夜間增溫條件下免耕對土壤碳礦化的影響

張鑫磊， 楊 鎮， 李 旸， 謝曉金， 張耀鴻

(1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心/江蘇省農業氣象重點實驗室,江蘇 南京 210044； 2.山西省氣象服務中心，山西 太原 030002)

土壤碳庫是陸地生態系統中最大的碳庫，其任何細微的變化將顯著影響到陸地生態系統的碳固持功能和碳匯效應，對全球氣候變化和人類生存環境有著重要的影響[1-2]。土壤有機碳礦化作為陸地生態系統碳循環重要的生物化學過程，直接關系到土壤中養分元素的釋放、溫室氣體的形成以及土壤質量的保持[3]。因此，研究全球變暖背景下土壤有機碳的礦化過程具有十分重要的意義。

由于地理要素的復雜性和氣候因子的相互作用，使得全球變暖存在明顯的不對稱性，即夜間氣溫的增幅比白天最高氣溫的增幅高出1～2倍[4-5]；大量研究結果表明，日最低氣溫升幅是日最高氣溫升幅的 2～3倍[5]，即全球變暖表現為夜間氣溫升高[6]，日較差減小的趨勢[7]。因此，在大田條件下開展夜間增溫可以更準確地模擬出全球變暖對農田生態系統有機碳礦化速率的影響。

另一方面，隨著人們對傳統農田年產量低、人力耗費高等缺點的認識，免耕方式逐漸受到推廣與應用[8]。與傳統耕作相比，免耕可有效地控制土壤水分蒸發，增加土壤含水量，提高土壤水分的有效性[9-12]。同時，免耕可有效避免擾亂表層土壤, 促進土壤大團聚體形成和增加土壤的熱容量, 使免耕土壤對氣溫變化具有很大的緩沖性[13]。而且，免耕方式能夠提高土壤微生物多樣性，改變微生物群落結構[14]，增強土壤酶活性[15]。因此，研究免耕對農田生態系統有機碳礦化的影響同樣具有十分重要的意義。

目前，關于全球變暖對生態系統的研究多側重于全天平均溫度的升高效應，關于夜間增溫的影響報道較少,且多集中在地上作物部分，對于地下土壤部分的研究甚少。本試驗采用田間開放式增溫系統進行定位試驗，設置夜間增溫及免耕2個試驗因素組合的4個處理，以試驗處理6年后的耕作層土壤為研究對象，通過室內恒溫培養試驗研究4個處理耕作層土壤的有機碳礦化速率變化規律，探索2種氮肥[ (NH4)2SO4和KNO3]對各處理耕作層土壤有機碳礦化的影響特征，為揭示氣候變化背景下耕作方式和合理施肥對中國農田生態系統的影響效應提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗在南京信息工程大學農業氣象試驗站(32.16°N，118.86°E)進行。試驗田屬于亞熱帶濕潤氣候，年平均降水量1 100 mm，年均氣溫15.6 ℃，季風明顯，溫暖濕潤，日照資源豐富。試驗田土壤類型為黃棕壤，肥力中等。試驗布置前農田耕作層土壤的理化性質為：pH 7.8，有機質15.2 g/kg，全氮1.26 g/kg，速效磷 18.3 g/kg，速效鉀 78.1 g/kg。

1.2 試驗設計

本試驗包括4個處理，分別為：CK(常溫+翻耕)、W(夜間增溫+翻耕)、NT(常溫+免耕)以及WNT(夜間增溫+免耕)。每個處理重復3次，共12個小區。試驗小區面積為 3 m×4 m，其中有效增溫區域為 2 m×3 m，采用隨機區組設計進行布置。本試驗處理于2010年開始，2015年結束，為期6年。

參照陳金等[16]的田間開放式增溫系統進行夜間增溫。增溫系統由溫度記錄儀、支架和反光膜等組成。其原理是由地面發射的長波輻射經過反光膜反射回地表以減少熱量損失。反光膜采用鋁鉑玻纖布，反射率可達到97%。每天19∶00將夜間增溫小區中的反光膜展開進行增溫，翌日早晨7∶00卷起。在雨雪及大風天氣不進行蓋膜處理以使每個處理之間的水分條件保持一致，同時也可以避免因為惡劣天氣而造成的增溫裝置的損壞。為了保持各處理小區光照條件的一致性，常溫對照試驗小區也架設沒有反光膜的增溫裝置。

用溫度傳感器精度為±0.1 ℃的溫度記錄儀(澤大儀器有限公司生產)每15 min記錄1次 0～5 cm地表土壤的溫度。夜間均溫為每晚19∶00到次日7∶00的平均溫度，增溫小區與不增溫小區的夜間均溫之間的差值，代表了本試驗的夜間增溫幅度，其6年的均值為1.1 ℃，說明本試驗開放式增溫系統的夜間增溫效果明顯。

本試驗種植制度為冬小麥-大豆輪作。傳統翻耕處理方式為每年2次20 cm深度的旋耕機翻耕，人工整平后播種。免耕處理方式為在整個輪作周期內不進行任何翻耕措施，農作物采用直接條播(小麥)或點播(大豆)。

1.3 分析與測定

在2015年5月末冬小麥收獲后，采用隨機多點采樣法分別在每個小區采集 0～10 cm土樣，自然風干后過1 mm土篩，儲存待用。

采用堿液吸收法測定土壤有機碳的礦化量。在150 ml三角瓶中加入10 g風干土，再加入蒸餾水使之達到田間持水量(WHC)的40%后密封。然后放入25 ℃的恒溫培養箱中進行7 d預培養，目的是激活土壤中的微生物。預培養結束后，分別對各土壤樣品添加3種不同溶液后正式培養，即加入蒸餾水、硝態氮(硝酸鉀)和銨態氮(硫酸銨)溶液3種。調節培養瓶至田間持水量的65%，然后用裝有10 ml 0.1 mol/L NaOH溶液的離心管小心置于三角瓶后封膜密封，分別在5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃溫度梯度下培養14 d。培養結束后將離心管中的溶液完全洗入三角瓶，并加入1 mol/L BaCl2溶液2 ml和酚酞指示劑2滴， 用0.05 mol/L的鹽酸滴定至微紅色，土壤有機碳化量根據培養期內二氧化碳的釋放量進行計算。

本試驗采用Q10表征土壤有機碳礦化的溫度敏感性，Q10= e10b，即為土壤有機碳礦化速率在溫度升高10 ℃時所增加的倍數。其中b可由指數方程R=a×ebT求得。該方程用來反應溫度對土壤有機碳礦化的影響，其中R為土壤有機碳礦化速率，T為培養溫度，a為基質質量指標，b為溫度反應系數。

1.4 統計與分析

采用Excel表格對數據進行處理并制圖，采用SPSS 20.0進行統計分析，差異顯著性檢驗采用最小顯著差異法(LSD檢驗法)。

2 結果與分析

2.1 無氮添加下土壤有機碳礦化速率

在 5～30 ℃，4個處理土壤的有機碳礦化速率隨著溫度的升高而呈現增加趨勢(圖1)，且不同處理間有機碳礦化速率表現為CK

CK：常溫+翻耕；W：夜間增溫+翻耕；NT：常溫+免耕；WNT：夜間增溫+免耕。相同培養溫度下不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖1 無氮添加下4個處理土壤的有機碳礦化速率Fig.1 Soil organic carbon mineralization rates in four treatments without N addition

2.2 氮添加條件下土壤有機碳礦化速率

施加硫酸銨條件下4個處理土壤有機碳礦化速率隨著溫度的升高而逐漸增加，與無氮添加下土壤有機碳礦化速率變化趨勢相一致(圖2)。且在25 ℃時4個處理的土壤有機碳礦化速率均達到最大值，而在30 ℃時都下降，說明與無氮添加不同，在施加硫酸銨條件下土壤有機碳礦化速率對培養溫度的響應特征發生了變化。相比于CK而言，W處理使土壤有機碳礦化速率增加了14.8%，NT處理下增幅高于W處理，使土壤有機碳礦化速率增加25.7%，WNT使得土壤有機碳礦化速率達到最大值?？梢钥闯?，夜間增溫和免耕處理均可以提高土壤有機碳礦化速率，并且免耕處理的效應高于夜間增溫處理。4個處理的土壤有機碳礦化速率整體表現為WNT>NT>W>CK。

CK：常溫+翻耕；W：夜間增溫+翻耕；NT：常溫+免耕；WNT：夜間增溫+免耕。相同培養溫度下不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2 添加硫酸銨條件下4種處理的土壤有機碳礦化速率Fig.2 Soil organic carbon mineralization rates in four treatments under the condition of adding(NH4)2SO4

添加硝酸鉀條件下土壤礦化速率與無氮添加處理的變化規律相同，均隨著溫度的升高土壤有機碳礦化速率隨之增大(圖3)。4個處理中各個培養溫度下的礦化速率均以WNT處理為最大，且顯著高于對照處理。

CK：常溫+翻耕；W：夜間增溫+翻耕；NT：常溫+免耕；WNT：夜間增溫+免耕。相同培養溫度下不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3 添加硝酸鉀條件下4種處理的土壤有機碳礦化速率Fig.3 Soil organic carbon mineralization rates in four treatments under the condition of adding KNO3

將各處理土壤在6個培養溫度下的有機碳礦化速率取平均，得到該土壤的有機碳礦化速率均值。進一步比較發現，添加銨態氮肥顯著提高了土壤有機碳的礦化速率均值，與無氮添加相比，4個處理土壤有機碳的礦化速率分別增加了84.6%、93.3%、91.9%和92.4%(圖4)。而添加硝態氮肥對4個處理土壤有機碳礦化速率則無明顯影響，可見有機碳礦化過程對不同添加物具有不同的響應特征。

CK：常溫+翻耕；W：夜間增溫+翻耕；NT：常溫+免耕；WNT：夜間增溫+免耕。相同培養溫度下不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖4 不同添加物對4種處理土壤有機碳礦化速率的影響Fig.4 Effects of several additives on soil organic carbon mineralization rates in four treatments

2.3 不同土壤有機碳礦化速率的溫度敏感性

土壤有機碳分解的溫度敏感性(Q10)是一項重要參數，可以用來預測土壤有機碳動態變化。Q10值的大小與溫度范圍、土壤有機質質量、水分等因素有關。本研究中用Q10來反映土壤有機碳平均礦化速率隨溫度的變化情況，Q10值越小，說明溫度敏感性也就越小。

不同試驗處理下，WNT的Q10值均高于其他3個處理，而W和NT處理的Q10均高于對照處理，說明夜間增溫和免耕措施均提高了農田土壤有機碳礦化的溫度敏感性(表1)。與不添加氮相比，各處理土壤添加(NH4)2SO4使得Q10值明顯變大，而添加KNO3后的Q10值沒有明顯變化，可以推測本試驗田施加銨態氮肥時土壤有機碳礦化過程會被顯著激發。在 5～15 ℃溫度下的Q10值比在 20～30 ℃溫度下的Q10值大。說明在溫度較低時土壤礦化過程對溫度變化更為敏感。

3 討 論

溫度是土壤有機碳分解和礦化的重要影響因子。一般來說，溫度通過影響土壤中的酶活性來影響土壤有機碳礦化速率，并且在一定的溫度范圍內有機碳礦化速率隨著溫度的升高而增加。白潔冰等[17]研究發現高寒草甸和高寒濕地土壤有機碳礦化速率隨著溫度的升高而增加，與本研究結果一致。楊繼松等[18]認為，濕地土壤有機碳礦化速率25 ℃較15 ℃相比有明顯的提高，水分對于有機碳礦化則無明顯影響。本研究結果表明，夜間增溫顯著提高了農田土壤的有機碳礦化過程。一般而言，夜間溫度相對白天溫度較低，而低溫環境下溫度的增加會強烈地影響土壤有機碳礦化過程。黃耀等[19]發現與高溫環境下升高溫度相比，低溫環境下升高溫度對土壤有機碳礦化的促進作用明顯?？赡芤驗榈蜏丨h境下溫度的限制導致酶活性很低，易分解碳組分沒有被完全分解，所以在低溫環境下升高溫度使易分解有機碳很容易分解。

表1 不同處理土壤有機碳礦化速率的Q10值

WNT、NT、W、CK見圖1。

國內外有關施加氮肥對農田土壤有機碳礦化影響的研究報道十分豐富，但是在模擬未來溫度升高情景下，有關如何合理施肥以緩解土壤有機碳礦化，減少農田CO2排放的研究鮮有報道。一般來說，化學氮肥的施用能增加植物氮素的吸收，同時增加了土壤礦質養分，改善土壤碳氮比，提高土壤微生物活性，從而促進土壤有機碳礦化作用。然而，在溫度升高條件下，氮肥的這種肥效可能發生改變，因為施加氮肥使得植物獲取氮素相對容易，植物向地下分配光合產物的比例相應減小，直接限制了微生物進行礦化作用的基質來源。而且，受光合產物分配比例的影響，根系的伸長活動受到一定程度的抑制，對土壤團聚體的機械破壞相應減小，從而影響礦化過程。珊丹等[20]采用野外控制增溫試驗發現，施加氮肥并未促進草地土壤有機碳礦化速率。王珍等[21]認為，降雨量多少是制約施氮對草地土壤呼吸影響程度的重要因素。不僅如此，氮肥類型也會深刻影響土壤有機碳礦化過程。一般認為，土壤微生物對于不同形態的氮素喜好不同，大多數偏好于銨態氮。孟延等[22]研究發現，不同氮肥對塿土有機碳礦化速率增加的程度明顯不同，增加幅度依次為(NH4)2SO4> NH4NO3> KNO3。王峰等[23]研究發現柑橘果園土壤有機碳礦化受高施氮量影響較大，隨著施氮量的增加土壤有機碳礦化的溫度敏感性增加。本研究發現，與無氮添加相比，硫酸銨的添加顯著提高了4個處理土壤有機碳礦化速率，而硝酸鉀的添加對土壤有機碳礦化則無明顯影響。考慮到WNT處理的土壤有機碳礦化速率均顯著高于CK，可以推測在未來溫度升高情境下采用免耕方式進行農業生產時，選用硝態氮肥可能會有效緩解農田土壤有機碳礦化速率，減小土壤CO2的排放。

免耕農田系統能夠提高土壤微生物的豐富度，增加土壤微生物含量[14]，增強土壤酶活性[15]。姜勇等[24]發現免耕條件下土壤溫度變化小，濕度增大，一般有益于土壤微生物和一些土壤動物的活動。本研究發現，免耕顯著提高了土壤有機碳礦化速率，其作用效應明顯高于夜間增溫。

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