生物有机肥和高碳基肥对皖南烟田土壤呼吸的影响

张明杰，张 振，张馨方，王 川，孙书斌，陈必华，叶协锋，姚鹏伟*，石 刚

1.河南农业大学烟草学院国家烟草栽培生理生化研究基地烟草行业烟草栽培重点实验室，郑州市金水区文化路95号 450002 2.湖北中烟工业有限责任公司，武汉市东西湖区金山大道海口二路2号 430030 3.安徽皖南烟叶有限责任公司，安徽省宣城市区鳌峰中路72号 242500 4.湖北中烟工业有限责任公司襄阳卷烟厂，湖北省襄阳市樊城区大庆西路55号 441000

土壤碳库是陆地生态系统碳库的主要组成部分，陆地生态系统碳库中土壤有机碳库为1 500 Pg，大约是大气碳库（780 Pg）的2倍和陆地植被碳库（560 Pg）的3倍［1-2］。土壤呼吸（自养呼吸和异养呼吸）是土壤碳库向大气释放二氧化碳（CO2）的主要途径，同时也是陆地生态系统碳循环的关键环节［3］。据统计，每年因土壤呼吸向大气输入的CO2占陆地生态系统总呼吸量的66.7%，约是大气碳库的1/10，是化石燃料燃烧排放量的10倍以上［4-5］。因此，土壤呼吸的微小变化对土壤碳累积速率和大气中CO2浓度均产生显著影响［6-7］。

农田生态系统占全球陆地面积的10.5%，其CO2排放量占人为温室气体排放量的21%~25%，由于受到频繁的人类活动干扰，因此是全球碳库中最为活跃的部分［8］。施肥是农业生产中必不可少的环节，也是作物高产优质的保证。施肥不仅会影响土壤的养分状况、碳库组分，而且影响根系生长和微生物活性及群落结构，进而影响土壤呼吸［9-11］。李燕青等［12］、戴衍晨等［13］研究发现，施用有机肥可明显促进土壤CO2排放；刘冬雪［14］研究表明，单施化肥与化肥配施有机肥处理农田土壤CO2排放量无显著差异，这与施肥的种类和方式的不同有关［15-16］。土壤呼吸包括自养呼吸（根呼吸）和异养呼吸（广义的微生物呼吸）［8］。刘燕［17］研究表明，施肥对根呼吸和微生物呼吸的影响不一致。此外，土壤呼吸表现出时间和空间上的差异，以往对农田土壤呼吸的研究主要集中在粮食作物上，而对烟—稻轮作体系中烟田土壤呼吸的研究尚鲜见报道。因此，以皖南烟田为研究对象，通过测定不同施肥处理土壤呼吸及环境因子的变化，分析土壤呼吸的影响因子，旨在为烟田系统固碳培肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设置于安徽宣城鄂皖科技示范园，地理位置为东经118°58′49″、北纬31°12′53″，属亚热带湿润季风季候，年平均气温15.9℃，年平均降雨量约1 294 mm，气候温暖湿润，无霜期240 d，全年日照时数2 000 h。供试土壤类型为水稻土，土壤基本理化性质：pH 6.46，有机质26.34 g/kg，碱解氮121.45 mg/kg，速效磷20.16 mg/kg，速效钾125.73 mg/kg。

1.2 试验方法

试验于2019年3—7月进行，采用随机区组试验设计，设置3个处理：单施化肥（CK）；化肥+生物有机肥2 250 kg/hm2（T1）；化肥+高碳基肥1 200 kg/hm2（T2）。各处理氮磷钾用量一致，施氮量为131.25 kg/hm2，磷（P2O5）、钾（K2O）用量分别为210.00 kg/hm2和336.91 kg/hm2。CK施用烟草专用复合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=17∶17∶17］644.1 kg/hm2，硝酸钾［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=13.5∶0∶46］161.1 kg/hm2，硫酸钾（K2O 50%）306.6 kg/hm2，钙镁磷肥（P2O512%）837.50 kg/hm2，T1和T2处理分别扣除生物有机肥（含N 1%，有机质≥40%）和高碳基肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=2∶1.5∶2.5，有机质≥45%］的氮磷钾含量（质量分数），按照氮磷钾用量一致原则做相应调整，磷钾不足的以钙镁磷肥（P2O512%）和硫酸钾（K2O 50%）补充。生物有机肥、高碳基肥、烟草专用复合肥和硫酸钾作为基肥，在移栽前条施，硝酸钾在移栽后40 d作追肥穴施。行距和株距分别为120 cm和50 cm。每个处理重复3次，共9个小区，小区面积为100 m2（12.5 m×8 m），每个小区内设置一块裸地（1.5 m×1.5 m），并定期除草。供试品种为云烟97，于3月26日移栽，其他田间管理措施按当地优质烟叶生产技术规范进行。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤呼吸的测定

采用便携式光合作用测量仪的土壤气室（LI6400XT-09，美国LI-COR公司）测定土壤呼吸。每个小区设置3个PVC环，一个放置在垄上，一个放置在垄间，另一个放置在设置的裸地上。PVC环高5 cm，底面积80 cm2，插入土壤2 cm。为了避免人为扰动对土壤呼吸的影响，第1次测定在埋环后24 h进行，试验期间及时清除PVC环内的植物。自烟苗移栽后，每隔15 d左右测定1次，测定时间为9:00—11:00，烟草整个生育期共测定8次。测定时，将测量气室小心放在PVC环上，同时将温度探针插入PVC环附近的土壤中，深度为10 cm。垄上和垄间测得的土壤呼吸均值为土壤总呼吸速率（Rt），裸地测得的土壤呼吸值为土壤异养呼吸速率（Rs），总呼吸速率与土壤异养呼吸速率的差值为土壤自养呼吸速率（Rm）。

1.3.2 土壤理化指标的测定

每次测定土壤呼吸时，采用烘干法测定0～20 cm土壤含水率［18］；于烟苗移栽后30、60、90和120 d采集0～20 cm土壤，用重铬酸钾容量法测定有机质［18］；电位法测定土壤pH［18］；碱解扩散法测定碱解氮［18］；硫酸-钼锑抗比色法测定有效磷［18］；火焰光度法测定速效钾［18］；高锰酸钾氧化法测定活性有机碳，KMnO4浓度为33、167和333 mmol/L时测定的活性有机碳分别为土壤高活性、中活性和活性有机碳［19］。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2014进行数据处理和作图，用SPSS 24.0软件进行数据分析。采用LSD最小显著差数法进行不同处理间差异显著性检验。

采用指数模型拟合土壤总呼吸速率和土壤温度的关系，拟合方程：

式中：Rt为土壤总呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；Q10为温度敏感系数，其含义为温度每升高10℃时土壤总呼吸速率增加的倍数［20］；a、b为拟合参数。

采用双变量模型拟合土壤含水率和温度双因素对土壤总呼吸速率的影响，拟合方程：

式中：Rt为土壤总呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；W为土壤含水率（%）；T为10 cm土壤温度（℃）；a、b、c为拟合参数。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对植烟土壤总呼吸速率的影响

不同施肥处理条件下，植烟土壤总呼吸速率的季节变化趋势基本一致，见图1。4月下旬土壤呼吸速率急剧降低，这可能是由于降雨所致；5月土壤温度逐渐升高，同时烤烟进入了旺长阶段，土壤总呼吸速率逐渐升高并保持在较高水平；6月土壤总呼吸速率呈现先下降后上升趋势，且6月底各处理土壤总呼吸速率均达到最大；在此阶段后土壤总呼吸速率逐渐降低。在烤烟整个生长季中不同施肥处理土壤总呼吸速率总体表现为T1>T2>CK，且差异达到显著水平。T1处理的土壤总呼吸速率较CK和T2处理分别显著增加33.17%和15.66%，T2处理比CK处理显著提高15.14%。

图1 不同施肥措施对土壤总呼吸速率的影响Fig.1 Effects of different fertilization measures on total soil respiration rate

2.2 不同施肥处理对土壤异养呼吸和自养呼吸速率的影响

2.2.1 不同施肥处理对土壤异养呼吸速率的影响不同施肥处理条件下，土壤异养呼吸速率存在明显的季节变化，见图2。整体上看，烤烟大田期间土壤异养呼吸速率表现为T1>T2>CK。方差分析的结果显示，处理间土壤异养呼吸平均速率存在显著差异，见图3。T1处理的土壤异养呼吸平均速率显著高于CK和T2处理，分别提高了32.08%和24.80%；T2比CK提高了5.83%，但未达到显著性水平。各处理土壤异养呼吸占土壤总呼吸的比例分别为57.69%、57.22%和53.03%。

图2 不同施肥措施对土壤异养呼吸速率的影响Fig.2 Effects of different fertilization measures on soil heterotrophic respiration rate

图3 不同施肥措施对土壤异养呼吸和自养呼吸平均速率的影响Fig.3 Effects of different fertilization measures on average rates of soil heterotrophic respiration and autotrophic respiration

2.2.2 不同施肥处理对土壤自养呼吸速率的影响不同施肥处理土壤自养呼吸速率的变化趋势基本一致，见图4。总体上呈先升高再降低的趋势。4月中旬，烟株个体较小，自养呼吸速率处于较低水平；4月下旬由于降雨的原因，导致土壤自养呼吸速率急剧降低；5月份，伴随地温升高和烤烟生长，土壤自养呼吸速率呈上升趋势；6月份土壤自养呼吸速率保持在较高水平；在此阶段后土壤自养呼吸速率逐渐降低。各处理间土壤自养呼吸速率存在显著差异，见图3。表现为T1>T2>CK，T1、T2处理自养呼吸平均速率较CK显著增加（P<0.05），增幅分别为34.66%和27.84%，T1处理比T2处理提高了5.33%，但未达到显著水平。各处理自养呼吸占总呼吸的比例随烤烟生育期的推进呈先增加后降低的趋势（表1），总体上在6月11日达到峰值。烤烟整个生育期自养呼吸对总呼吸的贡献分别为42.31%、42.78%和46.97%。

图4 不同施肥措施对土壤自养呼吸速率的影响Fig.4 Effects of different fertilization measures on soil autotrophic respiration rate

表1 土壤自养呼吸速率占总呼吸速率比例的动态变化Tab.1 Dynamic proportion changes of soil autotrophic respiration rate to total soil respiration rate

2.3 土壤总呼吸速率与土壤温度和含水率之间的关系

Q10为温度敏感指数，指的是温度每升高10℃，土壤总呼吸速率增加的倍数，用来衡量土壤总呼吸速率对土壤温度的敏感程度，通常根据土壤总呼吸速率与土壤温度的指数模型来计算［21］。表2结果显示，土壤Q10大小依次为CK>T1>T2，表明T2处理土壤总呼吸速率对温度的敏感性相对最小，CK土壤总呼吸速率对温度的敏感性最大。土壤温度、含水率和土壤总呼吸速率的复合关系模型R2均大于土壤温度单因子模型，土壤温度与含水率的交互作用能够解释土壤总呼吸速率季节变化的65.6%~75.3%。

表2 土壤总呼吸速率与土壤温度和含水率的拟合方程①Tab.2 Fitting equation of soil respiration rate with soil temperature and moisture content（n=8）（n=8）

2.4 土壤总呼吸速率与土壤理化性状的关系

由表3可知，不同施肥处理土壤pH差异不显著，碱解氮以及活性、中活性和高活性有机碳含量存在显著差异，总体表现为T1>T2>CK。在7月31日，T1处理碱解氮以及活性、中活性和高活性有机碳含量较CK分别增加了5.37%、8.02%、20.56%和23.45%，T2处理各指标较CK分别提高了3.62%、4.84%、11.88%和15.79%，T1和T2处理间无显著性差异。土壤总呼吸速率与土壤温度以及活性、中活性和高活性有机碳含量呈显著正相关（表4），与土壤含水率呈显著负相关，而与土壤pH和碱解氮含量的相关性没有达到显著水平。

表3 不同施肥处理土壤化学性状指标的变化①Tab.3 Changes of soil chemical property indexes under different fertilization treatments

表4 土壤总呼吸速率与土壤理化性状指标的相关性①②Tab.4 Correlations between total soil respiration rate and physicochemical property indexes of soil

3 讨论

本研究结果表明，不同施肥措施下土壤总呼吸速率呈“先升高后降低”的季节变化特征，与李亚森等［21］、严俊霞等［22］研究结果一致。在烤烟生育前期，由于温度较低，烟株根系较小，微生物呼吸和根系呼吸较弱；伴随温度的升高和烤烟根系的生长，微生物呼吸和根呼吸逐渐增强，所以土壤总呼吸速率逐渐增加，并在移栽后90 d（6月底）达到峰值；烤烟进入成熟采收阶段后，烤烟叶面积系数迅速降低，根系所能获得的光合产物急剧减少，导致土壤总呼吸速率降低［4］。不同施肥处理土壤肥力和作物生长存在差异，因而土壤总呼吸速率表现出明显差异［23］。芦思佳等［24］、吴瑞娟等［25］研究指出，化肥配施有机肥可以显著提高土壤总呼吸速率。本试验结果表明，配施生物有机肥和高碳基肥对土壤呼吸有明显的促进作用，且土壤总呼吸速率与土壤活性、中活性和高活性有机碳含量呈显著正相关。因此，本研究中配施有机肥主要通过提高土壤活性、中活性和高活性有机碳含量，增加土壤呼吸的底物供应来促进微生物呼吸，这与杨苏等［26］的研究结果一致。配施有机肥还可能通过提高土壤微生物活性和碳代谢多样性而促进土壤有机质的矿化［27-28］，进而促进微生物呼吸。另一方面，施用生物有机肥和高碳基肥可以促进烤烟的生长、烟株根系活性增强和根呼吸增强。Kuzyakov等［29］研究指出，根呼吸对土壤总呼吸的贡献率在15%~60%之间，本研究中，自养呼吸对总呼吸的贡献率为42.31%~46.97%，处于这一范围内。化肥配施有机肥处理在显著提高自养呼吸速率的同时，也提高了异养呼吸，因此配施有机肥处理土壤自养呼吸对土壤总呼吸的贡献与单施化肥的差异不显著。

土壤温度是影响土壤呼吸的重要环境因子，其通过影响微生物活性和根系生长进而影响土壤呼吸。本研究中，土壤总呼吸速率与10 cm深的土壤温度存在显著指数关系，这与于晓娜等［4］的研究结果一致。研究者常用Q10来衡量土壤呼吸对土壤温度的敏感程度，本研究中Q10的变化范围为2.19~2.39，其中CK处理的Q10最大，T2处理的Q10最小，说明配施有机肥降低了土壤呼吸对温度变化的敏感性，与严俊霞等［24］和吴瑞娟等［25］的研究结果一致。环境因子、底物的数量和质量是影响Q10的重要因素［21］，本研究中，各处理间土壤温度和含水率均无显著差异，因此，底物是引起处理间Q10差异的主要原因。有研究表明，易降解有机碳的Q10低，难降解有机碳的Q10高［30］。因此，T1和T2处理Q10较CK降低的原因可能是施用有机肥进而增加了易降解有机碳的含量。李虎等［31］认为，土壤含水率对土壤呼吸的影响较为复杂，一定程度上取决于与土壤温度的相互协调。本研究中，土壤总呼吸速率与土壤温度和含水率的复合关系模型的拟合效果优于单一模型，说明土壤温度和含水率的交互作用能够更好地解释土壤呼吸的变异。此外，不同施肥措施对农田土壤呼吸的影响是一个长期过程，因此还需要长期试验对试验结果进行验证。

4 结论

①在烤烟生育期，土壤总呼吸速率具有明显的季节变化特征，峰值出现在移栽后90 d左右；土壤温度与土壤总呼吸速率呈显著正相关，土壤温度和含水率的交互作用能够解释土壤总呼吸速率变异的65.6%~75.3%。②化肥配施有机肥处理土壤总呼吸速率显著高于单施化肥处理，其中配施生物有机肥处理显著提高了土壤自养呼吸速率和异养呼吸速率，但不同处理间自养呼吸对总呼吸的贡献差异不显著。③土壤总呼吸速率与土壤活性、中活性和高活性有机碳含量密切相关，配施生物有机肥和高碳基肥能够增加烟田土壤总呼吸速率，同时有助于土壤活性有机碳的积累。