基于盆栽试验的施用烟秆生物炭对植烟土壤呼吸速率的影响
摘要：为探索烟秆生物炭对植烟土壤呼吸速率的影响机制，采用盆栽试验在烟草不同生育期测定了土壤呼吸速率、温度和含水率。结果表明，不同施肥措施条件下，植烟土壤呼吸速率随烟草生长发育进程的推进变化明显，烟苗移栽后60d呼吸速率降至最低，移栽后90d达到峰值。施用生物炭的土壤呼吸速率均大于不施用生物炭和常规施肥。土壤含水率和温度双因素模型能够更好地表征土壤呼吸速率的变化。各处理土壤呼吸速率温度敏感性系数为2.36～9.41，施用生物炭降低了土壤呼吸速率对土壤温度的敏感程度。
常规施肥＋12g/kg生物炭、常规施肥＋24g/kg生物炭、常规施肥-纯氮5%＋12g/kg生物炭、常规施肥-纯氮10%＋24g/kg生物炭处理的土壤呼吸速率与阳离子交换量均呈显著负相关。土壤pH、有机质（除不施肥CK外）、碱解氮、速效磷、速效钾均与土壤呼吸速率呈负相关。因此，添加适量的生物炭可以促进土壤呼吸速率的提高。
常规施肥＋12g/kg生物炭、常规施肥＋24g/kg生物炭、常规施肥-纯氮5%＋12g/kg生物炭、常规施肥-纯氮10%＋24g/kg生物炭处理的土壤呼吸速率与阳离子交换量均呈显著负相关。土壤pH、有机质（除不施肥CK外）、碱解氮、速效磷、速效钾均与土壤呼吸速率呈负相关。因此，添加适量的生物炭可以促进土壤呼吸速率的提高。
土壤呼吸占陆地生态系统总呼吸量的66.7%以上，是大气和土壤间进行二氧化碳交换的重要方式之一。土壤呼吸相对微小的变化也会导致大气中CO2浓度的巨大改变［1-2］。在陆地生态系统中，农田生态系统最易受人为因素的影响，农业源排放的二氧化碳量几乎达到人为排放量的1/4［3］。所以，研究农田生态系统土壤呼吸速率对评估陆地生态系统碳收支平衡具有重要意义。生物炭可以改变土壤微生物的生存环境、影响微生物的活性，进而影响二氧化碳的排放［4-6］。生物炭中含有微量元素、自由基以及一些化学反应的催化剂等，对土壤的微生物活性具有提高作用［7-8］。
吴志丹等［9］研究报道，施入生物炭提高了茶园土壤呼吸速率；刘鸿骄等［10］研究表明，与秸秆直接还田相比较，生物炭还田能有效抵抗微生物的分解作用，降低土壤呼吸速率，是一种低碳的秸秆还田措施。而关于土壤呼吸速率的影响因素目前尚不完全清楚。张博等［11］研究油松人工林时发现土壤呼吸速率受温度影响较大，且土壤日均呼吸速率与土壤温度存在极显著的指数关系；赵吉霞等［12］对云南松林土壤研究结果表明，土壤呼吸速率与土壤全氮、水解氮、易氧化有机碳及pH均呈显著的正相关，且与土壤全磷含量呈极显著正相关，而与土壤C/N则呈极显著负相关。
以往的研究主要集中在森林和草原，而对农田土壤的研究较少［13］，尤其是烟田。因此，基于盆栽试验进行了植烟土壤在不同生物炭用量下土壤呼吸速率的测定，研究烟草生育期植烟土壤呼吸速率以及与土壤温度和含水率的关系，旨在为植烟土壤呼吸的准确判断及生物炭的合理施用提供依据。
吴志丹等［9］研究报道，施入生物炭提高了茶园土壤呼吸速率；刘鸿骄等［10］研究表明，与秸秆直接还田相比较，生物炭还田能有效抵抗微生物的分解作用，降低土壤呼吸速率，是一种低碳的秸秆还田措施。而关于土壤呼吸速率的影响因素目前尚不完全清楚。张博等［11］研究油松人工林时发现土壤呼吸速率受温度影响较大，且土壤日均呼吸速率与土壤温度存在极显著的指数关系；赵吉霞等［12］对云南松林土壤研究结果表明，土壤呼吸速率与土壤全氮、水解氮、易氧化有机碳及pH均呈显著的正相关，且与土壤全磷含量呈极显著正相关，而与土壤C/N则呈极显著负相关。
以往的研究主要集中在森林和草原，而对农田土壤的研究较少［13］，尤其是烟田。因此，基于盆栽试验进行了植烟土壤在不同生物炭用量下土壤呼吸速率的测定，研究烟草生育期植烟土壤呼吸速率以及与土壤温度和含水率的关系，旨在为植烟土壤呼吸的准确判断及生物炭的合理施用提供依据。
1材料和方法
1.1试验地概况
试验设置于河南农业大学试验农场，属温带季风气候，年均太阳总辐射量4900MJ/（m2·年），平均气温14.0℃，年均降雨量640.9mm，无霜期220d，全年日照时数约2400h。土壤质地为壤土，pH7.12，有机质13.65g/kg，碱解氮42.12mg/kg，速效磷38.67mg/kg，速效钾77.23mg/kg。在每次取样前记录近一周的平均气温和天气状况，见表1。
1.2试验设计
试验于2015年5月—10月进行（5月1日移栽），供试品种为中烟100，采用盆栽的种植模式，土壤自然风干过5mm筛，每盆（直径30cm）装土量25kg。共设6个处理：不施肥（CK）；常规施肥（T1）；常规施肥+12g/kg生物炭（T2）；常规施肥+24g/kg生物炭（T3）；常规施肥-纯氮5%+12g/kg生物炭（T4）；常规施肥-纯氮10%+24g/kg生物炭（T5）。
每处理20株，常规施肥为硝酸铵10g/盆，N∶P2O5∶K2O=1∶2∶3，肥料和生物炭与土壤混匀后装入盆中。烟株在旺长期每两天浇水1次，伸根期和成熟期5～7d浇水1次，每次3L。生物炭以烟秆为原料，炭化温度为450℃，炭化时间为2h，基本理化性质见表2。
1.3取样与测定方法
1.3.1土壤呼吸速率的测定
采用便携式光合作用测量仪的土壤气室（LI6400XT-09，美国LI-COR公司）测定土壤呼吸速率。从烟苗移栽后30d到烟叶收获，每15d测定1次，测定时间为11∶00—14∶00，在此时间段内土壤呼吸速率能较准确代表当日水平［14］。测量气室放置在事先已经放入土壤中的PVC环上进行测量。为减少安置PVC环对土壤系统的破坏，第1次测定在安置24h后进行，以避免由于安置PVC环对土壤扰动而造成的短期呼吸速率的波动。
PVC环直径5.07cm、高4cm，PVC环埋入土壤后露出地表2cm以保证测量气室的密闭性，同时去除环内土壤表面的一切活体。每个处理选取3盆分别安置1个环，每次测定3次重复，仪器自动记录。在土壤呼吸速率测定的同时，在PVC环附近选择1个点，将土壤温度探针插入土壤，深度固定为10cm。
1.3.2土壤理化性状指标的测定
取植株根际土壤（将植物根系取出抖落松散土壤后，用小刀刮下距根系1～3mm的土壤），用烘干法测定土壤含水率（深度为10cm土样）。采用碱解扩散法测定土壤碱解氮［15］；碳酸氢钠浸提—钼锑抗显色分光光度法测定土壤有效磷［15］；醋酸铵提取火焰光度法测定土壤速效钾［15］；重铬酸钾氧化法测定土壤有机质［15］；乙酸钠交换法测定土壤阳离子交换量（CEC）［15］；电位法测定土壤pH［15］。
土壤含水率计算：
土壤含水率=［（土壤鲜质量-烘干后土壤质量）/土壤鲜质量］×100%