生物質炭施入對旱作農田土壤溫室氣體排放動態變化的影響

劉先良，鄧 茂，王祥炳，姚 靖，程睿韜，張永江

（重慶市黔江區生態環境監測站，重慶409000）

目前，氣候變暖成為全球關注的一個熱點問題。CO2、CH4和N2O作為最重要的溫室氣體，對溫室效應的貢獻率占了近80%［1］。據不完全統計，黑龍江省秸稈總量達到6.58×107t，占東北地區秸稈產量的50%［2］。近年來，隨著農村能源結構的變化，大量秸稈或閑置或被燒掉，秸稈焚燒成為空氣污染及溫室氣體排放的重要來源之一。生物質炭化技術為解決我國龐大的秸稈資源問題及提高農田碳匯和抑制農業溫室氣體排放，對緩解全球氣候變化具有極為重要的意義［3－4］。

生物質炭是指將生物質原料（農作物秸稈、畜禽糞便等）在限氧或缺氧條件下，經高溫熱裂解所產生的一類具有高度芳香化、含碳豐富、穩定的固態物質［5］。生物質炭特殊的理化性質具有提高固碳減排［6－7］、提高土壤肥力［8］等特性。目前全球學者對于生物質炭的理化性質以及將其作為固碳減排劑的研究相繼展開，但目前的研究大多為模擬試驗或短期的盆栽試驗，針對大田的長期定位試驗較少，因此，本研究通過2年的田間定位試驗，探討研究生物炭施入對農田溫室氣體（CO2和N2O）的動態變化過程，以期為生物質炭作為固碳減排劑及秸稈資源的綜合利用提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于黑龍江省農墾總局紅興隆管理局曙光農場，地理坐標為130°17～130°39′E，46°13′～46°23′N。農場屬寒溫帶大陸性季風氣候，氣候四季分明，冬長夏短。年平均氣溫3.6℃，年平均降水量523.4 mm。

1.2 試驗材料

供試土壤類型為崗地白漿土，土壤基本理化指標見表1。本研究中田間試驗所用的生物炭以玉米秸稈為原料制得，購自南京勤豐秸稈科技有限公司，在500℃左右溫度下經熱裂解制成。試驗用生物炭基本理化性質指標詳見表2。

表1 供試土壤基本理化性質

表2 生物質炭基本理化性質

1.3 試驗設計

本試驗于2015年4月玉米播種前通過旋耕機將生物質炭一次性深翻施入土壤中，深度為20 cm左右，每個小區面積30 m2（5 m×6 m）；生物質炭試驗設4個處理，其中空白對照（CK）0 t／hm2、處理 1（B1）10 t／hm2、處理 2（B2）20 t／hm2、處理3（B3）30 t／hm2，每個處理 3次重復，隨機放置氣體收集箱。2年試驗玉米大田施肥量為：底肥施尿素200 kg／hm2、磷酸 二 銨 150 kg／hm2，硫 酸 鉀 50 kg／hm2，追 肥 施 尿 素120 kg／hm2。2015年、2016年分別于5月6日、5月10日播種，足墑播種，全生育期無人工灌溉，田間管理一致，分別于10月9日、10月6日收獲。

1.4 氣體樣品采集

氣體取樣采用靜態箱法，其裝置主要包括靜態箱及其底座，靜態箱可人工移動，底座被長期預埋田間。靜態箱由5 mm厚的透明有機玻璃制成，規格為30 cm×40 cm×100 cm；箱4面和頂部封閉，底部開口，箱內頂部安裝一個微型風扇，頂部打孔接出風扇電源線，箱體一側設置三通閥采氣孔，用于連通三通閥便于收集氣體。采樣時間為10：00—10：30，田間采樣情況見圖1。將采氣管與箱體連接，用箱內氣體抽洗注射器2～3次，最后停至0刻度。每個取樣點蓋箱后立即計時，在第0、15、30 min分別采集氣樣。在采集氣體時要同時測定當時氣溫、0～10 cm地溫以及采集箱內溫度，同時要采集0～20 cm土壤樣品并測定土壤含水量等數據。

1.5 測定指標及計算方法

土壤和生物炭的基本理化性質參照鮑士旦主編的《土壤農化分析（第三版）》進行測定。

1.5.1 CO2和N2O氣體排放通量計算 測定采用靜態箱法和氣相色譜（GC）法進行測定。采集好的氣體注入氣體收集瓶內帶回實驗室于48 h內進行迅速測定。CO2和N2O排放通量計算公式如下：

式中：F表示 CO2和 CH4排放通量［mg C／（m2·h）］和 N2O排放通量［μg N／（m2·h）］；M表示 CO2－C、和 N2O－N含 C或N的原子量，分別為12 g／mol和28 g／mol；H為采樣箱的有效高度（m），d c／d t為 N2O排放速率［nL／（L·h）］，即每個小區每次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是回歸方程系數，T為采樣時箱內平均氣溫（℃）。

1.5.2 綜合溫室效應（GWP）測定計算 在全球增溫潛勢（GWP）估算中，CO2看做參考氣體，CH4和N2O排放量的增減通過GWP值轉換成CO2等效量，100年時間尺度上CH4和N2O的全球增溫潛勢分別為相當于CO2的25倍和298倍。綜合溫室效應由公式（2）計算：

式中：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／hm2）。因本試驗中未測定CH4氣體排放通量，故未納入公式計算范圍內。

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

式中：GHGI為溫室氣體排放強度（kg CO2／t）；GWP為 CH4和N2O排放的綜合溫室效應（kg CO2／hm2）；Yield為玉米產量（t／hm2）。

1.6 數據處理

數據采用 Office 2007、SPSS 17.0和 Origin Pro 8.0進行處理、統計分析和制作圖表。

2 結果與分析

2.1 生物質炭對農田土壤CO2排放的季節動態影響

在2015年和2016年2年的玉米生長季期間，通過添加不同量的生物質炭，2年間的農田土壤CO2的排放趨勢基本趨于一致。2015年，農田土壤CO2－C的平均排放通量分別為：B1相對較低，為 177.31 mg CO2／（m2·h），B2處理188.44 mg／（m2·h），B3處理 205.27 mg／（m2·h），與對照CK［167.10 mg／（m2·h）］相比，農田土壤 CO2的排放量分別增加6.11%、12.77%、22.84%。其中 B3處理與對照差異達到顯著水平（P＜0.05），其他處理與對照無顯著差異。

從圖3可以看出，2016年農田土壤不同處理間農田土壤CO2的平均排放通量較2015年有所降低，但降低幅度較小，生物質炭添加各處理間與對照CK相比無顯著差異。2016年B1、B2、B3處理與對照 CK相比，分別增加11.66%、16.00%、26.02%。

2.2 生物質炭對農田土壤N2 O排放的季節動態影響

玉米生長季內N2O排放動態變化如圖4、圖5所示。不同處理下，土壤N2O的排放速率隨時間的變化很大，但基本變化趨勢一致，排放峰值分別出現在降水和施肥后。土壤N2O的排放受施肥和降水影響較大，在降水和施肥后土壤N2O的釋放都會增加，且施用生物質炭處理的土壤N2O的排放峰值低于常規施肥（對照）處理。2015年整個玉米生長季，B1、B2、B3處理的 N2O－N平均排放通量分別為553.41、419.81、397.48 μg／（m2· h），與 對 照 CK 處 理［733.49μg／（m2·h）］相比，分別降低了 4.55%、42.77%、45.81%；生物質炭的施入與對照相比顯著降低了N2O的排放，且以B3處理降低幅度最大。

由圖5可以看出，在2016年整個玉米生長季，B1、B2、B3的處理N2O－N平均排放通量分別為 579.03、511.68和44315μg／（m2·h），與對照 CK處理［622.44μg／（m2·h）］相比，分別降低了 6.97%、17.79%、28.80%；同對照相比，生物質炭使土壤N2O排放量顯著降低，但是整體效果較2015年生物質炭處理同期的降低幅度減少。

2.3 生物質炭對農田土壤溫室氣體綜合排放的影響

由表3可以看出，與對照CK處理相比，在生物質炭B1、B2、B3的處理條件下，N2O－N的排放量連續2年顯著降低，2015年和 2016年分別降低了 32.54%、74.71%、84.53%和10.23%、24.74%、44.03%；而 CO2－C排放量連續 2年均有不同程度的上升，2015年提高了 6.11%、12.77%、22.84%，2016年提高了 11.66%、16.00%、26.02%；與對照處理相比，生物質炭B1、B2、B3處理下GWP（100）連續2年顯著降低，2015年分別降低了 19.52%、31.09%、46.53%，2016年分別降低 8.54%、15.58%、41.42%。

由表3可知，與對照CK處理相比，生物質炭B1、B2、B3處理下GHGI連續2年顯著降低，2015年和2016年分別降低了 19.79%、32.12%、48.28%和 9.44%、17.03%、42.88%。添加生物質炭改變了玉米農田生態系統的增溫潛勢和排放強度，在相同施肥條件下，隨著生物質炭添加量的增加，2015年和2016年增溫潛勢和排放強度依次遞減，B3處理的增溫潛勢和排放強度顯著低于CK和B1處理。

3 討論

3.1 生物質炭對農田土壤CO2排放的季節動態影響

影響土壤CO2排放的影響因素較多，如土壤MG度、養分、孔隙度、微生物量、近地表大氣環流的狀況等，同時生物質炭制備的溫度、原料、時間也同樣對土壤CO2排放存在較大影響，這些因素都交互作用于CO2的排放。Spokas等通過研究16種不同生物質炭對土壤溫室氣體排放的影響，發現抑制CO2排放的2種生物質炭是由玉米秸稈在熱裂解溫度分別為400、515℃下制成的［11］，而本試驗所采用的生物質炭是由玉米秸稈粉碎在500℃溫度下熱裂解制成，試驗也獲得了較一致的研究結果。Rogovska認為，添加生物質炭能夠增加土壤的呼吸速率，加快腐殖質的分解速度，從而能夠促進CO2的排放，可能是由于生物質炭能夠加強微生物活性，加速土壤有機質的分解［12］。而何飛飛等研究認為，在紅壤中添加生物質炭，其CO2的排放量與土壤的pH值、陽離子交換量（CEC）及土壤含水量有極顯著相關性，認為pH值、CEC、含水量的提高有利于土壤微生物活性的提高，增加CO2的排放［13］。

表3 生物質炭對土壤CO2排放的總量，增溫潛勢（GWP）和溫室氣體排放強度（GHGI）的影晌

表4 2015和2016年土壤TN、pH值、田間持水量和容重（0～20 cm）

本研究中，生物質炭施入土壤后，土壤pH值和含水量均一定程度上升，土壤容重顯著降低，增加了土壤的透氣性，同時各處理間CO2排放略有浮動，試驗結果得到一致性趨勢。Spokas等研究卻認為是土壤微生物受到生物質炭的毒害作用，降低了微生物的活性使呼吸作用受到了抑制，從而減少了土壤CO2的排放［14］。花莉等向土壤中添加生物質炭，發現加速了土壤中腐殖質的形成，促進了難以被土壤微生物利用的碳水化合物、酯族、芳烴等有機大分子的形成，增加土壤養分，從而減少CO2的排放［15］。分析發現，不同學者所采用的試驗材料、研究方法以及試驗對象存在較大差異，對生物質炭能否真正減少土壤溫室氣體排放，還存在很多爭議。目前主要來自實驗室內優化條件下短期培養數據，缺乏田間長期定位試驗數據，對生物質炭等的添加對土壤CO2排放效應及機理解釋目前并不一致，有待進一步研究。

3.2 生物質炭對農田土壤N2 O排放的季節動態影響

不同的環境因素和農田管理措施（如pH值、土壤溫度、濕度、施肥、耕作等）相互聯系和作用于旱作農田土壤N2O的排放［16］。其他的研究也表明，生物質炭較大的比表面積及較強的吸附能力，能夠增加其對土壤中NH4＋－N和NO3－－N的吸附，土壤中較高的C／N可以抑制土壤礦化N的量［17］，減少N2O產生的基質，減少N2O的排放。試驗添加生物質炭后土壤容重不同程度減小，對試驗結果進一步分析發現，生物質炭的添加降低了N2O排放通量峰值，排放量隨添加量的增加而降低；由表4可以看出，試驗添加生物質炭后土壤容重不同程度減小，增加了土壤孔隙度，而土壤孔隙度影響土壤中氧氣的供給狀況，對N2O的排放過程產生極為重要的影響［18］，本試驗研究效果與之一致。

本試驗供試土壤為弱酸性土壤，試驗添加生物質炭后土壤pH值不同程度地增加，Yanai等研究認為，生物質炭灰分中的堿性物質可以改變土壤的pH值，刺激N2O還原酶的活性，減少N2O排放［19］，本試驗與其研究效果一致。本研究結果表明，不同處理下土壤N2O的排放速率隨時間的變化很大，但基本變化趨勢一致，排放峰值分別出現在降雨和施肥后，且施用生物質炭處理的N2O的排放峰值低于常規施肥對照處理。本研究發現，生物質炭處理對降低N2O排放具有持續性，但是生物質炭B2處理下第一年減排效應優于次年，而B3處理的減排效應具有持續的穩定性。

3.3 生物質炭對農田土壤溫室氣體綜合排放的影響

全球增溫潛勢（global warming potential，GWP）是一個相對輻射強迫指數，玉米農田GWP和GHGI主要由CO2貢獻，隨著時間尺度的延長及大量N肥的持續施用，N2O對旱作春玉米農田綜合溫室效應的貢獻率可能進一步上升，主要是因為N2O在大氣中存活時間較長，并且其全球增溫潛勢也遠高于CO2。本研究結果表明，添加生物質炭對土壤溫室氣體排放具有顯著影響。與對照（CK）處理相比，生物質炭B1、B2、B3處理下GWP（100）和GHGI連續2年顯著降低，添加生物質炭改變了玉米農田生態系統的增溫潛勢和排放強度，在相同施肥條件下，隨著生物質炭施用量的增加，2015年和2016年增溫潛勢和排放強度依次遞減。

分析原因可能有2個主要方面：第一，添加生物質炭改變了較適宜春玉米生長的土壤C／N比；第二，生物質炭中的碳粒子具有較高的陽離子交換量（CEC），所以具有較強吸附能力，提高了對NO3－－N和NH4＋－N養分的吸收，同時也抑制了土壤氮的礦化。施加生物質炭后，由于不同種類土壤在質地、水分含量、通氣狀況、溫度、作物類型等方面的差異，均會造成N2O和CO2排放變化的差異。生物質炭施用對旱作農田溫室氣體排放的影響究竟如何，需要進一步進行長期的田間定位監測，為準確評價生物質炭對旱作農田土壤溫室氣體排放影響積累更加豐富和代表性的數據，同時也為生物質炭還田大面積推廣應用提供一定科學依據。

4 結論

施用生物質炭對土壤溫室氣體、GWP和GHGI均有顯著影響，且2年間具有持續的效應。2015年，農田土壤CO2－C的平均排放通量在B3處理下CO2的排放總量與對照達到顯著差異水平（P＜0.05），其他處理與對照無顯著差異；2016年農田土壤不同處理間農田土壤的CO2平均排放通量較2015年有所降低，但降低幅度較小，生物質炭添加各處理間與對照CK處理相比無顯著差異。連續2年施用生物質炭均顯著降低了土壤N2O排放、GWP和GHGI，且隨著施用量的增加效果愈明顯，但次年對農田土壤CO2的排放沒有顯著性影響。綜合連續2年試驗結果，生物質炭對CO2排放的影響具有年際波動性，而對于降低土壤N2O排放、GWP和GHGI具有持續效應，且高用量生物質炭B3效應在連續2年里具有持續性和穩定性。

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