生物質(zhì)炭施用量及水熱條件對淹水土壤CO2釋放的影響

花 莉， 唐志剛， 洛晶晶， 賈衛(wèi)華

(1.陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710021; 2.國家林業(yè)局 林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 北京 100010)

0 引言

目前，全球溫室效應(yīng)已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn).CO2作為最主要的溫室氣體，對全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)達(dá)50%～60%[1].大氣中約20%的CO2來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)及其相關(guān)過程[2].據(jù)IPCC(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì))數(shù)據(jù)顯示，2007年農(nóng)業(yè)溫室氣體排放約占全球總溫室氣體排放量的17%[3].其中,稻田生態(tài)系統(tǒng)作為農(nóng)業(yè)CO2溫室氣體的主要排放源，在全球溫室效應(yīng)中起著重要作用.因此，控制稻田溫室氣體排放對緩解全球氣候變暖問題具有重要意義.

據(jù)世界觀察研究所的一篇報(bào)道[4]稱，通過改變農(nóng)業(yè)耕作方式等5項(xiàng)措施可以減少土壤25%的CO2釋放量，其中包括向土壤中施加生物質(zhì)炭.由于生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護(hù)中的巨大應(yīng)用前景，以及對土壤碳的增匯減排作用，近幾年來一直都是土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)的研究熱點(diǎn)[5].

已有研究[6,7]表明，土壤中施用生物質(zhì)炭，能明顯改變土壤的理化性質(zhì)和微生物活性，進(jìn)而影響土壤CO2的釋放.然而由于受生物質(zhì)炭的種類、施炭量、土壤有機(jī)質(zhì)含量以及土地利用方式等因素的影響，目前對生物質(zhì)炭作用于土壤CO2釋放的影響效應(yīng)，各研究者的看法不一，也未曾有系統(tǒng)闡述生物質(zhì)炭對土壤CO2釋放影響機(jī)理的報(bào)道.

此外，土壤CO2釋放本身還受溫度、淹水深度、土地利用方式等外界條件的影響，因此很有必要從生物質(zhì)炭添加量、農(nóng)業(yè)管理等方面提出合理的調(diào)控措施，從而為促進(jìn)稻田CO2溫室氣體的減排提供可靠依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與供試土壤的基本信息

本實(shí)驗(yàn)土壤采自西北關(guān)中平原水稻田(34 °2′54″N，108 °46′4″E)，屬滲育型水稻土，該地區(qū)年均氣溫13.1 ℃，年均降水量約660.6 mm.采樣時(shí)為冬閑期，稻田表層無積水.采用S型取樣，共分16點(diǎn)取土，采樣時(shí)刨除1 cm表層土，取2～15 cm厚層的土壤，帶回實(shí)驗(yàn)室.將取回來的水稻土，一部分置于聚乙烯自封袋4 ℃下冷藏保存，測其理化性質(zhì).其余搗碎，剔除石子和枝葉，實(shí)驗(yàn)前先過2 mm篩.

土壤的有機(jī)碳測定參照重鉻酸鉀氧化-分光光度法：取風(fēng)干土樣0.2 g，先后加入0.1 g的硫酸汞、8 mL 8 g/L的重鉻酸鉀，再緩慢加入7.5 mL的濃硫酸，135 ℃消解30 min，冷卻后定容，于585 nm處測定其吸光度；土壤總氮采用半微量凱氏法，總磷采用堿熔-鉬銻抗分光光度法，具體參照標(biāo)準(zhǔn)方法HJ632-2011.

供試土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示.

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 生物質(zhì)炭的基本信息

本實(shí)驗(yàn)所用生物質(zhì)炭來自陜西億鑫生物能源有限公司，炭化材料為果木廢棄物.炭化溫度為450 ℃～700 ℃，基本理化性質(zhì)如表2所示.

表2 生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)

1.3 主要儀器

CO2氣體檢測采用便攜式紅外CO2氣體檢測儀(HT4-ZDR-CJ，北京中西遠(yuǎn)大).

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置

采用靜態(tài)箱法[8]設(shè)計(jì)加工，該裝置整體呈圓柱形，由有機(jī)玻璃材料組成(如圖1所示).頂部開口，并設(shè)用玻璃罩，中間用橡膠墊圈連接，玻璃罩、橡膠墊和法蘭均鉆有一排螺絲孔，檢測氣體時(shí)用來實(shí)現(xiàn)密封.頂部玻璃罩向上開兩個(gè)長嘴小孔，檢測CO2時(shí)用來連接進(jìn)氣管和排氣管.

圖1 靜態(tài)箱式實(shí)驗(yàn)裝置

向上述每個(gè)裝置里加入0.5 kg經(jīng)預(yù)處理后的水稻土，以絕干質(zhì)量為基準(zhǔn)，分別添加土壤質(zhì)量2%(C2)，5%(C5)，8%(C8)的果木炭，同時(shí)設(shè)不加炭為對照(C0)，每組處理設(shè)3個(gè)平行，氣體CO2的釋放量取其平均值.施用果木炭前，先將其粉碎并過2 mm篩，然后加水將炭土混勻，保證土壤淹水深度約為2～3 cm.待培養(yǎng)超過1月后，每日測定土壤的CO2釋放量.

1.5 CO2的采集與測定

本實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)時(shí)間自2013年6月初開始，9月初結(jié)束.研究了第51 d至第74 d土壤CO2的釋放量變化.每天密封時(shí)長為9 h(密封時(shí)間若超過20 h，CO2濃度容易超儀器測定量程；密封時(shí)間若低于 9 h，各處理之間的數(shù)據(jù)差異不明顯)，主要集中在11:00～20:00之間.

CO2的排放通量按下式計(jì)算[9]：

(1)

式中：F為CO2排放通量(mg·m2·h-1)，M為氣體的摩爾質(zhì)量，P0和T0為理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣壓和溫度，V0為CO2在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾體積(22.4 L·mol-1)，H為靜態(tài)箱氣室高度，P和T為采樣時(shí)靜態(tài)箱內(nèi)的實(shí)際氣壓和溫度，dc/dt為靜態(tài)箱內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)CO2濃度的變化.

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用origin8.5對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與繪圖；不同因素與土壤CO2釋放的相關(guān)性分析采用SPSS 19.0方差分析(ANOVA).

2 結(jié)果與討論

2.1 施炭量對淹水土壤CO2釋放的影響

土壤根系呼吸和土壤微生物對有機(jī)質(zhì)的氧化分解是土壤空氣中CO2的主要來源[10].已有研究[6,11,12]表明，生物質(zhì)炭的添加對土壤CO2的釋放有明顯抑制作用，這主要是通過以下兩個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)：一是通過改變土壤的理化性質(zhì)，如土壤的通透性、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等，從而降低土壤的有機(jī)碳礦化速率；二是改變土壤微生物的活性，進(jìn)而減少土壤呼吸代謝所產(chǎn)生的CO2.Randon等[13]指出，施加生物質(zhì)炭可以顯著提升土壤的穩(wěn)定性碳庫，降低土壤有機(jī)碳的礦化速率，從而達(dá)到增匯減排的目標(biāo).

圖2和圖3分別為不同施炭量處理在淹水條件下土壤CO2的排放通量和累計(jì)釋放量.從圖中可以看出，C2、C5、C8處理的土壤CO2排放速率和累計(jì)排放量明顯低于對照(C0)，且高施炭量處理下土壤CO2的排放速率更低.淹水時(shí)間越長，土壤有機(jī)質(zhì)特別是活性有機(jī)質(zhì)被快速分解后，CO2釋放速率逐漸降低.由于培養(yǎng)過程中，每日溫度變化對CO2釋放速率影響較大，以及周期取樣對土壤的擾動(dòng)，短期內(nèi)減少了土壤的厭氧程度，因而期間出現(xiàn)了CO2的釋放速率周期性的波動(dòng).但與對照相比，2%、5%、8%施炭量處理的土壤CO2累計(jì)釋放量分別降低了5.1%、2.4%和26.5%.顯然，高施炭量對土壤CO2釋放的抑制作用更為明顯.

至于C5比C2的釋放量略高，這可能是由于不同施炭量對土壤酶活性造成的差異(脫氫酶活性，C0>C5>C2>C8，見圖4所示).土壤脫氫酶是一種氧化還原酶，可以反映土壤體系內(nèi)活性微生物量以及其對有機(jī)物的降解活性.脫氫酶活性越高，土壤的微生物量和活性越強(qiáng)，對土壤有機(jī)質(zhì)的分解作用可能也越強(qiáng)，CO2的釋放速率也越快.

圖2 不同施炭量對淹水土壤CO2排放通量的影響

圖3 不同施炭量對淹水土壤CO2累計(jì)釋放量的影響

圖4 不同施炭量對土壤脫氫酶活性的影響

2.2 溫度和晝夜變化對淹水土壤CO2釋放的影響

溫度和水分是影響土壤呼吸的兩大重要環(huán)境因子[14].由圖5可知，隨著環(huán)境溫度的升高，土壤CO2的釋放速率明顯增加，這歸因于土壤根系和微生物的呼吸作用增強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)的分解礦化速率加快.然而，同一溫度條件下各處理之間CO2的釋放速率趨勢與施炭量對CO2釋放的影響趨勢一致.

圖5 溫度對淹水土壤CO2釋放速率的影響

圖6為晝夜變化對不同施炭量處理土壤CO2釋放速率的影響.顯然,夜間土壤CO2釋放速率要高于白天，這可能是因?yàn)橐雇硗寥栏岛臀⑸镆院粑饔脼橹?；而白天有光照的存在，土壤微生物能夠利用光合作用?shí)現(xiàn)部分CO2轉(zhuǎn)化.從晝夜溫差來看，由于是模擬土柱實(shí)驗(yàn)，晝夜溫差很小，基本上可以排除因溫差而造成的CO2釋放量差異.

圖6 晝夜條件對土壤CO2釋放速率的影響

2.3 淹水深度對土壤CO2釋放的影響

土壤含水量的高低直接影響土壤的通透性和微生物活性，當(dāng)土壤水分增加到一定程度時(shí)，土壤呼吸速率則表現(xiàn)出下降的趨勢[15].同時(shí),過高的含水量會(huì)影響土壤中氧氣的擴(kuò)散，植物根系和好氧微生物的活性也會(huì)受到抑制[16].

而對于淹水稻田來說，土壤長期處于淹水，土壤根系和微生物的呼吸作用受到很大的抑制.這時(shí)土壤微生物對有機(jī)質(zhì)的厭氧分解起重要作用，然而微生物的降解活性也依賴于一定的溫度條件.灌水深度直接決定土壤與外界空氣、溫度的交換.如圖7所示，灌水深度愈深，土壤溫度和水層溫度上升越慢[17]，土壤厭氧分解所產(chǎn)生的CO2量也越少，因而CO2的釋放量表現(xiàn)為隨灌水深度的增加而減少.

圖7 淹水深度對淹水土壤CO2釋放速率的影響

3 結(jié)論

綜上所述，生物質(zhì)炭的添加對淹水土壤CO2的釋放量有明顯的抑制作用，且高施炭量下的抑制效果更好；環(huán)境溫度是影響土壤CO2釋放的重要因素，溫度越高，CO2釋放速率越快；夜間CO2的釋放量要高于白天；淹水深度與土壤CO2的釋放呈反比，合理的灌溉措施有利于減少CO2溫室氣體的釋放.

綜合考慮CO2和CH4排放的溫室效應(yīng)，施加8%的生物質(zhì)炭對土壤CO2的釋放有較好的抑制作用.對于溫度較高的外界條件下，應(yīng)增加灌水深度從而減少CO2的釋放.例如,在水稻抽穗期高溫來臨之前，應(yīng)提高灌水深度，此舉不僅可以減少高溫?zé)岷ψ饔肹18]，還可以抑制土壤有機(jī)質(zhì)的厭氧分解和產(chǎn)甲烷菌的活性.然而,灌水深度不斷增加帶來的另一個(gè)客觀結(jié)果是，土壤的氧化還原電位越來越低，產(chǎn)甲烷潛力也會(huì)逐漸增強(qiáng).因此,綜合考慮，建議采用間歇灌溉的方式，在作物生長季增加淹水深度，在作物成熟期采取烤田措施.而在冬季，應(yīng)采取免耕，并盡可能減少田間持水量，以減少CO2和CH4的綜合排放效應(yīng).

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