2016, Vol. 37
2. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室, 杨凌 712100
2. Key Laboratory for Agriculture Soil and Water Engineering in Arid Area, Ministry of Education, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
温室气体导致的气候变化是国际社会普遍关注的环境问题[1]，CO2是最主要的温室气体[2].农田生态系统对自然因素及农业管理措施(如耕作、施肥和灌溉等)变化有敏感而强烈的响应，在温室气体排放研究中占有重要的地位[3].农业CO2排放占人为温室气体排放的21%~25%[4].中国作为世界农业大国[5]，农田耕作、灌溉及施肥对区域乃至全球气候变化带来的影响已受到国际社会的普遍关注.
农田管理措施中，灌溉和施肥是农业获得高产稳产的重要手段，通过影响植物生长和微生物活性进而影响土壤CO2排放[6, 7].灌溉除了满足作物生长需求外，还可能导致土壤有机质矿化分解速率、微生物生物量及其活性、根系生物量及气体在土壤空隙中扩散速率等，因此对土壤呼吸产生影响[4].一般来说，灌溉会增加土壤呼吸[4, 8].有关施肥对土壤CO2排放影响的报道不尽一致，目前还无统一结论.有研究表明施用氮肥会显著增加土壤呼吸量[9~11]，氮肥施用类型和施用方式不同会造成土壤CO2排放量的差异[12].但也有研究表明，氮肥施用对土壤CO2排放影响不明显[13~17].因此，施肥处理对土壤呼吸影响方面的研究还存在一定的不确定性，需要进一步研究.
目前有关农田管理措施对土壤CO2排放影响的研究中，大多为灌溉和肥料等单因素试验的相关研究成果，水肥综合作用的试验结果报道较少.农业水肥管理措施对土壤CO2排放的影响关系尚不清楚，对相关机制的认知也十分有限.因此，本文通过夏玉米田间试验，研究不同灌水量、施氮量、施磷量及其交互作用对土壤CO2排放通量及累计排放量的影响，通过阐明夏玉米季土壤呼吸对不同水肥条件的响应规律，以期为制定兼顾低碳排放、增加土壤碳的水肥管理措施奠定理论基础.
1 材料与方法 1.1 试验概况试验于2015年6月~2015年10月在西北农林科技大学节水灌溉试验站进行.该试验站位于108°24′ E、34°20′ N，海拔524.7 m，属于暖温带季风半湿润气候区，年平均温度为12.9℃，年平均降水量580 mm (主要集中在7、8、9月)，年平均蒸发量1 500 mm.该试验区土壤质地为重壤土，2 m土层内平均土壤容重为1.38 g ·cm-3，田间持水率为24%(质量分数，下同)，耕前土壤含水率为17.51%.供试土壤基本理化性状为: pH值8.14，有机质为12.02 g ·kg-1，全氮0.89 g ·kg-1，速效磷8.18 mg ·kg-1，碱解氮55.3 mg ·kg-1.
前茬小麦高留茬收割后，旋耕机旋地两遍. 6月22日播种，品种为郑单958，10月13日收获.夏玉米的主要物候期为苗期(7月2日~7月22日)、拔节期至抽雄期(7月23日~8月18日)、抽雄期至灌浆期(8月19日~9月12日)、灌浆期至成熟(9月13日~10月13日).
夏玉米生育期气象资料由杨凌气象站提供(图 1).试验期间玉米生育期总降雨量为196.2 mm，降雨峰值在8月12出现，达到了48.7 mm.气温的变化幅度为10.3~31.3℃，总积温达到2 064.3℃.日平均气温在7月31日达到最高，之后呈逐渐下降的趋势，10月2日气温突降到10.3℃.
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图 1 夏玉米生育期降雨量与日均气温 Fig. 1 Precipitation and daily mean air temperature in summer-maize growth stage |
在节水节肥的水肥管理原则下，试验以当地农业生产中普遍采用的灌水量(90 mm)、施氮量(300 kg ·hm-2)、施磷量(90 kg ·hm-2)为1水平，考虑其过量的特点，设置减少15%、30%两个水平，施氮量和施磷量各设一个0水平.研究按照复因素不完全实施方案设计规则对3个灌水量、4个施氮量和4个施磷量设置试验处理，使试验方案局部均衡，减少试验处理且能分析各个试验因子的单因素效应及其交互效应，共10个处理组合(表 1).小区面积26.25 m2(3.5 m×7.5 m). 3次重复.随机区组排列.
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表 1 试验方案1) Table 1 Experimental design |
磷肥用普通过磷酸钙(含P2O5 12%)，于6月20日撒施后翻耕入土.氮肥用尿素(含N 46.67%)，采用沟施方式，50%于五叶期(7月16日)施入，另外50%于喇叭口期(8月16日)施入.灌水采用畦灌方式，于7月20日灌溉.其他管理同当地大田.
1.3 田间采样及观测采用静态箱原位采集土壤排放的CO2气体样品.箱体由不透明的PVC板制成，长×高×宽为0.5 m×0.5 m×0.5 m，外表面用海绵与锡箔纸包裹，防止取样期间因为阳光照射导致箱体内温度的剧烈变化.侧壁安装取样口，用于气体采集.箱体顶部安装有搅拌空气的小风扇，保证箱体内气体均匀.静态箱底座于玉米播种当天埋设于小区中央玉米行间，直到玉米收获，底座上端有5 cm深的凹槽用以放置静态箱体，取样时注水密封防止周围空气与箱内气体交换.
气体采样于2015年7月12日开始，玉米生育前期每隔1周左右采集1次，后期每隔2周左右采样1次.灌水施肥后加测，每隔3 d采样一次.取样时间在上午10:00~11:00进行，分别在密封后0、10、20、30 min时刻利用带有三通阀的50 mL注射器进行4次气体采集，每次采样40 mL，并于当天进行CO2气体浓度分析.此外，利用安插在箱体顶部的电子温度计(TA288)测量取样期间各时刻箱内温度，用以计算土壤CO2排放通量.
1.4 气体分析及通量计算CO2气体样品浓度采用岛津GC-14B气相色谱仪测定. CO2排放通量(F)的计算公式[18]为:
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式中，F为CO2气体排放通量，mg ·(m2 ·h)-1；ρ为标准状态下的气体密度，1.964 kg ·m-3；h为采样箱高度，0.5 m；T为采样时的箱内温度，℃；dc/dt为箱内气体浓度的变化率，μL ·(m3 ·h)-1，根据0、10、20、30 min时采集的气体浓度与对应的时刻进行线性回归计算.
1.5 数据分析采用Origin Pro 8.5作图，利用其积分功能求CO2累计排放量，采用Excel 2003和DPS 7.05数据处理软件对试验数据进行统计分析.
2 结果与分析 2.1 不同施肥量条件下灌水量对土壤CO2排放的影响 2.1.1 不同灌水量下土壤CO2排放通量的季节变化在高肥F1(N 300 kg ·hm-2，P2O5 90 kg ·hm-2)、中肥F0.85(N 255 kg ·hm-2，P2O5 76.5 kg ·hm-2)、低肥F0.7(N 210 kg ·hm-2，P2O5 63 kg ·hm-2)水平下，土壤CO2排放通量变化规律一致(图 2)，均大致呈现先增加后减少的趋势，分别于8月11日(拔节期到抽雄期)和9月4日(抽雄期到灌浆期)出现CO2排放主峰值和次峰值，而其他时期排放水平较低. F1供肥水平下，高水W1(90 mm)水平的土壤CO2排放主峰值比低水W0.7(63 mm)增大17.46%(P < 0.05)；F0.85供肥水平下，中水W0.85(76.5 mm)比W0.7增大15.96%(P < 0.05)；F0.7供肥水平下，W1与W0.7和W0.85与W0.7差异均不显著(P=0.261和P=0.413). F1供肥水平下，W1水平的土壤CO2排放次峰值比W0.7增大15.94%(P < 0.05)；F0.85供肥水平下，W0.85比W0.7增大15.43%(P < 0.05)；F0.7供肥水平下，W1与W0.7和W0.85与W0.7差异均不显著(P=0.089和P=0.562).在7月18日和9月12日，土壤CO2排放通量陡降可能与气温骤降和持续降雨有关(图 1).可见，不同供肥水平下土壤CO2排放通量随灌水量的增大而增加，在F1水平尤为明显[图 2(a)]，且灌水量的影响随施肥水平升高有增大趋势.
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图 2 不同供肥水平下灌水量对土壤CO2排放通量季节变化的影响 Fig. 2 Effects of irrigation amount on seasonal variation of soil CO2 fluxes under different fertilizer levels |
灌水量的增加显著促进玉米全生育期土壤CO2排放强度，且灌水量的影响随供肥水平升高显著增大. F1和F0.7供肥水平下，W1水平的玉米全生育期土壤CO2平均排放通量比W0.7分别增加18.97%和8.09%(P < 0.05)；F0.85和F0.7供肥水平下，W0.85与W0.7无显著差异(P>0.05)(表 2).玉米不同生育阶段，土壤CO2平均排放通量与整个生育期的变化规律基本一致.玉米苗期，F0.7供肥水平下，W1与W0.7间差异显著(P < 0.05)，但F1、F0.85供肥水平下，各灌水水平之间差异不显著(P>0.05).拔节期至抽雄期，F1供肥水平下，W1比W0.7增加25.46%(P < 0.05)，F0.85供肥水平下，W0.85比W0.7显著增加13.01%(P < 0.05)，但F0.7供肥水平下，不同灌水水平间无显著性差异(P>0.05).抽雄期至灌浆期，F0.7供肥水平下W1与W0.85、W0.7水平之间有显著性差异(P < 0.05)，但F1、F0.85供肥水平下，不同灌水水平间无显著性差异(P>0.05).灌浆期至成熟各供肥水平下，不同灌水水平差异均不显著(P>0.05).灌水量对土壤CO2排放通量的影响与玉米的生育阶段有关，其中玉米旺盛生育阶段的影响明显大于苗期及成熟阶段.
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表 2 不同水肥条件下夏玉米各生育阶段的土壤CO2平均排放通量1)/mg ·(m2 ·h)-1 Table 2 Soil CO2 fluxes from summer maize fields under different water and fertilizer conditions at different growth stages/mg ·(m2 ·h)-1 |
不同灌水水平下，土壤CO2累计排放量在玉米整个生育期逐渐增加.苗期各处理土壤CO2累计排放量增加缓慢，拔节期至抽雄期快速增大，抽雄期至灌浆期累计增长速率逐渐减缓，灌浆期至成熟最低(图 3).随着玉米生育期的推进，各处理间土壤CO2累计排放量差距逐渐增大.玉米收获时，F1供肥水平下，W1比W0.7增加17.48%，差异极显著(P=0.008)；F0.85供肥水平下，W0.85比W0.7显著增加12.69%(P < 0.05)；F0.7供肥水平下，W1比W0.7显著增加9.82%(P < 0.05)，但W0.85与W0.7无显著差异(P=0.450).
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图 3 不同供肥水平下灌水量对土壤CO2累计排放量的影响 Fig. 3 Effects of irrigation amount on cumulative soil CO2 emissions under different fertilizer levels |
不同供水水平(W1、W0.85、W0.7)下，土壤CO2排放通量随施肥量增大而增大(图 4)，W1水平表现尤为明显[图 4(a)和表 2]. W1和W0.7供水水平下，F1水平的主峰值比F0.7增加21.47%和16.61%(P < 0.05)；W0.85供水水平下，F0.85比F0.7增加13.50%(P < 0.05)；W0.7供水水平下，F0.85比F0.7增加8.16%但差异不显著(P>0.05). W1供水水平下，F1水平的土壤CO2排放通量次峰值比F0.7增加12.34%(P < 0.05)；W0.85供水水平下，F0.85比F0.7增加11.97%(P < 0.05)，W0.7供水水平下，F1与F0.7和F0.85与F0.7差异不显著(P=0.128和P=0.437).各处理于第一次追肥(7月16日)后先降低再升高，主要跟气温突降和灌溉导致土壤温度降低有关(图 1和图 4).而第二次追肥(8月16日)后升高，可能是8月16日后气温升高土壤温度较高，植物生长旺盛，根系呼吸增强，同时促进了土壤微生物的呼吸作用，导致土壤CO2排放通量增加.
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图 4 不同供水水平下施肥量对土壤CO2排放通量季节变化的影响 Fig. 4 Effects of fertilizer amount on seasonal variation of soil CO2 fluxes under different irrigation levels |
施肥可促进土壤CO2排放，且与灌水水平有密切关系(表 2). W1供水条件下，F1水平的玉米全生育期土壤CO2平均排放通量比F0.7显著增加14.82%(P < 0.05)；W0.85供水水平下，F0.85比F0.7显著增加8.03%(P < 0.05)；W0.7供水水平下，F1、F0.85、F0.7间无显著差异(P>0.05).苗期和抽雄期至灌浆期，各供水水平下，F1、F0.85和F0.7均有显著差异(P < 0.05).拔节期至抽雄期，W1供水水平下，F1比F0.7增加24.99%(P < 0.05)；W0.85供水水平下，F0.85比F0.7增加22.86%(P < 0.05)；W0.7供水水平下，F1、F0.85和F0.7均无显著差异(P>0.05).灌浆期至成熟，各供水水平下，F1、F0.85和F0.7差异均不显著(P>0.05).可见，除成熟阶段外，其他生育阶段均表现为：W1供水水平下，F1和F0.7差异显著(P < 0.05)；W0.85供水水平下，F0.85与F0.7差异显著(P < 0.05).
不同供水水平下施肥显著增加土壤CO2累计排放量.玉米收获时，W1和W0.7供水水平下，F1水平的土壤CO2累计排放量比F0.7分别显著增加21.24%、13.35%(P < 0.05)；W0.85供水水平下，F0.85与F0.7显著增加18.26%(P < 0.05)；W0.7供水水平下，F0.85与F0.7间无显著性差异(P=0.093)(图 5).
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图 5 不同供水水平下施肥量对土壤CO2累计排放量的影响 Fig. 5 Effects of fertilizer amount on cumulative soil CO2 emissions under different irrigation levels |
氮磷肥对土壤CO2排放的影响分析选取能代表土壤CO2排放通量表现的全生育期、最大阶段(拔节期至抽穗期)和最小阶段(灌浆至成熟期)这3个时间段进行比较.施氮对全生育期土壤CO2平均排放通量的影响因磷肥施用而变(表 3).施磷(P2O5 63 kg ·hm-2)条件下，施氮(N 210 kg ·hm-2)比不施氮降低1.80%，差异不显著(P>0.05)；不施磷条件下，施氮比不施氮高26.05%，差异显著(P < 0.05).氮肥单因子效应、氮磷肥交互作用达极显著水平(P < 0.01)，但磷肥单因子效应差异不显著(P=0.161).氮肥在拔节期至抽雄期影响极显著(P=0.000)，但灌浆期至成熟影响不显著(P=0.393).磷肥对拔节期至抽雄期和灌浆期至成熟影响均不显著(P=0.070和P=0.052).交互作用在拔节期至抽雄期和灌浆期至成熟均达到显著水平(P=0.001和P=0.024).
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表 3 氮磷肥用量对土壤CO2排放的影响方差分析/mg ·(m2 ·h)-1 Table 3 Variance analysis of the effects of nitrogen and phosphate fertilizer application on soil CO2 emission/mg ·(m2 ·h)-1 |
单施氮、施磷和氮磷配施的全生育期土壤CO2累计排放量较不施肥处理分别显著增加23.70%、19.00%和12.30%(P < 0.05)，氮磷肥配施抑制土壤CO2排放其交互作用达极显著水平(P=0.000).施磷肥条件下，不施氮比施氮降低5.63%(P>0.05)，但不施磷条件下，施氮比不施氮显著增加23.70%(P < 0.05).
2.4 水肥用量对土壤CO2排放的耦合效应全生育期土壤CO2平均排放通量和累计排放量对水肥用量的响应与供应水平有关(表 4).水肥供应水平相差30%，同一灌水水平下，全生育期土壤CO2平均排放通量和累计排放量均随着施肥量的增加而显著增加(P < 0.05).灌水和施肥单一因素影响均达极显著水平(P < 0.01)，水肥交互作用影响显著(P < 0.05).水肥供应水平相差15%，施肥对土壤CO2平均排放通量影响达到显著(P=0.033)，灌水单因子、水肥交互作用未达到显著水平(P=0.242和P=0.257).累计排放量表现为，灌水和施肥单因素效应均达到极显著水平(P < 0.01)，交互作用显著(P=0.012).
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表 4 供应水平相差30%和15%水肥影响的方差分析/mg ·(m2 ·h)-1 Table 4 ANOVA analysis of soil CO2 emission on the supply level difference of 30% and 15% of fertilizer and irrigation/mg ·(m2 ·h)-1 |
3 讨论
夏玉米农田生态系统土壤CO2排放通量具有明显的季节变化特点(图 2和图 4)，均大致呈现先增加后减少的趋势，主峰值和次峰值出现于8月11日和9月4日.这可能与土壤温度、水分和植物根系发育变化有关[19~21].研究表明有作物生长的耕地与裸地的土壤CO2排放不同[22]，水肥用量一方面通过影响土壤环境因素影响土壤CO2产生，另一方面通过影响玉米生长及玉米与土壤的相互作用影响土壤CO2排放.根系呼吸产生的CO2占土壤CO2总排放的56%~82%，根系产生CO2增加使土壤CO2总排放量增加[23].采用静态箱法测定土壤CO2排放通量，采样箱虽不覆盖植株地上部分但覆盖部分玉米根系在采样箱内的分布.土壤CO2平均排放通量在试验初期(7月18日)和抽雄期(9月12日)突然降低，前者可能与7月16~17日气温从28.3℃突降到23.3℃和灌水导致地温降低有关；后者可能是9月8~12日气温持续低温，且连续降雨使土壤含水量大幅度增加导致土壤充气孔隙度变小形成厌氧环境，抑制了微生物群落活动，造成土壤呼吸降低[24, 25].
灌水量的增加显著促进玉米全生育期土壤CO2排放强度，且灌水量的影响随供肥水平升高显著增大.高肥和低肥水平下，高水与低水均差异显著(P < 0.05)(表 2).有研究表明，灌溉处理的土壤呼吸强度较不灌水处理均有所增加[19, 24].中肥和低肥水平下，中水与低水无显著性差异(P>0.05).表明灌水水平升高15%对CO2排放强度影响不显著，灌水量对土壤CO2排放强度敏感性降低，可能是因为玉米根系生长和土壤微生物活性对水分敏感性降低造成的[26].土壤CO2排放的主导控制因子取决于研究地点的限制性环境因子.干旱地区麦田的土壤CO2平均排放通量的平均值为262 mg ·(m2 ·h)-1，而湿润地区麦田的平均值为295 mg ·(m2 ·h)-1[27].本试验位于半湿润地区，限制性环境因子可能是土壤水分，土壤本地含水率为17.51%，田间持水率为24%，有研究表明当土壤含水率在田间持水率以下时，土壤呼吸速率随着土壤含水量的增加而增加，且增加速度很快，水分成为干旱地区的限制性因子[19].
施肥量在高水和中水条件下会显著促进玉米全生育期土壤CO2平均排放通量，而在低水条件下施肥水平间无显著性差异(P>0.05).说明低水水平下，施肥量已不是影响土壤CO2排放强度的主要影响因子，可能是低水条件使植物根系活力和土壤有机碳含量降低，破坏了根系和微生物呼吸的平衡[27]，另一方面可能是低水限制了植物光合产物的输送，而根系呼吸在很大程度上取决于植物的光合产物往地上部的输送[28].施肥量的影响随灌水水平的升高显著增大.高水水平下，高肥的全生育期土壤CO2平均排放通量比低肥显著增加；中水水平下，中肥较低肥有显著增加(表 2).且与不施肥相比，单施氮肥、磷肥和氮磷肥配施全生育期土壤CO2排放累计量均显著增加(表 3).表明施肥可明显促使土壤CO2排放，这与前人研究结果一致[15, 29].原因可能在于:施肥尤其是氮肥可直接补充植物及微生物所需养分，促进微生物生命活动、加快有机质分解释放CO2[16]，增强植物根系生长呼吸.另外，氮肥还可能通过影响土壤pH影响微生物活性[30]，促进CO2排放.
单施氮磷肥与氮磷配施对土壤CO2排放的影响表现出相反的结果，氮磷肥配施较单施有助于降低土壤CO2排放(表 3).而大多数研究表明长期氮磷肥配施可以增加土壤呼吸强度，单施氮肥、磷肥使土壤呼吸强度降低，产生抑制作用[31].可能与氮磷肥供应的影响具有两面性有关.施肥既可以为植物和微生物提供必要的营养元素，也可能抑制土壤微生物活性，当土壤中含有大量的营养元素时会对微生物活性和碳素矿化产生负面效应[32]；营养源大量增加时植株能够较容易获得营养物质，因而不必形成发达的根系[33]，使根系呼吸作用不会有明显增加.
水肥交互作用对全生育期土壤CO2平均排放通量和累计排放量的影响因供应水平发生变化(表 4).供应水平相差15%对全生育期CO2累计排放量有显著影响(P < 0.05)，而对平均排放通量无显著影响(P>0.05)；供应相差30%对二者均影响显著(P < 0.05).表明水肥交互作用对土壤CO2排放与供应水平有密切关系，可能与水肥二因素对土壤微生物活动和植物根系生长的复杂影响有关[27, 34].
4 结论(1) 农田土壤CO2排放具有明显的季节变化规律，各处理均呈先缓慢波动性升高又下降的双峰型曲线，主峰和次峰分别出现在玉米拔节期至抽雄期、抽雄期至灌浆期，其他时期排放水平较低.
(2) 不同灌水量对玉米全生育期土壤CO2平均排放通量有显著影响.高肥(N 300 kg ·hm-2，P2O5 90 kg ·hm-2)和低肥(N 210 kg ·hm-2，P2O5 63 kg ·hm-2)水平下，高水(90 mm)均显著高于低水(63 mm)(P < 0.05)；中肥(N 255 kg ·hm-2，P2O5 76.5 kg ·hm-2)和低肥条件下，中水与低水无显著差异(P>0.05).
(3) 不同施肥量对全生育期土壤CO2平均排放通量影响随灌水水平升高显著增加(P < 0.05).高水条件下，高肥比低肥显著增加14.82%(P < 0.05)；中水条件下，中肥比低肥显著增加8.03%(P < 0.05)；而低水条件下各施肥水平间差异不显著(P>0.05).
(4) 氮、磷肥单施均促使玉米全生育期土壤CO2累计排放量显著增大，二者间存在明显的负交互作用，导致氮磷肥配施的增加幅度显著降低.
(5) 水肥交互存在显著正交互作用，促进土壤CO2排放.供应水平相差15%和30%对土壤CO2累计排放量影响显著(P < 0.05).
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