不同水肥措施對(duì)甜高粱農(nóng)田土壤呼吸和硝化-反硝化作用的影響

孟陽(yáng)陽(yáng)，劉冰，康建軍

(1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域研究站，中國(guó)科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

氣候變暖已成為全球性重大環(huán)境問(wèn)題之一.據(jù)IPCC第5次評(píng)估報(bào)告，自工業(yè)化以來(lái)強(qiáng)效溫室氣體CO2和N2O的濃度分別增加了40%和120%，使得碳氮循環(huán)成為氣候變化研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題[1].土壤CO2和N2O通量在空間尺度上是異常分散的，因此二者的預(yù)測(cè)仍然具有挑戰(zhàn)性[2-3].土壤呼吸和硝化-反硝化作用分別作為陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤和大氣之間CO2和N2O交換的關(guān)鍵過(guò)程，在全球碳氮循環(huán)中起著重要作用[4].農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是人類活動(dòng)最活躍的生態(tài)系統(tǒng)，不同農(nóng)田管理措施使其土壤CO2和N2O通量形成強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性[5].因此，研究不同區(qū)域農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤呼吸和硝化-反硝化作用的影響，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)農(nóng)田土壤碳氮通量和制定有效地緩解氣候變化戰(zhàn)略至關(guān)重要.

灌溉和施肥是最基本的農(nóng)田管理措施，對(duì)農(nóng)田土壤碳、氮庫(kù)及其轉(zhuǎn)化速率變化具有重要影響[6].在干旱區(qū)，降水稀少、土壤貧瘠，農(nóng)田對(duì)灌溉和施肥的依賴性最強(qiáng)，因此，水肥措施差異引起的土壤碳氮過(guò)程空間變異更為明顯.但是，已有研究關(guān)于農(nóng)田碳氮循環(huán)，特別是氮循環(huán)，主要集中在我國(guó)中東部地區(qū)，西北干旱區(qū)鮮有報(bào)道.

灌溉作為干旱區(qū)農(nóng)田最主要的農(nóng)業(yè)措施，是作物生長(zhǎng)的主要水分來(lái)源，同時(shí)，可以改變土壤理化性質(zhì)、土壤微生物組成與含量、以及地上、地下植物生物量等因子，從而使土壤呼吸、硝化和反硝化作用表現(xiàn)出差異[7-8].近年來(lái)，由于干旱區(qū)生態(tài)補(bǔ)償政策的實(shí)施，不同收入農(nóng)民采取的年灌溉次數(shù)存在明顯差異，使得農(nóng)田年灌溉量空間變異性增大.然而，以往干旱區(qū)農(nóng)田研究主要集中在不同灌溉方式(如滴灌、噴灌和漫灌等)對(duì)土壤碳氮過(guò)程的影響[9]，關(guān)于年灌溉量差異對(duì)農(nóng)田碳氮轉(zhuǎn)化的研究還較為缺乏.

施肥是農(nóng)田主要增產(chǎn)措施之一，其配比差異能夠?qū)ψ魑锷L(zhǎng)、微生物活性產(chǎn)生不同作用，進(jìn)而對(duì)土壤碳氮循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生重要影響[10-11].國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者進(jìn)行了不同施肥處理對(duì)土壤碳氮過(guò)程的研究，結(jié)果不盡一致[11-14].多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮(N)的增加土壤呼吸呈增強(qiáng)趨勢(shì).但也有研究表明，氮肥會(huì)減少碳向地下部的分配，使土壤呼吸速率降低[12-13].喬云發(fā)等[14]研究表明，與不施肥處理(CK)相比，氮磷(NP)和氮磷鉀(NPK)肥料配施顯著增加了土壤呼吸.然而，張前兵等[9]研究得出相反的結(jié)論，即CK>NPK.另外，楊靖民等[15]的研究表明，施N對(duì)土壤硝化、反硝化作用具有促進(jìn)作用.蔡延江等[16]研究表明，與其他化肥配施相比，僅施N肥對(duì)N2O的排放影響最大.但是，徐杰[17]的研究發(fā)現(xiàn)，NPK配施處理產(chǎn)生的N2O通量大于N處理.所以，不同施肥措施對(duì)農(nóng)田土壤碳氮循環(huán)的影響機(jī)制較為復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究.此外，已有研究多側(cè)重于灌溉或施肥一種農(nóng)作措施對(duì)土壤碳氮循環(huán)的研究[18-19]，而對(duì)水肥互作的綜合效應(yīng)研究較少.

河西走廊荒漠綠洲區(qū)是我國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，氣候干燥，光照充足，鹽堿地面積廣泛[20].甜高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)具有抗旱、耐瘠、耐鹽堿等優(yōu)點(diǎn)，適宜在干旱鹽堿地上種植，生產(chǎn)力高，被譽(yù)為“生物能源系統(tǒng)中最有力的競(jìng)爭(zhēng)者”，是河西走廊的一種典型作物[21].在河西走廊地區(qū)，雖然節(jié)水灌溉方式正在迅速發(fā)展，但漫灌仍然是主要的灌溉方式，且部分農(nóng)民受生態(tài)補(bǔ)償政策影響，減少了年灌溉次數(shù).同時(shí)，氮肥是該地區(qū)農(nóng)田施用量最多的化肥，磷鉀肥施用量相對(duì)較少.因此，本研究以河西走廊綠洲區(qū)甜高粱農(nóng)田為例，探討不同年灌溉量(5、6、7次漫灌/年)和不同施肥配施處理(N、NP、NPK處理)及其交互作用對(duì)土壤呼吸、硝化和反硝化作用的影響，以期為水肥措施條件下干旱區(qū)甜高粱農(nóng)田溫室氣體排放準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和合理安排農(nóng)業(yè)管理措施奠定試驗(yàn)基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于河西走廊黑河中游臨澤縣境內(nèi)荒漠綠洲過(guò)渡帶農(nóng)田區(qū)(N 39°21′，E 100°07′)，屬溫帶大陸性干旱氣候.年均降水量117 mm，多集中于7～8月，年均蒸發(fā)量為2 390 mm；年均氣溫7.6 ℃，最高達(dá)39.1 ℃，最低為-27.3 ℃；風(fēng)向主要為西北風(fēng)，年均風(fēng)速3.2 m/s，最大風(fēng)速21 m/s，大于8級(jí)大風(fēng)日數(shù)年平均為15 d.土壤主要為砂壤土.0～20 cm耕層土壤含有機(jī)質(zhì)6.0 g/kg，全氮0.4 g/kg，全磷0.4 g/kg，全鉀16.7 g/kg，堿解氮32.5 mg/kg，速效磷8.6 mg/kg，速效鉀108 mg/kg，沙粒、粉粒與粘粒比分別為84.5%、11.4%與4.1%[22].

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年5月2日(播種)～10月3日(收獲)在甜高粱水肥一體化研究基地進(jìn)行.試驗(yàn)所用甜高粱的品種為‘近甜1號(hào)’(BJ0601)(認(rèn)定編號(hào)：甘認(rèn)粱2013001)，采用平地覆膜種植模式以及漫灌灌溉方式.分3種灌溉處理，分別在生長(zhǎng)期內(nèi)分為5、6、7次灌溉，總灌溉量相應(yīng)為5 400 m3/hm2、6 600 m3/hm2、7 800 m3/hm2.在播種前灌水1次(600 m3/hm2)，整個(gè)生育期(苗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期)分別灌溉4次、5次和6次.根據(jù)降水情況、土壤墑情和植株長(zhǎng)勢(shì)，適時(shí)定量灌溉.由于7～8月氣溫高，蒸發(fā)量大，甜高粱需水量較大，在此時(shí)期增加灌溉次數(shù)，其余時(shí)間減少灌溉頻率.在灌溉處理的基礎(chǔ)上，肥料配施分為N處理(尿素：CO(NH2)2，總氮≥46.4%，內(nèi)蒙古博大實(shí)地化學(xué)有限公司生產(chǎn)的中顆粒速效性氮肥)、NP處理(尿素+磷酸二胺：(NH4)2HPO4，總氮≥18%，總磷≥64%，山東鴻運(yùn)昌化工科技有限公司生產(chǎn)的含氮、磷兩種營(yíng)養(yǎng)元素的二元高效復(fù)合肥)和NPK處理(復(fù)合肥：N-P2O5-K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為15%，湖北新洋豐肥業(yè)股份有限公司生產(chǎn)含有氮肥、磷肥和鉀肥的混合肥料).各肥料施量是按商品肥計(jì)量.每年N處理施肥梯度分別為：N1(0.15 kg/20 m2) 、N2(0.3 kg/20 m2)、N3(0.6 kg/20 m2)、N4(0.9 kg/20 m2)和N5(1.2 kg/20 m2)；NP處理施肥梯度分別為：NP1(0.165+0.11 kg/20 m2)、NP2(0.33+0.22 kg/20 m2)、NP3(0.67+0.43 kg/20 m2)、NP4(1+0.64 kg/20 m2)和NP5(1.33+0.89 kg/20 m2)；NPK處理施肥梯度分別為：NPK1(0.5 kg/20 m2)、NPK2(1 kg/20 m2)、NPK3(2 kg/20 m2)、NPK4(3 kg/20 m2)和NPK5(4 kg/20 m2).對(duì)照組(CK)為只灌溉不施肥.在甜高粱拔節(jié)期灌溉并進(jìn)行第一次施肥，當(dāng)甜高粱進(jìn)入抽穗期，灌溉并第二次施肥，施肥量與第一次施肥處理相同.試驗(yàn)小區(qū)的前茬作物均為玉米.采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)試驗(yàn)組重復(fù)3個(gè)樣地，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為20 m2，樣地間的緩沖帶寬約1 m，共135個(gè)小區(qū).

1.3 觀測(cè)指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤呼吸和甜高粱生物量測(cè)定 選擇CK與灌溉梯度(5、6、7灌溉)的N、NP、NPK處理(均為處理3，適中施肥水平)試驗(yàn)小區(qū)，以及CK與7次灌溉(研究區(qū)農(nóng)田應(yīng)用最多的年灌溉次數(shù))的N、NP、NPK處理梯度試驗(yàn)小區(qū)，分別在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中設(shè)置1個(gè)土壤呼吸測(cè)定基座(內(nèi)徑20 cm，高度13 cm的PVC管)，每個(gè)基座嵌入土壤10 cm.選擇所有處理均在灌溉3～5 d后的晴朗天氣(各處理土壤水分差異較小)，利用LI-8100便攜式土壤呼吸速率測(cè)量系統(tǒng)(Li-Cor Inc.,Lincoln,NE,USA)進(jìn)行土壤呼吸測(cè)定.在測(cè)定的前24 h去除基座中一切植物活體.分別于2017年7月4日(拔節(jié)期初)和8月6日(拔節(jié)期末)進(jìn)行測(cè)定(此期間為甜高粱生長(zhǎng)拔節(jié)期，生長(zhǎng)速度最快，受水肥措施影響最為明顯)，每次測(cè)定時(shí)間為北京時(shí)間9∶00～15∶00.在測(cè)定土壤呼吸的同時(shí)，用LI-8100便攜式呼吸測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定0～5 cm土層的土壤體積含水量(7月：5.42%～8.51%；8月：6.13%～8.74%)和土壤溫度(7月：18.23～19.11 ℃；8月：17.49～18.61 ℃)，土壤含水量與溫度差異較小，避免了二者差異大對(duì)土壤呼吸的影響.在所選試驗(yàn)小區(qū)，測(cè)定完土壤呼吸后，每小區(qū)采取3株甜高粱測(cè)定鮮質(zhì)量，放入烘箱120 ℃殺青2 h后，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)量干質(zhì)量.

1.3.2 土壤硝化和反硝化速率測(cè)定 土壤總硝化和反硝化速率是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用氣壓過(guò)程分離技術(shù)(BaPS)儀器(UMS GmbH Inc.,Germany)進(jìn)行測(cè)定.BaPS是在裝入野外原狀土柱的氣密恒溫系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)中壓力、CO2、O2的變化，準(zhǔn)確計(jì)算出土壤樣品的總硝化、反硝化速率.有關(guān)BaPS測(cè)定原理與程序的詳細(xì)說(shuō)明，詳見(jiàn)Ingwersen等[23]和Breuer等[24]的研究.

在農(nóng)田里，選取灌溉梯度的NPK3處理，以及7次灌溉的N處理梯度(因土壤硝化、反硝化速率測(cè)定時(shí)間較久，故僅選擇農(nóng)田施用最多的氮肥進(jìn)行研究)，于2017年8月份進(jìn)行采樣，采用直徑6 cm、高4.3 cm的環(huán)刀取樣，每個(gè)處理取6個(gè)土壤樣品作為重復(fù)，采樣后迅速送到實(shí)驗(yàn)室.將樣品放入BaPS系統(tǒng)中，恒溫水浴1～2 h(密閉空間溫度和水浴溫度達(dá)到一致)，測(cè)定10～12 h，得出土壤總硝化和反硝化速率，二者的測(cè)定結(jié)果均為6個(gè)樣品的平均值.

1.4 數(shù)據(jù)處理

在SPSS 19.0中，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD法)分別對(duì)灌溉量梯度和施肥梯度下的甜高粱生物量、土壤呼吸、硝化和反硝化速率進(jìn)行方差分析和差異顯著性比較.運(yùn)用雙因素方差分析法(Two-way ANOVA)來(lái)分析不同灌溉和施肥處理及其交互作用對(duì)土壤呼吸、總硝化和反硝化速率的影響.所有繪圖在Origin 9.0中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉水平下甜高粱地上部生物量和土壤呼吸速率

甜高粱地上部生物量和農(nóng)田土壤呼吸速率對(duì)灌溉量梯度表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)(圖1～2).無(wú)論拔節(jié)期初期與末期，隨著年灌溉次數(shù)的增多，甜高粱地上生物量和土壤呼吸速率均呈逐漸增加趨勢(shì).7次灌溉處理下的甜高粱地上生物量和土壤呼吸速率均顯著大于6次和5次灌溉處理(P<0.05).6次和5次灌溉各施肥處理(CK、N3、NP3、NPK3)與7次灌溉相比，地上生物量拔節(jié)期初分別低12.4%和22.3%、20.1%和40.2%、15.6%和37%、16.9%和31.3%(圖1-A)，拔節(jié)期末分別低24.4%和31.6%、14.1%和40%、28.6%和45.5%、20.9%和42.6%(圖1-B)；土壤呼吸速率拔節(jié)期初分別低27%和42.6%、32%和63.2%、9.9%和40.5%、31.4%和36.2%(圖2-A)，拔節(jié)期末分別低17.3%和66.7%、18.4%和47.9%、10%和77.1%、22.2%和82.4%(圖2-B).此外，無(wú)論拔節(jié)期初期還是末期，相同灌溉量水平下，N3、NP3、NPK3處理的甜高粱地上生物量和土壤呼吸速率都明顯高于CK，但N3、NP3、NPK3各肥料配施處理之間的生物量與土壤呼吸整體差異微小，沒(méi)有明顯的規(guī)律，說(shuō)明相對(duì)于施肥，干旱區(qū)甜高粱農(nóng)田作物生長(zhǎng)和土壤呼吸受灌溉作用影響更大.

不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).圖1 拔節(jié)期初(A)、末(B)年灌溉次數(shù)梯度下的甜高粱地上部生物量Figure 1 The aboveground biomass of sweet sorghum under the gradient of irrigation times at the beginning (A) and end (B) of jointing period

不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).圖2 拔節(jié)期初(A)、末(B)年灌溉次數(shù)梯度下甜高粱農(nóng)田土壤呼吸速率Figure 2 The soil respiration rate in sweet sorghum farmland under the gradient of irrigation times at the beginning (A) and end (B) of jointing period

經(jīng)過(guò)拔節(jié)期生長(zhǎng)，所有灌溉水平處理的甜高粱地上生物量均大幅增長(zhǎng)，增長(zhǎng)范圍為81.9%～136.4%(圖1).灌溉次數(shù)越多，增幅越大，說(shuō)明干旱區(qū)農(nóng)田作物對(duì)水分依賴性很強(qiáng).同時(shí)，所有灌溉處理下的土壤呼吸速率也均呈增大趨勢(shì)，增幅為8.4%～98.6%(圖2).但是，土壤呼吸速率拔節(jié)期增大量隨灌溉梯度沒(méi)有表現(xiàn)出明顯規(guī)律.

2.2 不同施肥處理下甜高粱地上生物量和土壤呼吸速率

甜高粱地上部生物量和農(nóng)田土壤呼吸速率在不同施肥處理梯度下均表現(xiàn)出明顯相似的規(guī)律，隨著施肥水平的增加，拔節(jié)期初期與末期的生物量和土壤呼吸速率均呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05)(圖3～4).N、NP、NPK所有處理梯度與CK相比，生物量拔節(jié)期初增幅依次為8.3%、40%、48.3%、53.3%和75%，25%、36.7%、44.2%、57.6%和66.7%，5%、15%、37.5%、48.3%和50%(圖3-A)，拔節(jié)期末增幅依次為6.2%、15.9%、29%、39.9%和48.9%，7.2%、24.3%、39.9%、50.4%和48.6%，5.8%、21.7%、30.8%、32.2%和45.3%(圖3-B)；同時(shí)，土壤呼吸速率拔節(jié)期初增幅分別為22.9%、44.9%、61.6%、64.1%和71%，2.9%、10.2%、24.5%、38.8%和54.7%，17.6%、21.2%、29%、49.8%和44.9%(圖4-A)，拔節(jié)期末增幅分別為6.9%、15.6%、27.8%、31.1%和42.2%，4.8%、14.4%、21.6%、28.4%和42.8%，13.2%、18.3%、32.9%、33.8%和35.9%(圖4-B).無(wú)論拔節(jié)期初期還是末期，甜高粱地上生物量和土壤呼吸在N、NP和NPK各處理水平之間基本上均相差較小，無(wú)明顯規(guī)律.

不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).圖3 拔節(jié)期初(A)、末(B)不同施肥處理梯度下的甜高粱地上部生物量Figure 3 Aboveground biomass of sweet sorghum under different fertilization gradients at the beginning (A) and end (B) of jointing period

不同施肥處理下，拔節(jié)期甜高粱迅速生長(zhǎng)，農(nóng)田土壤呼吸增強(qiáng)，地上生物量和土壤呼吸速率增長(zhǎng)范圍分別為90.1%～145.2%和8.4%～42.8%.二者的增幅隨各施肥處理含量增加規(guī)律不明顯，但對(duì)不同配施處理響應(yīng)有所不同.整體上，經(jīng)過(guò)拔節(jié)期，生物量在NPK處理下增幅最大(104.7%～145.2%)，NP處理次之(97.9%～124.1%)，N處理最小(90.1%～124.6%).NPK(32.3%)和NP(34.4%)配施處理的土壤呼吸速率平均增幅均為N處理平均增幅(16.1%)的約2倍.

不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).圖4 拔節(jié)期初(A)、末(B)不同施肥處理梯度下的甜高粱農(nóng)田土壤呼吸速率Figure 4 The soil respiration rate in sweet sorghum field under different fertilization gradients at the beginning (A) and end (B) of jointing period

2.3 不同灌溉和施肥水平下的土壤總硝化和反硝化速率

甜高粱農(nóng)田土壤總硝化和反硝化速率對(duì)灌溉梯度的響應(yīng)不同，且變化規(guī)律均不明顯(圖5-A).7次灌溉處理的總硝化速率(265.11 μg/(kg·h))最大，并顯著高于5次、6次灌溉(P<0.05).5次和6次灌溉處理下的土壤總硝化速率分別比7次灌溉降低58%和59%.然而，各灌溉處理下的反硝化速率之間不存在顯著性差異(P>0.05).

另外，隨著氮肥含量的增加，甜高粱農(nóng)田土壤總硝化、反硝化速率均呈增加趨勢(shì)(圖5-B)，說(shuō)明氮肥的施加會(huì)促進(jìn)甜高粱農(nóng)田硝化、反硝化作用.N1、N2、N3、N4和N5處理的土壤總硝化速率分別比CK處理顯著增加100.75%、123.34%、236.05%、287.67%和326.39%(P<0.05)，反硝化速率依次比CK顯著增加56.86%、93.36%、270.74%、488.54%和550.03%(P<0.05).

不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).圖5 灌溉次數(shù)梯度(A)和氮肥梯度(B)的土壤總硝化和反硝化速率Figure 5 The total nitrification rate and denitrification rate under irrigation times (A) and nitrogen fertilizer (B) gradients

3 討論

3.1 不同灌溉和施肥措施對(duì)甜高粱農(nóng)田土壤呼吸的影響

土壤呼吸主要包括植物根系呼吸與土壤微生物呼吸兩部分，受各種生物與非生物因素的共同作用，是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程[25-26].水肥互作是干旱區(qū)農(nóng)田最主要的管理措施，不同水肥措施對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)、微生物群落組成與數(shù)量、以及作物生長(zhǎng)狀況的變化有著重要的影響，進(jìn)而使農(nóng)田土壤呼吸在空間上產(chǎn)生差異[9].干旱區(qū)作物生長(zhǎng)所需水分主要來(lái)自于灌溉，年灌溉量的差別通過(guò)對(duì)土壤-作物環(huán)境的作用對(duì)農(nóng)田土壤呼吸速率產(chǎn)生影響[7].以往研究表明，灌溉量的增加會(huì)促進(jìn)土壤呼吸，過(guò)量則反之[27-28].本研究選取的灌溉處理均未達(dá)到過(guò)量級(jí)別，且隨著年灌溉量的增多，甜高粱農(nóng)田土壤呼吸速率呈逐漸增加趨勢(shì)，甜高粱地上生物量與土壤呼吸表現(xiàn)出相似的趨勢(shì).這主要是因?yàn)樵谶m度范圍內(nèi)，灌溉越多的干旱區(qū)甜高粱農(nóng)田土壤物理結(jié)構(gòu)越好，其孔隙分布越有利于氧氣與水分的擴(kuò)散，從而促進(jìn)甜高粱根系的生長(zhǎng)與呼吸以及微生物的活性，進(jìn)而加強(qiáng)土壤呼吸作用[29].相反，研究區(qū)氣候干燥、蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水位相對(duì)較淺，灌溉相對(duì)較少的農(nóng)田易引發(fā)土壤鹽堿化，對(duì)土壤微生物活性、數(shù)量以及群落多樣性產(chǎn)生抑制作用，也會(huì)破壞土壤粘粒結(jié)構(gòu)使土壤表面板結(jié)，限制土壤水分與空氣的運(yùn)移，對(duì)甜高粱根系呼吸和微生物活性產(chǎn)生間接負(fù)影響[30-31].另外，本研究顯示，甜高粱地上生物量拔節(jié)期增長(zhǎng)量隨灌溉次數(shù)增多而增大，然而，土壤呼吸速率在拔節(jié)期的增大量隨灌溉梯度沒(méi)有表現(xiàn)出明顯規(guī)律.這可能是拔節(jié)期間甜高粱地下生物量生長(zhǎng)速度不及地上生物量導(dǎo)致的.

在干旱區(qū)，施肥是農(nóng)田貧瘠土壤的主要養(yǎng)分來(lái)源，主要通過(guò)對(duì)作物根系與微生物生物量的影響對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生作用，不同化肥配施對(duì)土壤呼吸的影響強(qiáng)度不同[9,32].本研究中，施肥處理對(duì)甜高粱農(nóng)田土壤呼吸速率和地上生物量具有促進(jìn)作用.氮肥施加可以提高土壤中氮的有效性，從而促進(jìn)植物的光合作用和提高作物生產(chǎn)力，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，使得根呼吸得到加強(qiáng)；施氮還會(huì)促進(jìn)作物根系分泌物增多，進(jìn)而促進(jìn)有機(jī)碳積累，微生物的活性和數(shù)量隨之增加，使微生物呼吸增強(qiáng)[19,33].以往研究中，施氮對(duì)土壤呼吸的影響并不一致[34-35].多數(shù)研究表明土壤呼吸作用隨施氮水平的提高而增強(qiáng)[10,33].但是，Moran等[36]認(rèn)為氮與土壤活性碳會(huì)進(jìn)行縮合反應(yīng)，從而增加土壤惰性碳含量，導(dǎo)致土壤向大氣排放的碳減少.氮添加對(duì)土壤呼吸的不同影響，可能是由生物群落、環(huán)境條件以及試驗(yàn)方法的差異導(dǎo)致的[35].此外，本研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論拔節(jié)期初期還是末期，甜高粱地上生物量和土壤呼吸在N、NP和NPK各處理水平之間基本上均相差較小，無(wú)明顯規(guī)律.這可能是因?yàn)樵诟珊祬^(qū)相對(duì)于施肥，灌溉對(duì)甜高粱的生長(zhǎng)影響更大；也可能存在農(nóng)田基底養(yǎng)分含量的差異.但是經(jīng)過(guò)拔節(jié)期，不同施肥處理下的生物量增幅表現(xiàn)為NPK>NP>N處理，同時(shí)，NPK和NP處理的土壤呼吸速率平均增幅均為N處理的約2倍，這說(shuō)明甜高粱拔節(jié)期間，P、K對(duì)甜高粱的生長(zhǎng)起著重要作用，促進(jìn)了土壤呼吸.

通常情況下，灌溉與施肥對(duì)農(nóng)田土壤呼吸的影響存在密切的交互作用[9,11].土壤水分能夠促進(jìn)化肥的溶解與運(yùn)移，從而增強(qiáng)根系和土壤微生物群落對(duì)肥料的吸收[37].同時(shí)，施肥可以增大根系生物量和土壤微生物量，其生命活動(dòng)的維持又增加了對(duì)土壤水分的需求[38].本研究顯示，灌溉量和各施肥處理(N、NP、NPK)的交互作用對(duì)甜高粱農(nóng)田土壤呼吸的影響均具有顯著促進(jìn)作用(P<0.05，表1)，表明隨水肥含量的增加，干旱區(qū)甜高粱農(nóng)田土壤釋放的CO2通量增加.

表1 不同灌溉(Ir)和施肥(N、NP、NPK)及其交互作用對(duì)土壤呼吸速率影響的雙因素方差分析

3.2 不同灌溉和施肥措施對(duì)甜高粱農(nóng)田土壤硝化和反硝化作用的影響

土壤硝化和反硝化作用是兩個(gè)土壤產(chǎn)生和排放N2O的氮素轉(zhuǎn)化主要過(guò)程，二者相互獨(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)[39].硝化、反硝化反應(yīng)分別喜好氧、厭氧環(huán)境，但硝化反應(yīng)的產(chǎn)物可以作為反硝化反應(yīng)的底物，從而促進(jìn)反硝化作用[4].農(nóng)田水肥措施主要通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)影響著硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等微生物的活性與數(shù)量，進(jìn)而對(duì)土壤硝化、反硝化作用產(chǎn)生重要影響[16-17].灌溉是影響農(nóng)田土壤中氧氣擴(kuò)散、溶質(zhì)運(yùn)移和微生物活性的關(guān)鍵因子[18,40].本研究中，隨灌溉梯度變化，甜高粱農(nóng)田土壤硝化和反硝化作用均未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律.Sexstone等[8]研究發(fā)現(xiàn)，土壤反硝化速率在灌溉后立即增大，增加到最大值后又返回到灌溉前水平.本試驗(yàn)是在灌溉若干天后才取樣測(cè)定，硝化-反硝化作用可能對(duì)灌溉即時(shí)的響應(yīng)比較大，而對(duì)灌溉長(zhǎng)期效應(yīng)響應(yīng)相對(duì)較小.

以往研究表明，氮肥添加對(duì)土壤硝化和反硝化作用的影響不盡一致[41-43].劉方平等[41]通過(guò)對(duì)棉花田進(jìn)行不同水肥處理，表明在相同灌溉水平下，隨著施氮量增加，土壤總硝化、反硝化速率均呈現(xiàn)增大趨勢(shì).劉琦蕊等[42]對(duì)毛竹林的研究也發(fā)現(xiàn)，施加氮肥可以促進(jìn)土壤硝化、反硝化作用.與此相反，Li等[43]研究發(fā)現(xiàn)，硝化、反硝化速率與N2O的釋放表現(xiàn)為正指數(shù)函數(shù)關(guān)系，適度的氮肥使用顯著降低了N2O的釋放，表明施氮對(duì)土壤硝化反硝化作用具有抑制作用.與劉方平等[41]和劉琦蕊等[42]的研究結(jié)果一致，本研究表明在甜高粱農(nóng)田中，施氮也有助于促進(jìn)土壤總硝化和反硝化速率.添加氮肥可以增加銨態(tài)氮的含量，進(jìn)而增強(qiáng)硝化細(xì)菌的活性，從而促進(jìn)硝化速率，同時(shí)，反硝化作用以硝化作用的產(chǎn)物為底物，所以，反硝化速率也隨之增強(qiáng).

水肥互作對(duì)農(nóng)田土壤硝化、反硝化作用具有重要的綜合效應(yīng)[34].本研究表明，在干旱區(qū)甜高粱農(nóng)田，灌溉量對(duì)土壤硝化和反硝化作用無(wú)顯著影響(P>0.05)，施氮對(duì)土壤總硝化和反硝化速率均具有極顯著影響(P<0.01)，且二者的交互作用對(duì)土壤總硝化和反硝化速率均具有顯著促進(jìn)作用(P<0.05，表2)，說(shuō)明隨水肥含量增加梯度變化，甜高粱農(nóng)田土壤N2O通量呈現(xiàn)出增加趨勢(shì).

表2 不同灌溉(Ir)和氮肥(N)及其交互作用對(duì)土壤總硝化、反硝化速率影響的雙因素方差分析

4 結(jié)論

1) 年灌溉次數(shù)對(duì)甜高粱農(nóng)田土壤呼吸具有顯著的影響.隨著年灌溉量的增多，土壤呼吸速率均呈逐漸增加趨勢(shì)，甜高粱地上生物量與土壤呼吸變化趨勢(shì)相似.但是，土壤硝化、反硝化作用隨灌溉梯度沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律.

2) 甜高粱農(nóng)田土壤呼吸、硝化和反硝化速率隨施肥梯度均呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì).施肥處理對(duì)甜高粱農(nóng)田土壤呼吸速率和地上生物量均具有顯著促進(jìn)作用.施氮顯著促進(jìn)了土壤總硝化和反硝化速率.

3) 甜高粱拔節(jié)期間，不同化肥配施對(duì)土壤呼吸具有一定影響.NPK和NP處理的土壤呼吸速率拔節(jié)期平均增幅均為N處理平均增幅的約2倍，說(shuō)明P、K在拔節(jié)期間對(duì)土壤呼吸具有明顯促進(jìn)作用.

4) 灌溉與施肥的交互作用對(duì)甜高粱農(nóng)田土壤呼吸、硝化和反硝化作用的影響均具有顯著促進(jìn)作用，表明水肥措施差異是農(nóng)田土壤碳氮通量空間變異的主要因素.