2024, Vol. 45
2. 北京市农林科学院北京草业与环境研究发展中心, 北京 100097
2. Beijing Research & Development Centre for Grass and Environment, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China
土壤碳库是陆地生态系统中最大且最活跃的碳库之一, 是仅次于海洋和岩石圈的第三大碳库, 在全球碳循环中有着重要的地位[1].在全球尺度上, 0~1 m土层的土壤有机碳储量约为1 500 Pg, 是大气圈(760 Pg)碳库储量的1.9倍和生物圈(560 Pg)碳库储量的2.7倍[2], 且每年通过土壤呼吸释放到大气中的CO2(以C计)大约为98 Pg[3].因此, 土壤碳库的微小变化可能对大气中的二氧化碳浓度产生显著的影响, 从而加剧或减缓区域气候变暖[3].土壤呼吸具有巨大的时空变异性, 且土壤呼吸的时空变异性除了与土壤温度和水分[4]、底物的有效性[5]、土壤理化性质[6]、植被类型[7]及土壤微生物[5]等因素密切相关以外, 还会受到耕作深度和秸秆还田等因素的调控[4, 8].
有研究结果显示, 农田秸秆还田一般会导致土壤呼吸显著增加[5, 9, 10], 这可能主要是由于农田秸秆还田可以为农作物的生长和土壤微生物的新陈代谢提供丰富的营养物质, 从而促进根系呼吸和土壤微生物呼吸, 而最终导致土壤呼吸的增加[11].但是, 目前关于农田秸秆还田对土壤呼吸的影响很少有研究考虑到耕作深度的调控作用[12].然而, 耕作深度(例如, 免耕、浅耕、正常耕作以及深耕)对农田土壤呼吸的影响也不容忽视[7, 12].耕作深度的差异可以通过改变土壤孔隙度影响土壤的渗透性和土壤水分蒸发率(土壤水分), 也可以通过改变土壤孔隙度和孔隙体积影响耕层结构和土壤环境质量, 进而调控农作物根系生长, 从而影响植株干物质积累量和养分吸收量(产量), 还可以通过改变土壤的性质(土壤容重)影响土壤的紧实度, 进而影响土壤中空气和土壤水分的存在和运行状况, 甚至还可以通过改变底物供应(SOC)、pH值和酶的组成及活性等方式影响微生物的数量、活性和结构, 最终影响土壤呼吸[5, 7, 11].此外, 目前针对耕作深度如何调控农田秸秆还田对土壤呼吸的影响研究结论不一致.例如, 有研究结果发现免耕秸秆还田、浅耕秸秆还田和深耕秸秆还田会导致土壤呼吸速率呈现出或增加或减少的趋势[12 ~ 16], 甚至免耕秸秆还田、浅耕秸秆还田和深耕秸秆还田三者到底如何影响土壤呼吸至今也没有定论[17].造成上述研究结果不一致的主要原因可能是因为耕作深度调控秸秆还田对土壤呼吸的影响还会受到诸如土壤微环境(土壤温度、土壤含水量)[4]、底物有效性(SOC)[5]、农作物生产力(农作物产量)[18]、土壤理化性质(pH、土壤容重)[6]以及土壤微生物(群落结构和活性)[19]等因素的调控, 且这些因素均有可能会混淆耕作深度如何调控土壤呼吸对农田秸秆还田的响应程度, 而这对于准确理解中国农田生态系统CO2排放规律及其影响因素具有重要的意义[12].
在中国, 耕地每年释放到大气中的温室气体排放量大约占总温室气体排放量的15%, 其中CO2对温室效应的贡献率高达56%以上[20, 21].此外, 中国每年大约可以生产6×108 t的秸秆, 其中25%~30% 的秸秆被直接在田间焚烧, 大约可以释放90 Mt CO2, 但如果合理利用这些农田秸秆(例如, 进行秸秆还田), 其每年的固碳潜力可以高达42.89 Tg[22, 23].同时, 有研究结果发现秸秆还田的固碳潜力也会受到耕作深度的制约, 由于实行少免耕搭配秸秆还田措施使得农业土壤碳库呈稳定增长趋势, 可以较显著地弥补其碳排放[24].目前, 针对秸秆还田以及耕作深度对土壤呼吸的影响分别展开了相关研究[8 ~ 10], 甚至也有学者利用Meta分析分别单独量化秸秆还田或者耕作深度对土壤呼吸的影响[25, 26], 但是在全国尺度上至今没有研究者重点关注耕作深度如何调控秸秆还田对土壤呼吸的影响, 而这对准确理解中国旱地农田生态系统碳循环具有重要的意义.
基于此, 本文通过收集秸秆还田-耕作深度-土壤呼吸相关研究论文, 借助Meta分析技术, 系统分析耕作深度如何调控农田秸秆还田对土壤呼吸的影响, 以及农田土壤呼吸改变量与土壤温度、土壤水分、土壤容重、土壤有机碳和农作物产量改变量之间的内在联系, 以期为中国农田生态系统固碳减排提供重要的数据支撑和理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究思路秸秆还田是影响农田生态系统土壤呼吸的一个重要农业管理措施, 但是这种影响会受到农田耕作深度(免耕、浅耕、正常耕作以及深耕)的调控, 具体详见图 1.
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图 1 研究思路 Fig. 1 Research ideas |
基于此, 本研究通过收集秸秆还田-耕作深度-土壤呼吸的相关研究论文, 借助Meta分析技术, 全面系统探究耕作深度如何调控农田秸秆还田对中国旱作农田土壤呼吸的影响, 具体研究处理见表 1.
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表 1 耕作深度调控农田秸秆还田对土壤呼吸影响的处理 Table 1 Treatment of tillage depths regulating the effect of straw return on soil respiration |
1.2 文献检索
通过中国知网(CNKI)、维普、万方等中文数据库和Web of Science等英文数据库, 以“农田”“秸秆还田”“耕作深度”“保护性耕作”“免耕”“传统耕作”“深耕”“浅耕”“土壤呼吸”“Farmland”“Straw return”“Tillage depths”“Conservation tillage”“No tillage”“Conventional tillage”“Deep tillage”“Shallow tillage”“Soil respiration”等关键词进行文献的检索, 收集筛选了1912年1月至2022年8月前发表的116篇研究论文进行Meta分析.
为了确保数据的代表性以及有效性, 达到本研究的目的, 同时避免选择的文献数据对研究的结果产生偏差, 所以在文献的选择时应注意以下3点：①研究耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田的响应的研究试验需为田间定位试验, 且都以传统耕作且秸秆不还田为对照(表 1)；②所获取的试验数据为当前种植农作物一个完整生育期的均值或者累计值；③如若研究论文提供的数据为标准误(SE), 则标准差(SD)可通过公式(1)进行转换：
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(1) |
式中, N为试验重复次数.
同时, 数据的预处理结果显示, 耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田响应的效应值均呈现出正态分布格局(图 2), 因此论文的数据结果是可信的, 即不存在文献的偏倚[27].在收集土壤呼吸的数据同时, 还获取了土壤呼吸的影响因子的相关数据, 例如SOC、农作物产量、土壤容重、土壤温度和土壤水分.
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图 2 耕作深度调控土壤呼吸、土壤温度、土壤水分、农作物产量、土壤容重以及土壤有机碳对秸秆还田的响应效应值的频率分布 Fig. 2 Frequency distribution of effect values of tillage depths regulating soil respiration, soil temperature, soil moisture, crop yield, soil bulk density and soil organic carbon in response to straw returning |
有关土壤呼吸的数据在论文中以表格的形式出现, 可以直接从表格中提取有关土壤呼吸的均值；如以图的形式出现, 则利用GetData Graph Digitizer 2.24软件来提取图片中的有关土壤呼吸的均值.
耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田的响应的研究通过MetaWin 2.1软件(Sinauer Associates, Sunderland, USA)进行分析, 在MetaWin 2.1软件中输入对照组和处理组的土壤呼吸的均值(Mean)、样本重复次数(N)、标准差(SD)以及分类变量.在进行Meta分析时引用效应值对试验数据进行量化, 为了提高效应值的准确性, 本研究选取自然对数响应比(lnRR)来反映秸耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田的响应[27, 28].
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(2) |
式中, RR为响应比, lnRR为效应值, Xt为传统耕作条件下(CT)土壤呼吸的均值, Xc为不同耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田的响应(CTS、ST、STS、DT、DTS、NT和NTS)条件下的土壤呼吸均值.
利用MetaWin 2.1软件首先得到每一对数据的效应值, 然后利用随机效应模型计算方差(V)、权重系数(Wij)、合并效应值/平均加权响应比的标准误[S (RR++)]、合并效应值/平均加权响应比(RR++)以及其95%的置信区间(95%CI), 具体相关计算公式如下：
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(3) |
式中, nt、nc和Dt、Dc分别为在不同耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田的响应条件下处理组(CTS、ST、STS、DT、DTS、NT和NTS)和对照组(CT)的样本数和标准偏差.
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(4) |
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(7) |
式中, m为某一个分类标准下的分组数, ki为第i组中的比较次数.
RR++为正值则为正效应, 反之则为负效应.若置信区间包括0, 表明耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田的响应没有显著影响(P > 0.05)；若置信区间全部大于0, 表明耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田的响应显著增加土壤呼吸(P < 0.05)；若置信区间全部小于0, 则说明耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田的响应显著减少土壤呼吸(P < 0.05).同时, 本研究通过式(8)计算土壤呼吸增加量的变化百分数[29]：
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(8) |
采用SigmaPlot 10.0软件(Systat Software, Inc., San Jose, CA, USA)作图, 并利用SigmaPlot 10.0软件对耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田的响应的改变量与土壤温度、土壤水分、SOC、农作物产量和土壤容重进行回归分析.此外, 利用SPSS 22.0软件(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)通过路径分析研究土壤温度、土壤水分、SOC、农作物产量和土壤容重对耕作深度调控土壤呼吸对秸秆还田响应程度的贡献.
2 结果与分析 2.1 耕作深度调控秸秆还田对土壤呼吸的影响耕作深度(DT、ST和NT)对土壤呼吸的影响显著, 平均导致土壤呼吸减少了4.55% (P < 0.05).NT导致土壤呼吸减少了8.25% (P < 0.05), 而ST和DT处理对土壤呼吸的影响不显著(P > 0.05), 分别仅增加了0.92%和2.19%, 但对土壤呼吸的改变量仍呈现出DT > ST > NT的趋势(图 3).此外, 耕作深度处理会显著调控秸秆还田对土壤呼吸的影响, 其土壤呼吸的增加量呈现出DTS (29.32%) > STS (18.92%) > CTS (17.66%) > NTS (1.08%)的趋势, 平均增加了14.51% (图 3, P < 0.05).因此, 耕作深度会显著调控秸秆还田对土壤呼吸的影响, 且土壤呼吸的增加量呈现出深耕秸秆还田远远大于其它处理的趋势(图 3).
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*为P < 0.05；括号中数字表示不同处理下样本的数量；平均效应值(深)表示不同耕作深度处理下土壤呼吸的平均效应值；平均效应值(深+还)表示不同耕作深度调控秸秆还田处理下土壤呼吸的平均效应值, 下同 图 3 耕作深度调控秸秆还田对土壤呼吸的影响 Fig. 3 Tillage depths regulation of the effect of straw return on soil respiration |
耕作深度对土壤温度的影响较小, 没有达到统计显著水平[图 4(a), P > 0.05].NT导致土壤温度减少了3.74% (P > 0.05), 而ST和DT却导致土壤温度增加了2.07% (P > 0.05)和0.21% (P > 0.05), 平均减少了0.11% (P > 0.05), 且土壤温度的增加量呈现出ST > DT > NT的趋势[图 4(a)].此外, 耕作深度也会调控秸秆还田对土壤温度的响应, 且土壤温度的改变量呈现出NTS(3.31%) > STS(-0.54%) > DTS (-3.69%) > CTS (-4.42%)的趋势, 土壤温度平均减小了2.63% [图 4(a), P < 0.05].
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图 4 耕作深度调控秸秆还田对土壤温度和水分的影响 Fig. 4 Tillage depths regulation of the effect of straw return on soil temperature and moisture |
耕作深度对土壤水分的影响却十分显著, 且土壤水分的增加量呈现出NT(12.24%) > ST(9.39%) > DT (3.49%)的趋势, 土壤水分平均增加了10.12% [图 4(b), P < 0.05].此外, 秸秆还田对土壤水分的影响也会受到耕作深度的调控, 且土壤水分的增加量呈现出STS(19.05%) > NTS(16.42%) > CTS(11.96%) > DTS(3.48%)的趋势, 土壤水分平均增加了8.35%[图 4(b), P < 0.05].
2.3 耕作深度调控秸秆还田对SOC、产量和土壤容重的影响耕作深度对SOC的影响十分显著, 平均增加了5.90% (P < 0.05), 且SOC的增加量呈现出NT (7.05%) > DT(5.56%) > ST(3.56%)的趋势[图 5(a)].同时, 耕作深度会显著调控秸秆还田对SOC的影响, SOC平均增加了18.43% (P < 0.05), 且SOC的增加量呈现出DTS (26.98%) > NTS (23.94%) > CTS (13.95%) > STS (10.12%)的趋势[图 5(a)].
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图 5 耕作深度调控秸秆还田对SOC、产量和土壤容重的影响 Fig. 5 Tillage depth regulation of the effect of straw return on SOC, crop yield, and soil bulk density |
耕作深度对农作物产量的影响同样十分显著, 平均增加了5.01% (P < 0.05), 且农作物产量的增加量呈现出DT (12.91%) > ST (2.57%) > NT (1.31%)的趋势[图 5(b)].同时, 耕作深度也会显著调控秸秆还田对农作物产量的影响, 农作物产量平均增加了8.16% (P < 0.05), 且农作物产量的增加量呈现出STS (12.92%) > DTS (11.18%) > CTS (7.99%) > NTS (5.49%)的趋势[图 5(b)].
耕作深度对土壤容重的影响较小, 平均仅增加了2.24% (P > 0.05).其中, NT导致土壤容重增加了6.48% (P < 0.05), 而DT导致土壤容重减少了2.29% (P > 0.05)、ST导致土壤容重增加了2.93% (P > 0.05), 且土壤容重的改变量呈现出NT > ST > DT的趋势[图 5(c)].耕作深度处理也会显著调控秸秆还田对土壤容重的影响, 土壤容重平均减小了3.64% (P < 0.05), 且土壤容重的改变量呈现出STS (-1.45%) > NTS (-2.33%) > DTS (-5.10%) > CTS (-5.20%)的趋势[图 5(c)].
2.4 不同耕作深度下秸秆还田后土壤呼吸的影响因素分析本研究发现, 不同耕作深度下农田秸秆还田措施实施后, 土壤温度、土壤含水量、农作物产量、SOC和土壤容重均是影响土壤呼吸增加的重要因素, 且土壤温度、土壤含水量、农作物产量、SOC和土壤容重分别可以解释62%、46%、58%、32%和63%的土壤呼吸改变量的变异性(表 2).在自然条件下, 土壤温度、土壤含水量、农作物产量、SOC和土壤容重均是影响土壤呼吸的要重因素, 且上述各因素之间存在复杂的交互作用(直接和间接作用), 因此量化各个影响因素对土壤呼吸改变量的相对贡献显得尤为重要.路径分析结果表明(表 3), 土壤容重对土壤呼吸增加量的直接贡献(直接路径系数)最大, 具体依次表现为：土壤容重(3.69) > 农作物产量(2.69) > SOC (1.69) > 土壤水分(0.69) > 土壤温度(-0.31).间接贡献中, 农作物产量通过土壤容重对土壤呼吸的贡献最大(-0.30), 而土壤水分通过SOC对土壤呼吸几乎没有贡献(0).因此, 对土壤呼吸增加量的贡献呈现出土壤容重最大, 总贡献率高达3.96%, 农作物产量的贡献次之, 总贡献率为2.36%, SOC和土壤水分的总贡献相对较小, 总贡献率分别为1.54%和0.71%, 而土壤温度的总贡献率最小, 仅为-0.37%.
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表 2 土壤呼吸响应耕作深度的影响因素分析 Table 2 Influencing factors of soil respiration in response to tillage depths |
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表 3 耕作深度影响土壤呼吸的路径分析 Table 3 Path analysis of soil respiration in response to tillage depths |
综上所述, 不同耕作深度下农田秸秆还田措施实施后土壤容重是影响土壤呼吸增加的主导因素, 而其它因素(土壤温度、土壤含水量、农作物产量和SOC)的影响相对较小.因此, 在中国旱作农田生态系统中, 土壤容重是影响耕作深度调控秸秆还田对土壤呼吸影响的最重要驱动因素.
3 讨论 3.1 耕作深度对土壤呼吸的影响与传统耕作措施相比, NT导致土壤呼吸减少了8.25% (P < 0.05), 而ST和DT处理对土壤呼吸的影响并不显著(P > 0.05), 这与已有的研究结果相类似[13, 30].NT减少土壤呼吸的可能原因有：①NT由于不进行土壤耕作, 减少了对土壤的扰动程度, 导致土壤微生物与土壤有机质不能进行充分的接触, 影响土壤微生物的新陈代谢作用, 最终导致土壤呼吸降低[31]；②NT显著增加了土壤团聚体的数量以及稳定性, 而土壤团聚体对土壤有机质具有很好的保护作用, 进而也限制了土壤微生物与底物的充分接触, 最终也会抑制好氧性微生物的新陈代谢作用而导致土壤呼吸降低[32, 33]；③NT也会改变土壤的理化性质, 在本研究中免耕导致土壤容重增加了6.48% (P < 0.05), 而土壤容重的增加会导致土壤中的孔隙变小, 土壤中的氧气的转移以及养分的输送均会受到限制, 不利于土壤中好氧性微生物对土壤有机质的分解以及植物根系的新陈代谢作用, 从而导致土壤微生物呼吸以及植物根系呼吸降低, 最终导致土壤呼吸速率的降低[34]；④NT也会改变土壤的微环境, NT一般会导致土壤温度降低, 在本研究中NT导致土壤温度减少了3.74% (P < 0.05), 而较低的土壤温度会导致土壤中的微生物活性、植物的新陈代谢速率以及土壤酶的活性不同程度受到抑制, 从而导致土壤呼吸速率降低[12, 35].
ST对土壤呼吸影响不显著可能原因是ST对土壤的扰动程度相对较小, 因此会部分限制了土壤微生物与有机质的充分接触, 而这会抑制土壤微生物的新陈代谢过程, 从而引起与土壤微生物相关的土壤呼吸速率降低, 最终导致土壤呼吸速率降低[36].此外, ST处理下的SOC仅增加了3.56% [图 5(a)], 导致ST处理下的SOC处于相对匮乏状态, 进而导致土壤微生物可分解的土壤有机质较少, 不利于土壤微生物的新陈代谢作用, 从而引起土壤微生物呼吸降低, 最终导致土壤呼吸降低[31].DT对土壤呼吸影响较小的可能原因是：①DT对土壤的恢复与调节产生一定影响, 导致土壤团聚体的数量降低, 因此微生物可利用吸附在土壤团聚体上暴露出来的有机质的总量减小[37].②DT处理会显著降低土壤微生物数量, 这可能是由于DT处理加速了水分的挥发, 以及频繁的干湿交替加速了有机质的矿化, SOC含量降低, 土壤酶活性受到抑制, 降低了菌群相对丰度, 最终不利于微生物数量以及活性的提高[37].③虽然DT处理对土壤的扰动程度最为剧烈, 但会造成土壤团聚体的严重破环, 而土壤有机质会失去土壤团聚体的保护作用而导致DT处理下的SOC变化较小[38, 39], 例如, DT处理下SOC仅增加了5.56% [图 5(a)].底物的匮乏直接降低了土壤微生物呼吸的底物有效性, 不利于土壤微生物数量以及活性的提升, 进而对有机质的分解速率产生影响, 最终导致土壤呼吸降低[40, 41].同时, SOC缺乏也会导致农作物的生长环境与营养物质变差, 农作物的根系生长受到抑制, 进而使根系呼吸减弱, 最终也会导致土壤呼吸降低[42, 43].因此, 土壤中微生物数量、土壤团聚体数量的降低以及土壤中较低的SOC含量均可能是造成DT处理下土壤呼吸变化较小的可能原因.
3.2 耕作深度如何调控秸秆还田对土壤呼吸的影响本研究结果显示, 耕作深度调控农田秸秆还田对土壤呼吸的影响十分显著, NTS显著降低了土壤呼吸速率, 而DTS显著提升了土壤呼吸速率, 这与已有的研究结果相类似[10, 44, 45].DTS显著增加土壤呼吸的可能原因有：①DTS进一步降低了土壤紧实度, 增大了土壤孔隙, 提高了土壤的通透性, 使得土壤有机质与土壤空气中的氧气充分接触, 有机质的分解速度增加, 导致土壤呼吸速率增加[12]；②DTS破坏了土壤团聚体结构, 导致以前密闭在土壤团聚体内部以及吸附在土壤团聚体表面而不能被土壤微生物利用的土壤有机碳暴露出来, 从而有利于土壤微生物的新陈代谢, 土壤微生物呼吸速率增加, 最终提升了土壤呼吸速率[4, 38]；③DTS打破了犁底层, 有效促进了根系生长, 根生的新陈代谢以及根系生长产生的分泌物促进了根际土壤微生物呼吸, 最终表现为土壤呼吸速率的显著增加[12]；④DTS也有可能会通过调控底物有效性(SOC)和农作物生产力(农作物产量)等因素来影响土壤呼吸, DTS分别导致SOC增加26.98% (P < 0.05)和农作物产量增加了11.18% (P < 0.05).一方面, SOC直接增加了土壤微生物呼吸的底物有效性, 促进了土壤微生物的新陈代谢, 加速了SOC的分解速率, 导致土壤呼吸增加[40, 41].另一方面, SOC也为农作物提供了良好的生长环境与营养物质, 促进了农作物的生长, 从而促进根系呼吸增加, 最终导致土壤呼吸增加[42, 43].农作物产量的增加表明农作物的生长环境与营养状况较好, 农作物根系不断生长发育所产生的根系呼吸以及根系生长所产生的分泌物会促进根际土壤微生物呼吸, 最终表现为土壤呼吸速率增加[18].
NTS导致土壤呼吸增加幅度较小的可能原因：①NTS处理有利于土壤团聚体的形成, 土壤团聚体对土壤有机质具有很好的保护作用, 这会限制好氧性微生物的新陈代谢作用, 最终导致土壤呼吸降低[32]；②NTS处理对土壤扰动较小, 导致土壤中微生物与土壤有机质不能进行充分的接触, 影响土壤微生物对有机质的分解速率, 土壤微生物呼吸降低, 从而导致NTS处理下土壤呼吸速率增加幅度较小[31]；③NT处理下SOC仅增加了7.05%, 而NTS处理下SOC增加了23.94% [图 5(a)], 这表明虽然秸秆输入后土壤中的底物显著提升, 有利于增加土壤微生物的呼吸底物有效性和促进植物的根系呼吸, 但是NTS处理土壤呼吸仅增加了1.08%, 这可能是由于NTS处理对土壤扰动较小, 导致土壤中微生物与土壤有机质的不能进行充分接触, 进而免耕的减排作用会部分抵消秸秆还田的促进作用, 最终导致NTS处理土壤呼吸增加幅度较小[45, 46].
耕作深度调控农田秸秆还田后土壤呼吸的增加量与土壤温度、土壤水分、SOC、农作物产量和土壤容重等因素密切相关, 且这些影响因素分别可以解释32%~63% 的农田土壤呼吸变异性.在自然条件下, 上述各因素之间存在着复杂的交互作用, 且进一步的研究发现土壤理化性质(土壤容重)是影响耕作深度调控农田秸秆还田后土壤呼吸增加的主要因素.这可能是因为：①土壤容重的变化会改变土壤的孔隙大小, 影响土壤中的氧气的转移以及与外界的接触, 从而影响土壤中好氧性微生物对土壤有机质的分解以及植物根系的新陈代谢作用, 进而引起土壤微生物呼吸以及植物根系呼吸发生改变, 最终导致土壤呼吸速率的变化[34, 47]；②土壤容重的变化也会改变土壤的水肥供应能力, 影响土壤肥力状况以及农作物根系的生长发育, 进而影响农作物生长发育产生的根系呼吸, 最终对土壤呼吸产生影响[48].因此, 在中国旱作耕作深度调控农田秸秆还田对土壤呼吸的影响研究中, 土壤性质(容重)是影响农田土壤呼吸的重要驱动因素.
3.3 研究意义及应用本研究结果显示不同耕作深度处理下(浅耕、深耕和免耕)农田秸秆还田措施实施后, SOC与土壤呼吸呈二次相关关系(y = 0.02x2-0.01x + 8.81, R2=0.44, P < 0.05), 且SOC可以解释44%的土壤呼吸改变量的变异性(图 6), 这也间接证实了土壤呼吸的变化与SOC的变化密切相关.虽然不同耕作深度处理(浅耕、深耕和免耕)对土壤呼吸和SOC影响均相对较小, 但是秸秆还田后不同耕作深度处理(浅耕、深耕和免耕)均显著增加了土壤呼吸和SOC水平[图 7(a)], 这就意味着在中国的旱地农田生态系统中土壤有机碳水平很有可能长期处于较低的水平, 也就是农田土壤长期处于“低碳”或者“碳不饱和”状态.底物(SOC等)的供应例如秸秆还田后会很快显著提高土壤微生物新陈代谢(腐殖化和分解转化)水平, 然而秸秆还田后到底进行腐殖化过程还是分解转化过程则取决于秸秆还田与耕作深度的交互作用[图 7(b)].虽然SOC在深耕秸秆还田、浅耕秸秆还田和免耕秸秆还田处理下分别增加了29.32%、10.12%和23.94%, 且土壤呼吸在深耕秸秆还田和浅耕秸秆还田处理分别增加了29.32%和18.92%, 但是土壤呼吸在免耕秸秆还田处理下仅增加1.2% [图 7(b)].所以, 免耕秸秆还田有利于农田土壤固碳减排.
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图 6 不同耕作深度处理下秸秆还田后土壤呼改变量与SOC改变量的回归分析 Fig. 6 Regression analysis of the changes between soil respiration and SOC after straw return under different tillage depths treatments |
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图 7 耕作深度和秸秆还田对SOC和土壤呼吸改变量的影响 Fig. 7 Influence of tillage depths and straw return on the change in SOC and soil respiration |
(1) 免耕导致土壤呼吸减少了8.25% (P < 0.05), 而浅耕和深耕处理对土壤呼吸的影响不显著(P > 0.05).
(2) 不同耕作深度处理下秸秆还田后土壤呼吸增加量呈现出深耕秸秆还田 > 浅耕秸秆还田 > 免耕秸秆还田的趋势.
(3) 不同耕作深度处理下秸秆还田后土壤呼吸的增加量与土壤容重、农作物产量、土壤有机碳、以及土壤温度和水分改变量密切相关, 且对土壤呼吸增加量的贡献呈现出土壤容重 > 农作物产量 > 土壤有机碳 > 土壤水分 > 土壤温度的趋势.
(4) 免耕导致土壤呼吸减少了8.25%的同时却又导致SOC增加了7.05%, 此外SOC在免耕秸秆还田处理下增加了23.94%, 而土壤呼吸却仅增加了1.2%, 所以, 实施免耕和免耕秸秆还田措施均对农田土壤固碳减排具有重要意义.
(5) 在中国的旱地农田生态系统中, 耕作深度会调控秸秆还田对土壤呼吸的影响程度, 而这种影响调控主要受土壤理化性质尤其是土壤容重的制约, 且免耕和免耕秸秆还田均是有利于农田土壤固碳减排的重要农业管理措施.
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