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摘要在全球变化加剧背景下，农田碳排放问题越来越引起人们的关注。结合国内外已有的相关报道，系统综述了栽培管理措施对农田土壤呼吸影响的差异，探讨栽培管理措施影响土壤呼吸速率的可能机制，并提出了农田土壤碳减排可行的管理措施，展望了未来该领域应加强的研究方面，旨在为农田生态系统在全球变化背景下碳汇功能的发挥提高理论依据和技术指导。
关键词栽培措施；土壤呼吸；农田生态系统；减排
中图分类号S154.1文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04269-03
Effects of Cultural Practices on Soil Respiration in Cropland and the Management Options for Reducing CO2 Emissions
XU Hua et al（Agricultural Technique Service Center of Hongxu， Tengzhou， Shandong 277512）
AbstractGrowing attention is being focused on the carbon cycle research in cropland under global climate changes scenarios. The effects and probable mechanisms of the cultural practices on the soil respiration in cropland based on the earlier reports at home and abroad completely were reviewed. Many viable cultural practices for reduce the soil carbon emissions from cropland in crop production were put forward， together with some suggestions on future researches that should be strengthened in this field.
Key words Cultural practice； Soil respiration； Cropland ecosystem； Emission reduction
土壤呼吸是土壤向大气释放的过程，主要是由微生物氧化有机物和根系呼吸产生，也有极少的部分来自于土壤动物的呼吸和土壤有机碳化学氧化。土壤呼吸是陆地生态系统碳输出的一个重要方面，是陆地生态系统C循环和全球气候变化中的一个关键过程，也是预测全球变化的一个关键因素[1-3]。随着全球气候变化研究成为公众和科学界关注的热点之一，1土壤呼吸的概念及影响因素
土壤呼吸是土壤释放CO2的过程，主要包括3个生物学过程（植物根呼吸、土壤微生物呼吸及土壤动物呼吸）和一个非生物学过程（含碳物质的化学氧化作用）[2]。土壤呼吸作为一个复杂的生物学过程，受到多种因素的作用，使得土壤呼吸一方面具有某种规律性，另一方面表现出不规则的变化[4]。土壤呼吸主要受环境因素、生物因素和人为活动3个方面的影响。在环境因子中，温度、降雨、光合有效辐射、土壤湿度、土壤理化性状都会对土壤呼吸产生重要的影响[4，7]。温度会影响生物呼吸相关的酶活性和土壤有机碳的分解，從而影响到土壤呼吸速率，在一定范围内土壤呼吸速率与土壤温度之间呈正相关关系，且温度变化一般可解释土壤呼吸日变化和季节性变化的大部分变异[3，11]。土壤湿度会影响土壤的透气性和生物的呼吸活性，从而影响土壤呼吸速率，特别是在干旱或半干旱地区，当水分成为胁迫因子时可能取代温度而成为土壤呼吸的主要控制因子[12]。光合有效辐射作为植物光合作用的主要能量来源，可以改变土壤的温湿度，间接影响土壤呼吸速率[13]。土壤质地、土壤理化性状、土壤pH、盐分、污染等也可以直接或间接地引起土壤呼吸速率的差异[10，14]。
植物活动是土壤呼吸速率差异的一个关键影响因素。叶面积指数直接影响植被覆盖下土壤的微气候，而凋落物是异养呼吸的一个重要碳源。根系性状、活性将直接影响自身呼吸强度。根系的分泌物也会对土壤有机碳分解产生影响。这些均将会影响土壤呼吸速率[15-16]。土壤动物和微生物作为土壤呼吸的直接参与者，其类型和数量的变化将会直接对土壤呼吸产生一定的影响[17]。此外，土壤动物和微生物活动将会改变土壤物理结构和养分循环以及有机质分解和周转。这些均会间接地对土壤呼吸产生一定的影响[18]。人类的足迹几乎已遍布全球每个角落。人类活动在很多方面已成为生态环境演变的重要驱动力之一[18]，如改变植物群落组成、土壤理化性状、小气候和降水等。这些都会直接或间接地改变土壤环境，影响土壤CO2的排放。人类活动对土壤呼吸的影响主要体现在土地利用变化、耕作方式和栽培管理措施等方面[7，19]。
2栽培管理措施对土壤呼吸的影响
2.1 作物特性不同类型作物根系特性和共生根际微生物特性存在差异。这将直接造成土壤呼吸作用产生差异。李虎等[20]研究表明，农田土壤呼吸主要来自于根系呼吸，且不同作物类型存在差异，以棉花最高，玉米次之，冬小麦最低。作物类型还会引起土壤温度和土壤含水量发生变化，导致不同作物类型农田土壤呼吸速率存在较大的差异[16]。有研究表明，大豆农田与C4牧草相比，生长季平均土壤呼吸速率可降低34.2%，且主要是由土壤温湿度的变化所引起的[21-22]。作物生长也会对土壤呼吸产生影响。首先，作物生长状况可以影响其对根系和根际微生物呼吸底物的供应，从而引起土壤呼吸产生差异。此外，作物根系的生长状况、活性也会直接影响土壤呼吸作用。因此，不同作物类型、同一作物不同生长阶段和生长状况都会引起农田土壤呼吸发生改变。通过优化作物种植结构，调节作物生长状态可以调节农田土壤碳排放。 2.2肥料管理施有机肥能够提高农田土壤呼吸作用[21-24]。有机肥施入农田后，土壤有机质含量提高，土壤呼吸底物供应量增加，土壤呼吸作用加强。李永平等[23]研究表明，每公顷玉米田施入45 t鸡粪，土壤呼吸速率可提高36.49%[23]。有机肥还可以促进作物的生长发育，增强根系密度和根际微生物活性[24-25]，从而提高土壤呼吸作用。杜社妮等[24]研究认为，施用有机肥可提高土壤微生物的数量，土壤呼吸速率可提高23.5%～118.6%。施用有机肥还可以改善土壤的理化性状，提高土壤通透性。这也可能有利于土壤呼吸碳排放的增加。化肥施用对土壤呼吸的影响规律和影响机制目前存在较大的争议。陈书涛等[26]研究认为，N肥可在短期内提高农田土壤呼吸速率。高会议等[27]研究则认为，施N或N、P配施均能够明显提高冬小麦田的土壤呼吸速率[27]。而Ding等[28]研究认为，施N肥对玉米田土壤呼吸速率无显著影响。但多数研究认为，施用化肥可以改善作物生长发育，通过提高作物根系密度，并且改变土壤中碳氮比例，从而提高土壤呼吸作用[22-27]。
2.3灌溉措施土壤水分变化能够影响土壤通透性、植物根系和微生物活性，使得土壤溶解性有机质发生变化，并且改变植物和微生物能量的分配，从而影响到土壤呼吸作用[29]。农田灌溉一般是在土壤水分亏缺情况下进行的，因此能够增强土壤呼吸作用。汤亿等[30]研究表明，灌溉农田土壤呼吸速率与未灌溉相比可提高2.3～2.4倍。在土壤水分亏缺情况下，土壤呼吸会随着灌水量的增大而增强，但灌溉水分过量时会抑制土壤呼吸[31]。灌溉方式也会影响土壤呼吸速率。交替灌溉土壤呼吸速率会显著高于传统灌溉方式[32]。韩琳等[33]研究发现，灌溉方式可以改变土壤可溶性有机碳和微生物量碳含量，其中可溶性有机碳含量表现为沟灌和滴灌高于渗灌，微生物量碳含量也表现为滴灌和沟灌高于渗灌。这也可能会造成土壤呼吸速率产生差异。
2.4耕作方式翻耕将加大对农田土壤环境的扰动，一方面使得深层土壤有机碳更多的暴露在空气中，加速有机碳的矿化和分解；另一方面，翻耕还可以改变土壤通透性，改变土壤温度和含水量，从而影响根系生长和微生物的活性。这些均会使土壤呼吸速率发生改变[10，30-34]。张宇等[34]对华北平原冬小麦田的研究发现，翻耕和旋耕农田土壤呼吸速率显著高于免耕。汤亿等[30]研究表明，翻耕农田土壤呼吸速率约是未翻耕农田的2倍。Ussir等[35]研究也发现，与免耕相比，翻耕和旋耕农田平均土壤呼吸速率分别增加32.9%和28.6%，且夏季和秋季的增加程度更高。秸秆还田能够调节土壤理化性状，促进微生物代谢活动，从而提高农田土壤呼吸作用，随着秸秆还田量的增加土壤呼吸速率也显著增加，并且随时间的推移增加效应逐渐变小[36-37]。免耕秸秆覆盖可以降低土壤温度，并且维持较高的土壤含水量，从而降低土壤呼吸速率[38-39]。李昌珍等[38]研究表明，与未覆盖农田相比，免耕秸秆覆盖土壤呼吸速率可以降低2.7%，施肥后则降低22.11%；免耕留茬覆盖农田中，土壤呼吸速率随着秸秆覆盖量的增加而降低[39]。
2.5种植模式通过间套作种植，可以降低农田土壤呼吸碳排放[40-43]。Dyer等[40]研究表明，玉米-大豆间作CO2排放速率在整个生长季均低于玉米净作和大豆净作，并且认为引起的原因是物种间的相互作用。Qin等[41]研究表明，干旱区灌溉农田小麦-玉米套作的土壤呼吸速率显著低于玉米單作，生长季土壤总的土壤碳排放比玉米单作低47%。Liu等[42]研究表明，小麦-玉米套作的土壤呼吸速率比玉米单作低30%～43%。Chai等[43]研究也表明，与玉米单作相比，玉米-油菜间套作、玉米-豌豆间套作和玉米-小麦间套作土壤呼吸速率均显著降低，分别约下降51%、44%和35%，但产量分别增加41%、42%和25%。还有研究表明，豆科作物与禾本科作物间套种植能够通过间套系统自身复杂性的增加和作物资源利用时间与空间的协作互补有效地降低C和N的损失[44]。已有的研究表明，间套作种植能够改变农田土壤微环境、影响作物的生长发育和土壤生物群落结构和活性[45-47]。这些均将影响土壤呼吸作用，但其具体的影响过程、机制方面的报道较为少见，有必要加强。
3农田碳减排的管理措施
3.1减少翻耕强度，推广秸秆覆盖技术 较多的研究表明，减少翻耕可有效降低土壤呼吸速率，有利于农田土壤有机碳的提升和维持。因此，在生产中应降低土壤翻耕的强度和频率，尽量实施和推广免耕秸秆覆盖技术。
3.2优化肥料和灌溉管理 肥料的施用能够影响作物的生长发育和土壤微生物的活性，还可以调节土壤理化性状，从而影响土壤呼吸作用。通过土壤有机肥深施，可缩短有机粪肥的田间暴露时间，减少向大气的排放量。根据作物需求，开展测土配方施肥，可以避免化肥过多投入而造成土壤呼吸碳排放加剧。因此，生产中应提倡有机肥深施，大力发展测土配方施肥技术，并且优化田间水分管理。
3.3大力推广间套作技术间套作种植技术作为中国民族农业发展史上的传统瑰宝，能够有效地提高资源利用率，提高粮食产量。间套作模式种间的相互作用及其系统微环境的变化会降低土壤呼吸速率。因此，应大力推广。
4结语
在全球变化加剧的大背景下，我国农业正向现代化、规模化和产业化发展。生态值高、低碳化的农业生产方式也是我国农业发展的重要方向。加强农田生态系统作物固碳能力，同时减少土壤呼吸的排放，可有效地提升农田生态系统碳汇功能的发挥。农业栽培管理措施会对农田生态系统土壤呼吸碳排放产生重大的影响，但降低农田土壤碳排放的农业栽培管理措施体系较少报道，因此未来应加强单一或多种栽培管理措施对农田土壤呼吸的影响及机制方面的研究，还应该加强低碳农业综合栽培管理技术体系方面的研究。
42卷14期徐华等栽培管理对农田土壤呼吸的影响及减排途径参考文献 [1] SMITH V R.Soil respiration and its determinants on a subantarctic island[J].Soil Biology and Biochemistry，2003，35：77-91.
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关键词栽培措施；土壤呼吸；农田生态系统；减排
中图分类号S154.1文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04269-03
Effects of Cultural Practices on Soil Respiration in Cropland and the Management Options for Reducing CO2 Emissions
XU Hua et al（Agricultural Technique Service Center of Hongxu， Tengzhou， Shandong 277512）
AbstractGrowing attention is being focused on the carbon cycle research in cropland under global climate changes scenarios. The effects and probable mechanisms of the cultural practices on the soil respiration in cropland based on the earlier reports at home and abroad completely were reviewed. Many viable cultural practices for reduce the soil carbon emissions from cropland in crop production were put forward， together with some suggestions on future researches that should be strengthened in this field.
Key words Cultural practice； Soil respiration； Cropland ecosystem； Emission reduction
土壤呼吸是土壤向大气释放的过程，主要是由微生物氧化有机物和根系呼吸产生，也有极少的部分来自于土壤动物的呼吸和土壤有机碳化学氧化。土壤呼吸是陆地生态系统碳输出的一个重要方面，是陆地生态系统C循环和全球气候变化中的一个关键过程，也是预测全球变化的一个关键因素[1-3]。随着全球气候变化研究成为公众和科学界关注的热点之一，1土壤呼吸的概念及影响因素
土壤呼吸是土壤释放CO2的过程，主要包括3个生物学过程（植物根呼吸、土壤微生物呼吸及土壤动物呼吸）和一个非生物学过程（含碳物质的化学氧化作用）[2]。土壤呼吸作为一个复杂的生物学过程，受到多种因素的作用，使得土壤呼吸一方面具有某种规律性，另一方面表现出不规则的变化[4]。土壤呼吸主要受环境因素、生物因素和人为活动3个方面的影响。在环境因子中，温度、降雨、光合有效辐射、土壤湿度、土壤理化性状都会对土壤呼吸产生重要的影响[4，7]。温度会影响生物呼吸相关的酶活性和土壤有机碳的分解，從而影响到土壤呼吸速率，在一定范围内土壤呼吸速率与土壤温度之间呈正相关关系，且温度变化一般可解释土壤呼吸日变化和季节性变化的大部分变异[3，11]。土壤湿度会影响土壤的透气性和生物的呼吸活性，从而影响土壤呼吸速率，特别是在干旱或半干旱地区，当水分成为胁迫因子时可能取代温度而成为土壤呼吸的主要控制因子[12]。光合有效辐射作为植物光合作用的主要能量来源，可以改变土壤的温湿度，间接影响土壤呼吸速率[13]。土壤质地、土壤理化性状、土壤pH、盐分、污染等也可以直接或间接地引起土壤呼吸速率的差异[10，14]。
植物活动是土壤呼吸速率差异的一个关键影响因素。叶面积指数直接影响植被覆盖下土壤的微气候，而凋落物是异养呼吸的一个重要碳源。根系性状、活性将直接影响自身呼吸强度。根系的分泌物也会对土壤有机碳分解产生影响。这些均将会影响土壤呼吸速率[15-16]。土壤动物和微生物作为土壤呼吸的直接参与者，其类型和数量的变化将会直接对土壤呼吸产生一定的影响[17]。此外，土壤动物和微生物活动将会改变土壤物理结构和养分循环以及有机质分解和周转。这些均会间接地对土壤呼吸产生一定的影响[18]。人类的足迹几乎已遍布全球每个角落。人类活动在很多方面已成为生态环境演变的重要驱动力之一[18]，如改变植物群落组成、土壤理化性状、小气候和降水等。这些都会直接或间接地改变土壤环境，影响土壤CO2的排放。人类活动对土壤呼吸的影响主要体现在土地利用变化、耕作方式和栽培管理措施等方面[7，19]。
2栽培管理措施对土壤呼吸的影响
2.1 作物特性不同类型作物根系特性和共生根际微生物特性存在差异。这将直接造成土壤呼吸作用产生差异。李虎等[20]研究表明，农田土壤呼吸主要来自于根系呼吸，且不同作物类型存在差异，以棉花最高，玉米次之，冬小麦最低。作物类型还会引起土壤温度和土壤含水量发生变化，导致不同作物类型农田土壤呼吸速率存在较大的差异[16]。有研究表明，大豆农田与C4牧草相比，生长季平均土壤呼吸速率可降低34.2%，且主要是由土壤温湿度的变化所引起的[21-22]。作物生长也会对土壤呼吸产生影响。首先，作物生长状况可以影响其对根系和根际微生物呼吸底物的供应，从而引起土壤呼吸产生差异。此外，作物根系的生长状况、活性也会直接影响土壤呼吸作用。因此，不同作物类型、同一作物不同生长阶段和生长状况都会引起农田土壤呼吸发生改变。通过优化作物种植结构，调节作物生长状态可以调节农田土壤碳排放。 2.2肥料管理施有机肥能够提高农田土壤呼吸作用[21-24]。有机肥施入农田后，土壤有机质含量提高，土壤呼吸底物供应量增加，土壤呼吸作用加强。李永平等[23]研究表明，每公顷玉米田施入45 t鸡粪，土壤呼吸速率可提高36.49%[23]。有机肥还可以促进作物的生长发育，增强根系密度和根际微生物活性[24-25]，从而提高土壤呼吸作用。杜社妮等[24]研究认为，施用有机肥可提高土壤微生物的数量，土壤呼吸速率可提高23.5%～118.6%。施用有机肥还可以改善土壤的理化性状，提高土壤通透性。这也可能有利于土壤呼吸碳排放的增加。化肥施用对土壤呼吸的影响规律和影响机制目前存在较大的争议。陈书涛等[26]研究认为，N肥可在短期内提高农田土壤呼吸速率。高会议等[27]研究则认为，施N或N、P配施均能够明显提高冬小麦田的土壤呼吸速率[27]。而Ding等[28]研究认为，施N肥对玉米田土壤呼吸速率无显著影响。但多数研究认为，施用化肥可以改善作物生长发育，通过提高作物根系密度，并且改变土壤中碳氮比例，从而提高土壤呼吸作用[22-27]。
2.3灌溉措施土壤水分变化能够影响土壤通透性、植物根系和微生物活性，使得土壤溶解性有机质发生变化，并且改变植物和微生物能量的分配，从而影响到土壤呼吸作用[29]。农田灌溉一般是在土壤水分亏缺情况下进行的，因此能够增强土壤呼吸作用。汤亿等[30]研究表明，灌溉农田土壤呼吸速率与未灌溉相比可提高2.3～2.4倍。在土壤水分亏缺情况下，土壤呼吸会随着灌水量的增大而增强，但灌溉水分过量时会抑制土壤呼吸[31]。灌溉方式也会影响土壤呼吸速率。交替灌溉土壤呼吸速率会显著高于传统灌溉方式[32]。韩琳等[33]研究发现，灌溉方式可以改变土壤可溶性有机碳和微生物量碳含量，其中可溶性有机碳含量表现为沟灌和滴灌高于渗灌，微生物量碳含量也表现为滴灌和沟灌高于渗灌。这也可能会造成土壤呼吸速率产生差异。
2.4耕作方式翻耕将加大对农田土壤环境的扰动，一方面使得深层土壤有机碳更多的暴露在空气中，加速有机碳的矿化和分解；另一方面，翻耕还可以改变土壤通透性，改变土壤温度和含水量，从而影响根系生长和微生物的活性。这些均会使土壤呼吸速率发生改变[10，30-34]。张宇等[34]对华北平原冬小麦田的研究发现，翻耕和旋耕农田土壤呼吸速率显著高于免耕。汤亿等[30]研究表明，翻耕农田土壤呼吸速率约是未翻耕农田的2倍。Ussir等[35]研究也发现，与免耕相比，翻耕和旋耕农田平均土壤呼吸速率分别增加32.9%和28.6%，且夏季和秋季的增加程度更高。秸秆还田能够调节土壤理化性状，促进微生物代谢活动，从而提高农田土壤呼吸作用，随着秸秆还田量的增加土壤呼吸速率也显著增加，并且随时间的推移增加效应逐渐变小[36-37]。免耕秸秆覆盖可以降低土壤温度，并且维持较高的土壤含水量，从而降低土壤呼吸速率[38-39]。李昌珍等[38]研究表明，与未覆盖农田相比，免耕秸秆覆盖土壤呼吸速率可以降低2.7%，施肥后则降低22.11%；免耕留茬覆盖农田中，土壤呼吸速率随着秸秆覆盖量的增加而降低[39]。
2.5种植模式通过间套作种植，可以降低农田土壤呼吸碳排放[40-43]。Dyer等[40]研究表明，玉米-大豆间作CO2排放速率在整个生长季均低于玉米净作和大豆净作，并且认为引起的原因是物种间的相互作用。Qin等[41]研究表明，干旱区灌溉农田小麦-玉米套作的土壤呼吸速率显著低于玉米單作，生长季土壤总的土壤碳排放比玉米单作低47%。Liu等[42]研究表明，小麦-玉米套作的土壤呼吸速率比玉米单作低30%～43%。Chai等[43]研究也表明，与玉米单作相比，玉米-油菜间套作、玉米-豌豆间套作和玉米-小麦间套作土壤呼吸速率均显著降低，分别约下降51%、44%和35%，但产量分别增加41%、42%和25%。还有研究表明，豆科作物与禾本科作物间套种植能够通过间套系统自身复杂性的增加和作物资源利用时间与空间的协作互补有效地降低C和N的损失[44]。已有的研究表明，间套作种植能够改变农田土壤微环境、影响作物的生长发育和土壤生物群落结构和活性[45-47]。这些均将影响土壤呼吸作用，但其具体的影响过程、机制方面的报道较为少见，有必要加强。
3农田碳减排的管理措施
3.1减少翻耕强度，推广秸秆覆盖技术 较多的研究表明，减少翻耕可有效降低土壤呼吸速率，有利于农田土壤有机碳的提升和维持。因此，在生产中应降低土壤翻耕的强度和频率，尽量实施和推广免耕秸秆覆盖技术。
3.2优化肥料和灌溉管理 肥料的施用能够影响作物的生长发育和土壤微生物的活性，还可以调节土壤理化性状，从而影响土壤呼吸作用。通过土壤有机肥深施，可缩短有机粪肥的田间暴露时间，减少向大气的排放量。根据作物需求，开展测土配方施肥，可以避免化肥过多投入而造成土壤呼吸碳排放加剧。因此，生产中应提倡有机肥深施，大力发展测土配方施肥技术，并且优化田间水分管理。
3.3大力推广间套作技术间套作种植技术作为中国民族农业发展史上的传统瑰宝，能够有效地提高资源利用率，提高粮食产量。间套作模式种间的相互作用及其系统微环境的变化会降低土壤呼吸速率。因此，应大力推广。
4结语
在全球变化加剧的大背景下，我国农业正向现代化、规模化和产业化发展。生态值高、低碳化的农业生产方式也是我国农业发展的重要方向。加强农田生态系统作物固碳能力，同时减少土壤呼吸的排放，可有效地提升农田生态系统碳汇功能的发挥。农业栽培管理措施会对农田生态系统土壤呼吸碳排放产生重大的影响，但降低农田土壤碳排放的农业栽培管理措施体系较少报道，因此未来应加强单一或多种栽培管理措施对农田土壤呼吸的影响及机制方面的研究，还应该加强低碳农业综合栽培管理技术体系方面的研究。
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