土壤呼吸是土壤碳库向大气输入碳的主要途径，其变化将显著改变大气二氧化碳浓度和土壤有机碳的累积速率^{[1, 2]}，土壤呼吸排放速率的高低及动态过程是反映土壤有机碳分解快慢的重要指标^[3]。农田土壤碳库不仅是全球碳库的一个重要组成部分，而且是其中最活跃的部分，特别是在人类耕种、施肥、灌溉等管理活动影响下，农田生态系统土壤碳库在较短的时间尺度上受到强烈的人为干扰^[4]。因此，阐明农田土壤呼吸特征及影响因素对于评价土壤碳收支及缓解全球气候变化均具有重要的现实意义。

土壤呼吸主要包括根系呼吸和微生物呼吸^[5]，从土壤呼吸的生理机制来说，前者主要是自养呼吸，后者为异养呼吸。相关研究表明，根系呼吸不是土壤本身有机碳的损失，在研究土壤有机碳的碳收支平衡时必须将其从土壤总呼吸中扣除^[6]，而土壤异养呼吸排放的二氧化碳是土壤有机碳的气态损失的直接途径，其是评价土壤碳收支的关键环节。目前，国内外对土壤呼吸的研究较为活跃，研究范围涉及林地、草地、湿地及农田^{[7, 8, 9]}，且多是以土壤-植物系统为研究对象，而对土壤异养呼吸研究相对缺乏。较多研究表明土壤温度、水分状况、土地利用变化及施肥方式等均会对土壤呼吸造成重要影响^{[10, 11, 12]}。Ding等^[12]通过河南封丘长期定位试验，研究了不同施肥方式下土壤-植物系统的土壤呼吸过程，认为施肥方式的改变对土壤呼吸的季节及年际变化均有显著影响，施用有机肥可显著增加土壤呼吸年二氧化碳释放总量，与常规施肥相比，增幅可达16%，然而，这些研究结论多是以土壤-植物为系统为研究对象，未能对土壤异养呼吸变化规律及影响因素进行阐述。土壤温度、水分状况及施肥方式的改变除对根系呼吸产生影响外，还会对土壤微生物活性造成一定的影响，进而影响土壤异养呼吸^{[13, 14]}。土壤温度、水分状况等环境因子与土壤异养呼吸速率之间的相互关系及施肥方式对土壤异养呼吸的影响仍需进一步阐明。

紫色土作为长江中上游主要的耕作性土壤类型之一，有机质含量低^{[15, 16]}。土壤异养呼吸过程排放的二氧化碳可能是土壤有机碳含量较低的一个重要因素。本文通过一年的定位试验，研究紫色土不同施肥方式下土壤异养呼吸速率日、季节动态变化，并探讨温度、湿度与土壤异养呼吸速率的相互作用关系，旨在全面了解紫色土土壤异养呼吸的特征及影响因素，以期为调控紫色土土壤有机碳气态支出过程，增强土壤固碳能力提供理论参考。

试验点位于中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站内(105° 27′E，31°16′N)。该站位于四川盆地中北部的盐亭县林山乡，地处涪江支流弥江、湍江的分水岭上。属中亚热带湿润季风气候，年均气温17.3 ℃，极端最高气温42 ℃，极端最低气温-5.1 ℃，多年平均降雨量826 mm。土壤为蓬莱镇组石灰性紫色土，质地为中壤，田间持水量为28.1%—37.8%，凋萎系数为5.4%—7.7%，土层厚度为20—60 cm，土壤剖面下层泥页岩透水较弱。

试验小区海拔420 m，坡向西北-东南，坡度6.5°，坡长8 m，宽度为4 m，面积为32 m²，整个土层厚度约为60 cm，种植制度为冬小麦-夏玉米。试验共设置3种施肥处理：常规氮磷钾肥(简称NPK)、单施猪厩肥(简称OM)、秸秆配施氮磷钾肥(简称RSDNPK)，每种施肥处理分别设置3个重复。小麦季施氮肥总量130 kg/hm²(以纯N计)、磷肥90 kg P₂O₅/hm²、钾肥36 kg K₂O/hm²；玉米季施氮肥150 kg/hm² (以纯N计)、磷肥和钾肥同小麦季。各施肥处理的施氮量(总氮)维持在同一水平，即小麦季130 kg N/hm²，玉米季150 kg N/hm²，全年共280 kg N/hm²。施肥前，提前测定猪厩肥(新鲜猪粪)和当季秸秆中全氮含量，并按纯氮总量进行换算。其中猪厩肥处理(OM)所需氮肥量全部来自于新鲜猪粪，秸秆配施氮磷钾肥(RSDNPK)氮磷钾肥氮肥占60%，秸秆占40%。施肥的方式采用基肥一次性于播种前人工施入，耕作和施肥同步，耕作方式为人工锄耕，深度为20 cm。冬小麦采取撒施的方式，夏玉米为穴施，冬小麦施肥时间为2010年11月30日，夏玉米为2011年6月9日。氮磷钾肥氮肥为碳酸氢铵，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。小麦和玉米季各处理施肥设计方案见表 1。

于2010年9月17日玉米收获后采集各处理0—20 cm表层土壤样品用于测试基本理化性质(表 2)，测定参考土壤农业化学分析方法^[17]。土壤有机碳重铬酸钾容量法；土壤全氮采用凯氏定氮法；土壤全磷采用酸溶-钼锑抗比色法；土壤硝态氮紫外可见分光光度双波长法；pH电位法、容重环刀法、土壤机械组成采用吸管法。

土壤异养呼吸速率测定采用根去除法^{[18, 19]}，其排放速率测定采用静态暗箱-气相色谱法^{[12, 20]}。用于静态箱采样底座布置于试验小区中植株之间的空地上，布置采样底座以前，手工剔除杂草和植物地上部分和根系，同时为避免采样时对样地的踩踏，搭载木制栈桥。底座夯入土壤深度为20 cm，并用附近土壤将底座四周小心围起，使其与整个田面相平。为消除底座周围植物的根系干扰，底座无孔，确保无植物根系进入采样区，此外底座四周各留50 cm的保护行，并定期去除保护行及底座内杂草。底座大小为50 cm × 50 cm× 20 cm(长×宽×高)，材料为不锈钢。种植时各底座内单独施肥，不播撒种子，施肥比例与试验小区相同；气体采样顶箱的大小为50 cm× 50 cm× 50 cm(长×宽×高)，采样箱内装2个轴流混气扇、1个采样管和1个温度探头，实验设置3个重复。观测时间为2010年12月至2011年10月，观测频率为每周1—2次，为减少土壤异养呼吸日变化差异的影响，观测时间固定在每天9:00—11:00进行，气体采集时间间隔为7 min，共采集4个样品^{[12, 21]}。采集的气样保存在50 mL医用注射器内，并放入整理箱，避光保存，24h内分析完成。气体CO₂浓度分析用安捷伦7890气相色谱仪(GC)FID检测器进行，高纯氮(99.9999%)做载气，通过标准气体和待测气体的峰面积来计算待测气体中CO2的浓度，土壤异养呼吸CO₂ 排放速率用单位时间单位面积观测箱内该气体质量的变化，计算公式如下：

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式中，F为土壤异养呼吸速率(mgCO₂m^-2h^-1)；P为采样点气压(bar)；H为采样箱的高度(cm)，本文为50 cm；t为每次采样21 min内箱内温度的平均值； dc dt 为箱内CO2气体浓度的变化速率。

在采集气体的同时，同步测定地表(0—10 cm)体积含水量、地表及地下5 cm处土壤温度。土壤体积含水量用便携式测墒计(MPKit-B，杭州托普仪器有限公司)测定，土壤温度使用便携式温度计(JM624 Digital Thermometer公司)测定，并用盒式气压计读取当日气压并记录天气状况，采样日降雨量数据从中科院盐亭紫色土农业生态试验站人工气象站降雨观测平台获取，观测仪器为虹吸式雨量计。

土壤中水分含量用总孔隙含水率 (water-filled pore space，WFPS)表示：

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式中，SWM为土壤体积含水率(%)；BD为土壤容重(g/cm³)；PD为土壤密度，取2.65 g/cm³；采用R_s=ae^bT(a，b为常数，T为土壤温度)拟合土壤温度和土壤异养呼吸速率的关系，土壤呼吸温度敏感性参数用Q₁₀表示(Q₁₀=e^10b)。采用一元线性回归方程拟合土壤湿度和土壤异养呼吸速率的相关关系。土壤温度、土壤湿度、土壤异养呼吸速率日变化、季节性变化以及平均呼吸速率均在Sigmaplot10.0下绘制，单因素方差分析及相关性分析均在SPSS17.0下进行，多重比较采用LSD法。

土壤湿度和温度季节变化如图 1所示。图 1中各处理土壤湿度(WFPS)变化趋势基本相似，其中从2011年8月5日至2011年9月3日土壤湿度有大幅度下降，主要是由于该时段内无降雨造成的长期干旱，而后随着降雨的补给土壤湿度逐渐上升。NPK、OM、RSDNPK处理土壤湿度平均值分别为52.2%、50.6%和53.7%，三者之间无显著性差异(P>0.05)。地表和地下5 cm土壤温度变化趋势基本相同，总体为冬季温度低，春季温度缓慢回升至夏季达到最大(图 1)。地表及地下5 cm土壤温度11月份最低，7月份达到最高。NPK、OM、RSDNPK处理地表及地下5 cm平均温度分别为20.3、19.2、19.9和19.5、19.1、19.9 ℃，地表温度稍高于地下5 cm温度。方差分析表明，3种处理地表和地下5 cm温度平均值均无显著性差异(P>0.05)。

图 1 土壤湿度、降雨量和土壤温度季节变化 Fig. 1 Seasonal patterns of soil moisture,rainfall and soil temperature during the whole experiment period NPK、OM、RSDNPK分别表示常规氮磷钾肥、单施猪厩肥和秸秆配施氮磷钾肥

图选项

图 2列举了2011年7月23—24日和9月11—12日土壤异养呼吸的两次日变化过程特征(24 h)。各处理呼吸速率日变化过程基本相似。最大值出现在13:00，最低值为05:00。7月23—24日NPK、OM和RSDNPK处理土壤异养呼吸速率平均值分别为520.1、736.6和689.0 mgCO₂/m²，09:00—11:00呼吸速率平均值为528.6、792.9和678.6 mgCO₂/m²(图 2a、b)。9月11—12日NPK、OM和RSDNPK处理土 壤异养呼吸速率平均值达345.5、461.8和420.4mgCO₂/m²，相应09:00—11:00呼吸速率平均值分别为456.9、467.8和376.9 mgCO₂/m²(图 2)。可见用09:00—11:00时段内土壤异养呼吸速率的测定值来代表全天的土壤异养呼吸速率的平均值是可行的，这与韩广轩等^[22]对该地区的日变化研究结果相似。

图 2 土壤温度和土壤异养呼吸日变化 Fig. 2 Diurnal variations of soil temperature and soil heterotrophic respiration rate under different fertilization regimes NPK、OM、RSDNPK分别表示常规氮磷钾肥、单施猪厩肥和秸秆配施氮磷钾肥

图选项

土壤异养呼吸速率的季节性变化趋势基本与土壤温度同步，冬季呼吸速率低，春季缓慢抬升至夏季达到最大(图 3)。施肥后第5天(2011年6月14日)土壤异养呼吸速率达到峰值，其中OM处理在施肥后第5天土壤异养呼吸速率峰值为2356.8 mgCO₂ m^-2 h^-1，其呼吸速率峰值显著高于RSDNPK和NPK(P<0.01)；小麦季，NPK、OM和RSDNPK处理土壤异养呼吸速率平均值分别为212.9、285.8和305.8 mgCO₂m^-2h^-1，OM和RSDNPK处理均显著高于NPK处理(P<0.05)，OM和RSDNPK处理之间无显著差异。玉米季NPK、OM和RSDNPK处理呼吸速率平均值分别为408.2、642.8和446.4 mgCO₂m^-2h^-1。全年，3种施肥处理呼吸速率平均值以OM最大，RSDNPK次之，NPK最小，呈现突出的OM>RSDNPK>NPK特征(P<0.01)。

图 3 土壤异养呼吸速率季节变化 Fig. 3 Seasonal variation of soil heterotrophic respiration during the whole experiment period NPK、OM、RSDNPK分别表示常规氮磷钾肥、单施猪厩肥和秸秆配施氮磷钾肥

图选项

通过对小麦季(2010年11月30日至2011年5月31，共计18d)和玉米季(2011年6月9日至2011年10月15日，共计129d)内各处理土壤异养呼吸CO₂排放量计算可知(图 4)，NPK、OM和RSDNPK 3种施肥处理小麦季土壤异养呼吸CO₂排放量为255.1、342.3和369.5 gC/m²，玉米季为344.7、542.8、376.9 gC/m²，玉米季高于小麦季。全年CO₂排放总量分别为599.8、885.1和746.4 gC/m²，与NPK处理相比，全年OM和RSDNPK处理CO₂排放总量分别增加了47.6%和24.4%。由以上分析可归纳出，施用猪厩肥和秸秆配施氮磷钾肥均可增加土壤异养呼吸速率和CO₂排放量，其中以猪厩肥这种施肥管理模式最为突出。

图 4 平均土壤异养呼吸速率 Fig. 4 Average soil heterotrophic respiration rate under different fertilization regimes during the whole growing seasons NPK、OM、RSDNPK分别表示常规氮磷钾肥、单施猪厩肥和秸秆配施氮磷钾肥；不同大写字母不同施肥处理差异性显著；不同小写字母表示不同生长期内差异性显著；检验水平为P<0.05；误差线为3个重复的标准偏差

图选项

目前研究者多使用Q₁₀来描述土壤呼吸与温度之间的关系，Q₁₀指温度每升高10 ℃土壤呼吸速率增加的倍数，表示一个生态系统类型土壤呼吸作用对温度的敏感性。本文土壤温度与土壤异养呼吸速率的相关性及Q₁₀统计结果如表 3所示。3种施肥处理小麦季Q₁₀值均大于玉米季，全年地表和地下5 cm温度OM处理土壤异养呼吸Q₁₀值最高，分别为2.64和2.77，RSDNPK处理最低，Q₁₀值为1.88和1.99，可见施用猪厩肥有使土壤异养呼吸敏感性增加的趋势。采用一元线性回归方程拟合土壤湿度对土壤异养呼吸速率的相互关系，结果表明各处理土壤湿度对土壤异养呼吸速率均无显著影响(P>0.05)。

肥料的施用对土壤异养呼吸速率的影响会因肥料的总类、施肥量的不同而差异显著。主要因施肥会直接影响土壤的外源有机物的投入和土壤微生物活性从而影响土壤异养呼吸速率^{[9, 23]}。本研究中常规氮磷钾肥处理的土壤异养呼吸速率显著低于猪厩肥和秸秆配施氮磷钾肥，主要因常规氮磷钾肥处理中土壤外源有机物输入量较少，加之紫色土自身有机质含量相对较低，土壤微生物活性不高。而在猪厩肥和施入秸秆的施肥方式下，外源有机物料的施入能显著提高土壤有机碳含量和土壤微生物活性，进而增加土壤有机碳的矿化分解能力^{[24, 25]}，提高土壤异养呼吸速率。同时，猪厩肥处理的土壤异养呼吸速率显著高于秸秆配施氮磷钾肥处理，这主要与外源有机物料的碳氮比(C/N)值有关。研究表明，低C/N值的有机物料更能促进土壤微生物活性而加快土壤有机碳周转^[26]。本研究的猪厩肥为新鲜的猪粪，其C/N值为15 ∶ 1(表 1注释)，C/N值较低，加之新鲜猪粪本身带入一定数量的鲜活微生物和酶^[27]，而小麦和玉米的秸秆C/N分别为32 ∶ 1和45 ∶ 1，比值相对较高，不易被微生物迅速分解利用，土壤微生物数量组成相对稳定，从而使得猪厩肥土壤异养呼吸速率显著高于秸秆配施氮磷钾肥。总之，施肥方式能明显改变土壤异养呼吸速率，以猪厩肥最大，秸秆配施氮磷钾肥次之，氮磷钾肥最小，说明有机物料投入是紫色土土壤异养呼吸速率的主要调控措施，在等氮量的施肥条件下，低碳氮比的有机物料明显促进土壤异养呼吸。但由于农田土壤对碳吸存的贡献大小是土壤碳源汇平衡的结果，猪厩肥和秸秆配施氮磷钾施肥方式是否因促进土壤异养呼吸反而不利于大气二氧化碳的吸存，还有待于进一步研究。

各施肥处理小麦季的土壤异养呼吸Q₁₀高于玉米季，说明土壤异养呼吸Q₁₀值存在一定的时间变异性，并随季节而改变^{[28, 29, 30]}，主要因小麦季土壤温度低且变化大，土壤异养呼吸对温度的变化较为敏感，而夏玉米季土壤温度相对较高，土壤异养呼吸速率对温度的响应相对迟缓。在其它环境因子不受限制的条件下，土壤呼吸Q₁₀值随温度升高而降低。Kirschbaum等^[31]认为Q₁₀值在低温下较高，而在高温下较低。Chen和Tian^[32]通过对寒温带、温带和热带、亚热带的土壤呼吸研究发现，土壤呼吸Q₁₀值随着土壤温度的升高而降低。长期施用猪厩肥处理的地表和地下土壤异养呼吸Q₁₀值分别为2.64和2.77，均高于秸秆配施氮磷钾肥(1.88和1.99)。相关研究表明土壤中底物的有效性对土壤微生物呼吸的限制作用是影响土壤异养呼吸Q₁₀值的另一重要因素^{[33, 34]}，土壤底物的有效性增强，土壤呼吸对温度的敏感性会升高^[35]。长期施用猪厩肥尤其是新鲜的猪粪，能够显著增加土壤中可溶性有机碳氮和微生物量碳氮的数量^{[36, 37]}，加之猪厩肥本身C/N值较低，极易被土壤微生物利用从而为微生物的呼吸作用提供了大量的有效活性底物，因此，施用猪厩肥处理土壤异养呼吸Q₁₀值高于秸秆配施氮磷钾肥，也进一步说明C/N值低的有机物料能够提高土壤呼吸Q₁₀值，使土壤异养呼吸对温度的敏感性加强。

有机物料的投入是紫色土土壤异养呼吸速率的主要调控措施，低碳氮比的有机物料更能促进土壤异养呼吸速率和CO₂排放量。土壤异养呼吸Q₁₀值受季节和有机物料碳氮比的双重影响。小麦季土壤异养呼吸Q₁₀值大于玉米季，施用猪厩肥土壤异养呼吸Q₁₀值高于秸秆配施氮磷钾肥，说明碳氮比值低的有机物料还能够提高土壤异养呼吸Q₁₀值，使呼吸速率对温度的敏感性加强。

致谢： 华中农业大学胡荣桂教授和美国New Hampshire大学李长生教授对写作给予帮助，特此致谢。