全 文 ：第 34 卷第 13 期
2014年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.13
Jul.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:中国科学院战略先导专项子课题 (XDA05050506);国家重点基础发展研究计划资助( 2012CB417101);国家自然科学基金项目
(40901134)
收稿日期:2012鄄11鄄14; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄02鄄25
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: bzhu@ imde.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201211141599
花可可,王小国,朱波.施肥方式对紫色土土壤异养呼吸的影响.生态学报,2014,34(13):3602鄄3611.
Hua K K,Wang X G,Zhu B.Impacts of fertilization regimes on soil heterotrophic respiration of purple soil.Acta Ecologica Sinica,2014,34(13):3602鄄3611.
施肥方式对紫色土土壤异养呼吸的影响
花可可1,2,3,王小国1,2,朱摇 波1,2,*
(1. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所,成都摇 610041;2. 中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室,成都摇 610041;
3. 中国科学院大学资源与环境学院,北京摇 100039)
摘要:采用静态暗箱鄄气相色谱法于 2010年 12月至 2011年 10月对不同施肥方式下的紫色土土壤呼吸进行了研究,以揭示施肥
方式对紫色土异养呼吸的影响。 结果表明:施肥可对土壤异养呼吸产生激发效应。 施肥后第 5天出现峰值,猪厩肥处理的异养
呼吸峰值为 2356.8 mg CO2m
-2h-1,显著高于秸秆配施氮磷钾(970.1 mgCO2m
-2h-1)和常规氮磷钾处理(406.8 mgCO2m
-2h-1)(P<
0.01);小麦季常规氮磷钾、猪厩肥和秸秆配施氮磷钾处理的平均土壤异养呼吸速率为 212.9、285.8 和 305.8 mgCO2m
-2h-1,CO2
排放量为 255.1、342.3和 369.5 gC / m2,玉米季为 408.2、642.8和 446.4 mgCO2m
-2h-1,CO2排放量为 344.7、542.8和 376.9 gC / m2,
玉米季土壤异养呼吸平均速率及 CO2排放量均高于小麦季。 全年平均土壤异养呼吸速率分别为 310.6、446.3 和 377.4 mg CO2
m-2h-1,CO2排放总量分别为 599.8、885.1和 746.4 gC / m2。 猪厩肥对土壤异养呼吸速率和 CO2排放量的影响最大,秸秆配施氮
磷钾肥次之,氮磷钾肥最小,说明有机物料的投入是紫色土土壤异养呼吸速率的主要调控措施,低碳氮比的有机物料能促进土
壤异养呼吸和 CO2的排放。 猪厩肥和秸秆配施氮磷钾肥处理相应地表和地下 5 cm温度的 Q10值分别为 2.64、1.88和 2.77、1.99,
表明低碳氮比的有机物料还能增加土壤异养呼吸 Q10值,使土壤异养呼吸速率对温度的敏感性加强。
关键词:土壤异养呼吸;土壤温度;碳氮比;施肥方式;紫色土
Impacts of fertilization regimes on soil heterotrophic respiration of purple soil
HUA Keke1,2,3,WANG Xiaoguo1,2,ZHU Bo1,2,*
1 Institute of Maintain Hazards and Environment, Chinese Academy of Science, Chengdu 610041, China
2 Key Laboratory of Mountain Surface Process and Ecological Regulation, Chinese Academy of Science, Chengdu 610041, China
3 College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China
Abstract: Recent studies have shown that soil respiration is the critical importance in determining the carbon balance of
terrestrial ecosystems. Respiration from soils is comprised of both the heterotrophic respiration of microorganisms ( soil
bacteria, fungi, and fauna) and autotrophic respiration from roots and mycorrhizae. Precise assessment of these components
is important for calculating the carbon budgets of vegetation and the turnover rate of soil organic matter, as well as for
understanding sources and sinks of carbon in terrestrial ecosystems in the face of global climate change. Although soil
heterotrophic respirations have received considerable attention in recent decades, much less is known about the effects of
various natural or artificial factors such as temperature, precipitation or fertilization etc. on it. The field study was conducted
at a sloping cropland in Yanting Agro鄄ecological Station of Purple Soil, Chinese Academy of Science under Chinese
Ecosystem Research Network (CERN), situated at N31毅16毅, E105毅28忆, with the altitude of 400 to 600 meters in the
middle of Sichuan Basin, where a set of long鄄term research plots is located. Three plots were randomly assigned to one of the
following treatments: conventional chemical fertilizer (NPK), organic manure ( pig slurry, OM) and crop residue with
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chemical fertilizer (RSDNPK). Total nitrogen for each fertilization treatment was applied at the same rate with 130 and 150
kgN / hm2 for wheat and maize seasons, respectively. The results showed that soil heterotrophic respiration exhibited
pronounced seasonal variations that clearly reflected those of soil temperature, with minimum values in winter and maximum
values in summer. There was a pulse of soil heterotrophic respiration induced by fertilization at the 5th day after fertilization.
The peak rate for OM treatment was 2356.8 mgCO2m
-2h-1 and it was significantly higher than that for both RSDNPK and
NPK treatments (P<0.01). Meanwhile, the respiration rate and the annual cumulative CO2 emission in OM and RSDNPK
treatments were higher than those in NPK treatment. During wheat growing season, average respiration rate for NPK, OM
and RSDNPK treatments were 212.9, 285.8 and 305.8 mgCO2m
-2h-1, respectively, which were all lower than that in maize
growing season. The cumulative soil CO2emissions from NPK, OM and RSDNPK were 255.1, 342.3 and 369.5 gC / m
2 for
wheat season, and 344.7, 542.8 and 376.9 gC / m2 for maize season, while 599.8, 885.1 and 746.4 gCm-2 for the whole
year, respectively. The results implied that lower C / N ratio organic material was the primary driving force for increasing soil
heterotrophic rate and cumulative soil CO2 emissions. The values of temperature sensitivity (Q10 ) for soil heterotrophic
respiration in wheat season and maize season were also measured. The results showed that Q10 values in wheat season always
higher than that in maize season at all plots. During the whole experiment time, the magnitudes of Q10 both followed the
order of OM > NPK > RSDNPK, which was clearly reflected that Q10 was sensitive to lower C / N organic materials. Q10
values obtained from soil temperature at soil surface (0 cm) and soil 5 cm depth in OM and RSDNPK were 2.64, 2.77 and
1.88, 1. 99, respectively. It indicated that the Q10 values for soil heterotrophic respiration rates were higher at lower
temperatures and lower at higher temperature.
Key Words: soil heterotrophic respiration; soil temperature; C / N ratio; fertilizer; purple soil
摇 摇 土壤呼吸是土壤碳库向大气输入碳的主要途
径,其变化将显著改变大气二氧化碳浓度和土壤有
机碳的累积速率[1鄄2],土壤呼吸排放速率的高低及动
态过程是反映土壤有机碳分解快慢的重要指标[3]。
农田土壤碳库不仅是全球碳库的一个重要组成部
分,而且是其中最活跃的部分,特别是在人类耕种、
施肥、灌溉等管理活动影响下,农田生态系统土壤碳
库在较短的时间尺度上受到强烈的人为干扰[4]。 因
此,阐明农田土壤呼吸特征及影响因素对于评价土
壤碳收支及缓解全球气候变化均具有重要的现实
意义。
土壤呼吸主要包括根系呼吸和微生物呼吸[5],
从土壤呼吸的生理机制来说,前者主要是自养呼吸,
后者为异养呼吸。 相关研究表明,根系呼吸不是土
壤本身有机碳的损失,在研究土壤有机碳的碳收支
平衡时必须将其从土壤总呼吸中扣除[6],而土壤异
养呼吸排放的二氧化碳是土壤有机碳的气态损失的
直接途径,其是评价土壤碳收支的关键环节。 目前,
国内外对土壤呼吸的研究较为活跃,研究范围涉及
林地、草地、湿地及农田[7鄄9],且多是以土壤鄄植物系
统为研究对象,而对土壤异养呼吸研究相对缺乏。
较多研究表明土壤温度、水分状况、土地利用变化及
施肥方式等均会对土壤呼吸造成重要影响[10鄄12]。
Ding等[12]通过河南封丘长期定位试验,研究了不同
施肥方式下土壤鄄植物系统的土壤呼吸过程,认为施
肥方式的改变对土壤呼吸的季节及年际变化均有显
著影响,施用有机肥可显著增加土壤呼吸年二氧化
碳释放总量,与常规施肥相比,增幅可达 16%,然而,
这些研究结论多是以土壤鄄植物为系统为研究对象,
未能对土壤异养呼吸变化规律及影响因素进行阐
述。 土壤温度、水分状况及施肥方式的改变除对根
系呼吸产生影响外,还会对土壤微生物活性造成一
定的影响,进而影响土壤异养呼吸[13鄄14]。 土壤温度、
水分状况等环境因子与土壤异养呼吸速率之间的相
互关系及施肥方式对土壤异养呼吸的影响仍需进一
步阐明。
紫色土作为长江中上游主要的耕作性土壤类型
之一,有机质含量低[15鄄16]。 土壤异养呼吸过程排放
的二氧化碳可能是土壤有机碳含量较低的一个重要
因素。 本文通过一年的定位试验,研究紫色土不同
施肥方式下土壤异养呼吸速率日、季节动态变化,并
探讨温度、湿度与土壤异养呼吸速率的相互作用关
3063摇 13期 摇 摇 摇 花可可摇 等:施肥方式对紫色土土壤异养呼吸的影响 摇
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系,旨在全面了解紫色土土壤异养呼吸的特征及影
响因素,以期为调控紫色土土壤有机碳气态支出过
程,增强土壤固碳能力提供理论参考。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区概况
试验点位于中国科学院盐亭紫色土农业生态试
验站内(105毅 27忆E,31毅16忆N)。 该站位于四川盆地中
北部的盐亭县林山乡,地处涪江支流弥江、湍江的分
水岭上。 属中亚热带湿润季风气候,年均气温 17.3
益,极端最高气温 42 益,极端最低气温-5.1 益,多年
平均降雨量 826 mm。 土壤为蓬莱镇组石灰性紫色
土,质地为中壤,田间持水量为 28.1%—37.8%,凋萎
系数为 5.4%—7.7%,土层厚度为 20—60 cm,土壤剖
面下层泥页岩透水较弱。
1.2摇 试验设计
试验小区海拔 420 m,坡向西北鄄东南,坡度
6郾 5毅,坡长 8 m,宽度为 4 m,面积为 32 m2,整个土层
厚度约为 60 cm,种植制度为冬小麦鄄夏玉米。 试验
共设置 3种施肥处理:常规氮磷钾肥(简称 NPK)、单
施猪厩肥 (简称 OM)、秸秆配施氮磷钾肥 (简称
RSDNPK),每种施肥处理分别设置 3 个重复。 小麦
季施氮肥总量 130 kg / hm2(以纯 N 计)、磷肥 90 kg
P 2O5 / hm2、钾肥 36 kg K2O / hm2;玉米季施氮肥 150
kg / hm2(以纯 N计)、磷肥和钾肥同小麦季。 各施肥
处理的施氮量(总氮)维持在同一水平,即小麦季
130 kg N / hm2,玉米季 150 kg N / hm2,全年共 280 kg
N / hm2。 施肥前,提前测定猪厩肥(新鲜猪粪)和当
季秸秆中全氮含量,并按纯氮总量进行换算。 其中
猪厩肥处理(OM)所需氮肥量全部来自于新鲜猪粪,
秸秆配施氮磷钾肥 ( RSDNPK)氮磷钾肥氮肥占
60%,秸秆占 40%。 施肥的方式采用基肥一次性于
播种前人工施入,耕作和施肥同步,耕作方式为人工
锄耕,深度为 20 cm。 冬小麦采取撒施的方式,夏玉
米为穴施,冬小麦施肥时间为 2010年 11月 30日,夏
玉米为 2011 年 6 月 9 日。 氮磷钾肥氮肥为碳酸氢
铵,磷肥为过磷酸钙,钾肥为氯化钾。 小麦和玉米季
各处理施肥设计方案见表 1。
表 1摇 施肥处理的肥料类型与用肥量
Table 1摇 Fertilization types and application rates of pig slurry, crop residue and mineral fertilizers
生长季
Growing season
处理
Regime
猪厩肥 / (T / hm2)
Pig slurry
秸秆 / (T / hm2)
Crop residue
化肥 Mineral fertilizer / (kg / hm2)
N P2O5 K2O
小麦 Wheat NPK 冥 冥 130 90 36
OM 81 冥 冥 冥 冥
RSDNPK 冥 7 78 90 36
玉米 Maize NPK 冥 冥 150 90 36
OM 83 冥 冥 冥 冥
RSDNPK 冥 10 90 90 36
摇 摇 NPK:氮磷钾肥;OM:猪厩肥(新鲜猪粪,碳氮比 C / N 值为 15);RSDNPK:秸秆配施氮磷钾肥;小麦季和玉米季新鲜猪粪全氮含量分别为
0郾 16%和 0.18%;小麦和玉米秸秆 C / N值分别为 32颐1和 45颐1
摇 摇 于 2010 年 9 月 17 日玉米收获后采集各处理
0—20 cm表层土壤样品用于测试基本理化性质(表
2),测定参考土壤农业化学分析方法[17]。 土壤有机
碳重铬酸钾容量法;土壤全氮采用凯氏定氮法;土壤
全磷采用酸溶鄄钼锑抗比色法;土壤硝态氮紫外可见
分光光度双波长法;pH电位法、容重环刀法、土壤机
械组成采用吸管法。
表 2摇 各施肥处理试验小区 0—20 cm 土壤基本理化性质
Table 2摇 Physicochemical properties of the experimental soil under different fertilizer regimes at 0—20cm soil depth
处理
Regime
有机碳
Soil
organic C
/ (g / kg)
全氮 Total N
/ (g / kg)
全磷
Total P
/ (g / kg)
硝态氮
NO-3 鄄N
/ (mg / kg)
pH(水土比
Water soil
ratio 2.5 颐1)
容重
Soil bulk
/ (g / cm3)
砂粒
Sand / %
粉粒
Slit / %
粘粒
Clay / %
NPK 7.54 0.56 1.05 3.5 8.2 1.30 31.6 29.6 38.8
OM 10.21 0.86 0.69 6.5 8.1 1.31 26.1 42.7 31.2
RSDNPK 10.89 0.79 0.98 4.8 8.1 1.26 36.2 38.4 25.4
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1.3摇 土壤异养呼吸速率测定
土壤异养呼吸速率测定采用根去除法[18鄄19],其
排放速率测定采用静态暗箱鄄气相色谱法[12,20]。 用
于静态箱采样底座布置于试验小区中植株之间的空
地上,布置采样底座以前,手工剔除杂草和植物地上
部分和根系,同时为避免采样时对样地的踩踏,搭载
木制栈桥。 底座夯入土壤深度为 20 cm,并用附近土
壤将底座四周小心围起,使其与整个田面相平。 为
消除底座周围植物的根系干扰,底座无孔,确保无植
物根系进入采样区,此外底座四周各留 50 cm 的保
护行,并定期去除保护行及底座内杂草。 底座大小
为 50 cm 伊 50 cm伊 20 cm(长伊宽伊高),材料为不锈
钢。 种植时各底座内单独施肥,不播撒种子,施肥比
例与试验小区相同;气体采样顶箱的大小为 50 cm伊
50 cm伊 50 cm(长伊宽伊高),采样箱内装 2 个轴流混
气扇、1个采样管和 1 个温度探头,实验设置 3 个重
复。 观测时间为 2010年 12月至 2011年 10月,观测
频率为每周 1—2次,为减少土壤异养呼吸日变化差
异的影响,观测时间固定在每天 9:00—11:00 进行,
气体采集时间间隔为 7 min,共采集 4 个样品[12,21]。
采集的气样保存在 50 mL 医用注射器内,并放入整
理箱,避光保存,24h 内分析完成。 气体 CO2 浓度分
析用安捷伦 7890气相色谱仪(GC)FID检测器进行,
高纯氮(99.9999%)做载气,通过标准气体和待测气
体的峰面积来计算待测气体中 CO2 的浓度,土壤异
养呼吸 CO2排放速率用单位时间单位面积观测箱内
该气体质量的变化,计算公式如下:
F = 1.2
伊 10 -4 伊 P 伊 H
273.15 + t
伊 dc
dt
式中, F为土壤异养呼吸速率(mgCO2m
-2h-1); P 为
采样点气压(bar); H为采样箱的高度(cm),本文为
50 cm;t为每次采样 21 min 内箱内温度的平均值;
dc
dt
为箱内 CO2气体浓度的变化速率。
1.4摇 环境因子测定
在采集气体的同时,同步测定地表(0—10 cm)
体积含水量、地表及地下 5 cm 处土壤温度。 土壤体
积含水量用便携式测墒计(MPKit鄄B,杭州托普仪器
有限公司) 测定,土壤温度使用便携式温度计
(JM624 Digital Thermometer公司)测定,并用盒式气
压计读取当日气压并记录天气状况,采样日降雨量
数据从中科院盐亭紫色土农业生态试验站人工气象
站降雨观测平台获取,观测仪器为虹吸式雨量计。
1.5摇 数据处理与计算
土壤中水分含量用总孔隙含水率 (water鄄filled
pore space,WFPS)表示:
WFPS = SWM
1 - (BD / PD)
式中,SWM为土壤体积含水率(%);BD 为土壤容重
(g / cm3);PD为土壤密度,取 2.65 g / cm3;采用 Rs =
aebT(a,b为常数,T 为土壤温度)拟合土壤温度和土
壤异养呼吸速率的关系,土壤呼吸温度敏感性参数
用 Q10表示(Q10 = e10 b)。 采用一元线性回归方程拟合
土壤湿度和土壤异养呼吸速率的相关关系。 土壤温
度、土壤湿度、土壤异养呼吸速率日变化、季节性变
化以及平均呼吸速率均在 Sigmaplot10.0 下绘制,单
因素方差分析及相关性分析均在 SPSS17.0 下进行,
多重比较采用 LSD法。
2摇 结果与分析
2.1摇 试验土壤环境因子的季节变化
土壤湿度和温度季节变化如图 1 所示。 图 1 中
各处理土壤湿度(WFPS)变化趋势基本相似,其中从
2011年 8月 5日至 2011 年 9 月 3 日土壤湿度有大
幅度下降,主要是由于该时段内无降雨造成的长期
干旱,而后随着降雨的补给土壤湿度逐渐上升。
NPK、OM、RSDNPK 处理土壤湿度平均值分别为
52郾 2%、50.6%和 53.7%,三者之间无显著性差异(P>
0郾 05)。 地表和地下 5 cm土壤温度变化趋势基本相
同,总体为冬季温度低,春季温度缓慢回升至夏季达
到最大(图 1)。 地表及地下 5 cm 土壤温度 11 月份
最低,7 月份达到最高。 NPK、OM、RSDNPK 处理地
表及地下 5 cm 平均温度分别为 20.3、19.2、19.9 和
19.5、19.1、19.9 益,地表温度稍高于地下 5 cm温度。
方差分析表明,3 种处理地表和地下 5 cm 温度平均
值均无显著性差异(P>0郾 05)。
2.2摇 土壤异养呼吸日变化
图 2列举了 2011年 7 月 23—24 日和 9 月 11—
12日土壤异养呼吸的两次日变化过程特征(24 h)。
各处理呼吸速率日变化过程基本相似。 最大值出现
在 13:00,最低值为 05:00。 7月 23—24日 NPK、OM
和 RSDNPK处理土壤异养呼吸速率平均值分别为
5063摇 13期 摇 摇 摇 花可可摇 等:施肥方式对紫色土土壤异养呼吸的影响 摇
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520.1、736.6和 689.0 mgCO2 / m2,09:00—11:00 呼吸
速率平均值为 528.6、792.9 和 678.6 mgCO2 / m2(图
2a、b)。 9月 11—12日 NPK、OM和 RSDNPK处理土
壤异养呼吸速率平均值达345 . 5 、461 . 8和420 . 4
图 1摇 土壤湿度、降雨量和土壤温度季节变化
Fig.1摇 Seasonal patterns of soil moisture, rainfall and soil temperature during the whole experiment period
NPK、OM、RSDNPK分别表示常规氮磷钾肥、单施猪厩肥和秸秆配施氮磷钾肥
图 2摇 土壤温度和土壤异养呼吸日变化
Fig.2摇 Diurnal variations of soil temperature and soil heterotrophic respiration rate under different fertilization regimes
NPK、OM、RSDNPK分别表示常规氮磷钾肥、单施猪厩肥和秸秆配施氮磷钾肥
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mgCO2 / m2,相应 09:00—11:00 呼吸速率平均值分
别为 456.9、467.8 和 376.9 mgCO2 / m2(图 2)。 可见
用 09:00—11:00 时段内土壤异养呼吸速率的测定
值来代表全天的土壤异养呼吸速率的平均值是可行
的,这与韩广轩等[22]对该地区的日变化研究结果
相似。
2.3摇 土壤异养呼吸季节变化
土壤异养呼吸速率的季节性变化趋势基本与土
壤温度同步,冬季呼吸速率低,春季缓慢抬升至夏季
达到最大(图 3)。 施肥后第 5 天(2011 年 6 月 14
日)土壤异养呼吸速率达到峰值,其中 OM 处理在施
肥后第 5天土壤异养呼吸速率峰值为 2356.8 mgCO2
m-2h-1,其呼吸速率峰值显著高于 RSDNPK 和 NPK
(P<0.01);小麦季,NPK、OM 和 RSDNPK 处理土壤
异养呼吸速率平均值分别为 212.9、285.8 和 305.8
mgCO2m
-2h-1,OM和 RSDNPK处理均显著高于 NPK
处理(P<0.05),OM 和 RSDNPK 处理之间无显著差
异。 玉米季 NPK、OM 和 RSDNPK 处理呼吸速率平
均值分别为 408.2、642.8 和 446.4 mgCO2m
-2h-1。 全
年,3 种施肥处理呼吸速率平均值以 OM 最大,
RSDNPK次之,NPK最小,呈现突出的 OM>RSDNPK
>NPK特征(P<0.01)。
图 3摇 土壤异养呼吸速率季节变化
Fig. 3 摇 Seasonal variation of soil heterotrophic respiration
during the whole experiment period
NPK、OM、RSDNPK分别表示常规氮磷钾肥、单施猪厩肥和秸秆
配施氮磷钾肥
通过对小麦季(2010年 11 月 30 日至 2011 年 5
月 31,共计 18d)和玉米季(2011 年 6 月 9 日至 2011
年 10月 15 日,共计 129d)内各处理土壤异养呼吸
CO2排放量计算可知(图 4),NPK、OM 和 RSDNPK 3
种施肥处理小麦季土壤异养呼吸 CO2排放量为
255郾 1、 342. 3 和 369. 5 gC / m2,玉米季为 344郾 7、
542郾 8、376郾 9 gC / m2,玉米季高于小麦季。 全年 CO2
排放总量分别为 599. 8、885. 1 和 746. 4 gC / m2,与
NPK处理相比,全年 OM 和 RSDNPK 处理 CO2排放
总量分别增加了 47.6%和 24.4%。 由以上分析可归
纳出,施用猪厩肥和秸秆配施氮磷钾肥均可增加土
壤异养呼吸速率和 CO2排放量,其中以猪厩肥这种
施肥管理模式最为突出。
图 4摇 平均土壤异养呼吸速率
Fig. 4 摇 Average soil heterotrophic respiration rate under
different fertilization regimes during the whole growing seasons
NPK、OM、RSDNPK分别表示常规氮磷钾肥、单施猪厩肥和秸秆
配施氮磷钾肥;不同大写字母不同施肥处理差异性显著;不同小
写字母表示不同生长期内差异性显著;检验水平为 P<0.05;误
差线为 3个重复的标准偏差
2.4摇 土壤温度和湿度对土壤异养呼吸的影响
目前研究者多使用 Q10来描述土壤呼吸与温度
之间的关系,Q10指温度每升高 10 益土壤呼吸速率
增加的倍数,表示一个生态系统类型土壤呼吸作用
对温度的敏感性。 本文土壤温度与土壤异养呼吸速
率的相关性及 Q10统计结果如表 3所示。 3种施肥处
理小麦季 Q10值均大于玉米季,全年地表和地下 5 cm
温度 OM处理土壤异养呼吸 Q10值最高,分别为 2.64
和 2.77,RSDNPK处理最低,Q10值为 1.88 和 1.99,可
见施用猪厩肥有使土壤异养呼吸敏感性增加的趋
势。 采用一元线性回归方程拟合土壤湿度对土壤异
养呼吸速率的相互关系,结果表明各处理土壤湿度
对土壤异养呼吸速率均无显著影响(P>0.05)。
7063摇 13期 摇 摇 摇 花可可摇 等:施肥方式对紫色土土壤异养呼吸的影响 摇
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表 3摇 土壤异养呼吸速率与土壤温度、土壤湿度的相关性及温度敏感性系数 Q10
Table 3摇 Relationships between soil heterotrophic respiration rate and soil temperature (T) measured 0 and 5 cm depths, soil moisture and the
rate of soil respiration for each 10益 increase in soil temperature (Q10)
处理
Regime
生长季
Growing
season
参数
Parameter a b
拟合方程
Model
相关系数
R2
P Q10
NPK 小麦 地表 33.698 0.116 RS = 33.698e0.116T 0.856** 0.000 3.19
地下 5 cm 38.893 0.117 RS = 38.893e0.117T 0.692** 0.000 3.22
WFPS 冥 冥 冥 0.057 0.41 冥
玉米 地表 49.787 0.076 RS = 49.787e0.076T 0.321** 0.011 2.14
地下 5 cm 45.502 0.081 RS = 45.502e0.081T 0.344** 0.008 2.25
WFPS 冥 冥 冥 0.003 0.79 冥
全年 地表 55.251 0.078 RS = 55.251e0.078T 0.596** 0.000 2.18
地下 5 cm 46.385 0.083 RS = 46.385e0.083T 0.685** 0.000 2.29
WFPS 冥 冥 冥 0.012 0.55 冥
OM 小麦 地表 40.94 0.131 RS = 40.940e0.131T 0.80** 0.000 3.71
地下 5 cm 38.141 0.134 RS = 38.141e0.134T 0.81** 0.000 3.82
WFPS 冥 冥 冥 0.003 0.85 冥
玉米 地表 140.282 0.058 RS = 140.82e0.058T 0.158* 0.042 1.79
地下 5 cm 118.571 0.066 RS = 118.571e0.066T 0.192* 0.048 1.93
WFPS 冥 冥 冥 0.000 0.95 冥
全年 地表 58.081 0.097 RS = 58.081e0.097T 0.680** 0.000 2.64
地下 5 cm 53.319 0.102 RS = 53.319e0.102T 0.700** 0.000 2.77
WFPS 冥 冥 冥 0.004 0.75 冥
RSDNPK 小麦 地表 63.803 0.098 RS = 63.803e0.098T 0.783** 0.000 2.66
地下 5 cm 65.531 0.096 RS = 65.531e0.096T 0.800** 0.000 2.61
WFPS 冥 冥 冥 0.067 0.35 冥
玉米 地表 39.444 0.093 RS = 39.444e0.093T 0.282* 0.020 2.53
地下 5 cm 43.29 0.093 RS = 43.290e0.093T 0.283* 0.025 2.53
WFPS 冥 冥 冥 0.102 0.19 冥
全年 地表 91.481 0.063 RS = 91.481e0.063T 0.448** 0.000 1.88
地下 5 cm 81.262 0.069 RS = 81.262e0.069T 0.515** 0.000 1.99
WFPS 冥 冥 冥 0.084 0.09 冥
摇 摇 **表示 P<0.01;RS表示土壤异养呼吸速率,拟合方程为 RS =aebT;Q10 =e10b;WFPS=ax+b,x表示土壤异养呼吸速率
3摇 讨论
3.1摇 施肥方式对土壤异养呼吸速率的影响
肥料的施用对土壤异养呼吸速率的影响会因肥
料的总类、施肥量的不同而差异显著。 主要因施肥
会直接影响土壤的外源有机物的投入和土壤微生物
活性从而影响土壤异养呼吸速率[9,23]。 本研究中常
规氮磷钾肥处理的土壤异养呼吸速率显著低于猪厩
肥和秸秆配施氮磷钾肥,主要因常规氮磷钾肥处理
中土壤外源有机物输入量较少,加之紫色土自身有
机质含量相对较低,土壤微生物活性不高。 而在猪
厩肥和施入秸秆的施肥方式下,外源有机物料的施
入能显著提高土壤有机碳含量和土壤微生物活性,
进而增加土壤有机碳的矿化分解能力[24鄄25],提高土
壤异养呼吸速率。 同时,猪厩肥处理的土壤异养呼
吸速率显著高于秸秆配施氮磷钾肥处理,这主要与
外源有机物料的碳氮比(C / N)值有关。 研究表明,
低 C / N值的有机物料更能促进土壤微生物活性而加
快土壤有机碳周转[26]。 本研究的猪厩肥为新鲜的
猪粪,其 C / N值为 15颐1(表 1 注释),C / N值较低,加
之新鲜猪粪本身带入一定数量的鲜活微生物和
酶[27],而小麦和玉米的秸秆 C / N 分别为 32 颐 1 和
45 颐1,比值相对较高,不易被微生物迅速分解利用,
土壤微生物数量组成相对稳定,从而使得猪厩肥土
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壤异养呼吸速率显著高于秸秆配施氮磷钾肥。 总
之,施肥方式能明显改变土壤异养呼吸速率,以猪厩
肥最大,秸秆配施氮磷钾肥次之,氮磷钾肥最小,说
明有机物料投入是紫色土土壤异养呼吸速率的主要
调控措施,在等氮量的施肥条件下,低碳氮比的有机
物料明显促进土壤异养呼吸。 但由于农田土壤对碳
吸存的贡献大小是土壤碳源汇平衡的结果,猪厩肥
和秸秆配施氮磷钾施肥方式是否因促进土壤异养呼
吸反而不利于大气二氧化碳的吸存,还有待于进一
步研究。
3.2摇 施肥方式对土壤呼吸温度敏感性参数 Q10值的
影响
各施肥处理小麦季的土壤异养呼吸 Q10高于玉
米季,说明土壤异养呼吸 Q10值存在一定的时间变异
性,并随季节而改变[28鄄30],主要因小麦季土壤温度低
且变化大,土壤异养呼吸对温度的变化较为敏感,而
夏玉米季土壤温度相对较高,土壤异养呼吸速率对
温度的响应相对迟缓。 在其它环境因子不受限制的
条件下, 土壤呼吸 Q10 值随温度升高而降低。
Kirschbaum等[31]认为 Q10值在低温下较高,而在高
温下较低。 Chen和 Tian[32]通过对寒温带、温带和热
带、亚热带的土壤呼吸研究发现,土壤呼吸 Q10值随
着土壤温度的升高而降低。 长期施用猪厩肥处理的
地表和地下土壤异养呼吸 Q10值分别为 2.64和 2.77,
均高于秸秆配施氮磷钾肥(1.88和 1.99)。 相关研究
表明土壤中底物的有效性对土壤微生物呼吸的限制
作用是影响土壤异养呼吸 Q10值的另一重要因
素[33鄄34],土壤底物的有效性增强,土壤呼吸对温度的
敏感性会升高[35]。 长期施用猪厩肥尤其是新鲜的
猪粪,能够显著增加土壤中可溶性有机碳氮和微生
物量碳氮的数量[36鄄37],加之猪厩肥本身 C / N 值较
低,极易被土壤微生物利用从而为微生物的呼吸作
用提供了大量的有效活性底物,因此,施用猪厩肥处
理土壤异养呼吸 Q10值高于秸秆配施氮磷钾肥,也进
一步说明 C / N 值低的有机物料能够提高土壤呼吸
Q10值,使土壤异养呼吸对温度的敏感性加强。
4摇 结论
有机物料的投入是紫色土土壤异养呼吸速率的
主要调控措施,低碳氮比的有机物料更能促进土壤
异养呼吸速率和 CO2排放量。 土壤异养呼吸 Q10值
受季节和有机物料碳氮比的双重影响。 小麦季土壤
异养呼吸 Q10值大于玉米季,施用猪厩肥土壤异养呼
吸 Q10值高于秸秆配施氮磷钾肥,说明碳氮比值低的
有机物料还能够提高土壤异养呼吸 Q10值,使呼吸速
率对温度的敏感性加强。
致谢: 华中农业大学胡荣桂教授和美国 New
Hampshire大学李长生教授对写作给予帮助,特此
致谢。
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