等碳量添加生物炭和秸秆对烟田土壤呼吸及净碳收支的影响

符云鹏 刘 天 李耀鑫 柳渊博 王 静 金佳威 蒋伟峰 刘咏艳 杨 洋 云 菲

等碳量添加生物炭和秸秆对烟田土壤呼吸及净碳收支的影响

符云鹏 刘 天 李耀鑫 柳渊博 王 静 金佳威 蒋伟峰 刘咏艳 杨 洋 云 菲*

河南农业大学烟草学院 / 烟草行业烟草栽培重点实验室, 河南郑州 450002

研究生物炭和秸秆添加对烟田生态系统土壤呼吸及碳收支的影响, 阐明生物炭、秸秆以及二者配施处理烟田的固碳效应。2020—2021年, 设置常规施肥(CK)、常规施肥+2.25 t hm–2生物炭-C (T1)、常规施肥+2.25 t hm–2秸秆-C (T2)、常规施肥+1.125 t hm–2生物炭-C＋1.125 t hm–2秸秆-C (T3) 4个处理, 对不同组分土壤呼吸及土壤主要环境因子、土壤碳增量、作物净初级生产力固碳量以及进行农业生产造成的碳排放进行了测定。结果表明, 添加秸秆、秸秆与生物炭配施处理烤烟生育期内土壤呼吸累计排放碳量显著高于对照(<0.05), 提升幅度分别为21.40%～35.45%、5.90%～9.89%; 添加生物炭、秸秆处理土壤自养呼吸占比分别较对照提高6.35%～7.34%、3.21%～5.97%, 生物炭与秸秆配施处理仅2021年较对照提升3.91%。添加生物炭、秸秆提高了生育期内土壤温度和水分, 单施生物炭处理土壤水分显著提高了1.93%～7.07%。土壤主要环境因子中, 土壤温度对土壤呼吸速率影响最大, 二者呈极显著正相关; 添加秸秆、生物炭与秸秆配施处理土壤呼吸速率与土壤湿度呈显著正相关。各处理生态系统固碳量均为正值, 表示为“碳汇”, 其中添加生物炭不仅可增加净初级生产力(NPP)固碳量以及土壤固碳量, 还可降低烟草生长季内土壤呼吸累积碳排放量, “碳汇”能力最强。因此, 施用生物炭是降低烟田土壤呼吸碳排放, 增强烟田生态系统“碳汇”能力的最佳途径。

生物炭; 秸秆; 土壤呼吸; 碳收支

温室气体排放导致全球气候变暖问题日益严峻,各种极端天气频频出现。中国CO2排放总量位居世界第一[1], 我国实现2030年“碳达峰”目标与2060年“碳中和”愿景挑战巨大。土壤呼吸是陆地生态系统到大气的第二大碳通量, 陆地土壤CO2年平均排放通量约为80.4 PgC[2]。全球土壤储存了至少2倍于大气的碳[3-4], 土壤呼吸向大气中排放的CO2通量正逐年增加[5]。土壤呼吸由自养呼吸(植物根际及根际微生物)和异养呼吸(非根际相关的土壤微生物和土壤动物)组成。1987—1999年间, 全球土壤呼吸速率以每年0.161 PgC的速率增加[6]。1990—2014年间, 异养呼吸(heterotrophic respiration Rh)与总呼吸(soil respiration, Rs)的比值由0.54增加到0.63, 异养呼吸的增加可能是响应环境变暖带来的环境变化[7]。农田耕地土壤退化问题日益严峻, 在提高土壤肥力的同时增强土壤碳库贮存已被公认为全球范围内应对减缓土壤退化及气候变暖策略[8-9], 对于占全球土壤近33%的有机碳损失退化土壤来言尤其重要[10]。农田土壤应用秸秆已被公认为是一种环境友好的做法,可增加有机碳的输入, 提高矿质元素的有效性进而阻止土壤退化, 提高土壤质量及作物产量, 同时还可减少化肥的施用[11-12]。有研究表明, 秸秆还田会增加土壤CO2的排放, 加剧全球变暖问题[12]。基于秸秆等废弃生物质制备而成的生物炭被认为是另一种增加土壤碳储量的有效方式, 并可起到增加土壤养分含量及土壤碳库稳定性的作用[13]。研究表明, 生物炭在土壤中周转率极低(0.0046% d-1)[14], 因此可将生物炭施于土壤实现碳封存进而达到缓解温室效应的目的。农田添加生物炭可通过改变土壤物理结构、水分含量、阳离子交换能力、酶活性及土壤微生物群落结构进而减少土壤呼吸CO2排放[15]。秸秆与生物炭的交互作用研究较少。二者配合施用对农田生态系统净碳收支的影响尚不清楚。烟草作为一种垄作作物, 农事操作较为复杂, 涉及到施肥起垄、中耕培土、除草等, 对土壤造成扰动较多, 势必影响到烟田土壤呼吸。目前, 关于农田生态系统碳收支的研究主要集中在粮食作物(玉米、小麦、水稻), 而有关烟田生态系统碳收支研究相对较少。烟草作为一种重要的经济作物, 在我国种植面积较大。秸秆还田是烟区常用的土壤改良措施, 生物炭作为新兴的土壤改良剂近几年在植烟土壤改良中的应用日渐增多, 然而关于生物炭和秸秆添加对烟田生态系统碳收支影响的研究较少。因此, 研究不同碳源输入下烟田土壤主要环境因子特征及土壤呼吸组分变化规律、烟田生态系统净碳收支, 对正确评价烟田生态系统碳源/汇效应具有重要的理论意义及实用价值。

为避免土壤环境不同对准确区分土壤呼吸组分造成的影响, 本试验采用垄沟法对土壤呼吸组分进行了分离。通过田间原位连续监测, 探究不同碳源输入对烟田土壤环境及不同呼吸组分的影响, 对生态系统净初级生产力、土壤固碳量、土壤呼吸作用排放碳量、物料投入碳量及农业投入碳排放量进行收集测定, 定量评价生物炭、秸秆及二者混施处理生态系统的固碳潜力。

1 材料与方法

1.1 研究地点及试验材料

定位试验开始于2017年, 按照“等碳量”的原则连年添加生物炭和秸秆。本试验于2020年4月至9月、2021年4月至9月在河南农业大学许昌校区现代烟草科教园区(东经113°85′, 北纬34°14′)进行。该区域属于典型的暖温带亚湿润季风气候, 年平均气温15.6℃, 多年平均降雨量约为700 mm。土壤类型为褐土, 质地为中壤。土壤基础养分含量(质量分数)为: 有机质19.09 g kg-1、碱解氮74.7 mg kg-1、速效磷8.7 mg kg-1、速效钾114.5 mg kg-1和水溶性氯24.8 mg kg-1, pH 7.61。试验所用花生壳生物炭由河南省生物炭技术工程实验室提供, 在400～450℃下限氧热解30 min制备而成, 其基本性质为总碳(total carbon, TC) 47.28%、总氮(total nitrogen, TN) 1.25%、总硫(total sulfur, TS) 0.48%、总磷(total phosphorus, TP) 1.31%、总钾(total potassium, TK) 1.77%、碳氮比(carbon nitrogen ratio, C/N) 37.82、酸碱度(pH) 8.5。秸秆为腐熟小麦秸秆, 基本性质为TC 44.82%、TN 1.21%、TS 0.80%、TP 0.72%、TK 0.96%。

1.2 试验设计

试验设4个处理, 随机区组排列, 重复3次, 小区面积0.02 hm2。各处理分别为: CK: 常规施肥; T1: 常规施肥+2.25 t hm-2生物炭-C; T2: 常规施肥+2.25 t hm-2秸秆-C; T3: 常规施肥+1.125 t hm–2生物炭-C+ 1.125 t hm–2秸秆-C。生物炭、秸秆均于烤烟移栽前2周施入土壤, 与表层0～20 cm土层充分混合后起垄,垄距1.2 m。各处理氮用量为30 kg hm–2, 氮磷钾比例1∶2∶4。基肥由烟草专用复合肥(15% N、15% P2O5、15% K2O), 硫酸钾(52% K2O)和过磷酸钙(12% P2O5)提供, 追肥为硝酸钾(13.5% N、44.5% K2O), 基肥、追肥比例为4∶1。种植品种为中烟100, 行距1.2 m, 株距0.55 m, 密度为15,000株 hm-2, 2020年5月3日移栽, 9月27日采收结束, 2021年5月6日移栽, 9月17日采收结束。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤呼吸及土壤环境因子 土壤呼吸使用Li-8100土壤碳通量测量仪(LI-COR, Lincoln, 美国)测定, 每次测量前24 h清除地表杂草。于测定日的08:30—11:30之间进行土壤呼吸测定, 代表本日土壤呼吸平均值, 为剔除土壤呼吸日变化对测量结果的影响, 每次测量时均按照不同的顺序对观测点进行测定, 每5 d测量1次, 雨天除外。每个小区共放置3个PVC环, 其中垄间和垄体各安装1个PVC环。安装好的PVC环高出地面3 cm, PVC环在生育期内不再移动, 直至测量结束。使用壕沟法将土壤总呼吸(total soil respiration, Rs)划分为土壤自养呼吸(soil autotrophic respiration, Ra)和土壤异养呼吸(soil heterotrophic respiration, Rh)。在每个处理的垄间设置一个矩形区域, 在矩形区域边界向内5 cm左右挖一个60 cm深的沟, 保留长宽约60 cm×40 cm的未扰动区域。沿沟槽内壁放置孔隙为0.038 mm的尼龙网, 然后将土壤回填。在未干扰区域中放置一个PVC环测量土壤呼吸, 此测定值为异养呼吸(Rh), 将垄体呼吸与垄间呼吸的平均值视为田间土壤总呼吸(Rs), 土壤总呼吸(Rs)与异养呼吸(Rh)的差值为自养呼吸(Ra)。土壤温度、湿度采用WET三参仪(WET-2, 英国)与土壤呼吸一同测定, 测定深度为垄体土壤5 cm深处。

土壤呼吸CO2日排放量:

R=R×3600×24×12×10–5(1)

整个生长季CO2累计排放量:

式中,R为当日土壤呼吸CO2日排放量(kg hm–2),s为土壤呼吸速率(μmol m–2s–1), 12为CO2-C的摩尔质量(g mol–1), 3600、24、10–5均为转换系数;r为整个生长季CO2累计排放量(kg hm–2),R和R1分别为第次和第+1次测定时CO2日排放量(kg hm–2),为相邻2次土壤呼吸测定间隔天数,first为第1次测定的土壤呼吸CO2排放量(kg hm–2)。

1.3.2 烟草生物量的测定 烤烟采收期, 各小区选择3株长势均匀、代表性强的烟株, 采集整株植物样品, 分为根、茎、叶3个部分, 对生育期内进行的农事操作如打顶抹杈、打底脚叶去除的植株生物量以及烟株凋落物进行收集, 于105℃杀青30 min后在65℃烘干至恒重, 冷却后测定各器官干物质质量。

1.3.3 土壤有机碳含量 移栽前及采收后采用“S”形取样法采集0～20 cm耕层土壤样品。自然风干后过0.15 mm筛, 采用德国Elementar公司生产的有机碳分析仪(VarioMACRO TOC)测定土壤有机碳含量。

1.3.4 农田生态系统碳收支估算 农田生态系统净碳收支估算参考田冬[16]方法进行。采用全生命周期评价系统净固碳效应, 农田生态系统的源汇效应取决于土壤碳储量增量、作物净初级生产力固定碳量、土壤呼吸排放碳量、物料还田碳量、农业生产物资消耗及人工管理排放碳平衡进行估算。

(1) 土壤碳储量增量

ΔSOC=(SOCi-SOC0)×BD×H×10–1。

ΔSOC为土壤碳增量(t hm–2), SOCi为第次测定的土壤有机碳含量(g kg–1), SOC0试验开始前基础土样土壤有机碳含量(g kg–1), BD为土壤容重(g cm–3), H为土层深度。

(2) 系统碳吸收(Ca)

Ca=CNPP=Ccrop+Clitter

CNPP为系统内作物的净初级生产力固定碳, Ccrop为作物固碳(包括作物地上部的茎秆、叶、烟杈、花及地下部的根系所包含的碳), Clitter为田间凋落物残留碳。

(3) 系统碳排放(Ce)

Ce=Cr+Ceh

Cr为系统土壤呼吸碳排放, Ceh为生产活动所产生的碳排放。

(4) 系统净碳汇(Cs)

系统净碳汇(Cs)通过土壤固碳增量、吸收与排放碳平衡计算:

Cs=Ci+CNPP+ΔSOC-Cr-Ceh

Ci为物料碳还田量, CNPP为净初级生产力, ΔSOC为土壤固碳量, Cr为土壤呼吸碳排放量, Ceh为采用碳足迹法, 从作物播种到收获期农田生产活动中的农业投入碳排放量, 主要包括农药、化肥、耕地起垄、灌溉、田间管理如打顶抹杈及农机使用过程中产生的碳排放(表1)。表1中烟苗碳排放系数无参考文献, 本试验采用德国Elementar公司生产的全自动CNS元素分析仪(VarioMACRO cube)测定移栽所用烟苗碳积累量。

1.3.5 相关性 采用经验指数方程描述土壤呼吸与表层土壤温度的关系:=e,为土壤呼吸速率(μmol m–2s–1),为地表下5 cm处土壤温度,、为拟合参数。

10: 温度敏感系数, 表示温度每增加10℃, 土壤呼吸增加的倍数,10=e10。

土壤湿度与土壤呼吸速率之间的关系采用二次回归方程进行拟合:=++2, 式中,为土壤呼吸速率,为地表下5 cm处土壤体积含水量,、、均为方程拟合参数。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 22.0进行数据处理及分析, 用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验, 使用Origin 2018和Microsoft Excel 2010制作图表。

2 结果与分析

2.1 添加生物炭和秸秆对土壤温度和湿度的影响

由图1可以看出, 2020年与2021年烤烟大田生育期垄体土壤温度、湿度变化趋势基本一致。生育期内, 各处理土壤温度均呈先上升后下降的趋势, 最高温度出现在8月初。2020年土壤温度变化范围在21.92～39.72℃之间, 添加生物炭、秸秆及生物炭和秸秆配施处理平均土壤温度分别较CK提高0.55%、0.41%、0.78%, 处理间无显著差异。2021年土壤温度整体低于2020年, 变化幅度范围为25.02～31.77℃, 各处理平均土壤温度分别较CK提高0.63%、0.52%、0.58%, 处理间差异不显著。整个生育期内, 土壤水分变化波动较为明显, 主要受农田灌溉及降雨的影响; 2020年T1、T3处理生育期内土壤水分均值分别较CK显著提高7.07%、2.03%, 2021年T1、T2、T3处理土壤水分均值较CK分别提高1.93%、0.01%、3.38%, T1、T3处理土壤水分含量均值与CK差异显著(<0.05)。

2.2 添加生物炭和秸秆对烟草生育期内土壤呼吸速率及土壤CO2-C累积排放量的影响

由图2可知, 在烟草生育期内, 各处理土壤总呼吸表现出明显的季节性, 2020年与2021年土壤呼吸速率变化趋势基本一致, 总体呈先增加后降低, 与土壤温度变化趋势相似, 8月初达到峰值。2020年各处理土壤呼吸速率变化范围分别为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别为2.87、2.74、3.82、3.01 μmol m–2s–1, 处理间差异均达显著水平(<0.05), 其中T1处理平均土壤呼吸速率较CK显著降低4.53%, T2、T3处理分别较CK显著增加33.40%、4.88%。2021年各处理土壤呼吸速率变化规律相同, 土壤呼吸速率变化范围分别为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别为3.96、3.75、4.82、4.36 μmol m–2s–1, 均高于2020年相对应处理, 且处理间差异显著(<0.05), 其中T1处理较CK显著降低5.30%, T2、T3处理分别较CK显著增加21.72%、10.10%。可见, 添加生物炭可显著降低烟草生育期内土壤呼吸平均速率。

表1 各项农业物资的碳排放系数

图1 生物炭和秸秆添加下土壤温度、湿度的动态变化

CK: 对照; T1: 常规施肥+2.25 t hm–2生物炭-C; T2: 常规施肥+2.25 t hm–2秸秆-C; T3: 常规施肥+1.125 t hm–2生物炭-C+1.125 t hm–2秸秆-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年与2021年土壤异养呼吸平均速率表现为T2>T3>CK>T1, T2处理显著高于其他处理(<0.05), 2年T1处理土壤异养呼吸平均速率分别较CK显著降低9.28%、10.66%。2020年各处理土壤自养呼吸平均速率表现为T2>T1>T3>CK, T2与其他处理差异显著(<0.05); CK、T1、T2、T3处理土壤自养呼吸占总呼吸比例分别为43.99%、46.87%、45.40%、42.45%, 其中T1、T2处理较CK提高了自养呼吸在总呼吸的占比。2021年各处理土壤自养呼吸平均速率表现为T2>T3>T1>CK, 与CK相比, 各处理均提高了自养呼吸占比。

由表2可知, 2020年烟草生育期内各处理土壤呼吸作用CO2-C累积排放量在3833.65～5395.87kg hm–2之间, 2021年土壤呼吸作用CO2-C累积排放量高于2020年, 在5356.42～6916.35 kg hm–2之间, 2年均表现为T2>T3>CK>T1, 且T2、T3处理显著高于CK。

2.3 添加生物炭和秸秆对烟草生态系统净初级生产力的影响

由图3可知, 烟株各器官固碳量均表现为叶>茎> 根>杈>花>凋落物; 2020年CK、T1、T2、T3处理叶片固碳量占总固碳量的比例分别为41.47%、41.03%、42.62%、40.75%, 2021年各处理叶片固碳量占总固碳量的比例分别为41.63%、40.91%、41.71%、41.18%。2020年, 各处理叶片固碳量表现为T2>T3>T1>CK, 处理间差异显著; 茎和根系固碳量表现为T3>T2>T1>CK, 其中T3处理显著高于其他处理, T2、T1处理显著高于CK; 其他器官固碳量表现为T3>T1>T2>CK, 处理间差异显著。2021年, 根系固碳量表现为T3、T1显著高于CK, 各处理叶、茎和其他器官固碳量均显著高于CK。

图2 生物炭和秸秆添加下烟田土壤呼吸速率的动态变化

处理同图1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

表2 生物炭和秸秆添加下土壤呼吸CO2-C累计排放量

同行不同小写字母表示处理间差异显著(< 0.05)。处理同图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.

图3 添加生物炭和秸秆对烟株各部位固碳量的影响

同颜色横柱不同小写字母表示处理间差异显著(< 0.05)。处理同图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.

由图4可知, 2020年与2021年各处理烟株固碳量均表现为T3>T2>T1>CK, 2020年T1、T2、T3处理烟株固碳量分别较CK显著增加14.32%、16.59%、16.63%, 2021年各处理分别较对照显著增加15.29%、16.73%、18.66%。

图4 添加生物炭和秸秆对烟田生态系统净初级生产力的影响

不同小写字母表示同一年份处理间差异显著(< 0.05)。处理同图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 土壤呼吸对土壤温度、湿度的响应

土壤温度、湿度是影响土壤呼吸的两大主要因素。由表3可知, 各处理土壤温度与土壤呼吸呈指数相关。2020年, T1和T3处理Q10值分别较CK降低11.45%、13.86%, T2处理较CK增加1.20%。2021年, 各处理Q10值表现为CK>T3>T2>T1, 与2020年相比, 除T1外, 各处理Q10值均有所增加。整体来看, 单施生物炭可有效降低土壤呼吸敏感系数。2020年, 土壤湿度与土壤呼吸拟合度较低,2变化范围在0.032～0.168之间, 其中T3处理拟合度最高; T2、T3处理土壤湿度与土壤呼吸速率为显著正相关(<0.05)。2021年, 各处理土壤呼吸与土壤湿度拟合度均大幅度增高, 这可能与当年降雨量较大有关。

2.5 烟田生态系统碳收支

由表4可知, CK表现为 “碳源”, 各处理均呈“碳汇”。处理间净固碳量表现为T1>T3>T2。2021年各处理“碳汇”效应与2020年相比较弱, 这与2021年土壤呼吸作用CO2-C排放量大幅度增加有关。相较于CK, 各处理增加了碳投入量, 提高了净初级生产力固碳量及土壤固碳量。综合来看, 单施生物炭的T1处理“碳汇”能力最强。添加不同碳源的3个处理净初级生产力固碳量无显著差异, 但均显著高于CK (<0.05)。2020年T1处理土壤固碳量较CK、T2、T3分别提高11.18、0.24、0.05倍, 土壤呼吸CO2-C排放量分别较其他处理降低3.76%、28.95%、9.12%。2021年T1处理土壤固碳量较CK、T2、T3分别提高10.88、0.20、0.04倍, 土壤呼吸CO2-C排放量较其他处理降低5.98%、22.55%、14.44%。因此, 欲提高烟田生态系统固碳量, 应从减少土壤呼吸碳排放、增加净初级生产力固碳量及土壤固碳量入手。

表3 土壤呼吸速率与土壤环境因子的拟合方程

处理同图1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

表4 生物炭和秸秆添加对烟田生态系统碳收支的影响

处理同图1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

3 讨论

3.1 不同碳源输入对土壤呼吸特征及其组分的影响

本研究发现, 烤烟生长前期土壤呼吸速率较低, 8月初土壤呼吸CO2排放达到峰值, 随后下降(图2-a), 这与何甜甜等[22]、李亚森等[23]在豫中烟田生态系统研究烤烟生育期内土壤呼吸速率的动态变化结果一致。本研究结果表明, 添加秸秆显著增加了烟草生育期内土壤呼吸平均速率, 而添加生物炭显著降低了土壤呼吸平均速率, 生物炭与秸秆配施较单施秸秆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为: (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尽后, 剩下稳定性极强的以芳香环不规则叠层存在的碳不易被分解[24]; (2) 生物炭促进土壤团聚体生成及稳定有利于农田土壤碳固持[25]; (3) 生物炭较秸秆可显著增加一些矿化能力弱、腐殖化能力强的细菌丰度[26], 表现为土壤呼吸速率降低。刘杏认等[27]在冬小麦-夏玉米轮作体系中研究认为添加玉米秸秆生物炭可提高轮作周期内CO2排放通量, 这可能归因于生物炭用量、还田年限的差异。许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较小(4.76 t hm–2), 表现为土壤呼吸速率降低。此外, 生物炭施用年限同样会对其作用效果产生影响, Singh等[29]认为由桉木、桉叶、家禽粪便、牛粪制备而成的生物炭添加于沙姜土壤的前二三年起正激发效应, 促进本土有机碳矿化, 之后一直到第5年正激发效应逐渐减弱, 对本土有机碳矿化作用由促进转为抑制。本研究为定位试验, 已连续添加5年生物炭, 导致了土壤呼吸速率的降低。

明确土壤呼吸各组分对土壤总呼吸的贡献, 对定量评价生态系统碳收支具有较大的理论及实践价值[30]。自养呼吸在土壤总呼吸中占比在不同生态系统中差异较大。本研究中, 2020年烤烟生育期内各处理自养呼吸占比在42.45%～46.87%之间, 2021年各处理自养呼吸占比在43.44%～46.63%之间。田冬等[31]研究表明, 油菜季自养呼吸在土壤总呼吸中占比为17.31%～22.9%, 玉米季为26.49%～53.65%。Kuzyakov等[32]采用14C标定示踪法研究自养呼吸对土壤总呼吸的贡献率, 结果显示自养呼吸贡献率在15%～60%之间, 均值为41%。鲁齐飞等[33]在豫中烟田生态系统研究各土壤呼吸组分在土壤总呼吸中占比, 其中自养呼吸占比为40.26%～43.43%。本研究中自养呼吸占比相对较高, 这可能与土壤呼吸组分的区分测定方法有关, 本试验采用壕沟法, 对土壤微生态影响相对较小, 裸地处无植被覆盖, 土壤温度较高, 会导致异养呼吸测定值偏高。单施生物炭处理和单施秸秆处理较对照提高了土壤自养呼吸占比, 主要是添加生物炭、秸秆可提高土壤有机碳含量, 改善土壤物理特性, 促进根系发育, 进而提高了土壤自养呼吸占比。此外, 添加生物炭对原土有机碳矿化的抑制作用导致异养呼吸速率降低[34]。

3.2 不同碳源输入下土壤环境因素对土壤呼吸的影响

土壤水分和温度是影响土壤CO2排放的两大土壤环境因子[35]。本研究中, 土壤温度与土壤呼吸呈极显著正相关, 是对土壤呼吸速率影响最大的土壤环境因子, 对土壤呼吸变化的贡献率达到30.7%～ 63.15%, 赵亚丽等[36]将玉米、小麦秸秆添加于粉质黏壤土取得研究结果与本项研究结果一致。土壤CO2排放温度敏感系数(Q10)是预测土壤碳排放的重要指标, 本研究中添加生物炭处理较对照降低Q10。有研究发现生物炭施于农田短期内增加Q10, 长期则降低Q10[37], 本试验连续5年施用生物炭可能导致Q10降低。添加秸秆刺激土壤中微生物活化, 加速土壤呼吸速率, Q10随着底物增加而增加[38]。

土壤水分对土壤呼吸的影响具有复杂性和不确定性, 同时也有可能被其他因子所掩盖[39]。有研究表明, 土壤CO2排放量与水分存在显著的负相关关系[40]。本研究中, 2020年单施秸秆处理、秸秆与生物炭配施处理土壤水分与呼吸速率之间呈显著正相关。2021年添加生物炭、秸秆处理土壤呼吸速率与土壤水分呈显著正相关, 土壤水分含量增大可大幅度提高生育期内烟田土壤呼吸速率。这可能与该年度7月至8月份降雨较多导致土壤含水量较高有关。有研究表明[41]土壤水分含量大于12% (质量含水率)时, 土壤呼吸速率随土壤水分含量增加而增大, 土壤水分含量增大时, 土壤微生物对有机碳的分解能力增强。Singh等[42]研究发现, 土壤呼吸速率随土壤水分含量提高而增大, 土壤EOC浓度随之降低。风干土壤中EOC浓度始终较高, 表示由于水分限制, 有机碳的微生物矿化作用较低。Keiluweit等[43]认为土壤水分含量过高时导致O2的扩散减少, 从而限制好氧微生物呼吸。本项试验中抑制土壤呼吸作用的土壤水分含量上限有待进一步研究。

3.3 不同碳源输入对烟田生态系统碳收支的影响

烟田生态系统碳收支取决于碳输入及碳支出。Liu等[44]在中国8个作物主要产区进行田间试验发现, 生物炭添加不会通过增加农业土壤中CO2排放碳损失来抵消净碳积累。本研究中, 添加生物炭后土壤碳累计排放量较对照降低, 与Liu等[44]研究结果一致。单施秸秆处理及秸秆与生物炭配施处理显著增加了烤烟生育期内土壤呼吸累计排放碳量。添加不同碳源处理均较对照显著提高了烟田生态系统净初级生产力, 其中生物炭与秸秆配施处理较对照提升效果最大; 各处理烟株叶片固碳量最高, 在40.75%～42.62%之间。生育期内各处理土壤固碳量均高于对照, 这与张鹏等[45]、Tang等[27]研究结果一致; 碳输入项中烟株固碳量均显著高于土壤固碳量。烟草田间生产管理措施较多, 包括施肥、起垄、中耕培土、打顶抹杈等, 农事操作投入造成的碳排放较多, 在286.38～288.73 kg hm-2之间。

综合比较农田生态系统碳收支各项指标, 各处理均增加了净初级生产力(NPP)固碳量, 同时增加了土壤固碳量; 各项碳源物料添加均能提高烟田生态系统净固碳量, 表现为“碳汇”。刘青丽等[46]认为烟田生态系统在无外源碳输入情况下呈弱“碳汇”, 与本研究结果不同, 这是由于土壤呼吸测定方法及碳收支计算方式不同所致。本项试验采用垄沟法测定土壤呼吸, 刘青丽等[46]采用静态箱-气象色谱法测定, 将植株罩入采样箱, 烟株进行光合作用同时吸收部分土壤呼吸排放CO2, 土壤呼吸速率偏低。此外,本项研究采用全生命周期评价烟田生态系统净固碳效应, 对进行各项农事操作造成的碳排放进行收集, 因而整个系统碳排放相对较高。本项研究中, 添加生物炭处理系统净固碳量最高, “碳汇”能力最强。Tang等[27]认为添加生物炭可有效提高作物生物量和土壤碳贮存, 施用生物炭是增强烟田“碳汇”能力的有效途径, 与本项研究结果一致。生物炭添加不仅能提高土壤固碳量及净初级生产力, 还可降低土壤呼吸作用造成的碳损失, 单施秸秆、生物炭与秸秆混施处理土壤呼吸作用造成的CO2排放显著高于单施生物炭处理。因此, 增加烟田生态系统碳汇量首先应减少土壤呼吸作用碳排放, 其次增加土壤固碳量和作物净初级生产力。

4 结论

添加生物炭可降低土壤呼吸速率及生育期内CO2总排放量, 单施秸秆、生物炭与秸秆配施显著促进土壤呼吸CO2-C排放; 单施生物炭、单施秸秆处理较对照可提高土壤自养呼吸贡献率。添加生物炭、秸秆对土壤温度影响不大, 单施秸秆及生物炭与秸秆配施可显著提高土壤水分含量。土壤主要环境因子中, 土壤温度对土壤呼吸速率影响最大。添加生物炭、秸秆及二者配施均提高了土壤固碳量、净初级生产力固碳量。添加生物炭可降低生育期内土壤呼吸累计CO2-C排放量。施用生物炭是提高烟田生态系统“碳汇”能力的最佳途径。

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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

本研究由中国烟草总公司河南省公司科技项目(2020410000270020), 河南省烟草公司济源市公司项目(2020410881240045)和河南省自然科学基金青年科学基金项目(212300410160)资助。

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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