王曉嬌，蔡立群，齊鵬，王雅芝，陳曉龍，武均，2，4，張仁陟

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，甘肅 蘭州730070；4.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州730070）

氮肥在農(nóng)業(yè)發(fā)展中扮演著重要的角色，其使全球糧食產(chǎn)量增加了40%～50%，然而，氮肥過量施用對(duì)土壤造成的損害與日俱增，損失土壤有機(jī)碳、引起土壤板結(jié)化、加劇“溫室效應(yīng)”、促進(jìn)土壤面源污染［1］。在此背景下，我國提出化肥“零增長計(jì)劃”、“化肥減量、有機(jī)肥替代”等一系列政策，有機(jī)物料替代化肥的土壤培肥措施逐步開始在農(nóng)田大面積應(yīng)用，其目的是降低化肥施用量，減少環(huán)境問題。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放作為陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放的重要分支之一［2］，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)乃至全球碳排放的影響巨大［3］，預(yù)計(jì)到21 世紀(jì)末，全球平均地表溫度將升高1～4 ℃［4?5］。農(nóng)田土壤CO2排放主要由土壤有機(jī)質(zhì)的微生物分解驅(qū)動(dòng)，有機(jī)物料培肥將攜帶大量碳輸入農(nóng)田土壤提升土壤有機(jī)質(zhì)［6］，從而影響土壤CO2排放。因此，在提高產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，分析不同培肥模式下農(nóng)田土壤CO2排放、作物碳排放效率和土壤碳庫管理指數(shù)成為評(píng)估環(huán)境友好培肥模式的重要依據(jù)。

已有研究表明，不同培肥措施下土壤CO2排放的差異很大，利用田間試驗(yàn)［7?8］、模型［9］、meta 分析［10?11］等方式研究得出有機(jī)物料通過向土壤輸入外源碳提高土壤有機(jī)碳的積累和增強(qiáng)土壤微生物的活性刺激增加土壤CO2排放量，也有部分研究表明農(nóng)田土壤CO2排放量在常規(guī)施肥、優(yōu)化施肥和有機(jī)肥配合優(yōu)化施肥等處理間差異不顯著［12］。有機(jī)物料投入與單施氮肥相比對(duì)產(chǎn)量的影響結(jié)果存在爭議，部分學(xué)者認(rèn)為等氮添加下有機(jī)物料施肥與單施氮肥間無差異［13］，也有學(xué)者的研究表明有機(jī)物料施肥后產(chǎn)量會(huì)下降，從而也導(dǎo)致了碳排放效率的差異［14?15］。土壤碳庫管理指數(shù)是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和管理措施的重要指標(biāo)［16］，現(xiàn)有在灰漠土、黑土、褐土、紅壤和棕壤等的研究認(rèn)為含有機(jī)物料的培肥措施對(duì)土壤活性有機(jī)碳和碳庫管理指數(shù)、微生物特征都有提高作用，其中有機(jī)無機(jī)配施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提高較大［13］，但研究大多集中在小麥（Triticum aestivum）、水稻（Oryza sativa）農(nóng)田，多以短期試驗(yàn)較多，對(duì)旱土高原玉米（Zea mays）農(nóng)田的中長期定位試驗(yàn)研究較少［17?19］；大多數(shù)值模擬和短期田間試驗(yàn)的研究結(jié)果表明土壤CO2排放通量受溫度、水分、施肥措施和有機(jī)物料類型等因素影響［20］，在與土壤活性有機(jī)碳、脲酶、蔗糖酶和微生物數(shù)量的關(guān)系研究方面存在一定爭議［16，21?23］，陳哲［24］的研究認(rèn)為土壤CO2排放通量與活性有機(jī)碳無相關(guān)關(guān)系，張文麗［25］的研究認(rèn)為其與活性有機(jī)碳、微生物碳氮比有一定的關(guān)系。在黃土高原地區(qū)，外源有機(jī)物料的添加對(duì)土壤CO2排放量的影響因子研究大多停留在溫度和水分［26?29］，運(yùn)用結(jié)構(gòu)方程方法使相關(guān)的土壤碳庫、理化性質(zhì)、微生物特征因子整體來解釋CO2排放機(jī)制缺乏文獻(xiàn)支持［20］。

甘肅隴中黃土高原旱作區(qū)環(huán)境惡劣，發(fā)展旱作糧飼兼用玉米是緩解糧食供需矛盾，解決資源性缺水雙重壓力的必然選擇［30］，選擇增產(chǎn)減排的旱作玉米培肥模式尤為重要。本研究以甘肅隴中黃土高原旱作玉米農(nóng)田長期定位試驗(yàn)（2012 年布設(shè)）為研究對(duì)象，研究旱作玉米農(nóng)田土壤碳排放特征、產(chǎn)量、土壤理化指標(biāo)及微生物特征對(duì)不同培肥措施的響應(yīng)及土壤碳排放的影響機(jī)制。旨在明確：1）不同培肥措施下土壤CO2排放特征、產(chǎn)量、作物碳排放效率和碳庫管理指數(shù)，尋找增產(chǎn)減排的培肥模式；2）不同培肥措施下水分、溫度、有機(jī)碳、微生物量碳氮、脲酶、蔗糖酶等因子的變化特征；3）環(huán)境因子對(duì)土壤CO2排放通量的影響機(jī)制。以期為黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)選擇提升作物產(chǎn)量和環(huán)境友好的培肥模式以及為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站，屬黃土高原西部甘肅隴中半干旱丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)是典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，海拔2000 m 左右，日照時(shí)數(shù)2476.6 h，年 均 太 陽 輻 射594.7 kJ·cm?2，年 均 氣 溫6.4 ℃，≥10 ℃年積溫為2239.1 ℃，年均無霜期140 d，多年平均降水量390.9 mm，2018 年降水量472.05 mm（圖1），年蒸發(fā)量達(dá)到1531.0 mm，干燥度2.53；土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)綿軟，土層深厚，質(zhì)地均勻，儲(chǔ)水性能良好，耕層肥力低（表1）。

圖1 2018 年研究區(qū)月降水量分布Fig.1 Monthly precipitation distribution of study area in 2018

表1 試驗(yàn)地土壤主要理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties of experimental field

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)氮肥用量（N 200 kg·hm?2）為標(biāo)準(zhǔn)，采用等氮投入的方法設(shè)置5個(gè)處理：空白對(duì)照（CK）、氮肥（nitrogen fertilizer，NF，N 200 kg·hm?2）、有機(jī)肥（organic manure，OM，6000 kg·hm?2）、玉米秸稈（straw，ST，28500 kg·hm?2）、有機(jī)肥結(jié)合氮肥（organic manure combined with nitrogen fertilizer，OMNF，N 100 kg·hm?2+3000 kg·hm?2），3 次重復(fù)。氮肥為尿素（含氮量46%），有機(jī)肥、秸稈均采用等氮投入的方法，通過其含氮量（有機(jī)肥3.3%、秸稈0.7%）折算投入量，磷肥為過磷酸鈣，含P2O516%，氮肥處理用量為150 kg·hm?2，有機(jī)肥結(jié)合氮肥處理用量為75 kg·hm?2。施肥方式為播種前一次性投入，耕作方式為旋耕，玉米秸稈粉碎還田（切割為5 cm 左右）后旋耕，與土壤均勻混合，起壟，地膜覆蓋，小區(qū)面積為42.9 m2（3.3 m×13.0 m），小區(qū)間走道50 cm。試驗(yàn)從2012 年開始，本研究2018 年開始，參試玉米品種為“先玉335”，各處理播種量均為5.25 萬株·hm?2，玉米于4 月25 日用點(diǎn)播器進(jìn)行播種，10 月15 日收獲。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤CO2排放速率 在玉米的生育期內(nèi)，選擇無雨天氣，用LI-8100 A 開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)（LICOR，USA）進(jìn)行田間土壤CO2排放通量測定。每個(gè)小區(qū)安放1 個(gè)土壤呼吸測量腔室（直徑20 cm）。2018 年1 月7 日開始第一次測定，以后每隔15 d 左右測定一次，每次測定時(shí)間為北京時(shí)間上午09：00?11：00，每個(gè)小區(qū)重復(fù)測定3 次，每次測定時(shí)間為90 s［31］。為保證測量腔室內(nèi)的土壤與覆膜土壤的均一性，用塑料地膜將腔室內(nèi)覆蓋，在每次測定前1 d，去掉地膜，去除基座腔室內(nèi)土壤表層的一切活體及凋落物，在整個(gè)生育期基座埋設(shè)位置保持不變。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)及微生物指標(biāo) 玉米收獲后在整個(gè)小區(qū)采用S 型5 點(diǎn)取樣方法采集0～5 cm、5～10 cm和10～30 cm 層土樣，混勻并挑除動(dòng)植物殘?bào)w，立即過2 mm 篩，一部分土樣低溫（4 ℃）冷藏，用于測定土壤微生物量、酶活性等指標(biāo)，剩余土樣風(fēng)干后用于測定土壤有機(jī)碳與活性有機(jī)碳；每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取20 株地上部分帶回實(shí)驗(yàn)室后，105 ℃殺青30 min，然后80 ℃烘干至恒重后，稱量計(jì)算產(chǎn)量和秸稈干物質(zhì)重，根據(jù)種植密度計(jì)算并按照籽粒含水率12%折算公頃產(chǎn)量；根系生物量占地上部分生物量的系數(shù)為0.15［32］；每次采集氣體時(shí)測定腔室旁0～5 cm，5～10 cm，10～30 cm 土壤水分和溫度。

采用重鉻酸鉀?濃硫酸外加熱法測定有機(jī)碳含量（soil organic carbon，SOC）［33］；采用碘化鈉重液分組法進(jìn)行分離，分離后碳氮聯(lián)合分析儀測定易氧化有機(jī)碳含量（readily oxidized organic carbon，ROOC）［33］；采用氯仿熏蒸，0.5 mol·L?1的硫酸鉀溶液浸提（土液比1∶4），浸提后碳氮聯(lián)合分析儀測定土壤微生物量碳氮含量（microbial bio?mass carbon，microbial biomass nitrogen，MBC，MBN）（Jena multi N/C 2100 s，Germany），換算 系數(shù)為0.38、0.45［34］；采用次氯酸鈉?苯酚鈉比色法測定脲酶（urease，UR）活性，采用3，5?二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶（invertase）活性［35］。土壤水分通過烘干法（105±2）℃測定；土壤溫度采用地溫計(jì)測定；土壤容重和土壤孔隙度采用環(huán)刀法測定［36］。

1.4 分析方法

1.4.1 土壤CO2累計(jì)排放量 利用公式（1）計(jì)算土壤CO2碳排放量（carbon emission，CE）［31］：

式中：R為CO2排放速率；i+1與i表示兩次測量之間相隔時(shí)間，t表示播種后的天數(shù)；系數(shù)0.1584 表示將C 排放數(shù)值單位μmol CO2·m?2·s?1轉(zhuǎn)換為g CO2·m?2·h?1，即CO2摩爾質(zhì)量與3600 s 相乘后將單位轉(zhuǎn)化為g；0.2727 表示將單位g CO2·m?2·h?1轉(zhuǎn)換為g C·m?2·h?1，即12/44；24 與10 表示將C 排放數(shù)值單位由g C·m?2·h?1轉(zhuǎn)換為kg C·hm?2。

1.4.2 作物碳排放效率［37］

式中：Y為作物籽粒產(chǎn)量（yield），CEE為單位產(chǎn)量釋放的千克碳（carbon emission efficiency）。

1.4.3 土壤碳庫管理指數(shù)［16］碳庫指數(shù)（carbon pool management，CPI）=農(nóng)田土壤總有機(jī)碳/參考農(nóng)田土壤總有機(jī)碳；碳庫活度（activity，A）=易氧化有機(jī)碳/穩(wěn)態(tài)碳；碳庫活度指數(shù)（activity index，AI）=碳庫活度/參考土壤碳庫活度；碳庫管理指數(shù)（carbon pool management index，CPMI）=CPI×AI×100；土壤碳素效率（soil carbon efficiency，SCE）=易氧化有機(jī)碳/總有機(jī)碳×100%；參考土壤選擇不施肥處理。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行方差分析，采用Duncan 法檢驗(yàn)其差異顯著性（P<0.05），利用SigmaPlot 14.0 和R 3.6.2 編程軟件繪制圖表，用R 3.6.2 編程軟件內(nèi)的corrplot 包和lavaan 包［38］進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤CO2排放特征

2.1.1 土壤CO2排放速率變化特征 土壤CO2排放速率在全年和生育期均基本呈先增后降的趨勢，非生育期呈逐漸增大（1 月7 日?4 月12 日）和逐漸減?。?0 月15 日?12 月10 日）的趨勢（圖2a）。生育期內(nèi)，6 月23 日土壤CO2排放速率最大，最大為（1083.67±109.91）mg·m?2·h?1（ST 處理），ST、OM、NF 和OMNF 分別比CK 高93.31%、76.97%、75.04%和40.33%；10 月15 日（收獲期）各處理土壤CO2排放速率出現(xiàn)谷值，由大到小依次為ST、NF、OM、OMNF、CK 處理，各處理分別比CK 處理高85.48%、79.07%、78.40%、74.81%；生育期土壤CO2排放平均速率最大值為（592.89±252.89）mg·m?2·h?1（ST 處理），ST、OMNF、OM、NF 處理分別比CK 處理高42.72%、30.82%、29.79%、27.28%，中位數(shù)集中在423.63～564.14 mg·m?2·h?1（圖2b），依次為OMNF（574.67 mg·m?2·h?1）、ST（564.14 mg·m?2·h?1）、OM（548.15 mg·m?2·h?1）、NF（501.11 mg·m?2·h?1）、CK（423.63 mg·m?2·h?1）；非生育期各處理土壤CO2排放速率與土壤溫度的增減趨勢一致（圖2 和圖3a），平均值由大到小依次為ST、OMNF、OM、NF、CK 處理，各處理分別比CK 高12.99%、8.53%、7.31%、1.34%；全年變化的平均值依次為ST［（428.89±301.91）mg·m?2·h?1］、OMNF［（395.53±271.42）mg·m?2·h?1］、OM［（392.22±264.37）mg·m?2·h?1］、NF［（382.77±273.34）mg·m?2·h?1］、CK［（310.55±208.77）mg·m?2·h?1］，中位數(shù)集 中在366.26～470.62 mg·m?2·h?1（圖2b），依 次 為OMNF（470.62 mg·m?2·h?1）、OM（467.66 mg·m?2·h?1）、NF（416.59 mg·m?2·h?1）、ST（396.32 mg·m?2·h?1）、CK（336.62 mg·m?2·h?1）。通過生育期、非生育期、全年的土壤CO2排放通量的最大值、最小值、平均數(shù)和中位數(shù)分析表明，有機(jī)物料處理下，全年土壤CO2排放平均速率高于氮肥處理，其中ST 處理下土壤CO2排放平均速率最大且變幅最大。

圖2 不同時(shí)期土壤CO2排放通量Fig.2 Soil CO2 emission flux in different periods

2.1.2 作物碳排放效率 各處理的籽粒產(chǎn)量結(jié)果表明（表2），NF、OMNF 處理籽粒產(chǎn)量較高，兩者間差異不顯著（P>0.05），與OM、ST、CK 間差異顯著（P<0.05），較OM、ST、CK 分別提高了75.38%、54.33%、85.74%、54.33%和151.41%、121.23%；生育期和全年CE 在ST、OM、OMNF 處理間差異不顯著（P>0.05），但ST 和OM 顯著高于NF、CK 處理（P<0.05），生育期ST、OM 處理分別比CK 提高了36.35%、32.45%，OMNF 與NF 處理間差異不顯著（P>0.05），非生育期處理間CE 差異均不顯著（P>0.05）；全年CEE 表現(xiàn)為NF、OMNF 處理間差異不顯著（P>0.05），但顯著低于其他處理（P<0.05），ST 處理最高。

表2 不同培肥處理對(duì)農(nóng)田作物產(chǎn)量和碳排放效率的影響Table 2 Crop yield and carbon emission efficiency under different fertilization treatments

2.2 土壤理化性質(zhì)、微生物特征和碳庫管理指數(shù)

2.2.1 土壤理化性質(zhì)和微生物特征 土壤溫度（0～30 cm）呈拋物線趨勢（圖3a），各處理土壤溫度變化趨勢基本一致，全年土壤溫度和生育期土壤溫度分別在?0.099～25.800 ℃和7.80～25.80 ℃內(nèi)波動(dòng)，均表現(xiàn)為CK>NF>OM>OMNF>ST，各處理均在6 月10 日出現(xiàn)峰值，變化范圍在27.41～29.51 ℃；非生育期ST 處理土壤溫度高于其他處理。各處理土壤含水量（0～30 cm）均呈波動(dòng)趨勢（圖3b），土壤含水量在雨季相對(duì)較高（圖1）。全年各處理平均值在17.98%～19.87%間波動(dòng)，土壤平均含水量變化表現(xiàn)為ST>OMNF>CK>NF>OM，生育期土壤含水量在17.21%～18.34%間波動(dòng)，平均含水量變化均表現(xiàn)為ST>OMNF>NF>CK>OM；非生育期土壤含水量在16.71%～24.67%間波動(dòng)，平均含水量變化表現(xiàn)為ST>OM>CK>NF>OMNF，非生育期ST 處理土壤含水量高于其他處理，最高達(dá)34.12%。各處理土壤有機(jī)碳含量均隨土層加深而降低（圖3c），在7.13～9.45 g·kg?1變化，0～5 cm、5～10 cm 土層處理間有機(jī)碳差異顯著（P<0.05），均表現(xiàn)為ST≥OM≥OMNF、OM?NF≥NF>CK，10～30 cm 土層ST、OM 處理有機(jī)碳含量顯著高于其他處理（P<0.05）；0～30 cm 土層各施肥處理有機(jī)碳差異不顯著（P>0.05），與CK 處理差異顯著（P<0.05），0～30 cm 土層OM、ST、NF、OMNF 處理有機(jī)碳分別比CK 增加了18.84%、17.31%、11.14%、10.07%。各處理土壤易氧化有機(jī)碳含量均隨土層加深而降低（圖3d），在1.17～2.64 g·kg?1變化，0～30 cm 間各土層處理間易氧化有機(jī)碳差異顯著（P<0.05），0～5 cm、5～10 cm 土層均表現(xiàn)為ST 最大，OM、OMNF 次之；0～30 cm 土層表現(xiàn)為OM、OMNF、ST 最大，OM、ST、OMNF、NF分別比CK 增加了95.08%、90.16%、89.34%、24.59%。

各處理土壤微生物量碳含量均隨土層加深而降低（圖3e），在38.50～268.85 mg·kg?1變化，0～30 cm 各土層處理間土壤微生物量碳差異顯著（P<0.05），均表現(xiàn)為ST 最大，OM 次之，在0～30 cm 土層ST、OM、OMNF、NF分別比CK 增加了355.08%、251.18%、216.85%、192.16%。各處理土壤微生物量氮含量均隨土層加深而降低（圖3f），在10.43～37.08 mg·kg?1變化，0～30 cm 各土層處理間土壤微生物量氮差異顯著（P<0.05），均表現(xiàn)為ST 最 大，OMNF、OM 次 之，在0～30cm 土層ST、OMNF、OM、NF 分別 比CK 增加 了106.34%、34.61%、31.23%、13.53%。各處理土壤脲酶活性均隨土層加深而降低（圖3g），在0.96～1.48 mg·g?1變化，0～30 cm 各土層處理間土壤脲酶活性差異顯著（P<0.05），在0～30 cm 土層NF、ST、OMNF、OM 分別比CK 增加了41.51%、37.87%、27.56%、25.05%。各處理土壤蔗糖酶活性均隨土層加深而降低（圖3h），在19.38～34.35 mg·g?1變化，0～30 cm 各土層處理間土壤蔗糖酶活性差異顯著（P<0.05），均表現(xiàn)為ST 最大，OM 和OMNF 次之，在0～30 cm土層ST、OM、OMNF、NF 分別比CK 增加了48.57%、40.41%、21.73%、17.90%。

圖3 不同培肥處理下土壤理化性質(zhì)和微生物指標(biāo)Fig.3 Soil physical chemistry properties and microbial indexes under different fertilization treatments

2.2.2 土壤碳庫管理指數(shù) 施肥處理下各土層碳庫活度、碳庫活度指數(shù)、碳庫指數(shù)、碳庫管理指數(shù)和土壤碳素效率與CK 差異顯著（P<0.05），ST、OM、OMNF 處理間差異不顯著（P>0.05），在0～5 cm、5～10 cm 土層，ST、OM 和OMNF 處理均能提高碳庫管理指數(shù)和土壤碳素效率；在10～30 cm 土層，OMNF 處理的碳庫管理指數(shù)和土壤碳素效率最大；在0～30 cm 土層，OMNF、OM 處理的碳庫管理指數(shù)和土壤碳素效率均最大（表3）。綜上，OM?NF、ST、OM、NF 均能提高土壤0～30 cm 碳庫管理指數(shù)和土壤碳素效率，OMNF 提高幅度最大。

2.3 土壤CO2排放速率與土壤環(huán)境因子之間的關(guān)系

土壤CO2排放速率與土壤環(huán)境因子（0～30 cm）之間的結(jié)構(gòu)方程模型表明（圖4）：環(huán)境因子對(duì)土壤CO2排放通量的總解釋度為53%，影響總效應(yīng)為5.65，其中STP（2.36）、MBC（1.59）、SWC（1.18）影響較大，Invertase （0.16），ROOC（0.14）、MBN（0.13）的影響較小，脲酶無顯著影響。STP、MBC 和SMC 均間接地影響著土壤CO2排放通量，其中，STP 通過作用MBC（0.93）、蔗糖酶（0.56）、ROOC（0.01）影響土壤CO2排放通量，MBC 通過作用MBN（1.19）、ROOC（0.81）影響土壤CO2排放通量，SMC 通過作用MBC（0.39）影響土壤CO2排放通量。MBC、STP 均 對(duì)ROOC 有顯著正影響（P<0.05），MBC（0.81）影響較大，MBC 對(duì)MBN 有顯著正影響（P<0.05）。

表3 不同施肥措施對(duì)土壤碳庫管理指數(shù)的影響Table 3 Soil carbon pool management index under different fertilization treatments

圖4 土壤理化性質(zhì)和微生物指標(biāo)對(duì)土壤CO2排放通量的影響Fig.4 Effects of soil physical chemistry properties and microbial indexes on soil CO2 emission flux

3 討論

3.1 不同培肥措施對(duì)土壤CO2排放速率和排放效率的影響

土壤CO2排放是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過程，在玉米、小麥農(nóng)田中的諸多研究［16，23，39?40］均得出，土壤CO2平均排放速率在全年內(nèi)呈拋物線規(guī)律且在生育期內(nèi)先增強(qiáng)后減弱，土壤CO2排放速率最大值一般出現(xiàn)在大喇叭口期［10，41］，本試驗(yàn)結(jié)果與此結(jié)論相符，主要是由于大喇叭口期為營養(yǎng)生長的最旺盛時(shí)期，該時(shí)期溫度較高，降水適中，加之地膜覆蓋，土壤濕度變化不大，土壤微生物活躍，土壤微生物呼吸和根系呼吸強(qiáng)烈。

針對(duì)土壤CO2排放速率變化劇烈的情況，本研究引入了平均值和中位數(shù)來共同分析，研究發(fā)現(xiàn)無論是生育期還是非生育期，有機(jī)物料處理均能顯著提高土壤CO2平均排放速率，其中ST 處理最大，OM、OMNF 處理次之，因?yàn)橛袡C(jī)物料的投入增加了土壤的有機(jī)碳庫（圖3c），為土壤微生物提供了營養(yǎng)，增加了微生物活性，提高了微生物呼吸、有機(jī)碳庫和有機(jī)物料的分解；其次，秸稈保溫保水性好（圖3a，b），產(chǎn)生的促進(jìn)作用更大；再次，黃土高原干旱少雨，較少的降水為微生物活動(dòng)提供了水分，促進(jìn)微生物產(chǎn)生較多有機(jī)質(zhì)分解胞內(nèi)、胞外酶［42］，進(jìn)而加劇秸稈和有機(jī)肥料的礦化，產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)植物根系生長，同時(shí)為土壤微生物和微小動(dòng)物提供營養(yǎng)，這些協(xié)同作用使根系和微生物呼吸加強(qiáng)，土壤溫度、水分和土壤微生物量碳對(duì)土壤CO2排放速率的效應(yīng)也證實(shí)了此結(jié)論（圖4）。已有研究表明少量降水對(duì)土壤呼吸的影響可能存在激發(fā)效應(yīng)［43］，隨著降水的增加，土壤中水分含量增大，會(huì)填充土壤的孔隙，從而抑制土壤呼吸。本研究不排除降水激發(fā)效應(yīng)的存在，但本研究未在每次降水前后增加采樣次數(shù)，采樣頻率不足，不能很好地解釋降水的激發(fā)效應(yīng)，還需要進(jìn)一步開展降水模擬試驗(yàn)區(qū)去驗(yàn)證，特別是結(jié)合降水強(qiáng)度、頻度、地溫等因素開展相關(guān)研究。最后，有機(jī)物料可以顯著降低土壤容重、提高孔隙度、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，增加根系分泌物，促進(jìn)根系呼吸［44］。而土壤CO2平均排放速率和中位數(shù)差異可能主要是由于水分、溫度、養(yǎng)分和微生物的交互作用影響（圖4），劉曉雨［45］的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料培肥處理的土壤CO2排放量顯著高于氮肥處理，有機(jī)物料處理間無顯著差異，但ST 處理有明顯增高的趨勢，無差異的原因可能是由于地膜覆蓋增加了土壤溫度，減少了土壤蒸發(fā)，降低了土壤水分和溫度的差異性（圖3a，b），減緩了不同處理的效應(yīng)［46］。本研究還得出有機(jī)肥結(jié)合無機(jī)肥處理較其他有機(jī)物料處理顯著提高了作物產(chǎn)量，降低了土壤碳排放效率，這與馬德帝［47］的研究結(jié)論一致，產(chǎn)量增加的主要原因是有機(jī)無機(jī)配施初期，有機(jī)肥因分解慢，無機(jī)肥可滿足作物早期的養(yǎng)分需求，有利于作物的生長，到作物生長后期，有機(jī)肥分解的營養(yǎng)物質(zhì)又滿足了氮肥的虧缺，其作用等同于緩釋肥；另一方面，有機(jī)無機(jī)配施投入后，同時(shí)增加了碳素和氮素投入，可調(diào)整土壤C/N 處于合理的范圍內(nèi)，使微生物活性增大（圖4），促進(jìn)有機(jī)肥的礦化，為作物提供了充足的養(yǎng)分，而秸稈處理和單純的有機(jī)肥處理無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)釋放緩慢，還可能會(huì)導(dǎo)致作物和土壤微生物競爭氮素，從而降低作物產(chǎn)量，進(jìn)而增大作物的碳排放效率，也說明了秸稈和無機(jī)肥配施比單施秸稈或有機(jī)肥的效果好［48］。

3.2 不同培肥措施對(duì)土壤碳庫和微生物特征的影響

本研究得出，有機(jī)物料處理顯著提高了各土層土壤微生物碳氮和蔗糖酶活性，且均以秸稈處理提高最大，有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)配施次之（圖3）。國內(nèi)外關(guān)于施肥體系下土壤微生物特征的研究結(jié)果一致表明施用有機(jī)物料后，較不施肥或單施化肥顯著提高土壤微生物碳氮和蔗糖酶活性以及土壤碳庫［15，49?54］，形成原因主要是有機(jī)物料可以為土壤微生物增加額外的營養(yǎng)源和能源，土壤酶產(chǎn)生于土壤微生物的生命活動(dòng)，與微生物量成正比。土壤碳庫管理指數(shù)是土壤有機(jī)碳庫變化的靈敏指標(biāo)，土壤碳素效率高低能反映土壤有機(jī)碳被微生物分解利用的速度［16］。本研究得出施用有機(jī)物料處理均能提高各研究土層碳庫管理指數(shù)和土壤碳素效率，有機(jī)無機(jī)配施提升幅度最大，也均能提高0～30 cm 有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量，有機(jī)肥處理提高幅度最大，與已有研究基本一致［50，54?55］。主要是由于有機(jī)物料的投入增加了土壤碳，為微生物活動(dòng)提供了營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了微生物的活性，加速了有機(jī)殘余物質(zhì)的分解、某些無機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化等生物化學(xué)過程，特別是有機(jī)無機(jī)配施，使土壤C/N 處于合理的范圍之內(nèi)，更有助于酶促反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高易氧化有機(jī)碳含量及碳庫管理指數(shù)。本研究得出與不施肥處理相比，氮肥處理的土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳含量也有所升高，這與徐陽春等［56］的研究結(jié)論不一致，主要是由于黃土高原旱地土壤鉀肥充足，氮肥和磷肥施入等同于氮磷鉀肥同施，所以提高了土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳，與Dai 等［57］的研究結(jié)果一致，但提高幅度不大。本試驗(yàn)中，玉米采用旋耕，耕層在0～20 cm 左右，有機(jī)物料施入土壤埋藏深度較淺，這也說明了土壤化學(xué)和微生物特性隨土壤深度逐漸減低的現(xiàn)象。秸稈處理的水分含量在部分非生育期較高，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)1 月7 日、2 月6 日、3 月4 日水分含量較高是由于秸稈處理10～30 cm 水分含量較高，分析其原因可能是秸稈處理土壤孔隙度較其他處理大，玉米收獲后，降水（2017 年10?12 月降水量17.1 mm、2018 年2 月6 日前降水3 mm、2 月6 日?3 月4 日降水4.7 mm）因無植株截留而大部分滲入土壤空隙，同時(shí)地膜對(duì)水分也有一定的保護(hù)作用，加之該時(shí)間段氣溫和土壤溫度在全年內(nèi)均很低，從而減少了水分的散失，已有研究也表明秸稈和地膜交互作用呈現(xiàn)雙重的蓄水保墑效應(yīng)［58］。

3.3 土壤CO2排放與環(huán)境因子之間的關(guān)系

已有研究普遍認(rèn)為農(nóng)田土壤CO2排放的最重要的影響因素是土壤溫度、降水量、土壤水分［10，25，28］，與土壤溫度正相關(guān)，與土壤水分呈Birch 效應(yīng)［42］，即水分含量在一定的范圍內(nèi)是激發(fā)效應(yīng)，隨著含水量的增大，土壤CO2排放量被抑制。本研究通過結(jié)構(gòu)方程模型得出土壤溫度和水分是影響土壤CO2排放通量的主要因素，土壤溫度對(duì)土壤CO2排放通量呈顯著正效應(yīng)（P<0.05），這是因?yàn)闇囟仁菦Q定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的關(guān)鍵因素，溫度影響著土壤呼吸過程的所有環(huán)節(jié)，溫度升高可能會(huì)改變土壤微生物群落并有助于土壤團(tuán)聚體形成的微生物次生化合物的分解［59］，在一定范圍內(nèi)增加溫度可以提高土壤微生物活性，進(jìn)而影響有機(jī)碳的礦化，從而使氣溫對(duì)土壤CO2排放具有極顯著正效應(yīng)［60?61］；本研究得出土壤含水量對(duì)土壤CO2排放通量呈顯著正效應(yīng)（P<0.05），與已有研究［10，25，28］略有區(qū)別，但這也符合黃土高原旱區(qū)的實(shí)際情況，黃土高原屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，旱地農(nóng)田土壤含水量低，降水促進(jìn)了土壤微生物、土壤微小動(dòng)物和根系的活性，相應(yīng)的呼吸作用增加了土壤CO2排放量［42］。本研究還得出微生物量碳和蔗糖酶與土壤CO2排放通量顯著正相關(guān)（P<0.05），與已有研究結(jié)果一致［62?63］。土壤呼吸速率的重要組分土壤微生物呼吸與土壤微生物量碳存在高度相關(guān)關(guān)系［10］，有機(jī)碳的礦化也需要微生物高度參與［44，61］，蔗糖酶能促進(jìn)土壤中蔗糖水解為葡萄糖和果糖，隨后會(huì)進(jìn)一步分解產(chǎn)生CO2，因此蔗糖酶與土壤呼吸強(qiáng)度也有關(guān)［59］，同時(shí)土壤溫度也促進(jìn)了微生物量碳和蔗糖酶活性的提高（圖4）。本研究得出，微生物量碳對(duì)微生物量氮有顯著影響，可能是輸入外源碳后出現(xiàn)爭氮現(xiàn)象［64］。本研究得出土壤理化、微生物因子對(duì)土壤CO2排放通量的總體解釋度為53%，土壤CO2排放可能還存在其他的解釋因子，還需進(jìn)一步開展糖苷酶、木糖苷酶等土壤胞外酶指標(biāo)的研究［62?65］。

4 結(jié)論

不同培肥措施對(duì)黃土高原旱地土壤CO2排放速率、有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、土壤碳庫管理指數(shù)、微生物量碳氮、蔗糖酶、脲酶、玉米產(chǎn)量和作物碳排放效率均產(chǎn)生顯著影響。秸稈、有機(jī)無機(jī)培肥、有機(jī)肥處理均能提高土壤CO2排放平均速率，其中秸稈處理提高幅度最大，秸稈、有機(jī)肥處理土壤CO2排放量顯著高于氮肥和不施肥處理。有機(jī)物料處理均能顯著提高0～5 cm 土壤易氧化有機(jī)碳、微生物碳氮、蔗糖酶活性和碳庫管理指數(shù)，其中，有機(jī)無機(jī)肥結(jié)合處理對(duì)土壤碳庫管理指數(shù)的提高幅度最大。有機(jī)無機(jī)配施處理和單施氮肥處理能顯著提高作物產(chǎn)量，降低碳排放效率。影響土壤CO2排放通量的重要因子包括土壤溫度、微生物量碳、土壤水分，均對(duì)土壤CO2排放通量呈顯著正效應(yīng)，土壤溫度促進(jìn)了微生物量碳和蔗糖酶活性的提高，微生物量碳促進(jìn)了微生物量氮和易氧化有機(jī)碳的增加。綜合來看，有機(jī)無機(jī)配施處理可以提升土壤碳庫管理指數(shù)，保持微生物活性，增加作物產(chǎn)量，降低土壤碳排放效率，是比較適宜的農(nóng)田培肥措施。在農(nóng)村環(huán)境治理和改善農(nóng)村人居環(huán)境的大背景下，若秸稈還田建議配施無機(jī)肥。