胡智臨，張 春，賈志寬

(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

施肥是重要的農(nóng)田管理措施，同時也是提高作物產(chǎn)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(huán)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(guān)鍵驅(qū)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(dǎo)致土壤水分含量不同。相關(guān)研究表明，在一定施肥范圍內(nèi)，土壤呼吸速率隨施肥量的增加而增強，當(dāng)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(guān)中灌區(qū)對冬小麥田土壤呼吸的研究發(fā)現(xiàn)，中低氮水平范圍內(nèi)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(nèi)外關(guān)于施肥量對土壤呼吸影響的研究已有不少文獻報道，嚴(yán)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)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(qū)域氣候條件、土壤肥力、栽培管理技術(shù)及作物的不同而呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律，對于半干旱區(qū)旱作農(nóng)業(yè)條件下冬小麥?zhǔn)┓柿繉ν寥篮粑挠绊懮袩o明確認可的結(jié)論。本研究在寧南旱作農(nóng)業(yè)區(qū)開展冬小麥?zhǔn)┓侍荻仍囼?，通過監(jiān)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(nóng)田CO2排放和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年9月—2020年7月在寧夏回族自治區(qū)彭陽縣旱地農(nóng)業(yè)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(shù)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(fā)量1 753.2 mm，無霜期150 d。該地屬典型半干旱區(qū)高原丘陵地貌，土壤質(zhì)地為黃綿土。試驗地土壤0～20 cm土層有機質(zhì)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(shè)計

本試驗設(shè)置4個施肥梯度，采用完全隨機設(shè)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(fù)，共12個小區(qū)，具體施肥方案如表1。田間小區(qū)面積為78 m2(長13 m×寬6 m)，小區(qū)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(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和生產(chǎn)環(huán)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(tǒng)，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(huán)(內(nèi)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(huán)，安裝方法為在行間垂直插入，PVC環(huán)上部3 cm暴露在土壤表面。小麥生育期內(nèi)PVC環(huán)固定不移動。測定前24 h手動除去PVC環(huán)內(nèi)的凋落物及活的植物以確保測定結(jié)果準(zhǔn)確。在冬小麥苗期(Seeding,S)、返青期(Reviving,R)、拔節(jié)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(nèi)單位面積上CO2的總排放量(kg·hm-2)；i為當(dāng)前測定日期；n為最后測定日期；t為播種后天數(shù)；3.80為μmol·m-2·s-1轉(zhuǎn)換為g·m-2·d-1的轉(zhuǎn)換系數(shù)；10是g·m-2·d-1轉(zhuǎn)換為kg·hm-2的轉(zhuǎn)換系數(shù)；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(nèi)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(jù)公式計算土壤含水量(SWC)：

SWC(%)=(鮮土重-干土重)/干土重×100

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 軟件對數(shù)據(jù)進行整理，OriginPro 2015進行制圖，采用 SPSS(PASW Statistics 190)統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，LSD法進行多重比較分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)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(tài)變化趨勢基本一致，在冬小麥生育期呈現(xiàn)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(jié)期～成熟期不同處理之間差異顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為FL>FM>FH>FN，而2019—2020年僅在拔節(jié)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(guān)(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(guān)。

2018—2019年生育期內(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(guān)。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(jié)期、抽穗期、開花期和灌漿期的土壤含水率；在冬小麥拔節(jié)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(fā)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(guī)律一致，但2019—2020年成熟期與2018—2019年成熟期土壤含水率表現(xiàn)不同，這與2019—2020年成熟期降水少且溫度高有關(guān)。總體上，2018—2019年和2019—2020年生育期內(nèi)，4種施肥處理下0～100 cm土層土壤含水率整體表現(xiàn)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(guān)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(guān)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(guān)系數(shù)均達到顯著水平，隨著溫度的上升，土壤呼吸呈現(xiàn)增加趨勢。5～10 cm土層土壤溫度與呼吸的相關(guān)性顯著高于0～5 cm土層，平均擬合系數(shù)大小為處理FM>FN>FH>FL。線性擬合結(jié)果表明施肥顯著增加了土壤呼吸的排放系數(shù)，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(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)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(guān)系，數(shù)據(jù)擬合程度不高。線性擬合結(jié)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(shù)，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(xiàn)為FN>FH>FL>FM處理。

表2 土壤溫度和土壤呼吸的線性關(guān)系

表3 土壤含水量和土壤呼吸的線性關(guān)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(guān)系(表4)?；谕寥浪趾蜏囟鹊亩畏匠痰臎Q定系數(shù)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(jié)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(guān)系

2.4 不同施肥量下冬小麥田土壤呼吸速率季節(jié)變化規(guī)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(xiàn)規(guī)律一致，均呈現(xiàn)出降低(苗期～返青期)-升高(返青期～拔節(jié)期)-降低(拔節(jié)期～灌漿期)

-升高(灌漿期～成熟期)的季節(jié)變化趨勢。這與當(dāng)?shù)貧鉁刈兓厔菀恢拢遗c冬小麥生長狀況密切相關(guān)。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(jié)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(jié)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(chǎn)物主要用于地上部生長，轉(zhuǎn)移到根系的相對較少，導(dǎo)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(jié)期～成熟期各處理間土壤呼吸速率差異顯著(P<0.05)，表現(xiàn)出處理FL>FM>FH>FN的規(guī)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(dǎo)致土壤含水率較高，土壤溫度升高，高溫高濕的土壤環(huán)境導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)出相同的規(guī)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)，F(xiàn)L、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(xiàn)規(guī)律一致，這與各個時期土壤呼吸速率密切相關(guān)。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(fā)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(xù)時間占全生育期的3/5左右。拔節(jié)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(xiàn)出FL>FM>FH>FN的規(guī)律，雖然該時期持續(xù)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，F(xiàn)L、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(xiàn)出相同規(guī)律，與FN處理相比，F(xiàn)L、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(fā)育好，對水分的吸收能力強，代謝旺盛，進而導(dǎo)致施肥處理土壤含水率低于不施肥處理。本研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(jié)期溫度出現(xiàn)差異與2018—2019年當(dāng)月平均氣溫有關(guān)，李宏鵬等[15]的研究表明氣溫與地面溫度變化緊密相關(guān)。施肥通過影響作物生長發(fā)育來影響土壤含水率，并且土壤含水率與降水量密切相關(guān)，降水量大小會直接影響土壤含水率的大小，干旱區(qū)0～200 cm土層土壤水分對降水的響應(yīng)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(fā)現(xiàn)，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(dǎo)。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(jié)動態(tài)主要與土壤溫度有關(guān)[19]。但是，在季節(jié)尺度上，當(dāng)土壤水分不受限制時，土壤呼吸與土壤溫度密切相關(guān)。在本研究中，拔節(jié)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(jié)變化中，共同調(diào)節(jié)土壤呼吸速率[20-21]。拔節(jié)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(yīng)，最終表現(xiàn)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(dǎo)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(guān)系可以用線性方程、指數(shù)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(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系(表2)。劉武仁等[26]通過相關(guān)分析也得出相同結(jié)論，在一定溫度范圍內(nèi)溫度升高，土壤呼吸速率上升，但是，當(dāng)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(qū)，溫度較低，土壤呼吸速率與土壤溫度呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)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(guān)(表3)，深層土壤水分與土壤呼吸速率無顯著相關(guān)性。前人研究指出，在一定范圍內(nèi)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(dǎo)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(xiàn)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(guān)[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(zhì)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(zhì)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(xiàn)了急劇上升趨勢。陳述悅等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在溫度較高的夏季，當(dāng)土壤含水率最高或最低時，麥田里的土壤呼吸速率也相應(yīng)出現(xiàn)最高點和最低點。這說明當(dāng)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(shù)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(fā)現(xiàn)，土壤溫度和水分的復(fù)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(chǎn)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(dǎo)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(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本試驗研究結(jié)果表明，土壤呼吸受土壤溫度和水分的調(diào)控，且隨著小麥生育期的推進，土壤呼吸速率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。從改善農(nóng)田生態(tài)，降低土壤呼吸的角度來看，適當(dāng)增加肥料的使用可顯著降低土壤呼吸，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生態(tài)效應(yīng)。