不同覆盖措施下旱作玉米田土壤呼吸对氮添加的响应

商雨晴 解梦怡 王俊 张少宏

摘要：基于9a秸秆和地膜覆盖旱作玉米农田定位试验，采集土壤样品进行了室内恒温培养，对比分析了氮添加与否对土壤呼吸过程的影响。结果表明，在60d培养期中，土壤呼吸速率呈现先上升后下降而后逐渐平稳的趋势，并在15d左右达到最大值;土壤CO2累积排放量程“S”型上升趋势，30d后趋于平缓，前30d的排放量占整个培养期的80％～90％。覆盖方式和氮添加对土壤呼吸具有显著影响，但二者无交互作用。与不覆盖对照相比，秸秆覆盖土壤呼吸速率平均提高了16.4％，CO2累积排放量提高了15.1％ （P<0.05），而地膜覆盖与对照无显著差异;与不加氮相比，氮添加处理土壤呼吸速率提高了44.7％，CO2累积排放量提高了39.1％（P<0.05）。总地来看，长期秸秆覆盖较地膜覆盖提高了土壤固碳能力，并刺激了土壤呼吸排放，而氮添加在短期内可显著加速旱作玉米农田覆盖措施下土壤碳释放过程。

关键词：土壤呼吸;秸秆覆盖;地膜覆盖;氮添加

中图分类号：S153.6

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-05-003 開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Response of soil respiration to nitrogen addition under differentmulching measures in a dryland corn field

SHANG Yuqing， XIE Mengyi， WANG Jun， ZHANG Shaohong

（College of Urban and Environmental Science， Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and

Environmental Carrying Capacity， Northwest University， Xi′an 710127， China）

Abstract： Soil samples were collected from a dryland spring corn field mulched with straw and plastic film for nine years， and incubated with and without nitrogen addition at a rate of 500 kg·hm-2. Soil respiration was measured for 60 d. Soil respiration rate peaked at 15 d after incubation and then decreased gradually. The cumulative CO2 emission varied in a shape of "S" and stabilized after 30 d. The emission in the first 30 d accounted for 80％～90％ of the total emission for 60 d incubation. Both mulching measures and nitrogen addition had significant effects on soil respiration， but the interaction between them was not significant. Compared with the soil without mulching， when averaged across nitrogen addition， the soil with straw mulching had a higher soil respiration rate by 16.4％， and a higher cumulative CO2 emission by 15.1％ （P<0.05）， respectively. While plastic film mulching had no effect on soil respiration rate and cumulative CO2 emission. When averaged across mulching measures， nitrogen addition increased soil respiration rate by 44.7％ and cumulative CO2 emission by 39.1％ （P<0.05）， respectively. Overall， long term straw mulching can stimulate soil respiration due to the enhancement of soil carbon and nitrogen sequestration， while nitrogen addition can significantly increase soil carbon release under surface mulching in the short term in dryland corn system.

Key words： soil respiration; straw mulching; plastic film mulching; nitrogen addition

土壤呼吸是陆地生态系统向大气输出碳的主要途径，是生态系统碳循环的重要组成部分［1］。农田生态系统作为人为干扰最强烈的陆地生态系统类型，其呼吸速率微小的变化，也可能会造成大气CO2浓度的重大改变，影响全球尺度碳循环过程［2］。同时土壤呼吸能反映土壤有机碳的矿化程度、土壤养分供应状况以及土壤微生物代谢活性，因而也成为农田土壤肥力的重要评价指标之一［3］，近年来备受关注。

在黄土高原地区，地表覆盖措施（秸秆覆盖或地膜覆盖）因其具有显著的蓄水、保墒、增产效应而得到了大面积的推广。研究表明，地表覆盖秸秆或地膜显著改变了土壤水热条件及理化性质，进而会影响到土壤呼吸过程和农田土壤碳循环过程，然而秸秆或地膜覆盖究竟如何影响土壤呼吸，现有研究结论不一。例如，官情等［4］在渭北旱塬的研究表明，秸秆和地膜覆盖在冬小麦越冬至成熟期间均显著促进了土壤CO2的释放，而李昌珍等［5］在关中灌区夏玉米农田的研究表明，秸秆覆盖显著降低了土壤呼吸速率，孙小花等［6］通过对黄土高原旱地的研究，也表明秸秆和地膜覆盖等保护性耕作措施，均能不同程度地降低土壤呼吸。

现代农业生产发展过程中常通过大量投入化肥来提高作物的产量，特别是氮肥的投入［7］。氮的大量施用同样会影响到土壤呼吸过程，但是目前研究结果不一。例如刘合明等［8］的研究表明，氮肥可促进土壤CO2排放，且土壤呼吸速率会随氮素含量的增加而增加［9］。而Wilson和Ai-Kaisi［10］发现，在大豆-玉米轮作系统中，施氮导致土壤呼吸速率降低了31％。也有研究表明施氮对土壤呼吸并无显著影响［11-12］，秸秆和地膜覆盖改变了土壤碳组分和微生物群落，土壤性质发生了变化［13-15］，微生物呼吸的底物发生变化而可能对氮添加的响应有差异。目前相关研究较多地讨论了氮肥对不同类型农田土壤有机碳矿化的影响，而与农田管理措施（秸秆覆盖和地膜覆盖等）相结合的研究尚待进一步深入展开。

该文基于旱作春玉米地表覆盖定位试验，通过采集土壤样品进行室内培养实验，研究了秸秆和地膜覆盖措施下，农田土壤呼吸作用及其对外源氮添加的响应，旨在进一步加深对地表覆盖和氮肥复合管理措施下，黄土高原旱作农田土壤碳循环过程的理解。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于陕西省长武县十里铺村南1 km的黄土旱塬上（107°45′E， 35°12′N），海拔1 200 m，塬面地势平坦，属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候。年平均气温为9.1 ℃， 年平均降水为579 mm， 且55％以上降水集中在7～9月，年际间降水分配不均。该区农业生产主要依赖生育期的天然降水和前期土壤蓄水，属于典型的旱作农业区。土壤属黏壤质黑垆土，母质为中壤质马兰黄土，土层深厚，土质疏松，肥力中等。

1.2 试验设计

春玉米覆盖试验布设于2009年4月，设秸秆覆盖（SM）、地膜覆盖（FM）、不覆盖对照（CK）三个处理。各处理重复3次，共9个小区，随机排列，小区面积66.7 m2。春玉米于每年4月中旬播种，9月中旬收获，秸秆覆盖处理使用收获后的整株玉米秸秆于玉米播种后均匀覆盖于行间，覆盖量为9 000kg·hm-2。地膜覆盖处理采用1.2 m宽白色透明地膜覆盖整个小区。秸秆与地膜覆盖措施均为生育期全程覆盖。收获后清除秸秆或地膜，试验田随之闲置。播种前松土并施加基肥。供试化肥为尿素（N≥46.6％）和过磷酸钙（总P2O5≥43％）。各小区施基肥N为135kg·hm-2，P2O5为90 kg·hm-2。作物生长期间不追肥、不灌溉，人工除草［16-17］。

2017年9月15日春玉米收获后，以“S”形五点采样法采集各小区 0～20 cm 的土样，混合均匀。土样采回后，立即过2mm筛，剔除石块和动植物残体等杂质后，充分混合均匀，部分土壤样品自然风干后用于土壤性质的测定，另一部分鲜土装入培养瓶测定呼吸作用。培养试验以不同覆盖方式为主处理，氮添加为副处理，包括不加氮（N0）和施氮500 kg·hm-2（N1）两个水平，总计6个处理，每个处理重复3次。

分别称取过2mm筛的鲜土500 g于1L的玻璃培养瓶中，按照试验设计将尿素以溶液的形式一次性加入培养瓶中，然后用去离子水调节土壤含水量（田间最大持水量的60％）。操作完成后，拧紧瓶盖于黑暗条件下控温控湿培养（25℃），为期总计60d。培养期间每隔两天采用称重法调节土壤含水量保持恒定。培养结束后取出一部分新鲜的土壤，风干以测定土壤的有机碳和全氮含量。

1.3 测定指标及方法

在培养开始后的1～40d逐日以及第42d，45d，53d，60d，使用LI-840A土壤碳通量自动测量系统测定土壤呼吸速率。本试验中使用的培养瓶为1L容积的广口玻璃瓶，盖子上带有两个通气阀，连接两个不同长度的聚乙烯透明通气管，一个为进气管，一个出气管使与仪器连接可以抽取气体，两个通气阀在培养期间拧成竖直打开的状态，使土壤通气，保持培养瓶中氧气充足［18］。测定时将通气阀与 LI-840A系统连接成闭路系统进行测定。土壤CO2的累积排放量采用加权累积法进行计算［19］。

土壤有机碳和全氮含量测定［17］时称取3g风干土，用10％稀盐酸去除土样中无机碳，过0.15 mm筛，然后用EA3000元素分析仪测定。土壤pH采用电位法测定（水土比为2.5∶1）。

1.4 数据的处理与分析

使用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比较，并用LSD法进行差异显著性检验（P<0.05），使用Origin 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 培养前土壤化学性质

土壤理化性質经过9a的秸秆和地膜覆盖后均表现出显著差异（表1）。与CK和SM相比，FM处理土壤pH显著下降。SM处理土壤有机碳和全氮含量较CK分别提高了7.79％和17.53％（P<0.05），而FM与CK差异不显著。与CK相比，FM，SM土壤碳氮比分别降低了4.38％和8.32％（P<0.05）。

2.2 土壤呼吸速率与CO2累积释放

各处理土壤呼吸速率随时间的动态变化如图1所示，覆盖措施和氮添加均对土壤呼吸速率有极显著影响，但二者无显著交互作用（表2）。整体来看，土壤呼吸速率呈现先上升后下降而后逐渐平稳的变化趋势。培养前15d呼吸速率快速上升， N1处理呼吸速率第12d达到峰值（0.20～0.26 mol·m-2·d-1），而N0呼吸峰值则推迟到第17d（0.13～0.19 mol·m-2·d-1）。随着培养时间的延长，呼吸速率逐渐下降，并于30d后逐渐平稳恢复至初期基础呼吸水平。平均来看，SM呼吸速率较CK提高了16.36％（P<0.05），而FM与CK差异不显著。不同覆盖处理平均来看，N1土壤呼吸速率较N0提高了44.68％（P<0.05）。

土壤CO2累积排放动态如图2所示。整体来看CO2累积排放量呈“S”型上升趋势，30d之后趋于平缓，前30d的CO2排放量占整个培养期的80％～90％。与土壤呼吸速率相同，覆盖方式和氮添加均对土壤CO2累积排放量有显著影响，但二者交互作用不显著（表2）。与CK相比，SM的累积排放量平均增加了15.12％（P<0.05），而FM与CK处理差异不显著。与N0相比，N1处理土壤CO2累积排放量平均增加了39.11％（P<0.05）。

2.3 培养后土壤有机碳和全氮

表3为培养后土壤有机碳和全氮含量。与培养前相比，恒温培养60d后各处理土壤有机碳和全氮含量均有不同程度地降低，覆盖措施和氮添加对土壤有机碳和全氮均具有显著影响，但二者交互作用不显著（表4）。与在不同氮素水平上，各覆盖处理间有机碳和全氮含量的差异与培养前相似，SM处理有机碳和全氮含量均显著高于CK和FM处理，且CK和FM处理间无显著差异。在不同覆盖处理下，N0处理有机碳含量均高于N1处理，相反，经过60d培养后，不同覆盖处理下均表现为N1处理全氮含量高于N0处理。

2.4 土壤CO2累积排放量与土壤化学性质的关系

培养60d的土壤CO2累积排放量和土壤初始的有机碳和全氮含量都呈显著的线性正相关关系（表5），表明土壤初始有机碳和全氮含量越高，培养期内CO2累积排放量越大。在N0、N1条件下，有机碳变化分别可以解释97％，92％的土壤呼吸变异，全氮含量分别可以解释62％，70％的土壤呼吸变异。

3 结果与讨论

培养前期，土壤呼吸速率快速升高，排放的CO2迅速增多，这是由于微生物活性尚未恢复［20］，因而培养的前15d为恢复期，呼吸速率呈上升趋势并达最大值，此时微生物活性也达到最大（图1）。而后随着培养时间的延长，微生物利用的碳、氮源底物逐渐减少，呼吸速率逐渐下降，培养后期呼吸速率趋于平稳，保持在微弱的呼吸速率水平，CO2累积值变化趋于平缓，这与张旭博等［21］、艾丽等［22］、Mondini等［23］的研究结果一致。主要原因在于，土壤呼吸是微生物通过呼吸作用分解土壤中有机碳的生物化学过程，随着培养时间的增加，土壤中易分解的有机物质逐渐被土壤微生物所分解而含量降低，在活性碳源和氮源大量减少或耗竭条件下，土壤微生物为了适应生存环境开始分解较难分解的有机物质，分解速率下降，微生物的呼吸等代谢强度减弱，释放CO2的强度逐渐降低。

土壤呼吸作用与土壤初始碳氮含量密切相关。不同覆盖措施会造成土壤性质尤其是有机碳含量发生改变，进而影响土壤呼吸过程。本研究中进行9a秸秆覆盖后土壤有机碳和全氮含量显著增加（表1），这与Mulumba L N等［24］、田亚男等［25］的研究结果一致。原因在于秸秆覆盖改变了表层土壤水热条件，促进土壤会微生物代谢活动，加速秸秆腐解过程，增加了有机质输入，同时秸秆覆盖也可以通过改善土壤团聚体结构提高碳氮固持能力［24］，而与秸秆覆盖不同，地膜覆盖具有更好的保水增温效果，能够加速土壤有机碳的矿化分解，提高土壤碳的周转速率，然而土壤有机质含量是有机质输入与矿化两个过程相平衡的结果［26-27］，本研究地膜覆盖可能只是提高了土壤碳的周转，而对有机碳氮含量并没有产生显著的影响（表1）， 这与卜玉山等［28］、王淑兰等［29］的研究结果一致。

经过室内培养，秸秆覆盖措施下土壤呼吸速率和累积碳排放量均显著大于不覆盖对照处理，而地膜覆盖与对照相比无显著差异，这应该与两种覆盖措施下的土壤有机碳含量差异有关。秸秆覆盖土壤具有更多的底物供应，尤其是活性态有机碳含量［30-31］，显著刺激了土壤呼吸过程。另一方面，土壤全氮含量与土壤呼吸的累积碳排放量也呈正相关，与徐丽等［32］、陈吉等［33］的研究相一致。本研究结果还显示培养期内地膜覆盖处理的土壤在前期呼吸速率是大于对照的，这可能与土壤活性碳组分和微生物群落特征有关［34］。虽地膜覆盖处理对有机碳和全氮含量无显著影响，但室内培养提供了适宜的水热条件，利于土壤微生物活性和数量的快速提高，在培养前期加速底物消耗速率。由于土壤有机碳、全氮含量与不覆盖无显著差异，在培养后期可供消耗的底物差异不大，导致土壤CO2累积释放与无覆盖处理相比无显著差异。

杨丽霞等［35］的研究表明，随着培养时间延长，分解速率趋于平稳时，有机碳分解达到动态平衡。此时，土壤有机碳含量在一定程度上能代表土壤固碳能力。本研究培养结束时秸秆覆盖土壤有机碳含量显著高于地膜覆盖和不覆盖处理（表3），可以看出秸秆覆盖土壤有机碳的固持能力显著大于地膜覆盖和无覆盖。

氮添加显著促进了土壤呼吸作用，促进了土壤有机碳的矿化分解，这与牛百成等［36］的研究结果一致。其主要原因在于，氮添加导致土壤碳氧比大幅下降。随着土壤氮素有效性的提高，土壤微生物需消耗更多的碳来维持其活性，从而刺激微生物分解更多的土壤有机质，提高土壤呼吸速率和CO2累積释放。本研究中覆盖措施和氮添加对土壤呼吸的影响并未表现出显著的交互影响，表明后期外源氮添加并不会改变由于长期覆盖措施不同所导致的土壤微生物代谢方式差异，而只是简单提高了微生物代谢速率，这与王方超［37］在森林土壤响应大气氮沉降的结果不同，可能是森林土壤与农田土壤有机物输入存在较大差异所致，如何通过氮肥和覆盖措施之间的协同管理提高农田固碳减排能力尚待进一步探索。

4 结 语

旱作农田地表覆盖措施和添加氮肥均显著影响着土壤呼吸过程，短期培养试验显示土壤呼吸均呈现单峰型变化，峰值出现在15d左右，而土壤CO2累积排放量程“S”型上升趋势，前30d的排放量占整个培养期的80％～90％。与不覆盖相比，长期秸秆覆盖增加了有机质输入，提高了土壤碳氮含量，并进一步促进了土壤呼吸作用，而长期地膜覆盖后并没有显著增加土壤碳氮库存，对培养期间的土壤呼吸影响不显著。外源氮添加显著刺激了土壤呼吸作用，但与覆盖措施之间没有交互影响，今后应注重地表覆盖和氮肥的协同管理以进一步提高农田土壤固碳减排能力。

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（编 辑 李 波，邵 煜）