摘要在全球變化加劇背景下，農(nóng)田碳排放問題越來越引起人們的關(guān)注。結(jié)合國內(nèi)外已有的相關(guān)報道，系統(tǒng)綜述了栽培管理措施對農(nóng)田土壤呼吸影響的差異，探討栽培管理措施影響土壤呼吸速率的可能機(jī)制，并提出了農(nóng)田土壤碳減排可行的管理措施，展望了未來該領(lǐng)域應(yīng)加強的研究方面，旨在為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在全球變化背景下碳匯功能的發(fā)揮提高理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞栽培措施；土壤呼吸；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；減排

中圖分類號S154.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）14-04269-03

Effects of Cultural Practices on Soil Respiration in Cropland and the Management Options for Reducing CO2 Emissions

XU Hua et al（Agricultural Technique Service Center of Hongxu， Tengzhou， Shandong 277512）

AbstractGrowing attention is being focused on the carbon cycle research in cropland under global climate changes scenarios. The effects and probable mechanisms of the cultural practices on the soil respiration in cropland based on the earlier reports at home and abroad completely were reviewed. Many viable cultural practices for reduce the soil carbon emissions from cropland in crop production were put forward， together with some suggestions on future researches that should be strengthened in this field.

Key words Cultural practice； Soil respiration； Cropland ecosystem； Emission reduction

土壤呼吸是土壤向大氣釋放的過程，主要是由微生物氧化有機(jī)物和根系呼吸產(chǎn)生，也有極少的部分來自于土壤動物的呼吸和土壤有機(jī)碳化學(xué)氧化。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳輸出的一個重要方面，是陸地生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)和全球氣候變化中的一個關(guān)鍵過程，也是預(yù)測全球變化的一個關(guān)鍵因素[1-3]。隨著全球氣候變化研究成為公眾和科學(xué)界關(guān)注的熱點之一，1土壤呼吸的概念及影響因素

土壤呼吸是土壤釋放CO2的過程，主要包括3個生物學(xué)過程（植物根呼吸、土壤微生物呼吸及土壤動物呼吸）和一個非生物學(xué)過程（含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用）[2]。土壤呼吸作為一個復(fù)雜的生物學(xué)過程，受到多種因素的作用，使得土壤呼吸一方面具有某種規(guī)律性，另一方面表現(xiàn)出不規(guī)則的變化[4]。土壤呼吸主要受環(huán)境因素、生物因素和人為活動3個方面的影響。在環(huán)境因子中，溫度、降雨、光合有效輻射、土壤濕度、土壤理化性狀都會對土壤呼吸產(chǎn)生重要的影響[4，7]。溫度會影響生物呼吸相關(guān)的酶活性和土壤有機(jī)碳的分解，從而影響到土壤呼吸速率，在一定范圍內(nèi)土壤呼吸速率與土壤溫度之間呈正相關(guān)關(guān)系，且溫度變化一般可解釋土壤呼吸日變化和季節(jié)性變化的大部分變異[3，11]。土壤濕度會影響土壤的透氣性和生物的呼吸活性，從而影響土壤呼吸速率，特別是在干旱或半干旱地區(qū)，當(dāng)水分成為脅迫因子時可能取代溫度而成為土壤呼吸的主要控制因子[12]。光合有效輻射作為植物光合作用的主要能量來源，可以改變土壤的溫濕度，間接影響土壤呼吸速率[13]。土壤質(zhì)地、土壤理化性狀、土壤pH、鹽分、污染等也可以直接或間接地引起土壤呼吸速率的差異[10，14]。

植物活動是土壤呼吸速率差異的一個關(guān)鍵影響因素。葉面積指數(shù)直接影響植被覆蓋下土壤的微氣候，而凋落物是異養(yǎng)呼吸的一個重要碳源。根系性狀、活性將直接影響自身呼吸強度。根系的分泌物也會對土壤有機(jī)碳分解產(chǎn)生影響。這些均將會影響土壤呼吸速率[15-16]。土壤動物和微生物作為土壤呼吸的直接參與者，其類型和數(shù)量的變化將會直接對土壤呼吸產(chǎn)生一定的影響[17]。此外，土壤動物和微生物活動將會改變土壤物理結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分循環(huán)以及有機(jī)質(zhì)分解和周轉(zhuǎn)。這些均會間接地對土壤呼吸產(chǎn)生一定的影響[18]。人類的足跡幾乎已遍布全球每個角落。人類活動在很多方面已成為生態(tài)環(huán)境演變的重要驅(qū)動力之一[18]，如改變植物群落組成、土壤理化性狀、小氣候和降水等。這些都會直接或間接地改變土壤環(huán)境，影響土壤CO2的排放。人類活動對土壤呼吸的影響主要體現(xiàn)在土地利用變化、耕作方式和栽培管理措施等方面[7，19]。

2栽培管理措施對土壤呼吸的影響

2.1 作物特性不同類型作物根系特性和共生根際微生物特性存在差異。這將直接造成土壤呼吸作用產(chǎn)生差異。李虎等[20]研究表明，農(nóng)田土壤呼吸主要來自于根系呼吸，且不同作物類型存在差異，以棉花最高，玉米次之，冬小麥最低。作物類型還會引起土壤溫度和土壤含水量發(fā)生變化，導(dǎo)致不同作物類型農(nóng)田土壤呼吸速率存在較大的差異[16]。有研究表明，大豆農(nóng)田與C4牧草相比，生長季平均土壤呼吸速率可降低34.2%，且主要是由土壤溫濕度的變化所引起的[21-22]。作物生長也會對土壤呼吸產(chǎn)生影響。首先，作物生長狀況可以影響其對根系和根際微生物呼吸底物的供應(yīng)，從而引起土壤呼吸產(chǎn)生差異。此外，作物根系的生長狀況、活性也會直接影響土壤呼吸作用。因此，不同作物類型、同一作物不同生長階段和生長狀況都會引起農(nóng)田土壤呼吸發(fā)生改變。通過優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)作物生長狀態(tài)可以調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤碳排放。

2.2肥料管理施有機(jī)肥能夠提高農(nóng)田土壤呼吸作用[21-24]。有機(jī)肥施入農(nóng)田后，土壤有機(jī)質(zhì)含量提高，土壤呼吸底物供應(yīng)量增加，土壤呼吸作用加強。李永平等[23]研究表明，每公頃玉米田施入45 t雞糞，土壤呼吸速率可提高36.49%[23]。有機(jī)肥還可以促進(jìn)作物的生長發(fā)育，增強根系密度和根際微生物活性[24-25]，從而提高土壤呼吸作用。杜社妮等[24]研究認(rèn)為，施用有機(jī)肥可提高土壤微生物的數(shù)量，土壤呼吸速率可提高23.5%～118.6%。施用有機(jī)肥還可以改善土壤的理化性狀，提高土壤通透性。這也可能有利于土壤呼吸碳排放的增加?；适┯脤ν寥篮粑挠绊懸?guī)律和影響機(jī)制目前存在較大的爭議。陳書濤等[26]研究認(rèn)為，N肥可在短期內(nèi)提高農(nóng)田土壤呼吸速率。高會議等[27]研究則認(rèn)為，施N或N、P配施均能夠明顯提高冬小麥田的土壤呼吸速率[27]。而Ding等[28]研究認(rèn)為，施N肥對玉米田土壤呼吸速率無顯著影響。但多數(shù)研究認(rèn)為，施用化肥可以改善作物生長發(fā)育，通過提高作物根系密度，并且改變土壤中碳氮比例，從而提高土壤呼吸作用[22-27]。

2.3灌溉措施土壤水分變化能夠影響土壤通透性、植物根系和微生物活性，使得土壤溶解性有機(jī)質(zhì)發(fā)生變化，并且改變植物和微生物能量的分配，從而影響到土壤呼吸作用[29]。農(nóng)田灌溉一般是在土壤水分虧缺情況下進(jìn)行的，因此能夠增強土壤呼吸作用。湯億等[30]研究表明，灌溉農(nóng)田土壤呼吸速率與未灌溉相比可提高2.3～2.4倍。在土壤水分虧缺情況下，土壤呼吸會隨著灌水量的增大而增強，但灌溉水分過量時會抑制土壤呼吸[31]。灌溉方式也會影響土壤呼吸速率。交替灌溉土壤呼吸速率會顯著高于傳統(tǒng)灌溉方式[32]。韓琳等[33]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉方式可以改變土壤可溶性有機(jī)碳和微生物量碳含量，其中可溶性有機(jī)碳含量表現(xiàn)為溝灌和滴灌高于滲灌，微生物量碳含量也表現(xiàn)為滴灌和溝灌高于滲灌。這也可能會造成土壤呼吸速率產(chǎn)生差異。

2.4耕作方式翻耕將加大對農(nóng)田土壤環(huán)境的擾動，一方面使得深層土壤有機(jī)碳更多的暴露在空氣中，加速有機(jī)碳的礦化和分解；另一方面，翻耕還可以改變土壤通透性，改變土壤溫度和含水量，從而影響根系生長和微生物的活性。這些均會使土壤呼吸速率發(fā)生改變[10，30-34]。張宇等[34]對華北平原冬小麥田的研究發(fā)現(xiàn)，翻耕和旋耕農(nóng)田土壤呼吸速率顯著高于免耕。湯億等[30]研究表明，翻耕農(nóng)田土壤呼吸速率約是未翻耕農(nóng)田的2倍。Ussir等[35]研究也發(fā)現(xiàn)，與免耕相比，翻耕和旋耕農(nóng)田平均土壤呼吸速率分別增加32.9%和28.6%，且夏季和秋季的增加程度更高。秸稈還田能夠調(diào)節(jié)土壤理化性狀，促進(jìn)微生物代謝活動，從而提高農(nóng)田土壤呼吸作用，隨著秸稈還田量的增加土壤呼吸速率也顯著增加，并且隨時間的推移增加效應(yīng)逐漸變小[36-37]。免耕秸稈覆蓋可以降低土壤溫度，并且維持較高的土壤含水量，從而降低土壤呼吸速率[38-39]。李昌珍等[38]研究表明，與未覆蓋農(nóng)田相比，免耕秸稈覆蓋土壤呼吸速率可以降低2.7%，施肥后則降低22.11%；免耕留茬覆蓋農(nóng)田中，土壤呼吸速率隨著秸稈覆蓋量的增加而降低[39]。

2.5種植模式通過間套作種植，可以降低農(nóng)田土壤呼吸碳排放[40-43]。Dyer等[40]研究表明，玉米-大豆間作CO2排放速率在整個生長季均低于玉米凈作和大豆凈作，并且認(rèn)為引起的原因是物種間的相互作用。Qin等[41]研究表明，干旱區(qū)灌溉農(nóng)田小麥-玉米套作的土壤呼吸速率顯著低于玉米單作，生長季土壤總的土壤碳排放比玉米單作低47%。Liu等[42]研究表明，小麥-玉米套作的土壤呼吸速率比玉米單作低30%～43%。Chai等[43]研究也表明，與玉米單作相比，玉米-油菜間套作、玉米-豌豆間套作和玉米-小麥間套作土壤呼吸速率均顯著降低，分別約下降51%、44%和35%，但產(chǎn)量分別增加41%、42%和25%。還有研究表明，豆科作物與禾本科作物間套種植能夠通過間套系統(tǒng)自身復(fù)雜性的增加和作物資源利用時間與空間的協(xié)作互補有效地降低C和N的損失[44]。已有的研究表明，間套作種植能夠改變農(nóng)田土壤微環(huán)境、影響作物的生長發(fā)育和土壤生物群落結(jié)構(gòu)和活性[45-47]。這些均將影響土壤呼吸作用，但其具體的影響過程、機(jī)制方面的報道較為少見，有必要加強。

3農(nóng)田碳減排的管理措施

3.1減少翻耕強度，推廣秸稈覆蓋技術(shù) 較多的研究表明，減少翻耕可有效降低土壤呼吸速率，有利于農(nóng)田土壤有機(jī)碳的提升和維持。因此，在生產(chǎn)中應(yīng)降低土壤翻耕的強度和頻率，盡量實施和推廣免耕秸稈覆蓋技術(shù)。

3.2優(yōu)化肥料和灌溉管理 肥料的施用能夠影響作物的生長發(fā)育和土壤微生物的活性，還可以調(diào)節(jié)土壤理化性狀，從而影響土壤呼吸作用。通過土壤有機(jī)肥深施，可縮短有機(jī)糞肥的田間暴露時間，減少向大氣的排放量。根據(jù)作物需求，開展測土配方施肥，可以避免化肥過多投入而造成土壤呼吸碳排放加劇。因此，生產(chǎn)中應(yīng)提倡有機(jī)肥深施，大力發(fā)展測土配方施肥技術(shù)，并且優(yōu)化田間水分管理。

3.3大力推廣間套作技術(shù)間套作種植技術(shù)作為中國民族農(nóng)業(yè)發(fā)展史上的傳統(tǒng)瑰寶，能夠有效地提高資源利用率，提高糧食產(chǎn)量。間套作模式種間的相互作用及其系統(tǒng)微環(huán)境的變化會降低土壤呼吸速率。因此，應(yīng)大力推廣。

4結(jié)語

在全球變化加劇的大背景下，我國農(nóng)業(yè)正向現(xiàn)代化、規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。生態(tài)值高、低碳化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式也是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。加強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物固碳能力，同時減少土壤呼吸的排放，可有效地提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的發(fā)揮。農(nóng)業(yè)栽培管理措施會對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸碳排放產(chǎn)生重大的影響，但降低農(nóng)田土壤碳排放的農(nóng)業(yè)栽培管理措施體系較少報道，因此未來應(yīng)加強單一或多種栽培管理措施對農(nóng)田土壤呼吸的影響及機(jī)制方面的研究，還應(yīng)該加強低碳農(nóng)業(yè)綜合栽培管理技術(shù)體系方面的研究。

42卷14期徐華等栽培管理對農(nóng)田土壤呼吸的影響及減排途徑參考文獻(xiàn)

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