黄土高原旱作小麦土壤呼吸及组分对长期施氮与降雨的响应

In the global terrestrial ecosystem, soil respiration is the main factor that determine the carbon balance. So to clarify the variation mechnisms of soil respiration is the basis that accurately assess the terrestrial carbon sink. In most agroecological systems in the Loess Plateau region, long-term nitrogen （N） fertilization significantly influences on soil organic carbon decomposition and soil respiration, as a result to change carbon balance. In this study, soil respiration will be investigated in a rainfed wheat ecosystem which has been applied N for 10 years. The SOC compsition of different soil layers will be measured to clarify the effects of long-term N application on SOC accumulation and decompsition. Soil respiration and its components will be measured with the LI-8150 automated soil CO2 flux system and the corresponding environmental factors will be measured with several automatic meteorological instruments. The soil respiration mechnism, thus, will be discussed. And the response of soil respiration to precipitation was analyzed. Moreover, the temperature sensitivity of soil respiration and its components in rainfed wheat ecosystem will be researched. The Q10 function will be assessed with analysis of multiple factors. Overall, the above works would improve our understanding on soil respiration regulation mechnism, and contribute to accurately assess the soil carbon sink on the Loess Plateau region.

土壤呼吸是影响土壤碳库动态变化的关键环节。长期施氮使农田土壤碳循环过程发生改变。但在低水多变的黄土高原，农田土壤呼吸的变异特征及机制尚不十分明确。本研究以黄土高原东部持续10年定位施氮的旱作小麦农田为研究对象，以多年监测的生理生态参数为基础，拟通过持续定位监测不同时间尺度土壤呼吸及组分的动态变化，分析不同呼吸组分的变异特征、主控因子以及对总呼吸的贡献率，阐明温度敏感性差异；通过测定土壤呼吸各组分对自然与人工降雨的响应时间与阈值，揭示呼吸组分在降雨过程中的变化特征，分析半干旱区农田土壤呼吸对降雨的响应机制；通过研究不同深度土壤微生物量与有机碳组成等变化，进一步明确土壤呼吸与有机碳分解的内在联系及降雨的扰动作用，探讨有机碳库稳定性；综合持续施氮的长期影响与降雨的短期激发效应，初步阐明长期施氮下黄土高原农田土壤呼吸的变异特征与机制，为准确评估半干旱区农田土壤碳源/汇强度以及合理施肥提供理论依据。

本研究以十年持续施氮的旱作麦田为研究对象，明确了小麦农田碳平衡对不同施氮水平的响应；揭示了氮添加对小麦农田土壤呼吸组分的影响；阐明了长期施氮对土壤有机碳物理化学稳定性的影响机制。主要结论如下：.（1）小麦田植被碳库范围在3.47-6.0 Mg C hm-2之间，施氮可提高小麦产量和固碳能力；丰水年小麦达到较高产量与固碳量的施氮量低于欠水年，分别为180 kg hm-2与270 kg hm-2；长期过量施氮使产量与植被碳库显著下降，本研究的施氮量阈值为270 kg hm-2；长期施氮主要影响0-120 cm土层的碳氮含量；施氮量低于270 kg hm-2的处理土壤碳储量增加，而在施氮量为 360 kg hm-2的处理中土壤碳库减少。.（2） 轻组分和重组分碳氮含量在不同施氮处理中差异不显著；可溶性碳在较高施氮量（180，270和360kg hm-2）下20-200cm土层中较低氮处理显著降低，易氧化碳在90kghm-2施氮量处理下含量较高，之后随着施氮量的增加而降低；可溶性氮和无机氮随着施氮量的增加而增加，其中硝态氮对氮添加敏感性较高；轻组分碳氮和易氧化碳在表层土壤中较敏感，而可溶性碳和氮在深层土壤中表现的更加敏感。.（3）小麦生长季土壤总碳排放量范围在1.73~3.28 Mg C hm-2之间。氮添加通过改变土壤呼吸组分与总呼吸的比例来调控土壤碳排放量。180 kg hm-2施氮量处理碳排放量最高，根系自养呼吸也较大，长期过量施氮与不施氮处理的土壤呼吸速率没有显著差异；土壤呼吸速率季节动态与叶面积指数、光合、表层土壤温度多因子的相关性显著高于各单因子，且与表层土壤含水量无显著相关；农田生态系统中存在土壤呼吸与土壤温度日变化解偶联效应。.（4）抗旱品种长旱58生长季的土壤总碳排放量显著高于水分敏感型品种郑麦9023。长旱的土壤呼吸日进程与光合有效辐射正相关，施氮通过提高相关性促进了土壤呼吸，但土壤呼吸的温度敏感性（Q10）较弱，持续施氮下Q10降低。郑麦的土壤呼吸日变化主要受土壤温度与光合有效辐射共同影响，Q10显著高于长旱，土壤呼吸的日进程峰值滞后于长旱1.4 h，适量施氮通过提高Q10增强土壤呼吸速率。