外源碳輸入對烤煙光合特性及土壤有機(jī)碳組分的影響

云菲， 任天寶， 金磊， 王新發(fā)， 殷全玉， 袁曉麗， 董昆樂， 劉國順， 楊喜田

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院河南省生物炭工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002；2.河南省煙草公司濟(jì)源市公司，河南 濟(jì)源 454650；3.河南惠農(nóng)土質(zhì)保育研發(fā)有限公司，河南 登封 452470；4.河南省煙草公司洛陽市公司，河南 洛陽471000；5.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

土壤有機(jī)碳在全球碳循環(huán)中起著關(guān)鍵性作用，農(nóng)田土壤碳庫組分可以在較短的時間內(nèi)通過人為措施進(jìn)行合理調(diào)節(jié)[1]。近年來，由于化肥的過度施用造成植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，碳氮營養(yǎng)失衡，土壤生物活性降低，嚴(yán)重制約了烤煙的可持續(xù)生產(chǎn)[2-3]。生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是將其作為土壤改良劑促進(jìn)作物的生長和產(chǎn)量的提高[4-5]，其表面致密的孔隙結(jié)構(gòu)和較高的碳素含量可直接增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，并能為微生物生長繁衍提供良好的棲息場所及營養(yǎng)物質(zhì)，增加土壤微生物的數(shù)量，提高土壤微生物群落功能多樣性，在改善農(nóng)田土壤質(zhì)量等方面表現(xiàn)出巨大潛力[6-8]。但是，由于生物炭的制作原料、材質(zhì)及熱裂解條件不同，造成其對不同類型土壤的改良效果及對煙株生長的影響也不盡相同[9-10]。因此，本研究以不同植物來源生物炭和基于生物炭的高碳基復(fù)合肥料為碳源，旨在通過研究外源碳添加對烤煙光合特性、物質(zhì)積累、土壤活性有機(jī)碳組分的影響，探明外源碳輸入后煙草光合碳代謝及地下部土壤有機(jī)碳組分的變化情況，以期為挖掘植煙土壤固碳增產(chǎn)潛力，實現(xiàn)煙田土壤碳循環(huán)平衡提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018—2019年在河南省許昌市河南農(nóng)業(yè)大學(xué)許昌校區(qū)(北緯34°01′,東經(jīng)113°49′)進(jìn)行。供試土壤采自大田耕層，土壤類型為潮土，質(zhì)地為沙壤土，有機(jī)質(zhì)19.8 g·kg-1，堿解氮81.6 mg·kg-1，速效磷20.1 mg·kg-1，速效鉀221.5 mg·kg-1，全碳16.4 mg·g-1，全氮1.5 mg·g-1，pH值為7.6。試驗按120 cm×50 cm的行株距進(jìn)行盆栽，盆高40 cm，盆口直徑37 cm，盆底直徑27 cm。試驗所用氮肥為分析純硝酸銨(NH4NO3)、磷肥為磷酸二氫鉀(KH2PO4)、鉀肥為硫酸鉀(K2SO4)。純氮的施用量控制在0.12 g·kg-1，氮磷鉀三者比例為1∶1.5∶3，添加NH4NO30.34 g，K2SO40.44 g，KH2PO40.34 g·kg-1，其中磷肥在移栽前全部施入，氮肥和鉀肥的70%作為基肥一次性施入，其余30%于移栽后30 d根據(jù)煙株長勢追施。以當(dāng)?shù)刂髟云贩NK 326為供試材料。每盆栽1株煙，每處理20株，管理方法同大田優(yōu)質(zhì)煙葉管理方法(GB/T 23221—2008)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個處理。T1：常規(guī)施肥(對照)；T2：花生殼生物炭+常規(guī)施肥；T3：稻殼生物炭+常規(guī)施肥；T4：高碳基土壤修復(fù)肥(基于生物炭的復(fù)合肥)+常規(guī)施肥。試驗所需生物炭由河南省生物炭工程技術(shù)研究中心提供，高碳基土壤修復(fù)肥由河南惠農(nóng)土質(zhì)保育研發(fā)有限公司提供。不同種類生物炭是在380～400 ℃條件下制備，花生殼生物炭的pH值為8.55，全碳為619.7 g·kg-1，全氮為12.9 g·kg-1，比表面積為15.89 m2·g-1，平均孔徑為1.85 nm；稻殼生物炭的pH值為9.67，全碳為52.97%，全氮為0.89%，比表面積為13.02 m2·g-1，平均孔徑為4.76 nm；高碳基土壤修復(fù)肥的總養(yǎng)分含量為5.10%，主要成分包含生物炭、有機(jī)肥、礦物肥、微量元素、微生物菌劑、腐殖酸等，其中有機(jī)質(zhì)(以干基計)含量為48.5%，生物炭含量為25%，粗脂肪含量為1.32%，水分含量為22.6%，pH值為7.36。3種外源碳用量為4 g·kg-1，移栽前將生物炭、肥料與土壤(25 kg)混合均勻后放入塑料盆中。

1.3 測定方法

1.3.1 光合色素含量的測定 在煙株生長的不同生育時期(30 d團(tuán)棵期、60 d圓頂期、90 d成熟期)，選取生長一致且受光方向相同的功能葉進(jìn)行測定。稱取0.2 g剪碎的新鮮煙葉放入研缽中，加少量石英砂和碳酸鈣及2～3 mL 95%乙醇，研磨成勻漿，研磨至組織變白，過濾到25 mL棕色容量瓶中，用95%的乙醇定容，采用紫外分光光度計在665，649，470 nm處比色，計算葉綠素和類胡蘿卜素的含量。每處理重復(fù)3次[11]。

1.3.2 光合生理指標(biāo)的測定 采用LI-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)(美國LI-COR公司生產(chǎn))，在烤煙生長的不同時期(30 d團(tuán)棵期、60 d圓頂期、90 d成熟期)測定葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)和蒸騰速率(E)。各處理選取3株，每株測定3次，取其平均值，并采用輪換的順序進(jìn)行測定。

1.3.3 干物質(zhì)質(zhì)量的測定 在煙株生長的不同生育時期(30 d團(tuán)棵期、60 d圓頂期、90 d成熟期)，每處理隨機(jī)選取3株，將根、莖和葉分開稱取鮮質(zhì)量，于105 ℃殺青15 min，65 ℃恒溫烘干質(zhì)量至恒定，稱干質(zhì)量，計算物質(zhì)積累量。

1.3.4 土壤有機(jī)碳組分的測定 土壤全碳采用德國Elementar公司生產(chǎn)的全自動CNS元素分析儀(VarioMACRO cube)測定。土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸- K2SO4浸提法測定；未經(jīng)氯仿熏蒸的土壤浸提液中的有機(jī)碳作為可溶性有機(jī)碳(DOC)。土壤總有機(jī)碳(TOC)采用德國Elementar公司生產(chǎn)的有機(jī)碳分析儀(VarioMACRO TOC)測定。熏蒸和未熏蒸土壤浸提液中TOC的差值為微生物量碳(MBC)，提取系數(shù)分別為0.45,0.54；浸提液中有機(jī)碳采用TOC分析儀測定[12]。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行繪圖，采用R 3.3.1軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素方差分析，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源碳輸入對烤煙葉片光合色素含量的影響

由圖1可知，總?cè)~綠素(Chl(a+b))含量隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先增加后降低的趨勢。添加外源碳處理的Chl(a+b)含量較對照均有不同程度的增加。移栽后60 d各處理葉綠素含量達(dá)到最高，分別比對照增加了23.57%(T2),0.45%(T3),29.20%(T4)，以高碳基修復(fù)肥處理(T4)增加的比例最高，花生殼生物炭(T2)次之。移栽后90 d，各處理Chl(a+b)含量分別比移栽后60 d下降了47.12%(T1),44.04%(T2),46.46%(T3)和36.50%(T4)，T4處理的葉綠素降解緩慢，更有利于生育后期延緩衰老進(jìn)程，使烤煙葉片捕獲更多的光能，以利于光化學(xué)反應(yīng)。葉綠素b是捕光色素蛋白復(fù)合體(LHCP)的重要組成部分[13]，生育前期(移栽后30 d至60 d)，Chl b含量以T2處理最高，比對照增加了16.06%，移栽后90 d則以T4處理最高，比對照增加了47.66%，其含量的增加有利于形成更多的LHCP，提高葉綠體的捕光能力，增強(qiáng)煙株的光能利用率。類胡蘿卜素(Car)含量的變化如圖1-d所示，隨生育時間的延長，Car含量呈逐漸增加趨勢，移栽后30 d至60 d，不同處理間以T2處理的Car含量最高，分別比對照增加了32.69%和35.25%，移栽后90 d則以T4處理的Car含量最高，T2處理次之，分別比對照增加了50.23%和37.01%。在生育后期(移栽后90 d)，3種外源碳處理仍能維持較高的Car含量，這有利于提高煙株抗逆性，延緩葉片衰老?？緹煿夂仙睾康淖兓艿焦馔庠刺嫉恼{(diào)控，不同外源碳處理對光合色素(Chl a，Chl b，Chl (a+b)，Car)含量的影響均達(dá)到了極顯著水平(F值=11.98**，38.57**，26.16**，13.91**)。

圖1 外源碳輸入對煙草葉綠素及類胡蘿卜素含量的影響Fig.1 Effects of exogenous carbon input on chlorophyll(Chl a,Chl b,Chl(a+b))and carotenoid(Car) contents in tobacco leaves

2.2 外源碳輸入對烤煙葉片光合生理指標(biāo)的影響

光合速率(Pn)在移栽后60 d達(dá)到最大值，且添加外源碳處理的Pn均高于對照，以T4處理的Pn最高，T2次之，分別比對照(T1)增加了35.84%和21.80%。隨葉片衰老，Pn降低，但添加外源碳可延緩煙株光合能力的下降，移栽后90 d，3種外源碳處理的Pn下降比例分別比對照減少了14.50%(T4)、12.44%(T3)和8.34%(T2)，與補(bǔ)充碳源后光合色素含量增加，在一定程度上提高了葉片的吸光強(qiáng)度，增強(qiáng)了同化力(ATP和NADPH)的供應(yīng)(圖2-a)。由圖2-b可知，氣孔導(dǎo)度(Gs)的變化規(guī)律與Pn相似，呈先增加后降低趨勢，并以移栽后60 d添加高碳基修復(fù)肥處理的Gs最高，比對照增加了32.45%，說明外源碳在一定程度上保證了氣孔的正常開閉，以為維持光合作用的底物CO2和H2O正常進(jìn)出葉肉細(xì)胞。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，Gs下降，導(dǎo)致進(jìn)入氣孔的光合反應(yīng)原料供應(yīng)不足，與之對應(yīng)的Pn也顯著降低。蒸騰速率(E)是光合速率變化的直接因素，各處理E的總體表現(xiàn)為T4>T2>T3> T1(圖2-c)。整個生育期內(nèi)，胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)的變幅不大，但Ci與Pn，Gs的變化趨勢相反。說明Ci降低不是由于氣孔限制導(dǎo)致CO2向葉綠體的輸送減少造成的。外源碳處理的Ci低于對照，是由于外源碳輸入促使葉肉細(xì)胞的光合活性升高，葉片同化利用CO2的能力增強(qiáng)，葉肉細(xì)胞間隙CO2消耗速率增加，最終引起Ci降低(圖2-d)。

圖2 外源碳輸入對煙草光合生理指標(biāo)的影響Fig.2 Effects of exogenous carbon input on photosynthetic physiology indices of flue-cured tobacco leaves

2.3 外源碳輸入對烤煙煙株生物量積累的影響

煙株的干物質(zhì)積累量是衡量其吸收轉(zhuǎn)化營養(yǎng)成分的重要指標(biāo)[14]，各部分(根、莖、葉)干質(zhì)量隨生育進(jìn)程的推進(jìn)而增加，移栽后60 d，添加高碳基修復(fù)肥處理(T4)的地上部(葉、莖)與地下部(根系)的干質(zhì)量分別對照增加了77.82%和91.22%，說明其對地下部生長的促進(jìn)效應(yīng)比地上部更顯著。移栽后90 d，T4處理地上部與地下部干質(zhì)量比移栽后30 d分別增加了3.37倍和4.59倍，說明在煙株生長中后期高碳基土壤修復(fù)肥對干物質(zhì)積累的促進(jìn)效果更明顯。由圖3-d可知，3種外源碳處理的總干物質(zhì)積累量顯著高于對照，移栽后90 d達(dá)到最大值，不同處理間表現(xiàn)為T4(高碳基修復(fù)肥)>T2(花生殼生物炭)>T3(稻殼生物炭)>T1(對照)，外源碳處理分別比對照增加了1.51倍(T4)、1.00倍(T2)和56.92%(T3)，說明添加外源碳對烤煙葉片光合速率、光能利用具有顯著影響，進(jìn)而調(diào)控?zé)熤晏即x過程，使煙株維持較高的光化學(xué)活性，進(jìn)而促進(jìn)了光合產(chǎn)物的積累。

圖3 外源碳輸入對煙株各器官干物質(zhì)積累的影響Fig.3 Effects of exogenous carbon input on the dry matter accumulation of flue-cured tobacco

2.4 外源碳輸入對植煙土壤有機(jī)碳組分的影響

由圖4-a可知，土壤中總有機(jī)碳(TOC)的含量隨生育期延長呈逐漸增加的趨勢，移栽后90 d，3種外源碳處理的TOC含量分別比對照增加了94.18%(T4)、53.69%(T2)和29.16%(T3)?？扇苄杂袡C(jī)碳(DOC)與作物生長密切相關(guān)，決定著土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)的速率[15]。由圖4-b可知，整個生育期內(nèi)DOC含量呈先升高后緩慢降低的趨勢，移栽后60 d含量最高，外源碳施用顯著增加了土壤的DOC含量，以T4處理增加比例最高，達(dá)到45.44%。一方面，是因為添加外源碳使土壤總碳含量提高，通過微生物降解，在短期內(nèi)產(chǎn)生高濃度的DOC；另一方面，與外源碳添加后促進(jìn)了根系生物量的累積，根系分泌物增加，促進(jìn)了微生物對土壤有機(jī)碳的分解[16]。各處理土壤易氧化有機(jī)碳(ROC)含量在整個生育期內(nèi)呈逐漸增加的趨勢(圖4-c)，移栽后60 d，3種外源碳處理的ROC增幅最大，分別比對照增加了25%(T2)、26.52%(T3)和56.82%(T4)。移栽后90 d，ROC含量達(dá)到最大值，以T4處理最高，達(dá)到2.64 g·kg-1。微生物量碳(MBC)既可以參與到土壤的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，又能反映土壤的總碳變化[16]。整個生育期內(nèi)外源碳處理的MBC含量顯著高于對照，具體表現(xiàn)為T4>T2>T3>T1。相關(guān)分析表明，TOC與ROC呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.54*)，ROC與MBC呈極顯著正相關(guān)性(r=0.74*)，DOC與MBC,ROC顯著相關(guān)(r=0.49*，r=0.45*)。

圖4 外源碳輸入對土壤有機(jī)碳組分的影響Fig.4 Effects of exogenous carbon input on the soil organic carbon fractions of flue-cured tobacco

3 結(jié)論與討論

3.1 外源碳輸入對烤煙光合特性及物質(zhì)積累的影響

煙草葉片不僅是其重要的收獲器官，也是進(jìn)行光合作用的主要場所。凈光合速率是影響光合作用的重要因素，其大小反映了植物同化物生產(chǎn)能力的強(qiáng)弱[17]。本研究中，施用外源碳能夠顯著提高Pn，這與外源碳促進(jìn)了光合色素含量的增加有關(guān)。其中，Chl b含量增加有利于捕光色素獲蛋白復(fù)合體(LHCP)吸收更多的光能，以被光化學(xué)途徑所利用，促進(jìn)了光能利用效率的提高；Car含量升高有利于保護(hù)光合機(jī)構(gòu)，防止受光激發(fā)的葉綠素遭受光氧化破壞，相對延長了葉片的光合功能期[13]。另外，施用生物炭及碳基肥可以改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)控作物對養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)，加強(qiáng)后續(xù)的累積和同化，促進(jìn)作物較長時間地維持營養(yǎng)生長，進(jìn)而進(jìn)一步增加“源”強(qiáng)，改善“源-庫”關(guān)系，有利于光合碳同化產(chǎn)物的形成和積累，提高了光合生產(chǎn)力[18-20]。隨著煙株的衰老，光合作用降低，而添加外源碳對Pn下降具有顯著的緩解作用，生育后期仍能夠保持相對較高的光化學(xué)活性，施用高碳基修復(fù)肥和花生殼生物炭處理的Pn下降幅度分別比對照減少了14.50%和12.44%。與之對應(yīng)的是生育后期(移栽后90 d)各器官光合產(chǎn)物的增加，3種碳源處理的干物質(zhì)總量增幅較大，分別比對照增加了1.51(T4)、1.00(T2)和56.92%(T3)。由此可知，通過輸入外源碳提高葉片光合色素含量及光化學(xué)效率，能夠加強(qiáng)煙株的光合碳同化能力，進(jìn)而促使光合碳同化產(chǎn)物積累量增加，最終提高了其光合生產(chǎn)能力。

3.2 外源碳輸入對植煙土壤有機(jī)碳組分的影響

土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性取決于土壤有機(jī)碳組分含量、組成的不同及與環(huán)境之間的相互影響程度，提高有機(jī)碳庫組分有利于土壤肥力培育和綜合質(zhì)量的提高[21]。本試驗條件下，所添加的3種外源碳本身就屬高碳材料，施入土壤相當(dāng)于直接向土壤中輸入了大量外源有機(jī)碳，有利于TOC含量提高；與此同時，外源碳顯著增加了煙株光合產(chǎn)物的積累，提高了各組分的生物量，地下部根系生物量的增加促進(jìn)了根系分泌物的增加，進(jìn)而促進(jìn)了TOC含量提高。此外，由于生物炭自身結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的生物穩(wěn)定性，能將有機(jī)碳吸附在自身周圍，有效分隔微生物及其分泌物對活性有機(jī)碳的分解[21-23]；另一方面,其惰性碳成分難以被微生物分解，易礦化的有機(jī)碳含量較低，有利于土壤有機(jī)碳組分穩(wěn)定性的提高。土壤碳庫變化主要集中在活性碳庫中，土壤有機(jī)碳中的活性組分是指土壤中穩(wěn)定性差，周轉(zhuǎn)速率快，易礦化分解，在土壤中移動快，易受植物和土壤微生物影響，活性較高的那部分有機(jī)碳[16, 24]。依據(jù)提取方法，土壤活性有機(jī)碳常分為易氧化態(tài)碳(ROC)、可溶性碳(DOC)和微生物量碳(MBC)等[25]。土壤DOC主要來源于植物凋落物、微生物活動、根系分泌物及人為施肥等途徑，具有溶解性、移動快、易礦化分解等特點(diǎn)[26]。DOC含量與土壤中總碳及黏粒含量密切相關(guān)，目前，有關(guān)施用外源碳對DOC含量變化的影響有兩種完全不同的觀點(diǎn)：①添加外源碳后產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，微生物量和土壤呼吸速率增加，微生物礦化速率加快，從而促進(jìn)了作為有機(jī)碳降解產(chǎn)物的DOC含量顯著增加。②添加外源碳后，生物炭中Ca2+能夠絡(luò)合土壤DOC，進(jìn)而降低了土壤溶液中的DOC含量[27-29]。本研究結(jié)果表明，施用外源碳顯著增加了DOC的含量，可能是由于生物炭及碳基肥料中的多孔結(jié)構(gòu)為土壤微生物提供了良好的棲身場所，促進(jìn)了微生物的代謝活性及碳源利用效率的提高，一部分活性有機(jī)碳被微生物分解，使DOC含量增加[26,30-32]；另外，外源碳促進(jìn)了煙株光合碳同化產(chǎn)物的積累，以根際沉積形式進(jìn)入到地下部的植物凋落物和根系分泌物增加，有利于DOC含量增加。DOC中約有10%～40%易降解組分[25]，煙株生長后期土壤中DOC在微生物的作用下被降解，含量有所降低。作物根系、地上部分殘體還土、土壤微生物死亡后體內(nèi)物質(zhì)釋放及土壤本身有機(jī)碳活化是土壤ROC來源途徑[15,33]。與對照相比，添加外源碳后ROC含量提高，可能與生物炭表層易氧化成分的分解及TOC的分解轉(zhuǎn)化加快有關(guān)。微生物量碳含量約占土壤微生物本身干物質(zhì)量的50%，外源碳能夠改善土壤特性，固持更多水肥，增大孔隙度，為微生物生長繁殖創(chuàng)造了有利條件，進(jìn)而促進(jìn)了微生物生物量的增加[35]。3種外源碳處理的微生物量碳(MBC)含量增加，與李明[10]、李芳芳[34]等研究結(jié)果一致。

本試驗條件下，外源碳輸入提高了煙株的光合碳同化能力，進(jìn)而促使光合產(chǎn)物積累量增加。同時，表征土壤碳庫組分的多項指標(biāo)(如TOC，DOC，ROC，MBC)優(yōu)于常規(guī)施肥處理。這對改善土壤微生態(tài)環(huán)境，提高土壤肥力，進(jìn)而達(dá)到固碳增產(chǎn)的目的具有積極作用。由于高碳基修復(fù)肥既富含了生物炭成分能夠有效吸附易礦化的有機(jī)碳并負(fù)載肥料養(yǎng)分，有利于土壤肥力保持。同時，又添加了一定的灰分元素和微量元素，彌補(bǔ)了生物炭自身養(yǎng)分的不足，從而為作物生長提供了均衡且長效的養(yǎng)分供應(yīng)，促進(jìn)了作物產(chǎn)量提升。因此，3種外源碳中以高碳基土壤修復(fù)肥對煙株光合性能及土壤固碳潛力的促進(jìn)效果最佳。