施用生物炭對農田土壤N2O的減排效應

趙光昕，劉杏認，張晴雯，田秀平

（1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2.天津農學院農學與資源環境學院，天津 300384）

隨著人類社會發展，溫室氣體大量排放引發了一系列的氣候問題，如全球變暖、臭氧層破壞等。IPCC第五次報告指出，人為造成的溫室氣體排放對全球氣候的影響無可置疑，自人類工業化以來全球氣溫平均升高了0.85℃（0.65～1.06℃），并且還在持續上升[1]。N2O是除CO2和CH4外的第三大溫室氣體，不同的是N2O在大氣層中的駐留時間長達114年，其百年增溫潛勢是CO2的298倍，對全球變暖的貢獻率達到了8%，并表現出累積增長的趨勢，而且N2O在大氣平流層中與臭氧發生光化學反應，對臭氧層造成了破壞[2]。據估算，大氣中70%以上的N2O排放均來自于土壤生態系統[3]，我國是世界上氮肥施用最多的國家之一，年均需求量占世界化肥消費量的1/3以上，氮肥不合理施用現象非常普遍，平均施氮300 kg·hm-2，遠高于世界平均水平[4]，并且肥料利用率低，具有環境污染等風險。研究表明[5]，農業活動產生的N2O排放是人類活動N2O排放的主要來源，占人類活動N2O排放量的84%，占全球N2O排放量的39%～52%[6]。近年來，伴隨我國糧食產量的不斷提高，為追求高產，農民采用了更高的氮肥投入，大量的氮素為土壤硝化和反硝化作用提供了充足的底物，對農田N2O排放產生巨大影響。中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報顯示，在我國，農田施用氮肥造成的N2O排放占全年總排放量的52.9%[7]。因此，采取適當的減排措施，在未來幾十年減緩全球溫室氣體的排放有著相當大的潛力。

生物炭是一種由生物質材料（主要包括作物秸稈、木屑等）炭化形成的碳含量豐富、孔隙多、比表面積大、離子交換能力強、理化性質穩定的粉末狀有機物質[8-9]。用農田廢棄物秸稈等制備生物炭不僅減少了燃燒秸稈帶來的生態污染，還使生物炭成為一種可大面積推廣的有前景的固氮減排技術。近年來生物炭的研究受到廣泛關注，其在改良土壤質地、提高作物養分利用率及土壤氮素轉化方面均有積極作用[10-12]。目前已有大量研究表明[13-16]，農田施用生物炭后，生物炭顆粒能夠根據自身特性與土壤顆粒互相作用從而影響土壤的基本理化性質，如提高土壤全碳、全氮含量和土壤pH值。農田土壤N2O的產生主要由硝化和反硝化作用的兩個主要微生物過程決定，施用生物炭能夠降低土壤中銨態氮和硝態氮含量，對硝化反硝化作用進行限速，從而影響N2O的排放[17]。生物炭還通過調節土壤的理化性質從而改變土壤微生物的生存環境，通過影響微生物間接影響土壤中氮素的吸收釋放等[18]。多數研究表明農田土壤施用生物炭減少了N2O排放[19-22]，另有部分研究表明生物炭對N2O排放無影響[23-24]，可能原因是不同的土壤環境條件如土壤類型、水分條件及土壤溫度等不同，生物炭制備材料與熱解溫度和施用量的不同也得出了不同的研究結果。

目前，施用生物炭對溫室氣體的減排效應研究多集中在對生物炭的不同類型、試驗地不同土壤條件等方面的研究[25-27]，而缺乏對于生物炭的減排潛力的完整評價，限制了生物炭的廣泛應用。IPCC將N2O排放系數定義為氮肥施入土壤后N2O累積排放量與施氮量之比，用百分數表示[1]，N2O排放系數能更好地評估所施入氮的N2O排放比例，有助于揭示生物炭的減排規律。本研究選擇華北地區農田土壤作為研究對象，遵循當地常規的夏玉米的生長周期同步進行盆栽實驗，利用靜態暗箱法對夏玉米季等量生物炭對不同施氮量的減排效應進行了系統量化研究，為生物炭的固氮減排和降低環境污染的潛力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗時間、地點

實驗于2015年6月16日至9月25日進行，實驗采用的土壤取自山東省淄博市桓臺縣華北集約農業生態試驗站0～20 cm土壤，土壤類型為砂姜潮濕雛形土，pH值為7.62，有機質含量為10.8 g·kg-1，全氮含量為0.7 g·kg-1，堿解氮含量為48.0 mg·kg-1，速效磷含量為11.5 mg·kg-1，速效鉀含量為210.1 mg·kg-1。

1.2 生物炭的基本性質

生物炭購于遼寧金和福農業開發有限公司，該生物炭為玉米秸稈在360℃厭氧條件下裂解24 h得到的黑色粉末，生物炭密度為0.297 g·cm-3，pH值為8.2，含碳量為65.7%，含氮量為0.9%，有效磷含量為0.08%，有效鉀含量為1.6%。

1.3 實驗設計

本實驗共設4個處理，每個處理3次重復，具體施肥處理見表1，其中N1處理尿素用量折合為每盆1.94 g，N2處理尿素用量為每盆3.88 g，N3處理尿素用量為每盆5.82 g，各處理均施用過磷酸鈣1.76 g，硫酸鉀0.4 g。每盆裝土10 kg，生物炭用量為1.5 kg。本課題組前期研究表明生物炭用量為15%（與土壤質量比）時，減排效果最佳[28]。氮肥梯度設置參考華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系，年施氮量約為550～600 kg·hm-2[29]。實驗開始于6月16日，將取自田間的土壤過篩，將稱好的土壤與生物炭和肥料混勻后裝盆，每盆留苗3株，供試玉米品種為鄭單958，放置于田間進行野外培養，盡量與田間條件保持一致。培養過程中，于7月8日灌水一次，每盆灌水2 L。

表1 不同施肥處理Table 1 Treatments of different N application levels

1.4 氣體樣品的采集和測定

氣體樣品的采集采用靜態暗箱法。盆缽由不銹鋼板制作而成，內圓直徑為20 cm,盆缽上口有1.5 cm深的凹型槽，用于采樣時注水密封，盆缽底部有若干直徑為2 cm的小孔以滲漏降水。為使盆缽土壤溫度與大田溫度一致并減小盆缽間的溫度差異，盆缽的4/5高度埋入土壤。采集氣體時將圓筒型采樣箱套在盆缽凹型槽內，將水注入凹槽加以密封。相應的采樣箱為圓筒型，高50 cm，箱體直徑與盆缽凹槽直徑一致。箱體外側包有一層海綿，然后覆蓋一層鋁箔以減小采樣時因太陽輻射所引起的箱內溫度變化。氣樣用帶有三通閥開關的塑料針筒采集，各盆缽每次采樣3個，采樣時間為上午9：00—11：00，分別于罩箱后0、10、20 min采集，樣品量為50 mL。采用安捷倫氣相色譜儀（Agilent 7890A）測定N2O氣體濃度，電子捕獲檢測器（ECD）檢測N2O濃度。2015年6月18日第一次采集氣體樣品，以后每隔5～7 d采樣一次，直到9月25日實驗結束。

1.5 土壤樣品的采集和測定

在采集氣體樣品的同時，采集少量土壤樣品，一部分4℃下保存用于測定土壤微生物量氮（MBN），土壤礦質氮和土壤水分，一部分室溫下風干用于測定土壤pH。土壤MBN采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法，首先稱取2份10 g的鮮土置于培養箱中25℃培養10 d，培養過程中將密閉容器內的土壤樣品調節到40%左右的田間持水量，并在其中放置裝有NaOH溶液的小燒杯，用于吸收土壤培養過程中釋放的CO2。培養結束后，取出各處理中一份土壤用氯仿進行熏蒸，另外一份土壤不進行熏蒸作為對照，避光放置24 h后用0.5 mol·L-1K2SO4振蕩0.5 h后過濾（土水比=1∶4）放入離心管中，提取液先過濾膜再使用 multi N/C 2100/2100STOC分析儀（Jena，德國）測定；土壤礦質氮采用CaCl2浸提-AA3流動分析儀測定；土壤含水量采用烘干法進行測定；土壤pH值用pH計測定。

1.6 數據處理與分析

N2O排放通量的計算公式見式（1）：

式中：F為N2O排放通量，μg·m-2·h-1；ρ為標準狀態下N2O氣體密度，為1.977 g·L-1；h為箱高，m為采樣箱內N2O濃度變化率，μg·h-1；θ為采樣箱內的平均溫度，℃。

N2O累積排放量的計算公式見式（2）：

式中：M為土壤N2O累積排放量，μg·m-2；F為N2O排放通量，μg·m-2·h-1；i為采樣次數；ti+1-ti為采樣間隔時間，d。

N2O排放系數的計算公式見式（3）：

式中：FN和FCK分別為施用氮肥和不施氮肥的N2O累積排放量，kg·hm-2；N為氮肥施用量，kg·hm-2。

土壤孔隙含水量（WFPS）計算公式見式（4）：

式中：Wg為土壤質量含水率，BD為土壤容重，并假定土壤密度為 2.65 g·cm-3。

土壤MBN計算公式見式（5）：

式中：N熏蒸和N未熏蒸分別表示熏蒸土壤和未經熏蒸土壤的浸提液中全氮的濃度，μg·g-1；KE為轉換系數，均取值0.45；MBN為每單位干土所含微生物量氮的量，μg·g-1。

利用Microsoft Office Excel 2016進行數據整理，在Origin 8.5中進行繪圖。利用SPSS 22.0進行數據分析，采用單因素方差分析和LSD法比較不同處理間的差異，利用Pearson相關系數檢驗判斷N2O排放通量與土壤硝態氮、銨態氮、含水量、pH等影響因子之間的相關性及顯著性水平，顯著性差異為P＜0.05，極顯著差異為P＜0.01。

2 結果與分析

2.1 土壤理化指標的變化

圖1為土壤理化指標的變化趨勢。各處理土壤5 cm地溫如圖1（a）所示，整體波動范圍基本一致，各處理之間無顯著性差異。圖1（b）顯示出各處理土壤WFPS的變化趨勢基本一致，隨灌水及降雨等外界因素進行波動，各處理之間無顯著差異。各處理土壤pH值的整體變化趨勢大致相同，見圖1（c），隨實驗時間的推移土壤pH均逐漸上升。其中N1、N2和N3處理對比CK處理分別提高了0.01～0.33、0.07～0.38和0.01～0.45（P＜0.05），N1、N2、N3處理之間差異不顯著。

圖1 不同處理土壤溫度、土壤含水量、土壤pH值、-N含量、-N含量和MBN含量的變化Figure 1 Variation of soil temperature,soil water content,soil pH,soil -N,-N and MBN concentrations under different treatments

續圖1不同處理土壤溫度、土壤含水量、土壤pH值、-N含量-N含量和MBN含量的變化Continued figure 1 Variation of soil temperature,soil water content,soil pH,soil-N,-N and MBN concentrations under different treatments

土壤MBN的變化趨勢如圖1（f）所示，各處理MBN的總體變化趨勢基本一致。7月8日灌水后，各處理的MBN值在7月9日出現峰值，實驗后期MBN波動頻繁但波動幅度不大。N3處理的MBN量相比其他處理始終保持最高水平，各處理曲線基本一致，具有一定的規律性。其大小順序為N3＞N2＞N1＞CK，其中N1處理是CK處理的1.21～2.45倍（P＜0.05），N2處理是CK處理的0.98～2.18倍（P＜0.01），N3處理是CK處理的1.56～4.53倍（P＜0.01）。此外，N3與N1、N2之間也存在顯著性差異（P＜0.05）。7月16日后，土壤MBN持續處于較低水平，直至8月20日隨著土壤WFPS的升高，各處理在8月20日前后出現新的峰值。

2.2 N2O排放通量的時間變化

圖2為土壤N2O排放通量的變化曲線。實驗前期一個月內，各處理的N2O排放劇烈，其中N2處理和N3處理的N2O排放通量較為接近，遠高于其他處理。CK和N1處理的N2O排放通量在6月18日即達到最高值，CK處理在出現最高值后N2O排放通量表現出持續下降的趨勢，且均低于其他處理。CK、N1、N2和N3處理的最高排放通量依次為749.8、1 651.4、1 993.1 μg·m-2·h-1和1 762.4 μg·m-2·h-1。7月2日各處理N2O排放通量均表現出不同程度的降低，7月8日灌水后，除CK處理外，各施氮處理均在7月9日時出現第二個N2O排放峰，之后各處理的N2O排放通量的動態變化趨于一致，均降至較低水平，各施氮處理相比對照已無差異。通過對盆栽實驗N2O排放通量進行單因素方差分析發現，N1處理對比CK處理差異不顯著，N2和N3處理N2O排放通量對比CK處理差異極顯著（P＜0.01），其中N2處理是CK處理的0.56～64.68倍，N3處理是CK處理的0.53～67.16倍。

2.3 N2O的累積排放量及排放系數

圖2 不同處理N2O排放通量的變化Figure 2 Variation of N2O emission fluxes under different treatments

圖3為各處理的N2O累積排放量，分別為1.80、4.60、6.88 kg·hm-2和7.23 kg·hm-2，與CK處理對比，N1、N2、N3分別顯著提高了 148.5%、284.3% 和303.9%（P＜0.05），其中N2、N3處理的累積排放量之間差異不顯著（P＞0.05），但均與N1達到顯著水平（P＜0.05）。

本實驗結果顯示，在施用生物炭的條件下，不同施氮處理的排放系數分別為1.33%（N1）、1.27%（N2）、0.91%（N3），表現為隨施氮量遞增而下降的趨勢，其中N3處理對比N1處理排放系數降低了31.6%，N2處理對比N1處理排放系數降低了4.5%。

2.4 N2O排放通量與各因素的相關性分析

N2O排放通量與土壤理化性質之間的Pearson相關性分析見表2。N2O的排放通量與土壤-N濃度、WFPS、土壤MBN之間均存在極顯著正相關關系（P＜0.01），其中CK處理的-N濃度與N2O排放通量間未達到顯著性水平（P＞0.05），可能的原因是CK處理土壤中氮素含量較低，-N濃度與N2O排放通量間未表現出顯著相關性，而施氮處理的-N濃度與N2O排放通量間則表現出了極顯著的相關關系。N2O的排放通量與土壤pH呈極顯著負相關關系（P＜0.01），與土壤-N濃度以及5 cm地溫無顯著相關關系（P＞0.05）。

圖3 不同處理N2O累積排放量Figure 3 N2O cumulative emissions under different treatments

3 討論

3.1 生物炭對土壤理化性質的影響

本研究表明，N2O的排放通量與土壤表層溫度（5 cm地溫）不具有顯著相關性，原因可能是實驗進行時間為6月至9月，溫度普遍較高，此時土壤溫度并不是硝化反硝化作用的限制因素。WFPS與N2O排放量呈極顯著正相關關系，并且相關性系數最大，甚至高于礦質氮含量。說明夏玉米季N2O排放通量受土壤水分的影響顯著，WFPS影響著土壤中空氣的流通，WF?PS越大，土壤易形成厭氧環境，進而促進土壤中微生物的反硝化作用，導致N2O排放增加，是土壤N2O排放的重要環境因素。

本實驗結果表明，在生物炭的影響下，不同處理的土壤pH均表現為隨時間的推移而逐漸升高，且施氮處理高于對照。可能的原因是，生物炭施入土壤中對氮素的轉化和固持具有一定的作用。研究表明[30]，尿素水解產生、NH3和 CO2，會使土壤水溶液顯堿性，可能是導致本實驗施氮處理土壤pH高于不施氮處理的原因，并且由于生物炭本身含有多種堿性成分，施入土壤后能對酸根離子產生吸附作用[31]，導致土壤pH在整個實驗周期中持續升高。相關分析顯示，N2O排放量與土壤pH呈現出極顯著負相關。有研究表明，適宜的堿性條件能夠降低硝化反硝化過程N2O產量，且高pH值條件下N2O產生速率最小，由于N2O還原酶爭奪點的能力較弱，缺少電子供體不利于N2O的還原[32]。

表2 N2O排放通量和不同處理與各因素間的Pearson相關系數Table 2 Pearson correlation coefficients between N2O fluxes and various factors in different treatments

土壤微生物量是植物營養物質的源和庫，并積極參加養分循環，代表土壤養分的活性部分，因此土壤微生物量常被用于評價土壤質量[35]。本實驗結果顯示土壤MBN含量隨施氮量的增加而增加，土壤MBN與N2O排放極顯著正相關。可能的原因是生物炭施入土壤中增加了土壤中有機碳含量，提高了土壤的C/N，土壤微生物表現為N缺乏狀態，N3處理施入高量氮肥后降低了土壤C/N，更適合微生物生長。研究表明，土壤微生物量較其他土壤理化性質更易迅速響應氮素的添加[35]。土壤MBN是微生物通過同化作用固定的土壤氮素的量，并且土壤MBN含量會在一定程度上隨生物炭施用量的增加而增加，并且會比較穩定地儲存于耕層土壤中，減少氮素的損失[36]。

3.2 生物炭對N2O排放的影響

本實驗在施用等量生物炭情況下，各處理在實驗初期有明顯的N2O排放高峰，主要原因一方面是，施肥灌水之后，玉米還沒出苗，幾乎不會與土壤微生物競爭土壤中的營養物質[37]，氮肥輸入導致土壤中總氮含量的激增[38]，為微生物活動提供了豐度的底物，而且由于在植物生長初期的低氮需求，導致過量的可利用氮最終轉化為氣態氮。另一方面，施肥后的灌水為土壤的硝化反硝化微生物提供了充足的水分，提高了N2O的生成與排放速率。

本研究與田間夏玉米季同步測定，整體來看土壤中氮肥施用量的增加使N2O排放通量及累積排放量上升，但N2和N3處理之間差異不顯著，可能的原因是生物炭對速效養分的吸附。生物炭較大的比表面積，能夠吸附更多導致N2O增排的-N、-N，從而減少N2O排放[39]。實驗結果表明，不同施氮處理的累積排放量呈遞增趨勢，其中與大田平均施氮水平相當的N1處理的累積排放量為4.60 kg·hm-2，與其他在華北平原夏玉米季N2O累積排放量的研究結果基本一致[40]。

本研究結果顯示在施用生物炭的條件下，不同施氮處理N2O的排放系數分別為1.33%、1.27%、0.91%，施用等量生物炭使N2O排放系數隨施氮量增加反而降低，說明生物炭降低了氮素肥料施入土壤所產生N2O的比例，可能的原因是生物炭施入土壤中增加了土壤通透性有利于N2O發生非生物轉化[41]，同時生物炭能夠對土壤養分和水分起到保持作用，以及通過降低容重等促進植物和微生物的氮素固持[42]。大量研究表明，土壤N2O的排放量與氮肥施用量呈線性關系[43-46]，N2O排放系數隨氮肥施用水平的增加而增加。Hinton等[45]研究顯示N2O排放與施氮量呈線性關系，并且年度排放系數介于0.28%至1.35%之間。徐玉秀等[46]研究表明華北平原夏玉米-冬小麥田常規施肥水平的N2O排放系數為0.60%，減氮處理的N2O排放系數為0.56%。李保艷等[47]研究表明，小麥季排放系數為0.47%～0.59%，平均為0.55%，N2O總排放量與施氮量呈顯著線性關系。由于夏季為一年中的排放高峰期，所以計算出的排放系數普遍高于其他研究中的全年排放系數。亦有研究表明，N2O排放和施氮量呈非線性相關關系，N2O排放量在加大氮投入的條件下增長緩慢[48]，可能的原因是土壤質地等環境條件存在差異，在施用生物炭條件下，大田土壤N2O排放系數變化規律還有待進一步驗證。

4 結論

施用生物炭后，隨著施氮量的增加，土壤N2O的累積排放量逐漸增加，其中施用400 kg·hm-2和600 kg·hm-2尿素的N2、N3處理的累積排放量差異不顯著，而N2O排放系數表現為逐漸降低，N1、N2、N3的排放系數分別為1.33%、1.27%、0.90%。說明施用生物炭具有一定的減排潛力。

土壤N2O排放通量主要受土壤-N含量、WF?PS、土壤MBN和土壤pH調控。隨著施氮量的增加，土壤-N含量、土壤MBN顯著增加，說明生物炭對土壤氮素具有一定的吸附固持作用。