长期施肥对水稻-小麦轮作农田土壤呼吸的影响及驱动因子

农田土壤有机碳含量的增减是特定农田生态系统成为碳源或碳汇的标志，揭示和调控与土壤养分资源管理有关的土壤呼吸过程是挖掘农田生态系统固碳潜力的关键。本课题以水稻-小麦水旱轮作体系为研究对象，以长期定位施肥试验为主要研究平台，开展基于土壤呼吸对施肥措施响应机理的理论研究，量化土壤-作物系统中土壤呼吸强度及各组分贡献，揭示农田生态系统土壤呼吸CO2排放的环境因子和主控过程。重点研究水旱轮作体系长期施肥对土壤呼吸的影响，土壤呼吸对环境和生物因子的响应，以及土壤呼吸组分分析。围绕以上研究内容，主要完成4方面的实验：（1）长期不同施肥下土壤呼吸日和季节变化特征；（2）长期施肥下土壤特性与土壤呼吸的关系；（3）土壤呼吸组分分析以及施肥对土壤呼吸的贡献；（4）土壤呼吸对土壤水温因子的敏感性分析。本研究形成的研究结果可丰富土壤呼吸的理论，为深入了解农田系统的土壤呼吸提供重要的理论支持。

本课题以水稻-小麦水旱轮作体系为研究对象，以长期定位施肥试验为主要研究平台，开展基于土壤呼吸对施肥措施响应机理的理论研究，量化土壤-作物系统中土壤呼吸强度，揭示农田生态系统土壤呼吸CO2排放的环境因子和主控过程。重点研究了水旱轮作体系长期施肥对土壤呼吸的影响，土壤呼吸对环境和生物因子的响应。围绕以上研究内容，主要完成4方面的实验：（1）长期不同施肥下土壤呼吸日和季节变化特征；（2）长期施肥下土壤特性与土壤呼吸的关系；（3）土壤呼吸对土壤水温因子的敏感性分析；（4）土壤干湿交替对土壤呼吸的影响。研究获得以下主要结论：.长期不同施肥显著影响土壤CO2通量。土壤CO2通量具有一定季节性变化特征，在水稻生长季，土壤CO2通量变幅在0.15 ~10.71 µmol m-2 s-1之间；在小麦生长季，土壤CO2通量变化范围分布在0.03 ~ 6.67 µmol m-2 s-1之间。从整个年度平均土壤CO2通量来看，各处理表现为：NPK+M > M > N+M > NP+M > NPK > NP > N > CK，其中施用有机肥处理显著增加了土壤呼吸均通量。从温度敏感性来看，土壤温度是影响小麦季不同施肥模式下土壤呼吸的主要因素，小麦季各施肥模式下温度敏感性系数在1.94 ~2.42之间；水稻季指数模型拟合效果较差。土壤CO2通量与土壤有机质、全氮、全磷、土壤微生物碳含量以及酸性磷酸酶和脲酶活性具有极显著的线性相关性，说明不同施肥可通过改变以上理化生物状况来影响土壤碳排放。.采用LGR土壤碳通量测量系统在水稻生长季对土壤呼吸进行了高频度的测定。土壤干湿交替过程、作物生长以及环境温度变化共同控制稻田土壤CO2排放；土壤淹水条件下CO2排放显著低于落干条件，最高极值出现在水稻分蘖期的土壤落干条件下。对日变化而言，落干条件下，晚上CO2排放保持在2~4µmol.m-2.s-1之间，白天CO2排放随着温度的升高而升高；环境温度控制土壤CO2的排放；淹水条件下，土壤表层淹水阻碍CO2扩散，晚上CO2排放保持在较低水平，而在白天CO2排放明显降低，甚至出现负值。相关性分析表明，落干条件下，土壤CO2排放与冠层温度和土壤温度具有显著的正相关关系；淹水条件下，土壤CO2排放与冠层温度和土壤温度具有显著的负相关关系。