長期施肥對休閑季土壤呼吸溫度敏感性的影響

張彥軍

?

長期施肥對休閑季土壤呼吸溫度敏感性的影響

張彥軍

（寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院/陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西寶雞 721013）

【目的】在農(nóng)作物-休閑輪作系統(tǒng)中，研究長期施肥條件下休閑季土壤呼吸溫度敏感性（Q10）的變化機(jī)理，為科學(xué)調(diào)控黃土高原雨養(yǎng)區(qū)的農(nóng)田溫室氣體排放提供依據(jù)。【方法】依托長武農(nóng)田生態(tài)試驗(yàn)站的長期定位施肥試驗(yàn)，在小麥?zhǔn)斋@后的休閑季測定不同施肥處理下（CK、N、NP、M、NPM）的土壤呼吸速率、土壤溫度、土壤水分、底物的數(shù)量 (土壤有機(jī)碳和根茬碳)和質(zhì)量 (土壤碳氮比和根茬碳氮比，依次簡寫為土壤C﹕N和根茬C﹕N)，研究長期施肥影響休閑季Q10變異的機(jī)理。【結(jié)果】在休閑季，不同施肥處理下的土壤呼吸速率差異顯著 （＜0.05），長期施肥導(dǎo)致土壤呼吸速率增加了6%—127%。土壤溫度、土壤水分、底物的數(shù)量和質(zhì)量均是影響土壤呼吸速率的重要因素（＜0.05）。土壤溫度對土壤呼吸速率的影響，利用指數(shù)關(guān)系模型進(jìn)行擬合 (＜0.05)，且土壤溫度可以解釋40%—57%的土壤呼吸變異性。而土壤呼吸速率對土壤水分的響應(yīng)則用拋物線關(guān)系模型進(jìn)行擬合（＜0.05），且土壤水分可以解釋56%—74%的土壤呼吸變異性。同時(shí)，底物的數(shù)量和質(zhì)量對土壤呼吸速率的影響，利用線性關(guān)系模型進(jìn)行模擬（＜0.05），且底物的數(shù)量和質(zhì)量可以解釋高達(dá)66%—94%的土壤呼吸變異性。長期單施氮肥處理（N）對土壤有機(jī)碳影響不顯著（＞0.05），而NP、M和NPM處理下的土壤有機(jī)碳則增加了12%—36%。同時(shí)，N處理下的根茬碳減少了34%， 而NP、M和NPM處理下的根茬碳則增加了15%—63%。N和NP處理下的土壤C﹕N影響不顯著（＞0.05），而M和NPM處理下的土壤C﹕N則增加了12%—13%。不同施肥處理下的根茬C﹕N則降低了8%—38%。在休閑季，長期施肥導(dǎo)致Q10降低了12%—56%，而長期施肥處理下Q10的差異與底物的數(shù)量（土壤有機(jī)碳和根茬碳）和質(zhì)量（土壤C﹕N和根茬C﹕N）或者二者的交互作用密切相關(guān)（＜0.05）。Q10隨著底物數(shù)量和土壤C﹕N的增加均呈現(xiàn)出線性降低的趨勢（＜0.05），且底物的數(shù)量和土壤 C﹕N可以解釋61%—95%的Q10變異性，而Q10隨著根茬C﹕N的增加呈現(xiàn)出線性增加的趨勢（＜0.05），且根茬C﹕N可以解釋72%的Q10變異性。同時(shí)對Q10的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)出根茬碳＞根茬C﹕N＞土壤有機(jī)碳＞土壤C﹕N的趨勢（2.161.220.480.03）。【結(jié)論】在農(nóng)作物-休閑輪作系統(tǒng)中，長期施肥通過影響底物的數(shù)量和質(zhì)量影響休閑季Q10的變化，對科學(xué)評價(jià)黃土高原雨養(yǎng)區(qū)的農(nóng)田溫室氣體排放具有重要意義。

長期施肥；土壤呼吸溫度敏感性；底物數(shù)量和質(zhì)量；休閑季

0 引言

【研究意義】土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，全球每年因土壤呼吸而釋放到大氣中的CO2為75—120 Pg[1]，因此土壤呼吸的微小變化將會(huì)顯著影響大氣中CO2的濃度，進(jìn)而影響全球氣候變化[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，農(nóng)田土壤面積占全球陸地面積的11%[3]，且農(nóng)田每年通過土壤呼吸向大氣排放的CO2為640 g·m-2 [4]。此外，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為全球碳庫中最活躍的部分，極易受到人類管理措施（例如施肥）的影響，這也使得其在短期內(nèi)通過人為干預(yù)來降低農(nóng)田土壤碳排放成為可能[5]。【前人研究進(jìn)展】在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，農(nóng)業(yè)管理措施（輪作、灌溉、施肥等）不僅是調(diào)控農(nóng)作物產(chǎn)量和土壤呼吸的重要因素[6-9]，而且也是影響土壤呼吸溫度敏感性（Q10）變異的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力[7,9-11]。目前，大多數(shù)研究主要在生長季關(guān)注農(nóng)業(yè)管理措施對Q10的影響[7, 9-11]，而在休閑季很少有研究關(guān)注農(nóng)業(yè)管理措施對Q10的影響。土壤呼吸作為一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)學(xué)過程[2]，受到多種因素的綜合影響[12]，且土壤呼吸一般可以概括為土壤微生物呼吸（土壤微生物對底物的礦化和分解）和根系呼吸（根系的新陳代謝）[13]，而在生長季由于根系系統(tǒng)的存在，土壤呼吸與根系的新陳代謝過程和微生物的新陳代謝過程密切相關(guān)[14-15]。但是在休閑期，由于沒有根系呼吸的存在，土壤有機(jī)碳（SOC）和農(nóng)作物殘茬（根茬和莖稈）作為土壤微生物的主要底物來源，因此，土壤呼吸與SOC的礦化和農(nóng)作物殘茬的分解密切相關(guān)[16]。【本研究切入點(diǎn)】在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，施肥措施顯著地影響了SOC和農(nóng)作物殘茬的數(shù)量[17-18]和質(zhì)量[19-20]，而二者是影響土壤呼吸的重要生物因素[19, 21-22]。除了生物因素以外，土壤溫度和水分干濕交替變化也是驅(qū)動(dòng)土壤呼吸不可忽視的重要非生物因素之一[14,23]。上述4個(gè)因素均是影響Q10時(shí)空變異性的主要生物和非生物因素[24-28]，且學(xué)術(shù)界目前對于施肥、土壤溫度和水分與Q10之間的關(guān)系研究相對較為充足[7,11,15-16]，然而有關(guān)施肥、底物（數(shù)量和質(zhì)量）和Q10之間關(guān)系的研究相對匱乏[9]。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于此，本研究依托黃土高原的長武農(nóng)田生態(tài)試驗(yàn)站的長期（1984—）定位施肥試驗(yàn)，選取不同的施肥處理（CK、N、NP、M、NPM），通過測定休閑季（前一季農(nóng)作物收獲后到下一季農(nóng)作物種植前）每種施肥措施下的土壤呼吸、土壤溫度、土壤水分、土壤根茬量等指標(biāo)，研究長期施肥影響休閑季Q10變異的機(jī)理，為黃土高原雨養(yǎng)區(qū)科學(xué)有效的調(diào)控農(nóng)田溫室氣體排放提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

長期定位試驗(yàn)在中國科學(xué)院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站以下簡稱“長武農(nóng)田生態(tài)試驗(yàn)站”進(jìn)行。試驗(yàn)站位于陜西省長武縣（35°13′ N，107°40′ E；海拔1 095 m）。研究區(qū)屬半干旱濕潤性季風(fēng)氣候。1984—2009年間年均降水量為586 mm，其中最高年份為954 mm，最低年份為296 mm，6—8月降水量占年總量的60%左右。年平均氣溫9.4℃，大于10oC積溫為3 029℃，年日照時(shí)數(shù)為2 230 h，日照率為51%，年輻射總量為484 kJ·cm-2，無霜期171 d。研究區(qū)為典型的黃土旱塬區(qū)，土壤為黏壤質(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。表層土壤（0—20 cm）有機(jī)碳6.50 g·kg-1，全氮0.62 g·kg-1，堿解氮37.0 mg·kg-1，速效磷5.0 mg·kg-1，速效鉀129.3 mg·kg-1，CaCO310.5%，pH 8.4，黏粒含量（＜0.002 mm）14%，田間持水量（質(zhì)量含水量）22.4%，土壤凋萎含水量（質(zhì)量含水量）9.0%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長期施肥試驗(yàn)始于1984年，每種施肥處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積l0.3 m×6.5 m，小區(qū)間距0.5 m，區(qū)組間距和周邊寬各1.0 m，作為保護(hù)行。種植體系為一年一茬，作物為冬小麥（L.，品種為“長武131”系列）。作物生長期間人為定時(shí)去除雜草。成熟期人工收割，所有地上部被移出小區(qū)，地表殘留麥茬高度5 cm左右。冬小麥?zhǔn)斋@（次年 6 月）后土壤休閑，期間圓盤耙機(jī)耕（深度 20 cm）松土蓄墑，播種前再耕翻，準(zhǔn)備下一茬冬小麥苗床。氮、磷肥分別為尿素、重過磷酸鈣，在播種前作為基肥一次撒施地表后耕翻入土。本研究選取其中小麥連作5個(gè)施肥處理（表1）。2009年小麥?zhǔn)斋@時(shí)間為6月23日，翻耕保墑蓄水時(shí)間為7月18日，施肥播種時(shí)間為 9月16日和17日。

表1 長武長期定位施肥試驗(yàn)

有機(jī)肥中牛糞和黃土的混合比為1﹕5，其中有機(jī)碳、氮、磷和鉀含量分別為10.5、 1.16、 2.4和11.0 g·kg-1

Organic fertilizer of a mixture of cow manure and loess soil (1﹕5), which contains 10.5, 1.16, 2.4, and 11.0 g·kg-1of organic C, total N, P, and K, respectively

1.3 土壤呼吸、溫度和水分的測定

土壤呼吸的測定利用閉路式土壤碳通量系統(tǒng)，儀器型號為LI-8100（直徑20 cm，LI-COR，licon，NE，USA）。為了避免PVC管安裝過程中對土壤造成的擾動(dòng)，繼而引起短期土壤呼吸的劇烈波動(dòng)。因此，在初次測定土壤呼吸前的24 h安裝PVC管，安裝好的PVC管永久留在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，直至試驗(yàn)結(jié)束。土壤呼吸測定前去除PVC管里面的一切可見動(dòng)植物活體，每個(gè)PVC管上連續(xù)測定兩次，兩次測量之間的時(shí)間間隔為30 s，這兩次土壤呼吸值之間的變異控制在15%之內(nèi)。每個(gè)PVC管上的測量時(shí)間為150 s，其中包括30 s的前期預(yù)處理、30 s的后期預(yù)處理以及90 s的觀測期。在2009年的夏季小麥休閑季（7月1日至9月15日），于測定日的9：00—11：00之間進(jìn)行土壤呼吸的測定，此時(shí)間段內(nèi)的測定值可代表一天的平均值[29]，試驗(yàn)期間大概每2 d測定1次。

在測定土壤呼吸的同時(shí)測定土壤溫度（每個(gè)PVC管3次重復(fù)）和水分（每個(gè)PVC管4次重復(fù)），土壤溫度和水分的測定在距離PVC管10 cm處進(jìn)行。距地表5 cm處的土壤溫度利用數(shù)字顯示溫度計(jì)（儀器型號：JM624測溫儀；產(chǎn)地：中國；精度：±0.2 FS±0.1oC）測定，0—5 cm處的土壤水分利用便攜式水分儀（儀器型號：ML3- HH2；產(chǎn)地：英國；精度：±1% vol）測定。

土壤充水孔隙 soil water-filled pore space（WFPS）由下列方程計(jì)算獲得[9, 26- 27]：

(%)=100[θ/(2.65－ρ)/2.65] （1）

式中，θ是體積含水量，ρ是土壤容重，2.65 是土壤顆粒密度。

1.4 土壤理化性狀的測定

于2009年6月25日（小麥?zhǔn)斋@）后，分別使用直徑為3 cm的土鉆和直徑為9 cm的根鉆，采集0—20 cm土層的土壤樣品和根系樣品，每個(gè)土壤樣品和根系樣品各5次重復(fù)。土樣自然風(fēng)干和根系樣品烘干（60℃）后，磨細(xì)過0.25 mm篩，測定土壤和根茬樣品的有機(jī)碳、全氮含量。有機(jī)碳的測定用重鉻酸鉀外加熱法，全氮的測定用凱氏定氮法，土壤容重的測定利用環(huán)刀法。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用指數(shù)關(guān)系模型擬合土壤溫度對土壤呼吸速率的影響[30]：

土壤呼吸溫度敏感性（Q10）由下列方程進(jìn)行擬合[30]：

（3）

為土壤呼吸（mmol·m-2·s-1），為5 cm處的土壤溫度（°C），β和β是擬合參數(shù)。

土壤呼吸速率對土壤水分的響應(yīng)利用一元二次拋物線關(guān)系模型進(jìn)行擬合[31]。同時(shí)，土壤溫度和水分的雙變量關(guān)系模型可以很好的擬合土壤呼吸對二者的響應(yīng)，因此筆者利用雙變量模型模擬土壤呼吸對土壤溫度和土壤水分的響應(yīng)機(jī)理[27, 31]。

不同施肥處理下土壤呼吸、溫度、水分、底物數(shù)量和質(zhì)量的差異利用SAS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（＜0.05）。底物數(shù)量和質(zhì)量對Q10的影響利用SigmaPlot軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而底物數(shù)量和質(zhì)量的交互作用對Q10影響由下列方程獲得[32]：

10=2＋3＋4＋5＋6×××＋7（4）

其中，10為土壤呼吸溫度敏感性，為SOC，為土壤C﹕N，為根茬碳，為根茬C﹕N，2、3、4、5、6和7為擬合系數(shù)。

為了單獨(dú)量化底物數(shù)量和質(zhì)量對Q10的貢獻(xiàn)，利用方程4的擬合系數(shù)2、3、4和5計(jì)算底物數(shù)量和質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)（Beta），底物數(shù)量和質(zhì)量的Beta值大小即可以反映出其對土壤呼吸溫度敏感性貢獻(xiàn)的大小[32]。

2 結(jié)果

2.1 長期施肥對休閑期土壤溫度、水分和土壤呼吸的影響

在夏季休閑期，長期不同施肥處理下的土壤溫度具有相似的變化規(guī)律，且土壤溫度的變化趨勢與大氣溫度的變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢（圖1），但長期不同施肥處理下土壤溫度的差異不顯著（＞0.05）。

長期不同施肥處理下的土壤水分具有相似的變化趨勢，其主要受降雨頻率與降雨強(qiáng)度的制約，且土壤水分在長期不同施肥處理下呈現(xiàn)出不施肥處理（CK）和施用化肥處理（N和NP）均大于施用有機(jī)肥處理（M和NPM）的趨勢（圖1）。

長期不同施肥處理下的土壤呼吸速率具有類似的變化趨勢，且土壤呼吸速率的變化趨勢與土壤或者大氣溫度的變化趨勢相吻合（圖1）。長期施肥導(dǎo)致土壤呼吸速率發(fā)生顯著改變（＜0.05），呈現(xiàn)出NPM ＞ M ＞ NP ＞ N ＞ CK的趨勢（土壤呼吸量分別為3.162.682.02、1.47和1.39 μmol·m-2·s-1）。

2.2 長期施肥對底物數(shù)量和質(zhì)量的影響

長期施肥顯著影響底物的數(shù)量（＜0.05），以CK作為對照，N處理的土壤有機(jī)碳基本沒有變化，而NP、M、NPM處理的土壤有機(jī)碳則分別提高了12%、33%和36%；N處理的根茬碳減少了34%，而NP、M、NPM處理的根茬碳則分別提高了15%、21%和63%（表2）。

底物的質(zhì)量也因長期施肥發(fā)生顯著地改變，與CK處理相比，N和NP處理的土壤C﹕N變化不顯著（＞0.05），而M和NPM處理的土壤C﹕N則分別提高了13%和12%；N、NP、M和NPM處理的根茬C﹕N較CK處理下的根茬C﹕N分別減少8%、30%、38%和29%（表2）。

2.3 影響土壤呼吸的因素

生物因素和非生物因素是影響土壤呼吸速率的主要因素。對于生物因素而言，長期不同施肥處理下的土壤呼吸速率主要受底物數(shù)量（土壤有機(jī)碳和根茬量）和質(zhì)量（土壤C﹕N和根茬C﹕N）的影響（表3）；對于非生物因素而言，長期施肥處理下的土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤水分或者二者交互作用密切相關(guān)（表4和圖2）。

圖1 氣溫、降雨、土壤溫度、土壤水分、土壤呼吸的變化趨勢

表2 長期（1984—）施肥對表層（0—20 cm）土壤有機(jī)碳、土壤碳氮比、根茬碳、根茬碳氮比的影響

同一列數(shù)據(jù)后不同字母代表差異達(dá)到顯著水平（＜0.05）

The different letters in the same column represent a statistically significant level at＜0.05

2.4 長期施肥對Q10的影響

土壤溫度是影響土壤呼吸速率的主要因素，而指數(shù)關(guān)系模型能很好地?cái)M合土壤溫度對土壤呼吸速率的影響，且土壤溫度可以解釋40%—57%的土壤呼吸變異性（表4）。

Q10因長期施肥差異顯著（＜0.05），且施肥顯著地降低了Q10。與CK處理下的Q10（5.55）相比，N（4.82）、NP（4.24）、M（2.41）和NPM（2.1）處理下的Q10分別減少12%、23%、53%和56% （表4）。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，Q10的減少程度呈現(xiàn)出施用有機(jī)肥處理遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于施用化肥處理的趨勢。

表3 底物數(shù)量和質(zhì)量對土壤呼吸速率的影響

表4 土壤溫度和土壤水分對土壤呼吸的影響

所有處理的樣本數(shù)均為35 Every treatment sample capacity are 35

2.5 Q10的影響因素

底物的數(shù)量（土壤有機(jī)碳和根茬碳）和質(zhì)量（土壤C﹕N和根茬C﹕N）是影響Q10變異的重要因素（圖3）。在本研究中，長期不同施肥處理下的Q10均隨著土壤有機(jī)碳和根茬碳的增加而呈現(xiàn)線性減少的趨勢（R= 0.61—0.95，＜0.05）；同時(shí)，長期不同施肥處理下的Q10與土壤C﹕N呈負(fù)的線性相關(guān)（R= 0.89，＜0.05），而與根茬C﹕N成正的線性相關(guān)（R= 0.72，＜0.05）。此外，長期施肥處理下的Q10還受底物數(shù)量和質(zhì)量交互作用的影響（R= 0.96，＜0.01），其方程式為：Q10=0.23S+0.05N+4.94R+0.18Q-0.005S×N× R×Q-11.84。長期施肥條件下對Q10的貢獻(xiàn)（Beta值）呈現(xiàn)出根茬碳＞根茬C﹕N＞土壤有機(jī)碳＞土壤C﹕N的趨勢（2.161.220.480.03）。

圖2 土壤呼吸對土壤溫度和水分的響應(yīng)曲面

圖3 底物數(shù)量和質(zhì)量對Q10的影響

3 討論

在本研究中，長期不同施肥處理下的平均土壤呼吸速率變化于1.39—3.16 μmol·m-2·s-1，其正好位于全球農(nóng)田土壤呼吸的變化范圍0.47—4.16 μmol·m-2·s-1之內(nèi)[33]。然而，長期不同施肥處理下土壤呼吸速率的均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中國北部溫帶平原農(nóng)田土壤呼吸的均值（2.14 μmol·m-2·s-15.25 μmol·m-2·s-1）[34]，這是由于黃土高原是中國典型的生態(tài)脆弱區(qū)，其較低的土壤屬性，例如，其較低的SOC含量僅占到中國北部溫帶平原農(nóng)田SOC含量的58%[34]以及有限的水分供給均限制了該區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[7]。此外，長期不同施肥處理下Q10的變化范圍（2.1—5.551.3—3.3）和均值（3.822.4）均大于全球不同生態(tài)系統(tǒng)Q10的變化范圍和均值[35]，同時(shí)長期不同施肥處理下Q10的均值是中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)Q10均值的1.7倍[36]。這是因?yàn)楸狙芯恐兴傅腝10僅與土壤微生物礦化分解根茬碳和土壤有機(jī)碳有關(guān)即“微生物呼吸Q10”[37]，而不同生態(tài)系統(tǒng)的Q10包括了根系呼吸和微生物呼吸Q10[37]，且已有的研究結(jié)果證實(shí)，由于根系系統(tǒng)的存在會(huì)對微生物呼吸Q10產(chǎn)生較大的影響[38-39]，具體原因有待我們進(jìn)一步分析佐證。

在休閑季，土壤呼吸速率與土壤有機(jī)碳的礦化和農(nóng)作物根茬的分解密切相關(guān)[38]，而長期施肥不僅顯著地影響了底物的數(shù)量[17-18]和質(zhì)量[19-20]，而且土壤溫度和水分也因長期施肥發(fā)生了顯著地改變[41-42]。因此，休閑季土壤呼吸與底物數(shù)量和質(zhì)量、土壤溫度和水分或者其相互交互作用密切相關(guān)。Q10時(shí)空變異性與底物數(shù)量和質(zhì)量密切相關(guān)，這已經(jīng)得到國內(nèi)外研究者的共識(shí)[24-27]。在本研究中，底物的數(shù)量和質(zhì)量也因長期施肥差異顯著（＜0.05），且Q10與底物的數(shù)量和質(zhì)量或者二者交互作用的相關(guān)性均達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平（＜0.05）。因此，長期施肥主要通過影響底物的數(shù)量和質(zhì)量來影響Q10的變異，這與已有的研究結(jié)果一致[7, 9-10]。

在本研究中，長期施肥分別增加了12%—36%的土壤有機(jī)碳以及15%—63%根茬碳，這與已有的研究結(jié)果相類似[17-18]，然而長期施肥卻導(dǎo)致Q10降低了12%—56%，類似的研究結(jié)果在其他研究中也有報(bào)道[7, 9-10]。雖然底物有效性是影響Q10變異的主要因素[20,26,28]，但在底物相對充足的條件下，底物的難以利用程度/質(zhì)量有可能成為驅(qū)動(dòng)Q10變異的主要因素[26, 43]。例如，在黃土高原的一個(gè)典型梁茂坡上，農(nóng)田轉(zhuǎn)化為草地后，雖然土壤有機(jī)碳和根系生物量分別增加了10%和39%，但是Q10卻降低了9% （2.312.11），這可能與底物質(zhì)量的關(guān)系更加緊密（土壤C﹕N：8.49.2；根茬C﹕N：3861）[26]。此外，在黃土高原南部一個(gè)典型的人工刺槐林內(nèi)，當(dāng)?shù)乇淼蚵湮锉对龊螅蚵湮锖粑鼫囟让舾行詤s降低了34%，究其原因可能與刺槐林地表凋落物的生化性狀（固氮樹種）有關(guān)[43]。

本研究結(jié)果表明，長期施肥對土壤C﹕N影響顯著，施用有機(jī)肥后土壤C﹕N增加了12%—13%，然而長期施肥卻導(dǎo)致根茬C﹕N減少8%—38%，這與已有的研究結(jié)果相吻合[18-20]。長期不同施肥處理下的Q10與土壤C﹕N呈現(xiàn)出線性減少的趨勢（圖3），這是因?yàn)殡S著土壤C﹕N的增加，底物的質(zhì)量變差，土壤微生物對其的難利用程度增加，且已有的研究表明，活性底物的Q10遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于惰性底物的Q10[24, 44]。土壤C﹕N主要取決于輸入到土壤中的根系和地表凋落物的質(zhì)量[45-46]，其中輸入到土壤中的有機(jī)物質(zhì)的底物質(zhì)量越好（有機(jī)物C﹕N越小、木質(zhì)素含量越少、N和P等營養(yǎng)元素越多）對土壤C﹕N的影響越大，相反，其對土壤C﹕N的影響很小[46-48]。本研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，土壤C﹕N與根茬C﹕N成顯著地線性關(guān)系（=-0.04+10.5，R=0.57，＜0.05），這與已有的研究結(jié)果相吻合[49-50]。例如，在黃土高原的燕溝小流域內(nèi)，林地和草地地表凋落物的碳氮比分別為45.16和57.7，而林地和草地的土壤C﹕N卻依次為11.46和10.25[49-50]。因此，不同長期施肥處理下的Q10隨著根茬C﹕N的增加呈現(xiàn)出線性增加的趨勢（圖3），這也間接地證實(shí)了活性底物的Q10遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于惰性底物的Q10的結(jié)論[24, 44]。

在休閑季，不同施肥處理下Q10的變異除了與底物數(shù)量（土壤有機(jī)碳和根茬碳）和質(zhì)量（土壤C﹕N和根茬C﹕N）關(guān)系密切外（＜0.05），二者的交互作用對不同施肥處理下Q10的影響達(dá)到極顯著水平（＜0.01）。此外，對不同施肥處理下Q10的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)出根茬碳大于根茬C﹕N大于土壤有機(jī)碳大于土壤C﹕N的趨勢。同時(shí)，在休閑季的累積土壤呼吸大約占根茬碳的54%—87%，所以，根茬碳不僅是土壤呼吸的重要來源也是影響土壤有機(jī)碳積累的重要因素。因此，減少該時(shí)期根茬碳的礦化分解和增加根茬碳的腐殖化程度可能是增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的主要措施之一[40, 51]。

4 結(jié)論

長期施肥對休閑季土壤呼吸、底物數(shù)量和質(zhì)量以及Q10影響顯著（＜0.05）。土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤水分、底物的數(shù)量和質(zhì)量密切相關(guān)（＜0.05）。長期施肥導(dǎo)致休閑季土壤呼吸速率增加了6%—127%，而卻導(dǎo)致Q10降低了12%—56%，且長期不同施肥處理下Q10的差異與土壤有機(jī)碳、土壤C﹕N、根茬碳和根茬C﹕N密切相關(guān)（＜0.05），然而對Q10的貢獻(xiàn)卻呈現(xiàn)出根茬碳＞根茬C﹕N＞土壤有機(jī)碳＞土壤C﹕N的趨勢。同時(shí)，休閑季的累積土壤呼吸大約占根茬碳的54%—87%，所以，根茬碳不僅是土壤呼吸的重要來源也是影響土壤有機(jī)碳積累的重要因素。

致謝：感謝西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所的郭勝利課題組在數(shù)據(jù)分析和論文寫作以及中國科學(xué)院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站在試驗(yàn)過程中給予的幫助。

References

[1] HIBBARD K A, LAW B E, REICHSTEIN M. An analysis of soil respiration across northern hemisphere temperate ecosystems., 2005, 73(1): 29-70.

[2] SCHLESINGER W H, ANDREWS J A. Soil respiration and the global carbon cycle., 2000, 48(1): 7-20.

[3] 張曉龍, 沈冰, 權(quán)全, 董樑, 田開迪. 渭河平原農(nóng)田冬小麥土壤呼吸及其影響因素. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 27(8): 2551-2560.

ZHANG X L, SHEN B, QUAN A, DONG L, TIANＫD. Soil respiration rates and its affecting factors in winter wheat land in the Weihe Plain, Northwest China., 2016, 27(8): 2551-2560. (in Chinese)

[4] 劉德輝, 陶于祥. 土壤、農(nóng)業(yè)與全球氣候變化. 火山地質(zhì)與礦產(chǎn), 2000, 21(4): 290-295.

LIU D H, TAO Y X. Soil, agriculture and global climate change., 2000, 21(4): 290-295. (in Chinese)

[5] 齊志勇．不同培肥模式對土壤呼吸和土壤養(yǎng)分變化的研究[D]．哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2003.

QI Z Y. Studies on the effect of different fertilization patterns on soil respiration and soil nutrients in maize ecosystem[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2003. (in Chinese)

[6] 高洪軍, 彭暢, 張秀芝, 李強(qiáng), 朱平. 長期不同施肥對東北黑土區(qū)玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(23): 4790-4799.

GAO H J, PENG C, ZHANG X Z, LI Q, ZHU P. Effect of Long-term different fertilization on maize yield stability in the Northeast Black soil region., 2015, 48(23): 4790-4799. (in Chinese)

[7] WANG R, WANG Z, SUN Q, Zhao M, DU L, WU D, LI R, GAO X, GUO S. Effects of crop types and nitrogen fertilization on temperature sensitivity of soil respiration in the semi-arid Loess Plateau., 2016, 163: 1-9.

[8] BABULICOVá M. The influence of fertilization and crop rotation on the winter wheat production., 2014, 60(7): 297-302.

[9] 姜繼韶, 郭勝利, 王蕊, 劉慶芳, 王志齊, 張彥軍, 李娜娜, 李如劍, 吳得峰, 孫棋棋. 施氮對黃土旱塬區(qū)春玉米土壤呼吸和溫度敏感性的影響. 環(huán)境科學(xué), 2015(5): 1802-1809.

JIANG J S, GUO S L,WANG R, LIU Q F, WANG Z Q, ZHANG Y J, LI N N, LI R J, WU D F, SUN Q Q. Effects of nitrogen fertilization on soil respiration and temperature sensitivity in spring maize field in semi-arid regions on loess plateau., 2015(5): 1802-1809. (in Chinese)

[10] WANG R, SUN Q, WANG Y, LIU Q, DU L, ZHAO M, GAO X, HU Y, AND GUO S. Temperature sensitivity of soil respiration: Synthetic effects of nitrogen and phosphorus fertilization on Chinese Loess Plateau., 2016, 574: 1665-1673.

[11] 張前兵, 楊玲, 孫兵, 張旺鋒, 羅宏海, 張亞黎, 王進(jìn). 干旱區(qū)灌溉及施肥措施下棉田土壤的呼吸特征. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(14): 77-84.

ZHANG Q B, YANG L, SUN B, ZHANG W F, LUO H H, ZHANG Y L, WANG J. Respiration characteristics of cotton soil under irrigation and fertilization measures in arid region., 2012, 28(14):77-84. (in Chinese)

[12] FENG J G, WANG J S, DING L B, PYAO P P, QIAO, M P, YAO S C. Meta-analyses of the effects of major global change drivers on soil respiration across China., 2017, 150: 181-186.

[13] HANSON P J, EDWARDS N T, GARTEN C T, ANDREWS J A, RUSTAD L E, HUNTINGDON T G, BOONE R D. Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: a review of methods and observations., 2000, 48(1): 115-146.

[14] 王維鈺, 喬博, Kashif AKHTAR, 袁率, 任廣鑫, 馮永忠. 免耕條件下秸稈還田對冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)土壤呼吸及土壤水熱狀況的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49(11): 2136-2152.

WANG W Y, QIAO B, KASHIF A, YUAN S, REN GＸ，F(xiàn)ENG Y Z. Effects of straw returning to field on soil respiration and soil water heat in winter wheat-summer maize rotation system under no tillage.2016, 49(11): 2136-2152. (in Chinese)

[15] WEN W, LIAO Y C, QIANG G. Seasonal and annual variations of CO2fluxes in rain-fed winter wheat agro-ecosystem of Loess Plateau, China., 2013, 12(1): 147-158.

[16] BUYSSE P, SCHNEPFKISS A C, CARNOL M, MALCHAIR S, ROISIN C, AUBINET M. Fifty years of crop residue management have a limited impact on soil heterotrophic respiration., 2013, 180(8): 102-111.

[17] SRINIVASARAO C, VENKATESWARLU B, LAL R, SINGH A K, VITTAL K P R, KUNDU S, SINGH S R, SINGH S P. Long-term effects of soil fertility management on carbon sequestration in a rice–lentil cropping system of the Indo-Gangetic Plains., 2012, 76(1): 168-178.

[18] ZHE E S, GANG L X, MING C Z, HANG L X, RONG S J, GUGGENBERGER G. Long‐term fertilization and manuring effects on physically separated soil organic-matter pools under continuous wheat cropping at a rainfed semiarid site in China., 2012, 175(5): 689-697.

[19] AMOUGOU N, BERTRAND I, MACHET J M, RECOUS S. Quality and decomposition in soil of rhizome, root and senescent leaf from Miscanthus x giganteus, as affected by harvest date and N fertilization., 2011, 338(1): 83-97.

[20] LIANG B, YANG X, HE X, ZHOU J. Effects of 17-year fertilization on soil microbial biomass C and N and soluble organic C and N in loessial soil during maize growth., 2011, 47(2): 121-128.

[21] BALOGH J, PINTER K, FOTI S, CSERHALMI D, PAPP M, NAGY Z. Dependence of soil respiration on soil moisture, clay content, soil organic matter, and CO2uptake in dry grasslands., 2011, 43(5): 1006-1013.

[22] WAGAI R, KISHIMOTOMO A W, YONEMURA S, SHIRATO Y, HIRADATE S, YAGASAKI Y. Linking temperature sensitivity of soil organic matter decomposition to its molecular structure, accessibility, and microbial physiology., 2013, 19(4): 1114-25.

[23] GRITTI E S, DUPUTIé A, MASSOL F, CHUINE I. Estimating consensus and associated uncertainty between inherently different species distribution models., 2013, 4(5): 442-452.

[24] GUNTI?AS M E, GILSOTRES F, LEIRóS M C, TRASARCEPEDA C. Sensitivity of soil respiration to moisture and temperature., 2013, 13(2): 445-461.

[25] LüTZOW M V, K?GELKNABNER I. Temperature sensitivity of soil organic matter decomposition- what do we know?, 2009, 46(1): 1-15.

[26] ZHANG Y, GUO S, LIU Q, JIANG J, WANG R, LI N. Responses of soil respiration to land use conversions in degraded ecosystem of the semi-arid Loess Plateau., 2015, 74: 196-205.

[27] ZHANG Y J, GUO S L, ZHAO M, DU L L, LI R J, JIANG J S, WANG R, LI N N. Soil moisture influence on the interannual variation in temperature sensitivity of soil organic carbon mineralization in the Loess Plateau., 2015, 12(2): 1453-1474.

[28] PANG X, ZHU B, Lü X, CHENG W. Labile substrate availability controls temperature sensitivity of organic carbon decomposition at different soil depths., 2015, 126(1): 1-14.

[29] 高會(huì)議, 郭勝利, 劉文兆, 車升國. 施氮水平對黃土旱塬區(qū)麥田土壤呼吸變化的影響. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(2): 390-396.

GAO H Y, GUO S L, LIU W Z, CHE S G. Effects of nitrogen rates on soil respiration in winter wheat cropping system in semi-arid regions on Loess Plateaun., 2010, 31(2): 390-396. (in Chinese)

[30] XU M, QI Y. Spatial and seasonal variations of Q10determined by soil respiration measurements at a Sierra Nevadan Forest., 2001, 15(3): 687-696.

[31] TANG J, QI Y, XU M, MISSON L, GOLDSTEIN A H. Forest thinning and soil respiration in a ponderosa pine plantation in the Sierra Nevada., 2005, 25(1): 57-66.

[32] ZHANG Y, GAN Z, LI R, WANG R, LI N, ZHAO M, DU L, GUO S, JIANG J, WANG Z. Litter production rates and soil moisture influences interannual variability in litter respiration in the semi-arid Loess Plateau, China., 2016, 125: 43-51.

[33] CHEN S, HUANG Y, ZOU J, SHEN Q, HU Z, QIN Y, CHEN H, PAN G. Modeling interannual variability of global soil respiration from climate and soil properties., 2010, 150(4): 590-605.

[34] ZHANG Q, LEI H M, YANG D W. Seasonal variations in soil respiration, heterotrophic respiration and autotrophic respiration of a wheat and maize rotation cropland in the North China Plain., 2013, 180(1): 34-43.

[35] RAICH J W, SCHLESINGER W H. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate., 1992, 44(2): 81-99.

[36] PENG S, SHILONG P, TAO W, SUN J, SHEN Z. Temperature sensitivity of soil respiration in different ecosystems in China., 2009, 41(5): 1008-1014.

[37] KUZYAKOV Y. Sources of CO2efflux from soil and review of partitioning methods., 2006, 38(3): 425-448.

[38] GRAHAM S L, MILLARD P, HUNT J E, ROGERS G N D, WHITEHEAD D. Roots affect the response of heterotrophic soil respiration to temperature in tussock grass microcosms., 2012, 110(2): 253-260.

[39] ZHU B, CHENG W. Rhizosphere priming effect increases the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition., 2011, 17(6): 2172-2183.

[40] BUYSSE P, ROISIN C, AUBINET M. Fifty years of contrasted residue management of an agricultural crop: Impacts on the soil carbon budget and on soil heterotrophic respiration., 2013, 167(1): 52-59.

[41] 高洪軍, 朱平, 彭暢, 張秀芝, 李強(qiáng), 張衛(wèi)建. 不同施肥方式對東北春玉米農(nóng)田土壤水熱特征的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2015. 29(4): 195-200.

GAO H J, ZHU P, PENG C, ZHANG X Z, LI Q. Effect of different fertilization methods on soil moisture and temperature characteristics of spring maize in northeast china., 2015, 29(4):195-200. (in Chinese)

[42] 于小彬, 蒙美蓮, 劉素軍, 張婷婷, 孟麗麗, 焦瑞棗, 陳有君. 施肥對馬鈴薯農(nóng)田土壤水分時(shí)空變化及產(chǎn)量的影響. 作物雜志, 2016(3): 151-157.

YU X B, MENG M L, LIU S J, ZHANG T T, MENG L L, JIAO R Z, CHEN Y J. Effects of fertilization on soil moisture temporal and spatial variation and yield of potato2016(3):151-157. (in Chinese)

[43] 張彥軍. 凋落物呼吸溫度敏感性的變化特征及其影響因素. 環(huán)境科學(xué), 2017, DOI:10.13227/j.hjkx.201612097.

ZHANG Y J. Variation in the temperature sensitivity of surface litter respiration and its influencing factors., 2017, DOI:10.13227/j.hjkx.201612097. (in Chinese)

[44] REICHSTEIN M, BEDNORZ F, BROLL G, K?TTERER T. Temperature dependence of carbon mineralisation: conclusions from a long-term incubation of subalpine soil samples., 2000, 32(7): 947-958.

[45] 羅由林, 李啟權(quán), 王昌全, 張維, 張浩, 李林鮮, 陳俊偉, 馬煜. 川中丘陵縣域土壤碳氮比空間變異特征及其影響因素. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(1): 177-185.

LUO Y L, LI Q Q, WANG C Q, ZHANG W, ZHANG H, LI L X, CHEN J W, MA Y. Spatial variability of soil C-N ratio and its influence factors at a county scale in hilly area of Mid-Sichuan Basin, Southwest China., 2015, 26(1): 177-185. (in Chinese)

[46] 張彥軍, 郭勝利, 南雅芳, 李澤. 黃土丘陵區(qū)小流域土壤碳氮比的變化及其影響因素. 自然資源學(xué)報(bào), 2012(7): 1214-1223.

ZHANG Y J, GUO S L, NAN Y F, LI Z. The changes and influencing factors of soil C﹕N ratio in small watershed of hilly region of Loess Plateau., 2012(7):1214-1223. (in Chinese)

[47] FERNEZ I, MAHIEU N, CADISCH G. Carbon isotopic fractionation during decomposition of plant materials of different quality., 2003, 17(3): 1-11.

[48] ROVIRA P, VALLEJO V R. Labile and recalcitrant pools of carbon and nitrogen in organic matter decomposing at different depths in soil: an acid hydrolysis approach., 2002, 107(1): 109-141.

[49] 郭勝利, 馬玉紅, 車升國, 孫文義. 黃土區(qū)人工與天然植被對凋落物量和土壤有機(jī)碳變化的影響. 林業(yè)科學(xué), 2009, 45(10): 14-18.

GUO S L, MA Y H, CHEN S G, SUN W Y. Effects of artificial and natural vegetations on litter production and soil organic carbon change in Loess Hilly Areas., 2009, 45(10):14-18. (in Chinese)

[50] 王小利, 郭勝利, 馬玉紅, 黃道友, 吳金水. 黃土丘陵區(qū)小流域土地利用對土壤有機(jī)碳和全氮的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 18(6): 1281-1285.

WANG X L, GUO S L, MA Y H, HUANG D Y, WU J S. Effects of land use type on soil organic C and total N in a small watershed in loess hilly gully region., 2007, 18(6):1281-1285. (in Chinese)

[51] GLENN A J, AMIRO B D, TENUTA M, WAGNER-RIDDLE C, DREWITT G, WARLAND J. Contribution of crop residue carbon to soil respiration at a northern Prairie site using stable isotope flux measurements., 2011, 151(8): 1045-1054.

（責(zé)任編輯 李云霞）

Effect of Long-Term Fertilization on Temperature Sensitivity of Soil Respiration During Fallow Season

ZHANG YanJun

(College of Geography and EnvironmentKey Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism SimulationShannxi)

【Objective】The objective of this experiment is to study the mechanism of changes in the temperature sensitivity of soil respiration (Q10) during the fallow season under different agricultural management measures in the crop-fallow rotation system as it is of great importance for scientific regulation of greenhouse gas emissions of agricultural ecosystem in rain-fed areas of the Loess Plateau. 【Method】An experiment of long-term fertilization experiment was carried out in “Changwu Agricultural Ecological Experiment Station”, and the soil respiration rate, soil temperature, soil moisture, the quantity and quality of substrate under different fertilization treatments (CK, N, NP, M, and NPM) were determined during the fallow season after winter wheat was harvested for studying the mechanism of changes in the Q10during fallow season under different agricultural management measures.【Result】During the fallow season, the soil respiration rate was statistically significant under different fertilization treatments (＜0.05), with soil respiration rate was increased by 6%-127% under different fertilization treatments. Soil temperature, soil moisture, the quantity and quality substrate were important factors affecting soil respiration rate (＜0.05) in the experiment. The effect of soil temperature on soil respiration rate was fitted by the exponential relationship model (＜0.05), and the soil temperature could explain 40%-57% of the variability of soil respiration rate. The response of soil respiration rate to soil moisture was fitted with a parabolic model (＜0.05), and the soil moisture could explain 56%-74% of the variability of soil respiration rate. In addition, the effect of the quantity and quality of the substrate on the soil respiration rate was simulated by the linear relationship model (＜0.05), and the quantity and quality of the substrate could explain up to 66%-94% of the variability of soil respiration rate. The effect of long-term fertilization on soil organic carbon was not significant (＞0.05) under N treatment, whereas increased soil organic carbon by 12%-36% under NP, M, and NPM treatments, respectively. At the same time, long-term fertilization reduced root stubble C by 34% under N treatment, whereas increased root stubble C by 15%-63% under NP, M, and NPM treatments, respectively. The effect of long-term fertilization on soil C﹕N was not significant (＞0.05) under N and NP treatments, whereas increased soil C﹕N by 12%-13% under M and NPM treatments, respectively. At the same time, long-term fertilization decreased root stubble C﹕N by 8%-38%. During the fallow season, long-term fertilization decreased Q10by 12%-56%, which was closely related with substrate quantity (soil organic carbon and root stubble C) and quality (soil C﹕N and root stubble C﹕N) or their interplay (＜0.05). Q10under different fertilization treatments increased with decreasing of soil organic carbon, root stubble C, and soil C﹕N (＜0.05), with substrate quantity and soil C﹕N could explain 61%-95% of the variability of Q10. Q10under different fertilization treatments increased with root stubble C﹕N (＜0.05), with root stubble C﹕N could explain 72% of the variability of Q10. Meanwhile, the contribution of substrate quantity and quality to Q10showed the ordered of root stubble C＞ root stubble C﹕N＞ soil organic carbon ＞ soil C﹕N (2.161.220.480.03).【Conclusion】It was concluded that in the crop-fallow rotation system, long-term fertilization affects the variation in Q10through the quantity and quality of the substrate during the fallow season in the agro-ecosystems are of great importance for scientific regulation of the greenhouse gas emissions in rain-fed areas of the Loess Plateau.

long-term fertilization; temperature sensitivity of soil respiration; quantity and quality of substrate; fallow season

2017-01-05；接受日期：2017-04-17

陜西省科技廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015JM4136）、寶雞市科技計(jì)劃項(xiàng)目（16RKX1-14）、寶雞文理學(xué)院博士科研啟動(dòng)費(fèi)項(xiàng)目（ZK2017041）、陜西省教育廳項(xiàng)目（16JK1042）

張彥軍，E-mail: zhangyanjun@bjwlxy.cn