不同耕作模式下“小麥-玉米-大豆”套作農(nóng)田碳平衡特征研究.pdf

1、隨著全球變化的加劇，減緩溫室氣體的排放勢(shì)在必行。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究是全球變化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的部分，如何采取有效措施實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排成為目前亟待解決的問(wèn)題之一。以壟作和秸稈覆蓋為主體的保護(hù)性耕作是西南紫色土丘陵區(qū)控制水土流失、改善土壤肥力、抗御季節(jié)性干旱災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)農(nóng)田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑，開(kāi)展保護(hù)性耕作條件下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)規(guī)律與碳匯機(jī)制研究，對(duì)于應(yīng)對(duì)全球氣候變化、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、增進(jìn)

2、土地可持續(xù)生產(chǎn)能力具有十分重要的理論意義和指導(dǎo)價(jià)值。本文通過(guò)2個(gè)生產(chǎn)年度大田試驗(yàn)的實(shí)測(cè)資料，結(jié)合農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯模型，在重慶北碚西南大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)耕作(traditional tillage，T)、壟作(ridge tillage，R)、傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋（traditional tillage+ straw mulching，TS）、壟作+秸稈覆蓋（ridge tillage+ straw mulching，RS）、傳統(tǒng)耕作+

3、秸稈覆蓋+秸稈速腐劑(traditionaltillage+ straw mulching+ decomposing inoculants，TSD)、壟作+秸稈覆蓋+秸稈速腐劑（ridge tillage+straw mulching+ decomposing inoculants，RSD）6個(gè)處理下的西南紫色土丘陵區(qū)“小麥/玉米/大豆”三熟農(nóng)作制度下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)規(guī)律進(jìn)行了研究。從作物固碳、土壤排碳以及土壤碳儲(chǔ)量角度分析了3種農(nóng)作

4、物和不同耕作措施對(duì)農(nóng)田碳收支的影響，以土壤-作物系統(tǒng)為邊界估算了作物生長(zhǎng)季對(duì)大氣二氧化碳的貢獻(xiàn)，同時(shí)考慮農(nóng)田投入造成的碳排放，綜合評(píng)價(jià)以壟作和秸稈覆蓋為主的保護(hù)性耕作措施下“旱三熟”農(nóng)田系統(tǒng)的碳固定、碳排放與凈碳匯。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)在西南“旱三熟”套作模式下中各作物固碳總量表現(xiàn)為小麥＜玉米＜大豆，3種作物固碳量占整個(gè)系統(tǒng)年固碳總量的比例分別為20.29％、21.29％和58.42％。每種作物在不同生育期表現(xiàn)了不同的固

5、碳速率，呈現(xiàn)出增加—減少—再增加—再減少的“雙峰型”趨勢(shì)，峰值位置因作物不同而不同，在到達(dá)成熟期以后固碳速率由正值變?yōu)樨?fù)值。不同耕作措施對(duì)作物固碳速率的影響不顯著，但是顯著影響固碳總量。T、R、TS、RS、TSD和RSD6個(gè)處理下3種作物的年固碳總量分別為39312.250、4375.201、47948.284、47049.809、46518.365和49512.140kg·hm-2，與對(duì)照相比，R、TS、RS、TSD和RSD處理下的年

6、固碳總量分別增加了11.29％、21.97％、19.68％、18.33和25.95％。以壟作和秸稈覆蓋為主的保護(hù)性耕作有利于作物固定更多的碳。
　　(2)各作物生長(zhǎng)季農(nóng)田土壤呼吸日均值表現(xiàn)為小麥＜玉米＜大豆，3種作物土壤呼吸量占土壤呼吸總量的比例分別為16.17％～16.34％、30.48％～33.64％和15.28％～16.35％。在不同耕作方式下，小麥-大豆(w-s)條帶土壤呼吸特征表現(xiàn)為T(mén)＜R＜TS＜TSD＜RS＜RSD，空

7、地-玉米-空地(k-c-k)條帶土壤呼吸特征表現(xiàn)為R＜T＜RS＜TS＜RSD＜TSD。秸稈還田較傳統(tǒng)耕作在一定程度上增強(qiáng)了土壤呼吸，但是壟作處理對(duì)土壤呼吸的影響作用因作物不同而不同，在小麥-大豆條帶中壟作耕作下的土壤呼吸高于傳統(tǒng)耕作，而玉米條帶則相反。
　　土壤溫度和土壤水分是影響旱地農(nóng)田土壤呼吸的主要因素，二者分別解釋了土壤呼吸季節(jié)變化的28.9％～53.7％和13.7％～42.0％。水熱因子與土壤呼吸速率的回歸分析表明，指數(shù)方

8、程較好地模擬了土壤呼吸與10cm土溫的關(guān)系，土壤呼吸的溫度敏感性指標(biāo)Q10值在2.25～2.69之間;而土壤呼吸與5cm土壤水分的關(guān)系以?huà)佄锞€型函數(shù)模擬最優(yōu)。土壤呼吸對(duì)土壤水分的響應(yīng)閾值為14.94％。土壤動(dòng)物在土壤呼吸中的作用不容忽視。在小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)類(lèi)群有彈尾目和螨目，它們與土壤呼吸表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，其中以對(duì)照處理和壟作下相關(guān)性高，而有秸稈覆蓋的處理土壤呼吸與土壤動(dòng)物沒(méi)有明顯的相關(guān)性。在玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)類(lèi)群有彈尾目、

9、螨目和雙翅目。壟作減少了土壤動(dòng)物數(shù)量，秸稈覆蓋有助于土壤動(dòng)物數(shù)量的增加和土壤動(dòng)物多樣性的提高。地表活動(dòng)的土壤動(dòng)物越多，土壤呼吸作用就越強(qiáng)，其中處理R的相關(guān)系數(shù)最高，r=1.000，p=0.017，處理TS的相關(guān)系數(shù)r=0.915，p=0.029。本研究中，在壟作、秸稈覆蓋條件下土壤呼吸僅與活動(dòng)在地表的土壤動(dòng)物數(shù)量存在一定的關(guān)系;而傳統(tǒng)耕作下土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤呼吸沒(méi)有明顯的關(guān)系。在大豆農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)動(dòng)物類(lèi)群有彈尾目、螨目和雙翅目，干漏

10、斗法、陷阱法捕獲的土壤動(dòng)物與土壤呼吸均無(wú)顯著相關(guān)性，兩種方法所得土壤動(dòng)物數(shù)量加總與土壤呼吸進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)處理T相關(guān)性達(dá)顯著水平，r=0.901, p=0.037。
　　(3)土壤總碳和各活性碳組分的相互關(guān)系研究結(jié)果表明:土壤團(tuán)聚體對(duì)不同作物的響應(yīng)不同，種植玉米有利于土壤水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的形成。團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)受耕作措施和種植作物的雙重影響。在20cm的耕層土壤中，5～10cm土層土壤團(tuán)聚體易受秸稈覆蓋的影響?？盏?玉米-空地條帶的

11、固碳潛力顯著高于小麥-大豆條帶，充分說(shuō)明了土壤固碳潛力受到耕作措施和種植作物的雙重影響?？紤]到土壤團(tuán)聚體對(duì)耕作和作物的不同響應(yīng)規(guī)律，應(yīng)該加大秸稈覆蓋面積，將玉米納入到種植模式中將有利于土壤的固碳作用。土壤活性有機(jī)碳含量在不同保護(hù)性耕作措施下差異較大，顆粒有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、可礦化有機(jī)碳與微生物量有機(jī)碳對(duì)壟作和秸稈覆蓋措施的響應(yīng)趨勢(shì)基本一致，大體表現(xiàn)為對(duì)壟作處理不敏感，而受秸稈覆蓋的影響較大，且差異主要出現(xiàn)在0～5cm土層

12、中。其中顆粒有機(jī)碳占總有機(jī)碳的35.74％～49.66％，二者顯著正相關(guān)，均可以作為反映土壤有機(jī)碳變化的敏感指標(biāo)。水溶性有機(jī)碳約占土壤總有機(jī)碳的0.2％，不同處理間的差異不顯著，不具有敏感性。易氧化有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例為6.29％～8.20％，雖然壟作和秸稈覆蓋有利于提高土壤中的易氧化有機(jī)碳含量，但是易氧化有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例在壟作處理下增加而在秸稈覆蓋中減少，表明秸稈覆蓋有利于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定，壟作則剛好相反。
　　(4

13、)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯特征與設(shè)定的系統(tǒng)邊界和研究的時(shí)空尺度緊密相關(guān)，不管是土壤-作物系統(tǒng)還是考慮了人類(lèi)活動(dòng)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，均表現(xiàn)為碳匯。在作物不同生育期根系呼吸所占比例不同，隨著作物生長(zhǎng)該比例先升后降。小麥、玉米和大豆田土壤-作物系統(tǒng)碳源/匯規(guī)律表現(xiàn)一致，除了在作物生長(zhǎng)初期和成熟期表現(xiàn)為碳源特征外其余時(shí)間均為碳匯，且R、TS、RS、TSD和RSD處理均高于對(duì)照，因此以壟作和秸稈覆蓋為主的保護(hù)性耕作能顯著提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤-作物系統(tǒng)的碳

14、匯能力，增匯幅度高達(dá)9.93％～30.67％。在耕作方式從傳統(tǒng)耕作向保護(hù)性耕作轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，秸稈覆蓋措施雖然增加了土壤碳的積累，但是也增加了農(nóng)田投入碳的排放，綜合考慮后表現(xiàn)為大氣二氧化碳的“源”。壟作處理不僅減少土壤碳的積累也增加了農(nóng)田投入碳的排放，同樣表現(xiàn)為大氣二氧化碳的“源”。作物固碳、土壤呼吸和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力的影響最終體現(xiàn)在土壤有機(jī)碳含量的變化上。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，3個(gè)處理的凈碳釋放量均為正值，即三者均為大氣二氧化碳的