河西绿洲农田土壤呼吸特征及其对长期施肥的响应

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00147

摘要/Abstract

摘要：

以河西走廊典型的荒漠绿洲新垦农田为研究对象，设置9个施肥处理（高量有机肥，M3；高量氮磷肥，NP3；低量氮磷肥+高量有机肥，NP1M3；低量氮磷钾肥，NPK1；中量氮磷钾肥，NPK2；高量氮磷钾肥，NPK3；低量氮磷钾肥+高量有机肥，NPK1M3；中量氮磷钾肥+中量有机肥，NPK2M2；高量氮磷钾肥+低量有机肥，NPK3M1），于2019—2020年7—8月采用LI-COR 8100对玉米农田土壤呼吸进行观测，分析土壤呼吸的变化、日动态及其主要影响因素。结果表明：（1）不同施肥处理，土壤呼吸速率M3>NP3>NPK1M3>NPK3M1>NPK2M2>NP1M3>NPK2>NPK3>NPK1，单施有机肥能显著提高土壤呼吸速率，较其他处理增长22.1%—41.4%。（2）不同施肥措施土壤呼吸日变化呈单峰曲线，峰值出现在13：00—16：00，土壤呼吸日变化主要受土壤温度变化的影响。（3）土壤温度和土壤湿度分别解释了土壤呼吸变化的24.2%—44.8%和7.7%—36.4%，土壤呼吸与土壤温度显著正相关，而与土壤湿度无显著相关性，不同施肥处理土壤呼吸温度敏感性系数Q₁₀值1.419—1.600。（4）土壤呼吸与有机质、总氮、总碳、碱解氮存在显著正相关关系，施用有机肥使土壤有机质、总氮、总碳、碱解氮分别提升188.9%、80.5%、79.3%、147.0%，进而促进土壤呼吸，土壤呼吸与玉米产量无显著关系。不同的施肥措施会对土壤质量和土壤呼吸产生不同影响，有机肥和氮磷钾化肥的平衡施用，能够在提升土壤质量的同时减少碳排放，可在生产实践中采用。

关键词: 长期施肥, 土壤呼吸, 日变化, 土壤温度, 土壤湿度

Abstract:

The soil respiration rate was measured by LI-COR 8100 in the newly reclaimed farmlands in Hexi desert oasis in July and August from 2019 to 2020. We analyzed the changes of soil respiration rate and diurnal dynamic variation under 9 different fertilization treatments to determine the key factors. The results showed that：（1） The soil respiration rate was influenced by M3， NP3， NPK1M3， NPK3M1， NPK2M2， NP1M3， NPK2， NPK3， NPK1 in turn from high level to low level. This indicates that the treatment of organic fertilizers application alone significantly increased soil respiration rate by 22.1%-41.4% in comparison with combined manure with chemical fertilizers and the treatment of chemical fertilizers alone. （2） The diurnal dynamic variation of soil respiration in different fertilization presented unimodal curve， and the peak value was found in the periods of 13：00-16：00. The diurnal dynamic variation of soil respiration had a significant correlation with soil temperature （5 cm）. （3） Soil temperature （5 cm） and soil moisture （5 cm） could explain 24.2%-44.8% and 7.7%-36.4% of soil respiration， respectively. A remarkable correlation was found between soil respiration rate and soil temperature， but soil respiration rate had no significant correlation with soil moisture. The temperature sensitivity coefficient of soil respiration Q₁₀ was in the range of 1.419 to 1.600， which was lower than the world average value of 2.4， because high temperature led to decreased sensitivity of soil respiration to temperature changes. （4） Soil respiration was significantly negatively correlated with organic matter， total nitrogen， total carbon and available nitrogen. After applying organic fertilizers， soil organic matter， total nitrogen， total carbon and available nitrogen increased by 188.9%， 80.5%， 79.3% and 147.0% respectively. Thus soil respiration was promoted. There is no significant relationship between soil respiration and maize yield. In conclusion， fertilization measures have an effect on soil quality and soil respiration rate. The balanced application of organic and inorganic fertilizers can improve soil quality while reducing CO₂ emissions， which can be adopted in production practice.

Key words: long-term fertilization, soil respiration, diurnal dynamic variation, soil temperature, soil moisture

中图分类号:

S154

陈仕阳, 杨荣, 苏永中, 杜泽玉. 河西绿洲农田土壤呼吸特征及其对长期施肥的响应[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 178-186.

Shiyang Chen, Rong Yang, Yongzhong Su, Zeyu Du. Characteristics of soil respiration in farmland of Hexi oasis and its response to long-term fertilization[J]. Journal of Desert Research, 2022, 42(3): 178-186.

图/表 8

参考文献 32

1	Wilfred M P， Peng T H， William R，et al.The global carbon cycle［J］.American Scientist，1990，78（4）：1736.
2	Johnson M G， Kern J S， Lammers D A，et al.Sequestering carbon in soils：a workshop to explore the potential for mitigating global climate change［R］.Corvallis，USA，1990.
3	William H S， Jeffrey A A.Soil respiration and the global carbon cycle［J］.Biogeochemistry，2000，48（1）：7-20.
4	Lal R.Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security［J］.Science，2004，304（5677）：1623-1627.
5	曲建升，孙成权，张志强，等.全球变化科学中的碳循环研究进展与趋向［J］.地球科学进展，2003（6）：980-987.
6	金琳，李玉娥，高清竹，等.中国农田管理土壤碳汇估算［J］.中国农业科学，2008（3）：734-743.
7	时光慧.2016年中国国土资源公报［M］//中华人民共和国年鉴社，中华人民共和国年鉴，2017：400-405.
8	孟磊，丁维新，蔡祖聪，等.长期定量施肥对土壤有机碳储量和土壤呼吸影响［J］.地球科学进展，2005（6）：687-692.
9	李建敏，丁维新，蔡祖聪.氮肥对玉米生长季土壤呼吸的影响［J］.应用生态学报，2010，21（8）：2025-2030.
10	Ding W X， Meng L， Yin Y F.CO₂ emission in an intensively cultivated loam as affected by long-term application of organic manure and nitrogen fertilizer ［J］.Soil Biology & Biochemistry，2007，39：669-679.
11	李银坤，陈敏鹏，夏旭，等.不同氮水平下夏玉米农田土壤呼吸动态变化及碳平衡研究［J］.生态环境学报，2013，22（1）：18-24.
12	Grandy A S， Sinsabaugh R L， Neff J C，et al.Nitrogen deposition effects on soil organic matter chemistry are linked to variation in enzymes，ecosystems and size fractions［J］.Biogeochemistry，2008，91（1）：37-49.
13	Haynes B E， Gower S T.Belowground carbon allocation inunfertilized and fertilized red pine plantations in northern Wisconsin［J］.Tree Physiology，1995，15（2）：317-325.
14	刘妍，周连仁，苗淑杰.长期施肥对黑土酶活性和微生物呼吸的影响［J］.中国土壤与肥料，2010（1）：7-10.
15	苏永中，杨荣，刘婷娜.施肥对新垦绿洲风沙土肥力及碳积累的影响［J］.中国沙漠，2019，39（3）：1-6.
16	Yang R， Su Y Z， Yang Q.Crop yields and soil nutrients in response to long-term fertilization in a desert oasis［J］.Agronomy Journal，2015，107（1）：83-92.
17	中国生态系统研究网络科学委员会.陆地生态系统土壤观测规范［M］.北京：中国环境科学出版社，2007.
18	Lloyd J， Taylor J A.On the temperature dependence of soil respiration［J］.Functional Ecology，1994，8（3）：315-323.
19	周洪华，李卫红，杨余辉，等.干旱区不同土地利用方式下土壤呼吸日变化差异及影响因素［J］.地理科学，2011，31（2）：190-196.
20	Luo Y Q， Zhou X H.Soil Respiration and the Environment［M］.San Diego，USA：Academic Press，2006.
21	韩广轩，周广胜，许振柱.中国农田生态系统土壤呼吸作用研究与展望［J］.植物生态学报，2008（3）：719-733.
22	刘振香，刘鹏，贾绪存，等.不同水肥处理对夏玉米田土壤微生物特性的影响［J］.应用生态学报，2015，26（1）：113-121.
23	王艳萍，高吉喜，冯朝阳，等.北京京郊果园施用不同农肥的土壤呼吸特征研究［J］.浙江大学学报（农业与生命科学版），2009，35（1）：77-83.
24	许咏梅，刘骅，王西和.长期不同施肥下新疆灰漠土土壤呼吸特征研究［J］.新疆农业科学，2012，49（7）：1294-1300.
25	臧逸飞，郝明德，张丽琼，等.26年长期施肥对土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影响［J］.生态学报，2015，35（5）：1445-1451.
26	张前兵，杨玲，王进，等.干旱区不同灌溉方式及施肥措施对棉田土壤呼吸及各组分贡献的影响［J］.中国农业科学，2012，45（12）：2420-2430.
27	Han G X， Zhou G S， Xu Z Z，et al.Soil temperature and biotic factors drive the seasonal variation of soil respiration in a maize （Zea mays L.） agricultural ecosystem［J］.Plant and Soil，2007，291（1/2）：15-26.
28	Rodeghiero M， Cescatti A.Main determinants of forest soil respiration along an elevation/temperature gradient in the Italian Alps［J］.Global Change Biology，2005，11（7）：1024-1041.
29	刘春霞，王玉杰，王云琦，等.重庆缙云山3种林型土壤呼吸及其影响因子［J］.土壤通报，2013，44（3）：587-593.
30	王小国，朱波，王艳强，等.不同土地利用方式下土壤呼吸及其温度敏感性［J］.生态学报，2007，27（5）：1960-1968.
31	Kucera C， Kirkham D.Soil respiration studies in tall grass prairie in Missouri［J］.Ecology，1971，52（5）：912-915.
32	Raich J W， Tufekcioglu A.Vegetation and soil respiration：correlations and controls［J］.Biogeochemistry，2000，48（1）：87-90.

处理	M3	NP3	NP1M3	NPK1	NPK2	NPK3	NPK1M3	NPK2M2	NPK3M1
相关系数	0.601	0.383	0.425	0.498	0.624	0.638	0.466	0.517	0.551
显著性	0.000	0.003	0.001	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000

处理	M3	NP3	NP1M3	NPK1	NPK2	NPK3	NPK1M3	NPK2M2	NPK3M1
相关系数	0.601	0.383	0.425	0.498	0.624	0.638	0.466	0.517	0.551
显著性	0.000	0.003	0.001	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000

处理	拟合方程	R2	样本数	P	土壤呼吸温度敏感性系数Q₁₀
M3	R_s=3.828e^0.037^T	0.375	60	<0.01	1.448
NP3	R_s=2.663e^0.041^T	0.204	60	<0.01	1.507
NP1M3	R_s=2.906e^0.035^T	0.199	60	<0.01	1.419
NPK1	R_s=2.372e^0.041^T	0.269	60	<0.01	1.507
NPK2	R_s=2.818e^0.035^T	0.391	60	<0.01	1.419
NPK3	R_s=2.121e^0.047^T	0.448	60	<0.01	1.600
NPK1M3	R_s=3.001e^0.036^T	0.242	60	<0.01	1.433
NPK2M2	R_s=2.563e^0.042^T	0.297	60	<0.01	1.522
NPK3M1	R_s=2.683e^0.041^T	0.299	60	<0.01	1.507

处理	拟合方程	R2	样本数	P	土壤呼吸温度敏感性系数Q₁₀
M3	R_s=3.828e^0.037^T	0.375	60	<0.01	1.448
NP3	R_s=2.663e^0.041^T	0.204	60	<0.01	1.507
NP1M3	R_s=2.906e^0.035^T	0.199	60	<0.01	1.419
NPK1	R_s=2.372e^0.041^T	0.269	60	<0.01	1.507
NPK2	R_s=2.818e^0.035^T	0.391	60	<0.01	1.419
NPK3	R_s=2.121e^0.047^T	0.448	60	<0.01	1.600
NPK1M3	R_s=3.001e^0.036^T	0.242	60	<0.01	1.433
NPK2M2	R_s=2.563e^0.042^T	0.297	60	<0.01	1.522
NPK3M1	R_s=2.683e^0.041^T	0.299	60	<0.01	1.507

处理	拟合方程	R2	样本数	P	平均土壤湿度/%
M3	R_s=1.222θ²-0.051θ+1.791	0.113	60	<0.05	12.8
NP3	R_s=8.485e^-0.021^θ	0.077	60	<0.05	11.6
NP1M3	R_s=0.219θ²-0.013θ+6.090	0.154	60	<0.01	14.2
NPK1	R_s=0.346θ²-0.018θ+4.954	0.288	60	<0.01	13.3
NPK2	R_s=-0.119θ²+0.001θ+7.48	0.137	60	<0.05	13.3
NPK3	R_s=0.817θ²-0.040θ+2.472	0.364	60	<0.01	12.0
NPK1M3	R_s=0.782θ²-0.030θ+1.977	0.189	60	<0.01	14.3
NPK2M2	R_s=0.084θ²-0.010θ+7.206	0.266	60	<0.01	13.3
NPK3M1	R_s=0.571θ²-0.032θ+4.766	0.345	60	<0.01	11.8