不同用量生物質炭降低華南集約化菜地土壤N2O 排放和提高氮肥利用率的效應

摘要： 【目的】我國集約化蔬菜種植氮肥施用量大、復種指數高、農事操作頻繁，導致土壤氮素損失量大，氮肥利用率低。生物質炭施用可有效改善土壤物理、化學和生物學性質，進而影響土壤氮素循環以及作物產量。比較不同生物質炭用量對土壤N2O 減排和作物產量的影響及作用機理，為生物質炭在蔬菜栽培中的應用提供指導。【方法】田間試驗在華南地區進行，在連續兩年內共種植4 茬多次收獲蔬菜。試驗設置不施氮肥（CK）、常規施氮（NF）、常規施氮+20 t/hm2 生物質炭（NB20） 和常規施氮+40 t/hm2 生物質炭（NB40） 處理，采用靜態暗箱—氣相色譜法對兩年蔬菜生長季的土壤N2O 排放量和蔬菜產量進行測定，田間試驗結束后采集土樣測定土壤理化性質和酶活性。【結果】生物炭施用兩年后，NB20 和NB40 處理的土壤全氮、pH、有效磷和脲酶活性均顯著高于NF，NB20 處理的pH 和有效磷含量又顯著高于NB40 處理。兩年試驗NF 處理菜地土壤N2O 排放通量范圍為42.8～7233.0 μg/（m2·h），生物質炭處理為28.4～3188.1 μg/（m2·h），溫度、季節和氮肥施用是引起波動的主要因素。與NF 處理相比，2018、2019 年NB20 處理的N2O 累積排放量分別顯著降低了64.3%、66.9%，NB40 處理分別顯著降低了55.8%、62.5%，但兩處理之間無顯著差異。與NF 處理相比，NB20 處理的蔬菜產量顯著增加了10.1%～29.10%，產量尺度N2O 排放顯著降低了56.4%～74.4%，氮素吸收量因而顯著增加了13.9%～32.9%，兩年之間多數指標變化不顯著；NB40 處理第一年的增產、降排效果與NB20 處理無顯著差異，第二年的產量和氮素利用率顯著低于NB20 處理，也低于第一年。相關性分析和冗余分析表明，土壤pH是影響N2O 排放的主要因素，土壤有效磷、pH 和有機碳是影響蔬菜產量的主要因素。【結論】在華南集約化蔬菜生產中，配施生物質炭能顯著緩解大量氮肥施用產生的土壤酸化，增加土壤蛋白酶和脲酶活性，進而抑制施肥誘發的土壤N2O 排放，提高蔬菜的氮吸收量，最終增加蔬菜產量和氮素利用率。與施用40 t/hm2 的處理相比，施用20 t/hm2 生物炭的處理提升土壤pH 和產量的效果更穩定，降低單位產量N2O 排放和提升蔬菜氮素利用效率的效果更佳，因此常規施氮+20 t/hm2 生物質炭是可推薦的減排增效措施。

關鍵詞： 生物質炭； 華南地區； 集約化菜地； N2O； 氮素利用率

氧化亞氮（N2O） 是溫室氣體的重要組成部分，其在百年時間尺度上的全球增溫潛勢（GWP） 是CO2 的298 倍 [1]。農田是N2O 的主要排放源之一，來源于農田土壤的N2O 排放量占年度N2O 排放量的53% [2]。華南地處亞熱帶地區，由于其高溫高濕的特點，土壤脫硅富鐵鋁化劇烈，存在著土壤養分流失嚴重，氮肥利用率低等特點 [3]。為滿足蔬菜高產需求，蔬菜種植常采用集約化模式，該模式能提高土地利用效率，但由于其具有施肥量大、復種指數高和灌溉頻繁等特點 [4]，極大地提高了土壤N2O 排放風險。因此，如何在華南地區保證蔬菜產量的同時，減少集約化蔬菜生產過程中土壤N2O 排放，并提高氮素利用率，成為該區域可持續發展農業亟待解決的關鍵問題。

生物質炭是一種用于農田增產減排的新型物質，其具有較大的比表面積和豐富的孔隙 [5]，且富含堿性官能團 [6]，可有效改良土壤理化性質、減少土壤養分流失并提高肥料利用率 [7?8]，降低農田溫室氣體排放 [9]。國內外研究表明，由于生物質炭的原料類型、添加量、土壤類型和質地等差異，生物質炭對土壤N2O 減排效果也有很大不同 [10]。Wu 等[11]通過研究生物質炭添加對酸性土和堿性土N2O 排放的影響發現，橄欖生物質炭顯著降低了兩種土壤的N2O 排放；而玉米生物質炭降低了酸性土壤的N2O 排放，但對堿性土壤N2O 排放無顯著影響。Milagros 等 [12]通過向農田添加不同類型的生物質炭發現，由雞糞制成的生物質炭顯著增加了24.0% 的N2O 排放，而由牛糞和木渣制成的生物質炭則分別顯著降低了23.0% 和50.0% 的N2O 排放。Shakoor 等[13]的薈萃分析結果表明，在質地較細（黏土、粉黏土、砂黏土）和質地中等的土壤（壤土、黏壤土、粉壤土） 中添加生物質炭提高N2O 排放，而在質地粗糙的土壤（砂壤土、壤砂土） 中施用生物質炭則顯著降低N2O 排放。由此可見，不同類型土壤中生物質炭的減排效果不一。目前關于菜地土壤的研究較少，且相關研究多局限于短期內的減排效應，缺乏長期年際效應的研究。