不同施肥水平對夏玉米土壤呼吸的影響研究

毛一男，胡振華，彭致功，張寶忠，魏 征，劉 露

(1.山西農業大學林學院，山西 晉中 030801；2.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室， 北京100038；3.國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京 100048)

土壤呼吸釋放CO2在全球溫室氣體排放中占有重要地位，其中農田土壤CO2排放由于受人類影響較大，一直被眾多研究者所關注。華北平原作為我國主要糧食產區之一[1]，研究該地區土壤呼吸特征與影響機制對全面監測該地區農田碳排放具有重大意義。

由于農田生態系統自身具有高度的復雜性，目前眾多研究中對不同施肥(氮肥)水平對土壤呼吸的影響以及作用機理還沒有形成較為一致的結論。Q Sun等[2]發現氮肥可以顯著影響土壤碳循環，張權[1]等通過田間實驗研究并用DNDC模型模擬了華北夏玉米農田碳通量和碳平衡對耕作方式的敏感性，證明施肥對碳通量有明顯影響。張俊麗[3]等進行不同施氮量對旱作玉米土壤呼吸速率的影響研究表明，施氮對土壤呼吸有促進作用，且土壤溫度、含水率與土壤呼吸之間呈顯著相關。李銀坤等[4]對華北平原高產農田施氮量對土壤呼吸動態變化影響研究發現，施氮量的增加對土壤的碳釋放具有明顯促進作用，與于春新[5]、劉合明[6]等研究結果類似。劉麗雯[7]等采用靜態箱-氣象色譜法測定土壤呼吸發現土壤呼吸與地溫、土壤含水率呈指數和二次曲線關系。而美國愛荷華州玉米和大豆輪作土地進行不同濃度的施肥處理結果顯示[8]，在玉米生育期內施肥則降低了土壤CO2的排放，在大豆生育期施肥則對土壤呼吸無影響，但在實驗室內培養結果表明添加氮素卻明顯降低土壤CO2排放，Ding W等[9]在河南玉米地進行的不同濃度氮肥試驗結果顯示，氮肥的施加降低了土壤呼吸，李偉等[10]發現施氮能降低土壤CO2排放，另外張建華[11]等人發現氮添加對北京東靈山地區土壤呼吸沒有明顯影響。可見，大多研究成果表明施肥促進土壤碳循環，而仍有部分研究表明施肥對土壤碳排放影響不明顯，甚至降低了土壤呼吸作用，與前者存在研究悖論。玉米作為華北平原主要糧食作物，勢必進一步明晰施肥對大田玉米土壤碳循環影響機制，為該區域農田土壤碳循環管理提供科技支撐。

本研究中選取華北平原典型作物夏玉米為研究對象，開展不同施肥處理下農田土壤呼吸監測試驗，探討不同施肥水平下夏玉米生育期內土壤呼吸速率的變化特征，進一步明晰土壤表層溫度、含水率與土壤呼吸之間響應機制，為不同施肥處理下華北夏玉米碳循環研究提供基礎數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

1.2 實驗設計

夏玉米供試品種為紀元168，2017年6月13日播種，種植密度為6 萬株/hm2，于9月27日收獲。按照施肥量的差異設置3個施肥水平，每次施肥量分別為0、225、450 kg/hm2，即N1、N2、N3，每個處理3次重復，試驗小區面積為56 m2。玉米整個生育期內施肥2次，其中基肥施復合肥(含45%、N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)，抽穗期追施尿素。由于在華北地區夏玉米生育期需水與降水耦合程度高，生育期內降水基本能滿足夏玉米需水，各處理于播前均灌水60 mm以保證玉米出苗外，整個生育期內都不再進行灌溉，而其他田間管理措施保持一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤呼吸速率的計算

土壤呼吸速率(Rs)由北京雨根科技有限公司生產RR-7330型土壤呼吸自動監測系統監測。在玉米播種前，將土壤呼吸室固定安裝于試驗小區內，土壤呼吸室每半個小時自動閉合測量土壤表面150 s內CO2濃度的變化、氣室內壓強、氣室內溫度等指標，以此為基礎計算土壤呼吸速率，計算公式具體如下：

(1)

式中：Rs為土壤呼吸速率，μmol/(m2·s)；ΔC為呼吸室進出氣口的CO2濃度差，μmol/mol；V為氣路的體積，m3；A為覆蓋的土壤表面積，m2；P0為標準大氣壓，kPa；P為實際大氣壓，kPa；T為氣體溫度，k；T0為標準狀況下溫度，k。

1.3.2 土壤呼吸敏感系數

土壤呼吸與溫度被認為呈指數相關[12]，通常用指數方程Rs=aebTs來表述，其中Rs為土壤呼吸速率，Ts為土壤表層溫度，a、b均為回歸系數常數；利用土壤呼吸與溫度指數擬合模型中回歸系數b，可推算出土壤呼吸對土壤表層溫度的敏感性系數Q10值，即Q10=e10b。土壤呼吸敏感系數的大小反映了土壤呼吸對土壤表層溫度敏感性的強弱。

1.3.3 土壤表層溫度、含水率

采用天諾公司生產的PTU310S便攜手持土壤多參數采集器測量土壤表層溫度(Ts)與含水率(W)，于每個施肥處理小區隨機取3個點，取測量值的平均值。采集深度10 cm，測定間隔3 d，每次測量時間為8∶00至18∶00，間隔2 h測量一次。

4連通與8連通的示意圖如圖4所示。4連通時假設中心點★為0級灰度，當A、B、C、D其中一個點灰度級為0，則★點與其他點有連接；8連通時假設中心點★為0級灰度，當A、B、C、D、E、F、G、H其中一個點灰度級為0，則★點與其他點有連接。

1.3.4 氣溫與降雨量

采用試驗站自動氣象站(澳大利亞，Monitor)監測降雨、氣溫、地溫等氣象指標，采樣間隔為30 min。夏玉米生育內氣溫與降水量見圖1，日平均氣溫為25 ℃，降水量為241 mm。

圖1 夏玉米生育期日均氣溫與降雨量Fig.1 Daily average temperature and rainfall during the growing period of summer maize

1.3.5 數據處理

采用Excel軟件進行數據處理，SPSS 20.0軟件進行數據相關性及回歸分析。

2 結果與分析

2.1 土壤呼吸速率的日均變化

剔除夏玉米生育期內因惡劣天氣導致出現的異常值與不合理的值，將各個關鍵生育期內土壤呼吸速率每日變化的數據各自平均得到該生育期土壤呼吸速率日均變化趨勢見圖2。在夏玉米不同關鍵生育期內土壤呼吸速率均具有較明顯的日變化特點，其變化趨勢基本一致，都呈單峰特性，其峰值大致出現在15∶00，最低值大致出現在6∶00。不同施肥處理間土壤呼吸速率日均值存在差異，與不施肥處理相比，施肥處理土壤呼吸值同比增加且具有更明顯的日變化特征。可見，施肥處理對各關鍵生育階段的土壤呼吸速率均有促進作用。施加底肥與追肥使N2、N3處理的土壤呼吸速率在拔節期、抽穗期及灌漿期都表現出明顯的差異；爾后隨著玉米生長對營養元素吸收作用，不同施肥處理間養分含量差異減少，不同施肥處理下土壤呼吸速率的差異逐漸減弱，特別是在成熟期不同施肥處理間土壤呼吸速率變化趨勢趨于一致。

圖2 夏玉米關鍵生育期土壤呼吸日均變化Fig.2 Daily average changes of soil respiration during key growth period of summer maize

2.2 生育期內土壤呼吸速率變化動態

夏玉米整個生育期內各施肥處理每日土壤呼吸速率平均得到該處理當天土壤呼吸速率平均值，選取在整個生育期內變化過程中的關鍵變化節點得到夏玉米生育期動態變化見圖3，不施肥處理土壤呼吸速率變化范圍小，其生育期動態變化與氣溫變化趨勢較為一致；而與不施肥處理相比，施基肥后N2、N3處理的土壤呼吸速率分別迅速升高至3.11和3.82 μmol/(m2·s)，爾后呈下降的趨勢，而在抽穗期追施尿素后土壤呼吸速率上升直至3.57和4.35 μmol/(m2·s)，特別是在夏玉米中后期受氣溫回落與植株葉片衰老等因素影響，土壤呼吸速率迅速下降，導致與不施肥處理之間土壤呼吸速率差異減小；在夏玉米生育后期，隨著施肥量增加夏玉米土壤呼吸仍呈增大趨勢，但不同施肥處理間夏玉米土壤呼吸速率的波動趨勢基本一致，主要受制于生育期內降水與氣溫變化等因素，總體呈下降趨勢。

圖3 不同施肥處理下夏玉米土壤呼吸速率生育期動態變化Fig.3 Dynamic changes of soil respiration rate during growth period of summer maize under different fertilization treatments

2.3 不同施肥水平下表層土壤溫度、水分對土壤呼吸速率影響機制

2.3.1 土壤表層溫度對土壤呼吸的作用

相關性分析表明，N1、N2與N3處理的土壤呼吸速率與表層土壤溫度的相關系數分別為0.480、0.803、0.823，均達到極顯著相關水平。分別采用指數函數模型與二次函數模型擬合夏玉米農田土壤溫度與土壤呼吸速率見表1，在指數函數模擬擬合下，N1、N2及N3處理下的土壤溫度分別可以解釋土壤呼吸速率季節變化的25.3%、63.8%、67.7%；在二次函數擬合下，N1、N2及N3處理下的土壤溫度分別可以解釋土壤呼吸速率季節變化的23.1%、68.2%、69.9%。可見，不施肥處理下采用指數模型能更好模擬土壤呼吸速率與土壤溫度的關系，而施肥處理下采用二次函數模型擬合效果稍好些。N1、N2及N3處理下土壤呼吸的溫度敏感系數Q10值依次為1.73、2.20、2.29，表明增加施肥量土壤呼吸速率的溫度敏感性增加。

2.3.2 表層土壤含水率對土壤呼吸速率的作用

相關性分析表明，N1、N2與N3處理的土壤呼吸速率與表層土壤含水率的相關系數分別為0.481、0.690、0.701，各處理土壤呼吸速率與表層土壤含水率的相關性均達極顯著水平。采用指數函數模型和二次函數模型分別模擬了各處理下土壤呼吸速率與表層土壤含水率之間的關系表明見表2，在指數函數模型擬合下，土壤含水率可以單獨解釋2017年夏玉米生長季土壤呼吸速率季節變化的25.7%～51.9%；在二次函數模型擬合下，土壤含水量可以單獨解釋2017年夏玉米生長季土壤呼吸速率季節變化的15.3%～50.8%；指數函數模型擬合效果略優于二次函數模型。

表1 土壤表層溫度(Ts)的土壤呼吸模型擬合的系數及其決定系數Tab.1 Coefficient of soil respiration model fitting and its coefficient of determination for soil surface temperature (Ts)

注：*代表顯著相關(p<0.05)，**代表極顯著相關(p<0.01)，下同。

表2 土壤表層含水率(W)的土壤呼吸模型擬合的系數及其決定系數Tab.2 Coefficient of soil respiration model fitting and its coefficient of determination for soil surface moisture content (W)

2.3.3 土壤表層溫度與含水率對土壤呼吸速率的共同作用

將土壤溫度與土壤含水率聯合為一個方程可提高對土壤呼吸速率預測的準確性[3]。采用多元回歸分析法分析土壤水熱與土壤呼吸速率的關系可知，土壤表層溫度、含水率可以共同解釋夏玉米生長季呼吸速率季節變化的25.4%～79.8%見表3。N1、N2及N3處理下土壤表層溫度、含水率與土壤呼吸速率擬合方程決定系數分別為0.254、0.781、0.798，隨著施肥量增加，采用土壤溫度與土壤含水率聯合方程的擬合效果更好。

表3 土壤表層溫度(Ts)、含水率(W)的呼吸模型擬合的系數及其決定系數Tab.3 Coefficient of fitting of the respiratory model of soil surface temperature (Ts) and water content (W) and its coefficient of determination

3 討 論

(1)不同施肥處理對土壤呼吸的影響。本研究中夏玉米生育期內土壤呼吸速率日均變化呈單峰變化，其變化與日均溫變化趨勢基本一致[3,13,14]。夏玉米在施肥的刺激作用下生理活動加強，以及施肥增加土壤微生物活力等因素[7]，導致施肥及追肥后土壤呼吸顯著增加，所以在夏玉米3種施肥處理間土壤呼吸速率日均變化在拔節期、抽穗期、灌漿期都有顯著差異。其中在夏玉米整個生育期內高肥處理N3在夏玉米生育內土壤呼吸速率最大值高達4.35 μmol/(m2·s)，顯著高于不施肥處理的最高值1.47 μmol/(m2·s)；而在不施肥條件下，土壤呼吸速率明顯較弱、變異性最小，本研究中N1處理小區夏玉米長勢明顯弱于N2、N3處理，主要原因在于缺少肥力的刺激作用夏玉米生長發育較為緩慢[15]，使得作物地下部分活力同樣處于一個較低的水平，這與李洪建[16]等(2014年)研究一致。在夏玉米生育后期隨著玉米的成熟及植株的衰老，同時氣溫不斷下降等原因，各施肥處理的土壤呼吸速率值及彼此的差異性不斷減小。

(2)土壤表層溫度、含水率對土壤呼吸的影響。眾多研究[17-19]顯示土壤呼吸與表層土壤溫度之間關系最為顯著，另外土壤含水率對土壤呼吸變化也有較大影響[20]。本研究分別采用指數模型與二次函數模型擬合了不同施肥處理下土壤呼吸速率與土壤表層溫度、含水率之間相互關系，在合理施肥條件下，根據本文研究成果，以決定系數較高為選取原則，建議采用二次函數模型擬合土壤呼吸速率與表層土壤溫度之間的關系，而采用指數函數模型擬合土壤呼吸速率與表層土壤含水率之間的關系。綜合對比土壤溫度、土壤含水率與土壤呼吸速率的相關性與敏感性，采用土壤溫度擬合土壤呼吸速率效果優于土壤水分含水率。與單因素相比，建立表層土壤溫度、土壤含水率與土壤呼吸速率的聯合模擬方程對土壤呼吸速率擬合效果更好。

4 結 語

(1)夏玉米農田各施肥處理土壤呼吸速率日均變化呈先增高后降低的變化趨勢，峰值大致出現在15∶00，最低值大致出現在6∶00；且增加施肥量，土壤呼吸速率也隨之增加，在夏玉米生長發育的出苗、拔節、抽穗3個生育期表現最為顯著；在夏玉米生育期后期土壤呼吸處于一個較低水平且各施肥處理間差異不顯著。

(2)土壤表層(0～10 cm)溫度、含水率與夏玉米農田土壤呼吸速率相關性均呈極顯著水平；二者分別可解釋土壤呼吸速率季節變化的23.1%～69.9%與15.3%～50.8%，各施肥處理的Q10值依次為1.73、2.20、2.29，隨著施肥量的提高而增加；與單因素相比，建立土壤表層溫度、含水率與土壤呼吸速率的聯合模擬方程有更好的模擬效果。