程万莉，雷康宁，王淑英，李利利，樊廷录，李尚中，赵 刚，张建军，唐小明，党 翼，王 磊

(1．甘肃省农业科学院旱地农业研究所/甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；3.平凉市农业科学院，甘肃 平凉 744500)

CO2作为重要的温室气体，对温室效应的贡献率为60%[1]。农业土壤作为陆地碳循环中最大的碳库，具有巨大的碳截获潜力[2]。土壤呼吸是绿色植物将光合作用固定的CO2分解后又释放返回大气的主要途径，是农业生产增加大气CO2浓度的关键生态学过程。因此在全球气候变暖的当下土壤呼吸备受科研人员关注。

土壤呼吸包括根系呼吸和微生物呼吸两个部分[3]，但由于无法有效地区分纯根系呼吸和根际微生物呼吸，该方面研究尚不成熟。现有研究将土壤呼吸简单地分为由光合产物控制的根系呼吸和由土壤有机质控制的土壤微生物异养呼吸。这两种呼吸方式因代谢底物不同，对土壤呼吸和全球变暖的贡献也不同[4]。农田生态系统中已有相关研究主要集中于不同作物、不同耕作方式和单一环境因素作用下根系呼吸对土壤呼吸的贡献[5-8]，对于不同施肥方式对根系呼吸的研究也主要是基于短期试验，而基于长期肥料定位试验研究植株存在下对根系及土壤呼吸影响方面的文献相对较少。本文利用静态箱-根去除法相结合测定长期不同施肥方式下土壤CO2排放动态变化，探讨根系呼吸对土壤呼吸的贡献，计算不同施肥方式下的碳平衡。旨在说明不同施肥方式下的农田土壤固碳能力的差异，为建立合理的施肥制度，提高西北黄土高原区农田土壤固碳潜力提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验依托位于黄土高原东部半湿润偏旱区甘肃省平凉市泾川县高平镇境内(107°30′E，35°16′N)的长期定位试验进行。该区地势平坦，年均气温8℃，≥10℃积温2 800℃，无霜期约170 d，海拔1 150 m，年降水量540 mm，主要集中在7、8、9月份，年蒸发量1 380 mm。光热资源丰富，雨热同期。为典型的一年一熟农作区。

长期定位试验开始于1979年，试验共设6个处理：不施肥-CK；单独施用氮肥-N(90 kg·hm-2)；氮磷肥配施-NP(N 90 kg·hm-2+P2O575 kg·hm-2)；秸秆和氮磷肥配施-SNP(S 3 750 kg·hm-2+N 90 kg·hm-2+每隔一年施P2O575 kg·hm-2)；农家肥-M(75 t·hm-2)；农家肥和氮磷肥配施-MNP(M 75 t·hm-2+N 90 kg·hm-2+P2O575 kg·hm-2)。每个处理为一个大区，面积666.7 m2，顺序排列，大区与大区之间用水泥砌成隔离带；每个大区再划分为3个小区，每小区220 m2，顺序排列，作为重复。农家肥和磷肥在作物播前全部基施，施用的磷肥是过磷酸钙；氮肥为尿素，氮肥施用60%基肥+40%追肥；还田秸秆为该区当季种植作物秸秆。试验采用4年冬小麦-2年春玉米的一年一熟轮作制，供试土壤为覆盖黑垆土，质地为壤土，试验前(1978年秋季)0～20 cm土壤理化性状见表1。本试验于2017年春玉米季进行，供试玉米品种为五谷704，种植密度为5.5 株·m-2。

1.2 取样及测定方法

1.2.1 气体测定 气体测定在玉米拔节期、开花期、灌浆期和生理成熟期进行，共4次。每次测定均在上午9∶00-11∶00进行。CO2排放通量采用静态箱法测定，将底座插入到5 cm深的土壤中，每区固定2个，一个套入一株长势均匀的植株，随生育期进程增加箱体数量进行测定，另一个固定于无植株的裸地上，固定后不再挪动。取样箱垂直固定在底座凹槽内，并给底座凹槽中注入适量水(保证气密性，使箱内气体不与外界空气发生气体交换)，静态箱由深色不透光PVC板制成，箱体体积为50 cm×50 cm×50 cm。箱体内置温度感应器和风扇，采样前用水银温度计校准各静态箱温度。固定好箱体后用三通阀连接好取样口、注射针筒和气袋，打开风扇开关，使箱体内气体混合均匀。分别在扣好箱体的0、7、14、21、28 min各采集气体一次，每次抽取60 mL于提前抽好真空的气袋中。气体样品由甘肃省水资源高效利用重点实验室在5 d内完成测定。采集气体样品的同时读取相应箱体内的温度和5 cm处地温。

表1 试验地基本土壤化学特性

CO2气体样品用气相色谱仪(美国安捷伦7890B)测定。采用单阀单柱进样分离系统，用氢火焰离子检测器(FID)，工作温度为200℃，内径为2 mm×1 mm；CO2样品随载气N2经过Ni催化，在375℃下被H2还原为CH4后再经过Porapak Q填充柱分离测定，柱箱温度为70℃。每次测定前使用标准气体进行标定，测定相对误差≤1.5%。

CO2气体排放通量F计算公式如下：

×1 000

式中,F为CO2气体排放通量(mg·m-2·h-1)；A为取样箱底面积(m2)；V为体积(m3)；M0为气体分子量；C1、C2分别为测定箱关闭时和测定箱开启前箱内温室气体的体积浓度(mg·g-1)；T1、T2分别为测定箱关闭时和测定箱开启前箱内温度(K);t1、t2为测定开始和结束时间(h)。

1.2.2 农田小区碳平衡计算 农田小区生态系统碳平衡水平通常用净生态系统生产力NEP(Net ecosystem productivity)表示。NEP为净初级生产力NPP(Net primary productivity)与土壤微生物异养呼吸碳释放量(Carbon emission of soil microbial hetero-trophic respiration,Rm)的差值[9]。一般认为地上部与地下部根的生物量之和为作物的NPP。据已有研究，本文假定玉米通过光合作用合成1 g有机质需要固定碳为0.47 g[10],由此可知NPP的固碳量。据估算，Rm为不同施肥处理下相应无植株裸地上土壤碳释总量(Total soil carbon emission,Rs)乘以转换系数0.865[11]。即NEP=NPP-Rm；Rm=Rs×0.865。

当NEP>0时，表示该农田系统为CO2的吸收“汇”；反之，则为CO2的排放“源”。

1.2.3 其他指标的测定 在成熟期各小区取玉米植株2株，挖取植株下土壤(30 cm×30 cm×35 cm)，挑取玉米根系，用水冲洗干净，将植株地上部分和根系鲜样在105℃下杀青，然后80℃烘至恒重。用单株玉米的生物量乘以种植密度即为整个小区玉米的生物量。全区收获进行测产。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥方式农田土壤CO2排放动态变化

春玉米生长期间，各施肥处理5 cm地温变化规律相同，整体呈先升高后降低的趋势(图1A)。测定期地温变化幅度在16.1～28.5℃之间。不同生育时期N、NP、SNP、M、MNP和CK在5 cm处平均地温为21.4℃、21.53℃、23.13℃、22.38℃、22.95℃和20.48℃。

通过对长期定位施肥植株参与下土壤CO2排放通量的测定可看出(图1B)，不同施肥方式下春玉米田土壤CO2排放通量与5 cm处地温呈现出相似的变化趋势，即从拔节期到成熟期均为先升高后下降。拔节期开始，由于长期不同施肥和地温升高的影响，土壤CO2排放量呈逐渐上升的趋势。到开花期，不同处理CO2排放通量均达到最大值，处理SNP、MNP和M的CO2排放通量分别达到3 650.54、2 980.50 mg·m-2·h-1和2 167.61 mg·m-2·h-1，显著高于单施化肥和不施肥处理，与CK相比，分别增加了340.32%、259.51%和161.45%。不同施肥处理间表现为SNP>MNP>M>NP>N>CK。这是由于长期施用有机类肥料可改善土壤理化性状，提高土壤生物活性，促进土壤有机质的矿化，增加土壤CO2排放量。有机类肥料与化学氮磷肥配施，调控了土壤碳氮比，较单独施用有机类肥料更有利于土壤有机质矿化。

图1 不同施肥方式农田春玉米存在条件下地温(A)和土壤CO2排放(B)动态变化Fig.1 Dynamics of ground temperature(A)and soil CO2 emission(B)under different fertilizer applications on spring corn fields

不同施肥方式下裸地农田土壤CO2排放也具有相似的变化规律(图2)，即呈现先升高后降低的变化趋势，6种施肥处理下排放量最高值均出现在开花期。与春玉米田总土壤呼吸量相比，不同施肥处理下裸地农田系统CO2排放量显著降低。从CO2排放平均速率上比较，从拔节期到生理成熟期种植春玉米土壤与裸地农田相比，不同施肥处理农田土壤 CO2排放量增加了43.21%～54.43%。

2.2 长期不同施肥方式下作物根系呼吸变化

在忽略植物生长对土壤有机质分解的激发作用时，利用种植春玉米的土壤呼吸值(SR)减去相应处理不种植春玉米时的土壤呼吸值，即可得到相应处理的植物根系呼吸量(Rr)，如表2所示。根系呼吸量占土壤呼吸的比值即可反映出植物光合产物在土壤呼吸中的作用[12]

图2 不同施肥方式下裸地土壤CO2排放变化规律Fig.2 Dynamics of soil CO2 emission of bared soil under different fertilizer applications

。

拔节期到成熟期，不同施肥处理下春玉米植株存在根系对土壤呼吸的贡献率波动在31.62%～76.08%，此时随着温度升高，降雨量增加，作物处于快速生长期，植物根系活性提高，故而根系呼吸增强。不同生育时期表现为在灌浆期达到最高，成熟期降为最低，这是由于根系呼吸与光合作用是对立统一关系，灌浆期光合作用最强，合成有机碳类产物增多，根系呼吸反过来通过消耗部分光合作用的产物，为光合作用提供反应所需底物，保证光合作用的顺利进行。同一生育时期不同施肥处理间根系呼吸变化不同，除成熟期外，施用有机肥的处理均表现为SNP>MNP>M，且大于单施化肥和不施肥处理。根系呼吸是作物生长呼吸的一部分，与植株长势密切相关，不同施肥处理因养分含量不同使作物长势出现差异，进而影响根系呼吸强度，导致不同施肥处理间根系呼吸出现差异。

2.3 农田碳平衡

不同施肥方式下农田碳平衡计算结果见表3。结果表明该区域不同施肥方式春玉米拔节期到生理成熟期均表现为土壤的碳“汇”。虽然春玉米生长季农田土壤CO2的释放总量表现为SNP>MNP>M>NP>N>CK，但从碳平衡结果来看，不同施肥方式下土壤碳汇从强到弱依次为：SNP>M>MNP>NP>CK>N。SNP处理虽然产量水平高于M处理，但是由于秸秆分解增加了土壤矿化碳释放量，因此CO2释放总量较高，使碳汇强度较弱。施用有机类肥料与单施化学肥料相比，由于有机类肥料能够改善土壤理化性质，增强根系生长活力和呼吸，促进地上部分生长[13-14]，所以较长期单施化肥相比，表现为既增加了土壤CO2排放量，也呈现出较强的土壤碳汇。N处理由于长期单独施用氮肥，导致土壤理化性质恶化，使得作物产量和碳汇强度均低于CK处理。

表2 春玉米生育期不同施肥方式下农田土壤呼吸Table 2 Soil respiration during spring corn growth season under different fertilization methods

注：Rr表示根系呼吸；SR表示土壤呼吸值。

Note：Rr: Rhizosphere respiration；SR:Soil respiration。

表3 不同施肥方式下春玉米拔节期-成熟期农田碳平衡Table 3 Soil carbon balance from jointing to mature of spring corn under different fertilization methods

3 讨 论

3.1 长期施肥下春玉米田为大气CO2排放的碳汇

利用静态箱法测得长期施用不同肥料土壤CO2排放通量动态，结果表明在春玉米生育期内，种植春玉米的土壤CO2排放通量显著高于裸地，不同施肥处理土壤CO2排放总量排序态势与土壤CO2排放速率一致。SNP和MNP处理由于长期施用有机肥，提高了土壤有机碳含量，改善了土壤理化和生物学性质[15]，而化肥施用可为作物生长提供无机养分，同时能够促进土壤有机碳的分解，尤其是与有机肥配合施用对土壤释放的CO2-C的累积量具有正的交互作用，化肥增加了土壤潜在矿化碳的总量，有机肥能加快土壤呼吸，促进农田土壤CO2排放量，有机无机肥配施加大土壤有机碳矿化速率[16]，各处理土壤CO2排放通量大小为：SNP>MNP>M>NP>N>CK。这与乔云发等人[17-18]在东北黑土长期施肥上的研究结果一致。有机肥与化肥配施促进了植株生长和根系呼吸，提高了作物生长季土壤呼吸量，反过来又促进了光合作用，增加了作物地上部分和地下部分干物质量，固定更多碳于作物和土壤碳库中，使春玉米田净初级生产力为正值，土壤CO2排放的碳汇强于单施化肥和不施肥处理[11]，表现为SNP>M>MNP>NP>N>CK。

3.2 春玉米田土壤呼吸变化比例与土壤呼吸的关系

从春玉米拔节期到成熟期，6种施肥处理下根系呼吸占土壤呼吸的比例在23.92%～68.38%之间，平均占比为49.42%。以往研究平均结果显示,农田生态系统根系呼吸对土壤呼吸的贡献率为(48±5)%[19]，与此结果一致。较之张宪洲[20]等人在青稞生态系统测得的33%～44%波动范围和40%的平均值，长期定位施肥后根系呼吸排放量占土壤呼吸的波动范围更广，平均值略高。也高于蔡艳等[21]在玉米全生育期测得的根系呼吸对土壤呼吸量为46%的平均贡献率。出现这一结果主要是因为：(1)与当地的气候条件、土壤类型有关；(2)与作物种类及取样的次数、取样时的环境条件有关。Hanson等[22]认为生态系统中根系呼吸占土壤呼吸的比例变化幅度较大，基本保持在10%～90%之间。本结果与其一致。这表明可以利用静态箱-根去除相结合研究作物根系呼吸对土壤呼吸的贡献率。综上可知，中国农业土壤具有很大的固碳潜力与容量，农业及其耕地土壤的有机碳固定势必成为我国CO2减排压力下碳汇的最重要去向。准确估算土壤 CO2的排放量是研究全球气候变化情景下碳循环的基础，而作为土壤呼吸重要组成部分的根系呼吸，因其受土壤质地、作物种类等环境因子影响大，不同生态区和不同作物带农区变幅较大，因此应继续加强和重视土壤CO2排放观测和分析。

4 结 论

不同施肥方式下春玉米田拔节期到成熟期土壤CO2排放平均速率为SNP>MNP>M>NP>N>CK，无植株参与的土壤呼吸速率变化趋势与其一致。利用根去除法测得6种不同施肥处理下春玉米存在对土壤呼吸的贡献率介于31%～77%之间。由计算结果可知长期不同施肥方式下春玉米田净生态系统生产力均为正值，表现为大气CO2排放的“汇”，6种施肥方式下土壤碳汇从强到弱依次为：SNP>M>MNP>NP>N>CK。