運用“碳足跡”的方法評估小麥秸稈及其生物質(zhì)炭添加對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯的影響

成　功，張阿鳳*，王旭東*，張衛(wèi)華，杜可清

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊陵712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌712100）

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運用“碳足跡”的方法評估小麥秸稈及其生物質(zhì)炭添加對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯的影響

成功1，2，張阿鳳1，2*，王旭東1，2*，張衛(wèi)華1，杜可清1

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊陵712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌712100）

摘要：為分析添加秸稈、生物質(zhì)炭后小麥生產(chǎn)過程中碳足跡的動態(tài)、分布以及構(gòu)成，研究了不同處理在小麥生長期的CO2、N2O、CH4排放情況，以及不同處理的單位面積碳足跡構(gòu)成與碳足跡總量，試驗設(shè)置5個處理：對照（CK）、常規(guī)施肥（N）、施肥并添加4 t· hm(-2)秸稈（NS）、施肥并添加4 t·hm(-2)生物質(zhì)炭（NBC(low)）、施肥并添加8 t·hm(-2)生物質(zhì)炭（NBC(high)）。結(jié)果表明，小麥生產(chǎn)中碳足跡的構(gòu)成主要為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力（NPP）和氮肥生產(chǎn)過程中的能源消耗，與常規(guī)施肥相比：添加4 t·hm(-2)秸稈、4 t·hm(-2)生物質(zhì)炭與8 t·hm(-2)生物質(zhì)炭處理，小麥產(chǎn)量分別增加了30.9%、66.3%和36.6%；添加4 t·hm(-2)秸稈使土壤CO2的季節(jié)排放總量增加了68.7%，生態(tài)系統(tǒng)N2O的季節(jié)排放總量降低了33.9%，添加4 t·hm(-2)和8 t·hm(-2)生物質(zhì)炭生態(tài)系統(tǒng)N2O的季節(jié)排放總量降低了23.8%和58.6%，但是土壤CO2的季節(jié)排放總量沒有顯著性的差異；添加4 t·hm(-2)秸稈使小麥生產(chǎn)過程中的碳足跡升高了26.0%，添加4 t·hm(-2)和8 t·hm(-2)生物質(zhì)炭碳足跡分別降低了198.0%和112.9%。生物質(zhì)炭的添加降低了小麥生產(chǎn)過程中的碳足跡。

關(guān)鍵詞：小麥秸稈；生物質(zhì)炭；碳足跡；碳匯

成功，張阿鳳，王旭東，等.運用“碳足跡”的方法評估小麥秸稈及其生物質(zhì)炭添加對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2016, 35 （3）：604-612.

CHENG Gong, ZHANG A-feng, WANG Xu-dong, et al. Assessment of wheat straw and its biochar effects on carbon sink in agricultural ecosystems using "carbon footprint" method[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（3）: 604-612.

自2003年到2012年，由于人為活動導(dǎo)致溫室氣體（GHGs）排放增加，使全球表面溫度提高了（0.78± 0.06）℃[1]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告[1]表明，2010年全球農(nóng)林業(yè)溫室氣體排放達(dá)到12.0 Gt CO2-Ce（CO2當(dāng)量），占人類活動總排放的24.0%（49.00±4.50 Gt CO2-Ce）。若通過良好的管理措施，農(nóng)業(yè)的減排潛力可占總自然潛力的20%以上[2]，減少農(nóng)田溫室氣體排放，對于減緩全球氣候變化具有十分重要的作用。

我國農(nóng)業(yè)每年產(chǎn)生6～8 Gt的作物秸稈[3]，但資源利用率較低。秸稈還田是秸稈利用的一種重要方式，其能夠維持土壤養(yǎng)分平衡，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤有機碳含量[4]，但同時增加了土壤呼吸[5]。近年來，將秸稈在高溫厭氧環(huán)境下轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭施入土壤，作為一個有效的增匯減排途徑被廣泛研究[6]。生物質(zhì)炭自身具有多孔的結(jié)構(gòu)，施入土壤后可以增加表層土壤孔隙度、田間持水量及土壤水分的滲透性[7]，并能夠抑制土壤CO2和N2O的排放，增加土壤有機碳庫[8]。但是也有研究表明，生物質(zhì)炭的施用增加了稻田CH4的排放[9]，而有關(guān)生物質(zhì)炭施用對關(guān)中地區(qū)塿土（土墊旱耕人為土）碳氮轉(zhuǎn)化影響的研究還很少。

隨著全球變暖成為社會關(guān)注的熱點，碳足跡作為一個新的研究方法迅速得到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，并成為氣候變化領(lǐng)域新的研究熱點[10]。碳足跡研究法旨在系統(tǒng)、定量地研究個體生命周期內(nèi)所有的碳源和碳匯[11]，有效評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對溫室效應(yīng)的影響。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對農(nóng)業(yè)碳足跡進行了研究[12-13]，但對添加秸稈及其生物質(zhì)炭后作物生產(chǎn)碳足跡的分析較少。本文旨在研究添加秸稈及其生物質(zhì)炭之后，小麥生長季土壤CO2排放及生態(tài)系統(tǒng)N2O、CH4排放和小麥產(chǎn)量的變化，運用“碳足跡”的方法評價秸稈和生物質(zhì)炭施用對小麥生長過程中凈碳匯的影響，為合理評估秸稈、生物質(zhì)炭的農(nóng)田應(yīng)用及農(nóng)業(yè)固碳減排提供理論支撐與科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗田位于陜西關(guān)中平原中部楊凌區(qū)，西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院。屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤氣候區(qū)，海拔521 m，年平均降水量630 mm，年平均溫度12.9℃，年晝夜溫差平均11.5℃，年均蒸發(fā)量1440 mm，全年降雨主要集中在7、8、9三個月，屬于典型的冬小麥-夏玉米一年兩熟種植區(qū)。試驗站內(nèi)土壤為塿土，1 m土層的平均田間持水量為23%～25%，萎蔫系數(shù)為8.5%（以上含水量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），土壤容重為1.44 g·cm-3。

1.2試驗材料

供試的小麥秸稈及小麥秸稈生物質(zhì)炭均購買于三利新能源有限公司，其碳氮含量見表1。生物質(zhì)炭是由小麥秸稈在350～550℃無氧條件下熱解制得，其中K、Ca和Mg的含量分別是0.16%、1.01%和0.62%。生物質(zhì)炭過5 mm篩備用。

表1　秸稈及生物質(zhì)炭的碳、氮含量Table 1 Organic carbon and total nitrogen of wheat straw and its biochar

1.3試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共5個處理，其中秸稈施用量為4 t·hm-2，生物質(zhì)炭施用量為4 t·hm-2和8 t·hm-2（表2），每個處理重復(fù)3次，共15個小區(qū)，小區(qū)面積為2 m×5 m。試驗區(qū)周圍布0.5 m寬的作物保護帶。除CK外，其他各小區(qū)分別施用225 kg N·hm-2的尿素和90 kg P2O5·hm-2的磷酸二氫鈣，用作基肥。肥料、秸稈和生物質(zhì)炭在播種前人工撒施之后通過旋耕機一次性翻入耕層土壤。其他管理措施與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

表2　試驗處理及說明Table 2 Experimental treatments and description

小麥于2013年10月3日播種，2014年6月5日收獲。采樣日期分別為出苗期（2013年10月23日）、三葉期（2013年11月1日）、分蘗期（2013年11月11日）、越冬前期（2013年12月24日）、越冬后期（2014年1月21日）、返青期（2014年3月8日）、抽穗期（2014年4月17日）和成熟期（2014年5月25日）。

1.4測定項目與方法

1.4.1溫室氣體采集與測定

溫室氣體使用密閉式靜態(tài)暗箱法[14]進行采集。密閉箱分為箱體和底座兩部分，箱體材料為PVC，規(guī)格是50 cm×50 cm×50 cm，箱內(nèi)安裝風(fēng)扇以混勻氣體，底座上附凹槽，在小麥播種前插入土壤中安裝好。每小區(qū)安裝兩個底座，其中一個底座內(nèi)種植小麥，采集生態(tài)系統(tǒng)N2O和CH4的排放；另一個為裸地，采集土壤CO2的排放。每次采集氣體之前在凹槽中注水，使其與箱體形成一個密閉環(huán)境。在小麥生長的不同時期，每次于上午8：00—11：00之間采集氣體，每個小區(qū)分別用兩個密閉箱同時采集氣體，分別在密閉箱置于底座內(nèi)密封后的0、10、20、30 min時用注射器抽取箱內(nèi)氣體50 mL，共4次，氣樣中CO2、CH4和N2O的濃度在30 min內(nèi)都呈線性積累（R2＞0.900 0）。

采集的氣體用Agilent 7890 A氣相色譜儀測定。CH4和CO2使用FID檢測器，柱溫為80℃，檢測器溫度為200℃。載氣為氮氣，流速40 mL·min-1；燃?xì)鉃闅錃?，流?5 mL·min-1；助燃?xì)鉃榭諝?，流?50 mL· min-1。N2O使用ECD檢測器，其柱溫是65℃，檢測器溫度320℃，載氣為氬甲烷，流速30 mL·min-1。氣體排放速率由4個氣體樣品的濃度值經(jīng)過線性回歸分析得出，排放通量由下式求得，加權(quán)平均求全生育期CO2、N2O和CH4在小麥生長期內(nèi)的排放總量。

以CO2為例，式中：H為采集箱子的高度，cm；M 為CO2的摩爾質(zhì)量，44 g·mol-1；P為CO2的氣體密度，g·L-1；R為普適氣體常數(shù)，8.314 Pa·m3·mol-1·K-1；T為采樣時箱內(nèi)平均氣溫，℃；dC/dt為CO2排放速率，μL· L-1·min-1；Flux為CO2排放通量，mg CO2-C·m-2·h-1。

1.4.2溫度及水分的測定

每次采集氣體樣品的同時，用地溫計測定土壤15 cm處耕層溫度，用溫度計測定大氣溫度和密閉箱內(nèi)空氣溫度，測定時間為密閉箱置于底座后15 min。

氣體采集時土壤水分含量采用TDR土壤水分速測儀進行測定，每個小區(qū)隨機測3個點取平均值。

1.4.3小麥產(chǎn)量和凈初級生產(chǎn)力的測定

小麥?zhǔn)斋@后，在每個小區(qū)選取1 m2樣點進行單獨收割，風(fēng)干脫粒后稱取籽粒重量并計算產(chǎn)量，最終結(jié)果以每公頃小麥產(chǎn)量（kg·hm-2）表示。

凈初級生產(chǎn)力（NPP）為小麥?zhǔn)斋@后地上部分、掉落物和地下部分生物量的總和。

圖1　農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡模型Figure 1 Concept model of carbon footprint in agricultural ecosystem

1.4.4碳足跡評價方法

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡模型如圖1所示。試驗中，評價生物質(zhì)炭生產(chǎn)過程中的能源消耗與替代（生產(chǎn)的生物氣并網(wǎng)發(fā)電），農(nóng)資生產(chǎn)過程中（化學(xué)肥料和農(nóng)藥）的碳排放，農(nóng)藝措施中的能源消耗（耕作、秸稈打包和粉碎、秸稈及其生物質(zhì)炭還田、化肥和農(nóng)藥噴灑、收獲），秸稈及其生物質(zhì)炭運輸過程產(chǎn)生的能源消耗，同時考慮土壤異養(yǎng)呼吸的碳排放及小麥生長過程中的碳固定（生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力），文中用生態(tài)系統(tǒng)的凈交換（NEE）綜合表征生態(tài)系統(tǒng)凈的碳固定，并考慮小麥生態(tài)系統(tǒng)中CH4和N2O的排放，綜合評價小麥秸稈及其生物質(zhì)炭施用的固碳潛力，系統(tǒng)分析生物質(zhì)炭生產(chǎn)-農(nóng)田耕作系統(tǒng)碳平衡，這里用農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的單位面積碳足跡（CF）表征。在碳成本的計算過程中，秸稈以及生物質(zhì)炭運輸過程中產(chǎn)生的能源消耗用消耗的柴油量表示。生物質(zhì)炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的生物油是一種生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的重要副產(chǎn)品，但由于生物油精煉的復(fù)雜性和缺乏對其估值數(shù)據(jù)，在這項研究中沒有考慮生物油的利用率。

小麥生長過程的總CF計算公式為[13]：

式中：Ai為每個農(nóng)業(yè)投入的總量（如化肥或農(nóng)藥消費，kg，電力消耗，kWh）；EFj為排放參數(shù)。

作物生產(chǎn)單位產(chǎn)量碳足跡CFy（kg CO2-Ce·kg-1），即生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)每千克小麥所產(chǎn)生的碳排放，計算公式為[12]：

式中：TY為小麥產(chǎn)量。

1.5數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用3次重復(fù)。采用JMP 7.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行處理和相關(guān)性分析，應(yīng)用OriginPro 9.0軟件對數(shù)據(jù)進行制圖，采用Duncan法對數(shù)據(jù)進行方差分析（α=0. 05）。

2　結(jié)果與分析

2.1不同處理小麥產(chǎn)量及生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力差異

小麥?zhǔn)斋@后，各處理小麥產(chǎn)量見圖2。小麥產(chǎn)量由高到低依次為NBClow＞NBChigh＞NS＞N＞CK。與CK相比，其他處理的小麥產(chǎn)量分別提高了83.7%～205.5%。與常規(guī)施肥相比，添加4 t·hm-2秸稈后小麥的產(chǎn)量提高了30.9%，添加4 t·hm-2和8 t·hm-2生物質(zhì)炭處理小麥產(chǎn)量分別提高了66.3%和36.6%，小麥產(chǎn)量隨著生物質(zhì)炭用量的增加而降低。

不同處理之間生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力有顯著性差異（圖3）。與CK相比，常規(guī)施肥處理的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力提高了36.1%。與N相比，添加4 t· hm-2秸稈、4 t·hm-2生物質(zhì)炭和8 t·hm-2生物質(zhì)炭處理，小麥生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力分別提高了30.9%、63.0%和27.8%。

圖2　小麥秸稈及其生物質(zhì)炭對小麥產(chǎn)量的影響Figure 2 Effects of wheat straw and its biochar amendment on wheat yields

圖3　不同處理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力Figure 3 Net primary productivity in different treatments

2.2不同處理之間CO2排放差異

整個小麥生長期不同處理土壤CO2排放速率的變化趨勢與溫度和水分的變化趨勢一致（圖4a），都呈先降后升的趨勢（圖4b）。出苗期NS、NBClow、NBChigh三個處理的土壤CO2排放速率達(dá)到整個小麥生長期的最大值，分別為285.1、97.7、73.9 mg CO2-C·m-2·h-1。受溫度的影響，各處理土壤CO2排放速率均在越冬期出現(xiàn)最低值，其中CK處理的排放速率最低，只有6.69 mg CO2-C·m-2·h-1。返青期后CO2排放速率隨著溫度的升高而升高，CK、N兩個處理在抽穗期達(dá)到整個生長期的最大值，分別為115.5、109.8 mg CO2-C·m-2·h-1。不同處理CO2排放速率的均值大小順序為NS＞CK＞N＞NBClow＞NBChigh。總的來說，與常規(guī)施肥相比，添加4 t·hm-2秸稈處理，土壤CO2的排放總量增加了68.7%；而生物質(zhì)炭施用下土壤CO2排放總量與N處理相比沒有顯著性的差異（圖5a）。

2.3不同處理之間生態(tài)系統(tǒng)N2O和CH4排放差異

整個小麥生育期，不同處理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O的季節(jié)排放特征見圖4（c）。各處理土壤N2O排放速率的季節(jié)變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。除CK處理外，其余各處理N2O排放速率的最高值集中出現(xiàn)在小麥生育的出苗期和三葉期，分別為：N，31.7 μg N2O-N·m-2·h-1；NS，19.7 μg N2O-N·m-2·h-1；NBClow，24.2 μg N2O-N·m-2·h-1；NBChigh，28.0 μg N2ON·m-2·h-1。與常規(guī)施肥相比，秸稈和生物質(zhì)炭施用降低了生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率的最高值?？偟膩碚f，與施肥處理相比，添加4 t·hm-2秸稈、4 t·hm-2和8 t·hm-2的生物質(zhì)炭處理，生態(tài)系統(tǒng)N2O季節(jié)排放總量分別降低了33.9%、23.8%和58.6%（圖5b）。

一般認(rèn)為旱地是CH4的匯，各處理冬小麥生態(tài)系統(tǒng)CH4的排放速率見圖4（d）。不同處理CH4吸收速率均值由大到小依次為：NBClow，3.8 mg CH4-C·m-2·h-1；NBChigh，1.8 mg CH4-C·m-2·h-1；CK，-4.4 mg CH4-C·m-2· h-1；NS，-13.5mg CH4-C·m-2·h-1；N，-20.4 mg CH4-C·m-2· h-1。CK、N、NS三個處理均表現(xiàn)為CH4的凈吸收匯，添加生物質(zhì)炭的兩個處理表現(xiàn)為CH4的排放源。但總的來說，小麥生長季各處理之間CH4的季節(jié)排放總量沒有顯著性差異（圖5c）。

2.4不同處理之間碳足跡差異

整個小麥生長季的碳足跡見表3，各處理均表現(xiàn)為凈的碳吸收，即“碳負(fù)性”。與CK相比，常規(guī)施肥處理的總碳足跡值降低了463.8%；而與N處理相比，添加4 t·hm-2秸稈處理碳足跡值增加了26.0%，但是添加4 t·hm-2和8 t·hm-2的生物質(zhì)炭處理碳足跡值分別降低了198.0%和112.9%。小麥生長周期的碳足跡構(gòu)成見圖6。各處理中CO2凈交換值占碳匯的97.0%～99.7%，而碳排放的主要來源是肥料、農(nóng)藥和N2O的釋放，分別占各處理中碳消耗總量的59.8%～64.0%、12.0%～42.7%和5.8%～30.6%。氮肥產(chǎn)生的碳消耗最多，占肥料消耗總量的95%。

圖4　小麥生長期不同處理CO2、N2O和CH4季節(jié)性排放特征Figure 4 Seasonal dynamics of CO2, N2O and CH4fluxes in different treatments during the whole wheat growing season

圖5　小麥生長期不同處理溫室氣體排放總量Figure 5 Seasonal amounts of CO2，N2O and CH4emissions in different treatments during the whole wheat growing season

圖6　不同處理冬小麥碳足跡構(gòu)成Figure 6 Composition of carbon footprint of wheat production in different treatments

各處理單位產(chǎn)量的碳足跡排放見圖7，單位小麥產(chǎn)量的碳排放均為負(fù)值，表現(xiàn)為“碳匯”。不同處理之間單位產(chǎn)量碳足跡差異較大，最高值為-0.074 kg CO2-Ce·kg-1，最低值為-0.51 kg CO2-Ce·kg-1。與CK相比，N處理的單位產(chǎn)量碳足跡降低了280.7%；與N處理相比，添加4 t·hm-2秸稈處理，單位產(chǎn)量的碳足跡增加了43.5%，而添加4 t·hm-2和8 t·hm-2生物質(zhì)炭處理使單位產(chǎn)量的碳足跡分別降低了80.4%和56.0%。

表3　不同處理碳消耗Table 3 Carbon costs of different treatments

圖7　不同處理之間單位小麥產(chǎn)量的碳足跡Figure 7 Carbon footprint of unit wheat production in different treatments

3　討論

3.1秸稈和生物質(zhì)炭施用對小麥產(chǎn)量的影響

由于秸稈和生物質(zhì)炭的施用改善了土壤物理化學(xué)性質(zhì)，對提高作物產(chǎn)量等方面有重要的作用[19-20]。本研究表明，秸稈和生物質(zhì)炭的添加增加了小麥產(chǎn)量，而Xia等[21]的研究表明，秸稈的長期施用，對太湖地區(qū)小麥-玉米的產(chǎn)量并沒有顯著性的差異。這可能與秸稈的施用量、土壤肥力情況及作物類型有關(guān)系。不同來源及用量的生物質(zhì)炭施用對不同作物產(chǎn)量的影響也不同[19-20]。施用4 t·hm-2生物質(zhì)炭處理的小麥產(chǎn)量、生物量要比施用8 t·hm-2處理的分別提高21.8% 和27.6%。這與Zhang等[22]的研究結(jié)果一致，在低肥力的旱地土壤中，隨著生物質(zhì)炭用量的增加，作物的產(chǎn)量減低，可能是因為高C/N比值的外源物質(zhì)施用，導(dǎo)致了氮的微生物固定，從而降低作物的產(chǎn)量。Uzoma 等[23]的研究結(jié)果也表明，牛糞制成的生物質(zhì)炭施用于砂質(zhì)土壤中使玉米的產(chǎn)量顯著增加，但是產(chǎn)量增加的幅度隨著生物質(zhì)炭用量的增加而降低。

3.2秸稈和生物質(zhì)炭施用對溫室氣體排放的影響

秸稈和生物質(zhì)炭的施用為微生物提供了可利用的碳源和氮源，從而影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O、CH4和CO2的產(chǎn)生、排放與碳固定[9，24]。本試驗的研究結(jié)果表明：與常規(guī)施肥處理相比，添加秸稈的土壤CO2的排放總量顯著增加了68.7%；秸稈還田之后，土壤可溶性有機碳含量、微生物生物量的增加導(dǎo)致土壤CO2排放量的增加[21]。Wang等[25]整合分析研究生物質(zhì)炭施用對土壤有機碳的影響，表明生物質(zhì)炭施用能夠減緩本土有機碳的礦化，為“負(fù)激發(fā)”效應(yīng)。本研究的結(jié)果表明，與常規(guī)施肥處理相比，生物質(zhì)炭的添加沒有影響土壤CO2的季節(jié)排放總量。這與Liu等[26]的研究結(jié)果一致，可能與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、制備生物質(zhì)炭的原料、熱解溫度以及土壤的粘粒含量有關(guān)[26]。而與施用4 t· hm-2秸稈相比，施用4 t·hm-2和8 t·hm-2生物質(zhì)炭，CO2的季節(jié)排放總量分別降低了48.7%和48.6%。秸稈經(jīng)過熱解之后轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定的生物質(zhì)炭，與我們用Py-GC/MS的方法研究統(tǒng)計秸稈與生物質(zhì)炭中化合物的組分結(jié)果相一致：秸稈里的化合物以胺類、酸類物質(zhì)為主，而經(jīng)過熱解轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭之后是以芳香族、烷烴及醇類物質(zhì)為主（圖8）。Liu等[13]研究表明，秸稈的施用增加了稻田CH4的排放，但是轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭之后變?yōu)楸容^穩(wěn)定的物質(zhì)，不利于微生物的分解利用。這也佐證了我們上述的研究結(jié)果，而旱地一般認(rèn)為是CH4的匯。但是總的來說，各個處理之間CH4的季節(jié)排放總量沒有顯著性差異。

圖8　GC/MS分析得到的特征產(chǎn)物Figure 8 Representative products in wheat straw and its biochar identified by GC/MS

Shan等[27]整合分析研究秸稈還田對N2O排放的影響，平均來說，秸稈施用對N2O的排放沒有顯著性影響。這與我們的研究結(jié)果不同，與施肥處理相比，添加4 t·hm-2秸稈處理生態(tài)系統(tǒng)N2O季節(jié)排放總量降低了33.9%。這可能與農(nóng)田的管理方式、土地利用類型以及秸稈C/N有關(guān)[28]。Cayuela等[28]研究表明，生物質(zhì)炭的施用降低了54%的土壤N2O排放，并且降低的幅度與生物質(zhì)炭的施用量成正比，且制備生物質(zhì)炭的原料、熱解條件與生物質(zhì)炭本身的C/N是影響N2O排放的關(guān)鍵因子[28]。本試驗中，與常規(guī)施肥處理相比，添加4 t·hm-2和8 t·hm-2生物質(zhì)炭處理的生態(tài)系統(tǒng)N2O季節(jié)排放總量分別降低了23.8%和58.6%，其中添加8 t·hm-2生物質(zhì)炭處理N2O的季節(jié)排放總量顯著低于其他各處理，比不施肥處理的N2O的季節(jié)排放總量低32.2%（圖5c）。生物質(zhì)炭施用之后一方面通過影響土壤理化性質(zhì)而降低N2O的排放[9]，另一方面影響土壤氨氧化細(xì)菌（AOB）的豐度，并降低了反硝化細(xì)菌（nirK和nosZ）的基因豐度，從而影響了土壤反硝化作用的過程[29]。

3.3秸稈和生物質(zhì)炭施用對小麥生長季碳足跡的影響

評價農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡時，已有的研究只考慮了農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)生的間接CO2排放的影響，但是沒有考慮土壤呼吸CO2釋放量、生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O的排放[13]。本研究綜合考慮了農(nóng)業(yè)活動間接釋放的CO2、土壤呼吸、生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O的釋放量、秸稈打包、運輸及秸稈在轉(zhuǎn)化生物質(zhì)炭工廠化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的能源，全面系統(tǒng)分析了秸稈及生物質(zhì)炭施用農(nóng)田之后生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡。目前用渦度相關(guān)法、靜態(tài)箱法和干物質(zhì)積累法評估生態(tài)系統(tǒng)CO2的吸收固定量[30]。李俊等[31]用渦度相關(guān)法對華北平原冬小麥/夏玉米輪作系統(tǒng)進行碳通量的觀測研究，結(jié)果表明，在觀測的兩年內(nèi)系統(tǒng)年均NEE分別為-1.98、-3.18 t C· hm-2；Zhang等[24]用靜態(tài)箱法評估了生物質(zhì)炭施用對太湖地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)碳匯的影響，小麥生長季的NEE值為-0.9～-2.2 t C·hm-2。本研究小麥生長季NEE的值為-0.4～-3.8 t C·hm-2，介于上述二者之間。試驗中，各處理CO2凈交換值占碳匯的97.0%～99.7%，這里用NEE作為碳固定量高于用土壤有機碳增量指標(biāo)作為碳固定量[32]。本試驗中化肥投入占系統(tǒng)農(nóng)業(yè)總投入的59.8%～64.0%，是農(nóng)業(yè)投入中主要的碳源，與Cheng等[18]的研究結(jié)果一致。張恒恒等[33]研究北方旱區(qū)免耕對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳與碳平衡的影響，結(jié)果表明化肥投入占系統(tǒng)農(nóng)業(yè)總投入的73.5%～77.4%，略高于本研究結(jié)果，其次是農(nóng)藥和N2O的釋放，分別占各處理碳消耗總量的12.0%～42.7%和5.8%～30.6%。

采用碳足跡分析方法結(jié)果表明試驗中各處理均表現(xiàn)為凈的碳吸收，與CK相比，施肥因增加了生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力，相應(yīng)增大了生態(tài)系統(tǒng)凈交換的能力。與常規(guī)施肥處理相比，秸稈的施用增加了土壤呼吸，因此增加了整個系統(tǒng)的碳足跡值及碳排放強度；而生物質(zhì)炭的施用增加了生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力，降低生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放，并且對土壤CO2排放沒有顯著性的影響，因此降低了生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡及碳排放強度。由于添加8 t·hm-2的生物質(zhì)炭降低了生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力，導(dǎo)致觀測的4 t·hm-2的生物質(zhì)炭處理下碳足跡及碳排放強度最低。這與Liu等[13]研究結(jié)果一致，生物質(zhì)炭的施用顯著增加了土壤有機碳庫，并且在熱解的過程中產(chǎn)生的能源替代排放，降低了水稻生產(chǎn)過程中的碳足跡及碳排放強度，但他們是用土壤有機碳的增量作為碳固定量，與我們的有所不同。但不管是用生態(tài)系統(tǒng)凈交換量還是土壤有機碳的增量來表征碳匯，生物質(zhì)炭的施用都降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳足跡及碳排放強度。

4　結(jié)論

（1）產(chǎn)量方面，與常規(guī)施肥相比較，添加秸稈或生物質(zhì)炭均有利于小麥產(chǎn)量的提高，其中添加4 t·hm-2秸稈、4 t·hm-2生物質(zhì)炭與8 t·hm-2生物質(zhì)炭處理，小麥產(chǎn)量分別增加了30.9%、66.3%和36.6%。

（2）溫室氣體排放方面：與常規(guī)施肥相比較，添加4 t·hm-2秸稈使土壤CO2的排放總量增加了68.7%、生態(tài)系統(tǒng)N2O排放總量降低了33.9%；添加4 t·hm-2和8 t·hm-2生物質(zhì)炭分別使生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放總量降低了23.8%和58.6%，但是土壤CO2的排放總量沒有顯著性差異。添加生物質(zhì)炭利于降低農(nóng)田土壤CO2的排放總量和生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放總量。

（3）碳足跡方面：與常規(guī)施肥相比較，添加4 t·hm-2秸稈使小麥生產(chǎn)過程中的碳足跡升高了26.0%、添加4 t·hm-2和8 t·hm-2生物質(zhì)炭分別降低了198.0%和112.9%。綜合考慮產(chǎn)量及碳足跡得出，在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上，添加4 t·hm-2生物質(zhì)炭更有利于小麥生長過程中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排。

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Assessment of wheat straw and its biochar effects on carbon sink in agricultural ecosystems using "carbon footprint" method

CHENG Gong1,2, ZHANG A-feng1,2*, WANG Xu-dong1,2*, ZHANG Wei-hua1, DU Ke-qing1
（1.College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2.Key Laboratory of Plant Nutrition and the A-gri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China）

Abstract：This study assessed the dynamic, distribution and composition of carbon footprints in wheat production process under applications of wheat straw and its biochar using“carbon footprint”method. Crop yields and N2O, CH4and CO2fluxes during wheat growth period were measured in five field treatments：control（CK）, conventional fertilization（N）, N plus 4 t·hm(-2)straw（NS）amendment, N plus 4 t·hm(-2)biochar （NBC(low)）amendment, and N plus 8 t·hm(-2)biochar（NBC(high)）amendment. The energy consumption in each step of wheat production process was also analyzed to calculate the carbon footprint. Results showed that the carbon footprint in wheat production was mainly net primary production and energy consumption related to fertilizer production. Compared with the conventional fertilization, Wheat yields in NS, NBC(low)and NBC(high)treatments increased 30.9%, 66.3% and 36.6%, respectively; The seasonal amounts of soil CO2emissions increased by 68.7% in NS treatment, but had no significant difference in biochar treatments. Cumulative N2O emission was reduced by 33.9%, 23.8% and 58.6% under NS, NBC(low)and NBC(high)treatments, respectively; The carbon footprint increased by 26.0% in NS treatment, but reduced by 198.0% and 112.9% in NBC(low)and NBC(high)treatments, respectively. These findings indicate that applying wheat straw biochar reduces carbon footprint in the agricultural ecosystems.

Keywords：wheat straw; wheat straw-derived biochar; carbon footprint; carbon sink

*通信作者：張阿鳳E-mail：zhangafeng@nwsuaf.edu.cn；王旭東E-mail：wangxudong01@126.com

作者簡介：成功（1989—），男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)。E-mail：chenggo103@126.com

基金項目：國家863項目（2013AA100904，2011AA100503）；國家自然科學(xué)基金（41301305）；西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費（2014YB062，2452015355）

收稿日期：2015-10-21

中圖分類號：X511

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）03-0604-09

doi:10.11654/jaes.2016.03.026