土壤呼吸作用是土壤碳素排放到大气的主要途径，土壤呼吸排放的CO₂占陆地生态系统与大气碳交换量的60%~90%，土壤呼吸作用微小的变化将显著影响大气CO₂浓度.土壤呼吸主要包括来自植物根系的自养呼吸作用和微生物的异养呼吸作用^[1]，然而植物根系呼吸并不属于土壤碳损失^[2].忽略根系呼吸作用将会高估土壤碳排放.因此，精确测定农田生态系统土壤呼吸及其组分对土壤呼吸的贡献率，对于寻找减缓土壤有机碳分解的对策和措施具有重要的指导意义^[3].

秸秆还田不仅可以充分利用秸秆资源、减少大气污染，还可以增加土壤有机碳含量、改善土壤质量，已成为一种重要的培肥增产技术.研究表明秸秆还田能增加土壤总孔隙度、土壤有机碳和活性有机碳含量，改变土壤生物(微生物、土壤动物等)数量和群落结构而增加土壤碳库，但秸秆还田也会增强土壤呼吸作用，增加土壤温室气体排放.生物炭国外将其定义为biochar，指由有机物料(秸秆、树干或其枝条、粪肥、生活垃圾等)在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质^[4].生物炭具有极高比例芳香碳和极强的生物化学热稳定性，在土壤中可稳定存在几百年甚至上千年^[5]，生物炭施入土壤被认为有巨大的固碳増汇潜力.不少学者已证实生物炭能改善土壤理化性质和土壤结构、提高作物产量、品质和增强土壤“碳汇”功能^[6]，但关于生物炭施入土壤对土壤呼吸作用的研究相对较少且研究结果存在争议^{[7, 8]}.生物炭本身含有的活性炭输入到土壤可作为微生物生长的碳源和能源，从而促进了土壤微生物的繁殖.另外，生物炭输入改善了土壤微生物的生存环境，从而提高碳代谢过程中特定功能微生物的数量及活性^[9]，能激发有机碳的分解，进而促进了土壤呼吸^[10].也有研究表明，生物炭稳定性较高，难以被土壤微生物降解利用，因此其还田后土壤微生物活性普遍较低，对土壤呼吸强度无显著影响^[11].而成功等^[12]研究发现添加16 t·hm^-2生物炭处理下土壤CO₂的年排放总量显著降低了14.4%.秸秆直接还田和秸秆炭化还田是目前主要的秸秆还田方式，而秸秆与生物炭还田后土壤温度和土壤水分的变化对土壤呼吸及土壤碳循环的影响尚不清楚.基于上述研究结果，本研究假设：农田土壤在秸秆及秸秆生物炭还田后，土壤水热因子也随之而变，因而土壤呼吸速率极有可能产生显著差异.生态系统土壤呼吸是当前国内外关于碳循环研究的热点，近年来，对土壤-植物系统中土壤呼吸的研究更多见于森林和草原生态系统^{[13, 14]}，且农田生态系统土壤呼吸作用的研究主要集中在耕作方式^[15]、施肥^[16]、灌溉^[17]等农田管理措施对土壤呼吸排放通量、时间变异性及其影响因素，而针对旱作油菜/玉米轮作生态系统，对比分析秸秆与生物炭还田对土壤呼吸组分特征的研究还鲜见报道.因此，开展秸秆与生物炭还田下典型旱地生态系统土壤呼吸作用变化机制及其影响因素的控制机制研究，对正确评价旱作农田生态系统的源/汇特征具有重要的科学理论意义和实践价值.

本研究拟通过田间原位连续监测油菜季和玉米季的土壤呼吸、温度及水分的变化，并采用根系排除法对土壤呼吸组分进行了分离，对比分析两种不同形式的秸秆还田下土壤呼吸速率的差异及其影响因素，通过揭示不同形式的秸秆还田下农田土壤总呼吸、土壤异养呼吸、根系呼吸贡献变化情况以及土壤水热因子对其响应特征，探求能减少碳排放的最佳秸秆还田方式，以期为秸秆资源化利用和提高农田生态系统固碳增汇潜力提供基础数据和科学依据.

试验地点设在重庆市北碚区“国家紫色土土壤肥力与肥料效益长期监测基地”(以下称长期定位点)，海拔266.3 m，年平均气温18.3℃.最高气温7月平均28.7℃，最低气温1月平均7.7℃，≥10℃积温6 006℃，年降雨量1 086.6 mm，年日照时数1 276.7 h，属于亚热带季风气候.试验土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土，中性紫色土亚类，灰棕紫泥土属，是重庆四川紫色土区分布最广的一种土壤.其基本理化性质为：有机碳含量9.98 g·kg^-1，碱解氮135.65 mg·kg^-1，速效磷17.38 mg·kg^-1，速效钾206.32 mg·kg^-1，pH为6.7.试验中所用生物炭由四川省久晟农业有限责任公司提供，以油菜秸秆为原料在500℃高温厌氧条件下热解2 h烧制，其碳含量为62.58%，C/N为45.52，pH为8.9.水稻秸秆的有机碳含量为412.50g·kg^-1，C/N为47.74，油菜秸秆的有机碳含量为392.05g·kg^-1，C/N为41.56.

试验以“等碳量”原则还入秸秆或生物炭，共设置5个处理(见表 1)，3次重复；采用随机区组排列在15个2 m×1 m能独立排灌的微区内，各个微区的水肥管理均相同.

表 1 (Table 1)

表 1 试验处理描述 Table 1 Treatment designing in the experiment

表 1 试验处理描述 Table 1 Treatment designing in the experiment

试验种植模式采用”油玉新两熟”制，本试验于2015年10月11日开始，2016年8月1日结束，各作物的氮、磷、钾、硼养分用量根据《中国主要作物施肥指南》来确定，各季作物栽培方式和田间管理措施按照当地习惯进行.其中油菜2015年10月11日育苗，2015年11月3日移栽，(96v44，密度8万株·hm^-2)，2016年4月19日收获.玉米于2016年4月9日育苗，4月20日移栽，玉米(中豪9号，密度4万株·hm^-2)，8月1日收获.各处理油菜施肥量相同，氮(N)、磷(P₂O₅)、钾(K₂O)肥和硼肥用量分别为150、90、90和15 kg·hm^-2.氮肥分基肥和薹肥两次施用(基肥占70%)，磷钾硼肥做基肥一次性施用.基肥和薹肥分别于2015年11月1日和2016年2月20日施用，施用方法为小雨前后撒施.玉米季各处理的氮(N)、磷(P₂O₅)、钾(K₂O)肥分别为180、60、90 kg·hm^-2，作为基肥在玉米移栽时施入.氮、磷、钾和硼肥品种分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P₂O₅ 12%)和硫酸钾(K₂O 51%)、硼砂(含B 12%).所有处理田间管理技术与当地农民习惯一样.

从油菜移栽(2015年11月)到玉米收获(2016年8月)，分别每7 d在上午09:00~12:00用土壤呼吸自动监测系统(ACE-002/OPZ/SC)测定土壤呼吸强度，遇到降雨时适当调节测定时间.为了减少对土壤表层的扰动，作物种植前安置好自制的PVC圈(直径为20cm，高8 cm)插入土壤3 cm左右，每个样点持续时间为10min，整个作物生长季，底座位置固定，仅在作物收获时挖出，待下茬作物播种后重新安置.为了区分土壤呼吸的组分比例，用根系排除法测定根呼吸，种植作物的处理上测定的土壤呼吸为土壤总呼吸R_t，为排除植物根系的影响在相应处理的裸地上测定的土壤呼吸为土壤异养呼吸R_s，利用作物地土壤呼吸R_t减去相应处理裸地土壤呼吸R_s，即得到各处理农田根系呼吸R_m.分别利用仪器自带的温度探针、土壤水分探针测定土壤温度、土壤水分，测定深度为5 cm.

土壤累积呼吸量估算：累积土壤呼吸(cumulative CO₂ emission)由测定的土壤呼吸速率进行估算.累积土壤呼吸公式为:

(1)

(2)

式中，D_i为测定当天CO₂排放量(g·m^-2)，R_si为测定当天土壤呼吸速率[μmol·(m²·s)^-1]，44为CO₂的摩尔质量(g·mol^-1)，3 600、24和10^-6均为换算系数，first、last分别表示第一次、最后一次土壤呼吸测定，(N_i+1-N_i)表示第i+1次测定与第i次测定之间间隔天数.根据油菜、玉米生育期天数，换算成不同作物季的土壤碳累积排放量.

经验指数方程用于描述土壤呼吸与土壤表层温度的关系:

(3)

式中，R_t为测定的土壤呼吸速率[以CO₂计，μmol·(m²·s)^-1]，T为表层5 cm土壤温度(℃)，a是温度为0℃的土壤呼吸，b为温度反应系数.

温度敏感系数：温度每升高10℃，土壤呼吸增加的倍数：

(4)

土壤呼吸速率与土壤湿度(W)之间的关系通过二次回归方程(5) 计算:

(5)

式中，W为土壤含水量体积分数(%)，a、b₁、b₂为方程拟合参数.

土壤呼吸速率与土壤温度和土壤水分之间的关系采用指数-幂函数模型拟合：

(6)

式中，T、W同上所述，a、b、c为方程拟合参数.

为检验土壤湿度与土壤温度对于土壤呼吸速率的叠加效应，将土壤温度、土壤含水量及其乘积作为独立变量引入到对数变换后的方程(7) 中，如下式所示:

(7)

式中，T、W同上所述，c₁、c₂、c₃、c₄为方程拟合参数.

采用SPSS 17.0和Excel 2003软件进行数据处理、绘图制表.所有的结果均用3次测定结果的平均值表示.不同处理之间的多重比较采用LSD最小显著差数法(P＜0.05).

秸秆与生物炭还田下各处理的5 cm土壤温度与大气温度变化规律相似[图 1(a)]，都具有明显的季节性变化，表现出明显的夏高冬低的趋势，但各处理之间差异性不显著(P＞0.05). 1~2月温度较低，其中在1月24日达到全年最小值5.7℃，夏季频繁的降雨加剧了大气温度的波动，最大值都出现在7月.观测期间大气温度变化幅度为5.9~37.3℃，其均值为20.1℃，5 cm土壤温度在4.6~29.4℃之间变化，其均值大小顺序都为：CSBC＞BC＞CSD≈CS＞CK处理，均值最大的CSBC处理为19.0℃，最小的CK处理为18.3℃，表明生物炭还田对土壤温度有“削高填低”效应，即生物炭还田不仅能提高土壤平均温度，还能降低土壤最高温度，减缓高温天气对作物生长的抑制，较少水分蒸发，提高土壤水分利用效率.

图 1

Fig. 1

图 1 秸秆与生物炭还田下土壤5 cm温度和土壤水分的变化 Fig. 1 Dynamics of soil temperature at 5 cm depth and soil moisture under straw and biochar returning

土壤含水量变化较为复杂，总体上玉米季含水量高于油菜季土壤含水量[图 1(b)].油菜季土壤含水量呈先不断上升后降低再升高的双峰曲线模式，在2016年1月24日降大雪之后土壤含水量达到第一个峰值，油菜角果期和成熟期达到油菜季最大值.玉米季土壤含水量受频繁的降雨和高温天气两者共同作用波动较大，在23.00%~36.34%之间变化，平均土壤含水量为27.89%，CSBC处理土壤含水量最高，其次为BC处理，CK处理最低，但处理之间差异不显著.

秸秆与生物炭还田下各处理的土壤总呼吸速率和异养呼吸速率有着相似的时间变化过程，总体上，油菜季偏低，玉米季较高(图 2).土壤呼吸速率的变化趋势与5 cm土壤温度基本一致，土壤总呼吸速率和异养呼吸速率最小值均是出现在冬季1月，最大值为5月或7月.秸秆和生物炭还田对土壤呼吸速率曲线及峰值有显著的影响，其中CK和BC处理呈单峰型，最高峰出现在玉米灌浆期2016年7月11日，而CS、CSD和CSBC处理大致表现为双峰型变化，最高峰出现在玉米移栽后一周2016年4月25日，次高峰出现在玉米灌浆期.

图 2

Fig. 2

图 2 秸秆与生物炭还田下土壤总呼吸和异养呼吸动态变化 Fig. 2 Dynamics of soil total respiration and soil heterotrophic respiration under straw and biochar returning

冬季土壤温度低和太阳辐射弱，根系呼吸作用较小，因此油菜苗期土壤总呼吸和异养呼吸间无显著差异.油菜开花期，气温回升，植物生长迅速，根系呼吸作用增强，土壤总呼吸与异养呼吸间存在较大的差异，荚果期差异最大，随后根系活力下降，土壤总呼吸与异养呼吸间差异消失.玉米移栽后，玉米根系小，根系呼吸贡献小，拔节期玉米快速生长，土壤总呼吸与异养呼吸间出现明显差异，玉米抽雄期至玉米吐丝期，适宜的温度，充沛的降雨，充足的阳光促进了作物生长和光合作用造成了土壤总呼吸与异养呼吸间的最大差异，而玉米成熟期，植物根系活力降低，频繁的暴雨与高温天气使土壤干湿交替进而影响土壤养分的供给与微生物活性，因此，土壤总呼吸与异养呼吸间差异波动较大，但差异小于玉米灌浆期.

在两个作物季，CK和BC处理土壤呼吸变化基本一致，CS、CSD和CSBC处理间相似，且CK和BC处理的土壤呼吸(除成熟期外)始终小于CS、CSD和CSBC处理，方差分析表明，CS、CSD、CSBC处理与CK、BC处理间的土壤总呼吸速率和异养呼吸速率存在显著性差异(P＜0.05).

秸秆与生物炭显著影响土壤总呼吸和异养呼吸(表 2).整个油菜季，CS和CSD处理的土壤呼吸速率与异养呼吸速率波动范围大于CK处理，BC和CSBC处理与CK处理无显著差异.土壤总呼吸速率均值和土壤异养呼吸速率均值顺序都为：CS＞CSD＞CSBC＞CK＞BC处理，较之CK处理，CS、CSD、CSBC处理的土壤总呼吸速率分别提高了86.89%、53.38%、31.15%，而BC处理降低了31.14%. CS、CSD、CSBC处理显著增加了油菜季土壤总呼吸碳排放和土壤异养呼吸碳排放量(P＜0.05)，其中以CS处理碳排放量最高，较之CK处理分别提高了45.94%和80.46%，而BC处理显著降低了25.37%和35.22%(P＜0.05).各处理根系呼吸对土壤总呼吸的贡献顺序为CSBC＞CSD＞CS＞BC＞CK处理, 各处理均提高了根系呼吸对土壤总呼吸的贡献，贡献最高的CSBC处理提高了32.52%，说明秸秆+生物炭还田最有利油菜根系的生长.

表 2 (Table 2)

表 2 秸秆与生物炭还田下根系呼吸对土壤呼吸的贡献1) Table 2 Contribution of root respiration to soil respiration under straw and biochar returning

表 2 秸秆与生物炭还田下根系呼吸对土壤呼吸的贡献1) Table 2 Contribution of root respiration to soil respiration under straw and biochar returning

整个玉米季，各处理土壤总呼吸速率和异养呼吸速率均高于对照，其中CSD处理最大，分别为5.39 μmol·(m²·s)^-1和3.97 μmol·(m²·s)^-1，显著高于CK处理20.96%、118.13%. CSD处理土壤总呼吸碳排放显著高于对照处理24.85%，CS、CSBC处理土壤总呼吸碳排放分别为20.50 t·hm^-2、20.33 t·hm^-2，较之CK处理无显著差异，BC处理土壤总呼吸碳排放最低，仅为12.61 t·hm^-2，比CK处理降低了27.49%.土壤异养呼吸碳排放特征与油菜季相似，大小顺序为：CSD＞CS＞CSBC＞CK＞BC处理.油菜季根系呼吸速率在0.03~0.83 μmol·(m²·s)^-1之间波动，其根系呼吸对土壤总呼吸的平均贡献为17.31%~22.94%，各处理之间的根系呼吸对土壤总呼吸的贡献不存在显著性差异.从表 2还可以看出，与对照相比，各处理显著降低了玉米季根系呼吸对土壤总呼吸的贡献(P＜0.05)，其根系呼吸对土壤总呼吸的平均贡献率在26.49%~32.86%之间变化，远远小于CK处理的53.65%，贡献率最高的CK处理是其它处理的1.63~2.02倍.

秸秆与生物炭还田显著影响土壤呼吸的组分特征，土壤总呼吸和土壤异养呼吸有显著地正相关关系(图 3，P＜0.05).根据相关曲线的斜率倒数可以粗略的估算土壤异养呼吸占土壤总呼吸的比例，该值越大土壤异养呼吸对土壤总呼吸的贡献越大，根系呼吸对土壤总呼吸的贡献越小.秸秆与生物炭还田提高了土壤异养呼吸对土壤总呼吸的贡献，以CS和CSD处理增加幅度最高，BC处理增加幅度最低，均显著高于对照，该现象表明向土壤中施入有机物料会增加土壤碳排放的风险. CK、CS、CSD、CSBC、BC处理的土壤异养呼吸分别能够解释土壤总呼吸变化的91.66%、86.50%、93.94%、93.07%、90.75%.

图 3

Fig. 3

图 3 秸秆与生物炭还田下土壤总呼吸和土壤异养呼吸的关系 Fig. 3 Correlation of soil total respiration and soil heterotrophic respiration under straw and biochar returning

土壤温度是影响土壤呼吸最重要的环境因子之一，采用指数模型拟合了土壤呼吸和5 cm土壤温度之间的关系，结果见图 4，各处理的土壤呼吸速率都随着土壤温度的升高而呈现增加的趋势，两者之间存在显著的指数相关性(P＜0.05). 5 cm土壤温度分别可以解释土壤呼吸变化的90%、82%、78%、94%、82%，从决定系数来看BC处理下土壤呼吸速率与5 cm土壤温度的相关性高于CK处理，而CK处理又高于CS、CSD、CSBC处理.从图 4还可以看出当土壤温度较小时，土壤呼吸速率变异较小，随着土壤温度升高，各处理间土壤呼吸速率差异增大，说明温度较高时可能会诱发如太阳有效辐射、植物生物量等其它因素对土壤呼吸影响，削弱土壤呼吸对水热因子的响应.研究中常用土壤呼吸温度敏感系数Q₁₀来表征土壤呼吸对土壤温度变化的响应程度，Q₁₀值越大表明土壤呼吸对土壤温度变化的响应越敏感. 图 5显示，秸秆与生物炭还田会显著影响土壤呼吸温度敏感性(P＜0.05)，CS、CSD、CSBC处理的Q₁₀分别为3.28、3.66、3.55，显著低于CK处理的4.47，与CK处理相比Q₁₀分别降低了26.62%、18.12%、20.58%；而BC处理较CK处理的Q₁₀增大了12.53%，研究表明生物炭还田尽管降低了土壤呼吸，但显著增加了土壤呼吸温度敏感性，当温度升高时，土壤呼吸速率倍增越大.

图 4

Fig. 4

图 4 秸秆与生物炭还田下土壤呼吸和5 cm土壤温度的关系 Fig. 4 Correlation of soil respiration and soil temperature at 5 cm under straw and biochar returning

图 5

Fig. 5

图 5 秸秆与生物炭还田下土壤呼吸的温度敏感系数Q10 Fig. 5 Temperature sensitivity index of soil respiration(Q10) under straw and biochar returning

分别利用二次模型和指数模型对土壤呼吸与土壤水分进行拟合，结果表明(表 3)，二次模型的拟合度R²在0.021~0.247，指数模型的拟合度R²在0.041~0.172；CS、CSD和CSBC处理的二次模型拟合度优于指数模型，CK和BC处理的指数模型拟合效果优于二次模型，但拟合效果较差(R²仅为0.102和0.041)，CK和BC处理的土壤呼吸与土壤水分之间不存在显著相关性(P分别为0.054、0.227)，而CS、CSD和CSBC处理的土壤呼吸与土壤水分之间存在显著相关性(P＜0.05) 且二次模型拟合效果较好.土壤水分对土壤呼吸的影响较为复杂，从目前研究结果来看未达成一致结论，当土壤水分过高或过低都会抑制土壤呼吸，因此理论上土壤呼吸受到抑制时相应有一个土壤水分响应阈值.结合抛物线形态可知，在整个观测期内，除BC处理外，其它处理的土壤呼吸速率均呈现随土壤水分含量增加而增加的趋势；当土壤水分含量超过31.30%时，BC处理的土壤呼吸强度则随着土壤水分含量的增加而降低.本研究表明，除BC处理外，土壤呼吸与土壤水分并无显著地相关关系，土壤水分仅从较小程度上影响土壤呼吸强度.

表 3 (Table 3)

表 3 秸秆与生物炭还田下土壤呼吸与水分的关系方程 Table 3 Relationship equations between soil respiration rate and soil moisture at 5cm depth under straw and biochar returning

表 3 秸秆与生物炭还田下土壤呼吸与水分的关系方程 Table 3 Relationship equations between soil respiration rate and soil moisture at 5cm depth under straw and biochar returning

由表 4可知，经对数变换后的方程lnR_t=c₁+c₂T+c₃W+c₄TW和指数-幂函数R_t=ae^bTW^c两种水热双因子模型均能较好地解释土壤呼吸变化，其中经对数变换后的方程能够更好地拟合试验结果.水热双因子能够解释土壤呼吸变化的0.786~0.935，且水热因子对土壤呼吸的影响程度均达到极显著水平(P＜0.01)，其中BC处理对水热因子的响应程度最高(R²=0.935)，其次是CK对照处理(R²=0.888)，CSD处理响应程度最低(R²=0.786)，与土壤温度单因子模型拟合结果相一致，水热双因子对土壤呼吸不存在协同作用，这与上述土壤水分仅很小程度影响土壤呼吸相一致，仅用土壤温度单因子指数函数可较好地模拟土壤呼吸速率的动态变化.

表 4 (Table 4)

表 4 秸秆与生物炭还田下土壤呼吸与温度、水分的复合模型参数 Table 4 Composite model parameters derived for the combined influence of soil temperature(T) and moisture(W) on the soil respiration under straw and biochar returning

表 4 秸秆与生物炭还田下土壤呼吸与温度、水分的复合模型参数 Table 4 Composite model parameters derived for the combined influence of soil temperature(T) and moisture(W) on the soil respiration under straw and biochar returning

在油菜生长季节内土壤呼吸速率呈现先降低后增加再降低的变化趋势；秸秆施入土壤显著影响了玉米季土壤呼吸变化趋势，其中秸秆还田、秸秆+速腐剂还田和秸秆+生物炭还田呈现双峰型变化趋势且首次峰值显著大于温度较高时的第二次峰值，对照和生物炭还田呈现单峰变化趋势.秸秆还田、秸秆+速腐剂还田和秸秆+生物炭还田向土壤中归还的秸秆在适宜的水热条件下腐解释放大量养分，改善了土壤养分状况，改变了土壤C/N比值，增加了土壤孔隙度，提高了微生物数量和活性，进而有利于作物生长和产生大量根系分泌物；因此，秸秆还田、秸秆+速腐剂还田和秸秆+生物炭还田均提高了土壤呼吸速率，其土壤呼吸速率显著高于对照达31.15%~86.89%，其中以秸秆还田提高的幅度最大，且随着秸秆还田的时间推移激发效应逐渐降低，这与胡发龙等^[18]和张晓雨等^[19]研究结果相似. Liu等^[20]研究结果显示生物炭还田对土壤呼吸作用无显著影响，且生物炭类型、还田量、土壤类型对土壤CO₂排放也均无显著影响，而本研究发现，生物炭还田能显著降低土壤呼吸速率，较对照处理降低幅度达31.14%，这与Liu等^[20]研究结果不一致，这可能是本研究生物炭还田量(5 t·hm^-2)远小于Liu等^[20]所采用的生物炭还田量(20 t·hm^-2和40 t·hm^-2)，随着生物炭还田量增大，土壤的通气状况和营养状况得到进一步改善，土壤呼吸也随着增强^[21]；另外，生物炭对土壤有机碳分解的负激发效应大小不仅与土壤和生物炭类型有关^[22]，而且还取决于土壤有机质及养分含量^[23].土壤呼吸与土壤pH密切相关，生物炭施入酸性土壤中能显著提高土壤呼吸速率，反之，中性和石灰性土壤中添加生物炭则会降低土壤呼吸速率^[24]，另外，生物炭主要由难以氧化分解和微生物利用的惰性芳香碳组成，生物炭输入可以改变土壤有机碳的组成比例，朝着“惰性化”方向发展，吸附包裹土壤养分、酶等活性物质，有效隔离微生物与有机碳的接触，强烈抑制被吸附有机质的可利用性^[9]；生物炭还会促进土壤团聚体形成，团聚体对有机碳的物理保护作用将会抑制有机碳的分解^[25]，生物炭输入可引起微生物活性、数量和群落结构与组成的改变，降低微生物代谢熵(qCO₂)^[26]，提高微生物对碳利用效率.因此本研究发现生物炭显著降低了土壤呼吸速率，这与文献[7, 27]的研究结果一致；生物炭施入土壤可能会有一个适应过程，所以关于生物炭还田对土壤排放的影响还需进一步更深入的试验验证.

研究土壤呼吸各组分对土壤总呼吸的贡献是定量评价农业生态系统碳循环和能量平衡的基础^[28]，只有了解土壤呼吸各组分占土壤呼吸的比例才能寻找合理的农田管理方式和经营模式提高农业生态系统固碳减排能力，充分发挥其碳汇功能.不同生态系统中，根系呼吸占土壤总呼吸的比例在10%~90%之间波动^[29]，可见根系呼吸变异较大.本研究结果显示，油菜季根系呼吸速率在0.03~0.83 μmol·(m²·s)^-1之间波动，其根系呼吸对土壤总呼吸的平均贡献率为17.31%~22.94%，这与徐志波等^[30]研究结果不一致.本研究采用裸地土壤呼吸作为土壤异养呼吸，裸地土壤不受作物根系生长影响，而徐志波等^[30]测定的油菜50 cm行间土壤异养呼吸可能会受到作物根系生长和凋落物分解的干扰，另外，徐志波等^[30]测定土壤呼吸次数较少，作物生长旺盛期的根系呼吸偏高将会导致油菜季根系呼吸对土壤呼吸的贡献被高估. Kuzyakov等^[31]采用¹⁴C示踪法测定的根呼吸占土壤呼吸比例在15%~60%之间变异，其均值为41%，比本研究采用的根系排除法测定的结果略高.玉米季根系呼吸速率在0.34~4.60 μmol·(m²·s)^-1之间波动，其根系呼吸对土壤总呼吸的平均贡献率在26.49%~53.65%之间变化，这一比例略高于任志杰等^[32]在不同管理措施下玉米根系对土壤呼吸的贡献上的研究结果(玉米根系呼吸对土壤总呼吸的贡献为23.70%~29.60%)，其中贡献率最高的对照CK处理是其它处理的1.63~2.02倍.蔡艳等^[3]采用根系排除法测定玉米根系呼吸占土壤呼吸的平均比例为46%，高于本研究结果，其原因在于盆栽试验得出的结果值通常较高^[15]，盆栽试验设置的根区周围是高密度的根系区，未考虑株间的土壤呼吸可能较小，这样高估了根区呼吸，最终导致根系呼吸占土壤呼吸比例高于本研究结果.有机物料腐解提高了土壤有机碳含量，供土壤微生物生长、繁殖利用的碳源充足，最终有利于微生物呼吸；而CK处理氮肥施入促进了作物地下部根茬及其分泌物输入，进而提高了根系呼吸^[16]；另外，CK处理的营养元素有效性低且不均衡，导致玉米根系旺长以拓展根系空间汲取更多的营养物质.因此，各处理的根系呼吸贡献显著低于对照.一般认为，植物根系在春季和夏季生长旺盛，故根系呼吸速率在此季节所占比例高.秋冬季温度下降，根系生长近乎停滞，相比土壤微生物，根系所受影响更大，因此土壤微生物呼吸在此季节中所占比例较高^[33]，根系呼吸对土壤呼吸贡献较低.根系呼吸作用主要依赖于植物光合产物对地下部分的分配^[34]，植被类型不同，其生产力产生差异，光合作用同化的碳素分配到根系自养呼吸的比例就不同^[35]，玉米季光合作用较强，根系生长旺盛，促进了根系呼吸作用，因此本研究中夏玉米的根系呼吸贡献高于油菜.

区分土壤呼吸组分的方法主要有根系生物量外推法、根系排除法、同位素示踪法，根系排除法因其操作简单、成本和破坏性小被广泛应用^[36]. Rochette等^[37]研究发现用同位素法和用根去除法测得的根系呼吸占土壤呼吸比例都在45%左右，没有明显差异.作物根系及其根系分泌物会改变土壤微生物群落结构和丰度，因此作物根系将会对土壤呼吸作用产生激发作用^[38]，而本研究裸地无作物根系，仅用根区土壤呼吸与裸地土壤呼吸差值来估算根系呼吸，因此本研究未考虑根系及根系分泌物对土壤呼吸的影响，这样估算根系呼吸对总土壤呼吸的贡献带来了一定的不确定性.另外，作物覆盖将会改变太阳辐射地面强度、土壤温度、土壤水分等环境因子，所以今后的研究尽量保证裸地与根区土壤的微环境一致，减少根系排除法估算土壤呼吸组分的误差.

土壤温度和土壤湿度是影响土壤呼吸的最重要环境因子，土壤呼吸的大部分变化可由土壤温度和湿度共同解释^[39].生物炭还田对土壤温度有“削高填低”效应，即当大气温度剧烈变化时，生物质还田能平缓土壤温度的变化，如减缓高温天气对作物生长的抑制，减少水分蒸发，提高土壤水分利用效率.秸秆与生物炭还田下各处理的5 cm土壤温度与土壤水分都具有明显的季节性变化，但处理之间差异性不显著(P＞0.05).究其原因:① 土壤温度、土壤湿度的影响因素具有多重性^[40]；② 夏季频繁的降雨使土壤经常处于干湿交替，加之作物生长覆盖的影响；这些因素会综合延缓土壤温度、土壤湿度变化.

温度一方面会改变底物的有效性、土壤酶与微生物活性以及生物化学反应速率；另一方面会影响植物的光合作用、根系的生长和光合同化碳的输入及周转，因此温度变化与植物根际呼吸和微生物呼吸密切相关.本研究结果表明，土壤呼吸速率都随着土壤温度的升高而呈现增加的趋势，土壤呼吸和5 cm土壤温度之间存在显著的指数相关性(P＜0.05). 5 cm土壤温度能够解释土壤呼吸变化的82%~94%，其中BC处理下土壤呼吸速率与5 cm土壤温度的相关性最好.本研究结果显示：各处理Q₁₀变化范围为3.28~5.03，与Zheng等^[41]测定的农田Q₁₀(1.28~4.75) 结果较为接近.与对照相比，秸秆还田、秸秆加速腐剂还田和秸秆与生物炭混合还田显著降低了Q₁₀，而生物炭还田显著增加了Q₁₀. Leifeld等^[42]认为新鲜有机质质量高，成分简单，转化周期短，Q₁₀较低；稳定有机质质量低，成分复杂，转化周期长，Q₁₀较高. Knorr等^[43]利用数学模型的方法也发现难分解组分的温度敏感性要高于易分解组分.秸秆中易分解有机物含量高，生物炭则主要以芳香族、烷烃的惰性碳为主，稳定性碳难以被矿化；因此，生物炭还田较秸秆还田提高了土壤呼吸温度敏感性.另外7月高温下生物炭还田土壤呼吸速率反而高于秸秆还田，这也印证了生物炭还田Q₁₀较高.

诸多研究指出，水分对土壤呼吸的影响具有复杂性与不确定性^[44].张丁辰等^[45]研究发现，土壤呼吸和水分之间在一定范围内呈良好的“U”型曲线关系，0~10cm土壤水分能够解释57%~76%的土壤呼吸季节变化.此外，还有研究表明土壤CO₂排放通量与土壤温度密切相关，而与土壤水分关系不明显^[46].本研究发现土壤水分仅从较小程度上影响土壤呼吸强度(R²为0.021~0.247)，CS、CSD和CSBC处理的土壤呼吸与土壤水分之间存在显著相关性(P＜0.05)，而CK和BC处理的土壤呼吸与土壤水分之间的相关性不显著.通过水热双因子模型(表 4)可以看出土壤水分对土壤呼吸影响较小，且土壤温度和水分不存在交互作用，仅用土壤温度单因子指数函数可较好地模拟土壤呼吸速率的动态变化.

(1) 秸秆与生物炭还田显著影响土壤呼吸季节性变化特征和峰值，秸秆还田、秸秆+速腐剂还田和秸秆+生物炭还田均促进了土壤呼吸和碳排放，但是却显著降低了土壤呼吸温度敏感性；生物炭还田降低了土壤呼吸和碳排放量，但是却显著提高了土壤呼吸温度敏感性.

(2) 土壤异养呼吸能够解释土壤总呼吸变化的86.50%~93.94%，各处理油菜季和玉米季根系呼吸贡献分别为17.31%~22.94%、26.49%~53.65%，秸秆与生物炭还田对油菜季根系呼吸贡献无显著影响，但显著降低了玉米季根系呼吸对土壤总呼吸的贡献.

(3) 秸秆与生物炭还田没有改变5 cm土壤温度和土壤水分.土壤呼吸速率的变化主要受5 cm土壤温度控制，与5 cm土壤温度呈显著指数关系，土壤水分仅从较小程度上影响土壤呼吸强度.水热双因子对土壤呼吸不存在协同作用，仅用土壤温度单因子指数函数可较好地模拟土壤呼吸速率的动态变化.