大氣CO2濃度與溫度升高對小麥表層土壤碳氮含量及酶活性的影響

楊 琦 邱 娜 李露潔 史鑫蕊，2 張東升，2宗毓錚，2，* 李 萍，2 郝興宇，2

（1山西農業大學農學院，山西 太谷 030801；2黃土高原特色作物優質高效生產省部共建協同創新中心，山西 太谷 030801）

土壤碳庫是陸地生態系統中最大的碳庫，是植物根系、凋落物、微生物殘體等輸入土壤中的碳除去土壤呼吸后，剩下的穩定存儲的碳［1］。全球表層土壤中碳儲量在700×1015～2 946×1015g之間，占陸地生態系統碳儲量的2/3，對陸地生態系統的組成、分布、結構和功能等產生深刻影響［2］，對全球碳循環和氣候變化起著關鍵作用［3］。

近年來，大氣CO2濃度增加與氣溫升高已成為不爭的事實，預測到21 世紀末CO2濃度將達到490～1 260 μmol·mol-1［4］，平均地表氣溫將升高2～4 ℃［5］。CO2濃度升高會提高植物地上部和地下部生物量積累［6］，增加凋落物和土壤底物的碳氮比（C/N），改變微生物活性和有機質的分解速度［7］。大氣CO2濃度升高顯著提高了催化碳水化合物分解的部分土壤酶活性，如纖維素酶、半纖維素酶、木質素酶等［8-9］，但會降低土壤β-葡萄糖苷酶活性［10］。同時，有研究表明，在CO2濃度升高的條件下，土壤硝酸還原酶活性下降了14%～20%［11］，NO-3-N 等電子受體的減少是主要原因之一［12］。升溫導致土壤中真菌數量增加，而真菌是土壤木質素的主要分解者，這提高了土壤中木質素的氧化程度，降低了碳庫的穩定性［13］，且土壤細菌與真菌比值降低會導致β-葡萄糖苷酶和β-N-乙酰葡糖苷酶活性減弱［14］。在一定溫度范圍內，增溫對參與土壤有機碳分解的胞外酶具有促進作用［15］，如纖維素酶［16］和β-木糖苷酶［10］。作為氮循環關鍵酶之一的脲酶，其活性在春小麥根際土壤增溫5 ℃條件下有所提高［17］。

在不同的土地利用方式和管理措施下，土壤碳庫會成為大氣碳庫的源或庫。因此，研發和利用高固碳、低排放的農業技術和模式是未來農業發展的重要目標之一［18］。免耕和少耕減少了土壤擾動，其結合秸稈還田可提高土壤有機碳庫［19］，有效控制土壤碳損失，減少農田CO2釋放量，降低溫室效應［20］，提高土壤全氮含量［21］。

目前，大氣CO2濃度和溫度升高共同作用下的土壤碳庫組成及其穩定性的變化特征仍存在爭議。本研究立足于黃土高原持續29 年的旱地小麥保護性耕作定位試驗，將免耕覆蓋與旋耕秸稈還田下0～20 cm 土層土壤取回人工控制氣候室進行小麥盆栽培養，分析土壤碳氮庫組分含量及相關土壤酶活性，旨在闡明大氣CO2濃度與溫度升高對土壤碳氮組分的影響，以期為未來氣候變化條件下土壤碳庫穩定性的預測提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

供試土壤為山西省臨汾市堯都區保護性耕作長期定位試驗區（111°30′N、36°04′E）0～20 cm 深度土壤。長期定位試驗始于1992 年，由中國農業大學、澳大利亞昆士蘭大學（University of Queensland）和山西省臨汾市堯都區農機局開展。海拔450 m，年平均氣溫10.7 ℃，無霜期180 d。該地區主要以半干旱氣候為主，年平均降雨量為555 mm，集中在7—9 月份，12—次年2月降水較少。土壤類型為碳酸鹽褐土，有機質含量低（9.35 g·kg-1）、土壤pH值為7.24左右。

試驗區種植制度為一年一熟，種植作物為冬小麥，每年9月20日左右種植，6月10日左右收獲，收獲后直到下一季播種之間處于休閑期。試驗設置旋耕和免耕2個處理。旋耕處理在收獲后留茬10～15 cm，將秸稈（粉碎長度為15～20 cm）撒于地表，10 d內進行翻地，深度大約為15～20 cm。播前整地后，使用常規播種機進行播種。免耕處理留茬10～15 cm，將小麥秸稈粉碎覆蓋于地表（平均3.75 t·hm-2）。在休耕期不進行翻耕處理，使用除草劑和殺蟲劑控制雜草和害蟲的生長。在9月20日左右使用貼茬播種機（山西河東雄風農機有限公司，運城）進行小麥播種，到次年6月10日左右收獲。各處理均采用硝酸磷肥復合肥（含N 25%、P2O512%）做底肥一次施入，施用量450 kg·hm-2，即施氮（N）量112.5 kg·hm-2，施磷（P2O5）量54 kg·hm-2。

于2020年9月30日將0～20 cm深度土壤挖深坑取回人工模擬氣候室，盡可能保持原狀，用于種植冬小麥。播種前0～20 cm 土層土壤碳氮含量及相關酶活性如表1所示。

表1 播種前0～20 cm土層土壤碳氮含量及相關酶活性Table 1 Soil carbon and nitrogen concent and relative enzyme activities in 0-20 cm layer before sowing

1.2 試驗材料

供試小麥品種為鄭麥9023（河南省農業科學院），于2020年10月11日播種。將小麥種子消毒催芽后，選取長勢一致的種子，在直徑12 cm，深20 cm 的塑料桶內進行穴播。

1.3 試驗設計

本試驗基地位于山西省晉中市太谷縣山西農業大學農作站。該基地具有4 個獨立的人工模擬氣候室，氣室結構為鋼化結構，透光率為80%，單個氣室面積為4 m×8 m，高為3.2 m。采用電腦自動控制系統（邯鄲冀南新區盛炎電子科技有限公司）控制溫度和CO2濃度。CO2濃度控制由控制系統感知氣室內傳感器中CO2的濃度，并將采集到的數據發送到主控計算機，由計算機控制各氣室電磁閥的開閉，使每個氣室的CO2濃度達到預定濃度來實現。氣溫控制由主控計算機根據室內外氣溫差控制空調使每個氣室的氣溫達到預定氣溫來實現［22］。試驗設置2個CO2濃度水平和2個溫度處理，共4 個處理組合：CK（CO2濃度400 μmol?mol-1，正常大氣溫度）；eC（CO2濃度600 μmol?mol-1，正常大氣溫度）；eT（CO2濃度400 μmol?mol-1，大氣溫度+2 ℃）；eCeT（CO2濃度600 μmol?mol-1，大氣溫度+2 ℃）。每個處理3次重復。由于越冬期本底氣溫較低，未進行增溫處理。該時間段為：日最低溫持續10 d 低于0 ℃開始至日最低溫持續1 d 高于0 ℃為止，具體為2020 年12 月30 日—2021年2月26日（圖1）。

種植小麥的塑料桶底部留有透水小孔，桶底鋪有濾紙，防止根系從盆底鉆出，播前澆透水。播種時施底肥，施肥量按112.5 kg N·hm-2，54 kg P2O5·hm-2折算，每桶種4穴，每穴1粒，每個處理設5盆重復，拔節期追施氮肥105.32 kg N·hm-2。在小麥全生育期內定期澆水，使土壤含水量維持在75%～85%，清除雜草。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤樣品采集及小麥生物量測定 分別在小麥拔節期（3 月28 日）、開花期（增溫處理為4 月28 日，無增溫處理為5 月6 日）和成熟期（增溫處理為6 月4 日，無增溫處理為6 月13 日）進行土壤樣品采集。每個處理分別隨機選取3個重復，用土鉆采集0～20 cm土層土壤，去除雜草和動植物殘渣后迅速過10 目篩，隨后分為兩部分放入自封袋中帶回實驗室，一部分自然風干并過60 目篩用于測定土壤理化指標，另一部分于4 ℃以下保存用于測定土壤酶活性。

于成熟期將每個花盆中的小麥連土取出，采用流水沖根法獲取整根植株后將小麥地上部與地下部分開，用信封封裝標記后在烘箱中105 ℃殺青45 min 后70 ℃烘干至恒重，測定生物量。

1.4.2 土壤碳氮含量及組分的測定 土壤有機碳和全氮含量在山西農業大學資源環境學院土壤環境與養分資源山西省重點實驗室采用重鉻酸鉀外加熱法［23］和凱氏定氮法［24］測定。土壤易氧化有機碳、銨態氮和硝態氮含量在山西農業大學農學院作物生態與旱作栽培生理山西省重點實驗室測定，其中，土壤易氧化有機碳含量采用高錳酸鉀氧化-比色法［25］進行測定，土壤銨態氮和硝態氮含量分別采用KCl 浸提-靛酚藍比色法和雙波長紫外分光光度法［26］進行測定。

1.4.3 土壤酶活性的測定 土壤β-葡萄糖苷酶（βglucosidase，β-GC）和N-乙酰-β-D 葡萄糖苷酶（NAcetyl-β-D-glucosidase，NAG）活性采用硝基酚比色法測定，其活性以24 h內1 g干土生成對硝基苯酚的量表示；土壤脲酶（urease activity，UE）活性采用靛酚藍比色法測定，其活性以24 h內1 g干土生成NH3-N的量表示［27］；纖維二糖水解酶（cellobiohydrolase，CBH）和β-木糖苷酶（β-xylosidase，β-XYS）活性采用ELISA試劑盒（上海瑞番生物科技有限公司）雙抗體夾心法測定。土壤酶活性均在山西農業大學農學院作物生態與旱作栽培生理山西省重點實驗室測定。

1.4.4 土壤碳庫特征計算方法 采用土壤碳庫活度、碳庫活度指數和碳庫管理指數來反映不同處理下土壤碳庫穩定性變化，以正常大氣CO2濃度與溫度條件（CK）下免耕與旋耕土壤為參考來計算相關指標。計算公式如下［28］：

式中，土壤碳庫活度處理和土壤碳庫活度對照分別為不同處理與對照條件下的土壤碳庫活度。

式中，有機碳含量處理和有機碳含量對照分別為不同處理與對照條件下的土壤有機碳含量（g·kg-1）。

1.5 數據處理

采用Excel 2019 軟件進行數據處理，采用SPSS 23.0軟件進行統計分析。采用最小顯著性差異法進行多個組間差異顯著性比較（P<0.05），圖表中所用數據均為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 CO2濃度和溫度升高對土壤有機碳和易氧化有機碳含量的影響

由圖2可知，土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量在三個生育時期均表現為免耕處理顯著高于旋耕處理（P<0.05），兩種耕作方式下，CO2濃度升高、增溫及其疊加作用下的SOC含量均無顯著差異（P>0.05）。與對照相比，溫度和CO2濃度同時升高條件下兩種土壤的易氧化有機碳（readily oxidized organic carbon，AOC）含量均顯著降低（P<0.05；開花期免耕土壤除外）；CO2濃度升高或溫度升高單獨處理均顯著降低了免耕土壤拔節期和成熟期AOC 含量（P<0.05），降幅分別為33.1%、43.4%和10.9%、35.9%，對旋耕土壤則無明顯影響。

2.2 CO2濃度和溫度升高對土壤全氮、銨態氮和硝態氮含量的影響

由圖3可知，與對照相比，CO2濃度升高或增溫單因素處理整體提高了免耕土壤的全氮含量。其中，CO2濃度升高顯著或極顯著提高了免耕土壤開花期（P<0.05）和成熟期（P<0.01）的全氮含量；增溫極顯著增加了免耕土壤拔節期和開花期全氮含量（P<0.01）；而二者疊加作用顯著增加了開花期兩種土壤的全氮含量（P<0.05）。

圖3 CO2濃度和溫度升高對不同耕作方式下土壤全氮及其組分含量的影響Fig.3 Effects of elevated CO2 concentration and temperature on soil total nitrogen concent and its component under different tillage practices

CO2濃度與溫度對土壤銨態氮含量的影響不同。與對照相比，CO2濃度升高條件下，免耕土壤銨態氮含量在拔節期降低了20.6%；溫度升高條件下，兩種土壤的銨態氮含量平均值在開花期和成熟期顯著增加（P<0.05），增幅分別為27.1%和85.2%；二者疊加作用下，兩種土壤的銨態氮含量在成熟期極顯著增加（P<0.01）。

與對照相比，CO2濃度升高顯著降低了開花期和成熟期免耕土壤的硝態氮含量，降幅分別為24.9%和48.8%；溫度升高極顯著降低了拔節期和成熟期旋耕土壤硝態氮含量（P<0.01），降幅分別為16.0%和56.3%；二者疊加作用下土壤硝態氮含量明顯降低（開花期旋耕土壤除外）。增溫條件下，免耕土壤硝態氮含量在拔節期和成熟期極顯著高于旋耕土壤（P<0.01）。

2.3 CO2濃度和溫度升高對碳氮循環相關酶活性的影響

由圖4可知，與對照相比，CO2濃度升高和增溫均在不同程度降低了土壤β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，β-GC）活性。其中，CO2濃度升高極顯著降低了開花期免耕和成熟期旋耕土壤的β-GC 活性（P<0.01），溫度升高及二因素疊加作用極顯著降低了兩種土壤成熟期的β-GC活性（P<0.01）。溫度升高及其與CO2濃度升高的疊加作用較對照極顯著降低了免耕土壤開花期的纖維二糖水解酶活性（P<0.01）。CO2濃度升高極顯著增加了拔節期兩種土壤的β-木糖苷酶（β-xylosidase，β-XYS）活性（P<0.01），CO2濃度和溫度升高的疊加作用顯著增加了拔節期和成熟期免耕土壤β-XYS活性（P<0.05）增幅分別為18.2%和24.0%。

圖4 CO2濃度和溫度升高對不同耕作方式下土壤β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶和β-木糖苷酶活性活性的影響Fig.4 Effects of elevated CO2 concentration and temperature on β-glucosidase，Cellobiohydrolase and β-xylosidase activities under different tillage practices

由圖5可知，CO2濃度升高較對照極顯著降低了開花期和成熟期免耕土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶（NAcetyl-β-D-glucosidase，NAG）活性（P<0.01），CO2濃度與溫度升高二因素疊加作用極顯著降低了成熟期兩種耕作方式下土壤的NAG活性（P<0.01），溫度升高對NAG 活性整體無明顯影響。與對照相比，CO2濃度升高下，兩種土壤的脲酶活性在開花期極顯著降低（P<0.01），在成熟期顯著增加（P<0.05）；溫度與CO2濃度升高疊加作用下，兩種土壤的脲酶活性在開花期顯著降低（P<0.05）。不同處理、不同時期下免耕土壤的脲酶活性均高于旋耕。

圖5 CO2濃度和溫度升高對不同耕作方式下土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶和脲酶活性的影響Fig.5 Effects of elevated CO2 concentration and temperature on N-Acetyl-β-D-glucosidase and urease activities under different tillage practices

2.4 CO2濃度和溫度升高對土壤碳庫穩定性的影響

由表2可知，與對照相比，CO2濃度升高顯著降低了免耕土壤在拔節期和成熟期的碳庫活度和碳庫管理指數；溫度升高整體顯著降低了兩種土壤在小麥成熟期的碳庫活度和碳庫管理指數；CO2濃度和溫度升高的疊加作用整體顯著降低了旋耕土壤3 個關鍵生育時期的碳庫活度和碳庫管理指數，對開花期免耕土壤則無顯著影響（P>0.05）。

表2 CO2濃度和溫度升高對不同耕作方式下土壤碳庫活度與碳庫管理指數的影響Table 2 Effects of elevated CO2 concentration and temperature on soil carbon pool activity and soil carbon pool management index under different tillage practices

2.5 CO2濃度和溫度升高對小麥生物量積累的影響

由圖6可知，在對照處理下，免耕土壤小麥地上部生物量和根系生物量顯著高于旋耕處理（P<0.05）。CO2或溫度單獨升高條件下，兩種耕作方式下小麥地上部生物量和根系生物量均較對照有所提升，但兩種耕作方式之間均無顯著差異（P>0.05）。在CO2濃度與溫度升高的疊加作用下，兩種耕作措施下小麥地上部生物量較對照明顯降低，且旋耕降低幅度（24.7%）大于免耕（13.9%）；根系生物量則較對照顯著增加（P<0.05），旋耕增加幅度（52.5%）大于免耕（27.6%）。

圖6 CO2濃度和溫度升高對不同耕作方式下單株小麥生物量的影響Fig.6 Effects of elevated CO2 concentration and temperature on single wheat plants biomass under different tillage methods

2.6 CO2濃度和溫度升高對小麥碳氮庫組成和相關酶活性的相對作用

由圖7可知，CO2濃度與溫度升高疊加作用對不同時期土壤碳氮庫相關酶活性均值的相對作用基本一致，即降低了兩種土壤β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶（免耕除外）、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶和脲酶活性。CO2濃度升高單獨處理增加了兩種土壤纖維二糖水解酶活性。但不同環境條件對土壤碳氮庫組成的影響不一。CO2濃度升高降低了免耕土壤的易氧化有機碳和硝態氮含量，對旋耕土壤則無顯著影響（P>0.05）。溫度升高對土壤易氧化有機碳含量的影響與CO2濃度升高下的趨勢相同，并顯著降低了兩種土壤的硝態氮含量。CO2濃度和溫度升高疊加作用均顯著降低了兩種土壤的易氧化有機碳和硝態氮含量。三種環境條件均增加了土壤全氮含量（增溫下的旋耕土壤除外）。

圖7 CO2濃度和溫度升高對不同耕作方式下土壤碳氮庫組成及相關酶活性的相對作用Fig.7 The relative effects of elevated CO2 and temperature on soil carbon and nitrogen concentration and corresponding key enzyme activities

3 討論

3.1 溫度或CO2濃度升高對免耕易氧化有機碳和硝態氮含量的影響

土壤有機碳含量始終處在外源碳的輸入和本底有機碳分解的動態變化中［29］。前人對森林［30］、草地［31］等生態系統的研究表明，溫度升高影響土壤微生物的活性和土壤酶的活化能，造成有機碳［32-33］與固持氮［34-35］的分解。本研究中，在小麥生長季持續增溫2 ℃后，免耕土壤的易氧化有機碳含量顯著低于正常溫度（P<0.01）（圖2），且除成熟期β-木糖苷酶活性外，3 個關鍵生育時期免耕土壤β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶和纖維二糖水解酶活性均受到抑制（圖4）。這些水解酶活性的降低可能抑制土壤中纖維素、半纖維素、木質素等碳物質的降解［36］，導致增溫下免耕土壤易氧化有機碳含量低于正常溫度。石麗紅等［37］在水稻秸稈還田系統研究中也證明了土壤水解酶（β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、纖維二糖水解酶）活性與土壤有機碳含量及其活性有機碳組分含量間的正相關關系。

前人研究表明，CO2濃度升高可能增加根系分泌物和微生物活性，增加本底有機碳礦化，對農田土壤固碳能力產生限制［38-39］。本研究中，在CO2濃度升高條件下，免耕土壤易氧化有機碳與硝態氮含量有所降低，同時，纖維二糖水解酶活性升高，N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶與脲酶活性降低（圖7）。同時，CO2濃度升高下小麥地上部與地下部的生物量未升高，前人研究也表明CO2升高抑制了小麥對土壤中硝態氮的吸收與同化［40］，因此，基本可排除由植株吸收量增加導致土壤硝態氮含量減少的可能。

另外，旋耕土壤的易氧化有機碳含量和水解酶（β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、纖維二糖水解酶）活性在溫度或CO2濃度升高單因素作用下較對照整體無明顯變化（圖7）。這可能與旋耕下表層土壤結構松散、通透性高、微生物群落組成不同，以及土壤有機質活性組分的礦化、氧化及養分轉化在正常CO2濃度與溫度條件下已相對充分［41］等因素有關。

3.2 溫度與CO2濃度的疊加作用對土壤易氧化有機碳含量的降低作用

在大氣CO2濃度和溫度升高共同作用下，微生物群落的代謝活動對本底有機質的礦化能力可能增強［42］。本研究中，兩種土壤的易氧化有機碳含量在CO2濃度和溫度的疊加作用下較對照平均下降了34.2%，下降幅度大于單因素作用。這說明，在未來氣候變化環境中，CO2濃度和溫度的疊加作用可能將較單因子對土壤有機碳造成更大的損失。同時，疊加作用下易氧化有機碳含量在小麥拔節期已明顯降低，至成熟期降低幅度未進一步加劇，而N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶以及β-木糖苷酶（免耕除外）活性在拔節期較高但在成熟期被明顯抑制，推測小麥生長后期易氧化有機碳分解受到微生物對溫度和CO2濃度持續升高的適應［43-44］等因素影響。另外，疊加作用降低了土壤硝態氮含量，雖然增加了銨態氮含量（圖3），但植物可吸收利用的無機氮含量仍然較低，小麥地上部生物量明顯減少（圖6），削弱了單獨增溫對免耕下土壤硝態氮和小麥生物量積累的提升作用。

在對照處理下，免耕較旋耕更有利于小麥地上部與地下部生物量積累，進而增加了植物殘體對土壤有機碳的潛在輸入量（圖6）。大氣CO2濃度或溫度升高環境中，旋耕下小麥地上部與地下部生物量均增加至與免耕無顯著差異（P>0.05），彌補了植物殘體輸入量的差距。但在CO2濃度與溫度升高疊加處理中，兩種耕作措施下小麥地下部生物量雖較對照顯著增加，但地上部生物量明顯降低，且旋耕降低幅度大于免耕。說明在CO2濃度與溫度升高共同作用下，旋耕模式較免耕有減少地上部秸稈碳輸入量的可能。Zhu 等［45-46］對水稻土的研究表明，CO2濃度和溫度升高疊加作用下來源于植被根系的土壤有機質含有大量的木質素組分，碳礦化率較低，而來源于秸稈的碳礦化率較高。綜上，在未來長期氣候變化條件下，CO2濃度與溫度升高的疊加作用可能通過改變秸稈碳的輸入量等影響土壤有機碳的組成與礦化過程。

4 結論

小麥生長季持續增溫2 ℃或CO2濃度升高條件下，免耕土壤的易氧化有機碳與硝態氮含量較對照明顯降低，旋耕土壤的易氧化有機碳含量無明顯變化，硝態氮含量在增溫下降低。在CO2濃度與溫度升高的疊加作用下，兩種土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶活性被抑制，易氧化有機碳與硝態氮含量降低且降低幅度大于單因素處理，土壤碳庫活度降低；同時，小麥地下部生物量增加，地上部生物量降低。綜上，在未來氣候變化環境中，CO2濃度和溫度升高的疊加作用可能將較單因子對土壤有機碳產生更大的影響。