施用生物炭和秸稈還田對華北農田CO2、N2O排放的影響

劉杏認,張 星,張晴雯,李貴春,張慶忠

中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所 農業部農業環境重點實驗室, 北京 100081

施用生物炭和秸稈還田對華北農田CO2、N2O排放的影響

劉杏認,張 星,張晴雯,李貴春*,張慶忠

中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所 農業部農業環境重點實驗室, 北京 100081

生物炭；秸稈還田；CO2；N2O；綜合增溫潛勢；華北農田

CO2和N2O作為重要的溫室氣體,其排放量不斷增加是引起全球氣候變暖的重要原因[1]。而農業土壤是CO2和N2O的主要排放源,對溫室效應的影響不容忽視[2]。據有關統計表明,農業生產排放的N2O占人類活動排放總量的84%[3],因此如何降低農田溫室氣體的排放量已成為當今人類亟待解決的問題[4]。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗在山東省桓臺縣生態與可持續發展實驗站(117°58′E,36°57′N)開展,該地區海拔17.0 m,屬于暖溫帶大陸性季風氣候,年均日照2832.7 h,日照率62%,年平均氣溫12.4℃,年平均降水量600 mm,主要集中在6—8月,約占全年降水量的75%。作物種植方式為小麥-玉米輪作,土壤類型為砂姜潮濕雛形土,2007年試驗前土壤的基本理化性質見表1。

表1 試驗前土壤的基本理化性質

1.2 試驗材料

供試生物炭選用玉米秸稈,原材料在360℃條件下,經過24 h不完全燃燒制成的黑色粉末,購于遼寧金和福農業開發有限公司,其密度為(0.297 ± 0.05) g/cm3,含碳量為(65.7±1.2)%,含氮量為(0.9±0.02)%,有效鉀含量為(1.6±0.1)%,有效磷含量為(0.08±0.003)%,pH為8.2±0.05。供試小麥品種為濟麥22,玉米品種為鄭單958。

1.3 試驗設計

定位實驗開始于2007年,共4個處理,各處理隨機分布,3次重復,每個小區面積為36 m2(6 m × 6 m)。具體處理為：CK：對照處理,只施化肥；低生物炭處理C1：4.5 t hm-2a-1；高生物炭處理C2：9.0 t hm-2a-1；SR：秸稈全量粉碎還田。所有處理氮、磷、鉀肥平均用量均為：N 200 kg hm-2a-1,P2O552.5 kg hm-2a-1,K2O 37.5 kg hm-2a-1,其中氮肥為尿素,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為硫酸鉀。生物炭一次購買,多年施用。氮磷鉀肥和生物炭的用量平均分配給冬小麥季和夏玉米季,氮肥一半作為基肥,一半作為追肥,磷肥和鉀肥均作為基肥一次施用。

本試驗于2013年10月—2014年9月進行,上季作物收獲后,生物炭和氮磷鉀肥均勻撒施,進行15 cm深度旋耕。秸稈還田采用上一季作物收獲后機械粉碎(長度3—7 cm)全量還田方式,然后隨耕地翻埋。試驗期間田間基本管理措施為,冬小麥于2013年10月8日進行秸稈還田、施肥、旋耕、播種,10月9日灌水,2014年3月28日追肥灌水,6月5日收獲；夏玉米于2014年6月13日進行秸稈還田、施肥、旋耕、播種,6月20日灌水,7月27日追肥灌水,9月30日收獲。

1.4 測定指標與方法

(1)溫室氣體通量 采用靜態暗箱觀測法。2013年10月—2014年9月每周觀測一次,施肥灌水后加密采樣,連續采集3d。采樣箱的規格為43 cm × 43 cm × 50 cm或43 cm × 43 cm × 100 cm,隨小麥和玉米生長高度改變箱體高度,為50 cm或100 cm。采樣箱是由聚碳酸酯板(PC板)加工制成,底座用PVC材料制作,并在其插入土壤部分鉆上密集的圓孔,目的是保證底座內外的肥料與水分可以交換,在各處理小區的中央放置1個底座,在玉米和小麥播種之后埋入田間。為了防止箱內的溫度升高過快,采樣箱外面用錫箔紙包裹,每次采樣前把底座注滿水,防止采樣時底座漏氣。采樣時間為9：00—11：00,前期研究表明,此時間段的排放通量接近日平均排放水平[26]。采樣時把采樣箱扣在底座上,分別在扣箱之后0、10、20 min和30 min,用100 mL注射器抽取60 mL氣體注入氣袋中,帶到實驗室用安捷倫氣相色譜儀(Agilent 7890A)測定氣體樣品中N2O和CO2濃度。N2O檢測器為ECD(電子捕獲檢測器),CO2檢測器為 FID(氫火焰離子檢測器)。每次采集氣體樣品的同時,同步記錄采樣箱內溫度、大氣溫度、5 cm和10 cm 土層溫度,地溫采用便攜式溫度測量儀測定(JM624,北京今人儀器有限公司,北京)。CO2和N2O的排放通量計算公式如下：

F=ρ×V/A× dC/dt× 273 /(273 +T)

式中,F為CO2和N2O排放通量(mg m-2h-1或μg m-2h-1)；ρ為標準狀態下CO2或N2O的密度(0.5 g/L和1.25 g/L)；V為采樣箱體積(m3)；A為采樣箱底座內的土壤表面積(m2)；dC/dt為CO2或N2O的排放速率(mg/h或μg/h)；T為采樣過程中靜態箱內的平均溫度(℃)。

綜合增溫潛勢GWP：在100 a時間尺度的氣候變化上,設CO2的GWP為1,則N2O氣體的GWP為298[26]。計算公式為：

GWP =RCO2+RN2O× 298,式中RCO2和RN2O分別表示CO2和N2O累積排放量(kg/hm),GWP單位為CO2-eq kg/hm2。

氣體樣品采集完畢之后,用土鉆采集底座框內的0—10 cm土壤樣品,用來測定土壤礦質氮、土壤pH以及土壤含水量。

(3)土壤pH值 用pH計(PHS- 2F,上海儀電科學儀器股份有限公司,中國)測定。將過2 mm篩的新鮮土壤樣品風干,然后稱取10 g土樣置于50 mL燒杯中,加入25 mL水。將容器密封后,用攪拌器攪拌5 min,然后靜置1 h,用pH計測定。

(4)土壤含水量 用烘干法進行測定[29]。稱取10—20 g過2 mm篩的新鮮土壤樣品,將其裝入已知準確質量的烘干鋁盒內,在分析天平上稱重,精確至0.01 g。再將樣品放在烘箱中在105℃下烘烤24 h,取出冷卻至室溫,立即稱重。

1.5 數據分析

氣體通量平均值作為日均值,采用線性內插法,通過Matlab 7 計算氣體的累積排放量。利用SPSS 20.0軟件的One-way ANOVA比較處理間土壤各指標和氣體通量的差異顯著性,Person相關系數分析氣體排放通量與影響因素間的相關性。圖表采用Microsoft Office Excel 2010繪制,顯著性水平選擇P< 0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤溫度、土壤水分、土壤pH和無機氮的動態變化

圖1 不同處理土壤溫度和土壤水分的變化Fig.1 Variation of soil temperature and soil water content under different treatments圖中數據為平均值±標準誤, 虛線用來區分小麥和玉米的生長季,箭頭表示施肥灌水;CK：對照；C1：低量生物炭處理(4.5 t hm-2 a-1)；C2：高量生物炭處理(9.0 t hm-2 a-1)；SR：秸稈還田處理

由圖1可見,整個輪作周期內,各處理土壤溫度的變化趨勢基本一致,各處理之間無顯著差異,且小麥季低于玉米季。各處理土壤水分的變化趨勢也基本一致,且小麥季低于玉米季。小麥季大部分時間段,與CK相比,C1處理對土壤水分影響較小,C2和SR處理的土壤水分顯著高于CK處理(P< 0.05),分別提高了3.2%—13.4%和5.2%—33.3%,C2和SR處理之間無明顯差異。在玉米季,各處理之間土壤水分無明顯差異。

由圖2可見,施用生物炭和秸稈還田對土壤pH產生了一定的影響。不同處理土壤pH值變化規律相似。在小麥季,與CK相比,生物炭和秸稈還田處理的土壤pH值顯著增加(P< 0.05),C1、C2和SR處理分別比CK提高了0.02—0.28、0.04—0.55和0.05—0.36個單位。在玉米季,與CK相比,C1處理對土壤pH值影響較小；而C2和SR處理的土壤pH值分別增加了0.06—0.25個單位(P< 0.05),且C2和SR處理之間無顯著差異。

圖2 不同處理土壤pH的變化Fig.2 Variation of soil pH under different treatments

圖3 不同處理土壤硝態氮和銨態氮的變化Fig.3 Variation of soil N-N and N-N under different treatments

2.2施用生物炭和秸稈還田對CO2通量的影響

由圖4可見,小麥季內各處理CO2排放通量高峰主要集中在2013年10月10日、2014年4月6日和5月18日,其中2014年4月6日各處理CO2排放通量最高,4個處理的排放通量分別達到了1029.8、1026.5、1123.6 mg m-2h-1和1031.3 mg m-2h-1。與CK相比,C2處理的CO2排放通量顯著增加(P< 0.05),而C1和SR處理與CK無顯著差異,且C1處理的CO2排放通量與SR處理比較也未達到顯著性水平(P> 0.05)。在2013年10月10日播種后第1次觀測時,各處理CO2排放通量出現第1個高峰,10月19日驟然下降,之后至2014年3月8日期間,各處理CO2排放通量的動態變化趨于平緩。3月15日之后,CK、C1、C2和SR處理的CO2排放通量均逐漸上升,直到4月6日達到第2個高峰,之后又呈現出下降趨勢,在2014年5月18日又出現第3個高峰。與小麥季相比,玉米季各處理CO2排放通量較高,且表現為多波峰交錯波動的動態變化趨勢。在2014年7月28日,C2處理CO2排放通量最高,達1553.8 mg m-2h-1,比CK(938.5 mg m-2h-1)顯著高出近1.7倍,C1處理(1521.5 mg m-2h-1)和SR處理(1479.2 mg m-2h-1)均比CK高1.6倍,各處理與CK相比均達到顯著性水平(P< 0.05)。總體上看,2013年10月10日—2014年10月10日期間,各處理CO2排放通量隨時間的變化趨勢基本一致。在整個輪作周期內,CO2排放通量隨著生物炭施用量的增加而顯著增加,C1、C2處理的CO2排放通量較CK分別提高了0.3%—90.3%和1.0%—334.2%(P< 0.05),且C2處理的CO2排放通量最高,顯著高于其它處理(P< 0.05)。SR處理的CO2排放通量顯著高于C1處理(P< 0.05)。

圖4 不同處理CO2排放通量的變化Fig.4 Variation of CO2 flux under different treatments

2.3施用生物炭和秸稈還田對N2O通量的影響

由圖5可見,小麥播種后,各處理N2O排放通量均在2013年10月10日最高,分別為275.6、288.3、105.2μg m-2h-1和186.6 μg m-2h-1,C2、SR處理N2O排放通量顯著低于CK(P< 0.05),而C1處理與CK相比則沒有顯著差異,C1處理顯著高于SR處理(P< 0.05)。2013年10月19日各處理N2O排放通量急劇回落,之后到2014年3月22日期間波動較小,幾乎趨于“一條直線”。2014年3月28日追肥灌水之后,各處理N2O排放通量驟然上升,3月29日出現峰值,之后逐漸回落至小麥收獲期。玉米季各處理N2O排放通量均呈現較為明顯的“雙峰型”,兩個峰值分別出現在2014年7月28日和2014年9月18日,其中在2014年6月21日,CK、C1、C2和SR處理N2O排放通量達到最大值,C1,C2處理N2O排放通量與CK相比無顯著差異,SR處理N2O排放通量與CK相比,前者高出后者51.3%(P< 0.05),且SR處理的N2O排放通量高于C1處理(P< 0.05)。整體看來,無論是小麥季還是玉米季,各處理N2O排放通量的動態變化趨勢幾乎一致,且小麥季N2O排放通量低于玉米季。在整個輪作周期內,C2處理顯著降低了N2O排放通量(P< 0.05),而C1和SR處理的N2O排放通量與CK相比無顯著差異,且SR處理與C1處理相比也未達到差異顯著性水平。

圖5 不同處理N2O排放通量的變化Fig.5 Variation of N2O flux under different treatments

2.4CO2、N2O累積排放量及其綜合增溫潛勢

由表2可知,施用高量生物炭(C2)和秸稈還田處理(SR)均顯著增加了CO2累積排放量(P< 0.05),增幅分別為42.9%和15.0%,而添加低量生物炭(C1)對CO2累積排放量的影響不顯著(P> 0.05)。僅C2處理顯著降低了N2O累積排放量(P< 0.05),降幅達18.3%,而C1和SR處理對N2O累積排放量均無顯著影響(P> 0.05)。從表2各處理在100 a 時間尺度上的綜合增溫潛勢顯示的結果可知,添加高量生物炭(C2)顯著增加了CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢(P< 0.05),增幅為40%,而施用低量生物炭(C1)和秸稈還田(SR)均與CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢之間不存在顯著性(P> 0.05)。

表2 CO2、N2O累積排放量和綜合增溫潛勢

不同小寫字母表示不同處理間的差異具有顯著性(P< 0.05); CK：對照control；C1: 低量生物炭處理low biochar treatment (4.5 t hm-2a-1)；C2: 高量生物炭處理high biochar treatment (9.0 t hm-2a-1)；SR: 秸稈還田處理straw return treatment

2.5CO2、N2O通量與土壤溫度、土壤水分、土壤pH和礦質氮的關系

表3 CO2排放通量與土壤溫度、土壤水分、土壤pH和礦質氮的相關性

*表示在0.05顯著性水平下顯著相關,**表示在0.01顯著性水平下相關

表4 N2O排放通量與土壤溫度、土壤水分、土壤pH和礦質氮的相關性

*表示在0.05顯著性水平下顯著相關,**表示在0.01顯著性水平下相關

3 討論與結論

3.1 討論

本研究結果表明,施用生物炭可顯著增加CO2排放通量,且隨著生物炭施用量的增加,CO2排放通量也在增加,這一方面是因為向土壤中施入生物炭后,生物炭中不穩定性碳組分的微生物的降解作用會增加土壤的表觀呼吸速率[30-36],即生物炭的“正激發效應”。另一方面,生物炭能改善土壤的透氣性,提高土壤微生物量和酶活性等[37- 39],從而加速原土有機碳進行分解,增加了CO2排放。本研究結果顯示,施用高量生物炭顯著促進了CO2累積排放量,也更加說明生物炭的添加促使土壤中可利用性碳、氮基質數量的增加,進而激發了土壤微生物的活性,導致CO2排放量增加[40]。秸稈還田處理顯著增加了CO2累積排放量,與裴淑瑋等[41]研究結果一致,可能是由于秸稈投入農田后,可以改善土壤的理化性質,為微生物活動提供物質、能源以及適宜的條件,從而加速土壤微生物呼吸釋放CO2[42-43]。另外,土壤溫度、土壤水分和土壤pH等環境因子都會直接或間接的影響CO2的排放。本研究表明,CO2排放通量與土壤溫度、土壤含水量呈極顯著正相關關系,說明土壤溫度和土壤含水量是影響CO2排放通量的主要因素,其原因是夏季高溫多雨,較高的土壤溫度和土壤水分對應著較高的土壤呼吸,生物炭能夠通過增加土壤含水量提高土壤中的微生物活性,進而有利于土壤微生物呼吸與繁殖,達到增強土壤呼吸強度和CO2排放作用[35]。所以在小麥-玉米輪作期間,玉米季各處理CO2累積排放通量高于小麥季,而且各處理CO2排放通量高峰均出現在播種后和追肥灌水后。

增溫潛勢常用來表示相同質量的不同溫室氣體對溫室效應增加的相對輻射效應[60]。本試驗中,施用高量生物炭增加了CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢,且施用低量生物炭和秸稈還田對CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢均沒有顯著影響,與Zhang等[14]在太湖地區的研究結果不一致,其原因可能是兩個試驗區的水分管理措施和氣候條件有所差異造成的,同時也表明,在高量生物炭處理下的農田生態系統向大氣中輸入的碳量大于其截存的碳量,對環境是不利的,而施用低量生物炭和秸稈還田相對來說,對環境效應而言為好。

3.2 結論

(1)整個輪作周期內,各處理CO2和N2O排放通量隨時間的變化趨勢基本一致,小麥季CO2排放通量低于玉米季。施用生物炭和秸稈還田均可顯著增加CO2排放通量,且隨著施炭量的增加,CO2通量顯著增加。施用高量生物炭顯著降低了N2O排放通量,而施用低量生物炭和秸稈還田對N2O排放通量無顯著影響。

(2)施用高量生物炭顯著增加了CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢,施用低量生物炭和秸稈還田對CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢均沒有顯著影響。

[1] IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.

[2] IPCC. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[3] Smith P, Martino D, Cai Z C, Gwary D, Janzen H, Kumar P, McCarl B, Ogle S, O′Mara F, Rice C, Scholes B, Sirotenko O, Howden M, McAllister T, Pan G, Romanenkov V, Schneider U, Towprayoon S, Wattenbach M, Smith J. Greenhouse gas mitigation in agriculture. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2008, 363(1492): 789- 813.

[4] Lockwood J G, Gregory S, Scorer R S. Climate change: the IPCC scientific assessment. Report prepared by working group I, J. T. Houghton, G. J. Jenkins and J. J. Ephraums (eds), 1990. No. of pages: 365 + xxxix. Intergovernmental Panel on Climate Change. Available from Cambridge University Press. International Journal of Climatology, 2007, 11(4): 457- 458.

[5] Marris E. Putting the carbon back: black is the new green. Nature, 2006, 442(7103): 624- 626.

[6] Brennan L, Owen de P. Biofuels from microalgae—a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(2): 557- 577.

[7] Ding Y, Liu Y X, Wu W X, Shi D Z, Yang M, Zhong Z K. Evaluation of biochar effects on nitrogen retention and leaching in multi-layered soil columns. Water, Air, & Soil Pollution, 2010, 213(1): 47- 55.

[8] 羅煜, 趙小蓉, 李貴桐, 趙立欣, 孟海波, 林啟美. 生物質炭對不同pH值土壤礦質氮含量的影響. 農業工程學報, 2014, 30(19): 166- 173.

[9] Van Zwieten L, Kimber S, Morris S, Chan K Y, Downie A, Rust J, Joseph S, Cowie A. Effects of biochar from slow pyrolysis of paper mill waste on agronomic performance and soil fertility. Plant and Soil, 2010, 327(1/2): 235- 246.

[10] Asai H, Samson B K, Stephan H M, Songyikhangsuthor K, Homma K, Kiyonoe Y, Inouef Y, Shiraiwaa T, Horie T. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos: 1. Soil physical properties, leaf SPAD and grain yield. Field Crops Research, 2009, 111(1/2): 81- 84.

[11] Zimmerman A R, Gao B, Ahn M Y. Positive and negative carbon mineralization priming effects among a variety of biochar-amended soils. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(6): 1169- 1179.

[12] Cayuela M L, Van Zwieten L, Singh B P, Jeffery S, Roig A, Sánchez-Monedero M A. Biochar′s role in mitigating soil nitrous oxide emissions: a review and meta-analysis. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2014, 191: 5- 16.

[13] Cheng Y, Cai Z C, Chang S X, Wang J, Zhang J B. Wheat straw and its biochar have contrasting effects on inorganic N retention and N2O production in a cultivated Black Chernozem. Biology and Fertility of Soils, 2012, 48(8): 941- 946.

[14] Zhang A F, Bian R J, Pan G X, Cui L Q, Hussain Q, Li L Q, Zheng J W, Zheng J F, Zhang X H, Han X J, Yu X Y. Effects of biochar amendment on soil quality, crop yield and greenhouse gas emission in a Chinese rice paddy: a field study of 2 consecutive rice growing cycles. Field Crops Research, 2012, 127: 153- 160.

[15] Troy S M, Lawlor P G, O′Flynn C J, Healy M G. Impact of biochar addition to soil on greenhouse gas emissions following pig manure application. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 60: 173- 181.

[16] Saarnio S, Heimonen K, Kettunen R. Biochar addition indirectly affects N2O emissions via soil moisture and plant N uptake. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 58: 99- 106.

[17] 成功, 張阿鳳, 王旭東, 張衛華, 杜可清. 運用“碳足跡”的方法評估小麥秸稈及其生物質炭添加對農田生態系統凈碳匯的影響. 農業環境科學學報, 2016, 35(3): 604- 612.

[18] 李貴桐, 趙紫娟, 黃元仿, 李保國. 秸稈還田對土壤氮素轉化的影響. 植物營養與肥料學報, 2002, 8(2): 162- 167.

[19] 李瑋, 喬玉強, 陳歡, 曹承富, 杜世州, 趙竹. 秸稈還田和施肥對砂姜黑土理化性質及小麥-玉米產量的影響. 生態學報, 2014, 34(17): 5052- 5061.

[20] 潘鳳娥, 胡俊鵬, 索龍, 王小淇, 季雅嵐, 孟磊. 添加玉米秸稈及其生物質炭對磚紅壤N2O排放的影響. 農業環境科學學報, 2016, 35(2): 396- 402.

[21] 秦越, 李彬彬, 武蘭芳. 不同耕作措施下秸稈還田土壤CO2排放與溶解性有機碳的動態變化及其關系. 農業環境科學學報, 2014, 33(7): 1442- 1449.

[22] Naser H M, Nagata O, Tamura S, Hatano R. Methane emissions from five paddy fields with different amounts of rice straw application in central Hokkaido, Japan. Soil Science and Plant Nutrition, 2007, 53(1): 95- 101.

[23] 王改玲, 郝明德, 陳德立. 硝化抑制劑和通氣調節對土壤N2O排放的影響. 植物營養與肥料學報, 2006, 12(1): 32- 36.

[24] Ma J, Li X L, Xu H, Han Y, Cai Z C, Yagi K. Effects of nitrogen fertiliser and wheat straw application on CH4and N2O emissions from a paddy rice field. Australian Journal of Soil Research, 2007, 45(5): 359- 367.

[25] Shan J, Yan X Y. Effects of crop residue returning on nitrous oxide emissions in agricultural soils. Atmospheric Environment, 2013, 71: 170- 175.

[26] Lu N, Liu X R, Du Z L, Wang Y D, Zhang Q Z. Effect of biochar on soil respiration in the maize growing season after 5 years of consecutive application. Soil Research, 2014, 52(5): 505- 512.

[27] 李立平, 張佳寶, 邢維芹, 繆恒彬, 謝慶豐. CaCl2和SrCl2提取土壤氮鉀的比較. 土壤通報, 2007, 38(5): 984- 988.

[28] 朱強, 馬麗, 馬強, 李麗, 陳寶成, 劉之廣, 張民. 不同浸提劑以及保存方法對土壤礦質氮測定的影響. 中國生態農業學報, 2012, 20(2): 138- 143.

[29] 鮑士旦. 土壤與農化分析. 北京: 中國農業出版社, 2000: 20-50.

[30] Rutigliano F A, Romano M, Marzaiolia R, Baglivoa I, Barontib S, Miglietta F, Castaldi S. Effect of biochar addition on soil microbial community in a wheat crop. European Journal of Soil Biology, 2014, 60: 9- 15.

[31] Lu W W, Ding W X, Zhang J H, Li Y, Luo J F, Bolan N, Xie Z B. Biochar suppressed the decomposition of organic carbon in a cultivated sandy loam soil: a negative priming effect. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 76: 12- 21.

[32] Cross A, Sohi S P. The priming potential of biochar products in relation to labile carbon contents and soil organic matter status. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(10): 2127- 2134.

[33] Zavalloni C, Alberti G, Biasiol S, Vedove G D, Fornasier F, Liu J, Peressotti A. Microbial mineralization of biochar and wheat straw mixture in soil: a short-term study. Applied Soil Ecology, 2011, 50: 45- 51.

[34] Luo Y, Durenkamp M, De Nobili M, Lin Q, Brookes P C. Short term soil priming effects and the mineralisation of biochar following its incorporation to soils of different pH. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(11): 2304- 2314.

[35] 何飛飛, 榮湘民, 梁運姍, 吳愛平, 劉強. 生物炭對紅壤菜田土理化性質和N2O、CO2排放的影響. 農業環境科學學報, 2013, 32(9): 1893- 1900.

[36] Smith J L, Collins H P, Bailey V L. The effect of young biochar on soil respiration. Soil Biology and Biochemistry, 2010, 42(12): 2345- 2347.

[37] Keiluweit M, Nico P S, Johnson M G, Kleber M. Dynamic molecular structure of plant biomass-derived black carbon (biochar). Environmental Science & Technology, 2010, 44(4): 1247- 1253.

[38] 王娟, 張麗君, 姚槐應. 添加秸稈和黑炭對水稻土碳氮轉化及土壤微生物代謝圖譜的影響. 中國水稻科學, 2013, 27(1): 97- 104.

[39] 張星, 劉杏認, 張晴雯, 張慶忠, 任建強. 生物炭和秸稈還田對華北農田玉米生育期土壤微生物量的影響. 農業環境科學學報, 2015, 34(10): 1943- 1950.

[40] 劉嬌, 袁瑞娜, 趙英, 張阿鳳. 玉米秸稈及其黑炭添加對黃綿土CO2和N2O排放的影響. 農業環境科學學報, 2014, 33(8): 1659- 1668.

[41] 裴淑瑋, 張圓圓, 劉俊鋒, 牟玉靜, 倫小秀. 施肥及秸稈還田處理下玉米季溫室氣體的排放. 環境化學, 2012, 31(4): 407- 414.

[42] Manna M C, Swarup A, Wanjari R H, Singh Y V, Ghosh P K, Singh K N, Tripathi A K, Saha M N. Soil organic matter in a West Bengal inceptisol after 30 years of multiple cropping and fertilization. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70(1): 121- 129.

[43] 李新華, 朱振林, 董紅云, 楊麗萍, 郭洪海. 秸稈不同還田模式對玉米田溫室氣體排放和碳固定的影響. 農業環境科學學報, 2015, 34(11): 2228- 2235.

[44] Zhang A F, Liu Y M, Pan G X, Hussain Q, Li L Q, Zheng J W, Zhang X H. Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain. Plant and Soil, 2012, 351(1/2): 263- 275.

[45] Waters D, Van Zwieten L, Singh B P, Downie A, Cowie A L, Lehmann J. Biochar in Soil for Climate Change Mitigation and Adaptation. Berlin Heidelberg: Springer, 2011: 345- 368.

[46] Ameloot N, De Neve S, Jegajeevagan K, Yildiz G, Buchan D, Funkuin Y N, Prins W, Bouckaert L, Sleutel S. Short-term CO2and N2O emissions and microbial properties of biochar amended sandy loam soils. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 57: 401- 410.

[47] Zhang A F, Cui L Q, Pan G X, Li L Q, Hussain Q, Zhang X H, Zheng J W, Crowley D. Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain, China. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2010, 139(4): 469- 475.

[48] Wang J Y, Pan X J, Liu Y L, Zhang X L, Xiong Z Q. Effects of biochar amendment in two soils on greenhouse gas emissions and crop production. Plant and Soil, 2012, 360(1/2): 287- 298.

[49] Cornelissen G, Rutherford D W, Arp H P H, D?rsch P, Kelly C N, Rostad C E. Sorption of pure N2O to biochars and other organic and inorganic materials under anhydrous conditions. Environmental Science & Technology, 2013, 47(14): 7704- 7712.

[50] Liu Y X, Yang M, Wu Y M, Wang H L, Chen Y X, Wu W X. Reducing CH4and CO2emissions from waterlogged paddy soil with biochar. Journal of Soils and Sediments, 2011, 11(6): 930- 939.

[51] 李露, 周自強, 潘曉健, 李博, 熊正琴. 氮肥與生物炭施用對稻麥輪作系統甲烷和氧化亞氮排放的影響. 植物營養與肥料學報, 2015, 21(5): 1095- 1103.

[52] 封克, 王子波, 王小治, 張素玲, 汪曉麗. 土壤pH對硝酸根還原過程中N2O產生的影響. 土壤學報, 2004, 41(1): 81- 86.

[53] 劉玉學, 王耀鋒, 呂豪豪, 陳義, 唐旭, 吳春艷, 鐘哲科, 楊生茂. 生物質炭化還田對稻田溫室氣體排放及土壤理化性質的影響. 應用生態學報, 2013, 24(8): 2166- 2172.

[54] Case S D C, Mcnamara N P, Reay D S, Whitaker J. The effect of biochar addition on N2O and CO2emissions from a sandy loam soil—the role of soil aeration. Soil Biology and Biochemistry, 2012, 51: 125- 134.

[55] 張玉銘, 胡春勝, 張佳寶, 董文旭, 王玉英, 宋利娜. 農田土壤主要溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的源/匯強度及其溫室效應研究進展. 中國生態農業學報, 2011, 19(4): 966- 975.

[56] 花莉, 唐志剛, 解井坤, 范洋. 生物質炭對農田溫室氣體排放的作用效應及其影響因素探討. 生態環境學報, 2013, 22(6): 1068- 1073.

[57] 宋利娜, 張玉銘, 胡春勝, 張喜英, 董文旭, 王玉英, 秦樹平. 華北平原高產農區冬小麥農田土壤溫室氣體排放及其綜合溫室效應. 中國生態農業學報, 2013, 21(3): 297- 307.

[58] 郎漫, 李平, 張小川. 土地利用方式和培養溫度對土壤氮轉化及溫室氣體排放的影響. 應用生態學報, 2012, 23(10): 2670- 2676.

[59] 朱永官, 王曉輝, 楊小茹, 徐會娟, 賈炎. 農田土壤N2O產生的關鍵微生物過程及減排措施. 環境科學, 2014, 35(2): 792- 800.

[60] 郭樹芳, 齊玉春, 羅小玲, 劉長勇, 彭琴, 閆鐘清, 董云社. 滴灌對干旱區春小麥田土壤CO2、N2O排放及綜合增溫潛勢的影響. 農業環境科學學報, 2016, 35(4): 792- 800.

EffectsofbiocharandstrawreturnonCO2andN2OemissionsfromfarmlandintheNorthChinaPlain

LIU Xingren, ZHANG Xing, ZHANG Qingwen, LI Guichun*, ZHANG Qingzhong

KeyLaboratoryofAgriculturalEnvironment,MinistryofAgricultureP.R.China,InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China

biochar; straw return; CO2; N2O; global warming potential (GWP); the North China Plain

國家自然科學基金項目(31300375); 國家水體污染控制與治理科技重大專項(2015ZX07203-007); 中央公益型科研院所基本科研業務費專項(BSRF201505)

2016- 07- 28; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 06- 01

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liuxr1976@126.com

10.5846/stxb201607281546

劉杏認,張星,張晴雯,李貴春,張慶忠.施用生物炭和秸稈還田對華北農田CO2、N2O排放的影響.生態學報,2017,37(20):6700- 6711.

Liu X R, Zhang X, Zhang Q W, Li G C, Zhang Q Z.Effects of biochar and straw return on CO2and N2O emissions from farmland in the North China Plain.Acta Ecologica Sinica,2017,37(20):6700- 6711.