不同碳源對(duì)植煙土壤碳平衡的影響

李健銘，李志宏，王 鵬，張?jiān)瀑F，熊維亮，張美娟，李 君，辛 剛*，劉青麗*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/煙草行業(yè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；3.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002；4.四川煙草公司攀枝花市公司，四川 攀枝花 617026）

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是全球碳庫(kù)中最活躍的部分，頻繁受到人類活動(dòng)的干擾，對(duì)全球碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化有著深遠(yuǎn)的影響，并可以在較短的時(shí)間尺度上調(diào)節(jié)碳庫(kù)［1］。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣釋放CO2的主要過(guò)程，是表征農(nóng)田土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)［2-3］。對(duì)大氣CO2濃度有著重要影響的表現(xiàn)為土壤呼吸速率能改變土壤碳的積累量，并引起大氣CO2濃度的改變，從而影響碳循環(huán)［4］。在不同土地利用方式和管理措施下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)會(huì)成為碳源或碳匯。土壤呼吸作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳的主要輸出形式，影響著生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡［5］。

已有研究表明，施肥較不施肥可以顯著增加土壤呼吸速率［6］，不同施肥處理對(duì)土壤呼吸的影響結(jié)果也不一致［7-9］。土壤呼吸強(qiáng)度與土壤有機(jī)質(zhì)含量及礦化速率、土壤微生物種類及活性之間均存在密切的聯(lián)系［10］。土壤水分和溫度是影響農(nóng)田土壤CO2排放的關(guān)鍵因素，兩者相互協(xié)調(diào)共同調(diào)控土壤CO2排放，耕作、施肥等措施直接或間接影響農(nóng)田土壤水分和溫度，進(jìn)而改變土壤CO2排放量［11-13］。此外，不同種植作物類型下的土壤呼吸速率也存在顯著差異［14］。目前，不同施肥條件下農(nóng)田碳平衡的研究主要集中在水稻［7-8］、玉米［15-16］、小麥［17-18］、棉花［19］、大豆［20］等種植作物的土壤上，對(duì)植煙土壤在烤煙生長(zhǎng)期土壤呼吸的變化和碳平衡方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道，因此，研究不同碳源對(duì)植煙土壤碳平衡的影響，對(duì)進(jìn)一步評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯具有重要意義。本研究主要在四川攀枝花地區(qū)，以碳投入與碳排放為切入點(diǎn)，通過(guò)研究不同碳源類型對(duì)土壤CO2排放以及烤煙根系固碳量的影響，明確維持土壤碳平衡的有機(jī)物質(zhì)投入量，探索不同碳源對(duì)土壤碳的提升作用，以期為煙田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳平衡的深入研究提供相關(guān)理論依據(jù)和方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年4～9月在四川省攀枝花市仁和區(qū)平地鎮(zhèn)進(jìn)行。東經(jīng)101 °47′51″，北緯26°12′7″，海拔1910 m，土壤類型為暗紫泥土-紫色土，土壤養(yǎng)分狀況：全碳1.151%，硝態(tài)氮8.4 mg·kg-1，銨 態(tài) 氮1.7 mg·kg-1，有 效 磷14.3 mg·kg-1，速效鉀136.5 mg·kg-1，pH 7.7，仁和區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季不分明，晝夜溫差大，氣候干燥，日照長(zhǎng)，年平均氣溫20.4℃，年積溫達(dá)7450℃，年日照時(shí)數(shù)達(dá)2745 h，無(wú)霜期300 d以上。2017年烤煙生長(zhǎng)季月平均溫度為20.01℃，降水量696.2 mm，具體條件如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理：T1：不施有機(jī)肥（對(duì)照）；T2：秸稈；T3：農(nóng)家肥；T4：油枯；T5：農(nóng)家肥+油枯，各處理施肥量如表1。化肥采用煙草專用肥（12-12-25）、煙草上廂肥（5-5-46），有機(jī)肥采用農(nóng)家肥（羊糞）、油枯、秸稈（水稻），有機(jī)肥養(yǎng)分含量如表2所示。

表1 各處理肥料投入量 （kg·hm-2）

表2 有機(jī)肥養(yǎng)分含量

1.3 田間管理

大田試驗(yàn)品種均采用當(dāng)?shù)刂髟钥緹熎贩N“云煙87”，移栽苗選用漂浮育苗。試驗(yàn)于2017年5月2日進(jìn)行移栽，種植密度為16500株·hm-2。在烤煙移栽前土壤深耕起壟，以110 cm行距、55 cm株距打穴，之后施肥。施肥方法為：煙草專用肥的基肥和追肥比例為3∶2，有機(jī)肥全部做基肥施用。基肥中煙草專用肥和有機(jī)肥混合穴施，將肥料與穴內(nèi)（20 cm×20 cm×10 cm）土壤混合，施肥移栽后覆蓋地膜。移栽后20 d追肥，將煙草專用肥用少量水溶解澆在距煙根5 cm處，用土覆蓋。烤煙移栽后35 d揭膜，再次追施煙草專用肥與上廂肥于煙根5 cm處，上廂培土覆蓋，現(xiàn)蕾后打頂。田間管理按優(yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)技術(shù)措施實(shí)施。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤呼吸參數(shù)的測(cè)定

采用靜態(tài)箱—紅外CO2分析法測(cè)定土壤呼吸參數(shù)。儀器為便攜式紅外CO2分析儀（型號(hào)VaisalaMI70，芬蘭）。靜態(tài)箱為自制，采用不透明PVC材料制成，箱體尺寸為直徑20 cm、高25 cm的圓柱體，箱頂設(shè)有分析儀和溫濕度計(jì)探頭插口（用硅膠密封），并通過(guò)水壓測(cè)試，靜態(tài)箱與底座對(duì)接，采用水密封方式隔絕箱外氣體。小區(qū)內(nèi)在左數(shù)第3壟的中間位置選取固定點(diǎn)，在壟上放置直徑為20 cm的圓形PVC底座，高20 cm，插入土壤15 cm左右。為減少對(duì)土壤的干擾，PVC環(huán)于測(cè)定前一天安置好。每個(gè)PVC環(huán)測(cè)定1次，每次測(cè)量5 min，每個(gè)處理3次重復(fù)，共3個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值作為日土壤呼吸值。于烤煙整個(gè)生育期內(nèi)每7 d測(cè)定一次，如遇下雨天氣則適當(dāng)調(diào)整，測(cè)定時(shí)間統(tǒng)一為8∶00～11∶00。

1.4.2 作物生物量的測(cè)定與計(jì)算

于烤煙成熟期，選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的植株，每個(gè)重復(fù)取樣1株，以根莖為中心，將壟方向55 cm、垂直方向60 cm、深20 cm的土層全部挖出，通過(guò)水洗及高密度網(wǎng)過(guò)濾法，收集烤煙根系置于烘箱中，105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重，測(cè)定干重，并按照種植密度計(jì)算根系生物量。

1.4.3 土壤呼吸速率的計(jì)算

式中：F為CO2排放量（mg·h-1·m-2）；H為箱體有效高度，m為CO2的摩爾質(zhì)量；P為采樣點(diǎn)大氣壓力，通常視為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即1.013×105Pa；R為普適氣常數(shù)8.314（J·mol-1·K-1）；T為采樣時(shí)箱內(nèi)平均氣溫（℃）；dC/dt為CO2排放速率（ppm·min-1）［21］。

1.4.4 農(nóng)田土壤碳平衡測(cè)算

烤煙根系碳?xì)埩粝禂?shù)=（田間試驗(yàn)根系生物量-農(nóng)戶移除根系生物量）/田間試驗(yàn)根系生物量

土壤碳平衡=植株根系固碳量×烤煙根系碳?xì)埩粝禂?shù)+有機(jī)碳施入量-土壤碳排放量

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007處理，運(yùn)用SPSS 21.0單因素方差分析對(duì)不同處理各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），使用Origin 2018做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同碳源下土壤呼吸動(dòng)態(tài)

土壤呼吸速率可以反映土壤中有機(jī)碳的分解強(qiáng)度，研究結(jié)果（圖2）顯示，處理T1、T2、T3、T4和T5土壤CO2的排放速率變化范圍分別在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 處理于烤煙移栽初期（5月9日）土壤呼吸排放量最高，且隨著烤煙移栽后生育期的推進(jìn)，排放動(dòng)態(tài)總體表現(xiàn)為倒“S”型，呈先下降后上升再下降的變化趨勢(shì)，各處理于7月4日與8月1日前后分別出現(xiàn)了低峰與高峰兩個(gè)峰值。這主要是由于烤煙種植初期農(nóng)事活動(dòng)與肥料的施用對(duì)土壤擾動(dòng)提升了土壤碳排放，而烤煙生育期后期，降水量與土壤呼吸排放量呈正相關(guān)造成的。從不同處理來(lái)看，烤煙移栽初期各處理土壤呼吸速率差異較大，表現(xiàn)為T5＞T2＞T4＞T3＞T1，施用有機(jī)肥處理土壤呼吸速率大于單施化肥處理；隨著生育期的推進(jìn)，不同處理之間的差異變小，表明施用有機(jī)肥增加了土壤呼吸速率，且在施用初期影響最大。

2.2 不同碳源對(duì)土壤CO2排放及碳損失的影響

2.2.1 土壤CO2排放總量

研究結(jié)果（圖3）顯示，土壤CO2排放量在1074.72～1660.41 kg·hm-2，不同處理CO2排放量表現(xiàn)為T5＞T4＞T2＞T3＞T1，其中，T5處理處于最高值，T1處理處于最低值。有機(jī)肥處理與對(duì)照相比，T2、T3、T4處理CO2與碳排放量分別高于對(duì)照380.59、257.62、476.20與103.79、70.25、129.87 kg·hm-2，但差異不顯著，表明秸稈、油枯、農(nóng)家肥的施用提高了土壤CO2的排放總量，但效果不明顯。T5處理與對(duì)照相比，CO2與碳總排放量分別提高了585.69和159.73 kg·hm-2，差異達(dá)到顯著水平，表明采用農(nóng)家肥與油枯混施增加了土壤有機(jī)物質(zhì)的分解。

2.2.2 不同碳源在烤煙生長(zhǎng)季的分解率

不同碳源在烤煙生長(zhǎng)季節(jié)分解率有所差異（表3），各處理有機(jī)肥分解率在0.22～0.42之間，有機(jī)肥分解率表現(xiàn)為T3＜T2＜T5＜T4，其中油枯分解率最高，農(nóng)家肥分解率最低，秸稈以及農(nóng)家肥與油枯混施分解率則處于中間水平。說(shuō)明各有機(jī)肥處理相比，油枯處理有機(jī)肥分解率較高，有利于有機(jī)材料中碳的分解與轉(zhuǎn)化，農(nóng)家肥處理有機(jī)肥分解率偏低，相對(duì)于其他有機(jī)材料而言，有利于碳在土壤中的固定。

表3 有機(jī)肥在烤煙生長(zhǎng)季的分解率

2.3 不同碳源對(duì)烤煙根系固碳的影響

2.3.1 烤煙根系碳累積

烤煙根系碳累積量平均為461.78 kg·hm-2，不同施肥處理碳累積量如圖4所示。有機(jī)肥處理與對(duì)照相比，烤煙根系碳積累量無(wú)顯著差異，而在有機(jī)肥處理中，T3、T4、T5處理間烤煙根系碳積累量無(wú)顯著差異，而T3與T5處理顯著高于T2處理，說(shuō)明有機(jī)肥的施用對(duì)烤煙根系碳積累量的增加效果不明顯。而有機(jī)肥處理中，農(nóng)家肥以及農(nóng)家肥與油枯混合施用相對(duì)于秸稈處理，其對(duì)烤煙根系碳積累的提升有明顯的促進(jìn)作用。

2.3.2 烤煙根系碳還田系數(shù)及還田量

試驗(yàn)采集的根系生物量與農(nóng)民耕作結(jié)束后從田間移除的根系生物量的差值換算成含碳量，即為烤煙根系碳還田量。研究結(jié)果（圖5）顯示，試驗(yàn)操作采集的根系生物量約63.61 g·株-1；農(nóng)民在正常耕作模式下，在烤煙采收結(jié)束后通過(guò)人工拔除的植株根系生物量約27.72 g·株-1，農(nóng)民正常耕作模式下取得的根系生物量占總根系生物量的43.58%，因此根系殘留量占總根系碳量的56.42%，即煙農(nóng)收獲烤煙后，烤煙根系碳在土壤中殘留量為260.56 kg·hm-2。

2.4 不同碳源下的土壤碳平衡

不施用有機(jī)肥條件下，烤煙生長(zhǎng)季碳的輸入量略小于輸出量，土壤碳略虧缺；在300 kg·hm-2秸稈（T2）或225 kg·hm-2（T4）油枯投入下，土壤碳基本平衡；在750 kg·hm-2農(nóng)家肥或在225 kg·hm-2農(nóng)家肥+225 kg·hm-2油枯（T5）投入下，土壤碳略有盈余，表明煙農(nóng)常規(guī)施用有機(jī)肥下，植煙土壤碳平衡為碳匯。土壤碳主要來(lái)源于根系和外源施用有機(jī)碳，從表4可以看出，煙農(nóng)常規(guī)施肥下，施肥投入有機(jī)碳63.67～83.90 kg·hm-2，僅占烤煙生長(zhǎng)季碳投入量的19.75%～26.02%，而烤煙根系輸入236.89～281.40 kg·hm-2，占烤煙生長(zhǎng)季碳投入的73.98%～87.77%，由此可見(jiàn),在常規(guī)施肥下，植煙土壤碳主要源于烤煙根系。

表4 烤煙生長(zhǎng)季農(nóng)戶常規(guī)施肥下土壤碳平衡（kg·hm-2）

3 討論

3.1 植煙土壤呼吸動(dòng)態(tài)

農(nóng)田土壤呼吸是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，受多種因素影響，包括作物類型、凈初級(jí)生產(chǎn)力、地上與地下生物量分配等生物因子、土壤溫度、土壤水分、土壤有機(jī)質(zhì)等非生物因子及土壤耕作、施肥等人為活動(dòng)因子，各因子之間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系地影響土壤呼吸［14，22］。通過(guò)對(duì)不同碳源下植煙土壤呼吸的動(dòng)態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，烤煙大田生長(zhǎng)期，不同施肥處理的土壤呼吸速率均呈倒“S”型變化，峰值出現(xiàn)在70 d，這與戴衍晨等［23］的“M”型研究結(jié)果不同，這可能是由于烤煙種植地區(qū)的維度不同使生育期長(zhǎng)短產(chǎn)生了變化。不同施肥處理的土壤呼吸速率均值表現(xiàn)為施用有機(jī)肥處理高于不施肥處理，這與前人［6，9，24］的研究結(jié)果一致。施肥處理土壤呼吸的敏感性大于不施肥處理，這是因?yàn)殡S著土壤呼吸底物的增加，土壤呼吸對(duì)溫度的敏感性升高［25］。但單施化肥與化肥配施有機(jī)肥處理對(duì)土壤呼吸速率的影響無(wú)顯著差異，這與劉曉雨等［7］及趙崢等［8］的研究結(jié)果一致，且本研究發(fā)現(xiàn)，采用農(nóng)家肥與油枯混施處理能夠明顯提升土壤呼吸排放量。土壤水分是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的重要環(huán)境要素，對(duì)植被的生長(zhǎng)、根系分布、微生物活性等與土壤呼吸密切相關(guān)的生物因子起控制作用［26］，土壤濕度是影響土壤呼吸的另一個(gè)重要因子。土壤濕度對(duì)土壤呼吸的直接影響是通過(guò)影響根和微生物的生理過(guò)程，對(duì)土壤呼吸的間接影響是通過(guò)影響底物和氧氣的擴(kuò)散。相關(guān)研究結(jié)果表明，土壤呼吸速率和土壤濕度之間存在正相關(guān)、負(fù)相關(guān)或是沒(méi)有相關(guān)性［27］。本研究中，土壤CO2排放量與降水量呈正相關(guān)，說(shuō)明降水量的增加促進(jìn)了CO2的排放。

3.2 不同碳源的碳分解與碳排放

羊糞農(nóng)家肥是一種弱堿性肥料，具有養(yǎng)分濃度高，有機(jī)質(zhì)含量多，氮、磷、鉀含量高等特點(diǎn)［28］。油枯屬于餅肥的一種，餅肥施用后可以提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，為土壤微生物提供了營(yíng)養(yǎng)和能量，給微生物的活動(dòng)提供了良好的環(huán)境條件，土壤微生物活動(dòng)旺盛，促進(jìn)了土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量的增加，同時(shí)提高了土壤中酶的活性，促進(jìn)了土壤有機(jī)養(yǎng)分的分解［29］。秸稈的施用可通過(guò)增加土壤有機(jī)碳的直接輸入實(shí)現(xiàn)固碳，維持土壤有機(jī)質(zhì)平衡［30-31］。當(dāng)有機(jī)肥施入土壤后，受土壤微生物、溫度和水分等條件的影響而發(fā)生有機(jī)質(zhì)的機(jī)械粉碎、分解、合成等作用，最后成為土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分［32］。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，有機(jī)肥處理中，農(nóng)家肥與油枯混施土壤CO2排放量最高，其次為油枯處理，而有機(jī)質(zhì)分解率表現(xiàn)為油枯處理分解率最高，其次為農(nóng)家肥+油枯處理，說(shuō)明農(nóng)家肥與油枯混施有利于CO2向氣體轉(zhuǎn)化并排放到大氣中，而單施油枯處理C的去向更傾向于在土壤中的固定，這可能與農(nóng)家肥本身有機(jī)物質(zhì)含量高，而油枯更傾向于促進(jìn)土壤微生物活性來(lái)改善土壤環(huán)境，且農(nóng)家肥與油枯混施起到的雙重作用有關(guān)；秸稈與農(nóng)家肥相比，土壤CO2排放量與有機(jī)質(zhì)分解率呈正相關(guān)，說(shuō)明土壤CO2排放量隨著有機(jī)物料施入量的增加而增加，土壤C的運(yùn)行途徑有更為明確的規(guī)律性，這與宋大利等［30］及劉禹池等［31］的研究結(jié)果相似。

3.3 植株根系對(duì)碳的固定與土壤碳平衡

施用有機(jī)肥和不施有機(jī)肥對(duì)烤煙根系碳積累總量的提升影響不大。而有機(jī)肥處理中農(nóng)家肥以及農(nóng)家肥與油枯混施與秸稈處理相比，對(duì)烤煙根系碳積累量的增加有明顯的促進(jìn)作用，已有研究表明，有機(jī)肥的施用有利于提高土壤中有機(jī)碳的含量［33-34］。在本研究中，有機(jī)肥的施用提升了土壤碳平衡，這與前人研究結(jié)果相似，而在有機(jī)肥處理中，農(nóng)家肥與油枯混施處理下的土壤碳平衡效果更為理想；烤煙根系是植煙土壤碳的主要來(lái)源，而在烤煙生產(chǎn)結(jié)束后，農(nóng)民會(huì)手動(dòng)將烤煙連根拔出，部分根系由于人為操作的影響離開(kāi)了土壤，相當(dāng)于烤煙總根系生物量的43.58%，從而減少了土壤中C的固定，對(duì)土壤碳平衡產(chǎn)生了影響；且當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥情況下，單施化肥的土壤碳平衡為正數(shù)，表現(xiàn)為碳源，而有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施的土壤碳平衡為負(fù)數(shù)，表現(xiàn)為碳匯。

4 結(jié)論

有機(jī)肥的施用直接影響了土壤碳平衡，在烤煙生長(zhǎng)期間，植煙土壤呼吸動(dòng)態(tài)呈倒“S”型的先下降后上升再下降的變化規(guī)律，在烤煙旺長(zhǎng)期（烤煙移栽后49 d左右）出現(xiàn)了低峰值，在烤煙打頂期（烤煙移栽70 d左右）出現(xiàn)了高峰值。有機(jī)肥的施用增加了土壤呼吸的強(qiáng)度，但對(duì)烤煙根系碳積累量的提升效果不明顯。單施用化肥的植煙土壤表現(xiàn)為碳源，而有機(jī)肥與化肥配施使植煙土壤成為碳匯。在當(dāng)?shù)馗髂Ｊ较拢麄€(gè)生育期有56.42%的烤煙根系殘留于土壤當(dāng)中，使烤煙根系成為常規(guī)施肥下土壤碳的主要來(lái)源。因此，施用有機(jī)肥能夠提升土壤碳平衡，減少碳損失，且采用農(nóng)家肥與油枯混施也能夠在一定程度上促進(jìn)烤煙根系碳積累量的提升。