全 文 ：书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
于爱忠，黄高宝，柴强
（甘肃省干旱生境作物学重点实验室 甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州７３００７０）
摘要：在西北绿洲灌区多年田间定位试验基础上，研究了免耕秸秆覆盖（ＮＴＳ）、免耕不覆盖（ＮＴ）和传统耕作（Ｔ）３
种耕作措施下冬小麦农田土壤呼吸变化特征及其对土壤温湿度的敏感性。结果表明，３种耕作措施土壤呼吸速率
日变化和生育期变化呈单峰曲线。免耕秸秆覆盖处理土壤呼吸速率日峰值出现在１５：００，免耕不覆盖和传统耕作
处理出现在１４：００。３种耕作措施土壤呼吸速率生育期峰值出现在冬小麦开花期。从冬小麦返青至成熟，免耕秸
秆覆盖和传统翻耕处理土壤呼吸平均速率分别较免耕不覆盖处理高４３．０１％和３３．３３％。３种耕作措施下土壤呼
吸对土壤温度的敏感性（犙１０）依次为ＮＴ＞ＮＴＳ＞Ｔ，敏感性为１．９３～３．００；３种耕作措施下土壤呼吸对土壤含水量
不敏感。说明在西北绿洲灌区，不同耕作措施下冬小麦农田土壤呼吸主要受耕层土壤温度的控制。
关键词：免耕；秸秆覆盖；翻耕；土壤呼吸
中图分类号：Ｓ５１２．１０６　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００４５７５９（２０１２）０１０２７３０６
　 土壤呼吸是土壤中的微生物、动物、植物部分释放ＣＯ２ 的过程。其在调控大气ＣＯ２ 浓度和气候动态中起着
重要作用。土壤呼吸与生态系统生产力、土壤肥力以及全球的碳循环有密切关系［１，２］。农田生态系统在陆地生
态系统中占据着重要地位，同时也是受人类活动影响最大的生态系统之一。在农田尺度上，农业生产过程显著影
响着土壤生态过程，很多研究结果证明，土壤温度［３］、土壤湿度［４］、土壤微生物状况［５］、氮肥［６］等是影响土壤呼吸
的关键因子。近年来，耕作措施对土壤呼吸的影响及其机制成为国内外学者关注的热点。以少免耕、秸秆覆盖为
核心技术的保护性耕作措施在减少水土流失［７］，改善土壤环境［８］方面发挥着积极作用。已有研究证明，耕作方式
对农田土壤ＣＯ２ 排放具有显著影响，且表现出明显的季节性排放特征［９］。免耕条件下土壤呼吸速率显著低于翻
耕和旋耕处理［１０］；深耕结合秸秆还田有利于减少农田土壤ＣＯ２ 排放［１１］。但这些研究大多探讨了耕作措施下土
壤呼吸变化特征，而对其机制的研究较为薄弱。在西北干旱绿洲灌区，不同耕作措施下土壤呼吸研究甚少，影响
了区域内不同土壤耕作措施生态效应的系统评价。本研究在多年定位试验的基础上探讨了冬小麦农田土壤呼吸
对不同耕作措施的响应和对土壤水热因子的敏感性，以期为区域内发展生态保护型农作制模式提供理论依据。
１　材料与方法
１．１　试验区概况
试验于２００８年９月－２００９年７月在甘肃省武威市凉州区黄羊镇甘肃农业大学教学实验场的多年定位试验
（始于２００４年）上进行。该地区位于甘肃河西走廊东端（３７°３０′Ｎ，１０３°５′Ｅ），属冷温带干旱区，是典型的大陆性
气候，日照充足，平均海拔１７７６ｍ，降水年际变化不大，但季节变化较大，多年平均降水量１６０ｍｍ左右，主要集
中在７－９月份，冬春季干旱，降水无法满足作物生长的需要。年蒸发量２４００ｍｍ，干燥度５．８５，年平均气温
７．２℃，１月最低平均气温－２７．７℃，７月最高平均气温３４．０℃，≥０℃年积温３５１３．４℃，≥１０℃年积温２９８５．４℃。
全年无霜期１５６ｄ，年日照时数２９４５ｈ。土壤以荒漠灌淤土为主，粉沙壤质，土层深厚。试验布设前耕层（０～３０
ｃｍ）速效氮、速效磷、速效钾含量分别为６４．４２，３．０６和２４３．０８ｍｇ／ｋｇ，有机质含量为１５．７０ｇ／ｋｇ，土壤容重为
第２１卷　第１期
Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１
草　业　学　报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ 　　
２７３－２７８
２０１２年２月
 收稿日期：２０１１０８３１；改回日期：２０１１１０２７
基金项目：农业部公益性行业（农业）科研专项（２０１１０３００１），甘肃省科技厅工程技术中心建设计划（０９３ＮＴＧＡ００７）和甘肃农业大学创新基金
（ＧＡＵＣＸ１０２９）资助。
作者简介：于爱忠（１９８１），男，甘肃武威人，讲师，在读博士。Ｅｍａｉｌ：ｙｕａｉｚｈ＠ｇｓａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者。Ｅｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｇｂ＠ｇｓａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
１．０８ｇ／ｃｍ３。
１．２　试验设计
田间试验采用随机区组设计，设置３个处理，３次重复。小区长２７ｍ，宽４ｍ。试验处理为：１）传统耕作处理
（Ｔ）：前茬作物收获后深耕（２５ｃｍ）灭茬、耙耱整平；不覆盖。２）免耕不覆盖处理（ＮＴ）：前茬作物收获后免耕，不
覆盖。３）免耕秸秆覆盖处理（ＮＴＳ）：前茬作物收获后免耕并将秸秆切碎为５ｃｍ长度覆盖。秸秆覆盖量为６７５０
ｋｇ／ｈｍ２。
试验冬小麦（犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿）品种为甘肃省张掖市农业科学研究所引进的强冬性品种繁１３，净度９８％，
发芽率９５％，纯度９６％。２００８年９月１８日用甘肃农业大学工学院研制的免耕覆盖施肥播种机播种，播量３３７．５
ｋｇ／ｈｍ２，行距１５ｃｍ，播深６ｃｍ。基肥施肥量为施纯Ｎ１９２ｋｇ／ｈｍ２、Ｐ２Ｏ５１３８ｋｇ／ｈｍ２，折合磷二铵３００ｋｇ／ｈｍ２，
尿素３００ｋｇ／ｈｍ２。拔节初期结合灌水追施磷酸二铵１５０ｋｇ／ｈｍ２，尿素２２５ｋｇ／ｈｍ２；抽穗期结合灌水追施磷酸二
铵４５ｋｇ／ｈｍ２，尿素７５ｋｇ／ｈｍ２。试验期间灌越冬水１８００ｍ３／ｈｍ２、拔节水１２００ｍ３／ｈｍ２、抽穗水１０５０ｍ３／ｈｍ２
和灌浆水９００ｍ３／ｈｍ２，全生育期灌水量为４９５０ｍ３／ｈｍ２。３个处理播种、施肥、灌水同步进行。
１．３　测定项目与方法
１．３．１　土壤呼吸速率　采用ＣＦＸ２土壤ＣＯ２ 通量系统（ＰＰＳＹＳＴＥＭ，Ａｍｅｓｂｕｒｙ，Ｈｉｔｃｈｉｎ）测定。日变化分别
在冬小麦返青至成熟期的前、中、后期测定，每次观测从８：００开始至次日６：００，每隔１ｈ测定１次，每小区随机选
择观测点，重复３次；生育期变化分别于３月２８日（返青期）、４月１９日（拔节期）、５月１０日（孕穗期）、６月３日
（开花期）、６月２１日（灌浆期）和７月１１日（成熟期）测定，每次测定从８：００－１８：００，每隔１ｈ测定１次，连续观测
３ｄ，求平均值作为该生育时期土壤呼吸速率。
１．３．２　土壤温度　测定土壤呼吸的同时，采用曲管地温计观测每小区５，１５和２５ｃｍ深处的土壤温度。
１．３．３　土壤含水率　测定土壤呼吸生育期变化的同时，采用烘干法［１２］测定每小区０～１０，１０～２０和２０～３０ｃｍ
土壤含水率，０～３０ｃｍ的土壤含水率为以上３个层次的平均值。
１．４　计算和数据分析
统计分析均采用ＳＰＳＳ１３．０完成。土壤呼吸过程的敏感性采用犙１０来描述，它是温度每增加１０℃土壤呼吸
速率增加的倍数。当温度和土壤呼吸之间的关系用指数函数拟合时，犙１０就可以用式（１）［１３］估算出来：
犙１０＝ｅ１０犫 （１）
式中，犫为温度响应系数。
２　结果与分析
２．１　不同耕作措施下土壤呼吸的日变化和生育期动态变化
一般地，１ｄ之内，早晨土壤呼吸随着土壤温度的升高而增加，在中午或半下午时达到高峰，下午和整个夜间
都随温度的降低而下降［１４］。本研究结果表明（图１，２），３种耕作措施土壤呼吸速率存在明显的变化规律，均呈单
峰曲线，且免耕秸秆覆盖（ＮＴＳ）峰值出现时间滞后于免耕不覆盖（ＮＴ）和传统耕作（Ｔ）处理。以冬小麦返青期土
壤呼吸速率日变化为例（图１），ＮＴＳ处理峰值出现在１５：００，达到１．４９μｍｏｌ／（ｍ
２·ｓ），而ＮＴ和Ｔ处理峰值均
出现在１４：００，分别达到１．４２和１．５５μｍｏｌ／（ｍ
２·ｓ），３种耕作措施最低值均出现在４：００－５：００，各处理２２：００
至次日６：００无明显差异。不同耕作措施土壤呼吸速率冬小麦生育期动态变化结果表明（图２），３种耕作措施土壤
呼吸速率存在明显变化规律，也呈单峰曲线，各处理峰值均出现在冬小麦开花期（６月３日），ＮＴＳ、ＮＴ和Ｔ处理
土壤呼吸速率分别达到２．７２，１．５２和２．２０μｍｏｌ／（ｍ
２·ｓ），说明各处理土壤呼吸速率的峰值均出现在冬小麦生
长的旺盛时期。
２．２　不同耕作措施下土壤呼吸速率的影响
不同耕作措施土壤呼吸速率日变化及生育期变化均值结果表明（图３），无论是土壤呼吸日变化均值还是生
育期动态变化均值，ＮＴ处理土壤呼吸速率显著低于ＮＴＳ和Ｔ处理（犘＜０．０５）。对土壤呼吸日变化均值而言，
ＮＴＳ和Ｔ处理分别较ＮＴ处理高１４．１３％和９．６８％；对土壤呼吸生育期均值动态变化而言，ＮＴＳ和Ｔ处理分别
４７２ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１２） Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１
　　　
图１　不同耕作措施土壤呼吸速率日变化
犉犻犵．１　犇犻狌狉狀犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀狊狅犳狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀
狉犪狋犲狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋犻犾犪犵犲
图２　不同耕作措施土壤呼吸速率生育期变化
犉犻犵．２　犇狔狀犪犿犻犮狊狅犳狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀狉犪狋犲狌狀犱犲狉
犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋犻犾犪犵犲犱狌狉犻狀犵犵狉狅狑狋犺狆犲狉犻狅犱
图３　不同耕作措施土壤呼吸速率日变化和生育期变化均值
犉犻犵．３　犃狏犲狉犪犵犲狉犪狋犲狅犳犱犻狌狉狀犪犾犪狀犱狊犲犪狊狅狀犪犾狊狅犻犾
狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋犻犾犪犵犲
不同字母表示处理间存在显著差异（犘＜０．０５）Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｔｔｅｒｓ
ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｍｏｎｇ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓａｔ犘＜０．０５．
较ＮＴ处理高４３．０１％和３３．３３％。这主要是因为免
耕结合秸秆还田，显著增加了土壤有机质含量［１５］，使
有机质分解释放的ＣＯ２ 对土壤呼吸的贡献增加；Ｔ处
理中，由于机械的翻耕作用改善了土壤耕层通透性，加
速了土壤有机质的分解，进而提高了土壤呼吸速率。
２．３　不同耕作措施下土壤呼吸对土壤温度和湿度变
化的敏感性
在农田生态系统尺度上，土壤呼吸和温度之间的
关系可以用指数函数、线性函数、二次函数和幂函数等
形式表达［１６］。而土壤湿度对土壤呼吸的直接影响是
通过影响根和微生物的生理过程，对土壤呼吸的间接
影响是通过影响呼吸底物和氧气的扩散［２］。本研究中
采用指数函数（犚狊＝犪ｅ犫犜）拟合了不同耕作措施下土壤
呼吸速率（犚狊）与土壤温度（犜），并通过指数函数中的
参数犫计算了土壤呼吸对土壤温度的敏感性（犙１０）。
结果表明，３种耕作措施土壤呼吸速率与５ｃｍ处的土壤温度呈显著的正相关关系（犘＜０．０１），而与１５和２５ｃｍ
处土壤温度相关不显著。不同处理土壤呼吸（犚狊）与５ｃｍ处土壤温度（犜）拟合方程及土壤呼吸对土壤温度的敏
感性（犙１０）如表１所示。３种耕作措施下土壤呼吸速率很大程度上决定于土壤温度（５ｃｍ），土壤温度解释了土壤
呼吸速率日变化的７８．１５％～９６．６０％。３种耕作措施下土壤呼吸对土壤温度的敏感性依次为ＮＴ＞ＮＴＳ＞Ｔ，敏
感性（犙１０）在１．９３～３．００。采用抛物线拟合了不同耕作措施土壤呼吸速率（犚狊）与耕层（０～３０ｃｍ）土壤含水率
（θ）之间的关系，结果表明（表２），３种耕作措施下土壤呼吸对土壤含水量不敏感，其中，以传统耕作表现最不敏
感，土壤含水量仅解释了土壤呼吸季节变化的１５．３１％～２５．２６％。说明在西北绿洲灌区，不同耕作措施条件下，
土壤呼吸对土壤湿度变化不敏感。
３　讨论
３．１　不同耕作措施对土壤呼吸的影响
许多研究结果表明，土壤呼吸表现出很强的日变化和季节变化规律，韩广轩和周广胜［１７］总结了国内外一些
研究结果，发现土壤呼吸作用的日变化多呈单峰型曲线。刘爽等［１４］在山西寿阳地区研究得出，土壤呼吸速率日
５７２第２１卷第１期 草业学报２０１２年
变化峰值出现在１１：３０－１３：３０，季节峰值出现在７月上旬至中旬；邓爱娟等［１８］在华北平原研究认为冬小麦农田
土壤呼吸日变化峰值出现在１２：３０－１４：３０。林同保等［１９］研究认为冬小麦各生育时期ＣＯ２ 通量日变化均呈倒
“Ｕ”型。本研究得出，３种耕作措施下冬小麦农田土壤呼吸日变化和冬小麦生育期变化呈明显的单峰曲线，日变
化峰值出现在１４：００－１５：００，生育期变化峰值出现在６月上旬。由此说明不同生态背景下，农田土壤呼吸变化
峰值基本出现在中午或午后，而季节变化峰值则出现在气温相对较高也是作物生长旺盛的夏季。
表１　不同处理土壤呼吸速率（犚狊）与土壤温度（犜）拟合方程及土壤呼吸对土壤温度的敏感性（犙１０）
犜犪犫犾犲１　犉犻狋狋犲犱犲狇狌犪狋犻狅狀狅犳狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀狉犪狋犲（犚狊）狑犻狋犺狊狅犻犾狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲（犜）犪狀犱
狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊犲狀狊犻狋犻狏犻狋狔狅犳狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀狉犪狋犲（犙１０）
处理Ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ 拟合方程Ｆｉｔｔｅｄｅｑｕａｔｉｏｎ 犚２ 犙１０
免耕秸秆覆盖ＮＴＳｔｒｅａｔｍｅｎｔ 犚狊＝０．５３８５ｅ０．０７０６犜 ０．７８１５ ２．０３
免耕不覆盖ＮＴｔｒｅａｔｍｅｎｔ 犚狊＝０．２９８９ｅ０．１０９９犜 ０．９８７２ ３．００
传统耕作Ｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ 犚狊＝０．４８８４ｅ０．０６５６犜 ０．９６６０ １．９３
　注：表示在０．０１水平上显著相关。
　Ｎｏｔｅ：Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔａｔｔｈｅ０．０１ｌｅｖｅｌ（２ｔａｉｌｅｄ）．
表２　不同处理土壤呼吸速率（犚狊）与土壤含水率（θ）拟合方程
犜犪犫犾犲２　犉犻狋狋犲犱犲狇狌犪狋犻狅狀狅犳狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀狉犪狋犲（犚狊）狑犻狋犺狊狅犻犾狑犪狋犲狉犮狅狀狋犲狀狋（θ）
处理Ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ 拟合方程Ｆｉｔｔｅｄｅｑｕａｔｉｏｎ 犚２ 犘
免耕秸秆覆盖ＮＴＳｔｒｅａｔｍｅｎｔ 犚狊＝－０．０２４３θ２＋０．５７５θ－１．７３１１ ０．２５２６ ＞０．０５
免耕不覆盖ＮＴｔｒｅａｔｍｅｎｔ 犚狊＝－０．０６５８θ２＋１．１８４θ－３．５８４３ ０．３６５４ ＞０．０５
传统耕作Ｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ 犚狊＝－０．０２８３θ２＋０．５５９θ－１．１２０９ ０．１５３１ ＞０．０５
　　张宇等［９］研究认为耕作方式对冬小麦农田土壤ＣＯ２ 排放具有显著影响；江晓东等［１０］研究认为翻耕条件下农
田土壤呼吸速率显著高于免耕。本研究比较了免耕秸秆覆盖、免耕不覆盖和传统翻耕条件下冬小麦农田土壤呼
吸速率，发现无论是土壤呼吸日变化均值还是季节变化均值，免耕秸秆覆盖和传统耕作条件下土壤呼吸速率均显
著高于免耕不覆盖处理，这说明秸秆覆盖或翻耕均能增加土壤碳排放。这主要是因为免耕秸秆覆盖处理中秸秆
还田增加了土壤有机质含量，使有机质分解释放的ＣＯ２ 对土壤呼吸的贡献增加，而对于传统耕作而言，由于机械
的翻耕作用改善了土壤耕层通透性，加速了土壤有机质的分解，进而提高了土壤呼吸速率。
３．２　土壤呼吸对土壤水热因子的敏感性
土壤呼吸受许多因子的交互影响，尽管很难将它们的作用区分开来。土壤温度和湿度作为２个影响土壤呼
吸的主要因子，Ｒａｉｃｈ和Ｓｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒ［２０］总结前人研究结果发现土壤呼吸对温度的敏感性值（犙１０）一般在１．３～
３．３变化。Ｐｈｉｌｉｐ等［４］研究认为，传统耕作中土壤ＣＯ２ 通量与表层（６．５ｃｍ）土壤含水率显著相关。本研究发现，３
种耕作措施下土壤呼吸对土壤温度（５ｃｍ）的敏感性值（犙１０）在１．９３～３．００，这与Ｒａｉｃｈ和Ｓｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒ［２０］的研究
结果一致；同时江晓东等［１０］研究也认为翻耕、旋耕、耙耕和免耕４种土壤耕作模式中土壤呼吸速率与５ｃｍ 土壤
温度的相关性最大。不同耕作措施对温度的敏感性依次为免耕不覆盖＞免耕秸秆覆盖＞传统耕作，这一结果与
代快等［２１］的研究结果一致。很多野外测量结果表明，土壤湿度只有在最低或最高的情况下才会抑制土壤ＣＯ２ 通
量［２］。从本研究结果来看，３种耕作措施下土壤呼吸速率对土壤湿度均不敏感，说明在此研究条件下，土壤水分
尚未达到影响土壤呼吸的阈值。有关作物根系时空分布、土壤有机质、土壤空隙对农田土壤呼吸的影响及其机制
有待进一步深入研究。
４　结论
在西北绿洲灌区，免耕秸秆覆盖、免耕不覆盖和传统耕作措施下冬小麦农田土壤呼吸日变化峰值出现在
６７２ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１２） Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１
１４：００－１５：００，生育期变化峰值出现在６月上旬。从冬小麦返青至成熟，免耕秸秆覆盖和传统翻耕处理土壤呼吸
平均速率分别较免耕不覆盖处理高４３．０１％和３３．３３％。土壤湿度对冬小麦农田土壤呼吸影响不显著，不同耕作
措施下土壤呼吸主要受土壤温度的控制。
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７７２第２１卷第１期 草业学报２０１２年
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８７２ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１２） Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１