不同耕作措施下冬小麥生長季農(nóng)田二氧化碳排放通量及其與土壤溫度

1、 不同耕作措施下冬小麥生長季農(nóng)田二氧化碳排放通量及其與土壤溫度的關(guān)系3李 琳 1, 2 張海林 1 陳 阜133 李素娟1(1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)部作物栽培與耕作學(xué)重點開放實驗室 , 北京 100094;2北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站 , 北京 100029摘 要 利用長期定位試驗研究了華北平原不同耕作措施下冬小麥生育期農(nóng)田 CO 2排放通量 , 并對 CO 2排放通量和土壤溫度進(jìn)行了回歸模擬 . 結(jié)果表明 :冬小麥生育期 CO 2排放速率表現(xiàn)為翻耕 >旋耕 >免耕 , 平均分別為 343169、 337154和 190147mg m -2 h -1. 各處理冬小麥 生育期

2、CO 2排放通量與土壤溫度呈顯著正相關(guān) ; 翻耕地 CO 2排放通量與 10c m 地溫相關(guān)性最 高 , 旋耕地和免耕地則與 10c m 和 20c m 地溫相關(guān)性較高 . CO 2排放通量和土壤溫度呈指數(shù)函 數(shù)關(guān)系 (P <0101 , 利用 10c m 地溫對冬小麥生育期農(nóng)田 CO 2排放通量進(jìn)行估算表明 , 翻耕 、旋耕和免耕地 CO 2排放分別為 1188、 1189和 1103kg m -2. 關(guān)鍵詞 保護(hù)性耕作 土壤呼吸 土壤溫度 文章編號 1001-9332(2007 12-2765-06 11 A CO 2flux and its correl a ith w n t g

3、rowth sea son under d i f 2feren t ea in 1, 2, , CHE N Fu 1, L I Su 2juan 1(1Key L abora tory ofm m of A g ricultureM in istry, College of A grono m y and B iotechnology,A niversity, B eijing 100094, China; 2B eijing S tation of A gricultura l Technologica l B eijing 100029, China . 2Chin . J. A ppl

4、 . Ecol . , 2007, 18(12 :2765-2770.Abstract:Based on a l ong 2ter m ex peri m ent, this paper investigated the CO 2flux in winter wheat gr owth seas on under different tillage measures, and si m ulated the correlati on bet w een the flux and s oil te mperature by regressi on method . The results ind

5、icated that under different tillage measures, the av 2erage C O 2e m issi on rate in winter wheat gr owth seas on was in the order of moldboard p l ow tillage (F >m ini m u m tillage (X >no 2tillage (M , with the value being 343169, 337154and 190147mg m -2 h -1, res pectively . There was a sig

6、nificant ex ponential correlati on bet w een CO 2flux and s oil te mperature, which was most significant f or the s oil te mperature at the dep th of 10c m under F, and relatively significant f or the s oil te mperature at the dep th of 10and 20c m under X and M. Si m ulating with the s oil te mpera

7、ture at the dep th of 10c m, the C O 2flux in winter wheat gr owth seas on was esti 2mated as 1188kg m -2under F, 1189kg m -2under X, and 1103kg m -2underM. Key words:conservati on tillage; s oil res p irati on; s oil te mperature .3國家科技支撐計劃項目 (2006BAD15B01 和農(nóng)業(yè)部重點資助項 目 .33通訊作者 . E 2mail:chenfucau. e

8、du . cn 2006210223收稿 , 2007209219接受 .1 引 言土壤是僅次于海洋的全球第二大有機(jī)碳庫 , 土壤中儲存的有機(jī)碳 (S OC 高達(dá) 115×1018g, 是大氣CO 2的重要來源 , 其 CO 2排放通量在全球 CO 2地 2氣交換和大氣 CO 2濃度變化中起著重要作用8, 19. 據(jù)估計 , 全球土壤每年向大氣排放的碳量約占全球總 排放量的 5%20%, 人類活動等造成的全球土壤 有機(jī)碳儲量下降已使大氣中的 CO 2濃度提高了近 140l L-19. 西方國家由于實行保護(hù)性耕作和少免耕措施 , 最近時期的農(nóng)業(yè)土壤碳庫呈穩(wěn)定增長趨 勢 , 可以較顯著地

9、彌補(bǔ)其碳排放13-14, 20. 國內(nèi)關(guān)于保護(hù)性耕作的研究一般停留在增產(chǎn)增效的水平上 , 而對溫室氣體的研究又都集中在季節(jié)和日變化及其 影響因素上1, 3-5, 雖然就土地利用方式和施肥條件應(yīng) 用 生 態(tài) 學(xué) 報 2007年 12月 第 18卷 第 12期 Chinese Journal of App lied Ecol ogy, Dec . 2007, 18(12 :2765-2770對 CO2排放的影響進(jìn)行了一些研究 6, 11, 但關(guān)于保 護(hù)性耕作對溫室氣體排放的影響研究較少 12, 17. 一般認(rèn) 為 CO2排 放 與 5c m 或 10cm 地 溫 密 切 相 關(guān) 5, 12, 但對

10、不同耕作措施下土壤溫度的變化及其對 CO2排放的影響研究并不系統(tǒng) 12, 尤其利用連續(xù)地溫對 CO2排放通量進(jìn)行模擬研究更少 . 本文利用 靜態(tài)箱法測定了長期不同耕作措施下冬小麥生長季節(jié)農(nóng)田 CO2排放通量 , 同時采用銅 2康 銅熱電偶對各 處理不同層次土壤溫度進(jìn)行連續(xù)測定 , 分析各層土壤溫度與 CO2排放通量的關(guān)系 , 并模擬不同耕作措施下冬小麥生育期農(nóng)田 CO2排放通量 , 以期為預(yù)測 保護(hù)性耕作條件下土壤固碳潛力和溫室氣體減排提 供依據(jù) .2 材料與方法211 試驗設(shè)計試驗在中國科學(xué)院欒城生態(tài)試驗站長期定位試 驗基礎(chǔ)上進(jìn)行 . 該長期定位試驗于 2001年開始 . 試 驗站位于河北省

11、石家莊市欒城縣聶家莊鄉(xiāng) (37°50 N, 114°40 E , 海拔 5011m , 年均氣溫 1, 降水量 48017mm. ,/., 設(shè) , 1 翻耕 (F :玉米收獲后秸稈粉碎 2遍還田 , 翻耕 1遍后旋耕機(jī) 旋 2遍 , 播種小麥 , 翻耕深 15c m; 2 旋耕 (X :玉米 收獲后秸稈粉碎 2遍還田 , 旋耕機(jī)旋 2遍 , 播種小 麥 , 旋耕深 5c m; 3 免耕 (M :直立秸稈自然分布于 農(nóng)田 , 免耕播種機(jī)一次性完成秸稈粉碎 、 播種 、 施肥 和鎮(zhèn)壓作業(yè) . 每處理 0133h m 2. 耕作處理差異主要 在冬小麥種植上 , 前茬玉米采用免耕套

12、種 , 3個處理 小麥?zhǔn)斋@時秸稈均粉碎還田 . 各處理的作物品種 、 肥 水等管理措施相同 , 均參照當(dāng)?shù)匾话闼?. 于 2005年 9月 27日人工收獲玉米 , 同時將翻耕和旋耕處理 玉米秸稈粉碎還田 ; 2005年 10月 5日播種冬小麥 . 2004年冬小麥和 2005年夏玉米秸稈還田量見表 1. 表 1 不同耕作措施下農(nóng)田秸稈還田碳量Tab . 1 C quan tity of straw return to f i eld under d i fferen t till age m ea sures (kg C h m -2 a -1處理 Treat m ent 冬小麥 W int

13、er wheat莖葉Stem andleave根Root夏玉米 Summer corn莖葉Ste m andleave根Root麥 /玉 總量 TotalF 294119830217032251033981306868101 X 31611493121063494147400178736818 M 264614527916038661944981297291128 F:翻耕 Moldboard p l ow tillage; X:旋耕 M ini m u m tillage; M:免耕 No 2tillage . 下同 . The sa me bel ow. 212 研究方法21211CO 2

14、排放通量的測定 CO 2排放通量采用靜 態(tài)箱法測定 . 采樣箱用有機(jī)玻璃制成 , 箱底 30c m ×30c m 、 高 60c m. 小麥播種后 , 在每處理農(nóng)田中各安 裝 3個靜態(tài)箱底座進(jìn)行 3次重復(fù)測定 , 底座埋入作 物行間 , 入土 5c m , 整個小麥生長季節(jié)底座不再移 動 . 取樣時 , 采樣箱垂直安放在底座凹槽內(nèi)并用水密 封 , 以保證箱內(nèi)氣體不與大氣進(jìn)行氣體交換 . 采樣 前 , 將箱內(nèi)頂部風(fēng)扇打開 , 使箱內(nèi)氣體混和均勻 , 在 蓋箱之初及之后的 10、 20和 30m in 用 50m l 注射器 從箱中抽取氣體 , 通過旋轉(zhuǎn)三通閥轉(zhuǎn)移到 015L 氣 體采樣

15、袋備測 . 氣體測定使用 HP6890N 型色譜儀 , 測定 CO2的檢測器為 F I D , 測定溫度 200 , 柱型為 Por pak Q 柱 , 柱溫 70 . 從 2005年 10月 5日整地 開始時進(jìn)行采樣 , 其中 , 秋季和春季小麥返青前每月 測定 1次 , 冬季只在 2月 20日進(jìn)行 1次測定 , 小麥 返青 (3月 20日 后每隔 10d 1次 , 6月 10日 小麥 獲 束 , , 每 次 測 定 均 在 9:., :F =d c /d t (h M w T st /(M v (T st +T 式中 :F 為排放通量 (mg m -2 h -1 , d c /d t 為箱

16、內(nèi)痕量氣體隨時間的變化率 ; h 為采樣箱高 ; Mw為痕量氣體的摩爾質(zhì)量 ; Tst為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度 27312k; M v 為痕量氣體的摩爾體積 ; T 為測定時的土壤溫度 .21212土壤溫度的測定 測定氣體排放的同時 , 采 用銅 2康 銅熱電偶分別測定土壤 215、 5、 10和 20c m 處溫度 , 每 10m in 測定 1次 , 30m in 進(jìn)行平均 , 數(shù)據(jù) 采集儀自動記錄 . 熱電偶探頭埋于翻耕和旋耕處理 的行間 , 免耕處理的壟背處 .213 數(shù)據(jù)分析利用 Excel 和 SPSS 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析 . 3 結(jié)果與分析311 不同耕作措施對冬小麥生長季農(nóng)田 C

17、O 2排放 速率的影響由圖 1可知 , 在整個小麥生育期 , 各處理 CO 2排放速率的變化趨勢基本相同 , 均呈先降低后升高 再降低的趨勢 , 且 CO2排放速率高峰期均出現(xiàn)在 10月 5日和 4月 30日 . 但不同耕作措施對其排放有一 定影響 , 翻耕地和旋耕地在 5月 20日有一個呼吸小 高峰 , 而免耕地則沒有 . 在整個測定期內(nèi) , 免耕地 CO 2排放通量均小于翻耕地和旋耕地 . 方差分析表6672應(yīng) 用 生 態(tài) 學(xué) 報 18卷 圖 1 不同耕作措施對冬小麥生長季農(nóng)田 C O 2排放速率的 影響F i g . 1 Effect of different tillage measu

18、res on C O 2e m issi on rate of field s oil in winter wheat seas on .F:翻耕 Moldboard p l ow tillage; X:旋耕 M ini m um tillage; M:免耕 No 2tillage . 下同 The sa me bel ow .明 , 除 3月 20日和 4月 30日外 , 其它測定時期免耕 地與其它兩個處理間差異均達(dá)顯著水平 , 且在 4月 20日和 6月 10日差異達(dá)極顯著水平 . 翻耕地和旋 耕地 CO 2排放速率在整個測定期表現(xiàn)也不一致 , 在 越冬期及 4月 20日 5月 10>

19、;耕 , 其余時期則相反 . 2, 343169、 33715447 m -2 h -1, 旋耕和免 耕處理分別比翻耕處理降低了 1179%和 44158%.312 不同耕作措施下土壤溫度動態(tài)變化及其與 CO 2排放通量的相關(guān)性由圖 2可以看出 , 在小麥生育期內(nèi) , 215c m 土 壤溫度除在播種期和 12月 4日表現(xiàn)為旋耕最高外 , 其它各測定時期均表現(xiàn)為免耕最高 ; 5c m 土壤溫度 則在小麥起身期 (3月 20日 以后才表現(xiàn)為免耕最 高 , 起身期以前則表現(xiàn)為翻耕和旋耕土壤溫度較高 ; 10c m 和 20c m 土壤溫度在 12月 4日以前基本上以旋耕最高 , 12月 4日 4月

20、 20日以翻耕最高 , 4月 20日以后以免耕最高 . 由此可以看出 , 在小麥生育 前期免耕具有降低土壤耕層溫度的效應(yīng) , 而在小麥 生育后期則具有增加土壤耕層溫度的效應(yīng) , 且隨著 土層深度的增加降溫效應(yīng)時間延長 , 而增溫效應(yīng)時 間縮短 .對 CO 2排放速率與各層土壤溫度的相關(guān)性分 析表明 , 各處理 CO 2排放速率均與各層土壤溫度呈 顯著正相關(guān) , 其中翻耕處理呈極顯著正相關(guān) . 翻耕 CO 2排放速率與 10c m 土壤溫度相關(guān)性最高 , 相關(guān) 系數(shù)為 01722; 旋耕和免耕 CO 2排放速率則均與 20c m 土壤溫度相關(guān)性最高 , 相關(guān)系數(shù)分別為 01625 和圖 2 不同

21、耕作措施對不同深度土壤溫度的影響F i g . 2 Effect of different tillage measures on s oil te mperature of different depths .a 215c m; b 5c m; c 10c m; d 20c m .01645; 旋耕和免耕 CO 2排放通量與 10c m 土壤溫度相關(guān)性也很高 , 分別為 01624和 01643, 同其與 20c m 土壤溫度的相關(guān)系數(shù)相近 (表 2 . 313 不同耕作措施下小麥生育期農(nóng)田 CO 2排放通 量模擬方程對不同耕作措施下小麥生育期農(nóng)田 CO 2排放 通量與 10c m 土壤溫度

22、進(jìn)行回歸模擬 (表 3 , 結(jié)果 表明 , CO 2排放通量與土壤溫度均呈指數(shù)函數(shù) , 且各 相 關(guān)性均達(dá)極顯著水平 . 將每天 10:00采集的土壤767212期 李 琳等 :不同耕作措施下冬小麥生長季農(nóng)田二氧化碳排放通量及其與土壤溫度的關(guān)系 表 2 不同耕作措施下 CO 2排放通量與土壤溫度的相關(guān)系數(shù)Tab . 2 Correl a ti on coeff i c i en ts of CO 2e m issi on flux and so il te m pera ture under d i fferen t till age m ea sures (n =13處理Treat m en

23、t 215c m 5cm 10cm 20c m F 0171233017133301722330171133X 015953015963016243016253M0160830163530164330164533P <0105; 33P <0101.表 3 不同耕作措施下 CO 2排放通量 (y 與 10c m 土壤溫度 (x 的模擬方程 Tab . 3 S i m ul a ti on equa ti on s of CO 2e m issi on flux usi n g so il te m pera ture of 10c m depth under d i fferen

24、t till age m ea sures (n =13處理Treat m ent模擬方程Modelingequati on相關(guān)系數(shù)Correlati on coefficient (R 2 CO 2排放速率CO 2e m issi on rate (mg m -2 h -1 CO 2排放量 CO 2release of methane (kg m -2 F y =1161970e 011031x 01662333191411188X y =1551496e 010728x 01493333211661189My =291049e 011554x0155333174152110333P <

25、;0101. x 表示 10cm 土壤溫度 , y 表示 CO 2排放通量 x and y meant s oilte mperature of 10c m dep th and CO 2em issi on flux, res pectively .圖 3 不同耕作措施下小麥生長季農(nóng)田 C O 2排放速率估測 F i g . 3 Esti m ati on of CO 2e m issi on rate under different tillage measures in winter wheat seas on .溫度數(shù)值代入模擬方程中 , 即得到各處理小麥生育 期農(nóng)田 CO 2排放通量

26、的動態(tài)模擬圖 (圖 3 . 從中可 以看出 , 免耕處理 CO 2排放通量在小麥播種后的 235d 內(nèi)均低于翻耕和旋耕處理 , 此后差異不明顯 ; 旋耕處理在小麥播種后的 40150d 略高于翻耕處 理 , 其它時期則相反 . 對整個小麥生育期 CO 2排放 通量進(jìn)行平均和累積得到翻耕 、 旋耕和免耕下的農(nóng) 田 CO 2平 均 排 放 速 率 分 別 為 319141、 321166和 174152mg m-2 h-1, 農(nóng)田 CO 2排放總量分別為1188、 1189和 1103kg m -2.4 討 論411 不同耕作措施對小麥生育期 CO 2排放通量的影響研究表明 , 3種耕作方式下 ,

27、 小麥生育期農(nóng)田 CO 2排 放 通 量 的 季 節(jié) 變 化 與 前 人 研 究 結(jié) 果 相同2-3. 其中 , 排放高峰期均出現(xiàn)在 10月 5日和 4月 30日 , 10月 5日的排放高峰是由于耕作造成的 , 而 4月 30日的排放高峰與土壤溫度和作物生長發(fā) 育密切相關(guān) , 此時土壤溫度在 15 左右 , 同時又處 于小麥拔節(jié)期 , 根系生長和微生物活動都非常旺盛 . 翻耕 、 旋耕和免耕的 CO 2排放速率最小值分別為 102134、 121131和 4130mg m-2 h -1, 翻耕和旋耕下 CO 2排放通量與前人研究結(jié)果基本一致 , 免耕下 CO 2排放通量還未見報道 . 本研究認(rèn)

28、為免耕下 CO 220多倍 , 這主 10c m ., 包括影響 . 其通過改善農(nóng) 2CO 2排放通 量 . 國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為 , 少免耕減少 CO 2排放通量主 要是因為少免耕減少了翻耕 , 使土壤有機(jī)質(zhì)與土壤 中的氧混合減少 ; 同時 , 由于秸稈覆蓋使土壤溫度和 有機(jī)質(zhì)腐化降低 , 進(jìn)而使土壤有機(jī)碳含量增加 , 溫室 氣體排放減少7, 10, 12, 15-16. 本研究也表明 , 免耕地CO 2排放通量小于翻耕地和旋耕地 .412 不同耕作措施下土壤溫度與 CO 2排放通量的相關(guān)性研究表明 , 在一定范圍內(nèi)升高環(huán)境溫度可加速 土壤中有機(jī)質(zhì)的分解和微生物活性 , 從而增加土壤中 CO 2濃

29、度 , 溫度對 CO 2釋放量的影響是通過多種 途徑起作用的18. 國外學(xué)者通過長期觀測得出了溫度和 CO 2釋放量的定量關(guān)系并提出一系列方程 , 同 時指出用地表下 5c m 或 10c m 處的溫度比用地表 溫度效果要好2. 本研究表明 , 從小麥播種到 4月20日 , 10c m 土壤溫度均以免耕最低 , 這與免耕下 CO 2排放通量最低一致 , 其中翻耕 、 旋耕和免耕下 CO 2排放通量與 10c m 土壤溫度的相關(guān)系數(shù)都達(dá)極顯著水平 , 分別為 01898、 01851和 01870; 但從 4月 30日以后 , 免耕 10c m 土壤溫度最高 , 這與免耕下 CO 2排放通量最低

30、相反 , 而這段時期 3種不同耕作措施 CO 2排放通量與 10c m 土壤溫度的相關(guān)系數(shù)分 別為 -01764、 -01861、 -01919. 說明 4月 20日以8672應(yīng) 用 生 態(tài) 學(xué) 報 18卷前免耕地 CO2排放通量最低是由于土壤溫度低造成的 ; 而 4月 30日以后免耕地 CO2排放通量最低可 能與翻耕和旋耕地作物生物量大 , 根系呼吸大等有 關(guān) . 本研究將 10c m 土層溫度分段 , 以 16 為分割點劃分為 <16 和 >16 2段 , 然后與 CO2排放通 量進(jìn)行相關(guān)性分析 , 結(jié)果表明 , 當(dāng)溫度 >16 時 , CO 2排放通量與土壤溫度呈顯著正

31、相關(guān) ; 而當(dāng)溫度 <16 時呈負(fù)相關(guān) . 對小麥整個生育期 CO 2排放通量與不同層次土壤溫度的相關(guān)分析表明 , CO 2排放 通量與土壤各層溫度呈顯著或極顯著正相關(guān) , 其中 翻耕與 10c m 土壤溫度相關(guān)性最高 , 旋耕和免耕則 均與 20c m 土壤溫度相關(guān)性最高 , 與 10c m 土壤溫 度相關(guān)性也較高 . 因此 , 翻耕下可以用 10c m 土壤溫度模擬 CO2排放通量 ; 而旋耕和免耕下則可用 10 c m 和 20c m 土壤溫度模擬 CO 2排放通量 .413 不同耕作措施下 CO 2排放通量模擬方程研究表明 , CO2排放通量與地溫呈二次或指數(shù)函數(shù) 18. 而本研

32、究對不同耕作措施下小麥田 CO 2排放通量與 10c m 土壤溫度的曲線模擬表明 , CO 2排 放通量與地溫呈指數(shù)函數(shù) .全年的溫度和 CO2,2進(jìn)行回歸模擬 . , 5月下旬免耕 CO 2排放通量高于旋耕 . 這與實測結(jié)果不太一致 , 究其原因 , 認(rèn)為此時溫度已經(jīng)不是影響 CO2排放通量 的關(guān)鍵因素 , 而作物生物量 、 根系呼吸以及微生物活動等已成為影響 CO2排放通量的決定性因素 . 研究表明 , 在 <15 時 , CO2排放通量以土壤微生物代 謝呼吸為主 , 地溫為土壤微生物代謝活動的主要限制因素 , 對 CO2排放通量影響顯著 ; 而隨著溫度升 高 , 小麥根系生長處于高

33、峰期 , 根系呼吸所占比重逐漸增大 , 溫度不再是 CO2排放通量的關(guān)鍵影響因子 , 多種因素共同影響 CO2排放通量 3. 因此 , 后續(xù) 研究應(yīng)重視土壤水分 、 土壤微生物量 、 作物生物量以及根系呼吸等多因素協(xié)同效應(yīng)對 CO2排放通量的 影響 .參考文獻(xiàn)1 Cai Z 2C (蔡祖聰 . 1999. Effect of water regi m e on C O 2, CH 4and N 2O e m issi ons and overall potential f or greenhouse effect caused by e m itted gases . A cta Ped 2

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