符云鵬 劉 天 李耀鑫 柳淵博 王 靜 金佳威 蔣偉峰 劉詠艷 楊 洋 云 菲

等碳量添加生物炭和秸稈對煙田土壤呼吸及凈碳收支的影響

符云鵬 劉 天 李耀鑫 柳淵博 王 靜 金佳威 蔣偉峰 劉詠艷 楊 洋 云 菲*

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院 / 煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗室, 河南鄭州 450002

研究生物炭和秸稈添加對煙田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸及碳收支的影響, 闡明生物炭、秸稈以及二者配施處理煙田的固碳效應(yīng)。2020—2021年, 設(shè)置常規(guī)施肥(CK)、常規(guī)施肥+2.25 t hm–2生物炭-C (T1)、常規(guī)施肥+2.25 t hm–2秸稈-C (T2)、常規(guī)施肥+1.125 t hm–2生物炭-C＋1.125 t hm–2秸稈-C (T3) 4個處理, 對不同組分土壤呼吸及土壤主要環(huán)境因子、土壤碳增量、作物凈初級生產(chǎn)力固碳量以及進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的碳排放進(jìn)行了測定。結(jié)果表明, 添加秸稈、秸稈與生物炭配施處理烤煙生育期內(nèi)土壤呼吸累計排放碳量顯著高于對照(<0.05), 提升幅度分別為21.40%～35.45%、5.90%～9.89%; 添加生物炭、秸稈處理土壤自養(yǎng)呼吸占比分別較對照提高6.35%～7.34%、3.21%～5.97%, 生物炭與秸稈配施處理僅2021年較對照提升3.91%。添加生物炭、秸稈提高了生育期內(nèi)土壤溫度和水分, 單施生物炭處理土壤水分顯著提高了1.93%～7.07%。土壤主要環(huán)境因子中, 土壤溫度對土壤呼吸速率影響最大, 二者呈極顯著正相關(guān); 添加秸稈、生物炭與秸稈配施處理土壤呼吸速率與土壤濕度呈顯著正相關(guān)。各處理生態(tài)系統(tǒng)固碳量均為正值, 表示為“碳匯”, 其中添加生物炭不僅可增加凈初級生產(chǎn)力(NPP)固碳量以及土壤固碳量, 還可降低煙草生長季內(nèi)土壤呼吸累積碳排放量, “碳匯”能力最強(qiáng)。因此, 施用生物炭是降低煙田土壤呼吸碳排放, 增強(qiáng)煙田生態(tài)系統(tǒng)“碳匯”能力的最佳途徑。

生物炭; 秸稈; 土壤呼吸; 碳收支

溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變暖問題日益嚴(yán)峻,各種極端天氣頻頻出現(xiàn)。中國CO2排放總量位居世界第一[1], 我國實(shí)現(xiàn)2030年“碳達(dá)峰”目標(biāo)與2060年“碳中和”愿景挑戰(zhàn)巨大。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)到大氣的第二大碳通量, 陸地土壤CO2年平均排放通量約為80.4 PgC[2]。全球土壤儲存了至少2倍于大氣的碳[3-4], 土壤呼吸向大氣中排放的CO2通量正逐年增加[5]。土壤呼吸由自養(yǎng)呼吸(植物根際及根際微生物)和異養(yǎng)呼吸(非根際相關(guān)的土壤微生物和土壤動物)組成。1987—1999年間, 全球土壤呼吸速率以每年0.161 PgC的速率增加[6]。1990—2014年間, 異養(yǎng)呼吸(heterotrophic respiration Rh)與總呼吸(soil respiration, Rs)的比值由0.54增加到0.63, 異養(yǎng)呼吸的增加可能是響應(yīng)環(huán)境變暖帶來的環(huán)境變化[7]。農(nóng)田耕地土壤退化問題日益嚴(yán)峻, 在提高土壤肥力的同時增強(qiáng)土壤碳庫貯存已被公認(rèn)為全球范圍內(nèi)應(yīng)對減緩?fù)寥劳嘶皻夂蜃兣呗訹8-9], 對于占全球土壤近33%的有機(jī)碳損失退化土壤來言尤其重要[10]。農(nóng)田土壤應(yīng)用秸稈已被公認(rèn)為是一種環(huán)境友好的做法,可增加有機(jī)碳的輸入, 提高礦質(zhì)元素的有效性進(jìn)而阻止土壤退化, 提高土壤質(zhì)量及作物產(chǎn)量, 同時還可減少化肥的施用[11-12]。有研究表明, 秸稈還田會增加土壤CO2的排放, 加劇全球變暖問題[12]。基于秸稈等廢棄生物質(zhì)制備而成的生物炭被認(rèn)為是另一種增加土壤碳儲量的有效方式, 并可起到增加土壤養(yǎng)分含量及土壤碳庫穩(wěn)定性的作用[13]。研究表明, 生物炭在土壤中周轉(zhuǎn)率極低(0.0046% d-1)[14], 因此可將生物炭施于土壤實(shí)現(xiàn)碳封存進(jìn)而達(dá)到緩解溫室效應(yīng)的目的。農(nóng)田添加生物炭可通過改變土壤物理結(jié)構(gòu)、水分含量、陽離子交換能力、酶活性及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)而減少土壤呼吸CO2排放[15]。秸稈與生物炭的交互作用研究較少。二者配合施用對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支的影響尚不清楚。煙草作為一種壟作作物, 農(nóng)事操作較為復(fù)雜, 涉及到施肥起壟、中耕培土、除草等, 對土壤造成擾動較多, 勢必影響到煙田土壤呼吸。目前, 關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支的研究主要集中在糧食作物(玉米、小麥、水稻), 而有關(guān)煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究相對較少。煙草作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物, 在我國種植面積較大。秸稈還田是煙區(qū)常用的土壤改良措施, 生物炭作為新興的土壤改良劑近幾年在植煙土壤改良中的應(yīng)用日漸增多, 然而關(guān)于生物炭和秸稈添加對煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支影響的研究較少。因此, 研究不同碳源輸入下煙田土壤主要環(huán)境因子特征及土壤呼吸組分變化規(guī)律、煙田生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支, 對正確評價煙田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯效應(yīng)具有重要的理論意義及實(shí)用價值。

為避免土壤環(huán)境不同對準(zhǔn)確區(qū)分土壤呼吸組分造成的影響, 本試驗采用壟溝法對土壤呼吸組分進(jìn)行了分離。通過田間原位連續(xù)監(jiān)測, 探究不同碳源輸入對煙田土壤環(huán)境及不同呼吸組分的影響, 對生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力、土壤固碳量、土壤呼吸作用排放碳量、物料投入碳量及農(nóng)業(yè)投入碳排放量進(jìn)行收集測定, 定量評價生物炭、秸稈及二者混施處理生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)及試驗材料

定位試驗開始于2017年, 按照“等碳量”的原則連年添加生物炭和秸稈。本試驗于2020年4月至9月、2021年4月至9月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)許昌校區(qū)現(xiàn)代煙草科教園區(qū)(東經(jīng)113°85′, 北緯34°14′)進(jìn)行。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛啙駶櫦撅L(fēng)氣候, 年平均氣溫15.6℃, 多年平均降雨量約為700 mm。土壤類型為褐土, 質(zhì)地為中壤。土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為: 有機(jī)質(zhì)19.09 g kg-1、堿解氮74.7 mg kg-1、速效磷8.7 mg kg-1、速效鉀114.5 mg kg-1和水溶性氯24.8 mg kg-1, pH 7.61。試驗所用花生殼生物炭由河南省生物炭技術(shù)工程實(shí)驗室提供, 在400～450℃下限氧熱解30 min制備而成, 其基本性質(zhì)為總碳(total carbon, TC) 47.28%、總氮(total nitrogen, TN) 1.25%、總硫(total sulfur, TS) 0.48%、總磷(total phosphorus, TP) 1.31%、總鉀(total potassium, TK) 1.77%、碳氮比(carbon nitrogen ratio, C/N) 37.82、酸堿度(pH) 8.5。秸稈為腐熟小麥秸稈, 基本性質(zhì)為TC 44.82%、TN 1.21%、TS 0.80%、TP 0.72%、TK 0.96%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)4個處理, 隨機(jī)區(qū)組排列, 重復(fù)3次, 小區(qū)面積0.02 hm2。各處理分別為: CK: 常規(guī)施肥; T1: 常規(guī)施肥+2.25 t hm-2生物炭-C; T2: 常規(guī)施肥+2.25 t hm-2秸稈-C; T3: 常規(guī)施肥+1.125 t hm–2生物炭-C+ 1.125 t hm–2秸稈-C。生物炭、秸稈均于烤煙移栽前2周施入土壤, 與表層0～20 cm土層充分混合后起壟,壟距1.2 m。各處理氮用量為30 kg hm–2, 氮磷鉀比例1∶2∶4?；视蔁煵輰Ｓ脧?fù)合肥(15% N、15% P2O5、15% K2O), 硫酸鉀(52% K2O)和過磷酸鈣(12% P2O5)提供, 追肥為硝酸鉀(13.5% N、44.5% K2O), 基肥、追肥比例為4∶1。種植品種為中煙100, 行距1.2 m, 株距0.55 m, 密度為15,000株 hm-2, 2020年5月3日移栽, 9月27日采收結(jié)束, 2021年5月6日移栽, 9月17日采收結(jié)束。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤呼吸及土壤環(huán)境因子 土壤呼吸使用Li-8100土壤碳通量測量儀(LI-COR, Lincoln, 美國)測定, 每次測量前24 h清除地表雜草。于測定日的08:30—11:30之間進(jìn)行土壤呼吸測定, 代表本日土壤呼吸平均值, 為剔除土壤呼吸日變化對測量結(jié)果的影響, 每次測量時均按照不同的順序?qū)τ^測點(diǎn)進(jìn)行測定, 每5 d測量1次, 雨天除外。每個小區(qū)共放置3個PVC環(huán), 其中壟間和壟體各安裝1個PVC環(huán)。安裝好的PVC環(huán)高出地面3 cm, PVC環(huán)在生育期內(nèi)不再移動, 直至測量結(jié)束。使用壕溝法將土壤總呼吸(total soil respiration, Rs)劃分為土壤自養(yǎng)呼吸(soil autotrophic respiration, Ra)和土壤異養(yǎng)呼吸(soil heterotrophic respiration, Rh)。在每個處理的壟間設(shè)置一個矩形區(qū)域, 在矩形區(qū)域邊界向內(nèi)5 cm左右挖一個60 cm深的溝, 保留長寬約60 cm×40 cm的未擾動區(qū)域。沿溝槽內(nèi)壁放置孔隙為0.038 mm的尼龍網(wǎng), 然后將土壤回填。在未干擾區(qū)域中放置一個PVC環(huán)測量土壤呼吸, 此測定值為異養(yǎng)呼吸(Rh), 將壟體呼吸與壟間呼吸的平均值視為田間土壤總呼吸(Rs), 土壤總呼吸(Rs)與異養(yǎng)呼吸(Rh)的差值為自養(yǎng)呼吸(Ra)。土壤溫度、濕度采用WET三參儀(WET-2, 英國)與土壤呼吸一同測定, 測定深度為壟體土壤5 cm深處。

土壤呼吸CO2日排放量:

R=R×3600×24×12×10–5(1)

整個生長季CO2累計排放量:

式中,R為當(dāng)日土壤呼吸CO2日排放量(kg hm–2),s為土壤呼吸速率(μmol m–2s–1), 12為CO2-C的摩爾質(zhì)量(g mol–1), 3600、24、10–5均為轉(zhuǎn)換系數(shù);r為整個生長季CO2累計排放量(kg hm–2),R和R1分別為第次和第+1次測定時CO2日排放量(kg hm–2),為相鄰2次土壤呼吸測定間隔天數(shù),first為第1次測定的土壤呼吸CO2排放量(kg hm–2)。

1.3.2 煙草生物量的測定 烤煙采收期, 各小區(qū)選擇3株長勢均勻、代表性強(qiáng)的煙株, 采集整株植物樣品, 分為根、莖、葉3個部分, 對生育期內(nèi)進(jìn)行的農(nóng)事操作如打頂抹杈、打底腳葉去除的植株生物量以及煙株凋落物進(jìn)行收集, 于105℃殺青30 min后在65℃烘干至恒重, 冷卻后測定各器官干物質(zhì)質(zhì)量。

1.3.3 土壤有機(jī)碳含量 移栽前及采收后采用“S”形取樣法采集0～20 cm耕層土壤樣品。自然風(fēng)干后過0.15 mm篩, 采用德國Elementar公司生產(chǎn)的有機(jī)碳分析儀(VarioMACRO TOC)測定土壤有機(jī)碳含量。

1.3.4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支估算 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支估算參考田冬[16]方法進(jìn)行。采用全生命周期評價系統(tǒng)凈固碳效應(yīng), 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的源匯效應(yīng)取決于土壤碳儲量增量、作物凈初級生產(chǎn)力固定碳量、土壤呼吸排放碳量、物料還田碳量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物資消耗及人工管理排放碳平衡進(jìn)行估算。

(1) 土壤碳儲量增量

ΔSOC=(SOCi-SOC0)×BD×H×10–1。

ΔSOC為土壤碳增量(t hm–2), SOCi為第次測定的土壤有機(jī)碳含量(g kg–1), SOC0試驗開始前基礎(chǔ)土樣土壤有機(jī)碳含量(g kg–1), BD為土壤容重(g cm–3), H為土層深度。

(2) 系統(tǒng)碳吸收(Ca)

Ca=CNPP=Ccrop+Clitter

CNPP為系統(tǒng)內(nèi)作物的凈初級生產(chǎn)力固定碳, Ccrop為作物固碳(包括作物地上部的莖稈、葉、煙杈、花及地下部的根系所包含的碳), Clitter為田間凋落物殘留碳。

(3) 系統(tǒng)碳排放(Ce)

Ce=Cr+Ceh

Cr為系統(tǒng)土壤呼吸碳排放, Ceh為生產(chǎn)活動所產(chǎn)生的碳排放。

(4) 系統(tǒng)凈碳匯(Cs)

系統(tǒng)凈碳匯(Cs)通過土壤固碳增量、吸收與排放碳平衡計算:

Cs=Ci+CNPP+ΔSOC-Cr-Ceh

Ci為物料碳還田量, CNPP為凈初級生產(chǎn)力, ΔSOC為土壤固碳量, Cr為土壤呼吸碳排放量, Ceh為采用碳足跡法, 從作物播種到收獲期農(nóng)田生產(chǎn)活動中的農(nóng)業(yè)投入碳排放量, 主要包括農(nóng)藥、化肥、耕地起壟、灌溉、田間管理如打頂抹杈及農(nóng)機(jī)使用過程中產(chǎn)生的碳排放(表1)。表1中煙苗碳排放系數(shù)無參考文獻(xiàn), 本試驗采用德國Elementar公司生產(chǎn)的全自動CNS元素分析儀(VarioMACRO cube)測定移栽所用煙苗碳積累量。

1.3.5 相關(guān)性 采用經(jīng)驗指數(shù)方程描述土壤呼吸與表層土壤溫度的關(guān)系:=e,為土壤呼吸速率(μmol m–2s–1),為地表下5 cm處土壤溫度,、為擬合參數(shù)。

10: 溫度敏感系數(shù), 表示溫度每增加10℃, 土壤呼吸增加的倍數(shù),10=e10。

土壤濕度與土壤呼吸速率之間的關(guān)系采用二次回歸方程進(jìn)行擬合:=++2, 式中,為土壤呼吸速率,為地表下5 cm處土壤體積含水量,、、均為方程擬合參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析, 用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗, 使用Origin 2018和Microsoft Excel 2010制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加生物炭和秸稈對土壤溫度和濕度的影響

由圖1可以看出, 2020年與2021年烤煙大田生育期壟體土壤溫度、濕度變化趨勢基本一致。生育期內(nèi), 各處理土壤溫度均呈先上升后下降的趨勢, 最高溫度出現(xiàn)在8月初。2020年土壤溫度變化范圍在21.92～39.72℃之間, 添加生物炭、秸稈及生物炭和秸稈配施處理平均土壤溫度分別較CK提高0.55%、0.41%、0.78%, 處理間無顯著差異。2021年土壤溫度整體低于2020年, 變化幅度范圍為25.02～31.77℃, 各處理平均土壤溫度分別較CK提高0.63%、0.52%、0.58%, 處理間差異不顯著。整個生育期內(nèi), 土壤水分變化波動較為明顯, 主要受農(nóng)田灌溉及降雨的影響; 2020年T1、T3處理生育期內(nèi)土壤水分均值分別較CK顯著提高7.07%、2.03%, 2021年T1、T2、T3處理土壤水分均值較CK分別提高1.93%、0.01%、3.38%, T1、T3處理土壤水分含量均值與CK差異顯著(<0.05)。

2.2 添加生物炭和秸稈對煙草生育期內(nèi)土壤呼吸速率及土壤CO2-C累積排放量的影響

由圖2可知, 在煙草生育期內(nèi), 各處理土壤總呼吸表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性, 2020年與2021年土壤呼吸速率變化趨勢基本一致, 總體呈先增加后降低, 與土壤溫度變化趨勢相似, 8月初達(dá)到峰值。2020年各處理土壤呼吸速率變化范圍分別為1.66～4.76、1.93～4.01、2.32～5.94、2.00～4.61 μmol m–2s–1, 土壤呼吸平均速率分別為2.87、2.74、3.82、3.01 μmol m–2s–1, 處理間差異均達(dá)顯著水平(<0.05), 其中T1處理平均土壤呼吸速率較CK顯著降低4.53%, T2、T3處理分別較CK顯著增加33.40%、4.88%。2021年各處理土壤呼吸速率變化規(guī)律相同, 土壤呼吸速率變化范圍分別為1.77～6.22、2.12～5.54、2.79～7.49、2.55～6.84 μmol m–2s–1, 土壤呼吸平均速率分別為3.96、3.75、4.82、4.36 μmol m–2s–1, 均高于2020年相對應(yīng)處理, 且處理間差異顯著(<0.05), 其中T1處理較CK顯著降低5.30%, T2、T3處理分別較CK顯著增加21.72%、10.10%?？梢? 添加生物炭可顯著降低煙草生育期內(nèi)土壤呼吸平均速率。

表1 各項農(nóng)業(yè)物資的碳排放系數(shù)

圖1 生物炭和秸稈添加下土壤溫度、濕度的動態(tài)變化

CK: 對照; T1: 常規(guī)施肥+2.25 t hm–2生物炭-C; T2: 常規(guī)施肥+2.25 t hm–2秸稈-C; T3: 常規(guī)施肥+1.125 t hm–2生物炭-C+1.125 t hm–2秸稈-C。

CK: the control; T1: the conventional fertilization + 2.25 t hm–2biochar-C; T2: the conventional fertilization + 2.25 t hm–2straw-C; T3: the conventional fertilization + 1.125 t hm–2biochar-C + 1.125 t hm–2straw-C.

2020年與2021年土壤異養(yǎng)呼吸平均速率表現(xiàn)為T2>T3>CK>T1, T2處理顯著高于其他處理(<0.05), 2年T1處理土壤異養(yǎng)呼吸平均速率分別較CK顯著降低9.28%、10.66%。2020年各處理土壤自養(yǎng)呼吸平均速率表現(xiàn)為T2>T1>T3>CK, T2與其他處理差異顯著(<0.05); CK、T1、T2、T3處理土壤自養(yǎng)呼吸占總呼吸比例分別為43.99%、46.87%、45.40%、42.45%, 其中T1、T2處理較CK提高了自養(yǎng)呼吸在總呼吸的占比。2021年各處理土壤自養(yǎng)呼吸平均速率表現(xiàn)為T2>T3>T1>CK, 與CK相比, 各處理均提高了自養(yǎng)呼吸占比。

由表2可知, 2020年煙草生育期內(nèi)各處理土壤呼吸作用CO2-C累積排放量在3833.65～5395.87kg hm–2之間, 2021年土壤呼吸作用CO2-C累積排放量高于2020年, 在5356.42～6916.35 kg hm–2之間, 2年均表現(xiàn)為T2>T3>CK>T1, 且T2、T3處理顯著高于CK。

2.3 添加生物炭和秸稈對煙草生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的影響

由圖3可知, 煙株各器官固碳量均表現(xiàn)為葉>莖> 根>杈>花>凋落物; 2020年CK、T1、T2、T3處理葉片固碳量占總固碳量的比例分別為41.47%、41.03%、42.62%、40.75%, 2021年各處理葉片固碳量占總固碳量的比例分別為41.63%、40.91%、41.71%、41.18%。2020年, 各處理葉片固碳量表現(xiàn)為T2>T3>T1>CK, 處理間差異顯著; 莖和根系固碳量表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK, 其中T3處理顯著高于其他處理, T2、T1處理顯著高于CK; 其他器官固碳量表現(xiàn)為T3>T1>T2>CK, 處理間差異顯著。2021年, 根系固碳量表現(xiàn)為T3、T1顯著高于CK, 各處理葉、莖和其他器官固碳量均顯著高于CK。

圖2 生物炭和秸稈添加下煙田土壤呼吸速率的動態(tài)變化

處理同圖1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

表2 生物炭和秸稈添加下土壤呼吸CO2-C累計排放量

同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。處理同圖1。

Different lowercase letters in the same row indicate significant differences between treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

圖3 添加生物炭和秸稈對煙株各部位固碳量的影響

同顏色橫柱不同小寫字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。處理同圖1。

Different lowercase letters in the same color horizontal column indicate significant differences at the 0.05 probability level between treatments. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

由圖4可知, 2020年與2021年各處理煙株固碳量均表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK, 2020年T1、T2、T3處理煙株固碳量分別較CK顯著增加14.32%、16.59%、16.63%, 2021年各處理分別較對照顯著增加15.29%、16.73%、18.66%。

圖4 添加生物炭和秸稈對煙田生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的影響

不同小寫字母表示同一年份處理間差異顯著(< 0.05)。處理同圖1。

Different lowercase letters indicate significant differences between treatments in same year at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

2.4 土壤呼吸對土壤溫度、濕度的響應(yīng)

土壤溫度、濕度是影響土壤呼吸的兩大主要因素。由表3可知, 各處理土壤溫度與土壤呼吸呈指數(shù)相關(guān)。2020年, T1和T3處理Q10值分別較CK降低11.45%、13.86%, T2處理較CK增加1.20%。2021年, 各處理Q10值表現(xiàn)為CK>T3>T2>T1, 與2020年相比, 除T1外, 各處理Q10值均有所增加。整體來看, 單施生物炭可有效降低土壤呼吸敏感系數(shù)。2020年, 土壤濕度與土壤呼吸擬合度較低,2變化范圍在0.032～0.168之間, 其中T3處理擬合度最高; T2、T3處理土壤濕度與土壤呼吸速率為顯著正相關(guān)(<0.05)。2021年, 各處理土壤呼吸與土壤濕度擬合度均大幅度增高, 這可能與當(dāng)年降雨量較大有關(guān)。

2.5 煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支

由表4可知, CK表現(xiàn)為 “碳源”, 各處理均呈“碳匯”。處理間凈固碳量表現(xiàn)為T1>T3>T2。2021年各處理“碳匯”效應(yīng)與2020年相比較弱, 這與2021年土壤呼吸作用CO2-C排放量大幅度增加有關(guān)。相較于CK, 各處理增加了碳投入量, 提高了凈初級生產(chǎn)力固碳量及土壤固碳量。綜合來看, 單施生物炭的T1處理“碳匯”能力最強(qiáng)。添加不同碳源的3個處理凈初級生產(chǎn)力固碳量無顯著差異, 但均顯著高于CK (<0.05)。2020年T1處理土壤固碳量較CK、T2、T3分別提高11.18、0.24、0.05倍, 土壤呼吸CO2-C排放量分別較其他處理降低3.76%、28.95%、9.12%。2021年T1處理土壤固碳量較CK、T2、T3分別提高10.88、0.20、0.04倍, 土壤呼吸CO2-C排放量較其他處理降低5.98%、22.55%、14.44%。因此, 欲提高煙田生態(tài)系統(tǒng)固碳量, 應(yīng)從減少土壤呼吸碳排放、增加凈初級生產(chǎn)力固碳量及土壤固碳量入手。

表3 土壤呼吸速率與土壤環(huán)境因子的擬合方程

處理同圖1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

表4 生物炭和秸稈添加對煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響

處理同圖1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

3 討論

3.1 不同碳源輸入對土壤呼吸特征及其組分的影響

本研究發(fā)現(xiàn), 烤煙生長前期土壤呼吸速率較低, 8月初土壤呼吸CO2排放達(dá)到峰值, 隨后下降(圖2-a), 這與何甜甜等[22]、李亞森等[23]在豫中煙田生態(tài)系統(tǒng)研究烤煙生育期內(nèi)土壤呼吸速率的動態(tài)變化結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明, 添加秸稈顯著增加了煙草生育期內(nèi)土壤呼吸平均速率, 而添加生物炭顯著降低了土壤呼吸平均速率, 生物炭與秸稈配施較單施秸稈降低了土壤呼吸速率。添加生物炭降低土壤呼吸平均速率可能是因為: (1) 少量存在于生物炭表面易被微生物分解利用的碳源消耗殆盡后, 剩下穩(wěn)定性極強(qiáng)的以芳香環(huán)不規(guī)則疊層存在的碳不易被分解[24]; (2) 生物炭促進(jìn)土壤團(tuán)聚體生成及穩(wěn)定有利于農(nóng)田土壤碳固持[25]; (3) 生物炭較秸稈可顯著增加一些礦化能力弱、腐殖化能力強(qiáng)的細(xì)菌豐度[26], 表現(xiàn)為土壤呼吸速率降低。劉杏認(rèn)等[27]在冬小麥-夏玉米輪作體系中研究認(rèn)為添加玉米秸稈生物炭可提高輪作周期內(nèi)CO2排放通量, 這可能歸因于生物炭用量、還田年限的差異。許多研究表明高量生物炭添加下可大幅度提高土壤呼吸速率[23,28], 本研究中生物炭添加量較小(4.76 t hm–2), 表現(xiàn)為土壤呼吸速率降低。此外, 生物炭施用年限同樣會對其作用效果產(chǎn)生影響, Singh等[29]認(rèn)為由桉木、桉葉、家禽糞便、牛糞制備而成的生物炭添加于沙姜土壤的前二三年起正激發(fā)效應(yīng), 促進(jìn)本土有機(jī)碳礦化, 之后一直到第5年正激發(fā)效應(yīng)逐漸減弱, 對本土有機(jī)碳礦化作用由促進(jìn)轉(zhuǎn)為抑制。本研究為定位試驗, 已連續(xù)添加5年生物炭, 導(dǎo)致了土壤呼吸速率的降低。

明確土壤呼吸各組分對土壤總呼吸的貢獻(xiàn), 對定量評價生態(tài)系統(tǒng)碳收支具有較大的理論及實(shí)踐價值[30]。自養(yǎng)呼吸在土壤總呼吸中占比在不同生態(tài)系統(tǒng)中差異較大。本研究中, 2020年烤煙生育期內(nèi)各處理自養(yǎng)呼吸占比在42.45%～46.87%之間, 2021年各處理自養(yǎng)呼吸占比在43.44%～46.63%之間。田冬等[31]研究表明, 油菜季自養(yǎng)呼吸在土壤總呼吸中占比為17.31%～22.9%, 玉米季為26.49%～53.65%。Kuzyakov等[32]采用14C標(biāo)定示蹤法研究自養(yǎng)呼吸對土壤總呼吸的貢獻(xiàn)率, 結(jié)果顯示自養(yǎng)呼吸貢獻(xiàn)率在15%～60%之間, 均值為41%。魯齊飛等[33]在豫中煙田生態(tài)系統(tǒng)研究各土壤呼吸組分在土壤總呼吸中占比, 其中自養(yǎng)呼吸占比為40.26%～43.43%。本研究中自養(yǎng)呼吸占比相對較高, 這可能與土壤呼吸組分的區(qū)分測定方法有關(guān), 本試驗采用壕溝法, 對土壤微生態(tài)影響相對較小, 裸地處無植被覆蓋, 土壤溫度較高, 會導(dǎo)致異養(yǎng)呼吸測定值偏高。單施生物炭處理和單施秸稈處理較對照提高了土壤自養(yǎng)呼吸占比, 主要是添加生物炭、秸稈可提高土壤有機(jī)碳含量, 改善土壤物理特性, 促進(jìn)根系發(fā)育, 進(jìn)而提高了土壤自養(yǎng)呼吸占比。此外, 添加生物炭對原土有機(jī)碳礦化的抑制作用導(dǎo)致異養(yǎng)呼吸速率降低[34]。

3.2 不同碳源輸入下土壤環(huán)境因素對土壤呼吸的影響

土壤水分和溫度是影響土壤CO2排放的兩大土壤環(huán)境因子[35]。本研究中, 土壤溫度與土壤呼吸呈極顯著正相關(guān), 是對土壤呼吸速率影響最大的土壤環(huán)境因子, 對土壤呼吸變化的貢獻(xiàn)率達(dá)到30.7%～ 63.15%, 趙亞麗等[36]將玉米、小麥秸稈添加于粉質(zhì)黏壤土取得研究結(jié)果與本項研究結(jié)果一致。土壤CO2排放溫度敏感系數(shù)(Q10)是預(yù)測土壤碳排放的重要指標(biāo), 本研究中添加生物炭處理較對照降低Q10。有研究發(fā)現(xiàn)生物炭施于農(nóng)田短期內(nèi)增加Q10, 長期則降低Q10[37], 本試驗連續(xù)5年施用生物炭可能導(dǎo)致Q10降低。添加秸稈刺激土壤中微生物活化, 加速土壤呼吸速率, Q10隨著底物增加而增加[38]。

土壤水分對土壤呼吸的影響具有復(fù)雜性和不確定性, 同時也有可能被其他因子所掩蓋[39]。有研究表明, 土壤CO2排放量與水分存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[40]。本研究中, 2020年單施秸稈處理、秸稈與生物炭配施處理土壤水分與呼吸速率之間呈顯著正相關(guān)。2021年添加生物炭、秸稈處理土壤呼吸速率與土壤水分呈顯著正相關(guān), 土壤水分含量增大可大幅度提高生育期內(nèi)煙田土壤呼吸速率。這可能與該年度7月至8月份降雨較多導(dǎo)致土壤含水量較高有關(guān)。有研究表明[41]土壤水分含量大于12% (質(zhì)量含水率)時, 土壤呼吸速率隨土壤水分含量增加而增大, 土壤水分含量增大時, 土壤微生物對有機(jī)碳的分解能力增強(qiáng)。Singh等[42]研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸速率隨土壤水分含量提高而增大, 土壤EOC濃度隨之降低。風(fēng)干土壤中EOC濃度始終較高, 表示由于水分限制, 有機(jī)碳的微生物礦化作用較低。Keiluweit等[43]認(rèn)為土壤水分含量過高時導(dǎo)致O2的擴(kuò)散減少, 從而限制好氧微生物呼吸。本項試驗中抑制土壤呼吸作用的土壤水分含量上限有待進(jìn)一步研究。

3.3 不同碳源輸入對煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響

煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支取決于碳輸入及碳支出。Liu等[44]在中國8個作物主要產(chǎn)區(qū)進(jìn)行田間試驗發(fā)現(xiàn), 生物炭添加不會通過增加農(nóng)業(yè)土壤中CO2排放碳損失來抵消凈碳積累。本研究中, 添加生物炭后土壤碳累計排放量較對照降低, 與Liu等[44]研究結(jié)果一致。單施秸稈處理及秸稈與生物炭配施處理顯著增加了烤煙生育期內(nèi)土壤呼吸累計排放碳量。添加不同碳源處理均較對照顯著提高了煙田生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力, 其中生物炭與秸稈配施處理較對照提升效果最大; 各處理煙株葉片固碳量最高, 在40.75%～42.62%之間。生育期內(nèi)各處理土壤固碳量均高于對照, 這與張鵬等[45]、Tang等[27]研究結(jié)果一致; 碳輸入項中煙株固碳量均顯著高于土壤固碳量。煙草田間生產(chǎn)管理措施較多, 包括施肥、起壟、中耕培土、打頂抹杈等, 農(nóng)事操作投入造成的碳排放較多, 在286.38～288.73 kg hm-2之間。

綜合比較農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支各項指標(biāo), 各處理均增加了凈初級生產(chǎn)力(NPP)固碳量, 同時增加了土壤固碳量; 各項碳源物料添加均能提高煙田生態(tài)系統(tǒng)凈固碳量, 表現(xiàn)為“碳匯”。劉青麗等[46]認(rèn)為煙田生態(tài)系統(tǒng)在無外源碳輸入情況下呈弱“碳匯”, 與本研究結(jié)果不同, 這是由于土壤呼吸測定方法及碳收支計算方式不同所致。本項試驗采用壟溝法測定土壤呼吸, 劉青麗等[46]采用靜態(tài)箱-氣象色譜法測定, 將植株罩入采樣箱, 煙株進(jìn)行光合作用同時吸收部分土壤呼吸排放CO2, 土壤呼吸速率偏低。此外,本項研究采用全生命周期評價煙田生態(tài)系統(tǒng)凈固碳效應(yīng), 對進(jìn)行各項農(nóng)事操作造成的碳排放進(jìn)行收集, 因而整個系統(tǒng)碳排放相對較高。本項研究中, 添加生物炭處理系統(tǒng)凈固碳量最高, “碳匯”能力最強(qiáng)。Tang等[27]認(rèn)為添加生物炭可有效提高作物生物量和土壤碳貯存, 施用生物炭是增強(qiáng)煙田“碳匯”能力的有效途徑, 與本項研究結(jié)果一致。生物炭添加不僅能提高土壤固碳量及凈初級生產(chǎn)力, 還可降低土壤呼吸作用造成的碳損失, 單施秸稈、生物炭與秸稈混施處理土壤呼吸作用造成的CO2排放顯著高于單施生物炭處理。因此, 增加煙田生態(tài)系統(tǒng)碳匯量首先應(yīng)減少土壤呼吸作用碳排放, 其次增加土壤固碳量和作物凈初級生產(chǎn)力。

4 結(jié)論

添加生物炭可降低土壤呼吸速率及生育期內(nèi)CO2總排放量, 單施秸稈、生物炭與秸稈配施顯著促進(jìn)土壤呼吸CO2-C排放; 單施生物炭、單施秸稈處理較對照可提高土壤自養(yǎng)呼吸貢獻(xiàn)率。添加生物炭、秸稈對土壤溫度影響不大, 單施秸稈及生物炭與秸稈配施可顯著提高土壤水分含量。土壤主要環(huán)境因子中, 土壤溫度對土壤呼吸速率影響最大。添加生物炭、秸稈及二者配施均提高了土壤固碳量、凈初級生產(chǎn)力固碳量。添加生物炭可降低生育期內(nèi)土壤呼吸累計CO2-C排放量。施用生物炭是提高煙田生態(tài)系統(tǒng)“碳匯”能力的最佳途徑。

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Zhang P, Li H, Jia Z K, Wang W, Lu W T, Zhang H, Yang B P. Effect of straw on soil organic carbon content in dryland., 2011, 30: 2518–2525 (in Chinese with English abstract).

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Effects of adding biochar and straw with equal carbon content on soil respiration and net carbon budget in tobacco field

FU Yun-Peng, LIU Tian, LI Yao-Xin, LIU Yuan-Bo, WANG Jing, JIN Jia-Wei, JIANG Wei-Feng, LIU Yong-Yan, YANG Yang, and YUN Fei*

College of Tobacco Science, Henan Agricultural University / Key Laboratory of Tobacco Cultivation of China Tobacco Industry, Zhengzhou 450002, Henan, China

To clarify the carbon sequestration effect of biochar, straw and their combined application in tobacco field, the effects of biochar and straw addition on soil respiration and carbon budget of tobacco ecosystem were explored. From 2020 to 2021, four treatments including conventional fertilization (CK), conventional fertilization +2.25 t hm–2biochar-C (T1), conventional fertilization +2.25 t hm–2straw-C (T2), and conventional fertilization +1.125 t hm–2biochar-C + 1.125 t hm–2straw-C (T3) were conducted to measure soil respiration and main environmental factors of soil, soil carbon increment, carbon sequestration of net primary productivity of crops and carbon emissions caused by agricultural production. The results showed that the cumulative carbon emissions from soil respiration during the growth period of flue-cured tobacco treated with straw, straw and biochar were significantly higher than that of the control (< 0.05), and the increase ranges were 21.40%–35.45% and 5.90%–9.89%, respectively. Compared with the control, the proportion of soil autotrophic respiration increased by 6.35%–7.34% and 3.21%–5.97% in the treatment of adding biochar and straw, respectively. The combined application of biochar and straw increased by 3.91% in 2021 compared with the control. The addition of biochar and straw increased the soil temperature and moisture during the growth period, and soil water content increased significantly by 1.93% to 7.07% under biochar treatment alone. Among the main environmental factors in soil, soil temperature had the greatest impact on soil respiration rate. Soil respiration rate was significantly positively correlated with soil temperature. There was a significant positive correlation between soil respiration rate and soil moisture in the treatment of adding straw, biochar, and straw. The carbon sequestration of ecosystem treated by all exogenous additives was positive, which was expressed as “carbon sink”. The addition of biochar could not only increase the carbon sequestration of net primary productivity (NPP) and soil carbon sequestration, but also reduce the cumulative carbon emissions of soil respiration in tobacco growing season, and the “carbon sink” ability was the strongest. Therefore, the application of biochar was the best way to reduce the carbon emission of soil respiration, which could enhance the “carbon sink” capacity of tobacco ecosystem.

biochar; straw; soil respiration; carbon budget

10.3724/SP.J.1006.2023.24054

本研究由中國煙草總公司河南省公司科技項目(2020410000270020), 河南省煙草公司濟(jì)源市公司項目(2020410881240045)和河南省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(212300410160)資助。

This study was supported by the Science and Technology Project of China National Tobacco Corporation Henan Province (2020410000270020), the Jiyuan Company Project of Henan Tobacco Company (2020410881240045), and the Youth Science Fund Project of Henan Natural Science Foundation (212300410160).

云菲, E-mail: yunfeifei55@126.com

E-mail: yunpengfu@henau.edu.cn

2022-03-10;

2022-10-10;

2022-10-24.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20221021.1638.006.html

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