供试品种德油6号为甘蓝型双低杂交油菜, 由德阳市科乐油菜研究开发有限公司提供。试验所用商品肥料分别为复合肥(氮磷钾有效含量均为15%)、尿素(含N量46%)和硼砂。

试验于2012-10— 2013-04在成都市大邑县三岔镇山墩村进行。试验田为冲积性水稻土, 质地以壤土为主夹杂少量黏土, 土壤基础肥力较好。0~20 cm耕层土壤全氮2.04 g· kg^-1, 有机质51.13 g· kg^-1, 碱解氮66.01 mg· kg^-1, 速效磷20.11 mg· kg^-1, 速效钾110.50 mg· kg^-1。

采用单因素试验设计, 设置旋耕(RT)和免耕(ZT)2种耕作方式, 共2个处理, 3次重复, 合计6个小区。每小区长10 m、宽6 m, 小区面积60 m²。底肥用量为复合肥600 kg· hm^-2、硼砂15 kg· hm^-2, 分别于2012-11-28、2012-12-27追施尿素120、75 kg· hm^-2。2012-10-11人工拉线点播油菜, 10-20达到出苗期, 基本苗密度36万· hm^-2。2013-02-27初花, 2013-03-23谢花, 2013-04-28成熟割秆, 全生育期(播种— 成熟)198 d。试验区年均气温16.2 ℃, 年均降水量1 030 mm。本试验冬油菜生育期间(2012-10— 2013-04)月平均气温分别为17.5、12.0、7.7、6.4、10.0、16.4、18.4 ℃, 月降水量分别为30.4、70.2、7.4、5.1、4.4、16.3、82.8 mm。

大田试验播种施肥前, 采用五点取样法对试验区田块耕作层土壤取样, 土样风干后采用常规方法进行土壤的基础肥力测定。2012-11— 2013-04在对应的土壤呼吸测定时期, 每个月各小区取样1次, 按3个样点取样, 每样点取代表性5株, 杀青后在80 ℃下烘干称重测定植株干重; 同时取0~20 cm土层土样, 风干后磨细过20目筛, 采用重铬酸钾氧化— 分光光度法测定土壤有机碳含量。

采用美国LI-COR公司LI-8100A土壤碳通量系统测定土壤呼吸速率。在不同耕作处理中每个小区光照和位置比较好的地点安置土壤呼吸PVC(直径20 cm、高度8 cm)环, 植入土层深度3 cm处, 且整个试验期固定不变。每个小区布设9个PVC环, 共54个PVC环。在测定土壤呼吸前1 d, 小心去除PVC环内的地上植被, 然后进行土壤呼吸测定, 每次测定过程重复2次(取均值作为1次呼吸的测定值)。同时用LI-8100A土壤碳通量系统配套的土壤温湿度探针测定土壤5 cm处的温度(℃)和土壤体积含水量(cm³· cm^-3)。测定时间为2012-11— 2013-04, 避开阴雨天于9:00— 17:00^[4]测定2次。

采用指数方程解释土壤呼吸与温度之间的关系, 用线性模型解释土壤呼吸与土壤含水量以及土壤温度与土壤含水量的关系^[15]。相关公式分别为:y=a× e^bT; Q₁₀=e^10b; y=a+bSWC; y=a+bT+cSWC。其中:y为RS(μ mol· m^-2· s^-1), a、b、c分别为拟合参数, T、SWC为地下5 cm土壤温度(℃)和土壤体积含水量(cm· cm^-3), Q₁₀为温度敏感系数。所有数据均利用SPSS 19.0进行统计分析, 用Sigmaplot 10.0制图。

直播冬油菜生长季, 旋耕(RT)处理平均土壤呼吸(1.97 μ mol· m^-2· s^-1)高于免耕(ZT)处理(1.86 μ mol· m^-2· s^-1), 但二者差异不显著(P> 0.05)。直播冬油菜田土壤呼吸的季节变化表现为先下降后升高的趋势, 土壤呼吸速率最低值出现在1月份(图1-A)。土壤温度及土壤体积含水量随时间的动态变化趋势与土壤呼吸一致(图1-B、图1-C), 其中土壤体积含水量的最低值出现在2月份, 这可能主要与2012年12月至次年2月降水量较少有关。此外, 与RT处理相比, ZT处理地下5 cm土壤温度有所升高, 而土壤含水量显著(P< 0.05)增加。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 土壤呼吸(A)、土壤5 cm温度(B)及土壤5 cm含水量(C)随时间的变化Fig.1 Changes of RS, soil temperature and soil water content at the 5 cm depth by time

旋耕(RT)与免耕(ZT)下直播油菜田土壤呼吸与土壤温度显著相关(P=0.000)(图2), 土壤呼吸与土壤5 cm含水量显著线性相关(P=0.000, 图3)。RT条件下, 土壤温度是影响直播冬油菜田土壤呼吸的主要因素, 可解释53.6%的土壤呼吸变化。ZT条件下, 土壤温度也是影响直播冬油菜田土壤呼吸的主要因素, 但水热复合回归模型要优于单因子模型(表1), 土壤温度与含水量的交互作用可解释60.5%的土壤呼吸变化。RT与ZT处理条件下, 直播冬油菜田土壤呼吸的温度敏感系数(Q₁₀)分别为2.07和2.16。

图2

Fig.2

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	图2 土壤呼吸与土壤5 cm温度的关系Fig.2 Relationship of RS and soil temperature at 5 cm depth

图3

Fig.3

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	图3 土壤呼吸与土壤5 cm体积含水量的关系Fig.3 Relationship of RS and soil water content at 5 cm depth

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 土壤呼吸与土壤5 cm温度、湿度交互效应的相关性 Table 1 Correlation of RS and interaction effects of soil temperature and soil water content at 5 cm depth 耕作措施Tillage 参数Parameter 回归模型Regression model n F R2 P 旋耕Rotary tillage (RT) T× SWC y=0.024+0.136T+2.559× SWC 252 139.409 0.528 0.000 免耕Zero tillage (ZT) T× SWC y=-0.326+0.117T+3.825× SWC 252 190.765 0.605 0.000

表1 土壤呼吸与土壤5 cm温度、湿度交互效应的相关性 Table 1 Correlation of RS and interaction effects of soil temperature and soil water content at 5 cm depth

RT与ZT处理的土壤有机碳含量(20.33、21.77 g· kg^-1)及油菜地上部生物量(17 922、18 671 kg· hm^-2)均无显著差异(P> 0.05)。相关分析表明, 不同耕作措施下, 直播油菜田土壤呼吸与土壤有机碳含量呈显著(P< 0.05)负相关(图4-A), 而与群体地上生物量呈显著(P< 0.05)正相关(图4-B)。

图4

Fig.4

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	图4 不同耕作措施下土壤呼吸与群体生物量(BM)及土壤有机碳含量(TOC)的相关性Fig.4 Correlation of RS and biomass or soil total organic carbon under different tillage conditions

不同耕作措施下, 稻茬直播冬油菜生长季农田土壤呼吸均表现出显著的季节性变化, 且最高、最低值分别出现在2013-04和2013-01。整个观测期内, 稻茬直播冬油菜田土壤呼吸速率变化范围为1.05~2.84 μ mol· m^-2· s^-1, 低于大田常规翻耕移栽油菜的研究结果^{[16, 17]}。冬小麦农田不同耕作措施对土壤呼吸影响的研究显示, 华北平原冬小麦生育期(10月至次年5~6月)RT处理下的土壤呼吸速率(2.32~3.07 μ mol· m^-2· s^-1)显著高于ZT处理(1.73~1.85 μ mol· m^-2· s^-1)^{[7, 8]}, 在陕西黄土高原冬小麦季节(10月至次年6月)上的研究也有类似结论, RT处理(3.57 μ mol· m^-2· s^-1)> ZT处理(3.26 μ mol· m^-2· s^-1)^[9]。本研究中, 稻茬直播冬油菜田RT处理的平均土壤呼吸速率(1.97 μ mol· m^-2· s^-1)虽高于ZT处理(1.86 μ mol· m^-2· s^-1), 但尚未达到显著性水平。相同耕作措施下, 稻茬直播冬油菜田的土壤呼吸数值明显低于冬小麦农田, 这可能与作物种类、耕地类型及研究区生态条件等方面的差异有关。

RT与ZT处理下, 稻茬直播冬油菜田土壤呼吸速率与土壤5 cm温度和土壤体积含水量呈显著正相关(图2、图3), 这与已有研究报道结果相似^{[16, 17, 18]}。本研究发现, 土壤体积含水量对土壤呼吸的贡献率显著低于土壤温度, 说明土壤温度是影响冬油菜土壤呼吸的主导因子。已有研究中土壤呼吸速率与土壤有机碳的关系各异, 有的认为土壤呼吸与土壤有机碳呈显著正相关^[19]或负相关^[6], 也有研究显示二者相关性不显著^{[16, 20, 21]}。本研究结果显示, 直播冬油菜田土壤呼吸速率与土壤有机碳含量呈显著负相关。这可能是因为试验田具有较高土壤肥力, 冬油菜生长前期土壤温度低、降水量少, 致使土壤微生物活性较低, 进而影响到土壤呼吸速率, 而到油菜中后期由于土壤温度升高、降水增多, 土壤微生物活动增强而促进土壤呼吸速率的提升^[6]。此外, 本研究发现, 不同耕作措施下, 直播冬油菜田土壤呼吸速率与地上部生物量呈显著正相关, 这与已有的研究结果相似^{[21, 22, 23]}。

不同耕作措施下, 直播冬油菜田土壤呼吸的温度敏感系数(Q₁₀)为2.07~2.16, 低于西南丘陵区玉米农田土壤呼吸的Q₁₀^[24]。有研究显示, 土壤肥力增加可提高土壤呼吸的温度敏感性Q₁₀^[25], 但也有研究认为, 土壤肥力增加, 尤其是氮肥含量增加可使Q₁₀显著降低^[26]。本研究发现, 直播冬油菜田Q₁₀低极有可能是因为试验田土壤肥力较高, 且氮肥施用量充足, 影响了土壤底物质量, 从而降低了土壤微生物呼吸的Q₁₀, 改变土壤呼吸敏感性。影响土壤呼吸Q₁₀变化的因素较为复杂, 不同生态系统中或者不同区域同一生态系统土壤底物有效性对土壤呼吸的影响方向和程度亦有很大的差别。关于稻油轮作下不同耕作措施土壤底物有效性与土壤呼吸温度敏感性之间的关系尚不清楚, 因而, 在稻油轮作条件下进一步探讨土壤底物有效性对土壤呼吸温度敏感性的影响是未来需要关注的重点。另外, 以土壤温、湿度作因变量构建的水热复合回归模型显示, 土壤水热因子的交互作用对冬油菜土壤呼吸的影响优于土壤温度或土壤水分的单因子模型。因此, 在成都平原, 可利用水热因子复合回归模型对冬油菜的土壤碳排放进行估算。