西南“旱三熟”区土壤呼吸及组分对保护性耕作的响应

It is difficut to separate soil autotrophic respiration and heterotrophic respiration in the evaluation of the farmland ecosystem carbon balance, especially the effective separation of rhizospheric respiration is more difficult to achieve. Aim at hyalinizing soil respiration process, we proposed to carry out the research that the contribution of root respiration to total soil respiration in dryland region with triple cropping system“wheat/maize/soybean” in southwest China, and environmental microbiology mechanism of soil respiration components in peculiar to the symbiotic period of crop interplanting with double root micro underground, as well as the relationship of the process of soil respiration and water, heat, fertilizer, biomass in the farmland ecosystem carbon cycle. By isotope labeling method and other interactive verification methods of separation of components of soil respiration, we scientificly evaluate the carbon source/sink characteristics in soil-crop system. Put forward one separation method that is appropriate for soil respiration components separation in farmland. We discuss microcosmic mechanism in different tillages and crops, and preliminary design the model for the components of soil respiration. Meanwhile,the effective measures to reduce emissions for the farmland ecosystem are filtrated. By conducting the experiment, we can promote the understanding of the soil respiration and the internal mechanism of the carbon cycle, and provide a reference to set up and improve the carbon cycle model which adaptation of farmland ecosystem with Chinese characteristics.

本项目针对农田生态系统碳平衡评价中土壤自养呼吸与异养呼吸相分离的难题，尤其是对根源呼吸的有效分离难以实现，以“白化”土壤呼吸过程为主要目标，拟开展西南丘陵区小麦/玉米/大豆“旱三熟”种植模式下不同作物根系呼吸对土壤总呼吸的贡献，作物套作时共生期所特有的双重根微地下环境土壤呼吸组分的微生物学机制，以及农田生态系统碳循环中土壤呼吸过程与水、热、肥、生物之间的相关关系的研究工作。通过同位素标记法和其他土壤呼吸组分分离的方法交互对比验证，科学评价不同作物-土壤系统碳源/汇特征，提出适合农田土壤呼吸组分分离的方法，明确不同耕作措施和作物对土壤呼吸组分的微观影响机制，初步建立土壤呼吸及组分的相关模型，识别和筛选有利于农田生态系统固碳减排的有效措施。通过本项目的研究，对推动土壤呼吸与碳循环的内在机制的认识有着重要的理论价值，为建立和完善适应中国特色的农田生态系统碳循环模型提供参考。

本项目基于西南丘陵区小麦/玉米/大豆“旱三熟”种植模式，引入同位素标记法分离土壤呼吸组分，示踪了光合碳在玉米和大豆作物及土壤体系的运移分配。结果显示：玉米在生长旺期时叶片光合作用的产物于第一时间大量输送并积累到茎部，再由茎部持续稳定的输送至根部，光合产物输送至根部达到平衡时所需时间约8天。大豆在生长旺期时叶片光合作用的产物主要稳定积累在茎部和叶部，7天后光合产物分配达到平衡状态。土壤呼吸同位素δ13C值为1414.80‰，且在标记后24小时达到最高峰，标记后9天左右回落到刚标记后的水平。通过同位素标记法、根分离法、根系生物量外推法，分析测定了西南丘陵区小麦/玉米/大豆“旱三熟”种植模式下不同根系呼吸占土壤总呼吸的比例，对正确科学估算农田生态系统碳源汇特性提供科学依据。结果表明：玉米作物纯根呼吸占土壤总呼吸的比例约为平均为31.78%。在小麦季根据根系生物量外推法得出的纯根呼吸占土壤总呼吸比例平均为17.94%，根排除法得出的结果平均为19.29%。小麦农田生态系统在整个生育期表现不同的碳源汇特征，中期时为碳汇，前期与后期为碳源，但总的来说小麦农田生态系统是一个碳汇系统。同步观测了5个土层深度的土壤温度、土壤水分、土壤有机碳和土壤氮含量，初步建立了土壤呼吸的多因素复合模型。结果指出：地下20cm土壤温度与土壤呼吸拟合度最好，关系模型表示为y=0.347e0.095x。通过深入分析土壤水热因子对土壤呼吸的综合效应，发现土壤呼吸是土壤温度和土壤水分二者共同作用的结果关系模型y=0.078x1+0.21x2（x1表示土壤温度，x2表示土壤水分）。通过本项目的研究，对推动土壤呼吸与碳循环的内在机制的认识有着重要的理论价值，为建立和完善适应中国特色的农田生态系统碳循环模型提供参考