免耕条件下秸秆还田对冬小麦-夏玉米轮作系统土壤呼吸及土壤水热状况的影响

王维钰，乔　博，Kashif AKHTAR，袁　率，任广鑫，冯永忠

（1西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西杨凌 712100）



免耕条件下秸秆还田对冬小麦-夏玉米轮作系统土壤呼吸及土壤水热状况的影响

王维钰1,2，乔博1,2，Kashif AKHTAR2，袁率1,2，任广鑫1,2，冯永忠1,2

（1西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西杨凌 712100）

摘要：【目的】研究免耕条件下秸秆还田对旱地冬小麦-夏玉米轮作系统土壤呼吸及土壤水热状况的影响。【方法】2011年10月至2014年9月，在陕西杨凌设置秸秆全量还田+施肥（S1F1）、秸秆全量还田+不施肥（S1F0）、秸秆半量还田+施肥（S1/2F1）、秸秆半量还田+不施肥（S1/2F0）、秸秆不还田+施肥（S0F1）、秸秆不还田+不施肥（S0F0）6 种不同耕作处理的3年定位试验，测定并分析不同耕作处理下土壤呼吸、土壤水热状况、作物产量、土壤耕作层有机碳含量的差异。【结果】在冬小麦生育期内，各处理土壤呼吸速率均呈先下降后升高再下降的趋势；在夏玉米生育期内，各处理土壤呼吸速率均表现为先升高后下降的趋势。同一生育期内各处理土壤呼吸平均速率及呼吸总量依次为S1F1＞S1/2F1＞S1/2F0＞S0F1＞S1F0＞CK，同种作物不同生育期之间，各处理土壤生育期呼吸总量有逐年降低的趋势。整个研究周期内，土壤温度的变化趋势与每月平均气温的变化趋势相似，不同处理在同一生育期内的土壤温度变化趋势相近，且各处理生育期土壤平均温度均随土壤深度的增加而降低；不同秸秆还田处理冬季土壤温度均高于对照，但生育期土壤平均温度均低于对照。土壤含水量随土壤深度的增加而降低，但受降雨影响，不同轮作周期之间的土壤含水量波动较大，各处理同一生育期的土壤平均含水量均表现为S1F0＞S1F1 ＞S1/2F0＞S1/2F1＞CK＞S0F1，且不同秸秆还田处理的土壤含水量与对照间的差异均显著（P＜0.05）；土壤温度能够解释土壤呼吸速率变化的32.5％—60.4％，土壤含水量能够解释土壤呼吸速率变化的38.4％—82.5％，不同土层深度间，5 cm土层的温度与土壤呼吸的拟合度性最高，而10—20 cm土层的含水量与土壤呼吸的拟合度最高。相同年份内，不同处理冬小麦和夏玉米产量均表现为S1F1＞S1F0＞S1/2F1＞S0F1＞S1/2F0＞CK，这个研究周期内，冬小麦产量逐年增加，夏玉米在前两季表现为增产，但受极端炎热天气的影响，第三季的产量明显降低。单季作物收获后，各处理同一土层深度的有机碳含量均表现为S1F1＞S1/2F1＞S1F0＞S1/2F0＞S0F1＞CK。且不同秸秆还田处理的土壤有机碳含量逐年升高。【结论】长期免耕秸秆还田能够有效降低农田土壤碳排放、提高农田土壤水分利用率及冬季土壤温度、提高作物产量及土壤有机碳含量。不同秸秆还田处理间以S1F0处理的效果最优。

关键词：免耕；冬小麦-夏玉米；轮作；秸秆还田；土壤呼吸；水热状况

联系方式：王维钰，E-mail：lz2567@163.com。通信作者冯永忠，E-mail：fengyz@nwsuaf.edu.cn

0 引言

【研究意义】土壤呼吸是陆地碳循环的重要组成部分［1］，全球每年因土壤呼吸作用向大气中释放的碳通量达75—120 Pg（1Pg=1×1015g）［2］，即使土壤呼吸发生细微的变化都会显著改变大气中CO2浓度［3］，进而影响气候变化。农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，每年通过土壤呼吸向大气排放的CO2达640 g·m-2［4］，且农田生态系统本身易受到人类活动的干扰，不同的耕作方式、灌溉方式、施肥方法都会引起农田土壤呼吸的变化［5-6］，2009年中国因农田利用所引起的碳排放量与 1999年相比增幅达93.9％［7］。因此，研究农田生态系统土壤呼吸对农业管理和气候变化的响应具有十分重要的意义［8］。【前人研究进展】农田管理措施的合理性直接影响农田生态系统与大气之间的碳循环，合理的农田管理措施能够提高农田土壤碳储量，降低土壤碳排放［9-10］。已有的研究多集中于施肥方式，耕作方式等因素对土壤呼吸及土壤水热条件的影响［11-14］，或研究土壤呼吸的季节变化及日变化［15-16］。一般认为土壤呼吸由于受到土壤温度及湿度的调控而存在一定的日变化和季节变化规律［17-18］，不同的农田管理措施对土壤呼吸产生明显的影响，金皖豫等［19］、李银坤等［20］研究表明农田土壤呼吸速率随施用氮肥量的增加而增加［19-20］。齐玉春等［21］认为一定范围的灌溉能够提高土壤碳排放，并影响土壤呼吸的温度敏感性。YONEMURA等［22］、SCHWEN等［23］的研究结果表明免耕与传统耕作相比，土壤的呼吸速率明显降低。LIU等［24］、LAL等［25］的研究也指出免耕和秸秆还田能够有效降低农田土壤的碳排放，提高农田生态的系统固碳减排效应。【本研究切入点】前人对于免耕及秸秆还田对土壤呼吸影响的研究周期多为某种作物的 1—2个生长季或生育期内的某一段时期［26-28］，对长期免耕及秸秆还田对土壤呼吸影响的研究较少。轮作能够最大限度地减缓土壤侵蚀，提高水分利用效率和土壤固碳潜力［29］。【拟解决的关键问题】本研究以陕西关中地区常见的冬小麦-夏玉米轮作模式为研究对象。通过分析比较不同年份间免耕和秸秆还田条件下土壤呼吸的变化趋势和土壤呼吸对土壤水热因子的敏感性，结合作物产量，确定合理的农田管理措施，为陕西关中地区制订科学有效的农田土壤减排制度提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在西北农林科技大学校内试验地进行。该地位于陕西省关中平原西部（E108°07′，N34°12′），海拔520 m，为大陆性暖温带季风区气候，平均气温12.9℃，年降水量约为660 mm，主要集中在每年的7—9月，属典型的一年两熟农作区。试验土壤为土，试验地土壤基本理化性状见表 1。试验期间当地气温与降雨情况见图1。

表1　试验地土壤养分特性Table 1 Soil chemical properties of the tested field

图1　试验区气温与降雨量变化Fig. 1 Variation of air temperature and precipitation in the study area

1.2 试验设计

长期定位试验处理开始于2011年10月，在2011 —2014年内的连续 3季冬小麦-夏玉米轮作周期内进行。冬小麦于每年10月上旬播种，第二年6月中旬收获，夏玉米在上茬冬小麦收获后立即播种，每年 10月初收获，冬小麦供试品种为西农 889；夏玉米供试品种为漯单9号。

试验在免耕条件下共设置6个处理：秸秆全量还田+施肥（S1F1）、秸秆全量还田+不施肥（S1F0）、秸秆半量还田+施肥（S1/2F1）、秸秆半量还田+不施肥（S1/2F0）、秸秆不还田+施肥（S0F1）、秸秆不还田+不施肥（S0F0），其中S0F0处理作为对照。每个处理的面积均为68.8 m2，相互间隔0.5 m（图2），每个处理共设3个重复，秸秆还田处理在前茬作物收获后，利用秸秆粉碎机直接将作物秸秆粉碎后还田，秸秆全量还田量约为9 000 kg·hm-2，秸秆半量还田量约为4 500 kg·hm-2；秸秆不还田处理在前茬作物收获后，人工拔出所有根茬。冬小麦施肥量为375 kg·hm-2尿素+375 kg·hm-2磷酸二铵；夏玉米施肥量为375 kg·hm-2尿素，均作为基肥施用。每一季冬小麦冬灌一次，每一季夏玉米根据当年天气情况至多灌溉一次，其余时间依靠外界降水维持作物正常生长所需。

图2　试验安排Fig. 2 Experiment arrangement

1.3 测定项目

1.3.1 气体测定 土壤呼吸速率采用 GXH-3010E1型便携式红外线分析器（华云分析仪器研究所有限公司）测定，该仪器外形尺寸为248 mm×185 mm× 85 mm，测量范围为0—1.000％，线性度≤±2％ F·S，重复性≤1％ F·S，响应时间≤10 s，采样方式为泵吸式连续测量。在冬小麦和夏玉米播种后，在每个小区中部分别放置3个PVC 腔室，腔室高10 cm，直径为16 cm，埋置深度为5 cm，腔室顶部为开放结构，开放部分直径为11.5 cm，确保腔室内部与外界环境条件的一致性，3个腔室呈“三角形”排列，相互间隔1 m。测量时用橡胶软管连接便携式红外线分析器和腔室，测量过程中在腔室的顶部放置1个小风扇，使腔室内的气体混合均匀，持续3 min，然后测量，每一个处理重复测量3次，根据LUO等［30］描述，上午中段时间（大约10点）的土壤CO2通量很接近日平均值，9：00—11：00的测量结果也优于整个白天的测量结果，以此作为依据，结合当地实际气候情况，整个周期内土壤CO2通量的测量均在9：00—10：00完成。

土壤呼吸速率计算公式：R=k（X2-X1）H/Δt式中：R为土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；k为换算系数，k=1.80（25℃，1个标准大气压）；X1、X2 分别为测定时 CO2初始质量分数和测定结束后即时质量分数（％）；H为容器埋入地下的深度（m）；Δt 为测定时间变化（s）。

土壤呼吸速率自2011年10月开始测量，其中冬小麦分别于苗期、分蘖期、越冬期（冬灌前测定）、返青期各测定一次，返青期后每15天测定一次；夏玉米自6月中旬播种后，每隔15 d测定一次，为避免降水影响，如遇降水，适当后延3—5 d测定。

1.3.2 土壤温度测定 采用曲管地温计测定土壤温度。冬小麦及夏玉米播种后，将曲管地温计埋至距PVC腔室10 cm处，每个处理3套。每次土壤呼吸速率测定的同时读取5、10、15 cm层土壤温度值。

1.3.3 土壤含水量测定 采用烘干称量法测定土壤含水量，每次土壤呼吸速率测定的当天，用土钻取 0 —30 cm土层样品（每10 cm为一层），3次重复。

1.3.4 土壤有机碳测定 采用重铬酸钾容量法测定土壤耕作层有机碳含量，每季作物收获后，分别采集0—10、10—20、20—30 cm的土层的土样用于测定。

1.3.5 作物产量测定 每季作物收获期间，各处理以“V”字形随机选样，选样面积为1 m2，重复3次，晾晒后，脱粒称重。

1.3.6 土壤呼吸累计释放量测定 作物整个生育期内的土壤呼吸累计释放量的计算方法参考涂纯等［14］、ZHAI等［31］研究。

土壤呼吸累计释放量计算公式：

式中，Ra为土壤呼吸累计释放量（t CO2·hm-2），Ri为第 i次测量的土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1），Ri+1为间隔 n天测量的土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1），n为相邻两次测量间隔天数（d），3600×24为s-1转化为d-1，44为CO2的摩尔质量，10-8为μg CO2·m-2转化为t CO2·hm-2。

1.4 数据分析方法及软件

土壤呼吸速率R对温度T的敏感性采用指数函数进行非线性回归分析，函数表达式为：R=aebT。

土壤呼吸速率R对土壤含水量W的敏感性采用指数函数进行非线性回归分析，函数表达式为：R=eaW2+bW+c。

所有数据及图表均采用Excel 2010、SPSS 20.0、Origin 9.1软件进行分析处理，Duncan新复极差法进行方差分析。

2 结果

2.1 不同处理土壤呼吸的动态变化

连续3年的测量结果表明，在整个轮作期间，不同作物土壤呼吸率的变化趋势具有明显的差异性，即在冬小麦生育期内，各处理土壤呼吸速率均呈先下降后升高再下降的趋势；而在夏玉米生育期内，各处理土壤呼吸速率均表现为先升高后下降的趋势（图3）。自冬小麦苗期10月下旬（播种后10 d）至冬小麦分蘖期11月下旬（播种后50 d），随着外界温度的下降，土壤微生物活性降低，土壤呼吸速率不断下降，在冬小麦越冬期（播种后95 d），各处理的土壤呼吸速率达到最低值。随着外界温度的持续升高，土壤呼吸速率逐渐升高，至冬小麦孕穗灌浆期间（播种后200—215 d），土壤呼吸速率达到峰值，随后各处理的土壤呼吸速率又出现下降趋势。夏玉米播种后，由于外界温度较高，土壤呼吸速率自夏玉米苗期6月下旬逐渐升高，至8月上旬开花期（播种后60 d）达到峰值，随后各处理的土壤呼吸速率开始下降。

图3　不同处理下冬小麦-夏玉米轮作系统土壤呼吸速率变化Fig. 3 Changes in soil respiration rate from the field of winter wheat-summer maize rotation in different treatments

在整个研究周期内，冬小麦的土壤呼吸速率略低于夏玉米（P＜0.01），2011—2014年间冬小麦全生育期内的土壤呼吸速率范围分别为 0.241—6.265、0.460—6.113、0.390—5.265 μmol·m-2·s-1；夏玉米全生育期内的土壤呼吸速率范围分别为 1.419—8.538、0.885—7.004、1.125—7.644 μmol·m-2·s-1。将不同作物同一生育期内的土壤呼吸速率进行平均，各处理与对照间的差异均极显著（P＜0.01），各处理在3季冬小麦的土壤呼吸平均速率均表现为 S1F1＞S1/2F1＞S1/2F0＞S0F1＞S1F0＞CK，说明秸秆还田和施肥均能够提高土壤呼吸速率。不同处理的土壤呼吸平均速率第 1季冬小麦生育期内，较对照分别增加 21.7％、16.2％、11.9％、11.3％、7.3％；在第2季冬小麦生育期内，较对照分别增加28.4％、17.7％、11.7％、10.2％、5.9％；在第 3季冬小麦生育期内，较对照分别增加20％、14.4％、13.3％、8.8％、7.0％。3季夏玉米生育期内各处理土壤呼吸平均速率间差异也均呈现出与冬小麦相似的规律。第1季夏玉米（2012年6月至2012 年10月），不同处理生育期土壤呼吸平均速率较对照分别增加 16.9％、13.9％、9.2％、7.5％、7.0％；第 2季夏玉米不同处理较对照分别增加 21.7％、16.7％、14.6％、4.5％、4.4％；第3季夏玉米不同处理较对照分别增加 9.0％、8.3％、7.4％、7.3％、3.1％。可以看出，秸秆还田配合施肥处理的土壤呼吸速率增幅明显高于单一施肥及单一秸秆还田的处理。

冬小麦和夏玉米生育期内各处理的土壤呼吸总量的变化规律与土壤呼吸平均速率相同，均表现为S1F1 ＞S1/2F1＞S1/2F0＞S0F1＞S1F0＞CK（表2），在施肥条件下，不同秸秆还田处理的土壤呼吸总量表现为秸秆全量还田＞秸秆半量还田＞秸秆不还田，但在不施肥条件下则表现为秸秆半量还田＞秸秆全量还田＞秸秆不还田。对比3个连续的生育期，发现各处理生育期的土壤呼吸总量有逐年下降的趋势，冬小麦各处理的土壤呼吸总量均表现为第1季＞第3季＞第2季，后2季冬小麦的土壤呼吸总量均与第1季冬小麦的土壤呼吸总量差异极显著（P＜0.01），但后2季冬小麦之间的差异不显著。各处理第2季冬小麦的土壤呼吸总量相比第1季冬小麦的降幅为14.2％—18.5％；第3季冬小麦的土壤呼吸总量相比第1季冬小麦的降幅为13.3％—16.3％。夏玉米各处理在不同年份间的土壤呼吸总量变化趋势与冬小麦相同，且3季夏玉米相互间的差异均极显著（P＜0.01），各处理第2季夏玉米的土壤呼吸总量较第1季夏玉米降低22.8％—29.6％；第3季夏玉米的土壤呼吸总量较第 1季夏玉米降低11.0％—17.4％。

表2　不同作物生育期内各处理土壤呼吸总量Table 2 Different treatments cumulative soil respiration in different crops growth period

2.2 不同作物土壤有机碳含量变化

试验结果显示土壤有机碳含量随土壤深度的增加而降低。CK处理的土壤有机碳含量与试验开始之前（0 —10 cm 8.78 g·kg-1；10—20 cm 6.76 g·kg-1；20—30 cm 4.94 g·kg-1）相比有降低的趋势，且这种趋势随着试验周期的推移而不断增大。这表明在当地的气候条件下，仅依靠免耕很难保持土壤有机碳的含量。单一施用氮肥尽管也能够提高土壤有机碳的含量，但增幅十分有限。根据表3的结果显示，每一季冬小麦收获后，各处理同一土层深度的有机碳含量均依次为 S1F1＞S1/2F1＞ S1F0＞S1/2F0＞S0F1＞CK。表现为秸秆全量还田＞秸秆半量还田＞不还田，其中秸秆还田处理的土壤有机碳含量极显著高于不还田处理（P＜0.01）。不同年份间，相同处理的土壤有机碳含量逐年增加，但彼此间的差异不显著。夏玉米收获后的土壤有机碳含量低于冬小麦收获后的含量（表4），但有机碳含量的变化趋势与冬小麦相近，表现为秸秆还田处理高于不还田处理，且除对照外的各处理的有机碳含量逐年增加。综合整个试验周期内土壤有机碳含量的变化趋势，可以看出秸秆还田相比不还田更有利于土壤有机碳的积累。

表3　冬小麦收获后不同处理土壤有机碳含量变化Table 3 The change of soil organic carbon in difference treatment after winter wheat harvest

表4　夏玉米收获后不同处理土壤有机碳含量变化Table 4 The change of soil organic carbon in difference treatment after summer maize harvest

2.3 土壤温度与土壤呼吸速率的关系

整个研究周期内的土壤温度具有明显的差异性，其变化趋势与每月平均气温的变化趋势相似，不同处理在同一生育期内的土壤温度变化趋势相近。冬小麦不同生育期内的各处理土壤温度均呈现先下降后升高的趋势，而夏玉米不同生育期内的各处理土壤温度变化趋势则表现为先升高后下降（图 4）。各处理各生育期土壤平均温度均随土壤深度的增加而降低，其中，10和15 cm土层各生育期土壤平均温度与5 cm的土层平均温度均差异显著（P＜0.05），但二者之间的差异不显著。4个秸秆还田处理在3季冬小麦越冬期5 cm深度的土壤温度均高于2个不还田处理，说明一定量的秸秆还田有利于提高冬季表层土壤的温度。夏玉米生育期内，土壤温度持续升高，抽雄期前后（夏玉米播种45 d）土壤温度达到峰值，之后随外界气温的降低，逐渐下降。

从连续3年的测定结果来看，除冬小麦越冬期外，秸秆还田处理对冬小麦及夏玉米其他生育时期的不同深度的土壤温度均表现为降温效应，这使得同一生育期内，不同深度下的各处理生育期土壤平均温度均表现为CK＞S0F1＞S1/2F1＞S1F1＞S1F0＞S1/2F0，CK处理对不同秸秆还田处理的差异均表现为极显著（P ＜0.01），但不同秸秆还田处理间的差异不显著，整个研究周期内，S1/2F1、S1F1、S1F0、S1/2F0处理的生育期土壤平均温度与CK相比，最大温差分别达1℃、1.1℃、1.4℃、2℃。不同冬小麦生育期之间，各处理0—15 cm的土层平均温度均依次为第2季＞第3季＞第1季，第2季和第3季的土壤平均温度均与第1季的差异极显著（P＜0.01）；夏玉米不同生育期之间，各处理 0—15 cm的土层平均温度表现为逐年上升，这一现象与研究周期内每年6—9月平均气温的变化趋势相近，第3季和第2季的土壤平均温度均与第1季的差异极显著（P＜0.01），但第3季和第2季彼此间的土壤平均温度差异不显著。

采用指数函数（R=aebT）拟合不同轮作周期内土壤呼吸速率（R）和土壤温度（T），回归分析结果表明：不同处理土壤温度可以依次解释 2011.10—2012.10、2012.10—2013.10、2013.10—2014.9周期土壤呼吸速率变化的42.2％—59.8％、32.5％—56.7％、53.7％—60.4％（表5）。土壤温度与土壤呼吸速率的拟合度随土壤深度的增加而降低，5 cm土层温度与土壤呼吸的相拟合度最高，可以依次解释3个轮作周期土壤呼吸速率变化的48.5％—59.8％、37.8％—56.7％、54.0％—60.4％，而15 cm的土层温度仅能依次解释42.2％—49.0％、32.5％ —46.7％、53.7％—57.3％的土壤呼吸速率。

2.4 土壤湿度与土壤呼吸速率的关系

不同处理在同一生育期内的土壤含水量的变化趋势相同，冬小麦不同生育期内的各处理土壤含水量均呈现先下降后升高的趋势，夏玉米生育期内的各处理土壤含水量受到外界气温和降雨量的影响较大，不同年份的夏玉米土壤含水量变化趋势略有不同，第1季和第2季夏玉米的土壤含水量变化趋势近似于先升高后下降，而第3季夏玉米土壤含水量变化趋势为先降低后升高（图 5）。整个试验周期内，耕作层土壤的含水量随土壤深度的增加而降低，其中0—10 cm土层的土壤含水量与10—20 cm和20—30 cm土层的土壤含水量均极显著差异（P＜0.01），但 10—20 cm和20—30 cm土层的土壤含水量间的差异不显著。在冬小麦越冬期间，土壤含水量降至最低，越冬期后，随着外界土壤降雨的增多，各处理的土壤含水量也逐渐升高。夏玉米生育期正值当地雨季和月平均气温最高时期，受降雨和高温的影响，各处理土壤含水量出现明显的差异，其中第1季和第2季夏玉米生育期内各处理土壤含水量在玉米播种后基本呈上升趋势，第3季夏玉米生育期内由于受到高温和少雨的影响，各处理土壤含水量在播种后均出现明显下降，直到抽雄期后，各处理土壤含水量才开始逐渐升高。

图4　不同轮作周期内不同处理土壤温度的变化Fig. 4 Change in soil temperature from different treatments in different rotation period

夏玉米的生育期平均含水量显著高于冬小麦（P ＜0.01）。同一生育期内，不同深度下的各处理生育期的土壤平均含水量均表现为 S1F0＞S1F1＞S1/2F0 ＞S1/2F1＞CK＞S0F1，土壤含水量均依次为秸秆全量还田＞秸秆半量还田＞秸秆不还田，且不同秸秆还田处理的土壤含水量与对照间的均差异显著（P＜0.05）。说明了秸秆还田具有一定保墒效应，且这种效应随秸秆还田量的增加而增强。3季冬小麦之间，各处理在不同土层深度下的平均含水量均表现为第2季＞第1季＞第3季，相邻两季冬小麦之间不同深度土壤的平均含水量的差异均不显著；3季夏玉米之间，各处理在各土层深度下的生育期平均含水量均表现为逐年下降，相同处理20—30 cm土层生育期的平均土壤含水量在3季夏玉米之间彼此差异极显著（P＜0.01）。

采用指数函数（R=eaW2+bW+c）拟合不同轮作周期内土壤呼吸速率（R）和土壤含水量（W），回归分析结果表明，不同处理土壤含水量可以依次解释2011.10—2012.10、2012.10—2013.10、2013.10—2014.9周期土壤呼吸速率变化的 46.7％—82.5％、38.4％—62.9％、44.2％—62.5％（表6），不同土壤深度下，10 —20 cm土层的含水量与土壤呼吸的拟合度最高，可以依次解释3个轮作周期土壤呼吸速率变化的65.9％ —82.5％、38.6％—62.9％、50.4％—62.5％。在第3个轮作周期内，所有处理的r2均低于对照，产生这种现象的可能是由于2014年夏季反常的高温和降水，导致生育期土壤含水量差异较大。

2.5 不同处理冬小麦及夏玉米产量的比较

如表 7所示，5种处理的作物产量均高于对照（CK）。同一年份内，不同处理冬小麦和夏玉米产量均表现为 S1F1＞S1F0＞S1/2F1＞S0F1＞S1/2F0＞S0F0（CK），且CK处理与其余5种处理差异极显著（P＜0.01），在整个试验周期内，各处理的冬小麦产量逐年增加，且不同年份间的差异极显著（P＜0.01），其中 S1F1处理的冬小麦产量增幅最大，2014年较2012年相比，增产28.47％，S1F0处理次之。各处理2013年的夏玉米产量与2012年相比有所增加，增产10.63％—17.35％，且差异极显著。但受极端炎热天气的影响，各处理 2014年夏玉米产量极显著低于前两年。

图5　不同轮作周期内不同处理土壤含水量的变化Fig. 5 Change in soil moisture from different treatments in different rotation period

表5　不同处理土壤呼吸速率（R）与土壤温度（T）拟合方程及拟合度（r2）Table 5 Fitted equation of soil respiration rate （R） with soil temperature （T）

表6　不同处理土壤呼吸速率（R）与土壤含水量（W）拟合方程及拟合度（r2）Table 6 Fitted equation of soil respiration rate （R） with soil moisture （W）

表7　2012—2014 年冬小麦-夏玉米轮作体系内不同处理的作物产量Table 7 Yield of crop in winter wheat-summer maize rotation system under different treatment in 2012-2014

3 讨论

耕作方式能够直接作用于土壤，通过改变土壤结构，进而影响土壤理化性质。旋耕和翻耕对土壤扰动较大，而免耕可以极大程度的减小对土壤的扰动，有研究表明，免耕有效减少了土壤有机碳的损失，其土壤呼吸速率明显低于翻耕和旋耕，从而降低了农田土壤碳排放［32］。秸秆还田或施用氮肥作为常见的耕作管理措施，不仅能够为土壤提供额外的养分，同时也会对土壤微生物的活性产生影响，促进土壤有机质的矿化，进而引起土壤呼吸的变化。本试验的结果表明在单季作物的生育期内，秸秆还田能够提高土壤呼吸的平均速率和生育期呼吸总量，这与李玮等［33］、于爱忠等［34］的研究结果一致，但比较连续多季作物生育期的观测结果，发现免耕秸秆还田土壤的呼吸平均速率和呼吸总量呈现下降趋势，这与涂纯等［14］在陕西长武县的研究结果相似，其中第2季冬小麦的土壤呼吸总量较第1季冬小麦降低14.2％—18.5％；第3季冬小麦的土壤呼吸总量相比第1季降低了13.3％—16.3％。第2季夏玉米的土壤呼吸总量较第1季夏玉米降低22.8％ —29.6％；第3季夏玉米的土壤呼吸总量较第1季夏玉米降低11.0％—17.4％。可能的原因是随着免耕时间的推移，土壤团聚体由小变大，小团聚体逐渐减少，使土壤逐渐紧实，还田后的秸秆与土壤的接触减少，分解速率减慢，土壤微生物活动所需的底物减少，进而导致土壤呼吸速率和呼吸总量的降低。在研究周期内，秸秆还田结合施肥的处理的生育期土壤平均速率和土壤呼吸总量均高于单一秸秆还田和单一施肥处理，这是由于向秸秆还田的基础上额外施用氮肥后，土壤C/N降低，更有利于促进微生物的增殖及分解更多的有机质，进而增加了土壤有机质中碳的分解与释放［35］。本研究的结果还显示增施氮肥会改变不同秸秆还田量对土壤呼吸总量的影响，在施肥条件下，不同秸秆还田处理的土壤呼吸总量表现为秸秆全量还田＞秸秆半量还田＞秸秆不还田，但在不施肥条件下则表现为秸秆半量还田＞秸秆全量还田＞秸秆不还田，这一方面可能是由于增施氮肥能在一定程度上影响秸秆的腐解状况，加速秸秆的分解［36］，加快了土壤中有机质含量的积累，提高了有机质分解释放的CO2对土壤呼吸的贡献。另一个方面可能是由于秸秆在分解过程中消耗一定的氮，改变了土壤原有的C/N。

有研究表明，秸秆还田具有平衡和改善耕层土壤温度状况，当土壤温度较低时具有保温作用，当土壤温度较高时具有降温作用［37］。本研究的结果与前人研究结果相似，当土壤温度低于 0℃，秸秆还田具有提高土壤温度的效应，当土壤温度高于 0℃。尤其是在夏玉米生育期内，秸秆还田具有明显的降温作用。就整个生育期的土壤平均温度而言，相比对照，不同水平的秸秆还田表现为降温效应，这与黄高宝等［38］、杜新艳等［39］研究结果相似。前人研究结果一致认为秸秆还田具有明显的保墒效应，能够抑制表层土壤水分的蒸发，提高农田土壤的水分利用率［40-41］。本研究结果表明：不同秸秆还田处理与裸地相比，生育期土壤含水量均有不同程度的提高，且生育期土壤含水量随秸秆还田量的增加而增加，特别是在持续高温的和叶面积指数较小的夏玉米生长前期，秸秆还田处理的土壤含水量明显高于秸秆不还田处理，有效减小了株间土壤水分的无效蒸发，这与前人的研究结果相一致［42］。

土壤呼吸受到多种因子的调控，研究表明，土壤温度与土壤湿度是影响土壤呼吸的主要因子［43-44］。土壤呼吸的季节变化主要受土壤温度与土壤湿度的调控，表现为夏季最高冬季最低，在本研究期间，各生育期内土壤呼吸的季节变化趋势与土壤温度的季节变化趋势相近，但与土壤含水量的季节变化趋势有所差异，这是因为土壤含水量的季节变化主要受外界降水影响，不同年份降雨量的不同导致土壤含水量季节变化的差异较大。土壤温度可以依次解释连续3个轮作周期土壤呼吸速率变化的 42.2％—59.8％、32.5％—56.7％、53.7％—60.4％，土壤湿度可以依次解释连续3个轮作周期土壤呼吸速率变化的 46.7％—82.5％、38.4％—62.9％、44.2％—62.5％，其中土壤呼吸分别与地下5 cm深度的土壤温度和地下10—20 cm深度的土壤含水量的相关性最好，这与前人的研究结果相近［45-46］。

维持农田土壤中较高的碳储量目前已逐渐成为农业生产和环境保护过程中重要的一环［47］，但农田土壤的有机碳累积受到气候、土壤性质及耕作管理措施等多种因素的影响［48］，合理的耕作措施有利于提高土壤有机碳的输入，减缓有机碳的分解，从而提高土壤有机碳的含量。本研究周期内的结果显示，在免耕条件下，秸秆还田处理的土壤有机碳含量高于秸秆不还田的处理，这与HAN等［49］及LENKA等［50］的研究结果一致。在整个试验周期内，除对照外的其他处理不同深度的土壤有机碳含量均逐年增加，其中秸秆还田结合施肥处理的土壤有机碳含量增幅最明显，单一秸秆还田处理的增幅次之，且增幅随秸秆还田量的增多而增大，而单一施肥处理土壤有机碳含量的增幅最低。因此，说明合理的秸秆还田与施肥配比有利于土壤有机碳的积累。但由于同一处理不同年份间土壤有机碳含量的差异不显著，因此，对于免耕秸秆还田下土壤有机碳含量的变化趋势还需要进一步的研究。

前人的研究结果表明，秸秆还田有助于提高作物产量［51-52］，本文进一步验证了前人的有关结论。整个轮作周期内，随着免耕秸秆还田年限的增加，冬小麦产量逐年增加；第2季夏玉米的产量显著高于第1季，但在第3季夏玉米生育期内的连续高温少雨天气导致当年玉米减产，这说明在无反常天气的情况下，免耕秸秆还田对于作物产量的增加具有长期的效应。

4 结论

在研究周期内，不同作物生育期内土壤呼吸速率的变化趋势具有明显的差异性。在单个生育期内，秸秆还田处理的土壤呼吸平均速率和呼吸总量均高于对照，而各处理在同种作物不同生育期间的土壤生育期呼吸总量有逐年下降的趋势。土壤呼吸速率受到土壤温度和土壤含水量的调控，整个研究周期内，土壤温度能够解释土壤呼吸速率变化的32.5％—60.4％；土壤含水量能够解释土壤呼吸速率变化的38.4％—82.5％；土壤温度及含水量受外界气温和降雨的影响，表现出较大的年际间差异，不同秸秆还田处理在冬小麦越冬期内的土壤温度高于对照，但生育期土壤平均温度低于对照，不同秸秆还田处理的生育期土壤平均含水量高于对照，且秸秆还田量越高对土壤蒸发的抑制效果越好。长期免耕秸秆还田有利于提高土壤耕作层的有机碳含量，且有机碳含量的增幅随秸秆还田量的增加而提高。总体而言，长期免耕秸秆还田有利于降低农田土壤的呼吸速率和生育期碳排放，提高土壤水分的利用效率，降低作物株间土壤水分的无效蒸发，提高冬季的土壤温度，确保冬小麦安全越冬。另外，免耕条件下秸秆还田配合化肥的施用还有助于提高作物的产量。综合评价各秸秆还田处理的土壤呼吸速率、土壤水热状况、作物产量等方面后可知，秸秆全量还田+不施肥（S1F0）处理在降低农田土壤碳排放的同时提高了耕作层土壤有机碳含量及作物的产量，在提高农田土壤水分利用率及冬季土壤温度等方面也表现出较高的水平。

References

［1］ BOND-LAMBERTY B， THOMSON A. A global database of soil respiration data. Biogeosciences， 2010， 7（6）： 1915-1926.

［2］ HIBBARD K A， LAW B E， REICHSTEIN M. An analysis of soil respiration across northern hemisphere temperate ecosystems. Biogeochemistry， 2005， 73（1）： 29-70.

［3］ SCHLESINGER W H， ANDREWS J A. Soil respiration and the global carbon cycle. Biogeochemistry， 2000， 48（1）： 7-20.

［4］ 刘德辉， 陶于祥. 土壤、农业与全球气候变化. 火山地质与矿产，2000， 21（4）： 290-295. LIU D H， TAO Y X. Soil， agriculture and global climate change. Volcanology & Mineral Resource， 2000， 21（4）： 290-295. （in Chinese）

［5］ RAICH J W， TUFEKCIOGUL A. Vegetation and soil respiration：Correlations and controls. Biogeochemistry， 2000， 48（1）： 71-90.

［6］ LAL R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security. Science， 2004， 304（5677）： 1623-1627.

［7］ 段华平， 张悦， 赵建波， 卞新民. 中国农田生态系统的碳足迹分析.水土保持学报， 2011， 25（5）： 203-208. DUAN H P， ZHANG Y， ZHAO J B， BIAN X M. Carbon footprint analysis of farmland ecosystem in China. Journal of Soil and Water Conservation， 2011， 25（5）： 203-208. （in Chinese）

［8］ WAN S， NORBY R J， LEDFORD J， WELTZIN F J. Responses of soil respiration to elevated CO2， air warming， and changing soil water availability in a model old-field grassland. Global Change Biology，2007， 13（11）： 2411-2424.

［9］ WISE M， CALVIN K， THOMSON A， CLARKE L， BONDLAMBERTY B， SANDS R， SMITH S J， JANETOS A， EDMONDS J. Implications of limiting CO2concentrations for land use and energy. Science， 2009， 324（5931）： 1183-1186.

［10］ 张前兵， 杨玲， 王进， 罗宏海， 张亚黎， 张旺锋. 干旱区不同灌溉方式及施肥措施对棉田土壤呼吸及各组分贡献的影响. 中国农业科学， 2012， 45（12）： 2420-2430. ZHANG Q B， YANG L， WANG J， LUO H H， ZHANG Y L， ZHANG W F. Effects of different irrigation methods and fertilization measures on soil respiration and its component contributions in cotton field in arid region. Scientia Agricultura Sinica， 2012， 45（12）： 2420-2430. （in Chinese）

［11］ 张俊丽， 廖允成， 曾爱， 刘杨， 林杰， 王永平. 不同施氮水平下旱作玉米田土壤呼吸速率与土壤水热关系. 农业环境科学学报， 2013，32（7）： 1382-1388. ZHANG J L， LIAO Y C， ZENG A， LIU Y， LIN J， WANG Y P. Effects of different levels of N fertilizer on soil respiration， and its relation to soil moisture and soil temperature under rainfed land of summer maize. Journal of Agro-Environment Science， 2013， 32（7）： 1382-1388. （in Chinese）

［12］ DING W X， YU H Y， CAI Z C， HAN F X， XU Z H. Responses of soil respiration to N fertilization in a loamy soil under maize cultivation. Geoderma， 2010， 155（3）： 381-389.

［13］ MORARU P I， RUSU T. Effect of tillage systems on soil moisture，soil temperature， soil respiration and production of wheat， maize and soybean crops. Journal of Food Agriculture & Environment， 2012，10（2）： 445-448.

［14］ 涂纯， 王俊， 官情， 刘文兆. 秸秆覆盖对旱作冬小麦农田土壤呼吸、作物产量及经济环境效益的影响. 中国生态农业学报， 2013，21（8）： 931-937. TU C， WANG J， GUAN Q， LIU W Z. Effect of straw mulching on soil respiration， crop yield， economy-environment benefit in rained winter wheat fields. Chinese Journal of Eco-Agriculture， 2013， 21（8）：931-937. （in Chinese）

［15］ 周小平， 王效科， 张红星， 庞军柱， 任玉芬， 侯培强， 刘文兆. 黄土高原小麦田土壤呼吸季节和年际变化. 生态学报， 2013（23）：7525-7536. ZHOU X P， WANG X K， ZHANG H X， PANG J Z， REN Y F， HOU P Q， LIU W Z. Seasonal and interannual variability soil respiration in wheat field of the Loess Plateau， China. Acta Ecologica Sinica，2013（23）： 7525-7536. （in Chinese）

［16］ 孟凡乔， 关桂红， 张庆忠， 史雅娟， 屈波， 况星. 华北高产农田长期不同耕作方式下土壤呼吸及其季节变化规律. 环境科学学报，2006， 26（6）： 992-999. MENG F Q， GUAN G H， ZHANG Q Z， SHI Y J， QU B， KUANG X. Seasonal variation in soil respiration under different long term cultivation practices on high yield farmland in the North China Plain. Acta Scientiae Circumstantiae， 2006， 26（6）： 992-999. （in Chinese）

［17］ XU M， QI Y. Soil-surface CO2efflux and its spatial and temporal variations in a young ponderosa pine plantation in northern California. Global Change Biology， 2001， 7（6）： 667-677.

［18］ DAVIDSON E A， VERCHOT L V， CATTÂNIO J H， ACKERMAN I L， CARVALHO J E M. Effects of soil water content on soil respiration in forests and cattle pastures of eastern Amazonia. Biogeochemistry， 2000， 48（1）： 53-69.

［19］ 金皖豫， 李铭， 何杨辉， 杜正刚， 邵钧炯， 张国栋， 周灵燕， 周旭辉.不同施氮水平对冬小麦生长期土壤呼吸的影响. 植物生态学报，2015， 39（3）： 249-257. JIN W Y， LI M， HE Y H， DU Z G， SHAO J J， ZHANG G D， ZHOU L Y， ZHOU X H. Effects of different levels of nitrogen fertilization on soil respiration during growing season in winter wheat （Triticum aestivum）. Chinese Journal of Plant Ecology， 2015， 39（3）： 249-257. （in Chinese）

［20］ 李银坤， 陈敏鹏， 夏旭， 梅旭荣， 李昊儒， 郝卫平. 不同氮水平下夏玉米农田土壤呼吸动态变化及碳平衡研究. 生态环境学报，2013（1）： 18-24. LI Y K， CHEN M P， XIA X， MEI X R， LI H R， HAO W P. Dynamic changes of soil respiration and carbon balance in summer maize field under different nitrogen levels. Ecology and Environmental Sciences，2013（1）： 18-24. （in Chinese）

［21］ 齐玉春， 郭树芳， 董云社， 彭琴， 贾军强， 曹丛丛， 孙良杰， 闫钟清，贺云龙. 灌溉对农田温室效应贡献及土壤碳储量影响研究进展.中国农业科学， 2014， 47（9）： 1764-1773. QI Y C， GUO S F， DONG Y S， PENG Q， JIA J Q， CAO C C， SUN L J，YAN Z Q， HE Y L. Advances in research on the effects of irrigation on the greenhouse gases emission and soil carbon sequestration in agro-ecosystem. Scientia Agricultura Sinica， 2014， 47（9）： 1764-1773. （in Chinese）

［22］ YONEMURA S， NOUCHI I， NISHIMURA S， SAKURAI G，TOGAMI K， YAGI K. Soil respiration， N2O， and CH4emissions from an andisol under conventional-tillage and no-tillage cultivation for 4 years. Biology and Fertility of Soils， 2014， 50（1）： 63-74.

［23］ SCHWEN A， JEITLER E， BÖTTCHER J. Spatial and temporal variability of soil gas diffusivity， its scaling and relevance for soil respiration under different tillage. Geoderma， 2015， 259： 323-336.

［24］ LIU J M， HU L F， ZHANG A J. Research progress in greenhouse effect caused by conservation tillage. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2006， 8（22）： 246-249.

［25］ LAL R. Agricultural activities and the global carbon cycle. Nutrient Cycling in Agroecosystems. 2004， 70（2）： 103-116.

［26］ 张宇， 张海林， 陈继康， 陈阜. 耕作方式对冬小麦田土壤呼吸及各组分贡献的影响. 中国农业科学， 2009， 42（9）： 3354-3360. ZHANG Y， ZHANG H L， CHEN J K， CHEN F. Tillage effects on soil respiration and contributions of its components in winter wheat field. Scientia Agricultura Sinica， 2009， 42（9）： 3354-3360. （in Chinese）

［27］ 李昌珍， 张婷婷， 杨改河， 任广鑫， 冯永忠. 秸秆覆盖和施肥对关中灌区夏玉米生长后期土壤呼吸速率的影响. 生态环境学报， 2013，22（3）： 411-416. LI C Z， ZHANG T T， YANG G H， REN G X， FENG Y Z. Effects of straw mulching and fertilization on the soil respiration rate in the late summer maize growth in Guanzhong irrigation district. Ecology and Environmental Sciences， 2013， 22（3）： 411-416. （in Chinese）

［28］ SHI X， ZHANG X， YANG X， DRURY C F， MCLAUGHLIN N B，LIANG A Z， FAN R Q， JIA S X. Contribution of winter soil respiration to annual soil CO2emission in a mollisol under different tillage practices in northeast China. Global Biogeochemical Cycles，2012， 26（2）.

［29］ JIANG J G， GUO S L， ZHANG Y J， LIU Q F， WANG R， WANG Z Q， LI N N， LI R J. Changes in temperature sensitivity of soil respiration in the phases of a three-year crop rotation system. Soil and Tillage Research， 2015（150）： 139-146.

［30］ 骆亦其， 周旭辉. 土壤呼吸与环境. 北京： 高等教育出版社， 2007：92. LUO Y Q， ZHOU X H. Soil Respiration and the Envirnment. Beijing：Higher Education Press， 2007： 92. （in Chinese）

［31］ ZHAI L， LIU H， ZHANG J， HUANG J， WANG B W. Long-term application of organic manure and mineral fertilizer on N2O and CO2emissions in a red soil from cultivated maize-wheat rotation in China. Agricultural Sciences in China， 2011， 10（11）： 1748-1757.

［32］ REICOSKY D C， LINDSTROM M J， SCHUMACHER T E， LOBB D E， MALO D D. Tillage-induced CO2loss across an eroded landscape. Soil and Tillage Research， 2005， 81（2）： 183-194.

［33］ 李玮， 张佳宝， 张丛志. 秸秆还田方式和氮肥类型对黄淮海平原夏玉米土壤呼吸的影响. 中国生态农业学报， 2012， 20（7）： 842-849. LI W， ZHANG J B， ZHANG C Z. Effects of straw incorporation and N fertilization on soil respiration during maize （Zea mays L.） growth in Huanghuaihai Plain. Chinese Journal of Eco-Agriculture， 2012，20（7）： 842-849. （in Chinese）

［34］ 于爱忠， 黄高宝， 柴强. 不同耕作措施对西北绿洲灌区冬小麦农田土壤呼吸的影响. 草业学报， 2012， 21（1）： 273-278. YU A Z， HUANG G B， CHAI Q. Effects of different tillage measures on soil respiration of winter wheat in the irrigation area of Northwest China. Acta Prataculturae Sinica， 2012， 21（1）： 273. （in Chinese）

［35］ 孙媛， 任广鑫， 冯永忠， 张青， 李慧瑛， 杨改河. 秸秆还田和施氮对土壤水热因子及呼吸速率的影响. 西北农林科技大学学报（自然科学版）， 2015， 43（3）： 146-152. SUN Y， REN G X， FENG Y Z， ZHANG Q， LI H Y， YANG G H. Comprehensive influence of straw-returning and nitrogen fertilization on hydrothermal factors and soil respiration. Journal of Northwest A&F University （Natural Science Edition）， 2015， 43（3）： 146-152. （in Chinese）

［36］ 马永良， 宇振荣， 江永红， 罗维. 两种还田模式下玉米秸秆分解速率的比较. 生态学杂志， 2002， 21（6）： 68-70. MA Y L， YU Z R， JIANG Y H， LUO W. Comparison of decomposition rates of maize straw between two kinds of straw incorporation. Chinese Journal of Ecology， 2002， 21（6）： 68-70. （in Chinese）

［37］ 付国占， 李潮海， 王俊忠， 王振林， 曹鸿鸣， 焦念元， 陈明灿. 残茬覆盖与耕作方式对土壤性状及夏玉米水分利用效率的影响. 农业工程学报， 2005， 21（1）： 52-56. FU G Z， LI C H， WANG J Z， WANG Z L， CAO H M， JIAO N Y，CHEN M C. Effects of stubble mulch and tillage methods on soil properties and water use efficiency of summer maize. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2005， 21（1）： 52-56. （in Chinese）

［38］ 黄高宝， 李玲玲， 张仁陟， 蔡立群， KWONGYIN CHAN. 免耕秸秆覆盖对旱作麦田土壤温度的影响. 干旱地区农业研究， 2006， 24（5）：1-4. HUANG G B， LI L L， ZHANG R S， CAI L Q， KWONGYIN CHAN. No tillage effects on soil temperature of dryland wheat. Agricultural Research in the Arid Areas， 2006， 24（5）： 1-4. （in Chinese）

［39］ 杜新艳， 杨路华， 脱云飞， 高惠嫣， 张振伟. 秸秆覆盖对夏玉米农田水分状况、土壤温度及生长发育的影响. 南水北调与水利科技，2006， 4（2）： 24-26.DU X Y， YANG L H， TUO Y F， GAO H Y， ZHANG Z W. Moisture condition， soil temperature and growth condition in maize field mulched. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology， 2006， 4（2）： 24-26. （in Chinese）

［40］ WANG X， JIA Z， LIANG L. Effect of straw incorporation on soil moisture， evapotranspiration， and rainfall-use efficiency of maize under dryland farming. Journal of Soil and Water Conservation， 2014，69（5）： 449-455.

［41］ 王晖， 刘泉汝， 张圣勇， 沈加印， 赵丹丹， 于京平， 李全起. 秸秆覆盖下超高产夏玉米农田产量和土壤水分的动态变化. 水土保持学报， 2011， 25（5）： 261-264. WANG H， LIU Q R， ZHANG S Y， SHEN J Y， ZHAO D D， YU J P， LI Q Q. Grain yield and soil water content of super-high-yield summer maize under straw mulching. Journal of Soil and Water Conservation，2011， 25（5）： 261-264. （in Chinese）

［42］ 禄兴丽， 廖允成. 保护性耕作对旱作夏玉米苗期土壤水热及作物产量的影响. 土壤通报， 2014， 45（1）： 147-150. LU X L， LIAO Y C. Conservation tillage in dryland soil water and heat of summer maize and crop yields. Chinese Journal of Soil Science， 2014， 45（1）： 147-150. （in Chinese）

［43］ 刘爽， 严昌荣， 何文清， 刘勤. 不同耕作措施下旱作农田土壤呼吸及其影响因素. 生态学报， 2010， 30（11）： 2919-2924. LIU S， YAN C R， HE W Q， LIU Q. Soil respiration and it's affected factors under different tillage systems in dryland production systems. Acta Ecologica Sinica， 2010， 30（11）： 2919-2924. （in Chinese）

［44］ WANG X G， ZHU B， WANG Y Q， ZHENG X H. Soil respiration and its sensitivity to temperature under different land use conditions. Acta Ecologica Sinica， 2007， 27（5）： 1960-1968.

［45］ 张庆忠， 吴文良， 王明新， 周中仁， 陈淑峰. 秸秆还田和施氮对农田土壤呼吸的影响. 生态学报， 2005， 25（11）： 2883-2887. ZHANG Q Z， WU W L， WANG M X， ZHOU Z R， CHEN S F. The effects of crop residue amendment and N rate on soil respiration. Acta Ecologica Sinica， 2005， 25（11）： 2883-2887. （in Chinese）

［46］ 孙小花， 张仁陟， 蔡立群， 陈强强. 不同耕作措施对黄土高原旱地土壤呼吸的影响. 应用生态学报， 2009（9）： 2173-2180. SUN X H， ZHANG R S， CAI L Q， CHEN Q Q. Effects of different tillage measures on upland soil respiration in Loess Plateau. Chinese Journal of Applied Ecology， 2009（9）： 2173-2180. （in Chinese）

［47］ ADHIKARI K R， DAHAL K R， CHEN Z S， TAN Y C， LAI J S. Rice-wheat cropping system： tillage， mulch， and nitrogen effects on soil carbon sequestration and crop productivity. Paddy and Water Environment， 2015. DOI 10.1007/s10333-015-0511-1.

［48］ 陈鲜妮， 岳西杰， 葛玺祖， 王旭东. 长期秸秆还田对塿土耕层土壤有机碳库的影响. 自然资源学报， 2012， 27（1）： 25-32. CHEN X N， YUE X J， GE X Z， WANG X D. Effect of long-term straw return on soil organic carbon pool in Lou soil. Journal of Resources， 2012， 27（1）： 25-32. （in Chinese）

［49］ HAN H F， NING T Y， LI Z J， CAO H M. Soil respiration rate in summer maize field under different soil tillage and straw application. Maydica， 2014， 59（2）： 185-190.

［50］ LENKA N K， LAL R. Soil aggregation and greenhouse gas flux after 15 years of wheat straw and fertilizer management in a no-till system. Soil and Tillage Research， 2013， 126： 78-89.

［51］ 武际， 郭熙盛， 鲁剑巍， 王允清， 张晓玲， 许征宇. 连续秸秆覆盖对土壤无机氮供应特征和作物产量的影响. 中国农业科学， 2011，45（9）： 1741-1749. WU J， GUO X S， LU J W， WANG Y Q， ZHANG X L， XU Z Y. Effects of continuous straw mulching on supply characteristics of soil inorganic nitrogen and crop yields. Scientia Agricultura Sinica， 2011，45（9）： 1741-1749. （in Chinese）

［52］ 屈会娟， 李金才， 沈学善， 魏凤珍， 武进东， 马蓓. 秸秆全量还田对冬小麦不同小穗位和粒位结实粒数和粒重的影响. 中国农业科学， 2010， 44（10）： 2176-2183. QU H J， LI J C， CHEN X L， WEI F Z， WU J D， MA B. Effects of all straw returned to the field on grain number and grain weight at different spikelets and grain positions in winter wheat. Scientia Agricultura Sinica， 2010， 44（10）： 2176-2183. （in Chinese）

（责任编辑 杨鑫浩，李莉）

Effects of Straw Returning to Field on Soil Respiration and Soil Water Heat in Winter Wheat - Summer Maize Rotation System Under No Tillage

WANG Wei-yu1，2， QIAO Bo1，2， Kashif AKHTAR2， YUAN Shuai1，2， REN Guang-xin1，2， FENG Yong-zhong1，2
（1College of Agronomy， Northwest A & F University， Yangling 712100， Shaanxi；2The Research Center of Recycle Agricultural Engineering and Technology of Shaanxi Province， Yangling 712100， Shaanxi）

Abstract：【Objective】The purpose of the study was to investigate the effects of straw mulching on soil respiration， soiltemperature and soil moisture of winter wheat and summer maize rotation system in no tillage.【Method】From October 2011 to September 2014， a long-term location test of 6 different tillage treatments was set in Yangling， Shaanxi. The treatments used were total amount of straw returning to field+fertilization （S1F1）， total amount of straw returning to field+no fertilization（S1F0）， half the amount of straw to field+fertilization （S1/2F1）， half the amount of straw to field+no fertilization（S1/2F0）， without straw+fertilization （S0F1）， without straw+no fertilization（S0F0）， then the differences in soil respiration， soil temperature， soil moisture， crop yield and soil organic carbon of the soil plow layer under different treatments were measured and analyzed from 2011 to 2014. 【Result】During the growth period of winter wheat， soil respiration rate in each treatment showed an increase after the first downward trend and then a decrease. During the growth period of summer maize， the respiration rate in each treatment showed a trend of first increase and then decrease. During the same growth period， the following was S1F1＞S1/2F1＞S1/2F0＞S0F1＞S1F0＞CK in the average rate and cumulative soil respiration. During different growth stages of the same crop， the cumulative soil respiration in different treatments showed a decreasing trend year by year. In the whole research term， the variation trend of soil temperature was similar with the trend of the monthly average temperature. The soil temperature variation trends of different treatments during the same growth period were similar. Simultaneously， the average soil temperatures during the same period of different treatments were decreased with the increase of soil depth. In winter， the soil temperature of different treatments was higher than that of CK， but the average soil temperature was lower than that of CK in a same growth period. The soil moisture decreased with the increase of soil depth， but the soil moisture was affected by rainfall， the change of soil moisture in different rotation cycles was larger， and the average water moisture of each treatment showed a trend of S1F0＞S1F1＞S1/2F0＞S1/2F1＞CK＞S0F1 in a same growth period. Meanwhile， the soil moisture in different straw mulching treatments was significantly different from that of CK， respectively （P＜0.05）； 32.5％-60.4％ variations in soil respiration rate could be recorded due to the soil temperature， and 38.4％-82.5％ variations in it could be recorded due to the soil moisture. In different depths of soil， the correlation between the soil temperature and the soil respiration in 5 cm depth was the strongest， and the correlation between the soil moisture and the soil respiration at 10-20 cm was the highest. In the same year， the yields of winter wheat and summer maize in different treatments， respectively， showed a trend of S1F1 ＞S1F0＞S1/2F1＞S0F1＞S1/2F0＞CK. In the research cycle， the yield of wheat increased continuously in three years， and the yield of maize increased in the previous two years of three， but the yield in the third year significantly decreased because of the influence of extremely hot weather. After the harvest of single crop， soil organic carbon in different treatments at the same soil depth，respectively， demonstrated a trend of S1F1＞S1/2F1＞S1F0＞S1/2F0＞S0F1＞CK. Meanwhile， the soil organic carbon in different treatments of straw mulching was increased continuously in the three years.【Conclusion】Long-term no tillage with straw returning can effectively reduce soil carbon emissions， improve soil water use efficiency and winter soil temperature， and increase crop yield and soil organic carbon. The effect of S1F0 treatment is the best among different treatments.

Key words：no tillage； winter wheat-summer maize； rotation； straw returning； soil respiration； water and heat condition

收稿日期：2015-10-16；接受日期：2016-03-06

基金项目：陕西省科技统筹计划（2015KTCL02-07，2016KTCL02-11）