不同碳源对植烟土壤碳平衡的影响

李健铭，李志宏，王 鹏，张云贵，熊维亮，张美娟，李 君，辛 刚*，刘青丽*

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/烟草行业生态环境与烟叶质量重点实验室，北京100081；2.黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江 大庆 163319；3.福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002；4.四川烟草公司攀枝花市公司，四川 攀枝花 617026）

农田生态系统是全球碳库中最活跃的部分，频繁受到人类活动的干扰，对全球碳库的动态变化有着深远的影响，并可以在较短的时间尺度上调节碳库［1］。土壤呼吸是陆地生态系统向大气释放CO2的主要过程，是表征农田土壤肥力和土壤质量的重要指标［2-3］。对大气CO2浓度有着重要影响的表现为土壤呼吸速率能改变土壤碳的积累量，并引起大气CO2浓度的改变，从而影响碳循环［4］。在不同土地利用方式和管理措施下，农田生态系统会成为碳源或碳汇。土壤呼吸作为农田生态系统有机碳的主要输出形式，影响着生态系统的碳平衡［5］。

已有研究表明，施肥较不施肥可以显著增加土壤呼吸速率［6］，不同施肥处理对土壤呼吸的影响结果也不一致［7-9］。土壤呼吸强度与土壤有机质含量及矿化速率、土壤微生物种类及活性之间均存在密切的联系［10］。土壤水分和温度是影响农田土壤CO2排放的关键因素，两者相互协调共同调控土壤CO2排放，耕作、施肥等措施直接或间接影响农田土壤水分和温度，进而改变土壤CO2排放量［11-13］。此外，不同种植作物类型下的土壤呼吸速率也存在显著差异［14］。目前，不同施肥条件下农田碳平衡的研究主要集中在水稻［7-8］、玉米［15-16］、小麦［17-18］、棉花［19］、大豆［20］等种植作物的土壤上，对植烟土壤在烤烟生长期土壤呼吸的变化和碳平衡方面的研究还鲜见报道，因此，研究不同碳源对植烟土壤碳平衡的影响，对进一步评价农田生态系统碳源/汇具有重要意义。本研究主要在四川攀枝花地区，以碳投入与碳排放为切入点，通过研究不同碳源类型对土壤CO2排放以及烤烟根系固碳量的影响，明确维持土壤碳平衡的有机物质投入量，探索不同碳源对土壤碳的提升作用，以期为烟田生态系统碳循环和碳平衡的深入研究提供相关理论依据和方法。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4～9月在四川省攀枝花市仁和区平地镇进行。东经101 °47′51″，北纬26°12′7″，海拔1910 m，土壤类型为暗紫泥土-紫色土，土壤养分状况：全碳1.151%，硝态氮8.4 mg·kg-1，铵 态 氮1.7 mg·kg-1，有 效 磷14.3 mg·kg-1，速效钾136.5 mg·kg-1，pH 7.7，仁和区属亚热带季风气候，四季不分明，昼夜温差大，气候干燥，日照长，年平均气温20.4℃，年积温达7450℃，年日照时数达2745 h，无霜期300 d以上。2017年烤烟生长季月平均温度为20.01℃，降水量696.2 mm，具体条件如图1所示。

1.2 试验设计

试验共设置5个处理：T1：不施有机肥（对照）；T2：秸秆；T3：农家肥；T4：油枯；T5：农家肥+油枯，各处理施肥量如表1。化肥采用烟草专用肥（12-12-25）、烟草上厢肥（5-5-46），有机肥采用农家肥（羊粪）、油枯、秸秆（水稻），有机肥养分含量如表2所示。

表1 各处理肥料投入量 （kg·hm-2）

表2 有机肥养分含量

1.3 田间管理

大田试验品种均采用当地主栽烤烟品种“云烟87”，移栽苗选用漂浮育苗。试验于2017年5月2日进行移栽，种植密度为16500株·hm-2。在烤烟移栽前土壤深耕起垄，以110 cm行距、55 cm株距打穴，之后施肥。施肥方法为：烟草专用肥的基肥和追肥比例为3∶2，有机肥全部做基肥施用。基肥中烟草专用肥和有机肥混合穴施，将肥料与穴内（20 cm×20 cm×10 cm）土壤混合，施肥移栽后覆盖地膜。移栽后20 d追肥，将烟草专用肥用少量水溶解浇在距烟根5 cm处，用土覆盖。烤烟移栽后35 d揭膜，再次追施烟草专用肥与上厢肥于烟根5 cm处，上厢培土覆盖，现蕾后打顶。田间管理按优质烟生产技术措施实施。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤呼吸参数的测定

采用静态箱—红外CO2分析法测定土壤呼吸参数。仪器为便携式红外CO2分析仪（型号VaisalaMI70，芬兰）。静态箱为自制，采用不透明PVC材料制成，箱体尺寸为直径20 cm、高25 cm的圆柱体，箱顶设有分析仪和温湿度计探头插口（用硅胶密封），并通过水压测试，静态箱与底座对接，采用水密封方式隔绝箱外气体。小区内在左数第3垄的中间位置选取固定点，在垄上放置直径为20 cm的圆形PVC底座，高20 cm，插入土壤15 cm左右。为减少对土壤的干扰，PVC环于测定前一天安置好。每个PVC环测定1次，每次测量5 min，每个处理3次重复，共3个数据，取其平均值作为日土壤呼吸值。于烤烟整个生育期内每7 d测定一次，如遇下雨天气则适当调整，测定时间统一为8∶00～11∶00。

1.4.2 作物生物量的测定与计算

于烤烟成熟期，选取长势均匀一致的植株，每个重复取样1株，以根茎为中心，将垄方向55 cm、垂直方向60 cm、深20 cm的土层全部挖出，通过水洗及高密度网过滤法，收集烤烟根系置于烘箱中，105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重，测定干重，并按照种植密度计算根系生物量。

1.4.3 土壤呼吸速率的计算

式中：F为CO2排放量（mg·h-1·m-2）；H为箱体有效高度，m为CO2的摩尔质量；P为采样点大气压力，通常视为标准大气压，即1.013×105Pa；R为普适气常数8.314（J·mol-1·K-1）；T为采样时箱内平均气温（℃）；dC/dt为CO2排放速率（ppm·min-1）［21］。

1.4.4 农田土壤碳平衡测算

烤烟根系碳残留系数=（田间试验根系生物量-农户移除根系生物量）/田间试验根系生物量

土壤碳平衡=植株根系固碳量×烤烟根系碳残留系数+有机碳施入量-土壤碳排放量

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2007处理，运用SPSS 21.0单因素方差分析对不同处理各项指标进行显著性检验（P＜0.05），使用Origin 2018做图。

2 结果与分析

2.1 不同碳源下土壤呼吸动态

土壤呼吸速率可以反映土壤中有机碳的分解强度，研究结果（图2）显示，处理T1、T2、T3、T4和T5土壤CO2的排放速率变化范围分别在21.63～47.95、15.72～120.09、32.74～79.40、19.29～88.78和23.57～159.50 mg·h-1·m-2。各 处理于烤烟移栽初期（5月9日）土壤呼吸排放量最高，且随着烤烟移栽后生育期的推进，排放动态总体表现为倒“S”型，呈先下降后上升再下降的变化趋势，各处理于7月4日与8月1日前后分别出现了低峰与高峰两个峰值。这主要是由于烤烟种植初期农事活动与肥料的施用对土壤扰动提升了土壤碳排放，而烤烟生育期后期，降水量与土壤呼吸排放量呈正相关造成的。从不同处理来看，烤烟移栽初期各处理土壤呼吸速率差异较大，表现为T5＞T2＞T4＞T3＞T1，施用有机肥处理土壤呼吸速率大于单施化肥处理；随着生育期的推进，不同处理之间的差异变小，表明施用有机肥增加了土壤呼吸速率，且在施用初期影响最大。

2.2 不同碳源对土壤CO2排放及碳损失的影响

2.2.1 土壤CO2排放总量

研究结果（图3）显示，土壤CO2排放量在1074.72～1660.41 kg·hm-2，不同处理CO2排放量表现为T5＞T4＞T2＞T3＞T1，其中，T5处理处于最高值，T1处理处于最低值。有机肥处理与对照相比，T2、T3、T4处理CO2与碳排放量分别高于对照380.59、257.62、476.20与103.79、70.25、129.87 kg·hm-2，但差异不显著，表明秸秆、油枯、农家肥的施用提高了土壤CO2的排放总量，但效果不明显。T5处理与对照相比，CO2与碳总排放量分别提高了585.69和159.73 kg·hm-2，差异达到显著水平，表明采用农家肥与油枯混施增加了土壤有机物质的分解。

2.2.2 不同碳源在烤烟生长季的分解率

不同碳源在烤烟生长季节分解率有所差异（表3），各处理有机肥分解率在0.22～0.42之间，有机肥分解率表现为T3＜T2＜T5＜T4，其中油枯分解率最高，农家肥分解率最低，秸秆以及农家肥与油枯混施分解率则处于中间水平。说明各有机肥处理相比，油枯处理有机肥分解率较高，有利于有机材料中碳的分解与转化，农家肥处理有机肥分解率偏低，相对于其他有机材料而言，有利于碳在土壤中的固定。

表3 有机肥在烤烟生长季的分解率

2.3 不同碳源对烤烟根系固碳的影响

2.3.1 烤烟根系碳累积

烤烟根系碳累积量平均为461.78 kg·hm-2，不同施肥处理碳累积量如图4所示。有机肥处理与对照相比，烤烟根系碳积累量无显著差异，而在有机肥处理中，T3、T4、T5处理间烤烟根系碳积累量无显著差异，而T3与T5处理显著高于T2处理，说明有机肥的施用对烤烟根系碳积累量的增加效果不明显。而有机肥处理中，农家肥以及农家肥与油枯混合施用相对于秸秆处理，其对烤烟根系碳积累的提升有明显的促进作用。

2.3.2 烤烟根系碳还田系数及还田量

试验采集的根系生物量与农民耕作结束后从田间移除的根系生物量的差值换算成含碳量，即为烤烟根系碳还田量。研究结果（图5）显示，试验操作采集的根系生物量约63.61 g·株-1；农民在正常耕作模式下，在烤烟采收结束后通过人工拔除的植株根系生物量约27.72 g·株-1，农民正常耕作模式下取得的根系生物量占总根系生物量的43.58%，因此根系残留量占总根系碳量的56.42%，即烟农收获烤烟后，烤烟根系碳在土壤中残留量为260.56 kg·hm-2。

2.4 不同碳源下的土壤碳平衡

不施用有机肥条件下，烤烟生长季碳的输入量略小于输出量，土壤碳略亏缺；在300 kg·hm-2秸秆（T2）或225 kg·hm-2（T4）油枯投入下，土壤碳基本平衡；在750 kg·hm-2农家肥或在225 kg·hm-2农家肥+225 kg·hm-2油枯（T5）投入下，土壤碳略有盈余，表明烟农常规施用有机肥下，植烟土壤碳平衡为碳汇。土壤碳主要来源于根系和外源施用有机碳，从表4可以看出，烟农常规施肥下，施肥投入有机碳63.67～83.90 kg·hm-2，仅占烤烟生长季碳投入量的19.75%～26.02%，而烤烟根系输入236.89～281.40 kg·hm-2，占烤烟生长季碳投入的73.98%～87.77%，由此可见,在常规施肥下，植烟土壤碳主要源于烤烟根系。

表4 烤烟生长季农户常规施肥下土壤碳平衡（kg·hm-2）

3 讨论

3.1 植烟土壤呼吸动态

农田土壤呼吸是一个复杂的生物学过程，受多种因素影响，包括作物类型、净初级生产力、地上与地下生物量分配等生物因子、土壤温度、土壤水分、土壤有机质等非生物因子及土壤耕作、施肥等人为活动因子，各因子之间既相互独立又相互联系地影响土壤呼吸［14，22］。通过对不同碳源下植烟土壤呼吸的动态研究发现，烤烟大田生长期，不同施肥处理的土壤呼吸速率均呈倒“S”型变化，峰值出现在70 d，这与戴衍晨等［23］的“M”型研究结果不同，这可能是由于烤烟种植地区的维度不同使生育期长短产生了变化。不同施肥处理的土壤呼吸速率均值表现为施用有机肥处理高于不施肥处理，这与前人［6，9，24］的研究结果一致。施肥处理土壤呼吸的敏感性大于不施肥处理，这是因为随着土壤呼吸底物的增加，土壤呼吸对温度的敏感性升高［25］。但单施化肥与化肥配施有机肥处理对土壤呼吸速率的影响无显著差异，这与刘晓雨等［7］及赵峥等［8］的研究结果一致，且本研究发现，采用农家肥与油枯混施处理能够明显提升土壤呼吸排放量。土壤水分是影响陆地生态系统CO2通量的重要环境要素，对植被的生长、根系分布、微生物活性等与土壤呼吸密切相关的生物因子起控制作用［26］，土壤湿度是影响土壤呼吸的另一个重要因子。土壤湿度对土壤呼吸的直接影响是通过影响根和微生物的生理过程，对土壤呼吸的间接影响是通过影响底物和氧气的扩散。相关研究结果表明，土壤呼吸速率和土壤湿度之间存在正相关、负相关或是没有相关性［27］。本研究中，土壤CO2排放量与降水量呈正相关，说明降水量的增加促进了CO2的排放。

3.2 不同碳源的碳分解与碳排放

羊粪农家肥是一种弱碱性肥料，具有养分浓度高，有机质含量多，氮、磷、钾含量高等特点［28］。油枯属于饼肥的一种，饼肥施用后可以提高土壤有机质的含量，为土壤微生物提供了营养和能量，给微生物的活动提供了良好的环境条件，土壤微生物活动旺盛，促进了土壤中细菌、真菌、放线菌数量的增加，同时提高了土壤中酶的活性，促进了土壤有机养分的分解［29］。秸秆的施用可通过增加土壤有机碳的直接输入实现固碳，维持土壤有机质平衡［30-31］。当有机肥施入土壤后，受土壤微生物、温度和水分等条件的影响而发生有机质的机械粉碎、分解、合成等作用，最后成为土壤有机质的重要组成部分［32］。试验研究结果表明，有机肥处理中，农家肥与油枯混施土壤CO2排放量最高，其次为油枯处理，而有机质分解率表现为油枯处理分解率最高，其次为农家肥+油枯处理，说明农家肥与油枯混施有利于CO2向气体转化并排放到大气中，而单施油枯处理C的去向更倾向于在土壤中的固定，这可能与农家肥本身有机物质含量高，而油枯更倾向于促进土壤微生物活性来改善土壤环境，且农家肥与油枯混施起到的双重作用有关；秸秆与农家肥相比，土壤CO2排放量与有机质分解率呈正相关，说明土壤CO2排放量随着有机物料施入量的增加而增加，土壤C的运行途径有更为明确的规律性，这与宋大利等［30］及刘禹池等［31］的研究结果相似。

3.3 植株根系对碳的固定与土壤碳平衡

施用有机肥和不施有机肥对烤烟根系碳积累总量的提升影响不大。而有机肥处理中农家肥以及农家肥与油枯混施与秸秆处理相比，对烤烟根系碳积累量的增加有明显的促进作用，已有研究表明，有机肥的施用有利于提高土壤中有机碳的含量［33-34］。在本研究中，有机肥的施用提升了土壤碳平衡，这与前人研究结果相似，而在有机肥处理中，农家肥与油枯混施处理下的土壤碳平衡效果更为理想；烤烟根系是植烟土壤碳的主要来源，而在烤烟生产结束后，农民会手动将烤烟连根拔出，部分根系由于人为操作的影响离开了土壤，相当于烤烟总根系生物量的43.58%，从而减少了土壤中C的固定，对土壤碳平衡产生了影响；且当地常规施肥情况下，单施化肥的土壤碳平衡为正数，表现为碳源，而有机肥与无机肥配施的土壤碳平衡为负数，表现为碳汇。

4 结论

有机肥的施用直接影响了土壤碳平衡，在烤烟生长期间，植烟土壤呼吸动态呈倒“S”型的先下降后上升再下降的变化规律，在烤烟旺长期（烤烟移栽后49 d左右）出现了低峰值，在烤烟打顶期（烤烟移栽70 d左右）出现了高峰值。有机肥的施用增加了土壤呼吸的强度，但对烤烟根系碳积累量的提升效果不明显。单施用化肥的植烟土壤表现为碳源，而有机肥与化肥配施使植烟土壤成为碳汇。在当地耕作模式下，整个生育期有56.42%的烤烟根系残留于土壤当中，使烤烟根系成为常规施肥下土壤碳的主要来源。因此，施用有机肥能够提升土壤碳平衡，减少碳损失，且采用农家肥与油枯混施也能够在一定程度上促进烤烟根系碳积累量的提升。