系統(tǒng)連接6400- 09呼吸室。每個(gè)處理按照行間、株間和條帶邊緣3個(gè)不同位置選取3個(gè)固定點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)放置自制的PVC環(huán)，底面積80 cm2，高5 cm，于測(cè)定前一天安置好，插入土壤2 cm，以減少對(duì)土壤的干擾。每個(gè)PVC環(huán)測(cè)定1次，設(shè)定3個(gè)循環(huán)，每個(gè)處理3次重復(fù)，共9個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值作為日土壤呼吸值。玉米整個(gè)生育期內(nèi)每半個(gè)月測(cè)定1次，如遇下雨天氣則適當(dāng)調(diào)整，測(cè)定時(shí)間統(tǒng)一為09：00—11：00。

1.3.2 土壤水熱因子測(cè)定

土壤溫度用LI6400- 09自帶的土壤溫度探針測(cè)定，深度為10 cm。土壤水分測(cè)定是在每個(gè)樣點(diǎn)的土壤呼吸測(cè)定同時(shí)按照五點(diǎn)法取0—5 cm土層，混勻后放入鋁盒，帶回實(shí)驗(yàn)室用烘干法測(cè)定含水量。

1.3.3 土壤動(dòng)物測(cè)定

從玉米移栽前到收獲后，每半個(gè)月左右按照五點(diǎn)法取土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，采用“干漏斗法(tullgren apparatus)”進(jìn)行分離。同時(shí)采用“陷阱法”捕獲地面土壤動(dòng)物，每月1次。土壤動(dòng)物分類采用尹文英主編的《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[22]，鑒定到目，同時(shí)統(tǒng)計(jì)個(gè)體數(shù)量。個(gè)體數(shù)占捕獲數(shù)總數(shù)10%以上的為優(yōu)勢(shì)類群，1%—10%為常見類群，不足1%為稀有類群。分別從多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和豐富度指數(shù)進(jìn)行比較分析[23]。

多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener)：H=-∑(PilnPi)

均勻度指數(shù)(Pielou)：E=H/lnS

優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Simpson)：C=∑(Pi)2

豐富度指數(shù)(Menhinick)：D=lnS/lnN

式中,Pi=ni/N，ni為第i個(gè)類群的個(gè)體數(shù)；N為群落中所有類群的個(gè)體總數(shù)；S為類群數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

不同處理的土壤呼吸特征的差異性采用一維方差分析；運(yùn)用相關(guān)分析方法分析土壤溫度、土壤水分和土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤呼吸的關(guān)系；運(yùn)用線性回歸方法分析土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤水分之間的關(guān)系。所有數(shù)據(jù)處理在SPSS13.0和Excel2003表格中完成統(tǒng)計(jì)分析與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤呼吸特征

玉米整個(gè)生育期內(nèi)，土壤呼吸先增強(qiáng)后減弱，變化范圍為1.011—5.575 μmol m-2s-1，最小值出現(xiàn)在在5月1日拔節(jié)期的處理T，最大值出現(xiàn)在在6月14日吐絲期處理TSD(圖1)。不同處理土壤呼吸速率差異顯著，壟作較對(duì)照處理影響了土壤呼吸的-3.71%—29.41%，除5月1日和5月15日兩次測(cè)定中壟作下土壤呼吸略高于對(duì)照，其余時(shí)間壟作均降低了土壤呼吸速率。秸稈覆蓋較對(duì)照提高了土壤呼吸的4.31%—68.73%。不考慮秸稈的交互作用，速腐劑的添加對(duì)土壤呼吸的影響-4.00%—20.04%。在玉米農(nóng)田壟作有明顯的降低土壤呼吸的作用，而秸稈覆蓋提高了土壤呼吸作用。

圖1 同時(shí)期不同處理之間土壤呼吸速率的比較Fig.1 The comparison of soil respiration rate in the same time of different treatment 圖中不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)T：平作Traditional farming；R：壟作Ridge tillage；TS：平作+覆蓋Traditional tillage + straw mulching；RS：壟作+覆蓋Ridge tillage + straw mulching；TSD：平作+覆蓋+秸稈速腐劑Traditional tillage + straw mulching+ decomposing inoculants；RSD：壟作+覆蓋+秸稈速腐劑Ridge tillage + straw mulching+ decomposing inoculants

同一處理在不同時(shí)期土壤呼吸速率差異較大(圖2)，在玉米生長(zhǎng)前期土壤呼吸較弱，差異不顯著，但是從5月15日開始，小麥?zhǔn)斋@后玉米進(jìn)入快速生長(zhǎng)時(shí)期，土壤呼吸作用明顯增強(qiáng)。6個(gè)處理的土壤呼吸在快速增強(qiáng)后一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)，變幅不大，直到玉米結(jié)束營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)開始生殖生長(zhǎng)土壤呼吸達(dá)到最大，之后隨著玉米進(jìn)入成熟階段土壤呼吸作用開始降低。在玉米生長(zhǎng)的115d內(nèi)(4月4日移栽，7月27日收獲)，T、R、TS、RS、TSD和RSD6個(gè)處理的日均土壤呼吸分別為2.555、2.208、2.959、2.869、3.261和3.277 μmol m-2s-1，大小排序?yàn)镽SD>TSD>TS>RS>T>R。

圖2 同處理不同時(shí)間段的土壤呼吸速率的比較Fig.2 The comparison of soil respiration rate in the same treatment of different time圖中不同小寫字母表示不同時(shí)期間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)

2.2 土壤水熱因子與土壤呼吸的關(guān)系

玉米整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)大氣溫度、氣室溫度和土壤溫度持續(xù)上升，各處理土壤溫度大小排序?yàn)镽>T>RSD>TSD>RS>TS。秸稈覆蓋降低了土壤溫度，添加速腐劑后土壤溫度略有升高，但是仍然低于沒(méi)有秸稈覆蓋的處理。這種差異在高氣溫下表現(xiàn)得更加明顯，氣溫過(guò)高時(shí)秸稈覆蓋能有效地降低土壤溫度，避免作物遭受高溫危害(圖3)。

圖3 玉米生長(zhǎng)季不同處理之間的土壤溫度Fig.3 The soil temperature between different treatment in maize growth season圖中不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)

以往的研究表明，土壤溫度與土壤呼吸的關(guān)系常采用Q10值表示，即溫度每增加10 ℃土壤呼吸增加的倍數(shù)，是呼吸速率對(duì)溫度變化的敏感性指標(biāo)，通常為1.3—5.6[24]。計(jì)算公式[21]為：

Y=a×ebx，Q10=e10b

式中，Y為土壤呼吸速率(g m-2d-1)，即每平方米土壤每天排放的二氧化碳含碳量，x為土壤溫度(℃)，a和b為模擬計(jì)算值。土壤呼吸速率與土壤溫度關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律，各處理方程式參數(shù)指標(biāo)見下表2。結(jié)果顯示6個(gè)處理(T、R、TS、RS、TSD、RSD)的Q10值分別為2.34、2.41、2.69、2.41、2.53、2.25，表明壟作和秸稈覆蓋處理均提高了土壤呼吸的土溫敏感性，速腐劑的添加降低了這種趨勢(shì)。

表2 土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系方程

土壤水分除4月15日較低外其余時(shí)間變化平緩。各處理土壤水分差異顯著，大小排序?yàn)門SD>TS>RS>RSD>R>T，小麥?zhǔn)斋@(5月11日)后對(duì)應(yīng)處理覆蓋了新鮮的小麥秸稈，顯著性增強(qiáng)。土壤含水量與土壤呼吸的關(guān)系較為復(fù)雜，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的定論。但是有相關(guān)的研究表明，當(dāng)土壤濕度低于田間持水量的40%或者高于80%時(shí)，土壤呼吸將下降[25]。因此根據(jù)拋物線型函數(shù)的數(shù)學(xué)意義，對(duì)土壤呼吸和土壤水分進(jìn)行了二次函數(shù)模擬，結(jié)果表明各處理土壤呼吸與土壤含水量之間拋物線曲線決定系數(shù)依次為0.748(P=0.064)、0.781(P=0.048)、0.559(P=0.194)、0.811(P=0.036)、0.603(P=0.158)、0.951(P=0.002)。在一定的土壤水分范圍內(nèi)，土壤呼吸隨著土壤水分增加而增強(qiáng)，當(dāng)超過(guò)某一點(diǎn)時(shí)土壤呼吸隨土壤水分的持續(xù)增加而受到抑制，我們把導(dǎo)致土壤呼吸受到抑制的土壤水分值作為土壤呼吸的土壤水分響應(yīng)閾值。通過(guò)計(jì)算各處理所擬合的拋物線頂點(diǎn)坐標(biāo)，得出各處理土壤呼吸的土壤水分響應(yīng)閾值大小排序?yàn)镽

2.3 土壤動(dòng)物與土壤呼吸的關(guān)系

在7次取樣中，采用干漏斗法分離得到的土壤動(dòng)物總共3111個(gè)，種類15種。其中彈尾目、螨目和雙翅目(RS除外)為優(yōu)勢(shì)類群，鞘翅目、膜翅目、線蚓科和唇足綱是常見類群，其余為稀有類群(表3)。與對(duì)照相比，壟作減少了土壤動(dòng)物數(shù)量，秸稈覆蓋和壟作與秸稈覆蓋的交互作用均有助于土壤動(dòng)物的數(shù)量，說(shuō)明耕作模式對(duì)土壤動(dòng)物的數(shù)量影響較大。

除壟作外，TS、RS均不同程度提高了農(nóng)田土壤動(dòng)物多樣性指數(shù)，因此秸稈覆蓋保護(hù)性措施有利于土壤動(dòng)物多樣性指數(shù)的提高(表4)，并將進(jìn)一步提高整個(gè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 玉米生長(zhǎng)季不同處理之間的土壤水分Fig.4 The soil moisture between different treatment in maize growth season圖中不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)

動(dòng)物種類Soilanimalsspecies平作T(CK)Traditionaltillage數(shù)量/個(gè)Number比例/%Proportion壟作RRidgetillage數(shù)量/個(gè)Number比例/%Proportion平作+覆蓋TSTraditionaltillage+strawmulching數(shù)量/個(gè)Number比例/%Proportion壟作+覆蓋RSRidgetillage+strawmulching數(shù)量/個(gè)Number比例/%Proportion彈尾目Elastictail39464.8036865.9549055.3075271.01螨目Acarina11819.419517.0318721.1116815.86雙翅目Diptera7011.515710.229010.16666.23鞘翅目Coleopteran50.8281.43161.81121.13纓翅目Thysanoptera10.1600.0000.0000.00蜘蛛目Araneae40.6640.7280.9030.28膜翅目Hymenoptera10.1681.4330.3420.19蜈蚣目Scolopendromorpha20.3330.5440.4590.85線蚓科Enchytraeidae111.8140.72202.26302.83單向蚓目Unidirectionalmeshearthworm00.0000.0000.0020.19盲蛛Blindspider10.1610.1810.1110.09唇足綱ChilopodaGang10.1671.2570.7910.09等足目Isopoda00.0000.0020.2340.38直翅目Orthoptera00.0030.5440.4580.76蝸牛Snail00.0000.0040.4500.00合計(jì)Total608100.00558100.00886100.001059100.00

表4 土壤動(dòng)物多樣性指數(shù)比較

從每次調(diào)查的土壤動(dòng)物數(shù)量分析(圖5)，第2次和第3次土壤動(dòng)物數(shù)量較少是由于玉米移栽和埋土等人類活動(dòng)造成的。最后一次取樣T、R兩個(gè)處理土壤動(dòng)物數(shù)量急劇減少，明顯少于TS、RS兩個(gè)處理。究其原因是因?yàn)?月底玉米收獲后，TS、RS兩個(gè)處理又添加了玉米秸稈，補(bǔ)充了土壤動(dòng)物的食物。由此可見，人類活動(dòng)對(duì)土壤動(dòng)物的影響非常強(qiáng)烈，秸稈覆蓋在一定程度上降低了土壤動(dòng)物受到人類活動(dòng)的干擾程度。干漏斗法捕獲的土壤動(dòng)物秸稈覆蓋處理多于無(wú)秸稈覆蓋的處理，但是陷阱法捕獲的土壤動(dòng)物沒(méi)有表現(xiàn)出一致的現(xiàn)象(圖6)。說(shuō)明秸稈覆蓋雖然增加了土壤動(dòng)物的食物來(lái)源，但是由于空間阻礙影響了地表土壤動(dòng)物的活動(dòng)，相比而言無(wú)秸稈覆蓋的處理中地表的土壤動(dòng)物活動(dòng)更加頻繁。

圖5 干漏斗法捕獲的土壤動(dòng)物數(shù)量Fig.5 Number of soil animals by tullgren apparatus

圖6 陷阱法捕獲的土壤動(dòng)物數(shù)量Fig.6 Number of soil animals by pitfall traps method

土壤動(dòng)物與土壤呼吸相關(guān)分析的結(jié)果表明，干漏斗法捕獲的土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤呼吸相關(guān)性不顯著，但是陷阱法捕獲的土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤呼吸存在顯著的相關(guān)關(guān)系，其中R相關(guān)系數(shù)最高，r=1.000，P=0.017，TS相關(guān)系數(shù)r=0.915，P=0.029，其他處理兩者之間的相關(guān)性不強(qiáng)。將同一時(shí)期的土壤動(dòng)物總數(shù)相加，再與土壤呼吸進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)RS相關(guān)系數(shù)達(dá)到了顯著水平，r=0.930，P=0.022。研究結(jié)果表明，在壟作、秸稈堵蓋條件下，土壤呼吸與活動(dòng)在地表的土壤動(dòng)物存在正相關(guān)關(guān)系，即地表活動(dòng)的土壤動(dòng)物越多，土壤呼吸作用就越強(qiáng)；而傳統(tǒng)耕作下土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤呼吸沒(méi)有明顯的關(guān)系。

2.4 玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯特征

為了初步估算玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯特征，需要對(duì)土壤呼吸進(jìn)行區(qū)分，將自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸占土壤總呼吸的比例進(jìn)行量化。有學(xué)者測(cè)定玉米生長(zhǎng)季中根系呼吸占土壤總呼吸的43.1%—63.6%[26]，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本研究設(shè)定玉米根系呼吸占總呼吸的50%，根冠比為0.1，植株碳含量40%。從表5中可以看出，不同處理下農(nóng)田在玉米生長(zhǎng)季均為碳匯，以壟作和秸稈覆蓋為主的保護(hù)性耕作有利于增強(qiáng)農(nóng)田碳匯功能，增強(qiáng)幅度為2.91%—6.55%。

3 討論

土壤呼吸的影響因素很多，主要因子包括土壤溫度、土壤濕度、土壤有機(jī)體含量、土地利用、施肥、土壤質(zhì)地、種植作物、土壤生物等，既有環(huán)境因子，又有土壤本身的影響。各因素之間并不是孤立存在的，不僅同時(shí)對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生影響，而且他們之間也有相互影響[27]。上文分析可以看出土壤呼吸先增強(qiáng)再減弱，土壤溫度持續(xù)上升，土壤水分變化平緩，他們?nèi)咧g不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，單一因子模型無(wú)法全面的解釋土壤呼吸，需要建立各因素耦合關(guān)系模型才能更加科學(xué)合理的解釋土壤呼吸[28]。

表5 不同處理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯估算

3.1 保護(hù)性耕作下土壤呼吸速率

前人已經(jīng)對(duì)保護(hù)性耕作下土壤呼吸速率進(jìn)行了研究，由于地區(qū)氣候、土壤、種植模式的不同，得到的結(jié)論并不統(tǒng)一。秸稈覆蓋處理在不同作物中對(duì)土壤呼吸的影響趨勢(shì)一致，均在不同程度的增強(qiáng)了土壤呼吸，且隨著秸稈分解后期對(duì)土壤呼吸的影響逐漸減弱。這跟以往的研究結(jié)論一致，一般認(rèn)為秸稈還田會(huì)促進(jìn)土壤中二氧化碳的釋放[29]。官情等[30]在黃土旱塬區(qū)觀測(cè)冬小麥農(nóng)田土壤呼吸在秸稈覆蓋措施下顯著高于對(duì)照。張慶忠[31]在田間對(duì)比試驗(yàn)表明隨著秸稈還田量的增加，土壤呼吸速率顯著增加，且在秸稈還田后隨著時(shí)間的推移增加效應(yīng)逐漸減小。王同朝[32]等研究了雨養(yǎng)條件下冬小麥-夏玉米農(nóng)田土壤呼吸，指出土壤呼吸在不同作物壟作與傳統(tǒng)耕作對(duì)土壤呼吸的影響效果相反，而且在同種作物不同生育期也不同：在小麥生育期內(nèi)灌漿期以前壟作高于傳統(tǒng)耕作，成熟期相反；在玉米生育期內(nèi)壟作均高于傳統(tǒng)耕作。本研究得出玉米生育期內(nèi)壟作降低土壤呼吸速率最高可達(dá)29.41%，秸稈覆蓋較對(duì)照提高了土壤呼吸的4.31%—68.73%。玉米農(nóng)田壟作降低土壤呼吸的作用，而秸稈覆蓋提高土壤呼吸作用。秸稈覆蓋提高土壤呼吸是因?yàn)榻斩捲黾油寥乐杏袡C(jī)質(zhì)含量，土壤微生物增多，促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，而根系呼吸和土壤微生物呼吸是土壤呼吸的主要形式。壟作降低土壤呼吸可能是因?yàn)橥寥罍囟群屯寥浪值母淖儗?dǎo)致。

3.2 土壤水熱因子對(duì)土壤呼吸的影響

土壤溫度和土壤水分是對(duì)土壤呼吸最重要的影響因素，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系有指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、冪函數(shù)、拋物線等，不同學(xué)者所用的擬合模型不盡相同[33- 35]。其中采用指數(shù)模型最普遍，利用Q10指數(shù)模型能夠很好的反應(yīng)土壤呼吸與土壤溫度之間的關(guān)系。本研究得出6個(gè)處理(T、R、TS、RS、TSD、RSD)的Q10值分別為2.34、2.41、2.69、2.41、2.53、2.25，壟作和秸稈覆蓋處理均提高了土壤呼吸的土溫敏感性，速腐劑的添加降低了這種趨勢(shì)。土溫敏感性越高，表明較低土壤溫度將帶來(lái)較大的土壤呼吸的降低幅度。各處理土壤溫度大小排序?yàn)镽>T>RSD>TSD>RS>TS，秸稈覆蓋措施降低了土壤溫度，同時(shí)也有助于二氧化碳的減排。

土壤水分是土壤重要的物理性質(zhì)，影響土壤中所進(jìn)行的所有反應(yīng)和過(guò)程，土壤微生物的活性、土壤養(yǎng)分的遷移變化等與土壤水分密切相關(guān)。部分學(xué)者用拋物線函數(shù)、線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等形式擬合了土壤呼吸與土壤水分的關(guān)系[36—38]，本研究中模擬的5 cm土壤水分與土壤呼吸表現(xiàn)為拋物線函數(shù)，其中R、RS、RSD曲線擬合達(dá)到顯著水平，通過(guò)計(jì)算各處理土壤呼吸的土壤水分響應(yīng)閾值R

3.3 土壤動(dòng)物對(duì)土壤呼吸的影響

土壤動(dòng)物在生態(tài)系統(tǒng)中是重要的物質(zhì)分解者，對(duì)改變土壤性質(zhì)、物質(zhì)遷移和能量轉(zhuǎn)化具有重要的作用。全球變暖的趨勢(shì)日益顯著，而土壤動(dòng)物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)有著重要的調(diào)節(jié)作用。由于開展的相關(guān)研究較少，土壤動(dòng)物對(duì)土壤呼吸的影響、排放機(jī)制以及反饋效應(yīng)的研究比較薄弱。本研究中土壤動(dòng)物與土壤呼吸相關(guān)分析的結(jié)果表明只有在陷阱法下的土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤呼吸存在顯著的相關(guān)關(guān)系，其中R相關(guān)系數(shù)最高，r=1.000，P=0.017，TS相關(guān)系數(shù)r=0.915，P=0.029。T和RS兩個(gè)處理二者的相關(guān)性不強(qiáng)，可能是由于傳統(tǒng)耕作下土壤動(dòng)物少，土壤呼吸主要受土壤溫度和水分的影響；單純的壟作和秸稈覆蓋下土壤呼吸與土壤動(dòng)物數(shù)量高度相關(guān)，壟作和秸稈處理交互作用則降低了土壤動(dòng)物與土壤呼吸的相關(guān)性。將同一時(shí)期兩種方法捕獲的土壤動(dòng)物總數(shù)相加，再與土壤呼吸進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)RS相關(guān)系數(shù)達(dá)到了顯著水平，r=0.930，P=0.022，說(shuō)明在研究壟作和秸稈覆蓋的交互作用下土壤呼吸的影響因素時(shí)，需要擴(kuò)大土壤動(dòng)物的研究范圍，才能更明確的反映土壤呼吸與土壤動(dòng)物的關(guān)系。由于兩種方式捕獲的土壤動(dòng)物在大小和種類都有很大區(qū)別，干漏斗法主要搜集到體型在2 mm以下的中小型土壤動(dòng)物，陷阱法捕獲的大多是活動(dòng)在地表的彈跳力不強(qiáng)的土壤動(dòng)物。因此本研究中所得的土壤動(dòng)物并沒(méi)有囊括土壤中的所有動(dòng)物，所以土壤動(dòng)物與土壤呼吸的相關(guān)性較差，大型、微型土壤動(dòng)物和土壤微生物以及全體土壤動(dòng)物與土壤呼吸的影響特征還有待進(jìn)一步研究。同時(shí)在土壤呼吸組分的分離測(cè)定中，土壤動(dòng)物只是其中一個(gè)方面，還包括土壤根系呼吸、土壤異養(yǎng)呼吸和土壤有機(jī)質(zhì)分解等過(guò)程。

今后開展土壤呼吸的水熱生物復(fù)合因子耦合關(guān)系的研究意義重大，從而明確土壤呼吸的影響機(jī)理，為土壤固碳減排提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)玉米整個(gè)生育期階段農(nóng)田土壤呼吸先增強(qiáng)后減弱，變化范圍為1.011—5.575 μmol m-2s-1，不同處理土壤呼吸速率差異顯著，表現(xiàn)為RSD>TSD>TS>RS>T>R，壟作降低了玉米農(nóng)田土壤呼吸作用，秸稈覆蓋提高土壤呼吸速率。

(2)各處理10 cm土層的土壤溫度表現(xiàn)為R>T>RSD>TSD>RS>TS，土壤呼吸的土溫敏感指標(biāo)Q10值排序?yàn)門S>TSD>RS=R>T>RSD。秸稈覆蓋處理的土壤呼吸對(duì)于土壤溫度敏感性較高，壟作則降低了土壤溫度敏感性。

(3)5 cm土層的土壤含水量高低排序?yàn)門SD>TS>RS>RSD>R>T。本研究中土壤呼吸的土壤水分響應(yīng)閾值依次為R

(4)土壤動(dòng)物在土壤呼吸中的作用不容忽視。在玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)類群有彈尾目、螨目和雙翅目。壟作減少了土壤動(dòng)物數(shù)量，秸稈覆蓋有助于土壤動(dòng)物數(shù)量的增加和土壤動(dòng)物多樣性的提高。地表活動(dòng)的土壤動(dòng)物越多，土壤呼吸作用就越強(qiáng)，其中R的相關(guān)系數(shù)最高，r=1.000，P=0.017，TS的相關(guān)系數(shù)r=0.915，P=0.029。本研究中，在壟作、秸稈覆蓋條件下土壤呼吸僅與活動(dòng)在地表的土壤動(dòng)物數(shù)量存在一定的關(guān)系；而傳統(tǒng)耕作下土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤呼吸沒(méi)有明顯的關(guān)系。

(5)玉米農(nóng)田土壤呼吸總量為263.264—390.723 g(C)/m2，作物固定碳量830.643—919.126 g(C)/m2，整個(gè)生長(zhǎng)季均表現(xiàn)為碳匯，凈碳匯為679.244—723.764g(C)/m2。與對(duì)照相比，壟作和秸稈覆蓋有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯，增匯達(dá)2.91%—6.55%。

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Analysis of soil respiration and influencing factors in maize farmland under different tillage patterns in hilly area in Southwest China

ZHANG Sai, WANG Longchang*, ZHOU Hangfei, LUO Haixiu, ZHANG Xiaoyu, MA Zhonglian

CollegeofAgronomyandBiotechnology,SouthwestUniversity,KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion,MinistryofEducation/EngineeringResearchCenterofSouthUplandAgriculture,MinistryofEducation,Chongqing400716,China

In order to investigate the effects of different tillage patterns on soil respiration in dry cropping farmland in purple hilly region in southwest China, the LI6400- 09 respiratory chamber was adopted in the experiment conducted in the experimental field in Southwest University in Beibei District of Chongqing. The soil respiration rate and the soil hydrothermal and biotic factors were measured during the growth period of maize in the triple intercropping system of wheat/maize/soybean. There were six treatments including T (traditional tillage), R (ridge tillage), TS (traditional tillage + straw mulching), RS (ridge tillage + straw mulching), TSD (traditional tillage + straw mulching + decomposing inoculants), and RSD (ridge tillage + straw mulching + decomposing inoculants), which were replicated for three times. The results indicated that the soil respiration rate was firstly increased and then decreased during the whole growth period of maize, with the variation range of 1.011—5.575 μmol m-2s-1. There were significant differences of soil respiration rate among different treatments, which could be ranked as RSD>TSD>TS>RS>T>R. Ridge tillage reduced soil respiration in maize farmland, whereas straw mulching treatment was opposite. The treatment of straw mulching added with decomposing inoculants resulted in the highest soil respiration rate because of the high activity of microbial. The soil temperature in 10 cm layer was ranked as R>T>RSD>TSD>RS>TS. It was higher under ridge tillage than under straw mulching, while that under the treatment of straw mulching added with decomposing inoculants was in between the two above. The sensitive indicator of soil temperature (Q10) was ranked as TS>TSD>RS=R>T>RSD. Ridge tillage and straw mulching treatments enhanced the sensitivity of soil temperature, but the influence of adding decomposing inoculants was uncertain. A highQ10meant that the decrease of soil temperature would lead to a big reduction in soil respiration. The straw mulching treatment could lower soil temperature and thus helped to reduce emissions of carbon dioxide. The soil moisture in 5 cm layer was ranked as TSD>TS>RS>RSD>R>T. The response threshold of soil moisture was sorted as R

hilly area in southwest China; tillage pattern; maize farmland; soil respiration; soil temperature; soil moisture; soil animal

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31271673); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30871474); 重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC，2008AB1001)

2013- 02- 01; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201302010211

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wanglc2003@163.com

張賽，王龍昌，周航飛，羅海秀，張曉雨，馬仲煉.西南丘陵區(qū)不同耕作模式下玉米田土壤呼吸及影響因素.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(21):6244- 6255.

Zhang S, Wang L C, Zhou H F, Luo H X, Zhang X Y, Ma Z L.Analysis of soil respiration and influencing factors in maize farmland under different tillage patterns in hilly area in Southwest China.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6244- 6255.