油菜/玉米轮作农田土壤呼吸和异养呼吸对秸秆与生物炭还田的响应

土壤呼吸是农田生态系统碳排放的主要途径,为研究土壤呼吸、其组分和水热因子对秸秆与生物炭还田的响应,在重庆国家紫色土肥力与肥料效益长期监测基地采用根系排除法联合运用土壤呼吸自动监测系统(ACE-002/OPZ/SC)测定了无物料还田(CK)、秸秆还田(CS)、秸秆+速腐剂还田(CSD)、生物炭还田(BC)、秸秆+生物炭1∶1还田(CSBC)5种处理下的紫色土丘陵区油菜/玉米轮作制中油菜和玉米生长季的土壤呼吸及其水热因子,并计算了根系呼吸贡献.结果表明,秸秆与生物炭还田显著影响土壤呼吸季节性变化特征和峰值,除BC处理外,其他处理均促进了土壤呼吸和碳排放;油菜季土壤呼吸呈单峰曲线,在0.12~2.29μmol·(m~2·s)~(-1)波动,不同处理土壤呼吸差异显著,表现为CSCSDCSBCCKBC处理;玉米季各处理土壤呼吸变化较复杂,变化范围为1.02~15.32μmol·(m~2·s)~(-1),其中CS、CSD和CSBC呈双峰型曲线,CK和BC呈单峰曲线.土壤异养呼吸能够解释土壤总呼吸变化的86.50%~93.94%,各处理的玉米季根系呼吸贡献(26.49%~32.86%)显著低于CK处理(53.65%).土壤呼吸速率的变化主要受5cm土壤温度控制,与土壤含水量无显著关系;5cm土壤温度能够解释土壤呼吸季节变化的82%~94%.土壤呼吸的温度敏感性系数Q10值在3.28~4.47之间,与CK处理相比,CS、CSD、CSBC处理的Q10分别降低了26.62%、18.12%、20.58%;而BC处理则增大了12.53%.水热双因子对土壤呼吸不存在协同作用,仅用土壤温度单因子指数函数可较好地模拟土壤呼吸速率的动态变化.可见,秸秆、秸秆+速腐剂和秸秆+生物炭还田显著促进了土壤呼吸,生物炭还田抑制了土壤呼吸.     

秸秆覆盖条件下小麦生长季根系呼吸对土壤呼吸作用的贡献

在紫色土丘陵区连续6年进行秸秆覆盖试验的"旱三熟"农田系统中,于2012年12月—2013年4月小麦生长季内对土壤呼吸进行测定,并对小麦根系生物量、土壤温度、土壤水分和土壤有机碳含量等指标进行监测,以分析土壤呼吸动态变化的影响因素.结果表明,秸秆覆盖措施显著提高了土壤呼吸速率,秸秆覆盖(S)和秸秆覆盖+腐熟剂(SD)处理分别比对照(CK)增加了45.0%和29.4%.曲线估计表明,土壤呼吸作用与根系生物量呈显著线性关系,通过建立二者的线性回归方程,采用生物量外推法估算小麦根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例,在分蘖期(2012年12月)、拔节期(2013年1月)、抽穗期(2012年3月)和灌浆期(2013年4月),根系呼吸分别占土壤呼吸的28.2%、44.0%、56.9%、56.2%,平均贡献为46.3%,并呈先增加再降低的趋势,在抽穗期达到最大,与根系生物量的变化同步.按照不同处理建立根系生物量与土壤呼吸间的线性回归方程,经计算得出CK、S和SD 3个处理中,根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例分别为42.9%、43.8%和43.7%,秸秆覆盖对根系呼吸作用比例无显著影响.     

不同耕作措施对旱作夏玉米田土壤呼吸及根呼吸的影响

为了探明不同耕作措施对旱作夏玉米田土壤呼吸及根呼吸的影响,采用定位试验,对比研究了深松耕(ST)、免耕(NT)、旋耕(RT)和翻耕(CT)这4种耕作方式下土壤呼吸速率的动态变化特征;并利用根去除法研究了根呼吸对土壤呼吸的贡献.结果表明,夏玉米生长季,4种耕作方式下土壤呼吸速率随生育期均呈单峰型变化趋势,在抽雄期达到最大,各生育期土壤呼吸速率大小顺序依次表现为:抽雄期开花期灌浆期成熟期拔节期苗期.不同耕作措施对平均土壤呼吸速率的影响表现为CTSTRTNT;土壤呼吸速率与土壤温度的相关系数达到显著性水平(P0.05),不同耕作措施下5 cm地温可以解释土壤呼吸速率变异的35%~75%.而土壤呼吸速率与土壤水分的相关系数却未达到显著性水平.夏玉米生长季中,不同耕作措施下根呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在45.13%~56.86%之间波动,均值为51.72%.因此,利用根去除法可以用来了解作物生长对土壤碳排放的贡献及比较不同耕作措施对根系呼吸贡献的影响,从而为筛选出减缓农田土壤有机碳分解的耕作措施提供依据.     

施氮对黄土旱塬区春玉米土壤呼吸和温度敏感性的影响

了解施氮对土壤呼吸和温度敏感性的影响,是研究农田土壤呼吸变化的重要环节,对预测农田土壤呼吸变化具有重要意义.基于中国科学院长武黄土高原农业生态试验站的氮肥管理试验,于2013年4月至2014年9月利用LI-8100系统(LICOR,Lincoln,NE,USA)监测施氮和不施氮条件下旱地春玉米生长季土壤呼吸、温度、水分以及根系生物量的变化,研究施氮条件下生物与非生物因素对土壤呼吸速率和温度敏感性(Q10)的影响.施氮显著提高了生长季土壤的累积呼吸量(P0.05),与不施氮相比,施氮处理累积呼吸量2013年提高了35%,2014年提高了54%.但施氮显著降低了土壤呼吸温度敏感性(P0.05),施氮处理的Q10较对照2013年降低了27%,2014年降低了17%.施氮显著提高了春玉米产量、地上部生物量和根系生物量(P0.05).施氮处理根系生物量较不施氮处理2013年提高了0.32倍,2014年提高了1.23倍.施氮对土壤温度和水分无显著影响,根系生物量是施氮条件下导致土壤呼吸差异的重要生物因素.     

基于BaPS系统的旱地土壤呼吸作用及其分量确定探讨

应用气压过程分离(BaPS)方法研究了大豆和玉米种植下土壤呼吸速率及其分量的动态变化,并同时用气相色谱仪分析了实验期间BaPS系统内的CO2气体浓度,对2种方法测定的土壤呼吸速率进行了比较.结果表明:(1)BaPS方法与气相色谱测得的土壤呼吸速率具有一致性和可比性;(2)大豆田根区土壤呼吸速率随根系生长有明显的季节变化,速率为(29.8±6.4)mg·kg-1·d-1(以C计),非根区土壤呼吸速率在整个生长季数值较低并且季节变化不明显,为(14.4±5.1)mg·kg-1·d-1(以C计);玉米种植下土壤呼吸有类似的规律,差别在于玉米根系生物量比大豆大,呼吸速率也高,根区呼吸速率为(70.8±38.6)mg·kg-1·d-1(以C计),非根区为(18.1±8.7)mg·kg-1·d-1(以C计);(3)根起源呼吸是土壤呼吸的重要组成部分,根区与非根区土壤呼吸速率的差值可以认为来自于根系活动,研究发现大豆田根起源呼吸占土壤呼吸的50%,玉米田根起源呼吸占到69%;(4)利用根起源呼吸与根系生物量的相关关系,得到大豆根起源呼吸系数为0.048mg·mg-1·d-1,玉米的根起源呼吸系数较小为0.042mg·mg-1·d-1.     

锡林河流域生长季节不同草地类型根系呼吸特征研究

采用根系生物量外推法于2005年生长季对内蒙古锡林河流域温带半干旱草原中的羊草自由放牧草原、大针茅自由放牧草原和羊草退化草原根系呼吸占土壤总呼吸的比例进行了野外测定,研究了不同草地类型土壤总呼吸、根系呼吸和根系呼吸占土壤总呼吸比例的季节变化规律,同时就根系生物量和水热因子等环境要素对上述过程的影响进行了具体分析.结果表明,3个样地根系呼吸和土壤总呼吸的季节变化规律基本一致,均表现为单峰曲线,峰值出现在7月下旬,但羊草退化草原受过度放牧的影响,根系呼吸和土壤总呼吸速率均明显高于其它2个样地;根系呼吸占土壤总呼吸的比例在生长季节内波动明显,且3个样地差异较大,但大多介于40%～50%之间,平均值为40.3%.     

保护性耕作下小麦田土壤呼吸及碳平衡研究

为了研究小麦农田生态系统土壤碳排放与作物碳蓄积特征,采用LI6400-09在重庆北碚西南大学教学试验农场对平作(T)、垄作(R)、平作+覆盖(TS)、垄作+覆盖(RS)这4种处理下的西南紫色土丘陵区小麦/玉米/大豆套作体系中小麦生长季节的土壤呼吸及植株生长动态进行了观测.利用根系生物量外推法(root biomass regression,RBR)和根排除法(root exclusion,RE)这2种方法比较分析根系呼吸对土壤总呼吸的贡献,并估算小麦农田碳收支状况.结果表明,土壤呼吸介于0.62~2.91μmol·(m2·s)-1,平均值为1.71μmol·(m2·s)-1.T、R、TS、RS各处理日均土壤呼吸速率分别为1.29、1.59、1.99、1.96μmol·(m2·s)-1,表现为T相似文献   

应用根去除法对内蒙古温带半干旱草原根系呼吸与土壤总呼吸的区分研究

2005年生长季分别对内蒙古锡林河流域温带半干旱草原中的羊草自由放牧草原、大针茅自由放牧草原和羊草退化草原中的土壤总呼吸速率和去根土壤的呼吸速率进行了野外测定,初步探讨了在草地群落应用根去除法间接进行根系呼吸测定的可能性,并应用该方法对草地群落根系呼吸占土壤总呼吸的比例进行了估测. 结果表明,应用根去除法在不同草地群落进行根系呼吸占土壤总呼吸比例的估测是切实可行的,其比值范围介于25%～45%之间,平均值为3566%,与国内外相关研究比较,大大提高了其比值的估测精度,在草地碳循环研究中具有较高的应用价值.     

冬小麦返青-拔节期土壤的自养和异养呼吸研究

以种植了4个不同密度冬小麦的土壤为研究对象,在返青-拔节期应用根生物量外推法定量研究了土壤呼吸的各组分,即自养呼吸(根呼吸)和异养呼吸.2006年2月27日、3月6日、3月13日、3月20日4次的测定结果表明,土壤的异养呼吸速率分别为68.5,62.8,76.8,119.6mg·m-2·h-1;由于小麦生长的补偿效应使得不同种植密度下的根生物量差异减小,在3月27日的试验中,根生物量外推法不能确定出土壤异养呼吸的数值.进一步的分析结果表明,在每个采样日不同种植密度下的小麦根呼吸系数均无显著差异;而所有小麦种植密度的平均根呼吸系数随作物生长呈下降趋势.可将根呼吸系数(Rre)表示为根系氮含量(N)和土壤体积含水量(W)两因子的指数影响函数,其表达式为:Brc=0.001e(0.375W 5.503N).式中,W,N分别为土壤体积含水量和根系氮含量,Rrc 为根呼吸系数,决定系数 R2=0.966.应用根系氮含量和土壤湿度这两个因子可较好的模拟根呼吸系数的动态变化.对于与田间实际小麦种植密度接近的处理而言,在返青-拔节期根呼吸占土壤呼吸的比例在28%～81%之间变异.     

模拟增温对冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸的影响

为研究模拟增温对冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸的影响,设置了随机试验,观测增温和对照处理的农田土壤呼吸速率.采用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统对农田土壤呼吸速率进行观测,并采用气压过程分离技术（BaPS）测定土壤CO2产生速率.在观测土壤呼吸速率的同时,观测了两处理的土壤温度、湿度.结果表明,不同增温处理下土壤呼吸速率的季节变异趋势基本一致,其季节变异与土壤温度的变异具有一致性.冬小麦田增温和对照处理的平均土壤呼吸速率分别为（3.54±0.60）μmol·（m2·s）-1和（2.49±0.53）μmol·（m2·s）-1,大豆田增温和对照处理平均土壤呼吸速率分别为（4.80±0.46）μmol·（m2·s）-1和（4.14±0.29）μmol·（m2·s）-1.模拟增温显著促进了冬小麦田和大豆田的土壤呼吸作用,在冬小麦生长后期（抽穗-成熟期）增温和对照处理的土壤呼吸速率差异最为明显（P〈0.05）;在大豆开花-结荚期以及鼓粒-成熟期增温与对照的土壤呼吸速率分别存在极显著性（P〈0.01）和显著性（P〈0.05）差异.进一步的研究表明,模拟增温和对照处理土壤呼吸均与土壤温度存在极显著（P〈0.01）的指数回归关系,但增温处理的土壤呼吸的温度敏感性明显高于对照,小麦生长季增温和对照处理的土壤呼吸温度系数Q10值分别为1.83和1.26,大豆生长季两处理的土壤呼吸温度系数Q10值分别为2.85和1.70.本研究表明,增温显著促进了农田土壤呼吸作用。     

Alternative cropping systems for sustainable water and nitrogen use in the North China Plain

Serious water deficits and excessive nitrogen (N) applications are threatening the sustainability of intensive agriculture in the North China Plain (NCP). This study examined the possibility of replacing the conventional system (Con.W/M) of winter wheat (Triticum aestivum L.) and summer maize (Zea mays L.), with an optimized double cropping system (Opt.W/M), a 2-year system (winter wheat/summer maize-spring maize, W/M-M), and a monoculture system (spring maize, M) based on optimal water and N management strategies. From 2004 to 2010, a long-term field experiment conducted in the NCP showed that although >70 mm of irrigation water can be saved with Opt.W/M compared with Con.W/M, annual net groundwater use under Opt.W/M was still 250 mm, 65-90% of which was consumed during the winter wheat season. When wheat production was decreased, 35% and 61% of irrigation water could be reduced in W/M-M and M compared to Con.W/M, respectively. As a result, annual groundwater use was decreased to 190 mm in W/M-M and 94 mm in M. Meanwhile, the N fertilizer rate was reduced 59% and 72% in W/M-M and M compared to Con.W/M, respectively. There were no significant differences in net economic returns between Con.W/M and W/M-M across the 6-year period. In the 6 years, no significant economic loss was observed between Con.W/M and M except in the 2008-2010 rotation. The W/M-M and M systems showed great potential to reduce water and N application and achieve groundwater use balance, and thus should be considered for economic and sustainable agricultural development in the NCP.     

小麦与不同作物多样化轮作对土壤真菌群落的影响

为明确华北平原冬小麦与不同作物多样化轮作下的土壤真菌群落差异,为生态可持续种植制度的构建和优化提供理论依据,采用实时荧光定量PCR和高通量测序技术研究了连续冬小麦-夏玉米M、冬小麦-夏花生(夏玉米)PM和冬小麦-夏大豆(夏玉米)SM轮作处理的土壤真菌群落丰度、组成和多样性.结果表明,与连续冬小麦-夏玉米处理相比,轮作花生PM2和大豆SM2处理显著降低了土壤真菌ITS序列拷贝数,轮作花生或大豆处理增加了土壤真菌群落丰富度和多样性.非度量多维尺度分析(NMDS)结果显示,不同轮作茬口之间土壤真菌群落存在明显分离,轮作作物对土壤真菌群落结构的影响达显著水平.华北平原砂壤质潮土中不同作物轮作处理的土壤真菌群落均以Ascomycota为优势菌门,以Sordariomycetes和Eurotiomycetes为优势菌纲.不同轮作茬口土壤真菌群落组成存在差异显著的类群,Neocosmospora、Plectosphaerella和Gibellulopsis等潜在病原真菌在冬小麦-夏花生(夏玉米)轮作处理中显著富集,而Penicillium和Zopfiella等潜在有益真菌在冬小麦-夏大豆(夏玉米)轮...     

Determination of respiration, gross nitrification and denitrification in soil profile using BaPS system

A facility of BaPS （Barometric Process Separation） was used to determine soil respiration, gross nitrification and denitrification in a winter wheat field with depths of 0-7, 7--14 and 14-21 cm. N2O production was determined by a gas chromatograph. Crop root mass and relevant soil parameters were measured. Results showed that soil respiration and gross nitrification decreased with the increase of soil depth, while denitrification did not change significantly. In comparison with no-plowing plot, soil respiration increased significantly in plowing plot, especially in the surface soil of 0-7 cm, while gross nitrification and denitrification rates were not affected by plowing. Cropping practice in previous season was found to affect soil gross nitrification in the following wheat-growing season. Higher gross nitrification rate occurred in the filed plot with preceding crop of rice compared with that of maize for all the three depths of 0-7, 7-14 and 14-21 cm. A further investigation indicated that the nitrification for all the cases accounted for about 76% of the total nitrogen transformation processes of nitrification and denitrification and the N2O production correlated with nitrification significantly, suggesting that nitrification is a key process of soil N2O production in the wheat field. In addition, the variations of soil respiration and gross nitrification were exponentially dependent on root mass （p〈0.00l）.     

基于RZWQM模型模拟太行山低山丘陵区农田土壤硝态氮迁移及淋溶规律

太行山低山丘陵区是华北平原地下水补给区,近年来山区农田面积增加,农田过量氮肥投入造成地下水硝酸盐浓度逐年升高,因此,研究典型农田土壤氮淋溶过程对保护补给区地下水具有重要意义.本文以位于太行山低山丘陵区的中国科学院太行山生态试验站冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象,应用根区水质模型（root zone water quality model,RZWQM）对太行山低山丘陵区2015~2016年冬小麦-夏玉米的1个轮作周期内1m土壤剖面水分和硝态氮运移进行模拟.结果表明,土壤硝态氮淋溶主要发生在夏玉米季（雨季）,当全年施氮量为300 kg·hm^-2时,夏玉米季硝态氮淋失量达到59.9 kg·hm^-2,而冬小麦生长季硝态氮淋失量仅为2.12 kg·hm^-2.不同施氮量和不同降水年型下玉米季土壤硝态氮淋溶模拟结果表明,当施氮量为0、300和450 kg·hm^-2时,2016年（丰水年）极端降水后,玉米季土壤硝态氮潜在淋失量分别为10.5、59.9和136.5 kg·hm^-2;当全年施氮量为300 kg·hm^-2时,2013（枯水年）、2015（平水年）和2016年（丰水年）玉米季硝态氮淋失量分别占轮作周期总施氮量的9%、10%和20%;当全年施氮量为450 kg·hm^-2时,2013（枯水年）、2015（平水年）和2016年（丰水年）玉米季硝态氮淋失量分别占总施氮量的11%、17%和30%,表明大降水事件不仅对地下水形成大量补给,很大程度上也增加了累积在农田土壤中的硝态氮淋溶损失,增加了对区域地下水硝酸盐潜在污染威胁.