本文是一篇农业管理论文，本研究利用结构方程模型（SEM），在田块尺度模拟了氮磷添加对春小麦土壤呼吸的综合效应，揭示了氮磷肥对土壤呼吸的影响途径，筛选出了调控施肥对 RS、RH产生影响的关键因子，对未来进一步加强农田生态的碳汇管理提供了数据支撑。
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）统计结果表明，1880~2012 年全球平均温度已升温 0.85℃（0.65~1.06℃）[1]，根据现有的数据预测，全球平均表面温度将以每十年 0.2℃速度增加[2-3]。其中 CO2占温室效应的 50%，是引起气候变暖的重要温室气体[4]。自工业革命前到 2011 年大气 CO2浓度增加了约 40%。由人类活动（如农业活动等）引起的大气 CO2等温室气体浓度增加是导致全球气候变化的主要根源[5-6]。据统计，我国农业用地面积占国土总面积的 14%[7]，而农田生态系统中施肥等农业活动及相关过程以 CO2形式排放的碳约占全球碳排放的 25%[8]。除此之外，农田土壤碳库不仅是全球碳库中最为活跃的部分，也是最具固碳潜力的陆地生态系统之一，可以在较短的时间内通过人为因素进行调节[9]。随着全球气候变化、温度上升，农田土壤碳排放已成为全球范围内研究的热点。为判断农田生态系统是大气的碳源或碳汇，研究者多采用 NEP（净生态系统生产力）指标来表征[10]。
土壤呼吸是全球陆地生态系统碳循环的重要环节，是陆地生态系统向大气释放CO2 的主要途径[11-12]。土壤碳库是大气碳库的 2 倍，是植物碳库的 3 倍[13]，是化石燃料燃烧释放 CO2（5.2×1012 kg·a-1）量的 10 倍以上[14-15]，每年由土壤呼吸释放的 CO2量为 6.8×1013 kg C。因此，土壤呼吸发生的任何变化都将造成大气中 CO2浓度发生明显的波动，从而对全球气候变暖趋势产生影响[12]。此外，通过监测土壤呼吸速率、与之相关联的参数可以估测出当试验区气候发生变化时，植物根系和土壤微生物会有哪些具体的反应[16-17]。总之，土壤呼吸是全球陆地生态系统碳循环的重要环节[18]，是引起全球气候变化的重要因素之一[19]。
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1.2 土壤呼吸及其组分研究进展
1.2.1 土壤呼吸研究进展
土壤呼吸，严格意义上的概念是指未受扰动的土壤中产生 CO2的所有代谢作用，包括 3 个生物学过程（植物根系呼吸、微生物呼吸及土壤有机质分解和土壤动物呼吸）和一个非生物学过程（含碳物质的化学氧化作用）[30-31]，由于化学氧化过程对土壤呼吸的作用较小，可以忽略不计[32]，因此，目前的研究中一般认为，根系呼吸和微生物呼吸是土壤呼吸最主要的两个组成部分[33-34]。
国外学者于 20 世纪初对土壤呼吸展开了研究[35-36]，相关研究表明，土壤中水热因子（温度、水分）对土壤呼吸的影响最大[37-38]，20 世纪 70 年代开始对温带森林和草原、亚热带森林、印度热带草原等生态系统土壤呼吸进行了大规模的研究[39]。与国外对土壤呼吸展开研究的时间相比，我国对土壤呼吸研究的起步较晚，于 20 世纪 60 年代开始对森林生态系统[40-42]、髙寒草原[43]、内蒙古温带草原[44]、热带季节雨林[45]土壤呼吸进行了研究。Keeling[46]于 1958 发表了第一篇高精度监测大气中 CO2浓度的文章，Raich 等[47]分析了全球土壤呼吸变化特征、与植被间的相关性以及调控土壤呼吸的主要因素。Chen 等[48]通过 38 个森林样地数据建立了土壤呼吸 Q10值的全球温度模型并且计算出了全球 Q10的变化范围。
目前已有相关学者对森林生态系统[49-51]、草地生态系统[52]、农田生态系统[53]土壤呼吸及组分（异养呼吸和根系呼吸）进行了精确区分，农田生态系统中土壤呼吸及组分的变化特征、土壤呼吸组分占土壤呼吸比例的研究大多集中在不同的施肥方式以及不同耕作措施等方面[54-58]。由于土壤呼吸组分对温度、水分及土壤环境因子的敏感性不同，因此，同一作物在不同区域会由于气候、降雨量等因素导致根系呼吸和微生物呼吸对土壤呼吸的贡献率也并不相同[59]。
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第二章 试验设计与方法
2.1 试验设计
2.1.1 研究区概况
试区位于甘肃省中部黄土高原半干旱丘陵沟壑区的安定区李家堡镇麻子川村（35°28′ N，104°44′ E）（图 2-1）。该区农田土壤类型为黄绵土，海拔 1971 m，年均日照时数 2470 h，年均太阳辐射 594.7 kJ·cm-2，年均气温 6.4 ℃，日最高温可达 38 ℃，最低温度-22 ℃，无霜期 140 d，≥0 ℃积温 2933.5 ℃，≥10 ℃积温 2239.1℃，属中温带半干旱区，多年平均降水 391 mm，年蒸发量 1531 mm，降水在时间尺度上分布极不均衡，7-9 月份降水占全年降水的 54%，为典型的雨养农业区。
图 2-1 试验站区位图
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2.2 测定项目与方法
2.2.1 土壤 CO2 排放速率测定
在春小麦生育期内，选择天气较好的时间（晴朗或少云），于北京时间 9:00—11:00 am[205]用 LI-8100A（LI-COR Inc，Lincoln，NE，USA）测定土壤呼吸，于春小麦播种（3.21）前 1 日开始第一次测定，以后每隔两周左右测定一次。采用轮回测量的方法避免因测量时间差异而导致的试验系统误差。土壤呼吸室放置在露出土壤表面 2cm 的PVC 圈（内径 20 cm、高 10 cm）上以减少测定过程对土壤表层的干扰，为避免杂草根系对测定结果造成影响，及时（至少在测定前一日）去除基座内土壤表层的一切活体及掉落物，PVC 圈埋设位置始终保持不变。
2.2.2 根系呼吸测定
现有的研究技术手段很难区分根系呼吸和植物根际微生物呼吸，因此一般将根系呼吸和根际微生物呼吸称作根系呼吸[32,70]。
自 2017 年布置以来，试验各小区内有 1m 宽的地不播种，只进行相应的施肥。在各处理不播种，但正常施肥的小区内用同样的方法安置土壤呼吸室测定土壤异养呼吸（RH），即本研究中存在春小麦根系的土壤呼吸（RS）与相应裸地无作物的土壤异养呼吸（RH）均采用田间原位测定，依据根去除法，两者的差值即为根系呼吸（RR，Root respiration）。
2.2.3 土壤温度、含水量测定
土壤温度（Soil temperature）：在每个小区内放置一组曲管地温计（5cm、10cm、15cm、20cm、25cm），在测定土壤呼吸速率的同时定位观测每个试验小区不同土层地温。
土壤含水量（Soil water content）：测定土壤呼吸速率的同时，在实验小区内随机选取 5 个点用土钻取 0—10cm、10—20cm、20—40cm 土层的土，装入小铝盒，带回实验室，用烘干法测定土壤质量含水量。
图 2-3 样地介绍
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第三章 氮磷添加下春小麦农田土壤呼吸及净生态系统生产力 ............................ 21
3.1 氮磷添加下春小麦农田土壤呼吸及组分变化特征 ....................... 21
3.2 氮磷添加对土壤平均呼吸速率的影响 ......................................... 23
3.3 氮磷添加下土壤呼吸与异养呼吸关系 ....................................... 24
第四章 氮磷添加对土壤环境因子的影响 ................ 29
4.1 氮磷添加下土壤温度、水分的变化 ................................ 29
4.1.1 土壤温度 .......................................... 29
4.1.2 土壤水分 ............................ 29
第五章 环境因子对土壤呼吸/异养呼吸的影响 ................................... 45
5.1 土壤温度、水分与土壤呼吸/异养呼吸之间的关系 ..................... 45
5.1.1 土壤温度 .......................................... 45
5.1.2 土壤水分 .............................. 49
第五章 环境因子对土壤呼吸/异养呼吸的影响
5.1 土壤温度、水分与土壤呼吸/异养呼吸之间的关系
5.1.1 土壤温度
土壤温度（STP）是影响土壤呼吸的重要环境因子之一，前人研究表明，指数模型能更好的拟合土壤呼吸速率（RS）、异养呼吸速率（RH）与 STP 之间的关系。图 5-1、5-2、5-3、5-4、5-5 分别表示 0-25cm STP 与 RS、RH的关系。由图可知，随着 STP 的升高各施肥处理下 RS、RH呈增加的趋势，均表现为正相关。RS、RH指数模型拟合度R2分别为 0.3148-0.6664、0.2548-0.4364；不
