土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，其中2/3为土壤有机碳库，其较小幅度的变化会对大气CO₂和全球气候产生影响^[1].土壤有机碳库的平衡由生物质的输入和土壤呼吸的输出两个方面共同决定^[2].农田土壤碳库作为全球碳库中最活跃的部分^[3]，耕作、栽培等农事活动都会引起农田土壤有机质和土壤呼吸的变化，进而影响土壤有机碳库^[4].因此，在二氧化碳温室效应和全球气候变暖的形势下，开展农田耕作措施对土壤呼吸和土壤碳库影响研究，探讨农田生态系统中土壤有机碳固定与排放过程与机制具有积极意义.

秸秆覆盖还田是我国旱作农田区常见的耕作措施，同少免耕、垄作、深松等统属于保护性耕作范畴^[5].秸秆覆盖还田后增加了土壤有机碳的直接输入，对土壤呼吸的影响与土壤类型、气候条件、覆盖材料及覆盖量有关^[6].在生产实践中，秸秆还田通常与其他耕作方式配合使用.许多学者就不同耕作方式 (常规翻耕、深耕、深松) 结合秸秆还田^[7~10]、少、免耕条件下秸秆还田^[11~13]对农田土壤呼吸及有机碳的影响方面上展开了大量研究，而垄作结合秸秆还田对温室气体排放及有机碳影响的研究相对比较薄弱，西南紫色土旱地垄作模式下不同秸秆覆盖量的影响效应更鲜见报道.基于此，本文在西南旱地丘陵区蚕豆(Vicia faba)/玉米(Zea mays)/甘薯(Ipomoea batatas)旱三熟模式下，以蚕豆田为研究对象，重点分析了垄作模式不同秸秆覆盖量下蚕豆田土壤呼吸和土壤有机碳特征，补充完善土壤类型 (紫色土) 和作物类型 (蚕豆) 对土壤呼吸和土壤碳库影响机制；另一方面，通过对不同覆盖量下土壤碳输出和固定的量化分析，确定适宜该地区的秸秆覆盖量，以期为秸秆覆盖还田的合理高效利用，实现节能减排提供理论依据.

试验地位于重庆市北碚区西南大学教学试验农场，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17.5℃，≥10℃年积温5 979.5℃，夏季最高气温达40℃左右，无霜期达334 d，多年平均降雨量1 125.3 mm，年蒸发量1 181.1 mm，伏旱发生频率达93%.试验地土壤为旱地中性紫色土，坡度较缓，地力相对均匀. 0~20 cm土层土壤基本理化性质分析如下：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170.13 mg ·kg^-1，碱解氮35.23 mg ·kg^-1.

试验地已经连续8 a进行保护性耕作下三熟分厢复种间套作模式研究，前两年是“小麦/玉米/大豆”，自2013年11月起连续两年采用“蚕豆/玉米/甘薯”三熟复种间套作模式，设置4个处理：①平作无覆盖 (CK/T)：秋季整地后不起垄，无秸秆覆盖. ②垄作无覆盖 (R)：于秋季整地后横向起垄，垄宽1 m，沟宽1 m，垄高20 cm，采用垄上双行栽培，无秸秆覆盖.所有种植模式均采用2 m开厢 (1 m+1 m)，分厢带状套种，第1茬 (蚕豆) 和第3茬 (甘薯) 均种在垄上，第2茬 (玉米) 种在沟内，整个生育期内实行少耕. ③垄作+半量覆盖 (RS1)：作物生育期内分别将3 750 kg ·hm^-2玉米秸秆和3 750 kg ·hm^-2小麦秸秆均匀覆盖在垄上和沟内. ④垄作+秸秆全量覆盖 (RS2)：作物生育期内将7 500 kg ·hm^-2玉米秸秆和7 500 kg ·hm^-2小麦秸秆均匀覆盖在垄上和沟内.覆盖处理所用的玉米及小麦秸秆，收获后人工截成10 cm左右，分别于蚕豆播种后、玉米和甘薯移栽后进行覆盖处理.随机区组排列，重复3次，小区面积4 m×8 m.供试作物为蚕豆 (当地品种，种植密度180 000株·hm^-2)，玉米 (东单80，移栽密度80 000株·hm^-2) 和甘薯 (渝紫七号，移栽密度为40 000株·hm^-2).蚕豆、玉米、甘薯各处理均施复合肥 (N :P₂O₅ :K₂O=16 :16 :16)225 kg ·hm^-2，作为基肥一次施入，玉米在拔节期追施尿素450 kg ·hm^-2.蚕豆采用穴播，每穴留苗3株；玉米和甘薯均采用育苗移栽.蚕豆于2013年11月9日播种、2014年5月1日收获；玉米于2014年4月3日移栽、2014年7月28日收获；甘薯于2014年5月24日移栽、2014年10月23日收获.

采用LI6400便携式光合作用系统连接6400-09呼吸室测定土壤呼吸.各处理按照行间、株间和条带边缘3个位置选取3个固定点 (图 1)，放置PVC环，底面积80 cm²，高5 cm，插入土壤2 cm左右.为减少对土壤的干扰，PVC环于测定前一天安置好.每个PVC环测定1次，设定2个循环，每个处理3次重复，共6个数据，取其平均值作为日土壤呼吸值.于蚕豆苗期 (2013年11月23日)、分枝期 (2013年12月25日)、现蕾期 (2014年1月7日)、开花初期 (2014年2月3日)、开花盛期 (2014年2月17日)、结荚期 (2014年3月1日)、鼓粒前期 (2014年3月25日)、鼓粒中期 (2014年4月7日) 和成熟期 (2014年4月25日) 分别测定，测定时间统一为上午09:00~11:00.

图 1

Fig. 1

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

在测定土壤呼吸的同时，用LI6400-09自带的土壤温度探针测定10cm土壤温度，用Procheck手持式多功能测定仪 (美国Decagon公司) 测定5 cm土壤温度和水分.

蚕豆收获时按0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm分层采集土壤样品.各处理区随机采集5个样点的混合土样，四分法取出足够的样品，捡去植物根系、石头等杂质，带回实验室自然风干，一部分过0.25 mm筛，用于总碳的测定；另一部分过2 mm筛，用于颗粒有机碳的测定.

总碳 (total organic carbon，TOC) 的测定：采用日本岛津总有机碳 (TOC) 分析仪 (SSM-5000A) 测定^[14]，称取过0.25 mm土壤筛的土样0.150~0.200g土样于900℃燃烧测定总碳含量.经测定本试验地的土壤pH值低于6.5，偏酸性，无机碳含量忽略不计，总碳即为总有机碳含量.

颗粒有机碳含量 (particulate organic carbon，POC) 的测定：采用六偏磷酸钠分散法^[15].称取10 g过2 mm土壤筛的风干土样，加入到装有30 mL质量浓度为5g ·L^-1的六偏磷酸钠溶液中，先手摇15 min，再放入往返振荡机上以90 r ·min^-1振荡15 h.将土壤悬液过0.053 mm土壤筛，反复用蒸馏水冲洗直至滤液澄清为止.将所有留在筛子上的物质在60℃下烘干后称重，计算这些部分占整个土壤样品质量的比例.研磨过0.25 mm土壤筛后测定其有机碳含量，再换算为单位质量土样中对应组分碳含量，即为POC含量.

(1)

(2)

采用Excel 2010进行试验数据作图，在SPSS 22.0下进行ANOVA方差分析后用DUNCAN法进行多重比较.将数据标准化后，用线性回归方法 (SPSS 22.0) 建立土壤呼吸速率与土壤温度、土壤水分的统计模型.土壤呼吸速率与土壤温度的指数模型为：

(3)

式中，y为土壤呼吸速率，T为土壤温度，α、β为相关系数.

根据式 (3) 得到的相关系数β计算土壤呼吸速率的温度敏感系数Q₁₀：

(4)

土壤呼吸速率与土壤温度、水分的综合指数模型为：

(5)

式中，y为土壤呼吸速率，T为土壤温度，SWC为土壤体积含水量，α、β、δ为相关系数.

土壤呼吸是指CO₂返回大气的过程，是土壤碳素向大气输出的主要途径，也是土壤碳库输出的关键环节^[16].由图 2可以看出，蚕豆田土壤呼吸速率随生育进程推进逐渐增加，即现蕾期之前缓慢增加，开花期至鼓粒期迅速增加达到峰值，成熟期略有降低.与对照 (平作处理) 相比，垄作处理条件下蚕豆田土壤呼吸速率在整个生育期内基本表现为显著低于对照；而秸秆覆盖处理后则出现苗期和分枝期显著高于对照、现蕾期到结荚期及成熟期差异不显著、鼓粒期又显著高于对照的现象.生育期内4个处理土壤呼吸速率均值表现为RS2 > RS1 > T > R，分别为3.365、2.935、2.683、2.263 g ·(m² ·d)^-1，处理间差异显著.在蚕豆生育期内，与对照相比，垄作处理均在不同程度上降低了土壤呼吸速率，影响幅度为-34.88%~-4.27%，均值为-15.68%；垄作+秸秆半量覆盖的土壤呼吸较对照影响幅度为-25.72%~41.30.75%，均值为9.4%；垄作+秸秆全量覆盖影响-21.60%~87.12%，均值为25.41%.表明在本试验条件下，单纯性垄作会降低蚕豆田土壤呼吸，垄作结合秸秆覆盖后土壤呼吸增加，且随着覆盖量的增加而增加.

图 2

Fig. 2

图中不同字母表示处理间在0.05水平上差异显著 (P < 0.05)，下同 图 2 蚕豆田土壤呼吸速率 Fig. 2 Changes of soil respiration rate in fava bean soil

蚕豆田10 cm土壤温度随生育期的推进呈先降低后增加而后又降低的趋势，每个生育时期内4个处理表现不同 (图 3).整个生育期土壤温度平均值4个处理大小为R > T > RS1 > RS2，分别为14.27、14.09、13.80、13.78℃，垄作处理和对照处理显著高于半量覆盖和全量覆盖处理，而垄作与对照之间、半量覆盖和全量覆盖之间差异不显著，表明秸秆覆盖降低了10 cm土壤温度，但与覆盖量的多少无关.值得注意的是，垄作覆盖提高了苗期10 cm土层土壤温度，有利于蚕豆促苗早发.蚕豆生长季内T、R、RS1、RS2这4个处理土壤温度的变化幅度分别为：15.55、17.05、14.72、15.42℃，除垄作处理高于对照外，覆盖处理均低于对照.

图 3

Fig. 3

图 3 蚕豆田10 cm土层土壤温度 Fig. 3 Changes of soil temperature at 10 cm depth in fava bean soil

蚕豆生长季内5 cm土壤温度变化趋势与10 cm基本相同，现蕾期最低，鼓粒中期最高；处理间仅在分枝现蕾期及鼓粒期存在显著性差异 (图 4).土壤温度平均值以全量覆盖处理最高，显著高于其余3个处理，且其余3个处理间差异不显著.与10 cm土壤温度相比，T、R、RS1、RS2这4个处理5 cm土壤温度的变化幅度均变大，分别为：22.61、21.9、21.89、21.47℃，垄作及覆盖各处理均低于对照，说明秸秆覆盖减缓了蚕豆田表层土壤温度的变化，这与秸秆覆盖具有平衡和改善耕层土壤温度情况，即低温时有增温效应，高温时有降温效应有关^[17].

图 4

Fig. 4

图 4 蚕豆田5 cm土层土壤温度 Fig. 4 Changes of soil temperature at 5 cm depth in fava bean soil

图 5表明，蚕豆田5 cm土壤水分变化存在明显的阶段性规律：开花初期之前维持较高的土壤水分，而到开花盛期显著降低，而后逐渐升高.蚕豆苗期的4个处理间土壤水分差异不显著，之后垄作及秸秆覆盖效应出现，基本表现为垄作处理显著降低了土壤水分，而秸秆覆盖之后土壤水分有所回升，但均低于对照 (分枝期及开花初期除外).

图 5

Fig. 5

图 5 蚕豆田5 cm土层土壤水分 Fig. 5 Changes of soil moisture at 5 cm depth in fava bean soil

土壤呼吸速率随土壤温度 (5 cm和10 cm) 呈指数型增长，其中温度能够解释土壤呼吸速率变异的40%~75%(表 1).土壤呼吸速率与10 cm温度的回归模型下Q₁₀值均高于同一处理5 cm温度，其Q₁₀值分别高9.4%(T)、9.4%(R)、10.5%(RS1) 和10.5%(RS2).与平作相比，垄作提高了5 cm和10 cm的Q₁₀值，表明垄作提高了土壤呼吸的土壤温度敏感性.进一步分析发现秸秆覆盖提高10 cm的Q₁₀值，且随着秸秆覆盖量的增加而增加，但秸秆覆盖下5 cm的Q₁₀值没有体现这一规律.

表 1 (Table 1)

表 1 土壤速率与土壤温度关系方程 Table 1 Regression function of soil respiration and temperature 处理 y=α×eβT α β R2 Sig. Q10 T 5 cm 1.625 0.021 0.421 0.029 1.234 R 5 cm 0.896 0.041 0.637 0.000 1.507 RS1 5 cm 1.236 0.039 0.718 0.000 1.477 RS2 5 cm 1.184 0.046 0.749 0.000 1.584 T 10 cm 1.600 0.030 0.438 0.022 1.350 R 10 cm 0.993 0.048 0.642 0.000 1.616 RS1 10 cm 1.298 0.051 0.672 0.000 1.665 RS2 10 cm 1.355 0.056 0.693 0.000 1.751 1)y：土壤呼吸速率；T：5 cm和10 cm土壤温度

表 1 土壤速率与土壤温度关系方程 Table 1 Regression function of soil respiration and temperature

垄作和秸秆覆盖下土壤温度、水分与土壤呼吸速率的混合模型能更好地反映其变化规律 (表 2)，分别解释了土壤呼吸速率变异的64%(R)、76%(RS1) 和76%(RS2).传统平作模式下，混合模型不能更好地反映土壤呼吸的变化规律.

表 2 (Table 2)

表 2 土壤呼吸速率与土壤温度、水分关系方程 Table 2 Regression function from combined exponential model of soil respiration with soil temperature and moisture 处理 y=α×eβT×SWCδ α β δ R2 Sig. T 5 cm 1.516 0.020 0.030 0.407 0.114 R 5 cm 1.050 0.049 -0.060 0.641 0.002 RS1 5 cm 2.020 0.039 -0.180 0.757 0.000 RS2 5 cm 1.675 0.046 -0.113 0.765 0.000 1)y：土壤呼吸速率；T：5 cm土壤温度；SWC：5 cm土壤水分含量

表 2 土壤呼吸速率与土壤温度、水分关系方程 Table 2 Regression function from combined exponential model of soil respiration with soil temperature and moisture

垄作和秸秆覆盖对土壤耕层的有机碳有影响[图 6(a)].与传统平作相比，垄作和秸秆覆盖均提高了不同土层土壤有机碳含量，除0~5 cm垄作处理外，4个土层各处理及0~30 cm加权平均值均达到显著水平，且随着秸秆覆盖量的增加而增加.垄作和秸秆覆盖对不同土层土壤有机碳增幅的影响不同，以5~10 cm土层增幅最大，分别较平作增加17.2%(R)、22.1%(RS1) 和39.7%(RS2).

图 6

Fig. 6

图 6 不同土层土壤总有机碳和颗粒有机碳含量 Fig. 6 Changes of soil organic carbon and particulate organic carbon at different soil depth in fava bean soil

如图 6(b)所示，垄作和秸秆覆盖显著提高了10~20 cm土层土壤中颗粒有机碳含量，但R、RS1和RS2处理间差异不显著；RS2显著提高了0~5 cm、5~10 cm及20~30 cm土层POC含量. 0~30 cm加权平均值表现为RS2>R>RS1>T，处理间达显著水平.通过分析看出，除20~30 cm土层中RS2处理下颗粒有机碳的分配比例显著高于传统平作外，其余土层内处理间差异不显著，表明颗粒有机碳的分配比例受到耕作方式的影响较小.

土壤呼吸的影响因素很多，主要因子包括土壤温度、土壤水分、土壤有机体含量、土地利用、施肥、土壤质地、种植作物、土壤生物等，既有环境因子，又有土壤本身的影响.各因素之间并不是孤立存在的，不仅同时对土壤呼吸产生影响，而且他们之间也有相互影响^[18].

(1) 农田生态系统土壤呼吸动态变化与季节和作物生育期密切相关，究其原因，土壤呼吸与土壤温度呈指数型函数关系，季节的变化必然引起土壤温度的变化进而带来土壤呼吸的变化.而土壤呼吸主要由土壤微生物呼吸和根系呼吸两部分组成，在作物生长旺盛期根系的快速生长大大提高了根系呼吸速率，同时微生物活性增强，土壤微生物呼吸随之增强，最终引起土壤呼吸的增强.本研究和前人的研究均证明了这一点.前人的研究结果指出，土壤呼吸峰值出现在作物的开花期^{[19, 20]}，开花期前后作物生长及生理代谢活动均达到最旺盛时期，此时土壤CO₂释放量达到高峰^[21].

(2) 农田土壤呼吸还受到耕作措施的影响.垄作是在克服了传统平作许多不利因素的基础上发展起来的一种保护性耕作方式.垄作栽培使土壤表面由平面型变为波浪型，增加了土壤的表面积，改变了土壤的光、热、水条件和微生物活动环境^[22]，进而影响土壤呼吸.垄作对土壤呼吸的作用是促进还是抑制目前结论不一，本研究中垄作降低了蚕豆田土壤呼吸速率和呼吸总量，而有研究表明^{[17, 23, 24]}，垄作条件下玉米田土壤呼吸低于传统平作，而小麦田和大豆田则高于传统平作，充分说明垄作对土壤呼吸的影响效应与作物类型以及多熟种植制度有关.不同的种植模式形成不一样的农田微气候环境，不同作物之间的化感效应对土壤微生物的活动以及作物根系生长带来一定的影响，并最终影响土壤呼吸.作物类型和根系属性在不同程度上影响土壤呼吸，但是它们对土壤呼吸的作用机制目前还不明确，还需进一步研究.秸秆覆盖还田作为常见的耕作管理措施，不仅能够为土壤提供额外的养分，同时也会对土壤微生物的活性产生影响，促进土壤有机质的矿化，进而引起土壤呼吸的变化.关于秸秆覆盖对土壤呼吸的影响结论大体一致，一般认为秸秆还田会促进土壤中二氧化碳的释放，不同的研究结论表明秸秆覆盖均在不同程度增强了土壤呼吸，且随着秸秆分解后期对土壤呼吸的影响逐渐减弱^{[11, 19, 25]}.垄作与秸秆覆盖还田结合使用后，提高了蚕豆田土壤呼吸平均速率，且随着覆盖量的增加而增加.这种协同增加是否存在量化关系、是否可以用数学模型呈现是需要进一步研究的问题.

(3) 土壤呼吸与土壤温度和土壤水分的关系非常密切.有关农田生态系统中土壤温度与土壤呼吸的关系模型主要有指数模型、线性模型、抛物线模型^[26]等，本研究分别对上述3种模型进行模拟，发现指数模型能更好地体现土壤温度与土壤呼吸之间的关系.垄作和秸秆覆盖下蚕豆田表层 (0~10cm) 的Q₁₀值高于传统平作，说明垄作和秸秆覆盖提高了土壤呼吸对温度的敏感性，这可能与单纯性垄作改善了根际土壤的通气性，秸秆覆盖增加了土壤表层的底物输入量，为微生物活动提供物质能源，从而促进土壤呼吸释放CO₂有关.在本试验条件下，土壤水分与土壤呼吸之间无直接相关关系 (P>0.05)，而是与土壤温度一起共同影响土壤呼吸 (表 2)，二者呈负相关关系.有相关的研究表明，在一定的土壤水分范围内，土壤呼吸随着土壤水分增加而增强，但当土壤湿度低于田间持水量的40%，土壤呼吸将下降^[27]，这是由于较低的水分含量限制底物的有效性而减少微生物呼吸速率^[28]，本研究结果表明，垄作秸秆覆盖条件下土壤体积含水量均值分别为R 16.40%、RS1 19.25%、RS2 23.37%，这可能是得到的混合指数模型能更好地反映土壤呼吸速率与土壤温度、土壤水分相关性的原因.保护性耕作措施导致土壤微环境复杂化，伴随土壤温度和湿度的共同变化，土壤呼吸受到多种因子的复合影响.因此还需要大量开展土壤呼吸的水、热、生物复合因子耦合关系的研究，从而进一步明确土壤呼吸的影响机制.

一般认为保护性耕作减少了土壤的扰动，降低了有机碳的矿化速度，加上秸秆覆盖的作用，减少了表土层内有机碳的流失，能够增加土壤表层有机碳含量^[29].本研究表明，垄作和秸秆覆盖提高了0~30 cm土层的土壤有机碳含量，且随着覆盖量的增加而增加.不同的保护性耕作措施具有不同程度的固碳效应，对土壤中有机碳质量分数及储量都有影响^[30].与免耕秸秆覆盖显著增加了表层0~5 cm有机碳含量不同，垄作秸秆覆盖后5~10 cm土壤有机碳含量的增幅最大.这可能是由于垄作的频繁翻动使土壤与空气的接触增多，使得表层土壤有机碳的分解加快.垄作秸秆覆盖能增加深层土壤有机碳含量，且随着土层加深，增幅减小.这主要由于秸秆的腐解向土壤中输入较多有机碳，在垄作的频繁翻动下使得有机碳向下转移贮存^{[31, 32]}.

土壤碳库的稳定性主要决定于土壤颗粒有机碳的比例，土壤颗粒有机碳比例越高，土壤碳库越不稳定^{[33, 34]}.本研究结果表明，垄作与秸秆覆盖并不改变土壤中颗粒有机碳比例，对土壤碳库活性影响不显著.值得注意的是，垄作秸秆全量覆盖后20~30 cm颗粒有机碳比例显著高于其他处理，这表明该土层土壤中非稳定性有机质部分所占比例增大，在受到外界的干扰后，该部分容易被分解，造成这一现象的原因与颗粒有机碳的形成过程有关.农田中颗粒有机碳通常由未分解或半分解的动植物和根系残体组成^[35]，而20~30 cm为蚕豆根系的主要分布土层，根系分解过程中颗粒有机碳与土壤团聚体一起生成，形成颗粒有机碳稳定大团聚体^[36].该团聚体是一个临时碳库，具有不稳定性，频繁耕作会破环土壤大团聚体，导致其碳库失去保护，秸秆覆盖向土壤中持续添加有机物，使土壤保持较高水平的大团聚体.

(1) 西南紫色土丘陵区“蚕豆/玉米/甘薯”三熟复种间套作模式下蚕豆田土壤呼吸与季节及作物生长发育规律基本一致，呈先增加后降低的趋势，蚕豆生长发育旺盛期也是土壤呼吸速率与总量最大的时期.与传统平作相比，单纯性垄作显著降低了蚕豆田土壤呼吸，秸秆覆盖提高了蚕豆田土壤呼吸，且随着覆盖量的增加而增加.

(2) 以垄作和秸秆覆盖为主体的保护性耕作减缓了蚕豆田表层土壤温度的变化，提高了土壤呼吸对温度的敏感性，且随着覆盖量增加而增加.土壤温度是影响土壤呼吸的重要因子，二者之间具有指数函数关系，保护性耕作下土壤水分与土壤温度一起共同影响土壤呼吸，土壤温度、水分与土壤呼吸速率的混合回归指数模型能更好地反映其变化规律.

(3) 垄作与秸秆覆盖还田均有利于土壤耕层有机碳的积累，对5~10 cm土层的有机碳含量影响效应最大，以颗粒有机碳的分配比例为指标的土壤碳库活性受耕作方式的影响较小.在西南丘陵区推行以垄作结合全量秸秆覆盖为主的保护性耕作可以使更多的碳积累于农田土壤碳库中，有利于实现农田土壤固碳.