生物有機(jī)肥和高碳基肥對(duì)皖南煙田土壤呼吸的影響

張明杰，張 振，張馨方，王 川，孫書斌，陳必華，葉協(xié)鋒，姚鵬偉*，石 剛

1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院國(guó)家煙草栽培生理生化研究基地?zé)煵菪袠I(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州市金水區(qū)文化路95號(hào) 450002 2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢市東西湖區(qū)金山大道?？诙?號(hào) 430030 3.安徽皖南煙葉有限責(zé)任公司，安徽省宣城市區(qū)鰲峰中路72號(hào) 242500 4.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司襄陽(yáng)卷煙廠，湖北省襄陽(yáng)市樊城區(qū)大慶西路55號(hào) 441000

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的主要組成部分，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)中土壤有機(jī)碳庫(kù)為1 500 Pg，大約是大氣碳庫(kù)（780 Pg）的2倍和陸地植被碳庫(kù)（560 Pg）的3倍［1-2］。土壤呼吸（自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸）是土壤碳庫(kù)向大氣釋放二氧化碳（CO2）的主要途徑，同時(shí)也是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因土壤呼吸向大氣輸入的CO2占陸地生態(tài)系統(tǒng)總呼吸量的66.7%，約是大氣碳庫(kù)的1/10，是化石燃料燃燒排放量的10倍以上［4-5］。因此，土壤呼吸的微小變化對(duì)土壤碳累積速率和大氣中CO2濃度均產(chǎn)生顯著影響［6-7］。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)占全球陸地面積的10.5%，其CO2排放量占人為溫室氣體排放量的21%~25%，由于受到頻繁的人類活動(dòng)干擾，因此是全球碳庫(kù)中最為活躍的部分［8］。施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的環(huán)節(jié)，也是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的保證。施肥不僅會(huì)影響土壤的養(yǎng)分狀況、碳庫(kù)組分，而且影響根系生長(zhǎng)和微生物活性及群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤呼吸［9-11］。李燕青等［12］、戴衍晨等［13］研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥可明顯促進(jìn)土壤CO2排放；劉冬雪［14］研究表明，單施化肥與化肥配施有機(jī)肥處理農(nóng)田土壤CO2排放量無(wú)顯著差異，這與施肥的種類和方式的不同有關(guān)［15-16］。土壤呼吸包括自養(yǎng)呼吸（根呼吸）和異養(yǎng)呼吸（廣義的微生物呼吸）［8］。劉燕［17］研究表明，施肥對(duì)根呼吸和微生物呼吸的影響不一致。此外，土壤呼吸表現(xiàn)出時(shí)間和空間上的差異，以往對(duì)農(nóng)田土壤呼吸的研究主要集中在糧食作物上，而對(duì)煙—稻輪作體系中煙田土壤呼吸的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，以皖南煙田為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定不同施肥處理土壤呼吸及環(huán)境因子的變化，分析土壤呼吸的影響因子，旨在為煙田系統(tǒng)固碳培肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)置于安徽宣城鄂皖科技示范園，地理位置為東經(jīng)118°58′49″、北緯31°12′53″，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)季候，年平均氣溫15.9℃，年平均降雨量約1 294 mm，氣候溫暖濕潤(rùn)，無(wú)霜期240 d，全年日照時(shí)數(shù)2 000 h。供試土壤類型為水稻土，土壤基本理化性質(zhì)：pH 6.46，有機(jī)質(zhì)26.34 g/kg，堿解氮121.45 mg/kg，速效磷20.16 mg/kg，速效鉀125.73 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年3—7月進(jìn)行，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置3個(gè)處理：?jiǎn)问┗剩–K）；化肥+生物有機(jī)肥2 250 kg/hm2（T1）；化肥+高碳基肥1 200 kg/hm2（T2）。各處理氮磷鉀用量一致，施氮量為131.25 kg/hm2，磷（P2O5）、鉀（K2O）用量分別為210.00 kg/hm2和336.91 kg/hm2。CK施用煙草專用復(fù)合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=17∶17∶17］644.1 kg/hm2，硝酸鉀［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=13.5∶0∶46］161.1 kg/hm2，硫酸鉀（K2O 50%）306.6 kg/hm2，鈣鎂磷肥（P2O512%）837.50 kg/hm2，T1和T2處理分別扣除生物有機(jī)肥（含N 1%，有機(jī)質(zhì)≥40%）和高碳基肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=2∶1.5∶2.5，有機(jī)質(zhì)≥45%］的氮磷鉀含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），按照氮磷鉀用量一致原則做相應(yīng)調(diào)整，磷鉀不足的以鈣鎂磷肥（P2O512%）和硫酸鉀（K2O 50%）補(bǔ)充。生物有機(jī)肥、高碳基肥、煙草專用復(fù)合肥和硫酸鉀作為基肥，在移栽前條施，硝酸鉀在移栽后40 d作追肥穴施。行距和株距分別為120 cm和50 cm。每個(gè)處理重復(fù)3次，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為100 m2（12.5 m×8 m），每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)置一塊裸地（1.5 m×1.5 m），并定期除草。供試品種為云煙97，于3月26日移栽，其他田間管理措施按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 土壤呼吸的測(cè)定

采用便攜式光合作用測(cè)量?jī)x的土壤氣室（LI6400XT-09，美國(guó)LI-COR公司）測(cè)定土壤呼吸。每個(gè)小區(qū)設(shè)置3個(gè)PVC環(huán)，一個(gè)放置在壟上，一個(gè)放置在壟間，另一個(gè)放置在設(shè)置的裸地上。PVC環(huán)高5 cm，底面積80 cm2，插入土壤2 cm。為了避免人為擾動(dòng)對(duì)土壤呼吸的影響，第1次測(cè)定在埋環(huán)后24 h進(jìn)行，試驗(yàn)期間及時(shí)清除PVC環(huán)內(nèi)的植物。自煙苗移栽后，每隔15 d左右測(cè)定1次，測(cè)定時(shí)間為9:00—11:00，煙草整個(gè)生育期共測(cè)定8次。測(cè)定時(shí)，將測(cè)量氣室小心放在PVC環(huán)上，同時(shí)將溫度探針插入PVC環(huán)附近的土壤中，深度為10 cm。壟上和壟間測(cè)得的土壤呼吸均值為土壤總呼吸速率（Rt），裸地測(cè)得的土壤呼吸值為土壤異養(yǎng)呼吸速率（Rs），總呼吸速率與土壤異養(yǎng)呼吸速率的差值為土壤自養(yǎng)呼吸速率（Rm）。

1.3.2 土壤理化指標(biāo)的測(cè)定

每次測(cè)定土壤呼吸時(shí)，采用烘干法測(cè)定0～20 cm土壤含水率［18］；于煙苗移栽后30、60、90和120 d采集0～20 cm土壤，用重鉻酸鉀容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)［18］；電位法測(cè)定土壤pH［18］；堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮［18］；硫酸-鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷［18］；火焰光度法測(cè)定速效鉀［18］；高錳酸鉀氧化法測(cè)定活性有機(jī)碳，KMnO4濃度為33、167和333 mmol/L時(shí)測(cè)定的活性有機(jī)碳分別為土壤高活性、中活性和活性有機(jī)碳［19］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2014進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，用SPSS 24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用LSD最小顯著差數(shù)法進(jìn)行不同處理間差異顯著性檢驗(yàn)。

采用指數(shù)模型擬合土壤總呼吸速率和土壤溫度的關(guān)系，擬合方程：

式中：Rt為土壤總呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；Q10為溫度敏感系數(shù)，其含義為溫度每升高10℃時(shí)土壤總呼吸速率增加的倍數(shù)［20］；a、b為擬合參數(shù)。

采用雙變量模型擬合土壤含水率和溫度雙因素對(duì)土壤總呼吸速率的影響，擬合方程：

式中：Rt為土壤總呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；W為土壤含水率（%）；T為10 cm土壤溫度（℃）；a、b、c為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)植煙土壤總呼吸速率的影響

不同施肥處理?xiàng)l件下，植煙土壤總呼吸速率的季節(jié)變化趨勢(shì)基本一致，見(jiàn)圖1。4月下旬土壤呼吸速率急劇降低，這可能是由于降雨所致；5月土壤溫度逐漸升高，同時(shí)烤煙進(jìn)入了旺長(zhǎng)階段，土壤總呼吸速率逐漸升高并保持在較高水平；6月土壤總呼吸速率呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，且6月底各處理土壤總呼吸速率均達(dá)到最大；在此階段后土壤總呼吸速率逐漸降低。在烤煙整個(gè)生長(zhǎng)季中不同施肥處理土壤總呼吸速率總體表現(xiàn)為T1>T2>CK，且差異達(dá)到顯著水平。T1處理的土壤總呼吸速率較CK和T2處理分別顯著增加33.17%和15.66%，T2處理比CK處理顯著提高15.14%。

圖1 不同施肥措施對(duì)土壤總呼吸速率的影響Fig.1 Effects of different fertilization measures on total soil respiration rate

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸速率的影響

2.2.1 不同施肥處理對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸速率的影響不同施肥處理?xiàng)l件下，土壤異養(yǎng)呼吸速率存在明顯的季節(jié)變化，見(jiàn)圖2。整體上看，烤煙大田期間土壤異養(yǎng)呼吸速率表現(xiàn)為T1>T2>CK。方差分析的結(jié)果顯示，處理間土壤異養(yǎng)呼吸平均速率存在顯著差異，見(jiàn)圖3。T1處理的土壤異養(yǎng)呼吸平均速率顯著高于CK和T2處理，分別提高了32.08%和24.80%；T2比CK提高了5.83%，但未達(dá)到顯著性水平。各處理土壤異養(yǎng)呼吸占土壤總呼吸的比例分別為57.69%、57.22%和53.03%。

圖2 不同施肥措施對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸速率的影響Fig.2 Effects of different fertilization measures on soil heterotrophic respiration rate

圖3 不同施肥措施對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸平均速率的影響Fig.3 Effects of different fertilization measures on average rates of soil heterotrophic respiration and autotrophic respiration

2.2.2 不同施肥處理對(duì)土壤自養(yǎng)呼吸速率的影響不同施肥處理土壤自養(yǎng)呼吸速率的變化趨勢(shì)基本一致，見(jiàn)圖4。總體上呈先升高再降低的趨勢(shì)。4月中旬，煙株個(gè)體較小，自養(yǎng)呼吸速率處于較低水平；4月下旬由于降雨的原因，導(dǎo)致土壤自養(yǎng)呼吸速率急劇降低；5月份，伴隨地溫升高和烤煙生長(zhǎng)，土壤自養(yǎng)呼吸速率呈上升趨勢(shì)；6月份土壤自養(yǎng)呼吸速率保持在較高水平；在此階段后土壤自養(yǎng)呼吸速率逐漸降低。各處理間土壤自養(yǎng)呼吸速率存在顯著差異，見(jiàn)圖3。表現(xiàn)為T1>T2>CK，T1、T2處理自養(yǎng)呼吸平均速率較CK顯著增加（P<0.05），增幅分別為34.66%和27.84%，T1處理比T2處理提高了5.33%，但未達(dá)到顯著水平。各處理自養(yǎng)呼吸占總呼吸的比例隨烤煙生育期的推進(jìn)呈先增加后降低的趨勢(shì)（表1），總體上在6月11日達(dá)到峰值?？緹熣麄€(gè)生育期自養(yǎng)呼吸對(duì)總呼吸的貢獻(xiàn)分別為42.31%、42.78%和46.97%。

圖4 不同施肥措施對(duì)土壤自養(yǎng)呼吸速率的影響Fig.4 Effects of different fertilization measures on soil autotrophic respiration rate

表1 土壤自養(yǎng)呼吸速率占總呼吸速率比例的動(dòng)態(tài)變化Tab.1 Dynamic proportion changes of soil autotrophic respiration rate to total soil respiration rate

2.3 土壤總呼吸速率與土壤溫度和含水率之間的關(guān)系

Q10為溫度敏感指數(shù)，指的是溫度每升高10℃，土壤總呼吸速率增加的倍數(shù)，用來(lái)衡量土壤總呼吸速率對(duì)土壤溫度的敏感程度，通常根據(jù)土壤總呼吸速率與土壤溫度的指數(shù)模型來(lái)計(jì)算［21］。表2結(jié)果顯示，土壤Q10大小依次為CK>T1>T2，表明T2處理土壤總呼吸速率對(duì)溫度的敏感性相對(duì)最小，CK土壤總呼吸速率對(duì)溫度的敏感性最大。土壤溫度、含水率和土壤總呼吸速率的復(fù)合關(guān)系模型R2均大于土壤溫度單因子模型，土壤溫度與含水率的交互作用能夠解釋土壤總呼吸速率季節(jié)變化的65.6%~75.3%。

表2 土壤總呼吸速率與土壤溫度和含水率的擬合方程①Tab.2 Fitting equation of soil respiration rate with soil temperature and moisture content（n=8）（n=8）

2.4 土壤總呼吸速率與土壤理化性狀的關(guān)系

由表3可知，不同施肥處理土壤pH差異不顯著，堿解氮以及活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量存在顯著差異，總體表現(xiàn)為T1>T2>CK。在7月31日，T1處理堿解氮以及活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量較CK分別增加了5.37%、8.02%、20.56%和23.45%，T2處理各指標(biāo)較CK分別提高了3.62%、4.84%、11.88%和15.79%，T1和T2處理間無(wú)顯著性差異。土壤總呼吸速率與土壤溫度以及活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)（表4），與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)，而與土壤pH和堿解氮含量的相關(guān)性沒(méi)有達(dá)到顯著水平。

表3 不同施肥處理土壤化學(xué)性狀指標(biāo)的變化①Tab.3 Changes of soil chemical property indexes under different fertilization treatments

表4 土壤總呼吸速率與土壤理化性狀指標(biāo)的相關(guān)性①②Tab.4 Correlations between total soil respiration rate and physicochemical property indexes of soil

3 討論

本研究結(jié)果表明，不同施肥措施下土壤總呼吸速率呈“先升高后降低”的季節(jié)變化特征，與李亞森等［21］、嚴(yán)俊霞等［22］研究結(jié)果一致。在烤煙生育前期，由于溫度較低，煙株根系較小，微生物呼吸和根系呼吸較弱；伴隨溫度的升高和烤煙根系的生長(zhǎng)，微生物呼吸和根呼吸逐漸增強(qiáng)，所以土壤總呼吸速率逐漸增加，并在移栽后90 d（6月底）達(dá)到峰值；烤煙進(jìn)入成熟采收階段后，烤煙葉面積系數(shù)迅速降低，根系所能獲得的光合產(chǎn)物急劇減少，導(dǎo)致土壤總呼吸速率降低［4］。不同施肥處理土壤肥力和作物生長(zhǎng)存在差異，因而土壤總呼吸速率表現(xiàn)出明顯差異［23］。蘆思佳等［24］、吳瑞娟等［25］研究指出，化肥配施有機(jī)肥可以顯著提高土壤總呼吸速率。本試驗(yàn)結(jié)果表明，配施生物有機(jī)肥和高碳基肥對(duì)土壤呼吸有明顯的促進(jìn)作用，且土壤總呼吸速率與土壤活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)。因此，本研究中配施有機(jī)肥主要通過(guò)提高土壤活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量，增加土壤呼吸的底物供應(yīng)來(lái)促進(jìn)微生物呼吸，這與楊蘇等［26］的研究結(jié)果一致。配施有機(jī)肥還可能通過(guò)提高土壤微生物活性和碳代謝多樣性而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化［27-28］，進(jìn)而促進(jìn)微生物呼吸。另一方面，施用生物有機(jī)肥和高碳基肥可以促進(jìn)烤煙的生長(zhǎng)、煙株根系活性增強(qiáng)和根呼吸增強(qiáng)。Kuzyakov等［29］研究指出，根呼吸對(duì)土壤總呼吸的貢獻(xiàn)率在15%~60%之間，本研究中，自養(yǎng)呼吸對(duì)總呼吸的貢獻(xiàn)率為42.31%~46.97%，處于這一范圍內(nèi)?；逝涫┯袡C(jī)肥處理在顯著提高自養(yǎng)呼吸速率的同時(shí)，也提高了異養(yǎng)呼吸，因此配施有機(jī)肥處理土壤自養(yǎng)呼吸對(duì)土壤總呼吸的貢獻(xiàn)與單施化肥的差異不顯著。

土壤溫度是影響土壤呼吸的重要環(huán)境因子，其通過(guò)影響微生物活性和根系生長(zhǎng)進(jìn)而影響土壤呼吸。本研究中，土壤總呼吸速率與10 cm深的土壤溫度存在顯著指數(shù)關(guān)系，這與于曉娜等［4］的研究結(jié)果一致。研究者常用Q10來(lái)衡量土壤呼吸對(duì)土壤溫度的敏感程度，本研究中Q10的變化范圍為2.19~2.39，其中CK處理的Q10最大，T2處理的Q10最小，說(shuō)明配施有機(jī)肥降低了土壤呼吸對(duì)溫度變化的敏感性，與嚴(yán)俊霞等［24］和吳瑞娟等［25］的研究結(jié)果一致。環(huán)境因子、底物的數(shù)量和質(zhì)量是影響Q10的重要因素［21］，本研究中，各處理間土壤溫度和含水率均無(wú)顯著差異，因此，底物是引起處理間Q10差異的主要原因。有研究表明，易降解有機(jī)碳的Q10低，難降解有機(jī)碳的Q10高［30］。因此，T1和T2處理Q10較CK降低的原因可能是施用有機(jī)肥進(jìn)而增加了易降解有機(jī)碳的含量。李虎等［31］認(rèn)為，土壤含水率對(duì)土壤呼吸的影響較為復(fù)雜，一定程度上取決于與土壤溫度的相互協(xié)調(diào)。本研究中，土壤總呼吸速率與土壤溫度和含水率的復(fù)合關(guān)系模型的擬合效果優(yōu)于單一模型，說(shuō)明土壤溫度和含水率的交互作用能夠更好地解釋土壤呼吸的變異。此外，不同施肥措施對(duì)農(nóng)田土壤呼吸的影響是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，因此還需要長(zhǎng)期試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

①在烤煙生育期，土壤總呼吸速率具有明顯的季節(jié)變化特征，峰值出現(xiàn)在移栽后90 d左右；土壤溫度與土壤總呼吸速率呈顯著正相關(guān)，土壤溫度和含水率的交互作用能夠解釋土壤總呼吸速率變異的65.6%~75.3%。②化肥配施有機(jī)肥處理土壤總呼吸速率顯著高于單施化肥處理，其中配施生物有機(jī)肥處理顯著提高了土壤自養(yǎng)呼吸速率和異養(yǎng)呼吸速率，但不同處理間自養(yǎng)呼吸對(duì)總呼吸的貢獻(xiàn)差異不顯著。③土壤總呼吸速率與土壤活性、中活性和高活性有機(jī)碳含量密切相關(guān)，配施生物有機(jī)肥和高碳基肥能夠增加煙田土壤總呼吸速率，同時(shí)有助于土壤活性有機(jī)碳的積累。