溫室氣體濃度的升高強烈地影響著氣候變化,并導(dǎo)致人類生存環(huán)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(tài)系統(tǒng)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(nóng)業(yè)管理(耕作、施肥和灌溉等)的雙重作用下,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)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(diào)節(jié),進而影響全球的碳循環(huán)[45]。可見,研究農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)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(dāng)今秸稈資源利用的主渠道[6]。秸稈的施入對農(nóng)田土壤CO2排放通量動態(tài)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(wěn)性團聚體等土壤性質(zhì)可提高土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量[810]。施肥作為農(nóng)業(yè)土壤的一個主要干擾因素,不僅是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵措施之一,而且影響土壤的理化性質(zhì)和生物活性,進而影響土壤的碳循環(huán)[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(guān)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(guān)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(tài)系統(tǒng)理論與方法對秸稈還田問題進行系統(tǒng)的研究具有重要意義。

黃淮海平原是我國主要的糧食產(chǎn)區(qū),肥料的應(yīng)用為糧食增產(chǎn)做出了巨大貢獻,通過秸稈還田、施用有機肥來改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤碳庫水平也越來越受到關(guān)注,但是關(guān)于秸稈還田對農(nóng)業(yè)生態(tài)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(yù)測未來土壤CO2排放規(guī)律和農(nóng)業(yè)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(guān)系,可為綜合評價秸稈不同還田方式和施肥的農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)提供理論依據(jù),并為該地區(qū)秸稈還田方式和施肥措施提供技術(shù)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(xué)院封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)國家試驗站(北緯35°01′,東經(jīng)114°32′)。該地區(qū)屬半干旱半濕潤的暖溫帶季風(fēng)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(xiàn)在1月,為1.0℃,最高月均氣溫27.2℃,出現(xiàn)在7月。該區(qū)域土壤發(fā)育為黃河沖積物潮土,農(nóng)田耕作為冬小麥夏玉米輪作制度。

1.2試驗設(shè)計

試驗于2010年6—10月進行,試驗設(shè)計見表1。通過處理NSFR、SFR、ISFR的比較,可以得到常規(guī)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(shè)4個重復(fù),共有36個小區(qū),每個小區(qū)均設(shè)為5m×8m。還田秸稈為上一季曬干的小麥整稈,其養(yǎng)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(yǎng)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(jié)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(jié)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(tài)氣室法,通過密閉交換式的采集氣體系統(tǒng)(LI-COR-6400-09土壤氣室)連接紅外線氣體分析儀(IRGA)對氣室中產(chǎn)生的CO2進行連續(xù)測定,系統(tǒng)同時測定10cm深土壤的溫度。測量氣室放置在事先已經(jīng)放入土壤中的PVC環(huán)上進行測量,為減少安置PVC環(huán)對土壤系統(tǒng)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(huán)對土壤擾動而造成的短期呼吸速率的波動[16]。PVC環(huán)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(qū),PVC環(huán)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(huán)內(nèi)的一切活體,每個小區(qū)安置1個環(huán),每次測定3次重復(fù),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(huán)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(jié)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(huán)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(huán)內(nèi)CO2的濃度差(μmol•m3),h為環(huán)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(qū)內(nèi)的氣象站自動采集。試驗期降水和大氣溫度見圖1。

1.4數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS16.0和Excel2003軟件處理。

2結(jié)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)。