不同水肥條件下夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究

陳紹民 楊碩歡 張保成 王 麗 胡田田

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

0 引言

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)既是重要的CO2排放源，也是重要的碳匯[1]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是全球碳庫(kù)中最為活躍的部分，受各類田間措施的影響極大[2-5]，可在較短時(shí)間尺度上調(diào)節(jié)碳庫(kù)[6]。諸多研究表明，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可以從大氣中吸收大量碳，從而提高陸地碳儲(chǔ)量[7]，進(jìn)而降低溫室氣體排放，降低大氣CO2濃度[8-10]。固碳減排是未來(lái)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的生態(tài)目標(biāo)之一。

通常情況下農(nóng)田土壤-植物系統(tǒng)表現(xiàn)為大氣CO2的匯，不同耕作措施只是改變了匯的程度[7, 11-14]。在干旱與半干旱地區(qū)，灌水是獲得農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要手段之一。土壤水分是農(nóng)田碳循環(huán)(植物光合作用、土壤CO2及CH4排放)的關(guān)鍵因子[5]，在一定變化范圍內(nèi)，灌水量與農(nóng)田凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量[15-17]和土壤CO2排放量具有顯著的相關(guān)性[18-19]。劉晶晶等[2]研究表明，灌溉促進(jìn)了關(guān)中平原冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量和CO2排放總量，而輪作系統(tǒng)固碳量與灌水量沒(méi)有明顯的關(guān)系。肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。魏廷邦等[20]研究表明，低水情況下施肥對(duì)夏玉米干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量具有明顯的調(diào)控作用。喬云發(fā)等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在化肥有機(jī)肥配施條件下黑土上夏玉米生長(zhǎng)期土壤呼吸速率最高，其次是氮磷鉀配施?？梢?jiàn)，施肥對(duì)土壤CO2排放量有顯著影響，且不同類型的肥料對(duì)作物的固碳能力不同[22]。此外，秸稈還田被認(rèn)為是最具潛力的農(nóng)田固碳減排措施之一[23-24]，因?yàn)槠滹@著增加的土壤有機(jī)碳固持量遠(yuǎn)大于土壤呼吸CO2排放增加量[25-26]。

單一措施對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳作用的影響已受到普遍關(guān)注，但關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡對(duì)水肥供應(yīng)和肥料配施響應(yīng)的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)夏玉米/冬小麥田間試驗(yàn)，采用靜態(tài)箱法和生物量取樣法進(jìn)行碳平衡分析[13, 27]，研究秸稈還田條件下不同灌水量、施氮量和施磷量對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳平衡的深入研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，明確干旱、半干旱地區(qū)夏玉米/冬小麥輪作農(nóng)田碳匯潛力，為制定更加詳細(xì)的碳排放清單及尋找增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳量的水肥管理措施奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年6月—2016年6月在陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站(34°20′ N，108°24′ E，海拔524.7 m)進(jìn)行，試驗(yàn)站內(nèi)設(shè)有國(guó)家一般氣象觀測(cè)站。該地區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫為12.9℃，多年平均降水量632 mm(主要集中在7、8、9月，圖1)，年平均蒸發(fā)量1 500 mm。該試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為重壤土，2 m土層內(nèi)平均土壤干容重為1.38 g/cm3。供試土壤基本理化性狀為：pH值為8.14，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比12.02 g/kg，全氮質(zhì)量比0.89 g/kg，速效磷質(zhì)量比8.18 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比209.46 mg/kg，堿解氮質(zhì)量比55.30 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3水平灌水量(W)、4水平施氮量(N)及4水平施磷量(P)，分別為：當(dāng)?shù)亓?xí)慣灌水量(夏玉米季為90 mm，冬小麥季為140 mm)的1、0.85、0.7倍(分別簡(jiǎn)稱高、中、低水平)；當(dāng)?shù)亓?xí)慣施氮量(N施用量夏玉米季為300 kg/hm2，冬小麥季為210 kg/hm2)和施磷量(P2O5施用量夏玉米季為90 kg/hm2，冬小麥季為150 kg/hm2)的1、0.85、0.7、0倍。研究按照復(fù)因素不完全實(shí)施方案設(shè)計(jì)規(guī)則對(duì)3個(gè)灌水量、4個(gè)施氮量和4個(gè)施磷量設(shè)置試驗(yàn)處理，使試驗(yàn)方案局部均衡，減少試驗(yàn)處理且能分析各個(gè)試驗(yàn)因子的單因素效應(yīng)及其交互效應(yīng)，共10個(gè)處理(表1，表中F代表施肥量；1、0.85、0.7、0代表當(dāng)?shù)亓?xí)慣水肥用量的倍數(shù)，F(xiàn)1即N1P1，以此類推)。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為26.25 m2(3.5 m×7.5 m)。

表1 試驗(yàn)方案

前茬冬小麥高留茬收割后，旋耕機(jī)旋地兩遍。夏玉米于2015年6月22日播種，品種為鄭單958，種植夏玉米5行，行距60 cm，株距23.5 cm，10月13日收獲。夏玉米收獲后，秸稈用粉碎機(jī)粉碎后覆蓋于地表，于播前人工翻入土中約20 cm。冬小麥于2015年10月20日播種，品種為西農(nóng)979，種植冬小麥17行，行距20 cm，播種量為225 kg/hm2，2016年6月6日收獲。夏玉米季和冬小麥季磷肥用含P2O512%的普通過(guò)磷酸鈣，分別于播前2015年6月20日和2015年10月19日一次性施入后翻耕入土。氮肥用含N 46.67%的尿素，夏玉米季采用溝施方式，于五葉期(7月16日)和喇叭口期(8月16日)分兩次施入，各占50%，冬小麥季50%于播前基施，另外50%于拔節(jié)后(2016年4月14日)追施。灌水采用畦灌方式，夏玉米于2015年7月20日灌溉；冬小麥于2016年1月8日冬灌，于2016年4月14日灌拔節(jié)水，冬灌和拔節(jié)水灌水量比例為3∶4。其他管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

1.3.1土壤CO2排放量

采用靜態(tài)暗箱-氣象色譜法測(cè)定夏玉米和冬小麥生長(zhǎng)季不同水肥處理下土壤CO2排放通量。靜態(tài)暗箱由不透明的PVC板制成，長(zhǎng)×高×寬為0.5 m×0.5 m×0.5 m。為了防止取樣期間因?yàn)殛?yáng)光照射導(dǎo)致箱體內(nèi)溫度的劇烈變化，外表包裹隔熱材料；為了保證箱體內(nèi)氣體均勻，箱體內(nèi)頂部安裝有攪拌空氣的小風(fēng)扇；氣體采樣口設(shè)置于側(cè)壁。靜態(tài)箱底座于播前埋設(shè)于小區(qū)中央以便減少對(duì)土壤的干擾。底座上端附有5 cm深的凹槽用以放置靜態(tài)箱體，取樣前注水密封隔絕箱內(nèi)外氣體交換[28]。

夏玉米吐絲期前采樣間隔為7 d，吐絲期后采樣間隔為14 d；灌水施肥后加測(cè)，每隔3 d采樣1次。夏玉米季共采樣15次。冬小麥苗期和拔節(jié)至抽穗階段每隔7 d采樣1次，越冬期采樣間隔為30 d，其余時(shí)期每隔14 d采樣1次；施肥、灌水或降雨后則增加采樣頻率，每隔3 d采樣1次。冬小麥季共采樣20次。于北京時(shí)間10:00—11:00進(jìn)行CO2氣體樣品采集，分別在靜態(tài)箱密封0、10、20、30 min后利用帶有三通閥的50 mL注射器進(jìn)行4次氣體采集，每次采樣40 mL，并于當(dāng)天進(jìn)行CO2氣體濃度分析。此外，采集樣品同時(shí)刻箱體頂部電子溫度計(jì)(TA288型)所測(cè)箱內(nèi)溫度，用以計(jì)算土壤CO2排放通量。土壤CO2排放通量及全生育期土壤CO2排放總量計(jì)算式為

(1)

(2)

式中F——CO2氣體排放通量，mg/(m2·h)

ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，取1.964 g/cm3

h——采樣箱高度，取0.5 m

T——采樣時(shí)箱內(nèi)溫度，℃

dc/dt——箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化率，μL/(m3·h)，根據(jù)0、10、20、30 min 4個(gè)時(shí)刻采集的氣體濃度的線性回歸斜率分析得出

M——土壤CO2排放總量，kg/hm2

n——生育期內(nèi)采樣總次數(shù)

t——采樣時(shí)間，d

1.3.2生物量測(cè)定

分別于夏玉米收獲期采集30株植物樣品，冬小麥?zhǔn)斋@期采集1 m2范圍內(nèi)植物樣品，將夏玉米和冬小麥籽粒和秸稈部分分離，在干燥箱中105℃殺青30 min后，75℃干燥至質(zhì)量恒定，用精度0.01 g電子天平稱量，折算不同水肥處理夏玉米和冬小麥地上部和根系生物量。

1.4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡計(jì)算

通常用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net ecosystem productivity，NEP)固碳量(CNEP)來(lái)表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡[11,29]，它等于凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary productivity，NPP)固碳量(CNPP)與土壤微生物異養(yǎng)呼吸(Heterotrophic respiration of soil microorganisms，Rm)碳釋放量(CRm)之差，即CNEP=CNPP-CRm。CNEP為正值時(shí)，表示該系統(tǒng)是大氣CO2的吸收匯，反之為大氣CO2的排放源。固碳量計(jì)算方法主要采用生物量法，即根據(jù)生物量在植物各器官的分配比例、植物各器官的平均含碳量等參數(shù)計(jì)算。本文將作物地上部與根系的生物量作為NPP，作物地上部和根的碳含量均取45%(據(jù)估算，作物光合過(guò)程中需要吸收0.45 g C才能合成1 g有機(jī)質(zhì))[30]，由此可計(jì)算出CNPP。由于根系生物量難以測(cè)算，可根據(jù)產(chǎn)量和地上部生物量采用參數(shù)法計(jì)算。夏玉米和冬小麥根系生物量分別按收獲籽粒生物量的34%和32%[31]計(jì)算。作物生長(zhǎng)季土壤呼吸釋放總碳量CRS根據(jù)前期測(cè)定的土壤CO2排放總量計(jì)算獲得，CRS=12M/44。依據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，夏玉米和冬小麥土壤微生物異養(yǎng)呼吸對(duì)土壤呼吸碳釋放量的貢獻(xiàn)率α分別為47%[32-34]和69%[35]，采用CRm=αCRS進(jìn)行計(jì)算。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2003和SPSS 23.0軟件，處理間的多重比較采用最小顯著性差異法(LSD法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水量對(duì)夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響

不同水肥條件下夏玉米和冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡計(jì)算結(jié)果表明，夏玉米CNPP為7 449～8 011 kg/hm2，平均為7 742 kg/hm2；冬小麥CNPP為6 891～7 631 kg/hm2，平均為7 300 kg/hm2，夏玉米平均固碳量高于冬小麥；夏玉米季CRm為644～856 kg/hm2，冬小麥季CRm為1 009～1 293 kg/hm2，夏玉米季CRm低于冬小麥季，這與冬小麥的生育期較長(zhǎng)有關(guān)(冬小麥230 d，夏玉米113 d)；夏玉米農(nóng)田CNEP變化范圍為6 805～7 233 kg/hm2，冬小麥農(nóng)田CNEP變化范圍為5 842～6 434 kg/hm2，夏玉米農(nóng)田CNEP高于冬小麥(表2)?？梢?jiàn)，各處理CNPP均大于CRm，即CNEP為正值，夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為大氣CO2的匯。

表2 夏玉米、冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡

夏玉米CNPP在F1施肥水平下，W1處理比W0.7處理增加2.37%，差異不顯著(P>0.05)；F0.85施肥水平下，W0.85處理比W0.7處理顯著增加6.54%(P<0.05)；F0.7施肥水平下，與W0.7處理相比，W1和W0.85處理分別增加4.33%(P<0.05)和2.18%(P>0.05)。冬小麥CNPP在F1施肥水平下，W1處理比W0.7處理顯著增加9.72%(P<0.05)；F0.85施肥水平下，W0.85處理與W0.7處理間差異不顯著(P>0.05)；F0.7施肥水平下，與W0.7處理相比，W1和W0.85處理分別顯著增加7.71%和5.72%(P<0.05)。表明灌水對(duì)夏玉米/冬小麥周年CNPP累積均有顯著促進(jìn)作用，在高肥和低肥水平下，W1處理比W0.7可分別增加5.83%和5.96%；中肥水平下，W0.85比W0.7增加2.48%。

夏玉米季土壤CRm在F1施肥水平下，W1比W0.7顯著增加21.67%(P<0.05)；F0.85施肥水平下，W0.85比W0.7顯著增加13.37%(P<0.05)；F0.7施肥水平下，W1比W0.7顯著增加11.88%(P<0.05)，W0.85比W0.7增加1.59%(P>0.05)。冬小麥季土壤CRm在F1施肥水平下，W1比W0.7顯著增加10.97%(P<0.05)；F0.85施肥水平下，W0.85比W0.7顯著增加10.98%(P<0.05)；F0.7施肥水平下，W1、W0.85與W0.7無(wú)顯著差異(P>0.05)。表明灌水會(huì)促進(jìn)夏玉米/冬小麥周年土壤CRm，在高肥和低肥水平下，W1處理比W0.7可分別增加15.20%和2.15%。灌水量的影響隨供肥水平升高顯著增加，且在高肥條件的增幅遠(yuǎn)大于低肥。

夏玉米農(nóng)田CNEP在F1施肥水平下，W1比W0.7增加0.46%(P>0.05)；F0.85施肥水平下，W0.85比W0.7顯著增加5.86%(P<0.05)；F0.7施肥水平下，W1比W0.85和W0.7分別增加1.35%(P>0.05)和3.61%(P<0.05)。冬小麥農(nóng)田CNEP在F1施肥水平下，W1比W0.7顯著增加9.49%(P<0.05)；F0.85施肥水平下，W0.85比W0.7降低3.90%(P>0.05)；F0.7施肥水平下，W1和W0.85分別比W0.7顯著增加9.78%(P<0.05)和5.89%(P<0.05)。表明增加灌水可以增加夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)周年CNEP，在高肥和低肥水平下，W1處理比W0.7可分別增加4.55%和6.47%；中肥水平下，W0.85比W0.7增加1.16%。

2.2 施肥量對(duì)夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響

夏玉米CNPP在W1供水水平下，F(xiàn)1比F0.7顯著增加3.08%(P<0.05)；在W0.85供水水平下，F(xiàn)0.85比F0.7顯著增加5.23%(P<0.05)；在W0.7供水水平下，F(xiàn)1比F0.7顯著增加5.06%(P<0.05)，增幅大于W1供水水平。冬小麥CNPP在W1水平下，F(xiàn)1比F0.7增加2.82%，差異不顯著(P>0.05)；在W0.85供水水平下，F(xiàn)0.85比F0.7增加1.55%，差異不顯著(P>0.05)；在W0.7供水水平下，F(xiàn)1比F0.7增加0.93%，差異不顯著(P>0.05)，而F0.85比F0.7顯著增加9.10%(P<0.05)。表明施肥可以促進(jìn)夏玉米/冬小麥周年CNPP的累積，在高水和低水條件下，F(xiàn)1比F0.7可分別增加2.95%和3.08%；中水條件下，F(xiàn)0.85比F0.7增加3.43%。

夏玉米季土壤CRm在W1供水水平下，F(xiàn)1比F0.7顯著增加18.74%(P<0.05)；在W0.85供水水平下，F(xiàn)0.85比F0.7顯著增加18.68%(P<0.05)；W0.7供水水平下，F(xiàn)1和F0.85分別比F0.7增加9.19%和6.35%，差異均顯著(P<0.05)。冬小麥季土壤CRm在W1供水水平下，F(xiàn)1比F0.7顯著增加18.62%(P<0.05)；在W0.85供水水平下，F(xiàn)0.85比F0.7顯著增加17.55%(P<0.05)；在W0.7供水水平下，F(xiàn)1比F0.7增加2.82%，無(wú)顯著差異(P>0.05)，F(xiàn)0.85比F0.7顯著增加11.04%(P<0.05)?？梢?jiàn)，施肥可顯著促進(jìn)夏玉米/冬小麥周年土壤CRm，在高水和低水條件下，F(xiàn)1比F0.7可分別增加18.67%和5.23%；中水條件下，F(xiàn)0.85比F0.7增加17.97%。

夏玉米農(nóng)田CNEP在W1供水水平下，F(xiàn)1比F0.7增加1.48%(P>0.05)；在W0.85供水水平下，F(xiàn)0.85比F0.7顯著增加3.97%(P<0.05)；在W0.7供水水平下，F(xiàn)1比F0.7顯著增加4.67%(P<0.05)，F(xiàn)0.85比F0.7增加0.41%(P>0.05)。冬小麥農(nóng)田CNEP在W1供水水平下，F(xiàn)1比F0.7增加0.33%(P>0.05)；在W0.85供水水平下，F(xiàn)0.85比F0.7降低1.30%(P>0.05)；在W0.7供水水平下，F(xiàn)1比F0.7增加0.60%(P>0.05)，F(xiàn)0.85比F0.7顯著增加8.75%(P<0.05)。表明夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為大氣CO2的匯，在高水和低水條件下，F(xiàn)1相對(duì)于F0.7夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)周年CNEP增加率為0.93%和2.79%；中水條件下，F(xiàn)0.85比F0.7增加1.49%。

2.3 氮磷肥用量對(duì)夏玉米/冬小麥農(nóng)田碳平衡的影響

夏玉米CNPP氮磷肥配施(N施用量210 kg/hm2，P2O5施用量63 kg/hm2)、單施氮肥(N施用量210 kg/hm2)和單施磷肥(P2O5施用量63 kg/hm2)較不施肥(0 kg/hm2)分別增加6.23%(P<0.05)、2.58%(P>0.05)和3.07%(P>0.05)(表3)，表明施肥可提高夏玉米CNPP的累積，且氮磷肥配施的效果優(yōu)于單施氮、磷肥。冬小麥CNPP氮磷肥配施(N施用量147 kg/hm2，P2O5施用量105 kg/hm2)、單施氮肥(N施用量147 kg/hm2)較不施肥(0 kg/hm2)顯著增加10.44%、7.43%(P<0.05)，單施磷肥(P2O5施用量105 kg/hm2)較不施肥(0 kg/hm2)增加0.99%(P>0.05)(表3)。表明施肥可提高冬小麥CNPP的累積，增幅由大到小依次為氮磷配施、單施氮肥、單施磷肥。方差分析表明，氮、磷單因子對(duì)夏玉米CNPP累積效應(yīng)均達(dá)極顯著水平(P<0.01)，但交互作用不顯著(P>0.05)；氮單因子對(duì)冬小麥CNPP累積效應(yīng)達(dá)極顯著水平(P<0.01)，磷單因子和氮磷交互作用均不顯著(P>0.05)。

表3 氮磷肥用量對(duì)夏玉米、冬小麥農(nóng)田CNEP影響的方差分析

夏玉米季土壤CRm氮磷肥配施、單施氮肥和單施磷肥比不施肥處理均顯著增加12.30%、23.70%和19.00%(P<0.05)(表3)，CRm增幅由大到小依次為單施氮肥、單施磷肥、氮磷肥配施。冬小麥季土壤CRm氮磷肥配施、單施氮肥和單施磷肥比不施肥處理均顯著增加10.79%、20.92%和12.36%(P<0.05)(表3)，CRm增幅由大到小依次為單施氮肥、單施磷肥、氮磷肥配施。方差分析表明，氮單因子和氮磷交互作用對(duì)夏玉米CRm累積效應(yīng)達(dá)極顯著水平(P<0.01)，磷單因子效應(yīng)顯著(P<0.05)；氮單因子對(duì)冬小麥CRm累積效應(yīng)達(dá)顯著水平(P<0.05)，磷單因子效應(yīng)不顯著(P>0.05)，氮磷交互作用極顯著(P<0.01)。冬小麥季這一現(xiàn)狀可能是由于適量施用化肥可提高土壤微生物數(shù)量進(jìn)而提高對(duì)碳源的利用效率，但施肥過(guò)多使土壤微生物生物量降低，抑制了土壤CO2排放。

W0.7供水水平下，夏玉米農(nóng)田CNEP氮磷肥配施處理較單施氮肥或單施磷肥分別增加4.65%和3.97%，差異顯著(P<0.05)(表3)。不施磷條件下，N0.7處理CNEP比N0增加0.99%(P>0.05)；在施磷條件下，N0.7比N0增加3.97%，差異顯著(P<0.05)?？梢?jiàn)，施氮對(duì)CNEP的影響因磷肥施用而增大。W0.7供水水平下，與不施肥處理相比，氮磷肥配施冬小麥農(nóng)田CNEP顯著增加10.38%(P<0.05)，單施氮肥增加5.01%(P>0.05)，單施磷肥降低1.04%(表3)。氮磷肥配施處理夏玉米/冬小麥周年CNEP較單施氮肥或單施磷肥分別增加4.86%和7.34%。方差分析表明，氮、磷肥單因子和氮磷肥交互作用對(duì)夏玉米季農(nóng)田CNEP的影響顯著(P<0.05)；磷單因子和氮磷交互作用對(duì)冬小麥季農(nóng)田CNEP的影響不顯著(P>0.05)，氮單因子的影響顯著(P<0.05)。

2.4 水肥交互作用下夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡

方差分析表明，水肥交互作用對(duì)夏玉米/冬小麥農(nóng)田CNEP的影響與供應(yīng)水平有關(guān)(表4)。水肥供應(yīng)水平相差30%時(shí)，灌水對(duì)夏玉米季農(nóng)田CNEP的影響未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，施肥對(duì)CNEP的影響顯著(P<0.05)，而水肥交互作用不顯著；水肥供應(yīng)水平相差15%時(shí)，灌水影響極顯著(P<0.01)，施肥處理影響顯著(P<0.05)，灌水與施肥交互作用不顯著。水肥供應(yīng)水平相差30%時(shí)，灌水對(duì)冬小麥季農(nóng)田CNEP的影響極顯著(P<0.01)，而施肥單因子和灌水與施肥交互作用影響不顯著(P>0.05)；水肥供應(yīng)水平相差15%時(shí)，灌水單因子影響不顯著(P>0.05)，施肥單因子效應(yīng)顯著(P<0.05)，灌水與施肥交互作用影響極顯著(P<0.01)。

表4 水肥供應(yīng)水平相差30%和15%時(shí)對(duì)夏玉米、冬小麥CNEP影響的方差分析

3 討論

3.1 不同水肥條件對(duì)農(nóng)田碳匯強(qiáng)度的影響

夏玉米農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力固碳量(CNEP)變化范圍為6 805～7 233 kg/hm2，冬小麥農(nóng)田CNEP變化范圍為5 842～6 434 kg/hm2，夏玉米CNEP均值(7 023 kg/hm2)高于冬小麥(6 173 kg/hm2)(表2)。這與前人作物生長(zhǎng)季碳平衡研究CNEP基本一致[36-37]。說(shuō)明夏玉米/冬小麥農(nóng)田為大氣CO2的匯，作物凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量(CNPP)大于土壤異養(yǎng)呼吸釋放碳量(CRm)。不同水肥條件下碳匯強(qiáng)度存在差異，夏玉米季W(wǎng)1F1、W0.7F1和W0.85F0.85 3個(gè)處理農(nóng)田CNEP較大，且無(wú)顯著性差異。原因可能在于，盡管W1F1和W0.85F0.85處理CRm較大，但其CNPP也較高；而低水高肥一方面降低土壤CRm[28]，另一方面施肥彌補(bǔ)了低灌水量造成的CNPP降低[38]。冬小麥季W(wǎng)1F1、W1F0.7和W0.7F0.85處理農(nóng)田CNEP較大，且無(wú)顯著性差異。冬小麥季高肥、高水促進(jìn)CNPP，土壤CRm由大到小表現(xiàn)為W1F1、W0.7F0.85、W1F0.7，因?yàn)橥寥繡Rm受施肥作用影響大于灌水[2,39-40]。

3.2 灌水與夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的關(guān)系

增加施肥或灌水情況下，農(nóng)田CNEP變化趨勢(shì)并不一致，是由于施肥、灌溉等農(nóng)田措施對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量(CNPP)和土壤微生物異養(yǎng)呼吸碳釋放量(CRm)增加或抑制程度不同而造成的[41]。就灌水對(duì)農(nóng)田CNEP的影響而言，夏玉米在中肥水平下，中水處理比低水顯著增加5.86%，主要是由于增加灌水對(duì)夏玉米生物量增加顯著[2]，且增加幅度大于土壤微生物異養(yǎng)呼吸碳釋放量(CRm)，相應(yīng)地增加了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳量。和夏玉米農(nóng)田CNEP表現(xiàn)相反，冬小麥在中水處理下比低水降低3.90%(P>0.05)，因?yàn)樵黾庸嗨坎⑽丛黾佣←淐NPP，但冬小麥季土壤CRm釋放量顯著增加。相同灌水量差異在不同施肥水平下對(duì)夏玉米農(nóng)田CNEP的影響存在差異(P>0.05)。主要原因是高肥水平下灌水量從W0.7增加至W1夏玉米CNPP增幅較小，灌水量不是影響夏玉米CNPP的主要因子[38]，但顯著增加了CRm；而低肥水平下，W1處理相比于W0.7顯著增加夏玉米CNPP，同時(shí)增加土壤CRm[42]。冬小麥季高肥條件下，高水較低水增加農(nóng)田CNEP9.49%，差異顯著(P<0.05)，因?yàn)楣喔仍黾佣←淐NPP[2]，而抑制了土壤呼吸[43]。低肥水平下，高水、中水和低水間冬小麥農(nóng)田CNEP差異均顯著(P<0.05)，可能由于施肥水平較低情況下，水分的作用增強(qiáng)。

3.3 施肥與夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的關(guān)系

不同施肥量管理影響作物固定CO2的能力和數(shù)量。研究表明水分適中情況下，適量施肥可提高作物的固碳量[44-45]。中水水平下，中肥比低肥可顯著增加夏玉米農(nóng)田CNEP(P<0.05)(表2)；夏玉米季高水和低水水平下，施肥量從F0.7增加至F1對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳量的影響不同，原因可能在于，高灌水量減弱了施肥效應(yīng)，而低灌水情況下施肥效應(yīng)增強(qiáng)。低水水平下，中肥與低肥無(wú)顯著性差異(P>0.05)，原因在于，施肥增加土壤CO2排放的總碳量[46]，同時(shí)肥料通過(guò)促進(jìn)夏玉米生長(zhǎng)同化了更多的CO2[20]。就冬小麥季施肥而言，高水和低水條件下，施肥量從F0.7增加至F1對(duì)冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳輸入影響不顯著，因?yàn)樵黾邮┓孰m增加土壤碳排放但同時(shí)也增加植物固碳量。低水水平下，中肥比低肥顯著增加8.75%(P<0.05)，因?yàn)榈退畻l件下施肥增加碳排放增幅小于植物固碳量增幅。氮磷肥配施、單施氮肥或磷肥和不施肥的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)均為大氣CO2的匯，氮磷肥配施的CNEP最大，且與單施氮肥、磷肥和不施肥處理間差異顯著(P<0.05)(表3)。原因在于，均衡施用化肥有助于促進(jìn)作物同化更多的CO2，且增幅遠(yuǎn)高于土壤CO2排放量增幅，進(jìn)而顯著增加CNEP[7,41]，另一方面氮磷肥配施抑制土壤微生物數(shù)量[47]，減少農(nóng)田CRm[48]。

3.4 水肥耦合對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)碳平衡的影響

水肥供應(yīng)水平相差15%對(duì)冬小麥農(nóng)田CNEP的影響存在明顯正交互作用，而對(duì)夏玉米農(nóng)田CNEP的影響不顯著；供應(yīng)水平相差30%對(duì)夏玉米和冬小麥農(nóng)田CNEP交互作用均不顯著(表4)。當(dāng)水肥供應(yīng)提高30%，顯著促進(jìn)土壤CRm，但作物CNPP的增加幅度不大(表2)，對(duì)于農(nóng)田CNEP累積的提升并不顯著?？赡苁怯捎谇捌谕寥缐勄榧梆B(yǎng)分狀況限制了增加水肥供應(yīng)的交互作用[49]，并且單次大幅增加灌水量會(huì)減小施肥尤其是氮肥的效應(yīng)[50]?？梢?jiàn)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳輸入不僅與施肥量、供水量有關(guān)，而且與水肥供應(yīng)的時(shí)機(jī)有關(guān)，綜合影響還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)不同水肥處理下夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為碳匯，農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力固碳量(CNEP)表現(xiàn)為夏玉米高于冬小麥，平均值分別為7 023、6 173 kg/hm2。在節(jié)水節(jié)肥原則下，夏玉米灌水76.5 mm、施氮255 kg/hm2、施磷76.5 kg/hm2，冬小麥灌水98 mm、施氮178.5 kg/hm2、施磷127.5 kg/hm2，有利于增加農(nóng)田CNEP。

(2)灌水對(duì)夏玉米、冬小麥農(nóng)田CNEP的影響有所不同。夏玉米在高肥條件下，高水較低水增加0.46%，差異不顯著，在低肥條件下，高水較低水增加3.61%，差異顯著；而冬小麥在高肥條件下，高水較低水增加9.49%，差異顯著，在低肥條件下，高水較低水增加9.78%，差異顯著。夏玉米在中肥條件下，中水比低水顯著增加5.86%；而冬小麥在中肥條件下，中水比低水降低3.90%。夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)周年內(nèi)各施肥水平下增加灌水均促進(jìn)農(nóng)田CNEP累積，高肥和低肥條件下的增幅大于中肥。

(3)施肥對(duì)夏玉米、冬小麥農(nóng)田CNEP的影響并不一致。夏玉米在高水條件下，高肥較低肥增加1.48%，差異不顯著；在中水條件下，中肥較低肥顯著增加3.97%；在低水條件下，高肥較低肥顯著增加4.67%。冬小麥在高水條件下，高肥較低肥增加0.33%，差異不顯著；在中水條件下，中肥較低肥降低1.30%；在低水條件下，高肥較低肥增加0.60%，差異不顯著。夏玉米/冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)周年內(nèi)各供水水平下增加施肥均促進(jìn)農(nóng)田CNEP累積，CNEP增加比例與灌水量呈負(fù)相關(guān)。

(4)在低水條件下，與單施氮肥(N施用量210 kg/hm2)、磷肥(P2O5施用量63 kg/hm2)相比，夏玉米氮磷肥配施處理(N施用量210 kg/hm2，P2O5施用量63 kg/hm2)農(nóng)田CNEP顯著增加，且氮磷肥交互作用顯著。冬小麥氮磷肥配施處理(N施用量147 kg/hm2，P2O5施用量105 kg/hm2)較不施肥處理CNEP顯著增加10.38%，氮磷交互作用不顯著。

(5)水肥供應(yīng)水平相差15%和30%時(shí)，灌水與施肥交互作用對(duì)夏玉米農(nóng)田CNEP影響均不顯著；水肥供應(yīng)水平相差15%時(shí)，灌水與施肥對(duì)冬小麥農(nóng)田CNEP有顯著的正交互作用。