熊瑛，王龍昌，趙琳璐，杜娟，張賽,周泉

(1.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶 400716；2.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003)

保護(hù)性耕作下蠶豆田土壤呼吸及碳平衡特性

熊瑛1,2，王龍昌1*，趙琳璐1，杜娟1，張賽1,周泉1

(1.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶 400716；2.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003)

土壤呼吸是碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，為探討壟作和覆蓋對(duì)旱三熟蠶豆田土壤呼吸的影響，測(cè)定了平作(T)、壟作(R)、平作+半量覆蓋(TS1)、壟作+半量覆蓋(RS1)、平作+全量覆蓋(TS2)、壟作+全量覆蓋(RS2)6種處理下的西南紫色土丘陵區(qū)蠶豆/玉米/甘薯旱三熟體系中蠶豆生長(zhǎng)季節(jié)的土壤呼吸變化，分析了蠶豆田碳平衡特性。結(jié)果表明，蠶豆生長(zhǎng)季節(jié)農(nóng)田土壤呼吸隨作物生長(zhǎng)一致，呈先增加后減弱的變化趨勢(shì)，變化范圍為0.885～10.213 μmol/(m2·s)。全生育期平均土壤呼吸速率差異顯著，表現(xiàn)為TS2>RS2>RS1>TS1>T>R；分別為4.096，3.780，3.441，3.104，2.850，2.439 μmol/(m2·s)，較平作不覆蓋處理增加了43.7%，32.6%，20.7%，8.9%，-14.4%。壟作顯著降低了蠶豆農(nóng)田土壤呼吸速率，而秸稈覆蓋顯著提高土壤呼吸速率，且隨著覆蓋量的增加而增加。不同生育階段土壤呼吸總量存在差異，表現(xiàn)為成熟期<苗期<鼓粒期<分枝現(xiàn)蕾期<開花結(jié)莢期，其中開花結(jié)莢期約占50%；利用根排除法測(cè)得蠶豆田根系呼吸占土壤呼吸比例變幅為19.49%～54.23%，利用回歸分析法測(cè)得結(jié)果為37.02%～60.64%，二者均值分別為38.62%和49.12%。不同耕作和覆蓋處理下蠶豆田整個(gè)生長(zhǎng)季均表現(xiàn)為碳匯，凈碳匯為857.26～2236.25 kg/hm2。與平作不覆蓋相比， RS2、TS2、RS1、TS1、R分別較平作不覆蓋處理T高出160.86%，101.44%，30.78%，47.63%，110.41%，差異達(dá)顯著水平。試驗(yàn)結(jié)果表明壟作和秸稈覆蓋有利于蠶豆田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯，以壟作+全量覆蓋的效果最好。

土壤呼吸；根系呼吸；碳平衡；蠶豆；保護(hù)性耕作

土壤呼吸是土壤碳素向大氣輸出的主要途徑，也是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳輸出的主要形式，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1]，占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣氣體交換量的三分之二[2]。嚴(yán)格意義上的土壤呼吸是指受擾動(dòng)的土壤產(chǎn)生二氧化碳的所有代謝作用，包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸及土壤有機(jī)質(zhì)分解和土壤動(dòng)物呼吸等3個(gè)生物學(xué)過(guò)程和含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用的一個(gè)非生物學(xué)過(guò)程[3]。由于土壤呼吸大多與生物效應(yīng)相關(guān)，除去對(duì)土壤呼吸貢獻(xiàn)很少的非生物過(guò)程，土壤呼吸實(shí)際上是植物根系、土壤微生物和土壤動(dòng)物呼吸的總和。一般認(rèn)為，土壤動(dòng)物呼吸作用對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)較小，因此土壤呼吸主要是以根系呼吸與土壤微生物為主的異養(yǎng)呼吸[4]。影響土壤呼吸的因子復(fù)雜多樣，除土壤溫度和土壤濕度等因子外，生物因子通過(guò)影響土壤微環(huán)境和結(jié)構(gòu)、凋落物數(shù)量和質(zhì)量以及根系呼吸作用，從而影響土壤呼吸作用[5]。不同類型的作物具有自身獨(dú)特的生物特性，包括根系生物量、NPP等也會(huì)對(duì)土壤呼吸有直接的影響。關(guān)于作物類型對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的影響目前已有較多研究，大多集中在水稻(Oryzasativa)[6]、玉米(Zeamays)[7]、小麥(Triticumaestivum)[8]、棉花(Gossypiumspp.)[9]等非豆科作物上，對(duì)豆科作物的研究較少，且作物類型單一，主要為大豆(Glycinemax)[10]。已有研究證明，以壟作和秸稈覆蓋為主的保護(hù)性耕作在保土保水、改善土壤肥力、提高作物產(chǎn)量方面有顯著效益[11-13]，是適宜西南丘陵地區(qū)采用的耕作模式。蠶豆(Viciafaba)是西南旱地丘陵區(qū)的主要種植作物，目前關(guān)于蠶豆田的土壤呼吸研究很少，保護(hù)性耕作對(duì)蠶豆田溫室氣體的綜合影響也未見(jiàn)報(bào)道?；诖?，本研究分析了壟作和秸稈覆蓋模式下西南旱地丘陵區(qū)蠶豆/玉米/甘薯(Ipomoeabatatas)旱三熟蠶豆田土壤呼吸的變化特征，在補(bǔ)充完善作物類型對(duì)土壤呼吸的影響機(jī)制研究方面具有重要意義；通過(guò)探討保護(hù)性耕作模式下蠶豆田CO2呼吸通量特性，分析蠶豆田的碳平衡狀況，以期為準(zhǔn)確評(píng)估農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支提供理論依據(jù)，進(jìn)而為全面理解農(nóng)田土壤碳庫(kù)和科學(xué)評(píng)價(jià)其碳循環(huán)過(guò)程提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2013年11月至2014年10月在重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。當(dāng)?shù)貙賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，光溫水同季。年日照時(shí)數(shù)在888.5～1539.6 h之間，年平均氣溫17.5 ℃，冬季7.9 ℃，夏季26.4 ℃，春、秋季分別為17.4 ℃、18.2 ℃。全年無(wú)霜期可達(dá)334 d，多年平均降雨量為1125.3 mm，主要集中在5-9月，占全年總量的69%，冬季降雨量最少，僅占5.5%。試驗(yàn)地土壤為旱地中性紫色土，地力相對(duì)均勻。試驗(yàn)前20 cm土層的土壤容重為1.21 g/cm3，pH值為6.47，土壤有機(jī)碳16.24 g，全氮1.68 g，堿解氮38.23 mg，速效磷18.13 mg，速效鉀170.13 mg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地采用“蠶豆/玉米/甘薯”三熟復(fù)種間套作模式，設(shè)置2種耕作方式和3個(gè)覆蓋水平。2種耕作方式分別為，1)平作(CK/T)：秋季整地后不起壟。2)壟作(R)：于秋季整地后橫向起壟，壟寬1 m，溝寬1 m，壟高20 cm，采用壟上雙行栽培。所有種植模式均采用2 m開廂(1 m+1 m)，分廂帶狀套種，第1茬(蠶豆)和第3茬(甘薯)均種在壟上，第2茬(玉米)種在溝內(nèi)，整個(gè)生育期內(nèi)實(shí)行少耕。3個(gè)覆蓋水平分別為，1)無(wú)覆蓋：各種作物收獲后，秸稈全部清除，整個(gè)生育期內(nèi)無(wú)覆蓋。2)秸稈半量覆蓋(S1)：作物生育期內(nèi)分別將3750 kg/hm2玉米秸稈和3750 kg/hm2小麥秸稈均勻覆蓋在壟上和溝內(nèi)。3)秸稈全量覆蓋(S2)：作物生育期內(nèi)將7500 kg/hm2玉米秸稈和7500 kg/hm2小麥秸稈均勻覆蓋在壟上和溝內(nèi)。覆蓋處理所用的玉米及小麥秸稈，收獲后人工截成10 cm左右。

試驗(yàn)共有6個(gè)處理，分別為平作無(wú)覆蓋(traditional tillage+straw mulching level 0 kg/hm2，T)、壟作無(wú)覆蓋(ridge tillage+straw mulching level 0 kg/hm2，R)、平作+半量覆蓋(traditional tillage+straw mulching level 3750 kg/hm2，TS1)、壟作+半量覆蓋(ridge tillage+straw mulching level 3750 kg/hm2，RS1)、平作+全量覆蓋(traditional tillage+straw mulching level 7500 kg/hm2，TS2)、壟作+全量覆蓋(ridge tillage+straw mulching level 7500 kg/hm2，RS2)，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，小區(qū)面積4 m×8 m。供試作物為蠶豆(當(dāng)?shù)仄贩N，種植密度180000 株/hm2)，玉米(東單80，移栽密度80000 株/hm2)和甘薯(渝紫七號(hào)，移栽密度為40000株/hm2)。蠶豆、玉米、甘薯各處理均施復(fù)合肥(N-P2O5-K2O=16-16-16)225 kg/hm2，作為基肥一次施入，玉米在拔節(jié)期追施尿素450 kg/hm2。蠶豆采用穴播，每穴留苗3株；玉米和甘薯均采用育苗移栽。蠶豆于2013年11月上旬播種、2014年5月上旬收獲；玉米于2014年4月上旬移栽、同年7月底收獲；甘薯于2014年5月下旬移栽、同年10月下旬收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 土壤呼吸測(cè)定 采用LI6400便攜式光合作用系統(tǒng)連接6400-09呼吸室測(cè)定土壤呼吸。各處理按照行間、株間和條帶邊緣3個(gè)位置選取3個(gè)固定點(diǎn)，放置PVC環(huán)，底面積80 cm2，高5 cm，插入土壤2 cm左右。為減少對(duì)土壤的干擾，PVC環(huán)于測(cè)定前一天安置好。每個(gè)PVC環(huán)測(cè)定1次，設(shè)定2個(gè)循環(huán)，每個(gè)處理3次重復(fù)，共6個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值作為日土壤呼吸值。蠶豆整個(gè)生育期內(nèi)每半個(gè)月測(cè)定一次，如遇下雨天氣則適當(dāng)調(diào)整，測(cè)定時(shí)間統(tǒng)一為上午09：00-11：00。

為區(qū)分土壤呼吸中根系呼吸與土壤微生物呼吸，各處理分別在每小區(qū)的4 廂中選擇一廂不種植蠶豆，在測(cè)定種植蠶豆土壤呼吸的同時(shí)測(cè)定不種植蠶豆土壤的土壤呼吸，種植蠶豆土壤呼吸記作土壤呼吸(Rs)，不種植蠶豆土壤呼吸記作土壤微生物呼吸(Rm)，兩者的差值即為根系呼吸(Rr)[14]。Rs、Rm、Rr單位均為μmol/(m2·s)，1 μmol/(m2·s)=1.0368 g/(m2·d)=10.368 kg/(hm2·d)。依據(jù)土壤呼吸速率和蠶豆播種后天數(shù)，換算成各時(shí)間段的土壤呼吸總量。

1.3.2 植被碳固定測(cè)定與計(jì)算 分別于蠶豆播種后46 d(2013年12月25日)、播種后86 d(2014年2月3日)、播種后112 d(2014年3月1日)、播種后149 d(2014年4月7日)及播種后167 d(2014年4月25日)，選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的蠶豆植株6株以根莖為中心，取長(zhǎng)20 cm、寬20 cm、深40 cm 的土塊，裝入尼龍袋中，用自來(lái)水沖洗，之后將根系80 ℃烘干至恒重后測(cè)定根系干重，并按照種植密度計(jì)算根系生物量。收獲時(shí)同時(shí)測(cè)定地上生物量(包括地上部分各器官以及凋落物)。

1.3.3 碳平衡計(jì)算 采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)來(lái)表示生態(tài)系統(tǒng)碳平衡[15]。NEP為正值時(shí)，表示系統(tǒng)是大氣CO2的吸收“匯”；反之為大氣CO2的排放“源”。碳平衡計(jì)算公式為：NEP=NPP-Rm。式中,NPP為作物地上部碳積累量與地下部碳積累量的總和，作物地上部組織(莖、葉、莢)和根的碳含量由總有機(jī)碳分析儀(TOC-5000AShimadiu)測(cè)定，分別為44.967%，43.043%，44.117%和40.680%，土壤微生物異養(yǎng)呼吸碳釋放量為6個(gè)處理下相應(yīng)不種植蠶豆土壤呼吸在整個(gè)蠶豆生育期間農(nóng)田CO2的排放量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，采用SPSS 22.0一般性檢驗(yàn)中單變量方差分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蠶豆田土壤呼吸速率動(dòng)態(tài)變化

不同耕作方式下蠶豆田土壤呼吸速率變化趨勢(shì)呈倒“V”字形,峰值出現(xiàn)在播種后136 d左右(圖1)。整個(gè)生育期土壤呼吸速率與作物生長(zhǎng)及溫度變化表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性，即隨著作物生長(zhǎng)進(jìn)程的推進(jìn)和溫度增加土壤呼吸速率增加。在播后86 d之前和159 d之后，蠶豆田土壤呼吸速率變化較小，各處理間差異未達(dá)到顯著水平；播后100～149 d這一階段，土壤呼吸速率迅速增加，處理間差異變大，達(dá)到峰值的大小也各不相同,表現(xiàn)為RS2>RS1>TS2>T>TS1>R，差異達(dá)顯著水平。全生育期平均土壤呼吸速率的均值表現(xiàn)為TS2>RS2>RS1>TS1>T>R，分別為4.096，3.780，3.441，3.104，2.850，2.439 μmol/(m2·s)，較平作不覆蓋處理增加了43.7%，32.6%，20.7%，8.9%，-14.4%。方差分析結(jié)果表明，平作條件下蠶豆田土壤呼吸速率顯著高于壟作(P<0.05)，說(shuō)明壟作降低了蠶豆田土壤呼吸速率；在兩種耕作方式下，秸稈全量覆蓋下的土壤呼吸顯著高于半量覆蓋處理，均顯著高于不覆蓋處理(P<0.05)，說(shuō)明秸稈覆蓋增加了蠶豆田土壤呼吸速率。

圖1 蠶豆田土壤呼吸速率動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Changes of soil respiration rate in fava bean soil

由圖1還可以看出，蠶豆田不種植蠶豆土壤呼吸速率的動(dòng)態(tài)變化與種植蠶豆土壤呼吸速率一致，表明各處理土壤微生物呼吸速率隨溫度增加而逐漸增加，在播種后15 d左右最低，播種后136 d達(dá)到最大。蠶豆生長(zhǎng)季不種植蠶豆土壤呼吸速率均值處理間表現(xiàn)為RS2>RS1>TS2>TS1>T>R，分別比平作不覆蓋處理增加了19.8%，13.0%，11.7%，4.8%，-13.8%。方差分析結(jié)果表明，壟作不覆蓋處理顯著低于平作不覆蓋處理；不同覆蓋量表現(xiàn)為覆蓋各處理顯著高于不覆蓋，但覆蓋量間差異不顯著,說(shuō)明蠶豆田壟作不覆蓋可以顯著降低裸地土壤呼吸速率，秸稈覆蓋增加了土壤呼吸速率,受覆蓋量的影響不大。

在整個(gè)蠶豆生長(zhǎng)季，不種植蠶豆土壤呼吸速率變化幅度為0.524～3.628 μmol/(m2·s),而種植蠶豆土壤呼吸變化幅度為0.885～10.213 μmol/(m2·s)，后者顯著高于前者，其均值約為前者的2倍。隨著蠶豆的生長(zhǎng)，土壤呼吸增加，同一時(shí)期不種植蠶豆土壤呼吸速率顯著低于種植蠶豆田土壤呼吸速率，即無(wú)根土壤的土壤呼吸速率顯著低于有根土壤的土壤呼吸速率，這是由于有根土壤中蠶豆根系的存在，顯著提高了土壤呼吸速率，該現(xiàn)象在蠶豆播種后100～159 d最為明顯，二者的最大值可相差4倍，體現(xiàn)了根系在土壤呼吸中的重要作用。

2.2 土壤呼吸組分區(qū)分

利用種植蠶豆土壤呼吸值(Rs)減去相應(yīng)處理不種植蠶豆土壤呼吸值(Rm)，得到相應(yīng)各處理農(nóng)田根系呼吸值(Rr)，該方法為根排除法。結(jié)果表明，Rr 占總土壤呼吸的比例各處理分別為：T 41.3%、TS144.4%、TS254.8%、R 41.4%、 RS145.5%、 RS247.5%。與平作處理相比，其余5處理均顯著高于平作，說(shuō)明壟作和秸稈覆蓋提高了根系呼吸占土壤總呼吸的比例。從覆蓋量對(duì)根系呼吸的影響來(lái)看，壟作處理3個(gè)覆蓋量間差異不顯著，而平作各處理表現(xiàn)為全量覆蓋顯著高于半量覆蓋，且二者均顯著高于不覆蓋處理，說(shuō)明在平作的耕作方式下，秸稈覆蓋可以提高根系呼吸所占比例，壟作條件下秸稈覆蓋并無(wú)此效應(yīng)。

為進(jìn)一步探討蠶豆田土壤呼吸、根系呼吸及微生物呼吸之間的關(guān)系，分別以播種后46 d(2013年12月25日)、播種后86 d(2014年2月3日)、播種后112 d(2014年3月1日)、播種后149 d(2014年4月7日)及播種后167 d(2014年4月25日)各處理的根系生物量為自變量x、同一天的土壤呼吸速率為因變量y建立回歸方程如表1所示，利用二者之間的關(guān)系可間接估算出土壤根系呼吸速率和微生物呼吸速率，該方法為回歸分析法。由表1可以看出，蠶豆田土壤呼吸速率與根系生物量之間的相關(guān)系數(shù)R2變化范圍為0.351～0.860，說(shuō)明在這5個(gè)觀測(cè)時(shí)間的根系生長(zhǎng)情況分別可以解釋12月25日約為80%，2月3日、3月1日和4月7日約為40%，4月25日約為50%的土壤呼吸速率變化。依據(jù)回歸方程，當(dāng)根系生物量為0時(shí)的土壤呼吸速率為微生物呼吸速率，表明這5個(gè)觀測(cè)時(shí)間的微生物呼吸速率變化范圍為0.872～2.261 μmol/(m2·s)。

表1 兩種方法下根系呼吸占土壤呼吸比例Table 1 Contributions of root respiration to soil respiration based on root exclusion and root biomass regression methods

Rs: Soil respiration; Rm: Microbial respiration; Rr: Root respiration.RBR: Root biomass regression; RE: Root exclusion.

在5個(gè)觀測(cè)時(shí)間分別采用根排除法和回歸分析法得到根系呼吸和微生物呼吸大小及根系呼吸所占土壤呼吸比例存在差異(表1)，除播后112 d這一觀測(cè)時(shí)間，其余4個(gè)觀測(cè)時(shí)間根排除法得到的微生物呼吸速率均高于回歸分析法，根系呼吸速率表現(xiàn)為相反的趨勢(shì)。兩種方法下5個(gè)觀測(cè)時(shí)間平均根系呼吸所占比例分別為38.62%(根排除法)和49.12%(回歸分析法)，除播后112 d這一時(shí)間外均表現(xiàn)為回歸分析法高于根排除法，尤其在播后167 d即收獲前5 d這一時(shí)間，兩種方法得出的結(jié)果差異較大，這可能與根系的衰老死亡有關(guān)。

表2 蠶豆田各生育階段土壤呼吸總量、微生物呼吸總量及根系呼吸總量Table 2 Cumulative soil respiration (CRs), cumulative microbial respiration(CRm), and cumulative rhizosphere respiration(CRr) during each growing stage of fava bean

同列不同小寫字母表示數(shù)據(jù)在P<0.05 水平上差異顯著。Different letters in the same column represent the significant level atP<0.05.

2.3 蠶豆田土壤呼吸總量特征

根據(jù)蠶豆的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，在栽培學(xué)上把蠶豆的一生劃分為苗期(播種-播種后30 d)、分枝現(xiàn)蕾期(播種后31～86 d)、開花結(jié)莢期(播種后87～136 d)、鼓粒期(播種后137～159 d)和成熟期(播種后160～173 d)5個(gè)生育階段。6個(gè)處理不同生育階段蠶豆田土壤呼吸通量如表2所示，不同生育階段蠶豆田土壤呼吸總量表現(xiàn)為成熟期<苗期<鼓粒期<分枝現(xiàn)蕾期<開花結(jié)莢期。在本實(shí)驗(yàn)條件下，蠶豆開花結(jié)莢期約占全生育期時(shí)長(zhǎng)的28.9%，但這一階段的土壤呼吸總量約占全生育期碳通量的50%，顯著高于其余生育階段。不同處理間比較發(fā)現(xiàn)，蠶豆全生育期土壤呼吸總量表現(xiàn)為TS2>RS2>RS1>TS1>T>R，處理間差異顯著(除TS2和RS2兩處理間差異不顯著外)，說(shuō)明秸稈覆蓋能顯著增加蠶豆田土壤呼吸總量，壟作較平作而言可以降低土壤的碳排放。

在忽略作物生長(zhǎng)對(duì)土壤呼吸激發(fā)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，不種植蠶豆土壤呼吸總量視作微生物呼吸總量，采用根排除法求得根系呼吸總量(表2)。不同生育階段根系呼吸總量存在差異，開花結(jié)莢期顯著高于分枝現(xiàn)蕾期和鼓粒期，也顯著高于苗期和成熟期。根系呼吸總量占土壤呼吸總量的比例在不同生育階段也存在差異，以開花結(jié)莢期最高，約占60%左右，成熟期最低，約為19%，二者差異顯著，與其余3個(gè)生育階段間差異也達(dá)顯著水平。由表2可知，蠶豆開花結(jié)莢期不同處理間土壤呼吸總量、根系呼吸總量差異變大，基本表現(xiàn)為TS2處理最大，壟作不覆蓋處理最低；不論是平作還是壟作，均表現(xiàn)為全量覆蓋>半量覆蓋>不覆蓋，差異達(dá)顯著水平。就根系呼吸總量占土壤呼吸總量比例而言，該效應(yīng)僅存在于平作各處理之間，壟作各處理之間差異不顯著。

蠶豆田根系呼吸總量比例隨生育進(jìn)程推進(jìn)先增加，各處理均在開花結(jié)莢期達(dá)到峰值后逐漸降低。6個(gè)處理根系呼吸比例最大值表現(xiàn)為TS2>RS2>RS1>TS1>R>T，均顯著高于平作不覆蓋處理。方差分析結(jié)果還表明，開花結(jié)莢期壟作處理3個(gè)秸稈覆蓋水平間差異不顯著，而平作處理間則表現(xiàn)為隨覆蓋量的增加而增加，說(shuō)明根系呼吸總量比例受耕作方式和秸稈覆蓋的影響。

2.4 蠶豆田碳平衡特征

不同處理下蠶豆田碳平衡計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，結(jié)果表明西南丘陵區(qū)旱作蠶豆田生長(zhǎng)季節(jié)6種處理均為碳匯。與平作處理相比，其余各處理碳匯總量均顯著高于平作，且以壟作+全量覆蓋最高，RS2、TS2、RS1、TS1、R分別較平作不覆蓋處理T高出160.86%，101.44%，30.78%，47.63%，110.41%，說(shuō)明在西南紫色土丘陵區(qū)旱地條件下，在蠶豆/玉米/甘薯三熟體系中壟作或秸稈覆蓋均能顯著提高蠶豆田生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力，且以壟作+全量覆蓋的效果最好。進(jìn)一步分析覆蓋量對(duì)碳匯強(qiáng)度的影響效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在本實(shí)驗(yàn)條件下，平作處理下凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力隨著覆蓋量的增加而增加，但在壟作模式下卻無(wú)此效應(yīng)，半量覆蓋處理小于不覆蓋處理，這可能是由半量覆蓋對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP的增加效應(yīng)要低于對(duì)微生物呼吸總量的增加效應(yīng)引起的。

表3 不同處理下蠶豆田碳平衡Table 3 Carbon balance at fava bean growth season under different systems

同行不同小寫字母表示數(shù)據(jù)在P<0.05 水平上差異顯著。Different letters in the same line represent the significant level atP<0.05.

3 討論

3.1 根系呼吸所占土壤呼吸的比例

目前，區(qū)分根系自養(yǎng)呼吸與微生物異養(yǎng)呼吸的方法有3種：回歸分析法、根排除法及同位素示蹤法[4,16]。由于區(qū)別方法、試驗(yàn)因素、植被種類差異，各研究者所采用的方法及所計(jì)算的根系呼吸的比例也存在一定的差異[7,17-19]。Skopp等[20]利用文獻(xiàn)資料總結(jié)出農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中根呼吸對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)平均為(48±5)%，Qiao等[10]利用回歸分析法得出不同施肥模式大豆田根系呼吸比例為63%，利用根排除法則為69.8%；張賽等[21]利用根系生物量外推法和根排除法比較分析了小麥生育期根系呼吸對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)利用前者得到的根系呼吸貢獻(xiàn)率為47.05%，而后者為53.97%；均表現(xiàn)出根排除法高于回歸分析法。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在5個(gè)觀察時(shí)間里蠶豆田根系呼吸占土壤呼吸的比例變化幅度根排除法和回歸分析法分別為19.49%～54.23%和37.02%～60.64%，均值分別為38.62%和49.12%，除播種后112 d即開花結(jié)莢期表現(xiàn)為根排除法高于回歸分析法外(分別為54.23%和37.02%)，其余4個(gè)時(shí)間均表現(xiàn)為后者高于前者。根排除法下，全生育期內(nèi)蠶豆田根系呼吸比例呈倒”V”字形變化，即隨著根系生長(zhǎng)根系呼吸比例增加，到達(dá)蠶豆開花結(jié)莢期也是根系生長(zhǎng)盛期后逐漸降低；而回歸分析法則呈相反的趨勢(shì)。這可能是由根排除法自身的缺點(diǎn)造成的。利用該方法的前提是假定根系生長(zhǎng)隨土壤有機(jī)質(zhì)分解的激發(fā)效應(yīng)不存在的，即種植蠶豆田和裸土的微生物異養(yǎng)呼吸是相同的，但是事實(shí)上，根系提高了土壤微生物活性[22]，進(jìn)而低估了在蠶豆根系建成過(guò)程(開花結(jié)莢期之前)和衰老死亡過(guò)程(開花結(jié)莢期至成熟)中根系呼吸比例。

作物光合作用積累的絕大部分碳以土壤呼吸的方式釋放到空氣中，不同類型作物的光合特性不同，土壤呼吸總量亦有差異。根系呼吸總量占土壤呼吸總量比例因作物類型不同，比例亦不相同(變幅為10%～90%)，同時(shí)，土壤呼吸也受到不同生育階段的碳分配情況及根系特性的影響[23]。在本實(shí)驗(yàn)中，在蠶豆全生育期內(nèi)通過(guò)根排除法得到根系呼吸總量占土壤呼吸總量比例的變幅為14.12%～66.95%，開花結(jié)莢期最大，其余4個(gè)時(shí)期較低，這一研究結(jié)果與前人基本一致[24-25]。這是因?yàn)殚_花結(jié)莢期有較多的光合產(chǎn)物分配到根系中；苗期和分枝現(xiàn)蕾期較低的根系生物量是造成這兩個(gè)時(shí)期根系呼吸總量比例較低的原因，而鼓粒期和成熟期則是由于根系的衰老和死亡引起的。

3.2 壟作和秸稈覆蓋對(duì)蠶豆田土壤呼吸的影響

一般認(rèn)為秸稈還田會(huì)促進(jìn)土壤中二氧化碳的釋放[26-28]，本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。無(wú)論是全量覆蓋還是半量覆蓋，覆蓋各處理土壤呼吸顯著高于不覆蓋處理，且隨著秸稈還田量的增加，種植蠶豆田土壤呼吸速率顯著增加,在秸稈還田后隨著時(shí)間的推移增加效應(yīng)逐漸減小,這與前人多數(shù)研究結(jié)論一致[29-30]。關(guān)于壟作對(duì)土壤呼吸的影響效應(yīng)研究較少，且結(jié)論不盡一致。張賽等[31-32]研究表明小麥/玉米/大豆三熟套作模式下小麥田、大豆田壟作提高了土壤呼吸作用，而玉米農(nóng)田壟作降低了土壤呼吸的作用。本研究結(jié)果表明,壟作不覆蓋模式下蠶豆田土壤呼吸、微生物呼吸均顯著低于平作不覆蓋模式，但根系呼吸總量二者差異不顯著，這可能是因?yàn)閴抛鞲纳屏烁H土壤的通氣性，加厚了適宜作物生長(zhǎng)的熟土層，為作物根系生長(zhǎng)創(chuàng)造了一個(gè)良好的生態(tài)環(huán)境，壟作條件下根系生物量高于平作模式，進(jìn)而增加了根系呼吸。由根系生物量增加而產(chǎn)生的根系呼吸增加量并不能抵消微生物呼吸的降低量，最終表現(xiàn)為蠶豆田土壤呼吸顯著低于平作。在分析過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋和壟作存在交互效應(yīng)，平作覆蓋增加了土壤呼吸速率，而壟作覆蓋后土壤呼吸的提高幅度會(huì)減弱。因此，在西南丘陵地區(qū)旱地蠶豆田秸稈覆蓋促進(jìn)土壤呼吸，而壟作對(duì)土壤呼吸的影響效應(yīng)，因作物類型、土壤性質(zhì)和種植模式不同而異，產(chǎn)生該現(xiàn)象的機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

整個(gè)生育期蠶豆田土壤呼吸呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，變化范圍為0.885～10.213 μmol/(m2·s)，不同生育階段蠶豆田土壤呼吸總量表現(xiàn)為成熟期<苗期<鼓粒期<分枝現(xiàn)蕾期<開花結(jié)莢期，說(shuō)明蠶豆田土壤呼吸與作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程基本一致，作物生長(zhǎng)發(fā)育的盛期也是土壤呼吸速率與通量最大的時(shí)期。種植蠶豆土壤呼吸顯著高于不種植蠶豆土壤呼吸，表明蠶豆田根系生長(zhǎng)在土壤呼吸中具有重要作用。保護(hù)性耕作對(duì)土壤呼吸有一定影響，壟作顯著降低土壤呼吸，而秸稈覆蓋提高土壤呼吸速率；二者存在交互效應(yīng)，平作覆蓋增加了土壤呼吸速率，而壟作覆蓋后土壤呼吸的提高幅度會(huì)減弱。利用根排除法和回歸分析法估算出根系呼吸比例分別為38.62%和49.12%，尤其在蠶豆成熟期，二者的差異最大，這表明根排除法低估了蠶豆成熟期根系呼吸；在平作模式上配合秸稈覆蓋可以顯著增加根系呼吸比例，而壟作條件下秸稈覆蓋無(wú)此效應(yīng)，所有處理下蠶豆田整個(gè)生長(zhǎng)季均表現(xiàn)為碳匯，凈碳匯為857.26～2236.25 kg C/hm2。與平作相比，壟作與秸稈覆蓋均有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯，且以壟作+全量覆蓋模式下的碳匯能力最高?；诖搜芯拷Y(jié)果，在西南丘陵區(qū)旱地蠶豆農(nóng)田可以采用壟作和秸稈覆蓋的保護(hù)性耕作栽培方式，減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放。

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Soil respiration and carbon balance in fava bean farmland under conservation tillage

XIONG Ying1,2, WANG Long-Chang1*, ZHAO Lin-Lu1, DU Juan1, ZHANG Sai1, ZHOU Quan1

1.CollegeofAgronomyandBiotechnology,SouthwestUniversity,KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion,MinistryofEducation,EngineeringResearchCenterofSouthUplandAgriculture,MinistryofEducation,Chongqing400716,China; 2.CollegeofAgriculture,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471003,China

Soil respiration is an important process in carbon cycling. This study investigated effects of two tillage practices (ridge tillage and traditional tillage) and straw mulching at 0, 3750, or 7500 kg straw dry matter/ha on soil respiration of fava bean farmland. Six treatments applied were: traditional tillage without straw mulching (T), ridge tillage without straw mulching (R), traditional tillage+straw mulching at 3750 kg/ha (TS1), ridge tillage+straw mulching at 3750 kg/ha (RS1), traditional tillage+straw mulching at 7500 kg/ha (TS2), and ridge tillage+straw mulching at 7500 kg/ha (RS2). Soil respiration properties and carbon balance in dry-cropped farmland with a triple intercropping system of fava bean, maize, and sweet tomato were evaluated during the crop growth period, in a region of southwest China known as the purple hilly region. This study identified seasonal changes in soil respiration rate reflecting crop growth, with a peak in the middle of the fava bean growth cycle, and with a range from 0.885-10.213 μmol/(m2·s) in cropped soils, respectively. The soil respiration rates of the different treatments ranked TS2>RS2>RS1>TS1>T>R [4.096, 3.780, 3.441, 3.104, 2.850, 2.439 μmol/(m2·s), respectively]. Ridge tillage reduced soil respiration in fava bean farmland, whereas straw mulching treatment resulted in increased respiration corresponding to straw mulching levels. In soil planted with fava bean, the respiration rate at different crop growth stages ranked ripening

soil respiration; root respiration; carbon balance; fava bean; conservation tillage

10.11686/cyxb2016089

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-14；改回日期：2016-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31271673)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503127)資助。

熊瑛(1980-)，女，河南信陽(yáng)人，講師，在讀博士。E-mail:amber1109@126.com*通信作者Corresponding author. E-mail: wanglc2003@163.com

熊瑛, 王龍昌, 趙琳璐, 杜娟, 張賽, 周泉. 保護(hù)性耕作下蠶豆田土壤呼吸及碳平衡特性. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(1): 13-22.

XIONG Ying, WANG Long-Chang, ZHAO Lin-Lu, DU Juan, ZHANG Sai, ZHOU Quan. Soil respiration and carbon balance in fava bean farmland under conservation tillage. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(1): 13-22.