閆翠俠，楊國(guó)亮，李典鵬，孫約兵，韓東亮，徐曉龍，朱新萍，賈宏濤**

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生物炭對(duì)干旱區(qū)綠洲農(nóng)田土壤呼吸的影響*

閆翠俠1，楊國(guó)亮1，李典鵬1，孫約兵2，韓東亮1，徐曉龍1，朱新萍1，賈宏濤1**

（1．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆土壤與植物生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所/農(nóng)業(yè)部產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191）

為探究不同粒徑秸稈生物炭添加對(duì)綠洲農(nóng)田土壤CO2排放及Q10的影響，以新疆典型綠洲農(nóng)田土壤灰漠土為供試材料，采用室內(nèi)土柱培養(yǎng)的方法，研究添加＞5、1～5、0.25～1和＜0.25mm共4種粒徑棉花秸稈生物炭和葡萄藤生物炭對(duì)農(nóng)田土壤CO2釋放的影響。結(jié)果表明：（1）試驗(yàn)周期內(nèi)（0～85d），添加生物炭處理土壤呼吸速率呈先增加后降低的趨勢(shì)，前10d土壤呼吸增速較高；添加生物炭的土壤呼吸速率（1.27μmol·m?2·s?1）高于不添加生物炭的對(duì)照處理（1.01μmol·m?2·s?1），棉花秸稈生物炭處理土壤呼吸速率（1.43μmol·m?2·s?1）高于添加葡萄藤生物炭處理（1.08μmol·m?2·s?1）。培養(yǎng)期內(nèi)土壤CO2累積過程符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，生物炭添加改變了土壤CO2潛在排放量、周轉(zhuǎn)速率和半周轉(zhuǎn)期。（2）添加棉花秸稈和葡萄藤兩種生物炭處理與土壤CO2累積排放量（y）分別符合y=7.51x+88.53和y=2.68x+75.85的線性關(guān)系（x為生物炭粒徑）。（3）添加生物炭處理土壤呼吸速率與空氣溫度和土壤溫度顯著相關(guān)，棉花秸稈生物炭處理土壤呼吸速率與溫度的相關(guān)性高于葡萄藤生物炭處理，土壤溫度敏感系數(shù)隨粒徑的減小而增加。綜合土壤呼吸速率和溫度敏感系數(shù)考慮，建議綠洲農(nóng)田施用1～5mm中等粒徑生物炭。

新疆；灰漠土；土壤呼吸；棉花秸稈生物炭；葡萄藤生物炭

土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起著重要作用，全球土壤有機(jī)碳含量為1500～2500Pg（1Pg=1015g），是大氣和生物碳儲(chǔ)量的4～5倍[1?2]，因此，土壤有機(jī)碳輕微的改變都會(huì)對(duì)大氣中CO2濃度產(chǎn)生較大影響[3]，明確土壤碳排放速率是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對(duì)氣候變化響應(yīng)的重要依據(jù)。據(jù)估計(jì)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的CO2占人類活動(dòng)排放CO2的11%（5.6Pg）[4?5]。2020年中國(guó)化肥使用量將實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng)，尋找一種可以改善土壤環(huán)境、提高作物產(chǎn)量的替代資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中顯得尤為重要。生物質(zhì)炭為“碳負(fù)”材料，將其施入土壤中，可以在一定程度上將CO2長(zhǎng)期封存，降低農(nóng)田土壤碳排放，在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可能起到不可替代的作用。

生物炭能改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)，提高土壤生物多樣性和作物產(chǎn)量[6?7]，并能顯著降低土壤溫室氣體的排放[8?10]。然而也有研究表明，由于生物炭在短期內(nèi)會(huì)對(duì)土壤原有的有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，從而否定生物炭的碳匯效應(yīng)[11?13]。整合分析和長(zhǎng)期定位研究表明，生物炭作為外源碳施入土壤后對(duì)土壤呼吸沒有顯著影響，這與試驗(yàn)條件[14]、生物炭性質(zhì)[15]和微生物活性[16]等有關(guān)。由此可知，生物炭施入土壤后，短期內(nèi)由于激發(fā)效應(yīng)會(huì)增加土壤呼吸速率，長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果來看，施用生物炭可降低土壤碳排放，從而達(dá)到“碳匯”的效果。

生物炭規(guī)格對(duì)機(jī)械化作業(yè)影響顯著，生物炭為原狀不規(guī)則顆粒會(huì)對(duì)機(jī)械化施用造成堵塞等諸多不便；若施用粉末狀的生物炭，則會(huì)造成生物炭的損失以及形成揚(yáng)塵，對(duì)環(huán)境造成一定負(fù)面影響。眾多研究表明，添加不同種類、不同粒徑生物炭對(duì)土壤水分影響不同，生物炭粒徑越小，土壤持水性能越強(qiáng)[17?18]。但以往試驗(yàn)研究均未考慮生物炭的物理性質(zhì)（生物炭粒徑等）對(duì)土壤CO2排放的影響[11，13，16]，且大部分研究集中在酸性土壤和水田中[11]，在干旱區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)、石灰性土壤的研究相對(duì)較少[12]。而針對(duì)不同粒徑生物炭添加對(duì)土壤碳排放的研究報(bào)道較少，因此，有必要對(duì)不同粒徑生物質(zhì)炭添加對(duì)干旱區(qū)綠洲農(nóng)田土壤碳排放規(guī)律及其影響因素進(jìn)行研究。

本研究以干旱區(qū)典型土壤灰漠土為研究對(duì)象，以葡萄藤和棉花秸稈為原材料在同一溫度條件下制成的不同徑級(jí)（＞5、1～5、0.25～1和<0.25mm）生物炭為研究材料，通過土柱培養(yǎng)試驗(yàn)，探究添加生物炭對(duì)土壤呼吸速率的影響，同種材質(zhì)不同粒徑生物炭對(duì)土壤呼吸的影響，以及影響土壤呼吸的因素及溫度敏感系數(shù)（Q10）的變化，以期初步確定適合農(nóng)田施用生物質(zhì)的粒徑范圍，以期為生物炭的合理施用和農(nóng)田土壤固碳減排提供基礎(chǔ)參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤

供試土壤為典型灰漠土，于2016年8月采自新疆安寧渠灰漠土試驗(yàn)站農(nóng)田耕層土壤（0?20cm），將采回的土壤于室內(nèi)自然風(fēng)干后，挑去肉眼可見的細(xì)根和石塊后過5mm篩，備用。土壤基本理化性質(zhì)分別為，黏粒33.2%（＜0.002mm），粉粒33.6%（0.020～0.002mm），砂粒33.2%（2.000～0.02mm），pH8.42，電導(dǎo)率1075.67μS·cm?1，有機(jī)質(zhì)12.93g·kg?1，速效鉀為61.31mg·kg?1，堿解氮26.08mg·kg?1，速效磷4.9mg·kg?1。

1.1.2 生物炭

選取以棉花秸稈、葡萄藤為原材料經(jīng)高溫?zé)o氧裂解而生成的生物炭即棉花秸稈生物炭和葡萄藤生物炭為供試材料，由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。將兩種生物炭自然風(fēng)干，用篩子篩制所需要的4種粒徑：＞5、1～5、0.25～1和<0.25mm。兩種生物炭的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試生物炭基本理化性質(zhì)

注：TN、TC、TS和Nd分別表示全氮、全碳、全硫和未測(cè)定出數(shù)據(jù)。

Note: TN, TC, TS and Nd represent total nitrogen, total carbon, total sulfur and no data.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 方案

采用室內(nèi)土柱培養(yǎng)方法，以農(nóng)田土壤與生物炭為研究材料。按照2%的添加比例將4種粒徑棉花秸稈生物炭或葡萄藤生物炭分別與8.0kg土壤充分混勻，裝入PVC管（直徑20cm，高度40cm）。＞5、1～5、0.25～1和＜0.25mm的棉花秸稈和葡萄藤生物炭，分別記為MTa、MTb、MTc、MTd和PTa、PTb、PTc、PTd，以不添加生物炭為對(duì)照（CK），每個(gè)處理重復(fù)4次。期間每10d采用稱重法補(bǔ)足水分，加入去離子水保持60%田間持水量，灌水平衡24h后測(cè)定土壤呼吸速率。

采用開路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)LI-COR 8100（Li-COR，USA）測(cè)定（圖1）土壤呼吸速率。在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)（85d），試驗(yàn)開始后前10d每天監(jiān)測(cè)土壤呼吸速率，之后分別在第15、20、25、30、34、41、52、63、71、77、85天監(jiān)測(cè)1次，累計(jì)監(jiān)測(cè)21次。正式試驗(yàn)前，預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每日16：00?18：00時(shí)間段，土壤呼吸速率最接近于全天平均值，故監(jiān)測(cè)選定這個(gè)時(shí)段進(jìn)行。Li-COR 8100A數(shù)據(jù)采集頻率為每2s記錄一次數(shù)據(jù)，測(cè)定時(shí)長(zhǎng)為180s，每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定兩次，取平均值代表該處理當(dāng)天土壤CO2的平均釋放速率。監(jiān)測(cè)土壤呼吸速率同時(shí)記錄地溫計(jì)上土壤溫度和空氣溫度。

1.2.2 土壤和生物炭基本指標(biāo)測(cè)定

供試土壤和生物炭的基本指標(biāo)按照土壤農(nóng)化分析中的方法測(cè)定[19]。土壤酸堿度采用pH計(jì)測(cè)定（水土比為5︰1）；電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；全碳、全氮和全硫采用元素分析儀EA3000（Euro EA3000-Single, EuroVector, Milan, Italy）測(cè)定；土壤溫度（0?10cm）采用地溫計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

圖1 土柱模擬裝置

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

土壤CO2的累積過程符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，因此，采用方程模型對(duì)CO2累積排放量進(jìn)行擬合，其表達(dá)式為

Ct=Ci(1?e?kt) （1）

式中，Ci為土壤CO2潛在排放量（g·kg?1），Ct為經(jīng)過t時(shí)間后土壤累積CO2排放量（g·kg?1），k為周轉(zhuǎn)速率（d?1），半周轉(zhuǎn)期T1/2=ln2/k（d）。

F=Rs·M·T （2）

式中，F(xiàn)為T時(shí)段內(nèi)土壤CO2的排放量（g·m?2·d?1）。Rs為L(zhǎng)i-COR 8100A測(cè)定的土壤CO2排放速率（μmol·m?2·s?1），M為CO2摩爾質(zhì)量（44g·mol?1），T為時(shí)間（s）。

采用Van’t Hoff 模型[20]模擬土壤溫度與土壤呼吸速率的關(guān)系，即

RS=aebT（3）

式中，RS為土壤呼吸速率（μmol·m?2·s?1），T為土壤溫度（℃），a、b均為參數(shù)。

利用溫度敏感系數(shù)（Q10）表征土壤呼吸的溫度敏感性，即土壤溫度升高10℃時(shí)土壤呼吸速率增加或減少的倍數(shù)。

Q10=e10b（4）

式中，b為Van’t Hoff 指數(shù)模型（RS=aebT）中的溫度反應(yīng)常數(shù)。

采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SigmaPlot10.0和Origin8.0軟件作圖，采用SPSS 18.0進(jìn)行單因素方差分析，LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤碳排放的影響

由圖2可見，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期內(nèi)（85d），各處理土壤呼吸速率的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為前3d逐漸升高，第4?6天保持相對(duì)較高的水平，第7天起明顯下降，第20?85天在相對(duì)較低的位置振蕩。從每次監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來看，在處理的前10d，未添加生物炭處理（CK）呼吸速率均最小，說明無論添加何種類型的生物炭均會(huì)使土壤呼吸速率加快。圖2a中，前10d所有添加棉花秸稈生物炭的土壤呼吸速率平均值為2.07μmol·m?2·s?1，圖2b中所有添加葡萄藤生物炭的土壤呼吸速率平均值為1.67μmol·m?2·s?1，均高于CK處理，說明生物炭種類對(duì)土壤CO2排放速率有影響，添加棉花秸稈生物炭比葡萄藤生物炭土壤CO2排放速率更快。另一方面，圖2a中前10d所測(cè)數(shù)據(jù)的振幅較大，說明添加棉花秸稈生物炭的粒徑大小對(duì)土壤呼吸速率影響較大，粒徑越?。∕Td）呼吸速率越低，粒徑越大（MTa處理和MTb處理）呼吸速率越大，第3天MTa（3.06μmol·m?2·s?1）和MTb（3.01μmol·m?2·s?1）處理CO2排放速率比MTd高35.90%和 34.87%；而圖2b中同期數(shù)據(jù)的變幅相對(duì)較小，說明添加葡萄藤生物炭的粒徑大小對(duì)土柱中CO2排放速率的影響不大。20d以后所有處理土壤呼吸速率均逐漸平穩(wěn)下降，兩種生物炭間以及同種生物炭不同粒徑間的差異不大。

由圖3可見，生物炭添加改變了土壤CO2累積排放量，前期（1～10d）土壤CO2排放增長(zhǎng)速率高于后期（＞10d），CK處理土壤CO2累積排放量最低。添加不同粒徑棉花秸稈生物炭和葡萄藤生物炭處理后土壤中CO2累積排放量呈現(xiàn)出兩個(gè)不同增長(zhǎng)階段，即前期（1～10d）增長(zhǎng)迅速，后期（＞10d）增長(zhǎng)緩慢；各處理土壤中CO2累積排放量表現(xiàn)為MTa（67.63g·m?2·d?1）＞MTb（60.72 g·m?2·d?1）＞MTc（50.99g·m?2·d?1）＞MTd（43.07g·m?2·d?1），其中MTa處理顯著高于CK處理（P＜0.05），其它處理間無顯差異。添加不同粒徑葡萄藤生物炭土壤中CO2累積排放量增幅低于添加棉花秸稈生物炭處理，各處理土壤CO2累積排放量表現(xiàn)為PTa＞ PTd＞PTC＞PTb，分別達(dá)到46.10、43.43、42.56和42.50g·m?2·d?1，土壤中CO2累積排放量隨著粒徑的減小而降低，但不同處理間不存在顯著性差異。

圖2 添加不同粒徑棉稈炭（a）和葡萄藤炭（b）處理中培養(yǎng)期（85d）內(nèi)土壤CO2的排放規(guī)律

注：MTa、MTb、MTc和MTd分別表示土壤中添加＞5、1～5、0.25～1和＜0.25mm粒徑的棉花秸稈生物炭處理，PTa、PTb、PTc和PTd分別表示土壤中添加＞5、1～5、0.25～1和＜0.25mm粒徑的葡萄藤生物炭處理，CK為土壤中不添加生物炭的對(duì)照處理。圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，下同。

Note: MTa, MTb, MTcand MTdrespectively indicate the treatment of the biological carbon formation of cotton straw with ＞5，1～5，0.25～1 and <0.25mm, respectively. PTa, PTb, PTcand PTdrepresent the treatment of the formation of vine biological charcoal in soil, respectively. The data are mean±standard deviation. The same as below.

圖3 添加不同粒徑棉花秸稈生物炭（a）和葡萄藤生物炭（b）后土壤CO2的累積排放量

由表2可見，一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)不同生物炭處理土壤CO2潛在排放量的模擬結(jié)果較好（R2＞0.96）。整體上，土壤CO2潛在排放量隨生物炭粒徑的增大而降低，CK處理CO2潛在排放量最低（0.08g·kg?1）。說明生物炭添加改變了土壤碳周轉(zhuǎn)速率，不添加生物炭處理周轉(zhuǎn)速率最低，添加不同粒徑生物炭處理中，周轉(zhuǎn)速率隨粒徑減小而增加。土壤碳半周轉(zhuǎn)期與潛在排放量規(guī)律一致。就不同生物炭處理而言，棉花秸稈生物炭潛在排放量和半周轉(zhuǎn)期均高于葡萄藤生物炭，對(duì)于同一粒徑不同生物炭種類，葡萄藤生物炭周轉(zhuǎn)速率較高。

2.2 不同粒徑生物炭與碳排放的相關(guān)性

采用線性方程擬合土壤呼吸速率與生物炭粒徑的關(guān)系，在95%置信區(qū)間內(nèi)，用決定系數(shù)（R2）來解釋土壤呼吸的變異量。由圖4可見，棉花秸稈和葡萄藤生物炭的不同粒徑（x）與CO2累積排放量（y）之間滿足線性方程，二者粒徑的變化分別可解釋土壤呼吸速率變化的82.9%和39.4%（P＜0.05）。表明兩種生物炭的粒徑大小均對(duì)CO2累積排放量影響顯著。

表2 土壤CO2潛在排放量（Ci）﹑周轉(zhuǎn)速率（k）和半周轉(zhuǎn)期（T1/2）

圖4 不同粒徑棉花秸稈生物炭（a）和葡萄藤生物炭（b）與CO2累積排放量的相關(guān)性分析

2.3 土壤呼吸與溫度的相關(guān)性及土壤呼吸溫度敏感系數(shù)（Q10）

表3表明，CK和添加生物炭處理土壤呼吸速率均與大氣溫度和土壤溫度顯著相關(guān)（P＜0.05）。與CK相比，添加生物炭土壤呼吸速率與溫度的相關(guān)性較高，即生物炭添加改變了土壤呼吸速率與溫度的相關(guān)性。就同種生物炭而言，土壤呼吸速率與空氣溫度的相關(guān)性（0.613）高于土壤溫度（0.594）；同種生物炭不同粒徑則表現(xiàn)為，隨著生物炭粒徑的減小，土壤呼吸速率與大氣溫度的相關(guān)性增加，即粒徑越小，土壤呼吸速率與大氣溫度越相關(guān)，而其與土壤溫度則不存在類似規(guī)律，但MTd和PTd處理（<0.25mm粒徑生物炭處理）與土壤溫度的相關(guān)性最高。

采用指數(shù)方程分別擬合土壤呼吸速率與空氣溫度的關(guān)系，在95%置信區(qū)間內(nèi)，用決定系數(shù)（R2）來解釋土壤呼吸的變異量。由圖5可知，不同處理土壤呼吸速率與空氣溫度呈極顯著指數(shù)相關(guān)（P＜0.01）。與不添加生物炭相比，空氣溫度對(duì)CK、MTa、MTb、MTc和MTd處理土壤呼吸速率變化的解釋率分別為48.5%、49.2%、48.0% 、45.8%和54.2%，對(duì)PTa、PTb、PTc和PTd處理土壤呼吸速率變化的解釋率分別為44.7%、45.2%、50.2% 和49.9%，除MTc和PTc處理外，空氣溫度對(duì)添加棉花秸稈生物炭處理土壤呼吸速率變化的解釋率均高于葡萄藤。同樣采用指數(shù)擬合方程擬合土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系（圖6），結(jié)果表明，指數(shù)方程均能很好地模擬生物炭處理土壤呼吸速率與土壤溫度的相關(guān)性（P＜0.01）。土壤溫度對(duì)棉花秸稈生物炭處理土壤呼吸速率的解釋率（0.576）高于葡萄藤（0.544）。整體而言，土壤溫度對(duì)呼吸速率的解釋率低于空氣溫度。

表3 土壤呼吸與溫度的相關(guān)分析

注：*表示P＜0.05，雙尾檢驗(yàn)，n=21。

Note:*P＜0.05, double tail test, n=21.

土壤呼吸溫度敏感系數(shù)（Q10）可反應(yīng)溫度變化對(duì)土壤碳排放速率的影響。與不添加生物炭處理相比，土壤呼吸對(duì)空氣溫度的敏感性有所變化。MTa和PTa（＞5mm粒徑生物炭處理）處理Q10（6.9和6.3）與CK（6.7）接近，即大粒徑生物炭添加不影響土壤呼吸溫度敏感系數(shù)；除MTc（0.25～1mm粒徑生物炭處理）處理外，Q10隨生物炭粒徑的減小而增大，MTd和PTd（<0.25mm粒徑生物炭處理）分別為12.1和11.2。土壤呼吸對(duì)土壤溫度的敏感性見圖6，由圖可見，MTa和PTa處理Q10（9.7和7.9）均低于CK（10.1）。除MTc處理外，Q10隨生物炭粒徑的減小而增加，MTd和PTd分別為18.5和14.5。因此可知，生物炭添加可改變土壤Q10，且生物炭粒徑越小，土壤呼吸對(duì)溫度變化的響應(yīng)程度越大。

圖5 土壤呼吸速率與空氣溫度的相關(guān)性

圖6 土壤呼吸速率與土壤溫度的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

3.1.1 添加生物炭對(duì)土壤碳排放的影響

本研究表明，整個(gè)研究期間內(nèi)（0～85d），添加不同類型和不同粒徑生物炭均不同程度促進(jìn)了土壤呼吸，且前10d呼吸增加速率較大。生物炭施入土壤后會(huì)對(duì)土壤碳排放產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)[11]，這是因?yàn)橥庠从袡C(jī)碳的進(jìn)入會(huì)在短時(shí)間內(nèi)激活土壤中休眠微生物，從而使土壤呼吸速率增加。本研究中，添加生物炭土壤碳排放速率比對(duì)照高23.25%，高于王月玲等[21?22]研究結(jié)果，這可能是由于生物炭基本性質(zhì)（pH 10.43，TC 72.38%，TN 1.19%）與本研究所使用土壤和生物炭基礎(chǔ)性質(zhì)不一致造成的；生物炭施入土壤后會(huì)改變土壤物理化學(xué)性質(zhì)[23]，這也可能會(huì)間接改變土壤呼吸速率。本研究中，添加棉花秸稈生物炭土壤呼吸速率高于葡萄藤，這也可能與棉花秸稈生物炭的全碳和電導(dǎo)率較高有關(guān)。添加同種材料不同粒徑生物炭，土壤呼吸速率隨粒徑的減小而降低。土壤呼吸速率與土壤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，土壤孔隙結(jié)構(gòu)較大處于好氧條件會(huì)促進(jìn)土壤呼吸[24]，大粒徑生物炭施入土壤后，在一定程度上會(huì)增加土壤孔隙結(jié)構(gòu)，從而增加土壤好氧微生物活性，從而提高土壤呼吸速率。采用線性方程模擬生物炭粒徑與土壤呼吸的相關(guān)性，棉花秸稈和葡萄藤生物炭粒徑可解釋土壤呼吸速率變異的82.9%和39.4%，因此，除生物炭粒徑外，影響土壤呼吸的因素還有土壤溫度、養(yǎng)分等。土壤碳排放速率和排放量取決于碳的潛在釋放量、周轉(zhuǎn)速率和半周轉(zhuǎn)期，一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果表明，生物炭粒徑越大土壤碳周轉(zhuǎn)速率和半周轉(zhuǎn)期相對(duì)較高，潛在排放量加大。郭振等[25]研究表明，土壤有機(jī)碳排放中k值受土壤類型、養(yǎng)分含量、顆粒組成及pH的影響，因此，生物炭添加驅(qū)動(dòng)的土壤碳排放也可能與生物炭的類型、養(yǎng)分含量、顆粒大小和pH有關(guān)，而有關(guān)不同粒徑生物炭對(duì)土壤呼吸速率影響的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

3.1.2 生物炭添加對(duì)土壤呼吸溫度敏感系數(shù)的影響

不添加生物炭的對(duì)照和添加不同粒徑生物炭處理土壤呼吸速率與空氣溫度和土壤溫度極顯著相關(guān)，且指數(shù)模型能很好模擬土壤呼吸與溫度的關(guān)系。CO2作為微生物代謝產(chǎn)物，溫度影響呼吸作用的各個(gè)方面[26]，但溫度對(duì)土壤呼吸的影響存在一定范圍，即當(dāng)土壤溫度處于較適范圍時(shí)（＜35℃）酶活性最大，土壤呼吸速率隨溫度的升高而增加，當(dāng)溫度超出此范圍時(shí)，土壤呼吸與溫度將會(huì)呈負(fù)相關(guān)[27]，本研究中，土壤溫度和空氣溫度介于12～22℃，屬于酶活性較高的溫度，因此，土壤呼吸速率與溫度極顯著相關(guān)。整體而言，添加生物炭土壤呼吸與溫度的相關(guān)性隨粒徑的減小而增大，這可能是由于大粒徑生物炭被分解為細(xì)顆粒后，炭中礦質(zhì)養(yǎng)分和可被微生物分解的有機(jī)碳也被釋放出來，當(dāng)土壤溫度和養(yǎng)分處于合適水平時(shí)，土壤中休眠的微生物能在很短的時(shí)間內(nèi)被激活從而促進(jìn)土壤CO2的釋放[28]。同種生物炭同種粒徑處理，土壤呼吸與空氣溫度的敏感性大于土壤溫度，可能是由于土壤溫度達(dá)到最適與空氣溫度相比存在滯后現(xiàn)象[26]。

土壤呼吸溫度敏感系數(shù)（Q10）可反應(yīng)溫度變化情況下微生物活性或有機(jī)碳的礦化響應(yīng)。添加棉花秸稈生物炭和葡萄藤生物炭處理Q10分別為8.8和10.7，顯著高于中國(guó)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤Q10（1.8～3.05）[29]。生物炭中易分解態(tài)碳組分可作為碳源優(yōu)先被土壤微生物利用，從而促進(jìn)生物炭自身的礦化[30?31]；此外，由于生物炭具有多孔性及含有多種營(yíng)養(yǎng)元素，也促進(jìn)土壤本底有機(jī)碳的分解[32?33]。添加不同生物炭處理Q10存在一定差異，這可能是由于生物炭原材料物理性質(zhì)不一致造成的。生物炭從較大顆粒分解為較細(xì)顆粒時(shí)，大顆粒中養(yǎng)分元素被釋放出來，溫度輕微變化后微生物可利用的底物含量相對(duì)較高，可促進(jìn)土壤呼吸。土壤呼吸對(duì)土壤溫度變化的敏感性高于空氣，這也很好地解釋了土壤微生物活性取決于土壤溫度而并非空氣溫度。綜上可知，施加粒徑較小的生物炭可降低土壤呼吸速率，但溫度敏感系數(shù)較高。因此，在未來氣候變暖的背景下，與大顆粒生物質(zhì)炭相比，細(xì)顆粒生物炭施入土壤可能會(huì)激發(fā)土壤微生物礦化易分解有機(jī)碳釋放更多溫室氣體。

3.2 結(jié)論

（1）添加棉花秸稈生物炭的土壤呼吸速率高于葡萄藤生物炭，是由于實(shí)驗(yàn)生物炭基礎(chǔ)性質(zhì)存在差異造成的。添加生物炭處理土壤呼吸速率整體高于對(duì)照（CK），說明生物炭在試驗(yàn)周期內(nèi)（0～85d）可促進(jìn)土壤CO2的排放。

（2）添加不同粒徑生物炭改變了土壤潛在CO2排放量、周轉(zhuǎn)速率和半周轉(zhuǎn)期。土壤呼吸速率隨生物炭粒徑的減小而降低，棉花秸稈生物炭和葡萄藤生物炭與土壤CO2排放量均存在顯著線性相關(guān)，棉花：y=7.51x+88.53，葡萄藤：y=2.68x+75.85，x為生物炭粒徑（mm）。

（3）添加生物炭處理土壤呼吸速率與空氣溫度和土壤溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)，生物炭粒徑越小與溫度的相關(guān)性越強(qiáng)。添加不同粒徑生物炭土壤呼吸溫度敏感系數(shù)隨粒徑的減小而增加，說明粒徑小的生物質(zhì)炭對(duì)溫度敏感性更高。綜合土壤呼吸速率和土壤溫度敏感系數(shù)考慮，建議農(nóng)田土壤改良過程中選擇中等粒徑（1～5mm）生物質(zhì)炭較適宜。

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Effect of Biochar Addition on Soil Respiration of Oasis Farmland in Arid Areas

YAN Cui-xia1, YANG Guo-liang1, LI Dian-peng1, SUN Yue-bing2, HAN Dong-liang1, XU Xiao-long1, ZHU Xin-ping1, JIA Hong-tao1

(1. College of Grassland and Environment Sciences, Xinjiang Agricultural University/Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecological Processes, Urumqi 830052, China;2. Key Laboratory of Original Environmental Quality，Agro-Environmental Protection Institute，Ministry of Agriculture，Tianjin 300191)

In this paper, authors investigated the influence of biochar addition with four different particle sizes of cotton stalks biochar and vine biochar (＞5，1?5，0.25?1 and ＜0.25mm) on the changes of soil CO2emission using the soil column incubation method in a grey desert soil. The results showed that: (1) addition with biochar soil respiration rate increased first and then decreased during the incubation period (0?85d), and the increase of soil respiration in the former 10d was higher than that in the late stage. The soil respiration rate (1.27μmol·m?2·s?1) under the biochar addition was higher than that of the not biochar addition control treatments (1.01μmol·m?2·s?1), and the soil respiration rate under cotton stalk biochar (1.43μmol·m?2·s?1) was higher than that of the grapevine biochar addition treatments (1.08μmol·m?2·s?1). The accumulation of soil CO2emission accorded with the first-order reaction kinetics equation during the incubation period. Biochar addition changed the potential emissions, the turnover rate and half-life time of soil CO2. (2) The equations of linear regression between the two biochar treatments and the cumulative emission of CO2were y=7.51x+88.53 and y=2.68x+75.85 (x was biochar particle diameter) for cotton stalks biochar and vine biochar, respectively. (3) Soil respiration rates under biochar addition were significantly correlated with air temperature and soil temperature. The correlation between soil respiration rate and temperature under cotton stalks biochar was higher than that of the grape vine biochar. The temperature sensitivity coefficient of CO2emissions increased with the decrease in grain size. Considering the soil respiration rate and temperature sensitivity coefficient, we suggested that medium size biochar (1?5mm) should be applied in oasis farmland.

Xinjiang; Gray desert soil; Soil respiration; Cotton stalks biochar; Vine biochar

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.09.003

2018?02?26

。E-mail：hongtaojia@126.com

國(guó)家自然科學(xué)基金（31560171）；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)?新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合基金（KYYJ201702）

閆翠俠（1992?），女，碩士生，主要從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境相關(guān)研究。E-mail：ycx121216@163.com

閆翠俠,楊國(guó)亮,李典鵬,等.生物炭對(duì)干旱區(qū)綠洲農(nóng)田土壤呼吸的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(9):575?584