長期定位施肥下黑土呼吸的變化特征及其影響因素

賀 美，王立剛，王迎春，沈 欣，張亦濤，朱 平

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長期定位施肥下黑土呼吸的變化特征及其影響因素

賀 美1，王立剛1※，王迎春1，沈 欣2，張亦濤1，朱 平3

（1. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2. 全國農業技術推廣服務中心，北京 100125；3. 吉林省農業科學院農業環境與資源研究所，長春 130033）

闡明長期不同施肥下的土壤呼吸特征及其影響機制對黑土區固碳減排研究至關重要。該研究基于1990年開始的國家土壤肥力與肥料效益監測網站－吉林省公主嶺市黑土監測基地，選取不施肥（CK）、單施氮磷鉀肥（NPK）、無機肥配施低量有機肥（NPKM1）、1.5倍的無機肥配施低量有機肥（1.5（NPKM1））、無機肥配施高量有機肥（NPKM2）和無機肥配施秸稈（NPKS）6個處理，明確了長期不同施肥下土壤總呼吸和異養呼吸的季節變化特征，并分析了土壤溫度、水分、微生物量碳氮、銨態氮、硝態氮與土壤呼吸和異養呼吸的關系。結果表明：長期有機無機肥配施可以顯著提高土壤有機碳、全氮、土壤速效磷、有效鉀的含量和土壤活性有機碳庫組分含量（<0.05）；與不施肥相比，長期有機無機肥配施和無機配施秸稈處理分別顯著增加土壤呼吸及異養呼吸碳累積排放量56.32%～86.54%和70.01%～100.93%；根系呼吸對土壤呼吸的整體貢獻為23.68%～34.30%；相關分析表明，土壤呼吸速率和異養呼吸速率與土壤溫度極顯著正相關（<0.01），與土壤含水率呈顯著負相關（<0.01），土壤溫度可以分別解釋土壤呼吸和異養呼吸變化的42.79%和39.61%；土壤微生物量碳氮、土壤硝態氮均與土壤呼吸速率和異養呼吸速率極顯著相關（<0.01），土壤微生物量碳氮、土壤硝態氮可以分別解釋土壤呼吸和異養呼吸變化的78.42%和77.18%，58.33%和56.79%，59.29%和59.14%；土壤銨態氮雖然顯著影響土壤呼吸速率（<0.05），可以解釋土壤呼吸變化的5.56%，但其對異養呼吸速率的影響不顯著。綜合來看，微生物量碳對土壤呼吸及異養呼吸的影響最大，而土壤含水率（>15%）越高則土壤呼吸越弱；無機配施秸稈處理可以提高土壤碳庫組分含量，且作物生育期內土壤呼吸及異養呼吸碳累積釋放量均低于等氮量下施用有機肥（NPKM1）的處理，為最佳的農田管理措施。

土壤；土壤水分；肥料；土壤呼吸；異養呼吸；土壤溫度；土壤微生物量碳氮；土壤銨態氮硝態氮

0 引 言

工業革命以來，溫室氣體（CO2，NxO，CH4等）排放量加劇導致的全球氣候變暖成為21世紀人類面臨的最為嚴峻的環境問題[1]，其中CO2對溫室效應的貢獻率高達56%，是最重要的溫室氣體之一[2]。土壤呼吸是陸地生態系統中除植被冠層光合作用外最大的碳收支通量，全球土壤碳儲量1 500 Pg，是大氣碳庫的3倍，通過土壤呼吸釋放到大氣中的CO2量對陸地生態系統碳平衡及全球氣候變化均有重要影響[3-4]。農田生態系統由于長期受不同程度的人為干擾，如耕作、施肥、灌溉等，不斷影響和改變著土壤碳循環生態過程，使得農田土壤呼吸在時間和空間上的變化十分復雜[5]。因此，探索農田生態系統土壤呼吸變化規律，深入研究土壤呼吸過程的主導因子對于精確預測陸地與大氣的碳交換、農業生產與生態環境的可持續性發展均有重要意義。

土壤呼吸（s）是土壤由代謝作用釋放CO2的過程，包括3個生物學過程（根系呼吸、微生物呼吸和動物呼吸）和一個非生物學過程即含碳礦物質氧化與分解釋放[6]，其中土壤微生物及動物的異養呼吸（h）和根系的自養呼吸（a）是土壤呼吸最重要的組成部分[7]。土壤呼吸受土壤環境因子和生物因子的交互影響[8]，其中土壤溫度和濕度是影響土壤呼吸作用的關鍵環境驅動因子，土壤呼吸的主要組分——根系呼吸和微生物呼吸均是依賴于土壤溫度和水分進行的生物學過程。研究表明[9-11]，在一定條件下土壤呼吸隨溫度增加呈指數增長；土壤水分通過調控土壤通氣與氧化還原狀況以及土壤微生物活性等影響土壤溫室氣體的產生和排放，關于土壤水分對土壤呼吸的影響目前尚未有統一定論，有研究認為土壤呼吸的最優土壤濕度接近最大田間持水量，土壤水分只有在超過田間持水量或降到永久萎蔫點以下的情況下才會抑制土壤呼吸[12-14]，Zhang[9]通過對中國北方小麥-玉米輪作系統土壤呼吸影響因子的研究發現土壤水分含量在萎蔫點和田間持水量之間時對土壤異養呼吸沒有顯著影響。此外，微生物變化是影響土壤呼吸的關鍵生物因子，土壤活性碳庫組分尤其是土壤微生物量碳與土壤呼吸碳累積釋放量呈極顯著相關關系[15]，Reichstein和Eberwein也認為底物的可利用性是控制土壤微生物呼吸變化的主要因子[16-17]。Meijide等[18]發現不同有機肥料類型施用對土壤呼吸的影響有提高、降低或者不變3種可能，劉四義等[19]通過對比玉米和大豆秸稈還田對黑土土壤呼吸的影響發現秸稈還田主要通過影響黑土微生物活性來影響微生物的呼吸速率，米亮等[20]通過對比黑土帶4個樣點發現高緯度黑土微生物呼吸速率顯著高于低緯度黑土，該結果與高緯度地區黑土有機質含量高、土壤微生物數量大有關。Chen等[21]在中國東北地區玉米農田的研究結果表明有機無機肥配施顯著提高黑土異養呼吸速率，這可能與高的活性有機碳含量有關，而有機肥料的類型和用量顯著影響黑土土壤呼吸和自養呼吸，對異養呼吸則沒有影響。自養呼吸主要與植物根際活性及光合產物供應有關，土壤呼吸各組分可能對土壤環境變化產生不同的響應，而長期不同施肥措施對土壤性質與作物生長的影響不同，勢必會引起土壤呼吸各組分差異，進而影響土壤呼吸和異養呼吸與土壤環境因子及微生物量之間的關系，而其相互影響機制有待進一步的研究。

近年來關于農田土壤呼吸影響因素、根系呼吸對土壤呼吸貢獻等研究較多[22-23]，但是農田土壤呼吸受種植作物類型、管理措施與區域氣候因素的影響較大，呈現較強的空間異質性，有關土壤環境因子對土壤呼吸與異養呼吸的影響效應結論不一，并且由于中國長期試驗監測站點較少且不宜擾動的局限，長期施肥后東北黑土土壤呼吸與異養呼吸特征及其主導因子變化缺乏系統研究，因此，本文以連續運行26 a的國家黑土肥力與肥料效益監測基地公主嶺長期定位試驗為平臺，研究長期不同施肥下春玉米生長季土壤呼吸、異養呼吸的動態變化，明確根系呼吸對土壤碳排放的貢獻，并探討環境與微生物變化對土壤呼吸與異養呼吸的影響，以期為評估農田生態系統碳收支和尋找固碳減排管理措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

在中國土壤系統分類中，黑土是獨立的土壤類型，按發生學分類屬于半水成土綱或半淋溶土綱，其下有黑土、草甸黑土、白漿化黑土和表潛黑土等4個亞類[24]。本研究的試驗地位于國家黑土肥力與肥料效益監測基地位于吉林省公主嶺市，該地屬于典型黑土區，年平均氣溫4～5 ℃，有效積溫為2 600～3 000 ℃，年降水量450～650 mm。長期定位試驗從1990年開始，初始耕層土壤（0～20 cm）的理化性狀如下：容重1.19 g/cm3，土壤有機碳13.2 g/kg，土壤全氮1.4 g/kg，土壤有效磷11.79 mg/kg，土壤速效鉀158.33 mg/kg，土壤pH值為7.6，田間持水量及孔隙度分別為35.8%和53.4%，黏粒質量分數（<0.02 mm）31%。本試驗所選處理種植模式均為春玉米（）連作，自試驗開始以來供試玉米品種如下：1991―1994年：丹玉13；1995―1996年：吉單304；1997―1999年：吉單209；2000―2003：四密25；2004―2005：吉單209；2006年至今均為鄭單958。

1.2 試驗設計

本文選擇長期定位試驗其中的6個處理分析：1）不施肥CK；2）單施化肥NPK；3）化肥配施低量有機肥NPKM1；4）1.5倍的化肥配施低量有機肥1.5（NPKM1）；5)化肥配施高量有機肥NPKM2；6）化肥配施秸稈NPKS，各處理施肥量見表1。試驗小區面積400 m2，該長期定位試驗站點布置從1989年開始，由于條件所限當時全國9個處理一致的長期定位試驗均未設置重復，因此，我們在取樣時及設置土壤呼吸基座時將試驗小區分成3個取樣區作為重復。磷鉀肥播種前作為基肥一次性施入，氮肥有1/3在播種前和磷鉀肥一起用作底肥，2/3于拔節期追施。有機肥（M）開始為豬廄肥，2005年后換成牛糞，還田的秸稈（S）采用玉米秸稈。在玉米收獲后將其秸稈從田里移出，地上留茬15 cm并同根茬一起還田。牛糞也在收獲后施入地里，而移出的秸稈經自然風干和人工粉碎，于第2年6月下旬追肥時撒施于壟溝中。播種時間在每年4月下旬，收獲時間則在9月底或10月初，春玉米生育期150 d左右，種植密度為6萬株/hm2。

表1 各處理施肥量

注： 玉米秸稈和有機肥的C：N比分別是66:1和26:1，含氮量是7.0和5.0 g·kg-1；CK：不施肥；NPK:單施氮磷鉀肥；NPKM1：無機肥配施低量有機肥；1.5（NPKM1）：1.5倍的無機肥配施低量有機肥；NPKM2：無機肥配施高量有機肥；NPKS：無機肥配施秸稈；下同。

Note : The C:N ratio of maize straw and farmyard manure in dry matter was 66:1 and 26:1, respectively. In addition, the N concentrations in maize straw and farmyard manure were 7.0 and 5.0 g·kg-1, respectively. CK, no fertilizer; NPK, only chemical fertilizer application; NPKM1, combining chemical and low levels of organic manure; 1.5(NPKM1), 1.5 times the amount of inorganic and organic fertilizer of NPKM1; NPKM2, combining chemical and high amounts of organic manure; NPKS, combining inorganic fertilizer and straw. The same as below.

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤化學指標測定方法

于2015年9月27日用土鉆（直徑3 cm）采集0～20 cm耕層土壤，先將每個大區劃分為3個采樣小區，在每個采樣小區按梅花形5點法采樣后混勻作為一個樣本，各處理的土壤樣本均重復3次。將土壤樣品分成兩部分，一部分風干后挑出碎石、植物根系殘渣并過2 mm篩測定土壤pH值，有機質、全氮、顆粒有機碳與易氧化有機碳含量；另一部分過2 mm篩并保存于4 ℃用以鮮樣的測定，各指標測定均在24 h內完成。參考鮑士旦標準方法[25]，有機質采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮（TN）用凱氏定氮法測定；0.5 mol/L的NaHCO3浸提法測定速效磷（available P）；火焰光度計法測速效鉀（available K），醋酸銨浸提后用火焰光度計直接測定；土壤pH值，稱取10 g過2 mm篩的風干土樣于燒杯中，加入25 mL蒸餾水，用玻璃棒劇烈攪拌1 min，靜置30 min后用pH計測定。水溶性有機碳用0.5 mol/L K2SO4浸提后用總有機碳/總氮（TOC(total organic carbon)/TN(total nitrogen)）自動分析儀（Multi N/C?2053100，德國耶拿）測定[26]；顆粒有機碳采用5 g/L六偏磷酸鈉分散法測定[27]；易氧化有機碳采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定[28]。

選擇玉米主要生育期進行土壤微生物量碳氮和銨態氮硝態氮的測定，包括6月23日（拔節期），7月27日（抽雄期），9月1日（蠟熟期）和9月27日（完熟期）。土壤銨態氮硝態氮的測定：將新鮮土樣按土水比1:5加入1 mol/LKCl溶液振蕩，浸提液用流動分析儀（Seal Analytical GmbH, 德國Seal公司）測定。微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法[29]，稱取預培養后的新鮮土壤于小燒杯中，將其置于真空抽濾器中用去乙醇氯仿在25 ℃的培養箱中避光熏蒸24 h。培養結束后，反復抽濾幾次以去除氯仿，將熏蒸的土壤樣品用0.5 mol/L K2SO4溶液振蕩浸提，并以同樣的方法提取未熏蒸的土壤，浸提液用TOC/TN自動分析儀（MultiN/C?205 3100，德國耶拿）測定，微生物量碳計算：MBC=EC/KEC，微生物量氮：MBN=EN/KEN，其中，EC和EN為熏蒸和未熏蒸土壤的差值；KEC和KEN為轉換系數，分別取值0.45[30]和0.54[31]。

1.3.2 土壤呼吸速率、溫度與水分的測定

土壤呼吸速率采用開路式土壤碳通量測量系統Li-8100紅外氣體分析儀（IRGA）測定。為減少對土壤呼吸測定的干擾，提前24 h將測定土壤呼吸的PVC基座（直徑20 cm，高度10 cm）埋入土壤中，每個基座上部距土壤表面3 cm。各處理設置隔根的對照，隔根處理采用壕溝法，在距離測土壤總呼吸PVC管約10 cm處，選擇50 cm×50 cm的區域，四周垂直挖深50 cm以阻斷根系，將400目尼龍過濾網（隔開根系，不影響水熱氣交換）在底層打結后緊挨壕溝四壁貼放，后將原土依層次放回，在此區域中間安置PVC管。本試驗測定時間為2015年，為消除土壤擾動帶來的影響，每次測定前24 h剪除呼吸環內雜草，于每個測定日上午09:00～11:00進行，該時間段土壤溫度相對穩定。每小區設置3個重復包括總呼吸和異養呼吸，求其平均值作為該次測量的土壤總呼吸速率和異養呼吸速率。測定土壤呼吸速率時同時測定土壤溫度和水分，利用德國進口TRIME-PICO64便攜式土壤水分測試儀測定土壤15 cm的平均溫度和土壤含水率。

本研究采用根系排除法計算根系呼吸對土壤呼吸的貢獻，將土壤總呼吸與異養呼吸的差值作為根系呼吸，根系呼吸占土壤呼吸的比率即為根系呼吸對土壤呼吸的貢獻，即根系呼吸貢獻[32-33]。

1.3.3 土壤呼吸累積CO2排放量和10的計算方法

1）土壤呼吸累積CO2排放量的計算

根據2015年6月23日到9月27日測定的土壤呼吸速率估算土壤CO2-C的日排放量，未測定日期用插值法求出其日排放量，后累加求整個生育期的土壤CO2-C的排放量。計算公式為[34]：

=s×3 600×24×12×10-5

式中指土壤每天CO2排放量，kg/hm2；s表示測定的土壤呼吸速率，mol/(m2·s)；12為CO2-C的摩爾質量，g/mol；3600和24為換算系數。為第1次測定土壤呼吸速率，為最后1次監測值。是相鄰2次監測之間相隔的天數，相鄰2次土壤呼吸的線性內插作為間隔土壤呼吸速率值。

2）10的計算

土壤呼吸速率對溫度的敏感性通常用10來描述。10是溫度每升高10 ℃所造成的土壤呼吸速率的增加值。在不受其他因子限制的情況下，溫度和土壤呼吸速率（s）之間的關系通常情況下可以用指數方程描述：

s=e（1）

10=e10b（2）

式中和為擬合參數，分別代表0 ℃時某層土壤CO2產生速率mol/(m2·s)，溫度響應系數；為土壤溫度，℃。

1.4 數據處理

采用Excel2007及OriginPro9.1對試驗數據進行處理與作圖，用SAS9.1軟件進行數據統計分析，最小顯著差數法LSD 檢驗其差異顯著性（<0.05）。

2 結果與分析

2.1 長期不同施肥下土壤化學性質的變化特征

26 a長期施肥顯著改變了土壤的化學性質（表2）。長期單施化肥顯著降低土壤pH值。長期有機無機肥配施顯著增加土壤有機碳、全氮、速效磷和速效鉀的含量，其中1.5（NPKM1）處理土壤有機碳、全氮、速效磷和速效鉀的含量最高，NPKM2處理次之，NPKS處理含量最低。與長期不施肥相比，長期單施化肥可溶性有機碳、顆粒有機碳和易氧化有機碳含量分別增加13.00%，17.14%和66.67%，長期有機無機肥配施（NPKM1、1.5（NPKM1）和NPKM2）處理土壤可溶性有機碳、顆粒有機碳和易氧化有機碳增加幅度分別為 16.05%～56.34%，219.75%～497.45%和847.62%～1145.93%，長期秸稈還田處理下可溶性有機碳、顆粒有機碳和易氧化有機碳質量分數分別增加了6.95%，121.71%和680.95%，長期有機無機肥配施和秸稈還田處理對土壤活性有機碳組分含量的提升效果比較好，以1.5（NPKM1）處理對土壤可溶性有機碳和易氧化有機碳提升效果最為顯著。

表2 不同施肥措施土壤化學性質變化

注： 數值均為平均值±標準差（=3），下同；同列不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平。

Note: The numeric values represent mean ± standard deviation (=3); The same as below; Different letters in a column mean significant different at the 5% level.

2.2 不同施肥措施下土壤呼吸與異養呼吸的季節性變化動態

長期不同施肥下的土壤呼吸速率和異養呼吸速率變化趨勢基本一致，呈現先增加后逐漸降低的趨勢，從玉米拔節期開始監測時（6月23日）土壤溫度較高，玉米生長正值旺盛期，土壤呼吸速率高于整個生育期的平均值，在6月27日達到呼吸高峰，由于在6月26日進行追肥，各處理除CK外均追加氮肥，均勻溝施后淺翻入土，此時土壤呼吸速率出現高峰是追肥和人為擾動共同作用的結果，下一個土壤呼吸高峰出現在8月2日玉米抽雄期，在此之后土壤呼吸和異養呼吸速率均呈波動式下降。各處理在監測期內土壤呼吸和異養呼吸速率的范圍分別為0.81～8.71和0.53～7.6mol/(m2·s)（表3），NPKM1、1.5(NPKM1)和NPKM2處理的土壤呼吸平均速率高于NPK和CK處理26.06%～36.18%和73.78%～87.73%，NPKS處理高于NPK和CK處理13.25%和56.12%，說明施用有機肥和秸稈還田都能夠提高土壤呼吸速率，并且在各處理等氮量（有機氮與無機氮的總和）的情況下，施用有機肥引起的土壤呼吸速率升高的波動要大于秸稈還田。而異養呼吸速率平均值最高的是1.5(NPKM1)處理，NPKM2處理次之，其他處理異養呼吸平均速率與總呼吸平均速率變化一致。

施肥顯著增加玉米生育期土壤呼吸碳累積排放量。長期單施化肥條件下（NPK），玉米生育期黑土碳排放量顯著高于CK處理37.36%（<0.05），NPKM1，1.5(NPKM1)，NPKM2和NPKS處理顯著高于CK處理56.32%～86.54%（<0.05），其中1.5（NPKM1）和NPKM2的土壤碳排放量顯著高于NPKS處理。作物生育期土壤異養呼吸碳累積排放量整體上占總呼吸碳排放的65.73%～76.69%，除NPKS處理外其余處理總碳累積排放均顯著高于異養呼吸碳累積排放量（<0.05）。異養呼吸碳累積排放量NPKM1，1.5(NPKM1)、NPKM2和NPKS處理顯著高于CK處理73.63%，100.93%，89.61%和70.01%（<0.05）。本試驗中，根系呼吸對總呼吸的貢獻在23.68%～34.30%，以NPK處理最高，NPKS處理最低，有機無機肥配施以及無機肥配施秸稈處理根系呼吸對總呼吸的貢獻均低于不施肥和單施化肥處理。

圖1 不同施肥措施下土壤呼吸與異養呼吸的季節動態變化

表3 不同施肥措施下根系呼吸對土壤呼吸的貢獻

注： 同列帶有不同小寫字母表示同一處理土壤呼吸和異養呼吸間差異顯著（<0.05）；同列帶有不同大寫字母表示不同處理土壤呼吸間差異顯著（<0.05）；同列帶有不同A’， B’， C’表示不同處理異養呼吸間差異顯著（<0.05）；s：土壤呼吸；h：異養呼吸，下同。

Note: Different lowercase letters in a column mean significant difference between soil respiration and heterotrophic respiration under the same treatment at the 5% level; Different uppercase letters in a column mean significant difference of soil respiration among different treatments at the 5% level; Different A’, B’, C’ in a column mean significant difference of heterotrophic respiration among different treatments at the 5% level;s: soil respiration;h: heterotrophic respiration, the same as below.

2.3 不同施肥措施對土壤溫度與水分的影響

不同處理之間土壤溫度變化趨勢基本一致，在作物整個生育期呈波動式下降，與大氣溫度變化相符，整個監測過程中各處理（CK，NPK，NPKM1，1.5(NPKM1)，NPKM2，NPKS）的土壤平均溫度為26.92，27.70，27.24，26.96，27.00和27.43 ℃。各處理土壤溫度之間差異的主要原因是夏季土壤溫度上升較快，測量時間段一般都固定在上午08:00～11:00，正是土壤溫度上升的快速階段，在測量時不同處理之間時間間隔的差異，如間隔30 min就可能會對土壤溫度造成較大的不同，其次降水也會影響土壤溫度的測定。土壤含水率各處理變化趨勢大致一致，在8月2日前變化較平穩，后期波動較大，在9月1日土壤含水率最高，各處理土壤含水率的范圍在7.70%～26.72%。

圖2 試驗期間各處理15 cm土壤溫度和水分變化曲線

表4 不同施肥措施下土壤呼吸速率與土壤溫度和土壤含水率擬合方程

2.4 不同施肥處理下微生物量碳氮與銨態氮硝態氮的季節變化

土壤微生物量碳是土壤有機質中最活躍的組成，對農田管理措施非常敏感，它的周轉時間比總有機碳短[35]，是評價土壤微生物狀況隨環境變化的重要指標。長期不同施肥處理對農田黑土微生物量碳的影響見圖3。在玉米整個生育期，微生物量碳氮最高值均出現在拔節期，而收獲期9月份最低。CK處理的微生物量碳始終最低，單施化肥和有機無機肥配施能夠顯著提高土壤微生物量碳的含量，從3個有機無機肥配施（NPKM1，1.5（NPKM1）和NPKM2）的處理來看，微生物量碳的提升隨著有機肥的投入增加而升高，無機肥配施秸稈的處理微生物量碳提升效果優于單施化肥，與NPKM1處理對微生物碳的影響沒有顯著差異。長期施肥下土壤微生物量氮的變化趨勢與微生物量碳的變化趨勢一致，在6月份最高，9月份收獲期最低。各處理中以3個有機無機肥配施對微生物量氮的提升效果最顯著，其次為無機肥配施秸稈的處理，單施化肥能提高微生物量氮含量，但是與不施肥的處理差異不顯著。

土壤有效氮是影響土壤呼吸的重要指標，土壤硝態氮（NO3--N）是植物吸收利用氮素的主要形態，土壤中的銨態氮易經硝化作用轉化成硝態氮，銨態氮與硝態氮的季節變化動態可以反映不同施肥管理下的土壤氮素養分狀況。本試驗中長期施肥下的銨態氮與硝態氮具有明顯的季節動態，銨態氮與硝態氮大體上呈此消彼長的關系，1.5（NPKM1）和NPKM2處理的銨態氮與硝態氮含量在各個時期均高于其他處理。長期施肥下的土壤硝態氮含量在玉米生育期內持續降低，6、7月份各處理間差異較大，后期隨著硝態氮含量的降低差異逐漸減小。不同處理的土壤銨態氮含量變化趨勢不一致，CK和1.5（NPKM1）2個處理在拔節期略有降低，其余處理的土壤銨態氮在玉米生育期內均表現為先升高后降低，蠟熟期（9月1日）最高，完熟期（9月27日）最低。

圖3 不同施肥措施下土壤微生物量碳氮的季節動態變化

圖4 不同施肥措施下土壤銨態氮和硝態氮的季節動態

2.5 土壤呼吸與異養呼吸與土壤環境因子、土壤微生物量碳氮之間的相關性

將所有處理土壤呼吸（s）和異養呼吸（h）速率綜合分析發現，土壤總呼吸和土壤異養呼吸速率極顯著相關（圖5），土壤異養呼吸可以解釋總呼吸變化的87.88%。在農田生態系統尺度上，土壤呼吸和環境因子之間的關系可以用指數函數、二次函數、冪函數以及線性函數等形式表達，本研究采用指數函數（s=e）和冪函數擬合了土壤呼吸速率和異養呼吸速率與土壤溫度（T）及含水率（%）之間的關系，采用線性模型擬合土壤呼吸速率與異養呼吸速率和土壤微生物量碳氮（MBC, MBN）及銨態氮硝態氮（NH4+-N, NO3--N）之間的關系。本試驗得出，土壤呼吸速率隨土壤溫度的升高呈指數增加的趨勢，土壤溫度可以解釋s和h 42.79%和39.61%的變異（<0.01），而s和h均與土壤含水率呈顯著負相關（<0.01）。同時，s和h與土壤MBC， MBN，NH4+-N，NO3--N均呈極顯著相關，MBC，MBN可以解釋s和h季節變化的78.42%和77.18%。MBN可以解釋s和h季節變化的58.33%和56.79%，NO3--N可以解釋s和h季節變化的59.29%和59.14%，而土壤NH4+-N顯著影響s（<0.05），可以解釋s變化的5.56%，但是對h的影響不顯著。

圖5 土壤呼吸（Rs）和異養呼吸（Rh）與土壤環境因子及微生物量碳氮的相關關系

3 討 論

3.1 長期不同施肥對黑土化學性質的影響

長期不同施肥對土壤化學性質影響不同，長期有機無機肥配施均能顯著提高土壤有機碳、全氮，速效磷和有效鉀的含量，這與張國榮等研究結論一致[36]。本試驗中長期單施化肥對土壤有機碳、全氮，速效磷和有效鉀的含量的沒有顯著提高，這與戚瑞敏等[37]長期單施化肥顯著提高潮土有機碳、全氮和速效磷鉀含量的結論不一致，主要原因可能是二者化肥的用量不一致，本試驗中單施化肥用量為N:165 kg/hm2，P2O5: 82.5 kg/hm2，K2O:82.5 kg/hm2，而戚瑞敏等長期單施化肥用量為N:375～450 kg/hm2，P2O5:225～300 kg/hm2，K2O:150 kg/hm2，大量氮磷鉀肥的輸入直接增加土壤速效養分含量，造成土壤氮磷鉀含量的顯著提升。由于土壤有機碳有較高的背景值，其總量變化較慢，對農田管理措施的反應不夠敏感，因此，近些年來許多學者將活性有機碳組分包括微生物量碳、水溶性有機碳、易氧化有機碳和顆粒有機碳等作為反映土壤質量與肥力變化的早期預測指標，解析土壤有機碳的有效性[38]。本試驗中有機無機肥配施顯著增加土壤可溶性有機碳、顆粒有機碳和易氧化有機碳含量，其原因是有機肥的施用不僅可以直接提高土壤有機碳含量和土壤微生物量與活性，而新鮮外源碳的輸入也可產生正激發效應，刺激原有土壤有機碳的礦化，加速微生物對植物殘體及有機物料的腐解進而提高土壤活性碳庫組分的含量[39-40]。秸稈還田能夠增加土壤有機碳庫各組分含量，但是效果不顯著，其原因可能是東北冷涼的氣候條件使得玉米秸稈腐解緩慢，且秸稈中的惰性有機質組分如木質素、單寧等完全降解需要幾十年至上百年，周江敏等[41]對秸稈施用后土壤可溶性有機碳的動態變化研究中發現秸稈腐解的前7 d顯著增加了土壤溶解性有機碳含量，7 d后則無明顯影響；從目前試驗實施的時間來看，秸稈還田對土壤有機碳庫組分提升效果不如等氮量下的有機無機肥配施處理。

3.2 長期不同施肥下土壤呼吸與異養呼吸的變化特征

土壤呼吸是一個復雜的生物學過程，關于土壤呼吸的季節性變化規律前人研究較多[42-44]，大部分的研究認為土壤呼吸在作物整個生育期先增強后減弱，祿興麗等[45]研究發現玉米生育期土壤呼吸速率在拔節期至抽雄期最大，本試驗結果與此結論相符，最高速率在拔節期，收獲期降至最低，可能因為拔節期的追肥給微生物提供了氮源和能源，氮肥供給使得作物生長旺盛，根系呼吸增加，從而使土壤呼吸速率顯著增強。施用有機肥和秸稈還田都能夠提高土壤呼吸速率，有機物料還田提高了土壤養分含量，為微生物呼吸提供足夠的底物，使得微生物呼吸強度增強以及持續時間延長，因此，秸稈還田和有機無機肥配施均能顯著增加土壤呼吸碳累積排放量，但是在各處理等氮量（有機氮與無機氮的總和）的情況下，施用有機肥的效果更顯著，推測是由于還田初期是秸稈中有機物的“快速分解階段”，以中快速生長型微生物為主進行分解，后期逐漸到“緩慢分解階段”，主要以慢速生長型微生物群進行降解[46]，加上東北屬于高緯度地區，冷涼的氣候環境使得土壤呼吸速率的增加效應隨著秸稈還田時間的推移一定程度的降低。

區分土壤呼吸組分的方法主要有以下3類：同位素示蹤法（脈沖標記法和連續標記法）、推理分析法和根去除法，其中根排除法因操作簡單被廣泛采用[47]。李虎等[22]應用DNDC模型估算出玉米根際呼吸對土壤呼吸的貢獻為91%～95%，張賽等[48]利用根系生物量外推法和根去除法測得小麥根系呼吸貢獻率分別為47%和54%，祿興麗等[45]用根系去除法得出玉米生育期不同耕作措施下根系呼吸占土壤呼吸比例為15%～82%，平均值為51.72%，Kuzyakow等[49]用14C示蹤法測定的值為15%～60%，本研究中根系呼吸對土壤呼吸的貢獻占23.68%～34.30%，平均值為28.19%，與任志杰[50]在華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟傳統管理體系得出的玉米季根系呼吸對土壤呼吸的貢獻29.6%的結果接近，但是低于蔡艷等[51]玉米根系呼吸對土壤呼吸平均貢獻率46%的結果，造成這一現象可能有2個原因，大部分根系去除法的壕溝深度在1～1.2 m，本研究基于長期定位試驗不宜過度擾動，壕溝深度設為50 cm，而關于大田不同生育時期玉米根系測定結果表明0～20和0～80 cm土層玉米根系干質量比例分別約占70%和95%[52]，可推測出50 cm土層以下玉米根系生物量約占20%～30%，這部分根系呼吸被忽略可能是影響本試驗結果的主要原因；另一方面由于本試驗中土壤呼吸的監測開始于拔節后期，任志杰等[50]研究發現夏玉米6葉期后根區和非根區土壤呼吸之間就會出現明顯差異，而本研究中生育期監測的不完整也可能會造成對作物根系貢獻的估計值偏低。

3.3 土壤呼吸及異養呼吸速率與土壤水熱條件和微生物量碳氮的相關關系

土壤溫度和含水率是影響土壤呼吸的關鍵環境因子，土壤溫度是土壤呼吸日變化的驅動因子，在一定范圍內溫度的增加可以提高土壤微生物活性，同時直接影響根系生理活動和生長，進而影響異養呼吸和自養呼吸，土壤水分對土壤呼吸的影響有正相關、負相關和不相關3種[14,53-54]。本試驗中土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著指數相關，此結論與前人研究一致。土壤呼吸速率和異養呼吸速率與土壤含水率呈顯著負相關，推測主要是由于春玉米生長期間正值東北地區雨季，頻繁的降水影響了土壤通氣透水性能，抑制了土壤呼吸。土壤微生物量碳氮是衡量農田管理措施對土壤有機質影響的指標[55]，被用來作為評價土壤質量的生物學性狀。長期施用有機肥以及秸稈還田可以提高微生物活性和微生物量，進而增強土壤呼吸，本研究中土壤微生物量碳氮與土壤呼吸呈極顯著相關，與臧逸飛等[56]研究一致。土壤硝態氮是植物主要吸收利用的氮素養分，速效氮含量高能夠為植物提供充足氮源刺激植物生物量生長，本研究中硝態氮與土壤呼吸達到極顯著相關水平，與Liang等[8]在華北平原小麥-玉米輪作下不同施肥對土壤呼吸的影響研究得出的銨態氮、硝態氮與土壤呼吸極顯著相關結論一致，而本試驗中銨態氮對土壤呼吸的影響較弱，與土壤異養呼吸沒有顯著相關性，這可能與施肥制度、土壤類型及作物類型等的不同有關，其原因有待進一步研究。

土壤環境因子與微生物變化共同作用和影響土壤呼吸作用，有研究指出包含溫濕度的復合模型能夠更好的解釋土壤呼吸的變化[57]，而本研究的不足之處是將對土壤呼吸的影響因素作為單一變化因子獨立出來，忽略了各影響因素之間的相互作用，下一步研究應該側重于多種環境因子對土壤呼吸的綜合影響效應，如土壤溫度和濕度對土壤呼吸的綜合影響等。

4 結 論

長期有機無機肥配施可以顯著提高土壤有機碳、全氮、土壤速效磷、有效鉀的含量和土壤活性有機碳庫組分含量（<0.05）；長期有機無機肥配施和無機配施秸稈處理提高了春玉米生育期土壤呼吸和異養呼吸平均速率，顯著增加土壤呼吸及異養呼吸生育期碳累積排放量56.32%～86.54%和70.01%～100.93%；土壤呼吸和土壤異養呼吸速率極顯著正相關（<0.01），二者與土壤溫度、土壤微生物量碳、氮、土壤硝態氮均極顯著正相關，與土壤含水率則呈顯著負相關；土壤銨態氮顯著影響土壤呼吸速率，但是對異養呼吸速率的影響不顯著；綜合來看，無機配施秸稈處理可以維持黑土碳庫組分含量，且作物生育期內其土壤碳累積排放量低于等氮量（有機氮與無機氮的總和）下施用有機肥的處理，同時能夠保持微生物活性和作物水分供應等，為最佳的農田管理措施。

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Characteristic of black soil respiration and its influencing factors under long-term fertilization regimes

He Mei1, Wang Ligang1※, Wang Yingchun1, Shen Xin2, Zhang Yitao1, Zhu Ping3

(1.100081; 2.,100125;3130033)

Clarifying characteristic and its influence factors of soil respiration under long-term different fertilization is essential to the research on carbon sequestration as well as carbon emission reduction in black soil area. Our experiments were conducted in National Fertility Monitoring Station in Gongzhuling City since 1990, and 6 fertilization treatments were set up, including no fertilizer (CK), only chemical fertilizer application (NPK), inorganic fertilizer combined with low level of organic manure (NPKM1), 1.5 times the amount of inorganic fertilizer combined with organic fertilizer of NPKM1 (1.5 (NPKM1)), inorganic fertilizer combined with high amount of organic manure (NPKM2), and inorganic fertilizer combined with straw (NPKS). The seasonal variation characteristics of total and heterotrophic soil respiration were analyzed, and the relationships between relevant factors (soil temperature, moisture content, microbial biomass carbon and nitrogen (MBC,MBN), ammonium and nitrate nitrogen) and total or heterotrophic soil respiration were determined. The results showed that long-term combined application of organic manure and chemical fertilizer could significantly improve content of soil organic carbon, total nitrogen, soil available phosphorus and potassium and soil active organic carbon components (<0.05). Compared with CK, long-term combined application of chemical fertilizer and organic manure, and chemical fertilizer and straw treatment could significantly increase soil carbon cumulative emissions by 56.32%-86.54% and 70.01%-100.93%, respectively. The total contribution of root respiration to soil respiration was 23.68%-34.30%. Correlation analysis indicated that soil respiration rate was significantly positively correlated with soil temperature (<0.01), but significantly negatively correlated with soil moisture content (<0.01). And soil temperature could explain 42.79% and 39.61% of changes in soil respiration and heterotrophic respiration, respectively.Soil respiration rate and heterotrophic respiration rate were significantly correlated with MBC, MBN and nitrate nitrogen (<0.01), which could explain 78.42% and 77.18%, 58.33% and 56.79%, 59.29% and 59.14% of changes in soil respiration and heterotrophic respiration, respectively. The soil ammonium nitrogen significantly affecting the soil respiration rate (<0.05), could account for 5.56% of the changes in soil respiration, but it had no significant effect on the rate of heterotrophic respiration.Therefore, MBC had the greatest influence on total and heterotrophic soil respiration rate, and higher soil moisture content resulted in weaker soil respiration and heterotrophic respiration rates. NPKS could maintain soil carbon pool component content and microbial activity, and in addition, the carbon cumulative emissions during crop growth period were lower than that of NPKM1 under equal quantity of nitrogen of chemical fertilizer and organic manures, which was the best farmland management measure.

soils; soil moisture; fertilizers; soil respiration; heterotrophic respiration; soil temperature; soil microbial biomass carbon and nitrogen; soil ammonium-N and nitrate-N

2017-09-12

2018-01-08

國家重點研發計劃（2016YFE101100，2017YFD0201801）；國家自然科學基金（31770486）；公益性行業（農業）科研專項（201303126-2）和中國農科院創新工程協同創新任務（CAAS-XTCX2016008-02）

賀 美，主要研究方向為農田生態系統碳循環。 Email：hemei16@mails.ucas.edu.cn

王立剛，研究員，博導，主要從事農業生態系統碳氮循環研究。Email：wangligang@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.018

S363

A

1002-6819(2018)-04-0151-11

賀 美，王立剛，王迎春，沈 欣，張亦濤，朱 平. 長期定位施肥下黑土呼吸的變化特征及其影響因素[J]. 農業工程學報，2018，34(4)：151－161.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.018 http://www.tcsae.org

He Mei, Wang Ligang, Wang Yingchun, Shen Xin, Zhang Yitao, Zhu Ping. Characteristic of black soil respiration and its influencing factors under long-term fertilization regimes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 151－161. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.018 http://www.tcsae.org