2016, Vol. 37
, SHI Cheng-xiao , FENG Fan , CHEN Ting , ZHANG Lei , LÜ Xiao-kang , WU Wei , LIAO Yun-cheng
全球气候变暖已是无可争议的事实，CO2是温室效应贡献率最大的气体[1]. 农田生态系统是大气中CO2的主要来源之一，约占人为CO2排放量的11%[2]. 研究农田碳排放对于缓解大气CO2浓度的增加具有重要生态意义[3]. 土壤呼吸是土壤碳排放的主要途径[4]，土壤呼吸主要包括根系呼吸、 土壤微生物、 少量动物呼吸和少量土壤有机物通过氧化产生CO2，其中根系呼吸和微生物呼吸是主要部分[5-7]. 有研究表明土壤温度和土壤水分是影响土壤呼吸的主要因子[8, 9]，二者通过影响植物生长和微生物活动来影响土壤呼吸[10, 11].
沟垄集雨种植技术包括田间修筑的沟垄和地表覆盖物两个部分，沟垄相间排列，降雨由垄上汇集到沟中，沟中种植作物[12]. 沟垄集雨种植技术可以使小于5mm的无效降雨转变为有效降雨，增加降雨的使用效率[13]. 有研究表明，沟垄集雨种植技术可以提高玉米[14]、 小麦[15]、 苜蓿[16]和马铃薯[17]等作物的产量，也可以提高地表土壤的温度[18]，增加土壤表层有机质和速效钾的含量，提高土壤酶活性[19]. 沟垄集雨种植技术在干旱和半干旱的雨养农业中运用广泛[14-17]，大量研究集中在沟垄集雨种植技术对作物生长和土壤水热的影响，而关于沟垄集雨种植对土壤呼吸的影响报道较少； 不同宽度沟垄集雨种植将构建不同集雨面积，所引起的水热变化不相同，继而对土壤呼吸产生影响，为此，本文通过设置不同的沟垄比，以平作为对照，研究沟垄集雨种植及不同沟垄比下土壤呼吸和水热因子变化特征，对土壤呼吸与水热双因子之间的关系进行了拟合与分析，探究土壤呼吸对水热因子的响应机制，以期为正确估算沟垄集雨种植下麦田CO2排放特征及评估沟垄集雨种植的生态效益提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况本试验在西北农林科技大学斗口试验站(108°52′E，34°36′N)进行，地处关中平原中部偏西，土质为土，土壤容重1.05g·cm-3，0~20 cm土层中有机质含量为14.60 g·kg-1，全氮1.14g·kg-1，碱解氮99.40 mg·kg-1，速效磷20.24 mg·kg-1，速效钾243.20 mg·kg-1，属中等肥力. 试验区属典型暖温带半湿润大陆性季风气候，2013、 2014和2015年降水量为分别为450、 539和505 mm，年均陆面蒸发量为417.6 mm，其中60%~70%的降水集中在7~9月； 全年太阳总辐射量为494.70 kJ·cm-2，全年生理辐射量247.35 kJ·cm-2，历年平均日照时数2 271.6 h，日照百分率为51%； 年平均气温13.2℃，无霜期在220 d左右，0℃的活动积温4 926.8℃，10℃的活动积温4 337.7℃，20℃的活动积温2 556.4℃，平均无霜期215 d.
1.2 试验设计与管理大田条件下，试验采用随机区组设计，共设置4个处理，包括3个沟垄集雨处理和1个平作处理(CP). 集雨处理设置3种沟垄比，分别为20 cm∶40 cm、 30 cm∶30 cm和40 cm∶20 cm，根据垄宽依次记为P40、 P30和P20. 垄上覆盖0.008 mm塑料薄膜，垄高15 cm，沟内沿着垄两侧种植两行小麦，供试品种为小偃22. 平作处理行距为30 cm，各处理播种量均为150 kg·hm-2. 小区长6 m、 宽4 m，每个处理3次重复，共12个小区，沟垄集雨处理小区内起6个垄，平作处理不起垄，每个小区种植12行小麦. 各小区施肥量为P2O5 120kg·hm-2(过磷酸钙)和纯N 225 kg·hm-2(尿素)，播前一次性施入磷肥和40%氮肥，在返青期和孕穗期分别施入30%氮肥，小麦生长期内不进行灌溉. 试验于2014年10月13日播种，2015年6月10日收获.
1.3 测定指标及方法土壤呼吸速率采用便携式红外线二氧化碳分析仪GXH-3010E1(北京华云分析仪器研究所生产)进行测定，土壤呼吸室直径为16 cm，高度改装为18.35 cm. 土壤呼吸室放置在PVC底座上，PVC底座紧贴麦行一侧插入种植区(沟内)，插入深度5 cm，去除底座内的一切植物，每个小区安装1个底座，于首次测定前两天安置完成，整个生育期不再移动. 测定频率为每周一次，小麦生长季共进行33次测定(2014年11月23日因设备故障暂停一次)，每次测定时每个底座测定一次，遇降雨稍作调整，测定时间均为上午08:30~11:30[8]. 具体测定及呼吸速率计算方法参照文献[20].
土壤温度随土壤呼吸同步测定，使用TP3001电子温度计(沈阳华盛昌机电设备有限公司生产)测定种植区(沟内)5 cm和10 cm土层温度.
土壤体积含水量在测定呼吸当天测定，使用TDR-300水分测定仪(英国 Delta公司生产)测定种植区(沟内)7.6 cm和12 cm土层体积含水量； 降水量通过DAVIS Vantage Pro2气象站(美国DAVIS公司生产)监测.
为明确不同阶段土壤温度、 水分和呼吸的变化特征，将小麦全生育期划分为5个生长阶段，分别为苗期(2014-10-26~2014-12-13)，越冬期(2014-12-14~2015-02-14)，返青期-拔节期(2015-02-15~2015-03-21)，拔节期-扬花期(2015-03-22~2015-04-24)，扬花期-成熟期(2015-04-24~2015-06-09)，各阶段每个处理的土壤呼吸速率、 温度和水分为该段时间内全部观测值的平均值，各处理生育期平均土壤呼吸速率、 温度和水分为小麦生长季内全部观测值的平均值.
1.4 数据分析与处理使用SPSS 18.0进行方差分析和相关性分析，采用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同处理间土壤呼吸、 温度和水分差异，设置显著水平为α=0.05，极显著水平α=0.01； 利用Pearson相关系数评价土壤呼吸与水热因子的相关性； 采用SigmaPlot 12.5进行方程的拟合和图表的制作.
2 结果与分析 2.1 土壤温度5cm和10cm土层土壤温度在小麦生长季均呈季节性变化(图 1)，5 cm和10 cm土层温度均表现为1月最低，6月最高. 5 cm土层3个沟垄集雨处理全生育期平均温度均低于CP(表 1)； 10 cm土层P40和P30的全生育期平均温度高于P20和CP，其中P40显著高于P20(P＜0.05). 苗期和越冬期，5 cm和10 cm土层温度均表现为沟垄集雨处理高于CP，其中苗期阶段P30处理5 cm土层温度显著高于CP，沟垄集雨处理10 cm土层温度显著高于CP，越冬期P40处理5 cm土层温度显著高于CP，P40和P30处理10 cm土层温度显著高于P20和CP. 之后随着生育期的推进CP处理的温度逐渐升高，于拔节期高于沟垄集雨处理，开花期至成熟期5 cm土层温度表现为CP显著高于P40，10 cm土层表现为CP高于3个沟垄集雨处理.
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图 1 2014~2015年冬小麦全生育期土壤5 cm和10 cm土层温度变化 Fig. 1 Soil temperature among different planting patterns at 5 cm and 10 cm soil depth in winter wheat growing season in 2014-2015 |
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表 1 冬小麦不同生长阶段土壤温度的变化规律1)/℃ Table 1 Averaged soil temperatures among different planting patterns in various growth stages of winter wheat/℃ |
2.2 降水和土壤含水量
小麦生育期内降水分散且不均匀(图 2)，发生降水事件50次，降水量累计204.2 mm. 从2014年10月底至2015年3月中旬，降水稀少，发生21次小于5 mm的降水，仅发生1次大于10 mm的降水； 3月底至5月初降水量较大且较为频繁，累计降水154 mm； 5月中旬至小麦收获无大于10 mm的降水.
土壤含水量随着降水的发生而改变(图 2)，在小麦生育期内，土壤含水量变化剧烈，4月上旬土壤含水量最高. 生育期平均土壤含水量在两个土层均表现为P40＞P30＞P20＞CP(表 2)，其中7.6 cm土层水分表现为P40和P30处理显著高于P20和CP(P＜0.05)，且P20显著高于CP，12 cm土层水分表现为P40和P30显著高于CP. 苗期至拔节期，7.6 cm和12 cm土层土壤含水量均表现为P40＞P30＞P20＞CP(表 2)，其中7.6 cm土层P40和P30处理显著高于P20和CP，12 cm土层含水量表现为苗期P40和P30显著高于P20和CP，越冬期P40显著高于CP，返青期至拔节期P40和P30显著高于P20和CP； 拔节期至扬花期由于降水较多且频繁，CP与沟垄集雨处理在两个土层的含水量没有显著差异； 开花期至成熟期，由于持续高温少雨，7.6 cm土层水分表现为CP处理显著低于3个沟垄集雨处理，12 cm土层水分表现为CP处理显著低于P40和P30.
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图 2 2014~2015年冬小麦全生育期7.6 cm和12.0 cm土层土壤体积含水量以及降水变化 Fig. 2 Precipitation and soil volumetric moisture among different planting patterns at 7.6 cm and 12 cm soil depth in winter wheat growing season in 2014-2015 |
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表 2 冬小麦不同生长阶段土壤体积含水量的变化规律1)/% Table 2 Averaged soil volumetric moisture among different planting patterns in different growth stages of winter wheat/% |
2.3 土壤呼吸
4个处理的土壤呼吸速率与土壤温度的变化趋势相似，呈现出明显的季节性变化特征(图 3)，表现为先降低后升高，到生育后期又降低. 第一次测定时，由于耕作和播种对土壤的扰动，4处理土壤呼吸速率较高； 之后随着温度的降低，以及降水使土壤状态趋于稳定，土壤呼吸速率逐渐降低，至冬小麦越冬期土壤呼吸速率降至最低； 二月中旬之后4个处理呼吸速率随着温度的攀升而升高，在5月上旬达到峰值，P40和P30呼吸速率峰值高于P20和CP，P40、 P30、 P20和CP的峰值分别为10.80、 10.25、 7.49和8.73 μmol·(m2·s)-1，5月中旬呼吸速率开始下降直至小麦收获.
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图 3 2014~2015年冬小麦全生育期土壤呼吸变化 Fig. 3 Soil respiration among different planting patterns in winter wheat growing season in 2014-2015 |
冬小麦生长季内P40和P30的平均呼吸速率高于P20和CP(表 3)，其中P40显著高于P20和CP(P＜0.05). 除返青期至拔节期外，沟垄集雨处理土壤呼吸速率均表现为P40＞P30＞P20，垄宽增加使呼吸速率提高1.2%~18.4%. 在冬小麦苗期和越冬期，土壤呼吸速率均表现为P40＞P30＞P20＞CP，其中苗期阶段沟垄集雨处理显著高于CP，沟垄集雨处理间的差异不显著，越冬期P40处理的呼吸速率显著高于CP，其他处理间的差异不显著. 返青期至拔节期，沟垄集雨处理的土壤呼吸速率高于CP； 拔节期至成熟期，土壤呼吸速率表现为P40＞CP＞P30＞P20，其中扬花期至成熟期，P40的呼吸速率显著高于P20.
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表 3 冬小麦不同生长阶段土壤呼吸速率变化1)/μmol·(m2·s)-1 Table 3 Averaged soil respiration among different planting patterns in various growth stages of winter wheat/μmol·(m2·s)-1 |
2.4 土壤呼吸与土壤温度和水分的关系 2.4.1 土壤呼吸与土壤温度和水分的相关性分析
由土壤呼吸与温度和水分的相关性分析可知(表 4)，土壤呼吸与5 cm和10 cm土层温度的相关系数均达极显著水平(P＜0.01)，其中与5 cm土层温度的相关性高于10 cm土层； P40处理与两个土层温度的相关性均高于其他3个处理. 土壤呼吸速率与土壤水分的相关系数在两个土层均表现为P40＜P30＜P20＜CP，其中与7.6 cm土层水分的相关性高于12 cm土层； 除P40只与7.6 cm土层水分的相关系数达到极显著水平外，其余3个处理与两个土层水分的相关性均达到极显著水平. 选择与土壤呼吸相关性较高的5 cm土层温度和7.6 cm土层水分探讨呼吸与水热因子的关系.
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表 4 土壤呼吸与土壤温度和水分的相关性分析1) Table 4 Correlations among soil respiration,soil temperature and soil moisture |
2.4.2 土壤呼吸与土壤温度的关系
本研究通过指数方程(Rs=aebT,其中a、 b为拟合参数)能较好拟合土壤呼吸(Rs)与温度(T)间的关系(图 4). 土壤呼吸速率随着温度的上升而升高，呼吸速率在温度较高时相对于低温时上升速度快. 5 cm土层温度可以解释土壤呼吸变化的50.3%~68.2%； P40的决定系数最高，达到0.682，P30、 P20和CP分别为0.503、 0.531和0.514. 国内外学者一般将土壤呼吸速率随温度的变化程度使用温度敏感性系数(Q10)表示，由温度敏感性方程Q10=e10b可知： P40、 P30、 P20和CP的土壤温度敏感系数分别为1.95、 1.71、 1.61和1.79，其中P40对温度变化最敏感，P20对温度的敏感性最差.
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图 4 2014~2015年冬小麦全生育期土壤呼吸与5 cm土层温度的关系 Fig. 4 Relationship between soil respiration and temperature of 5 cm soil layer in winter wheat growing season in 2014-2015 |
土壤呼吸速率的残差值是指基于温度模型(本研究采用指数方程)的模拟值与观测值间的差值，反映了除土壤温度外，其它因素对土壤呼吸受控制的强度. 本研究通过分析土壤呼吸的残差随土壤水分的变化(图 5)表明，P40和P30残差值离散度低，P20和CP处理残差值的离散度较高，说明P40和P30的土壤呼吸不易受到土壤水分的影响，而P20和CP的土壤呼吸速率受土壤水分的影响较大.
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图 5 2014~2015年冬小麦全生育期土壤呼吸的残差值与7.6 cm土层水分的关系 Fig. 5 Relationship of residues values of soil respiration with soil moisture of 7.6 cm soil layer in winter wheat growing season in 2014-2015 |
通过二次方程(Rs=δ+εT+ζW+θT2+λW2)和线性方程(Rs=α+βT+γW)两种模型拟合土壤呼吸与水热双因子间的关系(表 5). 水热双因子对土壤呼吸的协同影响作用高于单因子，水热双因子方程的决定系数高于温度的单因子方程. 二次方程比线性方程可以更好拟合试验结果，其拟合方程的决定系数高于线性方程，前者可以解释土壤呼吸变化的61.7%~74.1%，后者可以解释59.9%~72.4%. 不同处理的土壤呼吸与水热双因子的拟合方程的决定系数均达到极显著水平，两种模型拟合结果均表现为P40的决定系数最高，P30和CP最低.
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表 5 基于土壤水分(W) 和土壤温度(T) 的土壤呼吸模型参数1) Table 5 Model parameters of soil respiration in relation with soil temperature (T) and soil moisture (W) |
3 讨论
沟垄集雨种植对土壤的增温作用主要集中在作物生长的前期阶段，而之后增温效果逐渐减弱[15, 21]，本研究中苗期和越冬期，沟垄集雨处理土壤温度高于CP，而拔节期至成熟期，CP土壤温度高于沟垄集雨处理，主要原因是小麦生长的前期阶段沟垄集雨种植通过覆膜使垄上土壤保温升温，并通过热传递逐步使沟中土壤温度升高[22]； 小麦生育后期CP处理冠层盖度小，透光率大，土层表面可以接受到更多太阳辐射能，相反，沟垄集雨处理地上部生长旺盛冠层盖度大，太阳辐射主要被冠层截获，导致土壤温度降低[23]. 沟垄集雨种植通过构筑的垄面向沟中集雨，有效蓄存自然降水[24, 25]，能使小于5 mm的无效降水转化为有效水分贮存于土壤中，增加土壤含水量[13, 25]. 本研究从2014年10月底至2015年3月中旬，小于5 mm的降水达21次，大于10 mm的降水只有1次，沟垄集雨种植集雨效果好，并且随着垄宽的增加土壤含水量越高，拔节期至扬花期降雨量增加，沟垄集雨处理与CP的土壤水分几乎相同.
冬小麦田土壤呼吸速率呈现出明显的季节性变化特征，呼吸速率在冬季最低，峰值出现在扬花期前后，这与金皖豫等[26]和吴杨周等[27]的研究结果保持一致，冬季土壤温度较低，土壤微生物活动和小麦根系活力受到限制，小麦生长缓慢，导致土壤呼吸微弱[26]； 冬小麦在扬花期前后生长最为旺盛，小麦根系活力高[23]，本研究在扬花期前后降雨频繁且温度较高，良好的土壤温湿度有利于土壤微生物活动，土壤呼吸此时达到峰值. 冬小麦生长季除返青期至拔节期除外，沟垄集雨处理土壤呼吸速率表现为P40＞P30＞P20，呼吸速率随着垄宽增加而提高1.2%~18.4%，主要原因是垄宽的增加提高了冬小麦各生育阶段土壤含水量，较好的水分条件有利于小麦对土壤养分的利用，促进根系的生长进而增加根系呼吸[28]，同时较好的水分条件能提高土壤微生物的活性和数量，从而提高异养呼吸[29]. 此外本研究还发现，沟垄集雨种植通过对冬小麦田土壤温度和水分的改变影响土壤呼吸速率，冬小麦生育前期，与平作相比沟垄集雨种植显著提高了土壤呼吸速率，这与上官宇先等[30]的研究结果相反，可能是土壤和气候条件差异所导致的，本研究中冬小麦生育前期，沟垄集雨处理的土壤温度和水分均高于CP，P40和P30的生育期平均呼吸速率高于P20和CP，小麦生长季P40和P30的7.6 cm土层平均土壤含水量显著高于P20和CP，较好水热条件有利于提高小麦根系呼吸和微生物呼吸[31].
土壤呼吸与5 cm土层温度的相关性高于10 cm土层，这与其他试验结果一致[32, 33]，这可能与5 cm土层土壤微生物更加活跃有关[32]. 本研究中P20和CP处理与水分的相关性高于P40和P30处理，并且P20和CP呼吸的残差值随水分变化的离散度较P40和P30处理高，说明P20和CP处理的土壤呼吸速率比P40和P30更易受到土壤水分的影响，主要原因是P40和P30处理比P20和CP的土壤含水量高，土壤水分条件好，当水分不是限制因子时土壤呼吸与温度相关性更高[34]，当土壤水分高于田间持水量或低于土壤凋萎含水量时，土壤呼吸与土壤温度相关性较小，受土壤水分的影响较大[35]. 温度敏感系数(Q10值)能够较好地描述温度和呼吸之间的关系[36]，本研究Q10在1.61~1.95之间，前人研究表明土壤呼吸随温度变化的敏感性系数Q10值在1.3~3.3之间[9]. 本研究中水热双因子的二次方程模型较温度单因子模型可以更好解释呼吸变化，能解释呼吸变化的61.7%~74.1%，这与其他研究并不完全相同[30, 36]，可能是不同的生态系统或不同栽培措施下，土壤微生物和植物根系对水热因子的响应不同，但是水热双因子模型比单因子模型能更好地解释土壤呼吸变化，这与其他研究一致，说明土壤呼吸季节性变化受到土壤水热因子的共同影响[36, 37].
沟垄集雨种植模式包括垄和沟两个部分，本研究只对沟中的土壤呼吸及其对水热因子的响应进行了探讨，而垄上土壤呼吸状况因垄上土壤微环境较为复杂仍需进一步研究.
4 结论沟垄集雨种植对土壤温度的影响与小麦生育进程密切相关，在冬小麦苗期和越冬期，沟垄集雨处理可以提高土壤温度； 沟垄集雨能有效蓄存自然降水，提高土壤含水量，且随着垄宽的增加土壤含水量越高. 沟垄集雨种植下的土壤呼吸呈现出明显的季节性变化，并通过对冬小麦田土壤温度和水分的改变影响土壤呼吸速率，在苗期阶段土壤呼吸速率显著高于平作处理； 沟垄集雨处理土壤呼吸速率表现为P40＞P30＞P20(返青-拔节期除外)，呼吸速率随着垄宽增加而提高1.2%~18.4%. 土壤呼吸速率受到土壤温度和水分的共同影响，水热双因子二次函数模型可以较好地模拟呼吸变化，能解释呼吸变化的61.7%~74.1%.
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