半干旱区不同施肥量对旱作冬小麦田土壤呼吸的影响

胡智临，张 春，贾志宽

(西北农林科技大学农学院，陕西 杨凌 712100)

施肥是重要的农田管理措施，同时也是提高作物产量的主要手段之一。施肥主要通过影响作物生长和土壤微生物环境而影响土壤呼吸[1]。研究表明，土壤温度和土壤水分是影响土壤呼吸的关键驱动因子[2]。不同施肥量对作物冠层生长的影响使土壤遮阴程度有所差异，进而影响土壤温度,且不同施肥处理下作物耗水差异较大，导致土壤水分含量不同。相关研究表明，在一定施肥范围内，土壤呼吸速率随施肥量的增加而增强，当施肥量超过一定限度之后，土壤中C/N比下降，抑制了土壤微生物的活性，进而减缓分解速率[3]。在陕西关中灌区对冬小麦田土壤呼吸的研究发现，中低氮水平范围内CO2排放量随施氮量增加而增加[4]。氮磷配施促进了小麦根系生长，增强了根系呼吸速率[5]。增加施肥量有助于提升土壤CO2释放量[6]。也有研究表明，冬小麦田土壤CO2排放量随施肥量的增加而降低[7-9]。长期施氮后因土壤固碳能力增强，土壤呼吸降低[10]。

国内外关于施肥量对土壤呼吸影响的研究已有不少文献报道，严俊霞等[11]对黄土高原高粱地的5种施肥模式研究表明，施肥能增加温度对土壤呼吸的贡献程度。在不同水肥条件下夏玉米和冬小麦轮作体系中，氮磷配施能显著增加农田生态系统的碳收支状况[12]。而在冬小麦种植中，免耕可减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]。由于研究区域气候条件、土壤肥力、栽培管理技术及作物的不同而呈现出不同变化规律，对于半干旱区旱作农业条件下冬小麦施肥量对土壤呼吸的影响尚无明确认可的结论。本研究在宁南旱作农业区开展冬小麦施肥梯度试验，通过监测不同施肥量下冬小麦田土壤呼吸速率及土壤水热因子，探索不同施肥量对土壤呼吸的影响，为降低农田CO2排放和农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年9月—2020年7月在宁夏回族自治区彭阳县旱地农业试验站(106°48′E，35°51′N，海拔1 700 m)进行。该地1973—2013年平均气温8.0℃，年平均日照时数2 518.2 h，年平均降水量430 mm，约60%的降水集中在7—9月(冬小麦休闲期)；年蒸发量1 753.2 mm，无霜期150 d。该地属典型半干旱区高原丘陵地貌，土壤质地为黄绵土。试验地土壤0～20 cm土层有机质含量为15.1 g·kg-1，全氮为1.2 g·kg-1，碱解氮63.6 mg·kg-1，速效磷37.6 mg·kg-1，速效钾161.2 mg·kg-1。试验期间降水量及气温情况如图1所示。

1.2 试验设计

本试验设置4个施肥梯度，采用完全随机设计。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)；无肥( FN)。每处理3次重复，共12个小区，具体施肥方案如表1。田间小区面积为78 m2(长13 m×宽6 m)，小区四周种植保护行。在试验开始前对试验地进行了深翻，播前15 d进行整地，所有肥料均作为底肥于播前7 d均匀撒在地表，并用铁锹翻至约20 cm土层。

表1 施肥量及施肥方案(N∶P=1.5∶1)

依据当地气候条件和生产环境，试验供试冬小麦品种为‘陇鉴301’，播量为190 kg·hm-2，播种方式为条播，播种行距为20 cm。在冬小麦各生育时期进行人工除草和病虫害防治。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤呼吸(RS)RS的测定采用闭路式土壤碳通量系统，仪器型号为LI-8100(LI-COR，Lincoln，Nebraska，USA)，仪器配备密闭气室和聚氯乙烯(PVC)环(内径=20.3 cm，外径=21.34 cm，高11.43 cm)。冬小麦出苗后，每个处理安装3个PVC环，安装方法为在行间垂直插入，PVC环上部3 cm暴露在土壤表面。小麦生育期内PVC环固定不移动。测定前24 h手动除去PVC环内的凋落物及活的植物以确保测定结果准确。在冬小麦苗期(Seeding,S)、返青期(Reviving,R)、拔节期(Jointing,J)、抽穗期(Heading,H)、开花期(Anthesis,A)、灌浆期(Grouting,G)和成熟期(Maturing,M)的晴天上午9∶00—11∶00进行测定。全生育期CO2排放总量计算公式为：

式中,TCO2为全生育期内单位面积上CO2的总排放量(kg·hm-2)；i为当前测定日期；n为最后测定日期；t为播种后天数；3.80为μmol·m-2·s-1转换为g·m-2·d-1的转换系数；10是g·m-2·d-1转换为kg·hm-2的转换系数；RS为各处理土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)。

1.3.2 土壤温度 土壤温度采用曲管地温计(河北省武强县鑫宇仪表厂)进行记录。在冬小麦播种后，于冬小麦行间挖槽，垂直深度分别为5 cm、10 cm，再将5 cm、10 cm曲管地温计埋入槽中。土壤温度测定与土壤呼吸测定同步进行。

1.3.3 土壤水分 土壤水分的测定方法为土钻法，取样深度为100 cm，其中0～20 cm土层间隔10 cm进行取样，20～100 cm土层间隔20 cm进行取样。在冬小麦行间选取3个取样点进行取样，各个土层分别均匀混合后进行土壤水分的测定。田间样品取完后2 h内测定所取样品的湿重，105℃烘干至恒重，称干土重。土壤水分测定时期与土壤呼吸同步。根据公式计算土壤含水量(SWC)：

SWC(%)=(鲜土重-干土重)/干土重×100

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 软件对数据进行整理，OriginPro 2015进行制图，采用 SPSS(PASW Statistics 190)统计分析软件对数据进行方差分析，LSD法进行多重比较分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 施肥对冬小麦生长季土壤温度的影响

如图2所示，2018—2019年和2019—2020年冬小麦生长季0～5 cm和5～10 cm土层土壤温度动态变化趋势基本一致，在冬小麦生育期呈现出先下降后升高的趋势，这与大气温度变化趋势相同。返青期土壤温度最低，成熟期土壤温度最高。2018—2019年，0～5 cm和5～10 cm土层土壤温度在拔节期～成熟期不同处理之间差异显著(P<0.05)，表现为FL>FM>FH>FN，而2019—2020年仅在拔节期和抽穗期存在显著差异，这可能与2019—2020年生育期气温波动幅度小有关(2018—2019年平均气温-6℃～20.2℃；2019—2020年平均气温-1℃～18.7℃)，表明施肥对土壤温度的影响与气温变化紧密相关。

2018—2019年生育期内各处理0～5 cm土层土壤平均温度为15.3℃(FL)、14.5℃(FM)、14.4℃(FH)和13.3℃(FN)，各处理分别较FN处理增加了15.0%、9.0%和8.3%；5～10 cm土层平均温度为14.2℃(FL)、13.4℃(FM)、12.8℃(FH)和11.7℃(FN)，各处理分别较FN处理增加了21.4%、14.5%和9.4%。2019—2020年生育期内各处理0～5 cm土层土壤平均温度为12.9℃(FL)、12.7℃(FM)、12.3℃(FH)和12.1℃(FN)，各处理分别较FN处理增加了6.6%、5.0%和1.7%;5～10 cm平均温度为11.7℃(FL)、11.3℃(FM)、11.1℃(FH)和10.9℃(FN)，各处理分别较FN处理增加了7.3%、3.7%和2.0%，表明施肥提升了生育期0～10 cm土层土壤温度。

2.2 施肥对冬小麦生长季土壤水分的影响

由图3可知，施肥对土壤含水率产生了一定的影响。4种施肥处理下土壤0～100 cm土层土壤剖面含水率分布特征与降水及作物生长密切相关。在降水集中的7—9月，苗期土壤含水率最高，而在冬小麦生育期的10月—次年6月降水少，土壤含水率呈逐渐下降趋势。2018—2019年，与处理FN相比，施肥处理降低了冬小麦在拔节期、抽穗期、开花期和灌浆期的土壤含水率；在冬小麦拔节期和抽穗期，处理FN0～40 cm土层土壤含水率均高于各施肥处理，表明该时期作物生长发育较快，且根系生长迅速，集中消耗了0～40 cm土层土壤水分；开花期，与处理FN相比，施肥处理(FH>FM>FL)降低了0～60 cm土层土壤含水率，分别降低了13.8%、7.0%和3.0%；在灌浆期，与FN处理相比，施肥处理降低了0～80 cm土层土壤含水率，由于这段时间降水量少，表明该时期冬小麦根系下扎主要消耗0～80 cm土层土壤水分。2019—2020年冬小麦生育期土壤含水率变化与2018—2019年变化规律一致，但2019—2020年成熟期与2018—2019年成熟期土壤含水率表现不同，这与2019—2020年成熟期降水少且温度高有关。总体上，2018—2019年和2019—2020年生育期内，4种施肥处理下0～100 cm土层土壤含水率整体表现为处理FN>FL>FM>FH，这可能是因为不同施肥水平促进了冬小麦生长，加速了其对土壤水分的消耗。

2.3 土壤温度和水分与土壤呼吸的关系

分别对0～10 cm土层土壤温度和0～60 cm土层水分与土壤呼吸做相关性分析，如表2和表3所示。各处理下0～5 cm和5～10 cm土层土壤温度与土壤呼吸的相关系数均达到显著水平，随着温度的上升，土壤呼吸呈现增加趋势。5～10 cm土层土壤温度与呼吸的相关性显著高于0～5 cm土层，平均拟合系数大小为处理FM>FN>FH>FL。线性拟合结果表明施肥显著增加了土壤呼吸的排放系数，在施肥条件下，土壤温度每上升1℃所引起的土壤呼吸的增量显著上升。0～10 cm土层土壤含水率与土壤呼吸呈现显著相关关系，10～20、20～40 cm和40～60 cm土层土壤含水率与土壤呼吸无显著关系，数据拟合程度不高。线性拟合结果表明在0～10 cm土层，施肥显著增加了土壤呼吸的排放系数，在施肥条件下，土壤水分每上升1%所引起的土壤呼吸增量显著提升，具体表现为FN>FH>FL>FM处理。

表2 土壤温度和土壤呼吸的线性关系

表3 土壤含水量和土壤呼吸的线性关系

二元二次方程(Z=a+bx+cy+dx2+ey2+fxy)可拟合土壤水热双因素与土壤呼吸的关系(表4)。基于土壤水分和温度的二元二次方程的决定系数高于温度和水分的单因子线性方程。二次方程比线性方程可以更好拟合试验结果，可以解释土壤呼吸变化的81%～89%(P<0.01)，而线性方程后者可以解释土壤呼吸变化的63%～74%(土壤温度)和46%～75%(土壤水分含量)(P<0.01)。

表4 土壤含水量与温度和土壤呼吸的线性关系

2.4 不同施肥量下冬小麦田土壤呼吸速率季节变化规律

不同施肥量对冬小麦土壤呼吸速率具有显著影响(P<0.05)。从图4可以看出， 2018—2019年(图4a)和2019—2020年(图4b)冬小麦田土壤呼吸速率表现规律一致，均呈现出降低(苗期～返青期)-升高(返青期～拔节期)-降低(拔节期～灌浆期)

-升高(灌浆期～成熟期)的季节变化趋势。这与当地气温变化趋势一致，且与冬小麦生长状况密切相关。苗期和返青期，各施肥处理与不施肥相比均无显著差异(P<0.05)。从拔节期开始，气温上升，冬小麦快速生长，土壤呼吸速率迅速上升。拔节期～灌浆期土壤呼吸速率有所降低，这可能是因为抽穗期之后冬小麦进入生殖生长期，光合产物主要用于地上部生长，转移到根系的相对较少，导致根系呼吸作用减弱，且封行后土壤温度降低，这会影响土壤微生物呼吸作用。拔节期～成熟期各处理间土壤呼吸速率差异显著(P<0.05)，表现出处理FL>FM>FH>FN的规律。成熟期土壤呼吸速率升高，该时期(6月底—7月初)降水偏多、温度较高(图1)，导致土壤含水率较高，土壤温度升高，高温高湿的土壤环境导致呼吸速率急剧上升。

2018—2019年4个施肥处理下，平均土壤呼吸速率大小表现为FL(2.66 μmol·m-2·s-1)>FM(2.44 μmol·m-2·s-1)>FH(2.23 μmol·m-2·s-1)处理，均显著高于FN处理(1.96 μmol·m-2·s-1)，分别提高了35.7%、24.5%和13.8%。2019—2020年表现出相同的规律，即FL>FM>FH>FN，各处理生育期平均土壤呼吸速率分别为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)，FL、FM和FH处理分别较FN处理提高了45.0%、27.2%和15.6%。说明施肥能提升土壤呼吸速率，但随着施肥量的增加土壤呼吸速率逐渐减弱。

2.5 不同施肥量下冬小麦各生育期土壤CO2累计排放量变化特征

施肥显著增加了冬小麦生育期土壤呼吸碳累计排放量，但随着施肥量的增加其累计排放量逐渐降低(表5)。2018—2019年和2019—2020年冬小麦田各生育期土壤碳排放量表现规律一致，这与各个时期土壤呼吸速率密切相关。苗期～返青期，各施肥水平之间土壤CO2累计排放量均无显著差异(P>0.05)，该阶段作物生长发育近乎停滞且土壤温度处于最低水平，CO2累计排放量高于其他生育时期，归因于该生育期持续时间占全生育期的3/5左右。拔节期～成熟期，气温升高且冬小麦生长迅速，土壤CO2累计排放量迅速升高，各处理间土壤CO2排放量差异显著，表现出FL>FM>FH>FN的规律，虽然该时期持续时间仅占全生育期的2/5左右，但土壤CO2排放量却占全生育期CO2排放量的一半以上。

表5 冬小麦各生育期的土壤 CO2排放总量/(kg·hm-2)

2018—2019年，FL、FM和FH处理冬小麦全生育期CO2累计排放量较FN处理分别增加了25.9%、18.9%和9.5%。2019—2020年表现出相同规律，与FN处理相比，FL、FM和FH处理冬小麦全生育期CO2累计排放量分别增加了32.3%、20.9%和12.0%。进一步证明，施肥量可以增加了冬小麦从返青期～成熟期的土壤呼吸碳排放量。

3 讨 论

3.1 施肥量对土壤温度和土壤水分的影响

施肥量对土壤温度和土壤水分具有间接影响。土壤温度升高，作物生长和根系发育好，对水分的吸收能力强，代谢旺盛，进而导致施肥处理土壤含水率低于不施肥处理。本研究发现，与不施肥处理相比，施肥处理提升了土壤温度，降低了土壤含水率，这与李博文[14]的研究结果一致，他指出施肥提升了0～25 cm土层土壤平均温度，促进了作物生长，降低了土壤含水率。2018—2019年与2019—2020年拔节期温度出现差异与2018—2019年当月平均气温有关，李宏鹏等[15]的研究表明气温与地面温度变化紧密相关。施肥通过影响作物生长发育来影响土壤含水率，并且土壤含水率与降水量密切相关，降水量大小会直接影响土壤含水率的大小，干旱区0～200 cm土层土壤水分对降水的响应均达到显著水平[16]。

3.2 土壤水分、土壤温度对土壤呼吸的影响

本研究发现，苗期和返青期各施肥水平间土壤呼吸速率均无显著差异(图4)。这个阶段冬小麦生长缓慢，施肥量多少并未对其生长造成显著影响，土壤呼吸作用主要由非生物因子(如土壤温度、湿度等)主导。土壤水分和土壤温度是影响土壤呼吸速率的重要因素[17-18]。前人研究表明，土壤呼吸的季节动态主要与土壤温度有关[19]。但是，在季节尺度上，当土壤水分不受限制时，土壤呼吸与土壤温度密切相关。在本研究中，拔节期～灌浆期土壤温度升高，土壤呼吸速率却略有下降。因为，土壤温度和土壤水分在季节变化中，共同调节土壤呼吸速率[20-21]。拔节期～灌浆期土壤温度虽然升高，但土壤含水率明显降低，土壤温度和土壤水分二者的交互效应，最终表现为土壤呼吸速率略有下降。热量和CO2在土壤中的传输速度不同也会导致土壤呼吸与土壤温度的不同步。研究表明，土壤呼吸速率与土壤温度的关系可以用线性方程、指数方程和二项式方程来拟合[22-25]。在本研究中，土壤呼吸速率与土壤温度呈现线性正相关关系(表2)。刘武仁等[26]通过相关分析也得出相同结论，在一定温度范围内温度升高，土壤呼吸速率上升，但是，当温度较高时，它将不再是土壤呼吸的限制因子。本研究地处宁南山区，温度较低，土壤呼吸速率与土壤温度呈现较好的正相关关系。

本研究中冬小麦田土壤呼吸速率与0～10 cm土层土壤水分呈显著正相关(表3)，深层土壤水分与土壤呼吸速率无显著相关性。前人研究指出，在一定范围内土壤呼吸速率随土壤水分升高而升高，高于阈值时，湿度增加会导致呼吸速率下降[27]。本研究中，2019—2020年抽穗～灌浆期土壤温度升高(图1)，土壤呼吸速率却表现出下降趋势(图4)，这与这一阶段较低的土壤含水量密切相关[28]。在土壤含水量较低时，土壤呼吸受到较强的抑制作用。低土壤湿度限制了根系呼吸和微生物活动，降低了基质的可溶性扩散率和微生物的运输，从而减少了微生物与基质的接触，降低微生物呼吸作用[29]。本研究中冬小麦成熟期(6月底7月初)温度较高，降水偏多，土壤呼吸速率出现了急剧上升趋势。陈述悦等[30]研究发现，在温度较高的夏季，当土壤含水率最高或最低时，麦田里的土壤呼吸速率也相应出现最高点和最低点。这说明当土壤温度不受限制时，增加的土壤水分会增强微生物活性，从而增强根际呼吸，增强碳矿化和土壤二氧化碳排放。土壤温度与土壤水分共同影响土壤呼吸速率，本研究指出土壤温度和土壤水分的二元二次方程的决定系数高于温度和水分的单因子线性方程，土壤温度和水分的相互作用可以解释土壤呼吸变化的81%～89%。张晓龙等[31]研究同样发现，土壤温度和水分的复合模型可以解释土壤呼吸的82.6%，明显高于土壤温度和水分的单因子解释能力。

施肥量对土壤呼吸有显著影响。氮肥、磷肥可通过提高土壤氮、磷的有效性来促进根系呼吸。同时，施肥量不同会直接影响作物生长、地上地下光合产物分配和土壤水分的消耗，由于其生长状况和遮阴作用而间接影响土壤温度。本研究表明，低量施肥处理(FL)较不施肥处理(FN)可以显著提高冬小麦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细根生物量，从而导致土壤呼吸速率增加；中量施肥处理(FM)和高量施肥处理(FH)较不施肥处理(FN)也显著提高了土壤呼吸速率，但却低于低肥施肥处理(FL)下的土壤呼吸速率。这与Hasselquist[32]的研究结果一致。

4 结 论

本试验研究结果表明，土壤呼吸受土壤温度和水分的调控，且随着小麦生育期的推进，土壤呼吸速率呈现先降低后增加的趋势。从改善农田生态，降低土壤呼吸的角度来看，适当增加肥料的使用可显著降低土壤呼吸，提升农业生产的生态效应。