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绿洲典型间作模式的土壤呼吸特征及其成因

秦安振  
【摘要】:间作种植是河西绿洲灌区一种常见的提高农田产出的农作模式,其多样化配置是农业可持续发展的基础。然而,间作系统在干旱绿洲灌区是否能降低农田碳排放还有待研究。通常情况下,高产出的农作模式也伴随着高CO_2排出,间作系统对土壤呼吸及碳排放的调控作用亦鲜见报道。 为探索间作系统下产量,土壤呼吸和环境因子的动态及其与因子间的相互关系,在甘肃农业大学武威试验站(37o96′N,102o64′E)进行了三年的定位试验(2009,2010和2011年)。试验共设置九个处理,其中四个间作处理,分别是玉米–小麦间作,玉米–豌豆间作,玉米–油菜间作和小麦–大豆间作,及五个单作处理,分别是单作油菜,单作小麦,单作豌豆,单作大豆和单作玉米。本试验的主要结果如下: 1.作物生长(干物质累积)是影响农田土壤呼吸的主要因子,当作物干物质开始累积时,土壤呼吸随之增加,到开花期(早播作物)或吐丝期(晚播作物),干物质累积速率最大时,土壤呼吸速率亦达最大,随后开始降低。将土壤呼吸和干物质累积的二次方程(y=a×x_2+b×x+c)与土壤呼吸和土壤温度的指数方程(y=a×ek×t)结合建立的复合模型可以较好地模拟农田土壤呼吸变异,干物质累积与土壤温度可以解释土壤呼吸38%到58%的变异。玉米间作系统,如玉米–小麦(0.52g CO~(-2)2mhr~(-1)),玉米–豌豆(0.51g CO_22m–hr~(-1))和玉米–油菜(0.44g CO~(-2)2mhr~(-1))较单作玉米(0.74g CO_2m~(-2)hr~(-1))显著降低了土壤呼吸季变化的最大值。单作玉米的碳排放量最高(4,233kg C ha~(-1)),单作油菜的最低(1,260kg C ha~(-1))。玉米间作系统(1,701kg C ha~(-1)到3,108kg C ha~(-1))较单作玉米或单作小麦显著降低了碳排放量。玉米是单位水碳排放最高的作物,豌豆和小麦次之,油菜和大豆最低。玉米间作系统较单作玉米减少了42%(2009),52%(2010)和45%(2011)的单位水碳排放量。 2.单作种植中,玉米的产量最高,为11,724kg ha~(-1),小麦次之,为6,467kg ha~(-1),豌豆最小,为2,830kg ha~(-1)。单作玉米的产量由2009年的12,677kg ha~(-1)降至2011年的10,624kg ha~(-1),减少了19%。玉米–小麦间作系统中,玉米产量由2009年的7,404kg ha~(-1)升至2011年8,123kg ha~(-1),提高了10%。玉米间作系统表现出较高的水分利用效率(15.9~(-1)9.8kg ha~(-1)mm~(-1))和土地当量比(1.16~(-1).48),表明间作系统存在高效水分利用及增产的优势。 3.豌豆与玉米共生时,土壤水分移动势最小,表明豌豆带从玉米带汲取的水分最小。小麦是最强的水分竞争者。小麦与玉米或大豆共生时,可从玉米带或大豆带中竞争11~(-2)0mm的土壤水分。豌豆由于根系分布较浅,与玉米带不存在水分竞争关系,为玉米后期恢复生长提供较多的土壤水分。小麦带在收获后通过休闲期雨水或灌溉补给,涵养最大量的土壤水分,为玉米带补给19~(-2)1mm的土壤水分。 4.间作系统早播作物干物质最大累积速率(57g m~(-2)d~(-1))高于单作作物的(51g m~(-2)d~(-1)),最大速率出现在播种后72到77天;间作系统晚播作物的最大干物质累积速率低于单作作物,在31.6到44.9g m~(-2)d~(-1)之间,较单作玉米降低了30%到43%。单作玉米干物质最大累积速率出现在播种后80到96天,间作玉米的最大累积速率出现的时间较单作玉米推迟了6到10天。玉米–豌豆间作系统中,玉米干物质最大累积速率为43g m~(-2)d~(-1),分别较单作玉米,玉米–油菜间作和玉米–小麦间作系统中的玉米,提高了15%,21%和40%,表明玉米–豌豆间作系统对间作玉米的干物质累积是有利的。


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