稻田不同施氮量对土壤呼吸的效应分析及施氮量方案寻优

张 超，刘志凯

(1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2.日照市水务工程建设公司，山东 日照 276800)

农田作为陆地生态系统的重要组成部分，土壤呼吸扮演着重要的角色，它是土体与大气、CO2相互交换的重要途径[1-2]，土壤呼吸包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸、动物呼吸和土壤碳矿物质的氧化作用释放CO2过程4个部分[3]；植物的光合作用产物运送到根部并在根和根际微生物的初始同化后的几个小时内代谢[4]，根呼吸随光合作用的变化而变化[5-6]。多数研究表明，土壤呼吸受施肥[7-9]、土壤通气性[10-11]、土壤pH值[12]、土壤湿度[13-14]和土壤温度[15-16]等因素的影响。因此，开展农田生态系统土壤呼吸速率的研究对准确评估陆地生态系统碳收支情况具有重要的指导意义。土壤水分含量和土壤温度是影响土壤呼吸变化的关键环境因子，土壤水热状况的改变势必影响植物根系呼吸以及土壤微生物群落组成，进而导致土壤呼吸的剧烈变动。灌溉作为一种主要的农田管理措施，能够改变土壤的结构和理化性质，从而使土壤有机质含量、微生物组成和含量、根系生物量等发生改变，进而使土壤呼吸产生差异。本试验以水田为例，来研究在间歇灌溉条件下不同施氮肥对水田土壤呼吸的影响，旨在为水田土壤呼吸的准确评估及合理安排水田管理措施提高水田土壤固碳能力提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于浙江省杭州市萧山区临江生态循环农业示范区(29°50′N，120°13′E)， 属亚热带季风性气候区，年平均气温16.1℃，降水量1402.5 mm，常年无霜期248 d。试验区耕层土壤为非石灰性潴育型水稻土，土壤密度为1.28～1.35 g/cm3。

1.2 试验设计

试验在间歇灌溉条件下即在返青期田面保持0～30 mm水层，其余生育期将每次灌水量分次灌入田中，田面无明显水层，为减少水稻无效分蘖，分蘖末期均进行晒田水分管理。采用4种施氮肥方式分别为0(CK)，150 kg/hm2，180 kg/hm2，210 kg/hm2。每个处理3次重复，共设置12个小区，各小区面积为 100 m2，每个小区安装水表及水尺控制灌溉水量和水层深度。试验田施加五氧化二磷 60 kg/hm2，氧化钾 100 kg/hm2。尿素按照基肥、蘖肥、调节肥、穗肥比例为5∶2.5∶1∶1.5分施。5月9日施基肥(包含返青肥)，5月20日移栽，6月5日施分蘖肥，7月24日施穗肥，9月27日收获。生育时期分为返青期(5月20 日-6月5日)、分蘖期(6月6日-7月10日)、拔节孕穗期(7月11日-7月28日)、抽穗开花期(7月29日-8月10日)、乳熟期(8月11日-8月27日)、黄熟期(8月27日—9月27日)。

1.3 试验观测指标与数据处理

1.3.1 土壤呼吸测定

于水稻插秧后在各个处理小区埋入高 10 cm、直径 20 cm的 PVC 材质底座，用于测定土壤呼吸，底座埋入土壤中5 cm。埋入底座之后，将底座外周边一圈土壤压紧，以防止漏气。每个小区埋入 1 个土壤呼吸底座。土壤呼吸底座位于水稻行间，能保证土壤呼吸中包含了一部分根呼吸作用，具有较好的代表性。定期人工去除底座内生长出的植物，以保证测定的呼吸作用不包含植物呼吸。每周观测 1 次土壤呼吸，遇有雨天则延后观测。在每个观测日的 9:00～11:00 采用 Li-8100A 土壤呼吸自动测量系统(Li-COR 公司，美国)测定各小区的土壤呼吸速率。在每轮气体观测时，在每个小区采集1次土壤呼吸速率。观测土壤呼吸时，在各小区进行随机观测。在各生育阶段选择天气晴朗的日期(3～5 d)观测稻田土壤呼吸速率日变化，观测时间3:00、6:00、8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00、23:00。

1.3.2 土壤温度、土壤湿度

在每次测定土壤呼吸速率的同时，采用Li-8100A附带的土壤温度和湿度探头测定5 cm深土壤温度、土壤湿度(土壤体积含水量)。

1.3.3 数据处理

采用SPSS进行数据处理，Original进行画图，对数据进行最小显著极差法(LSD)分析其显著性。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理稻田土壤呼吸全生育期变化规律

水稻插秧后3 d，进入返青期开始对稻田不同施氮肥处理小区进行土壤呼吸检测直至乳熟期结束，各施氮肥处理土壤呼吸速率的动态变化趋势基本一致都呈先增加后降低的趋势，并在拔节孕穗期达到最大值(见图 1)。在水稻返青期至分蘖初期，各施氮肥处理土壤日呼吸速率变幅较小，且在返青期处理之间没有明显的变化规律。土壤呼吸速率维持在0.5～1.0 g/(m2·d)之间；随着返青期的结束，进入分蘖期，由于天气温度逐渐升高，土壤呼吸速率也开始有所增加，直到拔节孕穗期结束，在水稻生育期土壤呼吸速率达到最大值，此时不同施氮肥土壤呼吸速率维持在2.5～3.5 g/(m2·d)之间，从分蘖期到拔节孕穗期土壤呼吸速率增加幅度显著大于返青期到分蘖期(P<0.05)。到抽穗开花期和乳熟期，各处理的土壤呼吸速率开始有所下降，但仍有较高的日呼吸速率最终维持在1.2～2.0 g/(m2·d)。在水稻生长期内，施氮肥量150 kg/hm2、180 kg/hm2和210 kg/hm2与对照CK相比，整个生育期内平均增加了10.30%、50.76%(P<0.05)和44.39%(P<0.05)。从增加的幅度来看，施氮肥量180 kg/hm2和210 kg/hm2能够显著提高土壤呼吸速率加快稻田土壤气体交换。

图1 不同生育时期土壤呼吸速率变化

2.2 不同施肥处理对稻田日土壤呼吸速率的影响

如图2所示，相同生育时期不同施氮肥处理土壤呼吸速率变化基本一致，但不同生育时期之间土壤呼吸速率变化有所不同。在返青期和乳熟期土壤呼吸速率呈现为先上升后下降趋势且日变化幅度比较小，在12:00～14:00之间达到土壤呼吸速率的最大值；而在分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期的变化趋势为先下降后上升的变化过程，日变化幅度比较大并在12：00～14：00之间达到最小值。在稻田整个生育内的日变化施氮肥量180 kg/hm2呼吸速率要大于施氮肥量为0、150 kg/hm2和210 kg/hm2；在返青期施氮肥量180 kg/hm2的日呼吸速率均值分别是施氮肥量为0、150 kg/hm2和210 kg/hm2的1.279(P<0.05)倍、1.040(P<0.05)倍和1.219(P<0.05)倍；在分蘖期施氮肥量180 kg/hm2的日呼吸速率均值分别是施氮肥量为0、150 kg/hm2和210 kg/hm2的1.036(P<0.05)倍、1.021(P<0.05)倍和1.042(P<0.05)倍；拔节孕穗期施氮肥量180 kg/hm2的日呼吸速率均值分别是施氮肥量为0、150 kg/hm2和210 kg/hm2的1.178(P<0.05)倍、1.120(P<0.05)倍和1.085(P<0.05)倍；抽穗开花期施氮肥量180kg/hm2的日呼吸速率均值分别是施氮肥量为0、150 kg/hm2和210 kg/hm2的1.037(P<0.05)倍、1.043(P<0.05)倍和1.100(P<0.05)倍；乳熟期施氮肥量180 kg/hm2的日呼吸速率均值分别是施氮肥量为0、150 kg/hm2和210 kg/hm2的1.116(P<0.05)倍、1.037(P<0.05)倍和1.115(P<0.05)倍。从稻田土壤呼吸的日变化和土壤呼吸全生育期的变化综合来看，施氮肥量180 kg/hm2对间歇灌溉稻田土壤气体交换最有力。

图2 不同生育时期稻田土壤呼吸速率日变化

2.3 土壤呼吸与温度之间的响应关系

大量学者研究表明，土壤呼吸速率会随着土温的升高而增强[16-17]，呈正相关关系。土壤温度升高对植物根系呼吸作用、土壤微生物活动以及土壤中有机质分解都有促进和加速作用，特别是与土壤 5 cm 土温有很好的相关性[18]。因此，对间歇灌溉不同施氮肥处理的前土壤呼吸的所有数据和所有土壤5 cm地温进行汇总，对土壤呼吸速率和5 cm地温进行回归分析。如图3所示，各点均匀地分布在曲线的两侧，表明采用指数模型能够较好地表示土壤呼吸与温度的变化关系，同时曲线表明在施氮肥前期随着温度的增加，土壤呼吸速率上升幅度加快，呈正相关。进一步说明施氮肥前期温度是影响稻田土壤呼吸的主要因子。从曲线的决定系数来看，R2=0.7138达到了显著相关性水平(P<0.05)，此研究结果与杨士红等[2]研究结论相一致。

图3 稻田5 cm地温与土壤呼吸速率的关系

3 讨 论

本试验在水稻生长季，土壤呼吸速率在水稻的整个生育期为先增后降的曲线变化趋势，于水稻拔节孕穗期达到土壤呼吸的最大值，返青期最低。分蘖期开始增加，到拔节孕穗期迅速增加，之后在抽穗开花期和乳熟期缓慢下降。这主要是因为水稻插秧后，稻田温度比较低，到返青期不同处理的土壤呼吸没有明显的变化规律，随着返青期的结束，温度的逐渐升高，水稻根系生长加快，根生长呼吸和根系生长产生的分泌物促进土壤微生物呼吸[19]，并且施用氮肥为作物生长提供大量矿质营养，微生物活性增强，作物根系生长迅速，表现为土壤呼吸速率增加；生育后期作物逐渐衰老，土壤温度降低，水稻根系活力下降，呼吸速率降低。关于施氮量与土壤呼吸速率的关系，国内外进行了大量的研究，但结果有所不同，总结起来有3 种：促进、抑制和无显著影响[20]。本研究表明，土壤呼吸速率随施氮量增加而呈抛物线的变化趋势，说明在一定施氮范围内，土壤呼吸总量随施氮量增加而增加。适量的施氮量可以提高土壤当中微生物的活性，有机质含量增加，同时提高了植物的光合作用也促进了植物的根系生长，给植株和土壤的光合产物增加 ，促进根呼吸。而不同处理的土壤呼吸的日变化规律只有施肥量180 kg/hm2处理的要显著大于其它处理，而0，150 kg/hm2和210 kg/hm2不同生育期之间的规律变化并不一致。土壤呼吸速率与温度关系分析有研究表明，土壤水分和温度是影响土壤呼吸速率的关键因子[21-22]。此试验是在间歇灌溉条件下，田面是有少量的薄水层，所以整个生长期不同施肥处理的土壤水分基本一致，而施氮肥前期土壤呼吸速率增加主要受温度的影响，所以本试验前期只是讨论了和温度的关系。在水稻生长季，土壤呼吸速率随温度升高呈指数增加。有研究表明，微生物呼吸作用和根系呼吸对土壤温度变化敏感，一定范围内环境温度增加可促进土壤微生物活性，加速有机质分解，产生CO2，同时，土壤温度增加可直接影响植物根系生长，影响土壤呼吸[23]。与本试验的研究结果相一致，表明在未施氮肥时，温度是影响土壤呼吸的关键因素。

4 结 论

在间歇灌溉条件下研究不同施氮肥量对稻田土壤呼吸的影响，结果表明：

(1)在水稻生长期内，施氮肥量150 kg/hm2、180 kg/hm2和210 kg/hm2与对照CK相比，整个生育期内土壤呼吸速率平均增加了10.30%、50.76%(P<0.05)和44.39%(P<0.05)。施氮肥量180 kg/hm2和 210 kg/hm2能够显著提高土壤呼吸速率加快稻田土壤气体交换。

(2)稻田土壤呼吸的日变化规律不同生育期不完全一样，返青期和乳熟期的变化规律与分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期变化趋势相反。施氮肥量180 kg/hm2处理的日变化最好，且日变化速率均值显著高于其它处理(P<0.05)。

(3)稻田土壤呼吸速率与5 cm地温有显著的相关关系，决定系数R2为0.7138，未施氮肥时，土壤呼吸速率随着温度的增加，增加幅度加快，表明前期温度是影响土壤呼吸速率的主要因子。