商雨晴 解夢(mèng)怡 王俊 張少宏

摘要：基于9a秸稈和地膜覆蓋旱作玉米農(nóng)田定位試驗(yàn)，采集土壤樣品進(jìn)行了室內(nèi)恒溫培養(yǎng)，對(duì)比分析了氮添加與否對(duì)土壤呼吸過(guò)程的影響。結(jié)果表明，在60d培養(yǎng)期中，土壤呼吸速率呈現(xiàn)先上升后下降而后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)，并在15d左右達(dá)到最大值;土壤CO2累積排放量程“S”型上升趨勢(shì)，30d后趨于平緩，前30d的排放量占整個(gè)培養(yǎng)期的80％～90％。覆蓋方式和氮添加對(duì)土壤呼吸具有顯著影響，但二者無(wú)交互作用。與不覆蓋對(duì)照相比，秸稈覆蓋土壤呼吸速率平均提高了16.4％，CO2累積排放量提高了15.1％ （P<0.05），而地膜覆蓋與對(duì)照無(wú)顯著差異;與不加氮相比，氮添加處理土壤呼吸速率提高了44.7％，CO2累積排放量提高了39.1％（P<0.05）?？偟貋?lái)看，長(zhǎng)期秸稈覆蓋較地膜覆蓋提高了土壤固碳能力，并刺激了土壤呼吸排放，而氮添加在短期內(nèi)可顯著加速旱作玉米農(nóng)田覆蓋措施下土壤碳釋放過(guò)程。

關(guān)鍵詞：土壤呼吸;秸稈覆蓋;地膜覆蓋;氮添加

中圖分類號(hào)：S153.6

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-05-003 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Response of soil respiration to nitrogen addition under differentmulching measures in a dryland corn field

SHANG Yuqing， XIE Mengyi， WANG Jun， ZHANG Shaohong

（College of Urban and Environmental Science， Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and

Environmental Carrying Capacity， Northwest University， Xi′an 710127， China）

Abstract： Soil samples were collected from a dryland spring corn field mulched with straw and plastic film for nine years， and incubated with and without nitrogen addition at a rate of 500 kg·hm-2. Soil respiration was measured for 60 d. Soil respiration rate peaked at 15 d after incubation and then decreased gradually. The cumulative CO2 emission varied in a shape of "S" and stabilized after 30 d. The emission in the first 30 d accounted for 80％～90％ of the total emission for 60 d incubation. Both mulching measures and nitrogen addition had significant effects on soil respiration， but the interaction between them was not significant. Compared with the soil without mulching， when averaged across nitrogen addition， the soil with straw mulching had a higher soil respiration rate by 16.4％， and a higher cumulative CO2 emission by 15.1％ （P<0.05）， respectively. While plastic film mulching had no effect on soil respiration rate and cumulative CO2 emission. When averaged across mulching measures， nitrogen addition increased soil respiration rate by 44.7％ and cumulative CO2 emission by 39.1％ （P<0.05）， respectively. Overall， long term straw mulching can stimulate soil respiration due to the enhancement of soil carbon and nitrogen sequestration， while nitrogen addition can significantly increase soil carbon release under surface mulching in the short term in dryland corn system.

Key words： soil respiration; straw mulching; plastic film mulching; nitrogen addition

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣輸出碳的主要途徑，是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分［1］。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為人為干擾最強(qiáng)烈的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型，其呼吸速率微小的變化，也可能會(huì)造成大氣CO2濃度的重大改變，影響全球尺度碳循環(huán)過(guò)程［2］。同時(shí)土壤呼吸能反映土壤有機(jī)碳的礦化程度、土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況以及土壤微生物代謝活性，因而也成為農(nóng)田土壤肥力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一［3］，近年來(lái)備受關(guān)注。

在黃土高原地區(qū)，地表覆蓋措施（秸稈覆蓋或地膜覆蓋）因其具有顯著的蓄水、保墑、增產(chǎn)效應(yīng)而得到了大面積的推廣。研究表明，地表覆蓋秸稈或地膜顯著改變了土壤水熱條件及理化性質(zhì)，進(jìn)而會(huì)影響到土壤呼吸過(guò)程和農(nóng)田土壤碳循環(huán)過(guò)程，然而秸稈或地膜覆蓋究竟如何影響土壤呼吸，現(xiàn)有研究結(jié)論不一。例如，官情等［4］在渭北旱塬的研究表明，秸稈和地膜覆蓋在冬小麥越冬至成熟期間均顯著促進(jìn)了土壤CO2的釋放，而李昌珍等［5］在關(guān)中灌區(qū)夏玉米農(nóng)田的研究表明，秸稈覆蓋顯著降低了土壤呼吸速率，孫小花等［6］通過(guò)對(duì)黃土高原旱地的研究，也表明秸稈和地膜覆蓋等保護(hù)性耕作措施，均能不同程度地降低土壤呼吸。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展過(guò)程中常通過(guò)大量投入化肥來(lái)提高作物的產(chǎn)量，特別是氮肥的投入［7］。氮的大量施用同樣會(huì)影響到土壤呼吸過(guò)程，但是目前研究結(jié)果不一。例如劉合明等［8］的研究表明，氮肥可促進(jìn)土壤CO2排放，且土壤呼吸速率會(huì)隨氮素含量的增加而增加［9］。而Wilson和Ai-Kaisi［10］發(fā)現(xiàn)，在大豆-玉米輪作系統(tǒng)中，施氮導(dǎo)致土壤呼吸速率降低了31％。也有研究表明施氮對(duì)土壤呼吸并無(wú)顯著影響［11-12］，秸稈和地膜覆蓋改變了土壤碳組分和微生物群落，土壤性質(zhì)發(fā)生了變化［13-15］，微生物呼吸的底物發(fā)生變化而可能對(duì)氮添加的響應(yīng)有差異。目前相關(guān)研究較多地討論了氮肥對(duì)不同類型農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化的影響，而與農(nóng)田管理措施（秸稈覆蓋和地膜覆蓋等）相結(jié)合的研究尚待進(jìn)一步深入展開(kāi)。

該文基于旱作春玉米地表覆蓋定位試驗(yàn)，通過(guò)采集土壤樣品進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究了秸稈和地膜覆蓋措施下，農(nóng)田土壤呼吸作用及其對(duì)外源氮添加的響應(yīng)，旨在進(jìn)一步加深對(duì)地表覆蓋和氮肥復(fù)合管理措施下，黃土高原旱作農(nóng)田土壤碳循環(huán)過(guò)程的理解。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于陜西省長(zhǎng)武縣十里鋪村南1 km的黃土旱塬上（107°45′E， 35°12′N），海拔1 200 m，塬面地勢(shì)平坦，屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫為9.1 ℃， 年平均降水為579 mm， 且55％以上降水集中在7～9月，年際間降水分配不均。該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴生育期的天然降水和前期土壤蓄水，屬于典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤屬黏壤質(zhì)黑壚土，母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土，土層深厚，土質(zhì)疏松，肥力中等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

春玉米覆蓋試驗(yàn)布設(shè)于2009年4月，設(shè)秸稈覆蓋（SM）、地膜覆蓋（FM）、不覆蓋對(duì)照（CK）三個(gè)處理。各處理重復(fù)3次，共9個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積66.7 m2。春玉米于每年4月中旬播種，9月中旬收獲，秸稈覆蓋處理使用收獲后的整株玉米秸稈于玉米播種后均勻覆蓋于行間，覆蓋量為9 000kg·hm-2。地膜覆蓋處理采用1.2 m寬白色透明地膜覆蓋整個(gè)小區(qū)。秸稈與地膜覆蓋措施均為生育期全程覆蓋。收獲后清除秸稈或地膜，試驗(yàn)田隨之閑置。播種前松土并施加基肥。供試化肥為尿素（N≥46.6％）和過(guò)磷酸鈣（總P2O5≥43％）。各小區(qū)施基肥N為135kg·hm-2，P2O5為90 kg·hm-2。作物生長(zhǎng)期間不追肥、不灌溉，人工除草［16-17］。

2017年9月15日春玉米收獲后，以“S”形五點(diǎn)采樣法采集各小區(qū) 0～20 cm 的土樣，混合均勻。土樣采回后，立即過(guò)2mm篩，剔除石塊和動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)后，充分混合均勻，部分土壤樣品自然風(fēng)干后用于土壤性質(zhì)的測(cè)定，另一部分鮮土裝入培養(yǎng)瓶測(cè)定呼吸作用。培養(yǎng)試驗(yàn)以不同覆蓋方式為主處理，氮添加為副處理，包括不加氮（N0）和施氮500 kg·hm-2（N1）兩個(gè)水平，總計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。

分別稱取過(guò)2mm篩的鮮土500 g于1L的玻璃培養(yǎng)瓶中，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將尿素以溶液的形式一次性加入培養(yǎng)瓶中，然后用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量（田間最大持水量的60％）。操作完成后，擰緊瓶蓋于黑暗條件下控溫控濕培養(yǎng)（25℃），為期總計(jì)60d。培養(yǎng)期間每隔兩天采用稱重法調(diào)節(jié)土壤含水量保持恒定。培養(yǎng)結(jié)束后取出一部分新鮮的土壤，風(fēng)干以測(cè)定土壤的有機(jī)碳和全氮含量。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

在培養(yǎng)開(kāi)始后的1～40d逐日以及第42d，45d，53d，60d，使用LI-840A土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定土壤呼吸速率。本試驗(yàn)中使用的培養(yǎng)瓶為1L容積的廣口玻璃瓶，蓋子上帶有兩個(gè)通氣閥，連接兩個(gè)不同長(zhǎng)度的聚乙烯透明通氣管，一個(gè)為進(jìn)氣管，一個(gè)出氣管使與儀器連接可以抽取氣體，兩個(gè)通氣閥在培養(yǎng)期間擰成豎直打開(kāi)的狀態(tài)，使土壤通氣，保持培養(yǎng)瓶中氧氣充足［18］。測(cè)定時(shí)將通氣閥與 LI-840A系統(tǒng)連接成閉路系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。土壤CO2的累積排放量采用加權(quán)累積法進(jìn)行計(jì)算［19］。

土壤有機(jī)碳和全氮含量測(cè)定［17］時(shí)稱取3g風(fēng)干土，用10％稀鹽酸去除土樣中無(wú)機(jī)碳，過(guò)0.15 mm篩，然后用EA3000元素分析儀測(cè)定。土壤pH采用電位法測(cè)定（水土比為2.5∶1）。

1.4 數(shù)據(jù)的處理與分析

使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比較，并用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P<0.05），使用Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 培養(yǎng)前土壤化學(xué)性質(zhì)

土壤理化性質(zhì)經(jīng)過(guò)9a的秸稈和地膜覆蓋后均表現(xiàn)出顯著差異（表1）。與CK和SM相比，F(xiàn)M處理土壤pH顯著下降。SM處理土壤有機(jī)碳和全氮含量較CK分別提高了7.79％和17.53％（P<0.05），而FM與CK差異不顯著。與CK相比，F(xiàn)M，SM土壤碳氮比分別降低了4.38％和8.32％（P<0.05）。

2.2 土壤呼吸速率與CO2累積釋放

各處理土壤呼吸速率隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化如圖1所示，覆蓋措施和氮添加均對(duì)土壤呼吸速率有極顯著影響，但二者無(wú)顯著交互作用（表2）。整體來(lái)看，土壤呼吸速率呈現(xiàn)先上升后下降而后逐漸平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。培養(yǎng)前15d呼吸速率快速上升， N1處理呼吸速率第12d達(dá)到峰值（0.20～0.26 mol·m-2·d-1），而N0呼吸峰值則推遲到第17d（0.13～0.19 mol·m-2·d-1）。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，呼吸速率逐漸下降，并于30d后逐漸平穩(wěn)恢復(fù)至初期基礎(chǔ)呼吸水平。平均來(lái)看，SM呼吸速率較CK提高了16.36％（P<0.05），而FM與CK差異不顯著。不同覆蓋處理平均來(lái)看，N1土壤呼吸速率較N0提高了44.68％（P<0.05）。

土壤CO2累積排放動(dòng)態(tài)如圖2所示。整體來(lái)看CO2累積排放量呈“S”型上升趨勢(shì)，30d之后趨于平緩，前30d的CO2排放量占整個(gè)培養(yǎng)期的80％～90％。與土壤呼吸速率相同，覆蓋方式和氮添加均對(duì)土壤CO2累積排放量有顯著影響，但二者交互作用不顯著（表2）。與CK相比，SM的累積排放量平均增加了15.12％（P<0.05），而FM與CK處理差異不顯著。與N0相比，N1處理土壤CO2累積排放量平均增加了39.11％（P<0.05）。

2.3 培養(yǎng)后土壤有機(jī)碳和全氮

表3為培養(yǎng)后土壤有機(jī)碳和全氮含量。與培養(yǎng)前相比，恒溫培養(yǎng)60d后各處理土壤有機(jī)碳和全氮含量均有不同程度地降低，覆蓋措施和氮添加對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮均具有顯著影響，但二者交互作用不顯著（表4）。與在不同氮素水平上，各覆蓋處理間有機(jī)碳和全氮含量的差異與培養(yǎng)前相似，SM處理有機(jī)碳和全氮含量均顯著高于CK和FM處理，且CK和FM處理間無(wú)顯著差異。在不同覆蓋處理下，N0處理有機(jī)碳含量均高于N1處理，相反，經(jīng)過(guò)60d培養(yǎng)后，不同覆蓋處理下均表現(xiàn)為N1處理全氮含量高于N0處理。

2.4 土壤CO2累積排放量與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

培養(yǎng)60d的土壤CO2累積排放量和土壤初始的有機(jī)碳和全氮含量都呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系（表5），表明土壤初始有機(jī)碳和全氮含量越高，培養(yǎng)期內(nèi)CO2累積排放量越大。在N0、N1條件下，有機(jī)碳變化分別可以解釋97％，92％的土壤呼吸變異，全氮含量分別可以解釋62％，70％的土壤呼吸變異。

3 結(jié)果與討論

培養(yǎng)前期，土壤呼吸速率快速升高，排放的CO2迅速增多，這是由于微生物活性尚未恢復(fù)［20］，因而培養(yǎng)的前15d為恢復(fù)期，呼吸速率呈上升趨勢(shì)并達(dá)最大值，此時(shí)微生物活性也達(dá)到最大（圖1）。而后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，微生物利用的碳、氮源底物逐漸減少，呼吸速率逐漸下降，培養(yǎng)后期呼吸速率趨于平穩(wěn)，保持在微弱的呼吸速率水平，CO2累積值變化趨于平緩，這與張旭博等［21］、艾麗等［22］、Mondini等［23］的研究結(jié)果一致。主要原因在于，土壤呼吸是微生物通過(guò)呼吸作用分解土壤中有機(jī)碳的生物化學(xué)過(guò)程，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，土壤中易分解的有機(jī)物質(zhì)逐漸被土壤微生物所分解而含量降低，在活性碳源和氮源大量減少或耗竭條件下，土壤微生物為了適應(yīng)生存環(huán)境開(kāi)始分解較難分解的有機(jī)物質(zhì)，分解速率下降，微生物的呼吸等代謝強(qiáng)度減弱，釋放CO2的強(qiáng)度逐漸降低。

土壤呼吸作用與土壤初始碳氮含量密切相關(guān)。不同覆蓋措施會(huì)造成土壤性質(zhì)尤其是有機(jī)碳含量發(fā)生改變，進(jìn)而影響土壤呼吸過(guò)程。本研究中進(jìn)行9a秸稈覆蓋后土壤有機(jī)碳和全氮含量顯著增加（表1），這與Mulumba L N等［24］、田亞男等［25］的研究結(jié)果一致。原因在于秸稈覆蓋改變了表層土壤水熱條件，促進(jìn)土壤會(huì)微生物代謝活動(dòng)，加速秸稈腐解過(guò)程，增加了有機(jī)質(zhì)輸入，同時(shí)秸稈覆蓋也可以通過(guò)改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)提高碳氮固持能力［24］，而與秸稈覆蓋不同，地膜覆蓋具有更好的保水增溫效果，能夠加速土壤有機(jī)碳的礦化分解，提高土壤碳的周轉(zhuǎn)速率，然而土壤有機(jī)質(zhì)含量是有機(jī)質(zhì)輸入與礦化兩個(gè)過(guò)程相平衡的結(jié)果［26-27］，本研究地膜覆蓋可能只是提高了土壤碳的周轉(zhuǎn)，而對(duì)有機(jī)碳氮含量并沒(méi)有產(chǎn)生顯著的影響（表1）， 這與卜玉山等［28］、王淑蘭等［29］的研究結(jié)果一致。

經(jīng)過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)，秸稈覆蓋措施下土壤呼吸速率和累積碳排放量均顯著大于不覆蓋對(duì)照處理，而地膜覆蓋與對(duì)照相比無(wú)顯著差異，這應(yīng)該與兩種覆蓋措施下的土壤有機(jī)碳含量差異有關(guān)。秸稈覆蓋土壤具有更多的底物供應(yīng)，尤其是活性態(tài)有機(jī)碳含量［30-31］，顯著刺激了土壤呼吸過(guò)程。另一方面，土壤全氮含量與土壤呼吸的累積碳排放量也呈正相關(guān)，與徐麗等［32］、陳吉等［33］的研究相一致。本研究結(jié)果還顯示培養(yǎng)期內(nèi)地膜覆蓋處理的土壤在前期呼吸速率是大于對(duì)照的，這可能與土壤活性碳組分和微生物群落特征有關(guān)［34］。雖地膜覆蓋處理對(duì)有機(jī)碳和全氮含量無(wú)顯著影響，但室內(nèi)培養(yǎng)提供了適宜的水熱條件，利于土壤微生物活性和數(shù)量的快速提高，在培養(yǎng)前期加速底物消耗速率。由于土壤有機(jī)碳、全氮含量與不覆蓋無(wú)顯著差異，在培養(yǎng)后期可供消耗的底物差異不大，導(dǎo)致土壤CO2累積釋放與無(wú)覆蓋處理相比無(wú)顯著差異。

楊麗霞等［35］的研究表明，隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，分解速率趨于平穩(wěn)時(shí)，有機(jī)碳分解達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)，土壤有機(jī)碳含量在一定程度上能代表土壤固碳能力。本研究培養(yǎng)結(jié)束時(shí)秸稈覆蓋土壤有機(jī)碳含量顯著高于地膜覆蓋和不覆蓋處理（表3），可以看出秸稈覆蓋土壤有機(jī)碳的固持能力顯著大于地膜覆蓋和無(wú)覆蓋。

氮添加顯著促進(jìn)了土壤呼吸作用，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的礦化分解，這與牛百成等［36］的研究結(jié)果一致。其主要原因在于，氮添加導(dǎo)致土壤碳氧比大幅下降。隨著土壤氮素有效性的提高，土壤微生物需消耗更多的碳來(lái)維持其活性，從而刺激微生物分解更多的土壤有機(jī)質(zhì)，提高土壤呼吸速率和CO2累積釋放。本研究中覆蓋措施和氮添加對(duì)土壤呼吸的影響并未表現(xiàn)出顯著的交互影響，表明后期外源氮添加并不會(huì)改變由于長(zhǎng)期覆蓋措施不同所導(dǎo)致的土壤微生物代謝方式差異，而只是簡(jiǎn)單提高了微生物代謝速率，這與王方超［37］在森林土壤響應(yīng)大氣氮沉降的結(jié)果不同，可能是森林土壤與農(nóng)田土壤有機(jī)物輸入存在較大差異所致，如何通過(guò)氮肥和覆蓋措施之間的協(xié)同管理提高農(nóng)田固碳減排能力尚待進(jìn)一步探索。

4 結(jié) 語(yǔ)

旱作農(nóng)田地表覆蓋措施和添加氮肥均顯著影響著土壤呼吸過(guò)程，短期培養(yǎng)試驗(yàn)顯示土壤呼吸均呈現(xiàn)單峰型變化，峰值出現(xiàn)在15d左右，而土壤CO2累積排放量程“S”型上升趨勢(shì)，前30d的排放量占整個(gè)培養(yǎng)期的80％～90％。與不覆蓋相比，長(zhǎng)期秸稈覆蓋增加了有機(jī)質(zhì)輸入，提高了土壤碳氮含量，并進(jìn)一步促進(jìn)了土壤呼吸作用，而長(zhǎng)期地膜覆蓋后并沒(méi)有顯著增加土壤碳氮庫(kù)存，對(duì)培養(yǎng)期間的土壤呼吸影響不顯著。外源氮添加顯著刺激了土壤呼吸作用，但與覆蓋措施之間沒(méi)有交互影響，今后應(yīng)注重地表覆蓋和氮肥的協(xié)同管理以進(jìn)一步提高農(nóng)田土壤固碳減排能力。

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（編 輯 李 波，邵 煜）