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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 6 期摇 摇 2013 年 3 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
专论与综述
基于遥感技术的森林健康研究综述 高广磊,信忠保,丁国栋,等 (1675)…………………………………………
Agent农业土地变化模型研究进展 余强毅,吴文斌,杨摇 鹏,等 (1690)…………………………………………
个体与基础生态
辽东湾北部近海沙蜇的动态分布 王摇 彬,秦宇博,董摇 婧,等 (1701)……………………………………………
口虾蛄 proPO基因全长 cDNA的克隆与组织表达 刘海映,刘连为,姜玉声,等 (1713)…………………………
中缅树鼩头骨及下臼齿几何形态与环境的关系 朱万龙,贾摇 婷,黄春梅,等 (1721)……………………………
亚热带 3 种树种凋落叶厚度对其分解速率及酶活性的影响 季晓燕,江摇 洪,洪江华,等 (1731)………………
浙北地区常见绿化树种光合固碳特征 张摇 娇,施拥军,朱月清,等 (1740)………………………………………
两种高质牧草不同生育期光合生理日变化及光响应特征 郭春燕,李晋川,岳建英,等 (1751)…………………
基于 WOFOST作物生长模型的冬小麦干旱影响评估技术 张建平,赵艳霞,王春乙,等 (1762)………………
基于线粒体 DNA控制区的斑翅草螽不同地理种群遗传分化研究 周志军,尚摇 娜,刘摇 静,等 (1770)………
圈养尖吻蝮雌体大小、窝卵数和卵大小之间的关系 胡明行,谭群英,杨道德 (1778)……………………………
应用寄生蜂和不育雄虫防控田间橘小实蝇 郑思宁,黄居昌,叶光禄,等 (1784)…………………………………
青蒿素对外生菌根真菌化感效应 李摇 倩,袁摇 玲,王明霞,等 (1791)……………………………………………
种群、群落和生态系统
海湾生态系统健康评价方法构建及在大亚湾的应用 李纯厚,林摇 琳,徐姗楠,等 (1798)………………………
上升流和水团对浙江中部近海浮游动物生态类群分布的影响 孙鲁峰,柯摇 昶,徐兆礼,等 (1811)……………
半干旱区生态恢复关键生态系统识别———以内蒙古自治区和林县为例
彭摇 羽,高摇 英,冯金朝,等 (1822)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
太岳山油松人工林土壤呼吸对强降雨的响应 金冠一,赵秀海,康峰峰,等 (1832)………………………………
重庆酸雨区马尾松林凋落物特征及对干旱胁迫的响应 王轶浩,王彦辉,于澎涛,等 (1842)……………………
景观、区域和全球生态
城市典型水域景观的热环境效应 岳文泽,徐丽华 (1852)…………………………………………………………
外来树种桉树引种的景观生态安全格局 赵筱青,和春兰 (1860)…………………………………………………
基于耕地生态足迹的重庆市耕地生态承载力供需平衡研究 施开放,刁承泰,孙秀锋,等 (1872)………………
大气 CO2 浓度升高对稻田根际土壤甲烷氧化细菌丰度的影响 严摇 陈,许摇 静,钟文辉,等 (1881)…………
资源与产业生态
基于可变模糊识别模型的海水环境质量评价 柯丽娜,王权明,孙新国,等 (1889)………………………………
亚热带养殖海湾皱瘤海鞘生物沉积的现场研究 闫家国,齐占会,田梓杨,等 (1900)……………………………
黄土高原典型苹果园地深层土壤氮磷钾养分含量与分布特征 张丽娜,李摇 军,范摇 鹏,等 (1907)……………
旱作农田不同耕作土壤呼吸及其对水热因子的响应 张丁辰,蔡典雄,代摇 快,等 (1916)………………………
商洛低山丘陵区农林复合生态系统中大豆与丹参的光合生理特性 彭晓邦,张硕新 (1926)……………………
外源油菜素内酯对镉胁迫下菊芋幼苗光合作用及镉富集的调控效应 高会玲,刘金隆,郑青松,等 (1935)……
基于侧柏液流的测定对 Granier原始公式系数进行校正 刘庆新,孟摇 平,张劲松,等 (1944)…………………
研究简报
湿地自然保护区保护价值评价方法 孙摇 锐,崔国发,雷摇 霆,等 (1952)…………………………………………
干热河谷印楝和大叶相思人工林根系生物量及其分布特征 高成杰,唐国勇,李摇 昆,等 (1964)………………
海滨沙滩单叶蔓荆对沙埋的生理响应特征 周瑞莲,王摇 进,杨淑琴,等 (1973)…………………………………
宁夏贺兰山、六盘山典型森林类型土壤主要肥力特征 姜摇 林,耿增超,张摇 雯,等 (1982)……………………
学术争鸣
小兴安岭十种典型森林群落凋落物生物量及其动态变化 侯玲玲,毛子军,孙摇 涛,等 (1994)…………………
中国生态学学会 2013 年学术年会征稿通知 (2002)………………………………………………………………
第七届现代生态学讲座、第四届国际青年生态学者论坛通知 (玉)………………………………………………
中、美生态学会联合招聘国际期刊主编 (印)………………………………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*328*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*34*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄03
封面图说: 亭亭玉立的白桦树———白桦为落叶乔木,可高达 25m,胸径 50cm。 其树冠呈卵圆形,树皮白色,纸状分层剥离;叶三
角状、卵形或菱状卵形;花单性,雌雄同株。 白桦树喜光,耐严寒,对土壤适应性强,喜酸性土,沼泽地、干燥阳坡及湿
润阴坡都能生长。 常与红松、落叶松、山杨、蒙古栎混生。 白桦的天然更新好,生长较快,萌芽强,在人为的采伐迹地
或火灾、风灾等自然损毁的迹地里,往往由白桦首先进入,为先锋树种,而形成白桦次生林。 白桦分布甚广,我国大、
小兴安岭及长白山均有成片纯林,在华北平原和黄土高原山区、西南山地亦为阔叶落叶林及针叶阔叶混交林中的常
见树种。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 6 期
2013 年 3 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 6
Mar. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家重点基础研究发展 “ 973 冶 计划项目 ( 2011CB100501 );国家十二五 “ 863 冶 计划项目 ( 2011AA100505 );国际合作项目
(2010DFA34420)
收稿日期:2011鄄10鄄07; 摇 摇 修订日期:2012鄄12鄄14
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: xbwang@ caas. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201110071460
张丁辰,蔡典雄,代快,冯宗会,张晓明,王小彬.旱作农田不同耕作土壤呼吸及其对水热因子的响应.生态学报,2013,33(6):1916鄄1925.
Zhang D C, Cai D X, Dai K, Feng Z H, Zhang X M, Wang X B. Soil respiration and its responses to soil moisture and temperature under different tillage
systems in dryland maize fields. Acta Ecologica Sinica,2013,33(6):1916鄄1925.
旱作农田不同耕作土壤呼吸及其对水热因子的响应
张丁辰1,2,蔡典雄1,3,代摇 快1,冯宗会1,张晓明1,王小彬1,3,*
(1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,农业部作物营养与施肥重点开放实验室,北京摇 100081;
2. 北京京诚嘉宇环境科技有限公司,中冶京诚工程技术有限公司,北京摇 100053;3.农业部旱作节水农业重点开放实验室,北京摇 100081)
摘要:为研究旱作农田春玉米生育期不同耕作土壤呼吸变化特征及其对水热因子的响应情况,在山西省寿阳县旱农试验基地采
用红外气体分析法测定了传统耕作(CT)、少耕(RT)和免耕(NT)土壤呼吸速率,并同步测定了各土层土壤水分、温度。 研究表
明:在春玉米生育期内,土壤呼吸速率均呈单峰型变化趋势,峰值出现在 8 月;传统耕作与少耕土壤呼吸速率变化趋势基本一
致,而免耕土壤与前两者相比波动幅度较大;土壤呼吸峰值与水分、温度之间无明显相关,其余时期土壤呼吸与水分、温度因子
具有良好的相关性;双因子模型较单因子模型能更好的描述土壤呼吸与水分、温度之间关系,基于水热双因子(10—20 cm)的
指数鄄幂模型能够解释土壤呼吸变化的 81%—87% (P<0. 01);3 种耕作土壤呼吸对水热因子协同影响的敏感性表现为 CT>NT
>RT。
关键词:旱作农田;耕作措施;土壤呼吸;土壤水分;土壤温度;水热因子
Soil respiration and its responses to soil moisture and temperature under different
tillage systems in dryland maize fields
ZHANG Dingchen1,2, CAI Dianxiong1,3, DAI Kuai1, FENG Zonghui1, ZHANG Xiaoming1, WANG Xiaobin1,3,*
1 Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture / Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of
Agricultural Sciences, CAAS, Beijing 100081, China
2 CERI eco Technology Co. , LTD. Capital Engineering & Research Co. , LTD, Beijing 100053, China
3 Key Laboratory of Dryland Farming and Water鄄saving Agriculture, Beijing 100081, China
Abstract: Soil respiration and its responses to soil moisture and soil temperature under different tillage systems during the
period of spring maize growth were investigated in Shouyang Dryland Farming Experimental Station, Shanxi Province,
China. The soil respiration rate, soil moisture and soil temperature were determined by dynamic chamber鄄IRGA method, in
the maize field, with three tillage practices, including conventional (CT), reduced (RT), and no鄄till (NT). The results
showed that the changes in soil respiration rates had a single peak curve, and its peak appeared in August The seasonal
variations in soil respiration rates under CT, RT and NT were 0. 50—4. 81, 1. 11—5. 44 and 0. 40—5. 89 滋mol CO2 m
-2·
s-1, respectively. The trends in soil respiration between CT and RT were similar, while there was a larger fluctuation in soil
respiration with NT. The regression analysis showed that soil respiration had a significant correction with soil moisture or
temperature, but little at the peak values of soil respiration. Soil moisture (0—10 cm) could explain 57%—76% of
seasonal variations in the soil respiration. The moisture sensitivities of soil respiration were NT>RT>CT. Soil temperature
(15 cm) could explain 67%—82% of seasonal variations in the soil respiration. the Q10 was NT (2. 47)>RT (2. 02)>CT
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(1. 59). The two鄄factor model y= aebTWc or y= a+bT+cW could better describe the relationship between soil respiration and
combination of soil moisture and temperature than the one鄄factor model. The index鄄power model of combination of soil
moisture and temperature (10—20 cm) y= aebTWc can explain 81%—87% of variations in soil respiration (P<0. 01). The
sensitivities of three tillage treatments to the combination of soil moisture and temperature were: RT > CT > NT. Soil
respiration was affected differently by the hydrothermic factor or by each of the single factor.
Key Words: dryland farming; maize; soil moisture; soil respiration; soil temperature; tillage practices
土壤呼吸是土壤碳库向大气碳库输入碳的主要途径[1]。 研究表明,土壤碳库 0. 1%的变化将导致大气圈
CO2 浓度 1 mg / L的变化,从而加剧或减缓全球气候变暖[2]。 过去 100a 间(1906—2005 年)全球地面平均温
度升高了(0. 74依0. 18)益 [3],温度的升高会导致土壤释放出更多的 CO2,进一步加剧气候变暖[4],已经引起各
国政府和科研工作者的高度重视。 因此,明确陆地生态系统土壤呼吸变化规律及其影响因素的控制机理对制
定温室气体减排政策与正确评估区域碳汇 /源效应具有重要意义。 陆地生态系统土壤呼吸作用主要有 3 个特
征:土壤呼吸强度、时间变异性和空间变异性[5]。 测定不同区域陆地生态系统土壤呼吸速率及其影响因素,
明确其时间和空间变异特征,对于全球碳平衡预算、估测及其变化研究是最为基础的数据[6]。 因此,必须加
强不同区域土壤呼吸过程及其影响因素的研究[6鄄8]。
陆地生态系统中,森林和草原生态系统土壤呼吸是当前国内外研究重点,两生态系统土壤有机碳储量分
别约占全球陆地生态系统土壤有机碳总量的 40%和 15. 5% ,是全球碳循环的重要组成部分[9鄄11];近几十年
来,作为人为干扰最为强烈的农田生态系统被证明也是影响气候变化的主要因素之一[12]。 目前,我国农田土
壤呼吸方面研究主要集中在黄淮海、东北和长江中下游地区[13鄄14],而旱作农田土壤呼吸及其影响因素的研究
报道较少,且对土壤呼吸与水热因素之间关系的研究结论存在争议[14鄄16]。 本试验基于农业部寿阳旱作农业
试验基地自 2003 年开始的长期定位试验,测定了传统耕作、少耕和免耕土壤呼吸速率,同步测定了 0—10 cm
和 10—20 cm土壤水分以及 5、10cm和 15cm土壤温度,分析了春玉米生育期内不同耕作措施下土壤呼吸变
化特征,对土壤呼吸与水热两因素之间关系进行了拟合和分析,以期为土壤碳循环过程及其变化机制研究提
供理论依据和数据支持。
1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区域概况
试验设在半湿润偏旱区的山西省晋中地区寿阳旱农试验站(东经 112毅—113毅,北纬 37毅—38毅),属中纬度
暖温带大陆性季风气候区。 该区近 10 年的平均年降水量为 443. 8 mm,平均气温 7. 4 益。 试区内大部分土地
地势较高,海拔 1066—1159 m。 试验地选在较平缓、无灌溉条件的旱塬砂质壤土的褐土上,属全年无灌溉雨
养地,基础养分含量为有机质 25. 7 g / kg,速效磷(P)7. 3 mg / kg,速效钾(K)84. 0 mg / kg,全氮 1. 04 g / kg,无机
态碱解氮(NH+4 +NO
-
3)54. 0 mg / kg,pH值为 7. 87。
2009 年春玉米生育期为 4 月 27 日至 10 月 4 日,共 161 d;2010 年春玉米生育期为 4 月 26 日至 10 月 12
日,共 170 d。 在春玉米生育期内,2009—2010 年分别降水 33 次和 37 次,总量分别为 359. 3 mm和 279. 3 mm,
两年中均为 8 月份降水量最大(图 1)。
1. 2摇 试验设计与管理
本试验为长期定位试验,始于 2003 年 4 月份。 供试玉米品种为当地优势品种(4 月下旬播种,10 月中旬
收获),2009—2010 年均为晋单 48 号。 试验设 3 种耕作处理,分别为传统耕作(CT)、少耕(RT)和免耕(NT)。
(1)传统耕作处理,秋收后秸秆移出并耕翻(秸秆残留量约 25% ),春播前施化肥并耕翻;
(2)少耕处理,秋收后秸秆还田并配合施化肥及翻耕(秸秆、残茬还田量约 90% ),春季免耕播种;
(3)免耕处理(NT),秋收后秸秆顺行覆盖(秸秆、残茬还田量约 90% ),春季改秸秆垄沟覆盖(垄、沟宽度
7191摇 6 期 摇 摇 摇 张丁辰摇 等:旱作农田不同耕作土壤呼吸及其对水热因子的响应 摇
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图 1摇 2009—2010 年降水量
Fig. 1摇 Precipitation in 2009—2010
均为 60 cm,垄高、沟深均为 5 cm,坡度约 10毅),顺垄开 5 cm深小槽,点播玉米种子并在两播种点之间穴施化
肥。 处理小区面积为 10 m伊5 m=50 m2,重复 6 次,每年不同耕作处理 NP 施肥量为 105 kg / hm2,肥料为复合
肥 20鄄20鄄0 (N% 鄄P% 鄄K% )。
1. 3摇 观测指标与数据处理
1. 3. 1摇 土壤呼吸、温度与水分测定方法
采用红外气体分析法测定土壤呼吸速率,测定仪器型号为 LI鄄6400鄄09(LI鄄COR,Lincoln,NE,USA),在玉
米播种期(4 月底)、苗期(5 月份)、拔节期(6 月份)、大喇叭口期(7—8月份)、灌浆期(9 月份)、成熟期和收
获期(10 月份)分别选取一天进行土壤呼吸测定,每个处理 5—6组重复,具体测定方法详见韩广轩等[17]。 每
次测定均限定在 08:00—10:00 点之间,此时土壤呼吸速率最为接近 24 h 均值[18]。 为避免测定土壤受到扰
动,每年播种后在各小区内随机放置测定基座后整个生育期内不再移动,测定基座放置在相邻两行的 4 棵玉
米植株之间(免耕处理中,在相邻沟、垄分别放置 1 个测定基座,记为 1 组,随机放置 3 组,土壤呼吸速率取该
组的平均值),插入土壤深度为 2 cm,作为气室连接 LI鄄6400 的呼吸探头,测定时仪器直接输出结果。
在测定土壤呼吸时采用酒精温度计同步测定当天 5、10 cm和 15 cm 土壤温度;采用经典烘干法测定 0—
10 cm和 10—20 cm土壤水分,以质量含水率(% )表示;降水量采用不锈钢雨量器收集记录。
1. 3. 2摇 温度敏感性系数计算方法
土壤呼吸速率随温度变化程度使用温度敏感性系数 Q10 表示,即温度每升高 10益土壤呼吸增加的倍
数[19],公式[20]为:
y=aebT,Q10 =e10 b
式中,y为土壤呼吸速率(滋CO2mol·m
-2·s-1),T为土壤温度(益),a、b为模拟计算值。
1. 3. 3摇 数据分析与处理
采用 Microsoft excel 2003 进行数据处理和图表制作,土壤呼吸与水热两因子之间关系采用 SAS V8 中的
REG统计程序进行统计分析,各关系方程如下:
土壤呼吸与土壤水分关系方程摇 y=aW2+bW+c
土壤呼吸与土壤温度关系方程摇 y=aTb
土壤呼吸与水热因子关系方程摇 y=aebTWc,y=a+bT+cW
式中,y为土壤呼吸速率(滋CO2mol·m
-2·s-1),W为土壤质量含水量(% ),T 为土壤温度(益),a、b、c 为模拟计
算值。
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2摇 结果与分析
2. 1摇 不同耕作处理玉米生育期地表土壤水分、温度
2. 1. 1摇 不同耕作处理玉米生育期地表土壤水分变化
图 2摇 春玉米生育期内土壤水分
Fig. 2摇 Soil moisture in spring maize growth stage
土壤水分很大程度上随降水量的变化而变化,图 2
显示,生育期内土壤含水率波动剧烈,呈波浪形变化趋
势,波动程度最大的少耕土壤含水率变化范围为
5郾 6%—23. 9% ;3 种耕作处理之间,免耕土壤含水率最
高,其次是少耕土壤,传统耕作土壤最小,2009—2010
年生育期内平均土壤含水率(0—20 cm)三者分别为
15. 7% 、13. 7% 和 13. 5% ,前者分别比后两者高出
14郾 8%和 17. 7% ,可见免耕的保水性能最好;不同土层
间,0—10 cm与 10—20 cm相比,后者土壤含水率均高
于前者(图 2)。
2. 1. 2摇 不同耕作处理玉米生育期地表土壤温度变化
由图 3 可见,春玉米生育期内,土壤温度呈单峰型
变化趋势,峰值出现在 7 月份;不同土层间,土壤温度随
土层的不断加深而逐渐降低;不同处理间,CT、RT 和 NT 土壤 0—15 cm 平均温度变化范围分别是:4. 5—
28郾 5、5. 0—28. 2 和 3. 3—25. 2 益,波动幅度较大,传统耕作和少耕土壤在各土层上均相差无几,但都略高于
免耕土壤,在夏季高温时期尤为明显。
图 3摇 春玉米生育期内土壤温度
Fig. 3摇 Soil temperature in spring maize growth stage
2. 2摇 不同耕作措施土壤呼吸速率
由表 1 可见,春玉米生育期内,除 2010 年 7 月份土
壤呼吸速率略低于 2010 年 6 月份外(差异不显著),土
壤呼吸变化趋势基本表现为单峰型,相同处理下各月份
土壤呼吸速率差异显著,自 5 月份开始逐渐升高,至 8
月份达到峰值,后又逐渐降低;3 种耕作处理之间,除
2009 年 8 月份、2010 年 6 月份和 8 月份之外土壤呼吸
速率均无显著差异(表 1),CT、RT和 NT 土壤呼吸速率
变化范围分别是 0. 50—4. 81、1. 11—5. 44 和 0. 40—
5郾 89 滋molCO2m
-2·s-1,传统耕作与少耕土壤呼吸速率变
化趋势基本一致,其中少耕略高于传统耕作,而免耕土
壤与前两者相比波动幅度较大;免耕土壤呼吸速率在 4
月底玉米播种期最小,8 月份玉米生长旺季超过传统耕
作和少耕土壤达到最大,10 月份玉米收获后又降至三
者中最低水平;年际间,除 2010 年 8 月份免耕土壤呼吸
速率与 2009 年同期相比无明显变化外,其它时期 2010
年各处理土壤呼吸速率均低于 2009 年,这可能是 2010
年土壤含水率(0—20 cm)和温度(0—15 cm)相较 2009 年均略有降低导致(图 2,图 3)。
2. 3摇 土壤呼吸与水热因子之间的关系
基于土壤水分(y=aW2+bW+c)或土壤温度(y=aTb)的单因素模型拟合结果显示,2009 年、2010 年两年土
壤呼吸峰值与水分、温度单因子之间均无显著相关,其余时期土壤呼吸与水热因子表现出了良好的相关关系
(图 4,图 5);基于土壤水分和土壤温度的双因素模型(y=aebTWc 或 y=a+bT+cW)拟合结果显示,整个生育期
9191摇 6 期 摇 摇 摇 张丁辰摇 等:旱作农田不同耕作土壤呼吸及其对水热因子的响应 摇
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表 1摇 春玉米生育期内不同耕作土壤呼吸速率
Table 1摇 Soil respiration rate under different tillage treatment in spring maize growth stage
年份
Year
处理
Treatment
平均值依标准误差 Mean依SE / (滋CO2mol·m-2·s-1)
4 月 Apr 5 月 May 7 月 Jul 8 月 Aug 9 月 Sep 10 月 Oct
2009 少耕 RT 0. 87依0. 20ghi 1. 28依0. 61fghi 2. 24依0. 33de 5. 44依3. 77ab 3. 77依1. 35c 1. 90依0. 27ef
传统耕作 CT 0. 53依0. 07i 0. 50依0. 22i 1. 93依0. 08ef 4. 81依1. 05b 3. 11依1. 11cd 1. 70依0. 14efg
免耕 NT 0. 61依0. 16i 0. 72依0. 25hi 2. 44依0. 47de 5. 88依1. 38a 3. 54依1. 05c 1. 58依0. 19efgh
5 月 May 6 月 Jun 7 月 Jul 8 月 Aug 9 月 Sep 10 月 Oct
2010 少耕 RT 1. 11依0. 16ghi 2. 86依0. 42c 2. 85依0. 91c 3. 65依1. 52b 2. 07依0. 41de 1. 45依0. 14efg
传统耕作 CT 0. 52依0. 10hi 1. 98依0. 14def 2. 36依0. 38cd 2. 90依0. 81c 1. 60依0. 34efg 1. 15依0. 22gh
免耕 NT 0. 40依0. 04i 1. 65依0. 23defg 2. 93依0. 56c 5. 89依0. 65a 1. 84依0. 44defg 1. 29依0. 12fg
摇 摇 分别对 2009 年和 2010 年春玉米生育期不同耕作土壤呼吸速率做了方差分析,不同字母表示两者差异达到 5%的显著性水平
图 4摇 春玉米生育期内土壤呼吸与水分的关系
Fig. 4摇 Relationship between soil respiration and moisture in spring maize growth stage
Ro:原始数据,Rr:除峰值时期外其它时期数据
0291 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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内土壤呼吸和水热因子之间均呈显著相关关系(P<0. 05),而除土壤呼吸峰值外其他时期土壤呼吸和水热因
子相关程度更高。 峰值时期作物生长旺盛,土壤微生物代谢活动增强,土壤有机质矿化速率提高[21],与生育
期内其它时期相比上述因素对土壤呼吸的影响作用大幅提高,可能是导致土壤呼吸峰值对水热因子响应程度
降低的主要原因,有待于进一步研究论证。 为更好的研究其它时期土壤呼吸对水热因子的响应情况,本文对
有无峰值两种情况下土壤呼吸与水热因子之间的关系分别做了数据统计分析。
图 5摇 春玉米生育期内土壤呼吸与温度的关系
Fig. 5摇 Relationship between soil respiration and temperature in spring maize growth stage
2. 3. 1摇 土壤呼吸与水分之间的关系
土壤呼吸和水分之间的拟合方法很多,本试验使用一元二次方程 y=aW2+bW+c的拟合效果最好。 由图 4
可见,除峰值时期外其它时期土壤呼吸和水分之间在一定范围内呈现出了良好的 “U冶型曲线关系,此时土壤
水分(0—10 cm)能够解释 57%—76%的土壤呼吸季节变化;由图 5 中土壤呼吸与水分的关系公式可得,当传
统耕作、少耕和免耕土壤含水率(0—10 cm)分别小于 12. 0% 、11. 4%和 14. 7%时,土壤呼吸与水分呈显著负
相关关系,而分别大于上述三值时土壤呼吸与水分呈显著正相关关系。
不同耕作处理之间,除峰值时期外其它时期,土壤呼吸与水分(0—20 cm)的关系均达到了显著相关(P<
0. 05),其中免耕土壤对水分变化敏感性最高,相关程度表现为免耕>少耕>传统耕作;不同土层之间土壤呼吸
1291摇 6 期 摇 摇 摇 张丁辰摇 等:旱作农田不同耕作土壤呼吸及其对水热因子的响应 摇
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对 0—10 cm土壤水分的响应程度高于 10—20 cm土壤,3 种耕作 0—10 cm土壤呼吸与水分的关系均达到显
著水平(P<0. 05),其中免耕 0—10 cm土壤达到极显著水平(P<0. 01),在 10—20 cm土壤上只有免耕处理达
到显著水平(P<0. 05)。
2. 3. 2摇 土壤呼吸与温度之间的关系
本试验使用 y=aTb 乘幂方程模拟土壤呼吸与温度的关系效果最好,图 5 可见,除峰值时期外其他时期,3
种耕作土壤呼吸与温度均呈现出了显著相关关系(P<0. 05),土壤呼吸速率随温度的上升而逐渐增大,土壤温
度(15 cm)最高可以解释土壤呼吸变化的 67%—82% ;不同处理间,免耕土壤呼吸与温度的相关性最高,决定
系数最高达到 0. 82,少耕和传统耕作分别为 0. 67 和 0. 70;不同土层间,土层越深土壤呼吸与温度的相关性越
好,10 cm和 15 cm 土层均达到极显著水平;国内外学者一般将土壤呼吸速率随温度的变化程度使用温度敏
感性系数(Q10)表示,由公式计算可得,除峰值时期外其他时期土壤呼吸对传统耕作、少耕和免耕土壤(15
cm)温度敏感性系数 Q10 分别为 2. 02、1. 59 和 2. 47。 由上可知,3 种耕作处理下,免耕土壤呼吸对土壤温度变
化最为敏感,其次是传统耕作土壤,少耕土壤最低。
2. 3. 3摇 土壤呼吸与水热因子之间的关系
分别使用指数鄄幂函数 y=aebTWc 和线性方程 y=a+bT+cW两种模型拟合了土壤呼吸与水热因子之间的关
系,其中指数鄄幂函数能够更好的拟合试验结果。 由表 2 可知,在 0—10 cm和 10—20 cm土层土壤上,水热因
子分别可以解释土壤呼吸变化的 66%—83%和 81%—87% ;不考虑峰值时,水热因子分别可以解释土壤呼吸
变化的 70%—90%和 85%—90% 。 两模型对无峰值数据拟合结果中 R2 较有峰值数据拟合结果均有不同幅
度的增大,其中线性模型拟合结果变化巨大,说明峰值时期有水分和温度以外的因素对土壤呼吸有较大影响,
且均高于水分、温度单因子模型拟合结果,说明水热两因子对土壤呼吸的协同影响作用高于单因子的影响
程度。
不同土层间,两种模型拟合结果均显示 10—20 cm土壤水热综合状况对土壤呼吸变化的影响高于 0—10
cm;不同处理间,水热因子对土壤呼吸的影响程度均达到了显著水平(P<0. 05),其中传统耕作土壤呼吸速率
对水热因子(10—20 cm)的响应程度最高(R2 = 0. 87),其次是免耕(R2 = 0. 83),少耕响应程度最低(R2 =
0郾 81),与水分和温度单因子模型拟合结果有明显不同,说明土壤呼吸在水热双因子的协同影响下与只受水
分或温度单因子影响具有不同的变化趋势,水热双因子的协同影响机制有待进一步研究。
表 2摇 基于土壤水分(W)和土壤温度(T)的土壤呼吸模型参数
Table 2摇 Parameters of soil respiration models based on soil temperature and soil moisture
耕作处理
Tillage
treatment
土层 / cm
Soil depth
y=aebTWc
a b c PT PW P R2
y=a+bT+cW
a b c PT PW P R2
传统耕作 Ro 摇 0—10 0. 08 0. 08 0. 61 0. 001 0. 027 0. 003 0. 76 -1. 43 0. 12 0. 09 0. 011 0. 094 0. 026 0. 60
10—20 0. 06 0. 09 0. 76 <0. 001 0. 010 <0. 001 0. 87 -1. 70 0. 14 0. 09 0. 005 0. 097 0. 012 0. 67
Rr 摇 0—10 0. 11 0. 07 0. 52 0. 006 0. 069 0. 018 0. 74 -0. 85 0. 09 0. 07 0. 005 0. 032 0. 011 0. 78
10—20 0. 06 0. 08 0. 71 0. 001 0. 015 0. 002 0. 88 -1. 08 0. 10 0. 08 0. 001 0. 018 0. 003 0. 86
少耕 Ro 摇 0—10 0. 21 0. 06 0. 51 <0. 001 0. 005 0. 001 0. 83 -1. 24 0. 13 0. 11 0. 011 0. 045 0. 020 0. 63
10—20 0. 21 0. 06 0. 51 0. 001 0. 023 0. 001 0. 81 -1. 45 0. 14 0. 11 0. 009 0. 067 0. 016 0. 65
Rr 摇 0—10 0. 29 0. 05 0. 41 <0. 001 0. 004 0. 001 0. 90 -0. 62 0. 09 0. 09 0. 001 0. 004 0. 002 0. 87
10—20 0. 29 0. 05 0. 43 0. 001 0. 010 0. 001 0. 90 -0. 78 0. 10 0. 09 0. 001 0. 007 0. 002 0. 88
免耕 Ro 摇 0—10 0. 07 0. 10 0. 55 0. 005 0. 236 0. 013 0. 66 -1. 85 0. 18 0. 07 0. 043 0. 455 0. 113 0. 42
10—20 0. 09 0. 11 0. 47 <0. 001 0. 286 0. 001 0. 83 -1. 93 0. 22 0. 06 0. 010 0. 550 0. 029 0. 59
Rr 摇 0—10 0. 11 0. 09 0. 45 0. 011 0. 272 0. 028 0. 70 -1. 20 0. 12 0. 06 0. 018 0. 206 0. 048 0. 64
10—20 0. 09 0. 10 0. 49 0. 001 0. 222 0. 004 0. 85 -1. 33 0. 14 0. 07 0. 005 0. 172 0. 013 0. 77
摇 摇 Ro表示原始数据,Rr 表示除峰值时期外其它时期数据;5 cm 和 10 cm 土壤温度的平均值作为 0—10 cm 土壤温度, 15 cm 土壤温度作为
10—20 cm土壤温度;a、b、c为模拟计算值,T为土壤温度(益),W为土壤水分(质量含水率%)
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3摇 讨论与结论
3. 1摇 不同耕作土壤呼吸变化规律
众多研究结果显示,土壤呼吸季节变化一般呈现单峰型特点[22鄄26],本试验得到相同的结论,虽然出现高
峰的时间多有不同,但土壤呼吸的整体变化规律基本一致,峰值出现时间的差异可能由测定时期、地域、土壤
类型以及土地利用方式等因素的不同造成。
3. 2摇 土壤呼吸与水热因子之间的关系
本文研究表明,土壤水分和温度是影响土壤呼吸的关键因子,与前人研究结果一致[21鄄24];但两年的试验
结果均显示,土壤呼吸峰值对土壤水分和土壤温度单因子响应异常,本研究认为在土壤呼吸峰值时期,有水分
和温度以外的因素对土壤呼吸起了较大的影响作用,如作物生长、微生物代谢活动等,具体因素仍需要进一步
的研究论证。
水热因子对土壤呼吸的协同影响程度高于单因子,最高(10—20 cm土壤)可以解释土壤呼吸季节变化的
81%—87% ,这与韩广轩[27]、姜艳[28]等的结论相同,韩广轩[27]在锦州玉米农田的研究中指出水热因子可以解
释土壤呼吸的 87% ,姜艳[28]在江西大岗山不同林分土壤呼吸的研究中发现水热因子可以解释土壤呼吸的
66%—81% ,两者研究结果均显示双因子影响程度高于单因子。
土壤水分对呼吸的影响较为复杂,取决于环境因子的配置状况。 Wagai R[29]研究表明土壤呼吸与水分呈
正相关关系,但不显著;Wildung R E[30]发现两者呈极显著相关;姜艳[28]指出当杉木林土壤质量含水率小于
22. 13%时,土壤呼吸与水分呈显著负相关关系,大于 22. 13%时呈显著正相关关系;本文研究结果与姜艳[28]
基本一致,除峰值时期外其它时期土壤水分(0—10 cm)可以解释呼吸的 57%—76% ,当传统耕作、少耕和免
耕土壤含水率(0—10 cm)分别小于 12. 0% 、11. 4%和 14. 7%时,土壤呼吸与水分呈显著负相关关系,大于上
述三值时呈显著正相关关系。
在土壤温度对呼吸影响的研究中,马骏[31]在内蒙古农牧交错区的研究中指出不同土地利用方式土壤温
度(10—15 cm)在表土层中对呼吸速率的影响最为显著,决定系数为 0. 66—0. 72,刘爽[23]研究了 10 cm 土壤
呼吸与之温度间的关系,指出传统耕作、秸秆还田和免耕覆盖土壤温度对呼吸的决定系数分别为 0. 55、0. 62
和 0. 77,大量文献表明,土壤呼吸随温度变化的敏感性系数 Q10 在 1. 3—3. 3 之间[6];本文研究表明,除峰值时
期外其它时期传统耕作、少耕和免耕土壤呼吸速率对温度(15 cm)的敏感性系数 Q10 分别是 2. 02、1. 59 和
2郾 47,土壤温度对呼吸的决定系数分别是 0. 70、0. 67 和 0. 82,与前人研究结果一致;同区域结果比较,与刘
爽[23]不同耕作土壤温度对呼吸的决定系数之间关系基本一致,均表现出免耕远高于传统耕作和少耕土壤,而
后两者差异不大,但其决定系数均小于本文对 15 cm土壤的研究结果,由此说明,在本研究区域内土壤呼吸对
15 cm土壤温度单因子的敏感性较 0—10 cm土壤更高。
3. 3摇 结论
本研究结果得出,在春玉米生育期内,土壤呼吸呈单峰型变化趋势。 水热因子是影响土壤呼吸的重要因
素,基于水热双因子(10—20 cm土壤)的指数-幂模型最高能够解释土壤呼吸变化的 81%—87% (P<0. 01);3
种耕作土壤呼吸对水热双因子的协同影响敏感性关系表现为少耕<免耕<传统耕作,对水分单因子敏感性关
系表现为:传统耕作<少耕<免耕,而对温度单因子敏感性关系表现为少耕<传统耕作<免耕。 峰值时期土壤呼
吸的主要影响因素需要进一步研究论证。
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5291摇 6 期 摇 摇 摇 张丁辰摇 等:旱作农田不同耕作土壤呼吸及其对水热因子的响应 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 6 March,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Review and Monograph
Forest health studies based on remote sensing: a review GAO Guanglei, XIN Zhongbao, DING Guodong, et al (1675)……………
Progress of agent鄄based agricultural land change modeling: a review YU Qiangyi,WU Wenbin,YANG Peng,et al (1690)……………
Autecology & Fundamentals
Dynamic distribution of Nemopilema nomurai in inshore waters of the northern Liaodong Bay, Bohai Sea
WANG Bin,QIN Yubo, DONG Jing, et al (1701)
……………………………
…………………………………………………………………………………
Full length cDNA cloning and tissue expression of prophenoloxidase from Oratosquilla oratoria
LIU Haiying, LIU Lianwei, JIANG Yusheng, et al (1713)
………………………………………
…………………………………………………………………………
Morphometrics investigation of the skulls, mandibles and molar in Tupaia belangeri from Yunnan, Guizhou, Guangxi
ZHU Wanlong, JIA Ting, HUANG Chunmei, et al (1721)
………………
…………………………………………………………………………
Effects of litter thickness on leaf litter decomposition and enzyme activity of three trees in the subtropical forests
JI Xiaoyan,JIANG Hong,HONG Jianghua,et al (1731)
……………………
……………………………………………………………………………
The photosynthetic carbon fixation characteristics of common tree species in northern Zhejiang
ZHANG Jiao,SHI Yongjun,ZHU Yueqing,et al (1740)
………………………………………
……………………………………………………………………………
Diurnal changes in the photosynthetic characteristics of two high yield and high quality grasses during different stages of growth
and their response to changes in light intensity GUO Chunyan, LI Jinchuan, YUE Jianying, et al (1751)………………………
Evaluation technology on drought disaster to yields of winter wheat based on WOFOST crop growth model
ZHANG Jianping, ZHAO Yanxia,WANG Chunyi, et al (1762)
……………………………
……………………………………………………………………
Genetic diversity of Conocephalus maculatus of different geographic populations based on mitochondrial DNA control region analysis
ZHOU Zhijun, SHANG Na, LIU Jing, et al (1770)
…
………………………………………………………………………………
Relationships among female body size, clutch size, and egg size in captive Deinagkistrodon acutus
HU Minghang, TAN Qunying, YANG Daode (1778)
……………………………………
………………………………………………………………………………
The field control of Bactrocera dorsalis (Hendel) with parasitoid and sterile male
ZHENG Sining, HUANG Juchang,YE Guanglu, et al (1784)
……………………………………………………
………………………………………………………………………
Allelopathic effects of artemisinin on ectomycorrhizal fungi LI Qian, YUAN Ling, WANG Mingxia, et al (1791)……………………
Population, Community and Ecosystem
Establishment of integrated methodology for bay ecosystem health assessment and its application in Daya Bay
LI Chunhou, LIN Lin, XU Shannan, et al (1798)
…………………………
…………………………………………………………………………………
The influence of upwelling and water mass on the ecological group distribution of zooplankton in Zhejiang coastal waters
SUN Lufeng, KE Chang,XU Zhaoli,et al (1811)
……………
……………………………………………………………………………………
Identification of key ecosystem for ecological restoration in semi鄄arid areas: a case study in Helin County, Inner Mongolia
PENG Yu, GAO Ying, FENG Jinzhao, et al (1822)
…………
………………………………………………………………………………
The great rainfall effect on soil respiration of Pinus tabulaeformis plantation in Taiyue Mountain
JIN Guanyi, ZHAO Xiuhai, KANG Fengfeng, et al (1832)
………………………………………
………………………………………………………………………
The litter鄄fall characteristics and their response to drought stress in the Masson pins forests damaged by acid rain at Chongqing,
China WANG Yihao, WANG Yanhui, YU Pengtao, et al (1842)…………………………………………………………………
Landscape, Regional and Global Ecology
Thermal environment effect of urban water landscape YUE Wenze, XU Lihua (1852)…………………………………………………
Landscape ecological security pattern associated with the introduction of exotic tree species Eucalyptus
ZHAO Xiaoqing, HE Chunlan (1860)
………………………………
………………………………………………………………………………………………
Ecological balance between supply and demand in Chongqing City based on cultivated land ecological footprint method
SHI Kaifang,DIAO Chengtai,SUN Xiufeng,et al (1872)
………………
……………………………………………………………………………
Effect of elevated CO2 on methanotrophs in the rhizosphere of rice plant YAN Chen, XU Jing,ZHONG Wenhui,et al (1881)………
Resource and Industrial Ecology
The seawater environment quality evaluation research base on variable fuzzy pattern recognition model
KE Lina, WANG Quanming,SUN Xinguo, et al (1889)
………………………………
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An in situ study on biodeposition of ascidian (Styela plicata) in a subtropical aquaculture bay, southern China
YAN Jiaguo, QI Zhanhui, TIAN Ziyang, et al (1900)
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Distribution of soil NPK nutrient content in deep soil profile of typical apple orchards on the Loess Plateau
ZHANG Lina,LI Jun, FAN Peng,et al (1907)
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Soil respiration and its responses to soil moisture and temperature under different tillage systems in dryland maize fields
ZHANG Dingchen, CAI Dianxiong, DAI Kuai, et al (1916)
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Photosynthetic characteristics of soybean and salvia in an agroforestry system in the Hilly Region, Shangluo, China
PENG Xiaobang, ZHANG Shuoxin (1926)
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Regulation of exogenous brassinosteroid on growth and photosynthesis of Helianthus tuberosus seedlings and cadmium biological
enrichment under cadmium stress GAO Huiling, LIU Jinlong, ZHENG Qingsong, et al (1935)…………………………………
Calibration coefficients of Granier original formula based on sap flow of Platycladus orientalis
LIU Qingxin,MENG Ping, ZHANG Jinsong, et al (1944)
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Research Notes
An evaluation index system classifying the conservation value of wetland nature reserves based on AHP
SUN Rui, CUI Guofa, LEI Ting, et al (1952)
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Root biomass and its distribution of Azadirachta indica and Acacia auriculiformis plantations in the Dry鄄hot Valley
GAO Chengjie, TANG Guoyong, LI Kun, et al (1964)
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Physiological response of Vitex trifolia to sand burial in the sand coast ZHOU Ruilian, WANG Jin, YANG Shuqin, et al (1973)…
Soil fertility under different forest types in the Helan and Liupan Mountain ranges of Ningxia Province
JIANG Lin, GENG Zengchao, ZHANG Wen, et al (1982)
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Opinions
Dynamic of litterfall in ten typical community types of Xiaoxing忆an Mountain, China
HOU Lingling,MAO Zijun,SUN Tao, et al (1994)
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《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索自然奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,促
进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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