等碳量添加不同有機物料對土壤有機碳組分及土壤呼吸的影響

王夢雅，符云鵬，黃婷婷，趙亞鵬，賈輝，何甜甜，王靜，趙曉軍

1 煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室，河南農業(yè)大學煙草學院，鄭州 450002；2 云南省煙草公司昆明市公司，昆明 650202

隨著我國現(xiàn)代農業(yè)的快速發(fā)展，集約化生產已成為其顯著特點，在生產規(guī)模和效益不斷提高的同時，土壤退化問題日趨嚴重，尤其是土壤有機碳及碳氮比下降越來越明顯。土壤有機碳是影響土壤肥力的重要因素，是土壤質量的核心[1-2]。土壤有機碳總量及其各組分含量比例的變化不僅影響土壤的結構、持水性、緩沖性及作物養(yǎng)分的有效性，而且影響土壤與大氣間的碳素平衡[3-4]。土壤總有機碳（TOC）只能反映有機碳礦化分解和合成的最終結果，不足以全面反映土壤質量的內在變化[2]。土壤活性有機碳（AOC）指在一定的時空條件下,受植物、微生物影響強烈,具有一定溶解性、在土壤中移動比較快、不穩(wěn)定、易氧化、分解、易礦化,對植物、微生物來說活性比較高的那一部分土壤碳素[5-6]。AOC雖然占總有機碳的比例較小，但可以作為反映農業(yè)管理措施引起的土壤質量改變的敏感性指標，已成為土壤、生態(tài)等學科領域研究的熱點之一。土壤微生物生物量碳（MBC）、易氧化有機碳（ROC）和可溶性有機碳（DOC）等常被用作土壤AOC的主要表征指標，來指示土壤有機碳庫的更新變化狀況[5-8]。

秸稈是一種寶貴的可再生資源，秸稈還田是土壤碳輸入的主要方式之一，也是改良土壤的主要途徑之一。許多研究表明，秸稈還田能夠顯著提高土壤TOC和AOC的含量、提高AOC占TOC含量的比重[3,9-10]；降低土壤容重、促進煙草根系發(fā)育[11]，提高烤煙中部葉比例及煙葉品質[3,12]。秸稈還田增加了土壤TOC含量，為土壤微生物的代謝活動提供了豐富的碳源，并可通過改善土壤理化性質及環(huán)境來促進土壤微生物的代謝活動，對土壤呼吸產生顯著的影響，從而增加土壤溫室氣體CO2的釋放速率[14]；且隨著秸稈還田量的增加，土壤呼吸通量顯著增加[15]。但Naser等[16]研究表明秸稈還田能夠減少CO2的排放。可見，關于秸稈還田對溫室氣體排放的影響有不同的結論。

生物炭是生物質在完全或部分缺氧的條件下經高溫裂熱解炭化產生的一類多孔富碳、高度芳香化、難降解的物質[17]。研究表明，添加生物炭可以提高土壤TOC、ROC、DOC含量和土壤碳庫管理指數(shù)[17-20,13]；添加適量生物炭促進根系發(fā)育和煙株生長[13],提高煙葉品質[21],過量生物炭會對烤后煙葉品質產生負面影響[21]。生物炭的輸入會改變土壤有機碳各組分的分配比例，使其朝“惰性化”方向發(fā)展，與秸稈直接還田相比，生物炭可以減緩有機碳的更新，有較大的固碳增匯潛力[17]。與不施生物炭相比，施用生物炭降低了土壤碳的礦化作用，減少了土壤生態(tài)系統(tǒng)CO2等溫室氣體排放［22-23］。由于生物炭在土壤培肥、溫室氣體減排方面表現(xiàn)出巨大的潛力，已成為近年來研究的焦點，在土壤改良方面大有替代秸稈還田之勢。但是生物炭輸入對土壤呼吸速率影響的研究結果存在爭議，有研究表明，8%生物炭施用量能降低土壤呼吸，小于8%施用量則提高了土壤呼吸作用[24]。劉杏認等[25]研究表明，施用生物炭可顯著增加CO2排放通量，且隨著生物炭用量的增加CO2排放通量也在增加。

前人研究表明，添加生物炭和秸稈均有明顯提高土壤有機碳的作用，但不同人的研究結果差異較大；添加生物炭和秸稈對土壤CO2排放通量的影響也存在較大的爭議，究其原因主要與生物炭和秸稈的施用量、施用方式及土壤背景不同有關。本文通過田間試驗，研究了等碳量施入秸稈、生物炭以及兩種有機物料混施對土壤有機碳組分和土壤呼吸速率的影響，旨在為提高植煙土壤有機碳含量以及土壤質量、科學改良土壤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年4—10月在河南農業(yè)大學許昌校區(qū)現(xiàn)代農業(yè)科教園區(qū)進行。供試土壤為黃褐土，質地為壤土。土壤肥力均勻，地勢平坦，灌溉方便。土壤基礎化學性質為：有機質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，水溶性氯24.8 mg·kg-1。供試品種為中煙100。供試生物炭由花生殼在400～450℃下限氧炭化30 min獲得，TC含量47.00%，TN含量0.25%，TP含量0.21%，TK含量0.68%。腐熟小麥秸稈TC含量36.29%，TN含量0.34%，TP含量0.18%，TK含量0.39%。試驗所用的化肥為：煙草專用復合肥（10%N，10%P2O5，20%K2O），硝酸鉀（13%N，46%K2O），硫酸鉀（50 %K2O），過磷酸鈣（12%P2O5）。

1.2 試驗設計

試驗設4個處理，隨機區(qū)組排列，重復3次，小區(qū)面積0.02 hm2。處理如下：單施化肥（CK）；化肥+生物炭（T1）；化肥+腐熟秸稈（T2）；化肥+生物炭+腐熟秸稈（T3）。各處理氮用量為37.5 kg·hm-2，m(N):m(P2O5):m(K2O)=1:2:5；T1、T2、T3全碳投入量均為2.25 t.hm-2，施肥方案中均扣除秸稈和生物炭中所含的N、P、K含量，總量與對照保持一致。具體施肥量見表1，其中硝酸鉀在移栽后30 d追施，其余肥料作基肥在起壟時條施。4月12日將生物炭和腐熟秸稈按各處理用量均勻撒在試驗田上，機器旋翻至耕層與土壤混合均勻。5月5日移栽，株行距為55 cm×120 cm，大田栽培管理措施按照優(yōu)質煙葉生產技術規(guī)范進行。

表1 各處理施肥量Tab.1 the rational fertilizer application of per treatment

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集 移栽后40 d、55 d、70 d、85 d、100 d通過“抖根法”取煙株根際土，一部分風干測定有機質、可溶性有機碳、易氧化有機碳，另一部分過10目篩保存于4℃下用于測定土壤微生物生物量碳。

1.3.2 土壤有機碳指標的測定 有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[3]；可溶性有機碳測定采用水浴鍋加熱蒸干-重鉻酸鉀容量法[3]；易氧化有機碳采用高錳酸鉀氧化法測定[26]；微生物生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法[27]。

1.3.3 土壤呼吸的測定 移栽后40 d、55 d、70 d、85 d、100 d采用Li-COR8100A土壤碳通量自動測量系統(tǒng)于晴朗無風天氣上午9:00—11:00測定土壤呼吸[28]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excle 2013和SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)分析和處理，采用origin 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤有機碳組分的影響

2.1.1 土壤總有機碳（TOC） 土壤TOC是衡量土壤肥力的一個重要指標，不僅影響著土壤的物理性質，也影響著土壤的保肥供肥能力[24]。由圖1可知，添加有機物料后，整個生育期土壤TOC含量顯著高于對照；不同有機物料處理對土壤TOC含量提高幅度有差異，表現(xiàn)為T1＞T3＞T2＞CK，且處理間差異均達顯著水平﹙P＜0.05﹚。煙株生長發(fā)育過程中各處理土壤中TOC含量呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，但不同處理下降幅度不同，大田生育前期T2下降幅度較大，而生育后期T1下降幅度較大，整個生育期土壤TOC的下降幅度表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK，其中CK下降0.14 g . kg-1，T1下降1.45 g . kg-1，T2下降2.07 g . kg-1，T3下降1.68 g . kg-1。說明與單施秸稈相比，添加等碳量的生物炭有利于土壤有機碳的累積。

圖1 不同處理土壤總有機碳的變化動態(tài)Fig.1 Dynamic changes of soil total organic carbon under different treatments

2.1.2 土壤易氧化有機碳（ROC） ROC是土壤中移動快、不穩(wěn)定、易于氧化和礦化的具有較高微生物活性的有機碳，是土壤活性有機碳的重要組成部分，是土壤碳庫短期變化的指示因子[1,2,29]。由圖2可知，添加有機物料后，整個生育時期土壤中ROC含量均顯著高于對照，但各處理ROC動態(tài)變化趨勢不同，CK土壤ROC含量呈先增加后降低的趨勢，在煙株移栽70 d時達到峰值；T1、T2、T3處理土壤ROC含量基本上呈增加趨勢，T1、T2分別在煙株移栽55 d和85 d時有所下降，但下降幅度不大，而T3的土壤ROC含量在煙株移栽55 d和85 d時均有大幅下降。添加有機物料后，各處理均在煙株移栽100 d時ROC含量達到峰值，T1、T2和T3分別較對照增加1.32 g·kg-1、1.59 g·kg-1和 1.43 g·kg-1，說明等碳量條件下添加秸稈對植煙土壤ROC提高效果最好，其次是秸稈與生物炭配施處理。

圖2 不同處理土壤易氧化有機碳的變化動態(tài)Fig.2 Dynamic changes of soil readily oxidized organic carbon under different treatments

2.1.3 可溶性有機碳（DOC） DOC是土壤有機碳中較為活躍且容易變化的部分，參與大量的生物化學進程，是土壤微生物活動的能源和土壤養(yǎng)分的驅動力[10]。由圖3可知，等碳量添加有機物料后，整個大田生育期土壤DOC的含量顯著增加，移栽后55d之前表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK，55d之后則表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK。整個生育期各處理土壤DOC含量呈單峰曲線變化，在大田煙株生長前期大幅上升，而在移栽70 d之后開始出現(xiàn)大幅下降，85 d之后趨于穩(wěn)定。在煙株移栽70 d時T1、T2、T3處理土壤DOC含量分別較CK增加 50.0%、59.4%和53.8%。說明等碳量條件下添加秸稈有利于提高植煙土壤DOC含量。

圖3 不同處理土壤可溶性有機碳的變化動態(tài)Fig.3 Dynamic changes of soil dissolved organic carbon under different treatments

2.1.4 微生物生物量碳（MBC） 土壤MBC只占土壤有機碳庫的小部分，但在一定程度上影響著植物的營養(yǎng)、土壤有機質和養(yǎng)分的轉化與循環(huán)，代表著土壤養(yǎng)分的活性部分，反映了土壤肥力狀況[27]。土壤MBC對環(huán)境變化非常敏感，可作為土壤質量和有機碳變化的早期預測指標[30]。由圖4可知，添加有機物料后，整個大田生育期植煙土壤MBC含量均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK，且處理間差異顯著。不同處理大田生育期間MBC含量變化動態(tài)稍有不同，T1處理土壤MBC含量隨烤煙生育進程呈逐漸上升趨勢，CK、T2、T3土壤MBC含量在移栽后40 ～ 55 d稍有下降、55 d之后明顯提高。在煙株移栽后100 d時，T1、T2和T3土壤MBC含量分別比CK高出51.0%、73.2%和82.0%。說明等碳量條件下秸稈與生物炭配施提高土壤MBC效果最好，添加生物炭效果最差。

圖4 不同處理土壤微生物生物量碳的變化動態(tài)Fig.4 Dynamic Changes of soil microbial biomass carbon under different treatments

2.2 不同處理土壤活性有機碳組分分配比例

2.2.1 ROC分配比例 ROC的分配比例越高，TOC的活性越大，越容易被植物和微生物分解利用[26]。由圖5可知，整個大田生育期間不同處理土壤ROC的分配比例表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK，但各處理變化動態(tài)不同。CK土壤ROC的分配比例呈先增加后降低的趨勢，峰值在移栽后70 d；T1則呈持續(xù)增加的趨勢，而T2和T3呈“增加-降低-增加”的趨勢，特別是在移栽85 d之后大幅度增加。至大田生育期100 d時，T1、T2和T3的ROC分配比例分別較對照高出73.6%、122%和96.0%，說明等碳量條件下添加秸稈更有利于提高植煙土壤ROC的分配比例。

圖5 不同處理土壤ROC分配比例的動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of ROC distribution ratio in soil under different treatments

2.2.2 DOC分配比例 DOC的分配比例越大證明土壤有機碳的活性越高，越有利于土壤活性有機碳的積累[31]。由圖6可知，整個大田生育期間各處理土壤DOC的分配比例變化動態(tài)相似，移栽70 d之前快速增加，處理間差異較大，表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK；70～85 d下降，85 d之后保持穩(wěn)定，且處理間差異減小。

圖6 不同處理DOC分配比例的動態(tài)變化Fig.6 Dynamic changes of DOC distribution ratio in soil under different treatments

2.2.3 MBC分配比例 土壤MBC的分配比例也稱為微生物熵，可以作為土壤有機碳和土壤質量變化的早期指標，其值越大，證明微生物對土壤碳庫的利用率越高[32]。由圖7可知，T1處理土壤微生物熵在煙株生育過程中呈逐漸上升趨勢，而CK、T2和T3在移栽后40～55 d稍有降低，之后幾乎呈直線上升趨勢。整個生育過程中土壤微生物熵T1與CK、T2與T3之間差異很小，但T2和T3明顯高于CK和T1。說明等碳量條件下添加秸稈、秸稈和生物炭配施有利于提高植煙土壤微生物熵。

圖7 不同處理土壤MBC分配比例的動態(tài)變化Fig.7 Dynamic changes of MBC distribution ratio in soil under different treatments

2.3 土壤呼吸速率的動態(tài)變化

土壤呼吸是土壤進行代謝作用釋放CO2的過程，也是土壤碳輸出的主要途徑[32]。由圖8可知，不同處理土壤呼吸速率在煙草生育前期呈現(xiàn)相似的動態(tài)變化，即移栽85 d之前呈直線上升趨勢，這主要是由于隨著季節(jié)的變化、土壤溫度升高，加速了土壤有機碳的分解；85～100 d除T2緩慢增加外，其他處理土壤呼吸速率變化較小。在煙株移栽40 d時T2和T3的土壤呼吸速率分別較CK增加了14.1%和10.0%，而T1則較CK降低了24.0%，之后T1的呼吸速率隨著生育期的延長有較大幅度的升高，85 d時較CK增加了16%。在移栽55d之后，土壤呼吸速率表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK。說明等碳量條件下添加秸稈、秸稈配施生物炭處理較單施生物炭處理土壤呼吸速率提高。

圖8 不同處理土壤呼吸速率的動態(tài)變化Fig.8 Dynamic changes of soil respiration rate under different treatments

2.4 土壤有機碳組分與土壤呼吸速率的關系

土壤有機碳各組分與土壤呼吸速率相關性分析表明（表2），各活性有機碳組分與土壤呼吸速率呈顯著或極顯著的正相關關系，以MBC與土壤呼吸速率的相關系數(shù)最大，其次為DOC，TOC與土壤呼吸速率間無顯著相關關系，說明土壤呼吸速率基本不受土壤TOC含量大小的影響。三種土壤活性有機碳組分之間也存在著顯著或極顯著的正相關關系，可見土壤中不同活性有機碳之間關系密切；土壤ROC與TOC呈顯著正相關，DOC、MBC與TOC相關性不顯著，說明ROC的含量受TOC含量的影響較大。

表2 土壤有機碳組分與土壤呼吸速率的相關分析Tab.2 Correlation analysis between soil organic carbon fractions and soil respiration rate

3 討論

3.1 不同有機物料對土壤TOC的影響

本研究結果表明，等碳量添加生物炭、秸稈、生物炭+秸稈均顯著提高了植煙土壤TOC含量，這與吳家梅等[8]、李有兵等[33]的研究結果一致。一方面，這些有機物料本身含有較高的有機碳，施入土壤后會在微生物的作用下進入土壤；另一方面，有機物料的輸入能夠促進煙株生長和根系發(fā)育，使根系分泌物增加，進而增加土壤中TOC的含量。隨著煙株生育期的延長，土壤TOC含量逐漸下降，且添加有機物料處理整體下降幅度較大，可能是由于有機物料的輸入刺激了土壤細菌、真菌以及多糖的產生[31]，使土壤顆粒間的凝聚力增加，改善了土壤結構，進而為土壤中微生物創(chuàng)造了更有利的生存繁殖條件，微生物數(shù)量以及活性增加，有機碳的降解速度加快。等碳量條件下，單施秸稈處理土壤TOC含量前期下降幅度較大而后期變小，可能是因為腐熟的小麥秸稈中含有較多的易分解利用的組分[32]，前期這些組分快速分解，導致土壤TOC下降幅度較大，而隨著時間的延長開始轉向利用較難分解的部分，故有機碳下降幅度減慢；單施生物炭處理整個生育期土壤TOC含量下降幅度小于單施秸稈處理，主要與其具有穩(wěn)定的芳香族多碳結構、易礦化的有機碳含量較低，難以被微生物腐解利用有關[34]。說明單施生物炭有利于增加土壤碳庫儲量。

3.2 不同有機物料對土壤活性有機碳組分的影響

土壤AOC對調節(jié)土壤養(yǎng)分流有很大影響，對土壤管理措施響應明顯，與土壤內在生產力高度相關[6,7]。本研究表明，等碳量添加不同有機物料顯著提高了植煙土壤DOC、ROC、MBC等活性有機碳含量。與土壤TOC不同的是，土壤活性有機碳組分中DOC、ROC含量表現(xiàn)為秸稈＞秸稈+生物炭＞生物炭＞單施化肥，這與張杰等[10]、李有兵等[33]、王宏燕等[36]的研究結果一致。這主要是添加的腐熟秸稈在腐熟過程中由于微生物的作用本身含有較多的活性有機碳，腐熟秸稈施入土壤后促進土壤微生物活性提高，加快土壤有機碳內部周轉，同時也促進作物根系的發(fā)育及根系分泌物的增加，產生更多的活性有機碳；而生物炭中的有機碳具有較強的化學和微生物穩(wěn)定性，不易被微生物分解產生AOC[6,36,37]。Zimmerman等認為生物炭具有強吸附性，土壤部分微生物附著于生物炭空隙中，減少了有機質與微生物的接觸，降低了生物炭的分解率［38］。

土壤MBC是衡量土壤微生物活性的重要指標。本研究結果顯示，植煙土壤MBC含量表現(xiàn)為秸稈+生物炭＞秸稈＞生物炭＞單施化肥，與李有兵等[33]的研究結果一致。單施生物炭，土壤易礦化的有機碳增加較少，為微生物提供的能源物質較少，微生物活動較弱，因此MBC含量較低；秸稈與生物炭配施，一方面生物炭的多孔結構可以為土壤微生物提供良好的避難所；另一方面，秸稈腐解產生的碳、氮組分為微生物提供物質和能量來源，促進微生物活動和繁殖，因此能夠增加土壤MBC含量［33］。

3.3 不同有機物料對土壤呼吸速率的影響

土壤呼吸是土壤碳庫和大氣碳庫交換的主要途徑，最重要的組成部分為植物根系的自氧呼吸以及土壤中動物和微生物的異氧呼吸[39]。本研究結果表明，等碳量施入有機物料后各處理土壤呼吸速率整體上高于單施化肥處理，且單施秸稈處理土壤呼吸速率明顯大于單施生物炭處理。有機物料的輸入增加了土壤碳庫的活性組分，而土壤碳庫活性組分的礦化是土壤呼吸的主要貢獻者；另一方面有機物料的輸入促進了作物根系發(fā)育，并使土壤微生物量增加，故增加了根系以及微生物的呼吸。單施秸稈處理土壤中較高的DOC、ROC含量和微生物熵是其呼吸速率高的主要原因，本研究中土壤呼吸速率與DOC、MBC、ROC呈極顯著或顯著的正相關也充分證明了這一觀點。

劉杏認等[25]認為，高量生物炭（9 t/hm2）處理CO2排放通量顯著高于玉米、小麥全量秸稈還田,低量生物炭（4.5 t/hm2）處理CO2排放通量與秸稈還田差異很小。裴俊敏等[22]發(fā)現(xiàn)，生物質炭的施加顯著降低了水-旱輪作水稻田的CO2排放。Lentz等[40]發(fā)現(xiàn)，在美國愛達荷州的旱作石灰性土壤農田中添加生物質炭(22.4 t/hm2)顯著抑制了土壤CO2排放。Zimmerman等[38]認為，生物炭的輸入會抑制土壤呼吸。這些研究結果的差異可能與土壤微生物群落、生物質炭本身性狀及其用量、農田管理等因子的不同有關。本研究結果顯示，施入生物炭雖然前期抑制了土壤呼吸速率，但后期卻起促進作用，前期的抑制可能是生物炭吸附了土壤中微生物和土壤酶，使有機碳的分解減慢，降低了土壤呼吸速率；后期隨著氣溫升高，土壤水分供應增加，生物炭吸附的土壤微生物、酶及養(yǎng)分解吸附，促進了微生物的繁殖，使有機碳的分解加快，同時生物炭本身的礦化作用會使其惰性有機碳分解轉化為活性組分，增加了土壤呼吸速率。

4 結論

等碳量添加不同有機物料，對土壤總有機碳、活性有機碳及土壤呼吸速率的影響具有明顯差異。單施秸稈，提高土壤活性有機碳中DOC、ROC的效果最顯著，短期內可明顯改善土壤有機碳庫質量，對土壤養(yǎng)分的補充作用明顯，但土壤呼吸速率（CO2排放通量）最高，不利于碳的儲存；單施生物炭土壤活性有機碳增加幅度最小，短期內對土壤有機碳庫質量的提高及土壤養(yǎng)分的補充作用較小，但土壤總有機碳增加幅度最高，土壤呼吸速率增加幅度最小，有較好的固碳減排效果。生物炭與秸稈配施，土壤MBC含量最高，TOC、DOC、ROC及土壤呼吸速率介于生物炭和秸稈之間，在增加土壤碳庫儲量的同時能保證作物養(yǎng)分供應，可以有效克服秸稈和生物炭單獨施用的弊端，對土壤肥力的綜合提升效果更好。

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