土壤呼吸是陆地生态系统中重要的碳通量过程，是有机碳以CO₂释放到大气中的主要途径^[1]。研究表明，每年从土壤释放到大气中的碳已达到98 Pg·a^-1[2]，因此，土壤呼吸的微小变化可能对大气CO₂浓度产生很大影响。土壤酶主要在土壤颗粒、植物根系或微生物细胞表面发生酶促作用，易受到理化因素和生物因素的影响，土壤酶活性的变化是最能够反映土壤生态系统变化的过程^[3]。

IPCC（政府间气候变化专门委员会）第四次评估报告（2007）预测，到21世纪末全球平均CO₂浓度将上升到500~900 μmol·mol^-1，全球气温将上升1.4~5.8 ℃^[4]。以大气CO₂浓度和温度升高为主要特点的全球气候变化能够改变陆地生态系统的结构和功能^[5]。目前，国内外大部分研究表明大气CO₂浓度升高促进了土壤呼吸速率^[6-8]，但是也有研究发现CO₂浓度升高对土壤呼吸没有影响^[9]，甚至抑制了土壤呼吸^[10]。温度是土壤酶活性的一个非常重要的影响因子，以气候变暖为主要特征的全球气候变化势必会影响到土壤酶的活性。温度升高可以直接作用于土壤酶活性和微生物^[11]，也可以通过改变植物的生理特性而间接影响土壤酶活性^[12]。如Zogg等^[13]研究发现模拟升温改变了有机物质的分解模式，并通过影响土壤微生物而改变土壤酶的活性。但也有些学者认为，温度变化对土壤酶活性的影响很小甚至没有^[14-15]。可见供试土壤特性、植物类型、CO₂浓度或温度增加方式等的不同，导致大气CO₂浓度升高和升温对土壤酶活性、土壤呼吸的研究尚未得出一致的结论。

小麦是我国重要的农田生态系统之一，开展大气CO₂浓度升高和升温对小麦系统土壤生物功能的影响研究，有助于阐明农田土壤对CO₂浓度升高和升温的响应和反馈作用。本研究依托同步模拟大气CO₂浓度和温度升高的田间开放式平台（该系统除了大气CO₂浓度和温度增加外，其他条件十分接近自然生态环境），以我国太湖地区小麦土壤作为研究对象，利用田间原位测定方法对土壤呼吸进行测定，结合比色法测定土壤脲酶和转化酶活性，为预测未来气候变化背景下，农田土壤呼吸和酶活性的变化及其对碳氮循环的可能影响提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验平台位于江苏省常熟市古里镇康博村（31°30′N，120°33′E），试验区地处太湖平原，年平均温度16 ℃，年平均降水量大于1100 mm，年无霜期大于200 d，耕作方式为夏水稻、冬小麦轮作。土壤类型为典型水稻土-乌栅土，耕层土壤（0~15 cm）基本性质：pH 7.0，有机碳含量19.2 g·kg^-1，总氮含量1.6 g·kg^-1，容重1.2 g·cm^-3。土壤质地：砂粒33.8%，粉粒38.6%，粘粒27.6%。

1.2 试验设计

田间开放式气候变化试验平台建于2010年。共设置四个试验处理：大气CO₂浓度增高至500 μmol·mol^-1（CE）；温度升高2 ℃（WA）；大气CO₂浓度和温度共同升高（CW），以及正常CO₂浓度和温度的对照处理（CK），每个处理各设3个重复，共12个试验圈。平台设计见图 1，每个试验圈面积约45 m²（直径8 m，八边形构造），所有试验圈外观上基本保持一致。每个CO₂浓度升高圈由8根CO₂气体释放管构成八边形结构，放气管面向圈内一面有一排释放CO₂气体的小孔，放气管高度可随着作物生长进行调节（放气管的高度保持在作物冠层上方50~60 cm），以保证作物冠层有充分的气体扩散空间。每个圈内设定17个CO₂传感器（Licor820）和数据采集控制装置，对小区内近冠层CO₂浓度进行实时监测和控制，以判定圈内CO₂浓度的控制均匀程度。根据不同风向控制电动阀门的开关，通过不同风速控制调节阀，控制放气管CO₂喷气的方向和流量，达到均匀扩散的目的。升温设置按IPCC第四次评估报告的气候变化最大情景，根据中国气候变化的区域差异设置温度条件，设置升温2 ℃。温度升高处理圈采用红外辐射灯对作物冠层进行增温，并通过红外温度传感器及相应的数据采集器实时监测和控制作物冠层温度变化，每个圈内有12个红外灯，通过调节其不同的朝向，保证圈内作物冠层均匀受热。近冠层空气温度的监测结果表明实际气温升高范围为（2.0±0.5）℃。试验平台的CO₂气体排放和升温在所允许的气候条件下为24 h全天候运行。

1.3 土壤呼吸测定

供试小麦品种为扬麦14号，试验各处理圈内小麦行距、施肥喷药等管理措施与小区外一致，2014年11月12日播种，播种密度为250粒·m^-2，行距20 cm，2015年6月6日收获。在播种前施用187 kg·hm^-2尿素作为基肥，在抽穗期追施375 kg·hm^-2复合肥和150 kg·hm^-2尿素。

从小麦生长季开始，埋设直径20 cm、高10 cm的PVC圈，将其插入土内5 cm左右，每个试验处理设置1个PVC圈。所有观测均于上午08：00—10：00进行，每7 d测定一次，采用便携式土壤呼吸测量仪CI-340（CID公司，美国）对各个试验圈的土壤呼吸进行测定。土壤5 cm温度由呼吸测量仪自带的温度探头在土壤呼吸测量圈周围测得。

1.4 土壤酶活性测定

选取小麦季的3个生育期进行采样：分蘖期、抽穗期和成熟期，采集0~15 cm根际土壤。根据不同生育期植株根系发育情况，随机选择3~5株，采用抖根法收集根周0~2 mm范围内土壤作为根际土壤，每个圈内根际土壤充分混合。将混合新鲜土样过2 mm筛后装入无菌自封袋带回实验室，在室温下风干，采用苯酚-次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性，采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定转化酶活性。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2003进行数据统计分析，采用SPSS 20.0软件进行方差分析（ANOVA）和多重比较，检验同一采样时期处理之间差异是否显著使用Duncan法。

2 结果与分析 2.1 大气CO₂浓度和温度升高对土壤温度和土壤呼吸的影响

从图 2a可以看出，小麦田CK、CE、WA和CW处理土壤温度分别介于9.4~23.8 ℃、9.9~24.2 ℃、10.9~25.3 ℃、10.5~25.5 ℃之间，不同处理土壤温度的季节变化规律相似，WA和CW处理土壤温度分别比CK高1.26 ℃和1.14 ℃。小麦土壤呼吸在冬季较低，进入春季后，土壤呼吸具有逐渐升高的趋势（图 2b）。CK、CE、WA和CW处理土壤呼吸的季节变化范围分别为0.86~2.55、0.86~2.81、1.12~3.55、0.99~3.28 μmol·m^-2·s^-1。小麦季CK、CE、WA和CW处理的平均土壤呼吸分别达到1.41、1.53、2.13、1.90 μmol·m^-2·s^-1（图 3）。与对照CK相比，CE处理土壤呼吸提高了8.5%，WA和CW处理土壤呼吸提高幅度分别为51.0%和34.7%，已经达到显著水平。

2.2 土壤呼吸与土壤温度的关系

不同气候变化处理下土壤呼吸与土壤温度的关系均可用指数回归方程拟合（图 4）。结果表明，在小麦生长季，CK、CE、WA、CW处理的指数回归方程的决定系数R²分别为0.343、0.288、0.335和0.311，表明指数回归方程可分别解释这4个处理34.3%、28.8%、33.5%和31.1%的变异，且P值均达到显著水平。根据指数回归方程估算，小麦生长季CK、CE、WA、CW处理的土壤呼吸温度敏感系数分别为1.55、1.49、1.57和1.51。

2.3 大气CO₂浓度和温度升高对土壤酶活性的影响

如图 5所示，小麦季土壤脲酶和转化酶活性变异较大，在分蘖期脲酶和转化酶的活性最高。然而，不同生育期的酶活性对大气CO₂浓度和温度升高的响应不同。在分蘖期大气CO₂浓度和温度升高对脲酶和转化酶活性没有影响，在抽穗期CW和WA处理的脲酶活性显著高于对照，成熟期只有WA处理的脲酶活性比对照有显著升高；而在抽穗和成熟期，WA和CW处理的转化酶活性与对照相比显著提高，在抽穗期提高幅度最大（60.4%~73.5%）。

2.4 气候变化因子和物候对土壤呼吸及酶活性的影响

从重复测量方差分析结果（表 1）可以看出，生育期（S）、升温处理（T和CO₂×T）对土壤呼吸具有显著影响（P < 0.001）。但是，生育期与温度因子的交互作用对土壤呼吸没有显著影响（P > 0.05）。同时，生育期和升温处理对脲酶、转化酶活性具有显著影响（P < 0.05），而CO₂单独升高只对转化酶活性有显著影响。另外，生育期与不同气候变化因子的交互作用对土壤呼吸没有显著影响（P>0.05）。

3 讨论

根际是植物-土壤-微生物与其环境条件相互作用的场所，根系的呼吸作用、根系分泌有机物质的作用以及根对养分和水分的吸收特性，都决定着根际动态的方向和强度。根系分泌物和沉淀物的作用，以及根际内丰富的微生物，使根际土壤生物、物理和化学等方面的特性明显不同于土体土壤^[16]。相对于非根际土壤，根际土壤微生物对气候变化的响应更敏感^[17]。土壤呼吸和酶活性等生化过程主要是由土壤微生物调控的，研究发现，大气CO₂浓度升高和升温能够影响土壤生化过程^[18-20]。

土壤呼吸主要包括根系自养呼吸和土壤微生物异养呼吸。一方面，大气CO₂浓度升高对植物一般有施肥效应，促进了植物根系生长，增加根系生物量和根系呼吸^[21-22]；另一方面，大气CO₂浓度升高增加了根系分泌物和生物量，并能促进植物的光合作用，使更多的光合产物流向根系，为微生物提供了更多的可利用碳源，从而促进了土壤微生物呼吸^[23-24]。但是，周玉梅等^[10]通过CO₂浓度倍增试验发现CO₂浓度升高抑制根系呼吸和微生物呼吸的原因可能是土壤表面的高浓度CO₂阻碍了CO₂的扩散。Norby等^[9]对森林生态系统研究表明，CO₂浓度升高对土壤呼吸没有影响，可能是由于CO₂浓度升高对植物生长的增加作用受到氮有效性的限制。

土壤呼吸对温度较为敏感，一些研究表明，升温促进了土壤呼吸作用；还有一些研究表明，升温在短期内可促进土壤呼吸，但在较长时间后对土壤呼吸没有影响。如图 2和图 3所示，温度升高增强了小麦土壤呼吸作用，增幅达到34.7%~51.0%。Cox等^[25]研究发现温度上升会提高土壤呼吸速率，进而增加土壤与大气之间的碳净转化量，对全球气候变化产生正反馈作用。大气温度升高会直接影响土壤微生物呼吸，预计全球平均气温升高2 ℃，由微生物主导的土壤碳排放会增加到10 Pg^[26]。温度升高能够改变植物群落多样性和植物的生长速率^[27]，促进植物生长，使凋落物、根系分泌物和细根周转率提高，土壤碳输入增加，从而影响到土壤微生物群落的数量和功能，进而促进土壤微生物呼吸。土壤呼吸对温度升高的响应较为复杂，因为温度对土壤呼吸的影响还与其他因素有关，如土壤湿度、酶活性和植物生理生长等^[28-29]。在一片森林草原交错地带，连续4年升温处理可使土壤呼吸速率降低7%~15%。这可能与温度升高导致的土壤含水量降低有关^[30]。

本研究中，升温对土壤呼吸具有显著促进作用；大气CO₂浓度升高对土壤呼吸没有明显影响（P > 0.05），但与升温处理相比显著抑制了土壤呼吸。虽然升温和CO₂浓度升高交互作用显著提高了土壤呼吸速率，但提高幅度比单独升温处理低16.3%，因此CO₂浓度升高在一定程度上能够减弱升温对土壤呼吸的增强幅度，这也表明升温和CO₂浓度升高交互作用对土壤呼吸的影响表现为各自效应的复合。然而，目前关于升温和大气CO₂浓度升高交互作用对农田土壤呼吸影响机制的研究报道较少，在未来需要更多更深入地研究多个气候变化因子的交互影响机制。

土壤脲酶和转化酶分别参与土壤氮转化和有机碳循环，能够反映土壤微生物活性。本研究发现，大气CO₂浓度升高和升温促进了土壤转化酶活性，仅有升温处理（WA和CW）显著促进了土壤脲酶活性（图 4）。苑学霞等^[31]在FACE系统中研究发现大气CO₂浓度升高刺激脱氢酶、转化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性，与贾夏等^[32]和任欣伟等^[11]的研究结果相一致。大气CO₂浓度升高通过影响输入土壤的植物残体及根系分泌物的性质和数量来影响土壤酶活性^[19]。贾夏等^[32]利用开顶箱装置研究发现，CO₂浓度升高条件下长白赤松土壤脲酶、转化酶、脱氢酶、过氧化物酶等活性均升高，认为高浓度CO₂增加了长白赤松光合速率、生长量、根系生物量和分泌物，改变了土壤微生物所需C、N源的结构，从而促进了这些来源于微生物的酶活性。一些研究发现大气CO₂浓度升高显著地增强了土壤脲酶和转化酶活性^[33]。土壤转化酶很大一部分来源于根系分泌物，其活性与土壤微生物生物量和高密度有机碳有相关性^[34]。土壤脲酶表征氮循环的微生物代谢速率，土壤中可利用碳的增加能够刺激脲酶活性^[35-38]。

温度对土壤酶有直接作用，在一定范围内，增温可以直接提高土壤酶活性^[11]。冯瑞芳等^[14]利用原状土柱作为研究对象，研究表明增温显著促进土壤有机层的转化酶和脲酶活性。升温也可以通过对植物、土壤微生物的作用改变土壤生物过程而间接影响土壤酶活性。Majdi等^[39]研究表明，增温通过刺激北方针叶林细根生长，间接促进了土壤酶活性。Zhang等^[40]研究表明，增温使土壤养分有效性增加，为微生物提供更多的底物和能源，促进了土壤微生物的生长和代谢，进而提高了土壤酶活性。潘新丽等^[41]通过一年升温试验研究发现，土壤脲酶和转化酶都有不同程度的提高，并认为其与土壤微生物数量增加有一定的关系。因此，大气CO₂浓度升高和升温时，植物的生理活性发生变化，根系分泌物和沉积物进入土壤使微生物量增加，微生物活性增强，进而提高土壤酶活性。

土壤酶活性是土壤中生物学过程的微观反映，酶活性的大小决定着土壤中生物学过程的反应速度，土壤呼吸则是土壤中生物学过程的宏观反映，呼吸速率的大小决定着土壤中生物学过程的强弱。陈书涛等^[37]的研究表明，增温处理的小麦土壤呼吸与土壤酶活性存在显著的线性关系，表明土壤中不同生物学过程具有内在相关性。在吴静等^[42]的研究结果中，土壤微生物呼吸与转化酶有显著的相关性，也验证了土壤呼吸与酶活性存在一定的联系。升温会促进土壤酶活性，大气CO₂浓度升高为土壤中微生物提供了基质，间接促进土壤酶活性。土壤酶活性的增强，可以加快土壤有机质转化，促进土壤微生物活动，从而导致土壤碳库通过土壤呼吸作用释放更多CO₂^{[25, 41-42]}。虽然本研究未测定土壤微生物数量和群落结构，但可以推测土壤微生物多样性的变化能部分地解释土壤呼吸、酶活性对大气CO₂浓度升高和升温的响应。在接下来的研究中，我们会通过高通量测序分析土壤微生物群落的变化特征，明确土壤微生物与土壤呼吸、酶活性之间的关系。

4 结论

在小麦生长季，温度升高对土壤呼吸、脲酶和转化酶活性具有重要影响。大气CO₂浓度单独升高对土壤呼吸没有显著影响，但是温度升高及其与CO₂浓度同时升高处理土壤呼吸分别增加51.0%和34.7%。在小麦不同生育期，脲酶和转化酶活性对大气CO₂浓度升高和升温的响应存在差异。在分蘖期，土壤脲酶和转化酶活性没有变化，而在抽穗和成熟期，温度升高及其与CO₂浓度同时升高处理显著提高了转化酶活性，脲酶活性仅在抽穗期比对照显著增高。因此，小麦土壤呼吸、脲酶和转化酶活性对温度的反应较为敏感。