長期定位施肥下黑土呼吸的變化特征及其影響因素

賀 美，王立剛，王迎春，沈 欣，張亦濤，朱 平

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長期定位施肥下黑土呼吸的變化特征及其影響因素

賀 美1，王立剛1※，王迎春1，沈 欣2，張亦濤1，朱 平3

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2. 全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京 100125；3. 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，長春 130033）

闡明長期不同施肥下的土壤呼吸特征及其影響機(jī)制對黑土區(qū)固碳減排研究至關(guān)重要。該研究基于1990年開始的國家土壤肥力與肥料效益監(jiān)測網(wǎng)站－吉林省公主嶺市黑土監(jiān)測基地，選取不施肥（CK）、單施氮磷鉀肥（NPK）、無機(jī)肥配施低量有機(jī)肥（NPKM1）、1.5倍的無機(jī)肥配施低量有機(jī)肥（1.5（NPKM1））、無機(jī)肥配施高量有機(jī)肥（NPKM2）和無機(jī)肥配施秸稈（NPKS）6個處理，明確了長期不同施肥下土壤總呼吸和異養(yǎng)呼吸的季節(jié)變化特征，并分析了土壤溫度、水分、微生物量碳氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸的關(guān)系。結(jié)果表明：長期有機(jī)無機(jī)肥配施可以顯著提高土壤有機(jī)碳、全氮、土壤速效磷、有效鉀的含量和土壤活性有機(jī)碳庫組分含量（<0.05）；與不施肥相比，長期有機(jī)無機(jī)肥配施和無機(jī)配施秸稈處理分別顯著增加土壤呼吸及異養(yǎng)呼吸碳累積排放量56.32%～86.54%和70.01%～100.93%；根系呼吸對土壤呼吸的整體貢獻(xiàn)為23.68%～34.30%；相關(guān)分析表明，土壤呼吸速率和異養(yǎng)呼吸速率與土壤溫度極顯著正相關(guān)（<0.01），與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.01），土壤溫度可以分別解釋土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸變化的42.79%和39.61%；土壤微生物量碳氮、土壤硝態(tài)氮均與土壤呼吸速率和異養(yǎng)呼吸速率極顯著相關(guān)（<0.01），土壤微生物量碳氮、土壤硝態(tài)氮可以分別解釋土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸變化的78.42%和77.18%，58.33%和56.79%，59.29%和59.14%；土壤銨態(tài)氮雖然顯著影響土壤呼吸速率（<0.05），可以解釋土壤呼吸變化的5.56%，但其對異養(yǎng)呼吸速率的影響不顯著。綜合來看，微生物量碳對土壤呼吸及異養(yǎng)呼吸的影響最大，而土壤含水率（>15%）越高則土壤呼吸越弱；無機(jī)配施秸稈處理可以提高土壤碳庫組分含量，且作物生育期內(nèi)土壤呼吸及異養(yǎng)呼吸碳累積釋放量均低于等氮量下施用有機(jī)肥（NPKM1）的處理，為最佳的農(nóng)田管理措施。

土壤；土壤水分；肥料；土壤呼吸；異養(yǎng)呼吸；土壤溫度；土壤微生物量碳氮；土壤銨態(tài)氮硝態(tài)氮

0 引 言

工業(yè)革命以來，溫室氣體（CO2，NxO，CH4等）排放量加劇導(dǎo)致的全球氣候變暖成為21世紀(jì)人類面臨的最為嚴(yán)峻的環(huán)境問題[1]，其中CO2對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)56%，是最重要的溫室氣體之一[2]。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)中除植被冠層光合作用外最大的碳收支通量，全球土壤碳儲量1 500 Pg，是大氣碳庫的3倍，通過土壤呼吸釋放到大氣中的CO2量對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡及全球氣候變化均有重要影響[3-4]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)由于長期受不同程度的人為干擾，如耕作、施肥、灌溉等，不斷影響和改變著土壤碳循環(huán)生態(tài)過程，使得農(nóng)田土壤呼吸在時間和空間上的變化十分復(fù)雜[5]。因此，探索農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸變化規(guī)律，深入研究土壤呼吸過程的主導(dǎo)因子對于精確預(yù)測陸地與大氣的碳交換、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展均有重要意義。

土壤呼吸（s）是土壤由代謝作用釋放CO2的過程，包括3個生物學(xué)過程（根系呼吸、微生物呼吸和動物呼吸）和一個非生物學(xué)過程即含碳礦物質(zhì)氧化與分解釋放[6]，其中土壤微生物及動物的異養(yǎng)呼吸（h）和根系的自養(yǎng)呼吸（a）是土壤呼吸最重要的組成部分[7]。土壤呼吸受土壤環(huán)境因子和生物因子的交互影響[8]，其中土壤溫度和濕度是影響土壤呼吸作用的關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動因子，土壤呼吸的主要組分——根系呼吸和微生物呼吸均是依賴于土壤溫度和水分進(jìn)行的生物學(xué)過程。研究表明[9-11]，在一定條件下土壤呼吸隨溫度增加呈指數(shù)增長；土壤水分通過調(diào)控土壤通氣與氧化還原狀況以及土壤微生物活性等影響土壤溫室氣體的產(chǎn)生和排放，關(guān)于土壤水分對土壤呼吸的影響目前尚未有統(tǒng)一定論，有研究認(rèn)為土壤呼吸的最優(yōu)土壤濕度接近最大田間持水量，土壤水分只有在超過田間持水量或降到永久萎蔫點(diǎn)以下的情況下才會抑制土壤呼吸[12-14]，Zhang[9]通過對中國北方小麥-玉米輪作系統(tǒng)土壤呼吸影響因子的研究發(fā)現(xiàn)土壤水分含量在萎蔫點(diǎn)和田間持水量之間時對土壤異養(yǎng)呼吸沒有顯著影響。此外，微生物變化是影響土壤呼吸的關(guān)鍵生物因子，土壤活性碳庫組分尤其是土壤微生物量碳與土壤呼吸碳累積釋放量呈極顯著相關(guān)關(guān)系[15]，Reichstein和Eberwein也認(rèn)為底物的可利用性是控制土壤微生物呼吸變化的主要因子[16-17]。Meijide等[18]發(fā)現(xiàn)不同有機(jī)肥料類型施用對土壤呼吸的影響有提高、降低或者不變3種可能，劉四義等[19]通過對比玉米和大豆秸稈還田對黑土土壤呼吸的影響發(fā)現(xiàn)秸稈還田主要通過影響黑土微生物活性來影響微生物的呼吸速率，米亮等[20]通過對比黑土帶4個樣點(diǎn)發(fā)現(xiàn)高緯度黑土微生物呼吸速率顯著高于低緯度黑土，該結(jié)果與高緯度地區(qū)黑土有機(jī)質(zhì)含量高、土壤微生物數(shù)量大有關(guān)。Chen等[21]在中國東北地區(qū)玉米農(nóng)田的研究結(jié)果表明有機(jī)無機(jī)肥配施顯著提高黑土異養(yǎng)呼吸速率，這可能與高的活性有機(jī)碳含量有關(guān)，而有機(jī)肥料的類型和用量顯著影響黑土土壤呼吸和自養(yǎng)呼吸，對異養(yǎng)呼吸則沒有影響。自養(yǎng)呼吸主要與植物根際活性及光合產(chǎn)物供應(yīng)有關(guān)，土壤呼吸各組分可能對土壤環(huán)境變化產(chǎn)生不同的響應(yīng)，而長期不同施肥措施對土壤性質(zhì)與作物生長的影響不同，勢必會引起土壤呼吸各組分差異，進(jìn)而影響土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸與土壤環(huán)境因子及微生物量之間的關(guān)系，而其相互影響機(jī)制有待進(jìn)一步的研究。

近年來關(guān)于農(nóng)田土壤呼吸影響因素、根系呼吸對土壤呼吸貢獻(xiàn)等研究較多[22-23]，但是農(nóng)田土壤呼吸受種植作物類型、管理措施與區(qū)域氣候因素的影響較大，呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，有關(guān)土壤環(huán)境因子對土壤呼吸與異養(yǎng)呼吸的影響效應(yīng)結(jié)論不一，并且由于中國長期試驗(yàn)監(jiān)測站點(diǎn)較少且不宜擾動的局限，長期施肥后東北黑土土壤呼吸與異養(yǎng)呼吸特征及其主導(dǎo)因子變化缺乏系統(tǒng)研究，因此，本文以連續(xù)運(yùn)行26 a的國家黑土肥力與肥料效益監(jiān)測基地公主嶺長期定位試驗(yàn)為平臺，研究長期不同施肥下春玉米生長季土壤呼吸、異養(yǎng)呼吸的動態(tài)變化，明確根系呼吸對土壤碳排放的貢獻(xiàn)，并探討環(huán)境與微生物變化對土壤呼吸與異養(yǎng)呼吸的影響，以期為評估農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支和尋找固碳減排管理措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

在中國土壤系統(tǒng)分類中，黑土是獨(dú)立的土壤類型，按發(fā)生學(xué)分類屬于半水成土綱或半淋溶土綱，其下有黑土、草甸黑土、白漿化黑土和表潛黑土等4個亞類[24]。本研究的試驗(yàn)地位于國家黑土肥力與肥料效益監(jiān)測基地位于吉林省公主嶺市，該地屬于典型黑土區(qū)，年平均氣溫4～5 ℃，有效積溫為2 600～3 000 ℃，年降水量450～650 mm。長期定位試驗(yàn)從1990年開始，初始耕層土壤（0～20 cm）的理化性狀如下：容重1.19 g/cm3，土壤有機(jī)碳13.2 g/kg，土壤全氮1.4 g/kg，土壤有效磷11.79 mg/kg，土壤速效鉀158.33 mg/kg，土壤pH值為7.6，田間持水量及孔隙度分別為35.8%和53.4%，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（<0.02 mm）31%。本試驗(yàn)所選處理種植模式均為春玉米（）連作，自試驗(yàn)開始以來供試玉米品種如下：1991―1994年：丹玉13；1995―1996年：吉單304；1997―1999年：吉單209；2000―2003：四密25；2004―2005：吉單209；2006年至今均為鄭單958。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文選擇長期定位試驗(yàn)其中的6個處理分析：1）不施肥CK；2）單施化肥NPK；3）化肥配施低量有機(jī)肥NPKM1；4）1.5倍的化肥配施低量有機(jī)肥1.5（NPKM1）；5)化肥配施高量有機(jī)肥NPKM2；6）化肥配施秸稈NPKS，各處理施肥量見表1。試驗(yàn)小區(qū)面積400 m2，該長期定位試驗(yàn)站點(diǎn)布置從1989年開始，由于條件所限當(dāng)時全國9個處理一致的長期定位試驗(yàn)均未設(shè)置重復(fù)，因此，我們在取樣時及設(shè)置土壤呼吸基座時將試驗(yàn)小區(qū)分成3個取樣區(qū)作為重復(fù)。磷鉀肥播種前作為基肥一次性施入，氮肥有1/3在播種前和磷鉀肥一起用作底肥，2/3于拔節(jié)期追施。有機(jī)肥（M）開始為豬廄肥，2005年后換成牛糞，還田的秸稈（S）采用玉米秸稈。在玉米收獲后將其秸稈從田里移出，地上留茬15 cm并同根茬一起還田。牛糞也在收獲后施入地里，而移出的秸稈經(jīng)自然風(fēng)干和人工粉碎，于第2年6月下旬追肥時撒施于壟溝中。播種時間在每年4月下旬，收獲時間則在9月底或10月初，春玉米生育期150 d左右，種植密度為6萬株/hm2。

表1 各處理施肥量

注： 玉米秸稈和有機(jī)肥的C：N比分別是66:1和26:1，含氮量是7.0和5.0 g·kg-1；CK：不施肥；NPK:單施氮磷鉀肥；NPKM1：無機(jī)肥配施低量有機(jī)肥；1.5（NPKM1）：1.5倍的無機(jī)肥配施低量有機(jī)肥；NPKM2：無機(jī)肥配施高量有機(jī)肥；NPKS：無機(jī)肥配施秸稈；下同。

Note : The C:N ratio of maize straw and farmyard manure in dry matter was 66:1 and 26:1, respectively. In addition, the N concentrations in maize straw and farmyard manure were 7.0 and 5.0 g·kg-1, respectively. CK, no fertilizer; NPK, only chemical fertilizer application; NPKM1, combining chemical and low levels of organic manure; 1.5(NPKM1), 1.5 times the amount of inorganic and organic fertilizer of NPKM1; NPKM2, combining chemical and high amounts of organic manure; NPKS, combining inorganic fertilizer and straw. The same as below.

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤化學(xué)指標(biāo)測定方法

于2015年9月27日用土鉆（直徑3 cm）采集0～20 cm耕層土壤，先將每個大區(qū)劃分為3個采樣小區(qū)，在每個采樣小區(qū)按梅花形5點(diǎn)法采樣后混勻作為一個樣本，各處理的土壤樣本均重復(fù)3次。將土壤樣品分成兩部分，一部分風(fēng)干后挑出碎石、植物根系殘?jiān)⑦^2 mm篩測定土壤pH值，有機(jī)質(zhì)、全氮、顆粒有機(jī)碳與易氧化有機(jī)碳含量；另一部分過2 mm篩并保存于4 ℃用以鮮樣的測定，各指標(biāo)測定均在24 h內(nèi)完成。參考鮑士旦標(biāo)準(zhǔn)方法[25]，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮（TN）用凱氏定氮法測定；0.5 mol/L的NaHCO3浸提法測定速效磷（available P）；火焰光度計(jì)法測速效鉀（available K），醋酸銨浸提后用火焰光度計(jì)直接測定；土壤pH值，稱取10 g過2 mm篩的風(fēng)干土樣于燒杯中，加入25 mL蒸餾水，用玻璃棒劇烈攪拌1 min，靜置30 min后用pH計(jì)測定。水溶性有機(jī)碳用0.5 mol/L K2SO4浸提后用總有機(jī)碳/總氮（TOC(total organic carbon)/TN(total nitrogen)）自動分析儀（Multi N/C?2053100，德國耶拿）測定[26]；顆粒有機(jī)碳采用5 g/L六偏磷酸鈉分散法測定[27]；易氧化有機(jī)碳采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定[28]。

選擇玉米主要生育期進(jìn)行土壤微生物量碳氮和銨態(tài)氮硝態(tài)氮的測定，包括6月23日（拔節(jié)期），7月27日（抽雄期），9月1日（蠟熟期）和9月27日（完熟期）。土壤銨態(tài)氮硝態(tài)氮的測定：將新鮮土樣按土水比1:5加入1 mol/LKCl溶液振蕩，浸提液用流動分析儀（Seal Analytical GmbH, 德國Seal公司）測定。微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法[29]，稱取預(yù)培養(yǎng)后的新鮮土壤于小燒杯中，將其置于真空抽濾器中用去乙醇氯仿在25 ℃的培養(yǎng)箱中避光熏蒸24 h。培養(yǎng)結(jié)束后，反復(fù)抽濾幾次以去除氯仿，將熏蒸的土壤樣品用0.5 mol/L K2SO4溶液振蕩浸提，并以同樣的方法提取未熏蒸的土壤，浸提液用TOC/TN自動分析儀（MultiN/C?205 3100，德國耶拿）測定，微生物量碳計(jì)算：MBC=EC/KEC，微生物量氮：MBN=EN/KEN，其中，EC和EN為熏蒸和未熏蒸土壤的差值；KEC和KEN為轉(zhuǎn)換系數(shù)，分別取值0.45[30]和0.54[31]。

1.3.2 土壤呼吸速率、溫度與水分的測定

土壤呼吸速率采用開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)Li-8100紅外氣體分析儀（IRGA）測定。為減少對土壤呼吸測定的干擾，提前24 h將測定土壤呼吸的PVC基座（直徑20 cm，高度10 cm）埋入土壤中，每個基座上部距土壤表面3 cm。各處理設(shè)置隔根的對照，隔根處理采用壕溝法，在距離測土壤總呼吸PVC管約10 cm處，選擇50 cm×50 cm的區(qū)域，四周垂直挖深50 cm以阻斷根系，將400目尼龍過濾網(wǎng)（隔開根系，不影響水熱氣交換）在底層打結(jié)后緊挨壕溝四壁貼放，后將原土依層次放回，在此區(qū)域中間安置PVC管。本試驗(yàn)測定時間為2015年，為消除土壤擾動帶來的影響，每次測定前24 h剪除呼吸環(huán)內(nèi)雜草，于每個測定日上午09:00～11:00進(jìn)行，該時間段土壤溫度相對穩(wěn)定。每小區(qū)設(shè)置3個重復(fù)包括總呼吸和異養(yǎng)呼吸，求其平均值作為該次測量的土壤總呼吸速率和異養(yǎng)呼吸速率。測定土壤呼吸速率時同時測定土壤溫度和水分，利用德國進(jìn)口TRIME-PICO64便攜式土壤水分測試儀測定土壤15 cm的平均溫度和土壤含水率。

本研究采用根系排除法計(jì)算根系呼吸對土壤呼吸的貢獻(xiàn)，將土壤總呼吸與異養(yǎng)呼吸的差值作為根系呼吸，根系呼吸占土壤呼吸的比率即為根系呼吸對土壤呼吸的貢獻(xiàn)，即根系呼吸貢獻(xiàn)[32-33]。

1.3.3 土壤呼吸累積CO2排放量和10的計(jì)算方法

1）土壤呼吸累積CO2排放量的計(jì)算

根據(jù)2015年6月23日到9月27日測定的土壤呼吸速率估算土壤CO2-C的日排放量，未測定日期用插值法求出其日排放量，后累加求整個生育期的土壤CO2-C的排放量。計(jì)算公式為[34]：

=s×3 600×24×12×10-5

式中指土壤每天CO2排放量，kg/hm2；s表示測定的土壤呼吸速率，mol/(m2·s)；12為CO2-C的摩爾質(zhì)量，g/mol；3600和24為換算系數(shù)。為第1次測定土壤呼吸速率，為最后1次監(jiān)測值。是相鄰2次監(jiān)測之間相隔的天數(shù)，相鄰2次土壤呼吸的線性內(nèi)插作為間隔土壤呼吸速率值。

2）10的計(jì)算

土壤呼吸速率對溫度的敏感性通常用10來描述。10是溫度每升高10 ℃所造成的土壤呼吸速率的增加值。在不受其他因子限制的情況下，溫度和土壤呼吸速率（s）之間的關(guān)系通常情況下可以用指數(shù)方程描述：

s=e（1）

10=e10b（2）

式中和為擬合參數(shù)，分別代表0 ℃時某層土壤CO2產(chǎn)生速率mol/(m2·s)，溫度響應(yīng)系數(shù)；為土壤溫度，℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007及OriginPro9.1對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與作圖，用SAS9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，最小顯著差數(shù)法LSD 檢驗(yàn)其差異顯著性（<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥下土壤化學(xué)性質(zhì)的變化特征

26 a長期施肥顯著改變了土壤的化學(xué)性質(zhì)（表2）。長期單施化肥顯著降低土壤pH值。長期有機(jī)無機(jī)肥配施顯著增加土壤有機(jī)碳、全氮、速效磷和速效鉀的含量，其中1.5（NPKM1）處理土壤有機(jī)碳、全氮、速效磷和速效鉀的含量最高，NPKM2處理次之，NPKS處理含量最低。與長期不施肥相比，長期單施化肥可溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量分別增加13.00%，17.14%和66.67%，長期有機(jī)無機(jī)肥配施（NPKM1、1.5（NPKM1）和NPKM2）處理土壤可溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳增加幅度分別為 16.05%～56.34%，219.75%～497.45%和847.62%～1145.93%，長期秸稈還田處理下可溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了6.95%，121.71%和680.95%，長期有機(jī)無機(jī)肥配施和秸稈還田處理對土壤活性有機(jī)碳組分含量的提升效果比較好，以1.5（NPKM1）處理對土壤可溶性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳提升效果最為顯著。

表2 不同施肥措施土壤化學(xué)性質(zhì)變化

注： 數(shù)值均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（=3），下同；同列不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。

Note: The numeric values represent mean ± standard deviation (=3); The same as below; Different letters in a column mean significant different at the 5% level.

2.2 不同施肥措施下土壤呼吸與異養(yǎng)呼吸的季節(jié)性變化動態(tài)

長期不同施肥下的土壤呼吸速率和異養(yǎng)呼吸速率變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)先增加后逐漸降低的趨勢，從玉米拔節(jié)期開始監(jiān)測時（6月23日）土壤溫度較高，玉米生長正值旺盛期，土壤呼吸速率高于整個生育期的平均值，在6月27日達(dá)到呼吸高峰，由于在6月26日進(jìn)行追肥，各處理除CK外均追加氮肥，均勻溝施后淺翻入土，此時土壤呼吸速率出現(xiàn)高峰是追肥和人為擾動共同作用的結(jié)果，下一個土壤呼吸高峰出現(xiàn)在8月2日玉米抽雄期，在此之后土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸速率均呈波動式下降。各處理在監(jiān)測期內(nèi)土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸速率的范圍分別為0.81～8.71和0.53～7.6mol/(m2·s)（表3），NPKM1、1.5(NPKM1)和NPKM2處理的土壤呼吸平均速率高于NPK和CK處理26.06%～36.18%和73.78%～87.73%，NPKS處理高于NPK和CK處理13.25%和56.12%，說明施用有機(jī)肥和秸稈還田都能夠提高土壤呼吸速率，并且在各處理等氮量（有機(jī)氮與無機(jī)氮的總和）的情況下，施用有機(jī)肥引起的土壤呼吸速率升高的波動要大于秸稈還田。而異養(yǎng)呼吸速率平均值最高的是1.5(NPKM1)處理，NPKM2處理次之，其他處理異養(yǎng)呼吸平均速率與總呼吸平均速率變化一致。

施肥顯著增加玉米生育期土壤呼吸碳累積排放量。長期單施化肥條件下（NPK），玉米生育期黑土碳排放量顯著高于CK處理37.36%（<0.05），NPKM1，1.5(NPKM1)，NPKM2和NPKS處理顯著高于CK處理56.32%～86.54%（<0.05），其中1.5（NPKM1）和NPKM2的土壤碳排放量顯著高于NPKS處理。作物生育期土壤異養(yǎng)呼吸碳累積排放量整體上占總呼吸碳排放的65.73%～76.69%，除NPKS處理外其余處理總碳累積排放均顯著高于異養(yǎng)呼吸碳累積排放量（<0.05）。異養(yǎng)呼吸碳累積排放量NPKM1，1.5(NPKM1)、NPKM2和NPKS處理顯著高于CK處理73.63%，100.93%，89.61%和70.01%（<0.05）。本試驗(yàn)中，根系呼吸對總呼吸的貢獻(xiàn)在23.68%～34.30%，以NPK處理最高，NPKS處理最低，有機(jī)無機(jī)肥配施以及無機(jī)肥配施秸稈處理根系呼吸對總呼吸的貢獻(xiàn)均低于不施肥和單施化肥處理。

圖1 不同施肥措施下土壤呼吸與異養(yǎng)呼吸的季節(jié)動態(tài)變化

表3 不同施肥措施下根系呼吸對土壤呼吸的貢獻(xiàn)

注： 同列帶有不同小寫字母表示同一處理土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸間差異顯著（<0.05）；同列帶有不同大寫字母表示不同處理土壤呼吸間差異顯著（<0.05）；同列帶有不同A’， B’， C’表示不同處理異養(yǎng)呼吸間差異顯著（<0.05）；s：土壤呼吸；h：異養(yǎng)呼吸，下同。

Note: Different lowercase letters in a column mean significant difference between soil respiration and heterotrophic respiration under the same treatment at the 5% level; Different uppercase letters in a column mean significant difference of soil respiration among different treatments at the 5% level; Different A’, B’, C’ in a column mean significant difference of heterotrophic respiration among different treatments at the 5% level;s: soil respiration;h: heterotrophic respiration, the same as below.

2.3 不同施肥措施對土壤溫度與水分的影響

不同處理之間土壤溫度變化趨勢基本一致，在作物整個生育期呈波動式下降，與大氣溫度變化相符，整個監(jiān)測過程中各處理（CK，NPK，NPKM1，1.5(NPKM1)，NPKM2，NPKS）的土壤平均溫度為26.92，27.70，27.24，26.96，27.00和27.43 ℃。各處理土壤溫度之間差異的主要原因是夏季土壤溫度上升較快，測量時間段一般都固定在上午08:00～11:00，正是土壤溫度上升的快速階段，在測量時不同處理之間時間間隔的差異，如間隔30 min就可能會對土壤溫度造成較大的不同，其次降水也會影響土壤溫度的測定。土壤含水率各處理變化趨勢大致一致，在8月2日前變化較平穩(wěn)，后期波動較大，在9月1日土壤含水率最高，各處理土壤含水率的范圍在7.70%～26.72%。

圖2 試驗(yàn)期間各處理15 cm土壤溫度和水分變化曲線

表4 不同施肥措施下土壤呼吸速率與土壤溫度和土壤含水率擬合方程

2.4 不同施肥處理下微生物量碳氮與銨態(tài)氮硝態(tài)氮的季節(jié)變化

土壤微生物量碳是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的組成，對農(nóng)田管理措施非常敏感，它的周轉(zhuǎn)時間比總有機(jī)碳短[35]，是評價土壤微生物狀況隨環(huán)境變化的重要指標(biāo)。長期不同施肥處理對農(nóng)田黑土微生物量碳的影響見圖3。在玉米整個生育期，微生物量碳氮最高值均出現(xiàn)在拔節(jié)期，而收獲期9月份最低。CK處理的微生物量碳始終最低，單施化肥和有機(jī)無機(jī)肥配施能夠顯著提高土壤微生物量碳的含量，從3個有機(jī)無機(jī)肥配施（NPKM1，1.5（NPKM1）和NPKM2）的處理來看，微生物量碳的提升隨著有機(jī)肥的投入增加而升高，無機(jī)肥配施秸稈的處理微生物量碳提升效果優(yōu)于單施化肥，與NPKM1處理對微生物碳的影響沒有顯著差異。長期施肥下土壤微生物量氮的變化趨勢與微生物量碳的變化趨勢一致，在6月份最高，9月份收獲期最低。各處理中以3個有機(jī)無機(jī)肥配施對微生物量氮的提升效果最顯著，其次為無機(jī)肥配施秸稈的處理，單施化肥能提高微生物量氮含量，但是與不施肥的處理差異不顯著。

土壤有效氮是影響土壤呼吸的重要指標(biāo)，土壤硝態(tài)氮（NO3--N）是植物吸收利用氮素的主要形態(tài)，土壤中的銨態(tài)氮易經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的季節(jié)變化動態(tài)可以反映不同施肥管理下的土壤氮素養(yǎng)分狀況。本試驗(yàn)中長期施肥下的銨態(tài)氮與硝態(tài)氮具有明顯的季節(jié)動態(tài)，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮大體上呈此消彼長的關(guān)系，1.5（NPKM1）和NPKM2處理的銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量在各個時期均高于其他處理。長期施肥下的土壤硝態(tài)氮含量在玉米生育期內(nèi)持續(xù)降低，6、7月份各處理間差異較大，后期隨著硝態(tài)氮含量的降低差異逐漸減小。不同處理的土壤銨態(tài)氮含量變化趨勢不一致，CK和1.5（NPKM1）2個處理在拔節(jié)期略有降低，其余處理的土壤銨態(tài)氮在玉米生育期內(nèi)均表現(xiàn)為先升高后降低，蠟熟期（9月1日）最高，完熟期（9月27日）最低。

圖3 不同施肥措施下土壤微生物量碳氮的季節(jié)動態(tài)變化

圖4 不同施肥措施下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的季節(jié)動態(tài)

2.5 土壤呼吸與異養(yǎng)呼吸與土壤環(huán)境因子、土壤微生物量碳氮之間的相關(guān)性

將所有處理土壤呼吸（s）和異養(yǎng)呼吸（h）速率綜合分析發(fā)現(xiàn)，土壤總呼吸和土壤異養(yǎng)呼吸速率極顯著相關(guān)（圖5），土壤異養(yǎng)呼吸可以解釋總呼吸變化的87.88%。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)尺度上，土壤呼吸和環(huán)境因子之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)以及線性函數(shù)等形式表達(dá)，本研究采用指數(shù)函數(shù)（s=e）和冪函數(shù)擬合了土壤呼吸速率和異養(yǎng)呼吸速率與土壤溫度（T）及含水率（%）之間的關(guān)系，采用線性模型擬合土壤呼吸速率與異養(yǎng)呼吸速率和土壤微生物量碳氮（MBC, MBN）及銨態(tài)氮硝態(tài)氮（NH4+-N, NO3--N）之間的關(guān)系。本試驗(yàn)得出，土壤呼吸速率隨土壤溫度的升高呈指數(shù)增加的趨勢，土壤溫度可以解釋s和h 42.79%和39.61%的變異（<0.01），而s和h均與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.01）。同時，s和h與土壤MBC， MBN，NH4+-N，NO3--N均呈極顯著相關(guān)，MBC，MBN可以解釋s和h季節(jié)變化的78.42%和77.18%。MBN可以解釋s和h季節(jié)變化的58.33%和56.79%，NO3--N可以解釋s和h季節(jié)變化的59.29%和59.14%，而土壤NH4+-N顯著影響s（<0.05），可以解釋s變化的5.56%，但是對h的影響不顯著。

圖5 土壤呼吸（Rs）和異養(yǎng)呼吸（Rh）與土壤環(huán)境因子及微生物量碳氮的相關(guān)關(guān)系

3 討 論

3.1 長期不同施肥對黑土化學(xué)性質(zhì)的影響

長期不同施肥對土壤化學(xué)性質(zhì)影響不同，長期有機(jī)無機(jī)肥配施均能顯著提高土壤有機(jī)碳、全氮，速效磷和有效鉀的含量，這與張國榮等研究結(jié)論一致[36]。本試驗(yàn)中長期單施化肥對土壤有機(jī)碳、全氮，速效磷和有效鉀的含量的沒有顯著提高，這與戚瑞敏等[37]長期單施化肥顯著提高潮土有機(jī)碳、全氮和速效磷鉀含量的結(jié)論不一致，主要原因可能是二者化肥的用量不一致，本試驗(yàn)中單施化肥用量為N:165 kg/hm2，P2O5: 82.5 kg/hm2，K2O:82.5 kg/hm2，而戚瑞敏等長期單施化肥用量為N:375～450 kg/hm2，P2O5:225～300 kg/hm2，K2O:150 kg/hm2，大量氮磷鉀肥的輸入直接增加土壤速效養(yǎng)分含量，造成土壤氮磷鉀含量的顯著提升。由于土壤有機(jī)碳有較高的背景值，其總量變化較慢，對農(nóng)田管理措施的反應(yīng)不夠敏感，因此，近些年來許多學(xué)者將活性有機(jī)碳組分包括微生物量碳、水溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳等作為反映土壤質(zhì)量與肥力變化的早期預(yù)測指標(biāo)，解析土壤有機(jī)碳的有效性[38]。本試驗(yàn)中有機(jī)無機(jī)肥配施顯著增加土壤可溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量，其原因是有機(jī)肥的施用不僅可以直接提高土壤有機(jī)碳含量和土壤微生物量與活性，而新鮮外源碳的輸入也可產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)，刺激原有土壤有機(jī)碳的礦化，加速微生物對植物殘體及有機(jī)物料的腐解進(jìn)而提高土壤活性碳庫組分的含量[39-40]。秸稈還田能夠增加土壤有機(jī)碳庫各組分含量，但是效果不顯著，其原因可能是東北冷涼的氣候條件使得玉米秸稈腐解緩慢，且秸稈中的惰性有機(jī)質(zhì)組分如木質(zhì)素、單寧等完全降解需要幾十年至上百年，周江敏等[41]對秸稈施用后土壤可溶性有機(jī)碳的動態(tài)變化研究中發(fā)現(xiàn)秸稈腐解的前7 d顯著增加了土壤溶解性有機(jī)碳含量，7 d后則無明顯影響；從目前試驗(yàn)實(shí)施的時間來看，秸稈還田對土壤有機(jī)碳庫組分提升效果不如等氮量下的有機(jī)無機(jī)肥配施處理。

3.2 長期不同施肥下土壤呼吸與異養(yǎng)呼吸的變化特征

土壤呼吸是一個復(fù)雜的生物學(xué)過程，關(guān)于土壤呼吸的季節(jié)性變化規(guī)律前人研究較多[42-44]，大部分的研究認(rèn)為土壤呼吸在作物整個生育期先增強(qiáng)后減弱，祿興麗等[45]研究發(fā)現(xiàn)玉米生育期土壤呼吸速率在拔節(jié)期至抽雄期最大，本試驗(yàn)結(jié)果與此結(jié)論相符，最高速率在拔節(jié)期，收獲期降至最低，可能因?yàn)榘喂?jié)期的追肥給微生物提供了氮源和能源，氮肥供給使得作物生長旺盛，根系呼吸增加，從而使土壤呼吸速率顯著增強(qiáng)。施用有機(jī)肥和秸稈還田都能夠提高土壤呼吸速率，有機(jī)物料還田提高了土壤養(yǎng)分含量，為微生物呼吸提供足夠的底物，使得微生物呼吸強(qiáng)度增強(qiáng)以及持續(xù)時間延長，因此，秸稈還田和有機(jī)無機(jī)肥配施均能顯著增加土壤呼吸碳累積排放量，但是在各處理等氮量（有機(jī)氮與無機(jī)氮的總和）的情況下，施用有機(jī)肥的效果更顯著，推測是由于還田初期是秸稈中有機(jī)物的“快速分解階段”，以中快速生長型微生物為主進(jìn)行分解，后期逐漸到“緩慢分解階段”，主要以慢速生長型微生物群進(jìn)行降解[46]，加上東北屬于高緯度地區(qū)，冷涼的氣候環(huán)境使得土壤呼吸速率的增加效應(yīng)隨著秸稈還田時間的推移一定程度的降低。

區(qū)分土壤呼吸組分的方法主要有以下3類：同位素示蹤法（脈沖標(biāo)記法和連續(xù)標(biāo)記法）、推理分析法和根去除法，其中根排除法因操作簡單被廣泛采用[47]。李虎等[22]應(yīng)用DNDC模型估算出玉米根際呼吸對土壤呼吸的貢獻(xiàn)為91%～95%，張賽等[48]利用根系生物量外推法和根去除法測得小麥根系呼吸貢獻(xiàn)率分別為47%和54%，祿興麗等[45]用根系去除法得出玉米生育期不同耕作措施下根系呼吸占土壤呼吸比例為15%～82%，平均值為51.72%，Kuzyakow等[49]用14C示蹤法測定的值為15%～60%，本研究中根系呼吸對土壤呼吸的貢獻(xiàn)占23.68%～34.30%，平均值為28.19%，與任志杰[50]在華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟傳統(tǒng)管理體系得出的玉米季根系呼吸對土壤呼吸的貢獻(xiàn)29.6%的結(jié)果接近，但是低于蔡艷等[51]玉米根系呼吸對土壤呼吸平均貢獻(xiàn)率46%的結(jié)果，造成這一現(xiàn)象可能有2個原因，大部分根系去除法的壕溝深度在1～1.2 m，本研究基于長期定位試驗(yàn)不宜過度擾動，壕溝深度設(shè)為50 cm，而關(guān)于大田不同生育時期玉米根系測定結(jié)果表明0～20和0～80 cm土層玉米根系干質(zhì)量比例分別約占70%和95%[52]，可推測出50 cm土層以下玉米根系生物量約占20%～30%，這部分根系呼吸被忽略可能是影響本試驗(yàn)結(jié)果的主要原因；另一方面由于本試驗(yàn)中土壤呼吸的監(jiān)測開始于拔節(jié)后期，任志杰等[50]研究發(fā)現(xiàn)夏玉米6葉期后根區(qū)和非根區(qū)土壤呼吸之間就會出現(xiàn)明顯差異，而本研究中生育期監(jiān)測的不完整也可能會造成對作物根系貢獻(xiàn)的估計(jì)值偏低。

3.3 土壤呼吸及異養(yǎng)呼吸速率與土壤水熱條件和微生物量碳氮的相關(guān)關(guān)系

土壤溫度和含水率是影響土壤呼吸的關(guān)鍵環(huán)境因子，土壤溫度是土壤呼吸日變化的驅(qū)動因子，在一定范圍內(nèi)溫度的增加可以提高土壤微生物活性，同時直接影響根系生理活動和生長，進(jìn)而影響異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸，土壤水分對土壤呼吸的影響有正相關(guān)、負(fù)相關(guān)和不相關(guān)3種[14,53-54]。本試驗(yàn)中土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)，此結(jié)論與前人研究一致。土壤呼吸速率和異養(yǎng)呼吸速率與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)，推測主要是由于春玉米生長期間正值東北地區(qū)雨季，頻繁的降水影響了土壤通氣透水性能，抑制了土壤呼吸。土壤微生物量碳氮是衡量農(nóng)田管理措施對土壤有機(jī)質(zhì)影響的指標(biāo)[55]，被用來作為評價土壤質(zhì)量的生物學(xué)性狀。長期施用有機(jī)肥以及秸稈還田可以提高微生物活性和微生物量，進(jìn)而增強(qiáng)土壤呼吸，本研究中土壤微生物量碳氮與土壤呼吸呈極顯著相關(guān)，與臧逸飛等[56]研究一致。土壤硝態(tài)氮是植物主要吸收利用的氮素養(yǎng)分，速效氮含量高能夠?yàn)橹参锾峁┏渥愕创碳ぶ参锷锪可L，本研究中硝態(tài)氮與土壤呼吸達(dá)到極顯著相關(guān)水平，與Liang等[8]在華北平原小麥-玉米輪作下不同施肥對土壤呼吸的影響研究得出的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與土壤呼吸極顯著相關(guān)結(jié)論一致，而本試驗(yàn)中銨態(tài)氮對土壤呼吸的影響較弱，與土壤異養(yǎng)呼吸沒有顯著相關(guān)性，這可能與施肥制度、土壤類型及作物類型等的不同有關(guān)，其原因有待進(jìn)一步研究。

土壤環(huán)境因子與微生物變化共同作用和影響土壤呼吸作用，有研究指出包含溫濕度的復(fù)合模型能夠更好的解釋土壤呼吸的變化[57]，而本研究的不足之處是將對土壤呼吸的影響因素作為單一變化因子獨(dú)立出來，忽略了各影響因素之間的相互作用，下一步研究應(yīng)該側(cè)重于多種環(huán)境因子對土壤呼吸的綜合影響效應(yīng)，如土壤溫度和濕度對土壤呼吸的綜合影響等。

4 結(jié) 論

長期有機(jī)無機(jī)肥配施可以顯著提高土壤有機(jī)碳、全氮、土壤速效磷、有效鉀的含量和土壤活性有機(jī)碳庫組分含量（<0.05）；長期有機(jī)無機(jī)肥配施和無機(jī)配施秸稈處理提高了春玉米生育期土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸平均速率，顯著增加土壤呼吸及異養(yǎng)呼吸生育期碳累積排放量56.32%～86.54%和70.01%～100.93%；土壤呼吸和土壤異養(yǎng)呼吸速率極顯著正相關(guān)（<0.01），二者與土壤溫度、土壤微生物量碳、氮、土壤硝態(tài)氮均極顯著正相關(guān)，與土壤含水率則呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤銨態(tài)氮顯著影響土壤呼吸速率，但是對異養(yǎng)呼吸速率的影響不顯著；綜合來看，無機(jī)配施秸稈處理可以維持黑土碳庫組分含量，且作物生育期內(nèi)其土壤碳累積排放量低于等氮量（有機(jī)氮與無機(jī)氮的總和）下施用有機(jī)肥的處理，同時能夠保持微生物活性和作物水分供應(yīng)等，為最佳的農(nóng)田管理措施。

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Characteristic of black soil respiration and its influencing factors under long-term fertilization regimes

He Mei1, Wang Ligang1※, Wang Yingchun1, Shen Xin2, Zhang Yitao1, Zhu Ping3

(1.100081; 2.,100125;3130033)

Clarifying characteristic and its influence factors of soil respiration under long-term different fertilization is essential to the research on carbon sequestration as well as carbon emission reduction in black soil area. Our experiments were conducted in National Fertility Monitoring Station in Gongzhuling City since 1990, and 6 fertilization treatments were set up, including no fertilizer (CK), only chemical fertilizer application (NPK), inorganic fertilizer combined with low level of organic manure (NPKM1), 1.5 times the amount of inorganic fertilizer combined with organic fertilizer of NPKM1 (1.5 (NPKM1)), inorganic fertilizer combined with high amount of organic manure (NPKM2), and inorganic fertilizer combined with straw (NPKS). The seasonal variation characteristics of total and heterotrophic soil respiration were analyzed, and the relationships between relevant factors (soil temperature, moisture content, microbial biomass carbon and nitrogen (MBC,MBN), ammonium and nitrate nitrogen) and total or heterotrophic soil respiration were determined. The results showed that long-term combined application of organic manure and chemical fertilizer could significantly improve content of soil organic carbon, total nitrogen, soil available phosphorus and potassium and soil active organic carbon components (<0.05). Compared with CK, long-term combined application of chemical fertilizer and organic manure, and chemical fertilizer and straw treatment could significantly increase soil carbon cumulative emissions by 56.32%-86.54% and 70.01%-100.93%, respectively. The total contribution of root respiration to soil respiration was 23.68%-34.30%. Correlation analysis indicated that soil respiration rate was significantly positively correlated with soil temperature (<0.01), but significantly negatively correlated with soil moisture content (<0.01). And soil temperature could explain 42.79% and 39.61% of changes in soil respiration and heterotrophic respiration, respectively.Soil respiration rate and heterotrophic respiration rate were significantly correlated with MBC, MBN and nitrate nitrogen (<0.01), which could explain 78.42% and 77.18%, 58.33% and 56.79%, 59.29% and 59.14% of changes in soil respiration and heterotrophic respiration, respectively. The soil ammonium nitrogen significantly affecting the soil respiration rate (<0.05), could account for 5.56% of the changes in soil respiration, but it had no significant effect on the rate of heterotrophic respiration.Therefore, MBC had the greatest influence on total and heterotrophic soil respiration rate, and higher soil moisture content resulted in weaker soil respiration and heterotrophic respiration rates. NPKS could maintain soil carbon pool component content and microbial activity, and in addition, the carbon cumulative emissions during crop growth period were lower than that of NPKM1 under equal quantity of nitrogen of chemical fertilizer and organic manures, which was the best farmland management measure.

soils; soil moisture; fertilizers; soil respiration; heterotrophic respiration; soil temperature; soil microbial biomass carbon and nitrogen; soil ammonium-N and nitrate-N

2017-09-12

2018-01-08

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFE101100，2017YFD0201801）；國家自然科學(xué)基金（31770486）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303126-2）和中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程協(xié)同創(chuàng)新任務(wù)（CAAS-XTCX2016008-02）

賀 美，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。 Email：hemei16@mails.ucas.edu.cn

王立剛，研究員，博導(dǎo)，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)研究。Email：wangligang@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.018

S363

A

1002-6819(2018)-04-0151-11

賀 美，王立剛，王迎春，沈 欣，張亦濤，朱 平. 長期定位施肥下黑土呼吸的變化特征及其影響因素[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(4)：151－161.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.018 http://www.tcsae.org

He Mei, Wang Ligang, Wang Yingchun, Shen Xin, Zhang Yitao, Zhu Ping. Characteristic of black soil respiration and its influencing factors under long-term fertilization regimes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 151－161. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.018 http://www.tcsae.org