不同施氮水平对玉米生长季土壤呼吸的影响

吕佩毓，柴 强，李 广

(1.甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州 730070)

大气CO2浓度升高引起的全球气候变化已经受到世界各国的普遍重视。促进陆地生态系统碳的固定及其稳定、减少温室气体排放已经被国际社会公认为是减缓气候变化的重要途径之一[1]。而土壤是一个巨大的碳库，大约是大气中碳总量的两倍，陆地生物碳总储量的3倍[2-3]。土壤呼吸是陆地植物固定CO2后又释放回大气的主要途径，也是土壤碳库中碳输出的主要途径[4]。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，据统计，农业源排放的CO2占人为温室气体排放量的21%～25%，农田土壤已被认同为大气CO2的重要源[5]。氮肥是影响作物生长发育最敏感的栽培因素[6]，农田施氮肥是提高植物产量的关键措施之一[7]，但施氮肥土壤速效氮和全氮含量与土壤呼吸速率呈正相关关系[8]。迄今为止，有关氮肥对土壤-作物系统中土壤呼吸影响的研究报道很多，如：邢晓旭[9]测得C/N在很大程度上影响着土壤CO2的排放，土壤呼吸随氮素含量的增加而升高；Ding等[10]在我国华北平原潮土上研究发现，施用氮肥使整个玉米(Zeamays)生长季土壤呼吸降低了10.5%；Wilson和Ai-Kaisi[11]发现，在大豆(Glycinemax)-玉米轮作系统中，与施氮肥处理相比，不施氮肥使玉米季土壤呼吸速率增加了31%；而王重阳等[12]研究表明，施用氮肥显著提高了东北潮棕壤的土壤呼吸作用，增加幅度可达12.1%；杨兰芳和蔡祖聪[13]研究表明，低肥力土壤上，高氮处理的土壤呼吸比低氮处理高28%。但研究结论不尽一致[9-13]，有促进、抑制或无影响3种，表明氮肥影响土壤呼吸的机制还需要深入研究。为此，本研究在甘肃省武威市凉州灌区研究玉米农田不同氮肥用量与土壤呼吸速率的关系，旨在探索不同施氮水平对玉米农田土壤呼吸速率的影响，了解农田土壤温室气体排放的动态变化。

1 材料与方法

1.1试验地概况 田间试验区地处甘肃省武威市甘肃农业大学与武威市农技中心校地联合绿洲农业科研教学基地(102°64′ E， 37°96′ N)，位于甘肃河西走廊东端，其地势西南高东北低，西南部为祁连山地，中部为走廊平原，东北部为腾格里沙漠，属冷温带干旱区，典型大陆性气候。该区日照充足，春季多风沙，夏季有干热风。海拔1 506 m，全年无霜期155 d，绝对无霜期118 d。降水年际变化不大，但季节变化较大，多年平均降水量156 mm，主要集中在7-9月，冬春季干旱，降水无法满足作物生长需要，属于典型的内陆绿洲灌溉农业区。年蒸发量2 400 mm，干燥度5.85，年平均气温7.2 ℃，≥0 ℃积温为3 513.4 ℃·d，≥10 ℃积温为2 985.4 ℃·d，年日照时数2 945 h。农田土壤类型为厚层灌漠土。地势平坦，井水灌溉。0～30 cm土壤基本理化性状为全氮0.68 g/kg、全磷1.41 g/kg、有机质14.31 g/kg、容重1.57 g/cm3。

1.2试验设计和材料 田间试验设置3个处理，施氮量分别为0，300和450 kg/hm2，编号为N0、N300和N450,每个处理重复3次。小区面积为18 m×24 m，随机区组排列。尿素分两次施入，基肥和追肥的比例为1∶2。磷肥(P2O5)为1 875 kg/hm2、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)为625 kg/hm2和尿素[CO(NH2)2]为118 kg/hm2用作基肥于2010年4月7日全部施入，然后翻耕土壤。追肥于7月17日施用尿素[CO(NH2)2]为236 kg/hm2。为减少碱性土壤的氨挥发损失，追肥后立即灌水。2010年4月10日点播玉米，9月30号收割，品种为武科2号，行距和株距均为40 cm。

1.3测定方法 用EGM-4密闭式土壤呼吸测量系统(environmental gas monitor,EGM-4，PP Systems，UK)和SRC-1土壤呼吸室每月进行2次土壤呼吸速率测定(5―9月)。为了减少对土壤表层的干扰，土壤呼吸室放置在PVC圈(直径10 cm，高4 cm的聚乙烯圆柱体)上。PVC圈插入土壤1～2 cm，在土壤测定的前1天安置。为了准确测定土壤呼吸速率，根据距离玉米植株的远近，PVC圈嵌入1/2株行距交叉处土壤中。在整个观测过程中PVC圈埋设位置保持不变。土壤呼吸速率的测定主要在玉米的整个生长季进行，另外，分别在为5月4日、6月10日、7月6日、7月24日、8月22日和9月20日进行土壤呼吸速率日动态观察，时间为06:00―20:00，每2 h采样1次。测量土壤呼吸速率的同时采用地温计测量5～20 cm的土壤温度。

1.4数据分析 利用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1不同施氮水平下玉米农田土壤呼吸的日变化 图1为不同施氮水平下玉米农田土壤呼吸速率06:00―20:00的动态变化。N0、N300和N450三个施氮水平的玉米农田土壤呼吸速率都表现为单峰型曲线，其变化趋势与10 cm温度的变化趋势一致,即日变化随温度升高而增加。凌晨时温度最低，土壤呼吸作用最弱，两方面的共同作用使得玉米地土壤呼吸速率最低值出现在06:00左右，午后气温最高，土壤呼吸速率在14:00左右出现最大值，16:00左右土壤呼吸速率随温度的降低也略微下降。玉米生长前期土壤呼吸速率白天的变化幅度明显大于后期。

不同施氮水平下玉米农田土壤呼吸速率存在显著的差异，日变化规律表现为N450>N300>N0(图1)，表明施氮水平越高，土壤呼吸速率(以CO2排放量计算)越大。同时施氮水平在玉米生长的不同时段对土壤呼吸速率有着不同的影响。不同施氮水平下土壤呼吸速率的日变化在玉米生长前期差异不显著，苗期和拔节期，N450的峰高分别为1.46和7.56 μmol/(m2·s)，N300的峰高分别为1.44和7.52 μmol/(m2·s)，N0的峰高分别为1.41和7.24 μmol/(m2·s)；而玉米生长中后期土壤呼吸速率排放差异显著，尤其在灌浆期和成熟期，N450的峰高分别达到7.42和4.73 μmol/(m2·s)，N300的峰高分别为6.68和4.16 μmol/(m2·s)，而N0的峰高仅分别为6.15和3.63 μmol/(m2·s)。可见，土壤呼吸速率随氮肥用量增加而增强，这是因为土壤中氮素不足会影响土壤微生物活性[14]，向土壤中施加氮肥后，降低了土壤中C/N，促进了微生物增殖并分解更多土壤有机质，从而增加了CO2释放。尽管一定范围内氮肥用量的增加可促进土壤呼吸作用的增强，并且施氮后短期内可促进CO2的排放，但易导致土壤活性有机碳过快消耗，使土壤呼吸速率很快下降[14]。

2.2不同施氮水平下玉米农田土壤呼吸的生育期变化 从玉米的整个生育期(出苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期6个生长阶段)来看，施氮水平对不同玉米生长阶段土壤呼吸速率有不同的影响。玉米生长前期，农田不施氮、施氮300 kg/hm2和施氮450 kg/hm23个处理的土壤呼吸速率差异不显著，表明氮肥施用对土壤呼吸速率没有显著影响(表1) 。而夏季玉米生长处于中后期，灌浆期3个施氮水平玉米农田土壤呼吸速率平均值为N450[6.31 μmol/(m2·s)]> N300[5.77 μmol/(m2·s)]>N0[5.08 μmol/(m2·s)]，成熟期土壤呼吸速率平均值为N450[4.03 μmol/(m2·s)]>N300[3.61 μmol/(m2·s)]>N0[3.13 μmol/(m2·s)](表1)，差异显著。N0、N300和N450三个施氮水平的土壤呼吸速率都表现为从出苗期到成熟期依次增加，具体表现为抽雄期>大喇叭口期>拔节期>灌浆期>成熟期>苗期。

图1 不同施氮水平玉米农田土壤呼吸的日变化规律

在玉米整个生长期间，不同施氮水平白天(06:00-20:00)玉米农田土壤呼吸速率平均值N0、N300和N450分别为4.90、5.34和5.72 μmol/(m2·s)，其中N450比N300和N0分别增加了7.12%和16.73%，N300比N0增加了8.98%。不同施氮水平下玉米生长前期土壤呼吸速率变化幅度明显大于后期，氮肥施用对玉米大喇叭口期(7月6日)和抽雄期(7月24日)农田土壤呼吸速率影响最大，变异系数为29.44%和22.40%，苗期(5月4日)、拔节期(6月10日)和成熟期(9月20日)的变幅较小，变异系数分别为15.83%、19.84%和14.31%。影响最小的时期是灌浆期(8月22日)，变异系数仅为12.47%(表1)。对N0、N300和N450三个施氮水平下的土壤呼吸速率进行方差分析表明，整个生长期，N450的平均值为5.72 μmol/(m2·s)，N300的平均值为5.34 μmol/(m2·s)，而N0的平均值为4.90 μmol/(m2·s)，可见，施肥处理的土壤呼吸显著高于不施肥处理，N450显著高于N300。苗期的土壤呼吸速率显著低于其他时期，抽雄期土壤呼吸速率最高(表1)。

表1 不同施氮水平玉米不同生育期土壤呼吸动态变化规律

3 结论

1)玉米农田土壤呼吸速率的日变化规律为单峰型曲线，其变化趋势与10 cm土壤温度变化趋势一致。土壤呼吸速率最低值出现在06:00左右，最高值出现在14:00左右。

2)土壤呼吸速率随氮素含量的增高而升高。整个生长季节白天土壤呼吸速率均值N450为5.72 μmol/(m2·s)， N300为5.34 μmol/(m2·s)， N0为4.90 μmol/(m2·s)，其中N450比N300和N0分别增加了7.12%和16.73%，N300比N0增加了8.98%。

3)玉米农田土壤呼吸速率季节变化的高低顺序为抽雄期>大喇叭口期>拔节期>灌浆期>成熟期>苗期。

在试验区土壤上施用氮肥增加了土壤呼吸速率，但由于研究时间较短，因此施氮对土壤呼吸速率的影响还需深入。

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