生物炭對紫色土農田土壤NO排放的影響①

李 濤，王小國，胡廷旭

（1 中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041；2 中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100049）

生物炭對紫色土農田土壤NO排放的影響①

李 濤1，2，王小國1*，胡廷旭1，2

（1 中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041；2 中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100049）

為探明生物炭對紫色土農田土壤NO排放的影響，利用靜態(tài)箱-化學發(fā)光氮氧化物分析法對夏玉米-冬小麥輪作土壤施用生物炭后的NO排放進行了為期一年（2013年6月至2014年5月）的原位觀測，比較了生物炭與化肥混施處理（BCNPK）和常規(guī)施肥處理（NPK）的紫色土NO排放特征，無肥（CK）作為計算排放系數(shù)的對照。結果表明，玉米生長季，NPK處理下的土壤NO排放速率、累積排放通量及排放系數(shù)與BCNPK處理下相應參數(shù)之間均呈極顯著差異（P＜0.01）。施用生物炭后，NO排放速率、累積通量及排放系數(shù)分別降低了73.1%、77.4% 和85.5%，但在小麥季兩種處理之間的差異均不顯著（P＞0.05）。此外，在玉米季和小麥季，BCNPK處理單位產(chǎn)量的綜合溫室效應（yield-scale GWP）分別比NPK處理降低了79.4% 和26.4%。因此，在同等氮肥施用量的條件下配施生物炭既能保證紫色土農田土壤作物不減產(chǎn)又能降低NO的排放。

生物炭；紫色土；NO減排；綜合溫室氣體效應

NO是一種化學性質活躍的含氮大氣污染物，可直接或間接地引起大氣臭氧層的破壞、酸雨和光化學煙霧等一系列環(huán)境問題［1-2］。有效減少或控制NO的排放對緩解全球變化、改善人類生存環(huán)境具有重要意義［1］。目前，國內關于NO排放的報道還很有限［3-4］，通過何種手段可以有效降低NO排放的研究逐漸受到關注。生物炭是一種細粒度、多孔性的碳質材料，具有比表面積大、吸附性能良好和顆粒表面帶有大量負電荷等特點［5］。土壤中施用生物炭能夠改善土壤物理、化學特性以及微生物環(huán)境［6-7］，從而提高養(yǎng)分利用率［8］，促進作物生長和增加作物產(chǎn)量［9］。施用生物炭還能降低重金屬［10］及有機污染物的生物有效性［11-12］從而降低其毒性。因此，近年來，生物炭已被作為一種有效的土壤改良劑廣泛用于固碳、溫室氣體減排、土壤污染控制與修復等領域。利用生物炭減排溫室氣體的研究已有報道，但多集中施用生物炭對土壤CH4、CO2和N2O排放的影響［13-15］，對紫色土土壤NO排放的影響研究報道甚少。因此，本研究通過田間小區(qū)試驗，采用靜態(tài)暗箱-氣袋采樣-化學發(fā)光氮氧化物法研究施用生物炭后，川中丘陵區(qū)紫色土農田土壤NO年內（夏玉米-冬小麥）排放特征，試圖探明施用生物炭對土壤NO排放的影響，為該區(qū)探尋有效減少土壤NO排放的途徑提供一種思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國科學院鹽亭紫色土農業(yè)生態(tài)試驗站位于四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)（105°27′E，31°16′N），海拔460 m，地處嘉陵江一級支流涪江的支流——獼江、湍江的分水嶺上。屬中亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，四季分明，年均氣溫17.3℃，極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫 -5.1℃；多年平均降雨量825 mm，分布不均，春季占5.9%，夏季65.5%，秋季19.7%，冬季8.9%，無霜期294 天。農作物一年兩熟有余，冬季普遍種植冬小麥和油菜，夏季以玉米為主。試驗小區(qū)土壤為鈣質紫色土，是由白堊紀和侏羅紀的紫色砂頁巖風化物形成的初育土。0 ～ 20 cm土壤基本理化性質為：體積質量為1.34 g/cm3，黏粒、粉粒和砂粒含量分別為22.3%、34.6% 和43.1%，pH 8.23，有機質及全氮、全磷、全鉀分別為8.75、0.81、0.84、18.01 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀分別為42.29、9.02、86.35 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗小區(qū)布置采用隨機區(qū)組設計，共設常規(guī)氮磷鉀肥處理（NPK）、生物炭與氮磷鉀肥混施處理（BCNPK）和無肥對照處理（CK）等3個處理，每一處理設置3次重復，共9個小區(qū)，小區(qū)面積為32 m2（4 m × 8 m）。試驗小區(qū)均采用冬小麥-夏玉米輪作，經(jīng)人工鋤耕、施肥后立即播種。化肥以一次性基肥人工施入各小區(qū)耕作層土壤（20 cm），玉米季化肥采用穴施，小麥季采用撒施。試驗期間不灌溉、不追肥，耕地管理與當?shù)剞r民習慣一致。

玉米和小麥的施肥播種日分別為2013年5月31日和10月27日。玉米播種當日，先生物炭均勻撒施于BCNPK小區(qū)土壤表面，再經(jīng)犁耕將其混入耕作層土壤，而后再采用與NPK和CK處理一致的施肥及播種方式，生物炭施用量為16 t/hm2（1%）。小麥季BCNPK小區(qū)不再施加生物炭，所施化肥量與NPK處理完全一致。供試生物炭為小麥秸稈炭，由河南商丘“三利”新能源公司生產(chǎn)，其基本理化性質為：pH 10.22，含碳量83.4%，全氮1.5%，硫含量0.3%，氫含量1.8%，氧含量13.0%，H/C比為0.26，O/C比為0.12［16］。NPK和BCNPK處理施用的總氮水平一致（生物炭的氮素計入總氮），玉米季氮肥（碳酸氫銨，純N 17%）施用量為N 150 kg/hm2，小麥季氮肥施用量N 130 kg/hm2；磷肥（過磷酸鈣，含P2O512%）、鉀肥（氯化鉀，含K2O 60%）玉米和小麥季的施用量分別為P2O590 kg/hm2和K2O 36 kg/hm2。

1.3 樣品的采集、分析和相關計算

1.3.1 樣品的采集與分析 本研究采用靜態(tài)暗箱-氣袋采樣法采集NO樣品，采用化學發(fā)光氮氧化物法分析NO濃度，通過計算獲得NO排放速率和系數(shù)。采樣箱構造、田間布設和采樣方法詳見文獻［17］。研究表明，9：00—11：00 am時間段內的NO排放速率能代表當日平均排放水平［17］，故NO樣品采樣時間設為9：00—11：00 am，采樣頻率為2次/周。施肥后增加采樣頻率，第一周每天采樣1次，第二周為間隔采樣，第三周恢復2次/周。NO樣品保存于遮光氣袋中（容積5 L，大連光明氣體化工技術中心，大連，中國），采集后迅速送回實驗室，利用Thermo Scientific NO-NO2-NOx Analyzer（Model 42i，USA.EPA公司）進行分析。

在采氣過程中，采用JM624型便攜式測溫計（JM624，天津今明儀器有限公司，天津，中國）和MP-406便攜式水分測定儀（MPM-160B，杭州匯爾儀器設備有限公司）分別測定土壤溫度和土壤體積含水率，并采集適量表層土壤帶回實驗室，分析土壤可溶性有機碳（DOC）、、含量。具體操作步驟為：稱取5.000 ± 0.025 g鮮土樣于離心管中，加入25 ml 0.5 mol/L K2SO4（水土比為5∶1），于震蕩器中震蕩2 h（25℃）后置于離心機（3 500 r/min，20 min）中離心，用0.45 μm濾膜過濾，濾液用AA3流動分析儀（SEAL Auto Analyzer 3，德國）測定DOC、NH+4和NO-3濃度。

1.3.2 相關計算公式 土壤濕度用WFPS（waterfilled pore space，總孔隙含水率）表示，通過土壤體積含水率計算得到，轉換公式如下［18］：

式中：SWM為土壤體積含水率（%）；BD為土壤體積質量（g/cm3）；PD為土壤密度，取2.65 g/cm3。

基于NO濃度隨時間的變化計算得到單位面積的氣體排放速率，具體計算公式如下［17］：

式中：F為土壤NO排放速率（mg/（m2·h））；M為氣體摩爾質量（g/mol）；V0為標準狀態(tài)下（溫度273 K，氣壓1 013 hPa）氣體摩爾體積（22.41×10-3m3）；T0和P0分別為標準狀態(tài)下的氣溫（237 K）和氣壓（1 031 hPa）；P為采樣點的氣壓（hPa）；T為采樣時箱內的平均氣溫（K）；dc/dt為采樣箱內NO濃度變化速率；H為采樣箱的高度（cm）；k為量綱轉換系數(shù)。

NO的累積排放量是根據(jù)作物生長期內NO的日排放量累加后得到（通過相鄰兩次排放速率的線性插值得到未觀測日的NO排放速率），計算公式如下［17］：

式中：E為NO累積排放量（kg/hm2，以N計，下同）；k為量綱換算系數(shù)；Xi為第i天NO的日排放量值（mg/（m2·d）），將排放速率（mg/（m2·h））乘以24 h即可轉換成日排放量；tΔ為相鄰兩次日排放量值的間隔天數(shù)（d）；n為觀測期內有效日排放通量觀測值的天數(shù)（d）。

NO排放系數(shù)利用以下公式計算得到［17］：

式中：Tn為施肥后NO累積排放量（kg/hm2）；TCK為對照不施氮肥的NO累積排放量（kg/hm2）。氮肥施用量的單位為kg/hm2。

綜合溫室效應（GWP）采用以下公式計算：

式中：GWPNO為基于NO的GWP值（kg/hm2，以CO2eq計）；E為NO累積排放量（kg/hm2）。單位產(chǎn)量的綜合溫室效應（yield-scaled GWP）等于當季的GWPNO除以當季產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

應用Excel 2013和Origin 9.0軟件進行數(shù)據(jù)處理、圖表繪制；利用SPSS 16.0軟件進行相關分析和方差分析，各處理間差異采用Duncan多重比較法，顯著性水平設為0.05。

圖1 試驗期內空氣溫度和日降雨量、5 cm土壤溫度、土壤濕度（WFPS）及土壤可溶性有機碳（DOC）、無機氮）動態(tài)變化Fig. 1 Dynamics of air temperature， daily precipitation， 5 cm soil temperature， soil moisture （WFPS） and the contents of soil，， DOC during the experiment period

2 結果與分析

2.1 環(huán)境因子的季節(jié)動態(tài)

試驗期內空氣溫度和日降雨量、5 cm土壤溫度、土壤濕度（WFPS）及土壤可溶性有機碳（DOC）、無機氮變化趨勢，如圖1所示。由圖1A可知，觀測期內的年平均氣溫為16.5℃，月平均最高氣溫和最低氣溫分別為27.1℃（7月）和5.8℃（1月）；降雨總量為704.5 mm，較當?shù)囟嗄昶骄邓繙p少約14.6%。各小區(qū)的土壤（5 cm）溫度介于2.0 ～ 29.6℃，其中玉米季內土壤溫度平均值約為25.0℃，小麥季的平均值約為10.5℃（圖1B）。土壤孔隙充水率（WFPS）介于25.2% ～ 74.5%，玉米季的平均值約為53.8%，小麥季的平均值約為48.3%（圖1C）。

由圖1D可以看出，與對照小區(qū)（CK）相比，BCNPK和NPK小區(qū)土壤DOC含量均顯著高于CK處理（P＜0.01），但前兩者間差異不顯著（表1，P＞0.05）。這主要是因為：CK處理小區(qū)長期不施肥，土壤貧瘠，作物生長差，枯枝敗葉等有機質輸入量長期低于BCNPK和NPK等施肥處理，故其DOC含量顯著低于BCNPK和NPK處理。施肥后，土壤無機氮含量迅速增加并維持1 ～ 2周的高峰期（玉米季約1周，小麥季約2周）。隨后，由于微生物的硝化和反硝化、植物吸收以及氮淋失等作用，無機氮含量呈現(xiàn)出波動下降趨勢并在當季末期降至最低（圖1E）。玉米生長季內，常規(guī)施肥處理（NPK）下，土壤無機氮含量在施肥后第15天（2013年6月15日）達到最大值（41.51 mg/kg），而生物炭小區(qū)（BCNPK）則在施肥后的第1天（2013年6月1日）達到最大值（22.45 mg/kg）。小麥生長季內，BCNPK和NPK處理的土壤無機氮含量均在施肥后第1天（2013年10月28日）達到最大值，其無機氮含量分別為102.54 mg/kg和76.20 mg/kg。試驗周期內，BCNPK和NPK小區(qū)土壤的無機氮含量顯著高于CK處理（P＜0.01），但兩者間差異不顯著（表1）。

表1 不同施肥處理的DOC和無機氮-N+-N）含量Table1 DOC and inorganic nitrogen （N-N+N） contents of soils in different treatments

表1 不同施肥處理的DOC和無機氮-N+-N）含量Table1 DOC and inorganic nitrogen （N-N+N） contents of soils in different treatments

注：同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異達到P＜0.05顯著水平（Duncan多重比較，下同）。

DOC （mg/kg） NO3--N+NH4+-N （mg/kg）時期 處理均值±標準誤 最小值 最大值 均值±標準誤 最小值 最大值夏玉米BCNPK 50.63 ± 1.81 a 36.43 62.19 14.51 ± 0.77 a 8.63 22.45 NPK 50.40 ± 1.81 a 37.39 64.06 15.89 ± 2.28 a 5.31 41.51冬小麥CK 36.95 ± 1.53 b 17.95 46.28 9.77 ± 0.83 b 3.62 16.64 BCNPK 53.16 ± 2.33 a 19.86 86.06 32.91 ± 4.53 a 2.08 102.54 NPK 51.21 ± 2.28 a 16.86 82.56 29.84 ± 3.76 a 3.38 76.20 CK 32.14 ± 1.65 b 14.96 54.74 5.57 ± 0.42 b 1.19 12.28

2.2 NO排放的季節(jié)變化

輪作周期內，CK處理下土壤無明顯的NO排放峰出現(xiàn)，其值介于 -4.54 ～ 7.63 mg/（m2·h），顯著低于BCNPK和NPK處理（表2）。BCNPK和NPK處理表現(xiàn)出相似的NO排放趨勢（圖2），即在施肥后20天內呈現(xiàn)NO脈沖排放特征，20天后NO排放速率急劇下降并維持與CK對照處理相似的較低排放水平，由此說明施用氮肥能顯著激發(fā)紫色土尤其是施肥后20天內的NO排放。玉米季內，BCNPK處理于施肥后第7天出現(xiàn)NO排放峰值，為26.12 mg/（m2·h）；NPK處理于施肥后第15天出現(xiàn)NO排放峰值，為82.15 mg/（m2·h）。施肥后20天內，BCNPK、NPK和CK處理土壤NO平均排放速率分別為11.79、44.02和2.90 mg/（m2·h），三者兩兩差異極顯著（P＜0.01）；施肥20天后至玉米季結束，3種處理NO平均排放速率分別為0.22、0.68和0.53 mg/（m2·h），差異不顯著（P = 0.150 7）。小麥季內，BCNPK和NPK處理土壤均在施肥后第6天出現(xiàn)NO排放峰值，分別為108.76和115.10 mg/（m2·h）；施肥后20天內，3種處理土壤NO平均排放速率分別為54.16、54.69和0.21 mg/（m2·h），差異極顯著（P＜0.01）。施肥20天后至玉米季結束期間3種處理NO平均排放速率分別為 -0.41、0.140和 -0.25 mg/（m2·h），差異不顯著（P = 0.562 4）。整個輪作周期內，BCNPK和NPK處理的NO平均排放速率分別是CK的20.1倍和30.9倍。兩種施肥處理相比，BCNPK處理土壤玉米季的NO平均排放速率較NPK處理低73.1%（P＜0.05），其整個輪作周期的NO平均排放速率較NPK處理低34.9% （P = 0.929 6），說明紫色土施用生物炭能明顯降低土壤NO的排放。

表2 不同施肥處理的產(chǎn)量及土壤NO排放速率、范圍、累積通量、綜合溫室效應值和單位產(chǎn)量的綜合溫室效應Table2 Crop yield， the flux， range， amount and GWP of soil NO emission and yield-scaled GWP of NO emission in different fertilization treatments

圖2 各施肥方式的NO排放速率的季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal variation of NO emission rate in different treatments

2.3 不同施肥處理作物產(chǎn)量、NO累積排放通量和排放系數(shù)

與對照（CK）小區(qū)相比，BCNPK小區(qū)玉米季和小麥季的生物量分別增加70.7% 和103.5%，NPK小區(qū)則分別增加62.3% 和108.9%；相應地，BCNPK玉米季和小麥季的產(chǎn)量分別增加71.7% 和157.9%，NPK則分別增加61.0% 和127.2%。說明施肥能有效促進作物的生長，增加作物的生物量和產(chǎn)量。但是，常規(guī)施肥處理和生物炭添加處理間的生物量和作物產(chǎn)量均差異不顯著（表2）。

BCNPK、NPK和CK處理夏秋季（玉米季）土壤NO累積排放量占全年NO排放量的90.5%、93.7% 和70.0%（圖3），說明水熱條件較好的夏秋季是紫色土夏玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)NO排放的主要時期。冬春季（小麥季）NO累積排放量所占比例很少，冬季甚至會出現(xiàn)NO吸收現(xiàn)象，BCNPK、NPK和CK分別吸收-0.023、-0.040和 -0.007 kg/hm2的NO。不管是玉米季還是小麥季，不同施肥處理下土壤NO累積排放通量差異均達到顯著水平（P＜0.05），而整個試驗期內的NO累積通量差異達到極顯著水平（P＜0.01）。玉米季內，BCNPK和NPK的NO累積排放量分別是CK的2.4和9.5倍，小麥季的則是36.0和40.5倍，NO全年累積量則分別是CK的15.3和27.7倍。說明施肥能顯著增加紫色土土壤NO的排放量。與NPK相比，玉米季和小麥季BCNPK的NO累積排放量分別降低77.4%（P＜0.01）和11.1%（P = 0.585 6），NO排放系數(shù)降低85.5% 和10.8%，全年累積排放量降低44.6%（P＜0.01）。不同施肥方式對100年時間尺度的NO綜合溫室效應（GWPNO）的影響與對NO累計排放通量的影響相同。由此說明施用生物炭能降低紫色土尤其是水熱條件較好的玉米季內的土壤NO的排放。

圖3 NO累積排放通量（kg/hm2）的季節(jié)分配Fig. 3 Seasonal variation of NO cumulative emission flux（kg/hm2） in different treatments

3 討論

3.1 生物炭對單位產(chǎn)量的綜合溫室效應的影響

增加作物產(chǎn)量一直是農業(yè)中施用氮肥的最終目的，然而，氮肥的大量使用必然增加N2O或NO等氮氧化物的排放風險，因此綜合作物產(chǎn)量評價施肥對氮氧化物排放的影響具有一定的現(xiàn)實意義。Linquis等［19］認為，單位產(chǎn)量的綜合溫室效應（yield-scaled GWP）能在綜合考慮環(huán)境和生產(chǎn)效益的情況下較好地反映二者的綜合效應。既能保證作物無明顯減產(chǎn)又能減少yield-scaled GWP值的施肥措施是最合理的施肥方式。本研究中，施肥方式對作物產(chǎn)量、NO排放量、GWP及yield-scaled GWP值均具有顯著影響。與CK對照相比，施肥能顯著增加作物產(chǎn)量、NO排放量、GWP及yield-scaled GWP值（表2）。而在等量氮肥施用的情況下，玉米季BCNPK處理的作物產(chǎn)量比NPK增加6.7%，NO累計排放通量、GWP和yield-scale GWP則分別降低77.4%、77.4% 和79.4%；小麥季也表現(xiàn)出相同趨勢，其中作物產(chǎn)量增加13.5%，NO累計排放通量、GWP和yield-scale GWP分別降低11.1%、11.1% 和26.4%。因此，在同等氮肥施用量時，施用生物炭不僅能保證作物不減產(chǎn)，還能降低單位產(chǎn)量的NO排放量，取得良好的環(huán)境效應。但是，本研究在計算GWP或yield-scaled GWP時，沒有綜合計算CO2、CH4和N2O 3種溫室氣體的綜合溫室效應，不能全面評價生物炭對紫色土農田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體綜合GWP的影響，還有待進一步研究。

3.2 生物炭減排NO的影響因素

堿性旱地土壤中NO的排放主要來自硝化作用［20-22］。硝化作用主要是指銨態(tài)氮在好氧條件下通過生物氧化生成亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮的過程，其主要影響因素包括pH、溫度、水分、氧氣、無機氮化合物含量等［23］；本研究中，NO排放速率與土壤溫度和DOC無顯著相關關系，而與土壤濕度（r = 0.204， n = 165， P＜0.01）和無機氮含量（r = 0.486， n = 165， P＜0.01）呈極顯著正相關關系，說明紫色土NO排放受土壤濕度和無機氮含量共同控制。無機氮是硝化反硝化微生物產(chǎn)生NO的作用底物，而土壤濕度可通過影響土壤的通氣性、氧化還原電位、土壤有效氮含量及其微生物可利用性來影響土壤NO的排放［1］。由圖2可見，試驗期內尤其是在施肥后的20天內降雨造成的土壤濕度的干濕交替均會激發(fā)NO的排放（如玉米季的6月7日和6月15日，小麥季的11月3日和11月7日），相應地，此階段土壤無機氮含量較高，不是NO排放的限制條件。然而，施肥20天后，盡管土壤濕度也有劇烈變化（如玉米季的7月28日、8月1日和8月8日等以及小麥季的4月18日），但并沒有出現(xiàn)明顯的NO激發(fā)效應，這是因為該時期土壤無機氮含量顯著降低（圖1E），供硝化微生物活動產(chǎn)生NO的底物（無機氮）顯著減少。因此，土壤濕度和無機氮含量共同作用影響紫色土農田土壤NO的排放。

房彬等［7］、何飛飛等［24］的研究表明，添加生物炭對土壤無機氮含量和N2O具有顯著影響。本研究中，NPK處理和BCNPK處理的土壤無機氮含量差異不顯著，這與以往的研究結果不同。這是因為生物炭本身就是一種碳氮源，而本研究中進行等氮量施肥處理，BCNPK處理所施氮肥必然較NPK處理少，所以BCNPK處理土壤無機氮含量較NPK低。此外，在玉米播種之前將生物炭按16 t/hm2（1%）添加到生物炭小區(qū)，而小麥播種之前則沒有新的生物炭添加，因此本研究所添加的生物炭比例明顯小于其他研究［7，24］中的添加比例。

與NPK處理相比，BCNPK處理在玉米季和整個作物周期內的NO累計排放通量分別降低77.4% 和44.6%，表現(xiàn)出明顯的NO減排效果，然而影響紫色土農田土壤NO排放的關鍵環(huán)境因子（土壤濕度和無機氮含量）在BCNPK和NPK間均無顯著差異。因此，本研究認為：添加1% 的生物碳后尤其是玉米季內所表現(xiàn)出來的NO減排效果主要是通過生物炭自身高吸附性、多孔性、高比面積等結構特性及其對土壤結構的改善實現(xiàn)NO減排的，而非通過直接改變土壤濕度和無機氮含量來實現(xiàn)。一方面，生物炭具有較高的CEC，能夠有效吸附土壤溶液中NH4+和NO3-［5，25-27］，并短期固定和滯留土壤中的無機氮［28-30］，使無機氮濃度和硝化作用強度降低。另一方面，土壤中施用的生物炭易與土壤礦物質結合形成有機-無機復合體［28］，使N的生物有效性降低，難以被硝化微生物利用；同時，生物炭的多孔性及比表面積高等特征使生物炭具有很強的吸附能力［31］，可以吸附溫室氣體，減少溫室氣體向土表的擴散和逸出。本研究中，玉米播種前將生物炭施入土壤后，BCNPK小區(qū)耕作層的土壤體積質量降低，土壤持水性能增加［16］，對干濕交替的響應不如NPK小區(qū)土壤敏感，因而降雨激發(fā)的NO排放量低于NPK小區(qū)。因此，BCNPK處理在玉米季中表現(xiàn)出顯著的NO減排效果。同時生物炭的NO減排效果隨施用時間的延長而減弱，生物炭的吸附位點在玉米季末期時明顯減少，而小麥季沒有新的生物炭施入，因此BCNPK處理在小麥季并未表現(xiàn)出顯著的NO減排效果。

4 結論

1） 試驗期內，NO排放速率與土壤溫度和DOC含量無顯著相關關系，與土壤濕度和無機氮含量呈極顯著正相關（P＜0.01），土壤濕度（WFPS）和無機氮含量是影響紫色土農田土壤NO排放的主要環(huán)境因子，引起其劇烈變化的措施或環(huán)境因子的改變如N肥的施用或降雨造成的干濕交替都能顯著激發(fā)NO的排放。

2） 與NPK處理相比，玉米季內BCNPK處理的作物產(chǎn)量增加6.7%，NO累計排放通量、GWP和yield-scale GWP則分別降低77.4%、77.4% 和79.4%；小麥季的作物產(chǎn)量增加13.5%，NO累計排放通量、GWP和yield-scale GWP分別降低11.1%、11.1% 和26.4%。由此說明在同等氮肥施用量的條件下，添加生物炭不僅能保證作物不減產(chǎn)，也能降低單位產(chǎn)量的NO排放量，減少氮肥以NO-N形態(tài)損失的比例，取得良好的環(huán)境效應。

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Impact of Biochar on NO Emission from Cropland of Purple Soil

LI Tao1，2， WANG Xiaoguo1*， HU Tingxu1，2
（1 Institute of Maintain Hazards and Environment， Chinese Academy of Sciences， Chengdu 610041， China；2 College of Resources and Environment， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

In this study， one year monitoring of NO emissions from purple soil farmlands planted with maize （in the summer） and wheat （in the winter） in rotation was carried out in the field after biochar application in Yanting Agro-Ecological Experimental Station （Chinese Academy of Sciences）. The static chamber-gas chromatographic techniques and chemiluminescence NO analyzer were used in the study. Three treatments namely conventional fertilization （NPK）， biochar application in combination with fertilizer （BCNPK） and control treatment （CK） without fertilizer and biochar， were applied by randomized design with three replications. Comparisons of NO emission from purple soil farmlands were made between NPK and BCNPK. In addition， CK was used to calculate NO emission coefficient. It was found that NO emission rate was not significantly correlated with soil temperature and soil dissolved organic carbon content， whereas there was a significantly positive correlation between soil moisture （r = 0.204， n = 165， P＜0.01） and inorganic nitrogen content （r = 0.486， n = 165， P＜0.01）. Consequently， soil moisture and inorganic nitrogen content act as the main influential factors for NO emission from purple soil farmland. N fertilizer application or severe soil moisture alternating caused by rainfall could significantly excite NO emissions. The average NO emission rate throughout the trial period in BCNPK and NPK treatments was 20.1 times and 30.9 times higher than that in CK. During the maize season， the significant differences of NO emission rate， cumulative emissions and emission coefficient were observed between NPK and BCNPK （P＜0.01）. NO emission rate， cumulative emissions and emission coefficient in maize season were decreased by 73.1%， 77.4% and 85.5%， respectively， for BCNPK as compared with NPK. However， the aforementioned three parameters in wheat season showed no significant differences between the two treatments. Moreover， crop yield of BCNPK during the maize and wheat seasons increased by 6.7% and 13.5%， respectively， in comparison with that of NPK. Yield-scaled global warming potential （yield-scale GWP）， a comprehensive indicator for the environmental and yield efficiency evaluation， of BCNPK exhibited the decreases of 79.4% and 26.4%， respectively， as compared with that of NPK for both maize and wheat seasons. That is to say， under the same level of nitrogen fertilization， biochar application could not only guarantee the crop production in purple soil farmland not to reduce， but also cut down NO emission. Therefore， biochar application in the purple soil farmland is a promising practice for NO emission reduction.

Biochar； Purple soil； NO reduction； Comprehensive greenhouse gas effect

X5

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.007

國家自然科學基金項目（41371302）資助。

*通訊作者（xgwang@imde.ac.cn）

李濤（1990—），男，四川仁壽人，碩士研究生，主要從事土壤碳氮循環(huán)研究。E-mail： 1106700504@qq.com