大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)麥田土壤呼吸和酶活性的影響

劉遠(yuǎn)，潘根興，張輝，李峰，王光利*

（1.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，淮北 235000；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095）

大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)麥田土壤呼吸和酶活性的影響

劉遠(yuǎn)1，潘根興2，張輝1，李峰1，王光利1*

（1.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，淮北 235000；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095）

以同步模擬大氣CO2濃度和溫度升高的田間開放式氣候變化平臺(tái)為依托，研究大氣CO2濃度和溫度的對(duì)照處理（CK）、CO2濃度升高（CE）、試驗(yàn)增溫（WA）以及兩者同時(shí)升高（CW）對(duì)小麥土壤呼吸、脲酶和轉(zhuǎn)化酶的影響。結(jié)果表明：與對(duì)照相比，CE處理的小麥季土壤呼吸速率沒有顯著變化，而升溫處理（WA和CW）的土壤呼吸速率顯著提高；在分蘗期土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性沒有明顯變化，在抽穗和成熟期，升溫處理顯著提高了轉(zhuǎn)化酶活性，而CE處理顯著提高了抽穗期轉(zhuǎn)化酶活性；與對(duì)照相比，CE處理土壤脲酶活性沒有變化，而WA處理顯著提高了抽穗期的土壤脲酶活性?？梢姡髿釩O2濃度和溫度升高對(duì)不同生育期的土壤呼吸和酶活性影響存在差異，而且土壤呼吸、脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性對(duì)溫度升高的響應(yīng)比較敏感。

CO2濃度增加；試驗(yàn)增溫；冬小麥；酶活性；土壤呼吸

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳通量過程，是有機(jī)碳以CO2釋放到大氣中的主要途徑[1]。研究表明，每年從土壤釋放到大氣中的碳已達(dá)到98 Pg·a-1[2]，因此，土壤呼吸的微小變化可能對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生很大影響。土壤酶主要在土壤顆粒、植物根系或微生物細(xì)胞表面發(fā)生酶促作用，易受到理化因素和生物因素的影響，土壤酶活性的變化是最能夠反映土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的過程[3]。

IPCC（政府間氣候變化專門委員會(huì)）第四次評(píng)估報(bào)告（2007）預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)末全球平均CO2濃度將上升到500～900 μmol·mol-1，全球氣溫將上升1.4～5.8℃[4]。以大氣CO2濃度和溫度升高為主要特點(diǎn)的全球氣候變化能夠改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[5]。目前，國(guó)內(nèi)外大部分研究表明大氣CO2濃度升高促進(jìn)了土壤呼吸速率[6-8]，但是也有研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高對(duì)土壤呼吸沒有影響[9]，甚至抑制了土壤呼吸[10]。溫度是土壤酶活性的一個(gè)非常重要的影響因子，以氣候變暖為主要特征的全球氣候變化勢(shì)必會(huì)影響到土壤酶的活性。溫度升高可以直接作用于土壤酶活性和微生物[11]，也可以通過改變植物的生理特性而間接影響土壤酶活性[12]。如Zogg等[13]研究發(fā)現(xiàn)模擬升溫改變了有機(jī)物質(zhì)的分解模式，并通過影響土壤微生物而改變土壤酶的活性。但也有些學(xué)者認(rèn)為，溫度變化對(duì)土壤酶活性的影響很小甚至沒有[14-15]?？梢姽┰囃寥捞匦浴⒅参镱愋?、CO2濃度或溫度增加方式等的不同，導(dǎo)致大氣CO2濃度升高和升溫對(duì)土壤酶活性、土壤呼吸的研究尚未得出一致的結(jié)論。

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)之一，開展大氣CO2濃度升高和升溫對(duì)小麥系統(tǒng)土壤生物功能的影響研究，有助于闡明農(nóng)田土壤對(duì)CO2濃度升高和升溫的響應(yīng)和反饋?zhàn)饔谩１狙芯恳劳型侥M大氣CO2濃度和溫度升高的田間開放式平臺(tái)（該系統(tǒng)除了大氣CO2濃度和溫度增加外，其他條件十分接近自然生態(tài)環(huán)境），以我國(guó)太湖地區(qū)小麥土壤作為研究對(duì)象，利用田間原位測(cè)定方法對(duì)土壤呼吸進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合比色法測(cè)定土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性，為預(yù)測(cè)未來氣候變化背景下，農(nóng)田土壤呼吸和酶活性的變化及其對(duì)碳氮循環(huán)的可能影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)平臺(tái)位于江蘇省常熟市古里鎮(zhèn)康博村（31° 30′N，120°33′E），試驗(yàn)區(qū)地處太湖平原，年平均溫度16℃，年平均降水量大于1100 mm，年無霜期大于200 d，耕作方式為夏水稻、冬小麥輪作。土壤類型為典型水稻土-烏柵土，耕層土壤（0～15 cm）基本性質(zhì)：pH 7.0，有機(jī)碳含量19.2 g·kg-1，總氮含量1.6 g·kg-1，容重1.2 g·cm-3。土壤質(zhì)地：砂粒33.8%，粉粒38.6%，粘粒27.6%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間開放式氣候變化試驗(yàn)平臺(tái)建于2010年。共設(shè)置四個(gè)試驗(yàn)處理：大氣CO2濃度增高至500 μmol· mol-1（CE）；溫度升高2℃（WA）；大氣CO2濃度和溫度共同升高（CW），以及正常CO2濃度和溫度的對(duì)照處理（CK），每個(gè)處理各設(shè)3個(gè)重復(fù)，共12個(gè)試驗(yàn)圈。平臺(tái)設(shè)計(jì)見圖1，每個(gè)試驗(yàn)圈面積約45 m2（直徑8 m，八邊形構(gòu)造），所有試驗(yàn)圈外觀上基本保持一致。每個(gè)CO2濃度升高圈由8根CO2氣體釋放管構(gòu)成八邊形結(jié)構(gòu)，放氣管面向圈內(nèi)一面有一排釋放CO2氣體的小孔，放氣管高度可隨著作物生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)（放氣管的高度保持在作物冠層上方50～60 cm），以保證作物冠層有充分的氣體擴(kuò)散空間。每個(gè)圈內(nèi)設(shè)定17個(gè)CO2傳感器（Licor820）和數(shù)據(jù)采集控制裝置，對(duì)小區(qū)內(nèi)近冠層CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，以判定圈內(nèi)CO2濃度的控制均勻程度。根據(jù)不同風(fēng)向控制電動(dòng)閥門的開關(guān)，通過不同風(fēng)速控制調(diào)節(jié)閥，控制放氣管CO2噴氣的方向和流量，達(dá)到均勻擴(kuò)散的目的。升溫設(shè)置按IPCC第四次評(píng)估報(bào)告的氣候變化最大情景，根據(jù)中國(guó)氣候變化的區(qū)域差異設(shè)置溫度條件，設(shè)置升溫2℃。溫度升高處理圈采用紅外輻射燈對(duì)作物冠層進(jìn)行增溫，并通過紅外溫度傳感器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制作物冠層溫度變化，每個(gè)圈內(nèi)有12個(gè)紅外燈，通過調(diào)節(jié)其不同的朝向，保證圈內(nèi)作物冠層均勻受熱。近冠層空氣溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明實(shí)際氣溫升高范圍為（2.0±0.5）℃。試驗(yàn)平臺(tái)的CO2氣體排放和升溫在所允許的氣候條件下為24 h全天候運(yùn)行。

圖1 野外模擬氣候變化試驗(yàn)平臺(tái)示意Figure 1 Schematic diagram of simulated climate change field condition platform

1.3 土壤呼吸測(cè)定

供試小麥品種為揚(yáng)麥14號(hào)，試驗(yàn)各處理圈內(nèi)小麥行距、施肥噴藥等管理措施與小區(qū)外一致，2014年11月12日播種，播種密度為250?！-2，行距20 cm，2015年6月6日收獲。在播種前施用187 kg·hm-2尿素作為基肥，在抽穗期追施375 kg·hm-2復(fù)合肥和150 kg·hm-2尿素。

從小麥生長(zhǎng)季開始，埋設(shè)直徑20 cm、高10 cm的PVC圈，將其插入土內(nèi)5 cm左右，每個(gè)試驗(yàn)處理設(shè)置1個(gè)PVC圈。所有觀測(cè)均于上午08：00—10：00進(jìn)行，每7 d測(cè)定一次，采用便攜式土壤呼吸測(cè)量?jī)xCI-340 （CID公司，美國(guó)）對(duì)各個(gè)試驗(yàn)圈的土壤呼吸進(jìn)行測(cè)定。土壤5 cm溫度由呼吸測(cè)量?jī)x自帶的溫度探頭在土壤呼吸測(cè)量圈周圍測(cè)得。

1.4 土壤酶活性測(cè)定

選取小麥季的3個(gè)生育期進(jìn)行采樣：分蘗期、抽穗期和成熟期，采集0～15 cm根際土壤。根據(jù)不同生育期植株根系發(fā)育情況，隨機(jī)選擇3～5株，采用抖根法收集根周0～2 mm范圍內(nèi)土壤作為根際土壤，每個(gè)圈內(nèi)根際土壤充分混合。將混合新鮮土樣過2 mm篩后裝入無菌自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，在室溫下風(fēng)干，采用苯酚-次氯酸鈉比色法測(cè)定土壤脲酶活性，采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定轉(zhuǎn)化酶活性。

圖2 大氣CO2濃度和溫度升高條件下土壤溫度和土壤呼吸的季節(jié)變化Figure 2 Seasonal variabilities in soil temperature and respiration under elevated atmospheric CO2concentration and temperature

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA）和多重比較，檢驗(yàn)同一采樣時(shí)期處理之間差異是否顯著使用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)土壤溫度和土壤呼吸的影響

從圖2a可以看出，小麥田CK、CE、WA和CW處理土壤溫度分別介于9.4～23.8℃、9.9～24.2℃、10.9～25.3℃、10.5～25.5℃之間，不同處理土壤溫度的季節(jié)變化規(guī)律相似，WA和CW處理土壤溫度分別比CK 高1.26℃和1.14℃。小麥土壤呼吸在冬季較低，進(jìn)入春季后，土壤呼吸具有逐漸升高的趨勢(shì)（圖2b）。CK、CE、WA和CW處理土壤呼吸的季節(jié)變化范圍分別為0.86～2.55、0.86～2.81、1.12～3.55、0.99～3.28 μmol·m-2· s-1。小麥季CK、CE、WA和CW處理的平均土壤呼吸分別達(dá)到1.41、1.53、2.13、1.90 μmol·m-2·s-1（圖3）。與對(duì)照CK相比，CE處理土壤呼吸提高了8.5%，WA和CW處理土壤呼吸提高幅度分別為51.0%和34.7%，已經(jīng)達(dá)到顯著水平。

圖3 小麥季的土壤呼吸平均值Figure 3 Seasonal mean values of soil respiration

2.2 土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系

不同氣候變化處理下土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系均可用指數(shù)回歸方程擬合（圖4）。結(jié)果表明，在小麥生長(zhǎng)季，CK、CE、WA、CW處理的指數(shù)回歸方程的決定系數(shù)R2分別為0.343、0.288、0.335和0.311，表明指數(shù)回歸方程可分別解釋這4個(gè)處理34.3%、28.8%、33.5%和31.1%的變異，且P值均達(dá)到顯著水平。根據(jù)指數(shù)回歸方程估算，小麥生長(zhǎng)季CK、CE、WA、CW處理的土壤呼吸溫度敏感系數(shù)分別為1.55、1.49、1.57和1.51。

圖4 土壤呼吸與土壤溫度的指數(shù)回歸方程擬合結(jié)果Figure 4 Relationship between soil respiration and soil temperature

2.3 大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)土壤酶活性的影響

如圖5所示，小麥季土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性變異較大，在分蘗期脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性最高。然而，不同生育期的酶活性對(duì)大氣CO2濃度和溫度升高的響應(yīng)不同。在分蘗期大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性沒有影響，在抽穗期CW和WA處理的脲酶活性顯著高于對(duì)照，成熟期只有WA處理的脲酶活性比對(duì)照有顯著升高；而在抽穗和成熟期，WA和CW處理的轉(zhuǎn)化酶活性與對(duì)照相比顯著提高，在抽穗期提高幅度最大（60.4%～73.5%）。

2.4 氣候變化因子和物候?qū)ν寥篮粑懊富钚缘挠绊?/p>

從重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果（表1）可以看出，生育期（S）、升溫處理（T和CO2×T）對(duì)土壤呼吸具有顯著影響（P＜0.001）。但是，生育期與溫度因子的交互作用對(duì)土壤呼吸沒有顯著影響（P＞0.05）。同時(shí)，生育期和升溫處理對(duì)脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性具有顯著影響（P＜0.05），而CO2單獨(dú)升高只對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性有顯著影響。另外，生育期與不同氣候變化因子的交互作用對(duì)土壤呼吸沒有顯著影響（P＞0.05）。

圖5 大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)根際土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性的影響Figure 5 Effects of elevated atmospheric CO2concentration and temperature on rhizosphere soil urease and invertase activities

表1 氣候變化因子和小麥生育期對(duì)土壤呼吸、脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性的重復(fù)測(cè)量方差分析Table 1 Repeated measures ANOVA for the overall effects of climate change factor，growth stage and their interaction on soil respiration，urease and invertase activities

3 討論

根際是植物-土壤-微生物與其環(huán)境條件相互作用的場(chǎng)所，根系的呼吸作用、根系分泌有機(jī)物質(zhì)的作用以及根對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收特性，都決定著根際動(dòng)態(tài)的方向和強(qiáng)度。根系分泌物和沉淀物的作用，以及根際內(nèi)豐富的微生物，使根際土壤生物、物理和化學(xué)等方面的特性明顯不同于土體土壤[16]。相對(duì)于非根際土壤，根際土壤微生物對(duì)氣候變化的響應(yīng)更敏感[17]。土壤呼吸和酶活性等生化過程主要是由土壤微生物調(diào)控的，研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高和升溫能夠影響土壤生化過程[18-20]。

土壤呼吸主要包括根系自養(yǎng)呼吸和土壤微生物異養(yǎng)呼吸。一方面，大氣CO2濃度升高對(duì)植物一般有施肥效應(yīng)，促進(jìn)了植物根系生長(zhǎng)，增加根系生物量和根系呼吸[21-22]；另一方面，大氣CO2濃度升高增加了根系分泌物和生物量，并能促進(jìn)植物的光合作用，使更多的光合產(chǎn)物流向根系，為微生物提供了更多的可利用碳源，從而促進(jìn)了土壤微生物呼吸[23-24]。但是，周玉梅等[10]通過CO2濃度倍增試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高抑制根系呼吸和微生物呼吸的原因可能是土壤表面的高濃度CO2阻礙了CO2的擴(kuò)散。Norby等[9]對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)研究表明，CO2濃度升高對(duì)土壤呼吸沒有影響，可能是由于CO2濃度升高對(duì)植物生長(zhǎng)的增加作用受到氮有效性的限制。

土壤呼吸對(duì)溫度較為敏感，一些研究表明，升溫促進(jìn)了土壤呼吸作用；還有一些研究表明，升溫在短期內(nèi)可促進(jìn)土壤呼吸，但在較長(zhǎng)時(shí)間后對(duì)土壤呼吸沒有影響。如圖2和圖3所示，溫度升高增強(qiáng)了小麥土壤呼吸作用，增幅達(dá)到34.7%～51.0%。Cox等[25]研究發(fā)現(xiàn)溫度上升會(huì)提高土壤呼吸速率，進(jìn)而增加土壤與大氣之間的碳凈轉(zhuǎn)化量，對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔?。大氣溫度升高?huì)直接影響土壤微生物呼吸，預(yù)計(jì)全球平均氣溫升高2℃，由微生物主導(dǎo)的土壤碳排放會(huì)增加到10 Pg[26]。溫度升高能夠改變植物群落多樣性和植物的生長(zhǎng)速率[27]，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，使凋落物、根系分泌物和細(xì)根周轉(zhuǎn)率提高，土壤碳輸入增加，從而影響到土壤微生物群落的數(shù)量和功能，進(jìn)而促進(jìn)土壤微生物呼吸。土壤呼吸對(duì)溫度升高的響應(yīng)較為復(fù)雜，因?yàn)闇囟葘?duì)土壤呼吸的影響還與其他因素有關(guān)，如土壤濕度、酶活性和植物生理生長(zhǎng)等[28-29]。在一片森林草原交錯(cuò)地帶，連續(xù)4年升溫處理可使土壤呼吸速率降低7%～15%。這可能與溫度升高導(dǎo)致的土壤含水量降低有關(guān)[30]。

本研究中，升溫對(duì)土壤呼吸具有顯著促進(jìn)作用；大氣CO2濃度升高對(duì)土壤呼吸沒有明顯影響（P＞0.05），但與升溫處理相比顯著抑制了土壤呼吸。雖然升溫和CO2濃度升高交互作用顯著提高了土壤呼吸速率，但提高幅度比單獨(dú)升溫處理低16.3%，因此CO2濃度升高在一定程度上能夠減弱升溫對(duì)土壤呼吸的增強(qiáng)幅度，這也表明升溫和CO2濃度升高交互作用對(duì)土壤呼吸的影響表現(xiàn)為各自效應(yīng)的復(fù)合。然而，目前關(guān)于升溫和大氣CO2濃度升高交互作用對(duì)農(nóng)田土壤呼吸影響機(jī)制的研究報(bào)道較少，在未來需要更多更深入地研究多個(gè)氣候變化因子的交互影響機(jī)制。

土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶分別參與土壤氮轉(zhuǎn)化和有機(jī)碳循環(huán)，能夠反映土壤微生物活性。本研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高和升溫促進(jìn)了土壤轉(zhuǎn)化酶活性，僅有升溫處理（WA和CW）顯著促進(jìn)了土壤脲酶活性（圖4）。苑學(xué)霞等[31]在FACE系統(tǒng)中研究發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度升高刺激脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性，與賈夏等[32]和任欣偉等[11]的研究結(jié)果相一致。大氣CO2濃度升高通過影響輸入土壤的植物殘?bào)w及根系分泌物的性質(zhì)和數(shù)量來影響土壤酶活性[19]。賈夏等[32]利用開頂箱裝置研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高條件下長(zhǎng)白赤松土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、脫氫酶、過氧化物酶等活性均升高，認(rèn)為高濃度CO2增加了長(zhǎng)白赤松光合速率、生長(zhǎng)量、根系生物量和分泌物，改變了土壤微生物所需C、N源的結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)了這些來源于微生物的酶活性。一些研究發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度升高顯著地增強(qiáng)了土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性[33]。土壤轉(zhuǎn)化酶很大一部分來源于根系分泌物，其活性與土壤微生物生物量和高密度有機(jī)碳有相關(guān)性[34]。土壤脲酶表征氮循環(huán)的微生物代謝速率，土壤中可利用碳的增加能夠刺激脲酶活性[35-38]。

溫度對(duì)土壤酶有直接作用，在一定范圍內(nèi)，增溫可以直接提高土壤酶活性[11]。馮瑞芳等[14]利用原狀土柱作為研究對(duì)象，研究表明增溫顯著促進(jìn)土壤有機(jī)層的轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性。升溫也可以通過對(duì)植物、土壤微生物的作用改變土壤生物過程而間接影響土壤酶活性。Majdi等[39]研究表明，增溫通過刺激北方針葉林細(xì)根生長(zhǎng)，間接促進(jìn)了土壤酶活性。Zhang等[40]研究表明，增溫使土壤養(yǎng)分有效性增加，為微生物提供更多的底物和能源，促進(jìn)了土壤微生物的生長(zhǎng)和代謝，進(jìn)而提高了土壤酶活性。潘新麗等[41]通過一年升溫試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶都有不同程度的提高，并認(rèn)為其與土壤微生物數(shù)量增加有一定的關(guān)系。因此，大氣CO2濃度升高和升溫時(shí)，植物的生理活性發(fā)生變化，根系分泌物和沉積物進(jìn)入土壤使微生物量增加，微生物活性增強(qiáng)，進(jìn)而提高土壤酶活性。

土壤酶活性是土壤中生物學(xué)過程的微觀反映，酶活性的大小決定著土壤中生物學(xué)過程的反應(yīng)速度，土壤呼吸則是土壤中生物學(xué)過程的宏觀反映，呼吸速率的大小決定著土壤中生物學(xué)過程的強(qiáng)弱。陳書濤等[37]的研究表明，增溫處理的小麥土壤呼吸與土壤酶活性存在顯著的線性關(guān)系，表明土壤中不同生物學(xué)過程具有內(nèi)在相關(guān)性。在吳靜等[42]的研究結(jié)果中，土壤微生物呼吸與轉(zhuǎn)化酶有顯著的相關(guān)性，也驗(yàn)證了土壤呼吸與酶活性存在一定的聯(lián)系。升溫會(huì)促進(jìn)土壤酶活性，大氣CO2濃度升高為土壤中微生物提供了基質(zhì)，間接促進(jìn)土壤酶活性。土壤酶活性的增強(qiáng)，可以加快土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，從而導(dǎo)致土壤碳庫通過土壤呼吸作用釋放更多CO2[25，41-42]。雖然本研究未測(cè)定土壤微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)，但可以推測(cè)土壤微生物多樣性的變化能部分地解釋土壤呼吸、酶活性對(duì)大氣CO2濃度升高和升溫的響應(yīng)。在接下來的研究中，我們會(huì)通過高通量測(cè)序分析土壤微生物群落的變化特征，明確土壤微生物與土壤呼吸、酶活性之間的關(guān)系。

4 結(jié)論

在小麥生長(zhǎng)季，溫度升高對(duì)土壤呼吸、脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性具有重要影響。大氣CO2濃度單獨(dú)升高對(duì)土壤呼吸沒有顯著影響，但是溫度升高及其與CO2濃度同時(shí)升高處理土壤呼吸分別增加51.0%和34.7%。在小麥不同生育期，脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性對(duì)大氣CO2濃度升高和升溫的響應(yīng)存在差異。在分蘗期，土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性沒有變化，而在抽穗和成熟期，溫度升高及其與CO2濃度同時(shí)升高處理顯著提高了轉(zhuǎn)化酶活性，脲酶活性僅在抽穗期比對(duì)照顯著增高。因此，小麥土壤呼吸、脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性對(duì)溫度的反應(yīng)較為敏感。

[1]楊慶朋,徐明,劉洪升,等.土壤呼吸溫度敏感性的影響因素和不確定性[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31（8）：2301-2311.

YANG Qing-peng,XU Ming,LIU Hong-sheng,et al.Impact factors and uncertainties of the temperature sensitivity of soil respiration[J].ActaE-cologicaSinica,2011,31（8）：2301-2311.

[2]Bond B,Thomson A.Temperature-associated increases in the global soil respiration record[J].Nature,2010,464（7288）：579-582.

[3]曹慧,孫輝,楊浩,等.土壤酶活性及其對(duì)土壤質(zhì)量的指示研究進(jìn)展[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào),2003,9（1）：105-109.

CAO Hui,SUN Hui,YANG Hao,et al.A review：Soil enzyme activity and its indication for soil quality[J].Chinese Journal of Applied Envi-ronmental Biology,2003,9（1）：105-109.

[4]Solomon S,Qin D,Manning M,et al.Contribution of working group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[M].Cambridge：Cambridge University Press,2007.

[5]Rosenzweig C,Casassa G,Karoly D J,et al.Assessment of observed changes and responses in natural and managed systems[J].Climate Change,2007：79-131.

[6]鄧琦,周國(guó)逸,劉菊秀,等.CO2濃度倍增、高氮沉降和高降雨對(duì)南亞熱帶人工模擬森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2009,33（6）：1023-1033.

DENG Qi,ZHOU Guo-yi,LIU Ju-xiu,et al.Effects of CO2enrichment, high nitrogen deposition and high precipitation on a model forest ecosystem in Southern China[J].Chinese Journal of Plant Ecology,2009,33 （6）：1023-1033.

[7]張方月,王清奎,于小軍.CO2濃度升高和N沉降對(duì)中亞熱帶森林土壤呼吸的短期影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2015,34（6）：1638-1643.

ZHANG Fang-yue,WANG Qing-kui,YU Xiao-jun,et al.Short-term effects of CO2enrichment and N deposition on soil respiration in a midsubtropical forest[J].Chinese Journal of Ecology,2015,34（6）：1638-1643.

[8]Oishi A C,Palmroth S,Johnsen K H,et al.Sustained effects of atmospheric CO2and nitrogen availability on forest soil CO2efflux[J].Global Change Biology,2014,20（4）：1146-1160.

[9]Norby R J,Warren J M,Iversen C M,et al.CO2enhancement of forest productivity constrained by limited nitrogen availability[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2010,107（45）：19368-19373.

[10]周玉梅,韓士杰,辛麗花.CO2濃度升高對(duì)紅松和長(zhǎng)白松土壤呼吸作用的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,17（9）：1757-1760. ZHOU Yu-mei,HAN Shi-jie,XIN Li-hua.Effects of elevated CO2concentration on soil respiration in Pinus koraiensis and P.sylvestriform forest[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2006,17（9）：1757-1760.

[11]任欣偉,唐景毅,柳靜臣,等.不同氮水平下CO2升高及增溫對(duì)幼苗土壤酶活性的影響[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,36（5）：44-53.

REN Xin-wei,TANG Jing-yi,LIU Jing-chen,et al.Effects of elevated CO2and temperature on soil enzymes of seedlings under different nitrogen concentration[J].Journal of Beijing Forestry University,2014,36 （5）：44-53.

[12]毛子軍,賈桂梅,劉林馨.溫度增高,CO2濃度升高,施氮對(duì)蒙古櫟幼苗非結(jié)構(gòu)碳水化合物積累及其分配的綜合影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2010,34（10）：1174-1184.

MAO Zi-jun,JIA Gui-mei,LIU Lin-xin.Combined effects of elevated temperature,elevated CO2and nitrogen supply on non-structural carbohydrate accumulation and allocation in Quercus mongolica seedlings [J].Chinese Journal of Plant Ecology,2010,34（10）：1174-1184.

[13]Zogg G P,Zak D R,Ringelberg D B,et al.Compositional and functional shifts in microbial communities due to soil warming[J].Soil Science Society of AmericaJournal,1997,61（2）：475-481.

[14]馮瑞芳,楊萬勤,張健,等.模擬大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)亞高山冷杉（Abies faxoniana）林土壤酶活性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007, 27（10）：4019-4026. FENG Rui-fang,YANG Wan-qin,ZHANG Jian,et al.Effects of simulalted elevated atmospheric CO2concentration and temperature on soil enzyme activity in the subapline fir forest[J].Acta Ecologica Ainica, 2007,27（10）：4019-4026.

[15]劉琳,朱霞,孫庚,等.模擬增溫與施肥對(duì)高寒草甸土壤酶活性的影響[J].草業(yè)科學(xué),2011,28（8）：1405-1410.

LIU Lin,ZHU Xia,SUN Geng,et al.Effects of simulated elevated temperature and fertilizer on soil enzymes activity in Qinghai-Tibetan alpine meadows[J].Pratacultural Science,2011,28（8）：1405-1410.

[16]Hussain Q,Liu Y Z,Zhang A F,et al.Variation of bacterial and fungal community structures in the rhizosphere of hybrid and standard rice cultivars and linkage to CO2flux[J].FEMS Microbiology Ecology,2011, 78（1）：116-128.

[17]Xu Z H.Fingerprinting global climate change and forest management within rhizosphere carbon and nutrient cycling processes[J].Environmental Science and Pollution Research,2006,13（5）：293-298.

[18]Das S,Bhattacharyya P,Adhya T.Interaction effects of elevated CO2and temperature on microbial biomass and enzyme activities in tropical rice soils[J].Environmental Monitoringand Assessment,2011,182（4）：555-569.

[19]曹宏杰,倪紅偉.大氣CO2升高對(duì)土壤碳循環(huán)影響的研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22（11）：1846-1852.

CAO Hong-jie,NI Hong-wei.Research progress on the effectss of elevated CO2concentration on carbon cycling[J].Ecology and Environmental Sciencea,2013,22（11）：1846-1852.

[20]沈菊培,賀紀(jì)正.微生物介導(dǎo)的碳氮循環(huán)過程對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)[J].2011,31（11）：2957-2967.

SHEN Ju-pei,HE Ji-zheng.Responses of microbes-mediated carbon and nitrogen cycles to global climate change[J].Chinese Journal of E-cology,2011,31（11）：2957-2967.

[21]李青超,張遠(yuǎn)彬,王開運(yùn),等.大氣CO2濃度升高對(duì)紅樺幼苗根系的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007,26（10）：1674-1678.

LI Qing-chao,ZHANG Yuan-bin,WANG Kai-yun,et al.Effects of elevated atmospheric CO2concentration on Betula albosinensis seedling roots[J].Chinese Journal of Ecology,2007,26（10）：1674-1678.

[22]Drake J E,Stoy P C,Jackson R B,et al.Fine-root respiration in a loblolly pine（Pinus taeda L.）forest exposed to elevated CO2and N fertilization[J].Plant,Cell&Environment,2008,31（11）：1663-1672.

[23]Phillips R P,Finzi A C,Bernhardt E S.Enhanced root exudation induces microbial feedbacks to N cycling in a pine forest under longterm CO2fumigation[J].Ecology Letters,2011,14（2）：187-194.

[24]Drissner D,Blum H,Tscherko D,et al.Nine years of enriched CO2changes the function and structural diversity of soil microorganisms in a grassland[J].European Journal of Soil Science,2007,58（1）：260-269.

[25]Cox P M,Betts R A,Jones C D,et al.Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model[J].Nature, 2000,408（6809）：184-187.

[26]Bond-Lamberty B,Thomson A.Temperature-associated increases in the global soil respiration record[J].Nature,2010,464（7288）：579-582.

[27]Weltzin J F,Bridgham S D,Pastor J,et al.Potential effects of warming and drying on peatland plant community composition[J].Global Change Biology,2003,9（2）：141-151.

[28]付剛,沈振西,張憲洲,等.草地土壤呼吸對(duì)全球變化的響應(yīng)[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2011,29（11）：1391-1399.

FU Gang,SHEN Zhen-xi,ZHANG Xian-zhou,et al.Responses of soil respiration in the grassland to global climate change[J].Progress in Geography,2011,29（11）：1391-1399.

[29]珊丹,韓國(guó)棟,趙萌莉,等.控制性增溫和施氮對(duì)荒漠草原土壤呼吸的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23（9）：106-112.

SHAN Dan,HAN Guo-dong,ZHAO Meng-li,et al.Effects of regulated warming and N fertilizer on soil respiration in desert steppe[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2009,23（9）：106-112.

[30]Lellei-Kovács E,Kovács-Láng E,Kalapos T,et al.Experimental warming does not enhance soil respiration in a semiarid temperate forest-steppe ecosystem[J].Community Ecology,2008,9（1）：29-37.

[31]苑學(xué)霞,林先貴,褚海燕,等.大氣CO2濃度升高對(duì)不同施氮土壤酶活性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26（1）：48-53.

YUAN Xue-xia,LIN Xian-gui,CHU Hai-yan,et al.Effects of elevated atmospheric CO2on soil enzyme activities at different nitrogen level [J].Chinese Journal of Ecology,2006,26（1）：48-53.

[32]賈夏,韓士杰,趙永華,等.大氣CO2濃度升高對(duì)長(zhǎng)白赤松幼苗土壤酶活性的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2010,38（12）：87-92.

JIA Xia,HAN Shi-jie,ZHAO Yong-hua,et al.Effects of elevated CO2concentration on soil enzyme activities associated with Pinus sylvestriformis seedlings[J].Journal of Northwest A&F University（Nat Sci Ed）, 2010,38（12）：87-92.

[33]Das S,Bhattacharyya P,Adhya T.Interaction effects of elevated CO2and temperature on microbial biomass and enzyme activities in tropical rice soils[J].Environmental Monitoringand Assessment,2011,182（4）：555-569.

[34]Chen J H,Liu X Y,Zheng J W,et al.Biochar soil amendment increased bacterial but decreased fungal gene abundance with shifts in community structure in a slightly acid rice paddy from Southwest China [J].Applied Soil Ecology,2013,71：33-44.

[35]Stemmer M,Gerzabek M H,Kandeler E.Invertase and xylanase activity of bulk soil and particle-size fractions during maize straw decomposition[J].Soil Biology and Biochemistry,1998,31（1）：9-18.

[36]Sardans J,Pe?uelas J,Estiarte M.Changes in soil enzymes related to C and N cycle and in soil C and N content under prolonged warming and drought in a Mediterranean shrubland[J].Applied Soil Ecology,2008, 39（2）：223-235.

[37]陳書濤,桑琳,張旭,等.增溫及秸稈施用對(duì)冬小麥田土壤呼吸和酶活性的影響[J].環(huán)境科學(xué),2016,37（2）：703-709.

CHEN Shu-tao,SANG Lin,ZHANG Xu,et al.Effects of warming and straw application on soil respiration and enzyme activity in a winter wheat cropland[J].Environmental Science,2016,37（2）：703-709.

[38]徐振鋒,唐正,萬川,等.模擬增溫對(duì)川西亞高山兩類針葉林土壤酶活性的影響[J].2010,21（11）：2727-2733.

XU Zhen-feng,TANG Zheng,WAN Chuan,et al.Effects of simulated elevated temperature on soil enzyme activities in two subalpine coniferous forests in west Sichuan[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2010,21（11）：2727-2733.

[39]Majdi H.Interactive effects of soil warming and fertilization on root production,mortality,and longevity in a Norway spruce stand in Northern Sweden[J].Global Change Biology,2004,10（2）：182-188.

[40]Zhang W,Parker K M,Luo Y,et al.Soil microbial responses to experimental warming and clipping in a tallgrass prairie[J].Global Change Biology,2005,11（2）：266-277.

[41]潘新麗,林波,劉慶.模擬增溫對(duì)川西亞高山人工林土壤有機(jī)碳含量和土壤呼吸的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2008,19（8）：1637-1643.

PAN Xin-li,LIN Bo,LIU Qing.Effects of simulated elevated temperature on soil organic carbon and soil respiration under subalpine coniferous forest in western Sichuan Province,China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2008,19（8）：1637-1643.

[42]吳靜,陳書濤,胡正華,等.不同溫度下的土壤微生物呼吸及其與水溶性有機(jī)碳和轉(zhuǎn)化酶的關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué),2015,36（4）：1497-1506.

WU Jing,CHEN Shu-tao,HU Zheng-hua,et al.Soil microbial respiration under different soil temperature conditions and its relationship to soil dissolved organic carbon and invertase[J].Environmental Science, 2015,36（4）：1497-1506.

Effects of elevated atmospheric CO2concentration and temperature on soil respiration and enzyme activity in a wheat field

LIU Yuan1,PAN Gen-xing2,ZHANG Hui1,LI Feng1,WANG Guang-li1*
（1.College of Life Science,Huaibei Normal University,Huaibei 235000,China;2.College of Resources and Environmental Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China）

The aim of this study was to examine the effects of elevated atmospheric CO2concentration and temperature on soil respiration and urease and invertase activity in an open field.Field treatments included ambient CO2concentration and air temperature（CK）,elevated CO2concentration（CE）,experimental air warming（WA）,and interactive CO2enrichment and air warming（CW）.The results showed that soil respiration rates increased significantly under WA and CW as compared to that under CK,while those of CE did not change significantly in the wheat-growing season.At the tillering stage,there were no changes in the activities of urease or invertase.However,the invertase activity under CW and WA was increased significantly at the heading and ripening stages,while that of CE only increased at the heading stage. Compared to CK,there was no significant change in the urease activity under CE treatment,but WA treatment resulted in increases in the urease activity at ripening stages.These findings suggested that the effects of elevated CO2and warming on soil respiration and enzyme activities were different among the tillering,heading,and ripening stages.The responses of soil respiration,urease,and invertase were much more sensitive to warming than to elevated CO2.

elevated CO2concentration;experimental warming;winter wheat;enzyme activity;soil respiration

X511

A

1672-2043（2017）08-1484-08

10.11654/jaes.2016-1588

2016-12-12

劉遠(yuǎn)（1986—），男，安徽淮北人，博士，講師，主要研究全球氣候變化和土壤微生物分子生態(tài)。E-mail：liuyuan0813@aliyun.com

*通信作者：王光利E-mail：wanf-3344@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41501304，31100083）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（200903003）

Project supported：The National Science Foundation of China（41501304，31100083）；Special Found for Agro-scientific Research in the Public Interest of China（200903003）

劉遠(yuǎn)，潘根興，張輝，等.大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)麥田土壤呼吸和酶活性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（8）：1484-1491.

LIU Yuan,PAN Gen-xing,ZHANG Hui,et al.Effects of elevated atmospheric CO2concentration and temperature on soil respiration and enzyme activity in a wheat field[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（8）：1484-1491.