秸稈還田和施氮對土壤水熱因子及呼吸速率的影響

孫 媛，任廣鑫，馮永忠，張 青，李慧瑛，楊改河

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) a 林學(xué)院，b 農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌712100；2 陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌712100)

秸稈還田和施氮對土壤水熱因子及呼吸速率的影響

孫 媛1a,2，任廣鑫1b,2，馮永忠1b,2，張 青1a,2，李慧瑛1b,2，楊改河1b,2

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) a 林學(xué)院，b 農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌712100；2 陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌712100)

【目的】 探討秸稈還田和施氮對土壤溫度、含水量及土壤呼吸速率的影響，為促進農(nóng)田高產(chǎn)、節(jié)肥的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)?！痉椒ā?在陜西關(guān)中地區(qū)，在小麥-玉米輪作模式下分別設(shè)置施氮、秸稈還田、秸稈還田+施氮以及秸稈不還田不施氮(CK，為對照組)4個處理，于2012年6-9月，測定玉米不同生育期4個處理的土壤呼吸速率、溫度和含水量，于玉米播種前和收獲后測定土壤有機質(zhì)含量，并分析土壤呼吸速率與土壤溫度、含水量的相關(guān)性?！窘Y(jié)果】 在玉米全生育期，4個處理的土壤呼吸速率均呈現(xiàn)先增后減的單峰型曲線變化，其中秸稈還田+施氮處理的土壤呼吸速率平均值明顯高于其他處理，4個處理土壤呼吸速率平均值由大到小依次是秸稈還田+施氮處理>施氮處理>對照組>秸稈還田處理。4個處理中，秸稈還田處理的土壤含水量平均值明顯高過其他處理，與對照組相比，秸稈還田處理 0～20 cm土層土壤含水量提高了6.07%。土壤呼吸速率與5～15 cm土層土壤溫度相關(guān)性較高，與土壤含水量的相關(guān)性不顯著。與播種前相比，施氮處理和秸稈還田+施氮處理0～20 cm土層有機質(zhì)含量明顯增加；玉米收獲后，與對照組相比，其他3個處理土壤有機質(zhì)含量顯著增加?！窘Y(jié)論】 施氮和秸稈還田提高了土壤呼吸速率，增加了土壤有機質(zhì)含量,并且秸稈還田具有保水緩溫的作用。

秸稈還田；施氮；土壤呼吸；土壤溫度；土壤含水量

土壤呼吸是指土壤產(chǎn)生CO2以及向大氣釋放CO2的過程，主要包括土壤微生物呼吸、土壤動物呼吸、植物根系呼吸3個生物學(xué)過程和含碳物質(zhì)化學(xué)氧化的非生物學(xué)過程[1]。全球每年因土壤呼吸作用向大氣中釋放的碳估計為75～120 Pg(1 Pg=1×1015g),其僅次于全球陸地總初級生產(chǎn)力(GPP)的估算值,是陸地生態(tài)系統(tǒng)第二大碳通量過程。研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸對農(nóng)作措施和氣候變化的響應(yīng)具有重要意義[2]。影響土壤呼吸的因素很多，如施肥[3]、溫度[4]和土壤含水量[5]等。國內(nèi)外研究結(jié)果均證明，秸稈還田對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是有利的[6-11]，并且秸稈還田也影響土壤CO2釋放量[12]。有研究表明[13-14]，在一定秸稈用量范圍內(nèi)，土壤呼吸隨著秸稈還田量的增加而增大。施肥是促進植物生長、提高產(chǎn)量的重要因素，但是關(guān)于土壤施肥與土壤呼吸之間關(guān)系的研究比較少[15]，并且相關(guān)報道的試驗地處于華北一帶，對于陜西關(guān)中平原玉米地的研究還很少[14,16]。本試驗研究陜西關(guān)中平原地區(qū)小麥-玉米輪作方式下，秸稈還田和施肥對土壤溫度、含水率、呼吸速率及有機質(zhì)的影響，以期為促進當?shù)剞r(nóng)田朝著高產(chǎn)、節(jié)約肥料的可持續(xù)方向發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)試驗田。土壤為壤土，耕層(0～20 cm)土壤有機質(zhì)含量8.51 g/kg，堿解氮含量29.16 mg/kg，速效磷含量50.05 mg/kg，速效鉀含量154.31 mg/kg。近50年平均降水量604.5 mm，年均氣溫13.2 ℃，屬于暖溫帶季風(fēng)半濕潤氣候。試驗期間試驗地氣象數(shù)據(jù)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

于2012年6-9月,采用再裂區(qū)定位試驗設(shè)計布設(shè)試驗。主區(qū)為輪作模式，副區(qū)為秸稈還田量，副副區(qū)為施氮量，輪作模式為小麥-玉米輪作，4個處理分別為施氮肥處理(純氮用量為375 kg/hm2)、秸稈全量還田處理、秸稈全量還田+施氮處理(純氮用量為375 kg/hm2)以及秸稈不還田+不施氮處理(對照)。其中秸稈不還田處理方法為：上茬小麥收獲后，人工拔出土壤中小麥秸稈(含作物根系)，并撿拾小區(qū)內(nèi)凋落物和殘茬。秸稈還田的處理方法為：上茬小麥收獲后，秸稈還田機將地里收獲后剩下的麥茬秸稈打碎還田，而收獲的小麥秸稈待小麥脫粒后，用粉碎機打碎成2～3 cm碎屑均勻撒入小區(qū)地表。每處理重復(fù)3次，小區(qū)面積均為8.0 m×8.6 m，小區(qū)間距0.5 m。

供試玉米品種為漯單9號，播量45 kg/hm2，2012-06-15硬茬播種玉米，種植密度52 400 株/hm2，當年09-28收獲。拔節(jié)期按照試驗設(shè)計追肥1次，其他管理措施同當?shù)卮筇铩?/p>

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤呼吸速率 土壤呼吸速率采用GXH-3010E1型便攜式紅外線分析儀測定，每隔7 d測定1次，全生育期測定9次。測定時間在上午09:00-11:00，重復(fù)3次，取平均值。

土壤呼吸速率由氣腔內(nèi)氣體濃度隨時間的變化率計算得出，計算方程為:

F=A×(X2-X1)×H/Δt。

式中：F為土壤CO2呼吸速率(mg/(m2·h))，A為常數(shù)，在25 ℃、1個標準大氣壓下取值為1.80；X1、X2分別為測定開始和測定結(jié)束時CO2的含量(mg/kg)；H為容器高度(m)；Δt為測定時間(h)。

1.3.2 土壤溫度 采用直角地溫計測定不同土層(5，10，15，20和25 cm)的土壤溫度，將直角地溫計埋于玉米行間靠近根部的位置。測定土壤呼吸速率的同時觀察記載地溫。對土壤呼吸速率與土壤溫度進行單因子相關(guān)性分析。

1.3.3 土壤含水量 測定土壤呼吸速率的當天，采用土鉆法在每個小區(qū)取0～10和10～20 cm土層的土樣，采用烘干法測定土壤含水量，最終結(jié)果取0～10和10～20 cm土層的平均值作為0～20 cm土層土壤含水量，并對0～20 cm土層土壤含水量與土壤呼吸速率進行相關(guān)性分析。

1.3.4 土壤有機質(zhì)含量 分別于玉米播種前(2012-06-05)和收獲后(2012-10-02)采集小區(qū)內(nèi)0～20 cm土層土樣，每個小區(qū)取土樣3次，均勻混合待土樣自然風(fēng)干1個月后，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機碳含量[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Origin Pro 8.0和Excel 2007制圖，并用SPSS 17.0軟件進行差異顯著性及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米全生育期不同處理土壤呼吸速率的變化

如圖1所示，在玉米不同生育階段，4個處理土壤呼吸速率的變化趨勢相同，均呈明顯的單峰型曲線。4個處理土壤呼吸速率在抽雄期(08-23)達到最大，其中秸稈還田+施氮處理土壤呼吸速率最大(2 541 mg/(m2·h))，秸稈還田處理其次，施氮處理次之，對照最小(1 980.19 mg/(m2·h))。在玉米全生育期內(nèi)，與對照相比，不同處理對土壤呼吸速率的影響有差異，秸稈還田+施氮處理對玉米土壤呼吸速率有極顯著影響，其他處理對玉米土壤呼吸速率影響的顯著性不如秸稈還田+施氮處理。與抽雄期土壤呼吸速率大小順序不同的是，玉米生育期各處理土壤呼吸速率平均值大小順序為：秸稈還田+施氮處理(1 667.119 mg/(m2·h)>施氮處理(1 363.042 mg/(m2·h)>對照(1 317.498 mg/(m2·h))>秸稈還田處理(1 208.334 mg/(m2·h))?？梢?，與對照相比，秸稈還田降低了土壤呼吸速率，施氮和秸稈還田+施氮處理均提高了土壤呼吸速率。

圖1 玉米不同生育階段各處理土壤呼吸速率的變化
Fig.1 Changes of soil respiration rates in growth period of maize under different treatments

2.2 玉米生育期0～25 cm土層土壤溫度變化及其與呼吸速率的關(guān)系

對土壤呼吸速率與土壤溫度進行單因子相關(guān)性分析，結(jié)果(表2)表明，對照土壤呼吸速率與近地面土層(5～15 cm)土壤溫度的相關(guān)關(guān)系顯著。秸稈還田處理土壤呼吸速率與土壤溫度之間相關(guān)性不顯著，施氮處理5 cm和10 cm土層土壤溫度與土壤呼吸速率相關(guān)性顯著，秸稈還田+施氮處理只有表層(5 cm)土壤溫度與土壤呼吸速率顯著性相關(guān)。

注：*表示呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

Note:* indicates significant difference between treatments(P<0.05).

由于各處理20 cm和25 cm土層土壤溫度與土壤呼吸速率相關(guān)性均不顯著，所以本試驗只列出 5～15 cm土層土壤溫度在玉米全生育期內(nèi)的變化情況(圖2)。從圖2可知， 5～15 cm土層溫度變化趨勢一致，溫度均隨玉米生育期的推進先升高后降低，且在7月末至8月中旬土壤溫度均較高，9月中旬溫度值達到最低。

2.3 玉米生育期土壤含水量變化及其與土壤呼吸速率的關(guān)系

從圖3可知，4個處理均在玉米抽雄期(08-23)和乳熟期(09-15)土壤含水量較高，拔節(jié)期(08-03)前后土壤表層含水量降到最低。通過對表層(0～20 cm)土壤含水量平均值的比較可知，秸稈還田處理平均土壤含水量 (18.51%)最高，其次為對照(17.45%)和施氮處理(17.45%)，秸稈還田+施氮處理(16.56%)最低。

表3顯示，對表層(0～20 cm)土壤含水量與土壤呼吸速率之間的關(guān)系進行線性、對數(shù)以及二次項擬合發(fā)現(xiàn)，土壤含水量與土壤呼吸速率相關(guān)性不顯著。

2.4 玉米播種前和收獲后0～20 cm土層土壤有機質(zhì)含量的變化

由圖4可知，不同處理0～20 cm土層土壤有機質(zhì)含量為12～20 g/kg。與播種前相比，玉米收獲后施氮處理和秸稈還田+施氮處理表層(0～20 cm)土壤有機質(zhì)含量增加，對照和秸稈還田處理表層土壤有機質(zhì)含量減少。但是與對照相比，玉米播種前和收獲后，施氮和秸稈還田各處理的土壤有機質(zhì)含量均增加，說明秸稈還田和施肥都可以增加土壤有機質(zhì)含量。

3 討論與結(jié)論

3.1 秸稈還田和施氮對玉米生育期土壤呼吸速率、土壤溫度、含水量的影響

在玉米生育期內(nèi)，本研究4個處理的土壤呼吸速率變化趨勢一致，均呈明顯的單峰型曲線，并在玉米抽雄期呼吸值達到最大，而所有處理中，秸稈還田處理的土壤呼吸速率平均值最低。楊倩等[18]研究也表明，秸稈還田可顯著降低土壤呼吸速率，主要是因為農(nóng)田秸稈還田后，在地面和空氣之間形成了一個疏松的隔離層，切斷了土壤與大氣的直接聯(lián)系，阻斷了土壤含水量向大氣的自由逸散，從而導(dǎo)致土壤呼吸速率降低。王丙文等[19]研究表明，土壤呼吸速率隨著秸稈還田量的增加而增加，即秸稈還田可促進土壤呼吸，這與本試驗得出的秸稈還田降低土壤呼吸速率的結(jié)果不一致。造成這一結(jié)論差異的原因可能是本研究在玉米生育期內(nèi)秸稈腐爛不完全所致，所以采取何種措施加快秸稈腐爛是秸稈還田要解決的重要問題。與對照相比，秸稈還田+施氮處理和施氮處理都增加了土壤呼吸速率，這是因為向土壤中施氮降低了土壤中的C/N比，促進了微生物活動和生長繁殖，增強了土壤中酶的活性，從而促進了土壤微生物所產(chǎn)生的生物化學(xué)過程和根系的分泌活動，提高了土壤呼吸速率。

由本研究結(jié)果可看到，秸稈還田處理的土壤呼吸速率與各土層土壤溫度的相關(guān)性不顯著，因為秸稈還田可以降低土壤地表溫度，使土壤溫度趨向于緩和。與對照相比，秸稈還田處理提高了表層土壤(0～20 cm)的含水量，秸稈還田還可以減緩?fù)寥浪终舭l(fā)，進而減少土壤含水量的損失，達到保水的效果。從相關(guān)性分析結(jié)果則可以看到，秸稈還田和施氮對土壤含水量的影響均不顯著。

3.2 土壤溫度和土壤含水量與土壤呼吸速率的相關(guān)性分析

本試驗采用指數(shù)模型[14-16]分析了不同土層土壤溫度與土壤呼吸速率的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與近地面(如5,10和15 cm)土壤溫度相關(guān)性顯著，與20和25 cm土層土壤溫度相關(guān)性不顯著，這與前人[14，20-21]研究結(jié)果一致。土壤含水量對土壤呼吸的影響很重要，尤其是在干旱半干旱地區(qū)，土壤含水量過高或過低，都可能直接或間接影響土壤呼吸[2]。本試驗中表層土壤(0～20 cm)含水量與土壤呼吸速率之間相關(guān)性并不顯著，從圖3可看到各處理土壤含水量都較高，說明本試驗不存在水分脅迫。如果不存在嚴重的土壤水分脅迫，則溫度對于土壤呼吸速率來說是一個確定的影響因子，它通過直接影響微生物和植物呼吸酶的活性來影響土壤的呼吸速率。

3.3 秸稈還田和施氮對表層土壤有機質(zhì)含量的影響

有機質(zhì)是土壤微生物進行分解活動排放CO2的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，土壤有機質(zhì)是土壤呼吸的主要碳源[22]，因而有機質(zhì)對土壤呼吸而言至關(guān)重要。有研究表明，秸稈還田可以有效提高土壤有機質(zhì)含量[23-25]。本研究中，與對照相比，玉米收獲后施氮和秸稈還田處理的土壤表層有機質(zhì)都有上升的趨勢，說明秸稈還田和施氮處理可以增加土壤表層(0～20 cm)有機質(zhì)含量。

土壤呼吸是個復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程，很多因素都可以直接或間接地對土壤CO2的產(chǎn)生和排放產(chǎn)生影響。生物量、土壤物理性質(zhì)這些因子都會影響到呼吸速率值，這也是呼吸速率農(nóng)田試驗研究中的一個難點及重點，需要在以后的試驗中進一步完善。

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Comprehensive influence of straw-returning and nitrogen fertilization on hydrothermal factors and soil respiration

SUN Yuan1a,2,REN Guang-xin1b,2,FENG Yong-zhong1b,2,ZHANG Qing1a,2,LI Hui-ying1b,2,YANG Gai-he1b,2

(1 aCollegeofForestry,bCollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2TheResearchCenterofRecycleAgriculturalEngineeringandTechnologyofShaanxiProvince,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 The effect of straw-returning and nitrogen fertilization on hydrothermal factors and soil respiration was investigated to enhance the yield of agricultural activities and fertilization utilization.【Method】 Four treatments including straw-returning and fertilization,straw-returning,nitrogen application,and no straw-returning or nitrogen application (CK) were conducted in Guanzhong plain region,Shaanxi Province.During June to September in 2012,soil respiration rates,soil temperatures,and soil moisture contents were measured at different growing stages of corn while soil organic matter contents were determined before sowing and after harvesting.Then the correlations between soil respiration rate with soil temperature and soil moisture content were analyzed.【Result】 The changing trends of soil respiration rates of all four treatments were in the form a single peak curve,which increased first followed by a decreasing trend.Mean soil respiration of straw-returning and fertilization treatment was significantly higher than those of other treatments and the soil respiration rates were in a decreasing order of straw-returning and fertilization treatment>nitrogen application treatment>CK>straw returning treatment.Soil moisture at depth of 0-20 cm for straw-returning treatment increased by 6.07% compared to CK.Soil respiration rate was highly related to soil temperature at depth of 5-15 cm,while it had insignificant relation with soil moisture.Compared with CK,soil organic matter content at depth of 0-20 cm increased significantly in other three treatments after harvesting.【Conclusion】 Straw-returning and nitrogen application increased soil respiration rate and soil organic matter,which was beneficial to plant growth and carbon fixation.

straw-returning;nitrogen fertilization;soil respiration;soil temperature;soil moisture content

2013-11-08

“十二五”公益性(農(nóng)業(yè))行業(yè)專項“現(xiàn)代農(nóng)作制模式構(gòu)建與配套技術(shù)研究與示范”(201103001)

孫 媛(1987-),女，湖北咸寧人，在讀碩士,主要從事低碳農(nóng)業(yè)及高效農(nóng)作制研究。E-mail:sunyuan19871105@163.com

任廣鑫(1969-)，男，甘肅慶陽人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事資源與環(huán)境生態(tài)、循環(huán)農(nóng)業(yè)研究。 E-mail:rengx@nwsuaf.edu.cn

時間:2015-01-19 09:19

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.03.013

S147.5;S151.9

A

1671-9387(2015)03-0146-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150119.0919.013.html