干旱區(qū)鹽漬化棄耕地復墾后農(nóng)田土壤呼吸及碳平衡

張玉龍　蔡旭　張鳳華

摘要：通過干旱區(qū)典型內陸河瑪納斯河流域綠洲農(nóng)田定點定位試驗，研究鹽漬化棄耕地不同復墾年限土壤呼吸與生物量，并對其農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡進行估算。結果表明，復墾前鹽漬化棄耕地與復墾后的土壤呼吸速率差異顯著，復墾15年、復墾10年、復墾5年、復墾1年與CK相比，土壤呼吸速率在花期分別增加360.0%、308.2%、241.5%、204.3%，在鈴期分別增加166.2%、125.2%、89.4%、42.7%，在吐絮期分別增加196.0%、147.3%、110.0%、50.3%。不同復墾年限的生物量在花期、鈴期、吐絮期等3個生育期總體表現(xiàn)為復墾15年>復墾5年>復墾10年>復墾1年>CK，在不同生長時期總體表現(xiàn)為鈴期>吐絮期>花期，其生物量依次為37 637.3、21 823.2、19 536.6 kg/hm2。鹽漬化棄耕地墾殖前為碳源，復墾后在花期、鈴期、吐絮期等3個生育期不同年限均轉變?yōu)樘紖R;碳匯強度有所不同，表現(xiàn)為鈴期>花期>吐絮期，其NEP依次為3 261.8、2 620.9、2 549.2 kg/hm2。

關鍵詞：鹽漬化棄耕地;復墾年限;農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng);土壤呼吸;復墾農(nóng)田碳平衡

中圖分類號： S153.6;S181文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）09-0284-04

土壤是地球表層的主要碳庫，土壤碳庫約是大氣碳庫的2倍、植物碳庫的3倍，在全球碳循環(huán)問題中起著至關重要的作用[1]。由于土地的大面積開墾、過度放牧、以及森林破壞等原因，導致土壤發(fā)生嚴重退化，是土壤碳平衡遭到破壞及土壤碳庫虧缺的重要原因[2]。退化的土壤所損失的碳可通過生態(tài)修復的手段來重新固定[3]。國外學者研究表明，保護性耕作方式可以減少溫室氣體CO2的排放，增加碳固定并提升土壤質量[4-6]。國內學者發(fā)現(xiàn)，退耕還林還草模式下時間空間尺度其碳儲量均有不同程度的增加[7]。森林遭到破壞對其進行修復重建，隨著時間的增加其碳的固定量隨之增加[8]。對不同種植年限苜蓿人工草地土壤CO2的研究得出，隨著種植年限的增加，土壤CO2排放通量也隨之增加[9]。呼倫貝爾天然草原隨著刈割年限的增加土壤呼吸速率呈現(xiàn)降低趨勢[10]。自然土壤經(jīng)過墾殖后，隨著墾殖年限的延長，有利于干旱區(qū)綠洲棉田土壤碳的積累[11]。

土壤呼吸與碳平衡有著密切的聯(lián)系，土壤呼吸的微小變化都會對全球碳平衡產(chǎn)生較大的影響[12]。一方面，陸地上的植物通過光合作用，從大氣中吸收大量的CO2，使之進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng);另一方面又通過土壤呼吸作用，使土壤中的碳素以CO2的形式釋放到大氣中[13]。農(nóng)田土壤呼吸受溫度、水分等環(huán)境因素表現(xiàn)出明顯的日變化和季節(jié)變化，農(nóng)田不同區(qū)域土地類型的土壤呼吸變化差異很大，不同耕作方式、不同種植模式土壤呼吸的變化也不盡相同，因此研究農(nóng)田土壤呼吸的變化對準確評估區(qū)域乃至全球土壤碳平衡具有重要意義。

由于長期耕作導致地力下降使得原來進行農(nóng)業(yè)經(jīng)營的土地不再進行農(nóng)業(yè)耕種而撂荒的土地稱之為棄耕地[14]。新疆屬于干旱荒漠性氣候，生態(tài)環(huán)境脆弱，較少的降水與強烈的蒸發(fā)引發(fā)土壤原生鹽漬化問題[15];加之不合理的施肥、灌溉制度、長期連作等因素導致土壤地力下降，引發(fā)土壤次生鹽漬化問題[16]，使得大面積的農(nóng)田變?yōu)闂壐亍ｋS著滴灌技術在新疆大規(guī)模的使用，鹽漬化棄耕地得以復墾，對土壤碳平衡造成很大的影響。國內外學者在農(nóng)田碳平衡方面已經(jīng)取得了許多成果，然而針對新疆干旱區(qū)綠洲農(nóng)田土壤呼吸與碳平衡機制的研究較為薄弱，其土壤呼吸變化規(guī)律與碳平衡機制尚不明確。因此，本試驗以新疆干旱區(qū)瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地及人工復墾棉田為研究對象，分析不同種植年限農(nóng)田土壤的呼吸值，研究土壤呼吸的動態(tài)變化過程，探明復墾農(nóng)田土壤碳源/匯關系，以期為干旱區(qū)綠洲農(nóng)田碳平衡研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗選取新疆石河子地區(qū)瑪納斯河流域典型沖積洪積扇緣地帶147農(nóng)場，地理位置處于85°37.275′E，44°33.493′N，海拔為378 m。為大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，干旱少雨，蒸發(fā)劇烈，日照充足，土質多為鹽堿土、荒漠灰鈣土，年平均氣溫為6.6 ℃，≥10 ℃積溫達到3 490 ℃，年降水量為 110～200 mm，年蒸發(fā)量為1 500～2 000 mm，無霜期為148～187 d。由于該區(qū)域位于沖積洪積扇緣，地下水位高，長期處于鹽隨水來，水去鹽留的狀態(tài)[15]，易發(fā)生土壤次生鹽漬化棄耕現(xiàn)象。

1.2 試驗設計

試驗選擇因次生鹽漬化問題導致棄耕的鹽漬化農(nóng)田作為試驗樣地，對樣地進行不同復墾年限的復墾重建，試驗分為5個處理：原始棄耕地（CK）、復墾1年、復墾5年、復墾10年、復墾15年。原始棄耕地作為墾殖前對照，墾殖前其主要植被為多枝檉柳（Tamarix ramosissima）、豬毛菜（Salsola collina Pall）、鹽爪爪（Kalidium foliatum）、鹽穗木[Halostachys caspica （Bieb.） C. A. Mey.]、補血草[Limonium sinense （Girard） Kuntze]等，地表植被覆蓋度低，其余4塊樣地均墾殖棉花。試驗樣地土壤理化性質如表1所示。

1.3 數(shù)據(jù)測定及樣品采集

在棉花生長季（2014年7—9月），選擇晴朗無風少云的天氣，利用LI-8100（Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，USA）開路式土壤碳通量測定系統(tǒng)，分別于棉花花期（2014年7月12日）、鈴期（2014年8月13日）、吐絮期（2014年9月12日）進行田間定點定位的土壤呼吸速率原位測定。測定頻率為 1次/2 h，24 h（0：00—24：00）連續(xù)采集，共測定12次，12次土壤呼吸的平均值代表該樣地土壤呼吸速率的日均值。為避免由于觀測時間差異而導致的試驗系統(tǒng)誤差，不同處理采用輪回測量的方法，每次測量順序均與第1次測量順序相同，以避免由于測量時間差異而導致的試驗結果誤差。為減少對土壤層次的干擾，土壤呼吸室放置在聚氯乙烯的基座上，基座高度為11.5 cm，內徑為20 cm，測定基座插入土壤1～2 cm，為排除棉花根系對土壤呼吸的影響，測定基座安置在2條滴灌膜中間。至少在測定前24 h安裝基座，清除測定基座內土壤表層所有的凋落物及動植物活體，在整個測量過程中減少對基座的干擾，測定位置始終不發(fā)生改變。測定時在基座與呼吸罩接觸外緣涂上一層硅潤滑脂，兩者密閉切合，使測定的結果更加穩(wěn)定可靠。

測定土壤呼吸速率的同時，采集植株地上、地下部分生物量，并用土鉆鉆取0～60 cm 5個層次（0～5、5～10、10～20、20～40、40～60 cm）的土壤，隨機采3點土樣進行混合，采用四分法分取約1 kg土樣，5個處理共計25個土樣。土樣帶回實驗室風干，過1、0.149 mm篩孔，用于測定基礎養(yǎng)分。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 凈初級生產(chǎn)力的測定

植被凈初級生產(chǎn)力（net primary productivity，簡稱NPP）是指綠色植物在單位面積、單位時間內所積累的有機物數(shù)量，是光合作用所產(chǎn)生的有機質總量減去呼吸消耗后的剩余部分[17]。NPP作為判定生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的主要因子，在碳循環(huán)中起到重要作用。

按棉花花期、鈴期、吐絮期在原始棄耕地（CK）選擇具有代表性的3個1 m×1 m的樣方，收取植株地上、地下部分生物量。分別在復墾1年、復墾5年、復墾10年、復墾15年每個處理小區(qū)內選擇具有代表性的棉花植株5株，測定棉花植株地上、地下部分生物量，以子葉節(jié)為界，收取地上部分，挖取棉花地下部分土壤，逐層根系篩選其根系，并收集地面凋落物，設置3次重復。將棉花植株鮮樣放入牛皮紙袋，在105 ℃烘箱中殺青30 min，之后于80 ℃條件下烘干至恒質量，求其平均值并轉換成單株生物量。根據(jù)棉花田間種植密度，將單株生物量再轉換成單位面積棉花生物量。按下式進行計算[18]：

NPP=ΔB/Δt=C（B2-B1）/（t2-t1）。

式中：NPP為凈初級生產(chǎn)力，kg/hm2;C為生物量的含碳量，g/g;B1、B2分別為生物量，g/m2;t1、t2分別為采樣時間，d。

1.4.2 異養(yǎng)微生物呼吸消耗量

不同恢復年限裸地土壤呼吸即為土壤異養(yǎng)呼吸（microbial respiration，簡稱Rm）。在不同種植年限與不同種植方式農(nóng)田均設置相應的裸地，裸地只進行相應施肥和灌溉，施肥量、施肥種類以及灌溉量與各處理相同，但不播種。

1.4.3 碳平衡計算

采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（net ecosystem productivity，簡稱NEP）來表示碳平衡。NEP是指凈初級生產(chǎn)力中減去異養(yǎng)呼吸消耗（土壤呼吸）光合產(chǎn)物之后的部分[19]，即

NEP=NPP-Rm。

式中：NEP為凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，kg/hm2;NPP為凈初級生產(chǎn)力，kg/hm2，碳含量取45%[20];Rm為異養(yǎng)微生物呼吸消耗量，kg/hm2。NEP表示大氣中CO2進入生態(tài)系統(tǒng)的凈光合產(chǎn)量，它的大小受諸多環(huán)境因子控制，當NEP為正值時，表示系統(tǒng)是大氣CO2的吸收匯;當NEP為負值時，表示系統(tǒng)是大氣CO2的吸收源。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析

采用Microsoft Office Excel 2003、SPSS 11.5及DPS 7.05統(tǒng)計分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 棄耕地復墾后農(nóng)田土壤呼吸速率變化

由圖1可知，土壤呼吸速率在3個生育期隨復墾年限的不同呈現(xiàn)較大幅度的變化;土壤呼吸速率隨生育期變化的幅度也較大。可以看出，復墾前鹽漬化棄耕地的土壤呼吸速率較弱，復墾后各處理的土壤呼吸速率增強，表現(xiàn)為復墾15 年> 復墾10年>復墾5年>復墾1年>CK。土壤呼吸速率表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動態(tài)變化，土壤呼吸速率最高值出現(xiàn)在花期，花期到鈴期土壤呼吸速率總體有著大幅度減小，鈴期到吐絮期又略微減小，但變化幅度不大?？傮w來看，棄耕地土壤呼吸速率在花期、鈴期、吐絮期等3個時期變化不大，復墾后4個處理在花期明顯高于鈴期與吐絮期，鈴期與吐絮期相差不大?；ㄆ?、鈴期、吐絮期等3個生育期平均土壤呼吸速率分別為 4.45、2.57、2.47 μmol/（m2·s）。與CK相比，復墾后4個處理的土壤呼吸速率在3個生育期均有不同程度的增加，在花期復墾15年、復墾10年、復墾5年、復墾1年分別增加 360.0%、308.2%、241.5%、204.3%，在鈴期分別增加 166.2%、125.2%、89.4%、42.7%，在吐絮期分別增加 196.0%、147.3%、110.0%、50.3%。

2.2 棄耕地復墾后農(nóng)田生物量

由圖2可知，在花期、鈴期、吐絮期等3個生育期的生物量平均值差異顯著，且總體表現(xiàn)為復墾15年>復墾5年>復墾10年>復墾1年>CK。棉花的生物量在不同生育期平均值表現(xiàn)為鈴期>吐絮期>花期，依次為37 637.3、21 823.2、19 536.6 kg/hm2。鹽漬化棄耕地的生物量在3個生育期表現(xiàn)為隨著時間的增長生物量逐漸減小的趨勢，生物量依次為 3 490.7、2 447.0、1 760.6 kg/hm2。棉花生物量復墾15年、復墾10年、復墾5年與復墾1年相比，在花期分別增加40.2%、33.3%、15.6%，[CM（8*3]在鈴期分別增加59.0%、34.3%、45.0%，在吐絮期分別增加3.0%、0.2%、3.6%。

2.3 棄耕地復墾農(nóng)田土壤碳平衡

由表2可知，Rm在花期、鈴期、吐絮期總體表現(xiàn)為隨著復墾年限的增加而增加，隨棉花生育期的延長而減小的趨勢;NPP總體表現(xiàn)為隨復墾年限的增加而增加，鈴期>花期>吐絮期的趨勢;NEP與NPP變化趨勢相同，NEP表現(xiàn)為棄耕地為負值，復墾棉花地為正值。結果表明，鹽漬化棄耕地墾殖前為碳源，復墾后在花期、鈴期、吐絮期等3個生育期不同年限均轉變?yōu)樘紖R，但碳匯強度有所不同，總體表現(xiàn)為復墾15年>復墾10年>復墾5年>復墾1年，但復墾10年碳儲量在鈴期與吐絮期有下降的趨勢。鹽漬化棄耕地在花期、鈴期、吐絮期均為碳源，碳源強度表現(xiàn)為吐絮期>鈴期>花期;復墾后3個生育期均為碳匯，碳匯強度表現(xiàn)為鈴期>花期>吐絮期，4個處理的NEP平均值依次為3 261.8、2 620.9、2 549.2 kg/hm2。復墾15年、10年、復墾5年與復墾1年相比，NEP在花期分別增加 100.6%、46.9%、68.7%，在鈴期分別增加46.5%、38.3%、45.2%，在吐絮期分別增加260.9%、164.7%、225.7%。