不同施氮水平對玉米生長季土壤呼吸的影響

呂佩毓，柴 強，李 廣

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

大氣CO2濃度升高引起的全球氣候變化已經(jīng)受到世界各國的普遍重視。促進陸地生態(tài)系統(tǒng)碳的固定及其穩(wěn)定、減少溫室氣體排放已經(jīng)被國際社會公認為是減緩氣候變化的重要途徑之一[1]。而土壤是一個巨大的碳庫，大約是大氣中碳總量的兩倍，陸地生物碳總儲量的3倍[2-3]。土壤呼吸是陸地植物固定CO2后又釋放回大氣的主要途徑，也是土壤碳庫中碳輸出的主要途徑[4]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)源排放的CO2占人為溫室氣體排放量的21%～25%，農(nóng)田土壤已被認同為大氣CO2的重要源[5]。氮肥是影響作物生長發(fā)育最敏感的栽培因素[6]，農(nóng)田施氮肥是提高植物產(chǎn)量的關(guān)鍵措施之一[7]，但施氮肥土壤速效氮和全氮含量與土壤呼吸速率呈正相關(guān)關(guān)系[8]。迄今為止，有關(guān)氮肥對土壤-作物系統(tǒng)中土壤呼吸影響的研究報道很多，如：邢曉旭[9]測得C/N在很大程度上影響著土壤CO2的排放，土壤呼吸隨氮素含量的增加而升高；Ding等[10]在我國華北平原潮土上研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥使整個玉米(Zeamays)生長季土壤呼吸降低了10.5%；Wilson和Ai-Kaisi[11]發(fā)現(xiàn)，在大豆(Glycinemax)-玉米輪作系統(tǒng)中，與施氮肥處理相比，不施氮肥使玉米季土壤呼吸速率增加了31%；而王重陽等[12]研究表明，施用氮肥顯著提高了東北潮棕壤的土壤呼吸作用，增加幅度可達12.1%；楊蘭芳和蔡祖聰[13]研究表明，低肥力土壤上，高氮處理的土壤呼吸比低氮處理高28%。但研究結(jié)論不盡一致[9-13]，有促進、抑制或無影響3種，表明氮肥影響土壤呼吸的機制還需要深入研究。為此，本研究在甘肅省武威市涼州灌區(qū)研究玉米農(nóng)田不同氮肥用量與土壤呼吸速率的關(guān)系，旨在探索不同施氮水平對玉米農(nóng)田土壤呼吸速率的影響，了解農(nóng)田土壤溫室氣體排放的動態(tài)變化。

1 材料與方法

1.1試驗地概況 田間試驗區(qū)地處甘肅省武威市甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)與武威市農(nóng)技中心校地聯(lián)合綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地(102°64′ E， 37°96′ N)，位于甘肅河西走廊東端，其地勢西南高東北低，西南部為祁連山地，中部為走廊平原，東北部為騰格里沙漠，屬冷溫帶干旱區(qū)，典型大陸性氣候。該區(qū)日照充足，春季多風沙，夏季有干熱風。海拔1 506 m，全年無霜期155 d，絕對無霜期118 d。降水年際變化不大，但季節(jié)變化較大，多年平均降水量156 mm，主要集中在7-9月，冬春季干旱，降水無法滿足作物生長需要，屬于典型的內(nèi)陸綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。年蒸發(fā)量2 400 mm，干燥度5.85，年平均氣溫7.2 ℃，≥0 ℃積溫為3 513.4 ℃·d，≥10 ℃積溫為2 985.4 ℃·d，年日照時數(shù)2 945 h。農(nóng)田土壤類型為厚層灌漠土。地勢平坦，井水灌溉。0～30 cm土壤基本理化性狀為全氮0.68 g/kg、全磷1.41 g/kg、有機質(zhì)14.31 g/kg、容重1.57 g/cm3。

1.2試驗設(shè)計和材料 田間試驗設(shè)置3個處理，施氮量分別為0，300和450 kg/hm2，編號為N0、N300和N450,每個處理重復(fù)3次。小區(qū)面積為18 m×24 m，隨機區(qū)組排列。尿素分兩次施入，基肥和追肥的比例為1∶2。磷肥(P2O5)為1 875 kg/hm2、磷酸二氫銨(NH4H2PO4)為625 kg/hm2和尿素[CO(NH2)2]為118 kg/hm2用作基肥于2010年4月7日全部施入，然后翻耕土壤。追肥于7月17日施用尿素[CO(NH2)2]為236 kg/hm2。為減少堿性土壤的氨揮發(fā)損失，追肥后立即灌水。2010年4月10日點播玉米，9月30號收割，品種為武科2號，行距和株距均為40 cm。

1.3測定方法 用EGM-4密閉式土壤呼吸測量系統(tǒng)(environmental gas monitor,EGM-4，PP Systems，UK)和SRC-1土壤呼吸室每月進行2次土壤呼吸速率測定(5―9月)。為了減少對土壤表層的干擾，土壤呼吸室放置在PVC圈(直徑10 cm，高4 cm的聚乙烯圓柱體)上。PVC圈插入土壤1～2 cm，在土壤測定的前1天安置。為了準確測定土壤呼吸速率，根據(jù)距離玉米植株的遠近，PVC圈嵌入1/2株行距交叉處土壤中。在整個觀測過程中PVC圈埋設(shè)位置保持不變。土壤呼吸速率的測定主要在玉米的整個生長季進行，另外，分別在為5月4日、6月10日、7月6日、7月24日、8月22日和9月20日進行土壤呼吸速率日動態(tài)觀察，時間為06:00―20:00，每2 h采樣1次。測量土壤呼吸速率的同時采用地溫計測量5～20 cm的土壤溫度。

1.4數(shù)據(jù)分析 利用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同施氮水平下玉米農(nóng)田土壤呼吸的日變化 圖1為不同施氮水平下玉米農(nóng)田土壤呼吸速率06:00―20:00的動態(tài)變化。N0、N300和N450三個施氮水平的玉米農(nóng)田土壤呼吸速率都表現(xiàn)為單峰型曲線，其變化趨勢與10 cm溫度的變化趨勢一致,即日變化隨溫度升高而增加。凌晨時溫度最低，土壤呼吸作用最弱，兩方面的共同作用使得玉米地土壤呼吸速率最低值出現(xiàn)在06:00左右，午后氣溫最高，土壤呼吸速率在14:00左右出現(xiàn)最大值，16:00左右土壤呼吸速率隨溫度的降低也略微下降。玉米生長前期土壤呼吸速率白天的變化幅度明顯大于后期。

不同施氮水平下玉米農(nóng)田土壤呼吸速率存在顯著的差異，日變化規(guī)律表現(xiàn)為N450>N300>N0(圖1)，表明施氮水平越高，土壤呼吸速率(以CO2排放量計算)越大。同時施氮水平在玉米生長的不同時段對土壤呼吸速率有著不同的影響。不同施氮水平下土壤呼吸速率的日變化在玉米生長前期差異不顯著，苗期和拔節(jié)期，N450的峰高分別為1.46和7.56 μmol/(m2·s)，N300的峰高分別為1.44和7.52 μmol/(m2·s)，N0的峰高分別為1.41和7.24 μmol/(m2·s)；而玉米生長中后期土壤呼吸速率排放差異顯著，尤其在灌漿期和成熟期，N450的峰高分別達到7.42和4.73 μmol/(m2·s)，N300的峰高分別為6.68和4.16 μmol/(m2·s)，而N0的峰高僅分別為6.15和3.63 μmol/(m2·s)?？梢姡寥篮粑俾孰S氮肥用量增加而增強，這是因為土壤中氮素不足會影響土壤微生物活性[14]，向土壤中施加氮肥后，降低了土壤中C/N，促進了微生物增殖并分解更多土壤有機質(zhì)，從而增加了CO2釋放。盡管一定范圍內(nèi)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(nèi)可促進CO2的排放，但易導(dǎo)致土壤活性有機碳過快消耗，使土壤呼吸速率很快下降[14]。

2.2不同施氮水平下玉米農(nóng)田土壤呼吸的生育期變化 從玉米的整個生育期(出苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期和成熟期6個生長階段)來看，施氮水平對不同玉米生長階段土壤呼吸速率有不同的影響。玉米生長前期，農(nóng)田不施氮、施氮300 kg/hm2和施氮450 kg/hm23個處理的土壤呼吸速率差異不顯著，表明氮肥施用對土壤呼吸速率沒有顯著影響(表1) 。而夏季玉米生長處于中后期，灌漿期3個施氮水平玉米農(nóng)田土壤呼吸速率平均值為N450[6.31 μmol/(m2·s)]> N300[5.77 μmol/(m2·s)]>N0[5.08 μmol/(m2·s)]，成熟期土壤呼吸速率平均值為N450[4.03 μmol/(m2·s)]>N300[3.61 μmol/(m2·s)]>N0[3.13 μmol/(m2·s)](表1)，差異顯著。N0、N300和N450三個施氮水平的土壤呼吸速率都表現(xiàn)為從出苗期到成熟期依次增加，具體表現(xiàn)為抽雄期>大喇叭口期>拔節(jié)期>灌漿期>成熟期>苗期。

圖1 不同施氮水平玉米農(nóng)田土壤呼吸的日變化規(guī)律

在玉米整個生長期間，不同施氮水平白天(06:00-20:00)玉米農(nóng)田土壤呼吸速率平均值N0、N300和N450分別為4.90、5.34和5.72 μmol/(m2·s)，其中N450比N300和N0分別增加了7.12%和16.73%，N300比N0增加了8.98%。不同施氮水平下玉米生長前期土壤呼吸速率變化幅度明顯大于后期，氮肥施用對玉米大喇叭口期(7月6日)和抽雄期(7月24日)農(nóng)田土壤呼吸速率影響最大，變異系數(shù)為29.44%和22.40%，苗期(5月4日)、拔節(jié)期(6月10日)和成熟期(9月20日)的變幅較小，變異系數(shù)分別為15.83%、19.84%和14.31%。影響最小的時期是灌漿期(8月22日)，變異系數(shù)僅為12.47%(表1)。對N0、N300和N450三個施氮水平下的土壤呼吸速率進行方差分析表明，整個生長期，N450的平均值為5.72 μmol/(m2·s)，N300的平均值為5.34 μmol/(m2·s)，而N0的平均值為4.90 μmol/(m2·s)，可見，施肥處理的土壤呼吸顯著高于不施肥處理，N450顯著高于N300。苗期的土壤呼吸速率顯著低于其他時期，抽雄期土壤呼吸速率最高(表1)。

表1 不同施氮水平玉米不同生育期土壤呼吸動態(tài)變化規(guī)律

3 結(jié)論

1)玉米農(nóng)田土壤呼吸速率的日變化規(guī)律為單峰型曲線，其變化趨勢與10 cm土壤溫度變化趨勢一致。土壤呼吸速率最低值出現(xiàn)在06:00左右，最高值出現(xiàn)在14:00左右。

2)土壤呼吸速率隨氮素含量的增高而升高。整個生長季節(jié)白天土壤呼吸速率均值N450為5.72 μmol/(m2·s)， N300為5.34 μmol/(m2·s)， N0為4.90 μmol/(m2·s)，其中N450比N300和N0分別增加了7.12%和16.73%，N300比N0增加了8.98%。

3)玉米農(nóng)田土壤呼吸速率季節(jié)變化的高低順序為抽雄期>大喇叭口期>拔節(jié)期>灌漿期>成熟期>苗期。

在試驗區(qū)土壤上施用氮肥增加了土壤呼吸速率，但由于研究時間較短，因此施氮對土壤呼吸速率的影響還需深入。

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