黃淮海平原農田土壤溫室氣體排放對長期施加生物炭的響應

劉宏元， 周志花， 趙光昕， 沈欽瑞

（1.山東省農業(yè)科學院濕地農業(yè)與生態(tài)研究所，濟南 250100； 2.內蒙古自治區(qū)氣象臺，呼和浩特 010051；3.北京科技大學天津學院， 天津 301830； 4.山東省菏澤市曹縣植物檢疫站，山東 菏澤 274400）

二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是大氣中最重要的3種溫室氣體，其排放量的增加是引起全球氣候變暖的主要原因[1]。由于施入肥料、灌水和秸稈還田等農藝措施導致農田是溫室氣體的重要排放源，降低農田溫室氣體排放量是我國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要舉措之一。研究表明，添加生物炭可以改變土壤理化性質和微生物活動，進而有效抑制土壤溫室氣體排放[2]。但也有研究表明，生物炭并不能抑制甚至可以促進溫室氣體排放[3]。由此表明，生物炭對土壤溫室氣體的影響不僅與生物炭類型和試驗區(qū)土壤類型有關，更與生物炭施用劑量和施用頻率有關。因此，通過長期的田間研究明確生物炭的合理施用量和施用頻率，對指導生物炭在農田推廣應用具有重要意義。

研究表明，生物炭可以影響土壤溫室氣體的排放，玉米田中添加生物炭能夠降低土壤溫室氣體排放，其降幅最高可達41.8%[4]；施加9 t·hm?2生物炭可以顯著增加華北典型農田土壤溫室氣體排放量，且增幅達40.0%[5]。這可能與生物炭改變了土壤無機態(tài)氮、土壤pH、持水性能和微生物活動有關[6]。但生物炭在土壤中會隨時間而發(fā)生變化，這可能也是生物炭對土壤溫室氣體排放影響不確定的重要原因之一。研究表明，向土壤中添加生物炭后，由于生物炭孔隙的利用和分解，其有效性逐漸降低[7]；Muhammad 等[8]發(fā)現(xiàn)，經過158 d的同位素標記培養(yǎng)后，只有0.4%的生物炭成分在微生物組中被識別出來；隨著施用時間的延長，生物炭的抑制作用可能會減弱[9]；Niu 等[10]認為，3 t·hm?2生物炭是抑制中國北方農田土壤N2O 排放的最佳劑量，而Cheng 等[11]認為該劑量為16 t·hm?2。不同的施用劑量和施用時長可能是造成研究結果差異的原因之一，大量生物炭的施用可能會長期抑制N2O 的排放。此外，如果一次施用大劑量生物炭能夠達到最佳的抑制效果，那么將大大降低生物炭施用的成本和工作量，這對現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展具有重要意義。由于當前對生物炭在田間土壤環(huán)境中分解機理的了解非常有限[12]，因此，在田間條件下，生物炭在多長時間內可以持續(xù)抑制土壤溫室氣體排放仍然值得深入研究。

黃淮海平原是我國重要的農作物產區(qū)，也是我國氮肥用量最高的地區(qū)之一。如山東省冬小麥和夏玉米輪作系統(tǒng)年施氮量可達625 kg·hm?2，遠高于歐洲同類型農田[13]。因此，本研究在黃淮海農田連續(xù)多年施用不同劑量生物炭和一次施用大劑量生物炭的基礎上，探究生物炭對黃淮海農田土壤溫室氣體排放的影響及其時間限制效應，以期為生物炭在黃淮海農田乃至世界其他同類型農田的推廣應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省德州市黃河崖鎮(zhèn)（37°21′14″ N， 116°20′3″ E），屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫12.9 ℃；年平均降水量547.5 mm，主要發(fā)生在6—8月。田間作物種植模式為冬小麥和夏玉米輪作。土壤類型為鹽堿土，質地為輕壤土。2015年試驗前試驗區(qū)0—20 cm土層的基本性質為：有機質13.71 g·kg?1，堿解氮26.56 mg·kg?1，速效磷34.27 mg·kg?1，速效鉀106 mg·kg?1，pH 7.78。

1.2 試驗材料

供試生物炭由棉花秸稈經800 ℃不完全燃燒制成，其基本特征為：全氮4.88 g·kg?1，全磷0.83 g·kg?1，全鉀15.98 g·kg?1，pH 8.60，密度0.297 g·cm?3，碳73%。供試小麥品種選用‘濟麥22’，玉米品種選用‘魯寧184’，均采購于當?shù)厥袌觥?/p>

1.3 試驗設計

生物炭添加的田間定位試驗于2015—2018 年進行，采用隨機區(qū)組試驗設計，設置不施用生物炭（CK）和生物炭施用量分別為2.25（C1）、4.50（C2）、9.00（C3）、13.50 t·hm?2（C4）和僅在第1年施用13.50 t·hm?2生物炭（CS），共6 個處理，每處理3次重復，共計18個試驗小區(qū)，每小區(qū)面積為180 m2。其中C1、C2、C3 和C4 處理在每年小麥季播種前施用相應量生物炭；CS 處理僅在2015 年1 次性施用13.5 t·hm?2生物炭。所有生物炭和肥料混合并進行旋耕，深度為20 cm。

小麥季氮、磷肥施用量均為315 kg N·hm?2、270 kg P2O5·hm?2；玉米季氮、磷、鉀肥施用量均為255 kg N·hm?2、45 kg P2O5·hm?2、60 kg K2O·hm?2。其中小麥季氮肥按底肥和追肥（2018 年3 月14日）1∶1 均勻施入，磷肥作為基肥一次性均勻施入；玉米季所有肥料均于2018 年6 月18 日一次性施入。每季施肥后均進行旋耕和灌溉。

于2017年10月至2018年10月開展溫室氣體采集與測量，采樣期間田間基本管理措施如下。小麥季于2017 年10 月20 日施用化肥和生物炭，進行旋耕，10 月21 日播種，10 月22 日灌水；于2018 年3 月14 日追肥、灌水，6 月8 日收獲。玉米季于2018 年6 月19 日施肥、旋耕，6 月20 日播種、灌水，10月8日收獲。

1.4 樣品采集與測定

采用便攜式地溫儀（今明TM-624）測量10 cm土壤溫度；用手持TDR 儀（Spectrum TDR-100）測量土壤濕度。小麥季每15~20 d采集1次樣品，玉米季每7~10 d采集1次樣品，在施肥、灌溉、降水期間加密采集。采集土壤樣品后，需去除植物根系和砂礫，土壤中的用0.01 mol·L?1的CaCl2溶液提取，并用AA3 流動分析儀（Braun and Lübbe, Norderstedt, Germany）測定其含量。

采集土壤樣品當天采集0—20 cm 氣體樣品。溫室氣體排放通量采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定。靜態(tài)箱由不銹鋼取樣箱（50 cm×50 cm×50 cm）和底座（50 cm×50 cm×15 cm）組成，取樣箱厚度1.5 mm，底座厚度2 mm。靜態(tài)箱內裝有空氣混合風機、空氣壓力平衡管、溫度計和樣品采集管。靜態(tài)箱覆蓋白色棉套以達到隔熱目的，并清除靜態(tài)箱內植株。每次采集時間為8:00—11:00。于每個小區(qū)用200 mL一次性注射器分別在0、10、20和30 min采集氣體樣本，共采集4個氣體樣本。在氣體取樣過程中，同時記錄箱內溫度。采集的氣體樣品用氣相色譜儀（Agilent7890, USA）測定。溫室氣體排放通量的計算參照劉宏元等[14]方法。將氣體排放通量乘以時間得到日排放量，通過加權平均法得到季節(jié)排放總量。綜合增溫潛勢（global warming potential，GWP）的計算參照劉宏元等[14]方法。

1.5 統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析比較處理間土壤理化性質和氣體排放通量的差異顯著性，Person相關系數(shù)分析氣體排放通量與影響因素間的相關性。使用Origin 8.5軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤理化性質的影響

各處理土壤溫度的變化基本一致，均表現(xiàn)為先降低后增加的動態(tài)變化趨勢，各處理土壤溫度在每次監(jiān)測時差異較小；土壤濕度的變化趨勢主要表現(xiàn)為小麥季逐漸降低，而玉米季變化波動較大（圖1）。土壤溫度和土壤濕度動態(tài)變化主要與氣溫和降水有關。每次施肥后，各處理土壤含量均迅速達到最大值，而后逐漸下降至較低水平；各處理土壤含量變化基本一致，每次施肥后，各處理土壤含量均先增加而后逐漸降低至一定范圍內波動（圖2）。比較不同處理下各因子的季平均值，結果（表1）表明，生物炭對土壤含量無顯著影響，對土壤含量影響顯著，其中C3、C4 和CS 處理在小麥季土壤含量較CK顯著增加，增幅分別為22.9%、27.7%和25.3%；C3 和C4 處理在玉米季土壤含量較CK 顯著增加，增幅分別為22.4%和21.5%。在小麥季，生物炭處理對土壤溫度無顯著影響；而在玉米季，除C1處理外，生物炭處理均顯著增加土壤溫度，較CK 增加0.8%~2.0%。在小麥季，C2 處理的土壤濕度較CK顯著降低，降幅達12.9%，但其余生物炭處理在整個試驗周期內與CK差異不顯著。

表1 各處理土壤、溫度、濕度的季節(jié)平均值Table 1 Seasonal mean values of soil N， temperature and moisture of each treatment

表1 各處理土壤、溫度、濕度的季節(jié)平均值Table 1 Seasonal mean values of soil N， temperature and moisture of each treatment

注：同列不同小寫字母表示同季不同處理間差異在P<0.05水平顯著。Note：Different lowercase letters in same column indicate significant differences between different treatments in same season at P<0.05 level.

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圖1 不同處理下的土壤溫度和土壤濕度Fig. 1 Temperature and moisture of soil under different treatments

圖2 各處理土壤含量Fig. 2 Contents of and soil in soil under different treatments

2.2 生物炭對溫室氣體排放的影響

由圖3可知，各處理的土壤CO2排放通量動態(tài)變化基本一致，主要表現(xiàn)為小麥季在每次施肥、灌水后有明顯增加而后逐漸降低至一定區(qū)間內波動；玉米季前期波動較大，后期下降至較低區(qū)間內波動。在小麥季，生物炭對土壤CO2排放的抑制主要集中在出苗期，其余時期僅CS處理有較為明顯的抑制作用；而在玉米季，生物炭對土壤CO2排放的抑制主要集中在中前期；玉米季土壤CO2的排放通量強度顯著高于小麥季，且波動范圍更大。各處理土壤CH4排放通量均較低，且處理間差異不顯著。每次施肥后各處理土壤N2O 排放通量均有明顯的峰值，其中在小麥季土壤N2O 排放通量較弱，且變化緩慢；在玉米季初始土壤N2O排放峰值過后，其呈逐漸下降趨勢，但在2018年7月下旬至8 月上旬，土壤N2O 排放通量有小幅增加。生物炭對土壤N2O 排放的抑制主要集中在N2O 排放通量峰值時期；在土壤N2O排放通量低的時期，生物炭對土壤N2O 排放通量影響不顯著。玉米季土壤N2O 排放通量強度顯著高于小麥季，且波動范圍更大。

圖3 不同處理下土壤CO2、CH4和N2O的排放通量Fig. 3 Emission fluxes of CO2， CH4 and N2O in soil under different treatments

由表2 可知，與CK 相比，在小麥季僅CS 處理顯著降低了土壤累積CO2排放量，降幅為38.5%；在玉米季除C1處理外，其余生物炭處理均可以在一定程度上降低土壤累積CO2排放量，且隨著生物炭施用量的增多，抑制效果越明顯，降幅達17.7%~24.6%。值得注意的是，CS 處理在玉米季依然表現(xiàn)出對土壤累積CO2排放量的顯著抑制效果，較CK 顯著降低25.7%。生物炭對土壤累積CH4排放量無顯著影響，且CH4排放量較低，幾乎可忽略不計。除CS處理外，生物炭處理均可以顯著降低土壤累積N2O 排放量，其中在小麥季，C3處理對土壤累積N2O 排放量的抑制作用最強，較CK 顯著降低60.1%；在玉米季，C4 處理的抑制效果最強，較CK 顯著降低39.3%。對于綜合增溫潛勢（GWP），僅CS處理較CK顯著降低了30.4%。

表2 各處理土壤累積CO2、CH4、N2O排放量和綜合增溫潛勢Table 2 Cumulative emissions of CO2， CH4， N2O and GWP under different treatments

2.3 溫室氣體排放與土壤理化性質的相關性分析

從整個試驗周期來看，土壤CO2排放通量與土壤含量及土壤溫度、濕度呈極顯著正相關關系；土壤CH4排放通量與土壤含量及土壤溫度呈極顯著負相關關系，與土壤濕度呈顯著負相關關系；土壤N2O 排放通量與土壤含量及土壤溫度和濕度呈極顯著正相關關系（表3）。

表3 土壤CO2、CH4、N2O排放通量與土壤、溫度和濕度的相關性Table 3 Correlation between the CO2， CH4 and N2O fluxes with soil ， temperature and moisture

表3 土壤CO2、CH4、N2O排放通量與土壤、溫度和濕度的相關性Table 3 Correlation between the CO2， CH4 and N2O fluxes with soil ， temperature and moisture

注：*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平相關顯著。Note：* and ** indicate significant correlations at P<0.05 and P<0.01 levels， respectively.

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3 討論

3.1 生物炭對土壤理化性質的影響

3.2 生物炭對土壤溫室氣體排放的影響

土壤CO2產生的強度主要取決于土壤中有機質的數(shù)量及礦化速率、土壤微生物類群的數(shù)量及活性、土壤動植物的呼吸作用等。本研究表明，在玉米季生物炭處理顯著抑制了土壤CO2排放，與Cross等[19]研究存在差異；但CS處理可以在整個試驗周期均顯著抑制土壤CO2排放。一方面，生物炭施入土壤一定時間后可以促進一些難以被土壤微生物分解的大分子物質形成，如土壤腐殖質、碳水化合物、酯族、芳烴等[20]，從而降低微生物對有機碳的利用量，降低微生物量碳[21]，抑制土壤碳的礦化[22]，最終降低土壤CO2排放。本研究中生物炭是在小麥季播種前施入，因此在小麥季生物炭還不能發(fā)揮出作用，而在玉米季生物炭能夠較好地抑制土壤CO2排放。另一方面，生物炭呈堿性，施入生物炭后會增強對土壤CO2的固持作用，從而減少土壤CO2排放[23]。值得注意的是，除CS 處理外，其余生物炭處理均為每年小麥季播種前施用生物炭，每年新施加的生物炭存在不穩(wěn)定性碳組分，會導致微生物的降解作用增加，進而促進土壤CO2排放[24]，這可能是除CS 處理外其余生物炭處理在小麥季不能顯著抑制土壤CO2排放的原因之一。CS 處理僅在2015 年施入生物炭，在第3 年依然可以對土壤CO2的排放具有顯著的抑制作用。由此推測，生物炭對土壤CO2的抑制作用存在長期效應，即在較長的時間尺度內，生物炭均可以起到固碳減排的作用，但其抑制機制還有待進一步探索。

本研究中各處理的CH4排放通量和累積排放量都極低，幾乎可以忽略不計。這可能是由于旱地土壤的通氣性較好，產甲烷菌活性受到抑制，產生的極少量的CH4也快速被消耗[25]。

生物炭主要通過硝化或反硝化作用影響土壤N2O 排放。反硝化作用并不局限于厭氧環(huán)境，因為許多微生物會產生胞周硝酸鹽還原酶，該酶對氧分子不敏感[26]。本研究表明，土壤含量增加，而增加可促進氧化亞氮還原酶活性，從而間接抑制N2O 的排放[27]；且這種抑制作用在高劑量生物炭（C3和C4）處理中更為明顯，大量生物炭的施入為氧化亞氮還原菌提供了適宜的生長環(huán)境，從而顯著減少土壤N2O 排放[28]。本研究中C3處理在小麥季節(jié)抑制效果最好，C4處理在玉米季節(jié)抑制效果最好。如上所述，生物炭可以通過改變土壤理化性質和相關微生物活性來抑制N2O的排放，但由于生物炭對土壤N2O 排放的限制性具有時間效應，生物炭施用量越高，抑制作用越強、抑制時間越久。本研究表明CS 處理對N2O 排放影響不顯著。這可能是由于生物炭對土壤N2O排放抑制存在時間效應，一方面隨著生物炭施用時間的延長，生物炭的吸附能力和可吸附面積逐漸減弱，進而影響其對土壤N2O 排放的抑制能力[29]；另一方面隨著時間的推移，土壤中的生物如腐生植物等也會影響生物炭的持久性，微生物菌絲的生長和細胞外酶使其在生物炭孔隙中形成菌落，這可能導致生物炭破碎[30]。

綜合增溫潛勢（GWP）常常用來表示相同質量下不同溫室氣體對氣候變化的綜合效應[31]。本研究中，僅CS 處理顯著降低了GWP，這可能是由于其對土壤CO2排放的持續(xù)抑制作用，由此表明一定時期內僅施用1 次生物炭對土壤溫室氣體的抑制作用反而優(yōu)于每年施用，這對今后生物炭的推廣應用具有十分重要的意義。在本研究條件下，生物炭施用量推薦為一次性施用生物炭13.5 t·hm?2。但本研究試驗年限有限，1 次性施用生物炭對土壤溫室氣體排放的抑制效果可以持續(xù)多長時間還有待于進一步監(jiān)測。已往推薦生物炭施用量均以年為基礎，但每年施用會浪費財力、物力。未來對生物炭在農業(yè)領域的應用，不僅要關注生物炭的數(shù)量和類型，更要關注生物炭的施用頻率，合理施用生物炭不僅可以減少生物炭的施用量，而且有利于使生物炭的價值最大化。