长期定位施肥下黑土呼吸的变化特征及其影响因素

贺 美，王立刚，王迎春，沈 欣，张亦涛，朱 平



长期定位施肥下黑土呼吸的变化特征及其影响因素

贺 美1，王立刚1※，王迎春1，沈 欣2，张亦涛1，朱 平3

（1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2. 全国农业技术推广服务中心，北京 100125；3. 吉林省农业科学院农业环境与资源研究所，长春 130033）

阐明长期不同施肥下的土壤呼吸特征及其影响机制对黑土区固碳减排研究至关重要。该研究基于1990年开始的国家土壤肥力与肥料效益监测网站－吉林省公主岭市黑土监测基地，选取不施肥（CK）、单施氮磷钾肥（NPK）、无机肥配施低量有机肥（NPKM1）、1.5倍的无机肥配施低量有机肥（1.5（NPKM1））、无机肥配施高量有机肥（NPKM2）和无机肥配施秸秆（NPKS）6个处理，明确了长期不同施肥下土壤总呼吸和异养呼吸的季节变化特征，并分析了土壤温度、水分、微生物量碳氮、铵态氮、硝态氮与土壤呼吸和异养呼吸的关系。结果表明：长期有机无机肥配施可以显著提高土壤有机碳、全氮、土壤速效磷、有效钾的含量和土壤活性有机碳库组分含量（<0.05）；与不施肥相比，长期有机无机肥配施和无机配施秸秆处理分别显著增加土壤呼吸及异养呼吸碳累积排放量56.32%～86.54%和70.01%～100.93%；根系呼吸对土壤呼吸的整体贡献为23.68%～34.30%；相关分析表明，土壤呼吸速率和异养呼吸速率与土壤温度极显著正相关（<0.01），与土壤含水率呈显著负相关（<0.01），土壤温度可以分别解释土壤呼吸和异养呼吸变化的42.79%和39.61%；土壤微生物量碳氮、土壤硝态氮均与土壤呼吸速率和异养呼吸速率极显著相关（<0.01），土壤微生物量碳氮、土壤硝态氮可以分别解释土壤呼吸和异养呼吸变化的78.42%和77.18%，58.33%和56.79%，59.29%和59.14%；土壤铵态氮虽然显著影响土壤呼吸速率（<0.05），可以解释土壤呼吸变化的5.56%，但其对异养呼吸速率的影响不显著。综合来看，微生物量碳对土壤呼吸及异养呼吸的影响最大，而土壤含水率（>15%）越高则土壤呼吸越弱；无机配施秸秆处理可以提高土壤碳库组分含量，且作物生育期内土壤呼吸及异养呼吸碳累积释放量均低于等氮量下施用有机肥（NPKM1）的处理，为最佳的农田管理措施。

土壤；土壤水分；肥料；土壤呼吸；异养呼吸；土壤温度；土壤微生物量碳氮；土壤铵态氮硝态氮

0 引 言

工业革命以来，温室气体（CO2，NxO，CH4等）排放量加剧导致的全球气候变暖成为21世纪人类面临的最为严峻的环境问题[1]，其中CO2对温室效应的贡献率高达56%，是最重要的温室气体之一[2]。土壤呼吸是陆地生态系统中除植被冠层光合作用外最大的碳收支通量，全球土壤碳储量1 500 Pg，是大气碳库的3倍，通过土壤呼吸释放到大气中的CO2量对陆地生态系统碳平衡及全球气候变化均有重要影响[3-4]。农田生态系统由于长期受不同程度的人为干扰，如耕作、施肥、灌溉等，不断影响和改变着土壤碳循环生态过程，使得农田土壤呼吸在时间和空间上的变化十分复杂[5]。因此，探索农田生态系统土壤呼吸变化规律，深入研究土壤呼吸过程的主导因子对于精确预测陆地与大气的碳交换、农业生产与生态环境的可持续性发展均有重要意义。

土壤呼吸（s）是土壤由代谢作用释放CO2的过程，包括3个生物学过程（根系呼吸、微生物呼吸和动物呼吸）和一个非生物学过程即含碳矿物质氧化与分解释放[6]，其中土壤微生物及动物的异养呼吸（h）和根系的自养呼吸（a）是土壤呼吸最重要的组成部分[7]。土壤呼吸受土壤环境因子和生物因子的交互影响[8]，其中土壤温度和湿度是影响土壤呼吸作用的关键环境驱动因子，土壤呼吸的主要组分——根系呼吸和微生物呼吸均是依赖于土壤温度和水分进行的生物学过程。研究表明[9-11]，在一定条件下土壤呼吸随温度增加呈指数增长；土壤水分通过调控土壤通气与氧化还原状况以及土壤微生物活性等影响土壤温室气体的产生和排放，关于土壤水分对土壤呼吸的影响目前尚未有统一定论，有研究认为土壤呼吸的最优土壤湿度接近最大田间持水量，土壤水分只有在超过田间持水量或降到永久萎蔫点以下的情况下才会抑制土壤呼吸[12-14]，Zhang[9]通过对中国北方小麦-玉米轮作系统土壤呼吸影响因子的研究发现土壤水分含量在萎蔫点和田间持水量之间时对土壤异养呼吸没有显著影响。此外，微生物变化是影响土壤呼吸的关键生物因子，土壤活性碳库组分尤其是土壤微生物量碳与土壤呼吸碳累积释放量呈极显著相关关系[15]，Reichstein和Eberwein也认为底物的可利用性是控制土壤微生物呼吸变化的主要因子[16-17]。Meijide等[18]发现不同有机肥料类型施用对土壤呼吸的影响有提高、降低或者不变3种可能，刘四义等[19]通过对比玉米和大豆秸秆还田对黑土土壤呼吸的影响发现秸秆还田主要通过影响黑土微生物活性来影响微生物的呼吸速率，米亮等[20]通过对比黑土带4个样点发现高纬度黑土微生物呼吸速率显著高于低纬度黑土，该结果与高纬度地区黑土有机质含量高、土壤微生物数量大有关。Chen等[21]在中国东北地区玉米农田的研究结果表明有机无机肥配施显著提高黑土异养呼吸速率，这可能与高的活性有机碳含量有关，而有机肥料的类型和用量显著影响黑土土壤呼吸和自养呼吸，对异养呼吸则没有影响。自养呼吸主要与植物根际活性及光合产物供应有关，土壤呼吸各组分可能对土壤环境变化产生不同的响应，而长期不同施肥措施对土壤性质与作物生长的影响不同，势必会引起土壤呼吸各组分差异，进而影响土壤呼吸和异养呼吸与土壤环境因子及微生物量之间的关系，而其相互影响机制有待进一步的研究。

近年来关于农田土壤呼吸影响因素、根系呼吸对土壤呼吸贡献等研究较多[22-23]，但是农田土壤呼吸受种植作物类型、管理措施与区域气候因素的影响较大，呈现较强的空间异质性，有关土壤环境因子对土壤呼吸与异养呼吸的影响效应结论不一，并且由于中国长期试验监测站点较少且不宜扰动的局限，长期施肥后东北黑土土壤呼吸与异养呼吸特征及其主导因子变化缺乏系统研究，因此，本文以连续运行26 a的国家黑土肥力与肥料效益监测基地公主岭长期定位试验为平台，研究长期不同施肥下春玉米生长季土壤呼吸、异养呼吸的动态变化，明确根系呼吸对土壤碳排放的贡献，并探讨环境与微生物变化对土壤呼吸与异养呼吸的影响，以期为评估农田生态系统碳收支和寻找固碳减排管理措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

在中国土壤系统分类中，黑土是独立的土壤类型，按发生学分类属于半水成土纲或半淋溶土纲，其下有黑土、草甸黑土、白浆化黑土和表潜黑土等4个亚类[24]。本研究的试验地位于国家黑土肥力与肥料效益监测基地位于吉林省公主岭市，该地属于典型黑土区，年平均气温4～5 ℃，有效积温为2 600～3 000 ℃，年降水量450～650 mm。长期定位试验从1990年开始，初始耕层土壤（0～20 cm）的理化性状如下：容重1.19 g/cm3，土壤有机碳13.2 g/kg，土壤全氮1.4 g/kg，土壤有效磷11.79 mg/kg，土壤速效钾158.33 mg/kg，土壤pH值为7.6，田间持水量及孔隙度分别为35.8%和53.4%，黏粒质量分数（<0.02 mm）31%。本试验所选处理种植模式均为春玉米（）连作，自试验开始以来供试玉米品种如下：1991―1994年：丹玉13；1995―1996年：吉单304；1997―1999年：吉单209；2000―2003：四密25；2004―2005：吉单209；2006年至今均为郑单958。

1.2 试验设计

本文选择长期定位试验其中的6个处理分析：1）不施肥CK；2）单施化肥NPK；3）化肥配施低量有机肥NPKM1；4）1.5倍的化肥配施低量有机肥1.5（NPKM1）；5)化肥配施高量有机肥NPKM2；6）化肥配施秸秆NPKS，各处理施肥量见表1。试验小区面积400 m2，该长期定位试验站点布置从1989年开始，由于条件所限当时全国9个处理一致的长期定位试验均未设置重复，因此，我们在取样时及设置土壤呼吸基座时将试验小区分成3个取样区作为重复。磷钾肥播种前作为基肥一次性施入，氮肥有1/3在播种前和磷钾肥一起用作底肥，2/3于拔节期追施。有机肥（M）开始为猪厩肥，2005年后换成牛粪，还田的秸秆（S）采用玉米秸秆。在玉米收获后将其秸秆从田里移出，地上留茬15 cm并同根茬一起还田。牛粪也在收获后施入地里，而移出的秸秆经自然风干和人工粉碎，于第2年6月下旬追肥时撒施于垄沟中。播种时间在每年4月下旬，收获时间则在9月底或10月初，春玉米生育期150 d左右，种植密度为6万株/hm2。

表1 各处理施肥量

注： 玉米秸秆和有机肥的C：N比分别是66:1和26:1，含氮量是7.0和5.0 g·kg-1；CK：不施肥；NPK:单施氮磷钾肥；NPKM1：无机肥配施低量有机肥；1.5（NPKM1）：1.5倍的无机肥配施低量有机肥；NPKM2：无机肥配施高量有机肥；NPKS：无机肥配施秸秆；下同。

Note : The C:N ratio of maize straw and farmyard manure in dry matter was 66:1 and 26:1, respectively. In addition, the N concentrations in maize straw and farmyard manure were 7.0 and 5.0 g·kg-1, respectively. CK, no fertilizer; NPK, only chemical fertilizer application; NPKM1, combining chemical and low levels of organic manure; 1.5(NPKM1), 1.5 times the amount of inorganic and organic fertilizer of NPKM1; NPKM2, combining chemical and high amounts of organic manure; NPKS, combining inorganic fertilizer and straw. The same as below.

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤化学指标测定方法

于2015年9月27日用土钻（直径3 cm）采集0～20 cm耕层土壤，先将每个大区划分为3个采样小区，在每个采样小区按梅花形5点法采样后混匀作为一个样本，各处理的土壤样本均重复3次。将土壤样品分成两部分，一部分风干后挑出碎石、植物根系残渣并过2 mm筛测定土壤pH值，有机质、全氮、颗粒有机碳与易氧化有机碳含量；另一部分过2 mm筛并保存于4 ℃用以鲜样的测定，各指标测定均在24 h内完成。参考鲍士旦标准方法[25]，有机质采用重铬酸钾外加热法；土壤全氮（TN）用凯氏定氮法测定；0.5 mol/L的NaHCO3浸提法测定速效磷（available P）；火焰光度计法测速效钾（available K），醋酸铵浸提后用火焰光度计直接测定；土壤pH值，称取10 g过2 mm筛的风干土样于烧杯中，加入25 mL蒸馏水，用玻璃棒剧烈搅拌1 min，静置30 min后用pH计测定。水溶性有机碳用0.5 mol/L K2SO4浸提后用总有机碳/总氮（TOC(total organic carbon)/TN(total nitrogen)）自动分析仪（Multi N/C®2053100，德国耶拿）测定[26]；颗粒有机碳采用5 g/L六偏磷酸钠分散法测定[27]；易氧化有机碳采用333 mmol/L高锰酸钾氧化法测定[28]。

选择玉米主要生育期进行土壤微生物量碳氮和铵态氮硝态氮的测定，包括6月23日（拔节期），7月27日（抽雄期），9月1日（蜡熟期）和9月27日（完熟期）。土壤铵态氮硝态氮的测定：将新鲜土样按土水比1:5加入1 mol/LKCl溶液振荡，浸提液用流动分析仪（Seal Analytical GmbH, 德国Seal公司）测定。微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法[29]，称取预培养后的新鲜土壤于小烧杯中，将其置于真空抽滤器中用去乙醇氯仿在25 ℃的培养箱中避光熏蒸24 h。培养结束后，反复抽滤几次以去除氯仿，将熏蒸的土壤样品用0.5 mol/L K2SO4溶液振荡浸提，并以同样的方法提取未熏蒸的土壤，浸提液用TOC/TN自动分析仪（MultiN/C®205 3100，德国耶拿）测定，微生物量碳计算：MBC=EC/KEC，微生物量氮：MBN=EN/KEN，其中，EC和EN为熏蒸和未熏蒸土壤的差值；KEC和KEN为转换系数，分别取值0.45[30]和0.54[31]。

1.3.2 土壤呼吸速率、温度与水分的测定

土壤呼吸速率采用开路式土壤碳通量测量系统Li-8100红外气体分析仪（IRGA）测定。为减少对土壤呼吸测定的干扰，提前24 h将测定土壤呼吸的PVC基座（直径20 cm，高度10 cm）埋入土壤中，每个基座上部距土壤表面3 cm。各处理设置隔根的对照，隔根处理采用壕沟法，在距离测土壤总呼吸PVC管约10 cm处，选择50 cm×50 cm的区域，四周垂直挖深50 cm以阻断根系，将400目尼龙过滤网（隔开根系，不影响水热气交换）在底层打结后紧挨壕沟四壁贴放，后将原土依层次放回，在此区域中间安置PVC管。本试验测定时间为2015年，为消除土壤扰动带来的影响，每次测定前24 h剪除呼吸环内杂草，于每个测定日上午09:00～11:00进行，该时间段土壤温度相对稳定。每小区设置3个重复包括总呼吸和异养呼吸，求其平均值作为该次测量的土壤总呼吸速率和异养呼吸速率。测定土壤呼吸速率时同时测定土壤温度和水分，利用德国进口TRIME-PICO64便携式土壤水分测试仪测定土壤15 cm的平均温度和土壤含水率。

本研究采用根系排除法计算根系呼吸对土壤呼吸的贡献，将土壤总呼吸与异养呼吸的差值作为根系呼吸，根系呼吸占土壤呼吸的比率即为根系呼吸对土壤呼吸的贡献，即根系呼吸贡献[32-33]。

1.3.3 土壤呼吸累积CO2排放量和10的计算方法

1）土壤呼吸累积CO2排放量的计算

根据2015年6月23日到9月27日测定的土壤呼吸速率估算土壤CO2-C的日排放量，未测定日期用插值法求出其日排放量，后累加求整个生育期的土壤CO2-C的排放量。计算公式为[34]：

=s×3 600×24×12×10-5

式中指土壤每天CO2排放量，kg/hm2；s表示测定的土壤呼吸速率，mol/(m2·s)；12为CO2-C的摩尔质量，g/mol；3600和24为换算系数。为第1次测定土壤呼吸速率，为最后1次监测值。是相邻2次监测之间相隔的天数，相邻2次土壤呼吸的线性内插作为间隔土壤呼吸速率值。

2）10的计算

土壤呼吸速率对温度的敏感性通常用10来描述。10是温度每升高10 ℃所造成的土壤呼吸速率的增加值。在不受其他因子限制的情况下，温度和土壤呼吸速率（s）之间的关系通常情况下可以用指数方程描述：

s=e（1）

10=e10b（2）

式中和为拟合参数，分别代表0 ℃时某层土壤CO2产生速率mol/(m2·s)，温度响应系数；为土壤温度，℃。

1.4 数据处理

采用Excel2007及OriginPro9.1对试验数据进行处理与作图，用SAS9.1软件进行数据统计分析，最小显著差数法LSD 检验其差异显著性（<0.05）。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥下土壤化学性质的变化特征

26 a长期施肥显著改变了土壤的化学性质（表2）。长期单施化肥显著降低土壤pH值。长期有机无机肥配施显著增加土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾的含量，其中1.5（NPKM1）处理土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾的含量最高，NPKM2处理次之，NPKS处理含量最低。与长期不施肥相比，长期单施化肥可溶性有机碳、颗粒有机碳和易氧化有机碳含量分别增加13.00%，17.14%和66.67%，长期有机无机肥配施（NPKM1、1.5（NPKM1）和NPKM2）处理土壤可溶性有机碳、颗粒有机碳和易氧化有机碳增加幅度分别为 16.05%～56.34%，219.75%～497.45%和847.62%～1145.93%，长期秸秆还田处理下可溶性有机碳、颗粒有机碳和易氧化有机碳质量分数分别增加了6.95%，121.71%和680.95%，长期有机无机肥配施和秸秆还田处理对土壤活性有机碳组分含量的提升效果比较好，以1.5（NPKM1）处理对土壤可溶性有机碳和易氧化有机碳提升效果最为显著。

表2 不同施肥措施土壤化学性质变化

注： 数值均为平均值±标准差（=3），下同；同列不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平。

Note: The numeric values represent mean ± standard deviation (=3); The same as below; Different letters in a column mean significant different at the 5% level.

2.2 不同施肥措施下土壤呼吸与异养呼吸的季节性变化动态

长期不同施肥下的土壤呼吸速率和异养呼吸速率变化趋势基本一致，呈现先增加后逐渐降低的趋势，从玉米拔节期开始监测时（6月23日）土壤温度较高，玉米生长正值旺盛期，土壤呼吸速率高于整个生育期的平均值，在6月27日达到呼吸高峰，由于在6月26日进行追肥，各处理除CK外均追加氮肥，均匀沟施后浅翻入土，此时土壤呼吸速率出现高峰是追肥和人为扰动共同作用的结果，下一个土壤呼吸高峰出现在8月2日玉米抽雄期，在此之后土壤呼吸和异养呼吸速率均呈波动式下降。各处理在监测期内土壤呼吸和异养呼吸速率的范围分别为0.81～8.71和0.53～7.6mol/(m2·s)（表3），NPKM1、1.5(NPKM1)和NPKM2处理的土壤呼吸平均速率高于NPK和CK处理26.06%～36.18%和73.78%～87.73%，NPKS处理高于NPK和CK处理13.25%和56.12%，说明施用有机肥和秸秆还田都能够提高土壤呼吸速率，并且在各处理等氮量（有机氮与无机氮的总和）的情况下，施用有机肥引起的土壤呼吸速率升高的波动要大于秸秆还田。而异养呼吸速率平均值最高的是1.5(NPKM1)处理，NPKM2处理次之，其他处理异养呼吸平均速率与总呼吸平均速率变化一致。

施肥显著增加玉米生育期土壤呼吸碳累积排放量。长期单施化肥条件下（NPK），玉米生育期黑土碳排放量显著高于CK处理37.36%（<0.05），NPKM1，1.5(NPKM1)，NPKM2和NPKS处理显著高于CK处理56.32%～86.54%（<0.05），其中1.5（NPKM1）和NPKM2的土壤碳排放量显著高于NPKS处理。作物生育期土壤异养呼吸碳累积排放量整体上占总呼吸碳排放的65.73%～76.69%，除NPKS处理外其余处理总碳累积排放均显著高于异养呼吸碳累积排放量（<0.05）。异养呼吸碳累积排放量NPKM1，1.5(NPKM1)、NPKM2和NPKS处理显著高于CK处理73.63%，100.93%，89.61%和70.01%（<0.05）。本试验中，根系呼吸对总呼吸的贡献在23.68%～34.30%，以NPK处理最高，NPKS处理最低，有机无机肥配施以及无机肥配施秸秆处理根系呼吸对总呼吸的贡献均低于不施肥和单施化肥处理。

图1 不同施肥措施下土壤呼吸与异养呼吸的季节动态变化

表3 不同施肥措施下根系呼吸对土壤呼吸的贡献

注： 同列带有不同小写字母表示同一处理土壤呼吸和异养呼吸间差异显著（<0.05）；同列带有不同大写字母表示不同处理土壤呼吸间差异显著（<0.05）；同列带有不同A’， B’， C’表示不同处理异养呼吸间差异显著（<0.05）；s：土壤呼吸；h：异养呼吸，下同。

Note: Different lowercase letters in a column mean significant difference between soil respiration and heterotrophic respiration under the same treatment at the 5% level; Different uppercase letters in a column mean significant difference of soil respiration among different treatments at the 5% level; Different A’, B’, C’ in a column mean significant difference of heterotrophic respiration among different treatments at the 5% level;s: soil respiration;h: heterotrophic respiration, the same as below.

2.3 不同施肥措施对土壤温度与水分的影响

不同处理之间土壤温度变化趋势基本一致，在作物整个生育期呈波动式下降，与大气温度变化相符，整个监测过程中各处理（CK，NPK，NPKM1，1.5(NPKM1)，NPKM2，NPKS）的土壤平均温度为26.92，27.70，27.24，26.96，27.00和27.43 ℃。各处理土壤温度之间差异的主要原因是夏季土壤温度上升较快，测量时间段一般都固定在上午08:00～11:00，正是土壤温度上升的快速阶段，在测量时不同处理之间时间间隔的差异，如间隔30 min就可能会对土壤温度造成较大的不同，其次降水也会影响土壤温度的测定。土壤含水率各处理变化趋势大致一致，在8月2日前变化较平稳，后期波动较大，在9月1日土壤含水率最高，各处理土壤含水率的范围在7.70%～26.72%。

图2 试验期间各处理15 cm土壤温度和水分变化曲线

表4 不同施肥措施下土壤呼吸速率与土壤温度和土壤含水率拟合方程

2.4 不同施肥处理下微生物量碳氮与铵态氮硝态氮的季节变化

土壤微生物量碳是土壤有机质中最活跃的组成，对农田管理措施非常敏感，它的周转时间比总有机碳短[35]，是评价土壤微生物状况随环境变化的重要指标。长期不同施肥处理对农田黑土微生物量碳的影响见图3。在玉米整个生育期，微生物量碳氮最高值均出现在拔节期，而收获期9月份最低。CK处理的微生物量碳始终最低，单施化肥和有机无机肥配施能够显著提高土壤微生物量碳的含量，从3个有机无机肥配施（NPKM1，1.5（NPKM1）和NPKM2）的处理来看，微生物量碳的提升随着有机肥的投入增加而升高，无机肥配施秸秆的处理微生物量碳提升效果优于单施化肥，与NPKM1处理对微生物碳的影响没有显著差异。长期施肥下土壤微生物量氮的变化趋势与微生物量碳的变化趋势一致，在6月份最高，9月份收获期最低。各处理中以3个有机无机肥配施对微生物量氮的提升效果最显著，其次为无机肥配施秸秆的处理，单施化肥能提高微生物量氮含量，但是与不施肥的处理差异不显著。

土壤有效氮是影响土壤呼吸的重要指标，土壤硝态氮（NO3--N）是植物吸收利用氮素的主要形态，土壤中的铵态氮易经硝化作用转化成硝态氮，铵态氮与硝态氮的季节变化动态可以反映不同施肥管理下的土壤氮素养分状况。本试验中长期施肥下的铵态氮与硝态氮具有明显的季节动态，铵态氮与硝态氮大体上呈此消彼长的关系，1.5（NPKM1）和NPKM2处理的铵态氮与硝态氮含量在各个时期均高于其他处理。长期施肥下的土壤硝态氮含量在玉米生育期内持续降低，6、7月份各处理间差异较大，后期随着硝态氮含量的降低差异逐渐减小。不同处理的土壤铵态氮含量变化趋势不一致，CK和1.5（NPKM1）2个处理在拔节期略有降低，其余处理的土壤铵态氮在玉米生育期内均表现为先升高后降低，蜡熟期（9月1日）最高，完熟期（9月27日）最低。

图3 不同施肥措施下土壤微生物量碳氮的季节动态变化

图4 不同施肥措施下土壤铵态氮和硝态氮的季节动态

2.5 土壤呼吸与异养呼吸与土壤环境因子、土壤微生物量碳氮之间的相关性

将所有处理土壤呼吸（s）和异养呼吸（h）速率综合分析发现，土壤总呼吸和土壤异养呼吸速率极显著相关（图5），土壤异养呼吸可以解释总呼吸变化的87.88%。在农田生态系统尺度上，土壤呼吸和环境因子之间的关系可以用指数函数、二次函数、幂函数以及线性函数等形式表达，本研究采用指数函数（s=e）和幂函数拟合了土壤呼吸速率和异养呼吸速率与土壤温度（T）及含水率（%）之间的关系，采用线性模型拟合土壤呼吸速率与异养呼吸速率和土壤微生物量碳氮（MBC, MBN）及铵态氮硝态氮（NH4+-N, NO3--N）之间的关系。本试验得出，土壤呼吸速率随土壤温度的升高呈指数增加的趋势，土壤温度可以解释s和h 42.79%和39.61%的变异（<0.01），而s和h均与土壤含水率呈显著负相关（<0.01）。同时，s和h与土壤MBC， MBN，NH4+-N，NO3--N均呈极显著相关，MBC，MBN可以解释s和h季节变化的78.42%和77.18%。MBN可以解释s和h季节变化的58.33%和56.79%，NO3--N可以解释s和h季节变化的59.29%和59.14%，而土壤NH4+-N显著影响s（<0.05），可以解释s变化的5.56%，但是对h的影响不显著。

图5 土壤呼吸（Rs）和异养呼吸（Rh）与土壤环境因子及微生物量碳氮的相关关系

3 讨 论

3.1 长期不同施肥对黑土化学性质的影响

长期不同施肥对土壤化学性质影响不同，长期有机无机肥配施均能显著提高土壤有机碳、全氮，速效磷和有效钾的含量，这与张国荣等研究结论一致[36]。本试验中长期单施化肥对土壤有机碳、全氮，速效磷和有效钾的含量的没有显著提高，这与戚瑞敏等[37]长期单施化肥显著提高潮土有机碳、全氮和速效磷钾含量的结论不一致，主要原因可能是二者化肥的用量不一致，本试验中单施化肥用量为N:165 kg/hm2，P2O5: 82.5 kg/hm2，K2O:82.5 kg/hm2，而戚瑞敏等长期单施化肥用量为N:375～450 kg/hm2，P2O5:225～300 kg/hm2，K2O:150 kg/hm2，大量氮磷钾肥的输入直接增加土壤速效养分含量，造成土壤氮磷钾含量的显著提升。由于土壤有机碳有较高的背景值，其总量变化较慢，对农田管理措施的反应不够敏感，因此，近些年来许多学者将活性有机碳组分包括微生物量碳、水溶性有机碳、易氧化有机碳和颗粒有机碳等作为反映土壤质量与肥力变化的早期预测指标，解析土壤有机碳的有效性[38]。本试验中有机无机肥配施显著增加土壤可溶性有机碳、颗粒有机碳和易氧化有机碳含量，其原因是有机肥的施用不仅可以直接提高土壤有机碳含量和土壤微生物量与活性，而新鲜外源碳的输入也可产生正激发效应，刺激原有土壤有机碳的矿化，加速微生物对植物残体及有机物料的腐解进而提高土壤活性碳库组分的含量[39-40]。秸秆还田能够增加土壤有机碳库各组分含量，但是效果不显著，其原因可能是东北冷凉的气候条件使得玉米秸秆腐解缓慢，且秸秆中的惰性有机质组分如木质素、单宁等完全降解需要几十年至上百年，周江敏等[41]对秸秆施用后土壤可溶性有机碳的动态变化研究中发现秸秆腐解的前7 d显著增加了土壤溶解性有机碳含量，7 d后则无明显影响；从目前试验实施的时间来看，秸秆还田对土壤有机碳库组分提升效果不如等氮量下的有机无机肥配施处理。

3.2 长期不同施肥下土壤呼吸与异养呼吸的变化特征

土壤呼吸是一个复杂的生物学过程，关于土壤呼吸的季节性变化规律前人研究较多[42-44]，大部分的研究认为土壤呼吸在作物整个生育期先增强后减弱，禄兴丽等[45]研究发现玉米生育期土壤呼吸速率在拔节期至抽雄期最大，本试验结果与此结论相符，最高速率在拔节期，收获期降至最低，可能因为拔节期的追肥给微生物提供了氮源和能源，氮肥供给使得作物生长旺盛，根系呼吸增加，从而使土壤呼吸速率显著增强。施用有机肥和秸秆还田都能够提高土壤呼吸速率，有机物料还田提高了土壤养分含量，为微生物呼吸提供足够的底物，使得微生物呼吸强度增强以及持续时间延长，因此，秸秆还田和有机无机肥配施均能显著增加土壤呼吸碳累积排放量，但是在各处理等氮量（有机氮与无机氮的总和）的情况下，施用有机肥的效果更显著，推测是由于还田初期是秸秆中有机物的“快速分解阶段”，以中快速生长型微生物为主进行分解，后期逐渐到“缓慢分解阶段”，主要以慢速生长型微生物群进行降解[46]，加上东北属于高纬度地区，冷凉的气候环境使得土壤呼吸速率的增加效应随着秸秆还田时间的推移一定程度的降低。

区分土壤呼吸组分的方法主要有以下3类：同位素示踪法（脉冲标记法和连续标记法）、推理分析法和根去除法，其中根排除法因操作简单被广泛采用[47]。李虎等[22]应用DNDC模型估算出玉米根际呼吸对土壤呼吸的贡献为91%～95%，张赛等[48]利用根系生物量外推法和根去除法测得小麦根系呼吸贡献率分别为47%和54%，禄兴丽等[45]用根系去除法得出玉米生育期不同耕作措施下根系呼吸占土壤呼吸比例为15%～82%，平均值为51.72%，Kuzyakow等[49]用14C示踪法测定的值为15%～60%，本研究中根系呼吸对土壤呼吸的贡献占23.68%～34.30%，平均值为28.19%，与任志杰[50]在华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟传统管理体系得出的玉米季根系呼吸对土壤呼吸的贡献29.6%的结果接近，但是低于蔡艳等[51]玉米根系呼吸对土壤呼吸平均贡献率46%的结果，造成这一现象可能有2个原因，大部分根系去除法的壕沟深度在1～1.2 m，本研究基于长期定位试验不宜过度扰动，壕沟深度设为50 cm，而关于大田不同生育时期玉米根系测定结果表明0～20和0～80 cm土层玉米根系干质量比例分别约占70%和95%[52]，可推测出50 cm土层以下玉米根系生物量约占20%～30%，这部分根系呼吸被忽略可能是影响本试验结果的主要原因；另一方面由于本试验中土壤呼吸的监测开始于拔节后期，任志杰等[50]研究发现夏玉米6叶期后根区和非根区土壤呼吸之间就会出现明显差异，而本研究中生育期监测的不完整也可能会造成对作物根系贡献的估计值偏低。

3.3 土壤呼吸及异养呼吸速率与土壤水热条件和微生物量碳氮的相关关系

土壤温度和含水率是影响土壤呼吸的关键环境因子，土壤温度是土壤呼吸日变化的驱动因子，在一定范围内温度的增加可以提高土壤微生物活性，同时直接影响根系生理活动和生长，进而影响异养呼吸和自养呼吸，土壤水分对土壤呼吸的影响有正相关、负相关和不相关3种[14,53-54]。本试验中土壤呼吸速率与土壤温度呈显著指数相关，此结论与前人研究一致。土壤呼吸速率和异养呼吸速率与土壤含水率呈显著负相关，推测主要是由于春玉米生长期间正值东北地区雨季，频繁的降水影响了土壤通气透水性能，抑制了土壤呼吸。土壤微生物量碳氮是衡量农田管理措施对土壤有机质影响的指标[55]，被用来作为评价土壤质量的生物学性状。长期施用有机肥以及秸秆还田可以提高微生物活性和微生物量，进而增强土壤呼吸，本研究中土壤微生物量碳氮与土壤呼吸呈极显著相关，与臧逸飞等[56]研究一致。土壤硝态氮是植物主要吸收利用的氮素养分，速效氮含量高能够为植物提供充足氮源刺激植物生物量生长，本研究中硝态氮与土壤呼吸达到极显著相关水平，与Liang等[8]在华北平原小麦-玉米轮作下不同施肥对土壤呼吸的影响研究得出的铵态氮、硝态氮与土壤呼吸极显著相关结论一致，而本试验中铵态氮对土壤呼吸的影响较弱，与土壤异养呼吸没有显著相关性，这可能与施肥制度、土壤类型及作物类型等的不同有关，其原因有待进一步研究。

土壤环境因子与微生物变化共同作用和影响土壤呼吸作用，有研究指出包含温湿度的复合模型能够更好的解释土壤呼吸的变化[57]，而本研究的不足之处是将对土壤呼吸的影响因素作为单一变化因子独立出来，忽略了各影响因素之间的相互作用，下一步研究应该侧重于多种环境因子对土壤呼吸的综合影响效应，如土壤温度和湿度对土壤呼吸的综合影响等。

4 结 论

长期有机无机肥配施可以显著提高土壤有机碳、全氮、土壤速效磷、有效钾的含量和土壤活性有机碳库组分含量（<0.05）；长期有机无机肥配施和无机配施秸秆处理提高了春玉米生育期土壤呼吸和异养呼吸平均速率，显著增加土壤呼吸及异养呼吸生育期碳累积排放量56.32%～86.54%和70.01%～100.93%；土壤呼吸和土壤异养呼吸速率极显著正相关（<0.01），二者与土壤温度、土壤微生物量碳、氮、土壤硝态氮均极显著正相关，与土壤含水率则呈显著负相关；土壤铵态氮显著影响土壤呼吸速率，但是对异养呼吸速率的影响不显著；综合来看，无机配施秸秆处理可以维持黑土碳库组分含量，且作物生育期内其土壤碳累积排放量低于等氮量（有机氮与无机氮的总和）下施用有机肥的处理，同时能够保持微生物活性和作物水分供应等，为最佳的农田管理措施。

[1] 董红敏，李玉娥，陶秀萍，等. 中国农业源温室气体排放与减排技术对策[J]. 农业工程学报，2008，24(10)：269－273.

Dong Hongmin, Li Yu’e, Tao Xiuping, et al. China greenhouse gas emissions from agricultural activities and its mitigation strategy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(10): 269－273. (in Chinese with English abstract)

[2] IPCC. Special report on emissions scenarios; A special report of Working Group Ⅲ of the Intergovernmental Panel on Climate Change[C]// Cambridge: Cambridge University Press, 2000.

[3] Batjes N H. Total carbon and nitrogen in soils of the world[J]. European Journal of Soil Science, 1996, 47: 151－163.

[4] 金峰，杨浩，赵其国. 土壤有机碳储量及影响因素研究进展[J]. 土壤，2000，32(1)：11－17.

Jin Feng, Yang Hao, Zhao Qiguo. Advances in researches on soil organic carbon storages and affecting factors[J]. Soils, 2000, 32(1): 11－17. (in Chinese with English abstract)

[5] Fang C, Moncrieff J B, Gholz H L, et al. Soil CO2efflux and its spatial variation in a Florida slash pine plantation[J]. Plant and Soil, 1998, 205(2): 135－146.

[6] 齐志勇，王宏燕，王江丽，等. 陆地生态系统土壤呼吸的研究进展[J]. 农业系统科学与综合研究，2003，19(2)：116－119.

Qi Zhiyong, Wang Hongyan, Wang Jiangli, et al. The development on the research of terrestrial ecosystem soil respiration[J]. System Sciences & Comprehensive Studies in Agriculture, 2003, 19(2): 116－119. (in Chinese with English abstract)

[7] 沈小帅，陈书涛，胡正华，等. 亚热带次生林土壤自养和异养呼吸研究[J]. 环境科学，2011，32(11)：3181－3187.

Shen Xiaoshuai, Chen Shutao, Hu Zhenghua, et al. Investigation of heterotrophic and autotrophic components of soil respiration in a secondary forest in subtropical China[J]. Environmental Science, 2011, 32(11): 3181－3187. (in Chinese with English abstract)

[8] Liang G P, Houssou A A, Wu H, et al. Seasonal patterns of soil respiration and related soil biochemical properties under nitrogen addition in winter wheat field[J]. PloS One, 2015, 10(12): e0144115.

[9] Zhang Q. Seasonal variations in soil respiration, heterotrophic respiration and autotrophic respiration of a wheat and maize rotation cropland in the North China Plain[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2013, 180: 34－43.

[10] Sun Z Z.The effect of nitrogen addition on soil respiration from a nitrogen-limited forest soil[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2014, 197: 103－110.

[11] 贺美，王迎春，王立刚，等. 不同耕作措施对黑土碳排放和活性碳库的影响[J]. 土壤通报，2016，47(5)：1195－1202.

He Mei, Wang Yingchun, Wang Ligang, et al. Effect on black soil carbon dioxide emission and content of activated carbon under different tillage managements[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2016, 47(5): 1195－1202. (in Chinese with English abstract)

[12] Li H J, Yan J X, Yue X F, et al. Significance of soil temperature and moisture for soil respiration in a Chinese mountain area[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2008, 148: 490－503.

[13] Cook F J, Orchard V A. Relationships between soil respiration and soil moisture[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2008, 40: 1013－1018.

[14] 杨金艳，王传宽. 土壤水热条件对东北森林土壤表面CO2通量的影响[J]. 植物生态学报，2006，30(2)：214－226.

Yang Jinyan, Wang Chuankuan. Effects of soil temperature and moisture on soil surface CO2flux of forests in northeastern China[J]. Journal of Plant Ecology, 2006, 30(2): 214－226. (in Chinese with English abstract)

[15] 贺美，王立刚，朱平，等. 长期定位施肥下黑土碳排放特征及其碳库组分与酶活性变化[J]. 生态学报，2017，37(19)：1－11.

He Mei, Wang Ligang, Zhu Ping, et al. Carbon emission characteristics, carbon library components, and enzyme activity under long-term fertilization conditions of black soil[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(19): 1－11. (in Chinese with English abstract)

[16] Reichstein M, Rey A, Freibauer A, et al. Modeling temporal and large-scale spatial variability of soil respiration from soil water availability, temperature and vegetation productivity indices[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2003, 17(4)15-1.Doi: 10.1029/2003GB002035

[17] Eberwein J R, Oikawa P Y, Allsman L A, et al. Carbon availability regulates soil respiration response to nitrogen and temperature[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2015, 88: 158－164.

[18] Meijide A, Cárdenas L M, Sánchezmartín L, et al. Carbon dioxide and methane fluxes from a barley field amended with organic fertilizers under mediterranean climatic conditions[J]. Plant and Soil, 2010, 328(1/2): 353－367.

[19] 刘四义，贾淑霞，张晓平，等. 玉米和大豆秸秆还田对黑土微生物量及呼吸的影响[J]. 土壤与作物，2014(3)：105－111.

Liu Siyi, Jia Shuxia, Zhang Xiaoping, et al. Effects of corn and soybean residues return on microbial biomass and respiration in a black soil[J]. Soil and Crop, 2014(3): 105－111. (in Chinese with English abstract)

[20] 米亮，王光华，金剑，等. 黑土微生物呼吸及群落功能多样性对温度的响应[J]. 应用生态学报，2010，21(6)：1485－1491.

Mi Liang, Wang Guanghua, Jin Jian, et al. Responses of black soil’s microbial respiration and community functional diversity to temperature[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(6): 1485－1491. (in Chinese with English abstract)

[21] Chen Z, Xu Y, Fan J, et al. Soil autotrophic and heterotrophic respiration in response to different N fertilization and environmental conditions from a cropland in Northeast China[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2017, 110: 103－115.

[22] 李虎，邱建军，王立刚. 农田土壤呼吸特征及根呼吸贡献的模拟分析[J]. 农业工程学报，2008，24(4)：14－20.

Li Hu, Qiu Jianjun, Wang Ligang. Characterization of farmland soil respiration and modeling analysis of contribution of root respiration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(4): 14－20. (in Chinese with English abstract)

[23] Chun T U, Li F, Qiao Y, et al. Effect of experimental warming on soil respiration under conventional tillage and no-tillage farmland in the North China Plain[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2017, 16(4): 967－979.

[24] 张之一. 关于黑土分类和分布问题的探讨[J]. 黑龙江八一农垦大学学报，2005，17(1)：5－8.

Zhang Zhiyi. Discuss on issue of black soils classification and it’s distribution[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Land Reclamation University, 2005, 17(1): 5－8. (in Chinese with English abstract)

[25] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业出版社，2000.

[26] Jones D L, Willett V B. Experimental evaluation of methods to quantify dissolved organic nitrogen (DON) and dissolved organic carbon (DOC) in soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(5): 991－999.

[27] Cambardella C A, Elliott E T. Particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence[J]. Soil Science Society of America Journal, 1992, 56(3): 777－783.

[28] Blair G J, Lefroy R D B, Lisle L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems[J]. Crop and Pasture Science, 1995, 46(7): 1459－1466.

[29] Wu J, Joergensen R G, Pommerening B, et al. Measurement of soil microbial biomass C by fumigation-extraction: An automated procedure[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1990, 22(8): 1167－1169.

[30] Vance E D, Brookes P C, Jenkinson D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1987, 19(6): 703－707.

[31] Sparling G P, Feltham C W, Reynolds J, et al. Estimation of soil microbial C by a fumigation-extraction method: Use on soils of high organic matter content, and a reassessment of the kEC-factor[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1990, 22(3): 301－307.

[32] Jia B R, Zhou G S, Wang F Y, et al．Partitioning root andmicrobial contributions to soil respiration in Leymus chinensispopulations[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(4): 653－660.

[33] 朱凡，王光军，田大伦，等. 2010. 杉木人工林去除根系土壤呼吸的季节变化及影响因子[J]. 生态学报，2010，30(9)：2499－2506.

Zhu Fan, Wang Guangjun, Tian Dalun, et al. Seasonal variation of soil respiration by root exclusion and its controlling factors in alanceolate plantation[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(9): 2499－2506. (in Chinese with English abstract)

[34] 车升国，郭胜利，张芳，等. 黄土区夏闲期土壤呼吸变化特征及其影响因素[J]. 土壤学报，2010，47(6)：1159－1169.

Cheng Shengguo, Guo Shengli, Zhang Fang, et al. Dynamics of soil respiration and its affecting factos in arid upland field during summer fallow season on the loess plateau[J]. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47(6): 1159－1169. (in Chinese with English abstract)

[35] Van Veen J A, Merckx R, Van de Geijn S C. Plant-and Soil-Related Controls of the Flow of Carbon from Roots Through the Soil Microbial Biomass[M]//Ecology of Arable Land-Perspectives and Challenges. Springer Netherlands, 1989: 43－52.

[36] 张国荣，李菊梅，徐明岗，等. 长期不同施肥对水稻产量及土壤肥力的影响[J]. 中国农业科学，2009，42(2)：543－551.

Zhang Guorong, Li Jumei, Xu Minggang, et al. Effects of chemical fertilizer and organic manure on rice yield and soil fertility[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(2): 543－551. (in Chinese with English abstract)

[37] 戚瑞敏，赵秉强，李娟，等. 添加牛粪对长期不同施肥潮土有机碳矿化的影响及激发效应[J]. 农业工程学报，2016 32(增刊2)：118－127.

Qi Ruimin, Zhao Bingqiang, Li Juan, et al. Effects of cattle manure addition on soil organic carbon mineralization and priming effects under long-term fertilization regimes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(Supp.2): 118－127. (in Chinese with English abstract)

[38] Haynes R J. Labile organic matter fractions as central components of the quality of agricultural soils: An overview[J]. Advances in Agronomy, 2005, 85: 221－268.

[39] Liu Enke, Yan Changrong, Mei Xurong, et al. Long-term effect of chemical fertilizer, straw, and manure on soil chemical and biological properties in northwest China[J]. Geoderma, 2010, 158(3): 173－180.

[40] Yan D Z, Wang D J, Yang L Z. Long-term effect of chemical fertilizer, straw, and manure on labile organic matter fractions in a paddy soil[J]. Biology and Fertility of Soils, 2007, 44(1): 93－101.

[41] 周江敏，陈华林，唐东民，等. 秸秆施用后土壤溶解性有机质的动态变化[J]. 植物营养与肥料学报，2008，14(4)：678－684.

Zhou Jiangmin, Chen Hualin, Tang Dongmin, et al. Dynamic changes of dissolved organic matter in the soils amended with rice straw[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(4): 678－684. (in Chinese with English abstract)

[42] 刘爽，严昌荣，何文清，等. 不同耕作措施下旱地农田土壤呼吸及其影响因素[J]. 生态学报，2010(11)：2919－2924.

Liu Shuang, Yan Changrong, He Wenqing, et al. Soil respiration and it’s affected factors under different tillage systems in dryland production systems[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010(11): 2919－2924. (in Chinese with English abstract)

[43] 韩广轩，周广胜，许振柱，等. 玉米农田土壤呼吸作用的空间异质性及其根系呼吸作用的贡献[J]. 生态学报，2007(12)：5254－5261.

Han Guangxuan, Zhou Guangsheng, Xu Zhenzhu, et al. Spatial heterogeneity of soil respiration and contribution of root respiration in a maize agricultural field[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(12): 5254－5261. (in Chinese with English abstract)

[44] Chen Z, Xu Y, Zhou X, et al. Extreme rainfall and snowfall alter responses of soil respiration to nitrogen fertilization: a 3-year field experiment[J]. Global Change Biology, 2017, 23(8):3403－3417 .

[45] 禄兴丽，廖允成. 不同耕作措施对旱作夏玉米田土壤呼吸及根呼吸的影响[J]. 环境科学，2015，36(6)：2266－2273.

Lu Xingli, Liao Yuncheng. Effects of tillage on soil respiration and root respiration under rain-fed summer corn field[J]. Environment Science, 2015, 36(6): 2266－2273. (in Chinese with English abstract)

[46] 夏海勇，王凯荣，赵庆雷，等. 秸秆添加对土壤有机碳库分解转化和组成的影响[J]. 中国生态农业学报，2014，22(4)：386－393.

Xia Haiyong, Wang Kairong, Zhao Qinglei, et al. Effects of straw addition on decomposition, transformation and composition of soil organic carbon pool[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2014, 22(4): 386－393. (in Chinese with English abstract)

[47] Hanson P J, Edwards N T, Garten C T, et al. Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: A review of methods and observations[J]. Biogeochemistry, 2000, 48(1): 115－146.

[48] 张赛，王龙昌，黄召存，等. 保护性耕作下小麦田土壤呼吸及碳平衡研究[J]. 环境科学，2014，35(6)：2419－2425.

Zhang Sai, Wang Longchang, Huang Zhaocun, et al. Soil respiration and carbon balance in whieat field under conservation tillage[J]. Environment Science, 2014, 35(6): 2419－2425. (in Chinese with English abstract)

[49] Kuzyakov Y. Separating microbial respiration of exudates from root respiration in non-sterile soils: A comparison of four methods[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2002, 34(11): 1621－1631.

[50] 任志杰，高兵，黄涛，等. 不同轮作和管理措施下根系呼吸对土壤呼吸的贡献[J]. 环境科学学报，2014，34(9)：2367－2375.

Ren Zhijie, Gao Bing, Huang Tao, et al. The contribution of root respiration to soil respiration under different crop rotations and managements[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(9): 2367－2375. (in Chinese with English abstract)

[51] 蔡艳，丁维新，蔡祖聪. 土壤-玉米系统中土壤呼吸强度及各组分贡献[J]. 生态学报，2006，26(12)：4273－4280.

Cai Yan, Ding Weixin, Cai Zucong, et al. Soil respiration in a maize-soil ecosystem and contribution of rhizosphere respiration[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(12): 4273－4280. (in Chinese with English abstract)

[52] 吴永成，周顺利，王志敏，等. 华北地区夏玉米土壤硝态氮的时空氮的时空动态与残留[J]. 生态学报，2005，25(7)：1620－1625.

Wu Yongcheng, Zhou Shunli, Wang Zhimin, et al. Dyanmics and residue of soil nitrate in summer maize f ield of North China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(7): 1620－1625. (in Chinese with English abstract)

[53] Hursh A, Ballantyne A, Cooper L, et al. The sensitivity of soil respiration to soil temperature, moisture, and carbon supply at the global scale[J]. Global Change Biology, 2017, 23(5): 2090－2103.

[54] 张丁辰，蔡典雄，代快，等. 旱作农田不同耕作土壤呼吸及其对水热因子的响应[J]. 生态学报，2013，33(6)：1916－1925.

Zhang Dingchen, Cai Dianxiong, Dai Kuai, et al. Soil respiration and its responses to soil moisture and temperature under different tillage systems in dryland maize fields[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(6): 1916－1925. (in Chinese with English abstract)

[55] Insam H, Mitchell C C, Dormaar J F. Relationship of soil microbial biomass and activity with fertilization practice and crop yield of three ultisols[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1991, 23(5): 459－464.

[56] 臧逸飞，郝明德，张丽琼，等. 26年长期施肥对土壤微生物量碳, 氮及土壤呼吸的影响[J]. 生态学报，2015，35(5)：1445－1451.

Zang Yufei, Hao Mingde, Zhang Liqiong, et al. Effects of wheat cultivation and fertilization on soil microbial biomass carbon,soil microbial biomass nitrogen and soil basal respiration in 26 years[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(5): 1445－1451.

[57] Wang C, Yang J, Zhang Q. Soil respiration in six temperate forests in China[J]. Global Change Biology, 2006, 12(11): 2103－2114.

Characteristic of black soil respiration and its influencing factors under long-term fertilization regimes

He Mei1, Wang Ligang1※, Wang Yingchun1, Shen Xin2, Zhang Yitao1, Zhu Ping3

(1.100081; 2.,100125;3130033)

Clarifying characteristic and its influence factors of soil respiration under long-term different fertilization is essential to the research on carbon sequestration as well as carbon emission reduction in black soil area. Our experiments were conducted in National Fertility Monitoring Station in Gongzhuling City since 1990, and 6 fertilization treatments were set up, including no fertilizer (CK), only chemical fertilizer application (NPK), inorganic fertilizer combined with low level of organic manure (NPKM1), 1.5 times the amount of inorganic fertilizer combined with organic fertilizer of NPKM1 (1.5 (NPKM1)), inorganic fertilizer combined with high amount of organic manure (NPKM2), and inorganic fertilizer combined with straw (NPKS). The seasonal variation characteristics of total and heterotrophic soil respiration were analyzed, and the relationships between relevant factors (soil temperature, moisture content, microbial biomass carbon and nitrogen (MBC,MBN), ammonium and nitrate nitrogen) and total or heterotrophic soil respiration were determined. The results showed that long-term combined application of organic manure and chemical fertilizer could significantly improve content of soil organic carbon, total nitrogen, soil available phosphorus and potassium and soil active organic carbon components (<0.05). Compared with CK, long-term combined application of chemical fertilizer and organic manure, and chemical fertilizer and straw treatment could significantly increase soil carbon cumulative emissions by 56.32%-86.54% and 70.01%-100.93%, respectively. The total contribution of root respiration to soil respiration was 23.68%-34.30%. Correlation analysis indicated that soil respiration rate was significantly positively correlated with soil temperature (<0.01), but significantly negatively correlated with soil moisture content (<0.01). And soil temperature could explain 42.79% and 39.61% of changes in soil respiration and heterotrophic respiration, respectively.Soil respiration rate and heterotrophic respiration rate were significantly correlated with MBC, MBN and nitrate nitrogen (<0.01), which could explain 78.42% and 77.18%, 58.33% and 56.79%, 59.29% and 59.14% of changes in soil respiration and heterotrophic respiration, respectively. The soil ammonium nitrogen significantly affecting the soil respiration rate (<0.05), could account for 5.56% of the changes in soil respiration, but it had no significant effect on the rate of heterotrophic respiration.Therefore, MBC had the greatest influence on total and heterotrophic soil respiration rate, and higher soil moisture content resulted in weaker soil respiration and heterotrophic respiration rates. NPKS could maintain soil carbon pool component content and microbial activity, and in addition, the carbon cumulative emissions during crop growth period were lower than that of NPKM1 under equal quantity of nitrogen of chemical fertilizer and organic manures, which was the best farmland management measure.

soils; soil moisture; fertilizers; soil respiration; heterotrophic respiration; soil temperature; soil microbial biomass carbon and nitrogen; soil ammonium-N and nitrate-N

2017-09-12

2018-01-08

国家重点研发计划（2016YFE101100，2017YFD0201801）；国家自然科学基金（31770486）；公益性行业（农业）科研专项（201303126-2）和中国农科院创新工程协同创新任务（CAAS-XTCX2016008-02）

贺 美，主要研究方向为农田生态系统碳循环。 Email：hemei16@mails.ucas.edu.cn

王立刚，研究员，博导，主要从事农业生态系统碳氮循环研究。Email：wangligang@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.018

S363

A

1002-6819(2018)-04-0151-11

贺 美，王立刚，王迎春，沈 欣，张亦涛，朱 平. 长期定位施肥下黑土呼吸的变化特征及其影响因素[J]. 农业工程学报，2018，34(4)：151－161.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.018 http://www.tcsae.org

He Mei, Wang Ligang, Wang Yingchun, Shen Xin, Zhang Yitao, Zhu Ping. Characteristic of black soil respiration and its influencing factors under long-term fertilization regimes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 151－161. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.018 http://www.tcsae.org