張 超，劉志凱

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.日照市水務(wù)工程建設(shè)公司，山東 日照 276800)

農(nóng)田作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤呼吸扮演著重要的角色，它是土體與大氣、CO2相互交換的重要途徑[1-2]，土壤呼吸包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸、動(dòng)物呼吸和土壤碳礦物質(zhì)的氧化作用釋放CO2過(guò)程4個(gè)部分[3]；植物的光合作用產(chǎn)物運(yùn)送到根部并在根和根際微生物的初始同化后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)代謝[4]，根呼吸隨光合作用的變化而變化[5-6]。多數(shù)研究表明，土壤呼吸受施肥[7-9]、土壤通氣性[10-11]、土壤pH值[12]、土壤濕度[13-14]和土壤溫度[15-16]等因素的影響。因此，開(kāi)展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率的研究對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支情況具有重要的指導(dǎo)意義。土壤水分含量和土壤溫度是影響土壤呼吸變化的關(guān)鍵環(huán)境因子，土壤水熱狀況的改變勢(shì)必影響植物根系呼吸以及土壤微生物群落組成，進(jìn)而導(dǎo)致土壤呼吸的劇烈變動(dòng)。灌溉作為一種主要的農(nóng)田管理措施，能夠改變土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，從而使土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物組成和含量、根系生物量等發(fā)生改變，進(jìn)而使土壤呼吸產(chǎn)生差異。本試驗(yàn)以水田為例，來(lái)研究在間歇灌溉條件下不同施氮肥對(duì)水田土壤呼吸的影響，旨在為水田土壤呼吸的準(zhǔn)確評(píng)估及合理安排水田管理措施提高水田土壤固碳能力提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于浙江省杭州市蕭山區(qū)臨江生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)示范區(qū)(29°50′N，120°13′E)， 屬亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，年平均氣溫16.1℃，降水量1402.5 mm，常年無(wú)霜期248 d。試驗(yàn)區(qū)耕層土壤為非石灰性潴育型水稻土，土壤密度為1.28～1.35 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在間歇灌溉條件下即在返青期田面保持0～30 mm水層，其余生育期將每次灌水量分次灌入田中，田面無(wú)明顯水層，為減少水稻無(wú)效分蘗，分蘗末期均進(jìn)行曬田水分管理。采用4種施氮肥方式分別為0(CK)，150 kg/hm2，180 kg/hm2，210 kg/hm2。每個(gè)處理3次重復(fù)，共設(shè)置12個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為 100 m2，每個(gè)小區(qū)安裝水表及水尺控制灌溉水量和水層深度。試驗(yàn)田施加五氧化二磷 60 kg/hm2，氧化鉀 100 kg/hm2。尿素按照基肥、蘗肥、調(diào)節(jié)肥、穗肥比例為5∶2.5∶1∶1.5分施。5月9日施基肥(包含返青肥)，5月20日移栽，6月5日施分蘗肥，7月24日施穗肥，9月27日收獲。生育時(shí)期分為返青期(5月20 日-6月5日)、分蘗期(6月6日-7月10日)、拔節(jié)孕穗期(7月11日-7月28日)、抽穗開(kāi)花期(7月29日-8月10日)、乳熟期(8月11日-8月27日)、黃熟期(8月27日—9月27日)。

1.3 試驗(yàn)觀測(cè)指標(biāo)與數(shù)據(jù)處理

1.3.1 土壤呼吸測(cè)定

于水稻插秧后在各個(gè)處理小區(qū)埋入高 10 cm、直徑 20 cm的 PVC 材質(zhì)底座，用于測(cè)定土壤呼吸，底座埋入土壤中5 cm。埋入底座之后，將底座外周邊一圈土壤壓緊，以防止漏氣。每個(gè)小區(qū)埋入 1 個(gè)土壤呼吸底座。土壤呼吸底座位于水稻行間，能保證土壤呼吸中包含了一部分根呼吸作用，具有較好的代表性。定期人工去除底座內(nèi)生長(zhǎng)出的植物，以保證測(cè)定的呼吸作用不包含植物呼吸。每周觀測(cè) 1 次土壤呼吸，遇有雨天則延后觀測(cè)。在每個(gè)觀測(cè)日的 9:00～11:00 采用 Li-8100A 土壤呼吸自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(Li-COR 公司，美國(guó))測(cè)定各小區(qū)的土壤呼吸速率。在每輪氣體觀測(cè)時(shí)，在每個(gè)小區(qū)采集1次土壤呼吸速率。觀測(cè)土壤呼吸時(shí)，在各小區(qū)進(jìn)行隨機(jī)觀測(cè)。在各生育階段選擇天氣晴朗的日期(3～5 d)觀測(cè)稻田土壤呼吸速率日變化，觀測(cè)時(shí)間3:00、6:00、8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00、23:00。

1.3.2 土壤溫度、土壤濕度

在每次測(cè)定土壤呼吸速率的同時(shí)，采用Li-8100A附帶的土壤溫度和濕度探頭測(cè)定5 cm深土壤溫度、土壤濕度(土壤體積含水量)。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Original進(jìn)行畫圖，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小顯著極差法(LSD)分析其顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理稻田土壤呼吸全生育期變化規(guī)律

水稻插秧后3 d，進(jìn)入返青期開(kāi)始對(duì)稻田不同施氮肥處理小區(qū)進(jìn)行土壤呼吸檢測(cè)直至乳熟期結(jié)束，各施氮肥處理土壤呼吸速率的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致都呈先增加后降低的趨勢(shì)，并在拔節(jié)孕穗期達(dá)到最大值(見(jiàn)圖 1)。在水稻返青期至分蘗初期，各施氮肥處理土壤日呼吸速率變幅較小，且在返青期處理之間沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。土壤呼吸速率維持在0.5～1.0 g/(m2·d)之間；隨著返青期的結(jié)束，進(jìn)入分蘗期，由于天氣溫度逐漸升高，土壤呼吸速率也開(kāi)始有所增加，直到拔節(jié)孕穗期結(jié)束，在水稻生育期土壤呼吸速率達(dá)到最大值，此時(shí)不同施氮肥土壤呼吸速率維持在2.5～3.5 g/(m2·d)之間，從分蘗期到拔節(jié)孕穗期土壤呼吸速率增加幅度顯著大于返青期到分蘗期(P<0.05)。到抽穗開(kāi)花期和乳熟期，各處理的土壤呼吸速率開(kāi)始有所下降，但仍有較高的日呼吸速率最終維持在1.2～2.0 g/(m2·d)。在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)，施氮肥量150 kg/hm2、180 kg/hm2和210 kg/hm2與對(duì)照CK相比，整個(gè)生育期內(nèi)平均增加了10.30%、50.76%(P<0.05)和44.39%(P<0.05)。從增加的幅度來(lái)看，施氮肥量180 kg/hm2和210 kg/hm2能夠顯著提高土壤呼吸速率加快稻田土壤氣體交換。

圖1 不同生育時(shí)期土壤呼吸速率變化

2.2 不同施肥處理對(duì)稻田日土壤呼吸速率的影響

如圖2所示，相同生育時(shí)期不同施氮肥處理土壤呼吸速率變化基本一致，但不同生育時(shí)期之間土壤呼吸速率變化有所不同。在返青期和乳熟期土壤呼吸速率呈現(xiàn)為先上升后下降趨勢(shì)且日變化幅度比較小，在12:00～14:00之間達(dá)到土壤呼吸速率的最大值；而在分蘗期、拔節(jié)孕穗期和抽穗開(kāi)花期的變化趨勢(shì)為先下降后上升的變化過(guò)程，日變化幅度比較大并在12：00～14：00之間達(dá)到最小值。在稻田整個(gè)生育內(nèi)的日變化施氮肥量180 kg/hm2呼吸速率要大于施氮肥量為0、150 kg/hm2和210 kg/hm2；在返青期施氮肥量180 kg/hm2的日呼吸速率均值分別是施氮肥量為0、150 kg/hm2和210 kg/hm2的1.279(P<0.05)倍、1.040(P<0.05)倍和1.219(P<0.05)倍；在分蘗期施氮肥量180 kg/hm2的日呼吸速率均值分別是施氮肥量為0、150 kg/hm2和210 kg/hm2的1.036(P<0.05)倍、1.021(P<0.05)倍和1.042(P<0.05)倍；拔節(jié)孕穗期施氮肥量180 kg/hm2的日呼吸速率均值分別是施氮肥量為0、150 kg/hm2和210 kg/hm2的1.178(P<0.05)倍、1.120(P<0.05)倍和1.085(P<0.05)倍；抽穗開(kāi)花期施氮肥量180kg/hm2的日呼吸速率均值分別是施氮肥量為0、150 kg/hm2和210 kg/hm2的1.037(P<0.05)倍、1.043(P<0.05)倍和1.100(P<0.05)倍；乳熟期施氮肥量180 kg/hm2的日呼吸速率均值分別是施氮肥量為0、150 kg/hm2和210 kg/hm2的1.116(P<0.05)倍、1.037(P<0.05)倍和1.115(P<0.05)倍。從稻田土壤呼吸的日變化和土壤呼吸全生育期的變化綜合來(lái)看，施氮肥量180 kg/hm2對(duì)間歇灌溉稻田土壤氣體交換最有力。

圖2 不同生育時(shí)期稻田土壤呼吸速率日變化

2.3 土壤呼吸與溫度之間的響應(yīng)關(guān)系

大量學(xué)者研究表明，土壤呼吸速率會(huì)隨著土溫的升高而增強(qiáng)[16-17]，呈正相關(guān)關(guān)系。土壤溫度升高對(duì)植物根系呼吸作用、土壤微生物活動(dòng)以及土壤中有機(jī)質(zhì)分解都有促進(jìn)和加速作用，特別是與土壤 5 cm 土溫有很好的相關(guān)性[18]。因此，對(duì)間歇灌溉不同施氮肥處理的前土壤呼吸的所有數(shù)據(jù)和所有土壤5 cm地溫進(jìn)行匯總，對(duì)土壤呼吸速率和5 cm地溫進(jìn)行回歸分析。如圖3所示，各點(diǎn)均勻地分布在曲線的兩側(cè)，表明采用指數(shù)模型能夠較好地表示土壤呼吸與溫度的變化關(guān)系，同時(shí)曲線表明在施氮肥前期隨著溫度的增加，土壤呼吸速率上升幅度加快，呈正相關(guān)。進(jìn)一步說(shuō)明施氮肥前期溫度是影響稻田土壤呼吸的主要因子。從曲線的決定系數(shù)來(lái)看，R2=0.7138達(dá)到了顯著相關(guān)性水平(P<0.05)，此研究結(jié)果與楊士紅等[2]研究結(jié)論相一致。

圖3 稻田5 cm地溫與土壤呼吸速率的關(guān)系

3 討 論

本試驗(yàn)在水稻生長(zhǎng)季，土壤呼吸速率在水稻的整個(gè)生育期為先增后降的曲線變化趨勢(shì)，于水稻拔節(jié)孕穗期達(dá)到土壤呼吸的最大值，返青期最低。分蘗期開(kāi)始增加，到拔節(jié)孕穗期迅速增加，之后在抽穗開(kāi)花期和乳熟期緩慢下降。這主要是因?yàn)樗静逖砗?，稻田溫度比較低，到返青期不同處理的土壤呼吸沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，隨著返青期的結(jié)束，溫度的逐漸升高，水稻根系生長(zhǎng)加快，根生長(zhǎng)呼吸和根系生長(zhǎng)產(chǎn)生的分泌物促進(jìn)土壤微生物呼吸[19]，并且施用氮肥為作物生長(zhǎng)提供大量礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，微生物活性增強(qiáng)，作物根系生長(zhǎng)迅速，表現(xiàn)為土壤呼吸速率增加；生育后期作物逐漸衰老，土壤溫度降低，水稻根系活力下降，呼吸速率降低。關(guān)于施氮量與土壤呼吸速率的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，但結(jié)果有所不同，總結(jié)起來(lái)有3 種：促進(jìn)、抑制和無(wú)顯著影響[20]。本研究表明，土壤呼吸速率隨施氮量增加而呈拋物線的變化趨勢(shì)，說(shuō)明在一定施氮范圍內(nèi)，土壤呼吸總量隨施氮量增加而增加。適量的施氮量可以提高土壤當(dāng)中微生物的活性，有機(jī)質(zhì)含量增加，同時(shí)提高了植物的光合作用也促進(jìn)了植物的根系生長(zhǎng)，給植株和土壤的光合產(chǎn)物增加 ，促進(jìn)根呼吸。而不同處理的土壤呼吸的日變化規(guī)律只有施肥量180 kg/hm2處理的要顯著大于其它處理，而0，150 kg/hm2和210 kg/hm2不同生育期之間的規(guī)律變化并不一致。土壤呼吸速率與溫度關(guān)系分析有研究表明，土壤水分和溫度是影響土壤呼吸速率的關(guān)鍵因子[21-22]。此試驗(yàn)是在間歇灌溉條件下，田面是有少量的薄水層，所以整個(gè)生長(zhǎng)期不同施肥處理的土壤水分基本一致，而施氮肥前期土壤呼吸速率增加主要受溫度的影響，所以本試驗(yàn)前期只是討論了和溫度的關(guān)系。在水稻生長(zhǎng)季，土壤呼吸速率隨溫度升高呈指數(shù)增加。有研究表明，微生物呼吸作用和根系呼吸對(duì)土壤溫度變化敏感，一定范圍內(nèi)環(huán)境溫度增加可促進(jìn)土壤微生物活性，加速有機(jī)質(zhì)分解，產(chǎn)生CO2，同時(shí)，土壤溫度增加可直接影響植物根系生長(zhǎng)，影響土壤呼吸[23]。與本試驗(yàn)的研究結(jié)果相一致，表明在未施氮肥時(shí)，溫度是影響土壤呼吸的關(guān)鍵因素。

4 結(jié) 論

在間歇灌溉條件下研究不同施氮肥量對(duì)稻田土壤呼吸的影響，結(jié)果表明：

(1)在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)，施氮肥量150 kg/hm2、180 kg/hm2和210 kg/hm2與對(duì)照CK相比，整個(gè)生育期內(nèi)土壤呼吸速率平均增加了10.30%、50.76%(P<0.05)和44.39%(P<0.05)。施氮肥量180 kg/hm2和 210 kg/hm2能夠顯著提高土壤呼吸速率加快稻田土壤氣體交換。

(2)稻田土壤呼吸的日變化規(guī)律不同生育期不完全一樣，返青期和乳熟期的變化規(guī)律與分蘗期、拔節(jié)孕穗期和抽穗開(kāi)花期變化趨勢(shì)相反。施氮肥量180 kg/hm2處理的日變化最好，且日變化速率均值顯著高于其它處理(P<0.05)。

(3)稻田土壤呼吸速率與5 cm地溫有顯著的相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.7138，未施氮肥時(shí)，土壤呼吸速率隨著溫度的增加，增加幅度加快，表明前期溫度是影響土壤呼吸速率的主要因子。