施用生物炭和秸稈還田對華北農(nóng)田CO2、N2O排放的影響

劉杏認(rèn),張 星,張晴雯,李貴春,張慶忠

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 北京 100081

施用生物炭和秸稈還田對華北農(nóng)田CO2、N2O排放的影響

劉杏認(rèn),張 星,張晴雯,李貴春*,張慶忠

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 北京 100081

生物炭；秸稈還田；CO2；N2O；綜合增溫潛勢；華北農(nóng)田

CO2和N2O作為重要的溫室氣體,其排放量不斷增加是引起全球氣候變暖的重要原因[1]。而農(nóng)業(yè)土壤是CO2和N2O的主要排放源,對溫室效應(yīng)的影響不容忽視[2]。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計表明,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的N2O占人類活動排放總量的84%[3],因此如何降低農(nóng)田溫室氣體的排放量已成為當(dāng)今人類亟待解決的問題[4]。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗在山東省桓臺縣生態(tài)與可持續(xù)發(fā)展實驗站(117°58′E,36°57′N)開展,該地區(qū)海拔17.0 m,屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均日照2832.7 h,日照率62%,年平均氣溫12.4℃,年平均降水量600 mm,主要集中在6—8月,約占全年降水量的75%。作物種植方式為小麥-玉米輪作,土壤類型為砂姜潮濕雛形土,2007年試驗前土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗前土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗材料

供試生物炭選用玉米秸稈,原材料在360℃條件下,經(jīng)過24 h不完全燃燒制成的黑色粉末,購于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司,其密度為(0.297 ± 0.05) g/cm3,含碳量為(65.7±1.2)%,含氮量為(0.9±0.02)%,有效鉀含量為(1.6±0.1)%,有效磷含量為(0.08±0.003)%,pH為8.2±0.05。供試小麥品種為濟(jì)麥22,玉米品種為鄭單958。

1.3 試驗設(shè)計

定位實驗開始于2007年,共4個處理,各處理隨機(jī)分布,3次重復(fù),每個小區(qū)面積為36 m2(6 m × 6 m)。具體處理為：CK：對照處理,只施化肥；低生物炭處理C1：4.5 t hm-2a-1；高生物炭處理C2：9.0 t hm-2a-1；SR：秸稈全量粉碎還田。所有處理氮、磷、鉀肥平均用量均為：N 200 kg hm-2a-1,P2O552.5 kg hm-2a-1,K2O 37.5 kg hm-2a-1,其中氮肥為尿素,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為硫酸鉀。生物炭一次購買,多年施用。氮磷鉀肥和生物炭的用量平均分配給冬小麥季和夏玉米季,氮肥一半作為基肥,一半作為追肥,磷肥和鉀肥均作為基肥一次施用。

本試驗于2013年10月—2014年9月進(jìn)行,上季作物收獲后,生物炭和氮磷鉀肥均勻撒施,進(jìn)行15 cm深度旋耕。秸稈還田采用上一季作物收獲后機(jī)械粉碎(長度3—7 cm)全量還田方式,然后隨耕地翻埋。試驗期間田間基本管理措施為,冬小麥于2013年10月8日進(jìn)行秸稈還田、施肥、旋耕、播種,10月9日灌水,2014年3月28日追肥灌水,6月5日收獲；夏玉米于2014年6月13日進(jìn)行秸稈還田、施肥、旋耕、播種,6月20日灌水,7月27日追肥灌水,9月30日收獲。

1.4 測定指標(biāo)與方法

(1)溫室氣體通量 采用靜態(tài)暗箱觀測法。2013年10月—2014年9月每周觀測一次,施肥灌水后加密采樣,連續(xù)采集3d。采樣箱的規(guī)格為43 cm × 43 cm × 50 cm或43 cm × 43 cm × 100 cm,隨小麥和玉米生長高度改變箱體高度,為50 cm或100 cm。采樣箱是由聚碳酸酯板(PC板)加工制成,底座用PVC材料制作,并在其插入土壤部分鉆上密集的圓孔,目的是保證底座內(nèi)外的肥料與水分可以交換,在各處理小區(qū)的中央放置1個底座,在玉米和小麥播種之后埋入田間。為了防止箱內(nèi)的溫度升高過快,采樣箱外面用錫箔紙包裹,每次采樣前把底座注滿水,防止采樣時底座漏氣。采樣時間為9：00—11：00,前期研究表明,此時間段的排放通量接近日平均排放水平[26]。采樣時把采樣箱扣在底座上,分別在扣箱之后0、10、20 min和30 min,用100 mL注射器抽取60 mL氣體注入氣袋中,帶到實驗室用安捷倫氣相色譜儀(Agilent 7890A)測定氣體樣品中N2O和CO2濃度。N2O檢測器為ECD(電子捕獲檢測器),CO2檢測器為 FID(氫火焰離子檢測器)。每次采集氣體樣品的同時,同步記錄采樣箱內(nèi)溫度、大氣溫度、5 cm和10 cm 土層溫度,地溫采用便攜式溫度測量儀測定(JM624,北京今人儀器有限公司,北京)。CO2和N2O的排放通量計算公式如下：

F=ρ×V/A× dC/dt× 273 /(273 +T)

式中,F為CO2和N2O排放通量(mg m-2h-1或μg m-2h-1)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2或N2O的密度(0.5 g/L和1.25 g/L)；V為采樣箱體積(m3)；A為采樣箱底座內(nèi)的土壤表面積(m2)；dC/dt為CO2或N2O的排放速率(mg/h或μg/h)；T為采樣過程中靜態(tài)箱內(nèi)的平均溫度(℃)。

綜合增溫潛勢GWP：在100 a時間尺度的氣候變化上,設(shè)CO2的GWP為1,則N2O氣體的GWP為298[26]。計算公式為：

GWP =RCO2+RN2O× 298,式中RCO2和RN2O分別表示CO2和N2O累積排放量(kg/hm),GWP單位為CO2-eq kg/hm2。

氣體樣品采集完畢之后,用土鉆采集底座框內(nèi)的0—10 cm土壤樣品,用來測定土壤礦質(zhì)氮、土壤pH以及土壤含水量。

(3)土壤pH值 用pH計(PHS- 2F,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司,中國)測定。將過2 mm篩的新鮮土壤樣品風(fēng)干,然后稱取10 g土樣置于50 mL燒杯中,加入25 mL水。將容器密封后,用攪拌器攪拌5 min,然后靜置1 h,用pH計測定。

(4)土壤含水量 用烘干法進(jìn)行測定[29]。稱取10—20 g過2 mm篩的新鮮土壤樣品,將其裝入已知準(zhǔn)確質(zhì)量的烘干鋁盒內(nèi),在分析天平上稱重,精確至0.01 g。再將樣品放在烘箱中在105℃下烘烤24 h,取出冷卻至室溫,立即稱重。

1.5 數(shù)據(jù)分析

氣體通量平均值作為日均值,采用線性內(nèi)插法,通過Matlab 7 計算氣體的累積排放量。利用SPSS 20.0軟件的One-way ANOVA比較處理間土壤各指標(biāo)和氣體通量的差異顯著性,Person相關(guān)系數(shù)分析氣體排放通量與影響因素間的相關(guān)性。圖表采用Microsoft Office Excel 2010繪制,顯著性水平選擇P< 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度、土壤水分、土壤pH和無機(jī)氮的動態(tài)變化

圖1 不同處理土壤溫度和土壤水分的變化Fig.1 Variation of soil temperature and soil water content under different treatments圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤, 虛線用來區(qū)分小麥和玉米的生長季,箭頭表示施肥灌水;CK：對照；C1：低量生物炭處理(4.5 t hm-2 a-1)；C2：高量生物炭處理(9.0 t hm-2 a-1)；SR：秸稈還田處理

由圖1可見,整個輪作周期內(nèi),各處理土壤溫度的變化趨勢基本一致,各處理之間無顯著差異,且小麥季低于玉米季。各處理土壤水分的變化趨勢也基本一致,且小麥季低于玉米季。小麥季大部分時間段,與CK相比,C1處理對土壤水分影響較小,C2和SR處理的土壤水分顯著高于CK處理(P< 0.05),分別提高了3.2%—13.4%和5.2%—33.3%,C2和SR處理之間無明顯差異。在玉米季,各處理之間土壤水分無明顯差異。

由圖2可見,施用生物炭和秸稈還田對土壤pH產(chǎn)生了一定的影響。不同處理土壤pH值變化規(guī)律相似。在小麥季,與CK相比,生物炭和秸稈還田處理的土壤pH值顯著增加(P< 0.05),C1、C2和SR處理分別比CK提高了0.02—0.28、0.04—0.55和0.05—0.36個單位。在玉米季,與CK相比,C1處理對土壤pH值影響較??；而C2和SR處理的土壤pH值分別增加了0.06—0.25個單位(P< 0.05),且C2和SR處理之間無顯著差異。

圖2 不同處理土壤pH的變化Fig.2 Variation of soil pH under different treatments

圖3 不同處理土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的變化Fig.3 Variation of soil N-N and N-N under different treatments

2.2施用生物炭和秸稈還田對CO2通量的影響

由圖4可見,小麥季內(nèi)各處理CO2排放通量高峰主要集中在2013年10月10日、2014年4月6日和5月18日,其中2014年4月6日各處理CO2排放通量最高,4個處理的排放通量分別達(dá)到了1029.8、1026.5、1123.6 mg m-2h-1和1031.3 mg m-2h-1。與CK相比,C2處理的CO2排放通量顯著增加(P< 0.05),而C1和SR處理與CK無顯著差異,且C1處理的CO2排放通量與SR處理比較也未達(dá)到顯著性水平(P> 0.05)。在2013年10月10日播種后第1次觀測時,各處理CO2排放通量出現(xiàn)第1個高峰,10月19日驟然下降,之后至2014年3月8日期間,各處理CO2排放通量的動態(tài)變化趨于平緩。3月15日之后,CK、C1、C2和SR處理的CO2排放通量均逐漸上升,直到4月6日達(dá)到第2個高峰,之后又呈現(xiàn)出下降趨勢,在2014年5月18日又出現(xiàn)第3個高峰。與小麥季相比,玉米季各處理CO2排放通量較高,且表現(xiàn)為多波峰交錯波動的動態(tài)變化趨勢。在2014年7月28日,C2處理CO2排放通量最高,達(dá)1553.8 mg m-2h-1,比CK(938.5 mg m-2h-1)顯著高出近1.7倍,C1處理(1521.5 mg m-2h-1)和SR處理(1479.2 mg m-2h-1)均比CK高1.6倍,各處理與CK相比均達(dá)到顯著性水平(P< 0.05)?？傮w上看,2013年10月10日—2014年10月10日期間,各處理CO2排放通量隨時間的變化趨勢基本一致。在整個輪作周期內(nèi),CO2排放通量隨著生物炭施用量的增加而顯著增加,C1、C2處理的CO2排放通量較CK分別提高了0.3%—90.3%和1.0%—334.2%(P< 0.05),且C2處理的CO2排放通量最高,顯著高于其它處理(P< 0.05)。SR處理的CO2排放通量顯著高于C1處理(P< 0.05)。

圖4 不同處理CO2排放通量的變化Fig.4 Variation of CO2 flux under different treatments

2.3施用生物炭和秸稈還田對N2O通量的影響

由圖5可見,小麥播種后,各處理N2O排放通量均在2013年10月10日最高,分別為275.6、288.3、105.2μg m-2h-1和186.6 μg m-2h-1,C2、SR處理N2O排放通量顯著低于CK(P< 0.05),而C1處理與CK相比則沒有顯著差異,C1處理顯著高于SR處理(P< 0.05)。2013年10月19日各處理N2O排放通量急劇回落,之后到2014年3月22日期間波動較小,幾乎趨于“一條直線”。2014年3月28日追肥灌水之后,各處理N2O排放通量驟然上升,3月29日出現(xiàn)峰值,之后逐漸回落至小麥?zhǔn)斋@期。玉米季各處理N2O排放通量均呈現(xiàn)較為明顯的“雙峰型”,兩個峰值分別出現(xiàn)在2014年7月28日和2014年9月18日,其中在2014年6月21日,CK、C1、C2和SR處理N2O排放通量達(dá)到最大值,C1,C2處理N2O排放通量與CK相比無顯著差異,SR處理N2O排放通量與CK相比,前者高出后者51.3%(P< 0.05),且SR處理的N2O排放通量高于C1處理(P< 0.05)。整體看來,無論是小麥季還是玉米季,各處理N2O排放通量的動態(tài)變化趨勢幾乎一致,且小麥季N2O排放通量低于玉米季。在整個輪作周期內(nèi),C2處理顯著降低了N2O排放通量(P< 0.05),而C1和SR處理的N2O排放通量與CK相比無顯著差異,且SR處理與C1處理相比也未達(dá)到差異顯著性水平。

圖5 不同處理N2O排放通量的變化Fig.5 Variation of N2O flux under different treatments

2.4CO2、N2O累積排放量及其綜合增溫潛勢

由表2可知,施用高量生物炭(C2)和秸稈還田處理(SR)均顯著增加了CO2累積排放量(P< 0.05),增幅分別為42.9%和15.0%,而添加低量生物炭(C1)對CO2累積排放量的影響不顯著(P> 0.05)。僅C2處理顯著降低了N2O累積排放量(P< 0.05),降幅達(dá)18.3%,而C1和SR處理對N2O累積排放量均無顯著影響(P> 0.05)。從表2各處理在100 a 時間尺度上的綜合增溫潛勢顯示的結(jié)果可知,添加高量生物炭(C2)顯著增加了CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢(P< 0.05),增幅為40%,而施用低量生物炭(C1)和秸稈還田(SR)均與CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢之間不存在顯著性(P> 0.05)。

表2 CO2、N2O累積排放量和綜合增溫潛勢

不同小寫字母表示不同處理間的差異具有顯著性(P< 0.05); CK：對照control；C1: 低量生物炭處理low biochar treatment (4.5 t hm-2a-1)；C2: 高量生物炭處理high biochar treatment (9.0 t hm-2a-1)；SR: 秸稈還田處理straw return treatment

2.5CO2、N2O通量與土壤溫度、土壤水分、土壤pH和礦質(zhì)氮的關(guān)系

表3 CO2排放通量與土壤溫度、土壤水分、土壤pH和礦質(zhì)氮的相關(guān)性

*表示在0.05顯著性水平下顯著相關(guān),**表示在0.01顯著性水平下相關(guān)

表4 N2O排放通量與土壤溫度、土壤水分、土壤pH和礦質(zhì)氮的相關(guān)性

*表示在0.05顯著性水平下顯著相關(guān),**表示在0.01顯著性水平下相關(guān)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究結(jié)果表明,施用生物炭可顯著增加CO2排放通量,且隨著生物炭施用量的增加,CO2排放通量也在增加,這一方面是因為向土壤中施入生物炭后,生物炭中不穩(wěn)定性碳組分的微生物的降解作用會增加土壤的表觀呼吸速率[30-36],即生物炭的“正激發(fā)效應(yīng)”。另一方面,生物炭能改善土壤的透氣性,提高土壤微生物量和酶活性等[37- 39],從而加速原土有機(jī)碳進(jìn)行分解,增加了CO2排放。本研究結(jié)果顯示,施用高量生物炭顯著促進(jìn)了CO2累積排放量,也更加說明生物炭的添加促使土壤中可利用性碳、氮基質(zhì)數(shù)量的增加,進(jìn)而激發(fā)了土壤微生物的活性,導(dǎo)致CO2排放量增加[40]。秸稈還田處理顯著增加了CO2累積排放量,與裴淑瑋等[41]研究結(jié)果一致,可能是由于秸稈投入農(nóng)田后,可以改善土壤的理化性質(zhì),為微生物活動提供物質(zhì)、能源以及適宜的條件,從而加速土壤微生物呼吸釋放CO2[42-43]。另外,土壤溫度、土壤水分和土壤pH等環(huán)境因子都會直接或間接的影響CO2的排放。本研究表明,CO2排放通量與土壤溫度、土壤含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,說明土壤溫度和土壤含水量是影響CO2排放通量的主要因素,其原因是夏季高溫多雨,較高的土壤溫度和土壤水分對應(yīng)著較高的土壤呼吸,生物炭能夠通過增加土壤含水量提高土壤中的微生物活性,進(jìn)而有利于土壤微生物呼吸與繁殖,達(dá)到增強(qiáng)土壤呼吸強(qiáng)度和CO2排放作用[35]。所以在小麥-玉米輪作期間,玉米季各處理CO2累積排放通量高于小麥季,而且各處理CO2排放通量高峰均出現(xiàn)在播種后和追肥灌水后。

增溫潛勢常用來表示相同質(zhì)量的不同溫室氣體對溫室效應(yīng)增加的相對輻射效應(yīng)[60]。本試驗中,施用高量生物炭增加了CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢,且施用低量生物炭和秸稈還田對CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢均沒有顯著影響,與Zhang等[14]在太湖地區(qū)的研究結(jié)果不一致,其原因可能是兩個試驗區(qū)的水分管理措施和氣候條件有所差異造成的,同時也表明,在高量生物炭處理下的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向大氣中輸入的碳量大于其截存的碳量,對環(huán)境是不利的,而施用低量生物炭和秸稈還田相對來說,對環(huán)境效應(yīng)而言為好。

3.2 結(jié)論

(1)整個輪作周期內(nèi),各處理CO2和N2O排放通量隨時間的變化趨勢基本一致,小麥季CO2排放通量低于玉米季。施用生物炭和秸稈還田均可顯著增加CO2排放通量,且隨著施炭量的增加,CO2通量顯著增加。施用高量生物炭顯著降低了N2O排放通量,而施用低量生物炭和秸稈還田對N2O排放通量無顯著影響。

(2)施用高量生物炭顯著增加了CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢,施用低量生物炭和秸稈還田對CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢均沒有顯著影響。

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EffectsofbiocharandstrawreturnonCO2andN2OemissionsfromfarmlandintheNorthChinaPlain

LIU Xingren, ZHANG Xing, ZHANG Qingwen, LI Guichun*, ZHANG Qingzhong

KeyLaboratoryofAgriculturalEnvironment,MinistryofAgricultureP.R.China,InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China

biochar; straw return; CO2; N2O; global warming potential (GWP); the North China Plain

國家自然科學(xué)基金項目(31300375); 國家水體污染控制與治理科技重大專項(2015ZX07203-007); 中央公益型科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項(BSRF201505)

2016- 07- 28; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 06- 01

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liuxr1976@126.com

10.5846/stxb201607281546

劉杏認(rèn),張星,張晴雯,李貴春,張慶忠.施用生物炭和秸稈還田對華北農(nóng)田CO2、N2O排放的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(20):6700- 6711.

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