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溫室氣體濃度的升高強烈地影響著氣候變化,并導致人類生存環境的惡化。全球土壤呼吸年碳排放量為80.4Pg,是化石燃料燃燒CO2排放量的10倍多[12]。土壤呼吸是碳庫中最活躍的部分,在全球陸地生態系統碳庫中,碳儲量約為140~170Pg,占全球陸地碳儲量的10%[3]。在自然因素和農業管理(耕作、施肥和灌溉等)的雙重作用下,農田生態系統受到強烈的人為干擾后,能在較短的時間尺度上進行碳庫的調節,進而影響全球的碳循環[45]?？梢?研究農業生態系統中土壤CO2的排放,對于減緩大氣CO2濃度的增加有重要意義。 秸稈直接還田是當今秸稈資源利用的主渠道[6]。秸稈的施入對農田土壤CO2排放通量動態具有顯著影響[7],同時通過改善土壤含水量、有機碳水平、水穩性團聚體等土壤性質可提高土壤質量和作物產量[810]。施肥作為農業土壤的一個主要干擾因素,不僅是提高作物產量的關鍵措施之一,而且影響土壤的理化性質和生物活性,進而影響土壤的碳循環[11]。但已有研究主要單一集中于秸稈[12]或者是肥料的施用量[1315]對CO2排放的影響,關于秸稈施入方式對土壤CO2排放影響的研究則很少見報道,而有關不同秸稈還田方式配施不同類型氮肥(有機氮和無機氮)對CO2排放影響的研究則更少。因此,以生態系統理論與方法對秸稈還田問題進行系統的研究具有重要意義。 黃淮海平原是我國主要的糧食產區,肥料的應用為糧食增產做出了巨大貢獻,通過秸稈還田、施用有機肥來改善土壤結構、增加土壤碳庫水平也越來越受到關注,但是關于秸稈還田對農業生態土壤原位CO2排放的試驗資料還相對較少,且研究秸稈還田方式的影響對預測未來土壤CO2排放規律和農業減排措施也非常重要。因此,開展田間試驗以評價不同秸稈還田方式對CO2排放過程的影響,探討黃淮海平原秸稈還田方式、氮肥類型以及施氮量與夏玉米土壤呼吸的關系,可為綜合評價秸稈不同還田方式和施肥的農田生態效應提供理論依據,并為該地區秸稈還田方式和施肥措施提供技術支持。 1材料與方法 1.1試驗地概況 試驗地點位于河南省封丘縣中國科學院封丘農業生態國家試驗站(北緯35°01′,東經114°32′)。該地區屬半干旱半濕潤的暖溫帶季風氣候,年平均降水615mm,67%的降水集中在6—9月;平均氣溫為13.9℃,最低月均氣溫出現在1月,為1.0℃,最高月均氣溫27.2℃,出現在7月。該區域土壤發育為黃河沖積物潮土,農田耕作為冬小麥夏玉米輪作制度。 1.2試驗設計 試驗于2010年6—10月進行,試驗設計見表1。通過處理NSFR、SFR、ISFR的比較,可以得到常規施肥條件下小麥不同秸稈還田方式對玉米土壤呼吸速率的影響;通過處理ISOM1、ISOM2、ISOM3之間的比較,可以得到小麥秸稈行間掩埋還田的情況下,配合施用有機氮肥(雞糞)對土壤呼吸速率的影響;通過處理ISF1、ISF2、ISF3比較,可以得到小麥秸稈行間掩埋還田的情況下,配合施用無機氮肥(尿素)對土壤呼吸速率的影響。 各處理在整個玉米生育期總施氮量均為210kg(N)•hm2,施磷量157kg(P2O5)•hm2,施鉀量105kg(K2O)•hm2,各處理N、P和K施用量見表2。每處理設4個重復,共有36個小區,每個小區均設為5m×8m。還田秸稈為上一季曬干的小麥整稈,其養分和含水量見表3。秸稈施用量7500kg•hm2。播種前,在玉米行間開溝20cm深,均勻放入小麥秸稈,并在秸稈上施用雞糞(或化肥)后進行掩埋,雞糞的養分含量見表3。試用玉米品種為“鄭單958”,種植密度68034株•hm2,玉米行距和株距分別為60cm和30cm。2010年6月23日翻地、埋秸稈、施基肥,2010年6月24日播種,7月15日—8月15日玉米從拔節進入灌漿期,8月16日—9月5日為灌漿期,9月6日—10月5日為逐漸成熟階段,10月5日收獲。追肥時間為2010年8月1日和8月17日,分別為玉米拔節期和灌漿期,追肥方式為行間挖穴點播,基肥和追肥的施用量見表2所示。 1.3土壤呼吸作用的測定 土壤呼吸測定采用動態氣室法,通過密閉交換式的采集氣體系統(LI-COR-6400-09土壤氣室)連接紅外線氣體分析儀(IRGA)對氣室中產生的CO2進行連續測定,系統同時測定10cm深土壤的溫度。測量氣室放置在事先已經放入土壤中的PVC環上進行測量,為減少安置PVC環對土壤系統的破壞,第1次測定在安置24h后再進行,以避免由于安置PVC環對土壤擾動而造成的短期呼吸速率的波動[16]。PVC環直徑11cm、高10cm,在2010年6月24日玉米播種后立即安置在兩行玉米的中間,即掩埋秸稈區,PVC環埋入土壤后2cm露出地表以保證測量氣室的密閉性,同時去除環內的一切活體,每個小區安置1個環,每次測定3次重復,儀器自動記錄。在整個玉米生長季的測定過程中一直把PVC環保留在土壤中,于早晨09:00—12:00定期測定土壤呼吸[17],從玉米拔節初期,即7月24日開始測定,之后間隔5d測定1次至9月18日。 測定時密閉PVC環的土壤呼吸通量計算公式為:Q(μmol•m2•s1)=(C/t)×V/A=(C/t)×h(1)式中,C為時間間隔t(s)的密閉PVC環內CO2的濃度差(μmol•m3),h為環高(m)。在測定土壤呼吸速率的同時,使用便攜式土壤水分測定儀(Hydrosense,Campbell,美國)測定5cm土層的土壤濕度,表示為容積含水量,通過計算換算成土壤孔隙含水量(WFPS),計算公式為:WFPS(%)=[含水量(%)×土壤容重(g•cm3)/土壤總孔隙度(m3•m3)]×100(2)式中,土壤總孔隙度(m3•m3)=1土壤容重(g•cm3)/2.65(g•cm3),本研究中,土壤容重按1.48g•cm3計算。降雨量和大氣溫度通過試驗區內的氣象站自動采集。試驗期降水和大氣溫度見圖1。 1.4數據分析 數據采用SPSS16.0和Excel2003軟件處理。 2結果與分析 2.1玉米生長季土壤溫度和水分的變化 玉米整個生長季,土壤濕度和土壤溫度的變化如圖2所示。土壤孔隙含水量(WFPS)變化范圍為34%~82%,平均為66%。方差分析表明,9個處理之間,玉米生育期平均WFPS沒有顯著差異(P>0.05)。土壤溫度最高29.52℃,最低20.84℃,平均24.91℃,方差分析表明,各處理間平均溫度亦沒有顯著差異(P>0.05)。#p#分頁標題#e# 2.2秸稈還田方式對土壤呼吸的影響 就玉米整個生長季看(圖3),不同秸稈還田方式下平均土壤呼吸速率依次表現為秸稈行間掩埋(ISFR)>秸稈移除(NSFR)>秸稈覆蓋(SFR)。ISFR處理的平均土壤呼吸速率為(209.22±75.63)mg(C)•m2•h1,顯著高于NSFR處理的(169.51±45.50)mg(C)•m2•h1和SFR處理的(161.14±26.32)mg(C)•m2•h1。NSFR、SFR、ISFR處理在整個玉米生長季的土壤呼吸速率波動范圍分別為:91.30~302.26mg(C)•m2•h1、78.84~242.78mg(C)•m2•h1和72.38~416.23mg(C)•m2•h1。由以上可知,玉米整個生育期秸稈行間掩埋措施對土壤呼吸有顯著影響,大幅度增加了土壤呼吸。具體到玉米生長的某一階段來看,玉米拔節期(7月15日—8月15日),ISFR處理的平均土壤呼吸也總是顯著高于NSFR和SFR處理(圖3),灌漿后期到成熟期(8月24日至收獲),隨著氣溫的降低,土壤微生物活動減弱,土壤呼吸逐漸減小,3個處理間沒有顯著差異(P>0.05)。 2.3氮肥施用對土壤呼吸變化的影響 2.3.1配施有機氮肥下土壤呼吸速率的變化 隨季節變化,秸稈行間掩埋配合基肥施用雞糞的不同處理間土壤呼吸速率高低變化基本一致(圖4a)。對整個玉米季土壤呼吸的監測發現,雞糞對土壤呼吸的影響十分顯著。秸稈行間掩埋配合施用33.6kg(N)•hm2雞糞處理(ISOM2)平均土壤呼吸速率最高,為(208.08±31.54)mg(C)•m2•h1,波動范圍為41.37~415.30mg(C)•m2•h1;配合施用16.8kg(N)•hm2和50.4kg(N)•hm2雞糞處理(ISOM1和ISOM3)平均土壤呼吸速率分別為(135.07±21.97)mg(C)•m2•h1、(171.43±43.31)mg(C)•m2•h1,顯著低于ISOM2處理,其波動范圍為70.49~395.78mg(C)•m2•h1和50.66~349.42mg(C)•m2•h1。秸稈行間掩埋配合施用雞糞的氮高于和低于33.6kg(N)•hm2時,土壤呼吸減弱,說明配合施用33.6kg(N)•hm2雞糞的C/N比最適宜微生物代謝活動。玉米拔節期(7月15—8月15日),3個處理的土壤呼吸速率先增加后逐漸減小,灌漿前期(8月16日—8月27日)降到最低,之后又升高,說明秸稈行間掩埋配施雞糞時,秸稈和雞糞中大部分易分解的物質在施入土壤后1~2個月左右大量分解,并且追施化學氮肥可以促進土壤呼吸作用。 2.3.2配施化學氮肥下土壤呼吸速率的變化 秸稈行間掩埋基肥配合施用化學氮肥的各處理間土壤呼吸高低變化基本一致(圖4b)。玉米整個生育期,平均土壤呼吸速率秸稈行間掩埋配合施用16.8kg(N)•hm2化學氮肥處理(ISF1)為(148.67±35.07)mg(C)•m2•h1,配合施用33.6kg(N)•hm2化學氮肥處理(ISF2)為(124.11±23.18)mg(C)•m2•h1,配合施用50.4kg(N)•hm2化學氮肥處理(ISF3)為(178.85±46.60)mg(C)•m2•h1,其波動范圍分別為55.89~363.82mg(C)•m2•h1、47.45~384.91mg(C)•m2•h1和43.62~452.52mg(C)•m2•h1。ISF3處理的平均土壤呼吸速率顯著高于ISF2處理(P<0.05),峰值顯著高于ISF1和ISF2處理(P<0.05)。玉米不同生育階段,3個處理土壤呼吸速率7月27日均出現峰值,之后逐漸減小,灌漿期(8月16日—9月5日)呈升高下降升高的趨勢,成熟期下降。追施氮肥之前,即在玉米拔節初期(7月27日之前),ISF3處理的土壤呼吸速率最高,ISF1處理土壤呼吸速率最低;3個處理的土壤呼吸速率峰值均出現在第1次追肥之前;第2次追肥后,各處理土壤呼吸速率均略有上升;灌漿后到成熟期,由于降水較多、氣溫較低(圖1),各處理土壤呼吸速率下降,但差異不顯著。表明秸稈行間掩埋配合施用化學氮肥,其施用量顯著影響土壤呼吸。 2.3.3秸稈行間掩埋配施氮肥對夏玉米碳累積排放量的影響 從玉米整個生長期看,ISFR處理CO2排放累積量最高,達502.14g(C)•m2,比SFR和NSFR高115.41g(C)•m2和95.31g(C)•m2,差異達顯著水平(P<0.05),SFR和NSFR處理之間沒有顯著差異(P>0.05)。ISF1、ISF2、ISF3處理的土壤CO2排放累積量分別為356.80g(C)•m2、297.86g(C)•m2和429.25g(C)•m2,ISF3處理比ISF1、ISF2高16.88%和30.61%,ISF3與ISF2處理差異達顯著水平(P<0.05),ISF1與ISF2、ISF3處理之間無顯著差異(圖5)。ISOM1、ISOM2、ISOM3處理CO2排放累積量分別為324.16g(C)•m2、499.39g(C)•m2和411.43g(C)•m2,ISOM2處理比ISOM1和ISOM3高35.09%、17.61%,差異達顯著水平(P<0.05)(圖5)。ISOM2處理的CO2累積排放量顯著高于ISF2處理。 3討論與結論 3.1秸稈還田對土壤呼吸速率的影響 秸稈還田可以調節土壤物理環境、促進環境微生物的代謝活動,有利于土壤養分的轉化[18],提高土壤有機質的數量和質量[19],增加土壤總孔隙度[20],以促進土壤中CO2向空氣中擴散,從而增加土壤CO2的釋放速率。雷宏軍等[19]對黃淮海平原7個獨立施肥長期定位點的土壤有機碳動態進行模擬,發現有機物料還田量是決定耕層土壤CO2年排放通量大小的直接原因。眾多研究結果認為,秸稈還田對農田土壤呼吸有顯著影響。本研究中,玉米季秸稈行間掩埋區平均土壤呼吸速率高于秸稈覆蓋和秸稈移除的措施,可能是因為秸稈行間掩埋于表層20cm土壤,導致土壤中C/N比變大,增強了微生物活性,翻埋入土的秸稈在7、8月高溫下,一方面促進了被掩埋秸稈和土壤有機質的分解,另一方面增強了土壤微生物的呼吸。 3.2秸稈行間掩埋配施有機肥對土壤呼吸速率的影響 施用有機肥可以提高土壤中潛在礦化分解的有機碳含量,增大土壤有機碳的礦化速率常數,而且能增強土壤呼吸的強度,使土壤有機質中的無機養分循環加快,顯著提高土壤養分的有效性,改善土壤肥力狀況,提高土壤質量[21]。有機肥自身可以為微生物提供能源,從而為微生物提供更多的降解底物,顯著提高微生物活性[22],特別是剛施入后,施有機肥的處理土壤呼吸顯著高于沒有施用有機肥的處理[23]。#p#分頁標題#e# 本研究中,玉米整個生長期,ISOM2處理的平均土壤呼吸速率和累積碳排放量顯著高于ISOM1和ISOM3處理,表明ISOM2處理的C/N比最適宜微生物的代謝活動。秸稈行間掩埋配合施用雞糞土壤呼吸速率峰值均出現在第1次追施化學氮肥之前(7月28日),表明施用有機肥能促進微生物的活性,與上述研究結果一致。施用有機肥的3個處理中,ISOM2處理的土壤呼吸速率峰值最高,表明秸稈行間掩埋配合施用有機肥,微生物活性提高的程度受有機肥施用量的影響,配合施用量高于和低于33.6kg(N)•hm2時土壤呼吸速率下降;第2次追施化學氮肥10d(8月27日)后,3個處理土壤呼吸速率有所上升,一方面可能是因為氣溫回升所致[2425],另一方面有研究者認為,施氮肥的時間影響土壤呼吸,在玉米地的施肥試驗表明,晚施肥比早施肥土壤呼吸要高[26]?；蕦ν寥篮粑^程的影響主要依賴于土壤有機質的水平,在施用有機物料的情況下,土壤有機質的含量高,對土壤呼吸的影響明顯;而在不施有機物料的處理中,土壤有機質含量低,且新鮮的土壤有機物質數量少,土壤有機質穩定,化肥對土壤呼吸速率過程的影響不明顯。配合施用有機肥的土壤呼吸速率高于不施有機肥的處理,這主要是由于施入有機物料提高了農田土壤有機碳含量,同時改善了土壤理化和生物學性質,使土壤具有良好的通透性和保水性能,從而土壤微生物呼吸強度高,也為作物根系生長創造了良好的環境條件,增加了根系的生長量和活力,進而增加CO2的排放量[2728]。 3.3秸稈行間掩埋配施化學氮肥對土壤呼吸速率的影響 土壤呼吸作用的氮肥施用效應較為復雜。有研究認為,化學氮肥能促進土壤中容易降解的有機碳的分解[29],隨著施氮量的增加,土壤呼吸作用增加,但對土壤呼吸的影響不敏感[15,23,30]。玉米生育期長期施用高量氮[540kg(N)•hm2•a1]、磷肥[135kg(N)•hm2•a1]明顯影響到土壤釋放CO2的量[31]。也有研究表明,施氮與未施氮處理下大麥田具有相似的土壤呼吸速度[32]?；瘜W氮肥能抑制土壤有機質中一些高分子化合物的分解[33],因此對土壤呼吸作用影響的大小并不顯著[34],甚至可能抑制土壤呼吸作用[30]。楊蘭芳等[35]盆栽試驗表明,施氮對裸地土壤呼吸影響不顯著,有作物條件下,施氮300kg•hm2處理的土壤呼吸速率顯著高于施氮150kg•hm2的處理。以尿素形式施入的氮在短期培養試驗中表現出增強微生物呼吸作用[36],而在長期培養試驗中發現抑制微生物呼吸[37]。氮的供應不足有可能會限制在提高大氣CO2濃度條件下植物光合作用的反應[3839]。Poorter等[40]研究發現,營養狀況低時,很大程度上降低了由于CO2濃度升高對植物生長的促進。 本研究中,秸稈行間掩埋配合施用化學氮肥,玉米整個生長季平均和累積的土壤CO2排放量配合施用16.8kg(N)•hm2時高于配合施用33.6kg(N)•hm2,但二者對土壤呼吸的影響不顯著;配施量增加到50.4kg(N)•hm2,平均土壤呼吸速率和累積CO2排放量顯著升高,這表明秸稈行間掩埋配合施用高量氮肥促進了土壤呼吸。播種時秸稈行間掩埋配合施用化學氮肥,雖然小麥秸稈的C/N值較大,難于分解,但微生物可利用施肥土壤中的有效態氮以掩埋的秸稈為碳源維持自身生長,增強土壤中的微生物數量和活性來分解有機物質。因此,3個處理在第1次追肥前土壤呼吸就出現了峰值(7月28日);第2個峰值均出現在第2次追施氮肥之后(8月28日)。宋文質等[25]觀測中國冬小麥田施用氮肥前后CO2通量變化的結果也表明,施肥后農田CO2排放量增大。本試驗中,掩埋秸稈區土壤呼吸屬無根呼吸,該區土壤CO2排放主要包括土壤微生物呼吸、掩埋秸稈和土壤有機碳的分解,基施配合施用不同水平的化學氮肥對CO2排放的影響與土壤中有機質的數量和質量密切相關[41]。因此,秸稈還田基施化學氮肥施用量至關重要,應同時滿足作物和土壤微生物的吸收利用。