生物炭對烤煙根系特性和土壤CO2排放的影響

李彩斌 ，蔣壽安 ，劉青麗 ，李志宏 ，張云貴 ，田昊巖 ，何 軼 ，羅貞寶 ，蔣雨洲 ，，

（1.貴州省煙草公司 畢節(jié)市公司，貴州 畢節(jié) 551700；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163391）

生物炭是一種土壤改良劑[1]，由于其特殊的理化性質(zhì)[2]，在改善土壤質(zhì)量和功能等方面已經(jīng)被廣泛研究并應(yīng)用[3-5]，并且在土壤中周轉(zhuǎn)周期可長達數(shù)百年[6]。施用生物炭可以改變土壤物理性質(zhì)，同時提高土壤孔隙度，影響土壤通氣性[7-9]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在土壤中添加生物炭作為一種緩解氣候變化的工具，生物炭在土壤中的應(yīng)用可以增加土壤的固碳作用以及減少CO2的排放[10-11]，具有很強的穩(wěn)定性和固碳減排潛力[12]。

目前，土壤添加生物炭，植物適應(yīng)性會從根系形態(tài)等方面做出響應(yīng)[13]。研究表明，施用4.5～9 t/hm2生物炭促進了小麥根系生長[14]。關(guān)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(zhì)地、生物炭性質(zhì)等不同研究結(jié)果差異較大。PALVIAINEN 等[15]對北方森林添加生物炭的試驗表明，生物炭不會對北方森林土壤的CO2排放產(chǎn)生重大或長期的影響。ZHOU 等[16]研究表明，生物炭的應(yīng)用對亞熱帶森林土壤呼吸的影響不顯著。曹坤坤等[17]的室內(nèi)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(yīng)，而后期顯著抑制了土壤呼吸；田冬等[18]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭還田顯著抑制了土壤呼吸作用。還有研究表明，植物呼吸在一定范圍內(nèi)與土壤溫度呈正相關(guān)，土壤呼吸通常與土壤溫度呈指數(shù)相關(guān)[19]。由于其中最重要的組成部分是根系呼吸和土壤微生物異氧呼吸，土壤呼吸是一種復(fù)雜的生物學(xué)過程，受到如溫度[20]、濕度[21]和pH[22]等多種因素的影響。

關(guān)于生物炭對作物根系生長和土壤CO2排放的研究已分別報道，而土壤通氣狀況與土壤-作物根系-大氣之間的氣體交換功能息息相關(guān)[23]。伴隨著土壤呼吸向大氣中釋放CO2是土壤通氣的主要機制[24]。但關(guān)于根系生長與土壤CO2排放的研究尚少報道，并且通過環(huán)境因素進一步分析的研究未見報道。為此，本研究基于長期定位試驗條件下，通過研究生物炭對烤煙土壤物理性質(zhì)的影響，進一步分析生物炭對烤煙根系生長和CO2排放通量的影響，并采用Pearson 相關(guān)性分析，揭示烤煙根系特性和土壤呼吸之間的偶聯(lián)關(guān)系，旨在為合理施用生物炭農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年4月在貴州省畢節(jié)市威寧縣黑石科技園進行，供試土壤為黃棕壤。自2018年開始進行定位施肥處理，2020年移栽前試驗田0～20 cm 耕層土壤的養(yǎng)分含量為pH 值5.4，土壤總有機碳12.2 g/kg，有效鉀196.4 mg/kg，全氮0.9 g/kg，全磷1.1 g/kg。

1.2 試驗材料

供試烤煙品種為云煙87，由畢節(jié)市煙草公司提供。供試煙稈生物炭（簡稱生物炭）為貴州金葉豐農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)，pH 值9.2，碳48.3%，氫3.9%，氧31.4%，氮1.5%，全磷2.4 g/kg，有效鉀16.2 g/kg，全鉀24.4 g/kg，比表面積1.5 m2/g，總孔隙體積0.007 5 cm3/g，平均孔直徑20.3 nm。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)置3 個生物炭處理：T1. 0 t/hm2（對照）；T2. 15 t/hm2；T3. 40 t/hm2，各處理均為3 次重復(fù)，共9 個小區(qū)，小區(qū)面積74.8 m2。2018年5月3日生物炭采用撒施的方式一次性投入，并與耕層土壤旋耕混合均勻。烤 煙 于2020年4月26日 移栽，行 距110 cm，株 距55 cm，田間管理措施同當?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙栽培管理模式。

基肥種類及用量：煙草專用基肥（N、P2O5、K2O分別為9%、13%、22%）585.0 kg/hm2；追肥種類及用量：提苗肥（N、P2O5、K2O 分別為15%、8%、7%）37.5 kg/hm2、煙草專用追肥（N、K2O 分別為13%、26%）300.0 kg/hm2。肥料總養(yǎng)分投入量為：N 90.0 kg/hm2、P2O590.0 kg/hm2、K2O 225.0 kg/hm2?；视谝圃郧案C施，烤煙移栽后30 d 結(jié)合中耕培土撒施追肥。

1.4 樣品采集與指標測定

在烤煙成熟期，各小區(qū)均取長勢均勻一致的植株1 株，以根莖為中心，將壟方向55 cm、垂直方向60 cm、深20 cm 的土層全部挖出，通過水洗及高密度網(wǎng)過濾法，收集烤煙根系，根系結(jié)構(gòu)采用Win RHIZO 植物根系掃描分析系統(tǒng)測定。將每株烤煙植株分別按不同器官（根、莖、葉）分類后，逐批置于烘箱中，均以105 ℃殺青30 min,再以70 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定干質(zhì)量，計算根冠比。

土壤氣象數(shù)據(jù)（土壤溫度、土壤濕度）由OnsetHOBO 型溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀自動記錄。土壤呼吸參數(shù)采用靜態(tài)箱-紅外CO2分析法測定。采樣時長設(shè)置為5 min，每個處理3 次重復(fù)。測定時間統(tǒng)一為8：00—11：00，采樣頻率為7 d/次，如遇特殊天氣則適當調(diào)整。

式中，Q為CO2排 放 通 量（mg/（h·m2））；m為CO2的摩爾質(zhì)量；h為箱體有效高度（m）；P為采樣點大氣壓力，通常視為標準大氣壓，即1.013×105Pa；R為普適氣體常數(shù)8.314（J/（mol·K））；T為采樣時箱內(nèi)平均氣溫（℃）；V為密封靜態(tài)箱的體積（m3）[25]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office Excel 2010 進行數(shù)據(jù)整理及作圖，IBM SPSS 22.0 統(tǒng)計分析軟件進行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用量對烤煙根系特征的影響

2.1.1 根系形態(tài)特征 施用不同用量生物炭對烤煙根系有著不同的影響。在烤煙生長后期的打頂期，與對照T1 處理相比，T2 處理（生物炭15 t/hm2）總根長和總根體積分別提高了11.1%和7.3%，T3 處理（生物炭40 t/hm2）分別降低了總根長、總根表面積和總根體積；在烤煙成熟期，與對照T1 處理相比，T2 處理（生物炭15 t/hm2）分別降低了總根長和總根表面積，而提高了總根體積0.9%，T3 處理（生物炭40 t/hm2）分別降低了總根長、總根表面積和總根體積（表1）。從而說明，適量施用生物炭（15 t/hm2）有利于烤煙根系生長。

表1 生物炭對烤煙根系形態(tài)性狀的影響Tab.1 Effects of biochar on flue-cured tobacco root morphological characteristics

2.1.2 根冠比 由圖1 可知，各處理烤煙全生育期根冠比變化規(guī)律較為相似，均呈S 型曲線?？緹焾F棵期根冠比數(shù)值均較低，各處理表現(xiàn)為T1>T3>T2，烤煙旺長期的各處理根冠比數(shù)值表現(xiàn)為T3>T2>T1，T3 處理與T1 處理和T2 處理均呈顯著性差異?？緹煷蝽斊诤统墒炱诟诒葦?shù)值均較高，各處理均表現(xiàn)為T1>T2>T3。從而說明，適量施用生物炭（15 t/hm2）有利于烤煙地上部和地下部平衡發(fā)展。

圖1 生物炭對烤煙根冠比的影響Fig.1 Effects of biochar on flue-cured tobacco root-shoot ratio

2.2 生物炭施用量對烤煙田土壤呼吸特征的影響

各處理烤煙全生育期土壤CO2排放通量較為相似，均呈單峰曲線（圖2）。各處理均在移栽后21 d和移栽后114 d，土壤CO2排放通量較低，但在烤煙移栽后第56 天（烤煙旺長期的前期），土壤CO2排放通量最高，其中，T3處理最高，為506.92 mg/（h·m2），其次是T1 處理，為453.89 mg/（h·m2），而T2 處理最低，為253.75 mg/（h·m2），與T1 和T3 處理均呈顯著性差異。各處理烤煙全生育期土壤CO2平均排放通量均表現(xiàn)為T3>T1>T2，分別為237.90、180.19、171.78 mg/（h·m2），T2 處 理 與T1 和T3 處 理 均 呈顯著性差異。從而說明，適量施用生物炭（15 t/hm2）降低了烤煙土壤CO2排放。

圖2 生物炭對烤煙土壤CO2排放通量的影響Fig.2 Effects of biochar on CO2 emission flux in flue-cured tobacco soil

各處理烤煙全生育期土壤CO2排放累積量和碳排放量，均表現(xiàn)為T3>T1>T2，T2 處理分別低于T1 處理3.42%，T2 處理分別低于T3 處理32.03%。T3 處理與T1 和T2 處理間均呈顯著性差異（表2）。從而說明，施用生物炭適宜用量降低了烤煙土壤碳排放。

表2 生物炭對烤煙全生長季土壤CO2排放累積量的影響Tab.2 Effects of biochar on soil CO2 emission accumula?tion during the whole growing season of flue-cured tobacco

2.3 根系形態(tài)特征與烤煙田土壤呼吸的影響因素

由圖3 可知，土壤溫度隨著烤煙生育期推進均呈下降趨勢，而6月的土壤溫度各處理均呈現(xiàn)出最高值，以T2 處理土壤溫度最高，為25.33 ℃，并以T3 處理土壤溫度最低，為24.54 ℃，但是從各個處理平均土壤溫度來看，與T1 處理相比，T2 處理和T3 處理分別降低了0.16%和3.27%。

圖3 生物炭對烤煙土壤溫度的影響Fig.3 Effects of biochar on temperature in flue-cured tobacco soil

從烤煙生育期土壤濕度變化來看，各施用生物炭處理的土壤濕度均有所降低，其中，T2 處理最低，但T2 處理在烤煙整個生長季的土壤濕度變化幅度較為平穩(wěn)（圖4）。各處理土壤濕度最高值出現(xiàn)的時間不同，T1 處理和T3 處理均出現(xiàn)于7月，分別為21.75% 和19.43%，而T2 處 理 出 現(xiàn) 于9月，為12.56%。因此，適量施用生物炭（15 t/hm2）可降低烤煙土壤濕度，并且保持土壤濕度平穩(wěn)變化。

圖4 生物炭對烤煙土壤濕度的影響Fig.4 Effects of biochar on moisture in flue-cured tobacco soil

2.4 根系形態(tài)特征與烤煙田土壤呼吸的Pearson相關(guān)性分析

由表3 可知，烤煙農(nóng)田CO2排放通量均與根冠比、總根長、總根表面積、總根體積均呈極顯著性負相關(guān)，而烤煙農(nóng)田CO2排放通量與土壤濕度呈正相關(guān)，與溫度呈負相關(guān)。從而說明，烤煙根系與土壤CO2排放的關(guān)系緊密。

表3 根系形態(tài)特征與烤煙田土壤呼吸的Pearson 相關(guān)性分析Tab.3 Pearson correlation analysis between root morphological characteristics and soil respiration in flue-cured tobacco field

3 結(jié)論與討論

根系是土壤最直接的“接觸者”,生物炭通過改善土壤物理性質(zhì)等,從而影響作物根系的生長發(fā)育和形態(tài)特征。張偉明等[26]研究表明，生物炭施用增加水稻生育前期主根長、根體積，進而提高根系總吸收面積；蔣健等[27]對玉米的研究中指出了生物炭增加了玉米根系總根長、根體積，進而增加玉米根系活躍吸收面積。本研究中，在烤煙生長后期的打頂期，總根長和總根體積均以T2 處理最高，其次是對照T1 處理，由于生物炭利于烤煙根系生長，并且促進了根系向土壤向下扎深，而且增加了根系在土體的三維結(jié)構(gòu)，利于根系更好吸收土體水分和養(yǎng)分等[28]。本研究還進一步指出，在烤煙生長后期的成熟期，總根長和總根表面積均表現(xiàn)為T1>T2>T3，T3 處理與各處理間呈顯著性差異，T1 處理與T2 處理的總根長間呈顯著性差異，由于施用生物炭早于不施生物炭烤煙根系出現(xiàn)衰亡腐解，而過量施入生物炭會造成烤煙根系過早出現(xiàn)衰亡腐解[29]，而總根體積表現(xiàn)為T2 處理最高，T3 處理最低，證明了生物炭利于烤煙根系生長是在一定施入量范圍內(nèi)，如果過量施入生物炭，反而抑制了烤煙根系的生長。因此，適量施入生物炭有利于烤煙根系在土體的三維結(jié)構(gòu)。

施用生物炭不僅可促進根系生長，還可以優(yōu)化作物地上部和地下部的資源分配[30-32]。本研究表明，烤煙團棵期根冠比數(shù)值T1 處理最高，T2 處理最低，由于在烤煙生長前期，作物本著早生快發(fā)原則，與單施化肥相比，施用生物炭降低了烤煙根系與土壤中的養(yǎng)分和肥料直接接觸的機會[33]。在烤煙旺長期的根冠比數(shù)值表現(xiàn)為T3>T2>T1，由此表明，隨著煙田施用生物炭量的增加，促進了烤煙根系生長[34]。但是在烤煙生長后期各處理的根冠比數(shù)值大小順序與烤煙生長前期（團棵期）一致，由于適量施入生物炭有利于烤煙地上部和地下部平衡發(fā)展，而過度施用生物炭，在烤煙生長后期會造成根系快速衰亡，影響烤煙地上部和地下部平衡發(fā)展[35]。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施用生物炭可以增加土壤碳儲量，它對土壤肥力和作物生產(chǎn)力有重要的作用[36]，而且生物炭還作為一種緩解氣候變化的工具，在土壤中施用生物炭可以增加土壤的固碳作用以及減少CO2的排放。本研究結(jié)果較為一致，與不施生物炭T1 處理相比，土壤CO2平均排放通量以施用生物炭T2 處理較低，指出適當?shù)氖┯蒙锾坑兄诠烫紲p排，降低土壤CO2排放通量。但施用生物炭量較高的T2 處理最高，提高了土壤CO2排放通量，表明過量施用生物炭，反而會提高土壤CO2排放通量。由于土壤碳氮比在一定范圍內(nèi)有利于固碳減排，而碳氮比數(shù)值過大，反而造成CO2排放增加[37]。本研究還指出，烤煙移栽后第56 天（烤煙旺長期的前期），土壤CO2排放通量最高，表明烤煙土壤CO2排放通量與烤煙生育期較為一致，在植株生長發(fā)育最旺盛時期，土壤呼吸也最為強烈，其響應(yīng)機制還需進一步探究。土壤呼吸的過程也就是作物根、根莖以及土壤微生物等消耗氧氣，釋放CO2的過程[38-39]。因此，土壤呼吸與根系生長過程密切相關(guān)。本研究結(jié)果表明，烤煙根系與土壤CO2排放呈極顯著性關(guān)系，這與前人研究結(jié)果相似，進一步驗證了該理論。

生物炭具有疏松多孔、比表面積較大的特點,可通過改變土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響生態(tài)系統(tǒng)呼吸，其中，水熱條件是植物生長代謝必不可少的條件，是評估植株呼吸和土壤呼吸總排放效應(yīng)的重要因子。本研究指出，施用生物炭適宜用量利于提高烤煙生長前期土壤溫度，而過量施用生物炭反而會降低，并且表明施用生物炭降低烤煙土壤濕度，但是適量施用生物炭可保持土壤濕度平穩(wěn)變化。由于在干旱或半干旱地區(qū)當土壤水分成為脅迫因子時可能取代溫度而成為土壤呼吸的主要控制因子。在土壤濕度過大或澇災(zāi)時，土壤呼吸量劇減，而土壤過于干旱也會導(dǎo)致土壤呼吸量銳減。土壤水分過低，缺少根系或微生物活動所必需生存環(huán)境，產(chǎn)生的CO2的量將會減少；如果土壤水分過高，土壤孔隙減小，異氧呼吸所需氧氣的進入以及呼吸產(chǎn)物CO2的排放都會受到限制[40]。因此，合理施用生物炭調(diào)節(jié)土壤溫度和濕度，還需進一步深入研究生物炭理化性質(zhì)與土壤改良的程度關(guān)系。因此，植株生長與生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用，均受土壤環(huán)境因素的影響而吻合。

本研究結(jié)果表明，施用生物炭會影響烤煙的生長，適量施用生物炭有利于改良土壤物理性質(zhì)，提高烤煙生長前期土壤溫度，降低土壤濕度，從而促進烤煙根系生長，提高了烤煙總根體積，協(xié)調(diào)根冠比協(xié)調(diào)發(fā)展，并且降低了植煙土壤CO2排放通量和累積排放量，且烤煙根系與土壤CO2排放通量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。