半干旱區不同施肥量對旱作冬小麥田土壤呼吸的影響

胡智臨，張 春，賈志寬

(西北農林科技大學農學院，陜西 楊凌 712100)

施肥是重要的農田管理措施，同時也是提高作物產量的主要手段之一。施肥主要通過影響作物生長和土壤微生物環境而影響土壤呼吸[1]。研究表明，土壤溫度和土壤水分是影響土壤呼吸的關鍵驅動因子[2]。不同施肥量對作物冠層生長的影響使土壤遮陰程度有所差異，進而影響土壤溫度,且不同施肥處理下作物耗水差異較大，導致土壤水分含量不同。相關研究表明，在一定施肥范圍內，土壤呼吸速率隨施肥量的增加而增強，當施肥量超過一定限度之后，土壤中C/N比下降，抑制了土壤微生物的活性，進而減緩分解速率[3]。在陜西關中灌區對冬小麥田土壤呼吸的研究發現，中低氮水平范圍內CO2排放量隨施氮量增加而增加[4]。氮磷配施促進了小麥根系生長，增強了根系呼吸速率[5]。增加施肥量有助于提升土壤CO2釋放量[6]。也有研究表明，冬小麥田土壤CO2排放量隨施肥量的增加而降低[7-9]。長期施氮后因土壤固碳能力增強，土壤呼吸降低[10]。

國內外關于施肥量對土壤呼吸影響的研究已有不少文獻報道，嚴俊霞等[11]對黃土高原高粱地的5種施肥模式研究表明，施肥能增加溫度對土壤呼吸的貢獻程度。在不同水肥條件下夏玉米和冬小麥輪作體系中，氮磷配施能顯著增加農田生態系統的碳收支狀況[12]。而在冬小麥種植中，免耕可減少土壤呼吸的敏感性，降低施肥所引起的土壤呼吸的增加[13]。由于研究區域氣候條件、土壤肥力、栽培管理技術及作物的不同而呈現出不同變化規律，對于半干旱區旱作農業條件下冬小麥施肥量對土壤呼吸的影響尚無明確認可的結論。本研究在寧南旱作農業區開展冬小麥施肥梯度試驗，通過監測不同施肥量下冬小麥田土壤呼吸速率及土壤水熱因子，探索不同施肥量對土壤呼吸的影響，為降低農田CO2排放和農業可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年9月—2020年7月在寧夏回族自治區彭陽縣旱地農業試驗站(106°48′E，35°51′N，海拔1 700 m)進行。該地1973—2013年平均氣溫8.0℃，年平均日照時數2 518.2 h，年平均降水量430 mm，約60%的降水集中在7—9月(冬小麥休閑期)；年蒸發量1 753.2 mm，無霜期150 d。該地屬典型半干旱區高原丘陵地貌，土壤質地為黃綿土。試驗地土壤0～20 cm土層有機質含量為15.1 g·kg-1，全氮為1.2 g·kg-1，堿解氮63.6 mg·kg-1，速效磷37.6 mg·kg-1，速效鉀161.2 mg·kg-1。試驗期間降水量及氣溫情況如圖1所示。

1.2 試驗設計

本試驗設置4個施肥梯度，采用完全隨機設計。施肥水平包括：高肥(FH)：270 kg·hm-2(N)， 180 kg·hm-2(P2O5)；中肥(FM)：180 kg·hm-2(N)，120 kg·hm-2(P2O5)；低肥(FL)：90 kg·hm-2(N)，60 kg·hm-2(P2O5)；無肥( FN)。每處理3次重復，共12個小區，具體施肥方案如表1。田間小區面積為78 m2(長13 m×寬6 m)，小區四周種植保護行。在試驗開始前對試驗地進行了深翻，播前15 d進行整地，所有肥料均作為底肥于播前7 d均勻撒在地表，并用鐵鍬翻至約20 cm土層。

表1 施肥量及施肥方案(N∶P=1.5∶1)

依據當地氣候條件和生產環境，試驗供試冬小麥品種為‘隴鑒301’，播量為190 kg·hm-2，播種方式為條播，播種行距為20 cm。在冬小麥各生育時期進行人工除草和病蟲害防治。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤呼吸(RS)RS的測定采用閉路式土壤碳通量系統，儀器型號為LI-8100(LI-COR，Lincoln，Nebraska，USA)，儀器配備密閉氣室和聚氯乙烯(PVC)環(內徑=20.3 cm，外徑=21.34 cm，高11.43 cm)。冬小麥出苗后，每個處理安裝3個PVC環，安裝方法為在行間垂直插入，PVC環上部3 cm暴露在土壤表面。小麥生育期內PVC環固定不移動。測定前24 h手動除去PVC環內的凋落物及活的植物以確保測定結果準確。在冬小麥苗期(Seeding,S)、返青期(Reviving,R)、拔節期(Jointing,J)、抽穗期(Heading,H)、開花期(Anthesis,A)、灌漿期(Grouting,G)和成熟期(Maturing,M)的晴天上午9∶00—11∶00進行測定。全生育期CO2排放總量計算公式為：

式中,TCO2為全生育期內單位面積上CO2的總排放量(kg·hm-2)；i為當前測定日期；n為最后測定日期；t為播種后天數；3.80為μmol·m-2·s-1轉換為g·m-2·d-1的轉換系數；10是g·m-2·d-1轉換為kg·hm-2的轉換系數；RS為各處理土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)。

1.3.2 土壤溫度 土壤溫度采用曲管地溫計(河北省武強縣鑫宇儀表廠)進行記錄。在冬小麥播種后，于冬小麥行間挖槽，垂直深度分別為5 cm、10 cm，再將5 cm、10 cm曲管地溫計埋入槽中。土壤溫度測定與土壤呼吸測定同步進行。

1.3.3 土壤水分 土壤水分的測定方法為土鉆法，取樣深度為100 cm，其中0～20 cm土層間隔10 cm進行取樣，20～100 cm土層間隔20 cm進行取樣。在冬小麥行間選取3個取樣點進行取樣，各個土層分別均勻混合后進行土壤水分的測定。田間樣品取完后2 h內測定所取樣品的濕重，105℃烘干至恒重，稱干土重。土壤水分測定時期與土壤呼吸同步。根據公式計算土壤含水量(SWC)：

SWC(%)=(鮮土重-干土重)/干土重×100

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010 軟件對數據進行整理，OriginPro 2015進行制圖，采用 SPSS(PASW Statistics 190)統計分析軟件對數據進行方差分析，LSD法進行多重比較分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 施肥對冬小麥生長季土壤溫度的影響

如圖2所示，2018—2019年和2019—2020年冬小麥生長季0～5 cm和5～10 cm土層土壤溫度動態變化趨勢基本一致，在冬小麥生育期呈現出先下降后升高的趨勢，這與大氣溫度變化趨勢相同。返青期土壤溫度最低，成熟期土壤溫度最高。2018—2019年，0～5 cm和5～10 cm土層土壤溫度在拔節期～成熟期不同處理之間差異顯著(P<0.05)，表現為FL>FM>FH>FN，而2019—2020年僅在拔節期和抽穗期存在顯著差異，這可能與2019—2020年生育期氣溫波動幅度小有關(2018—2019年平均氣溫-6℃～20.2℃；2019—2020年平均氣溫-1℃～18.7℃)，表明施肥對土壤溫度的影響與氣溫變化緊密相關。

2018—2019年生育期內各處理0～5 cm土層土壤平均溫度為15.3℃(FL)、14.5℃(FM)、14.4℃(FH)和13.3℃(FN)，各處理分別較FN處理增加了15.0%、9.0%和8.3%；5～10 cm土層平均溫度為14.2℃(FL)、13.4℃(FM)、12.8℃(FH)和11.7℃(FN)，各處理分別較FN處理增加了21.4%、14.5%和9.4%。2019—2020年生育期內各處理0～5 cm土層土壤平均溫度為12.9℃(FL)、12.7℃(FM)、12.3℃(FH)和12.1℃(FN)，各處理分別較FN處理增加了6.6%、5.0%和1.7%;5～10 cm平均溫度為11.7℃(FL)、11.3℃(FM)、11.1℃(FH)和10.9℃(FN)，各處理分別較FN處理增加了7.3%、3.7%和2.0%，表明施肥提升了生育期0～10 cm土層土壤溫度。

2.2 施肥對冬小麥生長季土壤水分的影響

由圖3可知，施肥對土壤含水率產生了一定的影響。4種施肥處理下土壤0～100 cm土層土壤剖面含水率分布特征與降水及作物生長密切相關。在降水集中的7—9月，苗期土壤含水率最高，而在冬小麥生育期的10月—次年6月降水少，土壤含水率呈逐漸下降趨勢。2018—2019年，與處理FN相比，施肥處理降低了冬小麥在拔節期、抽穗期、開花期和灌漿期的土壤含水率；在冬小麥拔節期和抽穗期，處理FN0～40 cm土層土壤含水率均高于各施肥處理，表明該時期作物生長發育較快，且根系生長迅速，集中消耗了0～40 cm土層土壤水分；開花期，與處理FN相比，施肥處理(FH>FM>FL)降低了0～60 cm土層土壤含水率，分別降低了13.8%、7.0%和3.0%；在灌漿期，與FN處理相比，施肥處理降低了0～80 cm土層土壤含水率，由于這段時間降水量少，表明該時期冬小麥根系下扎主要消耗0～80 cm土層土壤水分。2019—2020年冬小麥生育期土壤含水率變化與2018—2019年變化規律一致，但2019—2020年成熟期與2018—2019年成熟期土壤含水率表現不同，這與2019—2020年成熟期降水少且溫度高有關。總體上，2018—2019年和2019—2020年生育期內，4種施肥處理下0～100 cm土層土壤含水率整體表現為處理FN>FL>FM>FH，這可能是因為不同施肥水平促進了冬小麥生長，加速了其對土壤水分的消耗。

2.3 土壤溫度和水分與土壤呼吸的關系

分別對0～10 cm土層土壤溫度和0～60 cm土層水分與土壤呼吸做相關性分析，如表2和表3所示。各處理下0～5 cm和5～10 cm土層土壤溫度與土壤呼吸的相關系數均達到顯著水平，隨著溫度的上升，土壤呼吸呈現增加趨勢。5～10 cm土層土壤溫度與呼吸的相關性顯著高于0～5 cm土層，平均擬合系數大小為處理FM>FN>FH>FL。線性擬合結果表明施肥顯著增加了土壤呼吸的排放系數，在施肥條件下，土壤溫度每上升1℃所引起的土壤呼吸的增量顯著上升。0～10 cm土層土壤含水率與土壤呼吸呈現顯著相關關系，10～20、20～40 cm和40～60 cm土層土壤含水率與土壤呼吸無顯著關系，數據擬合程度不高。線性擬合結果表明在0～10 cm土層，施肥顯著增加了土壤呼吸的排放系數，在施肥條件下，土壤水分每上升1%所引起的土壤呼吸增量顯著提升，具體表現為FN>FH>FL>FM處理。

表2 土壤溫度和土壤呼吸的線性關系

表3 土壤含水量和土壤呼吸的線性關系

二元二次方程(Z=a+bx+cy+dx2+ey2+fxy)可擬合土壤水熱雙因素與土壤呼吸的關系(表4)。基于土壤水分和溫度的二元二次方程的決定系數高于溫度和水分的單因子線性方程。二次方程比線性方程可以更好擬合試驗結果，可以解釋土壤呼吸變化的81%～89%(P<0.01)，而線性方程后者可以解釋土壤呼吸變化的63%～74%(土壤溫度)和46%～75%(土壤水分含量)(P<0.01)。

表4 土壤含水量與溫度和土壤呼吸的線性關系

2.4 不同施肥量下冬小麥田土壤呼吸速率季節變化規律

不同施肥量對冬小麥土壤呼吸速率具有顯著影響(P<0.05)。從圖4可以看出， 2018—2019年(圖4a)和2019—2020年(圖4b)冬小麥田土壤呼吸速率表現規律一致，均呈現出降低(苗期～返青期)-升高(返青期～拔節期)-降低(拔節期～灌漿期)

-升高(灌漿期～成熟期)的季節變化趨勢。這與當地氣溫變化趨勢一致，且與冬小麥生長狀況密切相關。苗期和返青期，各施肥處理與不施肥相比均無顯著差異(P<0.05)。從拔節期開始，氣溫上升，冬小麥快速生長，土壤呼吸速率迅速上升。拔節期～灌漿期土壤呼吸速率有所降低，這可能是因為抽穗期之后冬小麥進入生殖生長期，光合產物主要用于地上部生長，轉移到根系的相對較少，導致根系呼吸作用減弱，且封行后土壤溫度降低，這會影響土壤微生物呼吸作用。拔節期～成熟期各處理間土壤呼吸速率差異顯著(P<0.05)，表現出處理FL>FM>FH>FN的規律。成熟期土壤呼吸速率升高，該時期(6月底—7月初)降水偏多、溫度較高(圖1)，導致土壤含水率較高，土壤溫度升高，高溫高濕的土壤環境導致呼吸速率急劇上升。

2018—2019年4個施肥處理下，平均土壤呼吸速率大小表現為FL(2.66 μmol·m-2·s-1)>FM(2.44 μmol·m-2·s-1)>FH(2.23 μmol·m-2·s-1)處理，均顯著高于FN處理(1.96 μmol·m-2·s-1)，分別提高了35.7%、24.5%和13.8%。2019—2020年表現出相同的規律，即FL>FM>FH>FN，各處理生育期平均土壤呼吸速率分別為FL(2.61 μmol·m-2·s-1)、FM(2.29 μmol·m-2·s-1)、FH(2.08 μmol·m-2·s-1)和FN(1.80 μmol·m-2·s-1)，FL、FM和FH處理分別較FN處理提高了45.0%、27.2%和15.6%。說明施肥能提升土壤呼吸速率，但隨著施肥量的增加土壤呼吸速率逐漸減弱。

2.5 不同施肥量下冬小麥各生育期土壤CO2累計排放量變化特征

施肥顯著增加了冬小麥生育期土壤呼吸碳累計排放量，但隨著施肥量的增加其累計排放量逐漸降低(表5)。2018—2019年和2019—2020年冬小麥田各生育期土壤碳排放量表現規律一致，這與各個時期土壤呼吸速率密切相關。苗期～返青期，各施肥水平之間土壤CO2累計排放量均無顯著差異(P>0.05)，該階段作物生長發育近乎停滯且土壤溫度處于最低水平，CO2累計排放量高于其他生育時期，歸因于該生育期持續時間占全生育期的3/5左右。拔節期～成熟期，氣溫升高且冬小麥生長迅速，土壤CO2累計排放量迅速升高，各處理間土壤CO2排放量差異顯著，表現出FL>FM>FH>FN的規律，雖然該時期持續時間僅占全生育期的2/5左右，但土壤CO2排放量卻占全生育期CO2排放量的一半以上。

表5 冬小麥各生育期的土壤 CO2排放總量/(kg·hm-2)

2018—2019年，FL、FM和FH處理冬小麥全生育期CO2累計排放量較FN處理分別增加了25.9%、18.9%和9.5%。2019—2020年表現出相同規律，與FN處理相比，FL、FM和FH處理冬小麥全生育期CO2累計排放量分別增加了32.3%、20.9%和12.0%。進一步證明，施肥量可以增加了冬小麥從返青期～成熟期的土壤呼吸碳排放量。

3 討 論

3.1 施肥量對土壤溫度和土壤水分的影響

施肥量對土壤溫度和土壤水分具有間接影響。土壤溫度升高，作物生長和根系發育好，對水分的吸收能力強，代謝旺盛，進而導致施肥處理土壤含水率低于不施肥處理。本研究發現，與不施肥處理相比，施肥處理提升了土壤溫度，降低了土壤含水率，這與李博文[14]的研究結果一致，他指出施肥提升了0～25 cm土層土壤平均溫度，促進了作物生長，降低了土壤含水率。2018—2019年與2019—2020年拔節期溫度出現差異與2018—2019年當月平均氣溫有關，李宏鵬等[15]的研究表明氣溫與地面溫度變化緊密相關。施肥通過影響作物生長發育來影響土壤含水率，并且土壤含水率與降水量密切相關，降水量大小會直接影響土壤含水率的大小，干旱區0～200 cm土層土壤水分對降水的響應均達到顯著水平[16]。

3.2 土壤水分、土壤溫度對土壤呼吸的影響

本研究發現，苗期和返青期各施肥水平間土壤呼吸速率均無顯著差異(圖4)。這個階段冬小麥生長緩慢，施肥量多少并未對其生長造成顯著影響，土壤呼吸作用主要由非生物因子(如土壤溫度、濕度等)主導。土壤水分和土壤溫度是影響土壤呼吸速率的重要因素[17-18]。前人研究表明，土壤呼吸的季節動態主要與土壤溫度有關[19]。但是，在季節尺度上，當土壤水分不受限制時，土壤呼吸與土壤溫度密切相關。在本研究中，拔節期～灌漿期土壤溫度升高，土壤呼吸速率卻略有下降。因為，土壤溫度和土壤水分在季節變化中，共同調節土壤呼吸速率[20-21]。拔節期～灌漿期土壤溫度雖然升高，但土壤含水率明顯降低，土壤溫度和土壤水分二者的交互效應，最終表現為土壤呼吸速率略有下降。熱量和CO2在土壤中的傳輸速度不同也會導致土壤呼吸與土壤溫度的不同步。研究表明，土壤呼吸速率與土壤溫度的關系可以用線性方程、指數方程和二項式方程來擬合[22-25]。在本研究中，土壤呼吸速率與土壤溫度呈現線性正相關關系(表2)。劉武仁等[26]通過相關分析也得出相同結論，在一定溫度范圍內溫度升高，土壤呼吸速率上升，但是，當溫度較高時，它將不再是土壤呼吸的限制因子。本研究地處寧南山區，溫度較低，土壤呼吸速率與土壤溫度呈現較好的正相關關系。

本研究中冬小麥田土壤呼吸速率與0～10 cm土層土壤水分呈顯著正相關(表3)，深層土壤水分與土壤呼吸速率無顯著相關性。前人研究指出，在一定范圍內土壤呼吸速率隨土壤水分升高而升高，高于閾值時，濕度增加會導致呼吸速率下降[27]。本研究中，2019—2020年抽穗～灌漿期土壤溫度升高(圖1)，土壤呼吸速率卻表現出下降趨勢(圖4)，這與這一階段較低的土壤含水量密切相關[28]。在土壤含水量較低時，土壤呼吸受到較強的抑制作用。低土壤濕度限制了根系呼吸和微生物活動，降低了基質的可溶性擴散率和微生物的運輸，從而減少了微生物與基質的接觸，降低微生物呼吸作用[29]。本研究中冬小麥成熟期(6月底7月初)溫度較高，降水偏多，土壤呼吸速率出現了急劇上升趨勢。陳述悅等[30]研究發現，在溫度較高的夏季，當土壤含水率最高或最低時，麥田里的土壤呼吸速率也相應出現最高點和最低點。這說明當土壤溫度不受限制時，增加的土壤水分會增強微生物活性，從而增強根際呼吸，增強碳礦化和土壤二氧化碳排放。土壤溫度與土壤水分共同影響土壤呼吸速率，本研究指出土壤溫度和土壤水分的二元二次方程的決定系數高于溫度和水分的單因子線性方程，土壤溫度和水分的相互作用可以解釋土壤呼吸變化的81%～89%。張曉龍等[31]研究同樣發現，土壤溫度和水分的復合模型可以解釋土壤呼吸的82.6%，明顯高于土壤溫度和水分的單因子解釋能力。

施肥量對土壤呼吸有顯著影響。氮肥、磷肥可通過提高土壤氮、磷的有效性來促進根系呼吸。同時，施肥量不同會直接影響作物生長、地上地下光合產物分配和土壤水分的消耗，由于其生長狀況和遮陰作用而間接影響土壤溫度。本研究表明，低量施肥處理(FL)較不施肥處理(FN)可以顯著提高冬小麥生育期平均土壤呼吸速率，低施肥量可增加土壤微生物生物量和植物細根生物量，從而導致土壤呼吸速率增加；中量施肥處理(FM)和高量施肥處理(FH)較不施肥處理(FN)也顯著提高了土壤呼吸速率，但卻低于低肥施肥處理(FL)下的土壤呼吸速率。這與Hasselquist[32]的研究結果一致。

4 結 論

本試驗研究結果表明，土壤呼吸受土壤溫度和水分的調控，且隨著小麥生育期的推進，土壤呼吸速率呈現先降低后增加的趨勢。從改善農田生態，降低土壤呼吸的角度來看，適當增加肥料的使用可顯著降低土壤呼吸，提升農業生產的生態效應。