溫室氣體濃度的升高強烈地影響著氣候變化,并導致人類生存環境的惡化。全球土壤呼吸年碳排放量為80.4Pg,是化石燃料燃燒CO2排放量的10倍多[12]。土壤呼吸是碳庫中最活躍的部分,在全球陸地生態系統碳庫中,碳儲量約為140~170Pg,占全球陸地碳儲量的10%[3]。在自然因素和農業管理(耕作、施肥和灌溉等)的雙重作用下,農田生態系統受到強烈的人為干擾后,能在較短的時間尺度上進行碳庫的調節,進而影響全球的碳循環[45]。可見,研究農業生態系統中土壤CO2的排放,對于減緩大氣CO2濃度的增加有重要意義。

秸稈直接還田是當今秸稈資源利用的主渠道[6]。秸稈的施入對農田土壤CO2排放通量動態具有顯著影響[7],同時通過改善土壤含水量、有機碳水平、水穩性團聚體等土壤性質可提高土壤質量和作物產量[810]。施肥作為農業土壤的一個主要干擾因素,不僅是提高作物產量的關鍵措施之一,而且影響土壤的理化性質和生物活性,進而影響土壤的碳循環[11]。但已有研究主要單一集中于秸稈[12]或者是肥料的施用量[1315]對CO2排放的影響,關于秸稈施入方式對土壤CO2排放影響的研究則很少見報道,而有關不同秸稈還田方式配施不同類型氮肥(有機氮和無機氮)對CO2排放影響的研究則更少。因此,以生態系統理論與方法對秸稈還田問題進行系統的研究具有重要意義。

黃淮海平原是我國主要的糧食產區,肥料的應用為糧食增產做出了巨大貢獻,通過秸稈還田、施用有機肥來改善土壤結構、增加土壤碳庫水平也越來越受到關注,但是關于秸稈還田對農業生態土壤原位CO2排放的試驗資料還相對較少,且研究秸稈還田方式的影響對預測未來土壤CO2排放規律和農業減排措施也非常重要。因此,開展田間試驗以評價不同秸稈還田方式對CO2排放過程的影響,探討黃淮海平原秸稈還田方式、氮肥類型以及施氮量與夏玉米土壤呼吸的關系,可為綜合評價秸稈不同還田方式和施肥的農田生態效應提供理論依據,并為該地區秸稈還田方式和施肥措施提供技術支持。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地點位于河南省封丘縣中國科學院封丘農業生態國家試驗站(北緯35°01′,東經114°32′)。該地區屬半干旱半濕潤的暖溫帶季風氣候,年平均降水615mm,67%的降水集中在6—9月;平均氣溫為13.9℃,最低月均氣溫出現在1月,為1.0℃,最高月均氣溫27.2℃,出現在7月。該區域土壤發育為黃河沖積物潮土,農田耕作為冬小麥夏玉米輪作制度。

1.2試驗設計

試驗于2010年6—10月進行,試驗設計見表1。通過處理NSFR、SFR、ISFR的比較,可以得到常規施肥條件下小麥不同秸稈還田方式對玉米土壤呼吸速率的影響;通過處理ISOM1、ISOM2、ISOM3之間的比較,可以得到小麥秸稈行間掩埋還田的情況下,配合施用有機氮肥(雞糞)對土壤呼吸速率的影響;通過處理ISF1、ISF2、ISF3比較,可以得到小麥秸稈行間掩埋還田的情況下,配合施用無機氮肥(尿素)對土壤呼吸速率的影響。

各處理在整個玉米生育期總施氮量均為210kg(N)•hm2,施磷量157kg(P2O5)•hm2,施鉀量105kg(K2O)•hm2,各處理N、P和K施用量見表2。每處理設4個重復,共有36個小區,每個小區均設為5m×8m。還田秸稈為上一季曬干的小麥整稈,其養分和含水量見表3。秸稈施用量7500kg•hm2。播種前,在玉米行間開溝20cm深,均勻放入小麥秸稈,并在秸稈上施用雞糞(或化肥)后進行掩埋,雞糞的養分含量見表3。試用玉米品種為“鄭單958”,種植密度68034株•hm2,玉米行距和株距分別為60cm和30cm。2010年6月23日翻地、埋秸稈、施基肥,2010年6月24日播種,7月15日—8月15日玉米從拔節進入灌漿期,8月16日—9月5日為灌漿期,9月6日—10月5日為逐漸成熟階段,10月5日收獲。追肥時間為2010年8月1日和8月17日,分別為玉米拔節期和灌漿期,追肥方式為行間挖穴點播,基肥和追肥的施用量見表2所示。

1.3土壤呼吸作用的測定

土壤呼吸測定采用動態氣室法,通過密閉交換式的采集氣體系統(LI-COR-6400-09土壤氣室)連接紅外線氣體分析儀(IRGA)對氣室中產生的CO2進行連續測定,系統同時測定10cm深土壤的溫度。測量氣室放置在事先已經放入土壤中的PVC環上進行測量,為減少安置PVC環對土壤系統的破壞,第1次測定在安置24h后再進行,以避免由于安置PVC環對土壤擾動而造成的短期呼吸速率的波動[16]。PVC環直徑11cm、高10cm,在2010年6月24日玉米播種后立即安置在兩行玉米的中間,即掩埋秸稈區,PVC環埋入土壤后2cm露出地表以保證測量氣室的密閉性,同時去除環內的一切活體,每個小區安置1個環,每次測定3次重復,儀器自動記錄。在整個玉米生長季的測定過程中一直把PVC環保留在土壤中,于早晨09:00—12:00定期測定土壤呼吸[17],從玉米拔節初期,即7月24日開始測定,之后間隔5d測定1次至9月18日。

測定時密閉PVC環的土壤呼吸通量計算公式為:Q(μmol•m2•s1)=(C/t)×V/A=(C/t)×h(1)式中,C為時間間隔t(s)的密閉PVC環內CO2的濃度差(μmol•m3),h為環高(m)。在測定土壤呼吸速率的同時,使用便攜式土壤水分測定儀(Hydrosense,Campbell,美國)測定5cm土層的土壤濕度,表示為容積含水量,通過計算換算成土壤孔隙含水量(WFPS),計算公式為:WFPS(%)=[含水量(%)×土壤容重(g•cm3)/土壤總孔隙度(m3•m3)]×100(2)式中,土壤總孔隙度(m3•m3)=1土壤容重(g•cm3)/2.65(g•cm3),本研究中,土壤容重按1.48g•cm3計算。降雨量和大氣溫度通過試驗區內的氣象站自動采集。試驗期降水和大氣溫度見圖1。

1.4數據分析

數據采用SPSS16.0和Excel2003軟件處理。

2結果與分析

2.1玉米生長季土壤溫度和水分的變化

玉米整個生長季,土壤濕度和土壤溫度的變化如圖2所示。土壤孔隙含水量(WFPS)變化范圍為34%~82%,平均為66%。方差分析表明,9個處理之間,玉米生育期平均WFPS沒有顯著差異(P>0.05)。土壤溫度最高29.52℃,最低20.84℃,平均24.91℃,方差分析表明,各處理間平均溫度亦沒有顯著差異(P>0.05)。