化肥减施对冬小麦土壤呼吸的影响

胡 洋，丛孟菲，马雯琪，李典鹏，愚广灵，孙 霞，2*，陈署晃，贾宏涛，2

（1．新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2．新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；3．新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091）

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环中一个重要的生态过程，是植物固定碳后又以CO2形式返回大气的主要途径，也是土壤碳库平衡的一个重要相关过程［1-2］。土壤碳库的容量巨大，其较小的变幅能导致大气CO2浓度产生较大的波动，深刻影响着全球气候变化，因而土壤呼吸在全球碳循环过程中起着极其重要的作用［3］。土壤呼吸包括土壤微生物呼吸、土壤无脊椎动物呼吸、植物根系呼吸和土壤中含碳物质化学氧化过程，其中，土壤动物呼吸量和化学氧化量非常微小，往往忽略不计［4］。农田土壤碳库是全球碳库中最活跃的部分，易受到人为和管理措施（如施肥）的影响［5］。农田生态系统的土壤呼吸不同于森林和草原生态系统，农田土壤的固碳减排是应对全球气候变化的有效措施之一，如何在提高土壤肥力的情况下有效提高土壤固碳能力是现代农业可持续发展的关键问题［6］。小麦是我国最重要的粮食作物之一，我国麦田所占的面积较大［7］。近年来，为了增产而过量施肥，使小麦增产效果下降，还导致农田土壤的养分元素大量累积，同时还引起水体富营养化和大气污染等一系列环境问题［8-10］。因此，探明化肥减施下土壤呼吸的变化特征对农田固碳减排方面极其重要。

施肥主要通过影响作物生长和微生物活性而影响土壤呼吸，近年来对土壤呼吸特征的研究已较为丰富，但对化肥减施下土壤呼吸特征的研究较少且结论仍有争议，国内外学者对农田生态系统土壤呼吸特征进行了研究，有的认为化肥的大量施入会使土壤微生物由氮限制转为碳限制，降低微生物活性，从而抑制土壤呼吸［11-12］。还有研究认为增施氮、磷会促进植物根系的呼吸，从而促进土壤呼吸或抵消氮素添加而引起的微生物呼吸降低［13］；王少杰等［14］在陕西关中灌区冬小麦农田CO2排放的研究表明，在一定范围内增施氮肥可促进CO2排放，但达到一定限度后，CO2排放量不再增加；还有大量的研究表明，土壤温度与土壤呼吸速率有着显著的相关性［15-16］；土壤呼吸和温度之间呈显著指数相关［17］。由此可知，在不同地区及不同施肥量的研究结果并不一致，而关于西北干旱区施肥对农田土壤呼吸速率的研究较少。土壤碳库是陆地碳库中最重要的组成部分，土壤呼吸是土壤碳库变化的主要途径，研究土壤呼吸对了解土壤碳库变化乃至全球碳平衡都具有重要意义［18-19］。因此，本研究利用田间试验设置不同化肥减施量，采用土壤碳通量测量系统LI-8100 监测土壤呼吸速率，探明化肥减施对土壤呼吸速率的影响及其与环境因素的关系，以期为改善农田土壤固碳减排能力提供基础数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验研究区位于新疆奇台县坎尔孜乡新疆农业科学院奇台麦类试验站，其地理位置为89°13′～91°22′E，43°25′～45°29′N，位于新疆东北部，天山北麓，准噶尔盆地东南缘，属于中温带大陆性干旱性气候，年平均气温5.5℃，极端最高气温39℃，极端最低气温-37.3℃，年平均无霜期为153 d，年平均降水量269.4 mm，土壤类型为灰漠土［20］。

1.2 试验设计

试验于2018 年开展，依据当地常规施肥量（N5P3）为对照，设置各处理化肥的减施量，共设置9 个处理：①常规施肥N5P3处理（施N 315 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；②减施N4P2处理（施N 270 kg/hm2、P2O5138 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；③减施N3P2处理（施N 240 kg/hm2、P2O5138 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；④减施N3P1处理（施N 240 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；⑤减施N2P1处理（施N 210 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；⑥减施N1P1处理（施N 180 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；⑦不施氮肥N0P1处理（施N 0 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；⑧不施磷肥N3P0处理（施N 240 kg/hm2、P2O50 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；⑨不施肥N0P0处理（施N 0 kg/hm2、P2O50 kg/hm2、K2O 0 kg/hm2）。施用氮肥为尿素（N 46%），磷肥为重过磷酸钙（P2O546%），钾肥为硫酸钾（K2O 51%）。其中30%的氮肥和全部磷肥、全部钾肥作为基肥在小麦播种前撒施，70%氮肥作为追肥随水滴施，其中15%在返青期追施，20%在拔节期追施，20%在孕穗期追施，15%在灌浆期追施。每个处理重复3 次，共27 个小区，小区面积为176 m2（8 m×22 m），小区间设置1 m 的保护行。以“新冬22 号”为供试品种，播种量为375 kg/hm2，于2019 年9 月20 日种植，2020 年7 月2 日收获；采取滴灌种植，滴灌带布设方式为1 管4 行，行距为15 cm；生育期共灌溉8 次，总灌水量4050 m3/hm2，各处理田间管理措施保持一致。

1.3 土壤呼吸速率和土壤基础理化性质的测定

采用田间原位监测的方法，使用土壤碳通量测量系统LI-8100 测定土壤呼吸速率。相关研究发现，小麦土壤呼吸主要集中在灌浆期与成熟期［21］，所以本研究于冬小麦灌浆期（2020 年5 月）在每个小区小麦株间设置1 个内径为20 cm、高10 cm的PVC 管底座，将底座嵌入土壤，顶端距离地面3 cm。为减少嵌入底座短期对土壤呼吸的扰动，在固定好底座并清除底座内地上植物后，间隔24 h 之后再测定冬小麦株间的土壤呼吸速率（Rs），后于成熟期（2020 年7 月）再次测定。

监测土壤呼吸速率时选择3 个连续晴朗无风日，测定时段为10：00 ～14：00，期间监测2 次，每次间隔3 h，LI-8100 数据采集频率为每2 s 记录一次数据，测量时长为120 s；监测土壤呼吸速率的同时使用便携式土壤温度传感器测定土壤10 cm 处的温度［22］。并采集0 ～20 cm 表层土壤测定土壤理化性质，土壤含水量采用野外采集-室内烘干法测定；土壤pH 采用pH 仪测定，电导率采用电导率仪测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定［23］。

1.4 数据处理与统计分析

采用Vant’t Hoff 模型［24-25］模拟土壤温度与土壤呼吸速率的关系，见公式：

Rs=aebT

式中，Rs为土壤呼吸速率［μmol/（m2·s）］，T 为土壤温度（℃），a、b 为拟合参数。

采用温度敏感系数（Q10）来表征土壤呼吸对土壤温度的敏感性，Q10表示土壤温度升高10℃时，土壤呼吸速率增加或减少的倍数，见公式：

Q10=e10b

式中，b 为模型（Rs=aebT）的温度反应常数。

采用Excel 2010 对数据进行统计整理，采用SPSS 26.0 对数据进行单因素方差分析（ANOVA）及显著性检验（LSD），采用Pearson 相关系数分析土壤呼吸与土壤基础理化性质之间的相关性，采用Origin 2018 进行土壤呼吸与土壤温度的拟合及作图。

2 结果与分析

2.1 化肥减施对土壤呼吸速率的影响

与不施肥（N0P0）相比，氮、磷的添加均显著提高了土壤呼吸速率（图1），冬小麦在灌浆期与成熟期的土壤呼吸速率随着氮、磷施用量的减少先增加后降低，成熟期土壤呼吸速率的变化幅度较灌浆期大，不同处理土壤呼吸速率的变化范围 为1.11 ～3.22 μmol/（m2·s）。与 对 照（N5P3）相比，灌浆期N2P1处理与成熟期N4P2、N3P2、N3P1、N2P1、N1P1、N3P0处理均显著促进了土壤呼吸（P＜0.05），其中，减施N2P1处理的土壤呼吸速率最高，在灌浆期与成熟期土壤呼吸速率分别为2.77 和3.22 μmol/（m2·s），N0P0处 理 土 壤 呼 吸速率最低，在灌浆期与成熟期分别为1.17 和1.11 μmol/（m2·s）。

图1 化肥减施对土壤呼吸速率的影响

由N3P2、N3P1、N3P0处理的变化可以看出，在同一施氮量处理下，随着施磷量的减少，土壤呼吸速率略有增加后显著减少，从其余处理（N3P1、N2P1、N1P1、N0P1）可以看出，随着施氮量的减少，土壤呼吸速率也先增加后减少。氮、磷配合施用（N4P2～N1P1）处理的土壤呼吸速率显著大于不施肥（N0P0）和单施氮（N3P0）、单施磷（N0P1）处理（P＜0.05），且单施氮（N3P0）处理的土壤呼吸速率显著大于单施磷（N0P1）处理（P＜0.05）。

2.2 土壤呼吸与土壤温度的相关性及温度敏感系数

采用指数方程模型拟合土壤呼吸速率与土壤温度之间的关系，R2可解释土壤呼吸的变异量，并利用方程的温度反应常数计算各处理的Q10［26］。由图2 可知，不同处理的土壤呼吸速率与土壤温度均呈现显著相关关系（P＜0.001）。各处理土壤温度可解释土壤呼吸变异量的53.38%～90.16%，除了N5P3处理的解释量较低（为53.38%）外，其余处理土壤温度对土壤呼吸速率变化的解释量较高，均大于73.45%。因此，说明土壤温度是影响土壤呼吸的主要因素之一。

土壤呼吸的Q10可以反映出土壤温度对土壤呼吸速率影响的大小。本研究各处理的Q10为1.51 ～2.58，其中N3P1和N2P1处理较其余处理显著降低了土壤呼吸的Q10，分别为1.51 和1.62，其余处理的Q10均较高，为2.23 ～2.58。与N5P3相比，少量减施氮、磷处理（N4P2、N3P2）以及过量减施氮、磷（N1P1）和单施氮（N3P0）、单施磷（N0P1）处理对土壤呼吸的Q10无明显影响。因此，说明在一定范围内（N3P1、N2P1）减施氮、磷则会抑制土壤呼吸的Q10。

2.3 化肥减施对土壤理化性质的影响及其与土壤呼吸的相关性研究

由表1 可知，随着氮、磷施用量的减少土壤含水率、有机质、碱解氮、有效磷含量均减少，且均在N5P3处理时最高，分别为18.45%、15.88 g/kg、71.80 mg/kg、125.69 mg/kg；土壤pH 随着化肥减施量的减少而增大，N5P3处理的pH 最小（为8.13），N0P0处理最高（为8.53）；而电导率无显著变化。由相关性分析可知，土壤呼吸速率与土壤含水率、pH、电导率、有机质、碱解氮、有效磷含量均无显著相关关系。

图2 土壤呼吸速率与土壤温度的关系

表1 化肥减施对土壤理化性质的影响

3 讨论

3.1 化肥减施对土壤呼吸速率的影响

目前，已经有大量关于施肥量与土壤呼吸速率之间关系的研究，存在促进、抑制和无显著影响的争议［27-28］。本研究施氮量在0 ～315 kg/hm2、施磷量在0 ～180 kg/hm2范围内均提高了冬小麦在灌浆期与成熟期的土壤呼吸速率。有研究发现，施肥会提高夏玉米土壤呼吸速率［29］；长期施肥导致土壤呼吸速率增加了6%～127%［30］；在施氮量为0 ～320 kg/hm2范围内会提高玉米土壤呼吸速率［31］；但也有研究发现，施氮对农田和麦田的土壤呼吸速率影响不显著［32-33］；甚至在华北麦田中施氮会抑制土壤呼吸［34］。由此可见，在不同地区和不同类型农田的土壤呼吸特征并不一致，化肥用量对土壤呼吸的影响可能与土壤类型、作物种类以及化肥的施用量有一定的关系。

本研究中的土壤呼吸速率随着施氮量的减少呈现先增加后减少的趋势，在同一施氮量处理下（N3P2、N3P1、N3P0），随着施磷量的减少，土壤呼吸速率略有增加后显著减少。已有研究结果表明，施氮（180 kg/hm2）能促进冬小麦土壤呼吸，但过量施氮（360 kg/hm2）却不能提高冬小麦土壤呼吸速率［35］；还有研究结果表明，麦田土壤呼吸速率随着施氮量的增加而增加，而当施氮量达到135 kg/hm2时，继续增施氮将会降低土壤呼吸速率［36］；磷添加对土壤呼吸有积极效应，在施氮条件下，施磷显著提高了土壤呼吸速率［37］；本研究结果与此类似,这表明随着氮、磷施用量的增加并不总是会提高土壤呼吸速率，说明氮、磷对土壤呼吸速率具有一定的阈值。适量施用氮、磷可以提高土壤呼吸速率，一方面是由于适量施入氮、磷为小麦的生长提供了大量营养元素，促进其生长，使光合作用和根系生物量增加，进而增加植物碳的输入，提高土壤自养呼吸强度；另一方面是适量施入氮、磷也会增加农田土壤微生物活性，促进微生物的活动和生长，从而刺激土壤微生物呼吸［38-40］。但当过量施入氮、磷时会降低土壤呼吸速率，一方面是由于过量施氮会大幅度降低土壤的C/N，导致微生物活性降低，从而抑制土壤呼吸；另一方面是过量施用氮、磷会改变微生物群落和功能，抑制土壤酶的活性，减少地下碳的分配，最终导致土壤呼吸速率的降低［41-44］。

本研究氮、磷配合施用（N1P1～N4P2）处理的土壤呼吸速率大于不施肥（N0P0）和单施氮（N3P0）、单施磷（N0P1）处理，其中N2P1处理（施N 210 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）的土壤呼吸速率最高，不施肥处理（N0P0）土壤呼吸速率最低，且单施氮（N3P0）处理的土壤呼吸速率大于单施磷（N0P1）处理，这与牛灵安等［45］和Wang 等［46］的研究结果一致。可能是由于氮、磷配施后增加了土壤中氮和磷的有效性以及植物的光合速率，促进了小麦地上和地下部的生长，从而增加了土壤呼吸速率［47］。

综上，在一定范围内减施氮、磷会增加土壤呼吸速率，而当减施量超过一定范围后，土壤呼吸速率会降低，说明本研究常规施肥量（N5P3）处理为过量施肥；氮、磷配施处理的土壤呼吸速率大于单施氮、磷处理，且单施氮对土壤呼吸的促进作用较单施磷更明显。

3.2 土壤呼吸速率与土壤温度、土壤理化性质的关系

土壤温度与土壤呼吸之间有着极大的联系，土壤温度会影响土壤微生物活性，还会影响植物根系生长，进而影响土壤呼吸速率［48］。本研究采用指数方程来拟合土壤呼吸速率与土壤温度之间的关系，发现指数方程可以较好地模拟氮、磷减施处理下土壤呼吸速率与土壤温度之间的相关性（P＜0.001）。除N5P3处理的解释量较低（53.38%）以外，其余处理土壤温度对土壤呼吸速率变化的解释量均较高（73.45%～90.16%）。N5P3处理解释量较低的原因可能是过量施氮、磷处理较其他处理相比显著改变了土壤湿度、有机碳和速效养分含量等因素，这些因素同样也影响着土壤呼吸速率，其对土壤呼吸变化的解释量也随之增加，使同一温度下土壤呼吸速率差异增大，导致土壤温度对土壤呼吸速率的变化解释量降低［49-50］。本研究各处理土壤呼吸速率与土壤温度呈显著指数相关，土壤温度是影响土壤呼吸的主要因素之一。有研究认为，当土壤温度＜35℃时，土壤酶活性最大，土壤呼吸速率随温度的升高而增加，当温度超出此范围时，土壤呼吸与温度将会呈负相关［51］。本研究土壤温度为15.3 ～23.5℃，处于最适温度，所以土壤呼吸速率与土壤温度呈显著正相关。

土壤呼吸的温度敏感系数（Q10）可以反映土壤温度变化对土壤呼吸速率的影响，已有大量关于土壤呼吸的研究结果表明，Q10一般为1.28 ～4.75［52］。本研究各处理的Q10为1.51 ～2.58，处于上述范围之内。有研究表明施肥会抑制东北中部春玉米农田土壤呼吸的温度敏感性［53］；还有研究发现长期施肥导致土壤Q10降低了12%～56%［54］。本研究结果与此有差异，本研究中，N3P1和N2P1处理显著降低了土壤Q10，而其余处理无显著差异。这可能是由于单施氮（N3P0）、单施磷（N0P1）处理以及少量施氮、磷（N1P1）处理对土壤Q10无明显影响，而过量施肥（N5P3、N4P2、N3P2）处理使土壤中无机氮含量大量增加，抑制了土壤氧化酶的活性，增加了土壤碳库中难分解的复杂化合物，而分解复杂化合物需要更高的活化能，因此复杂化合物具有更高的温度敏感性，从而增加了土壤的Q10［55-56］。

本研究土壤含水率、有机质、碱解氮、有效磷含量均随着化肥施用量的减少而减小，pH 随着化肥减施量的减少而增大，而电导率无显著变化，这与李瑞［57］和宋亚辉等［58］的研究一致。这可能是由于减施氮、磷使土壤中所含的有效态养分减少，导致碱解氮、有效磷含量的降低，而pH 增大的原因主要是由于氮肥的过量施用［59］。氮、磷的施入可为微生物提供合适的生存环境，也可为植物提供生长所需的养分，而微生物在固碳、代谢过程中产生的残体和植物残体是土壤有机质含量增加的主要原因［60-62］。本研究土壤呼吸速率与土壤pH、电导率、含水率、有机质、碱解氮、有效磷含量之间均无显著相关性。

4 结论

冬小麦在灌浆期与成熟期的土壤呼吸速率随着氮、磷施用量的减少呈先增加后降低的趋势，其中N2P1处 理（施N 210 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）在灌浆期与成熟期的土壤呼吸速率分别为2.77 和3.22 μmol/（m2·s），显著高于其它处理（P＜0.05）；氮、磷配施处理的土壤呼吸速率显著大于单施和不施氮、磷处理（P＜0.05），且单施氮处理的土壤呼吸速率显著大于单施磷处理（P＜0.05）。冬小麦土壤呼吸速率与10 cm 土壤温度呈显著指数相关（P＜0.001）；各处理土壤呼吸的Q10为1.51 ～2.58，在一定范围内减施氮、磷可抑制土壤呼吸的Q10，少量和过量减施氮、磷和单施氮、磷处理则无明显影响。