不同生物質炭輸入水平下旱作農田溫室氣體排放日變化研究*

宋 敏蔡立群齊 鵬Stephen Yeboah,5張仁陟羅珠珠潘占東盧廷超

(1.甘肅農業(yè)大學資源與環(huán)境學院 蘭州 730070;2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 蘭州 730070; 3.甘肅省節(jié)水農業(yè)工程技術研究中心 蘭州 730070;4.安徽職業(yè)技術學院紡織服裝學院 合肥 230514; 5.CSIR-Crops Research Institute,P.O.BOX 3780-Kumasi,Ghana)

不同生物質炭輸入水平下旱作農田溫室氣體排放日變化研究*

宋 敏1,2,3,4蔡立群1,2,3**齊 鵬1,2,3Stephen Yeboah1,2,3,5張仁陟1,2,3羅珠珠1,2,3潘占東1,2,3盧廷超1

(1.甘肅農業(yè)大學資源與環(huán)境學院 蘭州 730070;2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 蘭州 730070; 3.甘肅省節(jié)水農業(yè)工程技術研究中心 蘭州 730070;4.安徽職業(yè)技術學院紡織服裝學院 合肥 230514; 5.CSIR-Crops Research Institute,P.O.BOX 3780-Kumasi,Ghana)

在隴中黃土高原干旱半干旱區(qū),采用小區(qū)定位試驗,對不同生物質炭水平(0 t·hm-2、10 t·hm-2、20 t·hm-2、30 t·hm-2、40 t·hm-2、50 t·hm-2)下農田土壤溫室氣體(CO2、N2O和CH4)的日排放通量及其影響因子進行連續(xù)觀測,并確定1 d中不同生物質炭處理水平下的最佳觀測時間。結果表明：6個生物質炭輸入水平處理下,春小麥地土壤CH4、N2O和CO2通量變化趨勢與氣溫日變化軌跡大體一致,均表現(xiàn)為白天排放量大于夜間,并在4：00—5：00時,出現(xiàn)對CH4通量的吸收峰,以及N2O與CO2的排放低谷;全天內各處理CH4平均排放通量依次為：10.14 μg·m-2·h-1、7.82 μg·m-2·h-1、6.57 μg·m-2·h-1、-0.10 μg·m-2·h-1、1.05 μg·m-2·h-1和2.89 μg·m-2·h-1, N2O平均排放通量依次為：288.79 μg·m-2·h-1、201.78 μg·m-2·h-1、157.14 μg·m-2·h-1、112.06 μg·m-2·h-1、154.60 μg·m-2·h-1和 164.02 μg·m-2·h-1,CO2平均排放通量依次為：85.44 mg·m-2·h-1、80.91 mg·m-2·h-1、76.49 mg·m-2·h-1、65.29 mg·m-2·h-1、67.19 mg·m-2·h-1和69.10 mg·m-2·h-1;當生物質炭輸入量小于30 t·hm-2時,土壤CH4、N2O、CO2排放通量隨其輸入量增加而顯著減小,但當其輸入量超過30 t·hm-2時,3種溫室氣體排放通量則呈顯著增大趨勢;當生物質炭輸入水平為30 t·hm-2時,春小麥土壤全天表現(xiàn)為CH4的吸收匯,其余各水平處理下的土壤表現(xiàn)為CH4的弱排放源;6種處理水平下,全天春小麥地土壤表現(xiàn)為N2O、CO2的排放源。0～5 cm的土壤溫度及水分(y)與生物質炭輸入量(x)回歸方程分別為y=-0.017 6x+16.585(R2=0.302 6,r=-0.55, P＜0.05)和y=0.056 5x+13.626(R2=0.815 1,r=0.903,P＜0.05),生物質炭輸入量與0～5 cm的土壤水分呈顯著正相關關系;無生物質炭輸入處理下3種溫室氣體的吸收或排放通量與地表溫度及5 cm地溫均呈顯著正相關關系,其他各處理也表現(xiàn)出不同程度的正相關關系。因此,當生物質炭輸入水平為30 t·hm-2時,更有利于CH4、N2O 和CO23種溫室氣體的增匯減排;生物質炭輸入水平差異引起的土壤溫度及水分差異可能是不同生物質炭處理CH4、N2O和CO2日排放通量產生差異的主要原因;由矯正系數(shù)及最佳時段溫室氣體排放量與累積排放量回歸分析可得,3種溫室氣體的最佳同期觀測時間為8：00—9：00。

旱作農田 春小麥 生物質炭 溫室氣體 排放通量 日變化 土壤溫度 土壤水分

CH4、N2O、CO2是引起全球氣候變化的主要溫室氣體,農田土壤是溫室氣體的重要排放源[1-2],農業(yè)活動產生的溫室氣體各占大氣中CH4、N2O和CO2的90%、70%和20%[2-3],對溫室氣體總排放的貢獻率大約為20%[4]。隨著全球變暖導致氣候異常日益加劇,改良農田土壤性質,提高農田碳匯,減少農業(yè)源溫室氣體排放,對于緩解全球氣候變化具有極其重要的意義。

生物質炭是在厭氧或無氧條件下,經高溫熱解(350～600℃)產生的一種多孔富碳、高度芳香化難溶性的固態(tài)物質,具有穩(wěn)定性強、比表面積大、吸附能力強的特點[5]。生物質炭還田后,可將植物光合作用所固定的有機碳轉化為惰性碳,提升穩(wěn)定性碳庫儲量[6],減緩微生物對有機碳的礦化,達到增匯減排的作用[5]。因此生物質炭在農業(yè)領域中的應用備受關注。高德才等[7]、Stewart等[8]的研究發(fā)現(xiàn),生物質炭添加能顯著降低土壤N2O排放,但土壤CO2排放則隨生物質炭輸入量的增加而增加?？萝S進等[9]室內培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn),耕地土壤中添加生物炭對土壤CO2排放的減排率高達41.5%。Spokas等[10]通過不同生物質炭輸入水平試驗,發(fā)現(xiàn)生物質炭對土壤CO2及CH4的排放具有顯著抑制效果,且不同輸入水平均能在一定程度上抑制土壤N2O的排放。郭艷亮等[11]通過在半干旱區(qū)農田的研究發(fā)現(xiàn),短期內生物炭的添加對土壤CO2和N2O排放沒有顯著影響, 但CH4排放隨著生物炭添加量的增加而降低。Zhang 等[12]旱地試驗發(fā)現(xiàn),與對照相比,不同生物質炭輸入量處理下的CH4排放量均未出現(xiàn)明顯變化。我們的研究發(fā)現(xiàn),作物生長季土壤CH4排放通量隨生物質炭輸入量的增加而減小;當生物質炭輸入量小于30 t·hm-2時,土壤N2O、CO2排放通量隨其輸入量增加而顯著減小,但當其輸入量超過 30 t·hm-2時, N2O、CO2排放通量則呈顯著增大趨勢[13]。可見,目前國內外有關生物質炭輸入水平對溫室氣體增匯減排的研究結論尚不統(tǒng)一,且以大時間尺度研究為主,在此基礎上的日變化差異研究少見報道。溫室氣體日排放研究是估算大時間尺度(如年際和季節(jié))下溫室氣體排放量的基礎[14-15]。因此,探究不同生物質炭水平下的溫室氣體日排放規(guī)律并確定其最佳觀測時間,對于研究生物質炭輸入水平對溫室氣體的影響,精準估算不同生物質炭水平下的溫室氣體排放具有重要意義。

本研究在黃土高原半干旱區(qū),通過研究不同生物質炭輸入水平下,全天旱作農田溫室氣體連續(xù)排放特征及溫度對CH4、N2O和CO2氣體通量的影響,在時間尺度上探討生物質炭輸入水平差異可能導致的土壤溫室氣體排放差異,以期為生物質炭處理下的旱作農田溫室氣體觀測確定最佳時間,科學估計生物質炭對農田溫室氣體的減排效益,為合理應用生物質炭、減少溫室氣體排放、緩解全球氣候變暖提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地設在甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)甘肅農業(yè)大學旱作農業(yè)綜合試驗站,該區(qū)位于隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū),為典型的雨養(yǎng)旱作農業(yè)區(qū)。區(qū)內平均海拔2 000 m左右,日照時數(shù)2 300 h,年平均太陽輻射5 94.9 kJ·cm-2,年均氣溫6.5℃,無霜期149 d,年均降水量390.99 mm,年蒸發(fā)量1 531 mm,80%保證率的降水量為365 mm,變異系數(shù)24.3%,干燥度2.53。土壤為典型的黃綿土,土質綿軟,土層深厚,質地均勻,儲水性能良好。土壤pH 為8.36,土壤平均容重為1.17 g·cm-3,凋萎含水率7.3%,飽和含水率21.9%,有機質含量12.01 g·kg-1,全氮0.76 g·kg-1,全磷(P2O5)1.77 g·kg-1。

1.2 試驗設計與方法

試驗設置6個生物質炭水平處理,分別為0 t·hm-2(B0)、10 t·hm-2(B1)、20 t·hm-2(B2)、30 t·hm-2(B3)、40 t·hm-2(B4)和50 t·hm-2(B5),3次重復,試驗小區(qū)面積為2.8 m×6 m,小區(qū)采用完全隨機區(qū)組設計,播前耕后按試驗設計量均勻撒入土壤后翻埋于耕層土壤(10 cm左右)。供試春小麥品種為‘定西35號’,2015 年3月下旬播種,7月底收獲,播種量為187.5 kg·hm-2,行距為20 cm,播深7 cm。各處理施用氮素與磷肥水平一致,施純N 105 kg·hm-2(尿素,46%N),純P2O5105 kg·hm-2(過磷酸鈣,含14%的P2O5)。在播種同時按照試驗設計一次性施肥,不再追肥。

供試生物質炭為金和福農業(yè)科技股份有限公司生產的玉米秸稈生物質炭,生物炭基本性質：pH 9.21,C含量53.28%,N 含量1.04%,P含量0.26%, Ca含量0.8%,K含量0.51%。

1.3 氣體采集與樣品分析

1.3.1 氣體樣品采集

CH4與N2O采用靜態(tài)暗箱密閉法收集氣體樣品[16]。根據(jù)試驗地氣候特征及春小麥生育期狀況,結合以往季節(jié)性變化研究[17],采樣時間選取水肥、氣候等外部環(huán)境因素相對穩(wěn)定的5月中下旬進行,根據(jù)氣象報告,日變化測定日期定為5月22—23日,觀測日天氣為晴轉多云,為本月份代表性天氣。采樣時間從16：00開始,到次日17：00結束,每隔4 h取樣1次。根據(jù)氣象觀測記錄,氣溫、風力級別、地下5 cm土壤溫度、空氣濕度、土壤濕度等影響溫室氣體通量的環(huán)境要素大致為5月份的平均水平,可代表本月份總體情況。

采樣箱為圓柱形,包括底座和頂箱,由1 mm厚304 K薄的不銹鋼板制成,頂箱直徑38 cm,高35 cm,底座內徑36.5 cm,高16 cm,上端有密封凹槽,播種后將底座栽入各處理小區(qū)中間,整個采樣期不再移動;箱體外圍覆鋁箔反光保溫膜,頂部留有1個膠塞測溫口,用于采樣時插入溫度計記錄箱內溫度;箱體內部裝有風扇用于混勻氣體;箱體一側安裝三通閥采樣孔,用于注射器采樣。采樣時,將頂箱嵌入底座凹槽加水密封,插入溫度計并接通風扇電源后立即用注射器分別采集0 min、10 min和20 min的氣體樣品,分別注入150 mL鋁塑復合氣袋中帶回實驗室進行分析。

CO2氣體通量采用EGM-4便捷式CO2分析儀(英國PP Systems公司生產)測定,與N2O、CH4氣體樣品采集同步進行。

1.3.2 氣體樣品分析

氣體濃度采用安捷倫7890A型氣相色譜儀進行分析。色譜柱：ParkQ 15 m×0.53 mm×25 μm。CH4采用前檢測器FID(檢測溫度200℃,柱溫55℃),載氣為高純N2;N2O采用后檢測器(u)ECD(檢測溫度300℃,柱溫45℃),載氣為高純N2,氣體排放通量F計算公式為：

式中：F為氣體排放通量(mg·m-2·h-1);A為取樣箱底面積(m2);V為體積(m3);M0為氣體分子量;C1、C2分別為測定箱關閉時和測定箱開啟前箱內溫室氣體的體積濃度(mol·mol-1);T1、T2分別為測定箱關閉時和測定箱開啟前箱內溫度(K),t1、t2為測定開始和結束的時間。

溫室氣體(CH4、N2O、CO2)累積排放量(M)計算公式如下：

式中：M為全天氣體累積排放量(kg·hm-2),F為氣體排放速率(mg·m-2·h-1),N為采樣次數(shù),t為相鄰兩次采樣的時間間隔(h)。

不同生物質炭輸入水平下旱作農田一天中各個時刻溫室氣體排放通量的矯正系數(shù)計算公式如下[14]：

式中：i為一天中進行觀測的次數(shù),各次觀測之間的時間相等;Ci為矯正系數(shù);Favg為溫室氣體日平均排放通量;Fi為第i次觀測的溫室氣體排放通量。

1.3.3 同期觀測數(shù)據(jù)

土壤溫度測定。試驗小區(qū)各設地溫計,采樣同時同步觀察記錄地表及地下5 cm處的土壤溫度。

土壤水分含量測定。采集氣體同時,用土鉆取0～5 cm土層土壤,用烘干法[(105±2)℃]進行土壤含水量測定。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

試驗原始數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2010整理后,利用Origin 9與SPSS 17.0軟件進行顯著性和相關性分析作圖。

圖1 不同生物質炭輸入水平下春小麥地土壤CH4(a)、N2O(b)和CO2(c)排放通量日變化Fig.1 Diurnal variations of soil CH4(a),N2O(b)and CO2(c)fluxes of spring wheat fields under different biochar application rates

2 結果與分析

2.1 不同生物質炭輸入水平下春小麥田CH4、N2O、CO2通量的日變化

由圖1a可以看出,不同生物質炭輸入處理下,春小麥田土壤CH4通量與氣溫變化趨勢大致一致,具有明顯的日變化特征,各處理排放通量均表現(xiàn)為白天排放量大于夜間。在16：00—4：00,各處理排放通量大致呈逐漸降低趨勢,在4：00—5：00達到全天的吸收峰,其中B3吸收通量最低,達-3.86μg·m-2·h-1,分別比B0、B1、B2、B4和B5低28.44%、31.82%、54.40%、29.38%和33.25%,各處理間吸收通量差異較小。隨后CH4的排放通量開始上升,進入白天,各處理排放通量差異顯著增大,16：00—17：00達到白天的排放峰,B0顯著高于其他各處理。白天各處理表現(xiàn)為CH4的凈排放源,4：00—5：00各處理表現(xiàn)為凈吸收匯。

由圖1b可知,不同生物質炭處理水平下N2O排放通量日變化特征明顯,B3變化平緩,B0的N2O排放通量明顯高于其他各處理,各處理隨晝夜溫差變化呈晝高夜低的變化趨勢。16：00—4：00隨溫度的降低,各處理N2O排放通量逐漸降低。5：00以后各處理N2O排放通量開始上升,在12：00—13：00,除B2、B4、B5外,其余處理出現(xiàn)N2O排放峰。B0處理在各時段排放通量保持較高水平,并在4：00—5：00出現(xiàn)排放低谷,12：00—13：00達到一天的峰值,排放通量波動范圍為131.81～372.67μg·m-2·h-1,說明氣溫變化對B0處理排放通量影響較大。B3在各時段排放通量變化較小,說明30 t·hm-2(B3)的生物質炭輸入水平可能更利于抑制硝化和反硝化細菌的活性。

圖1c為不同生物質炭輸入水平下,春小麥地CO2排放通量的日變化曲線。不同生物質炭輸入水平下,土壤CO2排放通量的日變化大致呈單谷單峰曲線,晝高夜低,其變化趨勢與氣溫日變化軌跡大體一致,說明旱作農田溫室氣體排放受溫度的影響較大,各處理CO2排放通量隨氣溫升高而升高,隨溫度降低而降低,白天排放通量顯著高于夜晚。16：00—5：00隨氣溫下降,除B5最低排放通量出現(xiàn)在0：00—1：00,其他處理在4：00—5：00出現(xiàn)對CO2的排放谷。4：00—13：00隨氣溫回升,各處理排放通量逐漸增大,并在12：00—13：00出現(xiàn)對CO2的排放峰,B0處理此時達到全天的排放最高值,為116.76 mg·m-2·h-1,分別比B1、B2、B3、B4和B5高16.31%、12.61%、41.0%、39.19%和25.85%,12：00—17：00隨溫度下降排放通量再次表現(xiàn)出下降趨勢。

2.2 不同生物質炭輸入水平對春小麥地CH4、N2O 和CO2日平均通量的影響

表1為CH4、N2O和CO2氣體全天的通量差異。由于全天各時段的氣體通量只能反映相應時段的排放或吸收狀況,且環(huán)境因子變化差異亦有可能引起通量變化出現(xiàn)偏差,本文通過核算各處理全天氣體平均通量,并進行方差分析和多重比較(表2),估算全天內各處理對CH4、N2O與CO2氣體的影響。

表1 不同生物質炭輸入水平下小麥地CH4、N2O、CO2的通量日平均值及多重比較Table 1 Duncan’s multiple-range test for the means of soil CH4,N2O and CO2fluxes of different biochar application rates in spring wheat fields

可以得出：除B3處理土壤CH4日平均通量為吸收通量,其他處理日平均通量為排放通量。各處理日平均通量的大小次序為：B0＞B1＞B2＞B5＞B4＞B3。B0處理下的CH4平均通量顯著大于B1、B2、B3、B4 和B5處理,分別高2.32μg·m-2·h-1、3.57μg·m-2·h-1、10.24μg·m-2·h-1、9.09μg·m-2·h-1和7.25μg·m-2·h-1,說明生物質炭添加會不同程度地減小CH4的日排放量,且以30 t·hm-2的生物質炭輸入量為界,CH4日平均排放通量隨生物質炭輸入水平提高表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。其中,B1與B2差異不顯著,B3與B4差異不顯著,說明CH4日排放通量會隨生物質炭添加量的不同產生差異,低水平生物質炭輸入量之間、中水平生物質炭輸入量之間的減排效應差異不顯著。B3、B4與B5之間差異顯著,說明中水平與高水平生物質炭輸入水平的減排效應差異顯著。

旱作春小麥地土壤N2O日平均通量為排放通量, 6種處理下的N2O排放通量表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化。由表1可知,各處理下N2O日平均排放通量大小次序為：B0＞B1＞B5＞B2＞B4＞B3。B0、B1和B3與其他各處理差異顯著,B2、B4和B5之間差異不顯著。與B0處理相比,B1、B2、B3、B4和B5的N2O排放通量分別降低30.13%、45.59%、61.20%、46.47% 和43.21%,說明在生物質炭輸入量小于30 t·hm-2時, N2O排放通量隨生物質炭輸入量的增加而減小,當超過30 t·hm-2時,N2O排放通量反而表現(xiàn)出增加趨勢,但高水平生物質炭處理之間的排放通量增加幅度較小。張斌等[18]在旱地土壤溫室氣體排放的研究結果表明,當生物質炭添加量為40 t·hm-2時,N2O減排效應較好,與本研究結果接近。

表2 各處理氣體通量日變化與地表溫度和5 cm地溫的相關性分析Table 2 Correlation analysis between gases fluxes and soil surface temperature,soil temperature of 5 cm depth in diurnal variation

與CH4和N2O類似,旱作春小麥地土壤CO2的日平均通量為排放通量,隨生物質炭輸入水平的差異表現(xiàn)出明顯的規(guī)律,各處理下的CO2日平均排放通量的大小次序為：B0＞B1＞B2＞B5＞B4＞B3。由表1可見,除B3與B4之間差異不顯著外,其他各處理間CO2排放通量差異顯著。與B0處理相比較,B1、B2、B3、B4和B5的CO2排放通量分別降低5.30%、10.48%、23.59%、21.36%和19.12%,說明當生物質炭輸入水平為30 t·hm-2時,CO2的減排效果最好,當輸入量過高時反而不利于CO2的減排。

2.3 不同生物質炭輸入水平下春小麥地CH4、N2O 和CO2通量日變化與地表氣溫、5 cm地溫的關系

由圖2知,各時段不同生物質炭輸入水平下地表溫度及5 cm 地溫日變化特征明顯,且變化趨勢基本一致,但變化幅度存在差異。

圖2 不同生物質炭水平下全天小麥地平均土壤溫度變化圖Fig.2 Variations of average soil temperature of different biochar application rates in spring wheat fields

由表2可知,CH4通量與地表溫度及5 cm的地溫呈正相關關系,其中B0、B3、B5處理相關性較顯著,說明CH4日排放通量隨地表溫度及5 cm地溫的升高而升高,生物質炭輸入水平不同導致的水熱組合不同可能會引起CH4排放通量的差異。

B0和B4處理的N2O排放通量與地表溫度及5 cm地溫呈顯著正相關關系,B1處理的N2O排放通量與地表溫度呈顯著性正相關關系,其他處理的N2O排放通量與地表溫度及5 cm地溫呈正相關但不顯著,說明N2O日排放通量隨地表溫度及5 cm地溫的升高而升高,生物質炭的添加對5 cm地溫具有一定的維持作用,且與B0處理相比較,其他處理5 cm地溫變化差異對N2O排放通量影響不大。

B0和B1處理的CO2排放通量與地表溫度呈顯著性正相關,其他處理的CO2排放通量與地表溫度呈極顯著相關關系,說明地表溫度的變化是影響CO2排放通量的重要因素。B2和B5的CO2排放通量與5 cm地溫呈顯著性正相關,B3和B4的CO2排放通量與5 cm地溫呈極顯著性正相關,B0、B1的 CO2排放通量與5 cm地溫呈不顯著正相關關系,說明生物質炭的添加會引起5 cm地溫的變化,是導致CO2排放通量變化的重要影響因子。由此可見,溫度是造成不同生物質炭處理CH4、N2O和CO2通量日變化差異的重要原因。

2.4 不同生物質炭輸入水平下春小麥地CH4、N2O和CO2通量排放的最佳觀測時間及回歸分析

由圖1可見,溫室氣體的排放通量日變化特征明顯,且存在較大的時間變異性。圖3為3種溫室氣體的矯正系數(shù)隨時間變化的分布圖,矯正系數(shù)是指各時段溫室氣體的平均排放通量與某時段溫室氣體排放通量的比值,即某一時段排放通量矯正系數(shù)越接近于1,該時段的排放通量就越接近于日平均排放通量。由圖3可得,CH4、N2O、CO23種溫室氣體排放通量的矯正系數(shù),均在8：00—9：00時較為接近于1,說明8：00—9：00是3種溫室氣體同期觀測的最佳時間,可以作為后續(xù)研究中的代表性觀測時間,科學估計溫室氣體在相應季節(jié)的排放通量。

圖3 CH4(a)、N2O(b)與CO2(c)的矯正系數(shù)隨時間分布圖Fig.3 Diurnal variations of correction coefficients of CH4(a),N2O(b)and CO2(c)

同時,通過對最佳時段的平均排放通量與日排放總量進行回歸分析(圖4),對最佳時段的代表性做進一步驗證,結果表明,CH4、N2O和CO2在這一時間段的平均排放量與日排放總量的相關系數(shù)分別達0.937 (P＜0.01)、0.902(P＜0.05)和0.909(P＜0.05),均達顯著水平,說明不同處理水平下,各氣體這一時間段的排放量均具有很強的代表性,可作為生物質炭處理條件下,旱作農田春小麥田溫室氣體研究的最佳取樣時間段。

圖4 CH4(a)、N2O(b)與CO2(c)氣體最佳觀測時間排放通量與日排放總量的回歸分析Fig.4 Regression analysis between the optimal observation time and the daily total fluxes of CH4(a),N2O(b)and CO2(c)

3 討論與結論

通過對不同生物質炭輸入水平下土壤溫室氣體的日變化觀測分析,本研究結果顯示：在生物質炭輸入水平小于30 t·hm-2時,CH4排放通量表現(xiàn)為隨生物質炭輸入水平的增加而減小,當超過30 t·hm-2時, CH4排放通量則表現(xiàn)出隨生物質炭輸入水平的增加而增加的趨勢,原因可能是生物質炭輸入土壤后,其巨大的比表面積和孔隙度改善了土壤的通氣狀況[19],通過影響土壤供氧狀況對CH4產生和吸收過程中相關微生物的調節(jié)作用從而減少CH4的排放[20]。與此同時,通過改變土壤水熱狀況,抑制產甲烷菌的活性,使得受溫度變化影響較小的甲烷氧化菌活性增加,引起CH4的排放減少[10,20],但旱作農田土壤甲烷氧化菌活性有限,導致過量的生物質炭輸入水平下的減排效應不顯著。白天,旱作農田春小麥地為CH4排放通量的源,夜間各水平處理CH4通量既有源又有匯,4：00—5：00時各處理表現(xiàn)為CH4通量的凈吸收匯。16：00—17：00出現(xiàn)CH4排放峰,這可能是經過一天的太陽輻射,土壤溫度達到一天中的最高值,隨溫度上升,產甲烷菌較甲烷氧化菌活躍度高的緣故。16：00—17：00時,與B0處理相比,其他各處理的CH4排放通量較低,這可能是具有多孔特性的生物質炭將土壤水分吸附,使土壤透氣性提高,水熱狀況較為穩(wěn)定,一定程度上提高了甲烷氧化菌的氧化作用所導致的[10]。

大量研究表明,生物質炭的添加對N2O的增匯減排具有積極的作用[10,18,21]。本研究結果顯示,除4：00—5：00時段B2和B4出現(xiàn)對N2O的吸收峰,各處理在各觀測時段表現(xiàn)為N2O的排放通量,且較B0處理,不同水平生物質炭的添加不同程度減少了N2O的排放,說明旱作農田春小麥地為N2O通量的排放源,這與劉博等[16]、段翠青等[22]的日變化研究結果以及王旭燕等[23]的季節(jié)特征研究結果一致,進一步說明了生物質炭的添加有利于旱作農田春小麥農田N2O的增匯減排;當生物質炭輸入水平為30 t·hm-2時,生物質炭對農田N2O的減排效應最好。這可能因為生物質炭添加后,增加了土壤的通氣性[10],提高了土壤陽離子交換量,吸附固定了土壤的NH4+[24],使反硝化作用的底物減少,抑制了硝化過程的進行,從而減少了N2O的產生;也有可能是因為土壤O2的增加,減少了硝化過程第2階段以及反硝化過程中N2O的產生[19]。但是,在反硝化過程中,N2O還原酶(Nos)對O2的敏感度較其他酶要高得多,當生物質炭輸入量過高時,通氧量的增加可能造成反硝化過程進行到N2O時停止,引發(fā)N2O排放增加[25],這可能是B4、B5較B3減排效果減弱的原因。

國內外關于生物質炭對旱地CO2排放影響的研究結果仍不盡一致,尚未形成系統(tǒng)結論,這可能是由于生物質炭來源、制備過程以及土壤差異等因素所導致[11,26-27]。本研究結果表明,較B0處理,在春小麥旱作農田添加生物質炭有利于CO2的增匯減排,這一結果與Liu等[28]和Spokas等[10]的結論一致。原因可能是生物質炭在土壤中的添加,一方面因其本身具有的高度穩(wěn)定性,使其所含有的碳素牢牢固定在土壤中,成了碳的凈匯,減少了碳循環(huán)中CO2的排放量;另一方面,生物質炭較大的表面積和強吸附能力可將土壤有機質吸附到其表面或孔隙中,通過吸附作用降低有機質有效性,通過包封作用將微生物與有機質隔離,從而抑制有機質降解,減少CO2的排放[26]。但CO2的日排放量并非隨生物質炭輸入量的增加而減小,當生物質炭輸入達到30 t·hm-2時,旱作春小麥地土壤表現(xiàn)出對CO2的最大減排比,這可能是土壤初始有機質含量對土壤呼吸作用的影響所導,生物質炭的添加降低了有機碳含量較低的黃綿土土壤呼吸,使CO2排放量減小;但是過量的生物質炭,反而使CO2排放量趨于增加,這可能是由于土壤有機碳庫已經達到飽和狀態(tài)[29],過量的生物質炭輸入土壤后所形成的土壤水熱狀況、土壤結構不利于CO2的增匯減排。

由此可見,當生物質炭輸入水平為30 t·hm-2時, CH4的日平均通量為吸收通量,低于或高于30 t·hm-2的各水平處理下,全天春小麥地土壤表現(xiàn)為CH4的排放通量。6種處理水平下,全天春小麥地土壤表現(xiàn)為N2O、CO2的排放源。當生物質炭輸入水平為30 t·hm-2時,更有利于CH4、N2O和CO2氣體日排放通量的增匯減排。

土壤溫室氣體的排放與環(huán)境因子息息相關。觀測當天0～5 cm的土壤溫度及水分與生物質炭輸入量回歸方程均達顯著水平,由此可見生物質炭輸入量與0～5 cm的土壤水分呈顯著正相關,輸入水平差異也在一定程度上引起土壤溫度和水分的差異,生物質炭的添加對于土壤的水熱狀況有著重要的影響,勢必會對溫室氣體排放造成影響。本研究結果表明,B0處理3種溫室氣體(CH4、N2O、CO2)的吸收或排放通量與地表溫度及5 cm地溫均呈顯著正相關,說明在日變化中,CH4、N2O和CO2吸收或排放過程受地表溫度及5 cm地溫的顯著影響,這與田慎重等[14]和謝軍飛等[30]的研究結果一致。此外,其他各處理也表現(xiàn)出與地表溫度及5 cm地溫不同程度的正相關關系,說明在較短的時間尺度內,在氣候、土壤、植物等狀況相對穩(wěn)定的情況下,溫度成為影響溫室氣體排放的主要因素,在不同生物質炭輸入水平下所形成的水熱組合可能是導致各處理日排放通量差異的主要原因。

由矯正系數(shù)隨時間的分布情況及排放總量與最佳時間的排放通量的回歸分析可見,8：00—9：00是CH4、N2O和CO2的最佳觀測時間,可作為旱作農田春小麥地3種溫室氣體觀測時間,這與田慎重等[14]的研究結果一致。

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Diurnalvariationsofgreenhousegasesemissionsunderdifferentbiocharapplications*

SONG Min1,2,3,4,CAI Liqun1,2,3**,QI Peng1,2,3,StephenYeboah1,2,3,5,ZHANG Renzhi1,2,3,LUO Zhuzhu1,2,3,PAN Zhandong1,2,3,LU Tingchao1

(1.College of Resources and Environmental Sciences,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2.Gansu Provincial Key Lab ofAridland Crop Science,Lanzhou 730070,China;3.Gansu Province Research Center for Water-savingAgriculture Engineering Technology,Lanzhou 730070,China;4.Department of Textile Engineering,Anhui Vocational and Technical College,Hefei 230514, China;5.CSIR-Crops Research Institute,P.O.BOX 3780-Kumasi,Ghana)

Biochar is a carbon-rich solid product obtained from heating biomass under oxygen-limited conditions.Biochar application has the potential to mitigate greenhouse gas emission.Dryland farming areas in Northwest China emit substantial amounts of greenhouse gases.The aim of this study was to determine the effects of different biochar rates on diurnal variations in methane(CH4),nitrous oxide(N2O)and carbon dioxide(CO2)emissions in the western Loess Plateau.Treatments included 6 biochar application rates(3 replications)：0 t·hm-2(control,B0),10 t·hm-2(B1),20 t·hm-2(B2),30 t·hm-2(B3),40 t·hm-2(B4) and 50 t·hm-2(B5)t·hm-2.Soil moisture and temperature were measured concurrently with gas measurement.The results showed distinct diurnal variations in CO2,CH4and N2O fluxes for different biochar application rates.The trends of change in the fluxes of the 3 gases(CH4,N2O and CO2)were consistent with daily variations in temperature.Daytime fluxes were greater than nighttime fluxes.The order of absorption peak of CH4was B0(10.14 μg·m-2·h-1)＞B1(7.82 μg·m-2·h-1)＞B2(6.57 μg·m-2·h-1)＞B5(2.89 μg·m-2·h-1)＞B4(1.05 μg·m-2·h-1)＞B3(-0.10 μg·m-2·h-1).A similar order was noted for average emission flux of N2O,given as B0(288.79 μg·m-2·h-1)＞B1(201.78 μg·m-2·h-1)＞B5(164.02 μg·m-2·h-1)＞B2(157.14 μg·m-2·h-1)＞B4(154.60 μg·m-2·h-1)＞B3(112.06 μg·m-2·h-1).The order of average emission flux of CO2was B0(85.44 mg·m-2·h-1)＞B1(80.91 mg·m-2·h-1)＞B2(76.49 mg·m-2·h-1)＞B5(69.10 mg·m-2·h-1)＞B4(67.19 mg·m-2·h-1)＞B3(65.29 mg·m-2·h-1).The results showed that when biochar input was less than 30 t·hm-2,mean emission fluxes of CH4,N2O and CO2dropped with increasing biochar application rate.However,when biochar input exceed 30 t·hm-2,the mean emission fluxes of CH4,N2O and CO2increased with increasing biochar application rate.The soil was a good source of atmospheric CH4for all treatments(except for 30 t·hm-2)and sources of atmospheric N2O and CO2,irrespective of treatment.Soil temperature at 5 cm depth was correlated with biochar application rate—y=-0.017 6x+16.585(R2=0.302 6,r=-0.55,P＜0.05),but soil moisture at 5 cm soil depth was linearly correlated with biochar application rate—y=0.056 5x+13.626(R2=0.815 1,r= 0.903,P＜0.05).The average fluxes of CH4,N2O and CO2under the control treatment were positively correlated with soil temperature of both soil surface and the 0-5 cm depth.The others treatments were also positively correlated with different levels of biochar.Biochar application at 30 t·hm-2reduced greenhouse gas emission.The differences in both soil temperature and moisture caused by different input levels of biochar were the main reasons for the differences in CH4,N2O and CO2emissions.Correction coefficient and regression analysis of optimal measure time revealed that the optimal observation period of the three greenhouse gases was between 8 a.m.and 9 a.m.

Dry farmland;Spring wheat;Biochar;Greenhouse gases;Emission flux;Diurnal variation;Soil temperature;Soil moisture

X171.3

A< class="emphasis_bold">文章編號:1671-3

1671-3990(2016)10-1300-10

10.13930/j.cnki.cjea.151318

* 甘肅省干旱生境作物學重點實驗室開放基金課題(GSCS-2012-13)、國家自然科學基金項目(31160269,31571594)、“十二·五”《循環(huán)農業(yè)科技工程》項目(2012BAD14B03)和甘肅省自然科學基金項目(145RJZA204,145RJZA106)資助

**通訊作者：蔡立群,研究方向為農業(yè)生態(tài)學。E-mail：cailq@gsau.edu.cn宋敏,研究方向為恢復生態(tài)學、生態(tài)環(huán)境效應。E-mail：153405328@qq.com

2015-12-15 接受日期：2016-04-06

* Supported by the Open Found of Gansu Provincial Key Lab of Aridland Crop Science Project(GSCS-2012-13),the National Natural Science Foundation of China(31160269,31571594),the Project of the Twelfth Five-Year Plan for Circular Agriculture Science and Technology (2012BAD14B03)and the Natural Science Foundation of Gansu Province(145RJZA204,145RJZA106)

**Corresponding author,E-mail：cailq@gsau.edu.cn Received Dec.15,2015;accepted Apr.6,2016