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.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室， 北京100038；3.國家節(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排放由于受人類影響較大，一直被眾多研究者所關(guān)注。華北平原作為我國主要糧食產(chǎn)區(qū)之一[1]，研究該地區(qū)土壤呼吸特征與影響機制對全面監(jiān)測該地區(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，目前眾多研究中對不同施肥(氮肥)水平對土壤呼吸的影響以及作用機理還沒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]等通過田間實驗研究并用DNDC模型模擬了華北夏玉米農(nóng)田碳通量和碳平衡對耕作方式的敏感性，證明施肥對碳通量有明顯影響。張俊麗[3]等進行不同施氮量對旱作玉米土壤呼吸速率的影響研究表明，施氮對土壤呼吸有促進作用，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]對華北平原高產(chǎn)農(nóng)田施氮量對土壤呼吸動態(tài)變化影響研究發(fā)現(xiàn)，施氮量的增加對土壤的碳釋放具有明顯促進作用，與于春新[5]、劉合明[6]等研究結(jié)果類似。劉麗雯[7]等采用靜態(tài)箱-氣象色譜法測定土壤呼吸發(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。而美國愛荷華州玉米和大豆輪作土地進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土壤呼吸無影響，但在實驗室內(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]在河南玉米地進行的不同濃度氮肥試驗結(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)氮添加對北京東靈山地區(qū)土壤呼吸沒有明顯影響。可見，大多研究成果表明施肥促進土壤碳循環(huán)，而仍有部分研究表明施肥對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，勢必進一步明晰施肥對大田玉米土壤碳循環(huán)影響機制，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象，開展不同施肥處理下農(nóng)田土壤呼吸監(jiān)測試驗，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，進一步明晰土壤表層溫度、含水率與土壤呼吸之間響應(yīng)機制，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 實驗設(shè)計

夏玉米供試品種為紀元168，2017年6月13日播種，種植密度為6 萬株/hm2，于9月27日收獲。按照施肥量的差異設(shè)置3個施肥水平，每次施肥量分別為0、225、450 kg/hm2，即N1、N2、N3，每個處理3次重復(fù)，試驗小區(qū)面積為56 m2。玉米整個生育期內(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，整個生育期內(nèi)都不再進行灌溉，而其他田間管理措施保持一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤呼吸速率的計算

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

(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為標準大氣壓，kPa；P為實際大氣壓，kPa；T為氣體溫度，k；T0為標準狀況下溫度，k。

1.3.2 土壤呼吸敏感系數(shù)

土壤呼吸與溫度被認為呈指數(shù)相關(guān)[12]，通常用指數(shù)方程Rs=aebTs來表述，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土壤表層溫度敏感性的強弱。

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)采集器測量土壤表層溫度(Ts)與含水率(W)，于每個施肥處理小區(qū)隨機取3個點，取測量值的平均值。采集深度10 cm，測定間隔3 d，每次測量時間為8∶00至18∶00，間隔2 h測量一次。

4連通與8連通的示意圖如圖4所示。4連通時假設(shè)中心點★為0級灰度，當A、B、C、D其中一個點灰度級為0，則★點與其他點有連接；8連通時假設(shè)中心點★為0級灰度，當A、B、C、D、E、F、G、H其中一個點灰度級為0，則★點與其他點有連接。

1.3.4 氣溫與降雨量

采用試驗站自動氣象站(澳大利亞，Monitor)監(jiān)測降雨、氣溫、地溫等氣象指標，采樣間隔為30 min。夏玉米生育內(nèi)氣溫與降水量見圖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軟件進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 20.0軟件進行數(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見圖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，其變化趨勢基本一致，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?？梢姡┓侍幚韺Ω麝P(guān)鍵生育階段的土壤呼吸速率均有促進作用。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；爾后隨著玉米生長對營養(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態(tài)

夏玉米整個生育期內(nèi)各施肥處理每日土壤呼吸速率平均得到該處理當天土壤呼吸速率平均值，選取在整個生育期內(nèi)變化過程中的關(guān)鍵變化節(jié)點得到夏玉米生育期動態(tài)變化見圖3，不施肥處理土壤呼吸速率變化范圍小，其生育期動態(tài)變化與氣溫變化趨勢較為一致；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，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，但不同施肥處理間夏玉米土壤呼吸速率的波動趨勢基本一致，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。

圖3 不同施肥處理下夏玉米土壤呼吸速率生育期動態(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、水分對土壤呼吸速率影響機制

2.3.1 土壤表層溫度對土壤呼吸的作用

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%。可見，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)系表明見表2，在指數(shù)函數(shù)模型擬合下，土壤含水率可以單獨解釋2017年夏玉米生長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解釋2017年夏玉米生長季土壤呼吸速率季節(jié)變化的15.3%～50.8%；指數(shù)函數(shù)模型擬合效果略優(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)合為一個方程可提高對土壤呼吸速率預(yù)測的準確性[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季呼吸速率季節(jié)變化的25.4%～79.8%見表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基本一致[3,13,14]。夏玉米在施肥的刺激作用下生理活動加強，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)夏玉米長勢明顯弱于N2、N3處理，主要原因在于缺少肥力的刺激作用夏玉米生長發(fā)育較為緩慢[15]，使得作物地下部分活力同樣處于一個較低的水平，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)合模擬方程對土壤呼吸速率擬合效果更好。

4 結(jié) 語

(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，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，在夏玉米生長發(fā)育的出苗、拔節(jié)、抽穗3個生育期表現(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。