生物炭施用对冬麦田土壤水热环境及土壤呼吸的影响

吕梦凡，马向成，蔡 铁，贾志宽

(西北农林科技大学农学院，陕西 杨凌 712100)

生物炭是生物质材料在限氧条件下经热裂解生成的高度芳香化的固态富碳物质[1]，具有比表面积大、孔隙度丰富、吸附能力强等特点[2]，在土壤中周转周期可长达数百年[3]，具有很强的稳定性和固碳减排潜力[4]。我国每年作物秸秆焚烧量约为1.12×108t，若将这部分秸秆炭转化为生物炭，可降低约一半因秸秆焚烧而产生的碳排放量[5]，而且生物炭还田后可以改良土壤理化性质[6]、改善土壤肥力[7-8]、促进作物增产[9]、增加土壤碳库储量[10]等。这对农业废弃物高效资源化利用、降低农田碳排放及缓解气候变化具有十分重要的意义。

关于生物炭施用对土壤呼吸的影响已有大量研究，由于试验区的水热生态环境、土壤质地、生物炭性质等不同研究结果差异较大。Liu等[11]通过Meta-analysis研究得出，生物炭可有效抑制中性及石灰性土壤本底有机质矿化，降低碳排放；曹坤坤等[12]的室内培养试验发现，生物炭添加初期对土壤有机碳有短期的激发效应，而后期显著抑制了土壤呼吸；田冬等[13]研究发现，生物炭还田显著抑制了土壤呼吸作用；也有报道，生物炭对土壤呼吸产生促进作用[14]或无显著影响[15-17]；关于生物炭对土壤呼吸影响的研究，目前大多是基于室内培养[16-17]及盆栽[18- 19]等的短期试验，在大田条件下的多年试验较为少见。本研究采取田间定位试验，探究关中地区不同秸秆炭施用量下麦田土壤水热因子变化特征、土壤呼吸季节变化规律及其对冬小麦产量的影响，以期为农田固碳减排及土壤健康管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于陕西省咸阳市杨陵区西北农林科技大学试验田(108°04′E，34°20′N)，年均气温约13.5℃，年平均降水量580.5 mm，全年太阳总辐射约为4.808×105J·cm-2，属于暖温带半湿润气候，冬、春季降水偏少、干旱。试验地平坦，土壤为土，播前0～20 cm土层基础地力为：全氮0.94 g·kg-1，有机质13.22 g·kg-1，速效磷11.1 mg·kg-1，速效钾110.69 mg·kg-1，硝态氮33.54 mg·kg-1，铵态氮15.08 mg·kg-1，容重1.25 g·cm3，pH值7.59。

1.2 试验设计

本试验于2018年10月—2021年6月进行，采用随机区组设计。试验设3个生物炭施用水平：0 t·hm-2·a-1(C0)、10 t·hm-2·a-1(C10)、20 t·hm-2·a-1(C20)，各处理均3次重复，共9个小区，每个小区面积为7.2 m2(2.4 m×3 m)。供试小麦品种为‘西农979’，种植方式为传统平作条播，播种量为225万株·hm-2，于每年10月中上旬播种，次年6月上旬收获。每年播前施入生物炭及肥料，试验所选生物炭为作物秸秆炭，其碳含量为205.6 g·kg-1，氮含量6.5 g·kg-1，磷含量11.34 g·kg-1，钾含量17.42 g·kg-1，pH值9.27。人工均匀撒施生物炭于土壤表面，后翻耕与耕层土壤混匀，各处理氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥施用量分别为225、75、150 kg·hm-2，于每年越冬期和拔节期分2次进行灌溉，每次灌水量为75 mm，其它田间管理措施同当地大田。

1.3指标测定

1.3.2 土壤温度 土壤温度采用曲管地温计进行定位观测。在播种后将地温计垂直埋于冬小麦行间5、10 cm土层中，土壤温度的测定与土壤呼吸测定时间同步。

1.3.3 土壤水分 采用TDR土壤水分速测仪对0～20 cm土层土壤水分进行测定。土壤水分测定与土壤呼吸测定时期同步。

1.3.4 冬小麦产量 在冬小麦成熟期，各处理的每个小区收取具有代表性的1 m2样方小麦地上部分，晒干至恒重后脱粒测产，并折算成公顷产量(kg·hm-2)。

1.4 数据处理与统计分析

用极值比和变异系数表征土壤含水量的数值变化程度[21]：

Ka=Xmax/Xmin

(1)

(2)

土壤呼吸与土壤温度的关系采用Van’t Hoff经验指数模型进行拟合[13]：

中间带由中央分隔带和路缘带组成，主要作用：①分隔对向车流，以避免车辆驶入对向行车道造成交通事故；②避免车辆中途掉头，消处冲突车流，减少交通事故；③中间带有一定宽度时，可用于植树或设置防眩设施，起到夜间防眩作用；④在不妨碍建筑限界前提下，可作为设置交通标志牌及其它交通管理设施的场地；⑤具有一定宽度的中间带，可用以埋设管线等设施。

Rs=aebT

(3)

式中,Rs为土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)，T为土壤温度(℃)，a为温度为0℃时的土壤呼吸速率，b为温度反应系数。

土壤呼吸的温度敏感性采用如下模型：

Q10=e10b

(4)

式中,Q10表示温度每升高10℃土壤呼吸增加的倍数，b由(3)式获得。

全生育期CO2总排放量：

(5)

式中，TCO2为整个生育期内单位面积上的CO2总排放量(kg·hm-2)，i和n分别为当前和最后测定日期，Rs为土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)，t为播种后天数，3.80×10为转换系数。

采用Excel 2019软件整理数据，Origin 2018进行绘图，SPSS 21.0进行方差分析、相关分析及多重比较分析(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭条件下土壤温度及土壤水分动态变化

由图1可知，2018—2021年冬小麦生育期内各土层土壤温度变化规律相似，总体上随生育期的推进呈上升趋势，不同处理间差异不显著，C0、C10和C20地下5 cm土壤温度变化范围分别为：6.0℃～23.4℃、6.1℃～23.3℃、6.3℃～23.3℃，10 cm土壤温度变化范围为4.3℃～21.9℃、5.0℃～22.5℃、4.8℃～22.0℃。总体上，5 cm平均土壤温度高于10 cm处。

注：C0、C10、C20分别表示生物炭施用量为0、10、20 t·hm-2·a-1，下同；S、R、J、H、A、G、M分别代表苗期、返青期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期及成熟期。

三年冬小麦苗期至开花期，施用生物炭处理增加了土壤温度，而在灌浆和成熟期土壤温度有所降低，各生育期土壤温度随土层深度的增加而降低。整个研究周期内，C10、C20地下5 cm土层平均土壤温度相较于C0处理分别增加了0.9%、0.4%，10 cm土层平均土壤温度分别增加3.8%、1.7%。

如图2所示，2018—2021年各处理0～20 cm土壤含水量在冬小麦生育期内的变化规律均呈先降低后升高又降低的趋势，不同处理间差异显著(P<0.05)。土壤含水量随生物炭施用量的增加而增加，各生育阶段均表现为C20>C10>C0。2018—2019年C10和C20相较于C0处理土壤含水量增幅范围分别为2.0%～21.0%、14.0%～39.0%。2019—2020年，C10和C20处理土壤水分与C0相比增幅均在灌浆期达到最大，分别增加了59.0%和 66.0%。2020—2021年与前两年土壤水分变化规律相似，生物炭施入显著提高了土壤含水量，但是苗期、返青期、抽穗期、开花期及成熟期C10和C20间差异不显著。虽然2019—2021年的变化规律与2018—2019年相似，但总体上土壤水分含量较高。C10和C20的三年平均土壤含水量较C0增加了17.0%和29.0%。

注：不同字母表示同一生育期、不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。

由表1可知，小麦3个生长年土壤含水量变化幅度表现出的规律相似，生物炭施入降低了土壤水分的极值比和变异系数，不同处理下的Ka和Cv值均表现为C0>C10>C20，这表明生物炭施入耕层后可以减弱0～20 cm土壤含水量的变化幅度，且随着施用年限的增加土壤含水量的变化幅度及变异程度有降低趋势。

表1 小麦生育期内0～20 cm土壤水分变化的统计分析结果

2.2 施用生物炭条件下土壤呼吸速率变化规律

由图3可知，生物炭显著影响冬小麦生育期内的土壤呼吸速率(P<0.05)，三年各处理的土壤呼吸速率表现出的变化规律基本一致，均呈现先升高后降低的趋势。苗期至返青期土壤呼吸速率较小，拔节至抽穗期土壤呼吸速率迅速上升，抽穗至灌浆期土壤呼吸速率仍保持在较高水平，到了成熟期土壤呼吸速率则降低。各生育阶段不同处理间的土壤呼吸速率差异显著(P<0.05)，均表现为C0> C20 > C10。2018—2019、2019—2020和2020—2021年与C0相比，C10和C20的平均土壤呼吸速率分别降低了30.5%、18.2%，15.4%、5.7%和27.9%、9.9%。

图3 2018—2021年不同施炭量下土壤呼吸速率季节变化规律

2018—2021年冬小麦生育期内C0、C10和C20的土壤呼吸速率范围分别为：0.40～6.76、0.34～5.51、0.34～6.63 μmol·m-2·s-1，C10和C20相较于C0 3年平均土壤呼吸速率降低了24.3%、11.2%。

2.3 土壤呼吸与土壤水热因子的关系

如表2所示，各处理土壤呼吸与5 cm和10 cm土层土壤温度均呈极显著正相关关系(P<0.01)，相关系数为0.621～0.683。同一深度土壤温度与土壤呼吸的相关性均表现为C10>C20>C0。但不同处理土壤呼吸与0～20 cm土壤水分相关不显著。

表2 不同施炭量下土壤呼吸与土壤水热因子的相关性

土壤呼吸(Rs)及土壤温度(T)的指数模型拟合结果显示(图4)，土壤呼吸与土壤温度呈极显著指数相关关系(P<0.001)，土壤呼吸速率随温度的升高呈现上升趋势。温度较低时，散点在曲线附近较为聚集，随着温度的上升，散点逐渐发散。地下5 cm和10 cm土壤温度分别可以解释土壤呼吸变化的54.7%～61.1%、57.1%～64.5%。整个研究周期内，5 cm及10 cm处的Q10值依次为：C20(3.71)>C10(3.54)>C0(3.25)、C20(3.65)>C10(3.53)>C0(3.26)。不同土壤深度下，C20和C10较C0的增幅分别为14.2%、8.9%(5 cm)，12.0%、8.3% (10 cm)。

图4 冬小麦生育期内土壤温度和土壤呼吸的关系

2.4 施用生物炭条件下小麦全生育期土壤CO2累积排放量变化特征

施用生物炭显著降低了冬小麦各生育阶段土壤CO2累积排放量(表3)，2018—2021年表现出的规律较为一致，各生育阶段土壤CO2累积排放量均表现为：C0>C20>C10。苗期至返青期，施用生物炭的碳排放总量显著低于不施炭处理，但C10与C20间差异不显著，该时期排放总量均高于其他生育时期。2018—2019、2019—2020和2020—2021年，C10和C20处理的全生育期土壤CO2累积排放量相较于C0分别降低了31.6%、19.3%，16.7%、8.8%和25.1%、12.3%。2018—2021年C0、C10、C20冬小麦全生育期CO2累积排放量范围分别为：15001.49～18522.72、12251.36～12668.71和13673.88～14954.26 kg·hm-2，C10和C20相较于C0 3年平均土壤CO2总排放量分别降低了24.9%、13.9%。

表3 冬小麦各生育期土壤CO2排放总量/(kg·hm-2)

2.5 施用生物炭对小麦产量的影响

2018—2019年，冬小麦产量随生物炭施用量的增加而增加，C10和C20相较于C0处理分别增加了1.9%、3.6%，但处理间差异不显著。2019—2020年施用生物炭处理的小麦产量显著高于不施炭处理，表现为C10>C20>C0。与C0相比，C10与C20增产幅度分别为8.5%和5.9%(P<0.05)，2020—2021年则分别显著增加了9.4%、5.9%(P<0.05)。

3 讨 论

3.1 施用生物炭对土壤温度和水分的影响

生物炭为黑色固体颗粒，添加在土壤中可以加深土壤颜色，提升土壤吸热能力，降低土壤导热率和表面反射率[8]，进而提高土壤温度[22]。本研究表明，土壤温度呈现出明显的季节性变化，这与大气温度变化密切相关，同时施用生物炭对冬小麦生育期内平均土壤温度具有一定的提升效果，但处理间差异不显著，这可能是由于作物覆盖缩小了处理间的地表反射率差异[23]、削弱了生物炭的吸热能力导致的，与田冬等[13]的研究结果相似。本研究中，施用生物炭处理相较于C0在灌浆期至成熟期土壤温度略微下降，与王月玲等[24]的研究结果相似，这可能是由于该时期在整个生育期内气温相对较高，生物炭可以通过增加土壤保水性和土壤比热来减缓季节尺度上的温度波动[25]，降低土壤高温，具有“削峰填谷”的效果[8]。武玉等[25]指出，土壤比热在一定程度上影响土壤的升温效果，而土壤水分及土壤颜色均为土壤比热的重要影响因素，纯净水的比热高于干土壤，因此较低土壤含水量的生物炭可能会引起土壤温度的最大上升，对土壤的增温效果更好。本试验中，虽然C20较C10施炭量大，土壤颜色更深，但同时生育期内土壤含水量更高，土壤升温效果可能因较高的土壤含水量而减小，因此生育期平均土壤温度表现为C10>C20>C0，处理间差异不显著。

大量研究表明，生物炭对土壤持水性能有显著影响[3,26]。生物炭具有微孔结构丰富及比表面积大等特点，施入土壤可降低土壤容重[6]和水分蒸发潜力[27]，提高总孔隙度[28]，从而提高耕层含水量及持水能力[7]。一般而言，土壤含水量随施炭量的增加而增加[29]，但由于生物炭具有疏水基团，施用过量(80 t·hm-2)会使土壤产生一定的斥水性[26]，对土壤含水量产生负效应[30]。本研究生物炭施用量在上述范围内，显著提高了0～20 cm土土壤含水量，并减弱了冬小麦生育期内土壤含水量的变化幅度，与勾芒芒等[21]的研究结果一致。这表明生物炭具有稳定保水能力，且以C20提升效果最好。

3.2 施用生物炭对土壤呼吸的影响

本研究表明，关中地区冬麦田土壤呼吸速率具有明显的季节变化规律，即随着生育期的推进呈现出先升高后降低的趋势，这是由作物生长特点及外界环境变化所决定的，与陈述悦等[31]研究得出的华北平原冬麦田土壤呼吸速率冬季较低、夏季较高的规律基本一致。苗期至返青期植株较小且气温低，根系活力及微生物活性低，因此该时期土壤呼吸速率较小；拔节至抽穗期小麦生长发育随气温的回升而加快，根系及微生物呼吸作用加强，土壤呼吸速率迅速增加；抽穗至灌浆期小麦生长旺盛，根系及微生物活性仍较强，土壤呼吸速率保持在较高水平；成熟期土壤呼吸速率出现降低趋势，原因可能是小麦生长后期根系活力降低。

李亚森等[32]发现，连续5年施入15 t·hm-2生物炭显著降低了烤烟季土壤呼吸作用；成功等[33]研究发现，秸秆炭配施化肥与单施化肥相比，石灰性土壤CO2累积排放量显著降低15.4%。上述结论与本试验中施用生物炭显著降低了土壤呼吸速率及全生育期CO2累积排放量的研究结果一致，原因可能是：一方面，生物炭施入土壤后促进了团聚体[24]及有机-无机复合体[34]的形成，对土壤有机质形成物理保护及封存作用，从而降低了微生物和酶对有机碳的分解[35]；另一方面，芳香化及缩合度较高的作物秸秆裂解产生的秸秆炭稳定性好，不易被分解[4]，而且生物炭中含有的Ca、Mg、Fe等矿质元素可以与CO2结合生成CaMg(CO3)2、Fe(OH)2CO3等碳酸盐，抑制CO2的排放[36-37]。本研究中C20土壤呼吸速率高于C10，这可能是因为施炭量与土壤呼吸速率间并非简单的线性关系，当施炭量超过一定阈值时土壤通气性增加且养分效果得到改善，呼吸速率呈现增加趋势，因此固碳减排效果下降，这与马雯琪等[38]的研究结果一致。同时，也有关于生物炭促进[14]或者对土壤呼吸没有显著影响[15-17]的报道，与本试验研究结果不一致，这种差异可能是由于生物炭性质、土壤类型、作物种类等不同而导致的。因此，有关生物炭对农田土壤碳排放的影响还需进一步的试验研究。

3.3 土壤温度和水分对土壤呼吸的影响

土壤呼吸受到生物因子(植被类型、地下部生物量等)、非生物因子(土壤温度、湿度、pH等)及人为因素(施肥、管理措施等)的综合影响[39]，其中土壤温度和湿度可以解释土壤呼吸的大部分变异[40]。土壤温度通过影响微生物活性、植物生长、有机质分解等过程来调控土壤呼吸，两者间的关系可以用线性、指数或二次函数等来描述[41]。本研究表明，土壤温度与土壤呼吸呈极显著指数相关关系(P<0.001)，5 cm和10 cm土壤温度分别可以解释土壤呼吸季节变化的54.7%～60.6%、57.1%～64.5%，这与李亚森等[32]研究结果中的55%～65%接近。当温度较低时，植物根系及微生物代谢的主要限制因子是土壤温度，土壤呼吸和土壤温度相关性较好，而随着温度的升高可能增加了植物生物量、运输代谢产物等对土壤呼吸速率的影响，温度不再是唯一限制因子[42]。本研究还表明，土壤呼吸与0～20 cm土壤水分无显著相关性，与丁瑞霞等[43]的研究结果相似，原因可能是：田间环境下影响土壤呼吸的因素众多且机制复杂，水分对土壤呼吸的影响被其他因子或系统误差所掩盖[44]；此外，土壤呼吸对本试验中的土壤水分变化范围不敏感，不足以影响土壤微生物及根系活性，以致土壤水分和土壤呼吸相关性不显著。

土壤温度的敏感性Q10表示温度每升高10℃时土壤呼吸增加的倍数，受土壤生物、底物质量及土壤水热等因子的调控[45]。本研究表明，Q10不是常数，而是随土壤深度和管理措施的不同而变化的变量。整个研究周期内，不同处理的Q10介于3.25～3.71，符合Zheng等[46]测定的农田Q10值范围(1.28～4.75)。施用生物炭增加了Q10，这与前人研究结果一致[13, 47]，原因可能是：有研究表明，成分越复杂、越难分解的有机物，具有的活化能越高、分解速度越慢，Q10越高[48]，生物炭具有高度羧酸酯化、芳香化等结构[1]，性质稳定难分解且转化周期长，施入后增加了土壤呼吸底物质量，故Q10增大；此外，在一定范围内，土壤呼吸温度敏感性随土壤水分的升高而增大[49]，本试验中土壤含水量随生物炭的增加而增加，故Q10表现为C20>C10>C0。本研究结果表明，施用生物炭降低了土壤呼吸速率同时却增加了土壤温度敏感性，意味着施用生物炭增加了土壤呼吸对温度变化的响应程度，这与田冬等[13]及Ge等[50]的研究结果一致。同时也有施用生物炭降低Q10值的报道[12]，这可能与土壤有机质质量、生物群落数量和酶活性的差异有关，因此有关生物炭施入对Q10的影响有待进一步研究。

3.4 施用生物炭对冬小麦产量的影响

前人研究表明，生物炭施入可改善土壤理化性质，提高土壤持水性能，延缓营养元素释放、降低淋溶，进而提高水分利用效率[51]及养分利用效率[52]，促进作物增产。本研究表明，施用生物炭提高了冬小麦产量，但第一年不同处理间小麦产量差异不显著，第二、三年小麦产量因生物炭施入而显著提高，与Major等[9]的研究结果相同，施用生物炭第一年玉米产量差异不显著，随后3年产量分别显著提高28%、30%、140%。纪立东等[53]研究表明，当生物炭超过一定的阈值时对作物的增产效果下降，当施炭量从6.75 t·hm-2增至9 t·hm-2，玉米产量增幅由41.4%降至26.1%，本研究得到了类似的结果，C10增产效果优于C20，原因可能是：施炭量的增加使可溶有机碳及C/N比也随之增加，促使微生物与作物竞争土壤氮，降低了冬小麦的氮素利用率，因此增产效果下降[54]。2019—2021年产量总体上均高于第一年，这可能与生育期内降雨量差异有关。有研究指出，当生物炭施用量小于50 t·hm-2时，对产量的作用基本为正效应[55]，本研究中生物炭施用量在其范围内，3年小麦产量增幅范围为1.9%～9.4%，符合上述结论。同时，也有关于生物炭抑制作物生长的报道。魏永霞等[56]通过在草甸黑土上连续4年施加100 t·hm-2秸秆炭发现，玉米产量及水分利用效率均受到抑制，与本研究结果不一致的原因一方面可能是施炭量过高使土壤C/N比大幅提升，增加了微生物对N的固定，氮素可利用性及有效态养分降低，作物生长受到抑制，另一方面生物炭施入造成的土壤pH变幅超出了对pH较为敏感作物的承受范围[1]。

4 结 论

施用生物炭提高了关中地区冬小麦生育期内的平均土壤温度和水分含量，显著降低了土壤呼吸速率和CO2累积排放量。与C0相比，C10和C20处理3年小麦平均产量分别显著提高了7.1%和5.3%。因此，施用生物炭可以增加冬小麦产量，降低农田土壤呼吸作用，调节水热因子，但增加了土壤呼吸对温度的敏感性。