短花针茅荒漠草原土壤呼吸及其对施肥的响应

红 梅，赵巴音那木拉，包乌云，德海山，常国军

(1.内蒙古农业大学/内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古赤峰市巴林左旗草原工作站，内蒙古 赤峰 025450)

造成全球变暖的温室气体排放中有72%来自于 CO2[1]，而土壤呼吸是将土壤中的有机碳以CO2形式归还到大气的主要途径。由于土壤碳库的任何细微变化都会对大气二氧化碳含量产生显著影响，因此土壤呼吸研究受到广泛关注[2-3]。

草地作为世界上广泛分布的植被类型，约占陆地表面的三分之一，储藏了世界上10%～30%的土壤碳，在陆地生态系统碳循环过程中起着重要的作用[4]。随着我国草地退化面积不断扩大，草地生态系统碳的源-汇关系持续恶化，迫使我国草地生态系统碳循环的研究急需加强[5]。然而，草地施肥是维持草原生态系统养分平衡的重要管理措施之一，可以有效补充草地土壤养分，促进植物生长，提高草地生产力。但有关施肥对草地碳循环的研究多集中在土壤呼吸对模拟氮沉降反应的研究，由于生物区系类型、环境条件和试验方法不同，研究结论也并不统一[6-7]。

本研究以内蒙古短花针茅荒漠草原为对象，通过模拟氮沉降结合磷肥的单施和氮磷肥的配施，监测各施肥处理下的土壤呼吸变化规律、土壤养分和地下生物量的变化，并根据气温和降雨量分析土壤呼吸对不同施肥处理的响应，为草地碳循环研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于内蒙古包头市达茂旗希拉穆仁草原(N：41°18′7.9″，E：111°13′28.2″)，海拔高度1 010 m左右，中温带半干旱大陆性季风气候，春秋季干旱多风，夏季雨量充沛，冬季干燥寒冷。试验进行期间(2012～2014年)，年累积降水量分别为441.9、278.1、298.5 mm；年平均气温分别为2.01、3.66、3.96℃。降水主要集中在7～9 月份，≥10℃ 年有效积温1 985～2 800℃；年均日照时数3 100～3 300 h；无霜期120 d；年均风速4.5 m·s-1，一年的大风日数为60 d。

草地类型是以短花针茅(StipabrevifloraGriseb.)为建群种、以冷蒿(Artemisiafrigida)和无芒隐子草(Cleistogenessongorica)为优势种的短花针茅+冷蒿+无芒隐子草草原。土壤为淡栗钙土，土壤有机质含量为20.89 g·kg-1，铵态氮10.01 mg·kg-1，硝态氮17.97 mg·kg-1，有效磷3.87 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验共设6个处理，分别为：①CK：无肥、②N2.5：氮素2.5 g·m-2·年-1、③N5：氮素5 g·m-2·年-1、④N10：氮素10 g·m-2·年-1、⑤P：磷素10 g·m-2·年-1、⑥NP：氮素和磷素以1∶1的比例各添加10 g·m-2·年-1。其中，N2.5、N5和N10处理为不同氮肥梯度试验，N(为N10)、P和NP处理为氮磷肥的配施效果试验，均以CK处理作为对照。试验中添加氮素化肥为尿素、磷素化肥为重过磷酸钙。每个处理5个重复，共30个小区，随机区组排列，区组之间设2 m过道。每个小区面积为 6 m×6 m。将年施肥量平均分4份，分别在2011～2014年的5月1日、6月1日、7月1日和8月1日，把化肥溶于水后均匀地撒在地表。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤呼吸

采用开路式土壤碳通量测量系统—L1-8100(L1-COR，Lincoln，NE，USA)测定土壤呼吸速率。2011年试验进行前，在每个小区安置1个PVC管基座(圆形聚丙烯材料)，高50 mm，直径200 mm，PVC环套20～30 mm插入土中，保持各样地PVC套环地上部分内环高度一致(35 mm)，保持PVC管基座内无存活的动植物，测定时将土壤呼吸室放置在PVC管基座上，达到密闭状态，以减少土壤表层对土壤呼吸测定的干扰。每次测定前齐地剪掉PVC管内植物部分和取出来管内虫之类的小型动物，土壤呼吸率测定时间定在9：00开始。

1.3.2 地下生物量

每年8月份，用直径7 cm 的根钻分层(0～5、5～10、10～20、20～40、40～100 cm)取样(两钻合一)，每个小区3次重复，按层装入布袋中，带回室内把泥沙冲洗干净后放入恒温烘干箱，在80℃恒温下烘干至恒重，称取干重。

1.3.3 土壤养分

每年8月份，每个小区取0～30 cm土层2个点进行混合，带回室内进行测试分析。

铵态氮和硝态氮：用50 mL KCl(2 mol·L-1)溶液浸提后，分别用靛酚兰比色法和镀铜镉还原—重氮化偶比色法测定浸提液中铵态氮和硝态氮含量；

有机质：重铬酸钾容量—外加热法测定；

有效磷：碳酸氢钠法测定。

1.4 数据处理

采用SAS 9.0统计分析软件对2012～2014年土壤呼吸速率进行方差分析(ANOVA)，通过CORR过程计算出与气温、降雨量、地下生物量和土壤养分之间的 Pearson 相关系数及其显著水平，并运用Excel 2010作出柱状图、折线图和拟合散点图。

2 结果与分析

2.1 短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率

短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率因测定年份和月份的不同而差异极显著(P<0.01)(表1)。由图1可以看出，2012～2014年，5～9月平均土壤呼吸速率呈逐年显著降低趋势，2012年平均土壤呼吸速率为1.95 μmol·m-2·s-1，2014年为1.33 μmol·m-2·s-1；其变化规律与5～9月累积降雨量的年变化规律相似。

表1 施肥处理和测定年月对土壤呼吸速率的影响

注：Y代表年，M代表月，T代表处理；*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)。

图1 2012～2014年5～9月份平均土壤呼吸速率与累积降雨量

土壤呼吸速率月动态见图2。从2012～2014年3年的月动态可以看出，短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率具有明显的季节变化规律，随着气温的上升和下降而增强和减弱，但各年呼吸速率峰值并未出现在气温最高、降雨量最大的7月份，而是在气温和降雨量均适中的8月份。

图2 2012～2014年土壤呼吸速率、气温和降雨量的月动态注：2012～2014年降水量和气温数据由内蒙古气象局提供。

2.2 施肥对短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率的影响

施肥不改变短花针茅荒漠草原土壤呼吸的季节变化规律，各施肥处理的月动态规律均与CK处理基本一致(图3，4)。但施肥对短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率大小产生显著影响(P=0.02)(表1)。从图3的折线图可以看出，2012年6～8月、2013年6～9月和2014年7～8月，各施肥处理的土壤呼吸速率均明显高于CK处理，其中P处理土壤呼吸速率略显高一些。据统计分析显示：2012年P处理生长季平均土壤呼吸速率显著高于CK处理(P<0.05)，N和NP处理与CK处理无显著差异(P>0.05)；2013年N、P和NP处理生长季平均土壤呼吸速率均显著高于CK处理(P<0.05)，三者之间无显著差异(P>0.05)(图3-柱状图)；2014年，各施肥处理与CK处理之间未呈显著差异(P>0.05)(柱状图已省略)。

图3 氮、磷肥的单施和配施下土壤呼吸速率月动态及其平均

图4 不同氮肥梯度下土壤呼吸速率月动态及其平均

模拟氮沉降也在2012、2013年对短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率产生了显著影响。整体上，随着氮肥添加量的增加土壤呼吸速率增强(图4)。2012年N10处理土壤呼吸速率显著高于N2.5、N5和CK处理(P<0.05)，N2.5和N5处理与CK处理无差异(P>0.05)；2013年N5和N10处理显著高于CK处理(P<0.05)，N2.5处理与CK处理间无差异(P>0.05)(图4-柱状图)。 2014年模拟氮沉降未显著影响土壤呼吸速率(P>0.05)(柱状图已省略)。

总之，施肥会显著影响短花针茅荒漠草原土壤呼吸，且主要在植物生长旺盛季—即气温较高、降雨较集中的6～8月份与CK处理产生差异。

2.3 短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率的影响因素

2.3.1 气温对土壤呼吸速率的影响

如图5所示，气温对短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率具有一定的影响。各处理土壤呼吸速率均与气温呈指数相关关系(P<0.01)。且单施氮肥、单施磷肥和氮磷配施处理的土壤呼吸速率与气温的相关性高于CK处理，相关系数(r)的大小顺序为NP>P>N10>CK。表明，施肥后短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率与气温的相关性增强。从模拟氮沉降的不同氮肥梯度可以看出，N2.5和N5处理的相关系数高于N10处理。由此说明，氮肥添加量的增加或许降低了土壤呼吸与温度的相关性。

N2.5y=0.348 4e0.093 2x，r=0.812，P<0.01N5y=0.350 7e0.092 7x，r=0.814，P<0.01N10y=0.404 2e0.087 5x，r=0.799，P<0.01Py=0.415 1e0.090 1x，r=0.801，P<0.01NPy=0.359 6e0.095 5x，r=0.822，P<0.01CKy=0.368 3e0.086 1x，r=0.771，P<0.01图5 不同施肥处理下土壤呼吸速率与气温之间的相关性

结合指数方程和趋势线还可以看出，随着气温的上升，P处理土壤呼吸速率的增强幅度最大，其次为NP处理，N10处理的增幅也明显大于CK处理；N2.5和N5处理的趋势线几乎重叠，二者随气温的增加幅度大于CK、小于N10处理。表明，施肥提高了短花针茅荒漠草原随气温的上升而排放的CO2量，尤其P、NP和N10处理。

2.3.2 降雨量对土壤呼吸速率的影响

随着降雨量的增大，短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率呈指数增长趋势，各处理相关性也均达到了极显著水平(P<0.01)(图6)。其中，NP处理的相关系数最大，P处理的相关系数稍低于CK处理，N5和N10处理的相关系数明显低于N2.5和CK处理，N2.5和CK之间近似相等。表明，氮磷配施增强了短花针茅荒漠草原土壤呼吸与降雨量的相关性，P处理无明显影响，N5和N10处理明显减弱了土壤呼吸与降雨量的相关性。

N2.5y=0.638 6e0.0129x,r=0.728,P<0.01N5y=0.661 2e0.0121x,r=0.691,P<0.01N10y=0.723 8e0.0118x,r=0.699,P<0.01Py=0.745 9e0.0125x,r=0.717,P<0.01NPy=0.663 3e0.0134x,r=0.747,P<0.01CKy=0.626 3e0.0125x,r=0.727,P<0.01图6 不同施肥处理下土壤呼吸速率与降雨量之间的相关性

通过指数方程和趋势线又可以看出，月降雨量在100 mm以内时NP处理的土壤呼吸速率随降雨量的增加而增加的幅度小于P处理，但月降雨量大于100 mm时增幅大于P处理；N10处理的土壤呼吸速率随降雨量的增幅稍高于CK处理，但明显低于NP和P处理；而且土壤呼吸速率随降雨量的增加而增强的幅度与氮肥添加量的增加或减少之间无明显变化规律。表明，施肥提高了短花针茅荒漠草原随降雨量的增加而排放的CO2量，其中以P和NP处理为最明显。

2.3.3 地下生物量对土壤呼吸速率的影响

根系呼吸是土壤呼吸的重要组成部分，因此地下生物量与土壤呼吸之间必定有着相关性。从图7可以看出，短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率与地下生物量之间呈极显著正相关关系(P<0.01)，且相关系数达到了0.824；地下生物量可以解释短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率变化的68%左右(图7)。而施肥对地下生物量产生一定的影响。由图8可以看出，2012年N10、P和NP处理显著提高了短花针茅荒漠草原地下生物量(P<0.05)，N2.5、N5处理的地下生物量增加不显著(P>0.05)；2013年各施肥处理地下生物量与CK处理间均无显著差异(P>0.05)。可见，施肥对短花针茅荒漠草原地下生物量的影响也因年而异，降雨量大则施肥效应显著，降雨量小则不明显。

图7 土壤呼吸速率与地下生物量之间的相关性

2.3.4 土壤养分对土壤呼吸速率的影响

土壤养分是植物生长、土壤微生物生存的物质基础，土壤养分含量决定了植物生长发育状况和微生物量的大小。因此，土壤养分直接影响着根系呼吸和土壤微生物呼吸。4年连续监测结果显示，短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率与土壤有机质和有效磷含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与硝态氮含量呈显著正相关关系(P<0.05)，但与铵态氮含量不相关(P>0.05)(表2)。表明，短花针茅荒漠草原土壤有机质、有效磷和硝态氮含量的增加会促进CO2排放量。

图8 不同施肥处理下草地地下生物量注：相同小写字母表示各年不同处理间差异不显著，P>0.05。

表2 土壤呼吸速率与土壤养分之间的相关系数

注:*表示显著相关，P<0.05；**表示极显著相关，P<0.01。

从不同施肥处理土壤养分的影响(表3)可以看出，施肥对土壤铵态氮、硝态氮和有效磷含量产生极显著影响(P<0.01)，而对土壤有机质含量无影响(P>0.05)。随着氮肥添加量的增加，土壤铵态氮和硝态氮含量呈增加趋势，N10和NP处理铵态氮和硝态氮含量显著高于其他处理(P<0.05)，其次为N5处理铵态氮和硝态氮含量显著高于N2.5和CK处理(P<0.05)，N2.5与CK处理间差异不显著(P>0.05)；且N10处理的铵态氮含量显著高于NP处理。土壤有效磷含量以P处理最高，NP其次，二者与其他不施磷处理呈显著差异(P<0.05)，且P处理有效磷含量还显著高于NP处理(P<0.05)，单施氮肥处理有效磷含量均无明显变化(P>0.05)。

表3 施肥对土壤养分的影响

注：养分含量为各处理3年的平均值；同列相同字母表示处理间差异不显著，P>0.05；**表示差异极显著，P<0.01；*表示差异显著，P<0.05。

3 讨论

3.1 短花针茅草原土壤呼吸速率及其影响因素

土壤呼吸受温度等气候因子和植物生长的调控影响，具有明显的季节和年际变化规律[8]。短花针茅荒漠草原土壤呼吸季节变化呈单峰型，峰值出现在每年8月份。相关性分析表明土壤呼吸速率与气温和降雨量均呈指数相关关系，可8月份并非是短花针茅荒漠草原气温和降雨量最高的月份。因为土壤呼吸季节动态主要取决于温度和水分二者间的配置，并且因地理位置和群落类型的不同而异[9]。且温度和水分在一定范围内对土壤呼吸相互促进，在范围之外则会相互制约[10]。本研究是在降雨量较低的荒漠草原进行，因此，降雨量过大而抑制土壤呼吸的可能较小；但不排除7月中旬气温最高而抑制土壤呼吸的可能。最主要的原因是经过5～7月份气温的回升和雨水季节的到来，植物逐渐长出新根，到8月份根系生长最旺盛，根系呼吸对土壤呼吸的贡献最大，二者间的正线性相关系数(0.824)高于气温和降雨量与土壤呼吸之间的相关系数。这也进一步表明了植物生长旺盛季根系呼吸对土壤呼吸的贡献最大。张新杰等[11]也得出了相似的结论，即生长季初期新根刚开始生长，土壤呼吸大部分来自老根，到了生长旺季，新根生物量增多，土壤呼吸速率加快，新根主导了土壤呼吸。短花针茅荒漠草原5～9月平均土壤呼吸速率的年际变化规律基本与降雨量的变化规律一致。表明，短花针茅荒漠草原土壤呼吸受降雨量的影响较大。该结果印证了“水分是荒漠草原土壤呼吸季节变化的主要控制因子[12]”的研究结论。

3.2 施肥对短花针茅草原土壤呼吸速率的影响

Peng等[13]在内蒙古温带草地进行施肥发现，施肥没有改变土壤呼吸的季节变化规律，但却在施肥后第1 年促进了土壤呼吸，同时也改变了土壤呼吸和不同气候要素之间的关系，比如增加了土壤呼吸对水分的依赖性，降低了土壤呼吸温度敏感系数。究其原因，施肥是通过增加土壤中易分解有机质，改善土壤中的营养元素平衡，增加土壤中根系的生物量，进而促进微生物分解活动和根系的呼吸[14-15]。本研究中，短花针茅荒漠草原土壤呼吸的季节变化规律也未受不同施肥处理的影响，施肥后土壤呼吸速率有增加趋势，同时施肥也改变了土壤呼吸与气温和降雨量之间的相关性。而且，不同施肥处理对短花针茅荒漠草原土壤呼吸的影响不同。

土壤硝态氮、有机质和有效磷含量均与土壤呼吸呈显著正相关关系，而施氮肥可以提高土壤硝态氮含量，施磷肥或氮磷配施可以提高土壤有效磷含量和硝态氮含量。因此，单施氮肥、单施磷肥或氮磷配施均促进了短花针茅荒漠草原生长季土壤呼吸。但降雨量较低的年份(如2014年)，土壤呼吸速率低，施肥对其影响不显著；降雨量较高时(如2012年)，N10、P和NP处理地下生物量显著增长，根系呼吸随之增强，提高了土壤呼吸速率。陈全胜等[16]、王健林等[17]也指出，水分较缺乏情况下降雨事件会强烈地激发土壤呼吸，因为土壤水分过低会限制微生物呼吸和根系呼吸[18]。虽然2013年各施肥处理地下生物量无显著变化，但2013年生长季降雨量高于2014年，尤其2013年7月降雨量(95.5 mm)明显高于2014年7月(52.6 mm)，对根系呼吸和微生物呼吸产生促进作用，可见，2013年N10、P和NP处理土壤呼吸速率显著高于CK处理，却在2014年无差异。表明，单施氮肥、单施磷肥或氮磷配施对短花针茅荒漠草原生长季土壤呼吸的影响因降雨量的多少而决定，降雨量越高对土壤呼吸的影响越明显。王珍等[19]在氮肥添加试验中也得出了相似的结论。

本研究中，模拟氮沉降处理均促进了短花针茅荒漠草原生长季平均土壤呼吸，而且，随着氮肥添加量的增加，土壤呼吸速率呈增强趋势。这主要是氮肥的添加促进了植物根系的生长，提高了根系自养呼吸。但是，氮肥添加量的增加会减弱土壤呼吸与气温和降雨量的相关性。这可能是施氮浓度的提高降低了微生物酶活性[20]，抑制了异养呼吸[21]，从而减弱了对环境因子的敏感性。该结果符合Zhou等[22]研究得出的结论，即自养呼吸对氮添加的反应与根系生物量密切相关，氮添加与异养呼吸呈负相关关系。当然，土壤呼吸对施肥的响应关系因研究区域土壤养分状况和施氮浓度的不同而不同[23]。在氮含量丰富的环境中，氮添加会抑制土壤呼吸，在氮限制的地区，氮添加则会促进土壤呼吸[24-25]。而短花针茅草原是草原向荒漠过渡的一类草原，土壤贫瘠，氮素和磷素较为缺乏。因此，添加氮素和磷素对短花针茅草原土壤肥力的提高和植物的生长均会产生正效应。施磷肥后，土壤有效磷含量显著上升，而有效磷含量的增加在一定程度上促进土壤微生物的生长繁殖[26]，进而增强微生物呼吸；同时，磷肥对植物根系生长也有促进作用，根系呼吸随之增强。因此，单施磷处理土壤呼吸高于单施氮肥和氮磷配施处理，且随气温和降雨量的上升而增加的幅度也最大。氮磷配施比单施氮或磷肥更有效补充土壤养分，提高土壤肥力，促进植物生长。本研究中，氮磷配施处理土壤铵态氮、硝态氮和有效磷含量均显著提高，2012年地下生物量显著增加，土壤呼吸与气温和降雨量的相关性增强，生长季平均土壤呼吸速率稍低于单施磷处理。

4 结论

短花针茅荒漠草原土壤呼吸受降雨量的影响较大，降雨量高的年份对土壤呼吸的影响较明显；单施氮肥、单施磷肥或氮磷配施均促进了短花针茅荒漠草原土壤呼吸速率，但其作用程度受降雨量多少而不同，特别是单施磷肥后对土壤呼吸速率提高明显；随着模拟氮沉降量的增加，土壤呼吸速率呈增强趋势，但土壤呼吸与环境因子间的相关性减弱。