施氮水平對旱塬農(nóng)田土壤呼吸及其溫度敏感性的影響.pdf

1、土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣碳交換的第二大通量，其微小變化會(huì)對大氣二氧化碳(CO2)濃度產(chǎn)生顯著影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤呼吸的變化不只受到降水、氣溫、土壤性狀等自然因素的影響，也受到耕作、收獲、施肥等人為管理措施的影響。氮肥投入是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的重要管理措施，在改善土壤肥力、促進(jìn)作物生長和穩(wěn)定糧食生產(chǎn)等方面發(fā)揮了巨大的作用。此外，長期的氮肥投入也會(huì)對土壤理化性狀、微生物的群落結(jié)構(gòu)和活性產(chǎn)生影響。了解氮肥投入條件下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的

2、變化特征及其調(diào)控機(jī)制，對深入理解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和預(yù)測氣候變化條件下農(nóng)田土壤CO2通量變化具有重要意義。
　　盡管已有大量報(bào)道，但氮肥對土壤呼吸的影響并沒有形成共識(shí):部分結(jié)果顯示促進(jìn)作用、部分結(jié)果表明抑制作用、也有結(jié)果發(fā)現(xiàn)施氮無顯著影響。施氮不僅促進(jìn)作物生長，也能夠改變土壤微生物底物的質(zhì)量和數(shù)量;相應(yīng)地施用氮肥也可以直接影響土壤微生物群落的組成和活性。土壤呼吸主要由根系呼吸和微生物呼吸構(gòu)成。本研究假設(shè)，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，施氮后土

3、壤呼吸變化（升高、降低或不變）是根系呼吸和微生物呼吸綜合作用的結(jié)果;施氮改善作物生長，促進(jìn)根系呼吸，但抑制土壤微生物呼吸;施氮條件下土壤微生物呼吸變化與微生物的群落結(jié)構(gòu)、底物數(shù)量和質(zhì)量的變化有關(guān)。
　　本研究通過以下田間試驗(yàn)和培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證上述假設(shè)。田間試驗(yàn):依托黃土旱塬區(qū)長期肥料定位試驗(yàn)（始于1984年），選取同一施磷肥水平(39 kg P ha-1)基礎(chǔ)上3個(gè)施氮水平處理:0、45和135 kg N ha-1(N0、N45和N

4、135)，作物為冬小麥;研究:1）施氮對冬小麥生長季、休閑季及年際土壤呼吸的變化特征;2）施氮條件下影響土壤呼吸的生物因素（作物產(chǎn)量、根系等）和非生物因素（土壤水分、溫度等）;3）施氮條件下微生物群落結(jié)構(gòu)變化、活性及其與土壤呼吸和Q10的聯(lián)系。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn):加葡萄糖和不加葡萄糖(Glu+，Glu-)，設(shè)置3個(gè)施氮水平:0、90、225 kg N ha-1(CN0、CN90和CN225)。研究不同底物供應(yīng)條件下，施氮水平對土壤微生物、土壤呼吸

5、的影響及其二者之間的關(guān)系。試驗(yàn)期間使用Li-8100土壤CO2通量觀測系統(tǒng)監(jiān)測不同施氮水平下土壤呼吸速率的變化，同時(shí)監(jiān)測土壤溫度和水分(0-5 cm)，測定作物產(chǎn)量、根系生物量、土壤微生物量碳(MBC)、可溶性碳(DOC)、酶活性、微生物群落多樣性、群落結(jié)構(gòu)及相對豐度。主要結(jié)果如下:
　　1)施氮顯著提高土壤呼吸速率(p＜0.05），且隨著施氮量的升高而增強(qiáng)。不施氮肥處理(N0）土壤呼吸平均為1.16μmol m-2 s-1，與之

6、相比，N45處理(1.41μmol m-2 s-1)土壤呼吸速率提高23％，N135(1.69μmol m-2 s-1)提高47％。相應(yīng)地，N0、N45和N135處理年均土壤累積呼吸量依次為:364.5、444.6和540.0 g CO2-C m-2。休閑季土壤呼吸均值大于生長季土壤呼吸均值，8年監(jiān)測期間休閑季土壤呼吸累積量約占全年的30％。土壤累積呼吸量因降水量而呈現(xiàn)顯著年際變化。
　　2)施氮對Q10的影響在生長季和休閑季不同

7、:生長季Q10不受氮肥影響，而休閑季Q10因施氮水平增加而顯著降低。此外，休閑季Q10高于生長季，N0、N45和N135處理休閑季和生長季的Q10均值分別為:2.23 vs.1.55，2.16 vs.1.57和1.92 vs.1.60。
　　3)不同施氮水平下，生長季土壤呼吸速率與土壤水分呈拋物線關(guān)系，休閑季土壤呼吸速率與土壤水分無顯著相關(guān)關(guān)系。生長季施氮顯著影響土壤呼吸水分敏感性(Ms)，Ms隨施氮水平的升高而增大，N0和N13

8、5處理間的Ms差異顯著。土壤年累積呼吸量與產(chǎn)量和根系生物量呈線性正相關(guān)關(guān)系(r2=0.72，0.91);土壤呼吸速率與土壤DOC含量正相關(guān)(r2=0.71-0.92)。
　　4)土壤微生物群落的多樣性和群落結(jié)構(gòu)組成、活性因施氮而變化。施氮肥改善了β-1，4-木糖苷酶和纖維二糖水解酶的活性。但β-1，4-葡萄糖苷酶活性在同一底物處理時(shí)隨施氮顯著降低。細(xì)菌群落中，在高含量底物和大田中，施氮降低了變形菌門(Proteobacteria)

9、和擬桿菌門(Bacteroidetes)的相對豐度，升高了酸桿菌門(Acidobacteria)的相對豐度;不添加底物時(shí)，施氮降低酸桿菌門的相對豐度。真菌群落中添加相同底物和大田中球囊菌門(Glomeromycota)在施氮后會(huì)顯著升高。酸桿菌門等群落具有編碼碳循環(huán)中重要酶的功能基因，對土壤呼吸產(chǎn)生影響。
　　5)不添加底物時(shí)，施氮對微生物呼吸無影響;而添加有機(jī)底物時(shí)施氮顯著降低了土壤微生物呼吸速率。
　　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):

10、>　　1.生長季Q10變化不受施氮影響，休閑季Q10因施氮水平增加而顯著降低。
　　2.同一底物條件下，施氮降低了土壤DOC含量和β-1，4-葡萄糖苷酶酶活性;增加了β-1，4-木糖苷酶和纖維二糖水解酶的酶活性。
　　3.施氮影響酸桿菌門等群落具有編碼碳循環(huán)中重要酶的功能基因，對土壤呼吸產(chǎn)生影響。
　　4.本研究中施氮導(dǎo)致的土壤呼吸升高主要與根系呼吸、底物供應(yīng)改善有關(guān)。
　　5.化肥投入是改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量