等碳量添加生物炭和秸秆对烟田土壤呼吸及净碳收支的影响

讨论
 

1 不同碳源输入对土壤呼吸特征及其组分的影响

      本研究发现，烤烟生长前期土壤呼吸速率较低，8 月初土壤呼吸 CO₂ 排放达到峰值，随后下降(图 2-a)，这与何甜甜等、李亚森等[在豫中烟田生态系统研究烤烟生育期内土壤呼吸速率的动态变化结果一致。本研究结果表明，添加秸秆显著增加了烟草生育期内土壤呼吸平均速率，而添加生物炭显著降低了土壤呼吸平均速率，生物炭与秸秆配施较单施秸秆降低了土壤呼吸速率。添加生物炭降低土壤呼吸平均速率可能是因为：(1) 少量存在于生物炭表面易被微生物分解利用的碳源消耗殆尽后，剩下稳定性极强的以芳香环不规则叠层存在的碳不易被分解；(2) 生物炭促进土壤团聚体生成及稳定有利于农田土壤碳固持；(3)生物炭较秸秆可显著增加一些矿化能力弱、腐殖化能力强的细菌丰度，表现为土壤呼吸速率降低。刘杏认等在冬小麦夏玉米轮作体系中研究认为添加玉米秸秆生物炭可提高轮作周期内 CO₂ 排放通量，这可能归因于生物炭用量、还田年限的差异。许多研究表明高量生物炭添加下可大幅度提高土壤呼吸速率，本研究中生物炭添加量较小(4.76 t hm^-2 )，表现为土壤呼吸速率降低。此外，生物炭施用年限同样会对其作用效果产生影响，Singh 等认为由桉木、桉叶、家禽粪便、牛粪制备而成的生物炭添加于砂姜土壤的前2、3 年起正激发效应，促进本土有机碳矿化，之后一直到第 5 年正激发效应逐渐减弱，对本土有机碳矿化作用由促进转为抑制。本研究为定位试验，已连续添加 5 年生物炭，导致了土壤呼吸速率的降低。明确土壤呼吸各组分对土壤总呼吸的贡献，对定量评价生态系统碳收支具有较大的理论及实践价值。自养呼吸在土壤总呼吸中占比在不同生态系统中差异较大。本研究中，2020 年烤烟生育期内各处理自养呼吸占比在 42.45%~46.87%之间，2021 年各处理自养呼吸占比在 43.44%~46.63%之间。田冬等研究表明，油菜季自养呼吸在土壤总呼吸中占比为 17.31%~22.9%，玉米季为 26.49%~53.65%。Kuzyakov 等采用 14C标定示踪法研究自养呼吸对土壤总呼吸的贡献率，结果显示自养呼吸贡献率在 15%~60%之间，均值为 41%。鲁齐飞等在豫中烟田生态系统研究各土壤呼吸组分在土壤总呼吸中占比，其中自养呼吸占比为40.26%~43.43%。本研究中自养呼吸占比相对较高，这可能与土壤呼吸组分的区分测定方法有关，本试验采用壕沟法，对土壤微生态影响相对较小，裸地处无植被覆盖，土壤温度较高，会导致异养呼吸测定值偏高。单施生物炭处理和单施秸秆处理较对照提高了土壤自养呼吸占比，主要是添加生物炭、秸秆可提高土壤有机碳含量，改善土壤物理特性，促进根系发育，进而提高了土壤自养呼吸占比。此外，添加生物炭对原土有机碳矿化的抑制作用导致异养呼吸速率降低。
 

  2 不同碳源输入下土壤环境因素对土壤呼吸的影响

      土壤水分和温度是影响土壤 CO₂ 排放的两大土壤环境因子。本研究中，土壤温度与土壤呼吸呈极显著正相关，是对土壤呼吸速率影响最大的土壤环境因子，对土壤呼吸变化的贡献率达到 30.7%~63.15%，赵亚丽等将玉米、小麦秸秆添加于粉质粘壤土取得研究结果与本项研究结果一致。土壤 CO₂ 排放温度敏感系数(Q10)是预测土壤碳排放的重要指标，本研究中添加生物炭处理较对照降低 Q10。有研究发现生物炭施于农田短期内增加 Q10，长期则降低 Q10，本试验连续 5 年施用生物炭可能导致 Q10 降低。添加秸秆刺激土壤中微生物活化，加速土壤呼吸速率，Q10随着底物增加而增加[38]。土壤水分对土壤呼吸的影响具有复杂性和不确定性，同时也有可能被其他因子所掩盖[39]。有研究表明，土壤 CO₂ 排放量与水分存在显著的负相关关系。本研究中，2020 年单施秸秆处理、秸秆与生物炭配施处理土壤水分与呼吸速率之间呈显著正相关。2021 年添加生物炭、秸秆处理土壤呼吸速率与土壤水分呈显著正相关，土壤水分含量增大可大幅度提高生育期内烟田土壤呼吸速率。这可能与该年度 7-8 月份降雨较多导致土壤含水量较高有关。有研究表明[41]土壤水分含量大于 12% (质量含水率)时，土壤呼吸速率随土壤水分含量增加而增大，土壤水分含量增大时，土壤微生物对有机碳的分解能力增强。Singh 等[42]研究发现，土壤呼吸速率随土壤水分含量提高而增大，土壤 EOC 浓度随之降低。风干土壤中 EOC 浓度始终较高，表示由于水分限制，有机碳的微生物矿化作用较低。Keiluweit 等[43]认为土壤水分含量过高时导致 O₂ 的扩散减少，从而限制好氧微生物呼吸。本项试验中抑制土壤呼吸作用的土壤水分含量上限有待进一步研究。
 

  3 不同碳源输入对烟田生态系统碳收支的影响

       烟田生态系统碳收支取决于碳输入及碳支出。Liu 等在中国 8 个作物主要产区进行田间试验发现，生物炭添加不会通过增加农业土壤中 CO₂ 排放碳损失来抵消净碳积累。本研究中，添加生物炭后土壤碳累计排放量较对照降低，与 Liu等研究结果一致。单施秸秆处理及秸秆与生物炭配施处理显著增加了烤烟生育期内土壤呼吸累计排放碳量。添加不同碳源处理均较对照显著提高了烟田生态系统净初级生产力，其中生物炭与秸秆配施处理较对照提升效果最大；各处理烟株叶片固碳量最高，在 40.75%~42.62%之间。生育期内各处理土壤固碳量均高于对照，这与张鹏等、Tang 等研究结果一致；碳输入项中烟株固碳量均显著高于土壤固碳量。烟草田间生产管理措施较多，包括施肥、起垄、中耕培土、打顶抹杈等，农事操作投入造成的碳排放较多，在 286.38~288.73 kg hm^-2 之间。

       综合比较农田生态系统碳收支各项指标，各处理均增加了净初级生产力(NPP)固碳量，同时增加了土壤固碳量；各项碳源物料添加均能提高烟田生态系统净固碳量，表现为“碳汇”。刘青丽等认为烟田生态系统在无外源碳输入情况下呈弱“碳汇”，与本研究结果不同，这是由于土壤呼吸测定方法及碳收支计算方式不同所致。本项试验采用垄沟法测定土壤呼吸，刘青丽等采用静态箱-气象色谱法测定，将植株罩入采样箱，烟株进行光合作用同时吸收部分土壤呼吸排放 CO₂，土壤呼吸速率偏低。此外，本项研究采用全生命周期评价烟田生态系统净固碳效应，对进行各项农事操作造成的碳排放进行收集，因而整个系统碳排放相对较高。本项研究中，添加生物炭处理系统净固碳量最高，“碳汇”能力最强。Tang 等认为添加生物炭可有效提高作物生物量和土壤碳贮存，施用生物炭是增强烟田“碳汇”能力的有效途径，与本项研究结果一致。生物炭添加不仅能提高土壤固碳量及净初级生产力，还可降低土壤呼吸作用造成的碳损失，单施秸秆、生物炭与秸秆混施处理土壤呼吸作用造成的 CO₂ 排放显著高于单施生物炭处理。因此，增加烟田生态系统碳汇量首先应减少土壤呼吸作用碳排放，其次增加土壤固碳量和作物净初级生产力。
 

  结论

      添加生物炭可降低土壤呼吸速率及生育期内 CO₂ 总排放量，单施秸秆、生物炭与秸秆配施显著促进土壤呼吸 CO₂-C 排放；单施生物炭、单施秸秆处理较对照可提高土壤自养呼吸贡献率。添加生物炭、秸秆对土壤温度影响不大，单施秸秆及生物炭与秸秆配施可显著提高土壤水分含量。土壤主要环境因子中，土壤温度对土壤呼吸速率影响最大。添加生物炭、秸秆及二者配施均提高了土壤固碳量、净初级生产力固碳量。添加生物炭可降低生育期内土壤呼吸累计 CO₂-C 排放量。施用生物炭是提高烟田生态系统“碳汇”能力的最佳途径。