环境科学  2014, Vol. 35 Issue (6): 2419-2425   PDF    
引用本文
张赛, 王龙昌, 黄召存, 贾会娟, 冉春燕. 保护性耕作下小麦田土壤呼吸及碳平衡研究[J]. 环境科学, 2014, 35(6): 2419-2425.
ZHANG Sai, WANG Long-chang, HUANG Zhao-cun, JIA Hui-juan, RAN Chun-yan. Soil Respiration and Carbon Balance in Wheat Field Under Conservation Tillage[J]. Environmental Science, 2014, 35(6): 2419-2425.
保护性耕作下小麦田土壤呼吸及碳平衡研究
张赛, 王龙昌, 黄召存, 贾会娟, 冉春燕     
西南大学农学与生物科技学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 南方山地农业教育部工程研究中心, 重庆 400716
收稿日期: 2013-9-30; 修订日期: 2013-11-21.
基金项目： 国家自然科学基金项目（31271673，30871474）；重庆市科技攻关项目（CSTC，2008AB1001）
作者简介：张赛(1987~),女,博士研究生,主要研究方向为生态农业与可持续发展, E-mail:532875132@qq.com
通讯联系人,王龙昌，wanglc2003@163.com
摘要：为了研究小麦农田生态系统土壤碳排放与作物碳蓄积特征，采用LI6400-09在重庆北碚西南大学教学试验农场对平作（T）、垄作（R）、平作+覆盖（TS）、垄作+覆盖（RS）这4种处理下的西南紫色土丘陵区小麦/玉米/大豆套作体系中小麦生长季节的土壤呼吸及植株生长动态进行了观测. 利用根系生物量外推法（root biomass regression，RBR）和根排除法（root exclusion，RE）这2种方法比较分析根系呼吸对土壤总呼吸的贡献，并估算小麦农田碳收支状况. 结果表明，土壤呼吸介于0.62~2.91 μmol·（m2·s）-1，平均值为1.71 μmol·（m2·s）-1. T、R、TS、RS各处理日均土壤呼吸速率分别为1.29、1.59、1.99、1.96 μmol·（m2·s）-1，表现为T-2，地上部分生物量累计为51800.84、59563.20、66015.37、71331.63 kg·hm-2. 与对照相比，R、TS、RS这3个处理分别增产14.99%、27.44%和37.70%. RBR方法测得根系呼吸贡献为47.05%，根系呼吸速率在0.201~1.226 μmol·（m2·s）-1之间，RE法下则为53.97%. 在小麦生长初期农田表现为弱的碳源，拔节期开始随着小麦植株的生长，农田碳汇能力越来越强，在灌浆期达到最大，随后进入成熟期，农田又呈现出碳源特征. 小麦生长季T、R、TS、RS各处理总的碳收支分别为5924.512、6743.807、8350.741、8876.115 kg·hm-2，因此，以垄作和秸秆覆盖为主的保护性耕作能显著提高农田生态系统的碳汇能力，增汇幅度达13.83%~49.82%.
关键词： 根系生物量外推法     根排除法     土壤呼吸     作物生物量     保护性耕作     小麦    
Soil Respiration and Carbon Balance in Wheat Field Under Conservation Tillage
ZHANG Sai, WANG Long-chang, HUANG Zhao-cun, JIA Hui-juan, RAN Chun-yan     
Key Laboratory of Eco-Environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education/Engineering Research Center of South Upland Agriculture, Ministry of Education, College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University, Chongqing 400716, China
Abstract: In order to study the characteristics of carbon sources and sinks in the winter wheat farmland ecosystem in southwest hilly region of China, the LI6400-09 respiratory chamber was adopted in the experiment conducted in the experimental field in Southwest University in Chongqing. The soil respiration and plant growth dynamics were analyzed during the growth period of wheat in the triple intercropping system of wheat-maize-soybean. Four treatments including T (traditional tillage), R (ridge tillage), TS (traditional tillage+straw mulching), and RS (ridge tillage+straw mulching) were designed. Root biomass regression (RR) and root exclusion (RE) were used to compare the contribution of root respiration to total soil respiration. The results showed that the average soil respiration rate was 1.71 μmol·(m2·s)-1 with a variation of 0.62-2.91 μmol·(m2·s)-1. Significant differences in soil respiration rate were detected among different treatments. The average soil respiration rate of T, R, TS and RS were 1.29, 1.59, 1.99 and 1.96 μmol·(m2·s)-1, respectively. R treatment did not increase the soil respiration rate significantly until the jointing stage. Straw mulching treatment significantly increased soil respiration, with a steadily high rate during the whole growth period. During the 169 days of growth, the total soil respiration was 2266.82, 2799.52, 3483.73 and 3443.89 kg·hm-2 while the cumulative aboveground biomasses were 51800.84, 59563.20, 66015.37 and 71331.63 kg·hm-2. Compared with the control, the yield of R, TS and RS increased by 14.99%, 27.44% and 37.70%, respectively. The contribution of root respiration to total soil respiration was 47.05% by RBR, while it was 53.97% by RE. In the early growth period, the carbon source was weak. The capacity of carbon sink started to increase at the jointing stage and reached the maximum during the filling stage. The carbon budget of wheat field was 5924.512, 6743.807, 8350.741, 8876.115 kg·hm-2, respectively. The results indicated that ridge tillage and straw mulching conservation tillage significantly improved the carbon sink in the wheat farmland ecosystem.
Key words: root biomass regression (RR)     root exclusion (RE)     soil respiration (Rs)     biomass     conservation tillage     wheat    

在全球变化日益严峻的形势下，对农业生态系统固碳减排的研究越来越多，农业土壤被认为在降低大气CO2浓度和减缓温室效应方面具有很大潜力[1,2]. 研究不同区域主要农田管理模式下土壤呼吸动态变化，对减缓土壤碳排放具有重要意义[3]，同时为国家制定更加详细的碳排放清单，明确碳税义务提供科学依据. 李银坤等[4]指出夏玉米农田是吸收大气CO2的汇； 张前兵等[3]研究了干旱区棉田不同施肥措施下的碳平衡状态，仅在棉花苗期表现为碳源，其余时期均为碳汇，复合肥与有机肥对农田碳汇作用最大； 黄斌等[5]的研究结果表明,在通常情况下农田CO2释放土壤-植物系统表现为大气CO2的“汇”，不同耕作措施只是改变了“汇”的程度； Li等[6]对黄土高原农田生态系统碳平衡的研究表明,谷子农田系统的净碳输入为1 408 kg ·hm-2. 在估算碳平衡时必须对土壤自养呼吸作用和土壤异养呼吸作用占土壤呼吸作用的比例进行量化[7]. 对土壤呼吸不同组分进行量化的方法主要包括成分综合法、 根系生物量外推法、 根排除法、 同位素标记法等[8]，由于研究的生态系统类型差异、 量化方法不同，所得到的研究结果各不相同. Jia等[9]研究结果表明森林生态系统根系呼吸占土壤总呼吸的33%~89%，草地为17%~40%，农田为12%~38%，北极冻土区为50%~93%. 对全球范围内的陆地生态系统研究表明，根系呼吸占土壤总呼吸的比例在10%~90%[10]. 过去的研究主要集中在森林和草原，对农田的研究较少[11]，而且对作物不同生育期阶段分别估算碳平衡的较少.基于此开展本研究，以期为农田生态系统碳平衡评价提供参考，对研究土壤碳固定及寻找减缓土壤有机碳分解的对策和措施具有重要的指导意义.

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验地位于重庆市北碚区西南大学教学试验农场，29°51′N，106°27′E，海拔244 m. 属亚热带季风湿润气候，年均太阳总辐射量87 108 kJ ·cm-2，年均总日照时数1 276.7 h，多年平均气温18℃，≥10℃积温5 979.5℃，夏季最高气温达40℃左右，无霜期达359 d. 试验地土壤为旱地紫色土，坡度较缓，地力相对均匀. 土壤容重1.21 g ·cm-3，pH值为6.47，土壤有机质28.00 g ·kg-1，全氮1.68 g ·kg-1，全磷1.46 g ·kg-1，全钾34.54 g ·kg-1，速效磷18.13 mg ·kg-1，速效钾270.23 mg ·kg-1，碱解氮35.23 mg ·kg-1.

1.2 试验设计

试验于2012-11-09~2013-04-27在西南大学教学试验农场进行，采用“小麦/玉米/大豆”三熟复种轮作模式. 试验地已连续7 a开展旱三熟种植模式下的保护性耕作研究，每年的耕作处理保持一致. 共设4个处理，3次重复：平作(T/CK)，整个试验期采用平作； 垄作(R)，垄高约20 cm； 平作+秸秆覆盖(TS)，整个试验期采用秸秆覆盖，收获的秸秆全量就地覆盖； 垄作+秸秆覆盖(RS)，整个试验期起垄后覆盖秸秆，垄高约20 cm. 试验采用随机区组排列，每个小区的面积为8.0×3.6 m2，均分4厢，每厢宽度为1.0 m，长度为3.6 m. 供试作物为小麦(糯麦一号，播种量90 kg ·hm-2)，每厢3行，每行17窝. 各处理均施过磷酸钙390 kg ·hm-2、 尿素152 kg ·hm-2，作为基肥在播种的同时施入. 覆盖处理所用秸秆，于前茬小麦、 玉米收获后均匀覆盖于小区内，每小区覆盖秸秆42.7 kg(折合24 000 kg ·hm-2).

1.3 取样与方法 1.3.1 土壤呼吸Rs(soil respiration)测定

土壤呼吸采用LI6400-09测定，从小麦苗期到收获期每半个月测定一次. 为了减少测定误差，在测定区域按照行间、 株间和条带边缘这3个不同位置选取3个固定点(见图 1)，间距约为1 m，每个点放自制的PVC环(内径11 cm，高5 cm)，于测定前一天安置好，以减少对土壤的干扰. 每个PVC环测定1次，3个循环，每个处理3次重复，共9个数据，取其平均值作为日土壤呼吸值. 整个生育期内每半个月测定一次，如遇下雨天气则适当调整，测定时间统一为上午09:00~11:00，以往的研究证明该时间段能代表全天的土壤呼吸[7,12].

图内小圆圈代表一个厢内布置的PVC环，从左到右依次为株间、 行间和条带边缘图 1 土环安放位置 Fig. 1 Installed position of soil collars in measurement plots

1.3.2 净初级生产力NPP测定

小麦整个生育期每隔15 d左右取长势均匀的地上部分植株5窝，105℃杀青，80℃烘干称重. 地下部分生物量根据小麦根冠比估算. 样地中小麦植株的密度为14.2窝 ·m-2，单窝重量乘以密度即为小麦生物量. 采用收获法估算小麦净初级生产力NPP(net primary productivity)[13]，即两次采样的重量差，公式为： NPP=(B2-B1)/(t2-t1) 式中，B1、 B2 分别是t1、 t2时刻的生物量(kg ·hm-2).

1.3.3 根系呼吸(Rd)估算方法

为了精确估算土壤呼吸中根系呼吸的贡献，采用根系生物量外推法和根排除法两种方法进行对比分析. 其中根系生物量外推法计算原理：在选择样点时，根据小麦种植位置，由近到远选择样点，并穿插考虑行间、 株间和条带边缘的不同位置，选择一系列根系生物量差异尽可能大的不同样点，对土壤呼吸总量和相应呼吸面积下根系生物量进行测定，获得两者之间的相关关系，外推到根系生物量为零时的土壤呼吸速率即是土壤净呼吸速率，根系呼吸为土壤净呼吸基础上的净增加值. 其中根系取样方法具体为：用与PVC环直径等同的土钻取出环中的土壤圆柱(直径为10 cm，深度为20 cm)，每个处理6个，共24个. 然后用去离子水冲洗挑选出小麦根系，80℃下烘干至恒重后称重.

根排除法计算原理：带根土壤的二氧化碳通量-无根土壤的二氧化碳通量=根呼吸[7]. 具体操作：在每个小区的4厢选择一厢不种小麦作为无根土壤的代表，分别测定无根土壤和种植小麦带的土壤呼吸，两者的差值即为根呼吸.

1.3.4 农田生态系统碳平衡计算

采用净生态系统生产力NEP(net ecosystem productivity)来表示生态系统碳平衡[14]，计算公式为：  NEP=NPP-Rm=NPP-(Rs-Rd) 式中，NPP为小麦地上部分和地下部分生物量总和[kg ·(hm2 ·d)-1]，经测定本试验使用的小麦植株碳含量平均为40.92%. Rm为土壤异养呼吸[μmol ·(m2 ·s)-1]，Rs为土壤总呼吸[μmol ·(m2 ·s)-1]，Rd为土壤自养呼吸[μmol ·(m2 ·s)-1]，1 μmol ·(m2 ·s)-1=1.036 8 g ·(m2 ·d)-1=10.368 kg ·(hm2 ·d)-1. 依据土壤呼吸速率和小麦生育期天数，换算成各个生育期的土壤碳排放量[kg ·(hm2 ·d)-1].

1.4 数据处理

所有数据处理在SPSS 13.0和Excel 2003表格中完成.

2 结果与分析 2.1 小麦农田土壤呼吸特征

图 2指出，小麦田土壤呼吸在0.62~2.91 μmol ·(m2 ·s)-1之间波动，平均值为1.71 μmol ·(m2 ·s)-1. 小麦拔节期以前垄作对土壤呼吸的影响不显著，拔节期开始垄作处理提高了土壤呼吸速率. 秸秆覆盖对土壤呼吸的影响最大，一直保持较高的土壤呼吸速率. T、 R、 TS、 RS各处理日均土壤呼吸速率分别为1.29、 1.59、 1.99、 1.96 μmol ·(m2 ·s)-1，表现为TP<0.05)，而R处理下的土壤呼吸速率与对照没有显著差异. 在小麦生长的169 d里，4个处理的土壤呼吸总量为2 266.82、 2 799.52、 3 483.73、 3 443.89 kg ·hm-2.

图中不同小写字母表示各处理下的土壤呼吸速率差异在0.05水平显著，下同图 2 小麦生育期不同处理土壤呼吸速率Fig. 2 Soil respiration rate at the wheat growing stages

2.2 小麦地上部分生物量积累动态

从图 3可以看出，垄作和秸秆覆盖处理能够促进小麦地上部分生物量的增加，不同处理地上部分生物量累计为51 800.84、 59 563.20、 66 015.37、 71 331.63 kg ·hm-2. 与对照相比，R、 TS、 RS这3个处理增加了14.99%、 27.44%和37.70%.

图 3 小麦地上部分生物量动态变化 Fig. 3 Dynamics of aboveground biomass of wheat

2.3 小麦根系呼吸对土壤总呼吸的贡献 2.3.1 根系生物量外推法

对根系生物量和土壤呼吸速率进行曲线估计，发现小麦根系生物量与土壤呼吸之间存在一定的线性关系(见图 4). 在小麦生长季内，根系生物量分别解释不同生长阶段土壤呼吸速率差异的24.2%(分蘖期)、 50.7%(拔节期)、 65.8%(抽穗期)和33.7%(灌浆期).

x表示根系生物量，y表示土壤呼吸，R2为拟合方程的决定系数，P值为显著性水平图 4 小麦不同生育期根系生物量与土壤呼吸的回归分析Fig. 4 Regression analysis of root biomass and soil respiration at different stages of wheat development

根据生物量外推法测定根系呼吸的原理，计算土壤总呼吸中根系呼吸和微生物呼吸的贡献(见表 1). 小麦分蘖期、 拔节期、 抽穗期和灌浆期这4个时段的根系呼吸分别为0.20、 0.49、 1.23、 0.83 μmol ·(m2 ·s)-1. 在小麦生长季中，根系呼吸速率(Rd)在0.201~1.226 μmol ·(m2 ·s)-1之间，波动较大，而土壤微生物呼吸作用Rm的波动较小，在0.505~0.874 μmol ·(m2 ·s)-1之间. 土壤呼吸作用中根系呼吸所占比例的季节变化呈单峰型，在抽穗期达到最高值. 4个时段根系呼吸占土壤呼吸的比例分别为28.5%、 43.2%、 61%和55.1%，随着小麦根系生物量的增加，根系呼吸占土壤呼吸的比例也随之增加，平均值为47.05%，在小麦生长后期，土壤呼吸开始下降，根系呼吸占土壤呼吸的比例也略有降低，可能与死根数量的增加有关.

表 1 小麦生长季中根系呼吸占土壤呼吸的比例——根系生物量外推法Table 1 Contribution of root excising on soil respiration

2.3.2 根排除法

在小麦整个生育期内，根据根排除法计算得到根系呼吸占土壤呼吸的比例平均为53.97%，较根系生物量外推法略高. 小麦不同生育期根系呼吸所占比例不同(见表 2)，呈现双峰型变化规律，在小麦拔节期和开花期达到两个高峰，根系呼吸速率(Rd)在0.378~1.57 μmol ·(m2 ·s)-1之间波动，高于根系生物量外推法得到的结果. 原因可能是由于根系生物量外推法下根系取样误差较大，存在根系断裂导致取不完整的情况.

表 2 小麦生长季中根系呼吸占土壤呼吸的比例——根排除法Table 2 Contribution of root respiration on soil respiration

2.4 小麦农田碳收支估算

小麦根冠比采用DNDC模型实地模拟数据，各个时期的根冠比分别为：0.204 8、 0.204 8、 0.216 4、 0.353 0、 0.404 8、 0.404 8、 0.404 8. 本研究2种方法得出的根系呼吸贡献分别是根系生物量外推法下为47.05%，根排除法下为53.97%. 第一种方法误差较大是由于根系取样存在断根导致根系不完整，尤其在西南丘陵地区土壤粘性较重时更为普遍，因此本研究在估算农田生态系统碳收支时采用根排除法计算的结果. 据此，得出小麦农田生态系统碳收支动态表(见表 3). 在小麦生长初期农田表现为弱的碳源，拔节期开始随着小麦植株的生长，农田碳汇能力越来越强，在灌浆期达到最大，随后进入成熟期，农田又呈现出碳源特征. 小麦生长季T、 R、 TS、 RS这4个处理总的碳收支分别为5 924.512、 6 743.807、 8 350.741、 8 876.115 kg ·hm-2，因此，以垄作和秸秆覆盖为主的保护性耕作能显著提高农田生态系统的碳汇能力，增汇幅度高达13.83%~49.82%.

表 3 小麦不同生育期农田生态系统碳收支/kg ·(hm2 ·d)-1Table 3 Farmland ecosystem carbon budget at different wheat growth stages/kg ·(hm2 ·d)-1

3 讨论 3.1 保护性耕作对土壤呼吸的影响

前人已经对保护性耕作下土壤呼吸速率进行了大量研究，由于地区气候、 土壤、 种植模式的不同，得到的结论并不统一. 一般认为秸秆还田会促进土壤中二氧化碳的释放[15]. 秸秆覆盖处理在不同作物中对土壤呼吸的影响趋势一致，均不同程度地增强了土壤呼吸，且随着秸秆分解后期对土壤呼吸的影响逐渐减弱[16]. 官情等[17]在黄土旱塬区观测冬小麦农田土壤呼吸在秸秆覆盖措施下显著高于对照. 王同朝[18]等研究了雨养条件下冬小麦-夏玉米农田土壤呼吸，指出土壤呼吸在不同作物垄作与传统耕作对土壤呼吸的影响效果相反，而且在同种作物不同生育期也不同，其中在小麦生育期内灌浆期以前垄作高于传统耕作，成熟期相反，在玉米生育期内垄作均高于传统耕作. 张赛等[19,20]研究表明小麦/玉米/大豆三熟套作模式下小麦田、 大豆田垄作和秸秆覆盖均提高了土壤呼吸作用，而玉米农田垄作降低了土壤呼吸的作用，秸秆覆盖提高土壤呼吸作用. 因此，毋庸置疑秸秆覆盖促进土壤呼吸，而垄作会促进或者抑制土壤呼吸，因作物、 土壤类型和农作制度不同而异.

3.2 根系呼吸对土壤呼吸的贡献

以往的研究结果表明根系呼吸在土壤呼吸中所占的比重从10%~90%不等，用成分综合法测定的森林土壤和非林地土壤的根系呼吸比例分别为45.8%、 60.4%[11]. 而盆栽试验得出的结果值通常在90%以上，如杨兰芳和蔡祖聪在玉米与大豆的盆栽试验中利用成分综合法得出根系呼吸占土壤呼吸的比例分别为94.8%和92%[21]. 从未受破坏的土芯研究中得出，处于演替中的草原土壤总呼吸的贡献根系占8%~17%，凋落物占6%~16%， 土壤微生物占67%~80%； 森林生态系统中根系呼吸占35%，凋落物占48%，土壤占17%[7]. 对农田生态系统的相关研究较少，有学者采用挖沟法测定黄土高原一年生禾本科草地根系呼吸在作物不同生育期占22.3%~86.6%，平均67.3%[22]. 韩广轩等[23]测得玉米根系呼吸对土壤呼吸的贡献为54.5%，在43.1%~63.6%之间波动. 本研究2种方法得出的结论分别是根系生物量外推法下根系呼吸对土壤呼吸的贡献为47.05%，根排除法为53.97%. 与已经公布的非森林生态系统的研究结果60.4%较为接近[11]，但是比Kou等[24]测得冬小麦田土壤根系呼吸占土壤总呼吸的25%~29.7%的结果高，比李虎等[25]采用DNDC模型模拟的结果80%低，可能是因为采用的分离技术以及土壤性质、 小麦品种、 种植模式等不同引起的.

Kuzyakov[26]指出目前最可靠的分离方法是采用同位素法中的14 C或13 C的持续标记法，但是只适用在实验室条件. 因此为了更加精确地估算碳通量，采用同位素标记法进行室内模拟以及模型的引入将是未来估算生态系统碳平衡更加科学的方法.
3.3 小麦农田碳平衡分析 Hollinger等[27]估算的玉米农田生态系统在3年观测中均为碳汇，净碳输入为7 024~8 804 kg ·hm-2. 张前兵等[3]指出在棉花生长初期，棉田表现为碳弱源，之后直到棉花收获一直表现为碳汇，这种现象也出现在玉米田[28]. 本研究得出小麦生长初期农田表现为弱的碳源，拔节期开始随着小麦植株的生长，农田碳汇能力越来越强，在灌浆期达到最大，随后进入成熟期农田又呈现出碳源特征. 因此，不同作物在不同生育期农田生态系统表现的碳源汇能力不同. 如何在农作物生产过程中较大程度的固碳减排，合理安排农作制度并采取有效的耕作管理措施是至关重要的.

4 结论

在西南丘陵区麦玉豆三熟种植模式下小麦农田生态系统在小麦生长季，根系呼吸对土壤总呼吸的贡献为47.05%~53.97%，在小麦不同生育期根系呼吸所占比例不同. 小麦田碳源汇特征规律为除了在小麦生长初期和成熟期表现为弱碳源特征外其余时间均为碳汇，且整体表现为碳汇. T、 R、 TS和RS这4个处理总的碳收支分别为5 924.512、 6 743.807、 8 350.741和8 876.115 kg ·hm-2，以垄作和秸秆覆盖为主的保护性耕作能显著提高农田生态系统的碳汇能力，增汇幅度高达13.83%~49.82%.

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