全 文 ：黄土旱塬区不同覆盖措施对冬小麦农田
土壤呼吸的影响*
官摇 情1 摇 王摇 俊1,2**摇 宋淑亚2 摇 刘文兆2
( 1 西北大学城市与环境学院, 西安 710127; 2 中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 采用田间试验研究了黄土旱塬区不同覆盖措施下的冬小麦农田土壤呼吸日变化和
季节变化特征. 试验包括 4 个处理:作物生育期秸秆覆盖 600 kg·hm-2(M600 )、秸秆覆盖
300 kg·hm-2(M300)、地膜覆盖(PM)和无覆盖处理(CK) .结果表明:冬小麦农田土壤呼吸速
率从播种至返青之前呈下降趋势,处理间没有显著差异;越冬后土壤呼吸速率迅速提高,至拔
节期最高.与 CK相比,3 个覆盖处理在越冬至成熟期间均显著促进了土壤 CO2 的释放,其中
PM与其他处理间的差异达到极显著水平.全生育期 M600和 M300处理土壤呼吸速率平均分别
为 1郾 47 和 1郾 52 滋mol CO2·m-2·s-1,较 CK(1郾 38 滋mol CO2·m-2·s-1)分别提高了 6郾 6%和
10郾 2% ;PM处理土壤呼吸速率平均为 3郾 63 滋mol CO2·m-2·s-1,较 CK 提高了 163% . CK 处
理土壤呼吸日变化呈单峰曲线,峰值出现在 12:00 左右,秸秆覆盖后峰值时间推迟到 14:00
左右;PM 处理土壤呼吸日变化特征在拔节期与对照相似,在成熟期则呈双峰曲线,峰值分别
出现在 12:00 和 16:00 左右. 土壤呼吸速率与土壤温度和土壤水分分别呈指数和抛物线式
相关.
关键词摇 土壤呼吸摇 覆盖摇 冬小麦摇 黄土旱塬区
文章编号摇 1001-9332(2011)06-1471-06摇 中图分类号摇 S152. 6摇 文献标识码摇 A
Effects of different mulching measures on winter wheat field soil respiration in Loess Plateau
dry land region. GUAN Qing1, WANG Jun1, 2, SONG Shu鄄ya2, LIU Wen鄄zhao2 ( 1College of Ur鄄
ban and Environmental Science, Northwest University, Xi爷an 710127, China; 2 Institute of Soil and
Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling
712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(6):1471-1476.
Abstract: A field experiment was conducted to study the effects of different mulching measures on
the diurnal and seasonal variations of winter wheat field soil respiration in dry land region of Loess
Plateau. Four treatments were installed, i. e. , 300 kg · hm-2 straw mulching ( M300 ),
600 kg·hm-2 straw mulching (M600), plastic film mulching (PM), and no mulching (CK). In
all treatments, the soil respiration rate had a decreasing trend from autumn to winter, but increased
rapidly after winter and peaked at jointing stage. Comparing with CK, treatments mulching promo鄄
ted the soil respiration obviously from wintering to maturing stage, with significant differences be鄄
tween treatment PM and the others. The average soil respiration rate in treatments M300 and M600 in
whole growth period was 1郾 52 滋mol CO2 ·m-2 ·s-1 and 1郾 47 滋mol CO2 · m-2 ·s-1, being
10郾 2% and 6郾 6% higher than the CK (1郾 38 滋mol CO2·m-2·s-1), respectively, and that in
treatment PM was 3郾 63 滋mol CO2·m-2·s-1, 163% higher than CK. The diurnal variation of soil
respiration rate in CK and in M300 and M600 presented a single peak curve and peaked at 12:00 and
14:00, respectively, but for PM treatment, the diurnal variation of soil respiration rate was similar
with that in CK at jointing stage while presented a bimodal curve at maturing stage, with the peaks
at 12:00 and 16:00, respectively. Soil respiration rate had an exponential correlation with soil tem鄄
perature, and a parabolic correlation with soil moisture.
Key words: soil respiration; mulching; winter wheat; Loess Plateau dry land region.
*教育部科技重点项目(209123)和中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2鄄YW鄄424)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wangj@ nwu. edu. cn
2010鄄11鄄29 收稿,2011鄄03鄄16 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 6 月摇 第 22 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2011,22(6): 1471-1476
摇 摇 通过土壤呼吸作用向大气释放 CO2 是导致全
球气候变化的关键性生态学过程,土壤呼吸作用的
微小变动将对全球碳循环产生显著影响[1-2] . 作为
人为干扰最强烈的陆地生态系统类型,农田生态系
统可以在较短的时间尺度上对碳库起调节作用[3] .
因此,深入理解农田生态系统土壤 CO2 的释放规律
及其控制机理对我国准确估算碳收支、制定全球变
化应对策略和 CO2 减排措施具有重要的指导意义.
黄土高原旱作农田是我国农田生态系统的主要
类型之一,该区降水分布不均,土壤水分亏缺一方面
限制了农田生产力的提高,另一方面也是影响农田
土壤 CO2 释放的关键因素. 地表覆盖措施(覆盖秸
秆或者地膜)可以有效蓄水抑蒸保墒,增加土壤有
机质,提高作物产量和水分利用效率[4-7],已经成为
旱地农业的一项重要栽培技术措施.地表覆盖后,土
壤水热及理化性质均发生了显著改变,对土壤 CO2
释放过程也必然会产生显著影响,进而影响农田生
态系统的碳平衡.张庆忠等[8]在华北平原进行的冬
小麦鄄玉米轮作试验表明,随着秸秆还田量的增加,
土壤呼吸通量显著增加. 孙小花等[9]研究表明,与
传统耕作相比,各种覆盖措施都能不同程度地降低
土壤呼吸,其中免耕秸秆覆盖优势最明显.有关旱作
农田覆盖措施的相关研究较多,但针对旱作农田地
表覆盖后土壤呼吸变化特征及其控制机理的研究尚
待深入.本文以田间试验为基础,研究了秸秆和地膜
两种覆盖方式下冬小麦农田生态系统的土壤呼吸变
化规律及其水热控制机理,旨在探讨能更有效减缓
土壤中 CO2 排放的保护性耕作措施,以期为黄土高
原旱作农业区不同耕作措施的合理应用提供理论
依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
田间试验在中国科学院陕西长武农田生态系统
国家野外科学观测研究站 ( 35毅 12郾 787忆 N, 107毅
44郾 703忆 E)进行. 该区属暖温带半湿润大陆性季风
气候,农业生产主要依赖作物生育期的天然降水和
前期土壤蓄水,属于典型的旱作农业区. 该区海拔
1220 m,多年平均降水 584 mm,且季节性分布不均,
年均气温 9郾 1 益,无霜期 171 d.土壤属粘壤质黑垆
土,土层深厚,土质疏松,肥力中等,田间持水量为
22郾 4% ,凋萎湿度 9% .
1郾 2摇 试验设计
试验于 2008 年 9 月开始,作物品种为长武鄄134
冬小麦.试验共设置 4 个处理,对照(不覆盖,CK)、
作物生育期全量秸秆覆盖(覆盖量 600 kg·hm-2,
M600)、生育期半量秸秆覆盖(覆盖量 300 kg·hm-2,
M300)、生育期地膜覆盖(PM),每处理 3 次重复,随
机区组排列,每小区面积 24 m2 .冬小麦于 9 月下旬
播种,翌年 6 月收获后土壤休闲,期间采用圆盘耙机
耕松土(深度小于 20 cm)蓄墒.
1郾 3摇 测定项目与方法
土壤呼吸速率使用 Li鄄8100 ( Li鄄Cor, Lincoln,
NE,USA)开路式土壤碳通量测定系统测定. 2009 年
9 月 24 日(小麦播种)至 2010 年 6 月 28 日(作物收
获)期间每隔 15 ~ 20 d选择晴天 9:00—11:00 进行
田间测定,每小区重复 2 次,每处理共 6 次重复.
2010 年 4 月 22 日(拔节期)和 6 月 22 日(成熟期)
进行土壤呼吸日变化测定,自 8:00 开始每间隔 2 h
测定 1 次.土壤呼吸测定前在每个小区内安置测定
基座(去除基座内的一切活体).为了减少安置测定
基座对土壤系统的破坏,在基座安置 24 h 后再进行
测定,从而避免由于安置基座对土壤扰动造成的短
期呼吸速率波动[10] .
在每次测定土壤呼吸时,同期测定 0 ~ 5 cm 和
0 ~ 10 cm土层土壤含水量和土壤温度,土壤含水量
采用烘干法测定,温度采用地温计测定.
1郾 4摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 2003 软件处理数据和制
图,采用 SPSS 16郾 0 软件进行统计分析,LSD 法进行
多重比较.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同覆盖措施下土壤呼吸速率的季节变化
冬小麦农田土壤呼吸速率自播种至返青之前呈
下降趋势,且处理间没有显著差异(图 1). 1 月 15
日左右土壤呼吸速率降到最低值,这一天各个处理
土壤呼吸速率平均值的变化范围为 0郾 12 ~
0郾 13 滋mol CO2·m-2·s-1 .小麦返青到拔节期(4 月
中旬)各处理土壤呼吸均急剧上升,到拔节期达到
整个观测期间的最高值,其中 PM 处理最高,为
7郾 46 滋mol CO2·m-2·s-1,随后逐渐降低,至抽穗期
(5 月 21 日左右)降至最低,灌浆期(6 月 4 日左右)
各处理土壤呼吸速率又迅速升高,之后进一步降低
直至收获.全生育期 M600和 M300处理的土壤呼吸速
率平均分别为 1郾 47 和 1郾 52 滋mol CO2·m-2·s-1,
较 CK(1郾 38 滋mol CO2 ·m-2 · s-1 ) 分别提高了
6郾 6%和 10郾 2% ;PM 处理的土壤呼吸速率平均为
2741 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
3郾 63 滋mol CO2·m-2·s-1,较 CK 提高了 163% . 因
此,就全年来看,秸秆覆盖对土壤呼吸有显著影响.
作物返青至收获期间,秸秆覆盖处理与对照之间存
在显著差异,而地膜覆盖处理土壤呼吸速率极显著
高于其他处理.
2郾 2摇 不同覆盖措施下土壤呼吸速率的日变化
由图 2 可知,冬小麦拔节期(4 月 22 日)和成熟
期(6 月 22 日)对照和秸秆覆盖处理土壤呼吸日变
化均呈单峰曲线,其中对照处理土壤呼吸速率峰值
出现在12:00左右,两个秸秆覆盖处理土壤呼吸速
图 1摇 不同覆盖措施下土壤呼吸速率变化动态
Fig. 1摇 Dynamics of soil respiration rate under different mulc鄄
hing treatments.
图 2摇 不同覆盖措施下土壤呼吸速率的日变化
Fig. 2摇 Diurnal variation of soil respiration rate under different
mulching treatments.
a)拔节期 Jointing stage; b)成熟期 Maturing stage. 下同 The same be鄄
low.
率峰值延迟到 14:00 左右.与对照相比,地膜覆盖处
理土壤呼吸速率显著提高,在拔节期其土壤呼吸日
变化呈单峰曲线,但在成熟期则呈双峰曲线,两个峰
值分别出现在 12:00 和 16:00 左右.
2郾 3摇 不同覆盖措施下土壤水热因子对土壤呼吸速
率的影响
2郾 3郾 1 土壤温度对土壤呼吸的影响 摇 由图 3 可知,
对于 0 ~ 5 cm土层,在拔节期(4 月 22 日)与其他处
理相比,M600处理的土壤温度最低,对照和地膜覆盖
处理的土壤温度峰值出现在 12:00 左右,而秸秆覆
盖处理的土壤温度峰值出现在 14:00 左右,拔节期
土壤呼吸速率的日变化规律与土壤温度的日变化规
律一致,表明在拔节期土壤温度对土壤呼吸速率的
影响更显著.在成熟期(6 月 22 日),各处理土壤温
度的变化趋势和峰值出现时间与拔节期一致,对照
处理的土壤温度最高,其次是地膜覆盖处理,两者之
间差异不显著;而拔节期,地膜覆盖处理的土壤温度
最高,其次是对照处理,且两者间差异显著. 无论在
拔节期还是成熟期,0 ~ 10 cm 土层的土壤温度变化
趋势均与该时期 0 ~ 5 cm土层一致.
用 0 ~ 5 cm 和 0 ~ 10 cm 土层的土壤温度分别
与土壤呼吸速率进行拟合(表 1),结果表明,0 ~
5 cm和 0 ~ 10 cm 土层土壤温度与土壤呼吸速率之
间均呈指数相关,各处理 0 ~ 5 cm 土层土壤温度与
土壤呼吸速率的相关系数均高于 0 ~ 10 cm土层.
2郾 3郾 2 土壤含水量对土壤呼吸的影响摇 在拔节期(4
月 22 日),除对照外,秸秆覆盖和地膜覆盖处理 0 ~
5 cm土层土壤含水量在 14:00 左右降到最低,而后
呈上升趋势(图 3),最后趋于平缓. 在成熟期(6 月
22 日),CK处理 0 ~ 5 cm土层土壤含水量始终低于
表 1摇 不同覆盖措施下土壤呼吸速率(y)与土壤温度(x)的
回归方程
Table 1摇 Regression equation between soil respiration rate
( y ) and soil temperature ( x) under different mulching
treatments (n=72)
土壤层次
Soil layer
(cm)
处理
Treatment
回归方程
Regression equation
R2 P
0 ~ 5 CK y=0郾 2841e0郾 022x 0郾 741 0郾 046
M600 y=0郾 482e0郾 748x 0郾 755 0郾 121
M300 y=0郾 383e0郾 953x 0郾 791 0郾 035
PM y=0郾 6651e0郾 00341x 0郾 749 0郾 001
0 ~ 10 CK y=0郾 5673e0郾 0036x 0郾 685 0郾 067
M600 y=0郾 6697e0郾 00294x 0郾 732 0郾 043
M300 y=0郾 4126e0郾 0034x 0郾 782 0郾 024
PM y=0郾 295e0郾 0271x 0郾 719 0郾 001
37416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 官摇 情等:黄土旱塬区不同覆盖措施对冬小麦农田土壤呼吸的影响摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 不同覆盖措施下土壤温度和含水量的日变化
Fig. 3摇 Diurnal variation of soil temperature and soil moisture under different mulching treatments.
玉: 0 ~ 5 cm; 域: 0 ~ 10 cm.
其他处理,秸秆覆盖处理土壤含水量峰值出现在
14:00 左右,而地膜覆盖处理土壤含水量在一天内
出现两次高峰,分别出现在 12:00 左右和 16:00 左
右,与土壤呼吸的日变化规律一致.
用冬小麦拔节期(4 月 22 日)和成熟期(6 月 22
日)0 ~ 5 cm和 0 ~ 10 cm土壤体积含水量分别与土
壤呼吸速率进行拟合(表 2),结果表明,各处理土壤
含水量与土壤呼吸速率之间呈抛物线型相关,不同
覆盖处理的相关性都高于对照处理,其中 M600和
M300处理土壤含水量与土壤呼吸速率的相关性在各
层次土壤中均为最高,0 ~ 10 cm 土层土壤含水量对
冬小麦土壤呼吸的影响更为明显.
表 2摇 不同覆盖措施下土壤呼吸速率(y)与土壤含水量(x)
的回归方程
Table 2摇 Regression equation between soil respiration rate
(y) and soil moisture ( x) under different mulching treat鄄
ments (n=72)
土壤层次
Soil layer
(cm)
处理
Treatment
回归方程
Regression equation
R2 P
0 ~ 5 CK y=5郾 369+1郾 569x-0郾 075x2 0郾 683 0郾 046
M600 y=4郾 883+1郾 041x-0郾 08x2 0郾 755 0郾 121
M300 y=5郾 433+1郾 357x-0郾 089x2 0郾 791 0郾 035
PM y=5郾 987+1郾 678x-0郾 079x2 0郾 731 0郾 001
0 ~ 10 CK y=4郾 357+1郾 498x-0郾 081x2 0郾 721 0郾 067
M600 y=5郾 479+1郾 001x-0郾 079x2 0郾 768 0郾 043
M300 y=6郾 214+1郾 543x-0郾 677x2 0郾 994 0郾 024
PM y=6郾 687+1郾 687x-0郾 077x2 0郾 746 0郾 001
4741 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
3摇 讨摇 摇 论
黄土高原雨养农业区土壤呼吸主要受土壤温度
和土壤水分的影响,具有明显的季节动态.冬小麦农
田土壤呼吸速率自播种至返青之前呈下降趋势,且
处理间没有显著差异,小麦返青后土壤呼吸速率迅
速升高,到拔节期达到最高值,随后逐渐降低,这与
高会议等[11]在黄土旱塬区的研究结论一致.与对照
相比,就全年平均值来看,秸秆覆盖措施能显著加快
土壤呼吸速率,M600处理土壤呼吸速率在小麦拔节
后一直低于 M300处理,表明增加秸秆覆盖量对土壤
呼吸过程具有抑制作用,这一结果与张庆忠等[8]的
研究相反.一方面原因可能在于秸秆覆盖虽然增加
了土壤表层含水量,但在高温条件下有明显降低土
壤温度的作用,随着覆盖量的增加,土壤温度呈下降
趋势[4],而已有研究表明,在土壤水分含量充足、不
成为限制性因素的条件下,土壤 CO2 排放量随着温
度的升高而有显著增加[12-13];另一方面当土壤湿度
较低时,土壤呼吸强度随土壤水分的增加而增加,但
过高的土壤含水量会限制土壤中 O2 的扩散,植物根
系和好氧微生物的活动受到抑制,土壤有机质的分
解速率降低,土壤呼吸出现下降[14-15] . 与秸秆覆盖
相比,地膜覆盖的增温保墒作用更为显著[16],因此
在小麦返青后 PM处理土壤呼吸速率显著高于两个
秸秆覆盖处理.
从土壤呼吸速率日变化看,对照处理峰值出现
在中午 12:00 左右,这与高会议等[11]在黄土旱塬区
的研究结论一致.与对照相比,秸秆覆盖后土壤呼吸
速率日变化峰值出现时间存在延后效应. 农田秸秆
覆盖后,在地面和空气之间形成了一个疏松的隔离
层,切断了土壤与大气的直接联系,阻挡了土壤水分
向大气的自由逸散,从而改变了近地面的水热状况.
通常秸秆覆盖量越大,对温度的影响越明显[17] . 巩
杰等[18]研究表明,旱作农田秸秆覆盖在高温时有降
低土壤温度,低温时有提高土壤温度的作用.而温度
的改变对土壤呼吸具有直接的调控作用[12],秸秆覆
盖对午间温度的调节作用可能导致了土壤呼吸高峰
值出现了延迟效应.与秸秆覆盖相比,地膜覆盖后土
壤呼吸在拔节期日变化呈单峰变化,但在成熟期呈
双峰曲线.已有研究表明,地膜在低温季节的增温作
用明显[19-20],在高温度季节,由于受作物生长郁闭
的影响,地膜覆盖和无覆盖下的土壤温度差别不
大[21] .从土壤水分角度分析,秸秆覆盖处理后土壤
含水量峰值成熟期出现在 14:00 左右,而地膜覆盖
后的土壤含水量在一日内则出现两次高峰,分别出
现在 12:00 左右和 16:00 左右,这可能是导致土壤
呼吸速率出现两个峰值的原因.
土壤温度和水分是控制土壤呼吸的两个主要因
素[22],本研究中土壤呼吸作用与土壤温度和水分分
别满足指数式和抛物线方程,这与孙小花等[9]在同
类地区的结果相一致. 覆盖物阻挡了太阳辐射向地
面的传播,其降温作用随着土层深度的增加而减
弱[23],本文中各处理 0 ~ 5 cm土层土壤温度与土壤
呼吸速率的相关系数均高于 0 ~ 10 cm土层,这与张
庆忠等[8]的研究一致,表明 0 ~ 5 cm 土层土壤温度
与土壤呼吸速率的拟合比 0 ~ 10 cm更好.与温度不
同,表层土壤水分较下层水分具有更大的波动性,因
此土壤呼吸与 0 ~ 10 cm 土层水分具有更高的相
关性.
4摇 结摇 摇 论
地表覆盖是黄土高原旱作农业区常用的保墒增
产措施,不同覆盖措施下冬小麦连作系统 CO2 排放
存在明显的生育期和日变化规律.全年平均,冬小麦
农田土壤呼吸速率自作物播种至返青之前呈下降趋
势,且处理之间差异不显著,越冬后土壤呼吸速率迅
速提高,至拔节期达到最高峰(图 1).与对照相比,
秸秆覆盖措施促进了土壤 CO2 释放过程. M600处理
的土壤呼吸速率低于 M300处理,因为增加秸秆覆盖
量降低了地表温度,对土壤呼吸具有一定的抑制作
用.地膜覆盖后由于更显著的增温保墒作用,其土壤
呼吸速率极显著地高于其他处理. 冬小麦农田土壤
呼吸呈单峰曲线,峰值时间出现在中午时段,而秸秆
覆盖推迟了土壤呼吸速率峰值出现时间. 与对照相
比,地膜覆盖由于其对土壤水分的控制,土壤呼吸速
率日变化在成熟期呈现双峰曲线.
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作者简介摇 官摇 情,女,1985 年生,硕士研究生. 主要从事黄
土高原旱作农业区土壤 CO2 释放特征和水分利用效率研
究. E鄄mail: guanqing_163@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
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