生物炭及與秸稈聯用對我國熱帶地區稻田土壤CH4和N2O的影響

袁新生，趙 炎，唐瑞杰，胡天怡，朱啟林，湯水榮，伍延正，孟 磊

（海南大學 熱帶作物學院，海口 570228）

據IPCC報告，全球尺度溫度水平在2017年相比工業革命前上升了約1 ℃，若不采取必要措施，預計2030—2052年期間將增溫1.5 ℃[1]。全球變暖主要與大氣中CH4、N2O、CO2等溫室氣體的濃度升高有關。自工業革命以來，大氣中CH4、N2O、CO2的濃度分別增加了150%、40%、20%。CH4和N2O作為2種重要的溫室氣體，百年尺度的全球增溫潛勢（GWP）是CO2的25倍和265倍[2]，農田土壤作為CH4和N2O的主要人為排放源，分別占據全球人為CH4和N2O排放量的50%和60%[3?4]，其產生主要受氣候類型、施肥模式、作物類型和種植制度等多種因素影響[5]。增加土壤碳固定是一種減少溫室氣體排放潛力很大的策略[6]。

海南熱帶地區雨熱同期，稻田干濕交替現象頻發而易于N2O產生，隨之CH4排放可能受到影響而降低[7]。然而，海南全年高溫、降雨充沛的條件有利于土壤和作物碳代謝，可能增加CH4排放[8]。田偉等[9]對瓊北晚稻田的原位監測發現熱帶地區稻田CH4、N2O排放分別達到50.6～175.7、0.44～3.40 kg·hm?2；WELLER 等[10]在菲律賓洛斯巴尼奧斯國際試驗站對水稻-水稻、水稻-玉米輪作長期監測發現，CH4、N2O排放分別達到46.5～288.2、1.5～8.0 kg·hm?2；石生偉等[11]研究表明，我國非熱帶地區典型水稻種植區相同灌溉模式下CH4、N2O 排放分別為 84～144 、0.6～2.07 kg·hm?2，表現出熱帶地區稻田高CH4和N2O排放特征。因此，需迫切探求我國熱帶地區CH4和N2O減排的有效措施。生物炭作為一種新型土壤改良劑，因其具有豐富多孔結構、比表面積大、對礦態氮吸附能力強及提升土壤pH等特性而被廣泛應用于溫室氣體減排研究[12]。因此，農田生態系統添加生物炭被認為是最具潛力的減排措施之一，減排潛力可達 0.7 Gt C-eq·a[13]。大量研究表明，生物炭能通過改善土壤理化性質而減少溫室氣體排放[8,14?15]，但也有研究表明，生物炭會顯著增加溫室氣體排放[16]，或影響不顯著[17]。作物秸稈還田被認為是補充土壤養分和降低溫室氣體排放的措施[18?19]；張杏雨等[20]綜述中表明，秸稈還田能降低、或者增加溫室氣體排放。許多研究結果表明，單獨施入秸稈或生物炭，對 CH4和 N2O 排放的影響成相反趨勢[18,21]，如秸稈在稻田中施用易促進CH4排放[22]，而生物炭能提高土壤pH和土壤孔隙度，有利于CH4氧化，則會減少CH4排放[15]。生物炭大多呈堿性，施入土壤可能會促進NO3?-N產生導致硝態氮含量增加而不利于氮素的保持；有研究表明，秸稈添加能有效固定土壤中礦態氮含量，從而減少氮素損失和N2O排放[22]，但也有研究表明，在高含水量或大量添加秸稈條件下，秸稈好氧分解會導致氧氣含量降低，這在高硝態氮背景下利于促進反硝化過程造成損失而非促進硝態氮固定[23]，生物炭作為一種能提高土壤孔隙度的改良劑，施用生物炭有利于無機氮的固定而抑制反硝化過程[24]。因此，秸稈和生物炭聯用或許能同時達到增產、減少氮素損失和溫室氣體排放的目的。以往研究大多集中于單施秸稈或者生物炭[14,18]，以及在旱地中聯合施用[23,25?26]，少有生物炭和秸稈聯用在水稻田中對溫室氣體排放影響的研究。在生物炭施用情況下秸稈還田會對稻田溫室氣體排放帶來何種影響尚不明確。生物炭施用情況下若能進行秸稈還田，對生物質資源循環利用具有重要意義。基于此，本研究以稻-菜輪作體系土壤為基礎，采用盆栽培養的方法，設置常規對照、添加生物炭、添加水稻秸稈以及生物炭與秸稈聯用4個處理，監測整個水稻種植季CH4和N2O排放。并通過測定水稻收獲后土壤微生物量碳、微生物量氮（MBC/MBN）、作物產量和估算GWP，綜合探究生物炭、秸稈、生物炭與秸稈聯用對溫室氣體排放和水稻產量的影響，以期為田間生產提供指導。

1 材料與方法

1.1 供試土壤供試土壤取自海南省澄邁縣西岸村（19°55′ N，109°57′ E）稻菜輪作田塊的土壤，在水稻季結束后采集。該區域屬典型熱帶季風氣候，年均溫、降雨量分別為 23.80 ℃、1 786.10 mm。試驗土壤為濱海沉積物母質發育的水稻土，質地為砂壤土。土壤經風干后去除石礫和植物根系并過2 mm篩，土壤背景理化值分別為：土壤pH 5.90，有機碳含量 15.66 g·kg?1,堿解氮含量 116.93 mg·kg?1,速效磷含量 167.50 mg·kg?1，速效鉀含量74.94 mg·kg?1， 砂 粒 61.70% ， 粉 粒 20.5% ，黏粒17.80%。

1.2 試驗設計盆栽試驗選用水稻品種為‘特優808’，育苗20 d進行移栽。試驗共設計4個處理，每個處理設置4個平行并按隨機區組排列，分別為常規施肥處理（CK）；常規施肥處理基礎上添加40 t·hm?2生物炭處理（B）; 常規施肥處理基礎上添加 3 t·hm?2水稻秸稈處理 (C); 常規施肥處理基礎上添加 40 t·hm?2椰糠生物炭+3 t·hm?2水稻秸稈處理（B+C）。水分管理按照淹水-曬田1周-復水-收獲前保持濕潤進行。于2020?05?19，按各處理將準備好的土壤、生物炭和秸稈混勻裝入盆栽裝置，每盆裝土5 kg，并加水至土壤孔隙含水量（WFPS）60%進行活化。5月26日活化完成后淹水5 cm并將秧苗移栽入盆中，隔天第1次采集氣體。6月5日進行第1次施肥，分別施尿素0.49 g、過磷酸鈣 0.85 g、氯化鉀 0.30 g；6 月 30 日施第 2 次肥，分別施尿素 0.33 g、過磷酸鈣 0.56 g、氯化鉀0.20 g，各處理施肥方案一致。試驗期間各項農事管理措施一致。

供試生物炭由椰糠在600 ℃下厭氧熱解制成，pH 9.7、全碳含量為 676.78 g·kg?1、全氮含量為 5.03 g·kg?1、碳氮比為 134.49、比表面積為 5.84 m2·g?1；水稻秸稈經烘箱烘干粉碎機粉碎過 2 mm篩備用。

1.3 樣品采集與測定氣體樣品采集采用密閉靜態暗箱觀測法，盆栽裝置外圍安裝采氣底座（53 cm×53 cm），邊緣設置寬 2.5 cm 的蓄水槽用于密封。用白色 PVC 板制作采氣箱（50 cm×50 cm×100 cm）用于氣體樣品采集。箱體外部包裹泡沫塑料保溫層，以防箱內升溫過快、箱頂側邊設有溫度計連接口和帶三通閥的采氣口。采氣前向底座凹槽內適量灌水以形成密閉環境，后將采樣箱扣于底座凹槽上計時采氣。采氣時先用100 mL針管反復抽動幾次使箱體內空氣混勻，后于0、10、20、30 min 抽取 60 mL 氣體注入提前抽真空的 20 mL頂空瓶（Nichiden-rika Glass Co.Ltd.）。采氣時間為上午 08: 00 —11: 00，常規采氣頻率為 1 周 1 次，施肥后加密采樣1次。所采氣樣帶回實驗室用氣相色譜儀（島津 GC-2014）進行分析，N2O檢測器為電子捕獲檢測器(ECD)，載氣為氬甲烷；CH4檢測器為氫焰電離檢測器(FID)，載氣為高純氮，檢測器溫度 300 ℃。標準氣體由中國計量科學研究院提供。

采氣當天用便攜式Eh計（Bante 220）測定土壤Eh和土壤溫度；土壤微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）含量采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法進行測定[27]；土壤pH采用pH計（雷磁 PHS-3C）進行測定；土壤 NH4+-N 和 NO3?-N 含量，用 2 mol·L KCl浸提—連續流動分析儀（Proxima 1 022/1/1，愛利安斯科學儀器公司，法國）進行測定,土壤其他基本性質測定方法參考鮑士旦《土壤農化分析》[28]。

1.4 數據處理與分析CH4和 N2O 排放通量計算公式：

式中，F為氣體排放通量，FN2O單位為 μg·(m2·h)?1，FCH4單位為 mg·(m2·h)?1；ρ為標準狀態下 CH4-C 和N2O-N 的密度/（kg·m?3）；h為采樣箱高度/m；Δc/Δt為采樣過程中箱內氣體摩爾分數變化速率；T為采樣時箱內平均溫度/℃。

累積排放量（?，kg·hm?2）計算公式如下:

式中，n和i為采樣次數，t為采樣天數/d。

100 a尺度的農田土壤直接排放的N2O、CH4增溫潛勢 (GWPGHGS，CO2-eq，kg·hm?2) 計算公式[2]：

使用 SPSS 23.0 進行皮爾森相關分析和單因素方差分析和 Origin2018 繪圖。處理間差異采用Duncan多重比較法；P＜0.05為顯著水平。

2 結果與分析

2.1 不同處理土壤理化性質變化種植前期，各處理土壤Eh均維持在較低水平且低于?150 mV，其中B+C處理明顯低于其他處理；移栽1月進行曬田后，土壤Eh逐漸升高至30 mV左右；復水后Eh逐漸下降并總體維持在?120 mV上下波動直至收獲。各處理Eh變化趨勢一致（圖1-a）：CK、B、C和 B+C 4 個處理Eh 均值分別為?114.38 、?109.78 、?117.06 和?121.86 mV。5 cm 土壤溫度各處理溫差在2 ℃內且趨勢一致（圖1-b）。

土壤NH4+-N和NO3?-N含量變化如圖2所示。各處理土壤NH4+-N在第1次施肥后升高，C處理峰值最低、B和B+C處理峰值高于CK處理，后隨時間延續下降，曬田期后B、C和B+C 處理NH4+-N含量均明顯低于CK處理（圖2-a）。土壤NO3?-N含量在2次施肥后各處理響應不同，第1次施肥后B+C處理NO3?-N含量下降、其他處理升高，但B、C和B+C處理NO3?-N含量逐漸低于CK處理；曬田期后B和C處理NO3?-N含量均明顯低于CK處理且C處理NO3?-N 含量一直維持在最低水平，而B+C處理NO3?-N 含量明顯高于CK處理并逐漸下降到最低水平（圖2-b）

2.2 不同處理對CH4和N2O通量及累計排放量的影響觀測期內各處理 CH4通量為 0.1～25.0 mg·m?2·h?1（圖3-a）。第 1 次施肥后，相比其他處理，B+C處理對CH4排放通量響應較快，一直處于上升趨勢直至曬田期前夕出現峰值；CK、B和C處理第1次施肥后對CH4排放通量響應較慢，并且峰值較小，添加生物炭處理峰值最低；曬田管理明顯抑制CH4排放通量，各處理在曬田期CH4排放通量直線下降，曬田期結束復水進行第2次施肥后各處理出現第2個峰值，B+C處理CH4排放通量最高；大量CH4排放出現在水稻種植孕穗期至收獲期，各處理CH4排放通量呈上升趨勢于收獲前回降。CK、B、C和B+C 4個處理CH4累計排放分別為106.16、66.29、121.69和129.52 kg·hm?2；相比 CK 處理，B 處理顯著降低CH4排放37.56%、C和B+C處理分別顯著增加CH4排放 14.63% 和 22.01%（P＜0.05）(圖4-a)。

觀測期內各處理N2O排放通量在49.0～256.3 μg·m?2·h?1之間，曬田期各處理排放通量升高，在施肥后出現峰值、且第2次峰值較第1個高（圖3-b）。CK處理的2次排放峰值均最高且其N2O排放通量在整個種植期維持在較高水平。CK、B、C和B+C 4個處理N2O累計排放分別為2.61、2.05、2.04 和 2.22 kg·hm?2。相比 CK 處理，B、C和B+C處理分別顯著減少了N2O累計排放21.43%、21.89% 和14.77%，B、C處理N2O累計排放顯著低于 B+C 處理（P＜0.05）(圖4-b)。

2.3 不同處理對產量和 GWP 的影響收獲后，CK、B、C和B+C 4個處理單株水稻產量分別為57.87、60.90、62.94 和 47.23 g/株；B 和 C 處理分別顯著增加單株水稻產量5.22%、8.76%，B+C處理顯著降低單株水稻產量 18.39%（圖5-a）（P＜0.05）。

CK、B、C和B+C 4個處理GWP分別為3.35、2.18、3.58 和 3.77 t CO2-eq ha?2；B 處理顯著降低GWP 34.74%、而C和B+C處理分別顯著增加GWP 7.08% 和 12.69%（圖5b）（P＜0.05）。

2.4 不同處理對生物量的影響收獲后，CK、B、C和B+C 4個處理單株水稻生物量分別為140.57、156.38、163.80 和 141.77 g·株?1；B 和 C 處理分別顯著增加水稻生物量11.25%和16.53%（P＜0.05），B+C處理增加水稻生物量0.85%但不顯著（圖6）。

2.5 不同處理土壤微生物量碳和微生物量氮變化水稻收割后對土壤微生物量碳、微生物量氮進行了測定。相比CK處理，B處理顯著提高土壤微生物量碳（MBC）含量10.52%、C處理顯著降低土壤微生物量碳（MBC）含量 7.18%（P＜0.05），而B+C處理土壤微生物量碳（MBC）含量提高5.32%但不顯著（圖7-a）。與CK處理相比，B處理土壤微生物量氮含量與CK相當，而C和B+C處理分別顯著降低土壤微生物量氮（MBN）含量12.89%和 6.26%（P＜0.05）（圖7-b）。

2.6 不同處理CH4和N2O排放通量與Eh、5 cm土溫和土壤礦態氮的相關性相關性分析結果表明，各處理N2O排放通量與Eh呈極顯著正相關(P＜0.01)、而與 5 cm土溫相關性不顯著，C 處理N2O排放通量與NO3?-N顯著相關、B+C處理N2O排放通量與NO3?-N極顯著相關；CK、B和C處理CH4排放通量與5 cm土溫呈極顯著負相關，而B+C處理與5 cm土溫相關性不顯著，除C處理以外，各處理CH4排放通量與NO3?-N極顯著負相關(表1)。

表1 不同處理 CH4 和 N2O 排放通量與 Eh、5 cm 土溫的相關性

3 討 論

3.1 不同處理對 CH4 和 N2O 排放的影響CH4在農田生態系統中有2種產生途徑，一種是土壤產甲烷菌利用微生物分解有機酸產生CH4，另一種是有機物在細菌分解下直接產生的 CO2和 H2被還原[5]。同時甲烷消耗受到甲烷氧化菌的調控；產甲烷菌和甲烷氧化菌同時受碳源、土壤pH、Eh以及土溫等因子直接或間接影響[24]。本研究結果表明，相比CK處理，B處理顯著降低、C和B+C處理顯著增加CH4排放（圖4-a）。施用生物炭一方面會增強土壤孔隙度而增加土壤好氧狀態，從而抑制產甲烷菌的活性[29]；另一方面，有助于吸附大量CH4，為甲烷氧化菌提供碳源而促進CH4氧化[30]，這使得B處理CH4排放通量始終低于CK處理而減少CH4累計排放（圖3-a）。C處理由于秸稈腐解，會為產甲烷菌提供充沛碳源而促進CH4大量排放[31-32]；MBC 對土壤有機質的形成至關重要[33]，而C處理顯著降低了MBC含量，因此，秸稈添加可能使微生物的周轉加快而增加對有機質的消耗導致CH4排放增加。B+C處理由于秸稈添加和生物炭自身部分不穩定性碳會為產甲烷菌提供豐富的碳源而促進CH4排放；同時，B+C處理的水稻產量和地上部分生物量最低也會導致B+C處理從秸稈向根際輸送的氧氣減少，使土壤更易處于厭氧狀況[33?34]（圖6），這有利于 CH4的產生而并非抑制CH4的氧化[35]，故其CH4排放最高。土壤Eh作為反映土壤氧化還原條件的重要指標，當 Eh 處于?250～?150 mV 時，CH4排放量會隨著土壤Eh的降低而呈指數增加[18], B+C處理在曬田期前土壤Eh一直處于-170 mV以下且始終維持在最低水平（圖1-a）。HU等[36]研究表明，硝態氮含量增加會提高甲烷氧化菌活性；本研究結果表明，CH4排放通量與 NO3?-N 極顯著負相關（表1），前期B和C處理提高了NO3?-N含量有利于甲烷氧化菌活性而降低CH4排放通量,B+C降低NO3?-N含量則增加CH4排放通量，進入曬田期后,C處理 NO3?-N 含量始終最低,而 CH4排放通量逐漸高于CK處理導致CH4排放增加（圖2-b、圖3-a）。

農田土壤N2O產生主要來自硝化、反硝化過程，同時反硝化過程完全進行也會使N2O轉化為N2，受施肥、土壤水分、pH、碳源等因素的影響[37?38]。一般認為，WFPS 在 30%～60% 間時，硝化作用是產生N2O的主要來源；而當WFPS高于70%時，N2O的產生則主要來源于反硝化作用[38]。本研究中，相比CK處理，B、C和B+C處理均顯著降低了N2O 排放（圖4-b）。水稻移栽后由于存在返青期且苗較小，雖作為喜銨作物但對銨態氮的實際需求不高[39]；第1次施肥后出現N2O排放峰值，B、C和B+C處理排放低于CK處理，由于前期反硝化可能較弱[37],且B和C處理N2O排放低于CK處理，導致B和C處理硝態氮含量殘留較高，B+C處理前期硝態氮含量較低而后期升高可能是前期被微生物固定、后期經微生物礦化而升高[40]（圖2-b）；第2次施分蘗肥后，此時水稻需大量吸收銨態氮用于生長，B和C處理更高的水稻生物量表明對銨態氮吸收更多（圖6），使土壤銨態氮含量低于CK處理，硝化過程銨底物減少導致硝態氮含量較低（圖2-b），水稻吸收氮導致硝化和反硝化氮底物降低使N2O排放減少[24]，生物炭對礦態氮的吸附也會進一步使硝化和反硝化氮底物減少而降低N2O排放。同時，分蘗期后C處理硝態氮含量最低、且顯著降低了MBN含量（圖7-b），表明秸稈添加會促進反硝化過程使土壤硝態氮更多地以N2形式消耗掉、且不利于土壤微生物對無機氮的固定，從而使N2O排放降低[23]。相比CK處理，B+C處理降低銨態氮而增加了硝態氮含量（圖2），前述分析表明B+C處理根際泌氧較低而更易處于厭氧狀態，也顯著降低了MBN含量（圖7-b），且相比CK處理有更多的碳源，這有利于反硝化徹底進行，而使反硝化過程產物更多以N2而并非N2O的形式排放[41]，從其兩次施肥后N2O排放峰值最低可得到證實（圖3-b）。B+C處理N2O排放量顯著高于B和C處理，可能因為B+C處理水稻產量和地上生物量要低于其他2個處理導致后期對氮的吸收減少，因此，在進入曬田期后B+C處理硝態氮含量明顯高于B和C處理而使反硝化底物充沛（圖2），同時，生物炭對礦態氮的吸附以及秸稈所提供豐富的碳源有利于反硝化進行[12,18]，使反硝化過程產物大部分以N2形式排放的同時存在一部分N2O排放。

3.2 不同處理對產量和全球增溫潛勢的影響

本研究結果表明，相比CK處理，B+C處理降低了單株水稻、而B和C處理顯著增加單株產量（圖5），B和C處理結果與LIU等[42]研究結果相似。生物炭處理可能由于改善土壤理化性質而有利于土壤氮素固持和作物養分持續吸收[17]，進而促進作物生長以實現增產（圖6）。秸稈添加處理由于秸稈在腐解后產生的有機質和有效養分可以促進水稻生長發育而增加水稻生物量（圖6），進而增加水稻產量[43]。本研究中，生物炭與秸稈聯用減產可能由于生物炭對礦態氮的吸附以及秸稈提供大量碳源，有利于反硝化的進行從而導致土壤氮素損失而不利于作物的生長[12,18]；同時生物炭與秸稈聯用易于形成土壤厭氧條件致使秸稈腐解分泌更多的有機酸[18]，有機酸對作物的毒害作用抑制水稻生長從而降低水稻產量。DUAN等[23]兩年田間研究也表明,相比單施生物炭或者秸稈，生物炭與秸稈聯用降低作物產量和地上總生物量,相比單施生物炭減產量達到顯著水平。因此，相比生物炭與秸稈聯用，單施生物炭或者秸稈可能更有利于作物生長和增產。

研究表明，相比CK處理，B處理顯著降低水稻增溫潛勢（GWP），而C和B+C處理增加了GWP（圖5-b），這與DUAN等[23]研究結果一致。本研究中，生物炭處理由于顯著降低CH4累計排放 37.56% 和N2O 累計排放21.43%（圖4），從而顯著降低了GWP。C和B+C處理對N2O累計排放分別顯著降低21.89%和14.77%，但是對CH4累計排放則分別顯著增加14.63%和22.01%，由于CH4累計排放量遠高于N2O累計排放（圖4），CH4排放增加部分對GWP的貢獻高于N2O累計排放降低對GWP的影響。因此，生物炭單獨添加下降低增溫潛勢的效果更好。

4 結 論

（1）在我國熱帶地區稻田土壤中，施用 40 t·hm?2生物炭可有效實現溫室氣體減排、增加作物產量的目的。

（2）在我國熱帶地區稻田土壤中，施用 3 t·hm?2秸稈能夠有效提升作物產量，但會增加全球增溫潛勢、且不利于無機氮的固定。

（3）在我國熱帶地區稻田土壤中，生物炭與秸稈聯用會增加CH4累計排放和全球增溫潛勢，同時，不利于作物生長和提高作物產量，因此，在施用40 t·hm?2生物炭的情況下不適合再進行秸稈還田處理。