川西平原灌區不同水旱輪作模式周年土壤呼吸特征

傅 勇, 王 淘, 楊志平, 周 偉, 劉 琦, 任萬軍, 陳 勇

四川農業大學農學院/作物生理生態及栽培四川省重點實驗室, 溫江 611130

工業革命以來,由于人類活動的影響,大氣CO2濃度急劇升高,增加了約 32%,全球正經歷著變暖的危機[1,2]。農田生態系統是陸地生態系統的重要組成部分,占全球陸地面積的10.5%,是全球碳循環中最活躍的部分,CO2占人為溫室氣體排放量的21%—25%,且受人類干擾頻繁[3]。土壤碳庫是大氣碳庫的2倍,土壤中的CO2濃度發生微量的變化,就會對大氣中CO2濃度造成巨大影響[4, 5]。土壤呼吸是農田生態系統土壤碳排放的主要途徑,土壤通過呼吸作用向大氣釋放CO2的年通量為5.0×1016—7.5×1016g,是土壤碳素以CO2形式回歸大氣碳庫的主要路徑,占陸地生態系統與大氣之間碳交換總量的2/3,對氣候變化和碳循環起著不可忽視的重要作用[6, 7]。土壤呼吸作為碳循環的核心問題已引起了國內外學者的密切關注和廣泛研究,并取得了大量的研究成果。

近年來,我國農田生態系統土壤呼吸的研究主要集中在不同作物類型、土地利用方式或栽培措施下土壤呼吸的時空變異特征及調控因素的研究,研究對象涉及小麥、玉米、水稻等主要農作物[8- 10]。很多研究表明,農田土壤呼吸受環境因子共同調控,尤其對土壤溫度和土壤含水量的響應十分敏感[11-12]。也有研究表明,與土壤溫度相比,土壤水分對土壤呼吸季節變化的影響更為重要[13]。但前人關于作物系統的研究對象多為旱地輪作系統或單一作物系統,缺乏對稻田水旱輪作系統周年土壤呼吸的探索。水旱輪作是我國南方稻區十分重要的種植制度,但由于旱、水土壤環境轉換,土壤理化性質、土壤有機質礦化分解速率、微生物種類、微生物數量和活性、根際生物量等發生劇烈變化,土壤呼吸隨之受到極大的影響[14,15]。為了從周年種植模式角度探討不同水旱輪作系統周年土壤呼吸特征及其影響因素,本研究基于蒜-稻、麥-稻以及油-稻三種川西平原灌區重要的水旱輪作模式的定位試驗,探明不同輪作模式及其不同生長季土壤呼吸的變化趨勢和差異特征;探明土壤呼吸與土壤溫度、土壤含水量等生態因子的關系,以期為水旱輪作系統減排降耗提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗設在四川省崇州市四川農業大學現代農業研發基地(30°33′N,103°38′E),位于川西平原都江堰灌區,屬亞熱帶濕潤季風氣候區。該區年平均氣溫15.9℃,平均降雨量1012.4 mm,平均日照時數為1161.5 h。試驗地基礎養分含量為土壤有機質31.58 g/kg,全氮1.85 g/kg,速效磷11.81 mg/kg,速效鉀85.48 mg/kg。

1.2 試驗設計與管理

試驗地采用水旱輪作方式進行試驗,已連續進行3年的水旱輪作模式研究。采用單因素隨機區組設計,設置3個水旱輪作模式處理,分別為小麥-水稻(WR)、大蒜-水稻(GR)和油菜-水稻(RR),每年的處理保持一致, 3次重復,共9個小區,小區面積為26 m2(4 m×6.5 m)。除水稻季施肥采用氮肥后移技術外,其余各作物施肥及管理方案均按照農民常規方法進行。本研究的時間范圍為2017年5月—2018年5月,為1個完整的水旱輪作周期,其中2017年5月—9月為水稻季,2017年9月—2018年5月為旱作季,輪作周期的各作物播栽期及播栽密度見表1,耕作、施肥及管理措施見表2。

表1 各作物播栽期及播栽密度

表2 不同作物耕作、施肥及管理措施

1.3 測定指標與方法

1.3.1土壤呼吸測定

土壤呼吸測定于2017年5月25日開始,每隔30 d選擇晴天(遇雨適當延后)進行土壤呼吸測定[16,17]。其中,土壤呼吸季節動態選擇取樣當天9:00—11:00進行取樣,土壤呼吸日動態取樣從9:00至18:00每隔3 h取樣一次;18:00至次日6:00每隔4 h取樣一次。水稻移栽后,于各小區行間分別放置1個由PVC材料制成的土壤呼吸氣體收集裝置,該裝置參照王維鈺等[18]的設計,并根據田間取樣環境進行了一定的改進,形成腔室高25 cm,直徑為16 cm,插入土壤5 cm。腔室頂部為開放結構,開放部分直徑為11.5 cm,確保腔室內外部環境條件一致。取樣時加蓋密封,蓋頂開有兩個小孔,分別用于安裝溫度計和連接橡膠軟管(橡膠軟管連接至PVC腔室中心)。取樣時加蓋密封后,蓋頂用橡膠軟管連接注射器,采樣時間為加蓋后0、10、20和30 min,取60 mL氣體置于真空袋中待測,取樣后立即用鐵夾夾住橡膠軟管保持密閉。樣品濃度用島津2010Plus氣相色譜儀檢測分析,通過對4個氣樣濃度進行線性回歸,計算氣體排放速率。氣體排放速率計算公式如下[19]

式中,F為CO2排放速率,mg m-2h-1;ρ為標準大氣壓下的CO2密度,為 1.97 kg/m3;T為采樣過程中腔室內的平均溫度,℃;H是腔室的凈高度,m;dC/dt是采樣氣體濃度的變化率。

土壤呼吸累積排放量計算公式如下：

式中,M為土壤CO2排放總量(kg/hm2);F為CO2排放速率(mg m-2h-1);i為第i次測定;(ti+1-ti)為相鄰兩次測定間隔天數。

1.3.2水熱生態因子測定

于每月土壤呼吸取樣時,同步測定土壤溫度、土壤含水量,稻季測定水層高度。土壤溫度采用便攜式溫度測定儀測定,分0—10 cm和10—20 cm測定。各小區按五點取樣法采集0—20 cm土樣,采用烘干法測定土壤含水量;田間水層高度用直尺測量。

1.3.3土壤呼吸與水熱因子擬合

土壤呼吸速率和土壤溫度、土壤含水量和水層高度分別采用指數函數模型和一元二次模型擬合[20,21]：

Y=aebT

Y=X2+X+c

溫度敏感性系數Q10代表土壤呼吸的溫度敏感性,計算公式如下[17-18]：

Q10=e10b

式中,Y為土壤呼吸速率(mg m-2h-1),T為平均溫度(℃),a為0℃時土壤呼吸速率,b為溫度反應系數,X為土壤含水量(%),c為截距,Q10指溫度升高10℃時土壤呼吸速率變化的倍數。

1.3.4數據處理

采用SPSS13.0進行數據處理,并用Microsoft Excel 2010作圖。

2 結果分析

2.1 不同水旱輪作模式土壤呼吸速率季節變化特征

圖1表明,三種模式土壤呼吸速率季節變化規律趨于一致,周年呈現雙峰型變化趨勢,6—9月土壤呼吸速率顯著高于其余月份。三種模式土壤呼吸速率分別在6月和9月達到峰值,其中GR和RR模式在6月達到全年呼吸速率最大值,分別為63.1 mg m-2h-1和61.2 mg m-2h-1,WR模式則在9月達到全年呼吸速率最大值,為36.82 mg m-2h-1;而三種模式土壤呼吸速率最低值出現在1月,GR、WR、RR模式土壤呼吸速率最低值分別為3.89 mg m-2h-1、4.49 mg m-2h-1和1.42 mg m-2h-1。不同模式之間,GR模式全年平均土壤呼吸速率顯著高于其余兩種模式,而以WR模式最低。

2.2 不同作物生長季節土壤呼吸累積排放量

圖2表明, GR、RR和WR三種模式周年土壤呼吸累積排放量分別為193.36 kg/hm2、157.28 kg/hm2和160.27 kg/hm2,其中累積排放最高的GR模式分別比RR和WR模式高17.11%和18.5%。季間空閑期,WR模式土壤呼吸累積排放量為41.84 kg/hm2,顯著高于其余兩種模式;從不同作物生長季來看,GR、WR、RR三種模式均在稻季累積排放量最高,分別占周年累積排放量的49.28%、48.11%和58.33%; GR、WR、RR三種模式稻季土壤呼吸累積排放量較旱季分別高16.43 kg/hm2、35.88 kg/hm2、53.68 kg/hm2。在稻季,GR模式和RR模式的土壤呼吸累計排放量顯著高于WR模式,兩種模式分別比WR模式高出25.93%和23.56%;而旱季GR模式土壤呼吸累計排放量達78.5 kg/hm2,顯著高于WR模式和RR模式,分別比WR模式和RR模式分別高出98.23%和98.08%。

圖1 不同水旱輪作模式周年土壤呼吸速率特征 Fig.1 Characteristics of soil respiration rate in different paddy-upland rotation

圖2 不同水旱輪作模式土壤呼吸累積排放量 Fig.2 Cumulative emission of soil respiration in different paddy-upland crop rotation system同組中不同英文字母分別代表多重比較下在P<0.01水平下差異達顯著水平

2.3 不同水旱輪作模式土壤呼吸速率日動態變化特征

如圖3所示,三種模式土壤呼吸速率晝夜變化主要呈現單峰型變化,總體表現為白天高,夜晚低,具有一定波動性。各模式土壤呼吸速率在12:00—15:00達到最大值,其中WR模式在2月、10月和12月最大值出現的時間滯后于其余兩種模式;三種模式土壤呼吸速率在2:00—6:00出現最低值,不同季節各模式最低值出現的時間略有差異。GR、RR模式土壤呼吸速率日變化幅度在6月出現最大值,分別為31.11 mg m-2h-1和52.52 mg m-2h-1,WR模式土壤呼吸速率日變化幅度在8月出現最大值,為28.29 mg m-2h-1;GR和RR模式在2月出現日變化幅度最小值,分別為6.52 mg m-2h-1和3.56 mg m-2h-1,而WR模式日變化幅度最小值出現在12月,為7.63 mg m-2h-1。GR模式各月份土壤呼吸速率日動態波動較小,而WR模式和RR模式土壤呼吸速率日動態變化相對劇烈;WR模式土壤呼吸速率在2月和4月的15:00—18:00之間分別下降54.34%和58.07%;RR模式土壤呼吸速率在4月和6月的15:00—18:00之間分別下降65.21%和30.22%。

圖3 不同水旱輪作模式土壤呼吸速率日動態特征Fig.3 Daily dynamic characteristics of soil respiration rate in different paddy-upland crop rotation system

2.4 土壤呼吸速率與土壤含水量、水層高度及土壤溫度的關系

通過對土壤呼吸速率與旱季土壤含水量、稻季水層高度進行回歸分析,結果表明,在旱季,土壤呼吸速率與土壤含水量沒有顯著相關性(P>0.05),但稻季受水層高度影響較大,其相關性達到顯著水平(P<0.05)。通過對土壤呼吸速率與土壤溫度的回歸分析發現,不同模式土壤呼吸速率與0—10 cm、10—20 cm土壤溫度均存在極顯著的相關性(P<0.01),即土壤呼吸速率隨著土壤溫度的升高而增高。不同模式土壤呼吸速率對土壤溫度的敏感性有所差異,表現為GR>WR>RR;從不同土層來看,三種模式Q10均表現為0—10 cm>10—20 cm,表明隨土層的深入,土壤呼吸速率與土壤溫度的敏感性逐漸減小。不同模式不同土層深度Q10變化范圍為1.15—2.72,以GR模式0—10 cm最高,RR模式10—20 cm最低。

3 討論

3.1 不同水旱輪作模式對土壤呼吸速率影響

本研究結果表明,三種模式土壤周年呼吸累積排放量表現為GR>RR>WR。研究表明[22,23],秸稈還田能夠明顯提高農田土壤碳固定,有效提高土壤有機碳及活性有機碳組分含量,而土壤有機質是微生物進行分解活動排放CO2的物質基礎[24]。前人研究表明[25],由于“啟動效應”的存在,土壤中碳的投入會導致土壤礦化的短期增加,從而導致碳流失。在本研究中,GR模式由于旱季進行秸稈覆蓋還田,增加了外源有機質的輸入,提高了土壤有機碳含量,為微生物活動提供了大量底物,同時加速土壤礦化,增加了土壤呼吸速率,從而使GR模式土壤呼吸周年累積排放量顯著高于WR、RR模式。此外,王春新、張慶忠[26, 27]等研究表明,施氮量對土壤呼吸具有顯著影響,在本研究中,GR模式旱季施氮量遠高于WR、RR模式,GR模式旱季較高的氮投入不僅促進了大蒜地上和地下部分生物量的增加,同時殘留的氮素在稻季得到利用,增加了GR模式稻季生物量的累積,從而間接提高了GR模式土壤呼吸速率,這也可能是導致GR模式土壤呼吸累積排放量高于其余兩種模式的原因之一。

表3 土壤呼吸速率與含水量、水層的關系

*—P<0.05 ;**—P<0.01

圖4 土壤呼吸速率與土壤溫度的關系Fig.4 Relationship between soil respiration rate and soil temperature

從土壤呼吸速率季節變化特征來看,水稻生長季土壤呼吸速率要顯著高于其余季節。在水稻生長季中,6月底處于水稻分蘗末期曬田階段,植株根系生長旺盛,根際微生物活躍,土壤呼吸速率增強;此外由于沒有了水層的阻隔,土壤中閉蓄態CO2得以釋放[28, 29],也使得土壤呼吸速率增大。9月水稻收獲后,田間含水量降低且不受植株遮陰影響,土壤呼吸速率又出現一個峰值。GR模式大蒜播種后,受秸稈覆蓋還田和氮肥投入影響,GR模式土壤呼吸速率高于其余兩種模式。旱季作物生長過程中,隨著氣溫的逐漸降低,三種模式土壤呼吸速率逐漸下降,至1月降至最低,之后土壤呼吸速率緩慢回升。但三種模式土壤呼吸速率在12月份有所上升,這可能是由于作物生育進程和地下生物量的增加從而增加了土壤微生物的活性,進而提高了土壤呼吸速率。

三種水旱輪作模式土壤呼吸日動態主要表現為單峰形式,土壤呼吸速率總體白天高于夜間,峰值出現在12:00—15:00之間,最低值則出現在凌晨2:00—6:00之間,這與高會議、韓廣軒等[30,31]研究結果一致。但4月WR模式22:00土壤呼吸速率高于18:00土壤呼吸速率,2月GR模式呼吸土壤速率最低值出現在22:00,與氣溫和土壤溫度變化規律不一致,這與陳亮等[32]在黃河三角洲濱海濕地的研究結果類似,這可能與溫度降低后地表受霜降形成的水霧有關。GR模式土壤呼吸速率日均值在8月、10月和12月高于其余兩種模式,這主要是由于秸稈覆蓋還田增加了土壤的有機質含量,為微生物活動提供了大量底物,加速了土壤礦化,從而提高了土壤呼吸速率。此外,各模式不同季節土壤呼吸速率日動態的平均值接近9:00的土壤呼吸速率,與季節動態的取樣時間相吻合,這與前人研究結果相一致[33]。

3.2 土壤呼吸速率與溫度、土壤含水量及水層高度的關系

土壤溫度是影響土壤呼吸速率的主要因素之一,研究表明[8,34],土壤溫度在一定范圍內增加可以提高土壤微生物活性,從而影響土壤呼吸,但當土壤溫度超過一定范圍,抑制了土壤微生物活性,使土壤呼吸速率降低。本研究結果表明,土壤呼吸速率與土壤溫度呈指數正相關關系,這與崔海[35]、張俊麗[36]等研究結果一致。研究者們通常用Q10來表示土壤呼吸速率與土壤溫度之間的關系,前人研究結果表明[37],Q10值變化范圍一般在1.3—3.3之間。在本研究中,三種模式Q10值變化范圍在1.15—2.72之間,與Raich等[37]的研究結果類似。不同模式間,GR模式Q10值最高,表明GR模式土壤呼吸速率與土壤溫度敏感性最高,這可能是與GR模式采用秸稈覆蓋還田有關。

土壤含水量是除土壤溫度外,影響土壤呼吸速率的又一關鍵因素。土壤含水量通過調節土壤通氣狀況,影響微生物活性以及調節土壤氧化還原狀況來調節土壤呼吸;土壤水分變化對溫度的影響(通過水分有效性驅動的感熱通量和潛熱通量的變化)也間接影響土壤呼吸。在本研究旱季作物生長過程中,土壤呼吸速率與土壤含水量沒有顯著相關性, GR、WR、RR模式分別在含水量達到22.57%、17.98%、19.44%時,各模式土壤呼吸速率達到最大值。土壤含水量對土壤呼吸的影響十分復雜,往往同時受與土壤溫度的協調情況影響,目前關于土壤含水量與土壤呼吸速率關系的研究尚沒有定論。多數研究者認為,土壤含水量在一定范圍時,隨著土壤含水量的增加,土壤呼吸速率相應上升,當土壤含水量超出這個范圍時,則會抑制土壤呼吸速率。王雪等[38]研究表明,土壤水分與土壤呼吸速率呈倒“U”型相關關系,即土壤水分含量較低時,土壤水分的增加可以促進土壤呼吸作用,但土壤含水量達到一定程度后,土壤水分的增加則抑制土壤呼吸作用,這可能是由于土壤在干旱階段,微生物活動由于受到水分的限制;而在土壤處于濕潤階段時,有機物的分解過程從好氧轉變為厭氧,而厭氧分解速率僅為好氧分解速率的30%—40%[39]。丁新宇等[40]研究指出,在不同土壤條件下,土壤含水量呈現完全相反的相關性,在干旱階段,土壤呼吸速率與土壤含水量正相關,但在濕潤階段土壤呼吸速率與土壤含水量則呈負相關。

在水稻生長季,淹水狀態下土壤呼吸速率受水層深度制約[41]。本研究結果表明,土壤呼吸速率與稻田水層高度呈顯著負相關,這與武文明等[28]在西雙版納地區的研究結果一致。 由于水層的存在,土壤呼吸受到阻隔,同時水層能夠溶解部分CO2;此外,水層深度的變化還會影響土壤溫度、有機質分解、微生物活性和土壤動物的數量等其他因子,進而影響土壤呼吸速率。因此水層深度對土壤呼吸的影響還具有不確定性和復雜性[42]。

研究表明[43],土壤溫度和含水量的協同作用能夠更好地解釋土壤呼吸變化情況,解釋能力高于50%,一般比單一因子的解釋能力更強,但由于農田生態系統復雜的環境因子,目前水熱因子同土壤呼吸之間的關系仍然難以定量描述。

4 結論

通過對川西平原灌區三種不同水旱輪作模式的土壤呼吸特征及其水熱影響因素研究,結果表明,土壤呼吸周年累積排放量以GR模式最高,從不同作物生長季來看,稻季>旱季>空閑季。土壤呼吸速率季節動態呈雙峰曲線,在6月和9月達到峰值。土壤呼吸速率日動態呈單峰曲線,土壤呼吸速率在12:00—15:00間出現最大值,在2:00—6:00之間出現最低值。三種模式土壤呼吸速率與0—10 cm和10—20 cm土壤溫度呈指數正相關且對溫度變化敏感,Q10值變化范圍在1.15—2.72之間。不同模式間相比,GR模式Q10值最高,土壤呼吸速率與土壤溫度敏感性最高。三種模式土壤呼吸與土壤水分沒有顯著相關性,但稻季與水層高度表現為顯著負相關。然而,水熱生態因子對水旱輪作土壤呼吸的影響是一個十分復雜的過程,既會直接影響土壤呼吸的排放,也會通過改變土壤微生物區系組成、外源碳的進入量等間接影響土壤呼吸,其作用機制還需要進一步論證研究。總體來看,川西平原灌區水旱輪作栽培管理過程中,應注意控制蒜-稻輪作模式的氮肥投入,稻季合理管理田間水層,從而有效管理土壤呼吸碳排放。