旱作玉米地不同耕作下土壤呼吸变化规律研究

旱作玉米地不同耕作下土壤呼吸变化规律研究

土壤呼吸是土壤向大气排放b2的过程。b2是世界上最重要的温室气体之一。土壤呼吸包括植物根系呼吸、微生物呼吸、土壤和动物呼吸，以及土壤中含有碳氢化合物的化学氧化释放。春玉米是中国北方旱地种植的主要粮食作物之一,占种植面积的50%以上,是北方旱地生态系统中最活跃部分,受人类扰动最频繁,其土壤呼吸已成为决定北方旱地生态系统CO2排放总量的关键因素。保持耕作(conservationtillage)在改善土壤理化性质、保持水土、蓄水保墒、提高水分利用效率等方面的作用虽已经得到公认,但随着全球气候变暖,保护性耕作与温室气体排放的关系研究已经成为新的关注焦点[9,10,11,12,13,14,15,16,17],尤其是农田土壤呼吸动态变化受土壤温度、耕作措施等因素影响的研究[18,19,20,21,22,23,24,25,26,27],但至今得到的结论不一,同时,结合保护性耕作措施、不同土层土壤温度分析旱作春玉米农田土壤呼吸动态变化及其土壤呼吸温度敏感性的研究较少。为进一步明确保持耕作下旱作春玉米地土壤呼吸变化及不同土层土壤温度对土壤呼吸速率的影响,本文以北方旱作春玉米为研究对象,研究长期不同耕作措施下土壤呼吸的动态变化,为制定农田生态系统碳排放清单、准确估算北方旱地CO2排放和增进陆地生态系统碳平衡提供理论依据。1材料和方法1.1年各月降雨特征寿阳旱农试验站位于山西晋中寿阳县宗艾镇。该区年平均气温7.4℃,海拔1066～1159m,日照2858h,降雨量520mm,无霜期140d,属暖温半湿润偏旱区,2003～2007年各月份降雨量如图1所示。试验地选在较平缓的、无灌溉条件的褐土上,质地为砂质壤土,养分状况中等,基础养分含量为有机质25.7g·kg-1,全氮1.04g·kg-1,碱解氮(NH4++NO3-)54.0mg·kg-1,速效磷(P)7.3mg·kg-1,速效钾(K)84.0mg·kg-1,pH值7.87。1.2施肥及除草处理本定位试验始于2003年4月,供试春玉米品种皆为当地优势品种(4月中旬左右播种,10月中旬左右收获)。试验处理为:1.传统耕作处理(CT),为秋收后秸秆移出并耕翻,春播前施化肥并耕翻;2.少耕处理(RT),为秋收后秸秆还田并配合施化肥及翻耕,春季免耕播种;3.免耕处理(NT),为秋收后秸秆顺行覆盖,春季改秸秆垄沟覆盖,免耕垄上施肥播种。处理小区面积10m×5m=50m2,6次重复,施肥量为复合肥(N-P2O5-K2O为20-20-0)525kg/hm2,折P2O5和N各为105kg/hm2。2006～2007年测定不同耕作处理的土壤呼吸及土壤温度。1.3观测指标和数据处理1.3.1h土壤呼吸土壤呼吸测定采用碱吸收法。每个小区设置3个测定点,在玉米播种期(4月)、苗期(5月)、拔节期(6月)、大喇叭口期(7～8月)、灌浆期(9月)、成熟期及收获期(10月)、休闲期(11月至次年4月中旬),每月月初各进行一次24h土壤呼吸测定(土壤上冻后就不再测定),同时测定当日9:00～10:00间5、10、15cm土层土壤温度。采用自动气象记录仪记录每日降雨量。1.3.2不同土层土壤温度的指数关系模型土壤呼吸随温度变化程度采用温度敏感性系数Q10表示,即温度每升高10℃土壤呼吸增加的倍数。用指数关系模型计算Q10:Y=a×ebx,Q10=e10b式中,Y为土壤呼吸速率[Cmg/(m2·d)],即每平方米土壤每天排放的二氧化碳所含碳量;x为不同土层土壤温度(℃);a、b为模拟计算值。数据分析和作图用SAS和EXCEL完成。2结果与分析2.1耕作土壤呼吸速率不同耕作的土壤呼吸速率及土壤温度的动态变化如图2和图3。3种耕作下土壤温度(5、10和15cm)随季节的动态变化趋势基本一样,从4月开始上升,峰值出现在7月,随后逐渐降低,皆呈单峰抛物线型,但不同耕作土壤温度大小在不同测定期有一定差异,大部分测定时期土壤温度为传统耕作>少耕>免耕,也有特定时期出现少耕或免耕土壤温度高于传统耕作的现象,如2006年7月5cm土壤温度,少耕高于传统耕作1.12%,2007年6月和7月5cm土壤温度,免耕平均高出传统耕作3.70%。不同耕作平均土壤温度,免耕为14.64℃,少耕为15.03℃,比传统耕作15.08℃分别低2.9%和0.3%,而5和10cm土层平均土壤温度分别为15.56和14.63℃,比15cm土层(14.57℃)分别高6.8%和0.4%。不同耕作土壤呼吸速率季节变化动态基本一致,呈单峰抛物线型,与5、10和15cm土层土壤温度的季节变化规律基本相同,5月苗期平均土壤呼吸速率为C313mg/(m2·d),随后逐渐增高,到7月上旬达到峰值C1253mg/(m2·d),之后随土壤温度下降逐渐降低,9月灌浆期降为C471mg/(m2·d),至11月降至C365mg/(m2·d)。不同测定时期,3种耕作土壤呼吸速率都存在一定差异,方差检验显示,在高温季节(7、8月),少耕显著降低土壤呼吸速率,免耕显著提高土壤呼吸速率,低温季节(除7、8月),少耕显著提高土壤呼吸速率,免耕显著降低土壤呼吸速率,保持耕作作用于土壤温度是其原因之一。测定期间,传统耕作土壤呼吸速率在C287～1339mg/(m2·d)之间,少耕在C352～1189mg/(m2·d),免耕在C256～1399mg/(m2·d)。整个土壤呼吸速率平均值,少耕为C650mg/(m2·d)和免耕为C658mg/(m2·d),比传统耕作C649mg/(m2·d)分别高0.1%和1.4%。2.2种耕作方式下不同土层土壤呼吸温度敏感性系数见表1、2土壤温度通过作用于土壤微生物从而间接作用于土壤呼吸速率,因而土壤温度对土壤呼吸速率的作用是一个复杂的过程,前人一般采用线性方程、二项式方程和指数方程来拟合土壤呼吸速率和土壤温度的关系。本试验结果显示,3种方程皆能较好拟合不同耕作下土壤呼吸速率和土壤温度(5、10和15cm)的关系,其中指数方程拟合最好(表1),3种耕作措施下,土壤呼吸速率与土壤温度皆达到显著正相关,大小依次为免耕(R2=0.61)>传统耕作(R2=0.54)>少耕(R2=0.48),土壤呼吸速率与5、10和15cm土壤温度拟合的R2平均值分别为0.49、0.55和0.59。可见,土壤呼吸速率与深层土壤温度的相关性高于浅层。3种耕作下不同土层的土壤呼吸温度敏感性系数Q10值如表1,免耕Q10值为2.26比传统耕作Q10值1.61高出40.1%,而少耕Q10值1.41比传统耕作降低12.6%,免耕显著增加土壤呼吸温度敏感性,而少耕的土壤呼吸温度敏感性有所降低,差异不显著。究其原因,可能是由于免耕覆盖使得土壤表层温度变幅减小,因而土壤呼吸温度敏感性系数Q10有所提高;少耕相对于传统耕作,增加秸秆还田、减少耕翻,但降低土壤呼吸温度敏感性的具体过程,有待进一步研究。5、10和15cm土层土壤呼吸温度敏感性系数Q10值分别在1.67～2.15、1.75～2.30和1.81～2.33之间,15和10cm土层Q10均值分别为2.05和1.98,比5cm土层Q10(1.25)分别高出64.7%和59.1%,方差检验显示,15和10cm极显著高于5cm,土壤呼吸对土壤温度的敏感性深层大于浅层。可能是由于同样条件下深层土壤温度增加10℃,浅层土壤温度增加大于10℃,而土壤呼吸速率增加幅度是一样的,因此,浅层土壤温度增加10℃时的土壤呼吸速率的增加倍数低于深层。因此,越往土壤深层,土壤呼吸温度敏感性系数Q10值越大。3结论和讨论3.1降低土壤呼吸速率与农业种植、气候和植被的关系多数研究表明,不同耕作的土壤呼吸速率季节变化动态呈单峰型,但孙小花在黄土高原区的冬小麦和豌豆试验却得到土壤呼吸呈现多个峰值。本试验结果表明,少耕、免耕和传统耕作土壤呼吸速率季节变化动态与土壤温度季节变化趋势基本一致,呈单峰抛物线型,到7月上旬达到峰值C1253mg/(m2·d)。造成土壤呼吸速率动态变化差异的原因可能是不同的土壤、气候和植被,因此,土壤呼吸季节动态变化应该结合区域土壤、气候和植被来分析。前人已经对不同耕作的土壤呼吸速率进行了研究,但由于地域和试验条件不完全一样,得到的结论也不太一致[9,10,11,12,13,14,15,16,17],张宇等在栾城的小麦试验得到免耕降低土壤呼吸速率和排放通量的结论;FranzluebbersAJ研究得到在高粱和大豆生育期,免耕土壤呼吸速率比传统耕作高,在小麦生育期则相反;而牛新胜在河北曲周的玉米试验证明免耕土壤呼吸速率基本显著高于传统耕作和秸秆还田翻耕。本试验结果表明,在高温季节(7、8月),少耕显著降低土壤呼吸速率,免耕显著提高土壤呼吸速率,低温季节(除7、8月)则相反。整个土壤呼吸速率平均值,少耕[C650mg/(m2·d)]和免耕[C658mg/(m2·d)]比传统耕作[C649mg/(m2·d)]分别高0.1%和1.4%。出现不同结果的原因,一方面可能是种植模式不一样,另一方面可能是地区气候、土壤差异。可见,不同耕作措施对土壤呼吸速率的影响还需要结合区域气候、土壤条件和种植模式来全面分析。3.2土壤呼吸温度敏感性土壤温度是土壤呼吸速率重要影响因素之一,研究表明,土壤呼吸速率与土壤温度的关系可以用线性方程、指数方程、二项式方程来拟合。本试验也得到了同样的结果,3种方程都能很好拟合,其中,指数方程拟合最好,3种耕作下土壤呼吸速率与土壤温度皆达到显著正相关,免耕(R2=0.61)>传统耕作(R2=0.54)>少耕(R2=0.48),土壤呼吸速率与5、10和15cm土层土壤温度的拟合方程R2值分别为0.49、0.55和0.59。3种耕作下土壤呼吸温度敏感性系数Q10值在1.67～2.33之间。RaichJW等综合大量文献发现Q10值一般在1.3～3.3之间,本试验结果与前人研究结果基本一致。前人对不同耕作的土壤呼吸温度敏感性系数Q10的研究结果比较一致。刘爽等在寿阳县的春玉米试验得到不同耕作的土壤呼吸温度敏感性系数Q10值大小依次为免耕覆盖>浅旋耕>秸秆还田>常规耕作。孟凡乔等也得到土壤呼吸温度敏感性系数Q10值免耕大于翻耕。本研究结果显示,免耕Q10值为2.26,比传统耕作Q10值1.61高出40.1%,而少耕Q10值1.41比传统耕作降低12.6%,免耕显著提高了土壤呼吸温度敏感性,少耕的土壤温度敏感性有些降低。免耕的土壤呼吸温度敏感性大于传统耕作的观点与前人研究结果一致,但少耕这方面报道比较少,有待进一步研究。本研究得到的土壤呼吸温度敏感性结果和前人的研究结果不太一致。本试验得到土壤呼吸温度敏感性深层大于浅层,5、10和15cm土层土壤呼吸温度敏感性系数Q10值分别在1.67～2.15、1.75～2.30和1.81～2.33之间,15和10cm土层Q