生物炭對(duì)土壤碳組分及煙草生長(zhǎng)發(fā)育的影響

王歡歡，趙園園，陳小龍，劉國(guó)順，史宏志*

1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州市金水區(qū)文化路95號(hào) 450002 2.河南省生物炭工程技術(shù)研究中心，鄭州市金水區(qū)信息學(xué)院路12號(hào) 450002 3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，鄭州市榆林南路16號(hào) 450016

近年來，我國(guó)植煙土壤存在碳氮失衡和外源碳補(bǔ)充不足等問題，導(dǎo)致植煙土壤養(yǎng)分有效性降低、有機(jī)質(zhì)含量低、土壤質(zhì)地緊實(shí)、土壤板結(jié)，同時(shí)也造成煙葉產(chǎn)質(zhì)量下降［1］。生物炭是一種富碳材料，具有較高的比表面積、孔隙率、吸附性和穩(wěn)定性［2］。施用生物炭可提高土壤有機(jī)碳含量，并通過改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等方式增加土壤微生物生物量碳，進(jìn)而直接和間接影響土壤碳組分［2-5］。施用生物炭還可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤品質(zhì)［6-8］。在固碳減排方面，生物炭作為土壤改良劑施入土壤，可減少?gòu)U棄物焚化而向大氣排放有害氣體，并增加植煙土壤的碳固存［6］。目前，生物炭對(duì)土壤碳和其他理化特性影響方面的研究報(bào)道較多，主要涉及土壤總有機(jī)碳含量［9-11］，或不同用量生物炭在土壤改良方面的作用。Wang等［12］研究表明，生物炭可顯著提高土壤持水能力和比表面積，使土壤陽(yáng)離子交換量增加20%。Ge等［13］試驗(yàn)表明，毛竹生長(zhǎng)季節(jié)生物炭可有效降低土壤呼吸速率。李亞森等［14］研究顯示，土壤呼吸速率與生物炭用量間不存在絕對(duì)的正或負(fù)相關(guān)關(guān)系，在適宜用量范圍內(nèi)生物炭可降低土壤碳排放速率和排放量，而土壤中施用生物炭超過一定閾值時(shí)反而提高土壤CO2排放速率。但Liu等［15］研究認(rèn)為，生物炭對(duì)土壤CO2排放速率無(wú)顯著影響。在煙草生長(zhǎng)發(fā)育方面，生物炭可通過改善植煙土壤品質(zhì)，提高養(yǎng)分利用效率，進(jìn)而促進(jìn)煙株根系的生長(zhǎng)發(fā)育，協(xié)調(diào)煙株地上和地下部的生長(zhǎng)。Feng等［16］研究表明，土壤中添加生物炭可提高水稻的凈光合速率，對(duì)水稻營(yíng)養(yǎng)期和成熟期的生長(zhǎng)發(fā)育有顯著促進(jìn)作用。但前人研究多數(shù)涉及生物炭對(duì)土壤單一碳指標(biāo)或煙草某一生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的影響，而有關(guān)生物炭對(duì)植煙土壤不同碳組分以及煙株生理指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化的報(bào)道較少。為此，通過大田試驗(yàn)研究了不同用量條件下生物炭對(duì)植煙土壤碳庫(kù)、碳排放和煙草生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)變化的影響，旨在為生物炭在煙田固碳減排、改良植煙土壤方面提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)置在河南省許昌市（E：113°03′，N：33°42′），試驗(yàn)區(qū)域?qū)儆谂瘻貛啙駶?rùn)季風(fēng)氣候，雨熱同期，四季分明，全年日照時(shí)數(shù)2 280 h，年平均氣溫15℃左右，年降水量700 mm左右，無(wú)霜期217 d。土壤0～20 cm土層的基本理化性狀：pH 6.5、全氮0.713 g/kg、全碳7.772 g/kg、全硫0.627 g/kg、速效氮0.098 g/kg、速效磷0.026 g/kg、速效鉀0.207 g/kg。采用Nielsen等［17］的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)炭化方式（生物質(zhì)在密閉無(wú)氧狀態(tài)下炭化，通氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，炭化后氣體經(jīng)冷卻或萃取后回收），以花生殼為原料生產(chǎn)生物炭。熱解溫度以26℃/min的速率增加至450℃，保持30 min。生物炭的基本理化性狀：比表面積16.72 m2/g、pH 8.6、電導(dǎo)率2.3 s/m、總氮7.9 g/kg、總碳773 g/kg、鉀4.1 g/kg、磷2.3 g/kg、硫0.39 g/kg。供試煙草品種為中煙100。

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理，對(duì)照為T0。氮肥施用量：0.64 t/hm2，肥料配比：m（K2SO4）∶m［Ca（H2PO4）2］∶m（NH4NO3）=2∶1∶1。生物炭與氮肥配施處理：0.5 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T1）、1 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T2）、1.5 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T3）和2 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T4）。3次重復(fù)，隨機(jī)排列，每處理每次重復(fù)1個(gè)小區(qū)，共15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積79.1 m2。起壟前氮肥和生物炭作為基肥在移栽前10 d施入土壤，施肥方法為條施，后期不追肥。選用60 d左右苗齡的煙苗，于5月3日移栽。煙苗移栽行距120 cm，株距55 cm，起壟高度30 cm。田間管理均按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范實(shí)施。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.2.1 土壤呼吸速率的測(cè)定

使用LI-8100閉路式土壤CO2排放測(cè)定系統(tǒng)（LI-8100，北京力高泰科技有限公司）測(cè)定土壤呼吸速率（SSR）。在測(cè)定前24 h安裝好PVC環(huán)（直徑25 cm、高20 cm、環(huán)厚度0.5 cm），每小區(qū)放置2個(gè)PVC環(huán)，共計(jì)30個(gè)。

1.2.2 土壤有機(jī)碳的測(cè)定

采用Dumas燃燒法及全自動(dòng)有機(jī)元素分析儀（Elementar-Vario-MAX-CN，北京聚光盈安科技有限公司）測(cè)定土壤總有機(jī)碳（TOC）含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［18］；采用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定土壤微生物生物量碳（MBC）含量［18］；用總有機(jī)碳分析儀（Phoenix 8000，上海元析儀器有限公司）測(cè)定可溶性有機(jī)碳（DOC）含量［18］；用高錳酸鉀氧化比色法測(cè)定土壤易氧化有機(jī)碳（EOC）含量［19］。

1.2.3 煙草生理指標(biāo)的測(cè)定

采用TTC法測(cè)定根系活力（RA）［20］。在煙草移栽后40、55、70、85和100 d，選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的中部葉（自下而上第10片葉），在上午9：00—11：00光強(qiáng)大于1 500 μmol/（m2·s）時(shí)測(cè)定，每處理均測(cè)定15株，使用光合強(qiáng)度測(cè)定儀（HED-GH10，青島聚創(chuàng)嘉恒分析儀器有限公司）測(cè)定葉片光合特性指標(biāo)。在移栽后40、55、70、85和100 d采集整株煙測(cè)定根、莖和葉的干物質(zhì)積累量（TBIOM）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和Origin 2017C軟件制圖，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

土壤CO2排放總量計(jì)算公式：

式中：TSRR為煙草生育期CO2排放總量（kg/hm2），Ri和Ri+1分別為第i次和第i+1次測(cè)定時(shí)CO2日排放量（kg/hm2），N為相鄰兩次測(cè)量間隔天數(shù)（d），Rfirst表示第1次測(cè)定當(dāng)天的土壤CO2排放量。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤碳排放的影響

隨著煙草生育期的推進(jìn)，SRR呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，在煙草生長(zhǎng)發(fā)育中期（移栽后70 d）各處理的SRR最高；T1、T2和T3處理在煙草各生育期均低于T0，在移栽后70 d T1、T2和T3比T0分別降低17.07%、30.89%和28.46%。而T4處理在煙草生長(zhǎng)發(fā)育中期和后期均高于T0，在移栽后70 d T4處理比T0提高8.79%（圖1A）。由圖1A還可看出，T1、T2和T3處理在煙草各生育期的SRR差異不顯著，而T4處理與T1、T2、T3間差異顯著，總體上T4處理高于T0，而T0高于T1、T2和T3處理。由圖1B可知，隨著生物炭施用量的增加，土壤TSRR呈增加趨勢(shì)。T4處理的土壤TSRR最高，且與其他處理間差異顯著，T4處理比T0提高5.86%，而T0高于T1、T2和T3處理，且差異顯著，T0處理分別比T1、T2和T3提高28.14%、25.25%和8.41%（圖1B）。

圖1 生物炭對(duì)土壤呼吸作用的影響Fig.1 Effects of biochar on soil respiration

2.2 生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的影響

2.2.1 有機(jī)碳組分

由圖2可知，隨著煙草生育期的推進(jìn)，TOC呈下降趨勢(shì)；MBC和DOC呈先增加后降低的趨勢(shì)，且均在移栽后70 d達(dá)到最大值；EOC在生長(zhǎng)發(fā)育前期變化不明顯，而在煙草生長(zhǎng)發(fā)育后期明顯增加。不同生育期生物炭處理的土壤各碳組分均顯著高于T0。在煙草移栽后40、55、70、85和100 d，T4處理TOC分別比T0提高45.16%、36.56%、19.83%、18.27%和13.98%（圖2A），T4處理MBC分 別比T0提 高15.74%、45.22%、29.38%、29.90%和14.29%（圖2B）。在移栽后40 d隨生物炭施用量的增加DOC呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，而在移栽后55～85 d DOC隨生物炭施用量的增加而增加，至移栽后100 d隨著生物炭施用量的增加DOC變化規(guī)律不明顯（圖2C）。各生育期EOC隨生物炭施用量的增加變化規(guī)律也不明顯（圖2D）。

2.2.2 活性有機(jī)碳組分在總有機(jī)碳中的占比

圖2 不同生物炭處理土壤有機(jī)碳組分的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of soil organic carbon components under different biochar treatments

表1 生物炭對(duì)土壤活性有機(jī)碳組分在總有機(jī)碳中占比的影響①Tab.1 Effects of biochar on proportion of soil active organic carbon in total organic carbon

如表1所示，隨煙草生育期的推進(jìn)，不同處理的MBC/TOC和DOC/TOC均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，且均以T2和T3處理最高。在移栽后40、55和100 d不同生物炭處理的MBC/TOC均低于T0，且差異達(dá)到顯著水平，移栽后70和85 d各處理間差異不顯著。土壤DOC/TOC的變化規(guī)律與MBC/TOC不同，各處理DOC/TOC均高于T0，且與T0間差異達(dá)到顯著水平，而生物炭處理間差異不顯著。

2.3 生物炭對(duì)煙株生理指標(biāo)的影響

2.3.1 根系活力

與T0相比，生物炭處理的土壤RA增加，且隨著生物炭施用量的增加RA總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。隨著生育期的推進(jìn)，煙株RA先增加后降低，在移栽后70 d不同處理的RA達(dá)到最大值（圖3）。移栽后55 d不同處理RA排序依次為T3＞T4＞T1＞T2＞T0，T1、T2、T3和T4分別比T0提高38.04%、28.26%、80.43%和60.87%；移栽后70 d各處理間RA排序依次為T4＞T2＞T3＞T1＞T0，T4處理高于其他處理且與其他處理間差異達(dá)到顯著水平，T1、T2、T3和T4處理高于T0，且與T0間差異達(dá)到顯著水平，而T1和T3處理間差異不顯著，T1、T2、T3和T4處理分別比T0提高16.25%、24.85%、16.17%和40.12%；移栽后85 d，各處理間變化趨勢(shì)與移栽后70 d的相似，其中T4處理高于其他處理且差異達(dá)到顯著水平，T1、T2、T3和T4處理高于T0且差異達(dá)到顯著水平，T1、T2、T3和T4處理分別比T0提高16.67%、41.67%、25.10%和48.54%。

圖3 不同生物炭處理煙草根系活力的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of tobacco root vigor under different biochar treatments

2.3.2 光合特性

由圖4可知，生物炭處理可改善煙草葉片的光合特性。隨著煙草生育期的推進(jìn)，煙草葉片凈光合速率（NPR）和氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在移栽后70 d達(dá)到峰值。此時(shí)T2處理葉片NPR和氣孔導(dǎo)度明顯提高，分別比T0提高28.22%和53.19%。T1、T3和T4處理葉片NPR和氣孔導(dǎo)度均高于T0。

圖4 不同生物炭處理煙草葉片光合特性指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of photosynthetic characteristics of tobacco leaves under different biochar treatments

2.3.3 干物質(zhì)積累量

由圖5可知，隨著煙草生育期的推進(jìn)，煙草干物質(zhì)積累量呈增加的趨勢(shì)。不同生物炭處理的煙草TBIOM均顯著高于T0，且在不同生育期T2和T4處理表現(xiàn)明顯，在移栽后55、70和85 d T4處理的TBIOM分別比T0提高73.64%、23.91%和23.27%。在煙草生育前期（移栽后55 d）T0的根冠比顯著高于生物炭處理，煙草生育中期（移栽后70 d）T2、T3和T4處理的根冠比顯著高于T0，且以T3處理最高，而移栽后85 d隨著生物炭施用量的增加根冠比呈下降趨勢(shì)。

2.4 土壤碳排放、有機(jī)碳庫(kù)與煙草生理指標(biāo)的相關(guān)性

由表2可知，TOC與MBC、NPR、TBIOM呈極顯著正相關(guān)，與RA和TSRR呈顯著正相關(guān)。DOC與TBIOM和RA呈極顯著正相關(guān)，與MBC呈顯著正相關(guān)。MBC與TBIOM、RA和SRR呈極顯著正相關(guān)。TBIOM與RA呈極顯著相關(guān)，SRR與TSRR呈極顯著正相關(guān)。

圖5 不同生物炭處理煙草干物質(zhì)積累量與根冠比比較Fig.5 Dry matter accumulation and root shoot ratio of tobacco plants under different biochar treatments

表2 土壤碳排放、有機(jī)碳組分與煙草生理指標(biāo)的相關(guān)性①Tab.2 Correlations of tobacco physiological indexes with soil carbon emission and organic carbon components

3 討論

由土壤呼吸造成的CO2排放是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)穩(wěn)定和平衡具有重要意義［21］。中低用量的生物炭對(duì)土壤呼吸有一定的抑制作用，從而抑制土壤碳排放，而高用量的生物炭可提高土壤呼吸速率，提高土壤碳排放量。這可能是因?yàn)榈陀昧康纳锾恳种屏送寥涝杏袡C(jī)碳的分解，而土壤CO2排放量主要來自土壤中易分解的有機(jī)碳，進(jìn)而抑制了土壤CO2的排放［22］，當(dāng)生物炭施用量超過一定閾值時(shí)，因?yàn)樯锾繛閴A性，施用生物炭可提高土壤pH，進(jìn)而提高了土壤微生物多樣性和活性，導(dǎo)致土壤呼吸作用的增強(qiáng)［23］。

生物炭處理的土壤有機(jī)碳含量高于對(duì)照，這是因?yàn)樯锾吭谑┤胪寥乐泻罂芍苯犹岣咄寥乐蠺OC含量；生物炭可改善土壤理化特性，尤其是土壤容重和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)［24］，進(jìn)而促進(jìn)了土壤微生物的繁殖，當(dāng)土壤微生物大量繁殖后，土壤MBC含量增加。在煙草移栽后70 d土壤MBC和EOC達(dá)到最大值，可能是因?yàn)樵跓煵菀圃院?0 d（旺長(zhǎng)期）試驗(yàn)區(qū)降雨量和氣溫均最高，這些自然條件促使了土壤微生物的繁殖和代謝，土壤中MBC主要來源于土壤微生物，所以土壤MBC在這個(gè)時(shí)期最高，在煙草旺長(zhǎng)期根系代謝旺盛［1］，煙株通過根系分泌物的方式向土壤中輸入大量有機(jī)碳，也導(dǎo)致土壤中DOC含量增加。

隨著生物炭用量的增加，TR也隨之增加。這是因?yàn)槭┯蒙锾扛纳屏送寥澜Y(jié)構(gòu)，增加了土壤滲透性和聚集性，降低了土壤容重［24］。在生物炭的影響下煙草葉片NPR提高，這與改善根系生理特性和提高葉綠素含量有關(guān)，當(dāng)植物根系發(fā)育良好時(shí)，光合作用所需的礦質(zhì)養(yǎng)分、水分可得到充足的供應(yīng)，光合特性得到有效改善。煙株各項(xiàng)發(fā)育指標(biāo)和不同有機(jī)碳組分含量呈正相關(guān)，這是因?yàn)橥寥乐胸S富的有機(jī)碳含量可在提高植煙土壤品質(zhì)的同時(shí)，有效促進(jìn)煙株的生長(zhǎng)，而健壯的煙株又可以為土壤輸送較多的有機(jī)碳（例如通過土壤分泌物的方式）［25］。因此，土壤中有機(jī)碳組分含量與煙株生長(zhǎng)存在直接關(guān)系，而生物炭可通過增加土壤中的有機(jī)碳的方式影響煙株的生長(zhǎng)發(fā)育。

4 結(jié)論

生物炭用量在0.5～1.5 t/hm2的范圍內(nèi)可降低土壤CO2排放總量，而2 t/hm2用量的生物炭可增加土壤CO2排放總量。施用生物炭可提高土壤微生物生物量碳、可溶性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量。施用生物炭可提高煙草根系活力，同時(shí)改善煙草葉片光合特性，增加煙草干物質(zhì)積累量。土壤中有機(jī)碳含量與煙株生理指標(biāo)間存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。因此，生物炭施用量為1.5 t/hm2的處理對(duì)降低土壤碳排放、提高土壤有機(jī)碳含量和促進(jìn)煙株發(fā)育的效果更明顯。