从18世纪工业革命以来，人类正面临着严峻的全球气候变化，如全球变暖、 土地退化等. 在2014年纽约召开的联合国气候峰会上，科学家们宣布2014年大气中的二氧化碳水平将达到新高. 农业是重要的温室气体排放源，农业源排放的CO₂和CH₄分别占人为温室气体排放量的21%~25%和57%^[1]，而农田土壤呼吸也成为农业碳排放的主要途径^[2]. 但目前对农田土壤呼吸的研究主要集中在春夏秋季^[3]，且主要以单作或轮作为主^{[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]}，缺乏对冬季低温环境和间作条件下根际土壤有机碳和土壤呼吸的深入探讨.

在全球变化的大背景下，绿肥在为农田提供肥源、 减少化肥施用的同时，也可为抑制全球气候变暖做出贡献^[13]. 绿肥的种植和利用具有提供养分、 合理用地养地、 部分替代化肥、 提供饲草来源、 保障粮食安全、 改善生态环境、 固氮、 吸碳以及节能减耗等作用^[14]，对于应对全球气候变化具有十分重要的意义. 然而，自20世纪80年代以来，随着化肥工业的迅猛发展，绿肥生产和应用日益减少.

西南紫色土地区人为活动剧烈、 土层浅薄、 水土流失严重. 近年来的研究表明，该地区以秸秆覆盖、 垄作为主的保护性耕作在保土保水、 改善土壤肥力、 增加固碳潜力、 提高作物产量方面的效益显著^{[15, 16, 17, 18]}，但对于紫色土丘陵区旱作农田绿肥种植与土壤呼吸特征相结合的研究尚属空白，这也是全球变化背景下亟待探究的学术问题. 基于此，本研究以紫云英为主要绿肥作物，通过紫云英与油菜间作，重点研究秸秆覆盖条件下紫云英与油菜间作对冬季旱作农田土壤呼吸特征的影响，一方面为农业高产稳产提供理论依据，另一方面为建立区域农田可持续利用机制和实现清洁生产、 节能减排奠定基础.

本试验于2014年10月至2015年4月在重庆市北碚区西南大学教学试验农场进行. 当地多年平均降雨量1 156.8 mm，其中春、 夏、 秋、 冬降雨量分别为全年的25.3%、 46.8%、 22.5%和5.4%，年蒸发量1 181.1 mm，年日照时数在888.5~1 539.6 h之间，日照百分率仅为25%~35%，冬季日照更少，仅占全年的10%左右. 试验所用土壤为旱地紫色土，地力相对均匀. 试验前土壤pH值6.47，土壤有机碳8.40 g·kg^-1，全氮0.97 g·kg^-1，速效磷18.13 mg·kg^-1，速效钾170.13 mg·kg^-1.

采用盆栽试验，绿肥作物为“紫云英”，主作物为“油菜”，随机区组排列，2×3双因素试验设计，3次重复. 设3种隔根方式：Ⅰ.完全隔根(F)：用塑料膜完全隔根，相当于单作；Ⅱ.尼龙网隔根(P)：用120目尼龙网隔根，相当于部分间作；Ⅲ.不隔根(N)：不隔根，相当于完全间作. 设2种覆盖方式：Ⅰ.无覆盖(T)：作物生长期内均不进行秸秆覆盖. Ⅱ.覆盖(S)：于作物播种期将相当于3 750 kg·hm^-2的水稻秸秆均匀覆盖(每盆0.15 kg). 共6个处理分别为：FT(完全隔根+无覆盖)、 FS(完全隔根+覆盖)、 PT(尼龙网隔根+无覆盖)、 PS(尼龙网隔根+覆盖)、 NT(不隔根+无覆盖)、 NS(不隔根+覆盖). 试验在160 L钢化盆内进行，每盆装土50kg，施氮肥(N)0.10g·kg^-1，磷肥(P₂O₅)0.10 g·kg^-1，钾肥(K₂O)0.10 g·kg^-1，肥料为三洋牌16-16-16三元素复合肥，所有肥料与土混匀一次施入，分3行平行摆布，行间距1 m×1 m. 紫云英和油菜采取条播(间距20 cm)，每盆各播种一行，出苗后每盆各留2株油菜(间距20 cm)，作物生长期间土壤相对含水量控制在60%左右.

土壤有机碳测定：于油菜收获时将植株根系从土壤中挖出(保证根系完整)，慢慢抖掉与根系结合比较松散的土壤，然后用经火焰灭菌的镊子刮取附着在作物根系上的薄层(＜10 mm)土壤作为根际土壤，并将取得的土样弄碎混匀，按4分法取样，用无菌塑料袋包好，带回实验室后，自然晾干后过0.25 mm土筛，用于测定总有机碳；另取20 g过2 mm土筛的风干土样，按水土比2∶1添加蒸馏水，在室温下振荡30 min(200r·min^-1)，再离心20 min(4 000 r·min^-1)，然后用0.45 μm微孔滤膜过虑，滤液用于测定水溶性有机碳. 土壤总有机碳和水溶性有机碳采用岛津TOC分析仪(TOC-L SSM-5000A and ASI-L，日本SHIMADZU公司)测定. 经测定试验土壤pH值低于6.5，偏酸性，无机碳含量忽略不计，总碳即为土壤总有机碳含量.

土壤呼吸测定：于油菜苗期、 蕾薹期、 开花期和角果期各测定一次，测定时间统一为上午09:00~11:00. 测定仪器为LI6400便携式光合作用系统连接6400-09呼吸室(Li6400-09，LI-COR Inc.，Lincoln，USA)，选取盆内两株油菜之间作为测定点，每个点放自制的PVC环，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，取其平均值作为土壤呼吸值.

土壤温度测定：用LI6400-09自带的土壤温度探针测定，深度为10 cm.

用Excel 2010和SPSS 17.0软件进行数据整理、分析，采用General Linear Model进行单变量双因素方差分析，多重比较采用Duncan's新复极差法.

由表 1可知，隔根方式对油菜根际土壤总有机碳和水溶性有机碳均有极显著影响，而覆盖方式和两因素的交互作用对土壤有机碳的影响不显著. 可见，两因素中隔根方式是主效应，对油菜根际土壤有机碳的影响最大.

表 1(Table 1)

表 1 两因素间油菜根际土壤有机碳的方差分析(P值)1) Table 1 Variance analysis of rape rhizosphere soil organic carbon between the two factors(P-Value) 因素 总有机碳 水溶性有机碳 隔根方式 0.001 ** 0.003 ** 覆盖方式 0.530 0.148 隔根+覆盖 0.339 0.944 1) *表示在0.05水平上差异显著(P＜0.05)，**表示在0. 01水平上差异显著(P＜0.01)，下同

表 1 两因素间油菜根际土壤有机碳的方差分析(P值)1) Table 1 Variance analysis of rape rhizosphere soil organic carbon between the two factors(P-Value)

由图 1可知，不同处理对油菜根际土壤总有机碳和水溶性有机碳均有显著影响. 对总有机碳，在相同隔根条件下，覆盖与否对总有机碳的影响均不显著；而不论是否覆盖，不隔根条件下的油菜根际土壤总有机碳显著低于完全隔根. 对水溶性有机碳，均表现出不覆盖处理>覆盖处理，完全隔根>尼龙网隔根>不隔根，且覆盖与否差异不显著，不隔根条件下的油菜根际土壤水溶性有机碳显著低于完全隔根. 说明绿肥间作显著影响了油菜根际的土壤有机碳含量，促进了油菜对碳源的吸收利用效率，而这跟本研究土壤呼吸的变化关系密切.

图 1

Fig. 1

图 1 不同处理对油菜根际土壤有机碳的影响 Fig. 1 Effects of different treatments on rhizosphere soil organic carbon of rape

由表 2可知，隔根和覆盖两个因素在不同生育阶段对土壤呼吸的影响不同，对开花期的影响最大. 在苗期，仅隔根方式对土壤温度的影响显著. 在蕾薹期，两因素均对土壤碳通量的影响达到显著水平. 在开花期，隔根仅对土壤碳通量影响极显著，而覆盖对土壤温度和碳通量均影响极显著，同时两因素对碳通量影响的交互作用也达到显著水平. 在角果期，仅覆盖对土壤碳通量的影响达到显著水平. 说明覆盖是影响土壤呼吸的主效应，而绿肥间作对土壤呼吸的影响受到作物生长状况的影响较大.

表 2(Table 2)

表 2 两因素间油菜土壤呼吸的方差分析(P值) Table 2 Variance analysis of soil respiration between the two factors(P-value) 因素 苗期 蕾薹期 开花期 角果期 隔根方式 0.024 * 0.195 0.551 0.455 土壤温度 覆盖方式 0.111 0.050 0.002 ** 0.203 隔根+覆盖 0.567 0.765 0.655 0.932 隔根方式 0.290 0.017 * 0.003 ** 0.219 土壤碳通量 覆盖方式 0.300 0.019 * 0.000 ** 0.000 ** 隔根+覆盖 0.893 0.126 0.015 * 0.152

表 2 两因素间油菜土壤呼吸的方差分析(P值) Table 2 Variance analysis of soil respiration between the two factors(P-value)

通过对各处理之间的多重比较发现(图 2)，不同生育期各处理之间的土壤温度差异不同. 在苗期，覆盖条件下的绿肥间作显著降低了土壤温度. 在蕾薹期，绿肥间作和覆盖对土壤温度的影响均不显著. 在开花期，在单作或部分间作下覆盖均可显著提高土壤温度. 而在角果期，各处理间差异均不显著. 由此可见，秸秆覆盖可提高冬季农田土壤温度，而绿肥间作在一定程度上削弱了秸秆覆盖的增温效应.

图 2

Fig. 2

图 2 不同处理对土壤温度的影响 Fig. 2 Effects of different treatments on soil temperature

由图 3可知，油菜整个生育期土壤碳通量的表现与土壤温度不同，呈现出先下降后升高再下降的总体趋势，其中蕾薹期最低，开花期最高，且油菜生长期间秸秆覆盖处理的土壤碳通量均高于不覆盖处理. 在苗期，各处理间差异均不显著. 在蕾薹期，秸秆覆盖条件下单作和部分间作的土壤碳通量显著增大. 在开花期，秸秆覆盖条件下单作、 部分间作和完全间作的土壤碳通量依次下降，且差异显著. 在角果期，各处理间土壤碳通量与开花期规律相似. 由此可见，在单作或部分间作条件下秸秆覆盖可显著增加土壤碳通量，而在秸秆覆盖条件下绿肥间作可显著降低土壤碳通量. 说明绿肥间作与秸秆覆盖对土壤碳通量的影响相反，绿肥间作可降低土壤碳通量，起到降低碳排放的作用.

图 3

Fig. 3

图 3 不同处理对土壤碳通量的影响 Fig. 3 Effects of different treatments on soil carbon flux

本研究测定的是冬季农田油菜生长季的土壤呼吸特征，在整个油菜生长季土壤温度的变化规律是：蕾薹期<苗期<开花期<角果期，而土壤碳通量的变化规律是：蕾薹期<苗期<角果期<开花期，两者在角果期时的变化规律出现明显不一致.

对此，通过土壤碳通量与土壤温度之间的回归模型模拟发现，两者之间存在极显著的三次曲线关系(P=0.000)(图 4). 土壤呼吸主要由微生物呼吸和根系呼吸组成，由于盆栽试验中土壤呼吸受作物根系呼吸的影响较大，这个拟合程度较高(R²=0.708 2)的回归式抛物线较好地解释了在冬季油菜生长季土壤呼吸先降后升再降的关系.说明在角果期，虽然土壤温度不断升高，但作物临近收获，根系活力的下降导致根系呼吸呈现逐渐下降的态势.

图 4

Fig. 4

图 4 土壤呼吸与土壤温度的关系 Fig. 4 Relationship between soil respiration and soil temperature

一般来讲，土壤有机碳含量比较稳定，在一个生长季内的变化较小，但本试验研究的是盆栽条件下的根际土壤有机碳，它受根际分泌物以及根际微环境(例如微生物)等的影响较大，在一个生长季内产生差异是正常的. 本研究表明，与秸秆覆盖相比，隔根方式成为影响油菜根际土壤有机碳含量的主要因素，油菜根际土壤有机碳含量的显著降低，说明了绿肥间作促进了油菜对根际碳源的吸收利用. 从紫云英与油菜的间作优势和种间竞争力来看，油菜是优势作物，紫云英处于劣势^[21]，间作优势的作物生态基础之一就是对养分资源的充分利用^{[22, 23]}. 由此，对油菜和紫云英间作来讲，紫云英的根系分泌物对油菜生长产生了影响，两者生态位互补拓宽了油菜对养分利用的空间^[24]，进而影响了油菜对根际碳源的吸收利用.

另外，本研究中绿肥间作下油菜根际土壤有机碳含量的下降，与油菜田间土壤呼吸的变化密切相关. 一方面土壤有机碳为微生物活动提供能源^[25]，另一方面土壤有机碳与土壤微生物量一般呈正相关的关系^[26]，因此，油菜根际土壤有机碳的降低反映了土壤微生物的状况. 同时，由于微生物呼吸又是土壤呼吸的重要组成部分，所以土壤有机碳的降低也会导致土壤呼吸的下降，这与本研究对土壤呼吸特征的研究结果一致.

本研究发现，秸秆覆盖可提高冬季农田土壤温度，而绿肥间作在一定程度上削弱了秸秆覆盖的增温效应. 一般来讲，秸秆覆盖在低温下具有保温作用，在高温下具有降温作用^[27]，目前，在小麦、 棉花、 玉米、 大豆等作物上发现，秸秆覆盖与无覆盖相比，都会出现前期低温季节增温、 后期高温季节降温的双重效应，并能平抑地温在季节间和昼夜间的剧烈变化，这种双重效应被认为是覆盖增产的重要机制^{[28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37]}. 本研究得出的秸秆覆盖在冬季低温下可提高土壤温度的结果与一般研究结果一致. 另外，目前对果麦、 林草等农林间作系统的研究结果表明，间作能够降低土壤温度^{[38, 39, 40]}，这与本研究中绿肥间作对土壤增温有削弱作用一致. 因此，当绿肥间作与秸秆覆盖相结合，可以平稳地抑制土壤温度在季节间和昼夜间的剧烈变化，增强了土壤温度的稳定性.

本研究还发现，不同处理下油菜根际土壤的呼吸特征表现为先降后升再降的趋势，这与徐志波等^[41]对油菜田间土壤呼吸的研究结果一致. 目前，对冬季农田土壤呼吸的研究主要集中在冬小麦生长季^{[42, 43, 44, 45]}，发现冬小麦生长季的土壤呼吸特征表现为前期与土壤温度的变化一致，在后期出现下降的趋势，这同样与本研究油菜田间土壤呼吸的变化趋势相似. 说明在一定范围内土壤呼吸与土壤温度呈正相关，但同时与作物的生长息息相关. 因为土壤呼吸主要包括根系呼吸、 微生物分解根系来源物质和微生物分解土壤有机质，前两部分合称为根际呼吸，而根际呼吸占土壤呼吸的60%以上^{[46, 47]}，尤其是盆栽条件下土壤呼吸则主要受到根际呼吸控制^[48]，在作物生长后期作物生命力(根系活力)下降必然导致土壤呼吸的下降.

土壤温度与土壤呼吸的关系常采用Q₁₀值表示，即温度每增加10℃土壤呼吸增加的倍数，是呼吸速率对温度变化的敏感性指标^[19]. 以往的研究表明，土壤温度与土壤呼吸之间通常为指数关系^[20]，但这往往是比较理想的状态下. 实际上两者之间的关系具有多样化，目前主要有线性模型、 指数模型和乘幂模型等，其中以指数模型最常见^[49]，但在冬季低温环境下，简单的指数模型对温度的响应太敏感^[50]，有学者就研究发现在低温环境下土壤呼吸与土壤温度存在二次曲线关系^[51]，另外，针对我国农田土壤呼吸，有研究表明虽然土壤呼吸与土壤温度呈指数关系，但在西南地区的土壤呼吸年际变化却呈现双峰模型^[52]. 由此可见，土壤呼吸与土壤温度的关系非常紧密，但也存在很多的不确定性. 本研究在探讨油菜田间土壤呼吸与土壤温度的关系时，发现二者间呈三次曲线关系(回归式抛物线)，一方面土壤呼吸在冬季油菜生长季出现一个峰值后下降的表现与上述对西南地区的研究结果^[52]基本吻合，另一方面由于是盆栽试验，作物根际呼吸的贡献率比大田要高，必然也会对土壤呼吸和温度的关系产生影响，油菜生长后期根系活力下降导致的土壤呼吸的下降也从实际中反映的这种关系.

总的来看，在探讨绿肥间作与秸秆覆盖对油菜根际土壤有机碳和土壤呼吸的影响方面，还有很多问题需要深入研究：①绿肥间作下油菜根系呼吸的动态变化及其对土壤呼吸的贡献；②绿肥间作下的土壤微生物及其呼吸特征；③绿肥间作下的农田碳平衡特征.

与秸秆覆盖相比，隔根方式成为影响油菜根际土壤有机碳含量的主要因素，绿肥间作使油菜根际土壤有机碳含量显著降低；秸秆覆盖可促进油菜田间土壤呼吸，而绿肥间作抑制了油菜田间土壤呼吸，土壤呼吸受油菜生育阶段影响较大，呈现出先下降后升高再下降的总体特征，且与土壤温度之间表现出回归式抛物线关系，根际呼吸在油菜生长后期成为土壤呼吸的主要成分.