不同水肥措施对甜高粱农田土壤呼吸和硝化-反硝化作用的影响

2020-12-28孟阳阳刘冰康建军

甘肃农业大学学报 2020年6期

孟阳阳，刘冰，康建军

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院，中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站，中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049)

气候变暖已成为全球性重大环境问题之一.据IPCC第5次评估报告，自工业化以来强效温室气体CO2和N2O的浓度分别增加了40%和120%，使得碳氮循环成为气候变化研究中的热点问题[1].土壤CO2和N2O通量在空间尺度上是异常分散的，因此二者的预测仍然具有挑战性[2-3].土壤呼吸和硝化-反硝化作用分别作为陆地生态系统土壤和大气之间CO2和N2O交换的关键过程，在全球碳氮循环中起着重要作用[4].农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，也是人类活动最活跃的生态系统，不同农田管理措施使其土壤CO2和N2O通量形成强烈的空间异质性[5].因此，研究不同区域农业措施对土壤呼吸和硝化-反硝化作用的影响，对准确预测农田土壤碳氮通量和制定有效地缓解气候变化战略至关重要.

灌溉和施肥是最基本的农田管理措施，对农田土壤碳、氮库及其转化速率变化具有重要影响[6].在干旱区，降水稀少、土壤贫瘠，农田对灌溉和施肥的依赖性最强，因此，水肥措施差异引起的土壤碳氮过程空间变异更为明显.但是，已有研究关于农田碳氮循环，特别是氮循环，主要集中在我国中东部地区，西北干旱区鲜有报道.

灌溉作为干旱区农田最主要的农业措施，是作物生长的主要水分来源，同时，可以改变土壤理化性质、土壤微生物组成与含量、以及地上、地下植物生物量等因子，从而使土壤呼吸、硝化和反硝化作用表现出差异[7-8].近年来，由于干旱区生态补偿政策的实施，不同收入农民采取的年灌溉次数存在明显差异，使得农田年灌溉量空间变异性增大.然而，以往干旱区农田研究主要集中在不同灌溉方式(如滴灌、喷灌和漫灌等)对土壤碳氮过程的影响[9]，关于年灌溉量差异对农田碳氮转化的研究还较为缺乏.

施肥是农田主要增产措施之一，其配比差异能够对作物生长、微生物活性产生不同作用，进而对土壤碳氮循环过程产生重要影响[10-11].国内外已有众多学者进行了不同施肥处理对土壤碳氮过程的研究，结果不尽一致[11-14].多数研究发现，随着施氮(N)的增加土壤呼吸呈增强趋势.但也有研究表明，氮肥会减少碳向地下部的分配，使土壤呼吸速率降低[12-13].乔云发等[14]研究表明，与不施肥处理(CK)相比，氮磷(NP)和氮磷钾(NPK)肥料配施显著增加了土壤呼吸.然而，张前兵等[9]研究得出相反的结论，即CK>NPK.另外，杨靖民等[15]的研究表明，施N对土壤硝化、反硝化作用具有促进作用.蔡延江等[16]研究表明，与其他化肥配施相比，仅施N肥对N2O的排放影响最大.但是，徐杰[17]的研究发现，NPK配施处理产生的N2O通量大于N处理.所以，不同施肥措施对农田土壤碳氮循环的影响机制较为复杂，有待进一步研究.此外，已有研究多侧重于灌溉或施肥一种农作措施对土壤碳氮循环的研究[18-19]，而对水肥互作的综合效应研究较少.

河西走廊荒漠绿洲区是我国的粮食主产区之一，气候干燥，光照充足，盐碱地面积广泛[20].甜高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)具有抗旱、耐瘠、耐盐碱等优点，适宜在干旱盐碱地上种植，生产力高，被誉为“生物能源系统中最有力的竞争者”，是河西走廊的一种典型作物[21].在河西走廊地区，虽然节水灌溉方式正在迅速发展，但漫灌仍然是主要的灌溉方式，且部分农民受生态补偿政策影响，减少了年灌溉次数.同时，氮肥是该地区农田施用量最多的化肥，磷钾肥施用量相对较少.因此，本研究以河西走廊绿洲区甜高粱农田为例，探讨不同年灌溉量(5、6、7次漫灌/年)和不同施肥配施处理(N、NP、NPK处理)及其交互作用对土壤呼吸、硝化和反硝化作用的影响，以期为水肥措施条件下干旱区甜高粱农田温室气体排放准确预测和合理安排农业管理措施奠定试验基础.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于河西走廊黑河中游临泽县境内荒漠绿洲过渡带农田区(N 39°21′，E 100°07′)，属温带大陆性干旱气候.年均降水量117 mm，多集中于7～8月，年均蒸发量为2 390 mm；年均气温7.6 ℃，最高达39.1 ℃，最低为-27.3 ℃；风向主要为西北风，年均风速3.2 m/s，最大风速21 m/s，大于8级大风日数年平均为15 d.土壤主要为砂壤土.0～20 cm耕层土壤含有机质6.0 g/kg，全氮0.4 g/kg，全磷0.4 g/kg，全钾16.7 g/kg，碱解氮32.5 mg/kg，速效磷8.6 mg/kg，速效钾108 mg/kg，沙粒、粉粒与粘粒比分别为84.5%、11.4%与4.1%[22].

1.2 试验设计

试验于2017年5月2日(播种)～10月3日(收获)在甜高粱水肥一体化研究基地进行.试验所用甜高粱的品种为‘近甜1号’(BJ0601)(认定编号：甘认粱2013001)，采用平地覆膜种植模式以及漫灌灌溉方式.分3种灌溉处理，分别在生长期内分为5、6、7次灌溉，总灌溉量相应为5 400 m3/hm2、6 600 m3/hm2、7 800 m3/hm2.在播种前灌水1次(600 m3/hm2)，整个生育期(苗期、拔节期、抽穗期和灌浆期)分别灌溉4次、5次和6次.根据降水情况、土壤墒情和植株长势，适时定量灌溉.由于7～8月气温高，蒸发量大，甜高粱需水量较大，在此时期增加灌溉次数，其余时间减少灌溉频率.在灌溉处理的基础上，肥料配施分为N处理(尿素：CO(NH2)2，总氮≥46.4%，内蒙古博大实地化学有限公司生产的中颗粒速效性氮肥)、NP处理(尿素+磷酸二胺：(NH4)2HPO4，总氮≥18%，总磷≥64%，山东鸿运昌化工科技有限公司生产的含氮、磷两种营养元素的二元高效复合肥)和NPK处理(复合肥：N-P2O5-K2O的质量分数均为15%，湖北新洋丰肥业股份有限公司生产含有氮肥、磷肥和钾肥的混合肥料).各肥料施量是按商品肥计量.每年N处理施肥梯度分别为：N1(0.15 kg/20 m2) 、N2(0.3 kg/20 m2)、N3(0.6 kg/20 m2)、N4(0.9 kg/20 m2)和N5(1.2 kg/20 m2)；NP处理施肥梯度分别为：NP1(0.165+0.11 kg/20 m2)、NP2(0.33+0.22 kg/20 m2)、NP3(0.67+0.43 kg/20 m2)、NP4(1+0.64 kg/20 m2)和NP5(1.33+0.89 kg/20 m2)；NPK处理施肥梯度分别为：NPK1(0.5 kg/20 m2)、NPK2(1 kg/20 m2)、NPK3(2 kg/20 m2)、NPK4(3 kg/20 m2)和NPK5(4 kg/20 m2).对照组(CK)为只灌溉不施肥.在甜高粱拔节期灌溉并进行第一次施肥，当甜高粱进入抽穗期，灌溉并第二次施肥，施肥量与第一次施肥处理相同.试验小区的前茬作物均为玉米.采用完全随机区组试验设计，每个试验组重复3个样地，每个试验小区面积为20 m2，样地间的缓冲带宽约1 m，共135个小区.

1.3 观测指标与方法

1.3.1 土壤呼吸和甜高粱生物量测定选择CK与灌溉梯度(5、6、7灌溉)的N、NP、NPK处理(均为处理3，适中施肥水平)试验小区，以及CK与7次灌溉(研究区农田应用最多的年灌溉次数)的N、NP、NPK处理梯度试验小区，分别在每个试验小区中设置1个土壤呼吸测定基座(内径20 cm，高度13 cm的PVC管)，每个基座嵌入土壤10 cm.选择所有处理均在灌溉3～5 d后的晴朗天气(各处理土壤水分差异较小)，利用LI-8100便携式土壤呼吸速率测量系统(Li-Cor Inc.,Lincoln,NE,USA)进行土壤呼吸测定.在测定的前24 h去除基座中一切植物活体.分别于2017年7月4日(拔节期初)和8月6日(拔节期末)进行测定(此期间为甜高粱生长拔节期，生长速度最快，受水肥措施影响最为明显)，每次测定时间为北京时间9∶00～15∶00.在测定土壤呼吸的同时，用LI-8100便携式呼吸测定系统测定0～5 cm土层的土壤体积含水量(7月：5.42%～8.51%；8月：6.13%～8.74%)和土壤温度(7月：18.23～19.11 ℃；8月：17.49～18.61 ℃)，土壤含水量与温度差异较小，避免了二者差异大对土壤呼吸的影响.在所选试验小区，测定完土壤呼吸后，每小区采取3株甜高粱测定鲜质量，放入烘箱120 ℃杀青2 h后，80 ℃烘干至恒质量，测量干质量.

1.3.2 土壤硝化和反硝化速率测定土壤总硝化和反硝化速率是在实验室内使用气压过程分离技术(BaPS)仪器(UMS GmbH Inc.,Germany)进行测定.BaPS是在装入野外原状土柱的气密恒温系统中，根据系统中压力、CO2、O2的变化，准确计算出土壤样品的总硝化、反硝化速率.有关BaPS测定原理与程序的详细说明，详见Ingwersen等[23]和Breuer等[24]的研究.

在农田里，选取灌溉梯度的NPK3处理，以及7次灌溉的N处理梯度(因土壤硝化、反硝化速率测定时间较久，故仅选择农田施用最多的氮肥进行研究)，于2017年8月份进行采样，采用直径6 cm、高4.3 cm的环刀取样，每个处理取6个土壤样品作为重复，采样后迅速送到实验室.将样品放入BaPS系统中，恒温水浴1～2 h(密闭空间温度和水浴温度达到一致)，测定10～12 h，得出土壤总硝化和反硝化速率，二者的测定结果均为6个样品的平均值.

1.4 数据处理

在SPSS 19.0中，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD法)分别对灌溉量梯度和施肥梯度下的甜高粱生物量、土壤呼吸、硝化和反硝化速率进行方差分析和差异显著性比较.运用双因素方差分析法(Two-way ANOVA)来分析不同灌溉和施肥处理及其交互作用对土壤呼吸、总硝化和反硝化速率的影响.所有绘图在Origin 9.0中完成.

2 结果与分析

2.1 不同灌溉水平下甜高粱地上部生物量和土壤呼吸速率

甜高粱地上部生物量和农田土壤呼吸速率对灌溉量梯度表现出相似的趋势(图1～2).无论拔节期初期与末期，随着年灌溉次数的增多，甜高粱地上生物量和土壤呼吸速率均呈逐渐增加趋势.7次灌溉处理下的甜高粱地上生物量和土壤呼吸速率均显著大于6次和5次灌溉处理(P<0.05).6次和5次灌溉各施肥处理(CK、N3、NP3、NPK3)与7次灌溉相比，地上生物量拔节期初分别低12.4%和22.3%、20.1%和40.2%、15.6%和37%、16.9%和31.3%(图1-A)，拔节期末分别低24.4%和31.6%、14.1%和40%、28.6%和45.5%、20.9%和42.6%(图1-B)；土壤呼吸速率拔节期初分别低27%和42.6%、32%和63.2%、9.9%和40.5%、31.4%和36.2%(图2-A)，拔节期末分别低17.3%和66.7%、18.4%和47.9%、10%和77.1%、22.2%和82.4%(图2-B).此外，无论拔节期初期还是末期，相同灌溉量水平下，N3、NP3、NPK3处理的甜高粱地上生物量和土壤呼吸速率都明显高于CK，但N3、NP3、NPK3各肥料配施处理之间的生物量与土壤呼吸整体差异微小，没有明显的规律，说明相对于施肥，干旱区甜高粱农田作物生长和土壤呼吸受灌溉作用影响更大.

不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).图1 拔节期初(A)、末(B)年灌溉次数梯度下的甜高粱地上部生物量Figure 1 The aboveground biomass of sweet sorghum under the gradient of irrigation times at the beginning (A) and end (B) of jointing period

不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).图2 拔节期初(A)、末(B)年灌溉次数梯度下甜高粱农田土壤呼吸速率Figure 2 The soil respiration rate in sweet sorghum farmland under the gradient of irrigation times at the beginning (A) and end (B) of jointing period

经过拔节期生长，所有灌溉水平处理的甜高粱地上生物量均大幅增长，增长范围为81.9%～136.4%(图1).灌溉次数越多，增幅越大，说明干旱区农田作物对水分依赖性很强.同时，所有灌溉处理下的土壤呼吸速率也均呈增大趋势，增幅为8.4%～98.6%(图2).但是，土壤呼吸速率拔节期增大量随灌溉梯度没有表现出明显规律.

2.2 不同施肥处理下甜高粱地上生物量和土壤呼吸速率

甜高粱地上部生物量和农田土壤呼吸速率在不同施肥处理梯度下均表现出明显相似的规律，随着施肥水平的增加，拔节期初期与末期的生物量和土壤呼吸速率均呈显著增加趋势(P<0.05)(图3～4).N、NP、NPK所有处理梯度与CK相比，生物量拔节期初增幅依次为8.3%、40%、48.3%、53.3%和75%，25%、36.7%、44.2%、57.6%和66.7%，5%、15%、37.5%、48.3%和50%(图3-A)，拔节期末增幅依次为6.2%、15.9%、29%、39.9%和48.9%，7.2%、24.3%、39.9%、50.4%和48.6%，5.8%、21.7%、30.8%、32.2%和45.3%(图3-B)；同时，土壤呼吸速率拔节期初增幅分别为22.9%、44.9%、61.6%、64.1%和71%，2.9%、10.2%、24.5%、38.8%和54.7%，17.6%、21.2%、29%、49.8%和44.9%(图4-A)，拔节期末增幅分别为6.9%、15.6%、27.8%、31.1%和42.2%，4.8%、14.4%、21.6%、28.4%和42.8%，13.2%、18.3%、32.9%、33.8%和35.9%(图4-B).无论拔节期初期还是末期，甜高粱地上生物量和土壤呼吸在N、NP和NPK各处理水平之间基本上均相差较小，无明显规律.

不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).图3 拔节期初(A)、末(B)不同施肥处理梯度下的甜高粱地上部生物量Figure 3 Aboveground biomass of sweet sorghum under different fertilization gradients at the beginning (A) and end (B) of jointing period

不同施肥处理下，拔节期甜高粱迅速生长，农田土壤呼吸增强，地上生物量和土壤呼吸速率增长范围分别为90.1%～145.2%和8.4%～42.8%.二者的增幅随各施肥处理含量增加规律不明显，但对不同配施处理响应有所不同.整体上，经过拔节期，生物量在NPK处理下增幅最大(104.7%～145.2%)，NP处理次之(97.9%～124.1%)，N处理最小(90.1%～124.6%).NPK(32.3%)和NP(34.4%)配施处理的土壤呼吸速率平均增幅均为N处理平均增幅(16.1%)的约2倍.

不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).图4 拔节期初(A)、末(B)不同施肥处理梯度下的甜高粱农田土壤呼吸速率Figure 4 The soil respiration rate in sweet sorghum field under different fertilization gradients at the beginning (A) and end (B) of jointing period

2.3 不同灌溉和施肥水平下的土壤总硝化和反硝化速率

甜高粱农田土壤总硝化和反硝化速率对灌溉梯度的响应不同，且变化规律均不明显(图5-A).7次灌溉处理的总硝化速率(265.11 μg/(kg·h))最大，并显著高于5次、6次灌溉(P<0.05).5次和6次灌溉处理下的土壤总硝化速率分别比7次灌溉降低58%和59%.然而，各灌溉处理下的反硝化速率之间不存在显著性差异(P>0.05).

另外，随着氮肥含量的增加，甜高粱农田土壤总硝化、反硝化速率均呈增加趋势(图5-B)，说明氮肥的施加会促进甜高粱农田硝化、反硝化作用.N1、N2、N3、N4和N5处理的土壤总硝化速率分别比CK处理显著增加100.75%、123.34%、236.05%、287.67%和326.39%(P<0.05)，反硝化速率依次比CK显著增加56.86%、93.36%、270.74%、488.54%和550.03%(P<0.05).

不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).图5 灌溉次数梯度(A)和氮肥梯度(B)的土壤总硝化和反硝化速率Figure 5 The total nitrification rate and denitrification rate under irrigation times (A) and nitrogen fertilizer (B) gradients

3 讨论

3.1 不同灌溉和施肥措施对甜高粱农田土壤呼吸的影响

土壤呼吸主要包括植物根系呼吸与土壤微生物呼吸两部分，受各种生物与非生物因素的共同作用，是一个非常复杂的过程[25-26].水肥互作是干旱区农田最主要的管理措施，不同水肥措施对农田土壤理化性质、微生物群落组成与数量、以及作物生长状况的变化有着重要的影响，进而使农田土壤呼吸在空间上产生差异[9].干旱区作物生长所需水分主要来自于灌溉，年灌溉量的差别通过对土壤-作物环境的作用对农田土壤呼吸速率产生影响[7].以往研究表明，灌溉量的增加会促进土壤呼吸，过量则反之[27-28].本研究选取的灌溉处理均未达到过量级别，且随着年灌溉量的增多，甜高粱农田土壤呼吸速率呈逐渐增加趋势，甜高粱地上生物量与土壤呼吸表现出相似的趋势.这主要是因为在适度范围内，灌溉越多的干旱区甜高粱农田土壤物理结构越好，其孔隙分布越有利于氧气与水分的扩散，从而促进甜高粱根系的生长与呼吸以及微生物的活性，进而加强土壤呼吸作用[29].相反，研究区气候干燥、蒸发强烈，地下水位相对较浅，灌溉相对较少的农田易引发土壤盐碱化，对土壤微生物活性、数量以及群落多样性产生抑制作用，也会破坏土壤粘粒结构使土壤表面板结，限制土壤水分与空气的运移，对甜高粱根系呼吸和微生物活性产生间接负影响[30-31].另外，本研究显示，甜高粱地上生物量拔节期增长量随灌溉次数增多而增大，然而，土壤呼吸速率在拔节期的增大量随灌溉梯度没有表现出明显规律.这可能是拔节期间甜高粱地下生物量生长速度不及地上生物量导致的.

在干旱区，施肥是农田贫瘠土壤的主要养分来源，主要通过对作物根系与微生物生物量的影响对土壤呼吸产生作用，不同化肥配施对土壤呼吸的影响强度不同[9,32].本研究中，施肥处理对甜高粱农田土壤呼吸速率和地上生物量具有促进作用.氮肥施加可以提高土壤中氮的有效性，从而促进植物的光合作用和提高作物生产力，促进作物根系生长，使得根呼吸得到加强；施氮还会促进作物根系分泌物增多，进而促进有机碳积累，微生物的活性和数量随之增加，使微生物呼吸增强[19,33].以往研究中，施氮对土壤呼吸的影响并不一致[34-35].多数研究表明土壤呼吸作用随施氮水平的提高而增强[10,33].但是，Moran等[36]认为氮与土壤活性碳会进行缩合反应，从而增加土壤惰性碳含量，导致土壤向大气排放的碳减少.氮添加对土壤呼吸的不同影响，可能是由生物群落、环境条件以及试验方法的差异导致的[35].此外，本研究发现，无论拔节期初期还是末期，甜高粱地上生物量和土壤呼吸在N、NP和NPK各处理水平之间基本上均相差较小，无明显规律.这可能是因为在干旱区相对于施肥，灌溉对甜高粱的生长影响更大；也可能存在农田基底养分含量的差异.但是经过拔节期，不同施肥处理下的生物量增幅表现为NPK>NP>N处理，同时，NPK和NP处理的土壤呼吸速率平均增幅均为N处理的约2倍，这说明甜高粱拔节期间，P、K对甜高粱的生长起着重要作用，促进了土壤呼吸.

通常情况下，灌溉与施肥对农田土壤呼吸的影响存在密切的交互作用[9,11].土壤水分能够促进化肥的溶解与运移，从而增强根系和土壤微生物群落对肥料的吸收[37].同时，施肥可以增大根系生物量和土壤微生物量，其生命活动的维持又增加了对土壤水分的需求[38].本研究显示，灌溉量和各施肥处理(N、NP、NPK)的交互作用对甜高粱农田土壤呼吸的影响均具有显著促进作用(P<0.05，表1)，表明随水肥含量的增加，干旱区甜高粱农田土壤释放的CO2通量增加.

表1 不同灌溉(Ir)和施肥(N、NP、NPK)及其交互作用对土壤呼吸速率影响的双因素方差分析

3.2 不同灌溉和施肥措施对甜高粱农田土壤硝化和反硝化作用的影响

土壤硝化和反硝化作用是两个土壤产生和排放N2O的氮素转化主要过程，二者相互独立，又相互关联[39].硝化、反硝化反应分别喜好氧、厌氧环境，但硝化反应的产物可以作为反硝化反应的底物，从而促进反硝化作用[4].农田水肥措施主要通过改变土壤理化性质影响着硝化细菌、反硝化细菌等微生物的活性与数量，进而对土壤硝化、反硝化作用产生重要影响[16-17].灌溉是影响农田土壤中氧气扩散、溶质运移和微生物活性的关键因子[18,40].本研究中，随灌溉梯度变化，甜高粱农田土壤硝化和反硝化作用均未表现出明显的变化规律.Sexstone等[8]研究发现，土壤反硝化速率在灌溉后立即增大，增加到最大值后又返回到灌溉前水平.本试验是在灌溉若干天后才取样测定，硝化-反硝化作用可能对灌溉即时的响应比较大，而对灌溉长期效应响应相对较小.

以往研究表明，氮肥添加对土壤硝化和反硝化作用的影响不尽一致[41-43].刘方平等[41]通过对棉花田进行不同水肥处理，表明在相同灌溉水平下，随着施氮量增加，土壤总硝化、反硝化速率均呈现增大趋势.刘琦蕊等[42]对毛竹林的研究也发现，施加氮肥可以促进土壤硝化、反硝化作用.与此相反，Li等[43]研究发现，硝化、反硝化速率与N2O的释放表现为正指数函数关系，适度的氮肥使用显著降低了N2O的释放，表明施氮对土壤硝化反硝化作用具有抑制作用.与刘方平等[41]和刘琦蕊等[42]的研究结果一致，本研究表明在甜高粱农田中，施氮也有助于促进土壤总硝化和反硝化速率.添加氮肥可以增加铵态氮的含量，进而增强硝化细菌的活性，从而促进硝化速率，同时，反硝化作用以硝化作用的产物为底物，所以，反硝化速率也随之增强.

水肥互作对农田土壤硝化、反硝化作用具有重要的综合效应[34].本研究表明，在干旱区甜高粱农田，灌溉量对土壤硝化和反硝化作用无显著影响(P>0.05)，施氮对土壤总硝化和反硝化速率均具有极显著影响(P<0.01)，且二者的交互作用对土壤总硝化和反硝化速率均具有显著促进作用(P<0.05，表2)，说明随水肥含量增加梯度变化，甜高粱农田土壤N2O通量呈现出增加趋势.