生物質炭基肥對農田土壤溫室氣體排放年際變化的影響

陳紅衛，黃 玲，馮 露，李曉慶，孟雨田，代 琳

(1.河南科技學院，河南 新鄉 453003； 2.東北農業大學 資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

生物質炭基肥對農田土壤溫室氣體排放年際變化的影響

陳紅衛1，黃 玲1，馮 露2，李曉慶2，孟雨田2，代 琳2

(1.河南科技學院，河南 新鄉 453003； 2.東北農業大學 資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

通過大田試驗，研究分析不同梯度用量生物質炭基肥(0、10、20、30 t·hm-2)對旱作農田土壤溫室氣體排放的影響。結果表明，與對照(CK)相比，施用生物質炭基肥土壤的CO2-C排放量在2015年和2016年分別提高了0.81%～23.05%和11.66%～30.94%；土壤N2O的排放總量分別降低了13.32%～16.59%和7.90%～19.57%。綜合連續2 a試驗結果，本研究中生物質炭基肥施用增加了土壤CO2排放，但對于降低土壤N2O排放、全球增溫潛勢(GWP)、溫室氣體排放強度(GHGI)具有顯著和持續效應，且在高用量下(30 t·hm-2)的持續效應具有年際間穩定性。

生物質炭；砂壤土；溫室氣體；減排

溫室氣體與環境變化是社會關注的焦點和熱點。據統計，CO2、CH4和N2O作為最重要的溫室氣體，對溫室效應的貢獻率近80%[1]，其中，農業廢棄物如秸稈的焚燒是大氣污染(如霧霾)和溫室氣體排放的主要成因之一。秸稈熱裂解炭化技術的出現對于提高農田土壤碳庫和降低因焚燒引起的溫室氣體排放具有重要意義[2]。

生物炭是生物有機材料(生物質)在限氧或絕氧環境中，經高溫熱裂解后生成的固態含碳豐富的產物[3]，因其特殊的理化性狀而具有提高土壤肥力[4]和固碳減排[5]等特性?，F階段針對生物質炭應用對農田土壤溫室氣體排放影響的研究多以短期室內盆栽試驗為主，而以生物質炭基肥為材料，結合大田試驗研究其對農田土壤溫室氣體排放的研究鮮有報道，為此，特開展大田試驗，探討生物質炭基肥施用對農田溫室氣體(CO2和N2O)排放年際變化的影響，以期為溫室氣體減排和秸稈的資源化利用等提供基礎資料與數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點在河南省新鄉市鳳泉區七里寶村河南科技學院高產試驗田，地理坐標113°52′E、35°18′～45°46′N。供試土壤質地為砂壤土，地勢平坦。土壤基本理化性質：pH值7.17，陽離子交換量(CEC)19.11 cmol·kg-1，全氮1.19 g·kg-1，全磷2.82 g·kg-1，有機質21.24 g·kg-1，土壤容重1.23 g·cm-3。

1.2 試驗材料

試驗所用生物質炭基肥以玉米秸稈為原料，由沈陽隆泰生物工程有限公司生產，經500 ℃高溫熱裂解后，按一定比例添加雞糞、膨潤土、磷礦粉，造粒制得。生物質炭基肥的主要理化性質：pH值10.1，陽離子交換量(CEC)19.27 cmol·kg-1，比表面積171.1 m2·g-1，有機碳191.6 g·kg-1，全氮126.3 g·kg-1，速效鉀41.9 g·kg-1，速效磷75.8 g·kg-1。

1.3 試驗設計

試驗于2015 年4月至2016年10月間進行。2015年4月播種前通過旋耕機將生物質炭基肥一次性深翻施入土壤中，平均深度約20 cm，每小區面積20 m2(4 m×5 m)。生物質炭基肥設4個處理：空白對照(CK)；處理1(B10)，施用生物質炭基肥10 t·hm-2；處理2(B20)，施用生物質炭基肥20 t·hm-2；處理3(B30)，施用生物質炭基肥30 t·hm-2。為使數據更加準確和便于監測、取樣，每個處理重復3次，并隨機放置氣體收集箱。供試作物為玉米，品種鄭單958。播種時間分別是2015年5月6日和2016年5月10日，底肥施尿素100 kg·hm-2、磷酸二銨75 kg·hm-2、氯化鉀25 kg·hm-2，追肥施尿素80 kg·hm-2。整個生育期田間管理相同，分別于2015年10月9日、2016年10月6日收獲。

1.4 氣體樣品采集

溫室氣體樣品由氣體采集箱收集取樣，氣體采集箱由透明有機玻璃制成，尺寸30 cm×40 cm×100 cm，箱體僅底部開口，置于可埋入土壤底座上，底座四周留有凹槽用水封閉以避免氣體跑出，箱體一側留有直徑1 cm口用于連接三通閥以收集氣體。采樣時間選擇上午11：00—11：30土壤呼吸速率較高時間段進行，分別于蓋箱后在0、15、30 min采集氣樣。在采集氣體的同時要測定當時氣溫、0～10 cm地溫以及采集箱內溫度，同時采集0～20 cm土壤樣品并測定土壤含水量等數據指標。

1.5 測定指標及計算方法

土壤和生物質炭基肥的基本理化性質參照《土壤農化分析》(第3版)中的方法測定。

CO2和N2O氣體排放通量采用靜態箱法氣相色譜(GC)法測定。采集好的氣體注入氣體收集瓶內帶回實驗室于48 h內測定。CO2和N2O排放通量計算公式如下：

(1)

式(1)中：F表示CO2排放通量(mg C·m-2·h-1)或N2O排放通量(μg N·m-2·h-1)；M表示CO2-C和N2O-N中含C或N的原子量，分別為12 g·mol-1和28 g·mol-1；H為采樣箱的有效高度(m)；dc/dt為氣體排放速率，即每小區每次3個時間(0、15、30 min)采集的3個樣品的氣體濃度與時間進行一次線性回歸所得的回歸方程系數；T為采樣時箱內的平均氣溫(℃)。

在全球增溫潛勢(GWP)估算中，CO2看作參考氣體，CH4和N2O排放量的增減通過GWP值轉換成CO2等效量，100 a時間尺度上CH4和N2O的全球增溫潛勢分別為相當于CO2的25和298倍。綜合溫室效應由下式計算：

GWP=25R(CH4)+298R(N2O)。

(2)

式(2)中：GWP為CH4和N2O的綜合溫室效應，R(CH4)和R(N2O)分別為玉米生長季內土壤CH4和N2O的排放總量(kg·hm-2)。因旱田相對水田CH4排放較少，固本試驗中未測定CH4氣體排放通量，不將其納入公式計算范圍內。

溫室氣體排放強度(GHGI)的定義為單位經濟產出的溫室氣體排放量，計算公式為

GHGI=GWP/Yield。

(3)

式(3)中，GHGI為溫室氣體排放強度(kg·CO2-e·t-1)，Yield為玉米產量(t·hm-2)。

1.6 數據處理

所測數據采用Excel 2007、SPSS 17.0和OriginPro 8.0進行數據處理、統計分析和圖表制作。

2 結果與分析

2.1 生物質炭基肥對農田土壤CO2排放年際動態的影響

從圖1可以看出，向土壤中添加生物質炭基肥后，2015年和2016年間農田土壤CO2排放的總體趨勢基本一致，其中排放通量變化與季節間溫度及氣候存在一定的相關性。2015年，與對照處理(CK，164.17 mg C·m-2·h-1)相比，在B10、B20、B30處理條件下，CO2-C的平均排放通量分別為165.50、185.76和202.01 mg C·m-2·h-1，分別較CK處理增加0.81%、13.15%、23.05%；2016年，與CK(126.95 mg C·m-2·h-1)相比，在B10、B20、B30處理條件下，CO2-C的平均排放通量分別為141.75、147.53和166.23 mg C·m-2·h-1，分別較CK處理增加11.66%、16.21%、30.94%。2015—2016年數據均在30 t·hm-2處理條件下與對照差異達到顯著(P<0.05)水平。

2.2 生物質炭基肥對農田土壤N2O排放年際動態的影響

從圖2可以看出：2015年，與CK(685.88 μg N·m-2·h-1)相比，在B10、B20、B30處理條件下，N2O-N的平均排放通量分別為594.54、587.97、572.11 μg N·m-2·h-1，與CK處理相比分別降低了13.32%、14.28%、16.59%；2016年，在B10、B20、B30處理條件下，土壤N2O-N平均排放通量分別為577.91、545.27、504.65 μg N·m-2·h-1，與CK(627.45 μg N·m-2·h-1)相比，分別降低7.90%、13.10%、19.57%。同對照相比，高施入量處理條件下N2O排放降低幅度較大，但2016年的減排效果整體較2015年略有降低。

圖1 生物質炭基肥施用對2015和2016年土壤CO2排放動態變化的影響Fig.1 Effects of biochar based fertilizer on CO2 emissions during maize growth season in 2015 and 2016

圖2 生物質炭基肥對2015和2016年土壤N2O排放季節動態變化的影響Fig.2 Effects of biochar based fertilizer on N2O emissions during maize growth season in 2015 and 2016

2.3 生物質炭基肥對農田土壤溫室氣體綜合排放的影響

由表1可以看出，與CK相比，在生物質炭基肥處理條件下，N2O-N的排放量連續2 a均顯著降低，且差異達顯著水平。2015—2016年，B10、B20、B30處理下分別較CK降低了10.69%、23.76%、32.20%和14.08%、22.37%、33.23%，而CO2-C排放量連續2 a均有不同程度的上升，分別提高了14.73%、22.84%、39.82%和7.72%、22.48%、32.78%。與CK相比，B10、B20、B30處理下GWP和GHGI連續2 a均顯著降低，其中GWP 2015年和2016年分別降低了10.69%、23.76%、32.20%和14.08%、22.37%、33.23%，GHGI分別降低了9.04%、41.94%、30.04%和17.88%、27.65%、38.31%。

2.4 生物質炭基肥對農田土壤理化性狀及玉米產量的影響

由表2可以看出，在生物質炭基肥處理條件下，土壤pH值、全氮含量均有不同程度的提高。隨著生物質炭基肥施入量增加，土壤容重降低。與CK相比，2015—2016年B30處理條件下土壤pH值均與CK差異顯著(P<0.05)，土壤pH值分別增加了8.09%和9.66%。土壤全氮含量在B30處理條件下亦與CK呈顯著(P<0.05)差異，2015年與2016年分別提高了5.89%和5.83%。與CK相比，施生物質炭基肥的各處理玉米產量略有降低，但差異不顯著。

表1 2015、2016年N2O和CO2排放總量、增溫潛勢(GWP)和溫室氣體排放強度(GHGI)

Table 1 Total emissions of CO2， and N2O， global warming potential (GWP) and greenhouse gas intensity (GHGI) in 2015 and 2016

年份Year處理TreatmentN2O-N/(kg·hm-2)CO2-C/(kg·hm-2)GWP/(kg·hm-2)GHGI/(kg·CO2-e·t-1)2015CK46.261±1.24a13.31±0.77c13785.78±399.21a926.59±51.23aB1041.317±1.13b15.27±0.68b12312.47±389.15b842.82±45.06bB2035.269±0.75c16.35±0.91b10510.16±291.21c537.98±30.22dB3031.363±0.79d18.61±1.37a9346.17±310.11d648.20±35.74c2016CK45.637±1.82a13.21±0.86d13599.83±426.53a1250.12±27.10aB1039.211±1.21b14.23±0.75c11684.88±417.71b1026.61±55.64bB2035.429±1.22c16.18±0.89b10557.84±389.93c904.47±49.36cB3030.474±1.11d17.54±0.91a9081.25±377.65d771.19±40.43d

表中同列數據后無相同字母的表示同一年份不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Data followed by no same letters in the same row indicated significant difference atP<0.05 within treatments in the same year. The same as below.

表2 2015和2016年0～20 cm土層的總氮、pH、容重和玉米產量

Table 2 Soil pH， total nitrogen content， maize yield and bulk density of top soil (0-20 cm) in 2015 and 2016

年份Year處理Treatments土壤pHSoilpH容重Bulkdensity/(g·cm-3)全氮TotalN/(g·kg-1)玉米產量Yield/(t·hm-2)2015CK7.17±0.02c1.23±0.04a1.19±0.02b12.88±0.11aB107.21±0.03c1.21±0.06a1.21±0.07b12.61±0.13aB207.49±0.03b1.16±0.02a1.23±0.08b12.54±0.32aB307.75±0.04a1.11±0.03b1.26±0.05a12.42±0.33a2016CK7.14±0.06c1.25±0.03a1.20±0.03b12.98±0.25aB107.22±0.04c1.20±0.07a1.22±0.02b12.38±0.31aB207.32±0.06b1.16±0.04a1.24±0.03b12.67±0.47aB307.83±0.03a1.12±0.05b1.27±0.01a12.78±0.29a

3 討論

生物質炭和以炭為基質的炭基肥被稱作固碳減排劑，但由于影響農田土壤CO2排放因素眾多(溫度、水分、制炭原料等)，且各因素間相互交叉影響；因此對于CO2排放的影響目前尚無一致性結論。有研究指出，生物質炭因具多孔性，施入土壤后能夠降低土壤容重，增加土壤呼吸，同時增強土壤微生物活性，加快腐殖質的分解從而促進CO2的排放。本研究中，施入生物質炭基肥后，土壤pH和透氣性均在一定程度上得到提升(表2)，與之前研究結果一致[6]。

本研究中，添加生物質炭基肥處理下GWP(100)和GHGI連續2 a顯著降低，改變了玉米農田生態系統的增溫潛勢和排放強度。這可能源于生物質炭較高的碳含量和多孔吸附性，改變了土壤碳氮比和對氮素養分的吸收，抑制了土壤氮的礦化[10]。

綜合2015—2016年研究數據，在本研究條件下，生物質炭基肥施入對農田土壤CO2排放的影響具有年際波動性，但能顯著降低土壤N2O排放、GWP和GHGI，且以較高施用量(30 t·hm-2)條件下效果更加明顯，而且具有持續性和穩定性。由于受研究材料、環境因素等影響，生物質炭基肥對旱作農田溫室氣體排放的影響未必一致，還需今后持續開展長期的田間定位監測進行深入探討。

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(責任編輯 高 峻)

Effects of biochar based fertilizer on seasonal variation of greenhouse gas emissions

CHEN Hongwei1， HUANG Ling1， FENG Lu2， LI Xiaoqing2， MENG Yutian2, DAI Lin2

(1.HenanInstituteofScienceandTechnology，Xinxiang453003，China; 2.CollegeofResourcesandEnvironment，NortheastAgriculturalUniversity，Harbin150030，China)

A field experiment was performed to investigate the effect of application of biochar based fertilizer (0， 10， 20， 30 t·hm-2) on soil N2O，CO2emissions in 2015 and 2016. It was shown that compared with CK， CO2-C emissions were increased in 2015 and 2016 by 0.81%-23.05% and 11.66%-30.94%， respectively， while， N2O emissions were decreased by 13.32%-16.59% and 7.90%-19.57% in 2015 and 2016， respectively. Based on the results， although application of biochar based fertilizer increased soil CO2emission， it could effectively reduce soil N2O emission， and decrease global warming potential (GWP) and greenhouse gas intensity (GHGI). Moreover， the effects of 30·t·hm-2application rate were sustainable between years.

biochar; sandy loam; green house gases; emission reduction

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.06.17

2017-01-10

國家自然科學基金項目(51509085)

陳紅衛(1966—)，男，河南博愛人，博士，副教授，主要從事作物養分水分高效利用與推廣研究。E-mail: chw27@qq.com

S156.2

A

1004-1524(2017)06-0977-05