2022, Vol. 43
2. 中国烟草总公司职工进修学院, 郑州 450008
, YE Xie-feng1 , HAN Jin1 , PAN Hao-dong1 , ZHANG Ming-jie1 , WANG Jing1 , YANG Jia-hao1 , YAO Peng-wei1
, LI Xue-li2
2. Staff Training College of China National Tobacco Corporation, Zhengzhou 450008, China
土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库, 也是全球碳循环过程的重要组成部分, 其碳储量占陆地生态系统的67%[1~3].土壤呼吸是陆地土壤碳库向大气碳库输入二氧化碳(CO2)的主要途径, 其年CO2排放量约占大气碳库的10%, 是化石燃料燃烧释放CO2量的10倍甚至更高, 故土壤呼吸微小的变化就会直接影响大气CO2浓度和土壤碳库累积, 进而影响全球气候变化[4, 5].土壤呼吸主要由植物根系自养呼吸和土壤微生物的异养呼吸组成, 而根系呼吸是消耗植株自身光合产物的碳排放, 并不造成土壤碳损失, 研究土壤呼吸组分变化有助于深入了解土壤-植物系统碳平衡动态及土壤呼吸对环境因子变化的敏感性[6~9].农田土壤碳库是陆地生态系统的重要组成部分, 其受人类活动干扰较大, 但同时也具有较大的固碳减排潜力[10~12], 合理的农田管理措施可以有效促进农田土壤碳库积累, 使其由碳源向碳汇转变[13].
烟草是我国重要的经济作物, 其产量和种植面积位居世界第一[14].河南是典型浓香型烟叶的代表性产区.近年来, 随着工业化和农业生产方式的转变, 烟区普遍存在长期连作、过量施用化肥及土地重用轻养等不科学的农田管理措施, 导致烟区土壤碳库下降和质量退化, 限制浓香型烟叶生产的持续健康发展[15, 16].许多学者针对如何改善我国植烟土壤肥力和提升烟叶产质量开展了大量土壤保育和改良工作, 其中以秸秆还田、施加生物炭和绿肥翻压等添加有机物料的改良方式较为普遍且效果显著[17~19].但外源有机物料的添加在培肥增产的同时也会显著影响农田土壤CO2排放.有研究表明[20~24], 秸秆还田和绿肥翻压能增加土壤有机碳, 改良土壤结构, 促进作物根系发育, 但同时也因改善了土壤通气状况, 给予微生物呼吸丰富的底物和促进根系呼吸而增强了土壤呼吸作用.生物炭是生物质在缺氧条件下热解炭化后得到的含碳量高的芳香化物质, 具有丰富的多孔结构和巨大的表面积[25].目前关于施加生物炭对农田土壤CO2排放的影响结论不一, 有研究认为[26, 27], 添加生物炭改善了土壤的理化性质从而为微生物生长提供了良好的生活环境, 进而促进碳排放; 有学者认为生物炭的吸附性结构可以促进土壤团聚体的生成[28, 29], 减缓土壤有机质的矿化, 从而降低土壤碳排放.造成不同结果的原因可能与生物炭原材料、试验地土壤类型和生态环境等有关[30, 31].近年来关于添加有机物料对农田土壤呼吸影响的研究主要集中在玉米、小麦和水稻等粮食作物, 而在烟草方面研究较少, 且对比评价秸秆、绿肥和生物炭这3种有机物料对土壤呼吸及其组分影响的研究目前尚未见报道.
因此本文以豫中烟田为研究对象, 通过田间原位监测烤烟生育期土壤呼吸及其组分的变化情况, 并分析土壤呼吸对环境因子的响应特征, 探讨不同有机物料还田对植烟土壤呼吸的影响机制, 以期为评估烟田生态系统碳收支平衡以及筛选出能固碳减排的施肥措施提供参考.
1 材料与方法 1.1 试验地概况本试验地位于河南省郑州市惠济区河南农业大学科教园区, 地理位置为N 34.86°、E 113.59°, 属北温带大陆性季风气候, 年平均气温14~14.3℃, 年平均降雨量550~650 mm, 无霜期约220 d.供试土壤质地为砂壤土, 其基本理化性质为: ω(有机质)16.76 g ·kg-1, ω(碱解氮)32.40mg ·kg-1, ω(速效磷)29.19mg ·kg-1, ω(速效钾)135.47mg ·kg-1, pH为7.57.
1.2 试验设计本试验采用随机区组设计, 共设置5个处理(表 1), 3个重复, 每个小区面积为67 m2, 并采用100 cm×50 cm×4 cm规格的水泥板进行小区隔断. 2019年5月1日进行烟苗(中烟100)大田移栽, 于2019年9月3日采收结束.烟株行株距为110 cm×50 cm.分别在烟田起垄、移栽后15 d、移栽后30 d、移栽后45 d时进行施基肥及3次追肥, 氮磷钾比例为1 ∶2 ∶3, 氮肥基追比例为2 ∶0.5 ∶0.5 ∶0.5, 基肥按条施施入, 追肥溶水施入, 翻耕起垄与施基肥同日进行.化肥基肥种类为烟草专用肥(8% N, 12% P2O5, 20% K2O)、过磷酸钙(16% P2O5)、硫酸钾(52% K2O), 追肥种类为硝酸钾(13.5% N, 44.5% K2O).翻压前黑麦草、小麦秸秆和烟秆生物炭养分含量及用量(干重)如表 1所示, 小麦秸秆在2018年10月1日还田, 黑麦草在2018年10月7日播种, 2019年3月28日将黑麦草切碎后翻压还田, 烟秆生物炭的制备温度为450℃, 炭化时间为2 h, 在整地时将烟秆生物炭撒施并用旋耕机翻入土壤.烟草田间种植管理均与河南地区优质烟叶栽培管理措施一致.
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表 1 各处理化肥和有机物料施用量 Table 1 Application amount of chemical fertilizer and organic materials in each treatment |
1.3 测定方法 1.3.1 土壤呼吸速率
采用LI-6400XT便携式光合作用系统连接6400-09呼吸室测定土壤呼吸.各小区设置一块1.5m×1.5m规格的裸地, 分别在各处理行间、株间和裸地选取3个位置, 于测定前3 d将自制的PVC环插入土壤作为底座.按区组顺序依次测定, 小区内测定顺序依次为: 垄上、垄间和裸地, 每个PVC环测定1次, 测定时间统一为09:00~11:00, 采样频率通常为一周一次, 下雨或灌溉后适当调整.裸地测得的土壤呼吸为异养呼吸(Rh), 垄上呼吸与垄间呼吸的均值为土壤总呼吸(Rs), 土壤总呼吸与异养呼吸的差值为土壤自养呼吸(Ra).
1.3.2 土壤水分、温度和可溶性有机碳用LI-6400XT便携式光合作用系统配套的土壤温度探针测定土壤10 cm处的温度, 采用TDR-100土壤水分仪(美国Spectrum)测量土壤10 cm体积含水率.分别于烟苗移栽后30、60、90和120 d, 采用五点取样法采取每个小区0~20 cm土壤样品, 混匀后去除杂物并带回实验室自然风干, 过筛, 采用蒸馏水浸提(水∶土=5 ∶1)后用TOC仪测定土壤可溶性有机碳含量.
1.3.3 烟株根系生物量移栽后每15 d在各小区选取3株植物样, 用铁锹在根系周围挖30 cm深沟铲出根系, 取出后将带土根系套上尼龙网袋泡入水中, 使根系周围土壤吸水松软, 随后用慢水将剩余泥土冲洗干净, 放入烘箱中105℃杀青30 min, 随后调至65℃烘干至恒重.
1.4 数据分析土壤呼吸和土壤温度的指数拟合方程:
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(1) |
式中, R为土壤呼吸速率[μmol ·(m2 ·s)-1], T为10 cm土壤温度(℃), a和b为拟合参数.
土壤呼吸温度敏感系数:
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(2) |
式中, Q10为温度敏感系数, 其含义为温度每升高10℃, 土壤呼吸所增加的倍数.
土壤呼吸与土壤水热双因素的非线性拟合方程:
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(3) |
式中, R为土壤呼吸速率[μmol ·(m2 ·s)-1], W为10 cm土壤体积含水率(%), T为10 cm土壤温度(℃), a、b和c为拟合参数.
采用Excel 2010对数据进行整理计算; 采用IBM Statistic SPSS 22.0进行单因素方差分析和偏相关分析; 采用Origin 2021进行回归分析和作图.
2 结果与分析 2.1 不同处理植烟土壤水热因子的动态变化生育期内各处理10 cm土壤温度的变化趋势基本一致, 整体均表现为先升高后缓慢降低(图 1).移栽时10 cm土壤温度最低, 各处理温度为13.82~15.26℃; 随后逐渐升高并在7月初达到峰值, 各处理最高温度29.17~30.48℃.各处理生育期平均温度没有显著差异(P＞0.05).
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图 1 不同处理10 cm土壤温度和体积含水率的变化 Fig. 1 Variations in soil temperature and volumetric water content at a depth of 10 cm under different treatments |
烤烟生育期内各处理10 cm土壤含水率波动明显, 变化趋势相似(图 1).生育期内土壤含水率为7.92% ~41.43%, 最大值出现在8月初强降雨后, 上部叶采收后(9月3日)土壤含水率达到最低, 生育期各处理差异不显著(P＞0.05).
2.2 不同处理根系生物量及土壤可溶性有机碳的变化 2.2.1 生育期不同处理根系生物量的变化由图 2可以看出, 生育期不同处理的根系生物量均随生育期的推进而不断增加, 并在移栽后120 d达到最大值.移栽30 d以前, 各处理间根系生物量没有显著差异(P＞0.05); 从移栽后45 d开始直到生育期结束, NPKG处理根系生物量始终高于其他处理且与NPK处理间差异达到显著水平(除移栽后75 d); 移栽75 d以后, NPKB处理根系生物量整体高于NPKS处理, 整个生育期两个处理间没有显著差异(P＞0.05); 移栽后120 d, 各处理根系生物量大小依次为: NPKG＞NPKB＞NPKS＞NPK＞NF, 与NPK处理相比, NPKG和NPKB根系生物量分别显著提高了38.50%和23.74%(P＜0.05), 而NPKS与NPK处理没有显著差异.
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各时期不同小写字母表示不同处理之间在P < 0.05水平有显著差异 图 2 生育期不同处理根系生物量的变化 Fig. 2 Dynamics of root biomass under different treatments during the growth period |
烤烟生育期各处理土壤可溶性有机碳(DOC)含量呈先升高后降低的趋势, 均在移栽后60 d达到峰值(图 3).添加有机物料处理DOC含量显著高于NF和NPK处理(P＜0.05), 但3种有机物料处理间DOC含量无明显差异.整个生育期平均表现为: NPKB(23.81mg ·kg-1)＞NPKG(23.53mg ·kg-1)＞NPKS(22.84mg ·kg-1)＞NPK(19.60mg ·kg-1)＞NF(16.76mg ·kg-1).
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各时期不同小写字母表示不同处理之间在P < 0.05水平有显著差异 图 3 生育期不同处理土壤可溶性有机碳的变化 Fig. 3 Dynamics of soil soluble organic carbon under different treatments during the growth period |
从图 4(a)可以看出, 烤烟生育期内, 各处理Rs速率呈现相似的季节变化且与土壤温度的变化趋势基本一致, 整体表现为先升高后降低.移栽时各处理Rs速率最低, NF、NPK、NPKG、NPKS和NPKB处理分别为0.57、0.53、1.15、0.73和1.20 μmol ·(m2 ·s)-1, 随后逐渐升高并在7月末达到峰值, 各处理Rs速率最大值分别为4.80、5.40、6.00、5.59和6.08μmol ·(m2 ·s)-1.在整个烤烟生长季中, 各处理Rs均值大小依次为: NPKG＞NPKS＞NPKB＞NPK＞NF.与NF相比, NPK处理Rs平均速率显著提高了19.64%(P＜0.05), NPKG、NPKS和NPKB处理Rs平均速率较NPK处理分别显著提高了20.08%、10.32%和9.88%(P＜0.05).
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图 4 不同处理植烟土壤呼吸及其组分的动态变化 Fig. 4 Dynamics of soil respiration and its components under different treatments |
各处理Rh速率波动明显且变化趋势基本一致, 分别在6月初、7月初和7月末出现3个峰值[图 4(b)].烤烟生育期内, 各处理间Rh平均速率大小依次为: NPKG＞NPKS＞NPKB＞NPK＞NF, NPK处理较NF提高了13.69%(P＞0.05), NPKG、NPKS和NPKB处理Rh平均速率较NPK分别显著提高了24.21%、16.51%和11.68%(P＜0.05).
2.3.3 不同处理土壤自养呼吸的动态变化各处理Ra速率呈现相似的季节变化, 随着生育期的推进, 土壤自养呼吸速率整体为先升高后降低的趋势[图 4(c)].方差分析结果表明(表 2), 各处理间Ra平均速率存在显著差异, 大小依次为: NPKG＞NPKB＞NPKS＞NPK＞NF. NPK处理Ra平均速率较NF显著提高了28.41%(P＜0.05).与NPK处理相比, NPKG处理Ra平均速率显著提高了15.12%(P＜0.05), NPKS和NPKB处理对Ra没有显著影响(P＞0.05). 整个生育期各处理烤烟根呼吸所占总呼吸比例范围为40.26% ~43.43%, 处理间没有显著差异(P＞0.05).
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表 2 不同处理根系呼吸对土壤总呼吸的贡献1) Table 2 Contribution of root respiration to total soil respiration under different treatments |
2.4 土壤呼吸与环境因子的关系 2.4.1 土壤呼吸及其组分与10 cm土壤温度和含水率的关系
由表 3可知, 各处理土壤呼吸及其组分均与10 cm土壤温度呈极显著指数回归关系(P＜0.01), 10 cm土壤温度分别解释Rs的65% ~76%、Rh的48% ~60%和Ra的44% ~70%.各处理Rs(NF除外), NPK、NPKG和NPKS处理的Rh以及NPK和NPKB处理的Ra与10 cm土壤含水率呈显著抛物线回归关系(P＜0.05), 10 cm土壤含水率能解释Rs的16% ~30%、Rh的10% ~33%和Ra的13% ~32%.水热双因子模型能解释土壤呼吸及其组分变化的50% ~80%, 且均达到极显著水平(P＜0.01), 其中各处理Rs对水热因子的响应程度最高.
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表 3 土壤呼吸及其组分与10 cm土壤温度和含水率的回归关系(n=31) Table 3 Regression relationship between soil respiration and its components and 10 cm soil temperature and moisture content |
Q10为土壤呼吸的温度敏感系数, 表示土壤呼吸对土壤温度的敏感程度.本试验各处理Q10均表现为: Ra＞Rs＞Rh.其中Rs的Q10以NF处理最大, Rh的Q10以NPK处理最大, NPKS处理最小.
2.4.2 土壤异养呼吸与可溶性有机碳的关系各处理土壤异养呼吸与DOC含量呈显著线性回归关系(图 5), 各处理R2值为0.422~0.793.
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**表示相关性在P < 0.01水平上极显著,
*表示相关性在P < 0.05水平上显著, 下同 图 5 土壤异养呼吸与土壤可溶性有机碳的关系 Fig. 5 Relationship between soil heterotrophic respiration and soil soluble organic carbon |
通过控制土壤温度和水分的影响对土壤自养呼吸和根系生物量进行偏相关分析(表 4), 结果表明: 各处理土壤自养呼吸与根系生物量均呈显著正相关(P＜0.05).进一步对各处理土壤自养呼吸与根系生物量进行回归分析(图 6), 发现两者呈极显著的抛物线型关系(P＜0.01), 各处理的R2值为0.327~0.634, 其中NPKB处理拟合程度最好.
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表 4 土壤自养呼吸与根系生物量的偏相关分析1) Table 4 Partial correlation analysis between soil autotrophic respiration and root biomass |
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图 6 土壤自养呼吸与根系生物量的关系 Fig. 6 Relationship between soil autotrophic respiration and root biomass |
土壤温度是土壤呼吸的关键影响因子, 其主要通过影响土壤微生物、土壤酶活性以及根系活力进而影响土壤呼吸速率[32, 33].在适宜的温度范围内, 升高温度会提高土壤酶活性, 从而促进土壤呼吸; 但是, 当温度超出适宜范围则会抑制土壤呼吸[34].10 cm土壤温度与土壤呼吸及其组分均呈极显著指数关系, 说明在本试验中10 cm土壤温度的变化处于适宜的温度范围内.土壤温度能解释土壤呼吸速率变化的45% ~76%, 这与已有的研究结果一致[35~37]. Q10表示土壤呼吸的温度敏感性, 农田生态系统的总呼吸Q10值范围在1.28~4.75之间[38], 本试验不同处理下总呼吸Q10值范围为2.69~3.60, 处于上述研究范围内.其中不施肥处理的总呼吸Q10最大, 即施肥降低了土壤呼吸对温度的敏感性, 这与吴瑞娟等[37]的研究结果一致. Q10受底物质量、土壤生物、温度和水分等多种因素的交互作用影响[39].本研究中不同处理土壤温度和水分均无显著差异, 因此推测添加有机物料主要通过改变植烟土壤微生物群落结构、根系活性、底物质量以及供应能力而导致总呼吸Q10下降.与单施化肥处理相比, 添加有机物料处理均降低了异养呼吸Q10.可能是因为黑麦草和秸秆的易分解碳组分含量高, 新鲜有机质的成分简单, 转化周期短[40, 41]; 生物炭可能是通过降低土壤惰性有机碳库的温度敏感性和改变土壤微生物群落结构导致Q10降低[42].本试验中, 各处理Ra的Q10值均高于Rh, 这与已有的研究结果一致[43~45], 即根系呼吸的Q10一般要高于土壤异养呼吸.
土壤水分与土壤呼吸的关系较为复杂且存在不确定性.本研究通过一元二次函数模型对10 cm土壤含水率和土壤呼吸及其组分进行拟合, 结果发现, 与土壤温度相比, 土壤水分对土壤呼吸变化的解释程度较小(10% ~33%), 说明土壤温度是影响植烟土壤呼吸季节变化的主要影响因素.车升国等[46]的研究发现, 当土壤含水率较小时, 提高土壤水分含量能促进土壤呼吸, 但当超过某个阈值时反而会抑制呼吸作用.选取本研究各处理呼吸组分与土壤水分拟合决定系数较高的方程进行求导, 得出植烟土壤Rs、Rh和Ra的水分响应阈值分别为30.44%、37.49%和28.09%.植烟土壤呼吸及其组分与土壤水热因子的双因素拟合模型能解释土壤呼吸变化的50% ~80%, 说明土壤呼吸及其组分均受到土壤温度和水分的共同调控.
DOC属于土壤活性有机碳组分的一种, 是土壤微生物生长的速效碳源, 其含量的高低与土壤微生物活性密切相关, 进而影响CO2排放[47, 48].本研究中Rh速率与DOC含量呈显著的线性回归关系, 这与朱旭丹[49]和高会议等[50]的研究结果一致.
除土壤微生物的呼吸作用外, 植物根系也是土壤呼吸的主要参与者, 根系的生物量和根系活性决定着Ra速率强弱[51].本研究通过控制土壤温度和水分进行偏相关分析发现, 根系生物量与Ra存在显著正相关关系, 回归分析呈显著抛物线型关系, 这与戴衍晨等[52]的研究结果一致.其原因可能是在烤烟生育期前期根系的生长发育促进了Ra, 然而虽然后期根系生物量大, 但是后期烤烟成熟采收造成叶面积系数下降, 根系呼吸获得的光合产物减少, 根系活性低; 此外, 生育期后期土壤温度缓慢下降也会影响根系的代谢活动, 从而使Ra速率下降[33, 53].
3.2 添加不同有机物料对植烟土壤呼吸的影响在烤烟还苗期和伸根期(5月至6月中旬), 由于土壤温度较低、烟株根系较小, 因而各处理土壤总呼吸速率较低, 随着环境因子的季节变化和生育期的推进, 土壤温度逐渐升高, 烟株根系不断发育, 土壤总呼吸速率随之逐渐升高并在烤烟旺长期结束时(8月初)达到峰值; 在烟叶成熟期(8月下旬), 伴随着土壤温度缓慢降低和烟叶采收导致叶面积系数急剧变小, 根系活力降低, 各处理土壤总呼吸速率随之缓慢降低.
本研究中, 与不施肥处理相比, 单施化肥处理显著提高了Rs速率, 因为施肥可以增加土壤呼吸的底物, 还可以促进作物根系生长及其分泌物增多, 促进土壤根系和微生物呼吸作用[54].添加有机物料处理较单施化肥处理显著提高了Rs速率, 这与严俊霞等[55]的研究结果一致.土壤呼吸是土壤微生物呼吸和根系自养呼吸共同作用的结果, 本试验中秸秆还田和添加生物炭主要通过提高土壤DOC含量, 为土壤微生物提供了更多的碳源, 从而促进Rh来显著提高Rs速率; 而翻压绿肥既显著提高了土壤DOC含量, 促进了Rh, 同时也显著增加了根系干物质积累量, 促进根系生长, 进而提高了Ra速率.本研究中3种有机物料处理Rs速率大小依次为: 黑麦草＞秸秆＞生物炭, 这可能是因为土壤微生物对不同有机物料的响应情况不同, 一般情况下, C/N比小的物质更容易被降解[56]. 3种有机物料相比, 黑麦草的C/N最小(20.56), 秸秆次之(61.75), 所以黑麦草翻压还田后更容易被微生物分解利用, Rs速率最高; 而生物炭处理虽然携带碳量高, 但是主要以惰性碳为主, 矿化较难, 故Rs最低.但是与单施化肥相比, 生物炭显著提高了Rs速率, 原因可能是其本身就含有一定比例的易分解态碳, 施入土壤后可以直接被微生物所利用[57, 58]; 另外生物炭还会产生激发效应, 促进土壤有机碳的分解[59].有机物料的分解具有时间效应, 今后还应持续开展植烟土壤周年CO2排放的监测, 进一步探究长期不同有机物料处理烟田土壤呼吸的影响机制.
4 结论(1) 烤烟生育期土壤呼吸呈先增加后降低趋势, 与单施化肥相比, 翻压黑麦草和秸秆还田降低了土壤总呼吸和异养呼吸的温度敏感性, 施加生物炭降低了土壤异养呼吸温度敏感性; 土壤呼吸与土壤水热因子的双因素拟合模型能解释土壤呼吸变化的50% ~80%.
(2) 添加有机物料显著提高了植烟土壤可溶性有机碳含量和根系干物质量, 土壤异养呼吸与土壤可溶性有机碳含量呈显著线性回归关系, 土壤自养呼吸与根系生物量呈显著抛物线型关系.
(3) 与单施化肥相比, 添加有机物料处理显著提高了土壤呼吸速率.秸秆还田和添加生物炭主要通过提高土壤可溶性有机碳含量促进土壤异养呼吸而显著提高土壤总呼吸速率.翻压黑麦草提高了土壤异养呼吸速率的同时也促进了根系生长发育, 提高了土壤自养呼吸速率, 并最终提高土壤总呼吸速率.
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