于珍珍 鄒華芬 于德水 汪 春， 李海亮 孫海天，

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院， 大慶 163319； 2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所， 湛江 524003；3.華中科技大學(xué)管理學(xué)院， 武漢 430074)

0 引言

土壤呼吸是土壤中的微生物與植株根系等進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)消耗O2的同時(shí)向大氣排放CO2的過程，是土壤和大氣碳庫相互交換的重要途徑[1]，也是表征土壤質(zhì)量和土壤肥力的重要指標(biāo)，其主要受到農(nóng)田管理措施、土壤環(huán)境因子、生物因子和生態(tài)系統(tǒng)類型等多重因素的共同影響[2-4]。

加氣灌溉技術(shù)以地下滴灌管路系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用空氣泵或者風(fēng)機(jī)等通風(fēng)裝置直接向作物根際通氣，或采用文丘里裝置將空氣以微氣泡的形式摻入灌溉水中進(jìn)行滲灌，以此調(diào)控作物根區(qū)土壤水分和氣體含量，達(dá)到改善作物根際土壤環(huán)境的效果[5-7]。針對(duì)加氣灌溉技術(shù)前期已經(jīng)開展了相關(guān)的研究，相關(guān)研究表明，與常規(guī)地下灌溉技術(shù)相比，加氣灌溉對(duì)溫室番茄[8-12]、黃瓜[13]、甜瓜[14]、棉花[15-17]、玉米[18-20]等作物種植下的土壤微環(huán)境及土壤呼吸速率均產(chǎn)生了積極的影響，但是關(guān)于加氣灌溉技術(shù)對(duì)土壤呼吸速率變化的作用機(jī)理多集中在土壤環(huán)境中單因素或兩兩因素的效應(yīng)分析，如土壤呼吸與土壤水熱或與土壤含氧量的關(guān)系[1，7]，關(guān)于加氣灌溉下紅壤土呼吸變化與土壤生物因子及非生物因子的綜合關(guān)聯(lián)分析研究較少。

土壤水分和氣體對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的形成有重要的影響，二者之間存在耦合效應(yīng)。加氣灌溉技術(shù)的調(diào)控必然會(huì)改變土壤含水率、含氧量、微生物菌落等，進(jìn)而對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生影響。研究表明，土壤通氣狀況及氣體含量直接影響作物根系的呼吸作用及微生物菌群的代謝活動(dòng)，進(jìn)而影響作物根系的生長(zhǎng)，這些指標(biāo)與土壤呼吸速率密切相關(guān)。當(dāng)土壤中含氧量提高，會(huì)顯著增加土壤中微生物活性和根系生物量，土壤呼吸速率就會(huì)明顯增加。目前，已有研究報(bào)道了土壤呼吸對(duì)不同灌溉或施肥措施的響應(yīng)及機(jī)理，但是針對(duì)加氣灌溉技術(shù)下，各項(xiàng)土壤環(huán)境因子對(duì)土壤呼吸速率的調(diào)控作用少有涉及。

針對(duì)以上問題，本文選取玉米為試驗(yàn)材料，以常規(guī)地下滴灌為對(duì)照試驗(yàn)，研究加氣灌溉技術(shù)下土壤呼吸速率的差異及變化?；谄钚《嘶貧w分析(Partial least square regression analysis，PLSR)法建立土壤呼吸速率與土壤環(huán)境因子的分段擬合回歸方程，分析土壤呼吸速率與土壤溫度、含水率、含氧量、細(xì)菌及根系生物量的互動(dòng)響應(yīng)關(guān)系，基于變量重要性投影(Variable importance for projection，VIP)法揭示加氣灌溉下影響土壤呼吸速率變化的主要因子。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019—2021年在廣東省湛江市中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)家土壤質(zhì)量湛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站(21°35′N，109°31′E)進(jìn)行，該地年平均日照時(shí)間為2 160 h，無霜期為350 d，年平均氣溫為23.2℃，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。供試土壤為玉米田原狀紅壤土，速效N、P、K和有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量比)分別為65.15 mg/kg、23.85 mg/kg、70.53 mg/kg和20.17 g/kg。研究區(qū)域內(nèi)小型氣象站自動(dòng)獲取并記錄試驗(yàn)期間降雨量、氣溫及其它環(huán)境因素。2019—2021年玉米生長(zhǎng)期內(nèi)日氣溫和降雨量變化如圖1所示。

圖1 2019—2021年玉米各生育期平均氣溫、 最高氣溫、最低氣溫與降雨量變化曲線Fig.1 Variation curves of average temperature, maximum temperature, minimum temperature and rainfall in each growth period of maize from 2019 to 2021

1.2 試驗(yàn)方法

以國(guó)家土壤質(zhì)量湛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站為平臺(tái)開展為期3年(2019—2021年)的定位試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)采用本地區(qū)玉米一年兩熟種植模式，種植玉米品種為“惠玉甜三號(hào)”。定植前試驗(yàn)區(qū)已經(jīng)完成農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和地下滲灌管路系統(tǒng)鋪設(shè)。種植前在各小區(qū)正中鋪設(shè)1條地下滴灌帶(埋深為20 cm，直徑為16 mm，流量為2.5 L/h，滴頭間距20 cm)，玉米行距為60 cm，株距為40 cm。羅茨風(fēng)機(jī)(HRE65WA型，壓力設(shè)定為0.7 MPa)與干管相連進(jìn)行加氣，田間支管均安裝電磁閥門，用于調(diào)控各個(gè)小區(qū)的灌水量與加氣量。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置加氣灌溉(AI)和不加氣灌溉(CK)兩種灌溉方式，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，1次重復(fù)為1個(gè)小區(qū)，共計(jì)6個(gè)小區(qū)，試驗(yàn)區(qū)域如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域位置Fig.2 Location of study area

利用E601型標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿控制灌水量，以灌水間隔內(nèi)每天09:00測(cè)得的蒸發(fā)量為灌溉依據(jù)，玉米不同生育周期選取不同的作物-蒸發(fā)皿系數(shù)Kp，分別為苗期0.8、拔節(jié)期1.2、抽雄期1.2、成熟期1.0。各處理每次灌水量計(jì)算公式為[20]

W=AEpKp

(1)

式中W——各處理每次灌水量，L

A——單個(gè)滴頭控制的小區(qū)面積，為0.14 m2(0.35 m×0.4 m)

Ep——兩次灌水間隔內(nèi)測(cè)得的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，mm

整個(gè)生育周期每2 d加氣1次，每次灌水或降雨后補(bǔ)充加氣1次，加氣量計(jì)算公式為[6]

(2)

式中V——每次通氣量，L

S——壟橫截面積，取1 500 cm2

L——壟長(zhǎng)，m

ρb——土壤容重，取1.2 g/cm3

ρs——土壤密度，取1.65 g/cm3

據(jù)此得出每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)每次通氣量為744.75 L。試驗(yàn)過程中不考慮土壤氣體的擴(kuò)散，按照羅茨風(fēng)機(jī)銘牌標(biāo)示功率及通氣量換算為相應(yīng)的通氣時(shí)間，利用通氣時(shí)間控制通氣量。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1土壤呼吸速率測(cè)定

利用Li-8100A型土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行土壤呼吸速率測(cè)定。在時(shí)間段07:00—09:00進(jìn)行測(cè)量，相關(guān)研究表明該時(shí)段測(cè)得的土壤呼吸速率可以代表當(dāng)日的土壤呼吸速率均值[21]。除了開始日期和收獲日期之外，玉米生長(zhǎng)周期內(nèi)每10 d測(cè)量1次，如遇強(qiáng)降雨天氣則推遲測(cè)定時(shí)間，每次試驗(yàn)取玉米不同生育時(shí)期均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.4.2非生物因子測(cè)定

采用浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司生產(chǎn)的TZS-PHW-4G型土壤多功能參數(shù)測(cè)定儀對(duì)土壤溫度、含水率進(jìn)行全程跟蹤測(cè)量，測(cè)量深度為距離土壤表層20 cm，同時(shí)記錄大氣溫度，每次測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，取平均值作為該組的測(cè)定結(jié)果，測(cè)定日期與土壤呼吸速率測(cè)定日期一致。

利用光纖式氧氣測(cè)量?jī)x(Fiber-optic oxygen meter firesting O2)測(cè)定距離土壤表層 20 cm 的氧氣含量，測(cè)量日期、時(shí)間與土壤呼吸速率測(cè)定一致。

1.4.3生物因子測(cè)定

微生物呼吸和根系呼吸是土壤呼吸的重要組成部分，占土壤呼吸的95%左右，其余5%為土壤中的凋落物分解產(chǎn)生CO2。研究表明，細(xì)菌占土壤微生物組成的94%左右，其余為放線菌和真菌，占4%～5%[22]，因此，本研究選取細(xì)菌生物量和根系生物量作為土壤環(huán)境中的生物指標(biāo)。

土壤細(xì)菌生物量：用土鉆和五點(diǎn)取樣法采集耕層土壤，按0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層分別采集新鮮土壤樣品并按層次充分混合，每次采集重復(fù)3次，利用平板計(jì)數(shù)法對(duì)土壤細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行測(cè)定。

圖3 不同處理下土壤呼吸速率Fig.3 Soil respiration rate under different treatments

根系生物量：以選定植株為中心，利用土鉆采集深度為0～80 cm的土層篩選根系，根土分離采用淘洗法，樣品經(jīng)過浸泡攪動(dòng)后反復(fù)過篩，根土分離后用鑷子取出根系，干燥稱量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1最小偏二乘回歸分析

PLSR是一種多元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析方法，是多元線性回歸、典型相關(guān)分析和主成分分析的整合和發(fā)展。PLSR方法是將多個(gè)自變量到多個(gè)因變量或單個(gè)因變量的一種回歸建模方法。解決了典型回歸分析中自變量的多重相關(guān)問題，即自變量之間存在高度相關(guān)。本研究采用多自變量到單因變量的PLSR方法。采用PLSR分析了加氣灌溉技術(shù)下影響土壤呼吸速率的主要環(huán)境因子，在PLSR模型中，VIP是一種多元篩選方法，通過相關(guān)自變量的主成分綜合來描述自變量對(duì)因變量的解釋能力，并根據(jù)解釋能力對(duì)自變量進(jìn)行篩選。

1.5.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

利用Excel 2007對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，剔除異常數(shù)據(jù)。采用SPSS 17.0進(jìn)行顯著性和相關(guān)關(guān)系分析，用Origin 2019進(jìn)行繪圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下土壤呼吸與土壤環(huán)境因子

不同處理下土壤呼吸速率(以CO2計(jì))的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化存在一定的差異性，AI處理下測(cè)定點(diǎn)均顯著高于對(duì)照CK處理(P<0.05)。不同處理下土壤呼吸在玉米生長(zhǎng)季內(nèi)大體均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)(圖3，黑色點(diǎn)表示重復(fù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，下同)。3年試驗(yàn)中，不同處理下土壤呼吸速率變化特征統(tǒng)計(jì)如表1所示，3年春夏茬試驗(yàn)中，AI土壤呼吸季節(jié)變化較對(duì)照組CK顯著增大15.09%、13.86%和20.54%(P<0.05)；3年秋冬茬試驗(yàn)中，AI土壤呼吸速率季節(jié)變化較對(duì)照組CK顯著增大13.39%、12.30%和13.12%(P<0.05)。

表1 不同處理下土壤呼吸速率及環(huán)境因子變化特征Tab.1 Change characteristics of soil respiration rate and environmental factors under different treatments

不同處理下土壤溫度所有測(cè)定點(diǎn)基本不存在顯著性差異(P>0.05)，3年試驗(yàn)中，不同處理下土壤溫度變化特征統(tǒng)計(jì)如表1所示。AI處理下土壤溫度僅部分季節(jié)變化高于CK處理下的土壤溫度，土壤溫度變化與氣候變化密切相關(guān)(圖4)。土壤溫度是影響土壤呼吸速率變化的主要因素，從土壤溫度峰值與土壤呼吸速率峰值明顯相對(duì)應(yīng)也可以看出(圖3、4)。

本研究中，AI處理下土壤含氧量均顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)(圖5)，3年試驗(yàn)中，不同處理下土壤含氧量變化特征統(tǒng)計(jì)如表1所示。3年春夏茬試驗(yàn)中，AI土壤含氧量速率季節(jié)變化較對(duì)照組CK顯著提高21.08%、21.95%和23.24%(P<0.05)。2019年至2021年秋冬茬試驗(yàn)中，AI土壤含氧量季節(jié)變化較對(duì)照組CK顯著提高25.70%、25.43%和19.90%(P<0.05)。

本研究中土壤含水率變化波動(dòng)較大，主要受到降雨和灌溉的影響，降雨主要集中在9—10月，除因降雨導(dǎo)致土壤含水率驟升外，所有試驗(yàn)處理中均為玉米苗期含水率最高(圖6)，主要是由于玉米播種前澆透底水的原因。AI處理下土壤含水率基本低于對(duì)照組試驗(yàn)，3年試驗(yàn)中，不同處理下土壤含水率變化特征統(tǒng)計(jì)如表1所示。3年春夏茬試驗(yàn)中，AI處理下土壤含水率季節(jié)變化較對(duì)照組CK降低5.69%、7.81%和3.36%(P<0.05)。3年秋冬茬試驗(yàn)中，AI土壤含水率季節(jié)變化較對(duì)照組CK降低8.06%、14.30%和4.40%(P<0.05)。

土壤細(xì)菌占土壤微生物總量的94%，是影響土壤呼吸的主要影響因素，不同處理下土壤細(xì)菌生物量基本存在顯著性差異(P<0.05)(圖7)，3年試驗(yàn)中，不同處理下土壤細(xì)菌生物量變化特征統(tǒng)計(jì)如 表1 所示。3年春夏茬試驗(yàn)中，AI處理下細(xì)菌生物量季節(jié)變化較對(duì)照組CK顯著提高42.13%、45.59%和35.10%(P<0.05)。3年秋冬茬試驗(yàn)中，AI處理下土壤細(xì)菌生物量季節(jié)變化較對(duì)照組CK顯著提高69.17%、38.41%和43.46%(P<0.05)。

不同處理下根系生物量隨著種植后時(shí)間呈現(xiàn)出“緩慢增加、快速增加、緩慢增加”3個(gè)生長(zhǎng)階段(圖8)。玉米苗期，根系生物量呈緩慢增加趨勢(shì)，不同處理下增加幅度較為一致，玉米進(jìn)入拔節(jié)期后，根系生長(zhǎng)發(fā)育較快，進(jìn)入成熟期后，根系生物量呈小幅度增加，后期有降低趨勢(shì)，但是變化范圍較小。不同試驗(yàn)下，AI處理下根系生物量均高于對(duì)照組，3年試驗(yàn)中，不同處理下土壤溫度變化特征統(tǒng)計(jì)如表1所示，3年試驗(yàn)中，AI處理下根系生物量季節(jié)變化較對(duì)照組CK依次提高19.09%、15.31%、15.30%、22.67%、18.29%、21.30%(P<0.05)。

圖4 不同處理下土壤溫度Fig.4 Soil temperature under different treatments

圖5 不同處理下土壤含氧量Fig.5 Soil oxygen content under different treatments

圖6 不同處理下土壤含水率Fig.6 Soil water content under different treatments

圖7 不同處理下土壤細(xì)菌生物量Fig.7 Soil bacterial biomass under different treatments

圖8 不同處理下玉米根系生物量Fig.8 Maize root biomass under different treatments

2.2 不同處理下土壤呼吸速率與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析(剔除試驗(yàn)中的異常數(shù)據(jù))，土壤呼吸速率與各影響因素的關(guān)系采用線性模型、非線性模型及多項(xiàng)式模型進(jìn)行分段擬合，通過系數(shù)R2篩選出最優(yōu)擬合方程(圖9，黑線表示閾值，超過該閾值的預(yù)測(cè)值表示對(duì)土壤呼吸速率變化具有重要影響)。土壤溫度是影響土壤呼吸速率的重要環(huán)境因子，兩種試驗(yàn)處理下均與土壤呼吸速率之間呈二次多項(xiàng)式負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(圖9a)，AI和CK處理下溫度變化范圍為22.3～32.0℃和19.6～31.8℃，AI處理下，土壤溫度在30.8℃時(shí)土壤呼吸速率達(dá)到峰值5.30 μmol/(m2·s)，CK處理下在29.8℃時(shí)土壤呼吸速率達(dá)到峰值4.5 μmol/(m2·s)。AI和CK處理下當(dāng)土壤溫度達(dá)到31.2℃和30.6℃時(shí)，土壤呼吸速率開始逐漸降低。

含氧量與土壤呼吸速率呈線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(圖9b)，AI和CK處理下土壤含氧量變化范圍為12.5%～17.2%和9.7%～16.1%，AI處理下，土壤含氧量為16.8%時(shí)，土壤呼吸速率達(dá)到峰值，CK處理下，土壤含氧量為16.2%時(shí)，土壤呼吸速率達(dá)到峰值，不同處理下，土壤呼吸速率隨著土壤含氧量的升高而逐漸增強(qiáng)。

含水率與土壤呼吸速率之間呈二次多項(xiàng)式負(fù)相關(guān)(P<0.05)(圖9c)，AI和CK處理下含水率變化范圍為17.0%～46.3%和18.1%～54.1%，AI處理下，土壤含水率為30.0%時(shí)，土壤呼吸速率達(dá)到峰值，當(dāng)土壤含水率為17.0%～32.1%時(shí)，土壤呼吸速率隨著含水率的升高逐漸增強(qiáng)，當(dāng)土壤含水率超過32.1%時(shí)，土壤呼吸速率大致呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；CK處理下，土壤含水率為27.4%時(shí)，土壤呼吸速率達(dá)到峰值，當(dāng)土壤含水率為18.1%～31.5%時(shí)，土壤呼吸速率隨著含水率的升高逐漸增強(qiáng)，當(dāng)土壤含水率超過31.5%時(shí)，土壤呼吸速率整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

土壤呼吸速率與根系生物量之間呈冪函數(shù)正相關(guān)(P<0.05)(圖9d)，AI和CK處理下根系生物量變化范圍為0～37.32 g和0～32.00 g。不同處理下，土壤呼吸速率隨著根系生物量的提升而逐漸增強(qiáng)。AI處理下，當(dāng)根系生物量大于1.93 g時(shí)，土壤呼吸速率開始快速增強(qiáng)，當(dāng)根系生物量達(dá)到35.12 g時(shí)，土壤呼吸速率達(dá)到峰值后保持穩(wěn)定；CK處理下，當(dāng)根系生物量大于3.21 g時(shí)，土壤呼吸速率開始快速增強(qiáng)，當(dāng)根系生物量達(dá)到26.87 g時(shí)，土壤呼吸速率達(dá)到峰值后保持穩(wěn)定。

圖9 不同處理下紅壤土呼吸速率與各影響因子間的回歸擬合及VIP與相關(guān)系數(shù)Fig.9 Regression curves of soil respiration rate and each influence facors under different treatments, VIP and correlation coefficient

土壤呼吸速率與細(xì)菌生物量之間呈指數(shù)函數(shù)正相關(guān)(P<0.05)(圖9e)，AI和CK處理下，細(xì)菌生物量變化范圍為5×108～6×109個(gè)/g和5×108～5×109個(gè)/g。不同處理下，土壤呼吸速率隨著細(xì)菌生物量的增加而逐漸增強(qiáng)。AI處理下，當(dāng)細(xì)菌生物量達(dá)到6×109個(gè)/g時(shí)，土壤呼吸速率達(dá)到峰值；CK處理下，當(dāng)細(xì)菌生物量達(dá)到4.5×109個(gè)/g時(shí)，土壤呼吸速率達(dá)到峰值。

圖9f為土壤呼吸速率與主要環(huán)境因子及生物因子的相關(guān)分析。由圖9f可以看出，土壤呼吸速率與土壤含氧量和根系生物量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.55和0.62；與土壤細(xì)菌生物量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.42；與土壤溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.72，與土壤含水率相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)僅為-0.27。通過PLSR變量重要性投影(VIP)可知，各影響因子對(duì)土壤呼吸影響的主次順序?yàn)椋和寥罍囟?VIP值為1.48)、土壤含氧量(VIP值為1.40)、根系生物量(VIP值為1.25)、細(xì)菌生物量(VIP值為1.09)、土壤含水率(VIP值為0.85)(圖9f)。相關(guān)性分析表明，加氣灌溉下土壤含氧量、根系生物量和細(xì)菌生物量的改變是土壤呼吸速率最關(guān)鍵的影響因子。

3 討論

3.1 不同處理下土壤呼吸速率及土壤影響因子的變化規(guī)律

土壤呼吸是土壤與大氣之間氣體交換的重要途徑，是消耗O2、釋放CO2的過程[2，5]。相關(guān)研究也表明，在通氣性較差、含氧量較低的土壤中，植株根系與土壤微生物生命活動(dòng)受到影響，土壤有氧呼吸會(huì)顯著降低[1]，已有研究表明，加氣灌溉處理可以顯著改善作物根區(qū)土壤含氧量，有效緩解作物根區(qū)的低氧脅迫，從而促進(jìn)土壤呼吸[23]。本研究中，加氣灌溉處理下土壤呼吸速率顯著增大，與對(duì)照組相比土壤呼吸速率提高12.30%～20.54%(圖3)。因此，加氣灌溉處理下可以獲得較高的土壤呼吸速率，一方面是由于土壤含氧量的提高，為植株根系和微生物生命代謝活動(dòng)提供了良好的有氧環(huán)境，提高根系生長(zhǎng)及微生物代謝活力，進(jìn)而增強(qiáng)了土壤呼吸速率(圖3)，另一方面是因?yàn)閷?duì)土壤進(jìn)行加氣處理，可以提高土壤通氣性，促進(jìn)土壤與大氣之間的氣體交換[10]，可以保證土壤呼吸的順利進(jìn)行。文獻(xiàn)[6，8-11，24-25]研究結(jié)果也表明，與常規(guī)地下灌溉相比，土壤呼吸速率增大12.5%～20.1%。

不同處理下土壤溫度差異較小，基本不存在顯著性差異(P>0.05)(圖4)，AI處理下土壤溫度僅部分季節(jié)變化高于CK處理下的土壤溫度，這與于珍珍[20]、朱艷等[21]研究結(jié)果一致。本研究中土壤含水率變化波動(dòng)較大，主要受到降雨和灌溉的影響，降雨主要集中在9—10月，除因降雨導(dǎo)致土壤含水率驟升外，所有試驗(yàn)處理中均為玉米苗期含水率最高，主要是由于玉米播種前澆透底水的原因。加氣灌溉技術(shù)下土壤含水率較對(duì)照組降低12%～20%(圖6)，一是由于加氣灌溉條件下，土壤氧氣含量顯著增大(圖5)，根系缺氧狀況得到明顯改善，植株根系及微生物生命活動(dòng)旺盛[21]，因此作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收優(yōu)于對(duì)照處理，進(jìn)而土壤含水率有所下降；二是由于加氣灌溉提高了土壤通氣性，水分在土壤中擴(kuò)散更加均勻，避免水分在土壤中某一點(diǎn)的堆積，可以提高土壤水分分布均勻度[20]。

加氣灌溉技術(shù)下土壤含氧量較對(duì)照組顯著增大19.90%～25.70%，這一結(jié)果在加氣灌溉相關(guān)研究中均得以證實(shí)。本研究中，由于玉米播種前要澆透水，土壤含水率過高，因此，土壤含氧量在玉米生長(zhǎng)初期較低，隨著玉米生長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在玉米生長(zhǎng)中后期，土壤含氧量變化主要受到土壤溫度和含水率的影響(圖4～6)，一方面主要是由于降雨或灌溉等原因，土壤含水率升高，使土壤CO2不易擴(kuò)散至大氣，并且限制了大氣與土壤之間的O2交換，導(dǎo)致土壤含氧量降低；另一方面，隨著大氣溫度升高，作物根系和土壤微生物呼吸速率增強(qiáng)，因此對(duì)土壤氧氣消耗量增大，土壤含氧量有下降趨勢(shì)，本研究中，加氣處理下即使土壤呼吸作用增強(qiáng),對(duì)土壤氧氣消耗增大，土壤含氧量在玉米整個(gè)生育周期內(nèi)仍高于對(duì)照組CK(圖5)，因此加氣處理可以為根區(qū)土壤提供一個(gè)良好的供氧環(huán)境。

作物根系生長(zhǎng)對(duì)低氧脅迫較為敏感，加氣灌溉下根系生物量較對(duì)照組提高15.30%～22.67%，主要是由于土壤環(huán)境的改善為作物根系生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境，滿足根系對(duì)土壤氧氣的需求，增強(qiáng)了作物根系對(duì)土壤水分及養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育。不同處理下，土壤根系生物量隨著玉米生長(zhǎng)呈現(xiàn)苗期到拔節(jié)期緩慢增長(zhǎng)，玉米苗期根系生長(zhǎng)較為緩慢，在玉米拔節(jié)期到抽雄期，玉米根系快速生長(zhǎng)，在玉米灌漿期達(dá)到最大值后趨于平緩(圖8)，該階段稱為玉米的“生殖階段”，主要是玉米籽粒的灌漿與生長(zhǎng)。加氣灌溉在改善土壤通氣性的基礎(chǔ)上提高微生物活性，AI處理下可以顯著提高土壤細(xì)菌生物量，較對(duì)照組提高35.10%～69.17%，且隨著年份的增加作用效果越顯著(圖7)。土壤細(xì)菌生物量的季節(jié)變化趨勢(shì)均與土壤呼吸類似，即在春夏茬試驗(yàn)中，細(xì)菌生物量均大體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而秋冬茬試驗(yàn)中均大體呈現(xiàn)先增大后下降的季節(jié)變化趨勢(shì)(圖3～7)。

3.2 不同處理下土壤呼吸速率與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性分析

土壤溫度、含水率及含氧量是影響土壤呼吸速率變化的主要土壤環(huán)境因子。土壤溫度與土壤呼吸速率密切相關(guān)，幾乎全面影響了土壤呼吸，包括腐殖質(zhì)分解、根系生長(zhǎng)及土壤微生物各項(xiàng)生命活動(dòng)的進(jìn)行[26]。LIU等[27]認(rèn)為溫度變化可以解釋土壤呼吸速率變化的大部分變異。本研究中，土壤溫度與土壤呼吸速率峰值也具有高度對(duì)應(yīng)性(圖3、4)。大氣溫度整體是持續(xù)上升的，因此土壤溫度呈持續(xù)上升的季節(jié)變化趨勢(shì)，受土壤溫度的影響，土壤呼吸速率也呈持續(xù)上升的變化趨勢(shì)。土壤呼吸季節(jié)變化均是玉米苗期最低，除了2021年秋冬茬試驗(yàn)是在玉米抽雄期左右達(dá)到峰值以外，其它試驗(yàn)均是在玉米灌漿期達(dá)到峰值后，再呈持續(xù)下降的季節(jié)變化趨勢(shì)。一方面可能是由于玉米前期生長(zhǎng)并不旺盛，因此土壤呼吸受到限制；另一方面可能是由于玉米苗期土壤含水率過高，而土壤含氧量較低，因此土壤呼吸速率也可能是受到土壤含水率和含氧量的限制。而在玉米灌漿期，土壤和大氣溫度相對(duì)較高，此時(shí)玉米生命活動(dòng)也逐漸旺盛，因此土壤呼吸速率在此時(shí)達(dá)到最高值，2021年秋冬茬試驗(yàn)在玉米灌漿期左右氣溫驟降8℃左右，對(duì)土壤呼吸速率產(chǎn)生影響。但是本研究通過對(duì)土壤溫度與土壤呼吸速率進(jìn)行回歸擬合可知，土壤溫度與土壤呼吸速率呈二次多項(xiàng)式負(fù)相關(guān)(圖9a)，當(dāng)土壤溫度達(dá)到31.2、30.6℃時(shí)，土壤呼吸速率開始逐漸降低，這與文獻(xiàn)[6，8]研究不一致，主要是由于試驗(yàn)地點(diǎn)及試驗(yàn)氣候不同造成的，ARREDONDO等[28]相關(guān)研究表明，溫度過高會(huì)對(duì)土壤呼吸速率產(chǎn)生一定抑制作用。

本研究中，不同處理下土壤含氧量與土壤呼吸呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(圖9b)，文獻(xiàn)[28-30]研究結(jié)果表明，土壤呼吸與土壤氣體擴(kuò)散速率呈顯著正相關(guān)，隨著土壤氣體擴(kuò)散速率的增大而增大，臧明[7]、朱艷等[8]研究也表明，土壤含氧量與土壤呼吸速率為正相關(guān)關(guān)系，與本研究結(jié)果一致。土壤含水率也是影響土壤呼吸作用的主要控制因子，通過擬合分析，土壤含水率與土壤呼吸速率呈二次負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖9c)，當(dāng)土壤含水率在24.5%～35.2%之間時(shí)，土壤呼吸速率隨著土壤含水率的變化不顯著，侯毛毛等[31]研究表明，只有當(dāng)土壤含水率低于或高于閾值時(shí)，土壤呼吸速率才與土壤含水率呈顯著相關(guān)，當(dāng)土壤含水率介于24.5%～36.7%之間時(shí)，與土壤呼吸速率相關(guān)性較弱。本研究中，土壤含水率主要集中在24.5%～35.2%之間，而當(dāng)土壤含水率低于20.4%或高于40.2%時(shí)，對(duì)土壤呼吸速率的變化趨勢(shì)造成明顯的改變(圖9c)，這是由于土壤含水率升高，土壤中的通氣性變差，土壤含氧量降低，土壤呼吸受到抑制，CO2無法向大氣中擴(kuò)散，所以土壤呼吸會(huì)發(fā)生驟降。

土壤呼吸不僅受到土壤非生物因子的影響，但是更多地是受到生物因子的制約，土壤中植株根系及微生物數(shù)量是影響土壤呼吸速率的重要生物因素[22]。土壤微生物呼吸占土壤呼吸的40%，根系呼吸占土壤呼吸的40%～50%，其余為土壤中的凋落物和有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生CO2。前人研究表明，土壤微生物量的增加會(huì)增強(qiáng)土壤呼吸，土壤呼吸速率隨著土壤細(xì)菌生物量和根系生物量的升高而逐漸增強(qiáng)[32]。本研究中根系生物量與土壤呼吸速率呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系(圖9d)，細(xì)菌生物量與土壤呼吸速率呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系(圖9e)，這與前人研究結(jié)論一致。

本研究AI和CK處理下土壤呼吸速率對(duì)各影響因素的敏感性有差異。通過變量重要性投影(VIP)可知，各影響因子對(duì)土壤呼吸影響的主次順序?yàn)椋和寥罍囟?VIP值為1.48)、土壤含氧量(VIP值為1.40)、根系生物量(VIP值為1.25)、細(xì)菌生物量(VIP值為1.09)、土壤含水率(VIP值為0.85)(圖9f)。本研究土壤含水率大部分處于一個(gè)較為適宜的水平，因此對(duì)土壤呼吸影響不顯著，只有當(dāng)土壤含水率低于20.4%或高于40.2%時(shí)，對(duì)土壤呼吸的變化趨勢(shì)造成明顯的改變(圖9c)。土壤細(xì)菌及根系生物量對(duì)土壤碳釋放起著至關(guān)重要的作用[33]，然而，土壤微生物和植物根系的功能可能存在顯著冗余，土壤生物特性在一定閾值以下的變化對(duì)土壤功能的影響可能很小[34]，因此，土壤微生物和植物根系礦化受到溫度、含氧量、pH值及活性有機(jī)質(zhì)含量等土壤非生物因子的強(qiáng)烈調(diào)控，這與本研究結(jié)果一致。盡管加氣灌溉對(duì)提升土壤溫度有一定的影響，但是效果并不顯著，土壤溫度的變化主要與大氣溫度有關(guān)(圖4)，與是否進(jìn)行加氣處理關(guān)系不大。因此，可以認(rèn)為土壤含氧量、根系生物量和細(xì)菌生物量是加氣灌溉作用下影響土壤呼吸速率最重要的環(huán)境與生物因素。

4 結(jié)論

(1)通過2019—2021年連續(xù)3年共6茬試驗(yàn)研究得出，不同處理下，玉米不同生育階段土壤呼吸速率均呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。與對(duì)照組CK相比，AI處理后土壤呼吸速率可以提高12.30%～20.54%，土壤含氧量、根系生物量及細(xì)菌生物量分別提高19.90%～25.70%、15.30%～22.67%、35.10%～69.17%，土壤含水率降低3.36%～14.30%，不同處理對(duì)土壤溫度影響不顯著。

(2)相關(guān)性分析表明，AI與CK處理下，土壤溫度、土壤含水率均與土壤呼吸速率呈二次多項(xiàng)式負(fù)相關(guān)，土壤含氧量與土壤呼吸速率呈線性正相關(guān)(P<0.05)，根系生物量與土壤呼吸速率呈冪函數(shù)正相關(guān)，土壤細(xì)菌生物量與土壤呼吸速率呈指數(shù)正相關(guān)，土壤呼吸速率均隨著土壤含氧量、根系生物量和細(xì)菌生物量的升高逐漸增強(qiáng)，當(dāng)土壤溫度高于30.6℃、土壤含水率高于40.2%時(shí)，土壤呼吸速率開始逐漸降低。

(3)變量重要性投影(VIP)表明，土壤呼吸速率對(duì)各影響因素的敏感性有差異，各影響因子對(duì)土壤呼吸影響的主次順序?yàn)椋和寥罍囟?VIP值為1.48)、土壤含氧量(VIP值為1.40)、根系生物量(VIP值為1.25)、細(xì)菌生物量(VIP值為1.09)、土壤含水率(VIP值為0.85)。綜上，加氣灌溉技術(shù)主要通過提高土壤含氧量、根系生物量和細(xì)菌生物量對(duì)土壤呼吸速率產(chǎn)生影響。