旱作玉米地不同耕作下土壤呼吸變化規(guī)律研究

旱作玉米地不同耕作下土壤呼吸變化規(guī)律研究

土壤呼吸是土壤向大氣排放b2的過程。b2是世界上最重要的溫室氣體之一。土壤呼吸包括植物根系呼吸、微生物呼吸、土壤和動(dòng)物呼吸，以及土壤中含有碳?xì)浠衔锏幕瘜W(xué)氧化釋放。春玉米是中國北方旱地種植的主要糧食作物之一,占種植面積的50%以上,是北方旱地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍部分,受人類擾動(dòng)最頻繁,其土壤呼吸已成為決定北方旱地生態(tài)系統(tǒng)CO2排放總量的關(guān)鍵因素。保持耕作(conservationtillage)在改善土壤理化性質(zhì)、保持水土、蓄水保墑、提高水分利用效率等方面的作用雖已經(jīng)得到公認(rèn),但隨著全球氣候變暖,保護(hù)性耕作與溫室氣體排放的關(guān)系研究已經(jīng)成為新的關(guān)注焦點(diǎn)[9,10,11,12,13,14,15,16,17],尤其是農(nóng)田土壤呼吸動(dòng)態(tài)變化受土壤溫度、耕作措施等因素影響的研究[18,19,20,21,22,23,24,25,26,27],但至今得到的結(jié)論不一,同時(shí),結(jié)合保護(hù)性耕作措施、不同土層土壤溫度分析旱作春玉米農(nóng)田土壤呼吸動(dòng)態(tài)變化及其土壤呼吸溫度敏感性的研究較少。為進(jìn)一步明確保持耕作下旱作春玉米地土壤呼吸變化及不同土層土壤溫度對土壤呼吸速率的影響,本文以北方旱作春玉米為研究對象,研究長期不同耕作措施下土壤呼吸的動(dòng)態(tài)變化,為制定農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放清單、準(zhǔn)確估算北方旱地CO2排放和增進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1年各月降雨特征壽陽旱農(nóng)試驗(yàn)站位于山西晉中壽陽縣宗艾鎮(zhèn)。該區(qū)年平均氣溫7.4℃,海拔1066～1159m,日照2858h,降雨量520mm,無霜期140d,屬暖溫半濕潤偏旱區(qū),2003～2007年各月份降雨量如圖1所示。試驗(yàn)地選在較平緩的、無灌溉條件的褐土上,質(zhì)地為砂質(zhì)壤土,養(yǎng)分狀況中等,基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)25.7g·kg-1,全氮1.04g·kg-1,堿解氮(NH4++NO3-)54.0mg·kg-1,速效磷(P)7.3mg·kg-1,速效鉀(K)84.0mg·kg-1,pH值7.87。1.2施肥及除草處理本定位試驗(yàn)始于2003年4月,供試春玉米品種皆為當(dāng)?shù)貎?yōu)勢品種(4月中旬左右播種,10月中旬左右收獲)。試驗(yàn)處理為:1.傳統(tǒng)耕作處理(CT),為秋收后秸稈移出并耕翻,春播前施化肥并耕翻;2.少耕處理(RT),為秋收后秸稈還田并配合施化肥及翻耕,春季免耕播種;3.免耕處理(NT),為秋收后秸稈順行覆蓋,春季改秸稈壟溝覆蓋,免耕壟上施肥播種。處理小區(qū)面積10m×5m=50m2,6次重復(fù),施肥量為復(fù)合肥(N-P2O5-K2O為20-20-0)525kg/hm2,折P2O5和N各為105kg/hm2。2006～2007年測定不同耕作處理的土壤呼吸及土壤溫度。1.3觀測指標(biāo)和數(shù)據(jù)處理1.3.1h土壤呼吸土壤呼吸測定采用堿吸收法。每個(gè)小區(qū)設(shè)置3個(gè)測定點(diǎn),在玉米播種期(4月)、苗期(5月)、拔節(jié)期(6月)、大喇叭口期(7～8月)、灌漿期(9月)、成熟期及收獲期(10月)、休閑期(11月至次年4月中旬),每月月初各進(jìn)行一次24h土壤呼吸測定(土壤上凍后就不再測定),同時(shí)測定當(dāng)日9:00～10:00間5、10、15cm土層土壤溫度。采用自動(dòng)氣象記錄儀記錄每日降雨量。1.3.2不同土層土壤溫度的指數(shù)關(guān)系模型土壤呼吸隨溫度變化程度采用溫度敏感性系數(shù)Q10表示,即溫度每升高10℃土壤呼吸增加的倍數(shù)。用指數(shù)關(guān)系模型計(jì)算Q10:Y=a×ebx,Q10=e10b式中,Y為土壤呼吸速率[Cmg/(m2·d)],即每平方米土壤每天排放的二氧化碳所含碳量;x為不同土層土壤溫度(℃);a、b為模擬計(jì)算值。數(shù)據(jù)分析和作圖用SAS和EXCEL完成。2結(jié)果與分析2.1耕作土壤呼吸速率不同耕作的土壤呼吸速率及土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化如圖2和圖3。3種耕作下土壤溫度(5、10和15cm)隨季節(jié)的動(dòng)態(tài)變化趨勢基本一樣,從4月開始上升,峰值出現(xiàn)在7月,隨后逐漸降低,皆呈單峰拋物線型,但不同耕作土壤溫度大小在不同測定期有一定差異,大部分測定時(shí)期土壤溫度為傳統(tǒng)耕作>少耕>免耕,也有特定時(shí)期出現(xiàn)少耕或免耕土壤溫度高于傳統(tǒng)耕作的現(xiàn)象,如2006年7月5cm土壤溫度,少耕高于傳統(tǒng)耕作1.12%,2007年6月和7月5cm土壤溫度,免耕平均高出傳統(tǒng)耕作3.70%。不同耕作平均土壤溫度,免耕為14.64℃,少耕為15.03℃,比傳統(tǒng)耕作15.08℃分別低2.9%和0.3%,而5和10cm土層平均土壤溫度分別為15.56和14.63℃,比15cm土層(14.57℃)分別高6.8%和0.4%。不同耕作土壤呼吸速率季節(jié)變化動(dòng)態(tài)基本一致,呈單峰拋物線型,與5、10和15cm土層土壤溫度的季節(jié)變化規(guī)律基本相同,5月苗期平均土壤呼吸速率為C313mg/(m2·d),隨后逐漸增高,到7月上旬達(dá)到峰值C1253mg/(m2·d),之后隨土壤溫度下降逐漸降低,9月灌漿期降為C471mg/(m2·d),至11月降至C365mg/(m2·d)。不同測定時(shí)期,3種耕作土壤呼吸速率都存在一定差異,方差檢驗(yàn)顯示,在高溫季節(jié)(7、8月),少耕顯著降低土壤呼吸速率,免耕顯著提高土壤呼吸速率,低溫季節(jié)(除7、8月),少耕顯著提高土壤呼吸速率,免耕顯著降低土壤呼吸速率,保持耕作作用于土壤溫度是其原因之一。測定期間,傳統(tǒng)耕作土壤呼吸速率在C287～1339mg/(m2·d)之間,少耕在C352～1189mg/(m2·d),免耕在C256～1399mg/(m2·d)。整個(gè)土壤呼吸速率平均值,少耕為C650mg/(m2·d)和免耕為C658mg/(m2·d),比傳統(tǒng)耕作C649mg/(m2·d)分別高0.1%和1.4%。2.2種耕作方式下不同土層土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)見表1、2土壤溫度通過作用于土壤微生物從而間接作用于土壤呼吸速率,因而土壤溫度對土壤呼吸速率的作用是一個(gè)復(fù)雜的過程,前人一般采用線性方程、二項(xiàng)式方程和指數(shù)方程來擬合土壤呼吸速率和土壤溫度的關(guān)系。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,3種方程皆能較好擬合不同耕作下土壤呼吸速率和土壤溫度(5、10和15cm)的關(guān)系,其中指數(shù)方程擬合最好(表1),3種耕作措施下,土壤呼吸速率與土壤溫度皆達(dá)到顯著正相關(guān),大小依次為免耕(R2=0.61)>傳統(tǒng)耕作(R2=0.54)>少耕(R2=0.48),土壤呼吸速率與5、10和15cm土壤溫度擬合的R2平均值分別為0.49、0.55和0.59。可見,土壤呼吸速率與深層土壤溫度的相關(guān)性高于淺層。3種耕作下不同土層的土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)Q10值如表1,免耕Q10值為2.26比傳統(tǒng)耕作Q10值1.61高出40.1%,而少耕Q10值1.41比傳統(tǒng)耕作降低12.6%,免耕顯著增加土壤呼吸溫度敏感性,而少耕的土壤呼吸溫度敏感性有所降低,差異不顯著。究其原因,可能是由于免耕覆蓋使得土壤表層溫度變幅減小,因而土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)Q10有所提高;少耕相對于傳統(tǒng)耕作,增加秸稈還田、減少耕翻,但降低土壤呼吸溫度敏感性的具體過程,有待進(jìn)一步研究。5、10和15cm土層土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)Q10值分別在1.67～2.15、1.75～2.30和1.81～2.33之間,15和10cm土層Q10均值分別為2.05和1.98,比5cm土層Q10(1.25)分別高出64.7%和59.1%,方差檢驗(yàn)顯示,15和10cm極顯著高于5cm,土壤呼吸對土壤溫度的敏感性深層大于淺層?？赡苁怯捎谕瑯訔l件下深層土壤溫度增加10℃,淺層土壤溫度增加大于10℃,而土壤呼吸速率增加幅度是一樣的,因此,淺層土壤溫度增加10℃時(shí)的土壤呼吸速率的增加倍數(shù)低于深層。因此,越往土壤深層,土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)Q10值越大。3結(jié)論和討論3.1降低土壤呼吸速率與農(nóng)業(yè)種植、氣候和植被的關(guān)系多數(shù)研究表明,不同耕作的土壤呼吸速率季節(jié)變化動(dòng)態(tài)呈單峰型,但孫小花在黃土高原區(qū)的冬小麥和豌豆試驗(yàn)卻得到土壤呼吸呈現(xiàn)多個(gè)峰值。本試驗(yàn)結(jié)果表明,少耕、免耕和傳統(tǒng)耕作土壤呼吸速率季節(jié)變化動(dòng)態(tài)與土壤溫度季節(jié)變化趨勢基本一致,呈單峰拋物線型,到7月上旬達(dá)到峰值C1253mg/(m2·d)。造成土壤呼吸速率動(dòng)態(tài)變化差異的原因可能是不同的土壤、氣候和植被,因此,土壤呼吸季節(jié)動(dòng)態(tài)變化應(yīng)該結(jié)合區(qū)域土壤、氣候和植被來分析。前人已經(jīng)對不同耕作的土壤呼吸速率進(jìn)行了研究,但由于地域和試驗(yàn)條件不完全一樣,得到的結(jié)論也不太一致[9,10,11,12,13,14,15,16,17],張宇等在欒城的小麥試驗(yàn)得到免耕降低土壤呼吸速率和排放通量的結(jié)論;FranzluebbersAJ研究得到在高粱和大豆生育期,免耕土壤呼吸速率比傳統(tǒng)耕作高,在小麥生育期則相反;而牛新勝在河北曲周的玉米試驗(yàn)證明免耕土壤呼吸速率基本顯著高于傳統(tǒng)耕作和秸稈還田翻耕。本試驗(yàn)結(jié)果表明,在高溫季節(jié)(7、8月),少耕顯著降低土壤呼吸速率,免耕顯著提高土壤呼吸速率,低溫季節(jié)(除7、8月)則相反。整個(gè)土壤呼吸速率平均值,少耕[C650mg/(m2·d)]和免耕[C658mg/(m2·d)]比傳統(tǒng)耕作[C649mg/(m2·d)]分別高0.1%和1.4%。出現(xiàn)不同結(jié)果的原因,一方面可能是種植模式不一樣,另一方面可能是地區(qū)氣候、土壤差異?？梢?不同耕作措施對土壤呼吸速率的影響還需要結(jié)合區(qū)域氣候、土壤條件和種植模式來全面分析。3.2土壤呼吸溫度敏感性土壤溫度是土壤呼吸速率重要影響因素之一,研究表明,土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系可以用線性方程、指數(shù)方程、二項(xiàng)式方程來擬合。本試驗(yàn)也得到了同樣的結(jié)果,3種方程都能很好擬合,其中,指數(shù)方程擬合最好,3種耕作下土壤呼吸速率與土壤溫度皆達(dá)到顯著正相關(guān),免耕(R2=0.61)>傳統(tǒng)耕作(R2=0.54)>少耕(R2=0.48),土壤呼吸速率與5、10和15cm土層土壤溫度的擬合方程R2值分別為0.49、0.55和0.59。3種耕作下土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)Q10值在1.67～2.33之間。RaichJW等綜合大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)Q10值一般在1.3～3.3之間,本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致。前人對不同耕作的土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)Q10的研究結(jié)果比較一致。劉爽等在壽陽縣的春玉米試驗(yàn)得到不同耕作的土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)Q10值大小依次為免耕覆蓋>淺旋耕>秸稈還田>常規(guī)耕作。孟凡喬等也得到土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)Q10值免耕大于翻耕。本研究結(jié)果顯示,免耕Q10值為2.26,比傳統(tǒng)耕作Q10值1.61高出40.1%,而少耕Q10值1.41比傳統(tǒng)耕作降低12.6%,免耕顯著提高了土壤呼吸溫度敏感性,少耕的土壤溫度敏感性有些降低。免耕的土壤呼吸溫度敏感性大于傳統(tǒng)耕作的觀點(diǎn)與前人研究結(jié)果一致,但少耕這方面報(bào)道比較少,有待進(jìn)一步研究。本研究得到的土壤呼吸溫度敏感性結(jié)果和前人的研究結(jié)果不太一致。本試驗(yàn)得到土壤呼吸溫度敏感性深層大于淺層,5、10和15cm土層土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)Q10值分別在1.67～2.15、1.75～2.30和1.81～2.33之間,15和10cm土層Q