生物炭对烤烟根系特性和土壤CO2排放的影响

李彩斌 ，蒋寿安 ，刘青丽 ，李志宏 ，张云贵 ，田昊岩 ，何 轶 ，罗贞宝 ，蒋雨洲 ，，

（1.贵州省烟草公司 毕节市公司，贵州 毕节 551700；2.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3.黑龙江八一农垦大学 农学院，黑龙江 大庆 163391）

生物炭是一种土壤改良剂[1]，由于其特殊的理化性质[2]，在改善土壤质量和功能等方面已经被广泛研究并应用[3-5]，并且在土壤中周转周期可长达数百年[6]。施用生物炭可以改变土壤物理性质，同时提高土壤孔隙度，影响土壤通气性[7-9]。农业生产中，在土壤中添加生物炭作为一种缓解气候变化的工具，生物炭在土壤中的应用可以增加土壤的固碳作用以及减少CO2的排放[10-11]，具有很强的稳定性和固碳减排潜力[12]。

目前，土壤添加生物炭，植物适应性会从根系形态等方面做出响应[13]。研究表明，施用4.5～9 t/hm2生物炭促进了小麦根系生长[14]。关于生物炭施用对土壤呼吸的影响已有大量研究，由于试验区的水热生态环境、土壤质地、生物炭性质等不同研究结果差异较大。PALVIAINEN 等[15]对北方森林添加生物炭的试验表明，生物炭不会对北方森林土壤的CO2排放产生重大或长期的影响。ZHOU 等[16]研究表明，生物炭的应用对亚热带森林土壤呼吸的影响不显著。曹坤坤等[17]的室内培养试验发现，生物炭添加初期对土壤有机碳有短期的激发效应，而后期显著抑制了土壤呼吸；田冬等[18]研究发现，生物炭还田显著抑制了土壤呼吸作用。还有研究表明，植物呼吸在一定范围内与土壤温度呈正相关，土壤呼吸通常与土壤温度呈指数相关[19]。由于其中最重要的组成部分是根系呼吸和土壤微生物异氧呼吸，土壤呼吸是一种复杂的生物学过程，受到如温度[20]、湿度[21]和pH[22]等多种因素的影响。

关于生物炭对作物根系生长和土壤CO2排放的研究已分别报道，而土壤通气状况与土壤-作物根系-大气之间的气体交换功能息息相关[23]。伴随着土壤呼吸向大气中释放CO2是土壤通气的主要机制[24]。但关于根系生长与土壤CO2排放的研究尚少报道，并且通过环境因素进一步分析的研究未见报道。为此，本研究基于长期定位试验条件下，通过研究生物炭对烤烟土壤物理性质的影响，进一步分析生物炭对烤烟根系生长和CO2排放通量的影响，并采用Pearson 相关性分析，揭示烤烟根系特性和土壤呼吸之间的偶联关系，旨在为合理施用生物炭农田可持续发展提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2020年4月在贵州省毕节市威宁县黑石科技园进行，供试土壤为黄棕壤。自2018年开始进行定位施肥处理，2020年移栽前试验田0～20 cm 耕层土壤的养分含量为pH 值5.4，土壤总有机碳12.2 g/kg，有效钾196.4 mg/kg，全氮0.9 g/kg，全磷1.1 g/kg。

1.2 试验材料

供试烤烟品种为云烟87，由毕节市烟草公司提供。供试烟秆生物炭（简称生物炭）为贵州金叶丰农业科技有限公司生产，pH 值9.2，碳48.3%，氢3.9%，氧31.4%，氮1.5%，全磷2.4 g/kg，有效钾16.2 g/kg，全钾24.4 g/kg，比表面积1.5 m2/g，总孔隙体积0.007 5 cm3/g，平均孔直径20.3 nm。

1.3 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，共设置3 个生物炭处理：T1. 0 t/hm2（对照）；T2. 15 t/hm2；T3. 40 t/hm2，各处理均为3 次重复，共9 个小区，小区面积74.8 m2。2018年5月3日生物炭采用撒施的方式一次性投入，并与耕层土壤旋耕混合均匀。烤 烟 于2020年4月26日 移栽，行 距110 cm，株 距55 cm，田间管理措施同当地优质烤烟栽培管理模式。

基肥种类及用量：烟草专用基肥（N、P2O5、K2O分别为9%、13%、22%）585.0 kg/hm2；追肥种类及用量：提苗肥（N、P2O5、K2O 分别为15%、8%、7%）37.5 kg/hm2、烟草专用追肥（N、K2O 分别为13%、26%）300.0 kg/hm2。肥料总养分投入量为：N 90.0 kg/hm2、P2O590.0 kg/hm2、K2O 225.0 kg/hm2。基肥于移栽前窝施，烤烟移栽后30 d 结合中耕培土撒施追肥。

1.4 样品采集与指标测定

在烤烟成熟期，各小区均取长势均匀一致的植株1 株，以根茎为中心，将垄方向55 cm、垂直方向60 cm、深20 cm 的土层全部挖出，通过水洗及高密度网过滤法，收集烤烟根系，根系结构采用Win RHIZO 植物根系扫描分析系统测定。将每株烤烟植株分别按不同器官（根、茎、叶）分类后，逐批置于烘箱中，均以105 ℃杀青30 min,再以70 ℃烘干至恒质量，测定干质量，计算根冠比。

土壤气象数据（土壤温度、土壤湿度）由OnsetHOBO 型温湿度数据记录仪自动记录。土壤呼吸参数采用静态箱-红外CO2分析法测定。采样时长设置为5 min，每个处理3 次重复。测定时间统一为8：00—11：00，采样频率为7 d/次，如遇特殊天气则适当调整。

式中，Q为CO2排 放 通 量（mg/（h·m2））；m为CO2的摩尔质量；h为箱体有效高度（m）；P为采样点大气压力，通常视为标准大气压，即1.013×105Pa；R为普适气体常数8.314（J/（mol·K））；T为采样时箱内平均气温（℃）；V为密封静态箱的体积（m3）[25]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Office Excel 2010 进行数据整理及作图，IBM SPSS 22.0 统计分析软件进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用量对烤烟根系特征的影响

2.1.1 根系形态特征 施用不同用量生物炭对烤烟根系有着不同的影响。在烤烟生长后期的打顶期，与对照T1 处理相比，T2 处理（生物炭15 t/hm2）总根长和总根体积分别提高了11.1%和7.3%，T3 处理（生物炭40 t/hm2）分别降低了总根长、总根表面积和总根体积；在烤烟成熟期，与对照T1 处理相比，T2 处理（生物炭15 t/hm2）分别降低了总根长和总根表面积，而提高了总根体积0.9%，T3 处理（生物炭40 t/hm2）分别降低了总根长、总根表面积和总根体积（表1）。从而说明，适量施用生物炭（15 t/hm2）有利于烤烟根系生长。

表1 生物炭对烤烟根系形态性状的影响Tab.1 Effects of biochar on flue-cured tobacco root morphological characteristics

2.1.2 根冠比 由图1 可知，各处理烤烟全生育期根冠比变化规律较为相似，均呈S 型曲线。烤烟团棵期根冠比数值均较低，各处理表现为T1>T3>T2，烤烟旺长期的各处理根冠比数值表现为T3>T2>T1，T3 处理与T1 处理和T2 处理均呈显著性差异。烤烟打顶期和成熟期根冠比数值均较高，各处理均表现为T1>T2>T3。从而说明，适量施用生物炭（15 t/hm2）有利于烤烟地上部和地下部平衡发展。

图1 生物炭对烤烟根冠比的影响Fig.1 Effects of biochar on flue-cured tobacco root-shoot ratio

2.2 生物炭施用量对烤烟田土壤呼吸特征的影响

各处理烤烟全生育期土壤CO2排放通量较为相似，均呈单峰曲线（图2）。各处理均在移栽后21 d和移栽后114 d，土壤CO2排放通量较低，但在烤烟移栽后第56 天（烤烟旺长期的前期），土壤CO2排放通量最高，其中，T3处理最高，为506.92 mg/（h·m2），其次是T1 处理，为453.89 mg/（h·m2），而T2 处理最低，为253.75 mg/（h·m2），与T1 和T3 处理均呈显著性差异。各处理烤烟全生育期土壤CO2平均排放通量均表现为T3>T1>T2，分别为237.90、180.19、171.78 mg/（h·m2），T2 处 理 与T1 和T3 处 理 均 呈显著性差异。从而说明，适量施用生物炭（15 t/hm2）降低了烤烟土壤CO2排放。

图2 生物炭对烤烟土壤CO2排放通量的影响Fig.2 Effects of biochar on CO2 emission flux in flue-cured tobacco soil

各处理烤烟全生育期土壤CO2排放累积量和碳排放量，均表现为T3>T1>T2，T2 处理分别低于T1 处理3.42%，T2 处理分别低于T3 处理32.03%。T3 处理与T1 和T2 处理间均呈显著性差异（表2）。从而说明，施用生物炭适宜用量降低了烤烟土壤碳排放。

表2 生物炭对烤烟全生长季土壤CO2排放累积量的影响Tab.2 Effects of biochar on soil CO2 emission accumula⁃tion during the whole growing season of flue-cured tobacco

2.3 根系形态特征与烤烟田土壤呼吸的影响因素

由图3 可知，土壤温度随着烤烟生育期推进均呈下降趋势，而6月的土壤温度各处理均呈现出最高值，以T2 处理土壤温度最高，为25.33 ℃，并以T3 处理土壤温度最低，为24.54 ℃，但是从各个处理平均土壤温度来看，与T1 处理相比，T2 处理和T3 处理分别降低了0.16%和3.27%。

图3 生物炭对烤烟土壤温度的影响Fig.3 Effects of biochar on temperature in flue-cured tobacco soil

从烤烟生育期土壤湿度变化来看，各施用生物炭处理的土壤湿度均有所降低，其中，T2 处理最低，但T2 处理在烤烟整个生长季的土壤湿度变化幅度较为平稳（图4）。各处理土壤湿度最高值出现的时间不同，T1 处理和T3 处理均出现于7月，分别为21.75% 和19.43%，而T2 处 理 出 现 于9月，为12.56%。因此，适量施用生物炭（15 t/hm2）可降低烤烟土壤湿度，并且保持土壤湿度平稳变化。

图4 生物炭对烤烟土壤湿度的影响Fig.4 Effects of biochar on moisture in flue-cured tobacco soil

2.4 根系形态特征与烤烟田土壤呼吸的Pearson相关性分析

由表3 可知，烤烟农田CO2排放通量均与根冠比、总根长、总根表面积、总根体积均呈极显著性负相关，而烤烟农田CO2排放通量与土壤湿度呈正相关，与温度呈负相关。从而说明，烤烟根系与土壤CO2排放的关系紧密。

表3 根系形态特征与烤烟田土壤呼吸的Pearson 相关性分析Tab.3 Pearson correlation analysis between root morphological characteristics and soil respiration in flue-cured tobacco field

3 结论与讨论

根系是土壤最直接的“接触者”,生物炭通过改善土壤物理性质等,从而影响作物根系的生长发育和形态特征。张伟明等[26]研究表明，生物炭施用增加水稻生育前期主根长、根体积，进而提高根系总吸收面积；蒋健等[27]对玉米的研究中指出了生物炭增加了玉米根系总根长、根体积，进而增加玉米根系活跃吸收面积。本研究中，在烤烟生长后期的打顶期，总根长和总根体积均以T2 处理最高，其次是对照T1 处理，由于生物炭利于烤烟根系生长，并且促进了根系向土壤向下扎深，而且增加了根系在土体的三维结构，利于根系更好吸收土体水分和养分等[28]。本研究还进一步指出，在烤烟生长后期的成熟期，总根长和总根表面积均表现为T1>T2>T3，T3 处理与各处理间呈显著性差异，T1 处理与T2 处理的总根长间呈显著性差异，由于施用生物炭早于不施生物炭烤烟根系出现衰亡腐解，而过量施入生物炭会造成烤烟根系过早出现衰亡腐解[29]，而总根体积表现为T2 处理最高，T3 处理最低，证明了生物炭利于烤烟根系生长是在一定施入量范围内，如果过量施入生物炭，反而抑制了烤烟根系的生长。因此，适量施入生物炭有利于烤烟根系在土体的三维结构。

施用生物炭不仅可促进根系生长，还可以优化作物地上部和地下部的资源分配[30-32]。本研究表明，烤烟团棵期根冠比数值T1 处理最高，T2 处理最低，由于在烤烟生长前期，作物本着早生快发原则，与单施化肥相比，施用生物炭降低了烤烟根系与土壤中的养分和肥料直接接触的机会[33]。在烤烟旺长期的根冠比数值表现为T3>T2>T1，由此表明，随着烟田施用生物炭量的增加，促进了烤烟根系生长[34]。但是在烤烟生长后期各处理的根冠比数值大小顺序与烤烟生长前期（团棵期）一致，由于适量施入生物炭有利于烤烟地上部和地下部平衡发展，而过度施用生物炭，在烤烟生长后期会造成根系快速衰亡，影响烤烟地上部和地下部平衡发展[35]。

农业生产中，施用生物炭可以增加土壤碳储量，它对土壤肥力和作物生产力有重要的作用[36]，而且生物炭还作为一种缓解气候变化的工具，在土壤中施用生物炭可以增加土壤的固碳作用以及减少CO2的排放。本研究结果较为一致，与不施生物炭T1 处理相比，土壤CO2平均排放通量以施用生物炭T2 处理较低，指出适当的施用生物炭有助于固碳减排，降低土壤CO2排放通量。但施用生物炭量较高的T2 处理最高，提高了土壤CO2排放通量，表明过量施用生物炭，反而会提高土壤CO2排放通量。由于土壤碳氮比在一定范围内有利于固碳减排，而碳氮比数值过大，反而造成CO2排放增加[37]。本研究还指出，烤烟移栽后第56 天（烤烟旺长期的前期），土壤CO2排放通量最高，表明烤烟土壤CO2排放通量与烤烟生育期较为一致，在植株生长发育最旺盛时期，土壤呼吸也最为强烈，其响应机制还需进一步探究。土壤呼吸的过程也就是作物根、根茎以及土壤微生物等消耗氧气，释放CO2的过程[38-39]。因此，土壤呼吸与根系生长过程密切相关。本研究结果表明，烤烟根系与土壤CO2排放呈极显著性关系，这与前人研究结果相似，进一步验证了该理论。

生物炭具有疏松多孔、比表面积较大的特点,可通过改变土壤的结构和性质影响生态系统呼吸，其中，水热条件是植物生长代谢必不可少的条件，是评估植株呼吸和土壤呼吸总排放效应的重要因子。本研究指出，施用生物炭适宜用量利于提高烤烟生长前期土壤温度，而过量施用生物炭反而会降低，并且表明施用生物炭降低烤烟土壤湿度，但是适量施用生物炭可保持土壤湿度平稳变化。由于在干旱或半干旱地区当土壤水分成为胁迫因子时可能取代温度而成为土壤呼吸的主要控制因子。在土壤湿度过大或涝灾时，土壤呼吸量剧减，而土壤过于干旱也会导致土壤呼吸量锐减。土壤水分过低，缺少根系或微生物活动所必需生存环境，产生的CO2的量将会减少；如果土壤水分过高，土壤孔隙减小，异氧呼吸所需氧气的进入以及呼吸产物CO2的排放都会受到限制[40]。因此，合理施用生物炭调节土壤温度和湿度，还需进一步深入研究生物炭理化性质与土壤改良的程度关系。因此，植株生长与生态系统呼吸作用，均受土壤环境因素的影响而吻合。

本研究结果表明，施用生物炭会影响烤烟的生长，适量施用生物炭有利于改良土壤物理性质，提高烤烟生长前期土壤温度，降低土壤湿度，从而促进烤烟根系生长，提高了烤烟总根体积，协调根冠比协调发展，并且降低了植烟土壤CO2排放通量和累积排放量，且烤烟根系与土壤CO2排放通量呈极显著负相关关系。