等碳量添加生物炭和秸稈對(duì)煙田土壤呼吸及凈碳收支的影響

符云鵬 劉 天 李耀鑫 柳淵博 王 靜 金佳威 蔣偉峰 劉詠艷 楊 洋 云 菲

等碳量添加生物炭和秸稈對(duì)煙田土壤呼吸及凈碳收支的影響

符云鵬 劉 天 李耀鑫 柳淵博 王 靜 金佳威 蔣偉峰 劉詠艷 楊 洋 云 菲*

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院 / 煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南鄭州 450002

研究生物炭和秸稈添加對(duì)煙田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸及碳收支的影響, 闡明生物炭、秸稈以及二者配施處理煙田的固碳效應(yīng)。2020—2021年, 設(shè)置常規(guī)施肥(CK)、常規(guī)施肥+2.25 t hm–2生物炭-C (T1)、常規(guī)施肥+2.25 t hm–2秸稈-C (T2)、常規(guī)施肥+1.125 t hm–2生物炭-C＋1.125 t hm–2秸稈-C (T3) 4個(gè)處理, 對(duì)不同組分土壤呼吸及土壤主要環(huán)境因子、土壤碳增量、作物凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量以及進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的碳排放進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明, 添加秸稈、秸稈與生物炭配施處理烤煙生育期內(nèi)土壤呼吸累計(jì)排放碳量顯著高于對(duì)照(<0.05), 提升幅度分別為21.40%～35.45%、5.90%～9.89%; 添加生物炭、秸稈處理土壤自養(yǎng)呼吸占比分別較對(duì)照提高6.35%～7.34%、3.21%～5.97%, 生物炭與秸稈配施處理僅2021年較對(duì)照提升3.91%。添加生物炭、秸稈提高了生育期內(nèi)土壤溫度和水分, 單施生物炭處理土壤水分顯著提高了1.93%～7.07%。土壤主要環(huán)境因子中, 土壤溫度對(duì)土壤呼吸速率影響最大, 二者呈極顯著正相關(guān); 添加秸稈、生物炭與秸稈配施處理土壤呼吸速率與土壤濕度呈顯著正相關(guān)。各處理生態(tài)系統(tǒng)固碳量均為正值, 表示為“碳匯”, 其中添加生物炭不僅可增加凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)固碳量以及土壤固碳量, 還可降低煙草生長(zhǎng)季內(nèi)土壤呼吸累積碳排放量, “碳匯”能力最強(qiáng)。因此, 施用生物炭是降低煙田土壤呼吸碳排放, 增強(qiáng)煙田生態(tài)系統(tǒng)“碳匯”能力的最佳途徑。

生物炭; 秸稈; 土壤呼吸; 碳收支

溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變暖問題日益嚴(yán)峻,各種極端天氣頻頻出現(xiàn)。中國(guó)CO2排放總量位居世界第一[1], 我國(guó)實(shí)現(xiàn)2030年“碳達(dá)峰”目標(biāo)與2060年“碳中和”愿景挑戰(zhàn)巨大。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)到大氣的第二大碳通量, 陸地土壤CO2年平均排放通量約為80.4 PgC[2]。全球土壤儲(chǔ)存了至少2倍于大氣的碳[3-4], 土壤呼吸向大氣中排放的CO2通量正逐年增加[5]。土壤呼吸由自養(yǎng)呼吸(植物根際及根際微生物)和異養(yǎng)呼吸(非根際相關(guān)的土壤微生物和土壤動(dòng)物)組成。1987—1999年間, 全球土壤呼吸速率以每年0.161 PgC的速率增加[6]。1990—2014年間, 異養(yǎng)呼吸(heterotrophic respiration Rh)與總呼吸(soil respiration, Rs)的比值由0.54增加到0.63, 異養(yǎng)呼吸的增加可能是響應(yīng)環(huán)境變暖帶來的環(huán)境變化[7]。農(nóng)田耕地土壤退化問題日益嚴(yán)峻, 在提高土壤肥力的同時(shí)增強(qiáng)土壤碳庫(kù)貯存已被公認(rèn)為全球范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)減緩?fù)寥劳嘶皻夂蜃兣呗訹8-9], 對(duì)于占全球土壤近33%的有機(jī)碳損失退化土壤來言尤其重要[10]。農(nóng)田土壤應(yīng)用秸稈已被公認(rèn)為是一種環(huán)境友好的做法,可增加有機(jī)碳的輸入, 提高礦質(zhì)元素的有效性進(jìn)而阻止土壤退化, 提高土壤質(zhì)量及作物產(chǎn)量, 同時(shí)還可減少化肥的施用[11-12]。有研究表明, 秸稈還田會(huì)增加土壤CO2的排放, 加劇全球變暖問題[12]?；诮斩挼葟U棄生物質(zhì)制備而成的生物炭被認(rèn)為是另一種增加土壤碳儲(chǔ)量的有效方式, 并可起到增加土壤養(yǎng)分含量及土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性的作用[13]。研究表明, 生物炭在土壤中周轉(zhuǎn)率極低(0.0046% d-1)[14], 因此可將生物炭施于土壤實(shí)現(xiàn)碳封存進(jìn)而達(dá)到緩解溫室效應(yīng)的目的。農(nóng)田添加生物炭可通過改變土壤物理結(jié)構(gòu)、水分含量、陽(yáng)離子交換能力、酶活性及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)而減少土壤呼吸CO2排放[15]。秸稈與生物炭的交互作用研究較少。二者配合施用對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支的影響尚不清楚。煙草作為一種壟作作物, 農(nóng)事操作較為復(fù)雜, 涉及到施肥起壟、中耕培土、除草等, 對(duì)土壤造成擾動(dòng)較多, 勢(shì)必影響到煙田土壤呼吸。目前, 關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支的研究主要集中在糧食作物(玉米、小麥、水稻), 而有關(guān)煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究相對(duì)較少。煙草作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物, 在我國(guó)種植面積較大。秸稈還田是煙區(qū)常用的土壤改良措施, 生物炭作為新興的土壤改良劑近幾年在植煙土壤改良中的應(yīng)用日漸增多, 然而關(guān)于生物炭和秸稈添加對(duì)煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支影響的研究較少。因此, 研究不同碳源輸入下煙田土壤主要環(huán)境因子特征及土壤呼吸組分變化規(guī)律、煙田生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支, 對(duì)正確評(píng)價(jià)煙田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯效應(yīng)具有重要的理論意義及實(shí)用價(jià)值。

為避免土壤環(huán)境不同對(duì)準(zhǔn)確區(qū)分土壤呼吸組分造成的影響, 本試驗(yàn)采用壟溝法對(duì)土壤呼吸組分進(jìn)行了分離。通過田間原位連續(xù)監(jiān)測(cè), 探究不同碳源輸入對(duì)煙田土壤環(huán)境及不同呼吸組分的影響, 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力、土壤固碳量、土壤呼吸作用排放碳量、物料投入碳量及農(nóng)業(yè)投入碳排放量進(jìn)行收集測(cè)定, 定量評(píng)價(jià)生物炭、秸稈及二者混施處理生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)及試驗(yàn)材料

定位試驗(yàn)開始于2017年, 按照“等碳量”的原則連年添加生物炭和秸稈。本試驗(yàn)于2020年4月至9月、2021年4月至9月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)許昌校區(qū)現(xiàn)代煙草科教園區(qū)(東經(jīng)113°85′, 北緯34°14′)進(jìn)行。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛啙駶?rùn)季風(fēng)氣候, 年平均氣溫15.6℃, 多年平均降雨量約為700 mm。土壤類型為褐土, 質(zhì)地為中壤。土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為: 有機(jī)質(zhì)19.09 g kg-1、堿解氮74.7 mg kg-1、速效磷8.7 mg kg-1、速效鉀114.5 mg kg-1和水溶性氯24.8 mg kg-1, pH 7.61。試驗(yàn)所用花生殼生物炭由河南省生物炭技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室提供, 在400～450℃下限氧熱解30 min制備而成, 其基本性質(zhì)為總碳(total carbon, TC) 47.28%、總氮(total nitrogen, TN) 1.25%、總硫(total sulfur, TS) 0.48%、總磷(total phosphorus, TP) 1.31%、總鉀(total potassium, TK) 1.77%、碳氮比(carbon nitrogen ratio, C/N) 37.82、酸堿度(pH) 8.5。秸稈為腐熟小麥秸稈, 基本性質(zhì)為TC 44.82%、TN 1.21%、TS 0.80%、TP 0.72%、TK 0.96%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理, 隨機(jī)區(qū)組排列, 重復(fù)3次, 小區(qū)面積0.02 hm2。各處理分別為: CK: 常規(guī)施肥; T1: 常規(guī)施肥+2.25 t hm-2生物炭-C; T2: 常規(guī)施肥+2.25 t hm-2秸稈-C; T3: 常規(guī)施肥+1.125 t hm–2生物炭-C+ 1.125 t hm–2秸稈-C。生物炭、秸稈均于烤煙移栽前2周施入土壤, 與表層0～20 cm土層充分混合后起壟,壟距1.2 m。各處理氮用量為30 kg hm–2, 氮磷鉀比例1∶2∶4?；视蔁煵輰Ｓ脧?fù)合肥(15% N、15% P2O5、15% K2O), 硫酸鉀(52% K2O)和過磷酸鈣(12% P2O5)提供, 追肥為硝酸鉀(13.5% N、44.5% K2O), 基肥、追肥比例為4∶1。種植品種為中煙100, 行距1.2 m, 株距0.55 m, 密度為15,000株 hm-2, 2020年5月3日移栽, 9月27日采收結(jié)束, 2021年5月6日移栽, 9月17日采收結(jié)束。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤呼吸及土壤環(huán)境因子 土壤呼吸使用Li-8100土壤碳通量測(cè)量?jī)x(LI-COR, Lincoln, 美國(guó))測(cè)定, 每次測(cè)量前24 h清除地表雜草。于測(cè)定日的08:30—11:30之間進(jìn)行土壤呼吸測(cè)定, 代表本日土壤呼吸平均值, 為剔除土壤呼吸日變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響, 每次測(cè)量時(shí)均按照不同的順序?qū)τ^測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定, 每5 d測(cè)量1次, 雨天除外。每個(gè)小區(qū)共放置3個(gè)PVC環(huán), 其中壟間和壟體各安裝1個(gè)PVC環(huán)。安裝好的PVC環(huán)高出地面3 cm, PVC環(huán)在生育期內(nèi)不再移動(dòng), 直至測(cè)量結(jié)束。使用壕溝法將土壤總呼吸(total soil respiration, Rs)劃分為土壤自養(yǎng)呼吸(soil autotrophic respiration, Ra)和土壤異養(yǎng)呼吸(soil heterotrophic respiration, Rh)。在每個(gè)處理的壟間設(shè)置一個(gè)矩形區(qū)域, 在矩形區(qū)域邊界向內(nèi)5 cm左右挖一個(gè)60 cm深的溝, 保留長(zhǎng)寬約60 cm×40 cm的未擾動(dòng)區(qū)域。沿溝槽內(nèi)壁放置孔隙為0.038 mm的尼龍網(wǎng), 然后將土壤回填。在未干擾區(qū)域中放置一個(gè)PVC環(huán)測(cè)量土壤呼吸, 此測(cè)定值為異養(yǎng)呼吸(Rh), 將壟體呼吸與壟間呼吸的平均值視為田間土壤總呼吸(Rs), 土壤總呼吸(Rs)與異養(yǎng)呼吸(Rh)的差值為自養(yǎng)呼吸(Ra)。土壤溫度、濕度采用WET三參儀(WET-2, 英國(guó))與土壤呼吸一同測(cè)定, 測(cè)定深度為壟體土壤5 cm深處。

土壤呼吸CO2日排放量:

R=R×3600×24×12×10–5(1)

整個(gè)生長(zhǎng)季CO2累計(jì)排放量:

式中,R為當(dāng)日土壤呼吸CO2日排放量(kg hm–2),s為土壤呼吸速率(μmol m–2s–1), 12為CO2-C的摩爾質(zhì)量(g mol–1), 3600、24、10–5均為轉(zhuǎn)換系數(shù);r為整個(gè)生長(zhǎng)季CO2累計(jì)排放量(kg hm–2),R和R1分別為第次和第+1次測(cè)定時(shí)CO2日排放量(kg hm–2),為相鄰2次土壤呼吸測(cè)定間隔天數(shù),first為第1次測(cè)定的土壤呼吸CO2排放量(kg hm–2)。

1.3.2 煙草生物量的測(cè)定 烤煙采收期, 各小區(qū)選擇3株長(zhǎng)勢(shì)均勻、代表性強(qiáng)的煙株, 采集整株植物樣品, 分為根、莖、葉3個(gè)部分, 對(duì)生育期內(nèi)進(jìn)行的農(nóng)事操作如打頂抹杈、打底腳葉去除的植株生物量以及煙株凋落物進(jìn)行收集, 于105℃殺青30 min后在65℃烘干至恒重, 冷卻后測(cè)定各器官干物質(zhì)質(zhì)量。

1.3.3 土壤有機(jī)碳含量 移栽前及采收后采用“S”形取樣法采集0～20 cm耕層土壤樣品。自然風(fēng)干后過0.15 mm篩, 采用德國(guó)Elementar公司生產(chǎn)的有機(jī)碳分析儀(VarioMACRO TOC)測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

1.3.4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支估算 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支估算參考田冬[16]方法進(jìn)行。采用全生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)凈固碳效應(yīng), 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的源匯效應(yīng)取決于土壤碳儲(chǔ)量增量、作物凈初級(jí)生產(chǎn)力固定碳量、土壤呼吸排放碳量、物料還田碳量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物資消耗及人工管理排放碳平衡進(jìn)行估算。

(1) 土壤碳儲(chǔ)量增量

ΔSOC=(SOCi-SOC0)×BD×H×10–1。

ΔSOC為土壤碳增量(t hm–2), SOCi為第次測(cè)定的土壤有機(jī)碳含量(g kg–1), SOC0試驗(yàn)開始前基礎(chǔ)土樣土壤有機(jī)碳含量(g kg–1), BD為土壤容重(g cm–3), H為土層深度。

(2) 系統(tǒng)碳吸收(Ca)

Ca=CNPP=Ccrop+Clitter

CNPP為系統(tǒng)內(nèi)作物的凈初級(jí)生產(chǎn)力固定碳, Ccrop為作物固碳(包括作物地上部的莖稈、葉、煙杈、花及地下部的根系所包含的碳), Clitter為田間凋落物殘留碳。

(3) 系統(tǒng)碳排放(Ce)

Ce=Cr+Ceh

Cr為系統(tǒng)土壤呼吸碳排放, Ceh為生產(chǎn)活動(dòng)所產(chǎn)生的碳排放。

(4) 系統(tǒng)凈碳匯(Cs)

系統(tǒng)凈碳匯(Cs)通過土壤固碳增量、吸收與排放碳平衡計(jì)算:

Cs=Ci+CNPP+ΔSOC-Cr-Ceh

Ci為物料碳還田量, CNPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力, ΔSOC為土壤固碳量, Cr為土壤呼吸碳排放量, Ceh為采用碳足跡法, 從作物播種到收獲期農(nóng)田生產(chǎn)活動(dòng)中的農(nóng)業(yè)投入碳排放量, 主要包括農(nóng)藥、化肥、耕地起壟、灌溉、田間管理如打頂抹杈及農(nóng)機(jī)使用過程中產(chǎn)生的碳排放(表1)。表1中煙苗碳排放系數(shù)無(wú)參考文獻(xiàn), 本試驗(yàn)采用德國(guó)Elementar公司生產(chǎn)的全自動(dòng)CNS元素分析儀(VarioMACRO cube)測(cè)定移栽所用煙苗碳積累量。

1.3.5 相關(guān)性 采用經(jīng)驗(yàn)指數(shù)方程描述土壤呼吸與表層土壤溫度的關(guān)系:=e,為土壤呼吸速率(μmol m–2s–1),為地表下5 cm處土壤溫度,、為擬合參數(shù)。

10: 溫度敏感系數(shù), 表示溫度每增加10℃, 土壤呼吸增加的倍數(shù),10=e10。

土壤濕度與土壤呼吸速率之間的關(guān)系采用二次回歸方程進(jìn)行擬合:=++2, 式中,為土壤呼吸速率,為地表下5 cm處土壤體積含水量,、、均為方程擬合參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析, 用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn), 使用Origin 2018和Microsoft Excel 2010制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加生物炭和秸稈對(duì)土壤溫度和濕度的影響

由圖1可以看出, 2020年與2021年烤煙大田生育期壟體土壤溫度、濕度變化趨勢(shì)基本一致。生育期內(nèi), 各處理土壤溫度均呈先上升后下降的趨勢(shì), 最高溫度出現(xiàn)在8月初。2020年土壤溫度變化范圍在21.92～39.72℃之間, 添加生物炭、秸稈及生物炭和秸稈配施處理平均土壤溫度分別較CK提高0.55%、0.41%、0.78%, 處理間無(wú)顯著差異。2021年土壤溫度整體低于2020年, 變化幅度范圍為25.02～31.77℃, 各處理平均土壤溫度分別較CK提高0.63%、0.52%、0.58%, 處理間差異不顯著。整個(gè)生育期內(nèi), 土壤水分變化波動(dòng)較為明顯, 主要受農(nóng)田灌溉及降雨的影響; 2020年T1、T3處理生育期內(nèi)土壤水分均值分別較CK顯著提高7.07%、2.03%, 2021年T1、T2、T3處理土壤水分均值較CK分別提高1.93%、0.01%、3.38%, T1、T3處理土壤水分含量均值與CK差異顯著(<0.05)。

2.2 添加生物炭和秸稈對(duì)煙草生育期內(nèi)土壤呼吸速率及土壤CO2-C累積排放量的影響

由圖2可知, 在煙草生育期內(nèi), 各處理土壤總呼吸表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性, 2020年與2021年土壤呼吸速率變化趨勢(shì)基本一致, 總體呈先增加后降低, 與土壤溫度變化趨勢(shì)相似, 8月初達(dá)到峰值。2020年各處理土壤呼吸速率變化范圍分別為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別為2.87、2.74、3.82、3.01 μmol m–2s–1, 處理間差異均達(dá)顯著水平(<0.05), 其中T1處理平均土壤呼吸速率較CK顯著降低4.53%, T2、T3處理分別較CK顯著增加33.40%、4.88%。2021年各處理土壤呼吸速率變化規(guī)律相同, 土壤呼吸速率變化范圍分別為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別為3.96、3.75、4.82、4.36 μmol m–2s–1, 均高于2020年相對(duì)應(yīng)處理, 且處理間差異顯著(<0.05), 其中T1處理較CK顯著降低5.30%, T2、T3處理分別較CK顯著增加21.72%、10.10%?？梢? 添加生物炭可顯著降低煙草生育期內(nèi)土壤呼吸平均速率。

表1 各項(xiàng)農(nóng)業(yè)物資的碳排放系數(shù)

圖1 生物炭和秸稈添加下土壤溫度、濕度的動(dòng)態(tài)變化

CK: 對(duì)照; T1: 常規(guī)施肥+2.25 t hm–2生物炭-C; T2: 常規(guī)施肥+2.25 t hm–2秸稈-C; T3: 常規(guī)施肥+1.125 t hm–2生物炭-C+1.125 t hm–2秸稈-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年與2021年土壤異養(yǎng)呼吸平均速率表現(xiàn)為T2>T3>CK>T1, T2處理顯著高于其他處理(<0.05), 2年T1處理土壤異養(yǎng)呼吸平均速率分別較CK顯著降低9.28%、10.66%。2020年各處理土壤自養(yǎng)呼吸平均速率表現(xiàn)為T2>T1>T3>CK, T2與其他處理差異顯著(<0.05); CK、T1、T2、T3處理土壤自養(yǎng)呼吸占總呼吸比例分別為43.99%、46.87%、45.40%、42.45%, 其中T1、T2處理較CK提高了自養(yǎng)呼吸在總呼吸的占比。2021年各處理土壤自養(yǎng)呼吸平均速率表現(xiàn)為T2>T3>T1>CK, 與CK相比, 各處理均提高了自養(yǎng)呼吸占比。

由表2可知, 2020年煙草生育期內(nèi)各處理土壤呼吸作用CO2-C累積排放量在3833.65～5395.87kg hm–2之間, 2021年土壤呼吸作用CO2-C累積排放量高于2020年, 在5356.42～6916.35 kg hm–2之間, 2年均表現(xiàn)為T2>T3>CK>T1, 且T2、T3處理顯著高于CK。

2.3 添加生物炭和秸稈對(duì)煙草生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響

由圖3可知, 煙株各器官固碳量均表現(xiàn)為葉>莖> 根>杈>花>凋落物; 2020年CK、T1、T2、T3處理葉片固碳量占總固碳量的比例分別為41.47%、41.03%、42.62%、40.75%, 2021年各處理葉片固碳量占總固碳量的比例分別為41.63%、40.91%、41.71%、41.18%。2020年, 各處理葉片固碳量表現(xiàn)為T2>T3>T1>CK, 處理間差異顯著; 莖和根系固碳量表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK, 其中T3處理顯著高于其他處理, T2、T1處理顯著高于CK; 其他器官固碳量表現(xiàn)為T3>T1>T2>CK, 處理間差異顯著。2021年, 根系固碳量表現(xiàn)為T3、T1顯著高于CK, 各處理葉、莖和其他器官固碳量均顯著高于CK。

圖2 生物炭和秸稈添加下煙田土壤呼吸速率的動(dòng)態(tài)變化

處理同圖1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

表2 生物炭和秸稈添加下土壤呼吸CO2-C累計(jì)排放量

同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。處理同圖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.

圖3 添加生物炭和秸稈對(duì)煙株各部位固碳量的影響

同顏色橫柱不同小寫字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。處理同圖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.

由圖4可知, 2020年與2021年各處理煙株固碳量均表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK, 2020年T1、T2、T3處理煙株固碳量分別較CK顯著增加14.32%、16.59%、16.63%, 2021年各處理分別較對(duì)照顯著增加15.29%、16.73%、18.66%。

圖4 添加生物炭和秸稈對(duì)煙田生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響

不同小寫字母表示同一年份處理間差異顯著(< 0.05)。處理同圖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 土壤呼吸對(duì)土壤溫度、濕度的響應(yīng)

土壤溫度、濕度是影響土壤呼吸的兩大主要因素。由表3可知, 各處理土壤溫度與土壤呼吸呈指數(shù)相關(guān)。2020年, T1和T3處理Q10值分別較CK降低11.45%、13.86%, T2處理較CK增加1.20%。2021年, 各處理Q10值表現(xiàn)為CK>T3>T2>T1, 與2020年相比, 除T1外, 各處理Q10值均有所增加。整體來看, 單施生物炭可有效降低土壤呼吸敏感系數(shù)。2020年, 土壤濕度與土壤呼吸擬合度較低,2變化范圍在0.032～0.168之間, 其中T3處理擬合度最高; T2、T3處理土壤濕度與土壤呼吸速率為顯著正相關(guān)(<0.05)。2021年, 各處理土壤呼吸與土壤濕度擬合度均大幅度增高, 這可能與當(dāng)年降雨量較大有關(guān)。

2.5 煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支

由表4可知, CK表現(xiàn)為 “碳源”, 各處理均呈“碳匯”。處理間凈固碳量表現(xiàn)為T1>T3>T2。2021年各處理“碳匯”效應(yīng)與2020年相比較弱, 這與2021年土壤呼吸作用CO2-C排放量大幅度增加有關(guān)。相較于CK, 各處理增加了碳投入量, 提高了凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量及土壤固碳量。綜合來看, 單施生物炭的T1處理“碳匯”能力最強(qiáng)。添加不同碳源的3個(gè)處理凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量無(wú)顯著差異, 但均顯著高于CK (<0.05)。2020年T1處理土壤固碳量較CK、T2、T3分別提高11.18、0.24、0.05倍, 土壤呼吸CO2-C排放量分別較其他處理降低3.76%、28.95%、9.12%。2021年T1處理土壤固碳量較CK、T2、T3分別提高10.88、0.20、0.04倍, 土壤呼吸CO2-C排放量較其他處理降低5.98%、22.55%、14.44%。因此, 欲提高煙田生態(tài)系統(tǒng)固碳量, 應(yīng)從減少土壤呼吸碳排放、增加凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量及土壤固碳量入手。

表3 土壤呼吸速率與土壤環(huán)境因子的擬合方程

處理同圖1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

表4 生物炭和秸稈添加對(duì)煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響

處理同圖1。Treatments are the same as those given in Fig. 1.

3 討論

3.1 不同碳源輸入對(duì)土壤呼吸特征及其組分的影響

本研究發(fā)現(xiàn), 烤煙生長(zhǎng)前期土壤呼吸速率較低, 8月初土壤呼吸CO2排放達(dá)到峰值, 隨后下降(圖2-a), 這與何甜甜等[22]、李亞森等[23]在豫中煙田生態(tài)系統(tǒng)研究烤煙生育期內(nèi)土壤呼吸速率的動(dòng)態(tài)變化結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明, 添加秸稈顯著增加了煙草生育期內(nèi)土壤呼吸平均速率, 而添加生物炭顯著降低了土壤呼吸平均速率, 生物炭與秸稈配施較單施秸稈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?yàn)? (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盡后, 剩下穩(wěn)定性極強(qiáng)的以芳香環(huán)不規(guī)則疊層存在的碳不易被分解[24]; (2) 生物炭促進(jìn)土壤團(tuán)聚體生成及穩(wěn)定有利于農(nóng)田土壤碳固持[25]; (3) 生物炭較秸稈可顯著增加一些礦化能力弱、腐殖化能力強(qiáng)的細(xì)菌豐度[26], 表現(xiàn)為土壤呼吸速率降低。劉杏認(rèn)等[27]在冬小麥-夏玉米輪作體系中研究認(rèn)為添加玉米秸稈生物炭可提高輪作周期內(nèi)CO2排放通量, 這可能歸因于生物炭用量、還田年限的差異。許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較小(4.76 t hm–2), 表現(xiàn)為土壤呼吸速率降低。此外, 生物炭施用年限同樣會(huì)對(duì)其作用效果產(chǎn)生影響, Singh等[29]認(rèn)為由桉木、桉葉、家禽糞便、牛糞制備而成的生物炭添加于沙姜土壤的前二三年起正激發(fā)效應(yīng), 促進(jìn)本土有機(jī)碳礦化, 之后一直到第5年正激發(fā)效應(yīng)逐漸減弱, 對(duì)本土有機(jī)碳礦化作用由促進(jìn)轉(zhuǎn)為抑制。本研究為定位試驗(yàn), 已連續(xù)添加5年生物炭, 導(dǎo)致了土壤呼吸速率的降低。

明確土壤呼吸各組分對(duì)土壤總呼吸的貢獻(xiàn), 對(duì)定量評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)碳收支具有較大的理論及實(shí)踐價(jià)值[30]。自養(yǎng)呼吸在土壤總呼吸中占比在不同生態(tài)系統(tǒng)中差異較大。本研究中, 2020年烤煙生育期內(nèi)各處理自養(yǎng)呼吸占比在42.45%～46.87%之間, 2021年各處理自養(yǎng)呼吸占比在43.44%～46.63%之間。田冬等[31]研究表明, 油菜季自養(yǎng)呼吸在土壤總呼吸中占比為17.31%～22.9%, 玉米季為26.49%～53.65%。Kuzyakov等[32]采用14C標(biāo)定示蹤法研究自養(yǎng)呼吸對(duì)土壤總呼吸的貢獻(xiàn)率, 結(jié)果顯示自養(yǎng)呼吸貢獻(xiàn)率在15%～60%之間, 均值為41%。魯齊飛等[33]在豫中煙田生態(tài)系統(tǒng)研究各土壤呼吸組分在土壤總呼吸中占比, 其中自養(yǎng)呼吸占比為40.26%～43.43%。本研究中自養(yǎng)呼吸占比相對(duì)較高, 這可能與土壤呼吸組分的區(qū)分測(cè)定方法有關(guān), 本試驗(yàn)采用壕溝法, 對(duì)土壤微生態(tài)影響相對(duì)較小, 裸地處無(wú)植被覆蓋, 土壤溫度較高, 會(huì)導(dǎo)致異養(yǎng)呼吸測(cè)定值偏高。單施生物炭處理和單施秸稈處理較對(duì)照提高了土壤自養(yǎng)呼吸占比, 主要是添加生物炭、秸稈可提高土壤有機(jī)碳含量, 改善土壤物理特性, 促進(jìn)根系發(fā)育, 進(jìn)而提高了土壤自養(yǎng)呼吸占比。此外, 添加生物炭對(duì)原土有機(jī)碳礦化的抑制作用導(dǎo)致異養(yǎng)呼吸速率降低[34]。

3.2 不同碳源輸入下土壤環(huán)境因素對(duì)土壤呼吸的影響

土壤水分和溫度是影響土壤CO2排放的兩大土壤環(huán)境因子[35]。本研究中, 土壤溫度與土壤呼吸呈極顯著正相關(guān), 是對(duì)土壤呼吸速率影響最大的土壤環(huán)境因子, 對(duì)土壤呼吸變化的貢獻(xiàn)率達(dá)到30.7%～ 63.15%, 趙亞麗等[36]將玉米、小麥秸稈添加于粉質(zhì)黏壤土取得研究結(jié)果與本項(xiàng)研究結(jié)果一致。土壤CO2排放溫度敏感系數(shù)(Q10)是預(yù)測(cè)土壤碳排放的重要指標(biāo), 本研究中添加生物炭處理較對(duì)照降低Q10。有研究發(fā)現(xiàn)生物炭施于農(nóng)田短期內(nèi)增加Q10, 長(zhǎng)期則降低Q10[37], 本試驗(yàn)連續(xù)5年施用生物炭可能導(dǎo)致Q10降低。添加秸稈刺激土壤中微生物活化, 加速土壤呼吸速率, Q10隨著底物增加而增加[38]。

土壤水分對(duì)土壤呼吸的影響具有復(fù)雜性和不確定性, 同時(shí)也有可能被其他因子所掩蓋[39]。有研究表明, 土壤CO2排放量與水分存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[40]。本研究中, 2020年單施秸稈處理、秸稈與生物炭配施處理土壤水分與呼吸速率之間呈顯著正相關(guān)。2021年添加生物炭、秸稈處理土壤呼吸速率與土壤水分呈顯著正相關(guān), 土壤水分含量增大可大幅度提高生育期內(nèi)煙田土壤呼吸速率。這可能與該年度7月至8月份降雨較多導(dǎo)致土壤含水量較高有關(guān)。有研究表明[41]土壤水分含量大于12% (質(zhì)量含水率)時(shí), 土壤呼吸速率隨土壤水分含量增加而增大, 土壤水分含量增大時(shí), 土壤微生物對(duì)有機(jī)碳的分解能力增強(qiáng)。Singh等[42]研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸速率隨土壤水分含量提高而增大, 土壤EOC濃度隨之降低。風(fēng)干土壤中EOC濃度始終較高, 表示由于水分限制, 有機(jī)碳的微生物礦化作用較低。Keiluweit等[43]認(rèn)為土壤水分含量過高時(shí)導(dǎo)致O2的擴(kuò)散減少, 從而限制好氧微生物呼吸。本項(xiàng)試驗(yàn)中抑制土壤呼吸作用的土壤水分含量上限有待進(jìn)一步研究。

3.3 不同碳源輸入對(duì)煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響

煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支取決于碳輸入及碳支出。Liu等[44]在中國(guó)8個(gè)作物主要產(chǎn)區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 生物炭添加不會(huì)通過增加農(nóng)業(yè)土壤中CO2排放碳損失來抵消凈碳積累。本研究中, 添加生物炭后土壤碳累計(jì)排放量較對(duì)照降低, 與Liu等[44]研究結(jié)果一致。單施秸稈處理及秸稈與生物炭配施處理顯著增加了烤煙生育期內(nèi)土壤呼吸累計(jì)排放碳量。添加不同碳源處理均較對(duì)照顯著提高了煙田生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力, 其中生物炭與秸稈配施處理較對(duì)照提升效果最大; 各處理煙株葉片固碳量最高, 在40.75%～42.62%之間。生育期內(nèi)各處理土壤固碳量均高于對(duì)照, 這與張鵬等[45]、Tang等[27]研究結(jié)果一致; 碳輸入項(xiàng)中煙株固碳量均顯著高于土壤固碳量。煙草田間生產(chǎn)管理措施較多, 包括施肥、起壟、中耕培土、打頂抹杈等, 農(nóng)事操作投入造成的碳排放較多, 在286.38～288.73 kg hm-2之間。

綜合比較農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支各項(xiàng)指標(biāo), 各處理均增加了凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)固碳量, 同時(shí)增加了土壤固碳量; 各項(xiàng)碳源物料添加均能提高煙田生態(tài)系統(tǒng)凈固碳量, 表現(xiàn)為“碳匯”。劉青麗等[46]認(rèn)為煙田生態(tài)系統(tǒng)在無(wú)外源碳輸入情況下呈弱“碳匯”, 與本研究結(jié)果不同, 這是由于土壤呼吸測(cè)定方法及碳收支計(jì)算方式不同所致。本項(xiàng)試驗(yàn)采用壟溝法測(cè)定土壤呼吸, 劉青麗等[46]采用靜態(tài)箱-氣象色譜法測(cè)定, 將植株罩入采樣箱, 煙株進(jìn)行光合作用同時(shí)吸收部分土壤呼吸排放CO2, 土壤呼吸速率偏低。此外,本項(xiàng)研究采用全生命周期評(píng)價(jià)煙田生態(tài)系統(tǒng)凈固碳效應(yīng), 對(duì)進(jìn)行各項(xiàng)農(nóng)事操作造成的碳排放進(jìn)行收集, 因而整個(gè)系統(tǒng)碳排放相對(duì)較高。本項(xiàng)研究中, 添加生物炭處理系統(tǒng)凈固碳量最高, “碳匯”能力最強(qiáng)。Tang等[27]認(rèn)為添加生物炭可有效提高作物生物量和土壤碳貯存, 施用生物炭是增強(qiáng)煙田“碳匯”能力的有效途徑, 與本項(xiàng)研究結(jié)果一致。生物炭添加不僅能提高土壤固碳量及凈初級(jí)生產(chǎn)力, 還可降低土壤呼吸作用造成的碳損失, 單施秸稈、生物炭與秸稈混施處理土壤呼吸作用造成的CO2排放顯著高于單施生物炭處理。因此, 增加煙田生態(tài)系統(tǒng)碳匯量首先應(yīng)減少土壤呼吸作用碳排放, 其次增加土壤固碳量和作物凈初級(jí)生產(chǎn)力。

4 結(jié)論

添加生物炭可降低土壤呼吸速率及生育期內(nèi)CO2總排放量, 單施秸稈、生物炭與秸稈配施顯著促進(jìn)土壤呼吸CO2-C排放; 單施生物炭、單施秸稈處理較對(duì)照可提高土壤自養(yǎng)呼吸貢獻(xiàn)率。添加生物炭、秸稈對(duì)土壤溫度影響不大, 單施秸稈及生物炭與秸稈配施可顯著提高土壤水分含量。土壤主要環(huán)境因子中, 土壤溫度對(duì)土壤呼吸速率影響最大。添加生物炭、秸稈及二者配施均提高了土壤固碳量、凈初級(jí)生產(chǎn)力固碳量。添加生物炭可降低生育期內(nèi)土壤呼吸累計(jì)CO2-C排放量。施用生物炭是提高煙田生態(tài)系統(tǒng)“碳匯”能力的最佳途徑。

[1] 2000–2020年全球主要地區(qū)和國(guó)家CO2排放量. 世界石油工業(yè), 2021, 28(4): 81–82.

CO2emissions of major regions and countries in the world from 2000 to 2020., 2021, 28(4): 81–82 (in Chinese).

[2] Raich J W, Potter C S, Bhagawati D. Interannual variability in global soil respiration, 1980–1994., 2002, 8: 800–812.

[3] Kochy M, Hiederer R, Freibauer A. Global distribution of soil organic carbon—Part 1: Masses and frequency distributions of SOC stocks for the tropics, permafrost regions, wetlands, and the world., 2015, 1: 351–365.

[4] Scharlemann J P W, Tanner E V J, Hiederer R, Kapos V. Global soil carbon: understanding and managing the largest terrestrial carbon pool., 2014, 5: 81–91.

[5] Bond-Lamberty B, Thomson A. Temperature-associated increases in the global soil respiration record., 2010, 464: 579–582.

[6] Lei J S, Guo X, Zeng Y F, Zhou J Z, Gao Q, Yang Y F. Temporal changes in global soil respiration since 1987., 2021, 12: 1801.

[7] Bond-Lamberty B, Bailey V L, Chen M, Gough C M, Vargas RGlobally rising soil heterotrophic respiration over recent decades., 2018, 560:80–83.

[8] Amelung W, Bossio D, de Vries W, Kogel-knabner I, Lehmann J, Amundson R, Bol R, Collins C, Lal R, Leifeld J, Minasny B, Pan G, Paustian K, Rumpel C, Sanderman J, van Groenigen J W, Mooney S, van Wesemael B, Wander M, Chabb A. Towards a global-scale soil climate mitigation strategy., 2020, 11: 5427.

[9] Schmidt M W I, Torn M S, Abiven S, Dittmar T, Guggenberger G, Janssens I A, Kleber M, K?gel-Knabner I, Lehmann J, Manning D A C, Nannipieri P, Rasse D P, Weiner S, Trumbore S E. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property., 2011, 478: 49–56.

[10] FAO. Recarbonization of Global Soils: a Dynamic Response to Offset Global Emissions. 2019.

[11] Lin Y X, Ye G P, Kuzyakov Y, Liu D Y, Fan J B, Ding W X. Long-term manure application increases soil organic matter and aggregation, and alters microbial community structure and keystone taxa., 2019, 51: 187–196.

[12] Bhattacharyya P, Roy K S, Neogi S, Adhya T K, Rao K S, Manna M C. Effects of rice straw and nitrogen fertilization on greenhouse gas emissions and carbon storage in tropical flooded soil planted with rice., 2012, 32: 119–130.

[13] Singh B P, Cowie A L. Long-term influence of biochar on native organic carbon mineralisation in a low-carbon clayey soil., 2014, 4: 3687.

[14] Wang J Y, Xiong Z Q, Kuzyakov Y. Biochar stability in soil: meta-analysis of decomposition and priming effects., 2016, 8: 512–523.

[15] Lehmann J, Rillig M C, Thies J, Masiello C A, Hockaday W C, Crowley D. Biochar effects on soil biota: a review., 2011, 43: 1812–1836.

[16] 田冬. 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支對(duì)秸稈與生物炭還田的響應(yīng). 西南大學(xué)碩士學(xué)位論文, 重慶, 2017.

Tian D. Response of Carbon Budget of Farmland Ecosystem to Straw and Biochar Returning. MS Thesis of Southwest University, Chongqing, China, 2017 (in Chinese with English abstract).

[17] 逯非, 王效科, 韓冰, 歐陽(yáng)志云, 段曉男, 鄭華. 中國(guó)農(nóng)田施用化學(xué)氮肥的固碳潛力及其有效性評(píng)價(jià). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 19: 2239–2250.

Lu F, Wang X K, Han B, Ouyang Z Y, Duan X N, Zheng H. Carbon sequestration potential and effectiveness evaluation of chemical nitrogen fertilizer in farmland of China., 2008, 19: 2239–2250 (in Chinese with English abstract).

[18] Lal R. Agricultural activities and the global carbon cycle., 2004, 70: 103–116.

[19] Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security., 2004, 304: 1623–1627.

[20] West T O, Marland G. A synthesis of carbon sequestration, carbon emissions, and net carbon fiux in agriculture: comparing tillage practices in the United States., 2002, 91: 217–232.

[21] 劉巽浩, 徐文修, 李增嘉, 褚慶全, 楊曉琳, 陳阜. 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡法:誤區(qū)、改進(jìn)與應(yīng)用: 兼析中國(guó)集約農(nóng)作碳效率(續(xù)). 中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2014, 35(1): 1–7.

Liu X H, Xu W X, Li Z J, Chu Q Q, Yang X L, Chen F. Farmland ecosystem carbon footprint method: misunderstanding, improvement and application: also an analysis of carbon efficiency of intensive farming in China (continued), 2014, 35(1): 1–7 (in Chinese).

[22] 何甜甜, 王靜, 符云鵬, 符新妍, 劉天, 李亞坤, 李建華. 等碳量添加秸稈和生物炭對(duì)土壤呼吸及微生物生物量碳氮的影響. 環(huán)境科學(xué), 2021, 42: 450–458.

He T T, Wang J, Fu Y P, Fu X Y, Liu T, Li Y K, Li J H. Effects of equal carbon addition of straw and biochar on soil respiration and microbial biomass carbon and nitrogen., 2021, 42: 450–458 (in Chinese with English abstract).

[23] 李亞森, 丁松爽, 殷全玉, 李佳軼, 周迪, 劉國(guó)順. 多年施用生物炭對(duì)河南烤煙種植區(qū)土壤呼吸的影響. 環(huán)境科學(xué), 2019, 40: 915–923.

Li Y S, Ding S S, Yin Q Y, Li J Y, Zhou D, Liu G S. Effects of multi-year application of biochar on soil respiration in Henan flue-cured tobacco planting area., 2019, 40: 915–923 (in Chinese with English abstract).

[24] 徐敏, 伍鈞, 張小洪, 楊剛. 生物炭施用的固碳減排潛力及農(nóng)田效應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 38: 393–404.

Xu M, Wu J, Zhang X H, Yang G. Carbon sequestration and emission reduction potential of biochar application and farmland effect., 2018, 38: 393–404 (in Chinese with English abstract).

[25] Huang R, Lan M L, Liu J, Gao M. Soil aggregate and organic carbon distribution at dry land soil and paddy soil: the role of different straws returning.,2017, 24: 27942–27952．

[26] Tian X P, Wang L, Hou Y H, Wang H, Tsang V F, Wu J H. Responses of soil microbial community structure and activity to incorporation of straws and straw biochars and their effects on soil respiration and soil organic carbon turnover., 2019, 29: 492–503.

[27] Tang Y, Gao W C, Cai K, Chen Y, Li C B, Lee X Q, Cheng H G, Zhang Q H, Cheng J Z. Effects of biochar amendment on soil carbon dioxide emission and carbon budget in the karst region of southwest China., 2021, 55: 114895.

[28] 劉杏認(rèn), 張星, 張晴雯, 李貴春, 張慶忠. 施用生物炭和秸稈還田對(duì)華北農(nóng)田CO2、N2O排放的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 37: 6700–6711.

Liu X R, Zhang X, Zhang Q W, Li G C, Zhang Q Z. Effects of biochar application and straw returning on CO2and N2O emissions from farmland in North China, 2017, 37: 6700–6711 (in Chinese with English abstract).

[29] Singh B P, Cowie A L. Long-term influence of biochar on native organic carbon mineralisation in a low-carbon clayey soil., 2014, 4: 3687.

[30] Pangle R E, Seiler J. Influence of seedling roots, environmental factors and soil characteristics on soil CO2efflux rates in a 2-year-old loblolly pine (L.) plantation in the Virginia Piedmont., 2002, 116: S85–S96.

[31] 田冬, 高明, 黃容, 呂盛, 徐暢. 油菜/玉米輪作農(nóng)田土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸對(duì)秸稈與生物炭還田的響應(yīng). 環(huán)境科學(xué), 2017, 38: 2988–2999.

Tian D, Gao M, Huang R, Lyu S, Xu C. Response of soil respiration and heterotrophic respiration to straw and biochar returning in rape/maize rotation farmland., 2017, 38: 2988–2999 (in Chinese with English abstract).

[32] Kuzyakov Y, Ehrensberger H, Stahr K. Carbon partitioning and below-ground translocation by Lolium perenne., 2001, 33: 61–74.

[33] 魯琪飛, 葉協(xié)鋒, 韓金, 潘昊東, 張明杰, 王晶, 楊佳豪, 姚鵬偉, 李雪利. 添加有機(jī)物料對(duì)豫中煙田土壤呼吸的影響. 環(huán)境科學(xué), 2022, 43: 3825–3834.

Lu Q F, Ye X F, Han J, Pan H D, Zhang M J, Wang J, Yang J H, Yao P W, Li X L. Effects of adding organic materials on soil respiration in tobacco fields in central Henan., 2022, 43: 3825–3834 (in Chinese with English abstract).

[34] Jones D L, Murphy D V, Khalid M, Ahmad W, Edwards-Jones G, DeLuca T H. Short-term biochar-induced increase in soil CO2release is both biotically and abiotically mediated., 2011, 43: 1723–1731.

[35] Davidson E A, Janssens I A, Luo Y Q. On the variability of respiration in terrestrial ecosystems: moving beyond Q10., 2006, 12: 154–164.

[36] 趙亞麗, 薛志偉, 郭海斌, 穆心愿, 李潮海. 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤呼吸的影響及機(jī)理. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014, 30(19): 155–165.

Zhao Y L, Xue Z W, Guo H B, Guo H B, Li C H. Effects of tillage methods and straw returning on soil respiration and its mechanism., 2014, 30(19): 155–165 (in Chinese with English abstract).

[37] Wang X J, Chen G H, Wang S Y, Zhang L Y, Zhang R D. Temperature sensitivity of different soil carbon pools under biochar addition., 2019, 26: 4130–4140.

[38] 李艾蒙. 外源玉米秸稈碳對(duì)土壤有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)和溫度敏感性的影響. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 遼寧沈陽(yáng), 2020.

Li A M. Effects of Exogenous Corn Straw Carbon on Soil Organic Carbon Excitation Effect and Temperature Sensitivity. MS Thesis of Shenyang Agricultural University, Shenyang, Liaoning, China, 2020 (in Chinese with English abstract).

[39] 王新源, 李玉霖, 趙學(xué)勇, 毛偉, 崔奪, 曲浩, 連杰, 羅永清. 干旱半干旱區(qū)不同環(huán)境因素對(duì)土壤呼吸影響研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32: 4890–4901.

Wang X Y, Li Y L, Zhao X Y, Mao W, Cui D, Qu H, Lian J, Luo Y Q. Research progress on the effects of different environmental factors on soil respiration in arid and semi-arid areas., 2012, 32: 4890–4901 (in Chinese with English abstract).

[40] Lu N, Liu X R, Du Z L, Wang Y D, Zhang Q Z. Effect of biochar on soil respiration in the maize growing season after 5 years of consecutive application., 2014, 38: 505–512.

[41] 張丁辰, 蔡典雄, 代快, 馮宗會(huì), 張曉明, 王小彬. 旱作農(nóng)田不同耕作土壤呼吸及其對(duì)水熱因子的響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33: 1916–1925.

Zhang D C, Cai D X, Dai K, Feng Z H, Zhang X M, Wang X B. Soil respiration under different tillage and its response to hydrothermal factors in dryland farmland., 2013, 33: 1916–1925 (in Chinese with English abstract).

[42] Singh S, Jagadamma S, Liang J Y, Kivlin S N, Mayes M A. Differential organic carbon mineralization responses to soil moisture in three different soil orders under mixed forested system., 2021, 9: 682450.

[43] Keiluweit M, Nico P S, Kleber M, Fendorf S. Are oxygen limitations under recognized regulators of organic carbon turnover in upland soils?, 2016, 127: 157–171.

[44] Liu X Y, Zheng J F, Zhang D X, Cheng K, Zhou H M, Zhang A F, Li L Q, Joseph S, Smith P, Crowley D, Kuzyakov Y, Pan G X. Biochar has no effect on soil respiration across Chinese agricultural soils., 2016, 45: 259–265.

[45] 張鵬, 李涵, 賈志寬, 王維, 路文濤, 張惠, 楊寶平. 秸稈還田對(duì)寧南旱區(qū)土壤有機(jī)碳含量及土壤碳礦化的影響. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 30: 2518–2525.

Zhang P, Li H, Jia Z K, Wang W, Lu W T, Zhang H, Yang B P. Effect of straw on soil organic carbon content in dryland., 2011, 30: 2518–2525 (in Chinese with English abstract).

[46] 劉青麗, 蔣雨洲, 鄒焱, 張?jiān)瀑F, 張恒, 石俊雄, 李志宏. 煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究. 作物學(xué)報(bào), 2020, 46: 1258–1265.

Liu Q L, Jiang Y Z, Zou Y, Zhang Y G, Zhang H, Shi J X, Li Z H. Study on carbon budget of tobacco field ecosystem., 2020, 46: 1258–1265 (in Chinese with English abstract).

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

本研究由中國(guó)煙草總公司河南省公司科技項(xiàng)目(2020410000270020), 河南省煙草公司濟(jì)源市公司項(xiàng)目(2020410881240045)和河南省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(212300410160)資助。

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

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).