長期施肥對春玉米田土壤呼吸及碳平衡的影響研究

程萬莉，雷康寧，王淑英，李利利，樊廷錄，李尚中，趙 剛，張建軍，唐小明，黨 翼，王 磊

(1．甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所/甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 平?jīng)?744500)

CO2作為重要的溫室氣體，對溫室效應(yīng)的貢獻率為60%[1]。農(nóng)業(yè)土壤作為陸地碳循環(huán)中最大的碳庫，具有巨大的碳截獲潛力[2]。土壤呼吸是綠色植物將光合作用固定的CO2分解后又釋放返回大氣的主要途徑，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增加大氣CO2濃度的關(guān)鍵生態(tài)學(xué)過程。因此在全球氣候變暖的當下土壤呼吸備受科研人員關(guān)注。

土壤呼吸包括根系呼吸和微生物呼吸兩個部分[3]，但由于無法有效地區(qū)分純根系呼吸和根際微生物呼吸，該方面研究尚不成熟。現(xiàn)有研究將土壤呼吸簡單地分為由光合產(chǎn)物控制的根系呼吸和由土壤有機質(zhì)控制的土壤微生物異養(yǎng)呼吸。這兩種呼吸方式因代謝底物不同，對土壤呼吸和全球變暖的貢獻也不同[4]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中已有相關(guān)研究主要集中于不同作物、不同耕作方式和單一環(huán)境因素作用下根系呼吸對土壤呼吸的貢獻[5-8]，對于不同施肥方式對根系呼吸的研究也主要是基于短期試驗，而基于長期肥料定位試驗研究植株存在下對根系及土壤呼吸影響方面的文獻相對較少。本文利用靜態(tài)箱-根去除法相結(jié)合測定長期不同施肥方式下土壤CO2排放動態(tài)變化，探討根系呼吸對土壤呼吸的貢獻，計算不同施肥方式下的碳平衡。旨在說明不同施肥方式下的農(nóng)田土壤固碳能力的差異，為建立合理的施肥制度，提高西北黃土高原區(qū)農(nóng)田土壤固碳潛力提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗依托位于黃土高原東部半濕潤偏旱區(qū)甘肅省平?jīng)鍪袥艽h高平鎮(zhèn)境內(nèi)(107°30′E，35°16′N)的長期定位試驗進行。該區(qū)地勢平坦，年均氣溫8℃，≥10℃積溫2 800℃，無霜期約170 d，海拔1 150 m，年降水量540 mm，主要集中在7、8、9月份，年蒸發(fā)量1 380 mm。光熱資源豐富，雨熱同期。為典型的一年一熟農(nóng)作區(qū)。

長期定位試驗開始于1979年，試驗共設(shè)6個處理：不施肥-CK；單獨施用氮肥-N(90 kg·hm-2)；氮磷肥配施-NP(N 90 kg·hm-2+P2O575 kg·hm-2)；秸稈和氮磷肥配施-SNP(S 3 750 kg·hm-2+N 90 kg·hm-2+每隔一年施P2O575 kg·hm-2)；農(nóng)家肥-M(75 t·hm-2)；農(nóng)家肥和氮磷肥配施-MNP(M 75 t·hm-2+N 90 kg·hm-2+P2O575 kg·hm-2)。每個處理為一個大區(qū)，面積666.7 m2，順序排列，大區(qū)與大區(qū)之間用水泥砌成隔離帶；每個大區(qū)再劃分為3個小區(qū)，每小區(qū)220 m2，順序排列，作為重復(fù)。農(nóng)家肥和磷肥在作物播前全部基施，施用的磷肥是過磷酸鈣；氮肥為尿素，氮肥施用60%基肥+40%追肥；還田秸稈為該區(qū)當季種植作物秸稈。試驗采用4年冬小麥-2年春玉米的一年一熟輪作制，供試土壤為覆蓋黑壚土，質(zhì)地為壤土，試驗前(1978年秋季)0～20 cm土壤理化性狀見表1。本試驗于2017年春玉米季進行，供試玉米品種為五谷704，種植密度為5.5 株·m-2。

1.2 取樣及測定方法

1.2.1 氣體測定 氣體測定在玉米拔節(jié)期、開花期、灌漿期和生理成熟期進行，共4次。每次測定均在上午9∶00-11∶00進行。CO2排放通量采用靜態(tài)箱法測定，將底座插入到5 cm深的土壤中，每區(qū)固定2個，一個套入一株長勢均勻的植株，隨生育期進程增加箱體數(shù)量進行測定，另一個固定于無植株的裸地上，固定后不再挪動。取樣箱垂直固定在底座凹槽內(nèi)，并給底座凹槽中注入適量水(保證氣密性，使箱內(nèi)氣體不與外界空氣發(fā)生氣體交換)，靜態(tài)箱由深色不透光PVC板制成，箱體體積為50 cm×50 cm×50 cm。箱體內(nèi)置溫度感應(yīng)器和風(fēng)扇，采樣前用水銀溫度計校準各靜態(tài)箱溫度。固定好箱體后用三通閥連接好取樣口、注射針筒和氣袋，打開風(fēng)扇開關(guān)，使箱體內(nèi)氣體混合均勻。分別在扣好箱體的0、7、14、21、28 min各采集氣體一次，每次抽取60 mL于提前抽好真空的氣袋中。氣體樣品由甘肅省水資源高效利用重點實驗室在5 d內(nèi)完成測定。采集氣體樣品的同時讀取相應(yīng)箱體內(nèi)的溫度和5 cm處地溫。

表1 試驗地基本土壤化學(xué)特性

CO2氣體樣品用氣相色譜儀(美國安捷倫7890B)測定。采用單閥單柱進樣分離系統(tǒng)，用氫火焰離子檢測器(FID)，工作溫度為200℃，內(nèi)徑為2 mm×1 mm；CO2樣品隨載氣N2經(jīng)過Ni催化，在375℃下被H2還原為CH4后再經(jīng)過Porapak Q填充柱分離測定，柱箱溫度為70℃。每次測定前使用標準氣體進行標定，測定相對誤差≤1.5%。

CO2氣體排放通量F計算公式如下：

×1 000

式中,F為CO2氣體排放通量(mg·m-2·h-1)；A為取樣箱底面積(m2)；V為體積(m3)；M0為氣體分子量；C1、C2分別為測定箱關(guān)閉時和測定箱開啟前箱內(nèi)溫室氣體的體積濃度(mg·g-1)；T1、T2分別為測定箱關(guān)閉時和測定箱開啟前箱內(nèi)溫度(K);t1、t2為測定開始和結(jié)束時間(h)。

1.2.2 農(nóng)田小區(qū)碳平衡計算 農(nóng)田小區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡水平通常用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力NEP(Net ecosystem productivity)表示。NEP為凈初級生產(chǎn)力NPP(Net primary productivity)與土壤微生物異養(yǎng)呼吸碳釋放量(Carbon emission of soil microbial hetero-trophic respiration,Rm)的差值[9]。一般認為地上部與地下部根的生物量之和為作物的NPP。據(jù)已有研究，本文假定玉米通過光合作用合成1 g有機質(zhì)需要固定碳為0.47 g[10],由此可知NPP的固碳量。據(jù)估算，Rm為不同施肥處理下相應(yīng)無植株裸地上土壤碳釋總量(Total soil carbon emission,Rs)乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.865[11]。即NEP=NPP-Rm；Rm=Rs×0.865。

當NEP>0時，表示該農(nóng)田系統(tǒng)為CO2的吸收“匯”；反之，則為CO2的排放“源”。

1.2.3 其他指標的測定 在成熟期各小區(qū)取玉米植株2株，挖取植株下土壤(30 cm×30 cm×35 cm)，挑取玉米根系，用水沖洗干凈，將植株地上部分和根系鮮樣在105℃下殺青，然后80℃烘至恒重。用單株玉米的生物量乘以種植密度即為整個小區(qū)玉米的生物量。全區(qū)收獲進行測產(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥方式農(nóng)田土壤CO2排放動態(tài)變化

春玉米生長期間，各施肥處理5 cm地溫變化規(guī)律相同，整體呈先升高后降低的趨勢(圖1A)。測定期地溫變化幅度在16.1～28.5℃之間。不同生育時期N、NP、SNP、M、MNP和CK在5 cm處平均地溫為21.4℃、21.53℃、23.13℃、22.38℃、22.95℃和20.48℃。

通過對長期定位施肥植株參與下土壤CO2排放通量的測定可看出(圖1B)，不同施肥方式下春玉米田土壤CO2排放通量與5 cm處地溫呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，即從拔節(jié)期到成熟期均為先升高后下降。拔節(jié)期開始，由于長期不同施肥和地溫升高的影響，土壤CO2排放量呈逐漸上升的趨勢。到開花期，不同處理CO2排放通量均達到最大值，處理SNP、MNP和M的CO2排放通量分別達到3 650.54、2 980.50 mg·m-2·h-1和2 167.61 mg·m-2·h-1，顯著高于單施化肥和不施肥處理，與CK相比，分別增加了340.32%、259.51%和161.45%。不同施肥處理間表現(xiàn)為SNP>MNP>M>NP>N>CK。這是由于長期施用有機類肥料可改善土壤理化性狀，提高土壤生物活性，促進土壤有機質(zhì)的礦化，增加土壤CO2排放量。有機類肥料與化學(xué)氮磷肥配施，調(diào)控了土壤碳氮比，較單獨施用有機類肥料更有利于土壤有機質(zhì)礦化。

圖1 不同施肥方式農(nóng)田春玉米存在條件下地溫(A)和土壤CO2排放(B)動態(tài)變化Fig.1 Dynamics of ground temperature(A)and soil CO2 emission(B)under different fertilizer applications on spring corn fields

不同施肥方式下裸地農(nóng)田土壤CO2排放也具有相似的變化規(guī)律(圖2)，即呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，6種施肥處理下排放量最高值均出現(xiàn)在開花期。與春玉米田總土壤呼吸量相比，不同施肥處理下裸地農(nóng)田系統(tǒng)CO2排放量顯著降低。從CO2排放平均速率上比較，從拔節(jié)期到生理成熟期種植春玉米土壤與裸地農(nóng)田相比，不同施肥處理農(nóng)田土壤 CO2排放量增加了43.21%～54.43%。

2.2 長期不同施肥方式下作物根系呼吸變化

在忽略植物生長對土壤有機質(zhì)分解的激發(fā)作用時，利用種植春玉米的土壤呼吸值(SR)減去相應(yīng)處理不種植春玉米時的土壤呼吸值，即可得到相應(yīng)處理的植物根系呼吸量(Rr)，如表2所示。根系呼吸量占土壤呼吸的比值即可反映出植物光合產(chǎn)物在土壤呼吸中的作用[12]

圖2 不同施肥方式下裸地土壤CO2排放變化規(guī)律Fig.2 Dynamics of soil CO2 emission of bared soil under different fertilizer applications

。

拔節(jié)期到成熟期，不同施肥處理下春玉米植株存在根系對土壤呼吸的貢獻率波動在31.62%～76.08%，此時隨著溫度升高，降雨量增加，作物處于快速生長期，植物根系活性提高，故而根系呼吸增強。不同生育時期表現(xiàn)為在灌漿期達到最高，成熟期降為最低，這是由于根系呼吸與光合作用是對立統(tǒng)一關(guān)系，灌漿期光合作用最強，合成有機碳類產(chǎn)物增多，根系呼吸反過來通過消耗部分光合作用的產(chǎn)物，為光合作用提供反應(yīng)所需底物，保證光合作用的順利進行。同一生育時期不同施肥處理間根系呼吸變化不同，除成熟期外，施用有機肥的處理均表現(xiàn)為SNP>MNP>M，且大于單施化肥和不施肥處理。根系呼吸是作物生長呼吸的一部分，與植株長勢密切相關(guān)，不同施肥處理因養(yǎng)分含量不同使作物長勢出現(xiàn)差異，進而影響根系呼吸強度，導(dǎo)致不同施肥處理間根系呼吸出現(xiàn)差異。

2.3 農(nóng)田碳平衡

不同施肥方式下農(nóng)田碳平衡計算結(jié)果見表3。結(jié)果表明該區(qū)域不同施肥方式春玉米拔節(jié)期到生理成熟期均表現(xiàn)為土壤的碳“匯”。雖然春玉米生長季農(nóng)田土壤CO2的釋放總量表現(xiàn)為SNP>MNP>M>NP>N>CK，但從碳平衡結(jié)果來看，不同施肥方式下土壤碳匯從強到弱依次為：SNP>M>MNP>NP>CK>N。SNP處理雖然產(chǎn)量水平高于M處理，但是由于秸稈分解增加了土壤礦化碳釋放量，因此CO2釋放總量較高，使碳匯強度較弱。施用有機類肥料與單施化學(xué)肥料相比，由于有機類肥料能夠改善土壤理化性質(zhì)，增強根系生長活力和呼吸，促進地上部分生長[13-14]，所以較長期單施化肥相比，表現(xiàn)為既增加了土壤CO2排放量，也呈現(xiàn)出較強的土壤碳匯。N處理由于長期單獨施用氮肥，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化，使得作物產(chǎn)量和碳匯強度均低于CK處理。

表2 春玉米生育期不同施肥方式下農(nóng)田土壤呼吸Table 2 Soil respiration during spring corn growth season under different fertilization methods

注：Rr表示根系呼吸；SR表示土壤呼吸值。

Note：Rr: Rhizosphere respiration；SR:Soil respiration。

表3 不同施肥方式下春玉米拔節(jié)期-成熟期農(nóng)田碳平衡Table 3 Soil carbon balance from jointing to mature of spring corn under different fertilization methods

3 討 論

3.1 長期施肥下春玉米田為大氣CO2排放的碳匯

利用靜態(tài)箱法測得長期施用不同肥料土壤CO2排放通量動態(tài)，結(jié)果表明在春玉米生育期內(nèi)，種植春玉米的土壤CO2排放通量顯著高于裸地，不同施肥處理土壤CO2排放總量排序態(tài)勢與土壤CO2排放速率一致。SNP和MNP處理由于長期施用有機肥，提高了土壤有機碳含量，改善了土壤理化和生物學(xué)性質(zhì)[15]，而化肥施用可為作物生長提供無機養(yǎng)分，同時能夠促進土壤有機碳的分解，尤其是與有機肥配合施用對土壤釋放的CO2-C的累積量具有正的交互作用，化肥增加了土壤潛在礦化碳的總量，有機肥能加快土壤呼吸，促進農(nóng)田土壤CO2排放量，有機無機肥配施加大土壤有機碳礦化速率[16]，各處理土壤CO2排放通量大小為：SNP>MNP>M>NP>N>CK。這與喬云發(fā)等人[17-18]在東北黑土長期施肥上的研究結(jié)果一致。有機肥與化肥配施促進了植株生長和根系呼吸，提高了作物生長季土壤呼吸量，反過來又促進了光合作用，增加了作物地上部分和地下部分干物質(zhì)量，固定更多碳于作物和土壤碳庫中，使春玉米田凈初級生產(chǎn)力為正值，土壤CO2排放的碳匯強于單施化肥和不施肥處理[11]，表現(xiàn)為SNP>M>MNP>NP>N>CK。

3.2 春玉米田土壤呼吸變化比例與土壤呼吸的關(guān)系

從春玉米拔節(jié)期到成熟期，6種施肥處理下根系呼吸占土壤呼吸的比例在23.92%～68.38%之間，平均占比為49.42%。以往研究平均結(jié)果顯示,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)根系呼吸對土壤呼吸的貢獻率為(48±5)%[19]，與此結(jié)果一致。較之張憲洲[20]等人在青稞生態(tài)系統(tǒng)測得的33%～44%波動范圍和40%的平均值，長期定位施肥后根系呼吸排放量占土壤呼吸的波動范圍更廣，平均值略高。也高于蔡艷等[21]在玉米全生育期測得的根系呼吸對土壤呼吸量為46%的平均貢獻率。出現(xiàn)這一結(jié)果主要是因為：(1)與當?shù)氐臍夂驐l件、土壤類型有關(guān)；(2)與作物種類及取樣的次數(shù)、取樣時的環(huán)境條件有關(guān)。Hanson等[22]認為生態(tài)系統(tǒng)中根系呼吸占土壤呼吸的比例變化幅度較大，基本保持在10%～90%之間。本結(jié)果與其一致。這表明可以利用靜態(tài)箱-根去除相結(jié)合研究作物根系呼吸對土壤呼吸的貢獻率。綜上可知，中國農(nóng)業(yè)土壤具有很大的固碳潛力與容量，農(nóng)業(yè)及其耕地土壤的有機碳固定勢必成為我國CO2減排壓力下碳匯的最重要去向。準確估算土壤 CO2的排放量是研究全球氣候變化情景下碳循環(huán)的基礎(chǔ)，而作為土壤呼吸重要組成部分的根系呼吸，因其受土壤質(zhì)地、作物種類等環(huán)境因子影響大，不同生態(tài)區(qū)和不同作物帶農(nóng)區(qū)變幅較大，因此應(yīng)繼續(xù)加強和重視土壤CO2排放觀測和分析。

4 結(jié) 論

不同施肥方式下春玉米田拔節(jié)期到成熟期土壤CO2排放平均速率為SNP>MNP>M>NP>N>CK，無植株參與的土壤呼吸速率變化趨勢與其一致。利用根去除法測得6種不同施肥處理下春玉米存在對土壤呼吸的貢獻率介于31%～77%之間。由計算結(jié)果可知長期不同施肥方式下春玉米田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力均為正值，表現(xiàn)為大氣CO2排放的“匯”，6種施肥方式下土壤碳匯從強到弱依次為：SNP>M>MNP>NP>N>CK。