不同生物質(zhì)炭輸入水平下黃綿土N2O日排放特性

宋 敏，齊 鵬，蔡立群，張仁陟，Stephen Yeboah,5，武 均，王旭燕，潘占東

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心， 甘肅 蘭州 730070； 4.廣東醫(yī)科大學(xué)，廣東 東莞 523808；5.CSIR-Crops Research Institute, Kumasi, 999064, Ghana)

不同生物質(zhì)炭輸入水平下黃綿土N2O日排放特性

宋 敏1,2,3,4，齊 鵬1,2,3，蔡立群1,2,3，張仁陟1,2,3，Stephen Yeboah1,2,3,5，武 均1,2,3，王旭燕1,2,3，潘占東1,2,3

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心， 甘肅 蘭州 730070； 4.廣東醫(yī)科大學(xué)，廣東 東莞 523808；5.CSIR-Crops Research Institute, Kumasi, 999064, Ghana)

在隴中黃土高原干旱半干旱區(qū)，采用小區(qū)定位試驗與室內(nèi)盆栽模擬試驗相結(jié)合的方法，對不同生物質(zhì)炭輸入水平下旱作黃綿土N2O的日排放通量及其影響因子進(jìn)行連續(xù)觀測，并確定1天中不同生物質(zhì)炭處理水平下的最佳觀測時間。結(jié)果表明：6個生物質(zhì)炭輸入水平處理下(0、10、20、30、40、50 t·hm-2)，旱作黃綿土全天表現(xiàn)為N2O的排放源；無生物質(zhì)炭添加處理的N2O排放通量均顯著高于其他各處理，隨輸入水平增加呈U型變化規(guī)律，當(dāng)生物質(zhì)炭輸入水平為30 t·hm-2時，更有利于N2O氣體的增匯減排；各處理N2O日總排放通量均在白天所占比例最高；溫度是環(huán)境因子相對穩(wěn)定條件下N2O氣體排放的主要影響因子，N2O的排放與地表溫度及10 cm土層地溫呈不同程度的正相關(guān)關(guān)系；10 cm土層地溫與生物質(zhì)炭輸入量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；N2O氣體的最佳同期觀測時間為8∶00—9∶00。

黃綿土；生物質(zhì)炭；N2O排放

N2O作為導(dǎo)致全球變暖的主要溫室氣體之一，不僅對溫室氣體總排放的貢獻(xiàn)率達(dá)20%[1]，而且N2O可與平流層中的臭氧反應(yīng)生成O2、NO、N2，是臭氧層破壞的重要元兇，也是許多光化學(xué)反應(yīng)過程的重要參與者[2]，減少N2O的排放已成為國際社會共同關(guān)注的問題。農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的N2O占大氣中N2O的70%[3-4]，農(nóng)田土壤作為N2O的重要排放源[5]，改良農(nóng)田土壤性質(zhì)，提高農(nóng)田固氮減排能力，減少農(nóng)業(yè)源N2O排放，對于緩解全球氣候變化、遏制環(huán)境惡化具有重要的意義。

生物質(zhì)炭是在厭氧或無氧條件下，經(jīng)高溫?zé)峤?350℃～600℃)產(chǎn)生的一種多孔富碳、高度芳香化難溶性的固態(tài)物質(zhì)，具有穩(wěn)定性強、比表面積大、吸附能力強的特點[6]，生物質(zhì)炭作為一種土壤改良劑輸入土壤后，一方面可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤碳庫貯量，提高土壤肥力[7]，另一方面可通過其高孔隙度吸附氮素物質(zhì)，或其本身的降解過程及其對土壤理化性質(zhì)的改變直接或間接地影響氮素循環(huán)中固氮菌、硝化菌、反硝化菌的活性及多樣性，繼而對N2O的排放產(chǎn)生影響[8]。在河南商丘玉米地的試驗發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的添加降低了10.7%～41.8%的N2O排放量[9]。Spokas等[10]也發(fā)現(xiàn)不同生物質(zhì)炭輸入量均能在一定程度上抑制土壤N2O的排放，但生物質(zhì)炭輸入量與N2O排放量的線性關(guān)系不明顯。而郭艷亮等[11]在半干旱地區(qū)的研究則表明，生物炭在短期內(nèi)對農(nóng)田土壤N2O的排放沒有顯著影響?？梢姡镔|(zhì)炭對農(nóng)田土壤N2O的作用機制尚不清楚[12]，且主要側(cè)重于季節(jié)排放特征的研究，生物質(zhì)炭輸入情況下的日變化動態(tài)研究鮮見報道。

本文采用田間小區(qū)定位試驗與盆栽實驗相結(jié)合的方法，通過田間與盆栽模擬觀測結(jié)果的對比分析，研究不同生物質(zhì)炭輸入水平下，隴中黃土高原旱作黃綿土N2O氣體全天連續(xù)排放特征及溫度對N2O氣體通量的影響，在時間尺度上探討生物質(zhì)炭輸入水平差異可能導(dǎo)致的土壤N2O氣體通量差異，以期為生物質(zhì)炭處理下的旱作農(nóng)田N2O溫室氣體觀測確定最佳時間，科學(xué)估計生物質(zhì)炭對N2O的減排效益，為合理應(yīng)用生物質(zhì)炭、減少N2O氣體排放、緩解全球氣候變暖、遏制環(huán)境惡化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

田間實驗設(shè)在定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱農(nóng)試驗站，該區(qū)位于甘肅省中部偏南的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(nóng)業(yè)區(qū)。區(qū)內(nèi)平均海拔2 000 m左右，日照時數(shù)2 300 h，年平均太陽輻射594.9 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(zhì)綿軟，土層深厚，質(zhì)地均勻，儲水性能良好。土壤pH值為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(zhì)含量為12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷(P2O5)1.77 g·kg-1。室內(nèi)盆栽模擬試驗設(shè)在甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室溫室，供試土壤于2015年3月播前取自田間實驗地，以保持土壤理化性狀一致，試驗用PVC培養(yǎng)盆(直徑16.7 cm，高18 cm)，每盆裝土3.53 kg。

供試春小麥品種為‘定西35號’，生育期130 d 左右。供試生物質(zhì)炭為金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司生產(chǎn)的玉米秸稈生物質(zhì)炭，生物炭基本性質(zhì)：pH值9.21，C含量532.8 g·kg-1，N含量10.4 g·kg-1，P含量2.6 g·kg-1，Ca含量8 g·kg-1，K含量5.1 g·kg-1。

1.2 實驗設(shè)計

田間試驗設(shè)置6個生物質(zhì)炭水平處理，3次重復(fù)，試驗小區(qū)面積為16.8 m2(2.8 m×6 m)，各處理分別為TT(0 t·hm-2)、BT1(10 t·hm-2)、BT2(20 t·hm-2)、BT3(30 t·hm-2)、BT4(40 t·hm-2)、BT5(50 t·hm-2)，各小區(qū)采用完全隨機區(qū)設(shè)計，播前耕后按小區(qū)圖依次均勻撒入土壤后翻埋于耕層土壤(15 cm左右)。春小麥播種量為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(shè)計一次性施肥，不再追肥。2015年3月下旬播種，7月底收獲。

室內(nèi)盆栽模擬試驗與田間試驗保持一致，設(shè)6個生物質(zhì)炭水平處理，3次重復(fù)，各處理施用氮素與磷肥水平與田間施用水平一致，播前將土壤與生物炭和肥料充分混勻后裝盆。試驗于2015年4月開始，7月中下旬結(jié)束，每盆播小麥16粒( 小麥發(fā)芽率為98%，按187.5 kg·hm-2播種) 。水分管理：保持田間持水量的70%～80%，用重量法補足水分，以保證小麥正常生長發(fā)育。

1.3 氣體采集與樣品分析

1.3.1 氣體樣品采集 N2O采用靜態(tài)暗箱密閉法收集氣體樣品[13]。根據(jù)實驗地氣候特征、春小麥生育期狀況以及以往季節(jié)性變化研究結(jié)果[14]，采樣時間選取水肥、氣候等外部環(huán)境因素相對穩(wěn)定的7月中下旬進(jìn)行。根據(jù)氣象報告，此次日變化測定日期定為22—23日，本次日變化觀測天氣狀況為多云轉(zhuǎn)晴，占本月份天氣狀況的70.97%，為本月份代表性天氣。采樣時間從16∶00開始，到次日17∶00結(jié)束，每隔4 h取樣1次。根據(jù)氣象觀測記錄，氣溫、風(fēng)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7月份的平均水平，可代表本月份總體情況。盆栽試驗日變化測定時間定為7月24—25日，采樣時間相同，以確保盆栽試驗與田間試驗數(shù)據(jù)的可比性與一致性。

田間試驗采樣箱為圓柱形，包括底座和頂箱，由1 mm厚304K薄的不銹鋼板制成，頂箱直徑38 cm，高35 cm，底座內(nèi)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，整個采樣期不移動；箱體外圍覆鋁箔反光保溫膜，頂部留有一個膠塞測溫口，用于采樣時插入溫度計記錄箱內(nèi)溫度；箱體內(nèi)部裝有風(fēng)扇用于混勻氣體；箱體一側(cè)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(fēng)扇電源后立即用注射器分別采集0、10、20 min的氣體樣品，分別注入150 ml鋁塑復(fù)合氣袋中帶回實驗室進(jìn)行實驗室分析。

盆栽試驗采樣箱與田間采樣箱相似，為密閉式PVC箱，由1 mm厚PVC管制成，箱高40 cm，直徑16.5 cm，頂端用PVC板密封。頂部留有一個膠塞測溫口，用于采樣時插入溫度計記錄箱內(nèi)溫度；箱體內(nèi)置風(fēng)扇，用于混勻氣體；PVC箱側(cè)壁正中間開孔，裝有自動封閉式膠墊采氣閥門。采樣時，將PVC采樣箱扣于PVC盆內(nèi)與PVC盆內(nèi)壁及土壤緊貼，確?？諝馀c外界隔離。先打開內(nèi)置風(fēng)扇，待箱內(nèi)空氣攪勻，立即用注射器從采氣閥門分別采集0、10、20 min的氣體樣品，分別注入150 ml鋁塑復(fù)合氣袋中帶回實驗室進(jìn)行分析。

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(jìn)行分析。色譜柱：ParkQ 15 m×0.53 mm×25 μm。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：

(1)

式中，F(xiàn)為氣體排放通量(mg·m-2·h-1)；A為取樣箱底面積(m2)；V為采樣箱體積(m3)；M0為氣體分子量；C1，C2分別為測定箱關(guān)閉時和測定箱開啟前箱內(nèi)溫室氣體的體積濃度(mol·mol-1)；273為攝氏溫度轉(zhuǎn)換為絕對溫度；T1、T2分別為測定箱關(guān)閉時和測定箱開啟前箱內(nèi)溫度(K)，t1、t2為測定開始和結(jié)束的時間(h)。

N2O氣體累積排放量(M)計算公式如下：

M=∑(FN+1+FN)×0.5×(tN+1-tN)×10-2

(2)

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(zhì)炭輸入水平下旱作黃綿土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[15-16]：

式中，i=1,2,3，…，n，n為一天中進(jìn)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) 實驗小區(qū)各設(shè)地溫計，采樣同時同步觀察記錄地表及地下10 cm處的土壤溫度。

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SPSS17.0軟件進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物質(zhì)炭輸入水平下黃綿土N2O通量日變化

由圖1可知，不同生物質(zhì)炭處理水平下田間試驗(a)與盆栽實驗(b)的N2O排放通量均表現(xiàn)出隨地表溫度變化的明顯日變化規(guī)律，各處理N2O通量變化特征基本一致，呈晝高夜低的變化趨勢，且各時段排放通量均保持較高水平。16∶00—4∶00隨溫度的降低，各處理N2O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時段，各處理表現(xiàn)出N2O排放峰，達(dá)到其一天排放通量的峰值，在4∶00—5∶00出現(xiàn)排放低谷，其中田間試驗排放通量波動范圍為0.0523～0.4308 mg·m-2·h-1，盆栽試驗排放通量波動范圍為0.1219～0.4042 mg·m-2·h-1，說明溫度變化對N2O排放通量影響較大。

由圖2可以看出，旱作黃綿土土壤N2O的日累積通量為排放通量，各處理累積排放通量與一元二次方程擬合度較高，累積排放通量隨生物質(zhì)炭輸入水平的提高先減小后增加。田間試驗各處理下N2O全天累積排放通量的大小次序為：TT>BT1>BT5>BT2>BT3>BT4，盆栽實驗各處理下N2O全天累積排放通量的大小次序為：TT>BT5>BT1>BT4>BT2>BT3，且盆栽實驗各處理累積排放通量均高于田間試驗各處理累積排放通量。其中，田間與盆栽試驗TT處理累積排放通量均最大，分別為0.0577、0.0694 kg·hm-2，田間試驗BT4累積排放通量最小，為0.0334 kg·hm-2，盆栽試驗BT3累積排放通量最小，為0.0454 kg·hm-2。

圖1 田間(a)與盆栽(b)試驗不同生物質(zhì)炭輸入水平下黃綿土N2O通量日變化

Fig.1 Diurnal variation of soil N2O fluxes in different biochar application rate in loessial soil of field (a) and pot experiment (b)

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著，不同大寫字母在0.01水平上差異顯著，下同。

Note: different lowercase letters indicate significant difference atP<0.05 level and uppercase lettersP<0.01 level, the same below.

圖2 田間(a)與盆栽(b)試驗不同生物質(zhì)炭輸入水平下黃綿土N2O日累積總通量

Fig.2 Histogram of N2O accumulate flux in different rates of biochar in loessial soil of field (a) and pot experiment (b) in whole day

2.2 不同生物質(zhì)炭輸入水平對黃綿土N2O的日平均通量的影響

由于全天各時段的氣體通量只能反映相應(yīng)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，本文通過對全天氣體平均通量進(jìn)行核算，對整個全天各處理下的N2O平均通量進(jìn)行方差分析和多重比較(表1)，來估算全天內(nèi)各處理對N2O氣體影響。

由表1可知，6種處理下，田間與盆栽試驗N2O排放通量表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化，TT處理N2O平均排放通量均極顯著高于其他各處理排放通量，隨輸入水平增加呈U型變化規(guī)律。其中，BT3的N2O排放通量低于其他各處理，說明在生物質(zhì)炭輸入量小于30 t·hm-2時，N2O排放通量隨生物質(zhì)炭輸入量的增加而減小，當(dāng)輸入量超過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(zhì)炭處理之間的排放通量增加幅度較小。張斌[17]在旱地土壤溫室氣體排放的研究結(jié)果表明，當(dāng)生物質(zhì)炭添加量為40 t·hm-2時，N2O減排效應(yīng)較好，與本研究結(jié)果接近。

表1 不同生物質(zhì)炭輸入水平下黃綿土N2O的通量日平均值/(mg·m-2·h-1)

2.3 不同生物質(zhì)炭輸入水平下黃綿土N2O通量日變化與地表溫度、10 cm 地溫的關(guān)系

由表2可知，田間試驗TT處理的N2O排放通量與地表溫度及10 cm的地溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其余處理N2O排放通量與地表溫度及10 cm的地溫均呈不顯著正相關(guān)；盆栽實驗TT、BT1、BT2、BT3的N2O排放通量與地表溫度及10 cm的地溫均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，其余處理呈正相關(guān)但不顯著，說明N2O日排放通量隨地表溫度及10 cm地溫的升高而升高，生物質(zhì)炭的輸入對土壤溫度具有一定的維持作用，降低溫度的變化幅度。為進(jìn)一步確定生物質(zhì)炭輸入水平對10 cm土層地溫的影響，通過生物質(zhì)炭輸入量與各時段不同處理10 cm土層的平均溫度進(jìn)行回歸分析可知，生物質(zhì)炭輸入水平與10 cm土層土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R>0.8，P<0.05)，說明10 cm土層地溫隨生物質(zhì)炭輸入水平的提高而升高。但當(dāng)生物質(zhì)炭輸入量超過一定水平時，由此導(dǎo)致的土壤理化性質(zhì)及水熱組合對N2O排放通量的影響效應(yīng)超過溫度因子的效應(yīng)。

表2 N2O氣體通量與地表溫度、10 cm地溫的相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note: * correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed). ** correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).

2.4 不同生物質(zhì)炭輸入水平下黃綿土N2O排放通量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存在較大的時間變異性，具有明顯的日變化特征。由圖3可以看出N2O排放通量的矯正系數(shù)隨時間的變化，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，田間(a)與盆栽(b)試驗 的N2O排放通量矯正系數(shù)，均在8∶00—9∶00時較為接近于1，說明8∶00—9∶00是三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，以科學(xué)估計溫室氣體排放在相應(yīng)季節(jié)的排放通量。

同時，通過對最佳時段的平均排放通量與日排放總量進(jìn)行回歸分析(圖4)，對最佳時段的代表性做進(jìn)一步驗證，結(jié)果表明，田間(a)與盆栽(b)試驗的N2O在這一時間段的平均排放量與日排放總量的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.993(P<0.01)，0.936(P<0.01)，均達(dá)到極顯著水平，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(zhì)炭處理條件下旱作農(nóng)田春小麥田溫室氣體研究的最佳取樣時間段。

圖3 田間(a)、盆栽(b)試驗N2O矯正系數(shù)隨時間的分布

圖4 田間(a)、盆栽(b)N2O最佳觀測時間排放通量與日排放總量的回歸分析

Fig.4 The regression analysis between the optimal observation time and the daily total fluxes of N2O of field (a) and pot experiment (b)

2.5 不同生物質(zhì)炭輸入水平下黃綿土N2O日排放通量的晝夜變化

由圖5可以看出，田間試驗N2O白天排放通量平均達(dá)56.85%，盆栽試驗N2O白天排放通量平均達(dá)56.58%，各處理N2O晝夜排放規(guī)律比較一致，無論是田間試驗還是盆栽實驗，各處理N2O日總排放通量均在白天所占比例最高，這與溫度變化一致，進(jìn)一步印證了溫度變化是影響旱作黃綿土N2O排放的主要因子。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

研究表明，農(nóng)田生物質(zhì)炭的添加對N2O的增匯減排具有積極的作用[10,17-18]，但結(jié)論并不一致，這可能是由于生物質(zhì)炭來源、制備過程以及土壤差異等因素所導(dǎo)致的[11,19-20]不同生物質(zhì)炭輸入水平下的N2O日排放規(guī)律及其觀測時間分析的田間試驗與盆栽實驗對比研究鮮見報道。

圖5 田間(a)與盆栽(b)N2O日通量的百分比分布

Fig.5 The percent distribution of N2O daily fluxes of field (a) and pot experiment (b)

本研究結(jié)果顯示：在各個時段，田間試驗與盆栽實驗旱作黃綿土N2O通量均表現(xiàn)為累積排放通量，旱作黃綿土為N2O的排放源，這與劉博[13]，段翠青[21]、宋敏[22]等的日變化研究結(jié)果以及王旭燕等[23]的季節(jié)變化研究結(jié)果一致。與TT處理相比，5種生物質(zhì)炭輸入水平處理下的N2O排放通量均表現(xiàn)出不同程度的降低，說明生物質(zhì)炭的輸入有利于降低旱作黃綿土N2O氣體的排放，且當(dāng)生物質(zhì)炭輸入水平為30 t·hm-2時，生物質(zhì)炭對旱作黃綿土N2O氣體的減排效應(yīng)較好，原因可能是生物質(zhì)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[24]，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+[18]，使反硝化作用的底物減少，抑制了硝化過程的進(jìn)行，從而減少了N2O的產(chǎn)生，也有可能是因為土壤O2的增加，減少了硝化過程第二階段以及反硝化過程中N2O的產(chǎn)生[24]。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(dāng)生物質(zhì)炭輸入量過高時，通氧量的增加可能造成反硝化過程進(jìn)行到N2O時停止，引發(fā)N2O排放增加[12]，這可能是生物質(zhì)炭高水平輸入下的BT5處理較BT3減排百分比變小的原因。

與以往研究一致[13,21,25-28]，本研究結(jié)果表明，在土壤水分及天氣情況等因子相對穩(wěn)定的條件下，溫度是N2O日排放通量規(guī)律性變化的主要影響因子，且N2O排放通量隨溫度升高而升高。其中，TT處理N2O排放通量與地表溫度及10 cm土層溫度表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，其余各處理亦表現(xiàn)為不同程度的正相關(guān)關(guān)系，且與高水平生物質(zhì)炭輸入處理相比較，低水平生物質(zhì)炭輸入處理下的N2O排放通量與地表溫度及10 cm土層溫度的相關(guān)性更為顯著。這可能是不同水平的生物質(zhì)炭輸入土壤后，一方面對溫度造成影響，生物質(zhì)炭輸入水平與10 cm土層土壤溫度表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，且不同水平的生物質(zhì)炭輸入量對溫度的效用強度不同，另一方面不同水平的生物質(zhì)炭輸入量還改變了土壤的理化性質(zhì)及水分情況，形成不同的水熱組合，由此導(dǎo)致N2O排放通量對地表溫度的響應(yīng)程度以及對10 cm土層土壤溫度的維持能力產(chǎn)生差異，當(dāng)生物質(zhì)炭輸入超過一定量時，溫度因子對N2O通量的日變化規(guī)律的控制作用減弱。

通過比較，田間試驗與盆栽試驗結(jié)果基本一致，盆栽試驗結(jié)果規(guī)律性更為明顯，這可能是因為室內(nèi)盆栽試驗避免了田間風(fēng)速等其他影響因子影響的結(jié)果。與田間試驗N2O排放通量相比，盆栽試驗N2O排放通量偏高，這可能主要由室內(nèi)盆栽溫度偏高所導(dǎo)致。

此外，本研究通過對各時段N2O排放通量矯正系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，8:00—9:00時段田間及盆栽試驗旱作黃綿土的N2O排放通量均較為接近一天中N2O排放的平均值，且與排放累積量良好相關(guān)，因此可作為該生長期旱作黃綿土N2O排放通量的季節(jié)性連續(xù)取樣觀測時段，這與田慎重等[15]的研究結(jié)果一致。

3.2 結(jié)論

(1) 6種處理水平下，旱作黃綿土全天表現(xiàn)為N2O的排放源。無生物質(zhì)炭添加處理的N2O排放通量均極顯著高于其他各處理排放通量，隨輸入水平增加呈U型變化規(guī)律，當(dāng)生物質(zhì)炭輸入水平為30 t·hm-2時，更有利于N2O氣體日排放通量的增匯減排。

(2) 各處理N2O日總排放通量均在白天所占比例最高。

(3) 地表溫度及地下10 cm土壤的溫度與N2O排放通量呈不同程度的正相關(guān)關(guān)系，是影響N2O排放通量的主要因子；10 cm土層地溫與生物質(zhì)炭輸入量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；生物質(zhì)炭輸入土壤后形成的水熱及土壤結(jié)構(gòu)組合可能是不同生物質(zhì)炭處理N2O排放通量產(chǎn)生差異的主要原因。

(4) 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N2O的最佳觀測時間，可作為旱作農(nóng)田黃綿土N2O氣體觀測時間。

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Diurnal variations of N2O gases emission in loessial soil under biochar application

SONG Min1,2,3,4, QI Peng1,2,3, CAI Li-qun1,2,3, ZHANG Ren-zhi1,2,3, Stephen Yeboah1,2,3,5, WU Jun1,2,3, WANG Xu-yan1,2,3, PAN Zhan-dong1,2,3

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversityLanzhou,Gansu730070,China;2.GansuProvincialKeyLabofAridlandCropScienceLanzhou,Gansu730070,China;3.GansuProvinceResearchCenterofWater-savingAgriculturalEngineeringTechnologyLanzhou,Gansu730070,China;4.GuangdongMedicalUniversity,Dongguan,Guangdong523808,China;5.CSIR-CropsResearchInstitute,Kumasi, 999064,Ghana)

Biochar is a carbon-rich solid product by heating of biomass in an oxygen-limited environment. Biochar application is supposed to have the potential for greenhouse gas mitigation. The aim of this study was to determine the effects of biochar on nitrous oxide (N2O) emissions. The treatments consisted of six different biochar levels, including TT (0 t·hm-2), BT1 (10 t·hm-2), BT2 (20 t·hm-2), BT3 (30 t·hm-2), BT4 (40 t·hm-2), and BT5 (50 t·hm-2), with a randomized complete block design with three replications. Soil moisture and temperature were measured as well as N2O. The results showed that the N2O fluxes had significant difference in diurnal variations among biochar treatments. The loessial soil is a source of N2O emission, and similarly the the loessial soil of the other biochar treatments. The N2O flux emission of soil without biochar input was significantly higher than other treatments. With the increase in the application rate, the accumulate flux emission of N2O showed a “U” type change pattern, and the rate of 30 t·hm-2showed the better depression effect on N2O gas emission. The total daily emission fluxes of N2O in each treatment were the highest in the daytime. The combination of water and heat caused by the biochar might be the main cause of the different of the whole day N2O gas emission. Temperature is the main influence factor of N2O gas emission under the condition of relatively stable environment. The soil temperature in 10 cm depth increased with increasing the application rate of biochar. The optimal observation duration of the N2O gas is 8 a.m. to 9 a.m.

loessial soil； biochar； N2O emission

1000-7601(2017)04-0137-08

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.21

2016-04-20

甘肅省自然科學(xué)基金(No.145RJZA204)；省部共建國家重點實驗室培育基地開放基金課題(GSCS-2012-13)

宋 敏(1987—),男,山東臨沂人，碩士研究生,研究方向為恢復(fù)生態(tài)學(xué)、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。 E-mail：153405328@qq.com。

蔡立群，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。 E-mail:cailq@gsau.edu.cn。

X171.3

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