不同碳源對植煙土壤碳平衡的影響

李健銘，李志宏，王 鵬，張云貴，熊維亮，張美娟，李 君，辛 剛*，劉青麗*

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/煙草行業生態環境與煙葉質量重點實驗室，北京100081；2.黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江 大慶 163319；3.福建農林大學資源與環境學院，福建 福州 350002；4.四川煙草公司攀枝花市公司，四川 攀枝花 617026）

農田生態系統是全球碳庫中最活躍的部分，頻繁受到人類活動的干擾，對全球碳庫的動態變化有著深遠的影響，并可以在較短的時間尺度上調節碳庫［1］。土壤呼吸是陸地生態系統向大氣釋放CO2的主要過程，是表征農田土壤肥力和土壤質量的重要指標［2-3］。對大氣CO2濃度有著重要影響的表現為土壤呼吸速率能改變土壤碳的積累量，并引起大氣CO2濃度的改變，從而影響碳循環［4］。在不同土地利用方式和管理措施下，農田生態系統會成為碳源或碳匯。土壤呼吸作為農田生態系統有機碳的主要輸出形式，影響著生態系統的碳平衡［5］。

已有研究表明，施肥較不施肥可以顯著增加土壤呼吸速率［6］，不同施肥處理對土壤呼吸的影響結果也不一致［7-9］。土壤呼吸強度與土壤有機質含量及礦化速率、土壤微生物種類及活性之間均存在密切的聯系［10］。土壤水分和溫度是影響農田土壤CO2排放的關鍵因素，兩者相互協調共同調控土壤CO2排放，耕作、施肥等措施直接或間接影響農田土壤水分和溫度，進而改變土壤CO2排放量［11-13］。此外，不同種植作物類型下的土壤呼吸速率也存在顯著差異［14］。目前，不同施肥條件下農田碳平衡的研究主要集中在水稻［7-8］、玉米［15-16］、小麥［17-18］、棉花［19］、大豆［20］等種植作物的土壤上，對植煙土壤在烤煙生長期土壤呼吸的變化和碳平衡方面的研究還鮮見報道，因此，研究不同碳源對植煙土壤碳平衡的影響，對進一步評價農田生態系統碳源/匯具有重要意義。本研究主要在四川攀枝花地區，以碳投入與碳排放為切入點，通過研究不同碳源類型對土壤CO2排放以及烤煙根系固碳量的影響，明確維持土壤碳平衡的有機物質投入量，探索不同碳源對土壤碳的提升作用，以期為煙田生態系統碳循環和碳平衡的深入研究提供相關理論依據和方法。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年4～9月在四川省攀枝花市仁和區平地鎮進行。東經101 °47′51″，北緯26°12′7″，海拔1910 m，土壤類型為暗紫泥土-紫色土，土壤養分狀況：全碳1.151%，硝態氮8.4 mg·kg-1，銨 態 氮1.7 mg·kg-1，有 效 磷14.3 mg·kg-1，速效鉀136.5 mg·kg-1，pH 7.7，仁和區屬亞熱帶季風氣候，四季不分明，晝夜溫差大，氣候干燥，日照長，年平均氣溫20.4℃，年積溫達7450℃，年日照時數達2745 h，無霜期300 d以上。2017年烤煙生長季月平均溫度為20.01℃，降水量696.2 mm，具體條件如圖1所示。

1.2 試驗設計

試驗共設置5個處理：T1：不施有機肥（對照）；T2：秸稈；T3：農家肥；T4：油枯；T5：農家肥+油枯，各處理施肥量如表1。化肥采用煙草專用肥（12-12-25）、煙草上廂肥（5-5-46），有機肥采用農家肥（羊糞）、油枯、秸稈（水稻），有機肥養分含量如表2所示。

表1 各處理肥料投入量 （kg·hm-2）

表2 有機肥養分含量

1.3 田間管理

大田試驗品種均采用當地主栽烤煙品種“云煙87”，移栽苗選用漂浮育苗。試驗于2017年5月2日進行移栽，種植密度為16500株·hm-2。在烤煙移栽前土壤深耕起壟，以110 cm行距、55 cm株距打穴，之后施肥。施肥方法為：煙草專用肥的基肥和追肥比例為3∶2，有機肥全部做基肥施用。基肥中煙草專用肥和有機肥混合穴施，將肥料與穴內（20 cm×20 cm×10 cm）土壤混合，施肥移栽后覆蓋地膜。移栽后20 d追肥，將煙草專用肥用少量水溶解澆在距煙根5 cm處，用土覆蓋。烤煙移栽后35 d揭膜，再次追施煙草專用肥與上廂肥于煙根5 cm處，上廂培土覆蓋，現蕾后打頂。田間管理按優質煙生產技術措施實施。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤呼吸參數的測定

采用靜態箱—紅外CO2分析法測定土壤呼吸參數。儀器為便攜式紅外CO2分析儀（型號VaisalaMI70，芬蘭）。靜態箱為自制，采用不透明PVC材料制成，箱體尺寸為直徑20 cm、高25 cm的圓柱體，箱頂設有分析儀和溫濕度計探頭插口（用硅膠密封），并通過水壓測試，靜態箱與底座對接，采用水密封方式隔絕箱外氣體。小區內在左數第3壟的中間位置選取固定點，在壟上放置直徑為20 cm的圓形PVC底座，高20 cm，插入土壤15 cm左右。為減少對土壤的干擾，PVC環于測定前一天安置好。每個PVC環測定1次，每次測量5 min，每個處理3次重復，共3個數據，取其平均值作為日土壤呼吸值。于烤煙整個生育期內每7 d測定一次，如遇下雨天氣則適當調整，測定時間統一為8∶00～11∶00。

1.4.2 作物生物量的測定與計算

于烤煙成熟期，選取長勢均勻一致的植株，每個重復取樣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過濾法，收集烤煙根系置于烘箱中，105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重，測定干重，并按照種植密度計算根系生物量。

1.4.3 土壤呼吸速率的計算

式中：F為CO2排放量（mg·h-1·m-2）；H為箱體有效高度，m為CO2的摩爾質量；P為采樣點大氣壓力，通常視為標準大氣壓，即1.013×105Pa；R為普適氣常數8.314（J·mol-1·K-1）；T為采樣時箱內平均氣溫（℃）；dC/dt為CO2排放速率（ppm·min-1）［21］。

1.4.4 農田土壤碳平衡測算

烤煙根系碳殘留系數=（田間試驗根系生物量-農戶移除根系生物量）/田間試驗根系生物量

土壤碳平衡=植株根系固碳量×烤煙根系碳殘留系數+有機碳施入量-土壤碳排放量

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel 2007處理，運用SPSS 21.0單因素方差分析對不同處理各項指標進行顯著性檢驗（P＜0.05），使用Origin 2018做圖。

2 結果與分析

2.1 不同碳源下土壤呼吸動態

土壤呼吸速率可以反映土壤中有機碳的分解強度，研究結果（圖2）顯示，處理T1、T2、T3、T4和T5土壤CO2的排放速率變化范圍分別在21.63～47.95、15.72～120.09、32.74～79.40、19.29～88.78和23.57～159.50 mg·h-1·m-2。各 處理于烤煙移栽初期（5月9日）土壤呼吸排放量最高，且隨著烤煙移栽后生育期的推進，排放動態總體表現為倒“S”型，呈先下降后上升再下降的變化趨勢，各處理于7月4日與8月1日前后分別出現了低峰與高峰兩個峰值。這主要是由于烤煙種植初期農事活動與肥料的施用對土壤擾動提升了土壤碳排放，而烤煙生育期后期，降水量與土壤呼吸排放量呈正相關造成的。從不同處理來看，烤煙移栽初期各處理土壤呼吸速率差異較大，表現為T5＞T2＞T4＞T3＞T1，施用有機肥處理土壤呼吸速率大于單施化肥處理；隨著生育期的推進，不同處理之間的差異變小，表明施用有機肥增加了土壤呼吸速率，且在施用初期影響最大。

2.2 不同碳源對土壤CO2排放及碳損失的影響

2.2.1 土壤CO2排放總量

研究結果（圖3）顯示，土壤CO2排放量在1074.72～1660.41 kg·hm-2，不同處理CO2排放量表現為T5＞T4＞T2＞T3＞T1，其中，T5處理處于最高值，T1處理處于最低值。有機肥處理與對照相比，T2、T3、T4處理CO2與碳排放量分別高于對照380.59、257.62、476.20與103.79、70.25、129.87 kg·hm-2，但差異不顯著，表明秸稈、油枯、農家肥的施用提高了土壤CO2的排放總量，但效果不明顯。T5處理與對照相比，CO2與碳總排放量分別提高了585.69和159.73 kg·hm-2，差異達到顯著水平，表明采用農家肥與油枯混施增加了土壤有機物質的分解。

2.2.2 不同碳源在烤煙生長季的分解率

不同碳源在烤煙生長季節分解率有所差異（表3），各處理有機肥分解率在0.22～0.42之間，有機肥分解率表現為T3＜T2＜T5＜T4，其中油枯分解率最高，農家肥分解率最低，秸稈以及農家肥與油枯混施分解率則處于中間水平。說明各有機肥處理相比，油枯處理有機肥分解率較高，有利于有機材料中碳的分解與轉化，農家肥處理有機肥分解率偏低，相對于其他有機材料而言，有利于碳在土壤中的固定。

表3 有機肥在烤煙生長季的分解率

2.3 不同碳源對烤煙根系固碳的影響

2.3.1 烤煙根系碳累積

烤煙根系碳累積量平均為461.78 kg·hm-2，不同施肥處理碳累積量如圖4所示。有機肥處理與對照相比，烤煙根系碳積累量無顯著差異，而在有機肥處理中，T3、T4、T5處理間烤煙根系碳積累量無顯著差異，而T3與T5處理顯著高于T2處理，說明有機肥的施用對烤煙根系碳積累量的增加效果不明顯。而有機肥處理中，農家肥以及農家肥與油枯混合施用相對于秸稈處理，其對烤煙根系碳積累的提升有明顯的促進作用。

2.3.2 烤煙根系碳還田系數及還田量

試驗采集的根系生物量與農民耕作結束后從田間移除的根系生物量的差值換算成含碳量，即為烤煙根系碳還田量。研究結果（圖5）顯示，試驗操作采集的根系生物量約63.61 g·株-1；農民在正常耕作模式下，在烤煙采收結束后通過人工拔除的植株根系生物量約27.72 g·株-1，農民正常耕作模式下取得的根系生物量占總根系生物量的43.58%，因此根系殘留量占總根系碳量的56.42%，即煙農收獲烤煙后，烤煙根系碳在土壤中殘留量為260.56 kg·hm-2。

2.4 不同碳源下的土壤碳平衡

不施用有機肥條件下，烤煙生長季碳的輸入量略小于輸出量，土壤碳略虧缺；在300 kg·hm-2秸稈（T2）或225 kg·hm-2（T4）油枯投入下，土壤碳基本平衡；在750 kg·hm-2農家肥或在225 kg·hm-2農家肥+225 kg·hm-2油枯（T5）投入下，土壤碳略有盈余，表明煙農常規施用有機肥下，植煙土壤碳平衡為碳匯。土壤碳主要來源于根系和外源施用有機碳，從表4可以看出，煙農常規施肥下，施肥投入有機碳63.67～83.90 kg·hm-2，僅占烤煙生長季碳投入量的19.75%～26.02%，而烤煙根系輸入236.89～281.40 kg·hm-2，占烤煙生長季碳投入的73.98%～87.77%，由此可見,在常規施肥下，植煙土壤碳主要源于烤煙根系。

表4 烤煙生長季農戶常規施肥下土壤碳平衡（kg·hm-2）

3 討論

3.1 植煙土壤呼吸動態

農田土壤呼吸是一個復雜的生物學過程，受多種因素影響，包括作物類型、凈初級生產力、地上與地下生物量分配等生物因子、土壤溫度、土壤水分、土壤有機質等非生物因子及土壤耕作、施肥等人為活動因子，各因子之間既相互獨立又相互聯系地影響土壤呼吸［14，22］。通過對不同碳源下植煙土壤呼吸的動態研究發現，烤煙大田生長期，不同施肥處理的土壤呼吸速率均呈倒“S”型變化，峰值出現在70 d，這與戴衍晨等［23］的“M”型研究結果不同，這可能是由于烤煙種植地區的維度不同使生育期長短產生了變化。不同施肥處理的土壤呼吸速率均值表現為施用有機肥處理高于不施肥處理，這與前人［6，9，24］的研究結果一致。施肥處理土壤呼吸的敏感性大于不施肥處理，這是因為隨著土壤呼吸底物的增加，土壤呼吸對溫度的敏感性升高［25］。但單施化肥與化肥配施有機肥處理對土壤呼吸速率的影響無顯著差異，這與劉曉雨等［7］及趙崢等［8］的研究結果一致，且本研究發現，采用農家肥與油枯混施處理能夠明顯提升土壤呼吸排放量。土壤水分是影響陸地生態系統CO2通量的重要環境要素，對植被的生長、根系分布、微生物活性等與土壤呼吸密切相關的生物因子起控制作用［26］，土壤濕度是影響土壤呼吸的另一個重要因子。土壤濕度對土壤呼吸的直接影響是通過影響根和微生物的生理過程，對土壤呼吸的間接影響是通過影響底物和氧氣的擴散。相關研究結果表明，土壤呼吸速率和土壤濕度之間存在正相關、負相關或是沒有相關性［27］。本研究中，土壤CO2排放量與降水量呈正相關，說明降水量的增加促進了CO2的排放。

3.2 不同碳源的碳分解與碳排放

羊糞農家肥是一種弱堿性肥料，具有養分濃度高，有機質含量多，氮、磷、鉀含量高等特點［28］。油枯屬于餅肥的一種，餅肥施用后可以提高土壤有機質的含量，為土壤微生物提供了營養和能量，給微生物的活動提供了良好的環境條件，土壤微生物活動旺盛，促進了土壤中細菌、真菌、放線菌數量的增加，同時提高了土壤中酶的活性，促進了土壤有機養分的分解［29］。秸稈的施用可通過增加土壤有機碳的直接輸入實現固碳，維持土壤有機質平衡［30-31］。當有機肥施入土壤后，受土壤微生物、溫度和水分等條件的影響而發生有機質的機械粉碎、分解、合成等作用，最后成為土壤有機質的重要組成部分［32］。試驗研究結果表明，有機肥處理中，農家肥與油枯混施土壤CO2排放量最高，其次為油枯處理，而有機質分解率表現為油枯處理分解率最高，其次為農家肥+油枯處理，說明農家肥與油枯混施有利于CO2向氣體轉化并排放到大氣中，而單施油枯處理C的去向更傾向于在土壤中的固定，這可能與農家肥本身有機物質含量高，而油枯更傾向于促進土壤微生物活性來改善土壤環境，且農家肥與油枯混施起到的雙重作用有關；秸稈與農家肥相比，土壤CO2排放量與有機質分解率呈正相關，說明土壤CO2排放量隨著有機物料施入量的增加而增加，土壤C的運行途徑有更為明確的規律性，這與宋大利等［30］及劉禹池等［31］的研究結果相似。

3.3 植株根系對碳的固定與土壤碳平衡

施用有機肥和不施有機肥對烤煙根系碳積累總量的提升影響不大。而有機肥處理中農家肥以及農家肥與油枯混施與秸稈處理相比，對烤煙根系碳積累量的增加有明顯的促進作用，已有研究表明，有機肥的施用有利于提高土壤中有機碳的含量［33-34］。在本研究中，有機肥的施用提升了土壤碳平衡，這與前人研究結果相似，而在有機肥處理中，農家肥與油枯混施處理下的土壤碳平衡效果更為理想；烤煙根系是植煙土壤碳的主要來源，而在烤煙生產結束后，農民會手動將烤煙連根拔出，部分根系由于人為操作的影響離開了土壤，相當于烤煙總根系生物量的43.58%，從而減少了土壤中C的固定，對土壤碳平衡產生了影響；且當地常規施肥情況下，單施化肥的土壤碳平衡為正數，表現為碳源，而有機肥與無機肥配施的土壤碳平衡為負數，表現為碳匯。

4 結論

有機肥的施用直接影響了土壤碳平衡，在烤煙生長期間，植煙土壤呼吸動態呈倒“S”型的先下降后上升再下降的變化規律，在烤煙旺長期（烤煙移栽后49 d左右）出現了低峰值，在烤煙打頂期（烤煙移栽70 d左右）出現了高峰值。有機肥的施用增加了土壤呼吸的強度，但對烤煙根系碳積累量的提升效果不明顯。單施用化肥的植煙土壤表現為碳源，而有機肥與化肥配施使植煙土壤成為碳匯。在當地耕作模式下，整個生育期有56.42%的烤煙根系殘留于土壤當中，使烤煙根系成為常規施肥下土壤碳的主要來源。因此，施用有機肥能夠提升土壤碳平衡，減少碳損失，且采用農家肥與油枯混施也能夠在一定程度上促進烤煙根系碳積累量的提升。