熊 瑛, 王龍昌, 趙琳璐, 杜 娟, 張 賽, 周 泉

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保護性耕作下蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田土壤呼吸、碳平衡及經(jīng)濟-環(huán)境效益特征*

熊 瑛1,2, 王龍昌1**, 趙琳璐1, 杜 娟1, 張 賽1, 周 泉1

(1. 西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室/南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心 重慶 400716; 2. 河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院 洛陽 471003)

壟作和秸稈覆蓋是實現(xiàn)西南丘陵區(qū)旱地農(nóng)田穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和固碳的適宜保護性耕作模式。為探討該保護性耕作模式下蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田土壤碳排放的特征, 對平作無覆蓋(T)、壟作無覆蓋(R)、平作+秸稈半量覆蓋(TS1)、壟作+秸稈半量覆蓋(RS1)、平作+秸稈全量覆蓋(TS2)、壟作+秸稈全量覆蓋(RS2)6種耕作模式下西南紫色土丘陵區(qū)蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田土壤呼吸、糧食產(chǎn)量特征進行測定, 分析農(nóng)田碳平衡及經(jīng)濟-環(huán)境效益, 為量化評估農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支提供理論依據(jù)。結(jié)果表明: 在整個間套作系統(tǒng)內(nèi), 蠶豆、玉米和甘薯全生育期內(nèi)土壤呼吸速率均值分別為3.704 μmol·m-2·s-1、4.847 μmol·m-2·s-1和4.606 μmol·m-2·s-1, 壟作降低了3種作物的農(nóng)田土壤呼吸速率(<0.05), 秸稈覆蓋則增加了土壤呼吸(<0.05), 壟作和秸稈覆蓋配合使用后土壤呼吸總量和微生物呼吸總量增加(<0.05)。保護性耕作促進三熟制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)作物固碳; 土壤-作物系統(tǒng)碳平衡表現(xiàn)為碳匯, RS2、TS2、RS1、TS1、R分別較T高25.41%、25.37%、9.84%、26.74%、13.26%。與平作相比, 壟作和秸稈覆蓋提高了糧食產(chǎn)量, 以RS2(17 460.45 kg·hm-2)最高, TS2(16 498.73 kg·hm-2)次之。蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田生產(chǎn)每千克籽粒釋放CO2量處理間表現(xiàn)為T(1.88 kg×kg-1)>TS1(1.83 kg×kg-1)>R(1.76 kg×kg-1)>TS2(1.75 kg×kg-1)>RS1(1.69 kg×kg-1)>RS2(1.68 kg×kg-1)。壟作和秸稈覆蓋提高了套作的經(jīng)濟-環(huán)境效益, 秸稈覆蓋量越高, 經(jīng)濟-環(huán)境效益越好。從農(nóng)田碳平衡和經(jīng)濟-環(huán)境效益綜合考慮, 壟作結(jié)合秸稈全量覆蓋(RS2)具有最大的碳匯能力和最優(yōu)的經(jīng)濟-環(huán)境效益, 可以優(yōu)先作為該地區(qū)農(nóng)田實現(xiàn)固碳增匯減排的耕作措施。

土壤呼吸; 碳平衡; 碳匯; 經(jīng)濟-環(huán)境效益; 蠶豆/玉米/甘薯三熟制; 保護性耕作

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 同時也是最活躍的部分, 頻繁受人類活動的干擾[1]。在不同種植方式和管理措施下, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)會成為大氣的碳源或碳庫。土壤呼吸作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機碳的主要輸出形式, 影響著生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡[2]。在全球氣候變暖和日益增長的糧食需求的背景下, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸和碳平衡問題日漸成為關(guān)注的熱點, 探尋能夠?qū)崿F(xiàn)不同地區(qū)農(nóng)田高產(chǎn)、低碳生產(chǎn)目標(biāo)的適宜耕作方式顯得尤為重要[3]。在我國西南紫色土丘陵區(qū), 旱地面積占總耕地面積的60%以上, 是我國南方典型的旱作三熟制農(nóng)業(yè)區(qū)[4]。針對該地區(qū)土層淺薄、水土流失嚴重的特點, 有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn), 以壟作和秸稈覆蓋為主的保護性耕作具有提高作物產(chǎn)量、有效控制水土流失的優(yōu)點, 是適宜西南丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展采用的耕作模式[5]。

有研究表明, 作物產(chǎn)量與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡密切相關(guān), 較高的作物產(chǎn)量表示有較多的凈初級生產(chǎn)力(NPP), 有利于土壤碳固存[6]; 作物產(chǎn)量與土壤釋放碳量的比值(經(jīng)濟-環(huán)境效益)通常被用來定量評價不同管理措施下農(nóng)田具有的增產(chǎn)、減排的綜合能力[7-9]。本課題組前期開展了壟作和秸稈覆蓋模式下小麥()、玉米()、大豆()田的土壤呼吸及作物-土壤系統(tǒng)內(nèi)的碳平衡特征研究[10-12], 較少涉及作物產(chǎn)量與土壤碳排放的量化研究。同時, 由于農(nóng)田土壤呼吸影響因子的復(fù)雜性, 作物類型和耕作方式的改變涉及土壤溫度和土壤濕度等氣候因子、土壤微環(huán)境和結(jié)構(gòu)、凋落物數(shù)量和質(zhì)量以及根系呼吸作用等方面[13-14], 這些因素都會直接影響土壤呼吸作用, 進而影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯特征?；诖? 為完善三熟種植制度下農(nóng)田土壤呼吸及碳平衡特征, 本研究以蠶豆()/玉米/甘薯()三熟制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為對象, 分析了以壟作和秸稈覆蓋為主體的保護性耕作模式下農(nóng)田土壤呼吸的變化特征, 探討保護性耕作對旱三熟農(nóng)田CO2呼吸通量特性的影響效應(yīng), 分析農(nóng)田的碳平衡、環(huán)境-經(jīng)濟效益狀況, 旨在量化評估農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支, 為實現(xiàn)作物增產(chǎn)、環(huán)境友好、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)教學(xué)實驗農(nóng)場(29°51′N, 106°27′E), 海拔244 m, 屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候, 年均太陽總輻射量87 108 kJ·cm-2, 年均總?cè)照諘r數(shù)1 276.7 h, 多年平均氣溫18 ℃, ≥10 ℃年積溫5 979.5 ℃, 夏季最高氣溫達40 ℃左右, 無霜期達359 d, 多年平均降雨量1 133.7 mm, 春、夏、秋、冬降雨量分別為全年的25.5%、41.4%、27.9%、5.5%, 年蒸發(fā)量1 181.1 mm, 伏旱發(fā)生頻率達93%。試驗地土壤為旱地紫色土, 坡度較緩, 地力相對均勻。0~20 cm土層土壤基本理化性質(zhì)如下: 土壤容重1.21 g·cm-3, pH 6.47, 土壤有機質(zhì)28.00 g·kg-1, 全氮1.68 g·kg-1, 全磷1.46 g·kg-1, 全鉀34.54 g·kg-1, 速效磷18.13 mg·kg-1, 速效鉀270.23 mg·kg-1, 堿解氮35.23 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地已經(jīng)連續(xù)8年進行保護性耕作下三熟分廂復(fù)種套作栽培, 本試驗自2013年11月起連續(xù)兩年采用蠶豆/玉米/甘薯種植模式(即: 在蠶豆條帶之間套作玉米, 蠶豆收獲后在玉米條帶之間套作甘薯)。供試作物蠶豆品種為當(dāng)?shù)仄贩N, 種植密度180 000株·hm-2; 玉米品種為‘東單80’, 移栽密度80 000株·hm-2; 甘薯品種為‘渝紫七號’, 移栽密度 40 000株·hm-2。蠶豆、玉米、甘薯各處理均施復(fù)合肥(N-P2O5-K2O=16-16-16)225 kg·hm-2, 作為基肥一次施入, 玉米在拔節(jié)期追施尿素450 kg·hm-2。

試驗設(shè)置2種耕作方式和3個覆蓋水平。2種耕作方式分別為: 1)平作, 秋季整地后不起壟; 2)壟作, 于秋季整地后橫向起壟, 壟寬1 m, 溝寬1 m, 壟高20 cm。3個覆蓋水平分別為: 1)無覆蓋, 各種作物收獲后, 秸稈全部清除, 整個生育期內(nèi)無覆蓋; 2)秸稈半量覆蓋, 作物生育期內(nèi)分別將3 750 kg·hm-2玉米秸稈和3 750 kg·hm-2小麥秸稈均勻覆蓋在壟上和溝內(nèi); 3)秸稈全量覆蓋, 作物生育期內(nèi)將7 500 kg·hm-2玉米秸稈和7 500 kg·hm-2小麥秸稈均勻覆蓋在壟上和溝內(nèi)。覆蓋處理所用的玉米及小麥秸稈收獲后人工截成10 cm左右, 分別于蠶豆播種后、玉米和甘薯移栽后進行全生育期覆蓋處理。

試驗共有6個處理, 分別為平作無覆蓋(T)、壟作無覆蓋(R)、平作+秸稈半量覆蓋(TS1)、壟作+秸稈半量覆蓋(RS1)、平作+秸稈全量覆蓋(TS2)、壟作+秸稈全量覆蓋(RS2), 隨機區(qū)組排列, 重復(fù)3次, 小區(qū)長4 m, 寬8 m。所有小區(qū)橫向分廂(2 m為一廂, 共4廂)按條帶(每廂按1 m+1 m分為兩個條帶)種植, 每1 m條帶種植2行作物, 行距為60 cm。長4 m寬1 m的條帶上蠶豆18穴、玉米和甘薯12穴。蠶豆采用種子穴播, 每穴留苗3株; 玉米和甘薯均采用育苗移栽, 玉米每穴留苗2株, 甘薯每穴留苗1株。第1茬(蠶豆)和第3茬(甘薯)種植在一個條帶, 第2茬(玉米)種植在另一條帶上。壟作處理中蠶豆和甘薯種植在壟上, 玉米種植在溝內(nèi), 整個生育期內(nèi)實行少耕, 常規(guī)管理。田間種植示意圖見圖1。

圖1 壟作和平作的蠶豆/玉米/甘薯套作田間試驗示意圖

蠶豆于2014年11月上旬播種、2015年5月上旬收獲, 甘薯于2015年5月下旬移栽、同年10月下旬收獲, 玉米于2015年4月上旬移栽、同年7月底收獲。4月上旬到5月上旬為蠶豆和玉米的共生期, 5月下旬到7月底為玉米和甘薯的共生期。蠶豆和甘薯種植于同一廂內(nèi), 玉米移栽于另一廂內(nèi), 移栽前和移栽后該廂內(nèi)不種植任何作物, 為空閑狀態(tài)。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 土壤呼吸測定

采用LI 6400便攜式光合作用系統(tǒng)連接6400-09呼吸室測定土壤呼吸。小區(qū)內(nèi)按照行間、株間和條帶邊緣3個位置選取3個固定點(圖2), 放置PVC環(huán), 底面積80 cm2, 高5 cm, 插入土壤2 cm左右。為減少對土壤的干擾, PVC環(huán)于測定前一天安置好。每個PVC環(huán)測定1次, 設(shè)定2個循環(huán), 每個處理3次重復(fù), 共6個數(shù)據(jù), 取其平均值作為日土壤呼吸值。蠶豆、玉米和甘薯3種作物均于整個生育期內(nèi)每半個月測定一次, 如遇下雨天氣則適當(dāng)調(diào)整, 測定時間統(tǒng)一為上午9:00—11:00。

圖2 測定土壤呼吸用的PVC環(huán)在田間的安放位置

圖內(nèi)小圓圈代表一個1 m條帶內(nèi)布置的PVC環(huán), 從左到右依次為行間、株間和條帶邊緣。The small circles in the chart represent PVC collars arranged in a 1 m belt, being placed successively at interline, interplant and belt edge from left to right.

本試驗采用根排除法區(qū)分土壤呼吸與土壤微生物呼吸, 具體做法為: 各處理分別在每小區(qū)的4廂中選擇1廂不種植作物, 在測定種植作物土壤呼吸的同時測定不種植作物的土壤呼吸, 種植作物土壤呼吸記作土壤呼吸(s), 不種植作物土壤呼吸記作土壤微生物呼吸(m)[15]。s和m單位均為μmol·m-2·s-1, 按照1 μmol·m-2·s-1=1.036 8 g(C)·m-2·d-1=10.368 kg(C)·hm-2·d-1, 把土壤呼吸速率換算為土壤呼吸量。土壤呼吸總量和土壤微生物呼吸總量的計算公式為:

式中:為土壤呼吸總量或土壤微生物呼吸總量[kg(C)?hm-2],R和R+1分別為第次和第1次測定時土壤呼吸或土壤微生物呼吸速率,T和T+1分別為第次和第1次測定時作物播種或移栽后天數(shù)。

1.3.2 作物生物量測定與計算

分別在作物收獲時選取長勢均勻一致的植株6株, 以莖為中心, 取長20 cm、寬20 cm, 蠶豆和甘薯為深40 cm、玉米深60 cm的土塊, 裝入尼龍袋中, 用自來水沖洗, 之后將根系80 ℃烘干至恒重后測定根系干重, 并按照種植密度計算根系生物量。同時測定地上生物量(包括地上部分各器官以及地表凋落物)。采用小區(qū)全收獲法測定作物產(chǎn)量: 蠶豆、玉米產(chǎn)量為籽粒風(fēng)干重; 甘薯產(chǎn)量為塊根鮮重, 并按鮮重乘以1/5換算成糧食產(chǎn)量。

1.3.3 碳平衡計算

采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)來表示生態(tài)系統(tǒng)碳平衡[16]。NEP為正值時, 表示系統(tǒng)是大氣CO2的吸收匯; 反之為大氣CO2的排放源。碳平衡計算公式為:

NEP=NPP-m(2)

式中: NPP為作物地上部碳積累量與地下部碳積累量的總和, 作物地上部組織(莖、葉、莢)和根的碳含量由總有機碳分析儀(TOC-5000AShimadiu)測定; 土壤微生物異養(yǎng)呼吸碳釋放量(m)為各處理下相應(yīng)不種植作物土壤呼吸在整個作物生育期間農(nóng)田CO2的排放量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)作圖, 采用SPSS 22.0一般性檢驗中單變量方差分析進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 保護性耕作下蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田土壤呼吸的動態(tài)變化

在蠶豆/玉米/甘薯間套作系統(tǒng)中, 不同作物的土壤呼吸速率變化均有明顯的差異性(圖3); 在蠶豆生育期內(nèi)呈單峰曲線變化, 在玉米生育期內(nèi)呈雙峰曲線變化, 在甘薯生育期內(nèi)呈先降低后增加再降低的趨勢。自蠶豆播種(11月上旬)到播種后64 d(翌年1月中旬), 氣溫和土壤溫度都較低, 土壤呼吸維持在一個較低水平。隨著氣溫和土壤溫度的升高, 土壤呼吸逐漸升高, 到播種后131 d(翌年3月中旬)達到峰值, 此時蠶豆處于開花結(jié)莢期, 隨后土壤呼吸逐漸下降。玉米移栽后25 d土壤呼吸出現(xiàn)一個小高峰, 這是由于此時進行秸稈覆蓋引起的, 隨后土壤呼吸逐漸升高, 在玉米吐絲期(移栽后71 d)達到高峰, 隨后各處理土壤呼吸逐漸下降。由于土壤耕作的影響, 甘薯移栽后土壤呼吸較高, 隨后逐漸降低, 到移栽后26 d降到最低, 而后逐漸增加至莖葉盛長期(移栽后91~118 d)達到峰值, 隨后下降。

在整個間套作系統(tǒng)內(nèi), 蠶豆、玉米和甘薯全生育期內(nèi)土壤呼吸的變化范圍分別為0.974~14.963 μmol·m-2·s-1、1.760~12.327 μmol·m-2·s-1和2.315~8.112 μmol·m-2·s-1, 均值分別為3.704μmol·m-2·s-1、4.847 μmol·m-2·s-1和4.606 μmol·m-2·s-1, 蠶豆的土壤呼吸速率顯著低于玉米和甘薯(<0.05), 玉米與甘薯間差異不顯著。對6種處理下不同作物整個生育期內(nèi)土壤呼吸速率平均值進行分析比較, 發(fā)現(xiàn)在蠶豆和玉米生育期內(nèi)各處理間表現(xiàn)為TS2>RS2>RS1>TS1>T>R, 甘薯則表現(xiàn)為RS2>TS2>T>R>RS1>TS1。方差分析結(jié)果表明, 3種作物生育期內(nèi)壟作處理土壤呼吸速率均低于平作, 差異均達到顯著水平(<0.05), 說明壟作降低了蠶豆、玉米、甘薯田土壤呼吸速率。不同覆蓋量間比較發(fā)現(xiàn), 在蠶豆和玉米田秸稈全量覆蓋土壤呼吸顯著高于秸稈半量覆蓋處理, 且兩種處理均顯著高于無覆蓋處理(<0.05); 在甘薯田則表現(xiàn)為秸稈全量覆蓋土壤呼吸顯著高于無覆蓋處理, 均顯著高于秸稈半量覆蓋處理(<0.05)。說明秸稈全量覆蓋還田提高了蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田土壤呼吸, 而秸稈半量覆蓋對土壤呼吸的影響則因作物種類不同而存在差異。

2.2 保護性耕作下蠶豆/玉米/甘薯三熟制系統(tǒng)內(nèi)作物固碳特征

如表1所示, 不同作物的固碳量存在顯著差異, 表現(xiàn)為玉米>甘薯>蠶豆, 固碳量均值分別為12 022.78kg(C)·hm-2、7 933.16kg(C)·hm-2和4 930.09kg(C)·hm-2。秸稈、根系和籽粒的固碳量在蠶豆和玉米上表現(xiàn)為秸稈>籽粒>根系, 在甘薯上表現(xiàn)為籽粒(塊根)>秸稈>根系。保護性耕作措施提高了作物的固碳量, 在蠶豆和甘薯上表現(xiàn)尤為顯著, 基本表現(xiàn)為壟作高于平作(<0.05), 秸稈全量覆蓋高于秸稈半量覆蓋高于無覆蓋(<0.05), 以RS2處理最高。壟作(R處理)并不會顯著降低玉米的固碳量, 配合秸稈覆蓋后(RS1和RS2處理)固碳量增加, 6個處理下的固碳量以TS1處理最高。從整個農(nóng)田系統(tǒng)出發(fā), 綜合考慮3種作物固碳量總和, 保護性耕作提高了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳量, 處理間表現(xiàn)為RS2>TS1>RS1>TS2>R>T, 分別較T處理高36.58%、26.10%、23.69%、20.22%和4.62%, 差異顯著(R處理除外)。

圖3 不同保護性耕作處理下蠶豆/玉米/甘薯三熟制系統(tǒng)農(nóng)田土壤呼吸速率動態(tài)變化

T: 平作無覆蓋; R: 壟作無覆蓋; TS1: 平作+秸稈半量覆蓋; RS1: 壟作+秸稈半量覆蓋; TS2: 平作+秸稈全量覆蓋; RS2: 壟作+秸稈全量覆蓋。T: traditional tillage without straw mulching; R: ridge tillage without straw mulching; TS1: traditional tillage with straw mulching at 3 750 kg×hm-2; RS1: ridge tillage with straw mulching at 3 750 kg×hm-2; TS2: traditional tillage with straw mulching at 7 500 kg×hm-2; RS2: ridge tillage with straw mulching at 7 500 kg×hm-2.

2.3 保護性耕作下蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田土壤呼吸總量、微生物呼吸總量與碳平衡

在西南紫色土丘陵區(qū)旱地蠶豆/玉米/甘薯間套種模式下, 蠶豆生育期內(nèi)土壤呼吸總量各處理表現(xiàn)為TS2>RS2>TS1>RS1>T>R, 玉米表現(xiàn)為RS2>TS1> TS2>RS1>T>R, 甘薯表現(xiàn)為RS2>TS1>RS1>TS2>T>R, 空閑期表現(xiàn)為RS2>TS2>T>TS1>RS1>R, 6個處理的土壤呼吸總量在不同作物下表現(xiàn)不同(表2)。從不同作物來看, 保護性耕作下蠶豆、玉米和甘薯生育期內(nèi)土壤呼吸總量分別占全年蠶豆/玉米/甘薯農(nóng)田土壤呼吸總量的22.6%、20.7%和30.8%, 均值依次為5 971.51 kg·hm-2、5 525.34 kg·hm-2和8 067.81 kg·hm-2, 甘薯顯著高于蠶豆和玉米。從蠶豆/玉米/甘薯間套作體系整體出發(fā), 6個處理的土壤呼吸總量表現(xiàn)為RS2>TS2>TS1>RS1>T>R, 分別高于對照23.7%、21.1%、14.2%、8.3%、-3.3%, RS2和TS2處理顯著高于對照, 其余處理與對照間差異不顯著。

表1 不同保護性耕作處理下蠶豆/玉米/甘薯三熟制系統(tǒng)的作物固碳量

T: 平作無覆蓋; R: 壟作無覆蓋; TS1: 平作+秸稈半量覆蓋; RS1: 壟作+秸稈半量覆蓋; TS2: 平作+秸稈全量覆蓋; RS2: 壟作+秸稈全量覆蓋。同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。T: traditional tillage without straw mulching; R: ridge tillage without straw mulching; TS1: traditional tillage with straw mulching at 3 750 kg×hm-2; RS1: ridge tillage with straw mulching at 3 750 kg×hm-2; TS2: traditional tillage with straw mulching at 7 500 kg×hm-2; RS2: ridge tillage with straw mulching at 7 500 kg×hm-2. Different letters in the same column show significant differences among treatments at 5% level.

表2 不同保護性耕作處理下蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田土壤呼吸總量、微生物呼吸總量與碳平衡

T: 平作無覆蓋; R: 壟作無覆蓋; TS1: 平作+秸稈半量覆蓋; RS1: 壟作+秸稈半量覆蓋; TS2: 平作+秸稈全量覆蓋; RS2: 壟作+秸稈全量覆蓋。CRs: 土壤呼吸總量; CRm: 土壤微生物呼吸總量; NPP: 凈初級生產(chǎn)力; NEP:凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。同行不同小寫字母表示不同處理在0.05水平上差異顯著。T: traditional tillage without straw mulching; R: ridge tillage without straw mulching; TS1: traditional tillage with straw mulching at 3 750 kg×hm-2; RS1: ridge tillage with straw mulching at 3 750 kg×hm-2; TS2: traditional tillage with straw mulching at 7 500 kg×hm-2; RS2: ridge tillage with straw mulching at 7 500 kg×hm-2. CRs: cumulative soil respiration; CRm: cumulative microbial respiration; NPP: net primary productivity; NEP:net ecosystem productivity. Different letters in the same line represent significant differences among different treatments at 0.05 level.

不同作物生育期內(nèi)土壤微生物呼吸總量均值表現(xiàn)為甘薯>玉米>蠶豆, 分別為5 627.76 kg·hm-2、3 736.93 kg·hm-2和3 026.39 kg·hm-2, 三者間差異達顯著水平(表2)。從間套作體系整體出發(fā), 6個處理的土壤微生物呼吸總量表現(xiàn)為RS2>RS1>TS1> TS2>R>T, 僅RS2處理顯著高于對照, 其余處理間差異不顯著。

在蠶豆、玉米、甘薯生育期內(nèi)對不同處理下土壤呼吸總量和土壤微生物呼吸總量進行兩因素方差分析, 結(jié)果表明, 土壤呼吸總量和土壤微生物呼吸總量均表現(xiàn)為在傳統(tǒng)耕作平作和壟作之間差異不顯著(>0.05), 而秸稈覆蓋量間差異顯著(<0.05), 秸稈全量覆蓋和秸稈半量覆蓋均顯著高于無覆蓋處理, 但秸稈全量覆蓋和秸稈半量覆蓋間差異不顯著, 說明秸稈覆蓋還田可以顯著提高農(nóng)田土壤呼吸總量和土壤微生物呼吸總量, 與秸稈覆蓋量的多少無關(guān)。

保護性耕作下蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田碳平衡計算結(jié)果見表2。西南丘陵區(qū)旱地三熟制農(nóng)田6種處理均為碳匯。與平作處理相比, 其余5處理碳匯總量均顯著提高, RS2、TS2、RS1、TS1和R分別較T高25.41%、25.37%、9.84%、26.74%和13.26%, 說明在西南紫色土丘陵區(qū)旱地條件下, 在蠶豆/玉米/甘薯三熟體系中壟作或秸稈覆蓋均能顯著提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力。

2.4 保護性耕作下蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田經(jīng)濟-環(huán)境效益

蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田糧食產(chǎn)量如表3所示。秸稈覆蓋后蠶豆、玉米、甘薯3種作物的產(chǎn)量均表現(xiàn)出增產(chǎn), 且隨著覆蓋量的增加而增加。壟作措施對壟上作物蠶豆和甘薯具有增產(chǎn)效應(yīng), 但對壟溝內(nèi)種植的玉米則表現(xiàn)出減產(chǎn)效應(yīng)。從綜合效應(yīng)上考慮, 保護性耕作模式下三熟制系統(tǒng)的糧食產(chǎn)量表現(xiàn)為RS2>TS2>RS1>TS1>R>T, 分別較T高38.22%、30.61%、20.82%、17.79%、3.57%, 與T差異顯著。依據(jù)三熟制農(nóng)田的土壤呼吸總量和蠶豆、玉米、甘薯3種作物糧食產(chǎn)量, 得出6種處理下每千克糧食收獲時土壤釋放的CO2量即農(nóng)田的經(jīng)濟-環(huán)境效益[7-9], T、TS1、TS2、R、RS1、RS2處理下農(nóng)田經(jīng)濟-環(huán)境效益值分別為1.88 kg·kg-1、1.83 kg·kg-1、1.75 kg·kg-1、1.76 kg·kg-1、1.69 kg·kg-1、1.68 kg·kg-1。與平作相比, 壟作和秸稈覆蓋的保護性耕作處理在獲得單位糧食產(chǎn)量時農(nóng)田土壤分別釋放CO2量顯著降低, 同時秸稈覆蓋還田量越高, 經(jīng)濟-環(huán)境效益值越低, 說明保護性耕作措施對提高三熟制農(nóng)田經(jīng)濟-環(huán)境效益是有利的, 壟作與秸稈覆蓋還田配合施用效果更明顯。

表3 不同保護性耕作處理下蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田糧食產(chǎn)量和經(jīng)濟-環(huán)境效益值

T: 平作無覆蓋; R: 壟作無覆蓋; TS1: 平作+秸稈半量覆蓋; RS1: 壟作+秸稈半量覆蓋; TS2: 平作+秸稈全量覆蓋; RS2: 壟作+秸稈全量覆蓋。同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。甘薯產(chǎn)量按照塊根鮮重乘以1/5折算成糧食產(chǎn)量。T: traditional tillage without straw mulching; R: ridge tillage without straw mulching; TS1: traditional tillage with straw mulching at 3 750 kg×hm-2; RS1: ridge tillage with straw mulching at 3 750 kg×hm-2; TS2: traditional tillage with straw mulching at 7 500 kg×hm-2; RS2: ridge tillage with straw mulching at 7 500 kg×hm-2. Different lowercase letters in the same column show significant differences among different treatments at 0.05 level. The yield of fresh tubes of sweet potato was converted into grain yield by multiplying 1/5.

3 討論

3.1 農(nóng)田土壤呼吸的影響因素

農(nóng)田土壤呼吸是一個復(fù)雜的生物學(xué)過程, 受多種因素影響, 包括作物類型、凈初級生產(chǎn)力(NPP)、地上與地下生物量分配等生物因子、土壤溫度、土壤水分、土壤有機質(zhì)等非生物因子及土壤耕作、施肥等人為活動因子[17], 各因子之間既相互獨立又相互聯(lián)系地影響土壤呼吸。

1)作物類型影響農(nóng)田土壤呼吸。本研究中, 玉米和甘薯的土壤呼吸速率顯著高于蠶豆, 這一結(jié)果取決于作物自身特點和非生物因子的共同作用。其一, 玉米和甘薯屬于夏季作物, 生長期內(nèi)較高的氣溫促進作物生長, 增加光合產(chǎn)物向地下的輸送, 使得土壤呼吸作用較冬季作物蠶豆強烈。其二, 作物自身的特性即NPP[18]、根系生物量等也影響土壤呼吸: 蠶豆、玉米、甘薯3種作物相比, 玉米的NPP顯著高于甘薯和蠶豆, 甘薯地下生物量顯著高于玉米和蠶豆。NPP是作物光合作用的結(jié)果, 而光合作用作為土壤呼吸作用的物質(zhì)基礎(chǔ)來源[19], 其強度與土壤呼吸速率呈協(xié)同上升的關(guān)系; 根系呼吸作為土壤呼吸的重要組成部分, 根系生物量和根系活性通過影響根系呼吸來影響土壤呼吸作用[20], 根系的參與促進了土壤呼吸[21-22], 夏季較高的土壤溫度有利于土壤微生物和根系活性的增加, 從而進一步促進土壤呼吸[23]。

2)耕作措施也會影響土壤呼吸。田間起壟栽培后, 壟上與壟溝內(nèi)的小氣候與平作存在差異, 進而影響農(nóng)田的土壤呼吸。王同朝等[24]研究發(fā)現(xiàn)壟作促進了小麥生長季土壤呼吸作用, 而對玉米的影響不顯著; 張賽等[10-12]研究表明, 壟作條件下玉米田土壤呼吸低于傳統(tǒng)平作, 而小麥田和大豆田則高于傳統(tǒng)平作。而本研究中壟作降低了蠶豆、玉米和甘薯生長季農(nóng)田土壤呼吸總量, 目前針對壟作對土壤呼吸作用的影響研究較少, 不同地區(qū)、不同種植模式下得到的結(jié)論不一, 說明壟作對土壤呼吸的影響效應(yīng)與作物類型以及多熟種植制度有關(guān)。一方面, 種植模式的不同導(dǎo)致農(nóng)田小氣候環(huán)境不同, 間套作系統(tǒng)內(nèi)不同作物由于形態(tài)和生態(tài)型上的錯位搭配形成的空間生態(tài)位互補和生育期上的時間生態(tài)位互補會影響農(nóng)田碳排放[25-26], 土壤溫度、土壤水分等環(huán)境因子的差異影響土壤呼吸。另一方面, 不同作物之間存在化感效應(yīng), 對土壤微生物的活動以及作物根系生長帶來一定的影響, 作物類型和根系屬性在不同程度上也會影響土壤呼吸, 但對土壤呼吸的作用機理目前還不明確, 仍需要進一步研究。

3)秸稈覆蓋還田作為常見的田間管理措施, 在為土壤提供額外養(yǎng)分的同時也對土壤微生物的活性產(chǎn)生影響, 促進土壤有機質(zhì)的礦化, 進而引起土壤呼吸的變化[27-28]。關(guān)于秸稈覆蓋對土壤呼吸的影響結(jié)論大體一致, 一般認為秸稈還田會促進土壤中CO2的釋放, 不同的研究表明秸稈覆蓋均在不同程度增強了土壤呼吸, 且隨著秸稈分解后期對土壤呼吸的影響逐漸減弱[29]。本研究也表明, 壟作與秸稈覆蓋還田結(jié)合使用后, 提高了農(nóng)田土壤呼吸總量, 但與覆蓋量的多少無關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn), 保護性耕作措施尤其是秸稈覆蓋還田下土壤微生物呼吸碳通量占農(nóng)田NPP的62%~69%, 在提高農(nóng)田碳儲量的同時促進了由土壤微生物呼吸引起的土壤碳排放, 秸稈覆蓋在地表使表層的土壤有機碳增加[30], 在某種程度上輸入土壤的碳越多, 土壤微生物的呼吸作物就越大[31]。

3.2 保護性耕作對農(nóng)田系統(tǒng)碳平衡及經(jīng)濟-環(huán)境效益的影響

有關(guān)碳平衡的研究表明, 東北地區(qū)一年一熟制[32]和華北地區(qū)一年兩熟制農(nóng)田[33]均表現(xiàn)為碳匯。本研究中西南旱地丘陵蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田也表現(xiàn)為CO2的吸收匯。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中, 作物通過光合作用將大氣中的CO2以有機碳的形式固定于作物中, 作物碳儲量增加, 可以提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力。黃土高原春玉米農(nóng)田年均NPP約為8 440 kg(C)·hm-2[34], 華北平原地區(qū)小麥-玉米輪作農(nóng)田NPP為9 675~14 708kg(C)·hm-2[33]。本研究中, 西南旱地丘陵蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田NPP為20 994~28 673 kg(C)·hm-2, 農(nóng)田表現(xiàn)為碳匯。以壟作和秸稈覆蓋為主體的保護性耕作模式下作物的固碳能力增加, 壟作和秸稈覆蓋還田有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯的結(jié)論得到認可[34-35]。然而, 也有一些研究表明, 秸稈還田并不能提高農(nóng)田碳匯的能力[36-38]。Wang等[38]發(fā)現(xiàn)華北平原冬小麥-夏玉米農(nóng)田秸稈還田后年平均碳匯為-770 kg(C)·hm-2, 長期的秸稈還田會導(dǎo)致農(nóng)田土壤有機碳含量達到飽和水平; Liu等[39]通過對已經(jīng)發(fā)表的176篇論文的研究結(jié)果經(jīng)過Meta分析發(fā)現(xiàn), 連續(xù)12年的秸稈還田后土壤有機碳達到一個新平衡狀態(tài)。因此, 本研究認為蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田表現(xiàn)為碳匯的原因與較低的土壤原始有機碳含量有關(guān), 在土壤有機碳尚未達到飽和的情況下, 壟作和秸稈覆蓋為主體的保護性耕作增加農(nóng)田碳匯的能力還將持續(xù)。

經(jīng)濟-環(huán)境效益值通常用來衡量不同管理措施下農(nóng)田增產(chǎn)和減排的綜合效益。本研究中, 西南旱地丘陵蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田的經(jīng)濟-環(huán)境效益值為1.68~1.88 kg·kg-1, 與孟磊等[7](0.29~1.92 kg·kg-1)、崔鳳娟[8](2.16~3.27 kg·kg-1)及涂純等[9](2.96~3.16 kg·kg-1)的研究不同。地區(qū)的空間異質(zhì)性、研究對象的差異以及農(nóng)田管理措施的不同, 導(dǎo)致作物產(chǎn)量和土壤呼吸出現(xiàn)異質(zhì)性, 進而影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綜合效益。本研究中以壟作和秸稈覆蓋為主體的保護性耕作措施提高了旱地三熟農(nóng)田經(jīng)濟-環(huán)境效益, 壟作結(jié)合秸稈全量覆蓋具有最優(yōu)的經(jīng)濟-環(huán)境效益, 這與涂純等[9]在降水較少的年份得出的結(jié)論一致。因此, 在西南旱地農(nóng)田中, 可以通過壟作結(jié)合秸稈覆蓋還田使更多的CO2進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中, 提高農(nóng)田的經(jīng)濟-環(huán)境效益, 從而實現(xiàn)農(nóng)田固碳增匯減排的目的。

4 結(jié)論

西南旱地丘陵蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中, 3種作物全生育期內(nèi)平均土壤呼吸速率表現(xiàn)為玉米>甘薯>蠶豆, 分別為4.847 μmol×m-2×s-1、4.606 μmol×m-2×s-1和3.704 μmol×m-2×s-1, 玉米和甘薯顯著高于蠶豆; 甘薯的土壤呼吸總量和微生物呼吸總量最高, 分別占全年總量的30.8%和34.1%; 作物固碳量能力以玉米最高, 可占到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳總量的48.3%。

壟作顯著降低了3種作物的土壤呼吸速率, 秸稈覆蓋促進農(nóng)田土壤呼吸。從三熟制系統(tǒng)整體出發(fā), 壟作和秸稈覆蓋配合使用后土壤呼吸總量和土壤微生物呼吸總量顯著提高, 同時, 促進了系統(tǒng)的作物固碳量, 以RS2處理最高。西南旱地丘陵蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田表現(xiàn)為碳匯, 以壟作和秸稈覆蓋為主體的保護性耕作顯著提高了農(nóng)田的碳匯能力, 以RS2、TS2、TS1 3處理的碳匯強度最大。保護性耕作下蠶豆/玉米/甘薯三熟制系統(tǒng)的糧食產(chǎn)量顯著增加, 表現(xiàn)為RS2>TS2> RS1>TS1>R>T, 依次為17 460.45 kg×hm-2、16 498.73 kg×hm-2、15 262.17 kg×hm-2、14 879.45 kg×hm-2、13 083.29 kg×hm-2和12 631.79kg×hm-2。經(jīng)濟-環(huán)境效益值表現(xiàn)為T>TS1>R>TS2>RS1>RS2, 分別為1.88 kg×kg-1、1.83 kg×kg-1、1.76 kg×kg-1、1.75 kg×kg-1、1.69 kg×kg-1和1.68 kg×kg-1。從農(nóng)田碳平衡和經(jīng)濟-環(huán)境效益綜合考慮, 壟作結(jié)合秸稈全量覆蓋具有最大的碳匯能力和最優(yōu)的經(jīng)濟-環(huán)境效益, 可以優(yōu)先作為該地區(qū)農(nóng)田實現(xiàn)增產(chǎn)、固碳增匯的耕作措施。

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Soil respiration, carbon balance, and economic and environmental benefits of triple intercropping system of fava bean, maize and sweet potato under conservation tillage*

XIONG Ying1,2, WANG Longchang1**, ZHAO Linlu1, DU Juan1, ZHANG Sai1, ZHOU Quan1

(1. College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University / Key Laboratory of Eco-Environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education / Engineering Research Center of South Upland Agriculture, Ministry of Education, Chongqing 400716, China; 2. College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Ridge tillage and straw mulching are suitable modes of conservation tillage that increase crop productivity and sequestrate carbon in the purple hilly region of Southwest China. A field experiment was conducted with six treatments — traditional tillage without straw mulching (T), ridge tillage without straw mulching (R), traditional tillage with straw mulching at 3 750 kg·hm-2(TS1), ridge tillage with straw mulching at 3 750 kg·hm-2(RS1), traditional tillage with straw mulching at 7 500 kg·hm-2(TS2) and ridge tillage with straw mulching at 7 500 kg·hm-2(RS2). The characteristics of soil respiration, carbon balance, crop yield, and economic and environmental benefits for the triple intercropping system of fava bean, maize and sweet potato were evaluated. The study provided the theoretical basis for quantifying carbon budget of farmland ecosystems in the region. It was noted that mean soil respiration rates during growth period of fava bean, maize and sweet potato were 3.704 μmol·m-2·s-1, 4.847 μmol·m-2·s-1and 4.606 μmol·m-2·s-1, respectively. Ridge tillage reduced soil respiration rate during growth period of three crops, whereas straw mulching increased it (< 0.05). Ridge tillage with straw mulching increased cumulative soil respiration and cumulative microbial respiration (< 0.05). All treatments of conservation tillage improved carbon sequestration of crops in the triple intercropping system. The soil-crop system exhibited carbon sink and the treatments of RS2, TS2, RS1, TS1 and R significantly increased carbon sequestration respectively by 25.41%, 25.37%, 9.84%, 26.74% and 13.26%, compared with treatment T. Ridge tillage and straw mulching treatments increased total crop yield of the triple intercropping system, which was highest under RS2 (17 460.45 kg·hm-2) and next TS2 (16 498.73 kg·hm-2). The amount of CO2released from soil per 1 kg grain in the triple intercropping system was in the order of: T (1.88 kg×kg-1) > TS1 (1.83 kg×kg-1) > R (1.76 kg×kg-1) > TS2 (1.75 kg×kg-1) > RS1 (1.69 kg×kg-1) > RS2 (1.68 kg×kg-1). This meant that both ridge tillage and straw mulching increased the economic and environmental benefit index. The more straw was added during mulching, the more was the economic and environmental benefits. In conclusion, the RS2 treatment (ridge tillage + straw mulching at 7 500 kg·hm-2) had the largest carbon sink capacity and the optimal economic and environmental benefits. Thus, it was recommended for adoption as tillage pattern to increase carbon sequestration and reduce carbon release in the study area.

Soil respiration; Carbon balance; Carbon sequestration; Economic and environmental benefits; Fava bean, maize and sweet potato triple intercropping system; Conservation tillage

, E-mail: wanglc2003@163.com

Feb. 11, 2018;

May 18, 2018

S344.3

A

1671-3990(2018)11-1653-10

10.13930/j.cnki.cjea.180167

* 國家自然科學(xué)基金項目(31271673)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503127)資助

王龍昌, 主要研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)與高效農(nóng)作制度。E-mail: wanglc2003@163.com

熊瑛, 主要研究方向為農(nóng)業(yè)資源高效利用。E-mail: amber1109@126.com

2018-02-11

2018-05-18

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31271673) and the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503127).

熊瑛, 王龍昌, 趙琳璐, 杜娟, 張賽, 周泉. 保護性耕作下蠶豆/玉米/甘薯三熟制農(nóng)田土壤呼吸、碳平衡及經(jīng)濟-環(huán)境效益特征[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(11): 1653-1662

XIONG Y, WANG L C, ZHAO L L, DU J, ZHANG S, ZHOU Q. Soil respiration, carbon balance, and economic and environmental benefits of triple intercropping system of fava bean, maize and sweet potato under conservation tillage[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(11): 1653-1662