温室气体排放所导致的全球变暖已引起了人们的广泛关注。全球变暖对生态系统具有重要影响，人们认为全球变暖与温室气体排放有密切关系，CO₂是最主要的温室气体。酸雨也是严重的环境污染问题，我国酸雨污染日趋严重，不仅在部分南方省市出现了年平均pH<4.0的地区，在北方也有加重趋势^{[1, 2, 3, 4]}。目前，我国很多地区受到严重的酸雨危害，而且据预测未来酸雨污染会继续加重^{[5, 6, 7, 8]}。研究表明：温度升高、酸雨对农田生态系统碳循环过程均会产生影响。为了解未来气候变暖情形下生态系统物质循环和能量流动的规律，人们设计了增温试验来进行科学研究。国内外学者从不同角度研究了增温对生态系统的影响，研究领域主要有：增温对氮循环过程的影响^[9]，增温对土壤微生物的影响^{[10, 11]}，增温对碳循环过程的影响^[12]等。研究发现，升温可影响作物与周围空气的气体交换速率，提高作物的光合速率，增加其干物质积累^[13]，同时温度升高也会提高土壤微生物活性并加速有机碳的分解^[14]。在模拟酸雨对生态系统的影响这一研究领域也已进行了一些研究工作，其中针对农田生态系统的试验研究可以归纳为以下两个方面：一是酸雨对作物生理生长的影响。酸雨会降低作物叶绿素含量，影响作物的光合作用^{[15, 16, 17, 18]}，研究表明，酸雨会影响叶片中的细胞器的功能，破坏叶片的膜系统，腐蚀叶肉组织，进而导致作物生物量减少。二是酸雨对土壤微生物及土壤理化性质的影响。酸雨还会影响土壤微生物群落结构和活性^[19]，并加速土壤表层盐基离子的淋溶^{[20, 21, 22]}。

土壤呼吸（即土壤CO₂排放）是全球碳循环的一个重要过程，全球每年因土壤呼吸作用向大气中释放的碳的估算值为75~120 Pg^[23]，仅次于全球陆地总初级生产力（GPP）的估算值^[24]。土壤呼吸主要包括土壤中的植物根系呼吸、土壤动物和微生物呼吸，通常可将土壤呼吸划分为植物根系的自养呼吸和土壤微生物的异养呼吸^[25]。大量研究表明，增温、模拟酸雨会对土壤微生物和作物生长产生影响，而土壤呼吸与土壤微生物和作物密切相关，因而在农田生态系统中，受增温或酸雨影响下的土壤呼吸作用可能会呈现出与正常环境条件下不同的变异规律。进一步而言，在全球温度、酸雨强度可能是同时变化的，那么，增温及酸雨对农田土壤呼吸的复合影响规律是怎样的？两个因子的影响效应会互相抵消还是会得以加强？目前还没有足够的研究资料来对这些问题进行解释。因此，有必要在研究温度、酸雨单因子变化对农田土壤呼吸的影响规律的基础上，进一步研究增温及酸雨对农田土壤呼吸的复合影响规律及机理，并比较这种复合影响与单因子影响的异同。目前，关于酸雨对土壤呼吸的影响研究较少，已有的一些研究主要见于森林生态系统^[26]，而在农田生态系统中的相关田间观测试验则更为鲜见。本研究拟通过观测增温及模拟酸雨条件下冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸作用，为更清楚地了解农田土壤呼吸在全球增温和酸雨日趋严重环境下的变异规律提供一定的理论依据和基础研究资料。 1 材料与方法 1.1 试验地点概况

田间试验地点位于南京信息工程大学农业气象试验站（32.16°N，118.86°E），于2012年11月至2013年11月在该试验田进行冬小麦和大豆生长季的大田试验观测。该研究区域多年平均气温为15.6 ℃，多年平均降水量为1100 mm。土壤为黄棕壤，灰马肝土属，耕层土壤质地为壤质黏土，黏粒含量为26.1% ，土壤pH（H₂O）值为6.3，土壤有机碳和全氮的含量分别为19.4 g·kg^-1和1.15 g·kg^-1，其碳氮比为16.9。 1.2 试验设计

供试验的小麦品种为扬麦12号，于2012年11月播种；大豆品种为八月白，于2013年6月播种。在作物的生长季出苗后进行增温及模拟酸雨的处理。采用随机区组实验，试验地划分为3个区组（即3个重复），每个区组设置对照、增温、酸雨、增温及模拟酸雨4个处理，这4个处理对应的编号为：CK、W、A、WA。田间试验小区共计12个，每个小区面积为2.5 m×2.5 m。对每个试验小区按照当地常规田间管理模式进行管理。

采用红外辐射加热管对目标小区（即增温小区、增温及模拟酸雨复合处理小区）的土壤增温，每个增温小区中采用3个增温红外辐射加热管，每天通过红外辐射加热管不间断增温。增温管安装在不锈钢罩下，不锈钢罩边缘向下倾斜，防止雨水斜向进入不锈钢罩内淋湿增温管，对照处理仅有不锈钢罩，无红外辐射加热管。每个加热管均通过供电发热，继而对土壤进行散射加热。增温管各自具有独立的电源控制开关，并由漏电总开关控制其开启和关闭。关于增温处理的试验设置亦可见于以往的研究^{[27, 28]}。根据我国酸雨成分以硫酸根为主、硝酸根为次的特点，模拟酸雨的效应以酸雨中氢离子、硫酸根和硝酸根的总量来体现，预先用硫酸和硝酸配制成硫酸根和硝酸根摩尔比为4.5∶1的酸雨母液，然后用适量母液与去离子水配制成酸雨供试液。从2012年11月20日至2013年11月5日，每两周喷洒一次模拟酸雨。喷洒模拟酸雨处理的为酸雨处理（A）和增温及酸雨处理（WA）对应的小区，共6个小区。每小区每次酸雨中对应的氢离子用量为0.016 mol·m^-2，全年共喷洒25次模拟酸雨，每小区每次酸雨量为1 L，将酸雨以小喷壶均匀喷于各对应处理小区，并在除酸雨处理外的其他处理中喷洒去离子水作为对照以排除水分补充的影响。关于模拟酸雨的试验设置亦可见于以往的研究^[29]。 1.3 土壤呼吸速率测定

在每个生长季开始时，埋设PVC材质的土壤呼吸底座，土壤呼吸底座直径20 cm、高10 cm，底座埋入土壤中3 cm，底座周边土壤压紧，以防止底座漏气。于每个采样日的上午采用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统（LI-COR公司，美国）对所有处理的土壤呼吸速率进行测定。定期除去底座内的植物，使测定土壤呼吸时无植物呼吸作用影响。 1.4 环境因子测定

每次测定土壤呼吸速率的同时采用LI-8100土壤碳通量仪配备的温度、湿度探头测定试验地点5 cm深处土壤温度和湿度（体积含水量）。 1.5 数据分析

采用加权累积法计算土壤呼吸总量，然后除以土壤呼吸的观测天数得到加权平均土壤呼吸速率。利用SPSS16.0统计软件进行配对t检验，分析不同生长季各处理的平均土壤呼吸速率差异。利用Excel2003制作土壤呼吸与土壤温度之间的指数回归图。利用Systat10软件建立基于土壤温度和土壤湿度的土壤呼吸双因素模拟模型。 2 结果与分析 2.1 土壤温度、土壤湿度和土壤呼吸动态变化

冬小麦-大豆轮作农田的土壤温度存在明显的季节变异趋势。冬小麦田土壤温度介于8.7~27.8 ℃之间，大豆田温度介于18.2~32.5 ℃之间（图 1a）。W处理、WA处理分别比CK的年平均土壤温度高0.67 ℃和0.60 ℃，t检验结果表明，其差异达到统计意义上的极显著水平（P<0.001）。冬小麦土壤湿度的变异范围为5.6％~20.7％，大豆土壤湿度的变异范围为9.8%~22.6%（图 1b）。4月中旬的土壤湿度较其他月份略低，与当地降雨量的季节性有关。在冬小麦生长季，冬季土壤温度较低时土壤湿度相对较高；在大豆生长季，土壤温度和土壤湿度的最高值均出现在夏季（8月初）。冬小麦CK、W、A、WA 处理土壤呼吸速率的变化范围分别为0.63~2.50、0.67~3.77、0.59~2.74、0.76~2.52 μmol·m^-2·s^-1，大豆CK、W、A、WA处理土壤呼吸速率的变化范围分别为1.97~6.76、1.74~5.38、1.88~7.26、1.25~6.98 μmol·m^-2·s^-1（图 1c）。冬小麦和大豆田4个处理的土壤呼吸速率的季节变异趋势与土壤温度的变异趋势基本一致，而在5月份土壤呼吸速率略有下降，可能与该阶段土壤湿度相对较低有关（图 1b、c）。

图 1 土壤温度、 土壤湿度以及土壤呼吸速率的季节变化 Figure 1 Seasonal changes of soil temperature,moisture and respiration rate in winter wheat-soybean system

图选项

对于冬小麦-大豆轮作周期而言，最高土壤呼吸速率出现在8月底至9月初，该阶段处于大豆旺盛生长的时期，虽然该阶段土壤温度低于8月初，但该期间大豆根呼吸随着植物的旺盛生长而增强，由此导致大豆田最高土壤速率出现于8月底至9月初这一阶段。 2.2 土壤呼吸的季节平均值比较

冬小麦CK、W、A、WA处理的平均土壤呼吸速率分别为（1.65±0.10）、（1.99±0.24）、（1.65±0.03）、（1.54±0.12） μmol·m^-2·s^-1，大豆生长季CK、W、A、WA处理的平均土壤呼吸速率均高于小麦生长季，分别为（4.13±0.19）、（4.85±0.42）、（3.90±0.14）、（5.01±0.36）μmol·m^-2·s^-1（表 1）。配对t检验结果表明，在大豆生长季，CK和WA处理间的土壤呼吸存在差异（P=0.065），W和A处理间差异显著（P<0.05），A和WA处理间差异极显著（P<0.01）；在冬小麦-大豆轮作期内，CK和W处理间的土壤呼吸速率存在差异（P=0.054），W和A处理间存在极显著差异（P<0.01）。由于不同处理的观测天数相同，对于不同生长季的总CO₂量而言，其季节总CO₂排放量的统计分析结果与季节平均值一致。统计分析结果表明，无论是在冬小麦生长季、大豆生长季，相对于CK处理而言，增温、模拟酸雨两因子对土壤呼吸无交互作用。这可能是由于增温对土壤呼吸的促进作用和模拟酸雨对土壤呼吸的抑制作用相互抵消所致。进一步分析可见，大豆生长季和冬小麦-大豆轮作阶段不同处理的土壤呼吸速率具有一致性，即：增温相对于对照而言促进土壤呼吸，模拟酸雨相对于对照而言抑制土壤呼吸，在两因子复合处理中，增温的促进作用和模拟酸雨的抑制作用抵消。

表 1 不同生长季的平均土壤呼吸速率 （ μmol·m^-2·s^-1） Table 1 Average soil respiration rates （ μmol·m^-2·s^-1） during different growth periods

表选项

土壤温度是影响土壤呼吸时间变异的主要决定因子。由图 2可见不同处理的R²均在50%以上，CK、W、A、WA处理的R²分别为0.632、0.694、0.597、0.719，表明CK、W、A、WA处理的土壤温度可以决定63.2%、69.4%、59.7%、71.9%的土壤呼吸的变异，其P值均达到极显著差异水平。CK、W、A、WA处理的Q₁₀值分别为1.85、1.85、1.81、2.00，处理间的Q₁₀未达到显著差异水平。由图 2可见，W处理的基础土壤呼吸值（即温度为零时的土壤呼吸速率）高于其他3个处理，表明增温显著促进了基础土壤呼吸速率。

图 2 土壤呼吸与土壤温度的关系 Figure 2 Relationship between soil respiration and soil temperature

图选项

由于土壤呼吸可能受土壤温度与土壤湿度双因素控制，故在土壤呼吸与土壤温度的指数关系的基础上增加土壤湿度项，以期提高对土壤呼吸的可解释性。与图 2相比，增加土壤湿度的线性项之后模型对于A处理土壤呼吸的可解释性有所提高（图 2、表 2），A处理模型的决定系数R²从0.597增大为0.637。除A处理之外，其他处理在土壤温度单因子模型基础上增加湿度项并未提高对土壤呼吸的可解释性。

表 2 不同处理的土壤呼吸与土壤温度、 湿度的拟合方程 Table 2 Equations fitting the relationship between soil respiration and soil temperature and soil moisture under different treatments

表选项

增温对土壤呼吸的影响规律及其机理是增温对生态系统碳循环过程影响研究中的热点，以往采用野外增温试验研究土壤呼吸的工作主要在草地、森林或苔原地进行。一些研究结果表明，土壤呼吸对温度升高呈现出正反馈的响应规律，即增温促进土壤呼吸作用；另一些研究结果则表明，增温虽然在短期内可促进土壤呼吸作用，但在较长的时间尺度内无明显促进作用^[30]，并且土壤呼吸对温度的敏感性随温度的升高而降低^{[30, 31]}。本研究中，在冬小麦-大豆轮作生长季增温处理的土壤呼吸速率高于对照，即增温促进了土壤呼吸作用。增温往往会增大植物光合速率，使其NPP增加^[32]，从而促进根呼吸作用并增加了根际分泌物向土壤的输送^[25]；温度升高本身还会促进土壤微生物呼吸和根呼吸^[33]。Rustad等^[34]通过对增温试验的结果进行大样本数据分析后指出，平均而言，土壤增温0~6 ℃可使土壤呼吸增加20%。我们前期的研究结果显示增温促进冬小麦生长季和大豆生长季土壤呼吸^[27]，但本研究的结果显示增温并未促进冬小麦生长季和大豆生长季的土壤呼吸（表 1）。Luo等^[30]在美国俄克拉荷马州草地进行的研究也表明，在试验前期增温显著促进了草地土壤呼吸作用，然而随着时间延长，土壤呼吸对增温的响应程度减弱，产生了对增温的适应效应。造成这种适应效应的原因可能是由于土壤微生物群落发生了变化以及土壤养分对于土壤呼吸量增加的限制性^[30]。 3.2 模拟酸雨对土壤呼吸的影响

本研究为了排除水分补充的影响，在用模拟酸雨喷洒酸雨处理的同时在无酸对照中喷洒去离子水，其他处理也喷洒了等同量的去离子水，以避免不同处理因水分量不同给试验结果带来的影响。另外，本研究中采用了高酸雨浓度、低模拟酸雨用量的试验方案，是基于避免模拟酸雨灌溉效应的考虑。

以往的研究表明，酸雨会影响土壤性质，这种影响以负面为主^{[21, 22]}，酸雨会加速土壤表层盐基离子的淋溶，使土壤养分缺乏，导致减产^{[20, 21, 22]}。还有研究表明，酸雨对作物生理生长也会产生负面影响^{[15, 18]}。目前，关于酸雨对土壤呼吸的直接影响的研究主要见于森林生态系统，酸雨对土壤呼吸的影响也主要是负面影响^[26]。我们以往的研究表明，模拟酸雨未显著影响冬小麦田土壤呼吸作用，然而高强度模拟酸雨降低了大豆田土壤呼吸速率和CO₂产生速率^[29]。在本研究中，酸雨处理的土壤呼吸速率与对照处理无显著差异，但显著低于增温处理，说明酸雨对土壤呼吸的抑制作用客观存在。此外，模拟酸雨对土壤呼吸的影响规律在不同的生长季有所不同，模拟酸雨仅在大豆生长季抑制了土壤呼吸作用（表 1），冬小麦田模拟酸雨对土壤呼吸速率无显著影响。一方面，酸雨中的H+对土壤微生物、酶活性具有抑制作用^{[35, 36]}，进而会影响到土壤呼吸作用；另一方面，土壤对外源酸性物质的添加具有很强的缓冲能力，观测结束后，测定的各处理土壤pH值与试验前的量值无显著差异（P>0.05），可能与土壤对模拟酸雨的缓冲作用有关。因此，模拟酸雨对土壤呼吸的影响可能体现为长期效应，短期的模拟酸雨对农田土壤呼吸无显著影响。 3.3 增温及模拟酸雨对土壤呼吸的复合影响

在本研究中，增温对土壤呼吸表现为正效应，即促进土壤呼吸作用；模拟酸雨对土壤呼吸未表现出抑制作用；虽然模拟酸雨处理与对照处理土壤呼吸未达到显著差异水平，但模拟酸雨处理相对于增温处理而言显著抑制了土壤呼吸作用。增温及模拟酸雨双因子处理对土壤呼吸的影响表现为两因子各自效应的复合，两因子复合后未显著影响农田土壤呼吸速率，这也从另一方面说明增温对土壤呼吸的促进作用和模拟酸雨对土壤呼吸的抑制作用。在以往的研究中，我们已经分别研究了增温和模拟酸雨对冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸的影响，综合以往研究和本研究结果可见，不同研究中增温和模拟酸雨对农田土壤呼吸的单因子影响效应基本一致。然而，在以往的研究中增温、模拟酸雨对农田土壤呼吸的这种复合影响机制尚未报道^{[27, 28, 29]}，在今后的研究中，有必要更深入地研究两因子对土壤呼吸的复合影响机制。 3.4 土壤温度、湿度对土壤呼吸季节变异的影响

土壤温度和湿度是影响土壤呼吸的主要环境因子。目前，人们描述土壤温度与土壤呼吸关系的方程主要有线性方程、指数方程、Arrhenius模型等^[37]。这些方程在模拟土壤呼吸时各有优点，如：Lloyd和Taylor^[37]指出，由于Arrhenius模型中低温条件下的活化能较高，它对于低温条件下土壤呼吸速率的估算结果尤为准确；Fang和Moncrieff^[38]的研究表明，指数模型可以较好地模拟农田土壤呼吸与土壤温度的关系，土壤温度可以模拟大部分的土壤呼吸的变异。本研究结果与以往结果具有一致性，在4个处理中土壤温度均可以解释59%以上的土壤呼吸的变异（图 2），无论在增温还是模拟酸雨条件下土壤温度都是影响农田土壤呼吸季节性变异的主控因子。

研究表明，在土壤温度相对稳定的旱地，土壤呼吸与湿度的函数关系可以表示为指数函数，前者随后者的增大而增加^{[38, 39]}，土壤温度和湿度对土壤呼吸的影响还常常有交互作用^[40]。在本研究中，在考虑土壤温度和土壤湿度两因子的条件下，仅模拟酸雨处理在原有土壤温度对土壤呼吸的指数影响函数的基础上增加土壤湿度线性项可增加对土壤呼吸的可解释性。在其他处理条件下，加入土壤湿度的线性项未能增加对土壤呼吸的可解释性。此外，由于图 2土壤呼吸与温度之间关系的数据点较为离散，且表 2所示线性回归的可解释性并不充分（土壤呼吸与湿度的关系还可能体现为其他影响方式），因而关于不同处理条件下土壤呼吸与土壤湿度的关系还有待进一步深入研究。 4 结论

（1）在冬小麦生长季，对照、增温、模拟酸雨、增温及模拟酸雨土壤呼吸速率之间无显著差异；在大豆生长季，增温处理土壤呼吸速率显著高于模拟酸雨处理，增温及模拟酸雨处理的土壤呼吸速率极显著高于模拟酸雨处理。

（2）对于冬小麦-大豆轮作农田而言，增温与对照处理的土壤呼吸速率存在差异，前者高于后者的土壤呼吸速率；模拟酸雨处理的土壤呼吸速率极显著地低于增温处理。

（3）土壤温度是影响冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸季节性变异的最重要的因子，土壤呼吸与温度之间的关系可用指数方程解释。模拟酸雨处理在增加土壤湿度的线性项之后可增加对于土壤呼吸的可解释性，而其他处理增加湿度项后并未提高对于土壤呼吸的可解释性。

致谢：感谢南京信息工程大学苏欢、王鹏和刘玉汐在样本采集及测定中给予的帮助。