雨养作物在地中海土壤不同耕作与施肥体系下的呼吸动态与热敏感性（Q10）

《Agronomy》：Respiration Dynamics and Thermal Sensitivity (Q10) in Rainfed Crops in Mediterranean Soils Under Different Tillage and Fertilization Systems

　　

摘要：地中海农业系统极易受到气候变率增加的影响，这威胁到土壤水分可用性以及土壤碳（C）循环的功能。土壤管理实践强烈影响水分动态和C-底物质量，从而可能影响土壤呼吸的温度敏感性。研究人员通过因子田间试验，在地中海豆类-小麦轮作体系中，评估了耕作（传统耕作TT；少耕RT）、施肥（矿质施肥MF；添加生物固体堆肥BC）和降雨输入（环境条件C；降雨输入减少30% EX）对三个农业季节内土壤水分含量（SWC）和储量（SWS）以及原位土壤呼吸（Resp）动态的综合效应。研究人员还在受控水分和温度条件下开展了补充实验室试验，评估了耕作和施肥类型如何影响土壤呼吸对温度的敏感性。RT在改善SWS和缓解表层干燥方面有效，尽管这一优势在湿润年份因土壤剖面水分均质化而减弱。土壤Resp主要受SWC控制。BC主要在第一个作物季刺激了土壤呼吸，在第三个季节呈现残余的非显著趋势。这种效应在干旱期似乎受到抑制，尽管未检测到显著的施肥×降雨排除交互作用。Resp的日循环表现出与日间土壤温度的明显解耦。至关重要的是，内在呼吸热敏感性（Q10）在所有耕作和施肥处理中保持稳定，表明田间变异由水分动态和作物物候驱动，而非微生物对底物可用性变化的响应。研究结果证实了气候对C循环过程的主导作用。

**论文解读文章**

**研究背景与科学问题**

全球地表温度自1970年以来加速上升，气候变化导致地中海等地区干旱频率和强度增加，严重威胁农业生态系统功能。土壤呼吸（Resp）作为微生物代谢和碳循环的关键指标，对土壤水分极为敏感，在半干旱系统中水分往往主导其季节动态。土壤呼吸的温度敏感性通常用Q₁₀系数（温度每升高10℃呼吸增加的倍数）描述，但田间表观温度敏感性常受水分状态和底物可用性影响，而非真实的微生物热响应。土壤管理实践（如耕作和施肥）强烈影响水分动态和碳底物质量，可能改变土壤呼吸的温度敏感性。然而，目前关于不同耕作与施肥组合在水受限条件下如何调控土壤呼吸动态及其热敏感性的研究尚不充分，亟需开展系统性研究以设计更可持续和更具韧性的农业系统。该研究旨在评估耕作（传统耕作TT vs. 少耕RT）、施肥（矿质施肥MF vs. 有机生物固体堆肥BC）以及降雨输入（环境条件C vs. 减少30%降雨EX）对典型地中海雨养农业生态系统原位土壤呼吸的综合效应，并考察土壤呼吸的日循环及内在热敏感性。

**研究方法与技术路线**

研究于2022年10月至2025年6月在西班牙国家研究委员会（CSIC）所属的La Hampa农场（科里亚德尔里奥，塞维利亚）开展，土壤为Typic Xerofluvent（砂质粘壤土）。采用三因素田间试验设计：耕作类型（TT、RT）、施肥策略（MF、BC）和降雨处理（C、EX），共24个小区（16m×6m），每个组合3个重复。关键技术方法包括：（1）田间土壤呼吸测量：使用便携式气体分析仪（EGM-5，PP Systems）结合SRC-2土壤呼吸室，每两周测量一次；（2）土壤水分监测：利用频域反射（FDR）探头在10、20、30、40 cm深度测量体积含水量，并计算0–40 cm土壤水分储量（SWS）；（3）日循环研究：在秋季和春季各选取一天，根据太阳位置（日出、正午、日落、深夜）进行四次呼吸测量；（4）控制条件下的Q₁₀测定：从田间小区（排除降雨处理）采集土壤，筛分后调节至田间持水量的30%和60%，在5–40℃（间隔5℃）共8个温度水平下预孵育一周，使用改装EGM-5测量CO₂释放速率，根据指数模型Resp = R₀ × exp(bT)拟合计算Q₁₀ = exp(10b)；（5）数据分析：采用混合效应重复测量ANOVA、线性混合模型（LMM）、多项式回归及残差分析等统计方法。

**主要研究结果**

**3.1 气候条件与土壤水分**：三个农业季的降水总量依次为331.8、455.4和656.0 mm，呈现从干旱（第一季）到中湿（第二季）再到湿润（第三季）的梯度。土壤体积含水量（SWC）随深度增加而增大，处理间差异主要出现在表层10–20 cm。第一季（干旱）在10 cm处观察到降雨排除的边际显著效应及耕作×降雨排除交互作用，RT在20 cm处维持显著更高的含水量（24.3% vs. TT的19.2%）。第二季降雨排除在10 cm层显著增加SWC，RT在20 cm处仍显著高于TT。第三季（湿润）处理间差异大幅缩小，SWC在整个剖面趋于均匀。土壤水分储量（SWS）仅受耕作类型一致影响（F=7.15，p<0.05），RT在第一、二季分别比TT高15.36%和13.46%，但第三季差异不显著。降雨排除处理下，RT.BC组合的SWS差值（EX减C）呈负值（平均-29 mm），表明干旱胁迫下植物水分消耗减少反而使排除区土壤含水量更高。

**3.2 土壤呼吸动态**：重复测量LMM显示施肥类型（F=6.98，p<0.05）和年份（F=10.56，p<0.001）对土壤呼吸有显著主效应，但耕作、降雨排除及交互作用不显著。分季分析表明：第一季BC处理呼吸显著高于MF（0.31 vs. 0.26 g CO₂ m^-2 h^-1，F=17.431，p<0.001）；第二季差异不显著；第三季BC仍呈较高趋势但未达统计显著（F=2.907，p=0.107）。多元回归模型拟合显示，第一季最佳模型为含温度和水分二次项的多项式模型（R²=0.622），第二季为类似多项式模型（R²=0.297），第三季则为温度和水分交互作用模型（R²=0.178）。总体而言，土壤呼吸与温度呈抛物线关系，最适温度约18–22℃，在中等土壤水分范围（15–20%）达到最大值。

**3.3 日呼吸循环**：秋季土壤呼吸显著高于春季（高43.24%，p<0.001）。秋季呼吸峰值出现在傍晚18:00（TT-MF组合达0.57 g CO₂ m^-2 h^-1），土壤温度相对稳定；春季呼吸峰值出现在正午13:00（TT-BC组合达0.41 g CO₂ m^-2 h^-1），但午后因水分限制而迅速下降。处理效应上，仅秋季观察到BC带来边际显著增加（p=0.062），耕作效应不显著。

**3.4 呼吸温度敏感性（Q₁₀）**：在控制条件下，所有处理的Q₁₀值在30% FC时介于1.47–1.82，在60% FC时介于1.59–1.78。ANOVA显示耕作类型、施肥类型及其交互作用对Q₁₀均无显著影响（p>0.05），重复测量ANOVA也未发现时间效应或交互作用显著。表明内在热敏感性不随耕作或施肥处理而改变。

**讨论与结论**

讨论部分指出：土壤水分动态主要由年际降水格局塑造，RT在干旱季节有效提升SWS，但在湿润年优势减弱，这与水分充足时剖面均质化有关。堆肥对SWS的影响较微弱，需更长尺度才能显现。降雨排除区土壤含水量偶尔超过对照，归因于干旱胁迫下植物蒸腾减少导致的水分消耗降低。土壤呼吸受水分和温度共同调控，BC的刺激效应在水分充足时更明显，干旱期受抑制。日循环中秋季呼吸高于春季与温度适度及水分条件较好有关。关键发现是内在Q₁₀不受处理影响，表明田间呼吸变异主要由水分动态和作物物候驱动，而非底物诱导的微生物热敏感性改变。研究结论总结：管理措施对土壤水分和呼吸动态的影响取决于气候条件；RT仅在干旱条件下显著改善土壤水分储量；BC在第一个作物季且水分充足时促进生物活动，但夏季水分限制会抑制效应；呼吸与温度呈非线性抛物线关系，秋季CO₂排放更高；内在热敏感性Q₁₀稳定且不受耕作或施肥类型影响。建议未来需长期监测C通量和土壤C库，以评估堆肥增加呼吸是否导致潜在C损失；有效适应策略应优先缓解水分胁迫（如采用少耕），从而释放有机改良剂的积极潜力。