施用生物質(zhì)炭5年后夏玉米土壤呼吸研究

馬雯琪，蔣靖佰倫，李典鵬，唐光木，徐萬里*，賈宏濤，3*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830092；3.新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室，烏魯木齊 830052）

土壤呼吸是土壤碳庫向大氣輸出碳的主要途徑，也是大氣CO2重要的源，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中具有重要地位[1]。土壤呼吸主要包括微生物的異養(yǎng)呼吸和植物根系的自養(yǎng)呼吸，兩者約占土壤呼吸的95%[2]。因此，明確土壤呼吸組分對土壤呼吸的貢獻率，對準(zhǔn)確評估土壤碳過程具有重要意義[3]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對森林和草地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸組分進行了大量研究[4-5]，而針對旱作農(nóng)田風(fēng)沙土土壤呼吸組分的研究相對較少。風(fēng)沙土主要分布在中國干旱、半干旱地區(qū)，是新疆分布面積最大的土類，其有機碳含量相對較低，是陸地生態(tài)系統(tǒng)潛在的碳匯[6-8]。提高農(nóng)田風(fēng)沙土有機碳含量和碳匯功能，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和緩解氣候變化具有重要意義。

生物質(zhì)炭是指生物質(zhì)在缺氧或厭氧條件下經(jīng)高溫裂解后生成的一種高度芳香化難熔性固態(tài)富碳物質(zhì)[9]，其高度生物化學(xué)穩(wěn)定性在土壤固碳減排方面發(fā)揮重要作用，對全球碳循環(huán)具有重要的影響[10]。生物質(zhì)炭在土壤改良中得到了較多的應(yīng)用，施用生物質(zhì)炭顯著提升了表層土壤有機碳、無機碳含量及碳儲量[11]，降低了土壤有機碳礦化速率和累積礦化量[12]，表現(xiàn)出明顯的固碳作用。生物質(zhì)炭進入土壤后隨著時間的推移發(fā)生氧化和表面結(jié)構(gòu)破裂，官能團種類、數(shù)量、芳香性和極性等都會發(fā)生改變[13]，從而影響生物質(zhì)炭的固碳減排能力[14]。作為外源有機物，生物質(zhì)炭施入土壤，在短期內(nèi)會對土壤原有有機質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)[15]。即使生物質(zhì)炭施入土壤的時間相同，其對土壤呼吸的影響仍存在促進[16-17]和無影響[18]的差異。此外，生物質(zhì)炭對土壤呼吸組分的影響也存在較大的不確定性。生物質(zhì)炭添加可促進土壤自養(yǎng)呼吸，降低土壤異養(yǎng)呼吸[19-20]；但也有研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭會顯著降低土壤自養(yǎng)呼吸[21]，這可能與土壤類型、生物質(zhì)炭性質(zhì)以及水熱因子等有關(guān)[22-24]。目前，生物質(zhì)炭在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中得到較為廣泛的應(yīng)用，而有關(guān)生物質(zhì)炭對風(fēng)沙土土壤呼吸及組分影響的研究較少。

本試驗利用前期已建立的定位試驗平臺，擬探明單次施用不同量生物質(zhì)炭5 年后土壤呼吸及組分日變化特征、玉米不同生育時期土壤呼吸以及影響土壤呼吸的水熱因子和土壤呼吸溫度敏感系數(shù)變化特征，以期為干旱區(qū)綠洲農(nóng)田風(fēng)沙土培肥提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于新疆石河子墾區(qū)兵團農(nóng)八師121 團炮臺土壤改良試驗站進行，試驗站位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地綠洲邊緣（84°58′～86°24′E，43°26′～45°20′N）。研究區(qū)屬內(nèi)陸干旱半荒漠氣候，冬季長而嚴(yán)寒，夏季短而炎熱，年平均氣溫7.5 ℃，日照2 525 h，無霜期169 d，年降雨量225 mm，年蒸發(fā)量1 250 mm。供試土壤類型為風(fēng)沙土，土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分別為53.2%、27.2%和19.6%。試驗前土壤0～20 cm 土層基本理化性質(zhì)：有機質(zhì)1.38 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，堿解氮7.4 mg·kg-1，有效磷4.6 mg·kg-1，速效鉀97 mg·kg-1，pH 8.51。試驗所用生物質(zhì)炭是由河南三利新能源有限公司提供的小麥秸稈炭，在450 ℃限氧條件下炭化4～8 h，粉碎后過2 mm 篩制成，基本理化性質(zhì)：有機碳670 g·kg-1，有效磷82.2 mg·kg-1，速效鉀1 590 mg·kg-1，pH 9.90。

1.2 試驗設(shè)計

試驗始于2014 年，采用隨機區(qū)組設(shè)計，根據(jù)秸稈炭化量（2.625 t·hm-2·a-1）共設(shè)5 個處理：單施化肥（T0），分別施加15.75（T1）、31.50（T2）、63.00 t·hm-2（T3）和126.00 t·hm-2（T4）生物質(zhì)炭。每個處理設(shè)3次重復(fù)，共計18 個小區(qū)，小區(qū)面積為4.6 m×7.0 m，地膜寬2.1 m，每個小區(qū)2行地膜，每行地膜3行滴灌帶，6 行玉米，小區(qū)間隔1 m，四周均有保護行。供試生物質(zhì)炭于2014年播種前一次性撒施，并與表層0～20 cm土壤均勻混合。試驗所用化肥施用量一致：尿素660 kg·hm-2，過磷酸鈣225 kg·hm-2，磷酸二氫鉀165 kg·hm-2，硫酸鉀15 kg·hm-2，其中過磷酸鈣和硫酸鉀作為基肥一次性施入，其余氮肥和磷酸二氫鉀隨滴灌分次施入。在此期間，各處理農(nóng)藝措施均保持一致。2019年5 月16 日播種，供試玉米品種為新玉53 號，灌溉方式為滴灌，覆膜處理滴灌管置于膜下，種植體系為一年一茬，田間管理措施與當(dāng)?shù)乇３忠恢隆?/p>

1.3 土壤呼吸、土壤溫度和含水率以及土壤容重的測定

土壤呼吸速率采用LI-8100 土壤碳通量測量系統(tǒng)（LI-COR，Lincoln，美國）進行測定。每個小區(qū)內(nèi)沿對角線設(shè)2 個內(nèi)徑為20 cm、高10 cm 的PVC 管底座，將底座嵌入土壤，頂端距離地面3 cm，其中一個設(shè)置在玉米株間，株距為25 cm；另一個設(shè)置在壟間裸地，壟間寬度為50 cm。底座具體埋設(shè)位置如圖1 所示。采用根系排除法測定土壤呼吸組分[25]，玉米株間測定的土壤呼吸為土壤總呼吸（Rt），壟間裸地測定的土壤呼吸為土壤異養(yǎng)呼吸，用土壤總呼吸減去相應(yīng)的土壤異養(yǎng)呼吸，即為玉米根系的自養(yǎng)呼吸。試驗期間及時清理裸地及底座內(nèi)所有地上植物，為減少嵌入底座短期內(nèi)對土壤呼吸的擾動，在初次測量土壤呼吸速率前24 h固定好PVC管底座，固定好的底座留在試驗小區(qū)內(nèi)直至玉米生育期結(jié)束。于2019 年6 月22—24 日（拔節(jié)期）、7 月28—30 日（抽穗期）、8 月20—22 日（灌漿期）和10 月5—7 日（成熟期）對各小區(qū)土壤呼吸速率進行監(jiān)測。測定時段為07：00—22：00，每3 h 監(jiān)測一次，每個PVC管測量時間為120 s。

圖1 底座埋設(shè)位置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the location of the chamber base

土壤溫度采用地溫計測定，監(jiān)測前24 h在底座附近設(shè)置地溫計，分別對5、10、15 cm 處土壤地溫進行監(jiān)測。以底座為圓心，在半徑50 cm 的范圍內(nèi)，采集0～20 cm 土壤用于含水率的測定（烘干法）。采用環(huán)刀法對土壤0～20 cm容重進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

將土壤呼吸速率數(shù)值經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后，采用線性方程模擬土壤呼吸與土壤溫度之間的關(guān)系，見公式（1）：

式中：Rt為土壤總呼吸速率，μmol·m-2·s-1；T為土壤溫度，℃；a、b為擬合參數(shù)。

采用Jian 等[26]方法計算不同土層溫度變化敏感性對土壤呼吸速率的響應(yīng)，Q10表示土壤溫度升高10 ℃時，土壤呼吸速率變化的倍數(shù)，見公式（2）：

式中：R1和R2分別為對應(yīng)溫度T1和T2（℃）時的土壤呼吸速率，μmol·m-2·s-1。

采 用Microsoft Excel 2016、SPSS 24.0 和Origin 2018分別進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析和繪圖。采用LSD最小顯著差數(shù)法檢驗不同處理間差異顯著性（α=0.05）；用Pearson 相關(guān)系數(shù)表示土壤呼吸與水熱因子之間的相關(guān)性；采用主成分分析法對土壤呼吸速率影響因子進行提取，并計算各因子的影響權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸日動態(tài)變化

玉米拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期，不同生物質(zhì)炭處理的土壤呼吸速率日動態(tài)變化趨勢基本一致，均呈先增后降的單峰曲線（圖2a）。T4、T3、T0、T2、T1的曲線峰值分別為3.24、2.28、2.22、2.12、2.06 μmol·m-2·s-1，且均出現(xiàn)在13：00左右；各處理土壤總呼吸速率平均值分別為2.74、2.09、2.04、1.89、1.88 μmol·m-2·s-1，T4 處理顯著高于其他處理（P＜0.05）。T1 處理的土壤呼吸速率在19：00 時降至1.69 μmol·m-2·s-1，隨后又增加；其余處理的土壤呼吸速率最低值均出現(xiàn)在22：00。不同生物質(zhì)炭處理土壤異養(yǎng)呼吸總體呈先增后降的趨勢（圖2b），在13：00達(dá)到峰值。各處理土壤自養(yǎng)呼吸總體變化趨勢不明顯（圖2c），除T4外，其他各處理波動幅度較小。

2.2 不同生育時期土壤總呼吸變化

施用生物質(zhì)炭的處理，土壤呼吸速率隨著施炭量的增加而增加（圖3）。在玉米拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期，T4 處理土壤呼吸速率較T0 顯著增加了24.13%、26.22%和34.69%（P＜0.05），較T1 處理顯著增加了50.32%、32.95%和74.57%。拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期T1處理土壤呼吸速率均低于T0處理，說明單次施用生物質(zhì)炭處理5年后可降低風(fēng)沙土土壤呼吸速率。

玉米生育期內(nèi)，不同處理間土壤呼吸速率表現(xiàn)為T4＞T3＞T0＞T2＞T1（圖4）。T1 處理土壤總呼吸速率較T0 處理降低了7.10%（P＜0.05），T4 處理的土壤總呼吸速率較T1 處理則顯著增加了27.04%（P＜0.05）。不同處理間的土壤異養(yǎng)呼吸具有顯著差異（P＜0.05），表現(xiàn)為T4＞T0＞T3＞T2＞T1，T0 處理的異養(yǎng)呼吸占土壤總呼吸的比例為76.78%，顯著高于其他處理（P＜0.05）；T1 處理異養(yǎng)呼吸占土壤總呼吸的比例為59.89%，顯著低于其他處理（P＜0.05）。各處理土壤異養(yǎng)呼吸對土壤總呼吸的貢獻率為59.89%～76.78%，土壤自養(yǎng)呼吸對土壤總呼吸的貢獻率為23.22%～40.11%。

2.3 土壤呼吸與水熱因子的相關(guān)性及溫度敏感系數(shù)

圖2 施用生物質(zhì)炭5年后土壤呼吸、異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸日動態(tài)變化Figure 2 Diurnal dynamics of soil respiration，heterotrophic respiration and autotrophic respiration after 5 years of application of biochar

不同處理土壤呼吸速率與不同土層土壤溫度顯著相關(guān)（圖5）。除T4 處理外，土壤呼吸速率與15 cm土層溫度的相關(guān)性高于5 cm 土層和10 cm 土層。溫度敏感系數(shù)Q10隨生物質(zhì)炭施用量的增加呈增加趨勢，T3、T4 處理的Q10值顯著高于T0、T1 處理（圖6）。相關(guān)性分析表明，不同處理土壤呼吸與土壤含水率無顯著相關(guān)性（P＞0.05）。

圖3 施用生物質(zhì)炭5年后玉米不同生育時期的土壤呼吸Figure 3 The soil respiration in different growth stage after 5 years of biochar application

圖4 施用生物質(zhì)炭5年后各處理土壤呼吸組分Figure 4 Soil respiration components in different treatments after 5 years of biochar application

2.4 土壤因子對土壤呼吸速率的貢獻率分析

采用主成分分析法對5、10、15 cm 土層溫度及含水率和容重進行主成分提取，明確其對土壤呼吸速率影響的貢獻率。由表1 可知，所選取的水熱因子的貢獻率達(dá)到了79.98%，主成分1 和主成分2 分別為55.83%和24.15%（表1）。通過計算可知5、10、15 cm土層溫度對土壤呼吸速率影響的權(quán)重最大。

3 討論

3.1 施用生物質(zhì)炭5年后風(fēng)沙土土壤呼吸特征

圖5 土壤呼吸速率（lgRt）與不同土層溫度（T）的相關(guān)性Figure 5 The relationship between soil respiration rate（lgRt）and soil temperature（T）in different layers

圖6 土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)（Q10）Figure 6 Temperature sensitivity index（Q10）of soil respiration

表1 主成分載荷矩陣及權(quán)重系數(shù)Table 1 Principal component loading matrix and weight coefficient

施用生物質(zhì)炭5 年后風(fēng)沙土土壤呼吸速率存在明顯的日變化規(guī)律，呈先增后降的單峰曲線，由于新疆夏季晝夜溫差較大，在7：00、19：00和22：00時根系呼吸較弱導(dǎo)致土壤呼吸速率較低。在13：00 時土壤呼吸速率達(dá)到峰值，此時土壤酶活性較高，促進了植物根系的代謝速率[27-28]。由此可知，生物質(zhì)炭在施入土壤后，不同時刻作用效果存在顯著差異，峰值過后土壤呼吸隨著時間的推移緩慢降低，這與Smith 等[29]的研究結(jié)果相似。在玉米生育期測得不同處理土壤呼吸速率為T4＞T3＞T2＞T1，隨著生育期的推進則呈逐漸降低趨勢，生物質(zhì)炭施用量在一定閾值內(nèi)可抑制土壤呼吸，達(dá)到減排的效果；但超過一定閾值，隨著施用量的增加反而會促進土壤呼吸。成熟期的土壤呼吸顯著低于其他3 個時期，可能是由于玉米生長后期死根數(shù)量增加以及受氮肥供應(yīng)水平的限制，減緩了作物的生長，從而降低土壤呼吸[30]。

土壤呼吸分為自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸，區(qū)分兩者在土壤呼吸中所占比例對明確土壤呼吸機理具有重要意義[31]。對于不同生態(tài)系統(tǒng)，根系呼吸對土壤總呼吸的貢獻率在10%～90%之間波動[32]，根系呼吸變異較大。本研究結(jié)果表明，不同處理的土壤自養(yǎng)呼吸差異不顯著，對土壤總呼吸的貢獻率為23.22%～40.11%。李亞森等[33]的研究發(fā)現(xiàn)，根系的自養(yǎng)呼吸對總呼吸的貢獻率為34.55%～41.56%，這一變化略高于本研究結(jié)果，主要原因可能是本研究中生物質(zhì)炭在土壤中發(fā)生了老化現(xiàn)象[34]，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生了改變，影響了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，從而影響玉米根系呼吸。同時本研究發(fā)現(xiàn)土壤異養(yǎng)呼吸隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而增加，這一結(jié)果與Li等[20]得出的結(jié)論相反。本研究中生物質(zhì)炭在土壤中風(fēng)化時間長達(dá)5 年，一方面新鮮生物質(zhì)炭含有的易氧化有機碳已經(jīng)被微生物礦化分解，降低了微生物分解過程中不穩(wěn)定碳的利用率；另一方面生物質(zhì)炭對本底有機碳的吸附防止了微生物及其胞外酶的進入[15]，從而降低生物質(zhì)炭對本底有機碳的分解。Zhou等[35]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭對亞熱帶森林土壤的自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸沒有顯著影響，且生物質(zhì)炭的不同施用量對土壤自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸也沒有顯著差異，這與本研究結(jié)果不一致?？赡苁怯捎诒狙芯烤G洲農(nóng)田風(fēng)沙土經(jīng)歷了長期的耕作模式，地表微環(huán)境以及土壤有機質(zhì)的變化都能夠改變土壤異養(yǎng)呼吸，同時土地管理措施以及水熱因子的變化間接影響土壤自養(yǎng)呼吸[36]。由此可見，生物質(zhì)炭對土壤呼吸組分的影響，可能與土壤類型、作物種類、生物質(zhì)炭的類型[37]、施用量以及試驗時間有一定關(guān)系。

3.2 施用生物質(zhì)炭5年后土壤呼吸及水熱因子的關(guān)系

土壤溫度和含水率是影響土壤呼吸的關(guān)鍵因子。土壤溫度的變化在很大程度上可以解釋土壤呼吸日變化[38]。本研究采用線性方程對土壤呼吸和土層5、10、15 cm溫度進行擬合，發(fā)現(xiàn)土壤呼吸與土壤溫度顯著相關(guān)，這與張陽陽等[39]研究結(jié)果相似。溫度會影響土壤酶與微生物活性以及植物根系生長[40]，因此與土壤微生物呼吸和植物根系呼吸密切相關(guān)。本試驗測得的不同處理土壤Q10介于1.16～1.23 之間，這與Zheng 等[41]測定的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)Q10范圍（1.28～4.75）不同，可能是由于生物質(zhì)炭進入土壤5 年后，對碳排放的激發(fā)效應(yīng)隨著土壤中易氧化有機碳的礦化逐漸消失[20]。同時，也有研究發(fā)現(xiàn)，不同環(huán)境下的Q10值是變化的，在溫度較低的冬春季Q10值較高，而在夏季Q10值較低[42]。

水分對土壤呼吸的影響具有復(fù)雜性與不確定性[43]，土壤含水率主要受降雨和農(nóng)田灌溉的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，不同處理土壤呼吸與土壤含水率之間無顯著相關(guān)性，這可能是由于一方面干旱區(qū)降雨量小，風(fēng)沙土保水性能差；另一方面覆膜滴灌的灌溉方式導(dǎo)致土壤含水率變化范圍較小，不足以影響微生物活性以及群落結(jié)構(gòu)[44]，故未能體現(xiàn)出土壤含水量對土壤呼吸速率的作用，而土壤溫度則是影響土壤呼吸的主要環(huán)境因子。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)沙土土壤呼吸與異養(yǎng)呼吸日動態(tài)均呈單峰曲線，峰值出現(xiàn)在13：00左右；施用126.00 t·hm-2生物質(zhì)炭處理日平均呼吸速率為2.74 μmol·m-2·s-1，顯著高于其他處理（P＜0.05）；生物質(zhì)炭顯著改變了土壤異養(yǎng)呼吸，對自養(yǎng)呼吸無顯著影響。

（2）土壤呼吸速率隨生物質(zhì)炭施用量的增加顯著增加，而隨玉米生育時期的推進逐漸降低。

（3）不同生物質(zhì)炭處理土壤呼吸速率與土層5、10、15 cm溫度顯著相關(guān)，土壤呼吸溫度敏感系數(shù)隨生物質(zhì)炭施用量的增加而提升，而土壤呼吸與土壤含水率無顯著相關(guān)性。