生物炭施用對冬麥田土壤水熱環(huán)境及土壤呼吸的影響

呂夢凡，馬向成，蔡 鐵，賈志寬

(西北農林科技大學農學院，陜西 楊凌 712100)

生物炭是生物質材料在限氧條件下經熱裂解生成的高度芳香化的固態(tài)富碳物質[1]，具有比表面積大、孔隙度豐富、吸附能力強等特點[2]，在土壤中周轉周期可長達數(shù)百年[3]，具有很強的穩(wěn)定性和固碳減排潛力[4]。我國每年作物秸稈焚燒量約為1.12×108t，若將這部分秸稈炭轉化為生物炭，可降低約一半因秸稈焚燒而產生的碳排放量[5]，而且生物炭還田后可以改良土壤理化性質[6]、改善土壤肥力[7-8]、促進作物增產[9]、增加土壤碳庫儲量[10]等。這對農業(yè)廢棄物高效資源化利用、降低農田碳排放及緩解氣候變化具有十分重要的意義。

關于生物炭施用對土壤呼吸的影響已有大量研究，由于試驗區(qū)的水熱生態(tài)環(huán)境、土壤質地、生物炭性質等不同研究結果差異較大。Liu等[11]通過Meta-analysis研究得出，生物炭可有效抑制中性及石灰性土壤本底有機質礦化，降低碳排放；曹坤坤等[12]的室內培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭添加初期對土壤有機碳有短期的激發(fā)效應，而后期顯著抑制了土壤呼吸；田冬等[13]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭還田顯著抑制了土壤呼吸作用；也有報道，生物炭對土壤呼吸產生促進作用[14]或無顯著影響[15-17]；關于生物炭對土壤呼吸影響的研究，目前大多是基于室內培養(yǎng)[16-17]及盆栽[18- 19]等的短期試驗，在大田條件下的多年試驗較為少見。本研究采取田間定位試驗，探究關中地區(qū)不同秸稈炭施用量下麥田土壤水熱因子變化特征、土壤呼吸季節(jié)變化規(guī)律及其對冬小麥產量的影響，以期為農田固碳減排及土壤健康管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于陜西省咸陽市楊陵區(qū)西北農林科技大學試驗田(108°04′E，34°20′N)，年均氣溫約13.5℃，年平均降水量580.5 mm，全年太陽總輻射約為4.808×105J·cm-2，屬于暖溫帶半濕潤氣候，冬、春季降水偏少、干旱。試驗地平坦，土壤為土，播前0～20 cm土層基礎地力為：全氮0.94 g·kg-1，有機質13.22 g·kg-1，速效磷11.1 mg·kg-1，速效鉀110.69 mg·kg-1，硝態(tài)氮33.54 mg·kg-1，銨態(tài)氮15.08 mg·kg-1，容重1.25 g·cm3，pH值7.59。

1.2 試驗設計

本試驗于2018年10月—2021年6月進行，采用隨機區(qū)組設計。試驗設3個生物炭施用水平：0 t·hm-2·a-1(C0)、10 t·hm-2·a-1(C10)、20 t·hm-2·a-1(C20)，各處理均3次重復，共9個小區(qū)，每個小區(qū)面積為7.2 m2(2.4 m×3 m)。供試小麥品種為‘西農979’，種植方式為傳統(tǒng)平作條播，播種量為225萬株·hm-2，于每年10月中上旬播種，次年6月上旬收獲。每年播前施入生物炭及肥料，試驗所選生物炭為作物秸稈炭，其碳含量為205.6 g·kg-1，氮含量6.5 g·kg-1，磷含量11.34 g·kg-1，鉀含量17.42 g·kg-1，pH值9.27。人工均勻撒施生物炭于土壤表面，后翻耕與耕層土壤混勻，各處理氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥施用量分別為225、75、150 kg·hm-2，于每年越冬期和拔節(jié)期分2次進行灌溉，每次灌水量為75 mm，其它田間管理措施同當?shù)卮筇铩?/p>

1.3指標測定

1.3.2 土壤溫度 土壤溫度采用曲管地溫計進行定位觀測。在播種后將地溫計垂直埋于冬小麥行間5、10 cm土層中，土壤溫度的測定與土壤呼吸測定時間同步。

1.3.3 土壤水分 采用TDR土壤水分速測儀對0～20 cm土層土壤水分進行測定。土壤水分測定與土壤呼吸測定時期同步。

1.3.4 冬小麥產量 在冬小麥成熟期，各處理的每個小區(qū)收取具有代表性的1 m2樣方小麥地上部分，曬干至恒重后脫粒測產，并折算成公頃產量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

用極值比和變異系數(shù)表征土壤含水量的數(shù)值變化程度[21]：

Ka=Xmax/Xmin

(1)

(2)

土壤呼吸與土壤溫度的關系采用Van’t Hoff經驗指數(shù)模型進行擬合[13]：

中間帶由中央分隔帶和路緣帶組成，主要作用：①分隔對向車流，以避免車輛駛入對向行車道造成交通事故；②避免車輛中途掉頭，消處沖突車流，減少交通事故；③中間帶有一定寬度時，可用于植樹或設置防眩設施，起到夜間防眩作用；④在不妨礙建筑限界前提下，可作為設置交通標志牌及其它交通管理設施的場地；⑤具有一定寬度的中間帶，可用以埋設管線等設施。

Rs=aebT

(3)

式中,Rs為土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)，T為土壤溫度(℃)，a為溫度為0℃時的土壤呼吸速率，b為溫度反應系數(shù)。

土壤呼吸的溫度敏感性采用如下模型：

Q10=e10b

(4)

式中,Q10表示溫度每升高10℃土壤呼吸增加的倍數(shù)，b由(3)式獲得。

全生育期CO2總排放量：

(5)

式中，TCO2為整個生育期內單位面積上的CO2總排放量(kg·hm-2)，i和n分別為當前和最后測定日期，Rs為土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)，t為播種后天數(shù)，3.80×10為轉換系數(shù)。

采用Excel 2019軟件整理數(shù)據(jù)，Origin 2018進行繪圖，SPSS 21.0進行方差分析、相關分析及多重比較分析(LSD法)。

2 結果與分析

2.1 施用生物炭條件下土壤溫度及土壤水分動態(tài)變化

由圖1可知，2018—2021年冬小麥生育期內各土層土壤溫度變化規(guī)律相似，總體上隨生育期的推進呈上升趨勢，不同處理間差異不顯著，C0、C10和C20地下5 cm土壤溫度變化范圍分別為：6.0℃～23.4℃、6.1℃～23.3℃、6.3℃～23.3℃，10 cm土壤溫度變化范圍為4.3℃～21.9℃、5.0℃～22.5℃、4.8℃～22.0℃?？傮w上，5 cm平均土壤溫度高于10 cm處。

注：C0、C10、C20分別表示生物炭施用量為0、10、20 t·hm-2·a-1，下同；S、R、J、H、A、G、M分別代表苗期、返青期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期、灌漿期及成熟期。

三年冬小麥苗期至開花期，施用生物炭處理增加了土壤溫度，而在灌漿和成熟期土壤溫度有所降低，各生育期土壤溫度隨土層深度的增加而降低。整個研究周期內，C10、C20地下5 cm土層平均土壤溫度相較于C0處理分別增加了0.9%、0.4%，10 cm土層平均土壤溫度分別增加3.8%、1.7%。

如圖2所示，2018—2021年各處理0～20 cm土壤含水量在冬小麥生育期內的變化規(guī)律均呈先降低后升高又降低的趨勢，不同處理間差異顯著(P<0.05)。土壤含水量隨生物炭施用量的增加而增加，各生育階段均表現(xiàn)為C20>C10>C0。2018—2019年C10和C20相較于C0處理土壤含水量增幅范圍分別為2.0%～21.0%、14.0%～39.0%。2019—2020年，C10和C20處理土壤水分與C0相比增幅均在灌漿期達到最大，分別增加了59.0%和 66.0%。2020—2021年與前兩年土壤水分變化規(guī)律相似，生物炭施入顯著提高了土壤含水量，但是苗期、返青期、抽穗期、開花期及成熟期C10和C20間差異不顯著。雖然2019—2021年的變化規(guī)律與2018—2019年相似，但總體上土壤水分含量較高。C10和C20的三年平均土壤含水量較C0增加了17.0%和29.0%。

注：不同字母表示同一生育期、不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

由表1可知，小麥3個生長年土壤含水量變化幅度表現(xiàn)出的規(guī)律相似，生物炭施入降低了土壤水分的極值比和變異系數(shù)，不同處理下的Ka和Cv值均表現(xiàn)為C0>C10>C20，這表明生物炭施入耕層后可以減弱0～20 cm土壤含水量的變化幅度，且隨著施用年限的增加土壤含水量的變化幅度及變異程度有降低趨勢。

表1 小麥生育期內0～20 cm土壤水分變化的統(tǒng)計分析結果

2.2 施用生物炭條件下土壤呼吸速率變化規(guī)律

由圖3可知，生物炭顯著影響冬小麥生育期內的土壤呼吸速率(P<0.05)，三年各處理的土壤呼吸速率表現(xiàn)出的變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。苗期至返青期土壤呼吸速率較小，拔節(jié)至抽穗期土壤呼吸速率迅速上升，抽穗至灌漿期土壤呼吸速率仍保持在較高水平，到了成熟期土壤呼吸速率則降低。各生育階段不同處理間的土壤呼吸速率差異顯著(P<0.05)，均表現(xiàn)為C0> C20 > C10。2018—2019、2019—2020和2020—2021年與C0相比，C10和C20的平均土壤呼吸速率分別降低了30.5%、18.2%，15.4%、5.7%和27.9%、9.9%。

圖3 2018—2021年不同施炭量下土壤呼吸速率季節(jié)變化規(guī)律

2018—2021年冬小麥生育期內C0、C10和C20的土壤呼吸速率范圍分別為：0.40～6.76、0.34～5.51、0.34～6.63 μmol·m-2·s-1，C10和C20相較于C0 3年平均土壤呼吸速率降低了24.3%、11.2%。

2.3 土壤呼吸與土壤水熱因子的關系

如表2所示，各處理土壤呼吸與5 cm和10 cm土層土壤溫度均呈極顯著正相關關系(P<0.01)，相關系數(shù)為0.621～0.683。同一深度土壤溫度與土壤呼吸的相關性均表現(xiàn)為C10>C20>C0。但不同處理土壤呼吸與0～20 cm土壤水分相關不顯著。

表2 不同施炭量下土壤呼吸與土壤水熱因子的相關性

土壤呼吸(Rs)及土壤溫度(T)的指數(shù)模型擬合結果顯示(圖4)，土壤呼吸與土壤溫度呈極顯著指數(shù)相關關系(P<0.001)，土壤呼吸速率隨溫度的升高呈現(xiàn)上升趨勢。溫度較低時，散點在曲線附近較為聚集，隨著溫度的上升，散點逐漸發(fā)散。地下5 cm和10 cm土壤溫度分別可以解釋土壤呼吸變化的54.7%～61.1%、57.1%～64.5%。整個研究周期內，5 cm及10 cm處的Q10值依次為：C20(3.71)>C10(3.54)>C0(3.25)、C20(3.65)>C10(3.53)>C0(3.26)。不同土壤深度下，C20和C10較C0的增幅分別為14.2%、8.9%(5 cm)，12.0%、8.3% (10 cm)。

圖4 冬小麥生育期內土壤溫度和土壤呼吸的關系

2.4 施用生物炭條件下小麥全生育期土壤CO2累積排放量變化特征

施用生物炭顯著降低了冬小麥各生育階段土壤CO2累積排放量(表3)，2018—2021年表現(xiàn)出的規(guī)律較為一致，各生育階段土壤CO2累積排放量均表現(xiàn)為：C0>C20>C10。苗期至返青期，施用生物炭的碳排放總量顯著低于不施炭處理，但C10與C20間差異不顯著，該時期排放總量均高于其他生育時期。2018—2019、2019—2020和2020—2021年，C10和C20處理的全生育期土壤CO2累積排放量相較于C0分別降低了31.6%、19.3%，16.7%、8.8%和25.1%、12.3%。2018—2021年C0、C10、C20冬小麥全生育期CO2累積排放量范圍分別為：15001.49～18522.72、12251.36～12668.71和13673.88～14954.26 kg·hm-2，C10和C20相較于C0 3年平均土壤CO2總排放量分別降低了24.9%、13.9%。

表3 冬小麥各生育期土壤CO2排放總量/(kg·hm-2)

2.5 施用生物炭對小麥產量的影響

2018—2019年，冬小麥產量隨生物炭施用量的增加而增加，C10和C20相較于C0處理分別增加了1.9%、3.6%，但處理間差異不顯著。2019—2020年施用生物炭處理的小麥產量顯著高于不施炭處理，表現(xiàn)為C10>C20>C0。與C0相比，C10與C20增產幅度分別為8.5%和5.9%(P<0.05)，2020—2021年則分別顯著增加了9.4%、5.9%(P<0.05)。

3 討 論

3.1 施用生物炭對土壤溫度和水分的影響

生物炭為黑色固體顆粒，添加在土壤中可以加深土壤顏色，提升土壤吸熱能力，降低土壤導熱率和表面反射率[8]，進而提高土壤溫度[22]。本研究表明，土壤溫度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，這與大氣溫度變化密切相關，同時施用生物炭對冬小麥生育期內平均土壤溫度具有一定的提升效果，但處理間差異不顯著，這可能是由于作物覆蓋縮小了處理間的地表反射率差異[23]、削弱了生物炭的吸熱能力導致的，與田冬等[13]的研究結果相似。本研究中，施用生物炭處理相較于C0在灌漿期至成熟期土壤溫度略微下降，與王月玲等[24]的研究結果相似，這可能是由于該時期在整個生育期內氣溫相對較高，生物炭可以通過增加土壤保水性和土壤比熱來減緩季節(jié)尺度上的溫度波動[25]，降低土壤高溫，具有“削峰填谷”的效果[8]。武玉等[25]指出，土壤比熱在一定程度上影響土壤的升溫效果，而土壤水分及土壤顏色均為土壤比熱的重要影響因素，純凈水的比熱高于干土壤，因此較低土壤含水量的生物炭可能會引起土壤溫度的最大上升，對土壤的增溫效果更好。本試驗中，雖然C20較C10施炭量大，土壤顏色更深，但同時生育期內土壤含水量更高，土壤升溫效果可能因較高的土壤含水量而減小，因此生育期平均土壤溫度表現(xiàn)為C10>C20>C0，處理間差異不顯著。

大量研究表明，生物炭對土壤持水性能有顯著影響[3,26]。生物炭具有微孔結構豐富及比表面積大等特點，施入土壤可降低土壤容重[6]和水分蒸發(fā)潛力[27]，提高總孔隙度[28]，從而提高耕層含水量及持水能力[7]。一般而言，土壤含水量隨施炭量的增加而增加[29]，但由于生物炭具有疏水基團，施用過量(80 t·hm-2)會使土壤產生一定的斥水性[26]，對土壤含水量產生負效應[30]。本研究生物炭施用量在上述范圍內，顯著提高了0～20 cm土土壤含水量，并減弱了冬小麥生育期內土壤含水量的變化幅度，與勾芒芒等[21]的研究結果一致。這表明生物炭具有穩(wěn)定保水能力，且以C20提升效果最好。

3.2 施用生物炭對土壤呼吸的影響

本研究表明，關中地區(qū)冬麥田土壤呼吸速率具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，即隨著生育期的推進呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，這是由作物生長特點及外界環(huán)境變化所決定的，與陳述悅等[31]研究得出的華北平原冬麥田土壤呼吸速率冬季較低、夏季較高的規(guī)律基本一致。苗期至返青期植株較小且氣溫低，根系活力及微生物活性低，因此該時期土壤呼吸速率較?。话喂?jié)至抽穗期小麥生長發(fā)育隨氣溫的回升而加快，根系及微生物呼吸作用加強，土壤呼吸速率迅速增加；抽穗至灌漿期小麥生長旺盛，根系及微生物活性仍較強，土壤呼吸速率保持在較高水平；成熟期土壤呼吸速率出現(xiàn)降低趨勢，原因可能是小麥生長后期根系活力降低。

李亞森等[32]發(fā)現(xiàn)，連續(xù)5年施入15 t·hm-2生物炭顯著降低了烤煙季土壤呼吸作用；成功等[33]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈炭配施化肥與單施化肥相比，石灰性土壤CO2累積排放量顯著降低15.4%。上述結論與本試驗中施用生物炭顯著降低了土壤呼吸速率及全生育期CO2累積排放量的研究結果一致，原因可能是：一方面，生物炭施入土壤后促進了團聚體[24]及有機-無機復合體[34]的形成，對土壤有機質形成物理保護及封存作用，從而降低了微生物和酶對有機碳的分解[35]；另一方面，芳香化及縮合度較高的作物秸稈裂解產生的秸稈炭穩(wěn)定性好，不易被分解[4]，而且生物炭中含有的Ca、Mg、Fe等礦質元素可以與CO2結合生成CaMg(CO3)2、Fe(OH)2CO3等碳酸鹽，抑制CO2的排放[36-37]。本研究中C20土壤呼吸速率高于C10，這可能是因為施炭量與土壤呼吸速率間并非簡單的線性關系，當施炭量超過一定閾值時土壤通氣性增加且養(yǎng)分效果得到改善，呼吸速率呈現(xiàn)增加趨勢，因此固碳減排效果下降，這與馬雯琪等[38]的研究結果一致。同時，也有關于生物炭促進[14]或者對土壤呼吸沒有顯著影響[15-17]的報道，與本試驗研究結果不一致，這種差異可能是由于生物炭性質、土壤類型、作物種類等不同而導致的。因此，有關生物炭對農田土壤碳排放的影響還需進一步的試驗研究。

3.3 土壤溫度和水分對土壤呼吸的影響

土壤呼吸受到生物因子(植被類型、地下部生物量等)、非生物因子(土壤溫度、濕度、pH等)及人為因素(施肥、管理措施等)的綜合影響[39]，其中土壤溫度和濕度可以解釋土壤呼吸的大部分變異[40]。土壤溫度通過影響微生物活性、植物生長、有機質分解等過程來調控土壤呼吸，兩者間的關系可以用線性、指數(shù)或二次函數(shù)等來描述[41]。本研究表明，土壤溫度與土壤呼吸呈極顯著指數(shù)相關關系(P<0.001)，5 cm和10 cm土壤溫度分別可以解釋土壤呼吸季節(jié)變化的54.7%～60.6%、57.1%～64.5%，這與李亞森等[32]研究結果中的55%～65%接近。當溫度較低時，植物根系及微生物代謝的主要限制因子是土壤溫度，土壤呼吸和土壤溫度相關性較好，而隨著溫度的升高可能增加了植物生物量、運輸代謝產物等對土壤呼吸速率的影響，溫度不再是唯一限制因子[42]。本研究還表明，土壤呼吸與0～20 cm土壤水分無顯著相關性，與丁瑞霞等[43]的研究結果相似，原因可能是：田間環(huán)境下影響土壤呼吸的因素眾多且機制復雜，水分對土壤呼吸的影響被其他因子或系統(tǒng)誤差所掩蓋[44]；此外，土壤呼吸對本試驗中的土壤水分變化范圍不敏感，不足以影響土壤微生物及根系活性，以致土壤水分和土壤呼吸相關性不顯著。

土壤溫度的敏感性Q10表示溫度每升高10℃時土壤呼吸增加的倍數(shù)，受土壤生物、底物質量及土壤水熱等因子的調控[45]。本研究表明，Q10不是常數(shù)，而是隨土壤深度和管理措施的不同而變化的變量。整個研究周期內，不同處理的Q10介于3.25～3.71，符合Zheng等[46]測定的農田Q10值范圍(1.28～4.75)。施用生物炭增加了Q10，這與前人研究結果一致[13, 47]，原因可能是：有研究表明，成分越復雜、越難分解的有機物，具有的活化能越高、分解速度越慢，Q10越高[48]，生物炭具有高度羧酸酯化、芳香化等結構[1]，性質穩(wěn)定難分解且轉化周期長，施入后增加了土壤呼吸底物質量，故Q10增大；此外，在一定范圍內，土壤呼吸溫度敏感性隨土壤水分的升高而增大[49]，本試驗中土壤含水量隨生物炭的增加而增加，故Q10表現(xiàn)為C20>C10>C0。本研究結果表明，施用生物炭降低了土壤呼吸速率同時卻增加了土壤溫度敏感性，意味著施用生物炭增加了土壤呼吸對溫度變化的響應程度，這與田冬等[13]及Ge等[50]的研究結果一致。同時也有施用生物炭降低Q10值的報道[12]，這可能與土壤有機質質量、生物群落數(shù)量和酶活性的差異有關，因此有關生物炭施入對Q10的影響有待進一步研究。

3.4 施用生物炭對冬小麥產量的影響

前人研究表明，生物炭施入可改善土壤理化性質，提高土壤持水性能，延緩營養(yǎng)元素釋放、降低淋溶，進而提高水分利用效率[51]及養(yǎng)分利用效率[52]，促進作物增產。本研究表明，施用生物炭提高了冬小麥產量，但第一年不同處理間小麥產量差異不顯著，第二、三年小麥產量因生物炭施入而顯著提高，與Major等[9]的研究結果相同，施用生物炭第一年玉米產量差異不顯著，隨后3年產量分別顯著提高28%、30%、140%。紀立東等[53]研究表明，當生物炭超過一定的閾值時對作物的增產效果下降，當施炭量從6.75 t·hm-2增至9 t·hm-2，玉米產量增幅由41.4%降至26.1%，本研究得到了類似的結果，C10增產效果優(yōu)于C20，原因可能是：施炭量的增加使可溶有機碳及C/N比也隨之增加，促使微生物與作物競爭土壤氮，降低了冬小麥的氮素利用率，因此增產效果下降[54]。2019—2021年產量總體上均高于第一年，這可能與生育期內降雨量差異有關。有研究指出，當生物炭施用量小于50 t·hm-2時，對產量的作用基本為正效應[55]，本研究中生物炭施用量在其范圍內，3年小麥產量增幅范圍為1.9%～9.4%，符合上述結論。同時，也有關于生物炭抑制作物生長的報道。魏永霞等[56]通過在草甸黑土上連續(xù)4年施加100 t·hm-2秸稈炭發(fā)現(xiàn)，玉米產量及水分利用效率均受到抑制，與本研究結果不一致的原因一方面可能是施炭量過高使土壤C/N比大幅提升，增加了微生物對N的固定，氮素可利用性及有效態(tài)養(yǎng)分降低，作物生長受到抑制，另一方面生物炭施入造成的土壤pH變幅超出了對pH較為敏感作物的承受范圍[1]。

4 結 論

施用生物炭提高了關中地區(qū)冬小麥生育期內的平均土壤溫度和水分含量，顯著降低了土壤呼吸速率和CO2累積排放量。與C0相比，C10和C20處理3年小麥平均產量分別顯著提高了7.1%和5.3%。因此，施用生物炭可以增加冬小麥產量，降低農田土壤呼吸作用，調節(jié)水熱因子，但增加了土壤呼吸對溫度的敏感性。