張明杰，張 振，張馨方，王 川，孫書斌，陳必華，葉協(xié)鋒，姚鵬偉*，石 剛

1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院國家煙草栽培生理生化研究基地?zé)煵菪袠I(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州市金水區(qū)文化路95號 450002 2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢市東西湖區(qū)金山大道?？诙?號 430030 3.安徽皖南煙葉有限責(zé)任公司，安徽省宣城市區(qū)鰲峰中路72號 242500 4.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司襄陽卷煙廠，湖北省襄陽市樊城區(qū)大慶西路55號 441000

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的主要組成部分，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中土壤有機(jī)碳庫為1 500 Pg，大約是大氣碳庫（780 Pg）的2倍和陸地植被碳庫（560 Pg）的3倍［1-2］。土壤呼吸（自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸）是土壤碳庫向大氣釋放二氧化碳（CO2）的主要途徑，同時也是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［3］。據(jù)統(tǒng)計，每年因土壤呼吸向大氣輸入的CO2占陸地生態(tài)系統(tǒng)總呼吸量的66.7%，約是大氣碳庫的1/10，是化石燃料燃燒排放量的10倍以上［4-5］。因此，土壤呼吸的微小變化對土壤碳累積速率和大氣中CO2濃度均產(chǎn)生顯著影響［6-7］。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)占全球陸地面積的10.5%，其CO2排放量占人為溫室氣體排放量的21%~25%，由于受到頻繁的人類活動干擾，因此是全球碳庫中最為活躍的部分［8］。施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的環(huán)節(jié)，也是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的保證。施肥不僅會影響土壤的養(yǎng)分狀況、碳庫組分，而且影響根系生長和微生物活性及群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤呼吸［9-11］。李燕青等［12］、戴衍晨等［13］研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥可明顯促進(jìn)土壤CO2排放；劉冬雪［14］研究表明，單施化肥與化肥配施有機(jī)肥處理農(nóng)田土壤CO2排放量無顯著差異，這與施肥的種類和方式的不同有關(guān)［15-16］。土壤呼吸包括自養(yǎng)呼吸（根呼吸）和異養(yǎng)呼吸（廣義的微生物呼吸）［8］。劉燕［17］研究表明，施肥對根呼吸和微生物呼吸的影響不一致。此外，土壤呼吸表現(xiàn)出時間和空間上的差異，以往對農(nóng)田土壤呼吸的研究主要集中在糧食作物上，而對煙—稻輪作體系中煙田土壤呼吸的研究尚鮮見報道。因此，以皖南煙田為研究對象，通過測定不同施肥處理土壤呼吸及環(huán)境因子的變化，分析土壤呼吸的影響因子，旨在為煙田系統(tǒng)固碳培肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)置于安徽宣城鄂皖科技示范園，地理位置為東經(jīng)118°58′49″、北緯31°12′53″，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)季候，年平均氣溫15.9℃，年平均降雨量約1 294 mm，氣候溫暖濕潤，無霜期240 d，全年日照時數(shù)2 000 h。供試土壤類型為水稻土，土壤基本理化性質(zhì)：pH 6.46，有機(jī)質(zhì)26.34 g/kg，堿解氮121.45 mg/kg，速效磷20.16 mg/kg，速效鉀125.73 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年3—7月進(jìn)行，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計，設(shè)置3個處理：單施化肥（CK）；化肥+生物有機(jī)肥2 250 kg/hm2（T1）；化肥+高碳基肥1 200 kg/hm2（T2）。各處理氮磷鉀用量一致，施氮量為131.25 kg/hm2，磷（P2O5）、鉀（K2O）用量分別為210.00 kg/hm2和336.91 kg/hm2。CK施用煙草專用復(fù)合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=17∶17∶17］644.1 kg/hm2，硝酸鉀［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=13.5∶0∶46］161.1 kg/hm2，硫酸鉀（K2O 50%）306.6 kg/hm2，鈣鎂磷肥（P2O512%）837.50 kg/hm2，T1和T2處理分別扣除生物有機(jī)肥（含N 1%，有機(jī)質(zhì)≥40%）和高碳基肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=2∶1.5∶2.5，有機(jī)質(zhì)≥45%］的氮磷鉀含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），按照氮磷鉀用量一致原則做相應(yīng)調(diào)整，磷鉀不足的以鈣鎂磷肥（P2O512%）和硫酸鉀（K2O 50%）補(bǔ)充。生物有機(jī)肥、高碳基肥、煙草專用復(fù)合肥和硫酸鉀作為基肥，在移栽前條施，硝酸鉀在移栽后40 d作追肥穴施。行距和株距分別為120 cm和50 cm。每個處理重復(fù)3次，共9個小區(qū)，小區(qū)面積為100 m2（12.5 m×8 m），每個小區(qū)內(nèi)設(shè)置一塊裸地（1.5 m×1.5 m），并定期除草。供試品種為云煙97，于3月26日移栽，其他田間管理措施按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤呼吸的測定

采用便攜式光合作用測量儀的土壤氣室（LI6400XT-09，美國LI-COR公司）測定土壤呼吸。每個小區(qū)設(shè)置3個PVC環(huán)，一個放置在壟上，一個放置在壟間，另一個放置在設(shè)置的裸地上。PVC環(huán)高5 cm，底面積80 cm2，插入土壤2 cm。為了避免人為擾動對土壤呼吸的影響，第1次測定在埋環(huán)后24 h進(jìn)行，試驗(yàn)期間及時清除PVC環(huán)內(nèi)的植物。自煙苗移栽后，每隔15 d左右測定1次，測定時間為9:00—11:00，煙草整個生育期共測定8次。測定時，將測量氣室小心放在PVC環(huán)上，同時將溫度探針插入PVC環(huán)附近的土壤中，深度為10 cm。壟上和壟間測得的土壤呼吸均值為土壤總呼吸速率（Rt），裸地測得的土壤呼吸值為土壤異養(yǎng)呼吸速率（Rs），總呼吸速率與土壤異養(yǎng)呼吸速率的差值為土壤自養(yǎng)呼吸速率（Rm）。

1.3.2 土壤理化指標(biāo)的測定

每次測定土壤呼吸時，采用烘干法測定0～20 cm土壤含水率［18］；于煙苗移栽后30、60、90和120 d采集0～20 cm土壤，用重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)質(zhì)［18］；電位法測定土壤pH［18］；堿解擴(kuò)散法測定堿解氮［18］；硫酸-鉬銻抗比色法測定有效磷［18］；火焰光度法測定速效鉀［18］；高錳酸鉀氧化法測定活性有機(jī)碳，KMnO4濃度為33、167和333 mmol/L時測定的活性有機(jī)碳分別為土壤高活性、中活性和活性有機(jī)碳［19］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2014進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，用SPSS 24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用LSD最小顯著差數(shù)法進(jìn)行不同處理間差異顯著性檢驗(yàn)。

采用指數(shù)模型擬合土壤總呼吸速率和土壤溫度的關(guān)系，擬合方程：

式中：Rt為土壤總呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；Q10為溫度敏感系數(shù)，其含義為溫度每升高10℃時土壤總呼吸速率增加的倍數(shù)［20］；a、b為擬合參數(shù)。

采用雙變量模型擬合土壤含水率和溫度雙因素對土壤總呼吸速率的影響，擬合方程：

式中：Rt為土壤總呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；W為土壤含水率（%）；T為10 cm土壤溫度（℃）；a、b、c為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對植煙土壤總呼吸速率的影響

不同施肥處理?xiàng)l件下，植煙土壤總呼吸速率的季節(jié)變化趨勢基本一致，見圖1。4月下旬土壤呼吸速率急劇降低，這可能是由于降雨所致；5月土壤溫度逐漸升高，同時烤煙進(jìn)入了旺長階段，土壤總呼吸速率逐漸升高并保持在較高水平；6月土壤總呼吸速率呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，且6月底各處理土壤總呼吸速率均達(dá)到最大；在此階段后土壤總呼吸速率逐漸降低。在烤煙整個生長季中不同施肥處理土壤總呼吸速率總體表現(xiàn)為T1>T2>CK，且差異達(dá)到顯著水平。T1處理的土壤總呼吸速率較CK和T2處理分別顯著增加33.17%和15.66%，T2處理比CK處理顯著提高15.14%。

圖1 不同施肥措施對土壤總呼吸速率的影響Fig.1 Effects of different fertilization measures on total soil respiration rate

2.2 不同施肥處理對土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸速率的影響

2.2.1 不同施肥處理對土壤異養(yǎng)呼吸速率的影響不同施肥處理?xiàng)l件下，土壤異養(yǎng)呼吸速率存在明顯的季節(jié)變化，見圖2。整體上看，烤煙大田期間土壤異養(yǎng)呼吸速率表現(xiàn)為T1>T2>CK。方差分析的結(jié)果顯示，處理間土壤異養(yǎng)呼吸平均速率存在顯著差異，見圖3。T1處理的土壤異養(yǎng)呼吸平均速率顯著高于CK和T2處理，分別提高了32.08%和24.80%；T2比CK提高了5.83%，但未達(dá)到顯著性水平。各處理土壤異養(yǎng)呼吸占土壤總呼吸的比例分別為57.69%、57.22%和53.03%。

圖2 不同施肥措施對土壤異養(yǎng)呼吸速率的影響Fig.2 Effects of different fertilization measures on soil heterotrophic respiration rate

圖3 不同施肥措施對土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸平均速率的影響Fig.3 Effects of different fertilization measures on average rates of soil heterotrophic respiration and autotrophic respiration

2.2.2 不同施肥處理對土壤自養(yǎng)呼吸速率的影響不同施肥處理土壤自養(yǎng)呼吸速率的變化趨勢基本一致，見圖4?？傮w上呈先升高再降低的趨勢。4月中旬，煙株個體較小，自養(yǎng)呼吸速率處于較低水平；4月下旬由于降雨的原因，導(dǎo)致土壤自養(yǎng)呼吸速率急劇降低；5月份，伴隨地溫升高和烤煙生長，土壤自養(yǎng)呼吸速率呈上升趨勢；6月份土壤自養(yǎng)呼吸速率保持在較高水平；在此階段后土壤自養(yǎng)呼吸速率逐漸降低。各處理間土壤自養(yǎng)呼吸速率存在顯著差異，見圖3。表現(xiàn)為T1>T2>CK，T1、T2處理自養(yǎng)呼吸平均速率較CK顯著增加（P<0.05），增幅分別為34.66%和27.84%，T1處理比T2處理提高了5.33%，但未達(dá)到顯著水平。各處理自養(yǎng)呼吸占總呼吸的比例隨烤煙生育期的推進(jìn)呈先增加后降低的趨勢（表1），總體上在6月11日達(dá)到峰值?？緹熣麄€生育期自養(yǎng)呼吸對總呼吸的貢獻(xiàn)分別為42.31%、42.78%和46.97%。

圖4 不同施肥措施對土壤自養(yǎng)呼吸速率的影響Fig.4 Effects of different fertilization measures on soil autotrophic respiration rate

表1 土壤自養(yǎng)呼吸速率占總呼吸速率比例的動態(tài)變化Tab.1 Dynamic proportion changes of soil autotrophic respiration rate to total soil respiration rate

2.3 土壤總呼吸速率與土壤溫度和含水率之間的關(guān)系

Q10為溫度敏感指數(shù)，指的是溫度每升高10℃，土壤總呼吸速率增加的倍數(shù)，用來衡量土壤總呼吸速率對土壤溫度的敏感程度，通常根據(jù)土壤總呼吸速率與土壤溫度的指數(shù)模型來計算［21］。表2結(jié)果顯示，土壤Q10大小依次為CK>T1>T2，表明T2處理土壤總呼吸速率對溫度的敏感性相對最小，CK土壤總呼吸速率對溫度的敏感性最大。土壤溫度、含水率和土壤總呼吸速率的復(fù)合關(guān)系模型R2均大于土壤溫度單因子模型，土壤溫度與含水率的交互作用能夠解釋土壤總呼吸速率季節(jié)變化的65.6%~75.3%。

表2 土壤總呼吸速率與土壤溫度和含水率的擬合方程①Tab.2 Fitting equation of soil respiration rate with soil temperature and moisture content（n=8）（n=8）

2.4 土壤總呼吸速率與土壤理化性狀的關(guān)系

由表3可知，不同施肥處理土壤pH差異不顯著，堿解氮以及活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量存在顯著差異，總體表現(xiàn)為T1>T2>CK。在7月31日，T1處理堿解氮以及活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量較CK分別增加了5.37%、8.02%、20.56%和23.45%，T2處理各指標(biāo)較CK分別提高了3.62%、4.84%、11.88%和15.79%，T1和T2處理間無顯著性差異。土壤總呼吸速率與土壤溫度以及活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)（表4），與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)，而與土壤pH和堿解氮含量的相關(guān)性沒有達(dá)到顯著水平。

表3 不同施肥處理土壤化學(xué)性狀指標(biāo)的變化①Tab.3 Changes of soil chemical property indexes under different fertilization treatments

表4 土壤總呼吸速率與土壤理化性狀指標(biāo)的相關(guān)性①②Tab.4 Correlations between total soil respiration rate and physicochemical property indexes of soil

3 討論

本研究結(jié)果表明，不同施肥措施下土壤總呼吸速率呈“先升高后降低”的季節(jié)變化特征，與李亞森等［21］、嚴(yán)俊霞等［22］研究結(jié)果一致。在烤煙生育前期，由于溫度較低，煙株根系較小，微生物呼吸和根系呼吸較弱；伴隨溫度的升高和烤煙根系的生長，微生物呼吸和根呼吸逐漸增強(qiáng)，所以土壤總呼吸速率逐漸增加，并在移栽后90 d（6月底）達(dá)到峰值；烤煙進(jìn)入成熟采收階段后，烤煙葉面積系數(shù)迅速降低，根系所能獲得的光合產(chǎn)物急劇減少，導(dǎo)致土壤總呼吸速率降低［4］。不同施肥處理土壤肥力和作物生長存在差異，因而土壤總呼吸速率表現(xiàn)出明顯差異［23］。蘆思佳等［24］、吳瑞娟等［25］研究指出，化肥配施有機(jī)肥可以顯著提高土壤總呼吸速率。本試驗(yàn)結(jié)果表明，配施生物有機(jī)肥和高碳基肥對土壤呼吸有明顯的促進(jìn)作用，且土壤總呼吸速率與土壤活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)。因此，本研究中配施有機(jī)肥主要通過提高土壤活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量，增加土壤呼吸的底物供應(yīng)來促進(jìn)微生物呼吸，這與楊蘇等［26］的研究結(jié)果一致。配施有機(jī)肥還可能通過提高土壤微生物活性和碳代謝多樣性而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化［27-28］，進(jìn)而促進(jìn)微生物呼吸。另一方面，施用生物有機(jī)肥和高碳基肥可以促進(jìn)烤煙的生長、煙株根系活性增強(qiáng)和根呼吸增強(qiáng)。Kuzyakov等［29］研究指出，根呼吸對土壤總呼吸的貢獻(xiàn)率在15%~60%之間，本研究中，自養(yǎng)呼吸對總呼吸的貢獻(xiàn)率為42.31%~46.97%，處于這一范圍內(nèi)?；逝涫┯袡C(jī)肥處理在顯著提高自養(yǎng)呼吸速率的同時，也提高了異養(yǎng)呼吸，因此配施有機(jī)肥處理土壤自養(yǎng)呼吸對土壤總呼吸的貢獻(xiàn)與單施化肥的差異不顯著。

土壤溫度是影響土壤呼吸的重要環(huán)境因子，其通過影響微生物活性和根系生長進(jìn)而影響土壤呼吸。本研究中，土壤總呼吸速率與10 cm深的土壤溫度存在顯著指數(shù)關(guān)系，這與于曉娜等［4］的研究結(jié)果一致。研究者常用Q10來衡量土壤呼吸對土壤溫度的敏感程度，本研究中Q10的變化范圍為2.19~2.39，其中CK處理的Q10最大，T2處理的Q10最小，說明配施有機(jī)肥降低了土壤呼吸對溫度變化的敏感性，與嚴(yán)俊霞等［24］和吳瑞娟等［25］的研究結(jié)果一致。環(huán)境因子、底物的數(shù)量和質(zhì)量是影響Q10的重要因素［21］，本研究中，各處理間土壤溫度和含水率均無顯著差異，因此，底物是引起處理間Q10差異的主要原因。有研究表明，易降解有機(jī)碳的Q10低，難降解有機(jī)碳的Q10高［30］。因此，T1和T2處理Q10較CK降低的原因可能是施用有機(jī)肥進(jìn)而增加了易降解有機(jī)碳的含量。李虎等［31］認(rèn)為，土壤含水率對土壤呼吸的影響較為復(fù)雜，一定程度上取決于與土壤溫度的相互協(xié)調(diào)。本研究中，土壤總呼吸速率與土壤溫度和含水率的復(fù)合關(guān)系模型的擬合效果優(yōu)于單一模型，說明土壤溫度和含水率的交互作用能夠更好地解釋土壤呼吸的變異。此外，不同施肥措施對農(nóng)田土壤呼吸的影響是一個長期過程，因此還需要長期試驗(yàn)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

①在烤煙生育期，土壤總呼吸速率具有明顯的季節(jié)變化特征，峰值出現(xiàn)在移栽后90 d左右；土壤溫度與土壤總呼吸速率呈顯著正相關(guān)，土壤溫度和含水率的交互作用能夠解釋土壤總呼吸速率變異的65.6%~75.3%。②化肥配施有機(jī)肥處理土壤總呼吸速率顯著高于單施化肥處理，其中配施生物有機(jī)肥處理顯著提高了土壤自養(yǎng)呼吸速率和異養(yǎng)呼吸速率，但不同處理間自養(yǎng)呼吸對總呼吸的貢獻(xiàn)差異不顯著。③土壤總呼吸速率與土壤活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量密切相關(guān)，配施生物有機(jī)肥和高碳基肥能夠增加煙田土壤總呼吸速率，同時有助于土壤活性有機(jī)碳的積累。