生物炭和鎂肥對(duì)酸性茶園土壤氣態(tài)碳釋放的影響

摘要：為探究生物炭和鎂肥添加對(duì)土壤氣態(tài)碳通量的影響，深入理解土壤碳去向，本研究以連續(xù)兩年施肥的酸性茶園土壤為研究對(duì)象，設(shè)置常規(guī)施肥（CK）、施加生物炭（BC）、施加鎂肥（MG）、生物炭和鎂肥混施（MGBC）4個(gè)處理，采集土壤和凋落葉進(jìn)行6個(gè)月室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究生物炭和鎂肥對(duì)酸性茶園土壤氣態(tài)碳釋放和土壤微生物量碳的影響。結(jié)果表明：有凋落葉時(shí)，生物炭可增加土壤CO2和CH4的釋放量，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)CO2-C和CH4-C累積排放量分別為（484.80±58.74）g·m-2和（135.76±12.05）mg·m-2；施加鎂肥降低了土壤CO2和CH4的釋放量，CO2-C和CH4-C累積排放量分別為（255.80±4.55）g·m-2和（76.63±4.11）mg·m-2。無(wú)凋落葉時(shí)，MGBC處理對(duì)土壤CO2釋放的促進(jìn)作用最大，CO2-C累積排放量為（136.74±5.03）g·m-2；生物炭和鎂肥均促進(jìn)了土壤揮發(fā)性有機(jī)物形態(tài)的碳（VOCs-C）的釋放，其中鎂肥的促進(jìn)作用最大，VOCs-C累積排放量增幅23.82%。整體而言，生物炭促進(jìn)而鎂肥抑制了酸性茶園土壤碳釋放，生物炭鎂肥混施對(duì)無(wú)凋落葉土壤氣態(tài)碳的釋放促進(jìn)最大。VOCs-C在氣態(tài)碳中占比雖然小，但較CH4-C的通量略高，故不可忽略。

關(guān)鍵詞：二氧化碳；甲烷；氣態(tài)有機(jī)碳；溫室氣體；生物炭；酸性茶園

中圖分類號(hào)：S571.1；S154.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）11-2732-11 doi：10.11654/jaes.2024-0079

近年來(lái)，在自然界與人類行為雙重影響下，全球氣候變化嚴(yán)峻程度呈加速勢(shì)態(tài)發(fā)展。中國(guó)目前碳排放總量較大，各行業(yè)及不同生態(tài)系統(tǒng)都需要通過(guò)固碳減排等技術(shù)來(lái)控制和減少碳排放。

氣態(tài)碳主要分為二氧化碳形態(tài)碳（CO2-C）、甲烷形態(tài)碳（CH4 -C）和揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile organiccompounds，VOCs）形態(tài)碳（VOCs-C）。CO2 是大氣中濃度最高的溫室氣體，能夠吸收地表反射的長(zhǎng)波輻射，將熱量截留在大氣層中，是全球變暖的主要驅(qū)動(dòng)力[1]。CH4是另一種重要的含碳溫室氣體，CH4在大氣中的濃度雖然低，但是其長(zhǎng)波輻射的截留作用強(qiáng)于CO2，其對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)僅次于CO2[2]。大氣中的VOCs絕大多數(shù)都轉(zhuǎn)化成CO2重回生態(tài)系統(tǒng)參與碳循環(huán)，且VOCs 會(huì)與羥基自由基發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致大氣還原性減弱，從而使得CH4的半衰期增長(zhǎng)[3]。土壤所釋放的VOCs-C也十分重要。傳統(tǒng)認(rèn)為土壤氣態(tài)碳釋放主要以CO2形態(tài)為主要途徑，但土壤VOCs-C損失不容忽視[4]。凋落葉被認(rèn)為是土壤VOCs最大的源[5]，其為土壤微生物新陳代謝提供了大量有機(jī)碳源，同時(shí)，隨著凋落葉的分解其自身儲(chǔ)存的大量VOCs會(huì)向大氣中揮發(fā)[6]。

土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的添加會(huì)增加微生物的數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和活性，從而促進(jìn)土壤氣態(tài)碳的釋放[7]，進(jìn)而影響碳循環(huán)過(guò)程。生物炭作為一種酸性土壤的調(diào)理劑，可以改變土壤結(jié)構(gòu)，從而影響土壤微生物活性，進(jìn)而影響土壤氣態(tài)碳的釋放[8]。Olaniyan 等[9]通過(guò)研究稻殼生物炭改良對(duì)土壤CO2 排放的影響，發(fā)現(xiàn)土壤CO2排放隨生物炭施用量的增加而顯著增加。Zhang等[10]研究發(fā)現(xiàn)施加生物炭所增加的土壤水溶性有機(jī)碳是微生物可直接利用的碳源，進(jìn)而增加了土壤CO2排放。鎂作為一種植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，可通過(guò)影響植物養(yǎng)分吸收和循環(huán)，從而影響土壤生態(tài)過(guò)程，進(jìn)而改變微生物活性[11]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[12]，MgO 與CO2結(jié)合會(huì)影響土壤碳循環(huán)相關(guān)微生物，降低土壤CO2的釋放。Potard等[7]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵有機(jī)肥施加減少了土壤中的VOCs排放，這在減輕農(nóng)業(yè)溫室氣體排放方面具有重要意義。因此，在進(jìn)行土壤改良和通過(guò)施肥改善土壤環(huán)境的同時(shí)，不應(yīng)忽略生態(tài)環(huán)境受到的影響。

茶產(chǎn)業(yè)一直是福建省重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，福建省茶園土壤的平均pH為4.33，低于茶樹的最適宜土壤pH[13]。施加生物炭一方面能夠調(diào)節(jié)土壤酸度，另一方面也是積極響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰碳中和”戰(zhàn)略[14]。鎂肥的施加不僅可以調(diào)節(jié)土壤酸度，同時(shí)可以提高茶葉氨基酸含量、改善茶葉香氣品質(zhì)[15]。而生物炭和鎂肥的添加如何影響土壤氣態(tài)碳的釋放尚不清楚。“福云六號(hào)”是福建茶區(qū)主栽茶樹品種，其幼樹生長(zhǎng)迅速，成園快，適應(yīng)性強(qiáng)，被作為主要品種推廣。本研究以種植福云六號(hào)的土壤和其修剪的凋落葉為研究對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，探究生物炭和鎂肥添加對(duì)土壤氣態(tài)碳通量的影響，深入理解土壤中碳去向，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生態(tài)茶園碳中和提供新認(rèn)知。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

野外樣地——福建三明尤溪縣尤溪紅茶科技小院茶園（26°09′N，118°13′E）地屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，氣候濕潤(rùn)溫和，降水豐富，土壤偏酸性。野外進(jìn)行4個(gè)處理，分別為：對(duì)照（CK），無(wú)生物炭和鎂肥添加；生物炭處理（BC），生物炭施加9 000 kg·hm-2·a-1；鎂肥處理（MG），鎂肥施加450 kg·hm-2·a-1；生物炭+鎂肥處理（MGBC），混合施加生物炭9 000 kg·hm-2·a-1和鎂肥450 kg·hm-2·a-1。每個(gè)處理根據(jù)坡度和海拔高度進(jìn)行3個(gè)隨機(jī)重復(fù)。試驗(yàn)施用的生物炭為杉木木屑在350 ℃到400 ℃下制備的粉末狀（lt;2 mm）生物炭，其pH 8.87、總碳含量712.8 g·kg-1、總氮含量3.7 g·kg-1、總磷含量599.7 mg·kg-1、全鉀含量3 091.9 mg·kg-1、比表面積1.338 m2·g-1；施用鎂肥為農(nóng)用氫氧化鎂（Mg≥27%）。

野外處理兩年后，采集4種處理0～20 cm土壤開展本研究，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。采集的同一處理重復(fù)樣品土壤混勻過(guò)5 mm篩后，將500 g土壤（約8 cm高）填入培養(yǎng)罐，培養(yǎng)罐為亞克力材質(zhì)，直徑11cm，高16 cm。試驗(yàn)進(jìn)行凋落葉添加和不添加處理，將25 g凋落葉提前剪碎至1 cm2左右，以模擬野外凋落葉量及土壤動(dòng)物啃食強(qiáng)度，隨后將剪碎凋落葉平鋪在上述罐內(nèi)土壤上（約1 cm高）并在氣候箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)。培養(yǎng)過(guò)程中按稱質(zhì)量的方法加水，保持土壤濕度為最大持水量的60%左右，溫度設(shè)置為25 ℃，并保證培養(yǎng)箱氣體暢通。