全 文 ：第 25 卷第 11 期
2005 年 11 月
生　　态　　学　　报
A CTA ECOLO G ICA S IN ICA
V o l. 25,N o. 11
N ov. , 2005
秸秆还田和施氮对农田土壤呼吸的影响
张庆忠, 吴文良3 , 王明新, 周中仁, 陈淑峰
(中国农业大学资源与环境学院, 北京　100094)
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (30270220)
收稿日期: 2005202224; 修订日期: 2005209208
作者简介: 张庆忠 (1974～ ) , 男, 山东郓城人, 博士生, 主要从事农业生态学和生物地球化学循环研究. E2m ail: eco logyouth@ sohu. com3 通讯作者A utho r fo r co rrespondence. E2m ail: w uw enl@cau. edu. cn
Foundation item: T he N ational N atural Science Foundation of Ch ina (N o. 30270220)
Rece ived date: 2005202224; Accepted date: 2005209208
Biography: ZHAN G Q ing2Zhong, Ph. D. candidate, m ain ly engaged in agro2eco logy and biogeochem ical cycling. E2m ail: eco logyouth@ sohu.
com
摘要: 2003 年 10 月至 2004 年 9 月期间在华北平原冬小麦2玉米轮作的高产粮区开展了土壤温度、秸秆还田和施氮对农田土壤
呼吸影响的研究。土壤类型是砂姜黑土。试验共设 6 个处理, 分别是N 1、N 1+ W、N 2+ W、N 3+ W N 1+ W + O 和N 2+ W + M ,
其中N 1、N 2 和N 3 表示 3 个施氮水平 (纯N 计, 下同) , 分别是 200 kg hm - 2、400 kg hm - 2和 600 kg hm - 2,W 表示小麦秸秆还
田,M 表示玉米秸秆的 1ö3 还田,O 表示施用有机肥 (每年施用鸡粪 30 m 3 hm - 2)。土壤呼吸采用碱液吸收法测定, 每个处理 6 次
重复, 结果表明: (1) 土壤呼吸季节动态明显, 夏季高冬季低, 土壤呼吸排放速率与 5cm 深度地温线性拟合最好 (R 2 = 0163～
0174, p < 01001) , 而与地表温度线性拟合最差。各处理土壤呼吸的年通量在 5650～ 7061 kg·hm - 2 (纯C 计, 下同) , 随着秸秆还
田量的增加, 土壤呼吸通量显著增加 (p = 0105) , 随着施氮量的增加土壤呼吸通量也增加, 但只有施氮量相差 400 kg hm - 2时,
土壤呼吸通量差异显著 (p = 0105) , 施用有机肥的处理土壤呼吸通量最高, 有机肥施用后 1～ 2 个月, 有机肥快速分解, 表现为高
的土壤呼吸通量。由土壤呼吸与 5cm 深度地温指数拟合方程求得的Q 10值在 1186～ 2126 之间。
关键词: 土壤温度; 秸秆还田; 氮肥; 土壤呼吸
文章编号: 100020933 (2005) 1122883205　中图分类号: Q 948, S15411　文献标识码: A
The effects of crop res idue am endm en t and N ra te on so il resp ira tion
ZHAN G Q ing2Zhong, W U W en2L iang3 , W AN G M ing2X in, ZHOU Zhong2R en, CH EN Shu2Feng　 (Colleg e
of R esou rces and E nv ironm en ta l S ciences, Ch ina A g ricu ltu ra l U niversity , B eij ing 100094, Ch ina ). A cta Ecolog ica S in ica , 2005, 25 (11) : 2883～
2887.
Abstract: T h is study w as conducted to exam ine the effects of N fert ilizat ion and am endm en ts of crop residue on so il resp irat ion
in a farm w ith w in ter w heat2m aize ro tat ion in the N o rth Ch ina P lain du ring O ct. 2003～ Sep t. 2004. Six treatm en ts included
N 1, N 1+ W , N 2+ W , N 3+ W , N 1+ W + O , and N 2+ W + M , w here N 1, N 2, and N 3 (Pure N , the sam e below ) w ere 200,
400, and 600 kg hm - 2 a- 1, respect ively; W w as the am endm en ts of w heat residue; M w as the am endm en ts of m aize residue;
and O w as 30 m 3 ch icken m anure hm - 2 a- 1. So il resp irat ion w as m easu red using alkali abso rp t ion m ethod w ith six rep licates fo r
each treatm en t.
So il resp irat ion had obvious seasonal varia t ion, w ith the h ighest flux in summ er and the low est flux in w in ter. So il
resp irat ion show ed po sit ive co rrela t ion w ith so il temperatu re at 5 cm dep th (R 2 = 0163～ 0174, p < 01001) w ith temperatu re
sensit ivity (Q 10) varying from 1186 to 2126. To tal annual so il resp irat ion w as ranged from 5650～ 7060 kg hm - 2 (pu re C, the
sam e b low ). Bo th m anure app licat ion and am endm en ts of crop residue had sign ifican tly po sit ive impacts on so il resp irat ion.
T here w as sign ifican t difference in annual so il resp irat ion under fert ilizat ion treatm en ts of 200 kg hm - 2 and 600 kg hm - 2.
How ever, so il resp irat ion under fert ilizat ion treatm en t of 400 kg hm - 2 show ed no difference w ith tho se under 200 kg hm - 2 o r
600 kg hm - 2. So il resp irat ion w as the h ighest in the N 1+ W + O treatm en t, and occu rred du ring 1～ 2 mon th s after m anure
app licat ion. O ur resu lts suggest that enhanced so il resp irat ion m ay offset the po ten tia l increm en t in so il o rgan ic carbon under
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m anure app licat ion and am endm en ts of crop residue.
Key words: so il temperatu re; crop residue am endm en t; n itrogen; so il resp irat ion
　　全球土气界面CO 2 的通量相当可观, 据估计高达 68～ 77 Pg a- 1, 是大气CO 22C 库的 10% , 因此, 即使土壤呼吸微小比例的
变化都会对大气中CO 2 的浓度产生重要影响[1 ]。土壤呼吸是土壤环境中生物学和生物化学综合作用的结果, 严格意义上讲是
指未受扰动土壤中产生CO 2 的所有代谢作用, 它包括 3 个生物学过程 (土壤有机质的分解和土壤微生物的呼吸、植物根系的呼
吸、和土壤动物的呼吸)和一个非生物学过程 (含碳矿物质的化学氧化作用) [2 ]。土壤呼吸是生态系统碳循环的一个重要组成部
分, 许多管理措施都会影响到土气界面的CO 2 通量, 进而影响全球大气CO 2 的浓度, 土壤CO 2 呼吸通量观测可为土壤管理对
土壤有机碳的影响提供早期估计[3 ]。
尽管目前已有华北平原单季[4, 5 ]或全年[6 ]农田土壤呼吸的报道, 但是农田生态系统作为陆地生态系统的一个重要组成部
分, 受人类活动的干扰最大, 因此, 为了精确计算我国农田土壤碳排放的清单, 仍然有必要对农田土壤呼吸动态进行深入研究。
本文即通过对华北平原高产农区冬小麦2玉米轮作农田生态系统土壤CO 2 排放的测定, 研究了农田土壤呼吸的动态规律以及
秸秆还田和施氮等管理措施对土壤呼吸的影响。
1　材料与方法
111　试验地概况
试验地位于山东省桓台县, 长期实行冬小麦2玉米轮作制度。该县境内气候温和, 四季分明, 光照充足, 霜期短, 属暖温带大
陆性季风气候。年平均气温 1118～ 1219℃, 多年平均降水量 600 mm 左右, 多集中在 6、7、8 三个月份, 无霜期为 189～ 207d, 平均
198d。土壤类型为砂姜黑土, 表层 0～ 20 cm 土壤基本理化性状见表 1。
表 1　试验地耕层土壤 (0～ 20 cm )理化性状
Table 1　Character istics of Top So il (0～ 20 cm ) in Exper imen ta l
F ield
SOM
(gökg) 全氮To tal N(gökg) 速效氮A vailab le N(m gökg) 速效磷A vailab le P(m gökg) 速效钾A vailab le K(m gökg) CaCO 3(gökg) pH (水土比 215∶1)
1413 0193 48 38 86 6318 81191. 2　试验设计本研究依据当地的实际生产管理情况布置大田试验, 共设 3 个施氮水平 (纯N 计, 下同) : 200 kg hm - 2 (N 1)、400 kghm - 2 (N 2)和 600 kg hm - 2 (N 3, 当地平均施氮水平) , 和 3 种秸秆还田方式: 秸秆不还田、小麦秸秆还田 (W , 当地最为普遍的秸秆利用方式)、和双还田 (W + M , 小麦秸秆的全部加玉米秸
秆的三分之一) , 并增加一个有机肥处理 (O , 鸡粪 30 m 3 hm - 2
·a- 1)。试验共 6 个处理: (1)N 1; (2)N 1+ W ; (3)N 2+ W ; (4)N 3+ W ; (5)N 1+ W + O ; (6)N 2+ W + M。
通过处理 (1)和 (2)的比较, 可以得到小麦秸秆还田对土壤呼吸和土壤有机碳的影响; 通过处理 (2) (3) (4) 之间的比较可以
得到在小麦秸秆还田的情况下, 施氮对土壤呼吸和土壤有机碳的影响; 处理 (3)和 (6)的比较可以得到还田量增加对土壤呼吸和
土壤有机碳的影响, 处理 (2)和 (5)比较可以得到施用有机肥对土壤呼吸的影响。
基肥为过磷酸钙和氯化钾, 于每年秋季冬小麦播种前施入, 施肥量分别为 P: 375 kg hm - 2和 K: 225 kg hm - 2。氮肥施用尿
素, 其施用方案是冬小麦和夏玉米各占其半, 施用总氮量的 1ö4 作为基肥, 小麦拔节期追肥 1ö4, 玉米季分两次追肥, 各追施
1ö4。
当地灌溉条件便利, 试验期间视干旱情况共灌溉 3 次, 每次灌水 750 m 3 hm - 2, 保持作物生长基本不受干旱的胁迫。
1. 3　土壤呼吸测定方法
试验从 2003 年 10 月开始到 2004 年 10 月结束, 视作物生长和天气情况对所有处理土壤呼吸进行同步监测, 测定方法为碱
液吸收法[7 ]。每个处理土壤呼吸的测定设 6 次重复。将内径 15 cm、高 25 cm 的 PV C 管一端插入土壤 5 cm , 每次放入盛有 20
m l、浓度为 1 mo lölN aOH 溶液的玻璃瓶一个, 瓶口直径 6 cm , 置于距地面约 2 cm 的托架之上, 然后密封 PV C 管的顶端, 24h 后
取出盛N aOH 溶液的玻璃瓶用标准盐酸滴定。该试验需要一个对照, 方法是将 6 个 PV C 管底端密封放置在田间, 测定时同样将
盛有碱液的玻璃瓶置于其中, 然后密封上端, 吸收 PV C 管原有空气中CO 2。根据如下公式计算CO 2 的排放速率:
C =
(V 1 - V 2) ×N × E
a
　　式中, C 为排放的C 或CO 2 的通量 (m g m - 2 d- 1) ; V 1 为中和对照处理中碱液所消耗的酸的体积 (m l) ; V 2 为中和土壤呼吸
处理中碱液所消耗的酸的体积 (m l) ; N 为盐酸的摩尔浓度; E 为重量转换系数; 用C 表示时 E = 6, 用CO 2 表示时 E = 22; a 为
PV C 管内圆的面积 (m 2)。
2　结果与分析
2. 1　农田土壤呼吸的季节动态与总量
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由图 1 可知土壤呼吸呈明显季节变化。总体趋势是夏季高冬季低, 最高值出现在 7 月 5 日 (10 月 1 日后 279d) , 超过 4100
g m - 2 d- 1, 最低值出现在 2003 年 11 月 22 日至次年 3 月 9 日期间, 土壤呼吸的通量在 0153～ 0178 g m - 2 d- 1, 相信随着温度的
进一步降低, 土壤呼吸还会随之降低。
　　在各个季节, 土壤呼吸的通量随温度变化也有波动。10 月末,N 1+ W + O 处理土壤呼吸通量在 210 g m - 2 d- 1以上, 其余各
处理土壤呼吸通量则在 018～ 114 g m - 2 d- 1之间。自 10 月末到封冻 (11 月 22 日)前, 随温度的降低土壤呼吸呈波动下降状态。
2004 年开春后, 气温回升很快, 3～ 4 月份的土壤呼吸通量也呈快速波动上升态势。到了 5 月份, 气温逐渐平稳, 土壤呼吸通量也
在 2150 g m - 2 d- 1左右徘徊。8 月 10 号以后气温回落, 土壤呼吸开始逐渐降低, 到了玉米收获时 (2004 年 9 月 17 日) , 土壤呼吸
已降到 1160 g m - 2 d- 1左右。
　　就土壤呼吸的总量来看, 在本试验的一个完整轮作年 (2003 年 10 月～ 2004 年 10 月) , 土壤呼吸的通量在 5650～ 7060 kg
hm - 2之间 (图 2)。各处理土壤呼吸通量的大小顺序是: N 1+ W + O > N 2+ W + M > N 3+ W > N 2+ W > N 1+ W > N 1。
图 1　试验期间土壤呼吸日通量与土壤温度
F ig. 1　T he relationsh ip betw een daily carbon diox ide flux and so il temperatures
图 2　各处理土壤呼吸的年通量
F ig. 2　T he annual C flux from each treatm ent
2. 2　土壤温度与作物根系对农田土壤呼吸的影响
各处理土壤呼吸速率和不同深度地温的线性拟合表明, 土
壤呼吸速率和 5 cm 深度地温拟合最好 (R 2 = 0163～ 0174, p <
01001) , 与 10 cm、15 cm 和 20 cm 地温的拟合也达到极显著水平
(p < 010001) , 土壤呼吸与地表温度拟合最差 (R 2= 0108～ 0124,
p = 01005～ 01114) , 顺序依次是 5 cm > 10 cm > 15 cm > 20 cm >
0 cm。同时, 我们发现呼吸与土壤温度的拟合在不同季节有不同
的表现, 换言之, 在有的季节两者的拟合程度与根据全年数据进
行的拟合结果可能会不一致。例如本试验中在 10 月份小麦播种
后到封冻前, 这一时期土壤呼吸与地表温度拟合程度最好, 而与 5 cm 深度地温拟合最差。土壤呼吸和不同深度土壤温度的拟合
程度可能也有季节变化, 推测出现这一现象的原因可能有: (1)水分状况对土壤呼吸的温度敏感性有一定的影响[8, 9 ] , 因此, 我们
推测土壤剖面上土壤含水量的季节变化可能是产生土壤呼吸与不同深度土壤温度的拟合程度随季节变化的原因之一; (2) 小麦
播种前的耕作和施肥可能使表层 0～ 5 cm 的土壤微生物量激增。
　　根据 5 cm 地温与土壤呼吸日通量作图, 通过指数回归得到土壤呼吸速率与温度的关系式 (图 3)。根据指数回归方程可以
求出 5～ 25℃范围内的Q 10值, 即温度增加 10℃土壤呼吸增加的倍数 (Q 10= R t+ 10öR t) [10 ] , 结果是N 1、N 1+ W、N 2+ W、N 3+ W、
N 1+ W + O 和N 2+ W + M 处理的Q 10值分别是 2102、2126、1186、2125、2121 和 2110。
588211 期 张庆忠　等: 秸秆还田和施氮对农田土壤呼吸的影响 　
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本试验中, 对比 2003 年 10 月末和 11 月初与 2004 年 4 月末 5 月初的土壤温度和土壤呼吸日通量, 发现 5～ 20 cm 土壤温度
较为接近, 而土壤呼吸通量却相差很大。在水分不成为限制因子的条件下, 土壤呼吸和土壤含水量不相关[3 ]。因此, 温度和水分
不是造成上述土壤呼吸差异的主要原因, 那么这种差异可能就是根呼吸的差异, 特别是 10 月末 11 月初, 冬小麦刚刚出苗不久,
根系的伸展还不够远, 测得的土壤呼吸中可能还不包括根系呼吸。因此, 根据这两个不同时期土壤呼吸的差值可以大致求出 4
月末 5 月初根系呼吸所占土壤呼吸的比例。由于前后两个时期有机肥分解释放CO 2 的量是不同的, 所以无法估计N 1+ W + O
处理根系呼吸所占的比例, 其余 5 个处理在 4 月末 5 月初根系呼吸占土壤呼吸的比例在 41%～ 65% 之间。当然, 由于秸秆分解
在不同时期释放的CO 2 也会不同, 因此, 这一数值只是近似的估计。
图 3　各处理土壤呼吸与 5 cm 深处地温关系
F ig. 3　Relationsh ip betw een so il resp irat ion rate and temperature at 5 cm
213　秸秆还田与施肥对农田土壤呼吸的影响
21311　秸秆还田对土壤呼吸的影响　就全年土壤呼吸的总量来看,N 1+ W 处理的土壤呼吸是 619117 kg hm - 2·a- 1, 显著高
于N 1 处理的 565017 kg hm - 2·a- 1,N 2+ W + M 处理的土壤呼吸 679516 kg hm - 2·a- 1也显著高于N 2+ W 处理的 625515 kg
hm - 2·a- 1。因此, 就全年来看秸秆还田对土壤呼吸有显著影响, 随着秸秆还田量的增加, 土壤呼吸的通量也增加。但是具体到
某一特定的阶段和处理, 结果可能会有所不同。例如, 在 2003 年 10 月小麦播种后到土壤封冻前的这段时间, 尽管差异不显著,
N 1 处理的土壤呼吸日通量总是高于N 1+ W 处理, 这可能是由于N 1+ W 处理在小麦播种前的旋耕使未分解的小麦秸秆残体
被均匀混入表层 18 cm 的土壤, 导致CöN 比变宽, 影响了微生物的呼吸作用。对于N 2+ W + M 处理来说, 由于施氮量较高, 不
存在CöN 比的问题, 所以全年几乎都是N 2+ W + M 处理的土壤呼吸通量高于N 2+ W 处理。
21312　施氮对农田土壤呼吸的影响　在小麦秸秆还田的条件下, 土壤呼吸随着施氮量的增加而增加 (图 2) ,N 1+ W、N 2+ W
和N 3+ W 处理全年土壤呼吸的通量分别为 619117、625515 kg hm - 2和 662115 kg hm - 2。当施氮量相差 200 kg hm - 2时, 土壤呼
吸通量的差异并不显著, 而当施氮量相差 400 kg hm - 2时, 土壤呼吸通量差异显著 (p = 0105)。
有机肥对土壤呼吸的影响是十分显著的, 特别是刚刚施入土壤不久, N 1+ W + O 处理的土壤呼吸日通量显著高于其它处
理 (p = 0105)。次年春季, 随着土壤温度逐渐升高, 土壤呼吸的通量也逐渐升高,N 1+ W + O 处理的土壤呼吸虽然仍然较高, 但
已不象刚施入到土壤后那样显著高于其它处理, 说明鸡粪中大部分易分解的物质在施入土壤后 1～ 2 个月内基本分解完毕了。
到了玉米季, 施用鸡粪处理的土壤呼吸和N 1+ W 处理的差异已经不显著了, 甚至在玉米季的 7 次采样中,N 1+ W + O 处理的
土壤呼吸有 3 次低于N 1+ W 处理。
就全年来看,N 1+ W + O 处理的土壤呼吸显著高于N 1、N 1+ W、N 2+ W 和N 3+ W 处理。N 1+ W + O 处理和N 1+ W 处理
相比, 前者比后者全年土壤呼吸总量高 14%。
3　讨论与结论
华北平原高产粮区农田土壤呼吸年通量大致在 5650～ 7060 kg hm - 2之间, 土壤呼吸排放的 C 大约是总净生物量 (N PP) C 的
48%～ 59%。本试验土壤呼吸的总量比其他一些研究的结果稍高一些[3, 6, 11～ 14 ], 这可能是由于试验地土壤中CaCO 3 含量很高的
缘故 (表 1)。朱培立等[15 ]的研究结果表明, 在秸秆还田量较高时, CaCO 3 含量高的地块中土壤有机质的分解速度快。
本试验 6 个处理中随着秸秆还田量的增加土壤呼吸年通量显著增加, 并且还田后随时间的推移增加效应逐渐变小。这是由
于秸秆分解会先经历一个快速分解的阶段, 然后是一个分解速度很慢的阶段, 因此, 秸秆还田量对土壤呼吸的影响主要在秸秆
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还田后不久的一段时间内表现出来。另外值得注意的是, 在施氮量低的情况下 (200 kg·hm - 2) , 如果大量秸秆还田, 在开始的
阶段反而抑制土壤呼吸, 原因可能是由于大量秸秆还田导致CöN 比太宽, 影响了微生物的活动。在施氮量高的条件下, 这种情
况就不会发生。因此, 在大量秸杆还田的条件下, 配施一定量的氮肥是必要的。
施氮量对土壤呼吸的影响不灵敏, 本试验中, 只有在施氮量相差 400 kg·hm - 2·a- 1时土壤呼吸年通量才有显著差异。这
与王立刚等[4 ]和陈述悦等[5 ]的结果一致。Jacin the 等[16 ]通过不施氮处理与施氮 244 kg·hm - 2·a- 1处理的土壤呼吸相比, 发现
施氮量对土壤呼吸没有显著影响, 其原因就是由于施氮量相差不够多造成的。
在使用碱液吸收法测定土壤呼吸的时候, 要反映不同管理措施对土壤呼吸的影响需要进行大批量的密集监测, 通过比较土
壤呼吸总量之间的差异获得, 一次或者少数几次土壤呼吸的比较难以真实反映不同管理措施对土壤呼吸的影响。本试验中, 即
使在施氮量相差 400 kg·hm - 2·a- 1的情况下, 在 35 次采样中,N 1+ W 处理和N 3+ W 处理仅有 3 次土壤呼吸的日通量的差
异是显著的。秸秆还田对土壤呼吸的影响也有相同的现象。
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788211 期 张庆忠　等: 秸秆还田和施氮对农田土壤呼吸的影响 　
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