保護(hù)性耕作對(duì)華北地區(qū)玉米田土壤呼吸的影響

于玲玲， 郭 強(qiáng)， 徐 陽(yáng)， 王長(zhǎng)里， 張樹林

(1.河北省唐山市農(nóng)作物種子管理檢驗(yàn)站，河北唐山 063000； 2.唐山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，河北唐山 063000)

土壤呼吸在全球碳循環(huán)中扮演著重要的角色，土壤呼吸的微小變化將會(huì)對(duì)全球的碳循環(huán)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[1]。土壤呼吸作用實(shí)際上就是土壤釋放CO2的過(guò)程，主要包括植物根系呼吸、微生物的呼吸以及土壤有機(jī)質(zhì)的分解這3個(gè)過(guò)程[2-3]。土壤呼吸作用主要受土壤水分含量、溫度、酶活性、微生物活性、有機(jī)質(zhì)含量等條件的影響[4]。根呼吸在土壤呼吸中占有重要的地位，而關(guān)于根呼吸與土壤呼吸關(guān)系的研究多集中在森林生態(tài)系統(tǒng)[5]，而春玉米作為華北地區(qū)主要的糧食與飼料作物，春玉米田的土壤呼吸在我國(guó)的農(nóng)田碳循環(huán)中占有重要的地位。本試驗(yàn)采取根系切除法測(cè)定不同保護(hù)性耕作模式下土壤呼吸速率、根系呼吸速率以及根呼吸占土壤呼吸的比例，以期評(píng)估區(qū)域碳收支情況并篩選出低碳、高效的保護(hù)性耕作模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年在河北省唐山市海港開發(fā)區(qū)王灘鎮(zhèn)十家子村進(jìn)行，該地區(qū)位于河北省的東北部，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫10 ℃以上，年積溫3 300～3 600 ℃，無(wú)霜期180 d左右，年降水量600 mm左右。試驗(yàn)地土壤為壤土，0～10 cm土壤中有機(jī)質(zhì)含量為11.76 g/kg，全氮含量為0.62 g/kg，速效磷含量為17.34 mg/kg，速效鉀含量為120.64 mg/kg，pH值7.35。試驗(yàn)處理前各個(gè)小區(qū)的地力情況基本一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在唐山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)場(chǎng)，基于大田條件下進(jìn)行試驗(yàn)，處理為不同秸稈還田和耕作模式。其中秸稈還田設(shè)置2種方式，分別為秸稈還田(SR)和秸稈不還田(NSR)，耕作模式設(shè)置3種方式，分別為免耕(NT)、旋耕(RT)和深翻耕(PT)，共設(shè)6個(gè)處理。其中，秸稈還田處理為玉米秸稈全量還田，上茬玉米成熟收獲后，先將夏玉米秸稈粉碎至5 cm左右的小段，后結(jié)合土壤耕作混入土壤中進(jìn)行秸稈全量翻埋還田，土壤耕作在玉米播種前進(jìn)行。旋耕采用旋耕機(jī)旋地1遍，作業(yè)深度為15 cm，之后耙地2遍。深翻采用鏵式犁翻耕1遍，作業(yè)深度為30 cm，之后耙地2遍。試驗(yàn)采用2因素隨機(jī)區(qū)組隨機(jī)設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，每小區(qū)面積為15 m×10 m。試驗(yàn)材料為當(dāng)?shù)刂髟杂衩灼贩N中地77，播種密度為 6萬(wàn)株/hm2。2015年5月8日播種，9月10日收獲。底肥施過(guò)磷酸鈣(P2O546%)365 kg/hm2，拔節(jié)期穴施尿素(N 46%) 375 kg/hm2，整個(gè)生育期不進(jìn)行灌水，其他田間管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 土壤呼吸速率的測(cè)定 土壤呼吸速率使用Li-8100(Li-Cor，Lincon，NE，USA)開路式土壤碳通量測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定。2015年5月8日(玉米播種期)至9月10日(玉米收獲期)期間，每隔15 d左右選擇晴天09：00—11：00對(duì)玉米田土壤呼吸速率進(jìn)行測(cè)定，每處理重復(fù)測(cè)定3次。在測(cè)定土壤呼吸速率以前，在每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)安置測(cè)定基座(去除測(cè)定基座內(nèi)的活體)，為了減少安置測(cè)定基座對(duì)土壤呼吸速率的影響，在安置基座24 h后再進(jìn)行測(cè)定[6]。

1.3.2 根系呼吸速率的測(cè)定 每次土壤呼吸測(cè)定完畢以后，立即采用根系切除法[7]對(duì)玉米根系呼吸速率進(jìn)行測(cè)定。在土壤呼吸速率測(cè)定完成之后，拔掉測(cè)定基座，在測(cè)定基座的原位用直徑15 cm、長(zhǎng)度50 cm的根鉆取0～100 cm土層的土壤。將根系從所取土壤中仔細(xì)挑出，清水洗凈后用吸水紙將其擦干。利用2，3，5-氯化三苯基四氮唑(TTC)染色法[8]將有活性與無(wú)活性的根系區(qū)分開，分開后立即用Li-8100(Li-Cor，Lincoln，NE，USA)對(duì)活性根系進(jìn)行呼吸測(cè)定，用1個(gè)密閉的玻璃錐形瓶(頸部與基部直徑分別為10、30 cm)作為根室。根呼吸的測(cè)定從5月23日開始。

1.3.3 土壤水分含量和土壤溫度的測(cè)定 在每次測(cè)定土壤呼吸速率的同時(shí)，原位測(cè)定0～20 cm土層的土壤溫度和土壤水分含量。土壤溫度采用曲管地溫計(jì)測(cè)定，土壤水分含量采用烘干法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用DPS 6. 55和Excel 2003進(jìn)行，多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法；作圖采用Excel 2003進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下土壤呼吸速率的季節(jié)變化

表1顯示，與其他研究結(jié)果基本一致，土壤呼吸速率具有較為明顯的季節(jié)變化規(guī)律，而且不同處理間土壤呼吸速率在整個(gè)觀測(cè)期間都表現(xiàn)出相似的季節(jié)變化趨勢(shì)。從5月8日(播種期)至6月7日(幼苗期)各個(gè)處理的土壤呼吸速率呈現(xiàn)出一直升高的趨勢(shì)，之后土壤呼吸速率逐漸下降，由于降水等因素的影響，土壤呼吸速率在7月22日急劇上升并且達(dá)到整個(gè)觀測(cè)期間的最大值，隨后土壤呼吸速率逐漸下降。在整個(gè)測(cè)定期間，NTSR、NTNSR、RTSR、RTNSR、PTSR、PTNSR平均土壤呼吸速率值分別為232.6、184.6、356.1、304.4、405.1、 357.0 mg/(m2·h)。不同處理土壤呼吸速率具有明顯差異，平均土壤呼吸速率大小順序依次表現(xiàn)為PTSR>PTNSR>RTSR>RTNSR>NTSR>NTNSR。

表1 土壤呼吸速率的季節(jié)變化特征

2.2 土壤呼吸速率與土壤水分含量、溫度的關(guān)系

2.2.1 土壤水分含量 土壤水分含量(0～20 cm)隨作物生育時(shí)期及降水量的變化而變化(表2)，各處理間水分含量的變化規(guī)律基本一致，苗期(5月8日)到大喇叭口期(7月7日)土壤水分含量逐漸降低，由于降水因素的影響，7月22日各處理的土壤水分含量都表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，與NSR相比，整個(gè)玉米生長(zhǎng)季SR的保墑效果大于NSR。

表2 不同耕作方式下土壤水分含量的動(dòng)態(tài)變化特征

2.2.2 土壤溫度 由表3可知，在整個(gè)觀測(cè)時(shí)期，SR處理的土壤溫度均高于NSR，PT處理的土壤溫度高于NT和RT處理。不同處理的土壤溫度變化趨勢(shì)基本一致，各處理土壤溫度最高值均出現(xiàn)在7月7日，最低值均出現(xiàn)在5月8日。

表3 不同耕作方式下土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化特征

2.2.3 土壤呼吸速率與土壤水熱因子的相關(guān)關(guān)系 土壤水分含量和溫度是影響土壤呼吸最重要的2個(gè)因素。在整個(gè)玉米生長(zhǎng)期，不同處理間的土壤呼吸速率與土壤水分含量和溫度的相關(guān)性差異較大(表4)。總體來(lái)看，土壤水分含量與土壤呼吸速率的相關(guān)性表現(xiàn)為PT>RT>NT；土壤溫度與土壤呼吸速率的相關(guān)性表現(xiàn)為NT>RT>PT。

2.3 根呼吸速率

根呼吸速率和根呼吸速率占土壤呼吸速率的比例見表5和表6。在整個(gè)測(cè)定期間，根系呼吸速率呈現(xiàn)出單峰曲線的變化趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在8月7日(灌漿中期)，最小值出現(xiàn)在5月23日(苗期)。根呼吸速率占土壤呼吸速率的比例波動(dòng)較大，整體上各處理的最大值出現(xiàn)在7月7日(吐絲期)—8月22日(灌漿后期)，造成各處理的最大值出現(xiàn)時(shí)間不一致的主要因素可能與不同處理間土壤的水熱狀況不一致，并且和植株的發(fā)育狀況不同有關(guān)。

表4 土壤呼吸與土壤水分和土壤溫度之間的相關(guān)性

表5 根呼吸速率的季節(jié)變化特征

表6 根呼吸速率占土壤總呼吸速率的比例

3 結(jié)論與討論

本研究表明，從平均土壤呼吸速率值來(lái)看，翻耕秸稈還田大于其他處理，主要是由于翻耕處理改變了土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使耕層土壤變得疏松多孔，進(jìn)而增加了土壤的通透性，土壤的通透性一方面可以影響土壤中微生物的活性以及部分有機(jī)質(zhì)的分解速率，另一方面還可以影響土壤中CO2的擴(kuò)散速率，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者也研究證明了這一點(diǎn)[9-10]。秸稈還田增加了土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，進(jìn)而為土壤中微生物的活動(dòng)提供了能源，增加了其繁殖和活動(dòng)的頻率，促進(jìn)了土壤中CO2的釋放。

在眾多影響土壤呼吸速率的因素當(dāng)中，土壤水分含量和溫度是影響土壤呼吸速率主要的2個(gè)環(huán)境因子，但關(guān)于土壤呼吸速率與土壤水分含量、土壤溫度的關(guān)系在不同的研究中得出的結(jié)論有很大的差異性。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤水分含量較高時(shí)，土壤溫度與土壤呼吸速率的相關(guān)性較大，相反，當(dāng)土壤溫度較高時(shí)，土壤水分含量成了限制土壤呼吸速率的主要因素，這與前人研究結(jié)果基本一致。

各處理根呼吸速率整體上呈現(xiàn)出單峰曲線的變化趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在8月7日，此時(shí)正處于玉米的灌漿中期，玉米的根系發(fā)育達(dá)到最大值。

[1]Zhou X，Luo Y，Gao C，et al. Concurrent and lagged impacts of an anomalously warm year on autotrophic and heterotrophic components of soil respiration：a deconvolution analysis[J]. New Phytologist，2010，187(1)：184-198.

[2]Nannipieri P，Ascher J，Ceccherini M T，et al. Microbial diversity and soil functions[J]. European Journal of Soil Science，2017，68(1)：12-26.

[3]Harris J A，Birch P. Soil microbial activity in open cast coal mine respiration[J]. Soil Use and Management，1989，5：155-160.

[4]Beringer J，Livesley S J，Randle J A. Carbon dioxide fluxes dominate the greenhouse gas exchanges of a seasonal wetland in the wet-dry tropics of northern Australia[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2013，182(SI)：239-247.

[5]郭 健，康永祥，夏國(guó)威，等. 毛白楊人工林生長(zhǎng)季根呼吸特征研究[J]. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，31(2)：15-19.

[6]官 情，王 俊，宋淑亞，等. 2011.黃土旱塬區(qū)不同覆蓋措施對(duì)冬小麥農(nóng)田土壤呼吸的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，22(6)：1471-1476.

[7]Yi Z G，F(xiàn)u S L，Yi W M，et al. Partitioning soil respiration of subtropical forests with different successional stages in South China[J]. Forest Ecology and Management，2007，243：178-186.

[8]李光棣. 辨別死活根的TTC染色法[J]. 中國(guó)草原與牧草，1986，3(1)：34-36.

[9]王 兵，姜 艷，郭 浩，等. 土壤呼吸及其三個(gè)生物學(xué)過(guò)程研究[J]. 土壤通報(bào)，2011，42(2)：483-490.

[10]方精云，王 娓. 作為地下過(guò)程的土壤呼吸：我們理解了多少[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，31(3)：345-347.