秸稈覆蓋和施肥對關中灌區夏玉米生長后期 土壤呼吸速率的影響

李昌珍，張婷婷，楊改河，任廣鑫，馮永忠*

1. 西北農林科技大學農學院，陜西 楊凌 712100；2. 陜西省循環農業工程技術研究中心，陜西 楊凌 712100

土壤呼吸是土壤中的微生物、動物、植物部分釋放CO2的過程[1]，是復雜的生物、物理和化學過程，這一過程是農田層面影響全球尺度碳循環的關鍵因素之一。農業土壤在全球碳庫中最活躍，極易受農業管理(如耕作、施肥和灌溉)的影響。在合理的管理措施下，全球農業土壤的固碳潛力估計為0.4～0.9 Pg?a-1[2-3]，對全球大氣二氧化碳濃度的影響不可忽視。已有研究證明，耕作方式對農田土壤CO2排放具有顯著影響，且表現出明顯的季節性排放特征[4]。保護性耕作是農業系統節能固碳重要措施之一，目前被認為是一項具有直接降低二氧化碳排放潛力且提高土壤固碳減排作用的有效農業措施之一[5-7]，免耕條件下土壤呼吸速率顯著低于翻耕和旋耕處理[8]。以少免耕、秸稈覆蓋為核心技術的保護性耕作措施在減少水土流失[9]、改善土壤環境[10]方面發揮著積極作用，但對于免耕條件下秸稈覆蓋對土壤呼吸的影響研究較少。已有研究證明，土壤溫度[11]、土壤濕度[12]、土壤微生物狀況[13]、氮肥[14]等是影響土壤呼吸的關鍵因子，但對于土壤濕度對土壤呼吸影響的研究大都局限在表層土壤上，本研究在前人研究的基礎上，探討了免耕條件下氮肥和秸稈覆蓋對土壤呼吸的影響以及土壤呼吸對水熱因子的敏感性，尤其是深層土壤含水量對土壤呼吸的影響，以期為關中灌區農業減排措施提供理論依據和參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗安排在西北農林科技大學北校區校內基地試驗田，該地位于陜西關中平原西部，地理位置為E108°07′，N34°12′，海拔520 m，平均氣溫12.9 ℃，年降水量約為660 mm，主要集中在7—9月，為大陸性暖溫帶季風區氣候，一年兩熟。試驗地土壤為塿土，0～40 cm土壤養分含量為w(有機碳)=12.05 g·kg-1，w(堿解氮)=11.07 mg·kg-1，w(速磷)=21.30 mg·kg-1，w(速鉀)=26.64 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗采用再裂區設計，為長期定位試驗，試驗開始于2009年，主因素為輪作模式，副因素為秸稈覆蓋量，副副因素為施肥量，每個處理3個重復。本試驗采用的是2011年夏玉米生長期的數據，選取其中5個處理，前茬種植冬小麥（Triticum aestivum Linn.），后茬夏玉米（Zea mays L.）秸稈不覆蓋不施肥（CK）、施氮肥（N）（375 kg·hm-2）、秸稈覆蓋（M）、秸稈覆蓋+施氮肥（MN）（375 kg·hm-2）和夏閑（F）（小麥收獲后不種植作物）。小區長5.0 m，寬4.0 m，小區間距0.5 m，區組間距1.0 m，周邊寬1.5 m。

試驗玉米品種為漯單9號；百粒質量29.83 g；免耕條播玉米42.25 kg·hm-2；播幅3行；玉米行距0.7 m，株距0.25 m。試驗地統一管理，采用免耕耕作方式。前茬作物冬小麥收獲后，立即播種玉米，播種期為6月15日，10月3日收獲。施肥方式為追肥，追肥時間為拔節期。

1.3 測試的項目和方法

土壤呼吸速率測定采用GXH-3010E1型便攜式紅外線分析器（華云分析儀器研究所有限公司，北京市），該儀器外形尺寸為248 mm×185 mm×85 mm，測量范圍為0～1.000%，線性度≤±2% F·S，重復性≤1% F·S，響應時間≤10 s，采樣方式為泵吸式連續測量。玉米播種后，在每個小區中間放置1個PVC腔室，腔室高10 cm，直徑為16 cm，埋置深度為5 cm。每次測定3個重復，測量時用橡膠軟管連接GXH-3010E1型便攜式紅外線分析器和腔室，測量過程中在腔室的頂部放置1個小風扇，使腔室內的氣體混合均勻，腔室呈一個密閉空間，持續混合3 min，然后測量。由于玉米生長前期該地區降雨較多，土壤濕度太大，儀器不適宜測定土壤呼吸，所以在降雨較少的玉米生長后期進行測定，測定時間分別于8月9日、8月17號、8月25日、9月1日、9月13號和9月25日。為了減小溫度日變化對不同處理間土壤呼吸的影響，每次測定在上午9：00—11：00進行，該時間段溫度比較穩定。每小區重復3次，共計9次重復，求平均值作為該生育時期土壤呼吸速率。

土壤溫度采用直角地溫計測定，在玉米播種后，將直角地溫計埋到作物行間，每個小區各埋1套，埋置深度為5、10、15、20、25 cm，在測定土壤呼吸速率的同時記錄土壤溫度。

土壤濕度采用鋁盒烘干稱重法[15]測定，每次測定土壤呼吸的當天，用土鉆采集0～100 cm土壤樣品，每10 cm為1個分層，帶回實驗室稱量。0～60、0～100 cm的土壤含水率分別為0～60 cm 6個分層土壤含水量的平均值和0～100 cm 10個分層土壤含水量的平均值。

1.4 數據分析

試驗數據分析采用Excel 2003、Origin 7.5和SAS V8統計軟件完成。

2 結果與分析

2.1 玉米生育期土壤呼吸速率變化特征

秸稈覆蓋和施肥處理玉米生育期土壤呼吸速率存在明顯規律，從8月9日到9月25日土壤呼吸速率整體呈下降趨勢，但在9月25日N、MN、F處理土壤呼吸速率略有上升（圖1）。這可能是由于小麥成熟期，玉米根系生長緩慢甚至退化，地下生物量減少，根系呼吸所占比例大為下降，但死亡根系的分解部分可抵消因根系呼吸下降而減少的土壤呼吸速率[16]，施氮肥能增加地下部分生物量，N、MN處理根系分解較多，土壤呼吸速率略有上升。8月下旬，F處理小區進行鋤草，有部分雜草殘茬遺留在小區內，造成土壤呼吸速率略有升高。土壤呼吸速率最高峰出現在8月9號，分別為N (12.41 μmol·m-2·s-1) > MN (9.86 μmol·m-2·s-1) > CK(7.99 μmol·m-2·s-1) >M(5.34 μmol·m-2·s-1)>F(1.52 μmol·m-2·s-1)，各處理間土壤呼吸速率有極顯著差（P=0.0001）。

圖1 玉米生育期土壤呼吸速率變化特征 Fig.1 Dynamic of soil respiration rate during maize growth period

5種處理下夏玉米生育期土壤呼吸速率有顯著差異（P=0.0477<0.05），土壤呼吸速率生育期變化均值表明，N處理土壤呼吸速率顯著高于MN、CK、M處理（P<0.05），與F處理達極顯著差異（P<0.01）；F處理與MN、CK、M處理差異顯著（P<0.05），其土壤呼吸速率一直在1.34～3.89 μmol·m-2·s-1之間波動。夏玉米種植小區的土壤呼吸包括植物根呼吸、土壤微生物呼吸和土壤動物呼吸3個生物過程和含碳物質化學氧化作用的非生物過程，而F處理土壤呼吸則主要是土壤微生物呼吸和含碳物質氧化產生的CO2的釋放[14]。因此，在所有處理中，F處理(2.46 μmol·m-2·s-1)的土壤呼吸速率均值最低。

整個生育期土壤呼吸速率平均，CK處理為4.81 μmol·m-2·s-1，N處理（7.78 μmol·m-2·s-1）較CK提高61.75%，MN處理（6.06 μmol·m-2·s-1）較M處理（4.68 μmol·m-2·s-1）提高29.49%，說明施氮肥可以明顯提高土壤呼吸速率，這是因為向土壤中施加氮肥后，降低了土壤中C/N，促進了微生物活動和生長繁殖，提高了酶的活性，從而促進了土壤微生物所產生的生物化學過程和根系的分泌活動，同時加大了有機質的分解速率，增強了土壤呼吸作用[17]。土壤呼吸速率均值N處理>MN處理，CK處理>M處理，說明秸稈覆蓋可以降低土壤呼吸，分別降低22.11%和2.70%，這是由于試驗采用免耕耕作方式，秸稈腐解緩慢，有部分秸稈尚未腐解，微生物可利用的有機質含量不高，土壤呼吸速率相對較低。整個生育期玉米土壤呼吸總體表現為N>MN>CK>M>F，這與抽雄期土壤呼吸速率相一致。

2.2 土壤呼吸速率與土壤溫度的關系

在農田生態系統尺度上，土壤呼吸和溫度之間的關系可以用指數函數、線性函數[18]、二次函數[19]和冪函數[20]等形式表達。本研究采用指數函數（RS=aebT）擬合了不同處理下土壤呼吸速率(RS)與土壤溫度(T)之間的關系（表1），結果表明，M處理土壤呼吸速率與5、10、15、20和25 cm處的土壤溫度呈顯著的正相關關系（P<0.05），而其他處理土壤呼吸速率與土壤溫度相關性不顯著。5種處理下土壤呼吸速率與土壤溫度相關性大小依次是M>CK>F>MN>N，說明在施肥處理下土壤溫度對土壤呼吸的影響較小，土壤溫度不是影響土壤呼吸的主要因子，而M處理土壤溫度對其土壤呼吸速率有顯著影響。這可能是由于適宜的溫度影響秸稈的腐爛分解，對土壤有機質含量、微生物活動和繁殖以及酶活性都有很大影響，從而影響土壤呼吸強度。

一般而言，表層土壤溫度對土壤呼吸的影響較大。本研究中5種處理下CK、MN和F處理土壤呼吸速率與5 cm耕層土壤溫度的相關性最大，M處理與10 cm土壤溫度的相關性最大，N處理與15 cm耕層土壤溫度的相關性最大。各個處理土壤呼吸與土壤溫度的相關性不一致，沒有規律性。

表1 不同處理土壤呼吸速率(RS)與土壤溫度(T)擬合方程 及相關性(R2) Table 1 Fitted equation of soil respiration rate (RS) with soil temperature (T)

2.3 土壤呼吸速率與土壤含水率的關系

土壤濕度對土壤呼吸的直接影響是通過影響根和微生物的生理過程，對土壤呼吸的間接影響是通過影響呼吸底物和氧氣的擴散[21]。一般認為表層土壤含水率對土壤呼吸有重要影響，對于這方面的研究較多，但犁底層和深層土壤含水率對土壤呼吸影響的研究較少，鑒于此，本研究采用拋物線擬合了不同秸稈覆蓋和施肥處理下土壤呼吸速率(RS)與0～10、10～20、20～30、0～60 cm（犁底層）、0～100 cm（深層）土壤含水率(θ)之間的關系（表2），結果表明，M處理下各土層土壤含水率對土壤呼吸速率有顯著影響；CK處理0～10 cm土壤含水率對土壤呼吸有顯著影響；F處理0～10、10～20 cm土層含水率對土壤呼吸有顯著影響。在5種處理中0～10 cm土層含水率變化范圍為14.75%～18.76%，對CK處理土壤呼吸影響最大，對N處理影響最小。10～20和20～30 cm土層含水率分別為13.86%～18.57%和13.20%～16.93%，對M處理土壤呼吸影響最大。0～60、0～100 cm土層含水率分別為13.74%～17.46%、13.06%～16.94%，對M處理土壤呼吸影響最大，對N處理影響最小。

表2 不同處理土壤呼吸速率(RS)與土壤含水率(θ)擬合方程 Table 2 Fitted equation of soil respiration rate (RS) with soil water content(θ)

M處理0～60和0～100 cm土壤含水率對土壤呼吸速率有顯著影響。除CK外，其他處理0～60 cm土壤含水率與土壤呼吸速率的相關性比0～100 cm的大，說明犁底層土壤含水率對土壤呼吸速率有極為重要的影響，但隨著土層加深，土壤水分對土壤呼吸作用的影響減弱。5種處理下土壤呼吸速率與土壤含水率相關性比較，M處理最大，N處理最小，說明在施肥處理下土壤含水率不是影響其土壤呼吸的主要因子。土壤水分對M處理土壤呼吸有顯著影響，可能是由于土壤中適宜的水分影響秸稈的腐爛分解，對土壤有機質含量、微生物活動和酶活性都有很大影響，從而影響土壤呼吸。

3 討論

3.1 秸稈覆蓋和施肥對土壤呼吸的影響

許多研究結果表明，土壤呼吸表現出很強的季節性變化規律，韓廣軒等[22]認為植物生長旺盛期土壤呼吸速率高于植物發育初期和后期。劉合明等[23]研究認為灌漿期作物生長及生理代謝活動均達到最旺盛時期，此時土壤CO2釋放量達到高峰。本研究得出5種處理下土壤呼吸變化具有明顯規律，從8月9號到9月25號土壤呼吸速率整體呈下降趨勢，這與前人研究結果相一致。

高會議等[14]研究認為施肥顯著影響土壤呼吸速率；呂佩毓等[17]研究認為施氮水平越高，土壤呼吸速率（以CO2排放量計算）越大；劉合明等[23]研究認為盡管一定范圍內氮肥用量的增加可促進土壤呼吸作用的增強，并且施氮后短期內可激發土壤CO2大量排放，但易導致土壤活性有機碳過快消耗，土壤CO2排放會很快下降。本研究分析比較夏玉米秸稈不覆蓋不施肥、秸稈覆蓋、施氮肥、秸稈覆蓋+施氮肥和夏閑處理下土壤呼吸速率，發現施氮肥處理土壤呼吸速率生育期變化均值顯著高于其他處理，秸稈覆蓋+施氮肥處理比秸稈覆蓋處理土壤呼吸高，說明施氮肥可以增加土壤碳排放。這主要是由于施用氮肥后，降低了土壤中的C/N，促進了微生物活動和生長繁殖，提高了酶的活性，加大了有機質的分解速率，增強了土壤呼吸作用。

于愛忠等[1]、李瑋等[24]研究認為秸稈覆蓋能增加土壤碳排放，而本研究結果表明秸稈覆蓋可以降低土壤呼吸，秸稈覆蓋+施氮肥處理較施氮肥處理、秸稈覆蓋處理較秸稈不覆蓋不施肥處理土壤呼吸速率分別降低22.11%和2.70%，這可能是由于免耕條件下，秸稈與土壤未充分接觸，秸稈腐解緩慢，有部分秸稈尚未腐解，微生物可利用的有機質含量不高，土壤呼吸速率較低。另外，夏玉米施用氮肥后土壤呼吸速率整體水平較高，秸稈覆蓋+施氮肥處理與施氮肥處理相比，土壤中的C/N升高，微生物活動和生長繁殖受到阻礙，酶的活性降低，有機質的分解速率緩慢，土壤呼吸作用減弱。秸稈覆蓋處理和秸稈不覆蓋不施肥處理由于沒有施用氮肥，土壤呼吸速率整體偏低，土壤中的C/N偏高，可能已經超出了微生物活動和生長繁殖可利用的范圍；秸稈覆蓋后土壤中的C/N更高，微生物活性可能較秸稈不覆蓋不施肥處理有所降低，但降低幅度不大，所以秸稈覆蓋處理較秸稈不覆蓋不施肥處理對土壤呼吸速率影響不是很大。

3.2 溫濕度與土壤呼吸的相關性

農田土壤呼吸受很多因子的影響，土壤溫度和濕度是影響土壤呼吸的2個主要因子[1]。韓廣軒等[25]研究認為農田生態系統土壤呼吸作用的季節動態，與當地水熱條件緊密相關。郝旺林等[26]研究認為土壤溫度對土壤呼吸的直接作用最大。本研究中秸稈覆蓋處理土壤呼吸速率與5、10、15、20和25 cm土壤溫度呈顯著的正相關關系，不同深度土壤溫度對不同處理土壤呼吸的影響不一致，這與于愛忠等[1]的研究結果有差異。秸稈覆蓋處理土壤溫度對其土壤呼吸速率有顯著影響，這可能是由于適宜的溫度影響秸稈的腐爛分解，對土壤有機質含量、微生物活動和繁殖以及酶活性有很大影響，從而影響土壤呼吸強度。李虎等[27]研究認為土壤濕度對土壤呼吸的影響比較復雜，往往同時取決于溫度的相互協調情況。很多野外測量結果表明，土壤濕度只有在最低或最高的情況下才會抑制土壤CO2通量[23]。本研究5種處理措施下秸稈覆蓋處理各土層土壤含水率對土壤呼吸速率有顯著影響；不同土層含水率對各處理的影響不同。除秸稈不覆蓋不施肥處理外，其他處理0～60 cm土壤含水率與土壤呼吸速率的相關性比0～100 cm相關性大，說明犁底層土壤含水率對土壤呼吸速率有極為重要的影響，但隨著土層加深，土壤水分對土壤呼吸作用的影響減弱。本研究是長期定位試驗，但由于試驗年限較短，還有很多機制及機理不是很清楚，需要做進一步研究，以期為關中灌區農業減排措施奠定基礎。

4 結論

在關中灌區免耕條件下，前茬種植冬小麥，后茬夏玉米（Zea mays L.）秸稈不覆蓋不施肥、施氮肥、秸稈覆蓋、秸稈覆蓋+施氮肥和夏閑處理土壤呼吸速率從8月9日到9月25日整體呈下降趨勢，在玉米生長前期，土壤呼吸速率呈上升趨勢。施氮肥可以明顯提高土壤呼吸速率，施氮肥處理較不施肥不覆蓋處理提高61.75%，秸稈覆蓋+施氮肥處理較秸稈覆蓋處理提高29.49%。秸稈覆蓋可以降低土壤呼吸速率，秸稈覆蓋+施氮肥處理較施氮肥處理降低22.11%，秸稈覆蓋處理較不覆蓋不施肥處理降低2.70%。5種處理下秸稈不覆蓋不施肥處理、秸稈覆蓋+施氮肥和夏閑處理土壤呼吸速率與5 cm耕層土壤溫度的相關性最大，秸稈覆蓋處理和施氮肥處理分別與10和15 cm耕層土壤溫度的相關性最大。在5種處理中0～10 cm土層含水率對秸稈不覆蓋不施肥處理土壤呼吸影響最大，10～20、20～30、0～60和0～100 cm土層含水率對秸稈覆蓋處理土壤呼吸影響最大，所有土壤含水率對施氮肥處理影響最小。在不施氮肥條件下，秸稈覆蓋更有利于緩解關中灌區夏玉米田的溫室效應。

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