秸秆覆盖和施肥对关中灌区夏玉米生长后期土壤呼吸速率的影响

2013-07-13李昌珍张婷婷杨改河任广鑫冯永忠

生态环境学报 2013年3期

李昌珍，张婷婷，杨改河，任广鑫，冯永忠*

1. 西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2. 陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西杨凌 712100

土壤呼吸是土壤中的微生物、动物、植物部分释放CO2的过程[1]，是复杂的生物、物理和化学过程，这一过程是农田层面影响全球尺度碳循环的关键因素之一。农业土壤在全球碳库中最活跃，极易受农业管理(如耕作、施肥和灌溉)的影响。在合理的管理措施下，全球农业土壤的固碳潜力估计为0.4～0.9 Pg∙a-1[2-3]，对全球大气二氧化碳浓度的影响不可忽视。已有研究证明，耕作方式对农田土壤CO2排放具有显著影响，且表现出明显的季节性排放特征[4]。保护性耕作是农业系统节能固碳重要措施之一，目前被认为是一项具有直接降低二氧化碳排放潜力且提高土壤固碳减排作用的有效农业措施之一[5-7]，免耕条件下土壤呼吸速率显著低于翻耕和旋耕处理[8]。以少免耕、秸秆覆盖为核心技术的保护性耕作措施在减少水土流失[9]、改善土壤环境[10]方面发挥着积极作用，但对于免耕条件下秸秆覆盖对土壤呼吸的影响研究较少。已有研究证明，土壤温度[11]、土壤湿度[12]、土壤微生物状况[13]、氮肥[14]等是影响土壤呼吸的关键因子，但对于土壤湿度对土壤呼吸影响的研究大都局限在表层土壤上，本研究在前人研究的基础上，探讨了免耕条件下氮肥和秸秆覆盖对土壤呼吸的影响以及土壤呼吸对水热因子的敏感性，尤其是深层土壤含水量对土壤呼吸的影响，以期为关中灌区农业减排措施提供理论依据和参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

试验安排在西北农林科技大学北校区校内基地试验田，该地位于陕西关中平原西部，地理位置为E108°07′，N34°12′，海拔520 m，平均气温12.9 ℃，年降水量约为660 mm，主要集中在7—9月，为大陆性暖温带季风区气候，一年两熟。试验地土壤为塿土，0～40 cm土壤养分含量为w(有机碳)=12.05 g·kg-1，w(碱解氮)=11.07 mg·kg-1，w(速磷)=21.30 mg·kg-1，w(速钾)=26.64 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验采用再裂区设计，为长期定位试验，试验开始于2009年，主因素为轮作模式，副因素为秸秆覆盖量，副副因素为施肥量，每个处理3个重复。本试验采用的是2011年夏玉米生长期的数据，选取其中5个处理，前茬种植冬小麦（Triticum aestivum Linn.），后茬夏玉米（Zea mays L.）秸秆不覆盖不施肥（CK）、施氮肥（N）（375 kg·hm-2）、秸秆覆盖（M）、秸秆覆盖+施氮肥（MN）（375 kg·hm-2）和夏闲（F）（小麦收获后不种植作物）。小区长5.0 m，宽4.0 m，小区间距0.5 m，区组间距1.0 m，周边宽1.5 m。

试验玉米品种为漯单9号；百粒质量29.83 g；免耕条播玉米42.25 kg·hm-2；播幅3行；玉米行距0.7 m，株距0.25 m。试验地统一管理，采用免耕耕作方式。前茬作物冬小麦收获后，立即播种玉米，播种期为6月15日，10月3日收获。施肥方式为追肥，追肥时间为拔节期。

1.3 测试的项目和方法

土壤呼吸速率测定采用GXH-3010E1型便携式红外线分析器（华云分析仪器研究所有限公司，北京市），该仪器外形尺寸为248 mm×185 mm×85 mm，测量范围为0～1.000%，线性度≤±2% F·S，重复性≤1% F·S，响应时间≤10 s，采样方式为泵吸式连续测量。玉米播种后，在每个小区中间放置1个PVC腔室，腔室高10 cm，直径为16 cm，埋置深度为5 cm。每次测定3个重复，测量时用橡胶软管连接GXH-3010E1型便携式红外线分析器和腔室，测量过程中在腔室的顶部放置1个小风扇，使腔室内的气体混合均匀，腔室呈一个密闭空间，持续混合3 min，然后测量。由于玉米生长前期该地区降雨较多，土壤湿度太大，仪器不适宜测定土壤呼吸，所以在降雨较少的玉米生长后期进行测定，测定时间分别于8月9日、8月17号、8月25日、9月1日、9月13号和9月25日。为了减小温度日变化对不同处理间土壤呼吸的影响，每次测定在上午9：00—11：00进行，该时间段温度比较稳定。每小区重复3次，共计9次重复，求平均值作为该生育时期土壤呼吸速率。

土壤温度采用直角地温计测定，在玉米播种后，将直角地温计埋到作物行间，每个小区各埋1套，埋置深度为5、10、15、20、25 cm，在测定土壤呼吸速率的同时记录土壤温度。

土壤湿度采用铝盒烘干称重法[15]测定，每次测定土壤呼吸的当天，用土钻采集0～100 cm土壤样品，每10 cm为1个分层，带回实验室称量。0～60、0～100 cm的土壤含水率分别为0～60 cm 6个分层土壤含水量的平均值和0～100 cm 10个分层土壤含水量的平均值。

1.4 数据分析

试验数据分析采用Excel 2003、Origin 7.5和SAS V8统计软件完成。

2 结果与分析

2.1 玉米生育期土壤呼吸速率变化特征

秸秆覆盖和施肥处理玉米生育期土壤呼吸速率存在明显规律，从8月9日到9月25日土壤呼吸速率整体呈下降趋势，但在9月25日N、MN、F处理土壤呼吸速率略有上升（图1）。这可能是由于小麦成熟期，玉米根系生长缓慢甚至退化，地下生物量减少，根系呼吸所占比例大为下降，但死亡根系的分解部分可抵消因根系呼吸下降而减少的土壤呼吸速率[16]，施氮肥能增加地下部分生物量，N、MN处理根系分解较多，土壤呼吸速率略有上升。8月下旬，F处理小区进行锄草，有部分杂草残茬遗留在小区内，造成土壤呼吸速率略有升高。土壤呼吸速率最高峰出现在8月9号，分别为N (12.41 μmol·m-2·s-1) > MN (9.86 μmol·m-2·s-1) > CK(7.99 μmol·m-2·s-1) >M(5.34 μmol·m-2·s-1)>F(1.52 μmol·m-2·s-1)，各处理间土壤呼吸速率有极显著差（P=0.0001）。

图1 玉米生育期土壤呼吸速率变化特征 Fig.1 Dynamic of soil respiration rate during maize growth period

5种处理下夏玉米生育期土壤呼吸速率有显著差异（P=0.0477<0.05），土壤呼吸速率生育期变化均值表明，N处理土壤呼吸速率显著高于MN、CK、M处理（P<0.05），与F处理达极显著差异（P<0.01）；F处理与MN、CK、M处理差异显著（P<0.05），其土壤呼吸速率一直在1.34～3.89 μmol·m-2·s-1之间波动。夏玉米种植小区的土壤呼吸包括植物根呼吸、土壤微生物呼吸和土壤动物呼吸3个生物过程和含碳物质化学氧化作用的非生物过程，而F处理土壤呼吸则主要是土壤微生物呼吸和含碳物质氧化产生的CO2的释放[14]。因此，在所有处理中，F处理(2.46 μmol·m-2·s-1)的土壤呼吸速率均值最低。

整个生育期土壤呼吸速率平均，CK处理为4.81 μmol·m-2·s-1，N处理（7.78 μmol·m-2·s-1）较CK提高61.75%，MN处理（6.06 μmol·m-2·s-1）较M处理（4.68 μmol·m-2·s-1）提高29.49%，说明施氮肥可以明显提高土壤呼吸速率，这是因为向土壤中施加氮肥后，降低了土壤中C/N，促进了微生物活动和生长繁殖，提高了酶的活性，从而促进了土壤微生物所产生的生物化学过程和根系的分泌活动，同时加大了有机质的分解速率，增强了土壤呼吸作用[17]。土壤呼吸速率均值N处理>MN处理，CK处理>M处理，说明秸秆覆盖可以降低土壤呼吸，分别降低22.11%和2.70%，这是由于试验采用免耕耕作方式，秸秆腐解缓慢，有部分秸秆尚未腐解，微生物可利用的有机质含量不高，土壤呼吸速率相对较低。整个生育期玉米土壤呼吸总体表现为N>MN>CK>M>F，这与抽雄期土壤呼吸速率相一致。

2.2 土壤呼吸速率与土壤温度的关系

在农田生态系统尺度上，土壤呼吸和温度之间的关系可以用指数函数、线性函数[18]、二次函数[19]和幂函数[20]等形式表达。本研究采用指数函数（RS=aebT）拟合了不同处理下土壤呼吸速率(RS)与土壤温度(T)之间的关系（表1），结果表明，M处理土壤呼吸速率与5、10、15、20和25 cm处的土壤温度呈显著的正相关关系（P<0.05），而其他处理土壤呼吸速率与土壤温度相关性不显著。5种处理下土壤呼吸速率与土壤温度相关性大小依次是M>CK>F>MN>N，说明在施肥处理下土壤温度对土壤呼吸的影响较小，土壤温度不是影响土壤呼吸的主要因子，而M处理土壤温度对其土壤呼吸速率有显著影响。这可能是由于适宜的温度影响秸秆的腐烂分解，对土壤有机质含量、微生物活动和繁殖以及酶活性都有很大影响，从而影响土壤呼吸强度。

一般而言，表层土壤温度对土壤呼吸的影响较大。本研究中5种处理下CK、MN和F处理土壤呼吸速率与5 cm耕层土壤温度的相关性最大，M处理与10 cm土壤温度的相关性最大，N处理与15 cm耕层土壤温度的相关性最大。各个处理土壤呼吸与土壤温度的相关性不一致，没有规律性。

表1 不同处理土壤呼吸速率(RS)与土壤温度(T)拟合方程及相关性(R2) Table 1 Fitted equation of soil respiration rate (RS) with soil temperature (T)

2.3 土壤呼吸速率与土壤含水率的关系

土壤湿度对土壤呼吸的直接影响是通过影响根和微生物的生理过程，对土壤呼吸的间接影响是通过影响呼吸底物和氧气的扩散[21]。一般认为表层土壤含水率对土壤呼吸有重要影响，对于这方面的研究较多，但犁底层和深层土壤含水率对土壤呼吸影响的研究较少，鉴于此，本研究采用抛物线拟合了不同秸秆覆盖和施肥处理下土壤呼吸速率(RS)与0～10、10～20、20～30、0～60 cm（犁底层）、0～100 cm（深层）土壤含水率(θ)之间的关系（表2），结果表明，M处理下各土层土壤含水率对土壤呼吸速率有显著影响；CK处理0～10 cm土壤含水率对土壤呼吸有显著影响；F处理0～10、10～20 cm土层含水率对土壤呼吸有显著影响。在5种处理中0～10 cm土层含水率变化范围为14.75%～18.76%，对CK处理土壤呼吸影响最大，对N处理影响最小。10～20和20～30 cm土层含水率分别为13.86%～18.57%和13.20%～16.93%，对M处理土壤呼吸影响最大。0～60、0～100 cm土层含水率分别为13.74%～17.46%、13.06%～16.94%，对M处理土壤呼吸影响最大，对N处理影响最小。

表2 不同处理土壤呼吸速率(RS)与土壤含水率(θ)拟合方程 Table 2 Fitted equation of soil respiration rate (RS) with soil water content(θ)

M处理0～60和0～100 cm土壤含水率对土壤呼吸速率有显著影响。除CK外，其他处理0～60 cm土壤含水率与土壤呼吸速率的相关性比0～100 cm的大，说明犁底层土壤含水率对土壤呼吸速率有极为重要的影响，但随着土层加深，土壤水分对土壤呼吸作用的影响减弱。5种处理下土壤呼吸速率与土壤含水率相关性比较，M处理最大，N处理最小，说明在施肥处理下土壤含水率不是影响其土壤呼吸的主要因子。土壤水分对M处理土壤呼吸有显著影响，可能是由于土壤中适宜的水分影响秸秆的腐烂分解，对土壤有机质含量、微生物活动和酶活性都有很大影响，从而影响土壤呼吸。

3 讨论

3.1 秸秆覆盖和施肥对土壤呼吸的影响

许多研究结果表明，土壤呼吸表现出很强的季节性变化规律，韩广轩等[22]认为植物生长旺盛期土壤呼吸速率高于植物发育初期和后期。刘合明等[23]研究认为灌浆期作物生长及生理代谢活动均达到最旺盛时期，此时土壤CO2释放量达到高峰。本研究得出5种处理下土壤呼吸变化具有明显规律，从8月9号到9月25号土壤呼吸速率整体呈下降趋势，这与前人研究结果相一致。

高会议等[14]研究认为施肥显著影响土壤呼吸速率；吕佩毓等[17]研究认为施氮水平越高，土壤呼吸速率（以CO2排放量计算）越大；刘合明等[23]研究认为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激发土壤CO2大量排放，但易导致土壤活性有机碳过快消耗，土壤CO2排放会很快下降。本研究分析比较夏玉米秸秆不覆盖不施肥、秸秆覆盖、施氮肥、秸秆覆盖+施氮肥和夏闲处理下土壤呼吸速率，发现施氮肥处理土壤呼吸速率生育期变化均值显著高于其他处理，秸秆覆盖+施氮肥处理比秸秆覆盖处理土壤呼吸高，说明施氮肥可以增加土壤碳排放。这主要是由于施用氮肥后，降低了土壤中的C/N，促进了微生物活动和生长繁殖，提高了酶的活性，加大了有机质的分解速率，增强了土壤呼吸作用。

于爱忠等[1]、李玮等[24]研究认为秸秆覆盖能增加土壤碳排放，而本研究结果表明秸秆覆盖可以降低土壤呼吸，秸秆覆盖+施氮肥处理较施氮肥处理、秸秆覆盖处理较秸秆不覆盖不施肥处理土壤呼吸速率分别降低22.11%和2.70%，这可能是由于免耕条件下，秸秆与土壤未充分接触，秸秆腐解缓慢，有部分秸秆尚未腐解，微生物可利用的有机质含量不高，土壤呼吸速率较低。另外，夏玉米施用氮肥后土壤呼吸速率整体水平较高，秸秆覆盖+施氮肥处理与施氮肥处理相比，土壤中的C/N升高，微生物活动和生长繁殖受到阻碍，酶的活性降低，有机质的分解速率缓慢，土壤呼吸作用减弱。秸秆覆盖处理和秸秆不覆盖不施肥处理由于没有施用氮肥，土壤呼吸速率整体偏低，土壤中的C/N偏高，可能已经超出了微生物活动和生长繁殖可利用的范围；秸秆覆盖后土壤中的C/N更高，微生物活性可能较秸秆不覆盖不施肥处理有所降低，但降低幅度不大，所以秸秆覆盖处理较秸秆不覆盖不施肥处理对土壤呼吸速率影响不是很大。

3.2 温湿度与土壤呼吸的相关性

农田土壤呼吸受很多因子的影响，土壤温度和湿度是影响土壤呼吸的2个主要因子[1]。韩广轩等[25]研究认为农田生态系统土壤呼吸作用的季节动态，与当地水热条件紧密相关。郝旺林等[26]研究认为土壤温度对土壤呼吸的直接作用最大。本研究中秸秆覆盖处理土壤呼吸速率与5、10、15、20和25 cm土壤温度呈显著的正相关关系，不同深度土壤温度对不同处理土壤呼吸的影响不一致，这与于爱忠等[1]的研究结果有差异。秸秆覆盖处理土壤温度对其土壤呼吸速率有显著影响，这可能是由于适宜的温度影响秸秆的腐烂分解，对土壤有机质含量、微生物活动和繁殖以及酶活性有很大影响，从而影响土壤呼吸强度。李虎等[27]研究认为土壤湿度对土壤呼吸的影响比较复杂，往往同时取决于温度的相互协调情况。很多野外测量结果表明，土壤湿度只有在最低或最高的情况下才会抑制土壤CO2通量[23]。本研究5种处理措施下秸秆覆盖处理各土层土壤含水率对土壤呼吸速率有显著影响；不同土层含水率对各处理的影响不同。除秸秆不覆盖不施肥处理外，其他处理0～60 cm土壤含水率与土壤呼吸速率的相关性比0～100 cm相关性大，说明犁底层土壤含水率对土壤呼吸速率有极为重要的影响，但随着土层加深，土壤水分对土壤呼吸作用的影响减弱。本研究是长期定位试验，但由于试验年限较短，还有很多机制及机理不是很清楚，需要做进一步研究，以期为关中灌区农业减排措施奠定基础。

4 结论

在关中灌区免耕条件下，前茬种植冬小麦，后茬夏玉米（Zea mays L.）秸秆不覆盖不施肥、施氮肥、秸秆覆盖、秸秆覆盖+施氮肥和夏闲处理土壤呼吸速率从8月9日到9月25日整体呈下降趋势，在玉米生长前期，土壤呼吸速率呈上升趋势。施氮肥可以明显提高土壤呼吸速率，施氮肥处理较不施肥不覆盖处理提高61.75%，秸秆覆盖+施氮肥处理较秸秆覆盖处理提高29.49%。秸秆覆盖可以降低土壤呼吸速率，秸秆覆盖+施氮肥处理较施氮肥处理降低22.11%，秸秆覆盖处理较不覆盖不施肥处理降低2.70%。5种处理下秸秆不覆盖不施肥处理、秸秆覆盖+施氮肥和夏闲处理土壤呼吸速率与5 cm耕层土壤温度的相关性最大，秸秆覆盖处理和施氮肥处理分别与10和15 cm耕层土壤温度的相关性最大。在5种处理中0～10 cm土层含水率对秸秆不覆盖不施肥处理土壤呼吸影响最大，10～20、20～30、0～60和0～100 cm土层含水率对秸秆覆盖处理土壤呼吸影响最大，所有土壤含水率对施氮肥处理影响最小。在不施氮肥条件下，秸秆覆盖更有利于缓解关中灌区夏玉米田的温室效应。

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