土壤呼吸是陆地生态系统与大气之间碳循环的主要方式，也是土壤碳库输入大气中最大和最可变的碳通量^［1］。而农田作为陆地生态系统的重要组成部分，受到人类活动影响最多。农田土壤呼吸变化能够对全球气候变暖产生巨大影响。因此研究其土壤呼吸特征，不仅有利于农田可持续发展，而且对了解碳循环以及估算陆地生态系统碳平衡有着重要意义。

土壤温度及土壤含水量是农田土壤呼吸的主要影响因子^［2］。李旭东等^［3］通过动态密闭气室红外CO₂分析法（IRGA）对黄土高原地区豌豆农田土壤呼吸进行研究，指出温度是该农田生态系统土壤呼吸日、季节变化的主要影响因素；张前兵^［4］通过开路式土壤碳通量测定系统研究干旱区绿洲农田生态系统土壤呼吸作用、土壤呼吸各组分变化，认为不同管理措施下的干旱区绿洲棉田土壤呼吸速率具有明显的季节变化特征，棉田土壤呼吸速率主要受土壤温度和土壤湿度影响；严峻霞等^［5］指出，夏玉米农田土壤呼吸速率具有较明显的日变化和季节性变化，且主要受土壤温度和土壤含水量影响。众多学者选择不同地域针对不同农作物和耕作方式开展的农田土壤呼吸特征及其影响因素的研究，基本上明确了土壤呼吸时空变异的特征及其影响因素。但此类研究多在黄土高原干旱区、东北湿润-半湿润地区以及华北地区，对绿洲灌区鲜有涉及。绿洲灌区毗邻荒漠，植被稀少，水资源匮乏，生态环境极易遭到破坏。河西绿洲农田长期的铧式翻耕破坏土壤结构^［6］，导致土壤有机质含量低^［7］，土壤水土流失严重。且近年来绿洲农田保护性耕作措施研究结果显示，免耕、秸秆覆盖为核心技术的保护性耕作措施在减少水土流失，改善土壤环境方面发挥着积极作用^［8-9］。

本试验以河西绿洲灌区玉米农田土壤为研究对象，通过在玉米不同生育长时期测定不同耕作模式的土壤呼吸速率及土壤温度、土壤含水量，研究河西绿洲灌区不同耕作模式对土壤呼吸的影响及不同耕作模式下土壤温度、土壤含水量与土壤呼吸的关系，以期为西北干旱区绿洲灌区的农田可持续发展以及碳循环研究提供重要的数据支持。

试验在甘肃省武威市黄羊镇甘肃农业大学绿洲农业实验站（37°30′N，103°05′E）进行。试验地位于河西走廊东端，属寒温带干旱气候区，平均海拔1 600 m，年平均气温7.2 ℃，年平均降水量167 mm，降水多在7—9月，年平均蒸发量约2 300 mm，雨热同季，是典型的一熟有余、两熟不足的内陆干旱绿洲灌溉农业区。试验土壤为砂壤土，pH为8.2，有机质含量12.50 g·kg^-1，全氮0.67 g·kg^-1，全磷1.42 g·kg^-1，有机碳7.3 g·kg^-1［8］。

试验始于2016年，采用二因素裂区随机区组设计，主因素为耕作方式，包括免耕（NT）和传统耕作（CT），副因素为种植模式，包括玉米间作小麦（W/M）、玉米小麦轮作（W→M）和麦后插播冬油菜还田玉米轮作（W-G→M）。每个处理重复3次，共设有18个小区，每个小区面积为11 m×10 m（共计110 m²）。

作物选用玉米品种为‘先玉335’，间作播种密度为每公顷52 500株，带宽1.4 m，株距0.4 m，行距0.24 m，每带种3行；轮作播种密度为每公顷82 500株。小麦品种为‘宁春4’，间作小麦播种密度为每公顷375万粒，带宽0.8 m，行距0.12 m，每带种6行；轮作小麦播种密度为每公顷675万粒。冬油菜品种为‘陇油6号’。该试验所选用作物品种都是绿洲灌区当地农作物常用品种。

2021年玉米播种日期为4月19日，收获日期为9月27日，小麦播种日期为3月19日，收获日期为7月22日。玉米以尿素为氮源，全生育期施加纯氮360 kg·hm^-2，按播前∶大喇叭口期∶拔节期=3∶6∶1分施，以磷酸二铵为磷源，施加纯磷180 kg·hm^-2在播前全作基肥一次性施入；小麦以尿素为氮源、磷酸二氢铵为磷源，施纯氮180 kg·hm^-2，纯磷90 kg·hm^-2，全作基肥一次性施入。灌溉采用滴灌模式，由当地部门统一灌溉：冬季灌水120 mm，玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、开花期、灌浆期分别灌水75、90、90、75、75 mm，全生育期灌溉总量为405 mm，小麦全生育期灌溉总量为240 mm^［9］。

在2021年玉米拔节期（6月13日）、抽穗期（7月15日）、吐丝期（8月5日）、乳熟期（8月15日）、蜡黄期（9月1日）、完熟期（9月20日），采用LI-8100A开路式土壤CO₂通量自动测量系统（LI-COR，Lincoln，美国）进行作物行间土壤呼吸速率测定。玉米苗期将土壤呼吸测定系统自带的直径20 cm、高10 cm的PVC土壤呼吸底座作为土壤呼吸测定室放置在每个小区作物行间中央位置，插入土中深度为4~5 cm，并将底座周边土壤压实，防止漏气。底座用地膜将其覆盖，每次测定前将其揭开。每次测定前1 d去除底座腔室内土壤表层的一切活体，在整个生育期基座埋设位置保持不变。选择晴朗或少云天气，连续测定7 d，如果遇到降雨和灌水则顺延加测。每次测定时间为06:00、09:00、12:00、15:00、18:00、21:00，每个小区重复测定3次，每次测定时长为90 s。

土壤温度采用地温计（河北武强县红星仪表厂）记录，在玉米播种后，于玉米行间垂直插入地温计，垂直深度分别为5、10、15、20、25 cm。土壤温度测定与土壤呼吸测定同步进行。

在玉米拔节期、抽穗期、吐丝期、乳熟期、蜡黄期、完熟期不同生长时期，土壤水分测定是在每个样点的土壤呼吸测定同时按照五点法取0~5、5~20、20~30 cm土层土壤，混匀后放入铝盒，带回实验室用烘干法测定土壤含水量。

试验数据采用 Microsoft Excel 2019整理汇总，并通过SPSS 21.0分析软件对其数据进行重复性二因素裂区方差分析（α=0.05），最后应用Origin 2018软件进行图表制作。

不同耕作模式下土壤含水量在玉米生长期内变化趋势一致，且不同土层之间的土壤含水量随着土层的深度的增加而增高（图1）。免耕处理NT W/M、NT W-G→M和NT W→M的土壤含水量较相应传统耕作处理CT W/M、CT W-G→M和CT W→M在0~5、5~20、20~30 cm土层分别增加了6.81%、4.48%、2.41%，1.65%、5.75%、5.03%和2.52%、2.43%、2.33%。不同处理下土壤含水量表现为NT W/M>CT W/M>NT W-G→M>NT W→M>CT W-G→M>CT W→M。不同耕种模式下土壤温度在玉米生长期变化趋势一致，均表现为单峰曲线。不同土层的土壤温度随着土层深度的增加而降低（图2）。5、10、15 cm土壤温度峰值出现在抽穗期，20、25 cm土壤温度峰值出现在吐丝期，最小值在完熟期。耕作模式与土壤温度显著相关（P<0.01）。

绿洲灌区玉米农田土壤呼吸速率与土壤温度存在明显的日变化，6种不同耕作模式在玉米不同生长阶段土壤呼吸速率和5 cm土壤温度变化趋势基本一致，均呈现为单峰曲线（图3~4）。土壤呼吸速率和5 cm土壤温度峰值均出现在15:00左右，最小值均出现在06:00。不同耕作模式下土壤呼吸速率日变化受土壤温度影响较大，故土壤呼吸速率日变化趋势与土壤温度一致。不同耕作处理间土壤呼吸速率日变化在玉米不同生长阶段皆存在显著差异（P<0.01）。

不同耕作模式下的土壤呼吸速率在玉米不同生育期内变化趋势基本一致，均呈现出波浪形（图5）。峰值出现在拔节期，最小值出现在吐丝期。玉米拔节期，玉米迅猛生长以及土壤生物活动旺盛，土壤呼吸速率不断增加并达到峰值；玉米吐丝期，玉米停止了生长，土壤呼吸速率开始降低；玉米乳熟期和蜡黄期在灌溉和降雨的影响下，土壤呼吸速率有所增加。玉米整个生长季中的平均土壤呼吸速率表现为CT W/M>CT W→M>CT W-G→M>NT W→M>NT W-G→M>NT W/M，且传统耕作处理CT W/M、CT W-G→M、CT W→M 较免耕处理NT W/M、NT W-G→M、NT W→M分别增加了26.61%、6.53%、5.48%，不同处理间存在显著差异（P<0.01）。

对玉米全生育期，无论采用线性函数拟合，还是指数函数拟合，土壤呼吸和土壤温度均极显著正相关（P<0.01，表1），且两种拟合方程R²相差无几。通过对整个玉米全生育期观测数据的拟合可以看出，土壤温度（5 cm）是影响本地区不同耕作模式下土壤呼吸的主要因素，其解释了土壤呼吸季节变化的39%~59%。通过对玉米不同生长时期的土壤呼吸与土壤温度关系进行拟合，线性函数拟合方程的拟合结果最佳。

Q₁₀值常用来表示土壤温度与土壤呼吸的关系。而Q₁₀为温度敏感性指数，即温度每增加10 ℃土壤呼吸增加的倍数。绿洲灌区不同耕作模式下温度敏感性系数为1.60~2.70，其不同耕作模式的Q₁₀值大小依次为NT W→M>NT W/M>NT W-G→M>CT W-G→M>CT W→M>CT W/M。较传统耕作相比，免耕处理可以降低土壤温度敏感性。

关于不同耕作模式下土壤含水量和土壤呼吸关系，本研究采用一元二次方程的拟合效果最好。不同耕种模式下土壤含水量和土壤呼吸关系均具有显著相关性（P<0.01，表2），方程R²为0.36~0.71。不同耕种模式下的土壤呼吸与不同土层土壤含水量均具有极显著相关性（P<0.01），其中5~20 cm土层含水量与土壤呼吸相关性最显著。关于土壤呼吸与土壤含水量（5~20 cm）的关系，NT W/M、CT W-G→M、NT W→M、CT W→M在土壤含水量一定范围内，土壤呼吸随着土壤含水量的增加而增强，而当土壤含水量达到阈值后，土壤呼吸就会受到抑制而降低；而NT W-G→M、CT W/M却相反。

农田土壤呼吸作为陆地生态系统与大气碳循环的主要交换途径，受众多因素影响。耕作方式与种植模式是影响土壤呼吸的重要原因^［10］。不同耕作方式与种植模式对土壤物理、化学、生物性质有着显著影响并导致土壤呼吸速率变化^［11］。本研究结果显示，耕作方式对土壤呼吸速率并没有显著的相关性，而受不同耕作方式影响的土壤温度和土壤含水量与土壤呼吸速率均具有显著相关性（P<0.01，表3）。不同耕作方式对土壤的扰动程度不同。传统耕作措施对土壤扰动远大于免耕，不仅破坏了土壤结构以及土壤团聚体结构，改变了土壤通透性，还导致土壤有机质含量降低，土壤碳矿化增加，而对于免耕，土壤耕层并未发生较大的变化。因此在玉米吐丝期之前，传统耕作的土壤呼吸速率要比免耕高（图5）。而当传统耕作的农田土壤结构重新恢复到一定状态时，传统耕作的土壤呼吸速率远高于免耕。

土壤温度和土壤含水量是农田土壤呼吸的主要影响因子^［12］，且通过指数函数、线性函数、抛物线等不同拟合模型皆可表现农田生态系统土壤呼吸速率与土壤温度、土壤含水量的关系，其中指数函数模型使用最为普遍^［3-6］。不同耕种模式下的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤含水量均呈现明显的正相关关系（表3）。

土壤温度是土壤呼吸速率变化的主要驱动因素^［13］。本研究中，不同耕作方式下河西绿洲灌区夏玉米农田的土壤呼吸速率有着明显的日变化，与土壤温度变化规律一致，均呈现单峰型特征，峰值出现在15:00左右，最小值出现在06:00左右，这与前人研究结果一致^{［10，14］}。不同耕作方式下的农田土壤呼吸速率与5、10、15、20、25 cm土壤温度均有着显著的相关关系，其中5 cm土壤温度的相关系数最大。刘爽等^［15］指出，农田土壤呼吸速率主要受10 cm土壤温度影响；陈敖敦格日乐^［13］研究显示，农田土壤呼吸速率与地表温度和各层土温均有显著的相关关系，且主要受地表温度影响。其可能是因地域气候和农田试验条件不完全一样，从而致使土壤呼吸速率与土壤温度关系的研究结果也不太一致。本研究对Q₁₀研究表明，不同耕作方式下河西绿洲灌区夏玉米农田的Q₁₀值为1.60~2.70，且免耕均显著高于传统耕作，其中不同耕作模式下的Q₁₀值依次为NT W→M> NT W/M>NT W-G→M>CT W-G→M>CT W→M>CT W/M。于爱忠等^［16］也认为，在河西绿洲灌区不同耕作措施下的Q₁₀值在1.93~3.00，其依次为免耕不覆盖>免耕秸秆覆盖>传统耕作。这同时说明土壤呼吸温度敏感性系数Q₁₀的差异不仅受区域气候影响，还受种植模式、作物种类的影响。

尽管温度通常被认为是控制土壤呼吸的最重要因素，但在河西绿洲水资源匮乏的农田生态系统，土壤含水量同样是影响土壤呼吸速率的另一个重要因素^［1，14］。作为土壤重要性质的土壤含水量影响着土壤中所进行的所有反应和过程以及土壤微生物的活性、土壤养分的迁移变化等。本研究表明，绿洲灌区夏玉米农田全生育期的土壤呼吸与土壤含水量有着显著相关性（表3）。本试验农田管理（灌溉）及地域降雨量分布促使玉米生育期内土壤含水量变化比较平稳（图1），且随着土壤温度的提高，抽穗期的土壤呼吸速率较拔节期降低（图5）；而当到了7月（玉米乳熟期），试验地区降雨量增加，土壤含水量增大，农田土壤呼吸速率增大。因此，河西绿洲灌区夏玉米农田土壤呼吸速率受土壤温度和土壤含水量共同影响。不同耕作措施下土壤呼吸速率对土壤含水量具有显著相关性，但在此试验中土壤含水量尚未达到影响土壤呼吸的阈值，土壤温度和土壤含水量对河西绿洲农田土壤呼吸速率的影响机制需要进一步深入研究。

河西绿洲灌区不同耕作模式下夏玉米农田土壤呼吸有着明显的单峰型日变化，且峰值出现在15:00左右，玉米生育期峰值出现在拔节期（6月上旬）。土壤呼吸速率与土壤温度、土壤含水量均具有显著的正相关关系，且其土壤呼吸速率日变化主要受5 cm土壤温度影响。6种不同耕作模式的土壤呼吸的温度敏感性Q₁₀值为1.60~2.70，免耕均高于传统耕作，且依次为NT W→M>NT W/M>NT W-G→M>CT W-G→M>CT W→M>CT W/M。河西绿洲灌区不同耕作模式下夏玉米农田土壤呼吸不仅受土壤温度影响，还受土壤含水量的影响。