王維鈺，喬　博，Kashif AKHTAR，袁　率，任廣鑫，馮永忠

（1西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院，陜西楊凌 712100；2陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，陜西楊凌 712100）

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免耕條件下秸稈還田對冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)土壤呼吸及土壤水熱狀況的影響

王維鈺1,2，喬博1,2，Kashif AKHTAR2，袁率1,2，任廣鑫1,2，馮永忠1,2

（1西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院，陜西楊凌 712100；2陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，陜西楊凌 712100）

摘要：【目的】研究免耕條件下秸稈還田對旱地冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)土壤呼吸及土壤水熱狀況的影響?！痉椒ā?011年10月至2014年9月，在陜西楊凌設置秸稈全量還田+施肥（S1F1）、秸稈全量還田+不施肥（S1F0）、秸稈半量還田+施肥（S1/2F1）、秸稈半量還田+不施肥（S1/2F0）、秸稈不還田+施肥（S0F1）、秸稈不還田+不施肥（S0F0）6 種不同耕作處理的3年定位試驗，測定并分析不同耕作處理下土壤呼吸、土壤水熱狀況、作物產(chǎn)量、土壤耕作層有機碳含量的差異。【結(jié)果】在冬小麥生育期內(nèi)，各處理土壤呼吸速率均呈先下降后升高再下降的趨勢；在夏玉米生育期內(nèi)，各處理土壤呼吸速率均表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢。同一生育期內(nèi)各處理土壤呼吸平均速率及呼吸總量依次為S1F1＞S1/2F1＞S1/2F0＞S0F1＞S1F0＞CK，同種作物不同生育期之間，各處理土壤生育期呼吸總量有逐年降低的趨勢。整個研究周期內(nèi)，土壤溫度的變化趨勢與每月平均氣溫的變化趨勢相似，不同處理在同一生育期內(nèi)的土壤溫度變化趨勢相近，且各處理生育期土壤平均溫度均隨土壤深度的增加而降低；不同秸稈還田處理冬季土壤溫度均高于對照，但生育期土壤平均溫度均低于對照。土壤含水量隨土壤深度的增加而降低，但受降雨影響，不同輪作周期之間的土壤含水量波動較大，各處理同一生育期的土壤平均含水量均表現(xiàn)為S1F0＞S1F1 ＞S1/2F0＞S1/2F1＞CK＞S0F1，且不同秸稈還田處理的土壤含水量與對照間的差異均顯著（P＜0.05）；土壤溫度能夠解釋土壤呼吸速率變化的32.5％—60.4％，土壤含水量能夠解釋土壤呼吸速率變化的38.4％—82.5％，不同土層深度間，5 cm土層的溫度與土壤呼吸的擬合度性最高，而10—20 cm土層的含水量與土壤呼吸的擬合度最高。相同年份內(nèi)，不同處理冬小麥和夏玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為S1F1＞S1F0＞S1/2F1＞S0F1＞S1/2F0＞CK，這個研究周期內(nèi)，冬小麥產(chǎn)量逐年增加，夏玉米在前兩季表現(xiàn)為增產(chǎn)，但受極端炎熱天氣的影響，第三季的產(chǎn)量明顯降低。單季作物收獲后，各處理同一土層深度的有機碳含量均表現(xiàn)為S1F1＞S1/2F1＞S1F0＞S1/2F0＞S0F1＞CK。且不同秸稈還田處理的土壤有機碳含量逐年升高?！窘Y(jié)論】長期免耕秸稈還田能夠有效降低農(nóng)田土壤碳排放、提高農(nóng)田土壤水分利用率及冬季土壤溫度、提高作物產(chǎn)量及土壤有機碳含量。不同秸稈還田處理間以S1F0處理的效果最優(yōu)。

關鍵詞：免耕；冬小麥-夏玉米；輪作；秸稈還田；土壤呼吸；水熱狀況

聯(lián)系方式：王維鈺，E-mail：lz2567@163.com。通信作者馮永忠，E-mail：fengyz@nwsuaf.edu.cn

0 引言

【研究意義】土壤呼吸是陸地碳循環(huán)的重要組成部分［1］，全球每年因土壤呼吸作用向大氣中釋放的碳通量達75—120 Pg（1Pg=1×1015g）［2］，即使土壤呼吸發(fā)生細微的變化都會顯著改變大氣中CO2濃度［3］，進而影響氣候變化。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，每年通過土壤呼吸向大氣排放的CO2達640 g·m-2［4］，且農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)本身易受到人類活動的干擾，不同的耕作方式、灌溉方式、施肥方法都會引起農(nóng)田土壤呼吸的變化［5-6］，2009年中國因農(nóng)田利用所引起的碳排放量與 1999年相比增幅達93.9％［7］。因此，研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸對農(nóng)業(yè)管理和氣候變化的響應具有十分重要的意義［8］?！厩叭搜芯窟M展】農(nóng)田管理措施的合理性直接影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的碳循環(huán)，合理的農(nóng)田管理措施能夠提高農(nóng)田土壤碳儲量，降低土壤碳排放［9-10］。已有的研究多集中于施肥方式，耕作方式等因素對土壤呼吸及土壤水熱條件的影響［11-14］，或研究土壤呼吸的季節(jié)變化及日變化［15-16］。一般認為土壤呼吸由于受到土壤溫度及濕度的調(diào)控而存在一定的日變化和季節(jié)變化規(guī)律［17-18］，不同的農(nóng)田管理措施對土壤呼吸產(chǎn)生明顯的影響，金皖豫等［19］、李銀坤等［20］研究表明農(nóng)田土壤呼吸速率隨施用氮肥量的增加而增加［19-20］。齊玉春等［21］認為一定范圍的灌溉能夠提高土壤碳排放，并影響土壤呼吸的溫度敏感性。YONEMURA等［22］、SCHWEN等［23］的研究結(jié)果表明免耕與傳統(tǒng)耕作相比，土壤的呼吸速率明顯降低。LIU等［24］、LAL等［25］的研究也指出免耕和秸稈還田能夠有效降低農(nóng)田土壤的碳排放，提高農(nóng)田生態(tài)的系統(tǒng)固碳減排效應?！颈狙芯壳腥朦c】前人對于免耕及秸稈還田對土壤呼吸影響的研究周期多為某種作物的 1—2個生長季或生育期內(nèi)的某一段時期［26-28］，對長期免耕及秸稈還田對土壤呼吸影響的研究較少。輪作能夠最大限度地減緩土壤侵蝕，提高水分利用效率和土壤固碳潛力［29］?！緮M解決的關鍵問題】本研究以陜西關中地區(qū)常見的冬小麥-夏玉米輪作模式為研究對象。通過分析比較不同年份間免耕和秸稈還田條件下土壤呼吸的變化趨勢和土壤呼吸對土壤水熱因子的敏感性，結(jié)合作物產(chǎn)量，確定合理的農(nóng)田管理措施，為陜西關中地區(qū)制訂科學有效的農(nóng)田土壤減排制度提供理論基礎和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在西北農(nóng)林科技大學校內(nèi)試驗地進行。該地位于陜西省關中平原西部（E108°07′，N34°12′），海拔520 m，為大陸性暖溫帶季風區(qū)氣候，平均氣溫12.9℃，年降水量約為660 mm，主要集中在每年的7—9月，屬典型的一年兩熟農(nóng)作區(qū)。試驗土壤為土，試驗地土壤基本理化性狀見表 1。試驗期間當?shù)貧鉁嘏c降雨情況見圖1。

表1　試驗地土壤養(yǎng)分特性Table 1 Soil chemical properties of the tested field

圖1　試驗區(qū)氣溫與降雨量變化Fig. 1 Variation of air temperature and precipitation in the study area

1.2 試驗設計

長期定位試驗處理開始于2011年10月，在2011 —2014年內(nèi)的連續(xù) 3季冬小麥-夏玉米輪作周期內(nèi)進行。冬小麥于每年10月上旬播種，第二年6月中旬收獲，夏玉米在上茬冬小麥收獲后立即播種，每年 10月初收獲，冬小麥供試品種為西農(nóng) 889；夏玉米供試品種為漯單9號。

試驗在免耕條件下共設置6個處理：秸稈全量還田+施肥（S1F1）、秸稈全量還田+不施肥（S1F0）、秸稈半量還田+施肥（S1/2F1）、秸稈半量還田+不施肥（S1/2F0）、秸稈不還田+施肥（S0F1）、秸稈不還田+不施肥（S0F0），其中S0F0處理作為對照。每個處理的面積均為68.8 m2，相互間隔0.5 m（圖2），每個處理共設3個重復，秸稈還田處理在前茬作物收獲后，利用秸稈粉碎機直接將作物秸稈粉碎后還田，秸稈全量還田量約為9 000 kg·hm-2，秸稈半量還田量約為4 500 kg·hm-2；秸稈不還田處理在前茬作物收獲后，人工拔出所有根茬。冬小麥施肥量為375 kg·hm-2尿素+375 kg·hm-2磷酸二銨；夏玉米施肥量為375 kg·hm-2尿素，均作為基肥施用。每一季冬小麥冬灌一次，每一季夏玉米根據(jù)當年天氣情況至多灌溉一次，其余時間依靠外界降水維持作物正常生長所需。

圖2　試驗安排Fig. 2 Experiment arrangement

1.3 測定項目

1.3.1 氣體測定 土壤呼吸速率采用 GXH-3010E1型便攜式紅外線分析器（華云分析儀器研究所有限公司）測定，該儀器外形尺寸為248 mm×185 mm× 85 mm，測量范圍為0—1.000％，線性度≤±2％ F·S，重復性≤1％ F·S，響應時間≤10 s，采樣方式為泵吸式連續(xù)測量。在冬小麥和夏玉米播種后，在每個小區(qū)中部分別放置3個PVC 腔室，腔室高10 cm，直徑為16 cm，埋置深度為5 cm，腔室頂部為開放結(jié)構，開放部分直徑為11.5 cm，確保腔室內(nèi)部與外界環(huán)境條件的一致性，3個腔室呈“三角形”排列，相互間隔1 m。測量時用橡膠軟管連接便攜式紅外線分析器和腔室，測量過程中在腔室的頂部放置1個小風扇，使腔室內(nèi)的氣體混合均勻，持續(xù)3 min，然后測量，每一個處理重復測量3次，根據(jù)LUO等［30］描述，上午中段時間（大約10點）的土壤CO2通量很接近日平均值，9：00—11：00的測量結(jié)果也優(yōu)于整個白天的測量結(jié)果，以此作為依據(jù)，結(jié)合當?shù)貙嶋H氣候情況，整個周期內(nèi)土壤CO2通量的測量均在9：00—10：00完成。

土壤呼吸速率計算公式：R=k（X2-X1）H/Δt式中：R為土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；k為換算系數(shù)，k=1.80（25℃，1個標準大氣壓）；X1、X2 分別為測定時 CO2初始質(zhì)量分數(shù)和測定結(jié)束后即時質(zhì)量分數(shù)（％）；H為容器埋入地下的深度（m）；Δt 為測定時間變化（s）。

土壤呼吸速率自2011年10月開始測量，其中冬小麥分別于苗期、分蘗期、越冬期（冬灌前測定）、返青期各測定一次，返青期后每15天測定一次；夏玉米自6月中旬播種后，每隔15 d測定一次，為避免降水影響，如遇降水，適當后延3—5 d測定。

1.3.2 土壤溫度測定 采用曲管地溫計測定土壤溫度。冬小麥及夏玉米播種后，將曲管地溫計埋至距PVC腔室10 cm處，每個處理3套。每次土壤呼吸速率測定的同時讀取5、10、15 cm層土壤溫度值。

1.3.3 土壤含水量測定 采用烘干稱量法測定土壤含水量，每次土壤呼吸速率測定的當天，用土鉆取 0 —30 cm土層樣品（每10 cm為一層），3次重復。

1.3.4 土壤有機碳測定 采用重鉻酸鉀容量法測定土壤耕作層有機碳含量，每季作物收獲后，分別采集0—10、10—20、20—30 cm的土層的土樣用于測定。

1.3.5 作物產(chǎn)量測定 每季作物收獲期間，各處理以“V”字形隨機選樣，選樣面積為1 m2，重復3次，晾曬后，脫粒稱重。

1.3.6 土壤呼吸累計釋放量測定 作物整個生育期內(nèi)的土壤呼吸累計釋放量的計算方法參考涂純等［14］、ZHAI等［31］研究。

土壤呼吸累計釋放量計算公式：

式中，Ra為土壤呼吸累計釋放量（t CO2·hm-2），Ri為第 i次測量的土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1），Ri+1為間隔 n天測量的土壤呼吸速率（μmol·m-2·s-1），n為相鄰兩次測量間隔天數(shù)（d），3600×24為s-1轉(zhuǎn)化為d-1，44為CO2的摩爾質(zhì)量，10-8為μg CO2·m-2轉(zhuǎn)化為t CO2·hm-2。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法及軟件

土壤呼吸速率R對溫度T的敏感性采用指數(shù)函數(shù)進行非線性回歸分析，函數(shù)表達式為：R=aebT。

土壤呼吸速率R對土壤含水量W的敏感性采用指數(shù)函數(shù)進行非線性回歸分析，函數(shù)表達式為：R=eaW2+bW+c。

所有數(shù)據(jù)及圖表均采用Excel 2010、SPSS 20.0、Origin 9.1軟件進行分析處理，Duncan新復極差法進行方差分析。

2 結(jié)果

2.1 不同處理土壤呼吸的動態(tài)變化

連續(xù)3年的測量結(jié)果表明，在整個輪作期間，不同作物土壤呼吸率的變化趨勢具有明顯的差異性，即在冬小麥生育期內(nèi)，各處理土壤呼吸速率均呈先下降后升高再下降的趨勢；而在夏玉米生育期內(nèi)，各處理土壤呼吸速率均表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢（圖3）。自冬小麥苗期10月下旬（播種后10 d）至冬小麥分蘗期11月下旬（播種后50 d），隨著外界溫度的下降，土壤微生物活性降低，土壤呼吸速率不斷下降，在冬小麥越冬期（播種后95 d），各處理的土壤呼吸速率達到最低值。隨著外界溫度的持續(xù)升高，土壤呼吸速率逐漸升高，至冬小麥孕穗灌漿期間（播種后200—215 d），土壤呼吸速率達到峰值，隨后各處理的土壤呼吸速率又出現(xiàn)下降趨勢。夏玉米播種后，由于外界溫度較高，土壤呼吸速率自夏玉米苗期6月下旬逐漸升高，至8月上旬開花期（播種后60 d）達到峰值，隨后各處理的土壤呼吸速率開始下降。

圖3　不同處理下冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)土壤呼吸速率變化Fig. 3 Changes in soil respiration rate from the field of winter wheat-summer maize rotation in different treatments

在整個研究周期內(nèi)，冬小麥的土壤呼吸速率略低于夏玉米（P＜0.01），2011—2014年間冬小麥全生育期內(nèi)的土壤呼吸速率范圍分別為 0.241—6.265、0.460—6.113、0.390—5.265 μmol·m-2·s-1；夏玉米全生育期內(nèi)的土壤呼吸速率范圍分別為 1.419—8.538、0.885—7.004、1.125—7.644 μmol·m-2·s-1。將不同作物同一生育期內(nèi)的土壤呼吸速率進行平均，各處理與對照間的差異均極顯著（P＜0.01），各處理在3季冬小麥的土壤呼吸平均速率均表現(xiàn)為 S1F1＞S1/2F1＞S1/2F0＞S0F1＞S1F0＞CK，說明秸稈還田和施肥均能夠提高土壤呼吸速率。不同處理的土壤呼吸平均速率第 1季冬小麥生育期內(nèi)，較對照分別增加 21.7％、16.2％、11.9％、11.3％、7.3％；在第2季冬小麥生育期內(nèi)，較對照分別增加28.4％、17.7％、11.7％、10.2％、5.9％；在第 3季冬小麥生育期內(nèi)，較對照分別增加20％、14.4％、13.3％、8.8％、7.0％。3季夏玉米生育期內(nèi)各處理土壤呼吸平均速率間差異也均呈現(xiàn)出與冬小麥相似的規(guī)律。第1季夏玉米（2012年6月至2012 年10月），不同處理生育期土壤呼吸平均速率較對照分別增加 16.9％、13.9％、9.2％、7.5％、7.0％；第 2季夏玉米不同處理較對照分別增加 21.7％、16.7％、14.6％、4.5％、4.4％；第3季夏玉米不同處理較對照分別增加 9.0％、8.3％、7.4％、7.3％、3.1％?？梢钥闯?，秸稈還田配合施肥處理的土壤呼吸速率增幅明顯高于單一施肥及單一秸稈還田的處理。

冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)各處理的土壤呼吸總量的變化規(guī)律與土壤呼吸平均速率相同，均表現(xiàn)為S1F1 ＞S1/2F1＞S1/2F0＞S0F1＞S1F0＞CK（表2），在施肥條件下，不同秸稈還田處理的土壤呼吸總量表現(xiàn)為秸稈全量還田＞秸稈半量還田＞秸稈不還田，但在不施肥條件下則表現(xiàn)為秸稈半量還田＞秸稈全量還田＞秸稈不還田。對比3個連續(xù)的生育期，發(fā)現(xiàn)各處理生育期的土壤呼吸總量有逐年下降的趨勢，冬小麥各處理的土壤呼吸總量均表現(xiàn)為第1季＞第3季＞第2季，后2季冬小麥的土壤呼吸總量均與第1季冬小麥的土壤呼吸總量差異極顯著（P＜0.01），但后2季冬小麥之間的差異不顯著。各處理第2季冬小麥的土壤呼吸總量相比第1季冬小麥的降幅為14.2％—18.5％；第3季冬小麥的土壤呼吸總量相比第1季冬小麥的降幅為13.3％—16.3％。夏玉米各處理在不同年份間的土壤呼吸總量變化趨勢與冬小麥相同，且3季夏玉米相互間的差異均極顯著（P＜0.01），各處理第2季夏玉米的土壤呼吸總量較第1季夏玉米降低22.8％—29.6％；第3季夏玉米的土壤呼吸總量較第 1季夏玉米降低11.0％—17.4％。

表2　不同作物生育期內(nèi)各處理土壤呼吸總量Table 2 Different treatments cumulative soil respiration in different crops growth period

2.2 不同作物土壤有機碳含量變化

試驗結(jié)果顯示土壤有機碳含量隨土壤深度的增加而降低。CK處理的土壤有機碳含量與試驗開始之前（0 —10 cm 8.78 g·kg-1；10—20 cm 6.76 g·kg-1；20—30 cm 4.94 g·kg-1）相比有降低的趨勢，且這種趨勢隨著試驗周期的推移而不斷增大。這表明在當?shù)氐臍夂驐l件下，僅依靠免耕很難保持土壤有機碳的含量。單一施用氮肥盡管也能夠提高土壤有機碳的含量，但增幅十分有限。根據(jù)表3的結(jié)果顯示，每一季冬小麥收獲后，各處理同一土層深度的有機碳含量均依次為 S1F1＞S1/2F1＞ S1F0＞S1/2F0＞S0F1＞CK。表現(xiàn)為秸稈全量還田＞秸稈半量還田＞不還田，其中秸稈還田處理的土壤有機碳含量極顯著高于不還田處理（P＜0.01）。不同年份間，相同處理的土壤有機碳含量逐年增加，但彼此間的差異不顯著。夏玉米收獲后的土壤有機碳含量低于冬小麥收獲后的含量（表4），但有機碳含量的變化趨勢與冬小麥相近，表現(xiàn)為秸稈還田處理高于不還田處理，且除對照外的各處理的有機碳含量逐年增加。綜合整個試驗周期內(nèi)土壤有機碳含量的變化趨勢，可以看出秸稈還田相比不還田更有利于土壤有機碳的積累。

表3　冬小麥收獲后不同處理土壤有機碳含量變化Table 3 The change of soil organic carbon in difference treatment after winter wheat harvest

表4　夏玉米收獲后不同處理土壤有機碳含量變化Table 4 The change of soil organic carbon in difference treatment after summer maize harvest

2.3 土壤溫度與土壤呼吸速率的關系

整個研究周期內(nèi)的土壤溫度具有明顯的差異性，其變化趨勢與每月平均氣溫的變化趨勢相似，不同處理在同一生育期內(nèi)的土壤溫度變化趨勢相近。冬小麥不同生育期內(nèi)的各處理土壤溫度均呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，而夏玉米不同生育期內(nèi)的各處理土壤溫度變化趨勢則表現(xiàn)為先升高后下降（圖 4）。各處理各生育期土壤平均溫度均隨土壤深度的增加而降低，其中，10和15 cm土層各生育期土壤平均溫度與5 cm的土層平均溫度均差異顯著（P＜0.05），但二者之間的差異不顯著。4個秸稈還田處理在3季冬小麥越冬期5 cm深度的土壤溫度均高于2個不還田處理，說明一定量的秸稈還田有利于提高冬季表層土壤的溫度。夏玉米生育期內(nèi)，土壤溫度持續(xù)升高，抽雄期前后（夏玉米播種45 d）土壤溫度達到峰值，之后隨外界氣溫的降低，逐漸下降。

從連續(xù)3年的測定結(jié)果來看，除冬小麥越冬期外，秸稈還田處理對冬小麥及夏玉米其他生育時期的不同深度的土壤溫度均表現(xiàn)為降溫效應，這使得同一生育期內(nèi)，不同深度下的各處理生育期土壤平均溫度均表現(xiàn)為CK＞S0F1＞S1/2F1＞S1F1＞S1F0＞S1/2F0，CK處理對不同秸稈還田處理的差異均表現(xiàn)為極顯著（P ＜0.01），但不同秸稈還田處理間的差異不顯著，整個研究周期內(nèi)，S1/2F1、S1F1、S1F0、S1/2F0處理的生育期土壤平均溫度與CK相比，最大溫差分別達1℃、1.1℃、1.4℃、2℃。不同冬小麥生育期之間，各處理0—15 cm的土層平均溫度均依次為第2季＞第3季＞第1季，第2季和第3季的土壤平均溫度均與第1季的差異極顯著（P＜0.01）；夏玉米不同生育期之間，各處理 0—15 cm的土層平均溫度表現(xiàn)為逐年上升，這一現(xiàn)象與研究周期內(nèi)每年6—9月平均氣溫的變化趨勢相近，第3季和第2季的土壤平均溫度均與第1季的差異極顯著（P＜0.01），但第3季和第2季彼此間的土壤平均溫度差異不顯著。

采用指數(shù)函數(shù)（R=aebT）擬合不同輪作周期內(nèi)土壤呼吸速率（R）和土壤溫度（T），回歸分析結(jié)果表明：不同處理土壤溫度可以依次解釋 2011.10—2012.10、2012.10—2013.10、2013.10—2014.9周期土壤呼吸速率變化的42.2％—59.8％、32.5％—56.7％、53.7％—60.4％（表5）。土壤溫度與土壤呼吸速率的擬合度隨土壤深度的增加而降低，5 cm土層溫度與土壤呼吸的相擬合度最高，可以依次解釋3個輪作周期土壤呼吸速率變化的48.5％—59.8％、37.8％—56.7％、54.0％—60.4％，而15 cm的土層溫度僅能依次解釋42.2％—49.0％、32.5％ —46.7％、53.7％—57.3％的土壤呼吸速率。

2.4 土壤濕度與土壤呼吸速率的關系

不同處理在同一生育期內(nèi)的土壤含水量的變化趨勢相同，冬小麥不同生育期內(nèi)的各處理土壤含水量均呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，夏玉米生育期內(nèi)的各處理土壤含水量受到外界氣溫和降雨量的影響較大，不同年份的夏玉米土壤含水量變化趨勢略有不同，第1季和第2季夏玉米的土壤含水量變化趨勢近似于先升高后下降，而第3季夏玉米土壤含水量變化趨勢為先降低后升高（圖 5）。整個試驗周期內(nèi)，耕作層土壤的含水量隨土壤深度的增加而降低，其中0—10 cm土層的土壤含水量與10—20 cm和20—30 cm土層的土壤含水量均極顯著差異（P＜0.01），但 10—20 cm和20—30 cm土層的土壤含水量間的差異不顯著。在冬小麥越冬期間，土壤含水量降至最低，越冬期后，隨著外界土壤降雨的增多，各處理的土壤含水量也逐漸升高。夏玉米生育期正值當?shù)赜昙竞驮缕骄鶜鉁刈罡邥r期，受降雨和高溫的影響，各處理土壤含水量出現(xiàn)明顯的差異，其中第1季和第2季夏玉米生育期內(nèi)各處理土壤含水量在玉米播種后基本呈上升趨勢，第3季夏玉米生育期內(nèi)由于受到高溫和少雨的影響，各處理土壤含水量在播種后均出現(xiàn)明顯下降，直到抽雄期后，各處理土壤含水量才開始逐漸升高。

圖4　不同輪作周期內(nèi)不同處理土壤溫度的變化Fig. 4 Change in soil temperature from different treatments in different rotation period

夏玉米的生育期平均含水量顯著高于冬小麥（P ＜0.01）。同一生育期內(nèi)，不同深度下的各處理生育期的土壤平均含水量均表現(xiàn)為 S1F0＞S1F1＞S1/2F0 ＞S1/2F1＞CK＞S0F1，土壤含水量均依次為秸稈全量還田＞秸稈半量還田＞秸稈不還田，且不同秸稈還田處理的土壤含水量與對照間的均差異顯著（P＜0.05）。說明了秸稈還田具有一定保墑效應，且這種效應隨秸稈還田量的增加而增強。3季冬小麥之間，各處理在不同土層深度下的平均含水量均表現(xiàn)為第2季＞第1季＞第3季，相鄰兩季冬小麥之間不同深度土壤的平均含水量的差異均不顯著；3季夏玉米之間，各處理在各土層深度下的生育期平均含水量均表現(xiàn)為逐年下降，相同處理20—30 cm土層生育期的平均土壤含水量在3季夏玉米之間彼此差異極顯著（P＜0.01）。

采用指數(shù)函數(shù)（R=eaW2+bW+c）擬合不同輪作周期內(nèi)土壤呼吸速率（R）和土壤含水量（W），回歸分析結(jié)果表明，不同處理土壤含水量可以依次解釋2011.10—2012.10、2012.10—2013.10、2013.10—2014.9周期土壤呼吸速率變化的 46.7％—82.5％、38.4％—62.9％、44.2％—62.5％（表6），不同土壤深度下，10 —20 cm土層的含水量與土壤呼吸的擬合度最高，可以依次解釋3個輪作周期土壤呼吸速率變化的65.9％ —82.5％、38.6％—62.9％、50.4％—62.5％。在第3個輪作周期內(nèi)，所有處理的r2均低于對照，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的可能是由于2014年夏季反常的高溫和降水，導致生育期土壤含水量差異較大。

2.5 不同處理冬小麥及夏玉米產(chǎn)量的比較

如表 7所示，5種處理的作物產(chǎn)量均高于對照（CK）。同一年份內(nèi)，不同處理冬小麥和夏玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為 S1F1＞S1F0＞S1/2F1＞S0F1＞S1/2F0＞S0F0（CK），且CK處理與其余5種處理差異極顯著（P＜0.01），在整個試驗周期內(nèi)，各處理的冬小麥產(chǎn)量逐年增加，且不同年份間的差異極顯著（P＜0.01），其中 S1F1處理的冬小麥產(chǎn)量增幅最大，2014年較2012年相比，增產(chǎn)28.47％，S1F0處理次之。各處理2013年的夏玉米產(chǎn)量與2012年相比有所增加，增產(chǎn)10.63％—17.35％，且差異極顯著。但受極端炎熱天氣的影響，各處理 2014年夏玉米產(chǎn)量極顯著低于前兩年。

圖5　不同輪作周期內(nèi)不同處理土壤含水量的變化Fig. 5 Change in soil moisture from different treatments in different rotation period

表5　不同處理土壤呼吸速率（R）與土壤溫度（T）擬合方程及擬合度（r2）Table 5 Fitted equation of soil respiration rate （R） with soil temperature （T）

表6　不同處理土壤呼吸速率（R）與土壤含水量（W）擬合方程及擬合度（r2）Table 6 Fitted equation of soil respiration rate （R） with soil moisture （W）

表7　2012—2014 年冬小麥-夏玉米輪作體系內(nèi)不同處理的作物產(chǎn)量Table 7 Yield of crop in winter wheat-summer maize rotation system under different treatment in 2012-2014

3 討論

耕作方式能夠直接作用于土壤，通過改變土壤結(jié)構，進而影響土壤理化性質(zhì)。旋耕和翻耕對土壤擾動較大，而免耕可以極大程度的減小對土壤的擾動，有研究表明，免耕有效減少了土壤有機碳的損失，其土壤呼吸速率明顯低于翻耕和旋耕，從而降低了農(nóng)田土壤碳排放［32］。秸稈還田或施用氮肥作為常見的耕作管理措施，不僅能夠為土壤提供額外的養(yǎng)分，同時也會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。本試驗的結(jié)果表明在單季作物的生育期內(nèi)，秸稈還田能夠提高土壤呼吸的平均速率和生育期呼吸總量，這與李瑋等［33］、于愛忠等［34］的研究結(jié)果一致，但比較連續(xù)多季作物生育期的觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)免耕秸稈還田土壤的呼吸平均速率和呼吸總量呈現(xiàn)下降趨勢，這與涂純等［14］在陜西長武縣的研究結(jié)果相似，其中第2季冬小麥的土壤呼吸總量較第1季冬小麥降低14.2％—18.5％；第3季冬小麥的土壤呼吸總量相比第1季降低了13.3％—16.3％。第2季夏玉米的土壤呼吸總量較第1季夏玉米降低22.8％ —29.6％；第3季夏玉米的土壤呼吸總量較第1季夏玉米降低11.0％—17.4％?？赡艿脑蚴请S著免耕時間的推移，土壤團聚體由小變大，小團聚體逐漸減少，使土壤逐漸緊實，還田后的秸稈與土壤的接觸減少，分解速率減慢，土壤微生物活動所需的底物減少，進而導致土壤呼吸速率和呼吸總量的降低。在研究周期內(nèi)，秸稈還田結(jié)合施肥的處理的生育期土壤平均速率和土壤呼吸總量均高于單一秸稈還田和單一施肥處理，這是由于向秸稈還田的基礎上額外施用氮肥后，土壤C/N降低，更有利于促進微生物的增殖及分解更多的有機質(zhì)，進而增加了土壤有機質(zhì)中碳的分解與釋放［35］。本研究的結(jié)果還顯示增施氮肥會改變不同秸稈還田量對土壤呼吸總量的影響，在施肥條件下，不同秸稈還田處理的土壤呼吸總量表現(xiàn)為秸稈全量還田＞秸稈半量還田＞秸稈不還田，但在不施肥條件下則表現(xiàn)為秸稈半量還田＞秸稈全量還田＞秸稈不還田，這一方面可能是由于增施氮肥能在一定程度上影響秸稈的腐解狀況，加速秸稈的分解［36］，加快了土壤中有機質(zhì)含量的積累，提高了有機質(zhì)分解釋放的CO2對土壤呼吸的貢獻。另一個方面可能是由于秸稈在分解過程中消耗一定的氮，改變了土壤原有的C/N。

有研究表明，秸稈還田具有平衡和改善耕層土壤溫度狀況，當土壤溫度較低時具有保溫作用，當土壤溫度較高時具有降溫作用［37］。本研究的結(jié)果與前人研究結(jié)果相似，當土壤溫度低于 0℃，秸稈還田具有提高土壤溫度的效應，當土壤溫度高于 0℃。尤其是在夏玉米生育期內(nèi)，秸稈還田具有明顯的降溫作用。就整個生育期的土壤平均溫度而言，相比對照，不同水平的秸稈還田表現(xiàn)為降溫效應，這與黃高寶等［38］、杜新艷等［39］研究結(jié)果相似。前人研究結(jié)果一致認為秸稈還田具有明顯的保墑效應，能夠抑制表層土壤水分的蒸發(fā)，提高農(nóng)田土壤的水分利用率［40-41］。本研究結(jié)果表明：不同秸稈還田處理與裸地相比，生育期土壤含水量均有不同程度的提高，且生育期土壤含水量隨秸稈還田量的增加而增加，特別是在持續(xù)高溫的和葉面積指數(shù)較小的夏玉米生長前期，秸稈還田處理的土壤含水量明顯高于秸稈不還田處理，有效減小了株間土壤水分的無效蒸發(fā)，這與前人的研究結(jié)果相一致［42］。

土壤呼吸受到多種因子的調(diào)控，研究表明，土壤溫度與土壤濕度是影響土壤呼吸的主要因子［43-44］。土壤呼吸的季節(jié)變化主要受土壤溫度與土壤濕度的調(diào)控，表現(xiàn)為夏季最高冬季最低，在本研究期間，各生育期內(nèi)土壤呼吸的季節(jié)變化趨勢與土壤溫度的季節(jié)變化趨勢相近，但與土壤含水量的季節(jié)變化趨勢有所差異，這是因為土壤含水量的季節(jié)變化主要受外界降水影響，不同年份降雨量的不同導致土壤含水量季節(jié)變化的差異較大。土壤溫度可以依次解釋連續(xù)3個輪作周期土壤呼吸速率變化的 42.2％—59.8％、32.5％—56.7％、53.7％—60.4％，土壤濕度可以依次解釋連續(xù)3個輪作周期土壤呼吸速率變化的 46.7％—82.5％、38.4％—62.9％、44.2％—62.5％，其中土壤呼吸分別與地下5 cm深度的土壤溫度和地下10—20 cm深度的土壤含水量的相關性最好，這與前人的研究結(jié)果相近［45-46］。

維持農(nóng)田土壤中較高的碳儲量目前已逐漸成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護過程中重要的一環(huán)［47］，但農(nóng)田土壤的有機碳累積受到氣候、土壤性質(zhì)及耕作管理措施等多種因素的影響［48］，合理的耕作措施有利于提高土壤有機碳的輸入，減緩有機碳的分解，從而提高土壤有機碳的含量。本研究周期內(nèi)的結(jié)果顯示，在免耕條件下，秸稈還田處理的土壤有機碳含量高于秸稈不還田的處理，這與HAN等［49］及LENKA等［50］的研究結(jié)果一致。在整個試驗周期內(nèi)，除對照外的其他處理不同深度的土壤有機碳含量均逐年增加，其中秸稈還田結(jié)合施肥處理的土壤有機碳含量增幅最明顯，單一秸稈還田處理的增幅次之，且增幅隨秸稈還田量的增多而增大，而單一施肥處理土壤有機碳含量的增幅最低。因此，說明合理的秸稈還田與施肥配比有利于土壤有機碳的積累。但由于同一處理不同年份間土壤有機碳含量的差異不顯著，因此，對于免耕秸稈還田下土壤有機碳含量的變化趨勢還需要進一步的研究。

前人的研究結(jié)果表明，秸稈還田有助于提高作物產(chǎn)量［51-52］，本文進一步驗證了前人的有關結(jié)論。整個輪作周期內(nèi)，隨著免耕秸稈還田年限的增加，冬小麥產(chǎn)量逐年增加；第2季夏玉米的產(chǎn)量顯著高于第1季，但在第3季夏玉米生育期內(nèi)的連續(xù)高溫少雨天氣導致當年玉米減產(chǎn)，這說明在無反常天氣的情況下，免耕秸稈還田對于作物產(chǎn)量的增加具有長期的效應。

4 結(jié)論

在研究周期內(nèi)，不同作物生育期內(nèi)土壤呼吸速率的變化趨勢具有明顯的差異性。在單個生育期內(nèi)，秸稈還田處理的土壤呼吸平均速率和呼吸總量均高于對照，而各處理在同種作物不同生育期間的土壤生育期呼吸總量有逐年下降的趨勢。土壤呼吸速率受到土壤溫度和土壤含水量的調(diào)控，整個研究周期內(nèi)，土壤溫度能夠解釋土壤呼吸速率變化的32.5％—60.4％；土壤含水量能夠解釋土壤呼吸速率變化的38.4％—82.5％；土壤溫度及含水量受外界氣溫和降雨的影響，表現(xiàn)出較大的年際間差異，不同秸稈還田處理在冬小麥越冬期內(nèi)的土壤溫度高于對照，但生育期土壤平均溫度低于對照，不同秸稈還田處理的生育期土壤平均含水量高于對照，且秸稈還田量越高對土壤蒸發(fā)的抑制效果越好。長期免耕秸稈還田有利于提高土壤耕作層的有機碳含量，且有機碳含量的增幅隨秸稈還田量的增加而提高。總體而言，長期免耕秸稈還田有利于降低農(nóng)田土壤的呼吸速率和生育期碳排放，提高土壤水分的利用效率，降低作物株間土壤水分的無效蒸發(fā)，提高冬季的土壤溫度，確保冬小麥安全越冬。另外，免耕條件下秸稈還田配合化肥的施用還有助于提高作物的產(chǎn)量。綜合評價各秸稈還田處理的土壤呼吸速率、土壤水熱狀況、作物產(chǎn)量等方面后可知，秸稈全量還田+不施肥（S1F0）處理在降低農(nóng)田土壤碳排放的同時提高了耕作層土壤有機碳含量及作物的產(chǎn)量，在提高農(nóng)田土壤水分利用率及冬季土壤溫度等方面也表現(xiàn)出較高的水平。

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（責任編輯 楊鑫浩，李莉）

Effects of Straw Returning to Field on Soil Respiration and Soil Water Heat in Winter Wheat - Summer Maize Rotation System Under No Tillage

WANG Wei-yu1，2， QIAO Bo1，2， Kashif AKHTAR2， YUAN Shuai1，2， REN Guang-xin1，2， FENG Yong-zhong1，2
（1College of Agronomy， Northwest A & F University， Yangling 712100， Shaanxi；2The Research Center of Recycle Agricultural Engineering and Technology of Shaanxi Province， Yangling 712100， Shaanxi）

Abstract：【Objective】The purpose of the study was to investigate the effects of straw mulching on soil respiration， soiltemperature and soil moisture of winter wheat and summer maize rotation system in no tillage.【Method】From October 2011 to September 2014， a long-term location test of 6 different tillage treatments was set in Yangling， Shaanxi. The treatments used were total amount of straw returning to field+fertilization （S1F1）， total amount of straw returning to field+no fertilization（S1F0）， half the amount of straw to field+fertilization （S1/2F1）， half the amount of straw to field+no fertilization（S1/2F0）， without straw+fertilization （S0F1）， without straw+no fertilization（S0F0）， then the differences in soil respiration， soil temperature， soil moisture， crop yield and soil organic carbon of the soil plow layer under different treatments were measured and analyzed from 2011 to 2014. 【Result】During the growth period of winter wheat， soil respiration rate in each treatment showed an increase after the first downward trend and then a decrease. During the growth period of summer maize， the respiration rate in each treatment showed a trend of first increase and then decrease. During the same growth period， the following was S1F1＞S1/2F1＞S1/2F0＞S0F1＞S1F0＞CK in the average rate and cumulative soil respiration. During different growth stages of the same crop， the cumulative soil respiration in different treatments showed a decreasing trend year by year. In the whole research term， the variation trend of soil temperature was similar with the trend of the monthly average temperature. The soil temperature variation trends of different treatments during the same growth period were similar. Simultaneously， the average soil temperatures during the same period of different treatments were decreased with the increase of soil depth. In winter， the soil temperature of different treatments was higher than that of CK， but the average soil temperature was lower than that of CK in a same growth period. The soil moisture decreased with the increase of soil depth， but the soil moisture was affected by rainfall， the change of soil moisture in different rotation cycles was larger， and the average water moisture of each treatment showed a trend of S1F0＞S1F1＞S1/2F0＞S1/2F1＞CK＞S0F1 in a same growth period. Meanwhile， the soil moisture in different straw mulching treatments was significantly different from that of CK， respectively （P＜0.05）； 32.5％-60.4％ variations in soil respiration rate could be recorded due to the soil temperature， and 38.4％-82.5％ variations in it could be recorded due to the soil moisture. In different depths of soil， the correlation between the soil temperature and the soil respiration in 5 cm depth was the strongest， and the correlation between the soil moisture and the soil respiration at 10-20 cm was the highest. In the same year， the yields of winter wheat and summer maize in different treatments， respectively， showed a trend of S1F1 ＞S1F0＞S1/2F1＞S0F1＞S1/2F0＞CK. In the research cycle， the yield of wheat increased continuously in three years， and the yield of maize increased in the previous two years of three， but the yield in the third year significantly decreased because of the influence of extremely hot weather. After the harvest of single crop， soil organic carbon in different treatments at the same soil depth，respectively， demonstrated a trend of S1F1＞S1/2F1＞S1F0＞S1/2F0＞S0F1＞CK. Meanwhile， the soil organic carbon in different treatments of straw mulching was increased continuously in the three years.【Conclusion】Long-term no tillage with straw returning can effectively reduce soil carbon emissions， improve soil water use efficiency and winter soil temperature， and increase crop yield and soil organic carbon. The effect of S1F0 treatment is the best among different treatments.

Key words：no tillage； winter wheat-summer maize； rotation； straw returning； soil respiration； water and heat condition

收稿日期：2015-10-16；接受日期：2016-03-06

基金項目：陜西省科技統(tǒng)籌計劃（2015KTCL02-07，2016KTCL02-11）