秸秆还田和施氮对土壤水热因子及呼吸速率的影响

孙 媛，任广鑫，冯永忠，张 青，李慧瑛，杨改河

(1 西北农林科技大学 a 林学院，b 农学院，陕西 杨凌712100；2 陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西 杨凌712100)

秸秆还田和施氮对土壤水热因子及呼吸速率的影响

孙 媛1a,2，任广鑫1b,2，冯永忠1b,2，张 青1a,2，李慧瑛1b,2，杨改河1b,2

(1 西北农林科技大学 a 林学院，b 农学院，陕西 杨凌712100；2 陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西 杨凌712100)

【目的】 探讨秸秆还田和施氮对土壤温度、含水量及土壤呼吸速率的影响，为促进农田高产、节肥的可持续发展提供理论依据。【方法】 在陕西关中地区，在小麦-玉米轮作模式下分别设置施氮、秸秆还田、秸秆还田+施氮以及秸秆不还田不施氮(CK，为对照组)4个处理，于2012年6-9月，测定玉米不同生育期4个处理的土壤呼吸速率、温度和含水量，于玉米播种前和收获后测定土壤有机质含量，并分析土壤呼吸速率与土壤温度、含水量的相关性。【结果】 在玉米全生育期，4个处理的土壤呼吸速率均呈现先增后减的单峰型曲线变化，其中秸秆还田+施氮处理的土壤呼吸速率平均值明显高于其他处理，4个处理土壤呼吸速率平均值由大到小依次是秸秆还田+施氮处理>施氮处理>对照组>秸秆还田处理。4个处理中，秸秆还田处理的土壤含水量平均值明显高过其他处理，与对照组相比，秸秆还田处理 0～20 cm土层土壤含水量提高了6.07%。土壤呼吸速率与5～15 cm土层土壤温度相关性较高，与土壤含水量的相关性不显著。与播种前相比，施氮处理和秸秆还田+施氮处理0～20 cm土层有机质含量明显增加；玉米收获后，与对照组相比，其他3个处理土壤有机质含量显著增加。【结论】 施氮和秸秆还田提高了土壤呼吸速率，增加了土壤有机质含量,并且秸秆还田具有保水缓温的作用。

秸秆还田；施氮；土壤呼吸；土壤温度；土壤含水量

土壤呼吸是指土壤产生CO2以及向大气释放CO2的过程，主要包括土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸、植物根系呼吸3个生物学过程和含碳物质化学氧化的非生物学过程[1]。全球每年因土壤呼吸作用向大气中释放的碳估计为75～120 Pg(1 Pg=1×1015g),其仅次于全球陆地总初级生产力(GPP)的估算值,是陆地生态系统第二大碳通量过程。研究农田生态系统土壤呼吸对农作措施和气候变化的响应具有重要意义[2]。影响土壤呼吸的因素很多，如施肥[3]、温度[4]和土壤含水量[5]等。国内外研究结果均证明，秸秆还田对农业生态系统是有利的[6-11]，并且秸秆还田也影响土壤CO2释放量[12]。有研究表明[13-14]，在一定秸秆用量范围内，土壤呼吸随着秸秆还田量的增加而增大。施肥是促进植物生长、提高产量的重要因素，但是关于土壤施肥与土壤呼吸之间关系的研究比较少[15]，并且相关报道的试验地处于华北一带，对于陕西关中平原玉米地的研究还很少[14,16]。本试验研究陕西关中平原地区小麦-玉米轮作方式下，秸秆还田和施肥对土壤温度、含水率、呼吸速率及有机质的影响，以期为促进当地农田朝着高产、节约肥料的可持续方向发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于西北农林科技大学北校区试验田。土壤为壤土，耕层(0～20 cm)土壤有机质含量8.51 g/kg，碱解氮含量29.16 mg/kg，速效磷含量50.05 mg/kg，速效钾含量154.31 mg/kg。近50年平均降水量604.5 mm，年均气温13.2 ℃，属于暖温带季风半湿润气候。试验期间试验地气象数据见表1。

1.2 试验设计

于2012年6-9月,采用再裂区定位试验设计布设试验。主区为轮作模式，副区为秸秆还田量，副副区为施氮量，轮作模式为小麦-玉米轮作，4个处理分别为施氮肥处理(纯氮用量为375 kg/hm2)、秸秆全量还田处理、秸秆全量还田+施氮处理(纯氮用量为375 kg/hm2)以及秸秆不还田+不施氮处理(对照)。其中秸秆不还田处理方法为：上茬小麦收获后，人工拔出土壤中小麦秸秆(含作物根系)，并捡拾小区内凋落物和残茬。秸秆还田的处理方法为：上茬小麦收获后，秸秆还田机将地里收获后剩下的麦茬秸秆打碎还田，而收获的小麦秸秆待小麦脱粒后，用粉碎机打碎成2～3 cm碎屑均匀撒入小区地表。每处理重复3次，小区面积均为8.0 m×8.6 m，小区间距0.5 m。

供试玉米品种为漯单9号，播量45 kg/hm2，2012-06-15硬茬播种玉米，种植密度52 400 株/hm2，当年09-28收获。拔节期按照试验设计追肥1次，其他管理措施同当地大田。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤呼吸速率 土壤呼吸速率采用GXH-3010E1型便携式红外线分析仪测定，每隔7 d测定1次，全生育期测定9次。测定时间在上午09:00-11:00，重复3次，取平均值。

土壤呼吸速率由气腔内气体浓度随时间的变化率计算得出，计算方程为:

F=A×(X2-X1)×H/Δt。

式中：F为土壤CO2呼吸速率(mg/(m2·h))，A为常数，在25 ℃、1个标准大气压下取值为1.80；X1、X2分别为测定开始和测定结束时CO2的含量(mg/kg)；H为容器高度(m)；Δt为测定时间(h)。

1.3.2 土壤温度 采用直角地温计测定不同土层(5，10，15，20和25 cm)的土壤温度，将直角地温计埋于玉米行间靠近根部的位置。测定土壤呼吸速率的同时观察记载地温。对土壤呼吸速率与土壤温度进行单因子相关性分析。

1.3.3 土壤含水量 测定土壤呼吸速率的当天，采用土钻法在每个小区取0～10和10～20 cm土层的土样，采用烘干法测定土壤含水量，最终结果取0～10和10～20 cm土层的平均值作为0～20 cm土层土壤含水量，并对0～20 cm土层土壤含水量与土壤呼吸速率进行相关性分析。

1.3.4 土壤有机质含量 分别于玉米播种前(2012-06-05)和收获后(2012-10-02)采集小区内0～20 cm土层土样，每个小区取土样3次，均匀混合待土样自然风干1个月后，采用重铬酸钾容量法测定土壤有机碳含量[17]。

1.4 数据处理

试验数据采用Origin Pro 8.0和Excel 2007制图，并用SPSS 17.0软件进行差异显著性及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 玉米全生育期不同处理土壤呼吸速率的变化

如图1所示，在玉米不同生育阶段，4个处理土壤呼吸速率的变化趋势相同，均呈明显的单峰型曲线。4个处理土壤呼吸速率在抽雄期(08-23)达到最大，其中秸秆还田+施氮处理土壤呼吸速率最大(2 541 mg/(m2·h))，秸秆还田处理其次，施氮处理次之，对照最小(1 980.19 mg/(m2·h))。在玉米全生育期内，与对照相比，不同处理对土壤呼吸速率的影响有差异，秸秆还田+施氮处理对玉米土壤呼吸速率有极显著影响，其他处理对玉米土壤呼吸速率影响的显著性不如秸秆还田+施氮处理。与抽雄期土壤呼吸速率大小顺序不同的是，玉米生育期各处理土壤呼吸速率平均值大小顺序为：秸秆还田+施氮处理(1 667.119 mg/(m2·h)>施氮处理(1 363.042 mg/(m2·h)>对照(1 317.498 mg/(m2·h))>秸秆还田处理(1 208.334 mg/(m2·h))。可见，与对照相比，秸秆还田降低了土壤呼吸速率，施氮和秸秆还田+施氮处理均提高了土壤呼吸速率。

图1 玉米不同生育阶段各处理土壤呼吸速率的变化
Fig.1 Changes of soil respiration rates in growth period of maize under different treatments

2.2 玉米生育期0～25 cm土层土壤温度变化及其与呼吸速率的关系

对土壤呼吸速率与土壤温度进行单因子相关性分析，结果(表2)表明，对照土壤呼吸速率与近地面土层(5～15 cm)土壤温度的相关关系显著。秸秆还田处理土壤呼吸速率与土壤温度之间相关性不显著，施氮处理5 cm和10 cm土层土壤温度与土壤呼吸速率相关性显著，秸秆还田+施氮处理只有表层(5 cm)土壤温度与土壤呼吸速率显著性相关。

注：*表示呈显著相关关系(P<0.05)。

Note:* indicates significant difference between treatments(P<0.05).

由于各处理20 cm和25 cm土层土壤温度与土壤呼吸速率相关性均不显著，所以本试验只列出 5～15 cm土层土壤温度在玉米全生育期内的变化情况(图2)。从图2可知， 5～15 cm土层温度变化趋势一致，温度均随玉米生育期的推进先升高后降低，且在7月末至8月中旬土壤温度均较高，9月中旬温度值达到最低。

2.3 玉米生育期土壤含水量变化及其与土壤呼吸速率的关系

从图3可知，4个处理均在玉米抽雄期(08-23)和乳熟期(09-15)土壤含水量较高，拔节期(08-03)前后土壤表层含水量降到最低。通过对表层(0～20 cm)土壤含水量平均值的比较可知，秸秆还田处理平均土壤含水量 (18.51%)最高，其次为对照(17.45%)和施氮处理(17.45%)，秸秆还田+施氮处理(16.56%)最低。

表3显示，对表层(0～20 cm)土壤含水量与土壤呼吸速率之间的关系进行线性、对数以及二次项拟合发现，土壤含水量与土壤呼吸速率相关性不显著。

2.4 玉米播种前和收获后0～20 cm土层土壤有机质含量的变化

由图4可知，不同处理0～20 cm土层土壤有机质含量为12～20 g/kg。与播种前相比，玉米收获后施氮处理和秸秆还田+施氮处理表层(0～20 cm)土壤有机质含量增加，对照和秸秆还田处理表层土壤有机质含量减少。但是与对照相比，玉米播种前和收获后，施氮和秸秆还田各处理的土壤有机质含量均增加，说明秸秆还田和施肥都可以增加土壤有机质含量。

3 讨论与结论

3.1 秸秆还田和施氮对玉米生育期土壤呼吸速率、土壤温度、含水量的影响

在玉米生育期内，本研究4个处理的土壤呼吸速率变化趋势一致，均呈明显的单峰型曲线，并在玉米抽雄期呼吸值达到最大，而所有处理中，秸秆还田处理的土壤呼吸速率平均值最低。杨倩等[18]研究也表明，秸秆还田可显著降低土壤呼吸速率，主要是因为农田秸秆还田后，在地面和空气之间形成了一个疏松的隔离层，切断了土壤与大气的直接联系，阻断了土壤含水量向大气的自由逸散，从而导致土壤呼吸速率降低。王丙文等[19]研究表明，土壤呼吸速率随着秸秆还田量的增加而增加，即秸秆还田可促进土壤呼吸，这与本试验得出的秸秆还田降低土壤呼吸速率的结果不一致。造成这一结论差异的原因可能是本研究在玉米生育期内秸秆腐烂不完全所致，所以采取何种措施加快秸秆腐烂是秸秆还田要解决的重要问题。与对照相比，秸秆还田+施氮处理和施氮处理都增加了土壤呼吸速率，这是因为向土壤中施氮降低了土壤中的C/N比，促进了微生物活动和生长繁殖，增强了土壤中酶的活性，从而促进了土壤微生物所产生的生物化学过程和根系的分泌活动，提高了土壤呼吸速率。

由本研究结果可看到，秸秆还田处理的土壤呼吸速率与各土层土壤温度的相关性不显著，因为秸秆还田可以降低土壤地表温度，使土壤温度趋向于缓和。与对照相比，秸秆还田处理提高了表层土壤(0～20 cm)的含水量，秸秆还田还可以减缓土壤水分蒸发，进而减少土壤含水量的损失，达到保水的效果。从相关性分析结果则可以看到，秸秆还田和施氮对土壤含水量的影响均不显著。

3.2 土壤温度和土壤含水量与土壤呼吸速率的相关性分析

本试验采用指数模型[14-16]分析了不同土层土壤温度与土壤呼吸速率的关系，结果发现土壤呼吸速率与近地面(如5,10和15 cm)土壤温度相关性显著，与20和25 cm土层土壤温度相关性不显著，这与前人[14，20-21]研究结果一致。土壤含水量对土壤呼吸的影响很重要，尤其是在干旱半干旱地区，土壤含水量过高或过低，都可能直接或间接影响土壤呼吸[2]。本试验中表层土壤(0～20 cm)含水量与土壤呼吸速率之间相关性并不显著，从图3可看到各处理土壤含水量都较高，说明本试验不存在水分胁迫。如果不存在严重的土壤水分胁迫，则温度对于土壤呼吸速率来说是一个确定的影响因子，它通过直接影响微生物和植物呼吸酶的活性来影响土壤的呼吸速率。

3.3 秸秆还田和施氮对表层土壤有机质含量的影响

有机质是土壤微生物进行分解活动排放CO2的物质基础，也是陆地生态系统最大的碳库，土壤有机质是土壤呼吸的主要碳源[22]，因而有机质对土壤呼吸而言至关重要。有研究表明，秸秆还田可以有效提高土壤有机质含量[23-25]。本研究中，与对照相比，玉米收获后施氮和秸秆还田处理的土壤表层有机质都有上升的趋势，说明秸秆还田和施氮处理可以增加土壤表层(0～20 cm)有机质含量。

土壤呼吸是个复杂的生物地球化学过程，很多因素都可以直接或间接地对土壤CO2的产生和排放产生影响。生物量、土壤物理性质这些因子都会影响到呼吸速率值，这也是呼吸速率农田试验研究中的一个难点及重点，需要在以后的试验中进一步完善。

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Comprehensive influence of straw-returning and nitrogen fertilization on hydrothermal factors and soil respiration

SUN Yuan1a,2,REN Guang-xin1b,2,FENG Yong-zhong1b,2,ZHANG Qing1a,2,LI Hui-ying1b,2,YANG Gai-he1b,2

(1 aCollegeofForestry,bCollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2TheResearchCenterofRecycleAgriculturalEngineeringandTechnologyofShaanxiProvince,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 The effect of straw-returning and nitrogen fertilization on hydrothermal factors and soil respiration was investigated to enhance the yield of agricultural activities and fertilization utilization.【Method】 Four treatments including straw-returning and fertilization,straw-returning,nitrogen application,and no straw-returning or nitrogen application (CK) were conducted in Guanzhong plain region,Shaanxi Province.During June to September in 2012,soil respiration rates,soil temperatures,and soil moisture contents were measured at different growing stages of corn while soil organic matter contents were determined before sowing and after harvesting.Then the correlations between soil respiration rate with soil temperature and soil moisture content were analyzed.【Result】 The changing trends of soil respiration rates of all four treatments were in the form a single peak curve,which increased first followed by a decreasing trend.Mean soil respiration of straw-returning and fertilization treatment was significantly higher than those of other treatments and the soil respiration rates were in a decreasing order of straw-returning and fertilization treatment>nitrogen application treatment>CK>straw returning treatment.Soil moisture at depth of 0-20 cm for straw-returning treatment increased by 6.07% compared to CK.Soil respiration rate was highly related to soil temperature at depth of 5-15 cm,while it had insignificant relation with soil moisture.Compared with CK,soil organic matter content at depth of 0-20 cm increased significantly in other three treatments after harvesting.【Conclusion】 Straw-returning and nitrogen application increased soil respiration rate and soil organic matter,which was beneficial to plant growth and carbon fixation.

straw-returning;nitrogen fertilization;soil respiration;soil temperature;soil moisture content

2013-11-08

“十二五”公益性(农业)行业专项“现代农作制模式构建与配套技术研究与示范”(201103001)

孙 媛(1987-),女，湖北咸宁人，在读硕士,主要从事低碳农业及高效农作制研究。E-mail:sunyuan19871105@163.com

任广鑫(1969-)，男，甘肃庆阳人，副教授，硕士生导师，主要从事资源与环境生态、循环农业研究。 E-mail:rengx@nwsuaf.edu.cn

时间:2015-01-19 09:19

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.03.013

S147.5;S151.9

A

1671-9387(2015)03-0146-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150119.0919.013.html