不同施肥水平對(duì)夏玉米土壤呼吸的影響研究

毛一男，胡振華，彭致功，張寶忠，魏 征，劉 露

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 晉中 030801；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100038；3.國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048)

土壤呼吸釋放CO2在全球溫室氣體排放中占有重要地位，其中農(nóng)田土壤CO2排放由于受人類(lèi)影響較大，一直被眾多研究者所關(guān)注。華北平原作為我國(guó)主要糧食產(chǎn)區(qū)之一[1]，研究該地區(qū)土壤呼吸特征與影響機(jī)制對(duì)全面監(jiān)測(cè)該地區(qū)農(nóng)田碳排放具有重大意義。

由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)自身具有高度的復(fù)雜性，目前眾多研究中對(duì)不同施肥(氮肥)水平對(duì)土壤呼吸的影響以及作用機(jī)理還沒(méi)有形成較為一致的結(jié)論。Q Sun等[2]發(fā)現(xiàn)氮肥可以顯著影響土壤碳循環(huán)，張權(quán)[1]等通過(guò)田間實(shí)驗(yàn)研究并用DNDC模型模擬了華北夏玉米農(nóng)田碳通量和碳平衡對(duì)耕作方式的敏感性，證明施肥對(duì)碳通量有明顯影響。張俊麗[3]等進(jìn)行不同施氮量對(duì)旱作玉米土壤呼吸速率的影響研究表明，施氮對(duì)土壤呼吸有促進(jìn)作用，且土壤溫度、含水率與土壤呼吸之間呈顯著相關(guān)。李銀坤等[4]對(duì)華北平原高產(chǎn)農(nóng)田施氮量對(duì)土壤呼吸動(dòng)態(tài)變化影響研究發(fā)現(xiàn)，施氮量的增加對(duì)土壤的碳釋放具有明顯促進(jìn)作用，與于春新[5]、劉合明[6]等研究結(jié)果類(lèi)似。劉麗雯[7]等采用靜態(tài)箱-氣象色譜法測(cè)定土壤呼吸發(fā)現(xiàn)土壤呼吸與地溫、土壤含水率呈指數(shù)和二次曲線關(guān)系。而美國(guó)愛(ài)荷華州玉米和大豆輪作土地進(jìn)行不同濃度的施肥處理結(jié)果顯示[8]，在玉米生育期內(nèi)施肥則降低了土壤CO2的排放，在大豆生育期施肥則對(duì)土壤呼吸無(wú)影響，但在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)結(jié)果表明添加氮素卻明顯降低土壤CO2排放，Ding W等[9]在河南玉米地進(jìn)行的不同濃度氮肥試驗(yàn)結(jié)果顯示，氮肥的施加降低了土壤呼吸，李偉等[10]發(fā)現(xiàn)施氮能降低土壤CO2排放，另外張建華[11]等人發(fā)現(xiàn)氮添加對(duì)北京東靈山地區(qū)土壤呼吸沒(méi)有明顯影響?？梢?jiàn)，大多研究成果表明施肥促進(jìn)土壤碳循環(huán)，而仍有部分研究表明施肥對(duì)土壤碳排放影響不明顯，甚至降低了土壤呼吸作用，與前者存在研究悖論。玉米作為華北平原主要糧食作物，勢(shì)必進(jìn)一步明晰施肥對(duì)大田玉米土壤碳循環(huán)影響機(jī)制，為該區(qū)域農(nóng)田土壤碳循環(huán)管理提供科技支撐。

本研究中選取華北平原典型作物夏玉米為研究對(duì)象，開(kāi)展不同施肥處理下農(nóng)田土壤呼吸監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，探討不同施肥水平下夏玉米生育期內(nèi)土壤呼吸速率的變化特征，進(jìn)一步明晰土壤表層溫度、含水率與土壤呼吸之間響應(yīng)機(jī)制，為不同施肥處理下華北夏玉米碳循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

夏玉米供試品種為紀(jì)元168，2017年6月13日播種，種植密度為6 萬(wàn)株/hm2，于9月27日收獲。按照施肥量的差異設(shè)置3個(gè)施肥水平，每次施肥量分別為0、225、450 kg/hm2，即N1、N2、N3，每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積為56 m2。玉米整個(gè)生育期內(nèi)施肥2次，其中基肥施復(fù)合肥(含45%、N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)，抽穗期追施尿素。由于在華北地區(qū)夏玉米生育期需水與降水耦合程度高，生育期內(nèi)降水基本能滿(mǎn)足夏玉米需水，各處理于播前均灌水60 mm以保證玉米出苗外，整個(gè)生育期內(nèi)都不再進(jìn)行灌溉，而其他田間管理措施保持一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤呼吸速率的計(jì)算

土壤呼吸速率(Rs)由北京雨根科技有限公司生產(chǎn)RR-7330型土壤呼吸自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。在玉米播種前，將土壤呼吸室固定安裝于試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，土壤呼吸室每半個(gè)小時(shí)自動(dòng)閉合測(cè)量土壤表面150 s內(nèi)CO2濃度的變化、氣室內(nèi)壓強(qiáng)、氣室內(nèi)溫度等指標(biāo)，以此為基礎(chǔ)計(jì)算土壤呼吸速率，計(jì)算公式具體如下：

(1)

式中：Rs為土壤呼吸速率，μmol/(m2·s)；ΔC為呼吸室進(jìn)出氣口的CO2濃度差，μmol/mol；V為氣路的體積，m3；A為覆蓋的土壤表面積，m2；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kPa；P為實(shí)際大氣壓，kPa；T為氣體溫度，k；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下溫度，k。

1.3.2 土壤呼吸敏感系數(shù)

土壤呼吸與溫度被認(rèn)為呈指數(shù)相關(guān)[12]，通常用指數(shù)方程Rs=aebTs來(lái)表述，其中Rs為土壤呼吸速率，Ts為土壤表層溫度，a、b均為回歸系數(shù)常數(shù)；利用土壤呼吸與溫度指數(shù)擬合模型中回歸系數(shù)b，可推算出土壤呼吸對(duì)土壤表層溫度的敏感性系數(shù)Q10值，即Q10=e10b。土壤呼吸敏感系數(shù)的大小反映了土壤呼吸對(duì)土壤表層溫度敏感性的強(qiáng)弱。

1.3.3 土壤表層溫度、含水率

采用天諾公司生產(chǎn)的PTU310S便攜手持土壤多參數(shù)采集器測(cè)量土壤表層溫度(Ts)與含水率(W)，于每個(gè)施肥處理小區(qū)隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)，取測(cè)量值的平均值。采集深度10 cm，測(cè)定間隔3 d，每次測(cè)量時(shí)間為8∶00至18∶00，間隔2 h測(cè)量一次。

4連通與8連通的示意圖如圖4所示。4連通時(shí)假設(shè)中心點(diǎn)★為0級(jí)灰度，當(dāng)A、B、C、D其中一個(gè)點(diǎn)灰度級(jí)為0，則★點(diǎn)與其他點(diǎn)有連接；8連通時(shí)假設(shè)中心點(diǎn)★為0級(jí)灰度，當(dāng)A、B、C、D、E、F、G、H其中一個(gè)點(diǎn)灰度級(jí)為0，則★點(diǎn)與其他點(diǎn)有連接。

1.3.4 氣溫與降雨量

采用試驗(yàn)站自動(dòng)氣象站(澳大利亞，Monitor)監(jiān)測(cè)降雨、氣溫、地溫等氣象指標(biāo)，采樣間隔為30 min。夏玉米生育內(nèi)氣溫與降水量見(jiàn)圖1，日平均氣溫為25 ℃，降水量為241 mm。

圖1 夏玉米生育期日均氣溫與降雨量Fig.1 Daily average temperature and rainfall during the growing period of summer maize

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性及回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸速率的日均變化

剔除夏玉米生育期內(nèi)因惡劣天氣導(dǎo)致出現(xiàn)的異常值與不合理的值，將各個(gè)關(guān)鍵生育期內(nèi)土壤呼吸速率每日變化的數(shù)據(jù)各自平均得到該生育期土壤呼吸速率日均變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。在夏玉米不同關(guān)鍵生育期內(nèi)土壤呼吸速率均具有較明顯的日變化特點(diǎn)，其變化趨勢(shì)基本一致，都呈單峰特性，其峰值大致出現(xiàn)在15∶00，最低值大致出現(xiàn)在6∶00。不同施肥處理間土壤呼吸速率日均值存在差異，與不施肥處理相比，施肥處理土壤呼吸值同比增加且具有更明顯的日變化特征?？梢?jiàn)，施肥處理對(duì)各關(guān)鍵生育階段的土壤呼吸速率均有促進(jìn)作用。施加底肥與追肥使N2、N3處理的土壤呼吸速率在拔節(jié)期、抽穗期及灌漿期都表現(xiàn)出明顯的差異；爾后隨著玉米生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素吸收作用，不同施肥處理間養(yǎng)分含量差異減少，不同施肥處理下土壤呼吸速率的差異逐漸減弱，特別是在成熟期不同施肥處理間土壤呼吸速率變化趨勢(shì)趨于一致。

圖2 夏玉米關(guān)鍵生育期土壤呼吸日均變化Fig.2 Daily average changes of soil respiration during key growth period of summer maize

2.2 生育期內(nèi)土壤呼吸速率變化動(dòng)態(tài)

夏玉米整個(gè)生育期內(nèi)各施肥處理每日土壤呼吸速率平均得到該處理當(dāng)天土壤呼吸速率平均值，選取在整個(gè)生育期內(nèi)變化過(guò)程中的關(guān)鍵變化節(jié)點(diǎn)得到夏玉米生育期動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖3，不施肥處理土壤呼吸速率變化范圍小，其生育期動(dòng)態(tài)變化與氣溫變化趨勢(shì)較為一致；而與不施肥處理相比，施基肥后N2、N3處理的土壤呼吸速率分別迅速升高至3.11和3.82 μmol/(m2·s)，爾后呈下降的趨勢(shì)，而在抽穗期追施尿素后土壤呼吸速率上升直至3.57和4.35 μmol/(m2·s)，特別是在夏玉米中后期受氣溫回落與植株葉片衰老等因素影響，土壤呼吸速率迅速下降，導(dǎo)致與不施肥處理之間土壤呼吸速率差異減??；在夏玉米生育后期，隨著施肥量增加夏玉米土壤呼吸仍呈增大趨勢(shì)，但不同施肥處理間夏玉米土壤呼吸速率的波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，主要受制于生育期內(nèi)降水與氣溫變化等因素，總體呈下降趨勢(shì)。

圖3 不同施肥處理下夏玉米土壤呼吸速率生育期動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of soil respiration rate during growth period of summer maize under different fertilization treatments

2.3 不同施肥水平下表層土壤溫度、水分對(duì)土壤呼吸速率影響機(jī)制

2.3.1 土壤表層溫度對(duì)土壤呼吸的作用

相關(guān)性分析表明，N1、N2與N3處理的土壤呼吸速率與表層土壤溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.480、0.803、0.823，均達(dá)到極顯著相關(guān)水平。分別采用指數(shù)函數(shù)模型與二次函數(shù)模型擬合夏玉米農(nóng)田土壤溫度與土壤呼吸速率見(jiàn)表1，在指數(shù)函數(shù)模擬擬合下，N1、N2及N3處理下的土壤溫度分別可以解釋土壤呼吸速率季節(jié)變化的25.3%、63.8%、67.7%；在二次函數(shù)擬合下，N1、N2及N3處理下的土壤溫度分別可以解釋土壤呼吸速率季節(jié)變化的23.1%、68.2%、69.9%?？梢?jiàn)，不施肥處理下采用指數(shù)模型能更好模擬土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系，而施肥處理下采用二次函數(shù)模型擬合效果稍好些。N1、N2及N3處理下土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)Q10值依次為1.73、2.20、2.29，表明增加施肥量土壤呼吸速率的溫度敏感性增加。

2.3.2 表層土壤含水率對(duì)土壤呼吸速率的作用

相關(guān)性分析表明，N1、N2與N3處理的土壤呼吸速率與表層土壤含水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.481、0.690、0.701，各處理土壤呼吸速率與表層土壤含水率的相關(guān)性均達(dá)極顯著水平。采用指數(shù)函數(shù)模型和二次函數(shù)模型分別模擬了各處理下土壤呼吸速率與表層土壤含水率之間的關(guān)系表明見(jiàn)表2，在指數(shù)函數(shù)模型擬合下，土壤含水率可以單獨(dú)解釋2017年夏玉米生長(zhǎng)季土壤呼吸速率季節(jié)變化的25.7%～51.9%；在二次函數(shù)模型擬合下，土壤含水量可以單獨(dú)解釋2017年夏玉米生長(zhǎng)季土壤呼吸速率季節(jié)變化的15.3%～50.8%；指數(shù)函數(shù)模型擬合效果略?xún)?yōu)于二次函數(shù)模型。

表1 土壤表層溫度(Ts)的土壤呼吸模型擬合的系數(shù)及其決定系數(shù)Tab.1 Coefficient of soil respiration model fitting and its coefficient of determination for soil surface temperature (Ts)

注：*代表顯著相關(guān)(p<0.05)，**代表極顯著相關(guān)(p<0.01)，下同。

表2 土壤表層含水率(W)的土壤呼吸模型擬合的系數(shù)及其決定系數(shù)Tab.2 Coefficient of soil respiration model fitting and its coefficient of determination for soil surface moisture content (W)

2.3.3 土壤表層溫度與含水率對(duì)土壤呼吸速率的共同作用

將土壤溫度與土壤含水率聯(lián)合為一個(gè)方程可提高對(duì)土壤呼吸速率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性[3]。采用多元回歸分析法分析土壤水熱與土壤呼吸速率的關(guān)系可知，土壤表層溫度、含水率可以共同解釋夏玉米生長(zhǎng)季呼吸速率季節(jié)變化的25.4%～79.8%見(jiàn)表3。N1、N2及N3處理下土壤表層溫度、含水率與土壤呼吸速率擬合方程決定系數(shù)分別為0.254、0.781、0.798，隨著施肥量增加，采用土壤溫度與土壤含水率聯(lián)合方程的擬合效果更好。

表3 土壤表層溫度(Ts)、含水率(W)的呼吸模型擬合的系數(shù)及其決定系數(shù)Tab.3 Coefficient of fitting of the respiratory model of soil surface temperature (Ts) and water content (W) and its coefficient of determination

3 討 論

(1)不同施肥處理對(duì)土壤呼吸的影響。本研究中夏玉米生育期內(nèi)土壤呼吸速率日均變化呈單峰變化，其變化與日均溫變化趨勢(shì)基本一致[3,13,14]。夏玉米在施肥的刺激作用下生理活動(dòng)加強(qiáng)，以及施肥增加土壤微生物活力等因素[7]，導(dǎo)致施肥及追肥后土壤呼吸顯著增加，所以在夏玉米3種施肥處理間土壤呼吸速率日均變化在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期都有顯著差異。其中在夏玉米整個(gè)生育期內(nèi)高肥處理N3在夏玉米生育內(nèi)土壤呼吸速率最大值高達(dá)4.35 μmol/(m2·s)，顯著高于不施肥處理的最高值1.47 μmol/(m2·s)；而在不施肥條件下，土壤呼吸速率明顯較弱、變異性最小，本研究中N1處理小區(qū)夏玉米長(zhǎng)勢(shì)明顯弱于N2、N3處理，主要原因在于缺少肥力的刺激作用夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育較為緩慢[15]，使得作物地下部分活力同樣處于一個(gè)較低的水平，這與李洪建[16]等(2014年)研究一致。在夏玉米生育后期隨著玉米的成熟及植株的衰老，同時(shí)氣溫不斷下降等原因，各施肥處理的土壤呼吸速率值及彼此的差異性不斷減小。

(2)土壤表層溫度、含水率對(duì)土壤呼吸的影響。眾多研究[17-19]顯示土壤呼吸與表層土壤溫度之間關(guān)系最為顯著，另外土壤含水率對(duì)土壤呼吸變化也有較大影響[20]。本研究分別采用指數(shù)模型與二次函數(shù)模型擬合了不同施肥處理下土壤呼吸速率與土壤表層溫度、含水率之間相互關(guān)系，在合理施肥條件下，根據(jù)本文研究成果，以決定系數(shù)較高為選取原則，建議采用二次函數(shù)模型擬合土壤呼吸速率與表層土壤溫度之間的關(guān)系，而采用指數(shù)函數(shù)模型擬合土壤呼吸速率與表層土壤含水率之間的關(guān)系。綜合對(duì)比土壤溫度、土壤含水率與土壤呼吸速率的相關(guān)性與敏感性，采用土壤溫度擬合土壤呼吸速率效果優(yōu)于土壤水分含水率。與單因素相比，建立表層土壤溫度、土壤含水率與土壤呼吸速率的聯(lián)合模擬方程對(duì)土壤呼吸速率擬合效果更好。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)夏玉米農(nóng)田各施肥處理土壤呼吸速率日均變化呈先增高后降低的變化趨勢(shì)，峰值大致出現(xiàn)在15∶00，最低值大致出現(xiàn)在6∶00；且增加施肥量，土壤呼吸速率也隨之增加，在夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育的出苗、拔節(jié)、抽穗3個(gè)生育期表現(xiàn)最為顯著；在夏玉米生育期后期土壤呼吸處于一個(gè)較低水平且各施肥處理間差異不顯著。

(2)土壤表層(0～10 cm)溫度、含水率與夏玉米農(nóng)田土壤呼吸速率相關(guān)性均呈極顯著水平；二者分別可解釋土壤呼吸速率季節(jié)變化的23.1%～69.9%與15.3%～50.8%，各施肥處理的Q10值依次為1.73、2.20、2.29，隨著施肥量的提高而增加；與單因素相比，建立土壤表層溫度、含水率與土壤呼吸速率的聯(lián)合模擬方程有更好的模擬效果。