化肥減施對冬小麥土壤呼吸的影響

胡 洋，叢孟菲，馬雯琪，李典鵬，愚廣靈，孫 霞，2*，陳署晃，賈宏濤，2

（1．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2．新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；3．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091）

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中一個重要的生態(tài)過程，是植物固定碳后又以CO2形式返回大氣的主要途徑，也是土壤碳庫平衡的一個重要相關(guān)過程［1-2］。土壤碳庫的容量巨大，其較小的變幅能導(dǎo)致大氣CO2濃度產(chǎn)生較大的波動，深刻影響著全球氣候變化，因而土壤呼吸在全球碳循環(huán)過程中起著極其重要的作用［3］。土壤呼吸包括土壤微生物呼吸、土壤無脊椎動物呼吸、植物根系呼吸和土壤中含碳物質(zhì)化學(xué)氧化過程，其中，土壤動物呼吸量和化學(xué)氧化量非常微小，往往忽略不計［4］。農(nóng)田土壤碳庫是全球碳庫中最活躍的部分，易受到人為和管理措施（如施肥）的影響［5］。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸不同于森林和草原生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田土壤的固碳減排是應(yīng)對全球氣候變化的有效措施之一，如何在提高土壤肥力的情況下有效提高土壤固碳能力是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題［6］。小麥?zhǔn)俏覈钪匾募Z食作物之一，我國麥田所占的面積較大［7］。近年來，為了增產(chǎn)而過量施肥，使小麥增產(chǎn)效果下降，還導(dǎo)致農(nóng)田土壤的養(yǎng)分元素大量累積，同時還引起水體富營養(yǎng)化和大氣污染等一系列環(huán)境問題［8-10］。因此，探明化肥減施下土壤呼吸的變化特征對農(nóng)田固碳減排方面極其重要。

施肥主要通過影響作物生長和微生物活性而影響土壤呼吸，近年來對土壤呼吸特征的研究已較為豐富，但對化肥減施下土壤呼吸特征的研究較少且結(jié)論仍有爭議，國內(nèi)外學(xué)者對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸特征進(jìn)行了研究，有的認(rèn)為化肥的大量施入會使土壤微生物由氮限制轉(zhuǎn)為碳限制，降低微生物活性，從而抑制土壤呼吸［11-12］。還有研究認(rèn)為增施氮、磷會促進(jìn)植物根系的呼吸，從而促進(jìn)土壤呼吸或抵消氮素添加而引起的微生物呼吸降低［13］；王少杰等［14］在陜西關(guān)中灌區(qū)冬小麥農(nóng)田CO2排放的研究表明，在一定范圍內(nèi)增施氮肥可促進(jìn)CO2排放，但達(dá)到一定限度后，CO2排放量不再增加；還有大量的研究表明，土壤溫度與土壤呼吸速率有著顯著的相關(guān)性［15-16］；土壤呼吸和溫度之間呈顯著指數(shù)相關(guān)［17］。由此可知，在不同地區(qū)及不同施肥量的研究結(jié)果并不一致，而關(guān)于西北干旱區(qū)施肥對農(nóng)田土壤呼吸速率的研究較少。土壤碳庫是陸地碳庫中最重要的組成部分，土壤呼吸是土壤碳庫變化的主要途徑，研究土壤呼吸對了解土壤碳庫變化乃至全球碳平衡都具有重要意義［18-19］。因此，本研究利用田間試驗設(shè)置不同化肥減施量，采用土壤碳通量測量系統(tǒng)LI-8100 監(jiān)測土壤呼吸速率，探明化肥減施對土壤呼吸速率的影響及其與環(huán)境因素的關(guān)系，以期為改善農(nóng)田土壤固碳減排能力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗研究區(qū)位于新疆奇臺縣坎爾孜鄉(xiāng)新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院奇臺麥類試驗站，其地理位置為89°13′～91°22′E，43°25′～45°29′N，位于新疆東北部，天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，屬于中溫帶大陸性干旱性氣候，年平均氣溫5.5℃，極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫-37.3℃，年平均無霜期為153 d，年平均降水量269.4 mm，土壤類型為灰漠土［20］。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2018 年開展，依據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量（N5P3）為對照，設(shè)置各處理化肥的減施量，共設(shè)置9 個處理：①常規(guī)施肥N5P3處理（施N 315 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；②減施N4P2處理（施N 270 kg/hm2、P2O5138 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；③減施N3P2處理（施N 240 kg/hm2、P2O5138 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；④減施N3P1處理（施N 240 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；⑤減施N2P1處理（施N 210 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；⑥減施N1P1處理（施N 180 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；⑦不施氮肥N0P1處理（施N 0 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；⑧不施磷肥N3P0處理（施N 240 kg/hm2、P2O50 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）；⑨不施肥N0P0處理（施N 0 kg/hm2、P2O50 kg/hm2、K2O 0 kg/hm2）。施用氮肥為尿素（N 46%），磷肥為重過磷酸鈣（P2O546%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 51%）。其中30%的氮肥和全部磷肥、全部鉀肥作為基肥在小麥播種前撒施，70%氮肥作為追肥隨水滴施，其中15%在返青期追施，20%在拔節(jié)期追施，20%在孕穗期追施，15%在灌漿期追施。每個處理重復(fù)3 次，共27 個小區(qū)，小區(qū)面積為176 m2（8 m×22 m），小區(qū)間設(shè)置1 m 的保護(hù)行。以“新冬22 號”為供試品種，播種量為375 kg/hm2，于2019 年9 月20 日種植，2020 年7 月2 日收獲；采取滴灌種植，滴灌帶布設(shè)方式為1 管4 行，行距為15 cm；生育期共灌溉8 次，總灌水量4050 m3/hm2，各處理田間管理措施保持一致。

1.3 土壤呼吸速率和土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)的測定

采用田間原位監(jiān)測的方法，使用土壤碳通量測量系統(tǒng)LI-8100 測定土壤呼吸速率。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，小麥土壤呼吸主要集中在灌漿期與成熟期［21］，所以本研究于冬小麥灌漿期（2020 年5 月）在每個小區(qū)小麥株間設(shè)置1 個內(nèi)徑為20 cm、高10 cm的PVC 管底座，將底座嵌入土壤，頂端距離地面3 cm。為減少嵌入底座短期對土壤呼吸的擾動，在固定好底座并清除底座內(nèi)地上植物后，間隔24 h 之后再測定冬小麥株間的土壤呼吸速率（Rs），后于成熟期（2020 年7 月）再次測定。

監(jiān)測土壤呼吸速率時選擇3 個連續(xù)晴朗無風(fēng)日，測定時段為10：00 ～14：00，期間監(jiān)測2 次，每次間隔3 h，LI-8100 數(shù)據(jù)采集頻率為每2 s 記錄一次數(shù)據(jù)，測量時長為120 s；監(jiān)測土壤呼吸速率的同時使用便攜式土壤溫度傳感器測定土壤10 cm 處的溫度［22］。并采集0 ～20 cm 表層土壤測定土壤理化性質(zhì)，土壤含水量采用野外采集-室內(nèi)烘干法測定；土壤pH 采用pH 儀測定，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定［23］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Vant’t Hoff 模型［24-25］模擬土壤溫度與土壤呼吸速率的關(guān)系，見公式：

Rs=aebT

式中，Rs為土壤呼吸速率［μmol/（m2·s）］，T 為土壤溫度（℃），a、b 為擬合參數(shù)。

采用溫度敏感系數(shù)（Q10）來表征土壤呼吸對土壤溫度的敏感性，Q10表示土壤溫度升高10℃時，土壤呼吸速率增加或減少的倍數(shù)，見公式：

Q10=e10b

式中，b 為模型（Rs=aebT）的溫度反應(yīng)常數(shù)。

采用Excel 2010 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計整理，采用SPSS 26.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）及顯著性檢驗（LSD），采用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析土壤呼吸與土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)之間的相關(guān)性，采用Origin 2018 進(jìn)行土壤呼吸與土壤溫度的擬合及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥減施對土壤呼吸速率的影響

與不施肥（N0P0）相比，氮、磷的添加均顯著提高了土壤呼吸速率（圖1），冬小麥在灌漿期與成熟期的土壤呼吸速率隨著氮、磷施用量的減少先增加后降低，成熟期土壤呼吸速率的變化幅度較灌漿期大，不同處理土壤呼吸速率的變化范圍 為1.11 ～3.22 μmol/（m2·s）。與 對 照（N5P3）相比，灌漿期N2P1處理與成熟期N4P2、N3P2、N3P1、N2P1、N1P1、N3P0處理均顯著促進(jìn)了土壤呼吸（P＜0.05），其中，減施N2P1處理的土壤呼吸速率最高，在灌漿期與成熟期土壤呼吸速率分別為2.77 和3.22 μmol/（m2·s），N0P0處 理 土 壤 呼 吸速率最低，在灌漿期與成熟期分別為1.17 和1.11 μmol/（m2·s）。

圖1 化肥減施對土壤呼吸速率的影響

由N3P2、N3P1、N3P0處理的變化可以看出，在同一施氮量處理下，隨著施磷量的減少，土壤呼吸速率略有增加后顯著減少，從其余處理（N3P1、N2P1、N1P1、N0P1）可以看出，隨著施氮量的減少，土壤呼吸速率也先增加后減少。氮、磷配合施用（N4P2～N1P1）處理的土壤呼吸速率顯著大于不施肥（N0P0）和單施氮（N3P0）、單施磷（N0P1）處理（P＜0.05），且單施氮（N3P0）處理的土壤呼吸速率顯著大于單施磷（N0P1）處理（P＜0.05）。

2.2 土壤呼吸與土壤溫度的相關(guān)性及溫度敏感系數(shù)

采用指數(shù)方程模型擬合土壤呼吸速率與土壤溫度之間的關(guān)系，R2可解釋土壤呼吸的變異量，并利用方程的溫度反應(yīng)常數(shù)計算各處理的Q10［26］。由圖2 可知，不同處理的土壤呼吸速率與土壤溫度均呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.001）。各處理土壤溫度可解釋土壤呼吸變異量的53.38%～90.16%，除了N5P3處理的解釋量較低（為53.38%）外，其余處理土壤溫度對土壤呼吸速率變化的解釋量較高，均大于73.45%。因此，說明土壤溫度是影響土壤呼吸的主要因素之一。

土壤呼吸的Q10可以反映出土壤溫度對土壤呼吸速率影響的大小。本研究各處理的Q10為1.51 ～2.58，其中N3P1和N2P1處理較其余處理顯著降低了土壤呼吸的Q10，分別為1.51 和1.62，其余處理的Q10均較高，為2.23 ～2.58。與N5P3相比，少量減施氮、磷處理（N4P2、N3P2）以及過量減施氮、磷（N1P1）和單施氮（N3P0）、單施磷（N0P1）處理對土壤呼吸的Q10無明顯影響。因此，說明在一定范圍內(nèi)（N3P1、N2P1）減施氮、磷則會抑制土壤呼吸的Q10。

2.3 化肥減施對土壤理化性質(zhì)的影響及其與土壤呼吸的相關(guān)性研究

由表1 可知，隨著氮、磷施用量的減少土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量均減少，且均在N5P3處理時最高，分別為18.45%、15.88 g/kg、71.80 mg/kg、125.69 mg/kg；土壤pH 隨著化肥減施量的減少而增大，N5P3處理的pH 最?。?.13），N0P0處理最高（為8.53）；而電導(dǎo)率無顯著變化。由相關(guān)性分析可知，土壤呼吸速率與土壤含水率、pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量均無顯著相關(guān)關(guān)系。

圖2 土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系

表1 化肥減施對土壤理化性質(zhì)的影響

3 討論

3.1 化肥減施對土壤呼吸速率的影響

目前，已經(jīng)有大量關(guān)于施肥量與土壤呼吸速率之間關(guān)系的研究，存在促進(jìn)、抑制和無顯著影響的爭議［27-28］。本研究施氮量在0 ～315 kg/hm2、施磷量在0 ～180 kg/hm2范圍內(nèi)均提高了冬小麥在灌漿期與成熟期的土壤呼吸速率。有研究發(fā)現(xiàn)，施肥會提高夏玉米土壤呼吸速率［29］；長期施肥導(dǎo)致土壤呼吸速率增加了6%～127%［30］；在施氮量為0 ～320 kg/hm2范圍內(nèi)會提高玉米土壤呼吸速率［31］；但也有研究發(fā)現(xiàn)，施氮對農(nóng)田和麥田的土壤呼吸速率影響不顯著［32-33］；甚至在華北麥田中施氮會抑制土壤呼吸［34］。由此可見，在不同地區(qū)和不同類型農(nóng)田的土壤呼吸特征并不一致，化肥用量對土壤呼吸的影響可能與土壤類型、作物種類以及化肥的施用量有一定的關(guān)系。

本研究中的土壤呼吸速率隨著施氮量的減少呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在同一施氮量處理下（N3P2、N3P1、N3P0），隨著施磷量的減少，土壤呼吸速率略有增加后顯著減少。已有研究結(jié)果表明，施氮（180 kg/hm2）能促進(jìn)冬小麥土壤呼吸，但過量施氮（360 kg/hm2）卻不能提高冬小麥土壤呼吸速率［35］；還有研究結(jié)果表明，麥田土壤呼吸速率隨著施氮量的增加而增加，而當(dāng)施氮量達(dá)到135 kg/hm2時，繼續(xù)增施氮將會降低土壤呼吸速率［36］；磷添加對土壤呼吸有積極效應(yīng)，在施氮條件下，施磷顯著提高了土壤呼吸速率［37］；本研究結(jié)果與此類似,這表明隨著氮、磷施用量的增加并不總是會提高土壤呼吸速率，說明氮、磷對土壤呼吸速率具有一定的閾值。適量施用氮、磷可以提高土壤呼吸速率，一方面是由于適量施入氮、磷為小麥的生長提供了大量營養(yǎng)元素，促進(jìn)其生長，使光合作用和根系生物量增加，進(jìn)而增加植物碳的輸入，提高土壤自養(yǎng)呼吸強(qiáng)度；另一方面是適量施入氮、磷也會增加農(nóng)田土壤微生物活性，促進(jìn)微生物的活動和生長，從而刺激土壤微生物呼吸［38-40］。但當(dāng)過量施入氮、磷時會降低土壤呼吸速率，一方面是由于過量施氮會大幅度降低土壤的C/N，導(dǎo)致微生物活性降低，從而抑制土壤呼吸；另一方面是過量施用氮、磷會改變微生物群落和功能，抑制土壤酶的活性，減少地下碳的分配，最終導(dǎo)致土壤呼吸速率的降低［41-44］。

本研究氮、磷配合施用（N1P1～N4P2）處理的土壤呼吸速率大于不施肥（N0P0）和單施氮（N3P0）、單施磷（N0P1）處理，其中N2P1處理（施N 210 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）的土壤呼吸速率最高，不施肥處理（N0P0）土壤呼吸速率最低，且單施氮（N3P0）處理的土壤呼吸速率大于單施磷（N0P1）處理，這與牛靈安等［45］和Wang 等［46］的研究結(jié)果一致。可能是由于氮、磷配施后增加了土壤中氮和磷的有效性以及植物的光合速率，促進(jìn)了小麥地上和地下部的生長，從而增加了土壤呼吸速率［47］。

綜上，在一定范圍內(nèi)減施氮、磷會增加土壤呼吸速率，而當(dāng)減施量超過一定范圍后，土壤呼吸速率會降低，說明本研究常規(guī)施肥量（N5P3）處理為過量施肥；氮、磷配施處理的土壤呼吸速率大于單施氮、磷處理，且單施氮對土壤呼吸的促進(jìn)作用較單施磷更明顯。

3.2 土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

土壤溫度與土壤呼吸之間有著極大的聯(lián)系，土壤溫度會影響土壤微生物活性，還會影響植物根系生長，進(jìn)而影響土壤呼吸速率［48］。本研究采用指數(shù)方程來擬合土壤呼吸速率與土壤溫度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)指數(shù)方程可以較好地模擬氮、磷減施處理下土壤呼吸速率與土壤溫度之間的相關(guān)性（P＜0.001）。除N5P3處理的解釋量較低（53.38%）以外，其余處理土壤溫度對土壤呼吸速率變化的解釋量均較高（73.45%～90.16%）。N5P3處理解釋量較低的原因可能是過量施氮、磷處理較其他處理相比顯著改變了土壤濕度、有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量等因素，這些因素同樣也影響著土壤呼吸速率，其對土壤呼吸變化的解釋量也隨之增加，使同一溫度下土壤呼吸速率差異增大，導(dǎo)致土壤溫度對土壤呼吸速率的變化解釋量降低［49-50］。本研究各處理土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)，土壤溫度是影響土壤呼吸的主要因素之一。有研究認(rèn)為，當(dāng)土壤溫度＜35℃時，土壤酶活性最大，土壤呼吸速率隨溫度的升高而增加，當(dāng)溫度超出此范圍時，土壤呼吸與溫度將會呈負(fù)相關(guān)［51］。本研究土壤溫度為15.3 ～23.5℃，處于最適溫度，所以土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著正相關(guān)。

土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)（Q10）可以反映土壤溫度變化對土壤呼吸速率的影響，已有大量關(guān)于土壤呼吸的研究結(jié)果表明，Q10一般為1.28 ～4.75［52］。本研究各處理的Q10為1.51 ～2.58，處于上述范圍之內(nèi)。有研究表明施肥會抑制東北中部春玉米農(nóng)田土壤呼吸的溫度敏感性［53］；還有研究發(fā)現(xiàn)長期施肥導(dǎo)致土壤Q10降低了12%～56%［54］。本研究結(jié)果與此有差異，本研究中，N3P1和N2P1處理顯著降低了土壤Q10，而其余處理無顯著差異。這可能是由于單施氮（N3P0）、單施磷（N0P1）處理以及少量施氮、磷（N1P1）處理對土壤Q10無明顯影響，而過量施肥（N5P3、N4P2、N3P2）處理使土壤中無機(jī)氮含量大量增加，抑制了土壤氧化酶的活性，增加了土壤碳庫中難分解的復(fù)雜化合物，而分解復(fù)雜化合物需要更高的活化能，因此復(fù)雜化合物具有更高的溫度敏感性，從而增加了土壤的Q10［55-56］。

本研究土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量均隨著化肥施用量的減少而減小，pH 隨著化肥減施量的減少而增大，而電導(dǎo)率無顯著變化，這與李瑞［57］和宋亞輝等［58］的研究一致。這可能是由于減施氮、磷使土壤中所含的有效態(tài)養(yǎng)分減少，導(dǎo)致堿解氮、有效磷含量的降低，而pH 增大的原因主要是由于氮肥的過量施用［59］。氮、磷的施入可為微生物提供合適的生存環(huán)境，也可為植物提供生長所需的養(yǎng)分，而微生物在固碳、代謝過程中產(chǎn)生的殘體和植物殘體是土壤有機(jī)質(zhì)含量增加的主要原因［60-62］。本研究土壤呼吸速率與土壤pH、電導(dǎo)率、含水率、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量之間均無顯著相關(guān)性。

4 結(jié)論

冬小麥在灌漿期與成熟期的土壤呼吸速率隨著氮、磷施用量的減少呈先增加后降低的趨勢，其中N2P1處 理（施N 210 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 20 kg/hm2）在灌漿期與成熟期的土壤呼吸速率分別為2.77 和3.22 μmol/（m2·s），顯著高于其它處理（P＜0.05）；氮、磷配施處理的土壤呼吸速率顯著大于單施和不施氮、磷處理（P＜0.05），且單施氮處理的土壤呼吸速率顯著大于單施磷處理（P＜0.05）。冬小麥土壤呼吸速率與10 cm 土壤溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)（P＜0.001）；各處理土壤呼吸的Q10為1.51 ～2.58，在一定范圍內(nèi)減施氮、磷可抑制土壤呼吸的Q10，少量和過量減施氮、磷和單施氮、磷處理則無明顯影響。