馬忠明,陳 娟

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物與啤酒原料研究所,甘肅蘭州 730070)

耕作方式在降低大氣CO2濃度和減緩溫室效應(yīng)方面具有很大潛力,在全球變暖的背景下研究不同耕作方式下土壤呼吸的時空變異特征意義非凡,不僅可為碳平衡計算提供理論數(shù)據(jù),且能為減緩農(nóng)業(yè)土壤碳排放提供一定實踐指導(dǎo)[1]。耕作方式是影響土壤質(zhì)量演化與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素,合理的耕作方式不僅能改善土壤理化性質(zhì)與水分利用效率,保墑增產(chǎn)[2],同時能改變土壤呼吸速率,影響碳排放[3]。研究表明,整個冬小麥生育期間農(nóng)田CO2平均排放速率表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕[8];農(nóng)田土壤呼吸量有明顯的季節(jié)變化規(guī)律,其變化趨勢與當?shù)販囟茸兓厔菀恢?免耕土壤的呼吸量小于翻耕[4]。

保護性耕作是通過少、免耕及地表微地形改造技術(shù),減少機械對土壤的擾動次數(shù),將作物秸稈、殘茬地表覆蓋,避免地表裸露的一種耕作技術(shù)[5]。保護性耕作能改善土壤理化性質(zhì),降低地表徑流,提高天然降雨入滲率,減少土壤水分蒸發(fā),有較好的保墑、抑制土壤溫度激變、緩解沙塵危害、增加土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量及提高土壤酶活性的作用[6-7]。壟作固定道耕作(permanent raised bed,PRB)是將固定道體系和保護性耕作有機結(jié)合的一項技術(shù),其基本特點是機具在固定的車道上行駛,車道不種植作物,作物生長帶不被車輪壓實,永久地保護了壟床,在下茬作物播種前,只對壟床進行少量的修整。PRB有改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤質(zhì)量、節(jié)約農(nóng)田用水和機械投入及增加作物產(chǎn)量等優(yōu)點[8-9]。近年來關(guān)于耕作方式對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的研究眾多,且主要集中于免耕、旋耕及秸稈覆蓋,有關(guān)PRB的研究主要集中于對農(nóng)田培肥等方面,未見針對PRB對土壤呼吸影響的有關(guān)報道。

本研究在壟作和平作兩種固定道耕作(PRB與ZT)及傳統(tǒng)耕作方式(CT)下,以河西灌區(qū)麥田土壤理化性狀及土壤呼吸強度、春小麥產(chǎn)量為研究對象,探討耕作方式對土壤溫度、土壤水分、土壤呼吸和春小麥產(chǎn)量的影響,以期為該地區(qū)耕作制度科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗自2005年在農(nóng)業(yè)部張掖綠洲灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站(38°85′N,100°81′E)進行。該地區(qū)屬溫帶干旱氣候,海拔 1 200～1 700 m,年均氣溫7.38 ℃,年平均降雨量為110 mm,年平均蒸發(fā)量為1 667 mm,干旱指數(shù)>20;日照時數(shù)2 932～3 085 h,≥10 ℃的積溫為1 837～ 2 870 ℃,熱量豐富,晝夜溫差大。農(nóng)業(yè)特點是不灌不植,普遍采用大水漫灌。土壤質(zhì)地為沙壤土(砂粒49%,粉砂 34%,黏粒17%),0～20 cm耕作層土壤容重為1.38 g·cm-3,有機質(zhì)含量為12.49 g·kg-1,全N含量為0.78 g·kg-1,速效P含量為13.72 mg·kg-1,速效K含量為223.7 mg·kg-1,pH為8.58。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗設(shè)傳統(tǒng)耕作(CT)、壟作固定道(PRB)、平作固定道(ZT) 3個耕作處理,采用隨機區(qū)組排列,4次重復(fù),小區(qū)面積216 m2(18 m×12 m),具體操作方法與見表1和圖1。其中,灌水量根據(jù)灌水定額計算公式確定。灌溉量計算公式:V=10×m×h×(WL-Wh)。其中,V為灌水量(mm),h為該時段土壤計劃濕潤層深度(出苗期至拔節(jié)期為0～40 cm,拔節(jié)期至抽穗期為0～60 cm,抽穗期至灌漿成熟期為0～100 cm),m為計劃濕潤層內(nèi)土壤體積質(zhì)量(g·cm-3),WL為目標含水量(田間持水量乘以目標相對含水量),Wh為灌溉前土壤含水量。灌溉量由Oddysee量水槽量水控制。Oddysee量水槽呈“V”字型,有水位自動記錄儀。Oddysee記錄水位高度,根據(jù)“V”字口的大小,可以計算出水流的速度和水量,于小麥三葉期、抽穗期及灌漿期進行灌水。2016年,CT、ZT與PRB處理灌溉量分別為576.20、446.46、376.63 mm,小麥生育期降水為65.4 mm。小麥品種為隴輻2號,2016年3月27日播種,7月23日成熟收獲。PRB與ZT處理播種量均為375 kg·hm-2,CT處理播種量為450 kg·hm-2。各處理均施純N 225 kg·hm-2和P2O5180 kg·hm-2,其中40%氮肥和磷肥全部做基肥,60%氮肥做追肥,PRB底肥施于壟面,追肥隨灌水施于壟溝。

表1 試驗處理描述Table 1 Description of the experiment

圖1 壟作固定道與平作固定道示意圖Fig.1 Diagram of the permanent tillage bed and zero tillage with control traffic on flat field

1.3 土樣采集

從小麥播種后4月26日至收獲前7月19日,每隔1周采樣1次,各小區(qū)隨機確定6個采樣點,采集小麥種植帶0～5、5～10及10～30 cm的土樣,同一小區(qū)同一深度的土樣在剔除石礫、植物殘茬等雜物后混合均勻,裝入自封袋,帶入實驗室測定土壤呼吸。

1.4 測定項目與方法

土壤呼吸測定:稱取相當于50 g干土的新鮮土樣均勻地平鋪于500 mL培養(yǎng)瓶底部,調(diào)節(jié)土壤含水量約為田間持水量的50%,吸取 2 mol·L-1的NaOH溶液10 mL滴入25 mL小燒瓶中,將小燒瓶置于培養(yǎng)瓶內(nèi),迅速將培養(yǎng)瓶加蓋密封,于28 ℃恒溫培養(yǎng)24 h,測定CO2釋放量,同時設(shè)空白對照處理,以酚酞為指示劑,用0.25 mol·L-1的鹽酸滴定至無色[4]。

土壤溫度測定:用曲管土壤溫度計人工測定土壤溫度。將曲管土壤溫度計埋在各處理0～5、5～10及10～30 cm土層處測定日平均土壤溫度,采用Q10=e10T公式[10]計算溫度敏感性系數(shù)Q10,T為日平均土壤溫度。

生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成的測定:灌漿期定點調(diào)查各小區(qū)單位面積穗數(shù);小麥成熟時每小區(qū)取20株,統(tǒng)計穗粒數(shù);每個小區(qū)隨機取3個1 m2測定區(qū)域(非邊行小區(qū)且離小區(qū)邊0.5 m以上),收獲小麥,測定生物產(chǎn)量,籽粒晾曬至含水量為13%時測定籽粒產(chǎn)量及千粒重。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0進行方差和相關(guān)分析,用Excel 2007軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對不同深度土壤含水量的影響

耕作方式能影響土壤含水量(圖2)。在0～90 cm土層,播前和收獲后土壤含水量總體均表現(xiàn)為PRB>ZT>CT。在播前,與CT處理相比, PRB處理的土壤含水量提高0.48%～55.35%,平均增幅15.06%;ZT處理的土壤含水量提高 0.33%～35.03%,平均增幅7.26%。收獲后,與CT處理相比, PRB處理的土壤含水量提高 9.80%～30.96%,平均增幅18.75%;ZT處理的土壤含水量提高0.17～13.12%,平均增幅 5.97%。這說明固定道耕作方式(PRB與ZT)具有明顯的蓄水保墑作用。

連線上ns.表示不同處理間差異不顯著,相同深度連線上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。ns beside the lines means no significant difference among the treatments at 0.05 level.Different letters at same depths beside the lines indicate significant difference among the treatmetns at 0.05 level.圖2 不同耕作方式下小麥播種前及收獲后土壤含水量Fig.2 Difference of soil water content before wheat sowing and after harvest under different tillage modes(2016)

2.2 耕作方式對土壤溫度的影響

0～5、5～10和10～30 cm土層土壤溫度均隨著氣溫的變化而變化,從4-8月份先逐漸升高后下降(圖 3),且隨土層深度的增加而逐漸減小。在4月份,0～5 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為CT>PRB>ZT,CT處理較ZT和PRB處理分別高43.56%和 6.60%;5～10、10～30 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為PRB>CT>ZT,PRB處理分別較CT和ZT處理高1.47%、11.95%和3.48%、 7.03%。在5-6月份,0～5 cm土層土壤溫度總體變現(xiàn)為PRB>CT>ZT,PRB處理較CT和ZT處理分別高 18.17%和25.97%;5～10和10～30 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為PRB>ZT>CT,PRB處理較CT處理分別高13.20%和3.11%,ZT處理較CT處理分別高3.42%和0.93%。在7-8月份,0～5、5～10及10～30 cm土層平均土壤溫度均表現(xiàn)為PRB>CT>ZT,PRB處理較CT處理分別高 15.53%、7.35%和4.40%,CT處理較ZT處理分別高9.28%、0.86%和1.91%。在小麥整個生育期, 0～5、5～10和10～30 cm土層平均土壤溫度表現(xiàn)為PRB>CT>ZT,PRB處理平均值較CT處理分別高14.44%、9.26%和 0.33%,CT處理平均值較ZT處理分別高 10.95%、0.07%和3.82%。

圖3 不同耕作方式下0～30 cm日平均土壤地溫與日平均降雨量(2016)Fig.3 Mean daily precipitation and soil temperature(0-30 cm) under different tillage modes(2016)

2.3 耕作方式對土壤呼吸強度的影響

3種耕作方式下,0～5 cm土層土壤呼吸強度的變化規(guī)律基本一致,均隨春小麥的生長發(fā)育進程呈先增后降趨勢(圖4)。播種后30 d受土壤溫度回升和灌水的影響,土壤微生物活性增加,土壤呼吸強度逐漸增強。播種后50 d,由于持續(xù)干旱(降雨量少、灌水推遲),土壤水分缺失,土壤呼吸強度減弱。播種后50～80 d,土壤呼吸強度持續(xù)增至峰值(6月份),之后土壤呼吸強度緩慢下降。適宜的水溫條件,土壤呼吸強度有明顯上升。不同耕作方式下土壤呼吸速率峰值出現(xiàn)時間各異,CT、PRB處理在春小麥抽穗期(6月17日)出現(xiàn)峰值,而ZT處理在開花期(6月26日左右)出現(xiàn)峰值。不同耕作方式下,5～10、10～30 cm土層的土壤呼吸強度在不同時間的動態(tài)變化趨勢與0～5 cm土層相似。

圖4 不同耕作方式下土壤呼吸強度隨小麥生長發(fā)育的變化Fig.4 Change of soil respiration with wheat growth under different tillage modes

在春小麥整個生育期,0～30 cm土層的平均土壤呼吸強度均表現(xiàn)為CT>PRB>ZT(圖5),CT、ZT和PRB處理的土壤呼吸強度變化范圍分別為132.28～217.15、89.22～199.46和 104.66～206.83 mg CO2·kg-1·g-1。其中,在 0～5 cm土層,CT處理的平均土壤呼吸強度較PRB、ZT處理分別高13.53%、41.68%,PRB處理較ZT處理高24.78%。CT處理下麥田CO2排放明顯較高,但高留茬固定道免耕條件(PRB與ZT處理)下 CO2排放較為穩(wěn)定。

圖柱上字母不同表示在同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)。Different letters above the columns indicate significant differences among treatments in the same soil layers(P<0.05).圖5 不同耕作方式下土壤呼吸強度均值的差異Fig.5 Difference of average soil respiration under different tillage modes

2.4 不同耕作方式下土壤呼吸與土壤地溫間關(guān)系

土壤呼吸強度與土壤地溫關(guān)系密切。通過擬合方程可以看出,0～30 cm土層土壤呼吸強度與土壤溫度的關(guān)系符合指數(shù)模型,彼此存在顯著的指數(shù)相關(guān)(圖6)。通過計算得出,0～5 cm 土層CT、ZT和PRB處理的溫度敏感性系數(shù)(Q10)分別為1.31、1.4和1.34,5～10 cm土層分別為 1.47、1.52和1.51,10～30 cm土層分別為1.60、 1.96和1.82。這說明在0～5 cm土壤呼吸受土壤溫度影響大。隨著土壤深度的增加,土壤呼吸逐漸減弱,Q10逐漸增大,對溫度的敏感性增強。在0～5、5～10及10～30 cm土層保護性耕作的Q10大于傳統(tǒng)耕作,表現(xiàn)為ZT>PRB>CT。

圖6 不同耕作方式下土壤呼吸強度與 5 cm、10 cm及30 cm地溫關(guān)系的模擬Fig.6 Simulation of relationship between soil respiration and soil temperature at 5 cm,10 cm,and 30 cm in depth under different tillage modes

2.5 不同耕作方式對春小麥產(chǎn)量的影響

春小麥穗數(shù)2013年在不同耕作方式間差異不顯著, 在2014和2016年P(guān)RB處理均顯著高于ZT和CT處理;在2013、2014和2016年,穗粒數(shù)、千粒重以及生物產(chǎn)量均以PRB處理最高,其次為ZT處理;PRB與ZT處理的春小麥產(chǎn)量和收獲指數(shù)三年均高于CT處理,PRB處理的年平均產(chǎn)量較ZT、CT處理分別提高了7.30%和 14.89%(表2)。這說明固定道耕作能夠促進春小麥產(chǎn)量形成,進而獲得高產(chǎn)。

表2 2013、2014和2016年不同耕作方式下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成Table 2 Grain yield and its components of spring wheat under different tillage modes in 2013,2014,and 2016

3 討 論

3.1 不同耕作方式對土壤水熱特性的影響

土壤溫度受季節(jié)變化、土壤類型、耕作與種植方式、施肥與灌水方式、海拔和緯度等因素影響[11-13]。PRB和ZT處理通過高留茬免耕技術(shù)改變地表狀態(tài),進而影響土壤溫度。壟作相比平作除能調(diào)節(jié)熱容量、導(dǎo)熱率等外,通過調(diào)節(jié)接受太陽輻射能的面積、角度與方位達到充分接受并合理分配使用太陽能,實現(xiàn)增溫效果[14,15]。地表是土壤與大氣熱量交換的界面,其溫度受氣溫的直接影響。與傳統(tǒng)耕作相比,留茬覆蓋下土壤溫度明顯表現(xiàn)為氣溫高時并不高、氣溫低時并不低的特點[16]。因為秸稈覆蓋阻隔了太陽和土壤表面的熱傳導(dǎo),所以太陽輻射到地表的熱量減少,同時土壤的熱量不易散失,降低了土壤溫度對氣溫的敏感性。本研究中,氣溫升高后,PRB處理的土壤溫度上升較CT處理快,ZT處理最慢。在整個小麥生育期,ZT處理的土壤溫度均低于氣溫 2.5 ℃,CT處理的土壤溫度在4-5月份高于氣溫,而PRB的土壤溫度在4月低于氣溫,之后其平均土壤溫度一直高于平均氣溫,這與陳繼康[11]的研究得出免耕在氣溫降低階段表現(xiàn)“增溫效應(yīng)”、在升溫階段表現(xiàn)“降溫效應(yīng)”的結(jié)論并不一致,與孫建[17]結(jié)論相似。這主要是由地理環(huán)境引起的,張掖溫差大, PRB處理下土壤接觸空氣的表面積大,通氣性好,表層土壤溫度變化幅度較CT與ZT處理都大。本試驗中,5～30 cm土層PRB處理在氣溫降低階段表現(xiàn)“增溫效應(yīng)”。ZT處理因秸稈覆蓋能顯著降低土壤溫度的變幅,土壤的升溫和降溫速率也顯著低于無覆蓋土壤[17-18]。

土壤中水熱運動是相互影響的,土壤水分影響土壤熱容量及導(dǎo)熱率,從而影響土壤溫度,同時土壤溫度的變化也會影響土壤水分運動[19]。受土壤溫度的影響,不同耕作方式下土壤水的理化性質(zhì)如粘滯性、密度、表面張力等會發(fā)生變化,土壤水勢、含水量與土壤的通透性[17]也隨之變化。溫度影響土壤水吸力,即使土壤內(nèi)部含水量一定,當存在溫度梯度時,土壤吸力隨之變化,必然導(dǎo)致土壤內(nèi)部形成能量梯度,驅(qū)動水的運動。同時,土壤水的變化還與土壤孔隙度有密切的關(guān)系,土壤孔隙度增加,其飽和導(dǎo)水率增大導(dǎo)致穩(wěn)定入滲率與累積入滲量增大[18],更有利于水分的移動。因此,不同土層的土壤含水量因溫度與孔隙度的影響而處于不斷的變化中。固定道保護性耕作系統(tǒng)(PRB與ZT)由于覆蓋層的存在,既減少太陽輻射的反射率,又阻止水分的蒸發(fā),改變了田間蓄水形式。研究發(fā)現(xiàn),固定道土壤含水量和土壤緊實度之間存在顯著的負相關(guān),壓實減小了土壤孔隙度,并減少了固定道內(nèi)土壤水分的蒸發(fā),固定道耕作技術(shù)具有減少作物生長區(qū)機械和灌溉干擾的作用,而且機械行走區(qū)所形成的土壤隔水層能起到減緩裸露地土壤水分蒸散發(fā)的作用,提高了田間儲水量與水分利用效率[19-20]。常規(guī)耕作下大水漫灌時,供水強度大,土壤水分蒸發(fā)量和下滲損耗增大,降低了灌溉水的有效利用。本研究中,固定道保護性耕作系統(tǒng)(PRB與ZT)具有節(jié)水保水作用,改善了土壤保墑能力。隨氣溫的升高,PRB處理土壤溫度的增加速率比CT與ZT處理均高。

3.2 不同耕作方式下的土壤呼吸的影響

土壤呼吸包括根呼吸和土壤微生物呼吸,是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個重要組成部分,占每年大氣中CO2輸入的10%,農(nóng)田土壤呼吸的CO2排放量是種植業(yè)溫室氣體排放的主體[15]。本研究中,不同耕作方式下土壤呼吸強度表現(xiàn)為CT>PRB>ZT,免耕處理的土壤呼吸小于傳統(tǒng)耕作,與前人研究結(jié)果相似[16]。CT處理下土壤呼吸速率較強,其原因是翻耕改善了土壤通透性,加強了氣體在土壤中的遷移和擴散[11],使土壤深層的有機質(zhì)移至土表,而將未分解的植物殘茬及脫落物掩埋至土壤深處,加快其腐解,加速了土壤呼吸。PRB處理的土壤呼吸強于ZT處理,可能是由于與平作相比,壟作具有較好的通氣性,土壤水分與通氣性均較平作高,土壤酶活性[8]與微生物量都較ZT處理高。3種耕作方式下土壤呼吸隨著溫度的升高逐漸增強,6月中下旬達到峰值。土壤呼吸的變化響應(yīng)土壤地溫的變化,這與前人研究結(jié)果一致[16-17]。

土壤水分、溫度及容重是影響土壤呼吸的因子,各因子對土壤呼吸的影響各異。建立土壤溫度對土壤呼吸模型有助于對土壤呼吸進行定量描述。本研究表明,土壤呼吸與溫度呈顯著指數(shù)關(guān)系。不同耕作方式下土壤呼吸速率與土壤溫度均呈顯著正相關(guān),固定道保護性耕作系統(tǒng)(PRB與ZT)能顯著增加土壤呼吸的溫度敏感性,溫度敏感性系數(shù)(Q10)表現(xiàn)為ZT>PRB>CT,且隨土層深度增加而增大。而于愛忠研究認為,土壤呼吸對0～5 cm土層的Q10大于5～10 cm[21],這可能與土壤、作物、區(qū)域環(huán)境有關(guān)系。另外,Q10與土壤溫度呈負相關(guān),在溫度上升幅度相同情況下,低地溫下Q10較高[18],與本研究結(jié)論相似。

土壤呼吸除受土壤地溫的影響之外,還受土壤含水量、孔隙度的影響[21]。土壤水分直接或者間接影響著土壤呼吸及其溫度敏感性[18]。土壤含水量低時,會降低酶和呼吸底物的擴散及微生物的活動,從而減小微生物與呼吸底物的接觸機會[22],最終影響土壤呼吸。本試驗由于5月份灌水時間推遲,導(dǎo)致土壤水分缺失,土壤呼吸速率表現(xiàn)為不升反降。土壤呼吸與土壤總孔隙度呈顯著的線性正相關(guān)[18]。土壤孔隙度越大則越有利于促進土壤呼吸,適宜的土壤水分有利于土壤呼吸。Vincent[23]研究表明,土壤呼吸與水分呈正相關(guān);于愛忠[21]研究發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與水分呈二次函數(shù)關(guān)系,與溫度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,與本研究結(jié)論相似;張容娟[22]認為,土壤含水量的變化不會顯著影響土壤呼吸速率,當土壤水分過高時,尤其是土壤處于淹水狀態(tài)時,土壤呼吸速率很低。這些研究結(jié)論的不一致主要受土壤類型、植被及氣候差異的影響。

3.3 耕作方式對春小麥籽粒產(chǎn)量的影響

本研究表明,與傳統(tǒng)耕作相比,固定道保護性耕作能增加春小麥穗粒數(shù)、千粒重及籽粒產(chǎn)量。這與前人研究結(jié)果一致[24-25]。壟作固定道保護性耕作的增產(chǎn)原因:一是其具有顯著的邊行效應(yīng)[26];二是其能夠改善土壤結(jié)構(gòu),提高作物通風(fēng)透氣狀況,增加了土壤含水量,降低了土壤呼吸強度,從而促進了作物生長,增加了小麥籽粒產(chǎn)量[25];三是其能夠增加土壤的有機質(zhì)[27]及土壤含水量,使土壤在長時間內(nèi)保持較高的生產(chǎn)水平。

4 結(jié) 論

壟作固定道保護性耕作較傳統(tǒng)耕作與平作固定道相比,能增加春小麥生育期耕層土壤溫度,提高0～90 cm土壤含水量,減少農(nóng)田CO2排放量,在固定車道占地30%的情況下,仍能顯著增加春小麥籽粒產(chǎn)量。因此,壟作固定道耕作方式可作為當?shù)剞r(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營的示范與推廣種植模式。