不同耕作措施下稻茬直播冬油菜田土壤呼吸研究

吴永成，牛应泽，胡宗达

(1.四川农业大学 农学院，四川 成都 611130； 2.四川农业大学 资源学院，四川 成都 611130)

不同耕作措施下稻茬直播冬油菜田土壤呼吸研究

吴永成1，牛应泽1，胡宗达2，*

(1.四川农业大学 农学院，四川 成都 611130； 2.四川农业大学 资源学院，四川 成都 611130)

为探讨四川盆地稻茬田冬油菜生长季的土壤呼吸特征，采用LI-8100A土壤碳通量自动测量系统，于2012-11—2013-04对成都平原稻-油轮作系统不同耕作措施下直播冬油菜田的土壤呼吸进行测定。结果表明，观测期内直播冬油菜田土壤呼吸表现为旋耕处理(1.97 μmol·m-2·s-1)高于免耕处理(1.86 μmol·m-2·s-1)，但差异不显著(P>0.05)。直播冬油菜田土壤呼吸表现出先下降后升高的趋势，土壤呼吸速率最低值出现在1月份。旋耕与免耕条件下，直播冬油菜田土壤呼吸的温度敏感系数(Q10)分别为2.07和2.16。直播冬油菜田土壤呼吸与地上生物量呈显著(P<0.05)正相关，与土壤有机碳含量呈显著(P<0.05)负相关。耕层土壤温度是影响冬油菜田土壤呼吸的主要因素。

冬油菜；耕作措施；土壤呼吸；土壤温度；土壤水分含量

土壤碳排放在全球CO2地气交换和大气CO2浓度变化中起着重要作用[1-3]。土壤呼吸(RS)是陆地生态系统碳循环最重要的环节及土壤碳库的主要输出途径，其微小变化可对全球气候变化和碳循环产生重大影响[3-4]。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，且受到强烈的人为干扰；因此，深入探索农田生态系统土壤呼吸作用及其影响因子对于准确评估陆地生态系统碳收支具有重要意义[5]。研究显示，中国区域农田生态系统的RS对全球农田生态系统的贡献为10.52%，远高于其他陆地生态系统[1]。

近年来，国内关于农田土壤呼吸的研究工作主要涉及东北、黄淮海平原和长江中下游等地区的旱作农田[4,6-14]。研究认为，耕作措施对土壤呼吸的影响表现为旋耕地土壤呼吸高于免耕地：如李琳等[7]在2005年对河北省栾城县旱作冬小麦的研究发现，旋耕地的土壤呼吸比免耕地高83.5%；张宇等[8]在2006年对相同试验区的研究显示，旋耕地的土壤呼吸比免耕地高25.4%；杨玲等[9]在陕西杨凌的研究显示，旋耕地冬小麦土壤呼吸仅比免耕地的高8.7%。这些研究都表明，不同耕作措施对旱作冬小麦农田土壤呼吸有明显影响。作为与冬小麦生长季相近的冬油菜，其耕作措施对土壤呼吸的影响尚不为人深知。因此，本研究拟以四川盆地稻茬田冬油菜为研究对象，探讨不同耕作措施下非生物因子对稻茬直播冬油菜田土壤呼吸变化的影响，以期为四川盆地土壤碳排放估算提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种德油6号为甘蓝型双低杂交油菜，由德阳市科乐油菜研究开发有限公司提供。试验所用商品肥料分别为复合肥(氮磷钾有效含量均为15%)、尿素(含N量46%)和硼砂。

1.2 试验设计与田间管理

试验于2012-10—2013-04在成都市大邑县三岔镇山墩村进行。试验田为冲积性水稻土，质地以壤土为主夹杂少量黏土，土壤基础肥力较好。0～20 cm耕层土壤全氮2.04 g·kg-1，有机质51.13 g·kg-1，碱解氮66.01 mg·kg-1，速效磷20.11 mg·kg-1，速效钾110.50 mg·kg-1。

采用单因素试验设计，设置旋耕(RT)和免耕(ZT)2种耕作方式，共2个处理，3次重复，合计6个小区。每小区长10 m、宽6 m，小区面积60 m2。底肥用量为复合肥600 kg·hm-2、硼砂15 kg·hm-2，分别于2012-11-28、2012-12-27追施尿素120、75 kg·hm-2。2012-10-11人工拉线点播油菜，10-20达到出苗期，基本苗密度36万·hm-2。2013-02-27初花，2013-03-23谢花，2013-04-28成熟割秆，全生育期(播种—成熟)198 d。试验区年均气温16.2 ℃，年均降水量1 030 mm。本试验冬油菜生育期间(2012-10—2013-04)月平均气温分别为17.5、12.0、7.7、6.4、10.0、16.4、18.4 ℃，月降水量分别为30.4、70.2、7.4、5.1、4.4、16.3、82.8 mm。

1.3 土壤与植株取样测定

大田试验播种施肥前，采用五点取样法对试验区田块耕作层土壤取样，土样风干后采用常规方法进行土壤的基础肥力测定。2012-11—2013-04在对应的土壤呼吸测定时期，每个月各小区取样1次，按3个样点取样，每样点取代表性5株，杀青后在80 ℃下烘干称重测定植株干重；同时取0～20 cm土层土样，风干后磨细过20目筛，采用重铬酸钾氧化—分光光度法测定土壤有机碳含量。

1.4 土壤呼吸速率测定

采用美国LI-COR公司LI-8100A土壤碳通量系统测定土壤呼吸速率。在不同耕作处理中每个小区光照和位置比较好的地点安置土壤呼吸PVC(直径20 cm、高度8 cm)环，植入土层深度3 cm处，且整个试验期固定不变。每个小区布设9个PVC环，共54个PVC环。在测定土壤呼吸前1 d，小心去除PVC环内的地上植被，然后进行土壤呼吸测定，每次测定过程重复2次(取均值作为1次呼吸的测定值)。同时用LI-8100A土壤碳通量系统配套的土壤温湿度探针测定土壤5 cm处的温度(℃)和土壤体积含水量(cm3·cm-3)。测定时间为2012-11—2013-04，避开阴雨天于9:00—17:00[4]测定2次。

1.5 数据处理与分析方法

采用指数方程解释土壤呼吸与温度之间的关系，用线性模型解释土壤呼吸与土壤含水量以及土壤温度与土壤含水量的关系[15]。相关公式分别为：y=a×ebT；Q10=e10b；y=a+bSWC；y=a+bT+cSWC。其中：y为RS(μmol·m-2·s-1)，a、b、c分别为拟合参数，T、SWC为地下5 cm土壤温度(℃)和土壤体积含水量(cm·cm-3)，Q10为温度敏感系数。所有数据均利用SPSS 19.0进行统计分析，用Sigmaplot 10.0制图。

2 结果与分析

2.1直播冬油菜田土壤呼吸和土壤5 cm温湿度的动态变化

直播冬油菜生长季，旋耕(RT)处理平均土壤呼吸(1.97 μmol·m-2·s-1)高于免耕(ZT)处理(1.86 μmol·m-2·s-1)，但二者差异不显著(P>0.05)。直播冬油菜田土壤呼吸的季节变化表现为先下降后升高的趋势，土壤呼吸速率最低值出现在1月份(图1-A)。土壤温度及土壤体积含水量随时间的动态变化趋势与土壤呼吸一致(图1-B、图1-C)，其中土壤体积含水量的最低值出现在2月份，这可能主要与2012年12月至次年2月降水量较少有关。此外，与RT处理相比，ZT处理地下5 cm土壤温度有所升高，而土壤含水量显著(P<0.05)增加。

2.2直播冬油菜田土壤呼吸与土壤温度、含水量的关系

旋耕(RT)与免耕(ZT)下直播油菜田土壤呼吸与土壤温度显著相关(P=0.000)(图2)，土壤呼吸与土壤5 cm含水量显著线性相关(P=0.000，图3)。RT条件下，土壤温度是影响直播冬油菜田土壤呼吸的主要因素，可解释53.6%的土壤呼吸变化。ZT条件下，土壤温度也是影响直播冬油菜田土壤呼吸的主要因素，但水热复合回归模型要优于单因子模型(表1)，土壤温度与含水量的交互作用可解释60.5%的土壤呼吸变化。RT与ZT处理条件下，直播冬油菜田土壤呼吸的温度敏感系数(Q10)分别为2.07和2.16。

2.3直播冬油菜田土壤呼吸与地上生物量及土壤有机碳含量的关系

图1 土壤呼吸(A)、土壤5 cm温度(B)及土壤5 cm含水量(C)随时间的变化Fig.1 Changes of RS， soil temperature and soil water content at the 5 cm depth by time

图2 土壤呼吸与土壤5 cm温度的关系Fig.2 Relationship of RS and soil temperature at 5 cm depth

图3 土壤呼吸与土壤5 cm体积含水量的关系Fig.3 Relationship of RS and soil water content at 5 cm depth

表1土壤呼吸与土壤5 cm温度、湿度交互效应的相关性

Table1Correlation of RS and interaction effects of soil temperature and soil water content at 5 cm depth

耕作措施Tillage参数Parameter回归模型RegressionmodelnFR2P旋耕Rotarytillage(RT)T×SWCy=0.024+0.136T+2.559×SWC252139.4090.5280.000免耕Zerotillage(ZT)T×SWCy=-0.326+0.117T+3.825×SWC252190.7650.6050.000

RT与ZT处理的土壤有机碳含量(20.33、21.77 g·kg-1)及油菜地上部生物量(17 922、18 671 kg·hm-2)均无显著差异(P>0.05)。相关分析表明，不同耕作措施下，直播油菜田土壤呼吸与土壤有机碳含量呈显著(P<0.05)负相关(图4-A)，而与群体地上生物量呈显著(P<0.05)正相关(图4-B)。

3 讨论

3.1 耕作措施对土壤呼吸的影响

不同耕作措施下，稻茬直播冬油菜生长季农田土壤呼吸均表现出显著的季节性变化，且最高、最低值分别出现在2013-04和2013-01。整个观测期内，稻茬直播冬油菜田土壤呼吸速率变化范围为1.05～2.84 μmol·m-2·s-1，低于大田常规翻耕移栽油菜的研究结果[16-17]。冬小麦农田不同耕作措施对土壤呼吸影响的研究显示，华北平原冬小麦生育期(10月至次年5～6月)RT处理下的土壤呼吸速率(2.32～3.07 μmol·m-2·s-1)显著高于ZT处理(1.73～1.85 μmol·m-2·s-1)[7-8]，在陕西黄土高原冬小麦季节(10月至次年6月)上的研究也有类似结论，RT处理(3.57 μmol·m-2·s-1)>ZT处理(3.26 μmol·m-2·s-1)[9]。本研究中，稻茬直播冬油菜田RT处理的平均土壤呼吸速率(1.97 μmol·m-2·s-1)虽高于ZT处理(1.86 μmol·m-2·s-1)，但尚未达到显著性水平。相同耕作措施下，稻茬直播冬油菜田的土壤呼吸数值明显低于冬小麦农田，这可能与作物种类、耕地类型及研究区生态条件等方面的差异有关。

图4 不同耕作措施下土壤呼吸与群体生物量(BM)及土壤有机碳含量(TOC)的相关性Fig.4 Correlation of RS and biomass or soil total organic carbon under different tillage conditions

3.2 环境因子对土壤呼吸的影响

RT与ZT处理下，稻茬直播冬油菜田土壤呼吸速率与土壤5 cm温度和土壤体积含水量呈显著正相关(图2、图3)，这与已有研究报道结果相似[16-18]。本研究发现，土壤体积含水量对土壤呼吸的贡献率显著低于土壤温度，说明土壤温度是影响冬油菜土壤呼吸的主导因子。已有研究中土壤呼吸速率与土壤有机碳的关系各异，有的认为土壤呼吸与土壤有机碳呈显著正相关[19]或负相关[6]，也有研究显示二者相关性不显著[16，20-21]。本研究结果显示，直播冬油菜田土壤呼吸速率与土壤有机碳含量呈显著负相关。这可能是因为试验田具有较高土壤肥力，冬油菜生长前期土壤温度低、降水量少，致使土壤微生物活性较低，进而影响到土壤呼吸速率，而到油菜中后期由于土壤温度升高、降水增多，土壤微生物活动增强而促进土壤呼吸速率的提升[6]。此外，本研究发现，不同耕作措施下，直播冬油菜田土壤呼吸速率与地上部生物量呈显著正相关，这与已有的研究结果相似[21-23]。

3.3 土壤呼吸温度敏感性

4 结论

本试验显示，在稻-油轮作系统下，直播冬油菜田土壤呼吸具有明显的季节变化特点，表现为先下降、后升高的趋势。旋耕与免耕对直播冬油菜田土壤呼吸无显著影响。耕层土壤温度是影响直播冬油菜田土壤呼吸的主要因素。直播冬油菜田土壤呼吸与地上部生物量呈显著正相关，与土壤有机碳含量呈显著负相关。稻茬直播冬油菜田土壤呼吸的温度敏感系数(Q10)为2.07～2.16。成都平原地区的稻茬冬油菜田土壤碳排放估算，应采用水热因子复合回归模型。

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(责任编辑高 峻)

Studyonsoilrespirationofdirect-sowingwinteroilseedrapeinpaddyfieldunderdifferenttillageconditions

WU Yongcheng1， NIU Yingze1， HU Zongda2，*

(1.CollegeofAgronomy，SichuanAgriculturalUniversity，Chengdu611130，China; 2.CollegeofResources，SichuanAgriculturalUniversity，Chengdu611130，China)

In order to explain the characteristic of soil respiration (RS) during the growth season of direct-sowing winter rapeseed in the paddy field， a field experiment was carried out to examine the variations of soil respirations and soil temperature (ST) and soil water content (SWC) at the 5 cm depth of winter oilseed rape under rice-rapeseed rotation system in Chengdu Plain of Sichuan Province from November 2012 to April 2013. It was shown that there was no significant difference of RS between rotary tillage (RT) treatment (1.97 μmol·m-2·s-1) and zero tillage (ZT) treatment (1.86 μmol·m-2·s-1) during growth season of winter oilseed rape. The monthly variation trend of RS was first decreased and then increased and the minimum value appeared in January 2013. Temperature sensitivity (Q10) of RS was 2.07 and 2.16 under RT and ZT， respectively. In addition， there was a significant (P<0.05) positive correlation between RS and above-ground biomass， yet a significant (P<0.05) negative correlation between RS and soil organic carbon. Soil temperature of topsoil was the main influencing factor of soil respiration in direct-sowing winter rapeseed.

winter oilseed rape (BrassicanapusL.); tillage; soil respiration; soil temperature; soil water content

S153

：A

：1004-1524(2017)09-1430-07

吴永成，牛应泽，胡宗达. 不同耕作措施下稻茬直播冬油菜田土壤呼吸研究[J]. 浙江农业学报，2017，29(9)： 1430-1436.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.09.02

2017-03-06

四川省农作物育种攻关栽培课题(2016NYZ0051)

吴永成(1973—)，男，四川大邑人，博士，教授，主要从事油菜栽培及农业生态研究。E-mail： ycwu2002@163.com

*通信作者，胡宗达， E-mail: huzd98 @163.com