不同施肥措施下煙田生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究

劉青麗 鄒焱 蔣雨洲 朱經(jīng)偉 張?jiān)瀑F 石俊雄 李志宏

摘 要：針對(duì)烤煙不同施肥措施，研究烤煙生態(tài)系統(tǒng)的碳收支，為提升煙田碳管理及農(nóng)田碳匯測(cè)算提供依據(jù)。以貴州省龍崗長期定位試驗(yàn)為平臺(tái)，選擇不施肥（CK）、單施化肥（NPK）、化肥配施廄肥（NPK+M）、化肥配施生物有機(jī)肥（NPK+BM）4個(gè)處理，于2015—2017年對(duì)烤煙碳固定及生長季CO2排放進(jìn)行監(jiān)測(cè)。研究結(jié)果顯示，長期施化肥可以大幅度提高烤煙碳同化量，NPK處理烤煙碳累積量是CK的3.09倍。NPK+M、NPK+BM碳累積量較NPK處理分別提高了2.70%和12.43%。施肥提高了莖碳的分配比例，降低了葉碳分配比例，對(duì)根碳比例影響不顯著。不施肥處理CO2累積排放量為7 194.58 kg/hm2，施化肥處理CO2累積排放量較不施肥處理增加了22.99%，NPK+M處理CO2累積排放量較NPK顯著提高了23.65%。施肥處理碳生態(tài)效率顯著高于不施肥處理。在不施肥條件下烤煙生態(tài)系統(tǒng)為大氣CO2的碳源，單施化肥下烤煙生態(tài)系統(tǒng)碳匯量為132.65 kg/hm2，有機(jī)肥和生物有機(jī)肥處理碳匯量分別達(dá)到了869.41和740.99 kg/hm2。由此可見，施肥可促進(jìn)烤煙碳累積，提高了碳生態(tài)效率，使煙田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣而言為“碳庫”。

關(guān)鍵詞：烤煙;CO2排放;碳固定;碳平衡;施肥

Abstract： In view of the fertilization measures of flue-cured tobacco， the carbon budget of flue-cured tobacco ecosystem was studied to provide basis for improving carbon management in tobacco fields and calculating carbon sink in farmlands. Based on the long-term positioning experiment in Longgang， Guizhou Province， four experimental treatments were selected in 2015-2017， including no fertilizer （CK）， single fertilizer （NPK）， fertilizer with manure （NPK+M）， fertilizer with bio-organic fertilizer （NPK+ BM）， to study the carbon accumulation and CO2 emission of the flue-cured tobacco ecosystem. The results showed that long-term application of chemical fertilizers can significantly improve the carbon assimilation of tobacco. The carbon accumulation of the NPK treatment is significantly higher than CK， being 3.09 times of CK. Compared with the NPK treatment， the carbon accumulation of NPK+M and NPK+BM increased by 2.7% and 12.43%， respectively. Fertilization increased the distribution ratio of stem carbon， reduced the distribution ratio of leaf carbon， but had no significant effect on the root carbon ratio. The CO2 emission of non-fertilization treatment was 7 194.58 kg/hm2， which was increased by 22.99% compared with that of the non-fertilization treatment. The CO2 emission of the manure combined with fertilizer treatment was higher than that of the single fertilization treatments， and the CO2 emission of the NPK+M treatment was 23.65% higher than that of the NPK treatment. The ecological efficiency of carbon under the fertilization treatments was significantly higher than that of the non-fertilization treatment. With no fertilization， the flue-cured tobacco ecosystem is the carbon source to atmospheric CO2. With single fertilization， the carbon sink is 132.65 kg/ha in the flue-cured tobacco ecosystem. The carbon sink of the organic fertilizer and bio organic fertilizer treatments are 869.40 kg/ha and 740.99 kg/ha， respectively. Single application of chemical fertilizers can promote the carbon accumulation of flue-cured tobacco， improve the carbon ecological efficiency， and make the tobacco field ecosystem a “carbon sink” for the atmosphere; Combined application of organic and inorganic fertilizers can increase the external carbon， and improve the carbon sink of the flue-cured tobacco ecosystem.

Keywords： flue-cured tobacco; CO2 emission; carbon fixation; carbon budget; fertilization

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳庫是全球碳庫的重要組成部分，農(nóng)田碳庫的收支與平衡在全球碳循環(huán)中具有重要的作用。在全球氣候變暖的背景下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放和碳平衡問題日漸成為關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。CO2排放作為農(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[2]。施肥是提升作物生產(chǎn)力的重要措施，不同施肥措施會(huì)影響土壤理化性質(zhì)、微生物活性、作物生長，進(jìn)而影響CO2排放[3]。近年來，針對(duì)施肥量[4-5]、施肥種類[6]、施肥方式[7]等對(duì)CO2排放的影響已有諸多研究。有研究表明施肥顯著提升CO2排放[8]，也有研究顯示施肥對(duì)CO2影響不顯著[9]。但單純通過土壤或土壤-作物系統(tǒng)CO2的排放無法評(píng)價(jià)施肥對(duì)大氣溫室氣體CO2的全面影響，需要結(jié)合作物光合產(chǎn)物（生物量）來綜合判斷旱作土壤-作物系統(tǒng)作為大氣溫室氣體CO2的源/匯關(guān)系[10]?？緹熓且环N重要的經(jīng)濟(jì)作物，其管理方式與大田作物有諸多不同，尤其是對(duì)有機(jī)肥和氮肥的施用要求嚴(yán)格。貴州是我國主要煙葉產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)量位居全國第二，隨著烤煙多年種植，出現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤微生物活性下降的現(xiàn)象，施用有機(jī)肥和生物有機(jī)肥已成為土壤保育的重要措施。因此本研究依托長期定位試驗(yàn)，通過2015—2017年3年的監(jiān)測(cè)，研究烤煙現(xiàn)有管理方式下烤煙生態(tài)系統(tǒng)的碳收支，為農(nóng)田碳匯測(cè)算及提升煙田碳管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本研究于2015—2017年在玉米烤煙輪作定位試驗(yàn)田進(jìn)行，土壤為黃壤，壤質(zhì)地為粉（砂）質(zhì)壤土，其砂粒含量26.02%、粉粒含量61.37%、黏粒含量12.61%。2015年不同處理土壤性狀如表1所示。該定位試驗(yàn)開始于2008年，位于貴州省貴陽市開陽縣龍崗鎮(zhèn)（E107°06′40.8″，N26°52′24.8″），該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，水熱同季，無霜期240～265 d，年平均氣溫13.5～14.6 ℃，年日照時(shí)數(shù)948.2～1 084.8 h，年降雨量1 129.9～1 205.9 mm。2015—2017年的烤煙生長季溫度和降水詳見文獻(xiàn)[11]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在定位試驗(yàn)選擇不施肥（CK）、單施化肥（NPK）、化肥配施廄肥（NPK+M）、化肥配施生物有機(jī)肥（NPK+BM）4個(gè)處理，各處理施肥量如表2所示。由于定位試驗(yàn)無重復(fù)，為了增加數(shù)據(jù)的可信度，在每個(gè)小區(qū)進(jìn)行了多點(diǎn)采樣（3點(diǎn)）。

1.3 田間管理

烤煙肥料分兩次施用，基肥用烤煙專用復(fù)混肥[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=10∶10∶25]、過磷酸鈣（P2O5：14%）和硫酸鉀（K2O：51%）;廄肥為腐熟牛糞7500 kg/hm2（N：1.4%;P2O5：0.4%;K2O：2.1%;有機(jī)質(zhì)：15.5%），生物有機(jī)肥750 kg/hm2，為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)提供（N 2.6%;P2O5 2.2%;K2O 2.8%;有機(jī)質(zhì)45.2%）;磷肥、廄肥和生物有機(jī)肥在基肥中一次性施入。追肥施用硝酸銨（含N 35%）和硫酸鉀（含K2O 51%），基肥采用條施、追肥采用穴施。

供試烤煙品種為K326，移栽密度為110 cm×55 cm，每個(gè)小區(qū)8壟，栽培烤煙240株。2015年，4月30日施基肥，5月1日移栽，6月14日施追肥。2016年，5月3日施基肥，5月4日移栽，6月1日施追肥。2017年，4月18日施基肥，4月24日移栽，5月31日追肥。施肥起壟后覆膜移栽，團(tuán)棵期揭膜培土。整個(gè)烤煙生長季僅移栽時(shí)澆定根水，其他時(shí)期均無人工灌溉。其他田間管理制度，按照當(dāng)?shù)乜緹熖镩g耕作栽培制度進(jìn)行。

1.4 樣品采集

1.4.1 氣體樣品采集 2015—2017年，采用靜態(tài)箱-氣象色譜法測(cè)定CO2排放。靜態(tài)箱分為底座和箱體兩部分[12]，底座和箱體尺寸均為長60 cm、寬50 cm、高30 cm;箱體采用不銹鋼制作，外壁附有隔熱材料，配有溫濕度傳感器。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)分別固定3個(gè)底座，使煙株位于底座中央;取樣時(shí)，將箱體放置嵌入底座凹槽內(nèi)，用水密封，保證靜態(tài)箱內(nèi)外空氣不發(fā)生交換。煙苗較小時(shí)在靜態(tài)箱內(nèi);烤煙移栽30 d后，近地?zé)熐o被卡在箱體的中間，地上部冠層處于箱體之外。靜態(tài)箱密封0～45 min內(nèi)，每間隔 15 min用50 mL注射器采集氣體，迅速轉(zhuǎn)移到250 mL鋁膜氣樣袋中（大連光明化工研究所生產(chǎn)）。采集完成后，帶回實(shí)驗(yàn)室，采用氣相色譜（HP 7890A）測(cè)定CO2濃度。自烤煙移栽起，每間隔15 d取一次樣，氣體樣品采集時(shí)間在8：00—10：00進(jìn)行[13]，分別在基肥和追肥施用后1、3、5、7 d增加氣體采集頻率。由于該區(qū)域降雨頻繁，因此未在降雨后增加氣體采集。

1.4.2 植株樣品采集 烤煙打頂后，在每小區(qū)選擇長勢(shì)中等煙株3株進(jìn)行標(biāo)記，從下部葉開始隨熟隨采，并記錄采集葉片的位置。為避免烤煙根系腐爛脫落，進(jìn)入上部葉成熟期，采集整株。每次采集樣品殺青烘干之后稱重，并將樣品分為根、莖（包含花絮及腋芽）、下部葉（底葉及1～6片葉）、中部葉（7～12片）、上部葉（13片以上）5個(gè)部分。將標(biāo)記株樣品粉碎，用TOC儀測(cè)定碳含量。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算

（1）CO2排放計(jì)算[13]

應(yīng)用45 min內(nèi)采集的CO2含量變化，計(jì)算排放速率（k）：

式中C為CO2濃度（cm3/m3），t為時(shí)間（min），k為CO2排放速率[cm3/（m3·min）]，C0為常數(shù)。

煙田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量（F）：

式中，F(xiàn)為CO2的排放通量[mg/（m2?h）]，常數(shù)60為時(shí)間換算，從分轉(zhuǎn)換為小時(shí)。H為采樣箱的有效高度（cm），T為采樣時(shí)箱內(nèi)平均氣溫（℃），常數(shù)44為CO2的摩爾質(zhì)量（g/mol），k為CO2排放速率。

烤煙生長季CO2累積排放量（M）：

式中：M為CO2累積排放量（kg/hm2）;F為CO2排放通量[kg/（hm2·d）];i為采樣次數(shù);t為移栽后時(shí)間（d）。

（2）烤煙生長季碳生態(tài)效率[14]：

式中：CS是碳生態(tài)效率;CA是碳的吸收量（kg）;CT為碳的排放量（kg）。

（3）烤煙生態(tài)系統(tǒng)碳平衡=有機(jī)肥碳投入+烤煙碳固定-排放碳

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 20 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，對(duì)各處理采用多點(diǎn)重復(fù)測(cè)量雙因素方差分析，雙因素分別為試驗(yàn)?zāi)攴莺褪┓侍幚怼?/p>

2 結(jié) 果

2.1 不同施肥措施下烤煙生態(tài)系統(tǒng)固碳特征

2.1.1 不同施肥措施對(duì)烤煙碳累積的影響 烤煙同化碳是烤煙生態(tài)系統(tǒng)碳的主要來源，3年烤煙平均固定碳量如圖1所示。結(jié)果顯示，不同施肥措施下烤煙碳累積量差異顯著，其中CK烤煙碳累積量最低，僅為821.52 kg/hm2;NPK處理烤煙碳累積量顯著高于CK，是CK的3.09倍。NPK+M、NPK+BM處理碳累積量顯著高于NPK處理，分別為2 612.21和2 862.45 kg/hm2，比NPK處理分別提高了2.70%和12.43%，但NPK+M與NPK+BM處理間烤煙碳累積量無顯著差異。從不同部位來看，NPK處理根、莖、葉均顯著高于CK;NPK+M、NPK+BM葉的碳累積量顯著高于NPK，分別提高18.75%和21.08%。不同處理產(chǎn)量表現(xiàn)為CK

2.1.2 不同施肥措施下烤煙碳分配 烤煙碳在不同部位的分配如圖2所示?？緹煾堤颊紵熤晏伎偭康谋壤秊?9.18%～24.02%，不同處理間差異不顯著。不同處理煙莖碳累積量占煙株總累積量的比例差異顯著，其中CK處理烤煙莖碳分配比例最低，NPK、NPK+M、NPK+BM處理烤煙莖的分配比例較CK處理分別提高了39.78%、31.96%和36.45%。不同處理葉碳累積量占煙株總累積量的比例差異顯著，其中CK處理葉碳分配比例最高，NPK+M、NPK+BM處理煙葉的分配比例顯著低于CK，NPK處理煙葉碳的分配比例最低。表明施肥顯著提高了碳在莖中分配比例，降低了葉碳比例。

2.2 不同施肥措施下CO2排放特征

2.2.1 不同施肥措施下CO2排放動(dòng)態(tài) 通過3年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均，不同處理下烤煙生態(tài)系統(tǒng)CO2排放動(dòng)態(tài)如圖3所示。研究結(jié)果顯示，CO2排放速率在烤煙移栽初期（0～30 d）較低，團(tuán)棵期之后烤煙快速生長，CO2的排放速率也迅速增加，至烤煙打頂期達(dá)到最大，之后開始下降。CO2排放動(dòng)態(tài)與烤煙生長動(dòng)態(tài)一致。從不同處理來看，在不施肥措施下，CO2排放速率在整個(gè)生長季均較低，單施化肥處理（NPK）大幅度提高了CO2排放速率。與NPK處理相比，NPK配施有機(jī)肥（廄肥）處理CO2排放速率在整個(gè)生長季均有增加;而NPK配施生物有機(jī)肥處理在移栽后0～50 d內(nèi)CO2排放速率增加，之后CO2排放速率則降低，表明生物有機(jī)肥提高前期CO2排放速率，降低了烤煙生長后期CO2排放速率。

2.2.2 不同施肥措施下烤煙生長季CO2排放量 從排放總量上來看（圖4），CK處理CO2排放最低，僅為7 194.58 kg/hm2。NPK處理CO2排放量顯著高于CK，較CK增加了1 654.28 kg/hm2，增加了22.99%。NPK+M處理CO2排放量顯著高于NPK，較NPK增加了2 092.71 kg/hm2，提高了23.65%;NPK+BM處理CO2排放量較NPK減少了140.70 kg/hm2，降低了1.59%。表明化肥配施廄肥使生態(tài)系統(tǒng)CO2排放增加，配施生物有機(jī)肥作用不顯著。

2.3 不同施肥措施下碳生態(tài)效率

碳生態(tài)效率是指作物通過光合作用固定在體內(nèi)的碳量與碳排放量的比值，是評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性的指標(biāo)之一[11]。從圖5可以看出，在不施肥條件下（CK），烤煙生態(tài)系統(tǒng)碳生態(tài)效率為0.45。統(tǒng)計(jì)分析顯示，NPK、NPK+M、NPK+BM處理CO2排放效率分別為1.16、1.09、1.26，三者碳生態(tài)效率顯著高于CK，但三者之間沒有顯著差異，表明施肥可以提高碳的生態(tài)效率。

2.4 不同施肥措施下煙田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡

圖6顯示，不施肥處理（CK）烤煙生態(tài)系統(tǒng)碳輸入量小于碳輸出量，烤煙生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣而言為“碳源”。NPK提高了烤煙的碳固定量，烤煙生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣而言為“碳匯”，碳匯量為132.65 kg/hm2。有機(jī)肥和生物有機(jī)肥處理由于有外源碳的輸入，碳匯量增加，分別達(dá)到了869.40和740.99 kg/hm2。

3 討 論

3.1 施肥對(duì)烤煙固碳的影響

植物光合作用是大氣CO2向有機(jī)碳化合物轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵過程，不同營養(yǎng)管理方式影響著作物固定轉(zhuǎn)化大氣CO2的能力，進(jìn)而影響著作物固定大氣CO2的量。施肥會(huì)影響作物碳氮代謝[15]，同時(shí)影響作物產(chǎn)量及碳氮累積[16-17]。本研究顯示，與不施肥相比，長期施化肥可以大幅度提高烤煙碳同化量，有機(jī)無機(jī)肥配施烤煙碳同化量顯著高于單施化肥，表明施肥可以增加烤煙碳存貯，提高烤煙生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。施肥不僅影響碳累積量，同時(shí)也影響碳在不同器官的分配[18]。植株碳同化物優(yōu)先分配給生長中心，對(duì)于以收獲籽粒為目的的糧食作物而言，施肥能提高碳同化物在籽粒中的分配比例，降低碳同化物在莖葉和根茬中的分配比例[16，19]?？緹熍c大田作物不同，增加施氮量能夠促進(jìn)同化物向根部和莖部運(yùn)輸分配[20]。因此，施肥提高了烤煙莖碳的分配比例，降低了葉碳分配比例，對(duì)根碳比例影響不顯著。

3.2 施肥對(duì)CO2排放的影響

農(nóng)田CO2排放主要來源于土壤微生物呼吸及根系呼吸，根系呼吸在CO2排放中占主導(dǎo)地位[21]，因此烤煙生長季CO2的排放與烤煙生長動(dòng)態(tài)相一致，呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。不同施肥措施下，烤煙生態(tài)系統(tǒng)CO2排放動(dòng)態(tài)一致，但排放總量差異顯著。研究顯示，烤煙施化肥處理CO2排放通量高于不施肥處理，表明化肥增加了CO2排放。這與煙草[22]、小麥、玉米等作物上研究結(jié)果相一致[4，23-24]。這是由于施化肥可以為土壤提供養(yǎng)分，提高微生物活性，從而增加微生物呼吸，導(dǎo)致CO2排放增加[3];同時(shí)化肥可以促進(jìn)煙株生長，根系生物量及根系活力提升，使根系呼吸增加。有機(jī)肥施用增加了CO2源物質(zhì)，同時(shí)長期施用有機(jī)肥促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)累積[25]，增加土壤有機(jī)碳高、中、低活性組分含量[26]，使有機(jī)無機(jī)肥配施處理CO2排放量高于單施化肥。但生物有機(jī)肥處理CO2排放與單施化肥差異不顯著，這可能是由于生物有機(jī)肥改變了微生物組成，另一方面可能是生物有機(jī)肥投入量小于廄肥投入量，沒有對(duì)CO2排放造成顯著影響。

3.3 施肥對(duì)煙田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)也是最活躍的部分，其頻繁受人類活動(dòng)的干擾。在不同種植方式和管理措施下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)會(huì)成為大氣的碳源或碳庫[27-29]。由于施肥影響烤煙生態(tài)系統(tǒng)CO2排放和碳固定，致使不同施肥處理下系統(tǒng)碳平衡差異顯著。在不施肥條件下，盡管土壤CO2排放量較低，但由于養(yǎng)分缺乏，烤煙碳同化能力下降，碳利用效率低下，導(dǎo)致烤煙生態(tài)系統(tǒng)為大氣CO2的碳源。已有研究顯示，長期施用化肥不利于土壤有機(jī)質(zhì)的累積[30]，但由于化肥提高了烤煙碳利用效率，增加了碳固定，使烤煙生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)為碳匯。有機(jī)無機(jī)配施雖然顯著增加了CO2排放，但由于外源有機(jī)碳的投入及烤煙碳固定的增加，提高了烤煙生態(tài)系統(tǒng)碳匯量。

4 結(jié) 論

綜上所述，在不施肥條件下，烤煙生態(tài)系統(tǒng)為大氣CO2的碳源。長期施化肥雖然增加了CO2排放，但同時(shí)提高了烤煙碳同化量，使烤煙生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)為碳匯。有機(jī)無機(jī)配施雖然顯著增加了CO2排放，但由于外源有機(jī)碳的投入及烤煙碳固定的增加，提高了生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力，增加了烤煙生態(tài)系統(tǒng)的碳匯量。

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