温室气体浓度的升高强烈地影响着气候变化,并导致人类生存环境的恶化。全球土壤呼吸年碳排放量为80.4Pg,是化石燃料燃烧CO2排放量的10倍多[12]。土壤呼吸是碳库中最活跃的部分,在全球陆地生态系统碳库中,碳储量约为140~170Pg,占全球陆地碳储量的10%[3]。在自然因素和农业管理(耕作、施肥和灌溉等)的双重作用下,农田生态系统受到强烈的人为干扰后,能在较短的时间尺度上进行碳库的调节,进而影响全球的碳循环[45]。可见,研究农业生态系统中土壤CO2的排放,对于减缓大气CO2浓度的增加有重要意义。 秸秆直接还田是当今秸秆资源利用的主渠道[6]。秸秆的施入对农田土壤CO2排放通量动态具有显著影响[7],同时通过改善土壤含水量、有机碳水平、水稳性团聚体等土壤性质可提高土壤质量和作物产量[810]。施肥作为农业土壤的一个主要干扰因素,不仅是提高作物产量的关键措施之一,而且影响土壤的理化性质和生物活性,进而影响土壤的碳循环[11]。但已有研究主要单一集中于秸秆[12]或者是肥料的施用量[1315]对CO2排放的影响,关于秸秆施入方式对土壤CO2排放影响的研究则很少见报道,而有关不同秸秆还田方式配施不同类型氮肥(有机氮和无机氮)对CO2排放影响的研究则更少。因此,以生态系统理论与方法对秸秆还田问题进行系统的研究具有重要意义。 黄淮海平原是我国主要的粮食产区,肥料的应用为粮食增产做出了巨大贡献,通过秸秆还田、施用有机肥来改善土壤结构、增加土壤碳库水平也越来越受到关注,但是关于秸秆还田对农业生态土壤原位CO2排放的试验资料还相对较少,且研究秸秆还田方式的影响对预测未来土壤CO2排放规律和农业减排措施也非常重要。因此,开展田间试验以评价不同秸秆还田方式对CO2排放过程的影响,探讨黄淮海平原秸秆还田方式、氮肥类型以及施氮量与夏玉米土壤呼吸的关系,可为综合评价秸秆不同还田方式和施肥的农田生态效应提供理论依据,并为该地区秸秆还田方式和施肥措施提供技术支持。 1材料与方法 1.1试验地概况 试验地点位于河南省封丘县中国科学院封丘农业生态国家试验站(北纬35°01′,东经114°32′)。该地区属半干旱半湿润的暖温带季风气候,年平均降水615mm,67%的降水集中在6—9月;平均气温为13.9℃,最低月均气温出现在1月,为1.0℃,最高月均气温27.2℃,出现在7月。该区域土壤发育为黄河冲积物潮土,农田耕作为冬小麦夏玉米轮作制度。 1.2试验设计 试验于2010年6—10月进行,试验设计见表1。通过处理NSFR、SFR、ISFR的比较,可以得到常规施肥条件下小麦不同秸秆还田方式对玉米土壤呼吸速率的影响;通过处理ISOM1、ISOM2、ISOM3之间的比较,可以得到小麦秸秆行间掩埋还田的情况下,配合施用有机氮肥(鸡粪)对土壤呼吸速率的影响;通过处理ISF1、ISF2、ISF3比较,可以得到小麦秸秆行间掩埋还田的情况下,配合施用无机氮肥(尿素)对土壤呼吸速率的影响。 各处理在整个玉米生育期总施氮量均为210kg(N)•hm2,施磷量157kg(P2O5)•hm2,施钾量105kg(K2O)•hm2,各处理N、P和K施用量见表2。每处理设4个重复,共有36个小区,每个小区均设为5m×8m。还田秸秆为上一季晒干的小麦整秆,其养分和含水量见表3。秸秆施用量7500kg•hm2。播种前,在玉米行间开沟20cm深,均匀放入小麦秸秆,并在秸秆上施用鸡粪(或化肥)后进行掩埋,鸡粪的养分含量见表3。试用玉米品种为“郑单958”,种植密度68034株•hm2,玉米行距和株距分别为60cm和30cm。2010年6月23日翻地、埋秸秆、施基肥,2010年6月24日播种,7月15日—8月15日玉米从拔节进入灌浆期,8月16日—9月5日为灌浆期,9月6日—10月5日为逐渐成熟阶段,10月5日收获。追肥时间为2010年8月1日和8月17日,分别为玉米拔节期和灌浆期,追肥方式为行间挖穴点播,基肥和追肥的施用量见表2所示。 1.3土壤呼吸作用的测定 土壤呼吸测定采用动态气室法,通过密闭交换式的采集气体系统(LI-COR-6400-09土壤气室)连接红外线气体分析仪(IRGA)对气室中产生的CO2进行连续测定,系统同时测定10cm深土壤的温度。测量气室放置在事先已经放入土壤中的PVC环上进行测量,为减少安置PVC环对土壤系统的破坏,第1次测定在安置24h后再进行,以避免由于安置PVC环对土壤扰动而造成的短期呼吸速率的波动[16]。PVC环直径11cm、高10cm,在2010年6月24日玉米播种后立即安置在两行玉米的中间,即掩埋秸秆区,PVC环埋入土壤后2cm露出地表以保证测量气室的密闭性,同时去除环内的一切活体,每个小区安置1个环,每次测定3次重复,仪器自动记录。在整个玉米生长季的测定过程中一直把PVC环保留在土壤中,于早晨09:00—12:00定期测定土壤呼吸[17],从玉米拔节初期,即7月24日开始测定,之后间隔5d测定1次至9月18日。 测定时密闭PVC环的土壤呼吸通量计算公式为:Q(μmol•m2•s1)=(C/t)×V/A=(C/t)×h(1)式中,C为时间间隔t(s)的密闭PVC环内CO2的浓度差(μmol•m3),h为环高(m)。在测定土壤呼吸速率的同时,使用便携式土壤水分测定仪(Hydrosense,Campbell,美国)测定5cm土层的土壤湿度,表示为容积含水量,通过计算换算成土壤孔隙含水量(WFPS),计算公式为:WFPS(%)=[含水量(%)×土壤容重(g•cm3)/土壤总孔隙度(m3•m3)]×100(2)式中,土壤总孔隙度(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计算。降雨量和大气温度通过试验区内的气象站自动采集。试验期降水和大气温度见图1。 1.4数据分析 数据采用SPSS16.0和Excel2003软件处理。 2结果与分析 2.1玉米生长季土壤温度和水分的变化 玉米整个生长季,土壤湿度和土壤温度的变化如图2所示。土壤孔隙含水量(WFPS)变化范围为34%~82%,平均为66%。方差分析表明,9个处理之间,玉米生育期平均WFPS没有显著差异(P>0.05)。土壤温度最高29.52℃,最低20.84℃,平均24.91℃,方差分析表明,各处理间平均温度亦没有显著差异(P>0.05)。#p#分页标题#e# 2.2秸秆还田方式对土壤呼吸的影响 就玉米整个生长季看(图3),不同秸秆还田方式下平均土壤呼吸速率依次表现为秸秆行间掩埋(ISFR)>秸秆移除(NSFR)>秸秆覆盖(SFR)。ISFR处理的平均土壤呼吸速率为(209.22±75.63)mg(C)•m2•h1,显著高于NSFR处理的(169.51±45.50)mg(C)•m2•h1和SFR处理的(161.14±26.32)mg(C)•m2•h1。NSFR、SFR、ISFR处理在整个玉米生长季的土壤呼吸速率波动范围分别为: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,玉米整个生育期秸秆行间掩埋措施对土壤呼吸有显著影响,大幅度增加了土壤呼吸。具体到玉米生长的某一阶段来看,玉米拔节期(7月15日—8月15日),ISFR处理的平均土壤呼吸也总是显著高于NSFR和SFR处理(图3),灌浆后期到成熟期(8月24日至收获),随着气温的降低,土壤微生物活动减弱,土壤呼吸逐渐减小,3个处理间没有显著差异(P>0.05)。 2.3氮肥施用对土壤呼吸变化的影响 2.3.1配施有机氮肥下土壤呼吸速率的变化 随季节变化,秸秆行间掩埋配合基肥施用鸡粪的不同处理间土壤呼吸速率高低变化基本一致(图4a)。对整个玉米季土壤呼吸的监测发现,鸡粪对土壤呼吸的影响十分显著。秸秆行间掩埋配合施用33.6kg(N)•hm2鸡粪处理(ISOM2)平均土壤呼吸速率最高,为(208.08±31.54)mg(C)•m2•h1,波动范围为41.37~415.30mg(C)•m2•h1;配合施用16.8kg(N)•hm2和50.4kg(N)•hm2鸡粪处理(ISOM1和ISOM3)平均土壤呼吸速率分别为(135.07±21.97)mg(C)•m2•h1、(171.43±43.31)mg(C)•m2•h1,显著低于ISOM2处理,其波动范围为70.49~395.78mg(C)•m2•h1和50.66~349.42mg(C)•m2•h1。秸秆行间掩埋配合施用鸡粪的氮高于和低于33.6kg(N)•hm2时,土壤呼吸减弱,说明配合施用33.6kg(N)•hm2鸡粪的C/N比最适宜微生物代谢活动。玉米拔节期(7月15—8月15日),3个处理的土壤呼吸速率先增加后逐渐减小,灌浆前期(8月16日—8月27日)降到最低,之后又升高,说明秸秆行间掩埋配施鸡粪时,秸秆和鸡粪中大部分易分解的物质在施入土壤后1~2个月左右大量分解,并且追施化学氮肥可以促进土壤呼吸作用。 2.3.2配施化学氮肥下土壤呼吸速率的变化 秸秆行间掩埋基肥配合施用化学氮肥的各处理间土壤呼吸高低变化基本一致(图4b)。玉米整个生育期,平均土壤呼吸速率秸秆行间掩埋配合施用16.8kg(N)•hm2化学氮肥处理(ISF1)为(148.67±35.07)mg(C)•m2•h1,配合施用33.6kg(N)•hm2化学氮肥处理(ISF2)为(124.11±23.18)mg(C)•m2•h1,配合施用50.4kg(N)•hm2化学氮肥处理(ISF3)为(178.85±46.60)mg(C)•m2•h1,其波动范围分别为55.89~363.82mg(C)•m2•h1、47.45~384.91mg(C)•m2•h1和43.62~452.52mg(C)•m2•h1。ISF3处理的平均土壤呼吸速率显著高于ISF2处理(P<0.05),峰值显著高于ISF1和ISF2处理(P<0.05)。玉米不同生育阶段,3个处理土壤呼吸速率7月27日均出现峰值,之后逐渐减小,灌浆期(8月16日—9月5日)呈升高下降升高的趋势,成熟期下降。追施氮肥之前,即在玉米拔节初期(7月27日之前),ISF3处理的土壤呼吸速率最高,ISF1处理土壤呼吸速率最低;3个处理的土壤呼吸速率峰值均出现在第1次追肥之前;第2次追肥后,各处理土壤呼吸速率均略有上升;灌浆后到成熟期,由于降水较多、气温较低(图1),各处理土壤呼吸速率下降,但差异不显著。表明秸秆行间掩埋配合施用化学氮肥,其施用量显著影响土壤呼吸。 2.3.3秸秆行间掩埋配施氮肥对夏玉米碳累积排放量的影响 从玉米整个生长期看,ISFR处理CO2排放累积量最高,达502.14g(C)•m2,比SFR和NSFR高115.41g(C)•m2和95.31g(C)•m2,差异达显著水平(P<0.05),SFR和NSFR处理之间没有显著差异(P>0.05)。ISF1、ISF2、ISF3处理的土壤CO2排放累积量分别为356.80g(C)•m2、297.86g(C)•m2和429.25g(C)•m2,ISF3处理比ISF1、ISF2高16.88%和30.61%,ISF3与ISF2处理差异达显著水平(P<0.05),ISF1与ISF2、ISF3处理之间无显著差异(图5)。ISOM1、ISOM2、ISOM3处理CO2排放累积量分别为324.16g(C)•m2、499.39g(C)•m2和411.43g(C)•m2,ISOM2处理比ISOM1和ISOM3高35.09%、17.61%,差异达显著水平(P<0.05)(图5)。ISOM2处理的CO2累积排放量显著高于ISF2处理。 3讨论与结论 3.1秸秆还田对土壤呼吸速率的影响 秸秆还田可以调节土壤物理环境、促进环境微生物的代谢活动,有利于土壤养分的转化[18],提高土壤有机质的数量和质量[19],增加土壤总孔隙度[20],以促进土壤中CO2向空气中扩散,从而增加土壤CO2的释放速率。雷宏军等[19]对黄淮海平原7个独立施肥长期定位点的土壤有机碳动态进行模拟,发现有机物料还田量是决定耕层土壤CO2年排放通量大小的直接原因。众多研究结果认为,秸秆还田对农田土壤呼吸有显著影响。本研究中,玉米季秸秆行间掩埋区平均土壤呼吸速率高于秸秆覆盖和秸秆移除的措施,可能是因为秸秆行间掩埋于表层20cm土壤,导致土壤中C/N比变大,增强了微生物活性,翻埋入土的秸秆在7、8月高温下,一方面促进了被掩埋秸秆和土壤有机质的分解,另一方面增强了土壤微生物的呼吸。 3.2秸秆行间掩埋配施有机肥对土壤呼吸速率的影响 施用有机肥可以提高土壤中潜在矿化分解的有机碳含量,增大土壤有机碳的矿化速率常数,而且能增强土壤呼吸的强度,使土壤有机质中的无机养分循环加快,显著提高土壤养分的有效性,改善土壤肥力状况,提高土壤质量[21]。有机肥自身可以为微生物提供能源,从而为微生物提供更多的降解底物,显著提高微生物活性[22],特别是刚施入后,施有机肥的处理土壤呼吸显著高于没有施用有机肥的处理[23]。#p#分页标题#e# 本研究中,玉米整个生长期,ISOM2处理的平均土壤呼吸速率和累积碳排放量显著高于ISOM1和ISOM3处理,表明ISOM2处理的C/N比最适宜微生物的代谢活动。秸秆行间掩埋配合施用鸡粪土壤呼吸速率峰值均出现在第1次追施化学氮肥之前(7月28日),表明施用有机肥能促进微生物的活性,与上述研究结果一致。施用有机肥的3个处理中,ISOM2处理的土壤呼吸速率峰值最高,表明秸秆行间掩埋配合施用有机肥,微生物活性提高的程度受有机肥施用量的影响,配合施用量高于和低于33.6kg(N)•hm2时土壤呼吸速率下降;第2次追施化学氮肥10d(8月27日)后,3个处理土壤呼吸速率有所上升,一方面可能是因为气温回升所致[2425],另一方面有研究者认为,施氮肥的时间影响土壤呼吸,在玉米地的施肥试验表明,晚施肥比早施肥土壤呼吸要高[26]。化肥对土壤呼吸过程的影响主要依赖于土壤有机质的水平,在施用有机物料的情况下,土壤有机质的含量高,对土壤呼吸的影响明显;而在不施有机物料的处理中,土壤有机质含量低,且新鲜的土壤有机物质数量少,土壤有机质稳定,化肥对土壤呼吸速率过程的影响不明显。配合施用有机肥的土壤呼吸速率高于不施有机肥的处理,这主要是由于施入有机物料提高了农田土壤有机碳含量,同时改善了土壤理化和生物学性质,使土壤具有良好的通透性和保水性能,从而土壤微生物呼吸强度高,也为作物根系生长创造了良好的环境条件,增加了根系的生长量和活力,进而增加CO2的排放量[2728]。 3.3秸秆行间掩埋配施化学氮肥对土壤呼吸速率的影响 土壤呼吸作用的氮肥施用效应较为复杂。有研究认为,化学氮肥能促进土壤中容易降解的有机碳的分解[29],随着施氮量的增加,土壤呼吸作用增加,但对土壤呼吸的影响不敏感[15,23,30]。玉米生育期长期施用高量氮[540kg(N)•hm2•a1]、磷肥[135kg(N)•hm2•a1]明显影响到土壤释放CO2的量[31]。也有研究表明,施氮与未施氮处理下大麦田具有相似的土壤呼吸速度[32]。化学氮肥能抑制土壤有机质中一些高分子化合物的分解[33],因此对土壤呼吸作用影响的大小并不显著[34],甚至可能抑制土壤呼吸作用[30]。杨兰芳等[35]盆栽试验表明,施氮对裸地土壤呼吸影响不显著,有作物条件下,施氮300kg•hm2处理的土壤呼吸速率显著高于施氮150kg•hm2的处理。以尿素形式施入的氮在短期培养试验中表现出增强微生物呼吸作用[36],而在长期培养试验中发现抑制微生物呼吸[37]。氮的供应不足有可能会限制在提高大气CO2浓度条件下植物光合作用的反应[3839]。Poorter等[40]研究发现,营养状况低时,很大程度上降低了由于CO2浓度升高对植物生长的促进。 本研究中,秸秆行间掩埋配合施用化学氮肥,玉米整个生长季平均和累积的土壤CO2排放量配合施用16.8kg(N)•hm2时高于配合施用33.6kg(N)•hm2,但二者对土壤呼吸的影响不显著;配施量增加到50.4kg(N)•hm2,平均土壤呼吸速率和累积CO2排放量显著升高,这表明秸秆行间掩埋配合施用高量氮肥促进了土壤呼吸。播种时秸秆行间掩埋配合施用化学氮肥,虽然小麦秸秆的C/N值较大,难于分解,但微生物可利用施肥土壤中的有效态氮以掩埋的秸秆为碳源维持自身生长,增强土壤中的微生物数量和活性来分解有机物质。因此,3个处理在第1次追肥前土壤呼吸就出现了峰值(7月28日);第2个峰值均出现在第2次追施氮肥之后(8月28日)。宋文质等[25]观测中国冬小麦田施用氮肥前后CO2通量变化的结果也表明,施肥后农田CO2排放量增大。本试验中,掩埋秸秆区土壤呼吸属无根呼吸,该区土壤CO2排放主要包括土壤微生物呼吸、掩埋秸秆和土壤有机碳的分解,基施配合施用不同水平的化学氮肥对CO2排放的影响与土壤中有机质的数量和质量密切相关[41]。因此,秸秆还田基施化学氮肥施用量至关重要,应同时满足作物和土壤微生物的吸收利用。