夜間增溫條件下免耕對(duì)土壤碳礦化的影響

張?chǎng)卫冢?楊 鎮(zhèn)， 李 旸， 謝曉金， 張耀鴻

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044； 2.山西省氣象服務(wù)中心，山西 太原 030002)

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其任何細(xì)微的變化將顯著影響到陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳固持功能和碳匯效應(yīng)，對(duì)全球氣候變化和人類生存環(huán)境有著重要的影響[1-2]。土壤有機(jī)碳礦化作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)重要的生物化學(xué)過(guò)程，直接關(guān)系到土壤中養(yǎng)分元素的釋放、溫室氣體的形成以及土壤質(zhì)量的保持[3]。因此，研究全球變暖背景下土壤有機(jī)碳的礦化過(guò)程具有十分重要的意義。

由于地理要素的復(fù)雜性和氣候因子的相互作用，使得全球變暖存在明顯的不對(duì)稱性，即夜間氣溫的增幅比白天最高氣溫的增幅高出1～2倍[4-5]；大量研究結(jié)果表明，日最低氣溫升幅是日最高氣溫升幅的 2～3倍[5]，即全球變暖表現(xiàn)為夜間氣溫升高[6]，日較差減小的趨勢(shì)[7]。因此，在大田條件下開(kāi)展夜間增溫可以更準(zhǔn)確地模擬出全球變暖對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳礦化速率的影響。

另一方面，隨著人們對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)田年產(chǎn)量低、人力耗費(fèi)高等缺點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，免耕方式逐漸受到推廣與應(yīng)用[8]。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕可有效地控制土壤水分蒸發(fā)，增加土壤含水量，提高土壤水分的有效性[9-12]。同時(shí)，免耕可有效避免擾亂表層土壤, 促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成和增加土壤的熱容量, 使免耕土壤對(duì)氣溫變化具有很大的緩沖性[13]。而且，免耕方式能夠提高土壤微生物多樣性，改變微生物群落結(jié)構(gòu)[14]，增強(qiáng)土壤酶活性[15]。因此，研究免耕對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳礦化的影響同樣具有十分重要的意義。

目前，關(guān)于全球變暖對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的研究多側(cè)重于全天平均溫度的升高效應(yīng)，關(guān)于夜間增溫的影響報(bào)道較少,且多集中在地上作物部分，對(duì)于地下土壤部分的研究甚少。本試驗(yàn)采用田間開(kāi)放式增溫系統(tǒng)進(jìn)行定位試驗(yàn)，設(shè)置夜間增溫及免耕2個(gè)試驗(yàn)因素組合的4個(gè)處理，以試驗(yàn)處理6年后的耕作層土壤為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)研究4個(gè)處理耕作層土壤的有機(jī)碳礦化速率變化規(guī)律，探索2種氮肥[ (NH4)2SO4和KNO3]對(duì)各處理耕作層土壤有機(jī)碳礦化的影響特征，為揭示氣候變化背景下耕作方式和合理施肥對(duì)中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(32.16°N，118.86°E)進(jìn)行。試驗(yàn)田屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，年平均降水量1 100 mm，年均氣溫15.6 ℃，季風(fēng)明顯，溫暖濕潤(rùn)，日照資源豐富。試驗(yàn)田土壤類型為黃棕壤，肥力中等。試驗(yàn)布置前農(nóng)田耕作層土壤的理化性質(zhì)為：pH 7.8，有機(jī)質(zhì)15.2 g/kg，全氮1.26 g/kg，速效磷 18.3 g/kg，速效鉀 78.1 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)包括4個(gè)處理，分別為：CK(常溫+翻耕)、W(夜間增溫+翻耕)、NT(常溫+免耕)以及WNT(夜間增溫+免耕)。每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)面積為 3 m×4 m，其中有效增溫區(qū)域?yàn)?2 m×3 m，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)進(jìn)行布置。本試驗(yàn)處理于2010年開(kāi)始，2015年結(jié)束，為期6年。

參照陳金等[16]的田間開(kāi)放式增溫系統(tǒng)進(jìn)行夜間增溫。增溫系統(tǒng)由溫度記錄儀、支架和反光膜等組成。其原理是由地面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射經(jīng)過(guò)反光膜反射回地表以減少熱量損失。反光膜采用鋁鉑玻纖布，反射率可達(dá)到97%。每天19∶00將夜間增溫小區(qū)中的反光膜展開(kāi)進(jìn)行增溫，翌日早晨7∶00卷起。在雨雪及大風(fēng)天氣不進(jìn)行蓋膜處理以使每個(gè)處理之間的水分條件保持一致，同時(shí)也可以避免因?yàn)閻毫犹鞖舛斐傻脑鰷匮b置的損壞。為了保持各處理小區(qū)光照條件的一致性，常溫對(duì)照試驗(yàn)小區(qū)也架設(shè)沒(méi)有反光膜的增溫裝置。

用溫度傳感器精度為±0.1 ℃的溫度記錄儀(澤大儀器有限公司生產(chǎn))每15 min記錄1次 0～5 cm地表土壤的溫度。夜間均溫為每晚19∶00到次日7∶00的平均溫度，增溫小區(qū)與不增溫小區(qū)的夜間均溫之間的差值，代表了本試驗(yàn)的夜間增溫幅度，其6年的均值為1.1 ℃，說(shuō)明本試驗(yàn)開(kāi)放式增溫系統(tǒng)的夜間增溫效果明顯。

本試驗(yàn)種植制度為冬小麥-大豆輪作。傳統(tǒng)翻耕處理方式為每年2次20 cm深度的旋耕機(jī)翻耕，人工整平后播種。免耕處理方式為在整個(gè)輪作周期內(nèi)不進(jìn)行任何翻耕措施，農(nóng)作物采用直接條播(小麥)或點(diǎn)播(大豆)。

1.3 分析與測(cè)定

在2015年5月末冬小麥?zhǔn)斋@后，采用隨機(jī)多點(diǎn)采樣法分別在每個(gè)小區(qū)采集 0～10 cm土樣，自然風(fēng)干后過(guò)1 mm土篩，儲(chǔ)存待用。

采用堿液吸收法測(cè)定土壤有機(jī)碳的礦化量。在150 ml三角瓶中加入10 g風(fēng)干土，再加入蒸餾水使之達(dá)到田間持水量(WHC)的40%后密封。然后放入25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行7 d預(yù)培養(yǎng)，目的是激活土壤中的微生物。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，分別對(duì)各土壤樣品添加3種不同溶液后正式培養(yǎng)，即加入蒸餾水、硝態(tài)氮(硝酸鉀)和銨態(tài)氮(硫酸銨)溶液3種。調(diào)節(jié)培養(yǎng)瓶至田間持水量的65%，然后用裝有10 ml 0.1 mol/L NaOH溶液的離心管小心置于三角瓶后封膜密封，分別在5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃溫度梯度下培養(yǎng)14 d。培養(yǎng)結(jié)束后將離心管中的溶液完全洗入三角瓶，并加入1 mol/L BaCl2溶液2 ml和酚酞指示劑2滴， 用0.05 mol/L的鹽酸滴定至微紅色，土壤有機(jī)碳化量根據(jù)培養(yǎng)期內(nèi)二氧化碳的釋放量進(jìn)行計(jì)算。

本試驗(yàn)采用Q10表征土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性，Q10= e10b，即為土壤有機(jī)碳礦化速率在溫度升高10 ℃時(shí)所增加的倍數(shù)。其中b可由指數(shù)方程R=a×ebT求得。該方程用來(lái)反應(yīng)溫度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響，其中R為土壤有機(jī)碳礦化速率，T為培養(yǎng)溫度，a為基質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)，b為溫度反應(yīng)系數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并制圖，采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性檢驗(yàn)采用最小顯著差異法(LSD檢驗(yàn)法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)氮添加下土壤有機(jī)碳礦化速率

在 5～30 ℃，4個(gè)處理土壤的有機(jī)碳礦化速率隨著溫度的升高而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖1)，且不同處理間有機(jī)碳礦化速率表現(xiàn)為CK

CK：常溫+翻耕；W：夜間增溫+翻耕；NT：常溫+免耕；WNT：夜間增溫+免耕。相同培養(yǎng)溫度下不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。圖1 無(wú)氮添加下4個(gè)處理土壤的有機(jī)碳礦化速率Fig.1 Soil organic carbon mineralization rates in four treatments without N addition

2.2 氮添加條件下土壤有機(jī)碳礦化速率

施加硫酸銨條件下4個(gè)處理土壤有機(jī)碳礦化速率隨著溫度的升高而逐漸增加，與無(wú)氮添加下土壤有機(jī)碳礦化速率變化趨勢(shì)相一致(圖2)。且在25 ℃時(shí)4個(gè)處理的土壤有機(jī)碳礦化速率均達(dá)到最大值，而在30 ℃時(shí)都下降，說(shuō)明與無(wú)氮添加不同，在施加硫酸銨條件下土壤有機(jī)碳礦化速率對(duì)培養(yǎng)溫度的響應(yīng)特征發(fā)生了變化。相比于CK而言，W處理使土壤有機(jī)碳礦化速率增加了14.8%，NT處理下增幅高于W處理，使土壤有機(jī)碳礦化速率增加25.7%，WNT使得土壤有機(jī)碳礦化速率達(dá)到最大值?？梢钥闯?，夜間增溫和免耕處理均可以提高土壤有機(jī)碳礦化速率，并且免耕處理的效應(yīng)高于夜間增溫處理。4個(gè)處理的土壤有機(jī)碳礦化速率整體表現(xiàn)為WNT>NT>W>CK。

CK：常溫+翻耕；W：夜間增溫+翻耕；NT：常溫+免耕；WNT：夜間增溫+免耕。相同培養(yǎng)溫度下不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2 添加硫酸銨條件下4種處理的土壤有機(jī)碳礦化速率Fig.2 Soil organic carbon mineralization rates in four treatments under the condition of adding(NH4)2SO4

添加硝酸鉀條件下土壤礦化速率與無(wú)氮添加處理的變化規(guī)律相同，均隨著溫度的升高土壤有機(jī)碳礦化速率隨之增大(圖3)。4個(gè)處理中各個(gè)培養(yǎng)溫度下的礦化速率均以WNT處理為最大，且顯著高于對(duì)照處理。

CK：常溫+翻耕；W：夜間增溫+翻耕；NT：常溫+免耕；WNT：夜間增溫+免耕。相同培養(yǎng)溫度下不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3 添加硝酸鉀條件下4種處理的土壤有機(jī)碳礦化速率Fig.3 Soil organic carbon mineralization rates in four treatments under the condition of adding KNO3

將各處理土壤在6個(gè)培養(yǎng)溫度下的有機(jī)碳礦化速率取平均，得到該土壤的有機(jī)碳礦化速率均值。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，添加銨態(tài)氮肥顯著提高了土壤有機(jī)碳的礦化速率均值，與無(wú)氮添加相比，4個(gè)處理土壤有機(jī)碳的礦化速率分別增加了84.6%、93.3%、91.9%和92.4%(圖4)。而添加硝態(tài)氮肥對(duì)4個(gè)處理土壤有機(jī)碳礦化速率則無(wú)明顯影響，可見(jiàn)有機(jī)碳礦化過(guò)程對(duì)不同添加物具有不同的響應(yīng)特征。

CK：常溫+翻耕；W：夜間增溫+翻耕；NT：常溫+免耕；WNT：夜間增溫+免耕。相同培養(yǎng)溫度下不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。圖4 不同添加物對(duì)4種處理土壤有機(jī)碳礦化速率的影響Fig.4 Effects of several additives on soil organic carbon mineralization rates in four treatments

2.3 不同土壤有機(jī)碳礦化速率的溫度敏感性

土壤有機(jī)碳分解的溫度敏感性(Q10)是一項(xiàng)重要參數(shù)，可以用來(lái)預(yù)測(cè)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化。Q10值的大小與溫度范圍、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量、水分等因素有關(guān)。本研究中用Q10來(lái)反映土壤有機(jī)碳平均礦化速率隨溫度的變化情況，Q10值越小，說(shuō)明溫度敏感性也就越小。

不同試驗(yàn)處理下，WNT的Q10值均高于其他3個(gè)處理，而W和NT處理的Q10均高于對(duì)照處理，說(shuō)明夜間增溫和免耕措施均提高了農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性(表1)。與不添加氮相比，各處理土壤添加(NH4)2SO4使得Q10值明顯變大，而添加KNO3后的Q10值沒(méi)有明顯變化，可以推測(cè)本試驗(yàn)田施加銨態(tài)氮肥時(shí)土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程會(huì)被顯著激發(fā)。在 5～15 ℃溫度下的Q10值比在 20～30 ℃溫度下的Q10值大。說(shuō)明在溫度較低時(shí)土壤礦化過(guò)程對(duì)溫度變化更為敏感。

3 討 論

溫度是土壤有機(jī)碳分解和礦化的重要影響因子。一般來(lái)說(shuō)，溫度通過(guò)影響土壤中的酶活性來(lái)影響土壤有機(jī)碳礦化速率，并且在一定的溫度范圍內(nèi)有機(jī)碳礦化速率隨著溫度的升高而增加。白潔冰等[17]研究發(fā)現(xiàn)高寒草甸和高寒濕地土壤有機(jī)碳礦化速率隨著溫度的升高而增加，與本研究結(jié)果一致。楊繼松等[18]認(rèn)為，濕地土壤有機(jī)碳礦化速率25 ℃較15 ℃相比有明顯的提高，水分對(duì)于有機(jī)碳礦化則無(wú)明顯影響。本研究結(jié)果表明，夜間增溫顯著提高了農(nóng)田土壤的有機(jī)碳礦化過(guò)程。一般而言，夜間溫度相對(duì)白天溫度較低，而低溫環(huán)境下溫度的增加會(huì)強(qiáng)烈地影響土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程。黃耀等[19]發(fā)現(xiàn)與高溫環(huán)境下升高溫度相比，低溫環(huán)境下升高溫度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的促進(jìn)作用明顯?？赡芤?yàn)榈蜏丨h(huán)境下溫度的限制導(dǎo)致酶活性很低，易分解碳組分沒(méi)有被完全分解，所以在低溫環(huán)境下升高溫度使易分解有機(jī)碳很容易分解。

表1 不同處理土壤有機(jī)碳礦化速率的Q10值

WNT、NT、W、CK見(jiàn)圖1。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)施加氮肥對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化影響的研究報(bào)道十分豐富，但是在模擬未來(lái)溫度升高情景下，有關(guān)如何合理施肥以緩解土壤有機(jī)碳礦化，減少農(nóng)田CO2排放的研究鮮有報(bào)道。一般來(lái)說(shuō)，化學(xué)氮肥的施用能增加植物氮素的吸收，同時(shí)增加了土壤礦質(zhì)養(yǎng)分，改善土壤碳氮比，提高土壤微生物活性，從而促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化作用。然而，在溫度升高條件下，氮肥的這種肥效可能發(fā)生改變，因?yàn)槭┘拥适沟弥参铽@取氮素相對(duì)容易，植物向地下分配光合產(chǎn)物的比例相應(yīng)減小，直接限制了微生物進(jìn)行礦化作用的基質(zhì)來(lái)源。而且，受光合產(chǎn)物分配比例的影響，根系的伸長(zhǎng)活動(dòng)受到一定程度的抑制，對(duì)土壤團(tuán)聚體的機(jī)械破壞相應(yīng)減小，從而影響礦化過(guò)程。珊丹等[20]采用野外控制增溫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施加氮肥并未促進(jìn)草地土壤有機(jī)碳礦化速率。王珍等[21]認(rèn)為，降雨量多少是制約施氮對(duì)草地土壤呼吸影響程度的重要因素。不僅如此，氮肥類型也會(huì)深刻影響土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程。一般認(rèn)為，土壤微生物對(duì)于不同形態(tài)的氮素喜好不同，大多數(shù)偏好于銨態(tài)氮。孟延等[22]研究發(fā)現(xiàn)，不同氮肥對(duì)塿土有機(jī)碳礦化速率增加的程度明顯不同，增加幅度依次為(NH4)2SO4> NH4NO3> KNO3。王峰等[23]研究發(fā)現(xiàn)柑橘果園土壤有機(jī)碳礦化受高施氮量影響較大，隨著施氮量的增加土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性增加。本研究發(fā)現(xiàn)，與無(wú)氮添加相比，硫酸銨的添加顯著提高了4個(gè)處理土壤有機(jī)碳礦化速率，而硝酸鉀的添加對(duì)土壤有機(jī)碳礦化則無(wú)明顯影響?？紤]到WNT處理的土壤有機(jī)碳礦化速率均顯著高于CK，可以推測(cè)在未來(lái)溫度升高情境下采用免耕方式進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)，選用硝態(tài)氮肥可能會(huì)有效緩解農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化速率，減小土壤CO2的排放。

免耕農(nóng)田系統(tǒng)能夠提高土壤微生物的豐富度，增加土壤微生物含量[14]，增強(qiáng)土壤酶活性[15]。姜勇等[24]發(fā)現(xiàn)免耕條件下土壤溫度變化小，濕度增大，一般有益于土壤微生物和一些土壤動(dòng)物的活動(dòng)。本研究發(fā)現(xiàn)，免耕顯著提高了土壤有機(jī)碳礦化速率，其作用效應(yīng)明顯高于夜間增溫。

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