吴孟霖，　江　洪,，3，　吴丹娜，　黄鹤凤，马锦丽，　舒海燕,　孙文文，　方成圆

(1.浙江农林大学 浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，浙江 临安　311300；2.西南大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆　400715；3.上海市多利农业发展有限公司，上海　201311)



施加生物竹炭对有机种植卷心菜土壤呼吸的影响

吴孟霖1，江洪1,2，3，吴丹娜1，黄鹤凤1，马锦丽1，舒海燕2,孙文文1，方成圆1

(1.浙江农林大学 浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，浙江 临安311300；2.西南大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400715；3.上海市多利农业发展有限公司，上海201311)

摘要：为明确生物竹炭输入对有机种植卷心菜土壤碳排放的影响，为生物竹炭在蔬菜生产中的有效利用提供依据，采用田间试验研究生物竹炭施用对有机种植卷心菜土壤呼吸的影响.试验设置CK,C1和C2处理，其生物竹炭施用量分别为0kg·hm-2；1500kg·hm-2; 4500 kg·hm-2，采用LI-Cor8100开路式土壤碳通量测定系统对不同生物竹炭施用水平处理与卷心菜生长不同时期的土壤呼吸速率进行观测.结果表明，有机种植卷心菜土壤呼吸速率在莲座期与结球期变化规律呈现单峰曲线特征，最高值出现在午后14:00-16:00,最低值出现在5:00-7:00，土壤呼吸速率与土壤5-10cm温度呈极显著的指数相关关系，土壤5-10cm温度能够解释各处理土壤呼吸日动态变化的71.63%-88.52%.施加生物竹炭降低了土壤呼吸速率，莲座期C1处理下的日平均土壤呼吸均值比对照组减少了31.29%，差异性显著(p<0.05).结球期C1处理下的日平均土壤呼吸值比对照组减少了34.20%且差异性显著(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，莲座期C2处理下的呼吸速率均值相比对照差异性不显著，但相比C1处理水平下的日均呼吸值提高了46.44%，差异达显著水平(p<0.05).

关键词：生物竹炭；土壤呼吸；土壤温度；有机种植；卷心菜

卷心菜又称甘蓝，具有极高的食用价值，被世界卫生组织评选为最佳食物的第三名.具有耐寒、抗病、适应性强、易贮耐运等特点，极受人们的喜爱.很多菜农为了追求经济效益，长期大量施用化肥，不仅造成卷心菜品质降低，而且导致土壤结构板结、肥力降低，给生态环境带来了诸多影响和危害[1].部分学者已开始探寻环保型肥料施用对土壤质量和作物生长的影响，其中对生物炭作为土壤改良剂的研究受到广泛关注.

生物炭是生物有机材料(也称为生物质)在无氧或低氧环境中低温热裂解后的固体产物.传统工艺生产的炭大多为块状黑炭或颗粒黑炭，如木炭和竹炭[2].竹炭是竹材裂解后得到的一种生物炭,由于竹质材料在形态结构、养分组成和生长特性等方面均有区别于其它生物质原料的特点,相应地,竹炭也成为一类具有相对独特性能的生物炭[3].近年来，我国学者对生物炭在普通大田作物、普通经济作物或者盆栽小范围的产量、土壤理化性质及土壤呼吸速率影响方面做了一些研究[4-7]，结果表明生物炭可以作为土壤改良剂提高作物产量[8].但有关生物炭对有机种植蔬菜土壤呼吸方面影响的相关研究还未见报道.

有机农业是指在生产中不采取基因工程获得的生物及其产物，完全或基本不用人工合成的肥料、添加剂等物质，而采用有机肥料和生物肥料满足作物生长营养需求，同时利用生态学、生物学和农业科学的原理指导种植,然后在尽可能的范围内通过作物轮作、动物粪便、有机废料、含有养分的矿石等来维持生长作物的养分平衡,在防治病虫害方面也利用生物种间竞争或者物理措施来进行[9].有机农业近年来得到了快速发展.

再加上人们的经济收入不断提高，促使人们对有机农产品的需求大大增加，也使得有机农业的发展有了很好的市场[10].有机种植的方式将改进土壤的理化性质和土壤碳库容量，所以在蔬菜有机种植的情况下，如何降低土壤的碳排放，减少对大气环境的污染特别是通过试验，研究竹炭增加对于有机种植的蔬菜土壤中土壤呼吸抑制的方式和强度，具有较高的理论意义和实际价值.本文的研究就是在典型的叶菜卷心菜有机种植的基础上，观察施加生物竹炭后对卷心菜莲座期和结球期土壤呼吸速率的影响.

1材料与方法

1.1试验地概况

实验样地设在上海多利农业发展有限公司崇明低碳农业基地(31°35′46″N，121°48′40″E)，该地区平均海拔为2.8m，典型海洋性气候，温和湿润.年平均气温为15.2℃，年平均日照2094.2h，年平均降水量1025mm，全年无霜期229d.供试土壤为潮土，基本理化性质如下：土壤基础肥力PH值7.83，有机质10.6g/kg，全氮0.114g/kg ，全钾2.40×104mg/kg，全磷178mg/kg，水解氮78.5mg/kg，硝酸盐氮13.2mg/kg，有效磷56.8mg/kg，速效钾414mg/kg.

1.2生物炭

供试生物炭为竹炭，由上海时科生物科技有限公司提供，其基本理化性质如下：pH6.0-8.0，全碳70%，氮磷钾2.0-2.5%，固定碳50-60%，直径小于2mm, 有机质≥40%，氨基酸≥5%，腐植酸≥10%，有效活菌数≥0.2亿/g，水分≤15%.

1.3实验设计

试验设2个竹炭添加水平：CK(对照)：0kg·hm-2；C1：1500kg·hm-2;C2:4500kg·hm-2.实验样地60*60m2，分割为9块20*20m2的小样地，每个处理各有三块样地，处理分布选择实行随机分布原则.实验对象花椰菜于5月24日移栽，实验时间为7月中旬卷心菜莲座期，8月下旬卷心菜结球期，每月各进行三天的日测定(时间从早7：30-晚18:30)，每个处理每个时间点各重复三次，取得土壤呼吸速率的日变化规律.

1.4土壤呼吸测定

土壤呼吸速率E(又称土壤呼吸强度), E值表征了土壤释放CO2的能力强弱.利用LI-Cor8100开路式土壤碳通量测量系统(L-i cor Inc. , Linco ln, NE,USA )测定卷心菜土壤呼吸速率.测定前将聚乙烯PVC 环插入土壤3-5cm深处，土壤5cm处温度由LI-Cor8100 携带的探针进行同步测定.

1.5数据分析

运用指数模型分析土壤呼吸与土壤温度的关系,One-Way ANOVA 方差分析不同施加竹炭处理间土壤呼吸的差异,处理间平均数的比较采用最小显著差数法(LSD)，显著水平为p<0.05.在数据分析前,对所有数据进行正态性与方差齐性检验.统计分析在SPSS13.0软件中进行，采用Excel2003软件作图.

2结果与分析

2.1施加竹炭后卷心菜土壤呼吸日动态规律

莲座期、结球期不同竹炭施用水平下卷心菜土壤呼吸速率的日变化规律基本一致(图1)，大致呈现单峰曲线特征：早晨较低, 随后逐渐上升,多在14:00前后达到日最高值，此后又逐渐下降.C1处理下的土壤呼吸速率均低于C2与CK处理下的土壤呼吸速率.

图1　施加竹炭卷心菜土壤呼吸动态Figure.1　Dynamic Changes of Soil Respiration Rate

莲座期C1处理下的卷心菜土壤呼吸速率从8：00的3.41μmol·m-2·s-1逐渐上升到14:00左右的7.86μmol·m-2·s-1，此后逐渐下降至4.25μmol·m-2·s-1.C2与CK处理8:00的土壤呼吸值相差不大均在6.1μmol·m-2·s-1左右，14:00达到的峰值也相差不大，在11μmol·m-2·s-1左右.峰值过后都有所下降.C1处理的土壤呼吸速率在8点是3μmol·m-2·s-1左右，同一时间C2与CK的土壤呼吸速率类似，约为6μmol·m-2·s-1.随后三者都逐渐上升，在11点左右C1与C2涨幅达到最大，在14时左右均达到最大值，此后开始回落，至18时达到最低值.

结球期C1处理下的土壤呼吸速率在早晨8：00只有2.49μmol·m-2·s-1，随后逐渐上升，在14:00的峰值为7.97μmol·m-2·s-1，18:00土壤呼吸速率为4.02μmol·m-2·s-1.C2处理下的卷心菜土壤呼吸速率在8:00-10:00时均小于CK处理的土壤呼吸速率，10:00以后C2处理的呼吸速率逐渐上升并且大于CK处理下的速率直至14:00达到峰值.14:00以后又逐渐下降.

2.2施加竹炭后卷心菜土壤呼吸速率的影响

施加竹炭后卷心菜土壤呼吸速率的影响可以从图2中看出.

莲座期C1处理下的日平均土壤呼吸均值5.57μmol·m-2·s-1明显比对照组(均值8.10μmol·m-2·s-1)有所减少，减少了31.29%，差异性显著(p<0.05).C2处理下的呼吸速率均值8.15μmol·m-2·s-1相比对照差异性不显著，但相比C1处理水平下的日均呼吸值提高了46.44%，差异达显著水平(p<0.05).

结球期C1处理下的日平均土壤呼吸值为7.38μmol·m-2·s-1，比对照组(均值4.85μmol·m-2·s-1)也有明显的减少，减少了34.20%且差异性显著(p<0.05).C2处理下的呼吸速率均值7.04μmol·m-2·s-1相比对照差异性不显著，相比C1处理下的日均土壤呼吸值也达不到显著水平.

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

2.3卷心菜土壤呼吸与土壤温度的关系及其敏感性

根据研究，土壤5-10cm处温度是土壤呼吸速率的主要影响因子，且土壤呼吸速率与土壤的温度呈指数相关性[5,11-13]，如图3所示，图中:点表示土壤呼吸速率值;直线表示拟合线.土壤温度升高,土壤呼吸作用加强,并且土壤温度是土壤呼吸速率变化的主要驱动因素. 由回归方程可知,卷心菜莲座期的土壤呼吸日均变化在施用竹炭0kg·hm-2、1500kg·hm-2、4500kg·hm-2时分别为71.63%、87.07%和81.9%；结球期分别为81.21%、88.52%和84.65%，均与土壤温度的变化有关.无炭处理下土壤表层平均温度在两期的表现都是早晨最低，中午最高；土壤呼吸速率的日变化与土壤温度的日变化一致,也是早晨最低，中午最高. 中炭与高炭处理的土壤呼吸速率在莲座期与结球期日增长与土壤温度增长基本一致:8:00-13:00温度升高,呼吸速率增长;13:00后, 土壤温度继续升高,土壤呼吸作用强烈，至14:00达到一天中的峰值.随后随温度下降而降低.

图3　土壤呼吸速率与土壤温度的关系Figure.3　The Relationship of Soil Respiration Rate and Soil Temperature

3讨论

土壤呼吸是一个复杂的生物学过程，包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸及土壤动物呼吸等[14].有研究表明施加生物竹炭可以改善土壤中的微生物活动环境，促进植物生长，土壤呼吸会急剧增加[15]，也有研究认为生物炭可以压制土壤呼吸[16].本研究表明生物竹炭的添加降低了有机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莲座期与结球期分别比CK 减少31.29%与34.20%，并与CK 差异达显著水平(p<0.05).这个研究结果与刘鸿骄、柯跃进的结论一致[17-18]，表明生物炭的施加能降低土壤呼吸速率.但这个结果与吴志丹等以及Jerry所检测的土壤呼吸结果有差异[15,19]，造成差异的原因可能是由于实验时间、地点、实验对象以及当地土壤种植条件等各类因素都不相同，不排除实验时因各类因素而产生的误差.此外，竹炭分子结构细密多孔，吸咐力强，对呼吸的CO2进行了吸附，可能也是生物竹炭施用造成卷心菜土壤呼吸速率减少的原因之一.有研究表明生物炭施用于土壤会提高土壤碳储量和减少温室气体(N2O、CH4)排放[20-21]，生物竹炭固有的惰性在施加后促进碳素固定于土壤中并减少土壤呼吸量，因而也能有效减少CO2的释放[4].同时竹炭也能起到抗菌的作用，其中混合许多杂环类物质能驱避害虫[22]，抑制一些病虫及有害病菌的生长，也能减少土壤微生物CO2的释放.

另一方面竹炭施加水平在4500kg·hm-2时土壤呼吸速率没有降低，相比对照组差异性不大，可能因为有机栽培的土壤肥力本来就很高，在施加适量竹炭时对土壤生物的活动会起到一个促进作用，但如果超过一定量反而达到适得其反的作用.所以估计施加竹炭量在1500kg·hm-2-4500kg·hm-2之间有一个饱和值，会使得添加竹炭的效果达到最好的节能减排效果.具体的精确值有待下一步研究确认.

4结论

(1)有机种植卷心菜土壤呼吸速率的日变化规律呈现单峰曲线特征，最高值出现在14：00前后，最低值出现在早晨8:00以前；土壤呼吸速率与土壤温度呈极显著的指数相关关系，土壤5-10cm温度能够解释卷心菜莲座期各处理土壤呼吸日动态变化的71.63%、87.07%和81.9%.在结球期各处理土壤呼吸日动态变化被解释为81.21%、88.52%和84.65%.

(2)施加生物竹炭减少了有机种植卷心菜的土壤呼吸速率，生物竹炭添加量在1500 kg·hm-2时日平均土壤呼吸速率在莲座期与结球期分别比CK 减少31.29%与34.20%，并与CK 差异达显著水平(p<0.05).生物竹炭添加量在4500kg·hm-2时两个时期的土壤呼吸速率与CK 差异不显著，起不到减少土壤呼吸的作用.

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DOI：10.14182/J.cnki.1001-2443.2016.04.013

收稿日期：2015-05-30

基金项目：上海市战略性新兴产业重大项目(重大2013-14号)；2012年上海市科技兴农推广项目(沪农科推字2012第1-4号，2013第5-8号)；2013年上海市科委生态崇明重点支撑项目(13231204400)；上海市科委2013年度“创新行动计划”上海工程技术研究中心建设项目(13DZ2250900).

作者简介：吴孟霖(1992-)，女，贵州贵阳人，硕士研究生.通讯作者：江洪(1955-)，重庆人，教授，博士.

中图分类号：S714

文献标志码：A

文章编号：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，FANG 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：吴孟霖，江洪，吴丹娜，等.施加生物竹炭对有机种植卷心菜土壤呼吸的影响[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2016，39(4)：377-381.