吳孟霖，　江　洪,，3，　吳丹娜，　黃鶴鳳，馬錦麗，　舒海燕,　孫文文，　方成圓

(1.浙江農(nóng)林大學 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安　311300；2.西南大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶　400715；3.上海市多利農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，上?！?01311)

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施加生物竹炭對有機種植卷心菜土壤呼吸的影響

吳孟霖1，江洪1,2，3，吳丹娜1，黃鶴鳳1，馬錦麗1，舒海燕2,孫文文1，方成圓1

(1.浙江農(nóng)林大學 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安311300；2.西南大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400715；3.上海市多利農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，上海201311)

摘要：為明確生物竹炭輸入對有機種植卷心菜土壤碳排放的影響，為生物竹炭在蔬菜生產(chǎn)中的有效利用提供依據(jù)，采用田間試驗研究生物竹炭施用對有機種植卷心菜土壤呼吸的影響.試驗設(shè)置CK,C1和C2處理，其生物竹炭施用量分別為0kg·hm-2；1500kg·hm-2; 4500 kg·hm-2，采用LI-Cor8100開路式土壤碳通量測定系統(tǒng)對不同生物竹炭施用水平處理與卷心菜生長不同時期的土壤呼吸速率進行觀測.結(jié)果表明，有機種植卷心菜土壤呼吸速率在蓮座期與結(jié)球期變化規(guī)律呈現(xiàn)單峰曲線特征，最高值出現(xiàn)在午后14:00-16:00,最低值出現(xiàn)在5:00-7:00，土壤呼吸速率與土壤5-10cm溫度呈極顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系，土壤5-10cm溫度能夠解釋各處理土壤呼吸日動態(tài)變化的71.63%-88.52%.施加生物竹炭降低了土壤呼吸速率，蓮座期C1處理下的日平均土壤呼吸均值比對照組減少了31.29%，差異性顯著(p<0.05).結(jié)球期C1處理下的日平均土壤呼吸值比對照組減少了34.20%且差異性顯著(p<0.05).但生物竹炭在加大施加量以后土壤呼吸速率不再下降反而上升，蓮座期C2處理下的呼吸速率均值相比對照差異性不顯著，但相比C1處理水平下的日均呼吸值提高了46.44%，差異達顯著水平(p<0.05).

關(guān)鍵詞：生物竹炭；土壤呼吸；土壤溫度；有機種植；卷心菜

卷心菜又稱甘藍，具有極高的食用價值，被世界衛(wèi)生組織評選為最佳食物的第三名.具有耐寒、抗病、適應性強、易貯耐運等特點，極受人們的喜愛.很多菜農(nóng)為了追求經(jīng)濟效益，長期大量施用化肥，不僅造成卷心菜品質(zhì)降低，而且導致土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)、肥力降低，給生態(tài)環(huán)境帶來了諸多影響和危害[1].部分學者已開始探尋環(huán)保型肥料施用對土壤質(zhì)量和作物生長的影響，其中對生物炭作為土壤改良劑的研究受到廣泛關(guān)注.

生物炭是生物有機材料(也稱為生物質(zhì))在無氧或低氧環(huán)境中低溫熱裂解后的固體產(chǎn)物.傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的炭大多為塊狀黑炭或顆粒黑炭，如木炭和竹炭[2].竹炭是竹材裂解后得到的一種生物炭,由于竹質(zhì)材料在形態(tài)結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分組成和生長特性等方面均有區(qū)別于其它生物質(zhì)原料的特點,相應地,竹炭也成為一類具有相對獨特性能的生物炭[3].近年來，我國學者對生物炭在普通大田作物、普通經(jīng)濟作物或者盆栽小范圍的產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)及土壤呼吸速率影響方面做了一些研究[4-7]，結(jié)果表明生物炭可以作為土壤改良劑提高作物產(chǎn)量[8].但有關(guān)生物炭對有機種植蔬菜土壤呼吸方面影響的相關(guān)研究還未見報道.

有機農(nóng)業(yè)是指在生產(chǎn)中不采取基因工程獲得的生物及其產(chǎn)物，完全或基本不用人工合成的肥料、添加劑等物質(zhì)，而采用有機肥料和生物肥料滿足作物生長營養(yǎng)需求，同時利用生態(tài)學、生物學和農(nóng)業(yè)科學的原理指導種植,然后在盡可能的范圍內(nèi)通過作物輪作、動物糞便、有機廢料、含有養(yǎng)分的礦石等來維持生長作物的養(yǎng)分平衡,在防治病蟲害方面也利用生物種間競爭或者物理措施來進行[9].有機農(nóng)業(yè)近年來得到了快速發(fā)展.

再加上人們的經(jīng)濟收入不斷提高，促使人們對有機農(nóng)產(chǎn)品的需求大大增加，也使得有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展有了很好的市場[10].有機種植的方式將改進土壤的理化性質(zhì)和土壤碳庫容量，所以在蔬菜有機種植的情況下，如何降低土壤的碳排放，減少對大氣環(huán)境的污染特別是通過試驗，研究竹炭增加對于有機種植的蔬菜土壤中土壤呼吸抑制的方式和強度，具有較高的理論意義和實際價值.本文的研究就是在典型的葉菜卷心菜有機種植的基礎(chǔ)上，觀察施加生物竹炭后對卷心菜蓮座期和結(jié)球期土壤呼吸速率的影響.

1材料與方法

1.1試驗地概況

實驗樣地設(shè)在上海多利農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司崇明低碳農(nóng)業(yè)基地(31°35′46″N，121°48′40″E)，該地區(qū)平均海拔為2.8m，典型海洋性氣候，溫和濕潤.年平均氣溫為15.2℃，年平均日照2094.2h，年平均降水量1025mm，全年無霜期229d.供試土壤為潮土，基本理化性質(zhì)如下：土壤基礎(chǔ)肥力PH值7.83，有機質(zhì)10.6g/kg，全氮0.114g/kg ，全鉀2.40×104mg/kg，全磷178mg/kg，水解氮78.5mg/kg，硝酸鹽氮13.2mg/kg，有效磷56.8mg/kg，速效鉀414mg/kg.

1.2生物炭

供試生物炭為竹炭，由上海時科生物科技有限公司提供，其基本理化性質(zhì)如下：pH6.0-8.0，全碳70%，氮磷鉀2.0-2.5%，固定碳50-60%，直徑小于2mm, 有機質(zhì)≥40%，氨基酸≥5%，腐植酸≥10%，有效活菌數(shù)≥0.2億/g，水分≤15%.

1.3實驗設(shè)計

試驗設(shè)2個竹炭添加水平：CK(對照)：0kg·hm-2；C1：1500kg·hm-2;C2:4500kg·hm-2.實驗樣地60*60m2，分割為9塊20*20m2的小樣地，每個處理各有三塊樣地，處理分布選擇實行隨機分布原則.實驗對象花椰菜于5月24日移栽，實驗時間為7月中旬卷心菜蓮座期，8月下旬卷心菜結(jié)球期，每月各進行三天的日測定(時間從早7：30-晚18:30)，每個處理每個時間點各重復三次，取得土壤呼吸速率的日變化規(guī)律.

1.4土壤呼吸測定

土壤呼吸速率E(又稱土壤呼吸強度), E值表征了土壤釋放CO2的能力強弱.利用LI-Cor8100開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)(L-i cor Inc. , Linco ln, NE,USA )測定卷心菜土壤呼吸速率.測定前將聚乙烯PVC 環(huán)插入土壤3-5cm深處，土壤5cm處溫度由LI-Cor8100 攜帶的探針進行同步測定.

1.5數(shù)據(jù)分析

運用指數(shù)模型分析土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系,One-Way ANOVA 方差分析不同施加竹炭處理間土壤呼吸的差異,處理間平均數(shù)的比較采用最小顯著差數(shù)法(LSD)，顯著水平為p<0.05.在數(shù)據(jù)分析前,對所有數(shù)據(jù)進行正態(tài)性與方差齊性檢驗.統(tǒng)計分析在SPSS13.0軟件中進行，采用Excel2003軟件作圖.

2結(jié)果與分析

2.1施加竹炭后卷心菜土壤呼吸日動態(tài)規(guī)律

蓮座期、結(jié)球期不同竹炭施用水平下卷心菜土壤呼吸速率的日變化規(guī)律基本一致(圖1)，大致呈現(xiàn)單峰曲線特征：早晨較低, 隨后逐漸上升,多在14:00前后達到日最高值，此后又逐漸下降.C1處理下的土壤呼吸速率均低于C2與CK處理下的土壤呼吸速率.

圖1　施加竹炭卷心菜土壤呼吸動態(tài)Figure.1　Dynamic Changes of Soil Respiration Rate

蓮座期C1處理下的卷心菜土壤呼吸速率從8：00的3.41μmol·m-2·s-1逐漸上升到14:00左右的7.86μmol·m-2·s-1，此后逐漸下降至4.25μmol·m-2·s-1.C2與CK處理8:00的土壤呼吸值相差不大均在6.1μmol·m-2·s-1左右，14:00達到的峰值也相差不大，在11μmol·m-2·s-1左右.峰值過后都有所下降.C1處理的土壤呼吸速率在8點是3μmol·m-2·s-1左右，同一時間C2與CK的土壤呼吸速率類似，約為6μmol·m-2·s-1.隨后三者都逐漸上升，在11點左右C1與C2漲幅達到最大，在14時左右均達到最大值，此后開始回落，至18時達到最低值.

結(jié)球期C1處理下的土壤呼吸速率在早晨8：00只有2.49μmol·m-2·s-1，隨后逐漸上升，在14:00的峰值為7.97μmol·m-2·s-1，18:00土壤呼吸速率為4.02μmol·m-2·s-1.C2處理下的卷心菜土壤呼吸速率在8:00-10:00時均小于CK處理的土壤呼吸速率，10:00以后C2處理的呼吸速率逐漸上升并且大于CK處理下的速率直至14:00達到峰值.14:00以后又逐漸下降.

2.2施加竹炭后卷心菜土壤呼吸速率的影響

施加竹炭后卷心菜土壤呼吸速率的影響可以從圖2中看出.

蓮座期C1處理下的日平均土壤呼吸均值5.57μmol·m-2·s-1明顯比對照組(均值8.10μmol·m-2·s-1)有所減少，減少了31.29%，差異性顯著(p<0.05).C2處理下的呼吸速率均值8.15μmol·m-2·s-1相比對照差異性不顯著，但相比C1處理水平下的日均呼吸值提高了46.44%，差異達顯著水平(p<0.05).

結(jié)球期C1處理下的日平均土壤呼吸值為7.38μmol·m-2·s-1，比對照組(均值4.85μmol·m-2·s-1)也有明顯的減少，減少了34.20%且差異性顯著(p<0.05).C2處理下的呼吸速率均值7.04μmol·m-2·s-1相比對照差異性不顯著，相比C1處理下的日均土壤呼吸值也達不到顯著水平.

圖2　施加竹炭后卷心菜土壤呼吸速率的影響Figure.2　Effect of Bamboo Charcoal on Soil Respiration Rate

2.3卷心菜土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系及其敏感性

根據(jù)研究，土壤5-10cm處溫度是土壤呼吸速率的主要影響因子，且土壤呼吸速率與土壤的溫度呈指數(shù)相關(guān)性[5,11-13]，如圖3所示，圖中:點表示土壤呼吸速率值;直線表示擬合線.土壤溫度升高,土壤呼吸作用加強,并且土壤溫度是土壤呼吸速率變化的主要驅(qū)動因素. 由回歸方程可知,卷心菜蓮座期的土壤呼吸日均變化在施用竹炭0kg·hm-2、1500kg·hm-2、4500kg·hm-2時分別為71.63%、87.07%和81.9%；結(jié)球期分別為81.21%、88.52%和84.65%，均與土壤溫度的變化有關(guān).無炭處理下土壤表層平均溫度在兩期的表現(xiàn)都是早晨最低，中午最高；土壤呼吸速率的日變化與土壤溫度的日變化一致,也是早晨最低，中午最高. 中炭與高炭處理的土壤呼吸速率在蓮座期與結(jié)球期日增長與土壤溫度增長基本一致:8:00-13:00溫度升高,呼吸速率增長;13:00后, 土壤溫度繼續(xù)升高,土壤呼吸作用強烈，至14:00達到一天中的峰值.隨后隨溫度下降而降低.

圖3　土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系Figure.3　The Relationship of Soil Respiration Rate and Soil Temperature

3討論

土壤呼吸是一個復雜的生物學過程，包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸及土壤動物呼吸等[14].有研究表明施加生物竹炭可以改善土壤中的微生物活動環(huán)境，促進植物生長，土壤呼吸會急劇增加[15]，也有研究認為生物炭可以壓制土壤呼吸[16].本研究表明生物竹炭的添加降低了有機卷心菜的土壤呼吸速率，施用生物竹炭1500kg·hm-2的卷心菜日均土壤呼吸速率蓮座期與結(jié)球期分別比CK 減少31.29%與34.20%，并與CK 差異達顯著水平(p<0.05).這個研究結(jié)果與劉鴻驕、柯躍進的結(jié)論一致[17-18]，表明生物炭的施加能降低土壤呼吸速率.但這個結(jié)果與吳志丹等以及Jerry所檢測的土壤呼吸結(jié)果有差異[15,19]，造成差異的原因可能是由于實驗時間、地點、實驗對象以及當?shù)赝寥婪N植條件等各類因素都不相同，不排除實驗時因各類因素而產(chǎn)生的誤差.此外，竹炭分子結(jié)構(gòu)細密多孔，吸咐力強，對呼吸的CO2進行了吸附，可能也是生物竹炭施用造成卷心菜土壤呼吸速率減少的原因之一.有研究表明生物炭施用于土壤會提高土壤碳儲量和減少溫室氣體(N2O、CH4)排放[20-21]，生物竹炭固有的惰性在施加后促進碳素固定于土壤中并減少土壤呼吸量，因而也能有效減少CO2的釋放[4].同時竹炭也能起到抗菌的作用，其中混合許多雜環(huán)類物質(zhì)能驅(qū)避害蟲[22]，抑制一些病蟲及有害病菌的生長，也能減少土壤微生物CO2的釋放.

另一方面竹炭施加水平在4500kg·hm-2時土壤呼吸速率沒有降低，相比對照組差異性不大，可能因為有機栽培的土壤肥力本來就很高，在施加適量竹炭時對土壤生物的活動會起到一個促進作用，但如果超過一定量反而達到適得其反的作用.所以估計施加竹炭量在1500kg·hm-2-4500kg·hm-2之間有一個飽和值，會使得添加竹炭的效果達到最好的節(jié)能減排效果.具體的精確值有待下一步研究確認.

4結(jié)論

(1)有機種植卷心菜土壤呼吸速率的日變化規(guī)律呈現(xiàn)單峰曲線特征，最高值出現(xiàn)在14：00前后，最低值出現(xiàn)在早晨8:00以前；土壤呼吸速率與土壤溫度呈極顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系，土壤5-10cm溫度能夠解釋卷心菜蓮座期各處理土壤呼吸日動態(tài)變化的71.63%、87.07%和81.9%.在結(jié)球期各處理土壤呼吸日動態(tài)變化被解釋為81.21%、88.52%和84.65%.

(2)施加生物竹炭減少了有機種植卷心菜的土壤呼吸速率，生物竹炭添加量在1500 kg·hm-2時日平均土壤呼吸速率在蓮座期與結(jié)球期分別比CK 減少31.29%與34.20%，并與CK 差異達顯著水平(p<0.05).生物竹炭添加量在4500kg·hm-2時兩個時期的土壤呼吸速率與CK 差異不顯著，起不到減少土壤呼吸的作用.

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DOI：10.14182/J.cnki.1001-2443.2016.04.013

收稿日期：2015-05-30

基金項目：上海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重大項目(重大2013-14號)；2012年上海市科技興農(nóng)推廣項目(滬農(nóng)科推字2012第1-4號，2013第5-8號)；2013年上海市科委生態(tài)崇明重點支撐項目(13231204400)；上海市科委2013年度“創(chuàng)新行動計劃”上海工程技術(shù)研究中心建設(shè)項目(13DZ2250900).

作者簡介：吳孟霖(1992-)，女，貴州貴陽人，碩士研究生.通訊作者：江洪(1955-)，重慶人，教授，博士.

中圖分類號：S714

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2443(2016)04-0377-05

Effects of Different Application Rates of Bamboo Biochar on Soil Respiration of Organic Cabbage

WU Meng-lin1，JIANG Hong1,2，3，WU Dan-na1，HUANG He-feng1，MA Jin-li1，SHU Hai-yan1，SUN Wen-wen1，F(xiàn)ANG Cheng-yuan1

(1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration， Zhejiang A&F University， Lin’an 311300, China; 2.Key Laboratory of Eco-environments of Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Southwest University, Chongqing 400715, China; 3.Shanghai Tong Agricultural Development Co. Ltd, Shanghai 201311, China)

Abstract：Effects of bamboo charcoal at different application rates on soil respiration of organic cabbage were investigated for providing a scientific basis for the effective utilization of biochar on vegetable production．A field experiment was carried out in an organic farm with CK、 C1 and C2 three additions which are 0kg·hm-2, 1500kg·hm-2, 4500kg·hm-2of bamboo charcoal. Measurement of soil respiration was made using a LI-8100

soil CO2efflux system. The results showed the daily variation of soil respiration in July and August both represent a single peak curve, which the maximum appeared in 14:00-16:00 and the minimum appeared in 5:00-7:00. Soil respiration had a significant exponential correlation with soil 5-10cm temperature(P<0.01), and the soil temperature of 5-10cm depth can explain 71.63%-88.52% variation of the daily soil respiration rate. Addition of bamboo charcoal was recommended to decrease soil respiration rate，especially at addition of 1500kg·hm-2it was decreased 31.29% in July and 34.20% in August respectively. However, soil respiration rate did not decrease with growing amount of bamboo charcoal, there was no significant difference among treatments between addition of 4500kg·hm-2and CK.

Key words:bamboo charcoal; soil respiration; soil temperature; organic; cabbage

引用格式：吳孟霖，江洪，吳丹娜，等.施加生物竹炭對有機種植卷心菜土壤呼吸的影響[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2016，39(4)：377-381.