生物質(zhì)炭對(duì)集約化菜地N2O排放和蔬菜產(chǎn)量的影響

馮 練，周 俊，董玉兵，李雙雙，熊正琴

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/江蘇省低碳農(nóng)業(yè)和溫室氣體減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210095）

農(nóng)田作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是N2O的重要排放源。據(jù)估計(jì)，來(lái)自于農(nóng)田土壤的N2O排放量約占農(nóng)業(yè)排放源的38%左右[1]。集約化菜地作為特殊的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，具有施肥量大、復(fù)種指數(shù)高以及農(nóng)事操作頻繁等特點(diǎn)，其施肥量通常是其他農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的3～4倍[2]。而氮肥的過(guò)量施用會(huì)造成N2O的大量排放[3]，引起全球溫室效應(yīng)。在百年時(shí)間尺度內(nèi)單位質(zhì)量N2O的全球增溫潛勢(shì) (GWP)是CO2的298倍[4]。目前大氣中N2O濃度已經(jīng)達(dá)到325 mg/kg[5]，而且向大氣排放的N2O正以年均N 0.08 Tg的速度增長(zhǎng)[6]。生物質(zhì)炭由于其巨大的表面積和高穩(wěn)定性[7-8]，可減緩?fù)寥浪峄?、減少土壤礦質(zhì)氮淋溶、維持土壤肥力并促進(jìn)作物生長(zhǎng)[9]，有效減緩農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫室氣體的排放[10-14]。Cayuela等[15]發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭可以減少54%的土壤N2O排放，但也有一些研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施入土壤對(duì)N2O排放沒(méi)有影響[16-17]，甚至增排[18-22]。此外，生物質(zhì)炭具有極高的穩(wěn)定性，除極小的一部分 (〈 3%) 會(huì)被降解，可在土壤中穩(wěn)定地存在成百上千年[23-24]。然而，生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體的減排作用，以及生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響，會(huì)隨其施入土壤時(shí)間的變化而變化。Spokas等[25]通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施入農(nóng)田3年后N2O減排能力下降。甚至有研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施入僅1年，其N(xiāo)2O減排能力就降低[26-27]。也有研究表明，生物質(zhì)炭在施入土壤3年后對(duì)N2O仍具有顯著的減排效果[28]。Kammann等[29]通過(guò)N15標(biāo)記試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)陳化生物質(zhì)炭對(duì)土壤溫室氣體仍具有減排效力。此外，關(guān)于陳化生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響也有不同的研究結(jié)果。Liu等[30]發(fā)現(xiàn)在不同生物質(zhì)炭和土壤類(lèi)型下，生物質(zhì)炭平均增產(chǎn)達(dá)8.4%，該影響可持續(xù)2年以上，陳化生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果更明顯。Hagemann等[31]的大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施入土壤3年后，對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)影響。可以說(shuō)，生物質(zhì)炭在土壤中的老化及其對(duì)溫室氣體排放及產(chǎn)量的長(zhǎng)期影響尚不明確[32]。因此，本試驗(yàn)采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法，通過(guò)田間原位觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)比研究了陳化生物質(zhì)炭與新施生物質(zhì)炭處理的土壤N2O排放規(guī)律和蔬菜產(chǎn)量的差異，旨在評(píng)價(jià)生物質(zhì)炭陳化對(duì)集約化蔬菜生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體排放和蔬菜產(chǎn)量的長(zhǎng)期效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于江蘇省南京市江寧區(qū)建南社區(qū)竇村 (32°01′ N，118°54′ E) 集約化種植菜地。該地區(qū)屬于典型的長(zhǎng)江中下游亞熱帶季風(fēng)氣候，年均日照1912.6 h，年均氣溫16.1℃，年均降水量1116 mm。一年可種植3～5季蔬菜，蔬菜種類(lèi)繁多，是南方集約化蔬菜生產(chǎn)的典型代表。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為黏土(粘粒30.5%、粉粒66.4%和砂粒3.1%)。試驗(yàn)土壤表土 (0—15 cm) 容重1.3 g/cm3。供試生物質(zhì)炭購(gòu)買(mǎi)于河南省三利新能源有限公司，由小麥秸稈在500℃熱分解而成。試驗(yàn)土壤和生物質(zhì)炭的基礎(chǔ)理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，分別為：不施氮處理 (CK)、單施氮處理 (N)、施氮 + 新施生物質(zhì)炭處理 (NCF)、施氮 + 老化生物質(zhì)炭處理 (NCA)。其中，NCF在2016年6月施用生物質(zhì)炭，NCA在 2012 年6月施用生物質(zhì)炭，生物質(zhì)炭施用量為40 t/hm2，于首季蔬菜種植前人工施入表層土壤 (0—15 cm) 并混合均勻，之后不再施加生物質(zhì)炭。試驗(yàn)于2016年11月至2017年11月連續(xù)種植4季蔬菜，分別為小青菜、空心菜、莧菜、菠菜，每季蔬菜收獲后休耕。在每季蔬菜種植前氮肥作為基肥一次性施入，施氮量均為N 240 kg/hm2，其中空心菜生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，共分為三次收獲，并在第一茬收獲后按照N 240 kg/hm2追肥一次。整個(gè)觀測(cè)期共施肥 5 次，各施氮處理總施氮量為N 1200 kg/hm2。施肥時(shí)與尿素混勻撒施，磷肥 (鈣鎂磷肥，含P2O514%) 和鉀肥 (氯化鉀，含 K2O 63.2%) 按 N-P2O5-K2O質(zhì)量比1∶1∶1施入。每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，各處理小區(qū)面積9 m2(3 m × 3 m)。為保證蔬菜正常生長(zhǎng)所需的溫度或抵御不良天氣條件的影響，空心菜季第一茬和莧菜種植過(guò)程中有塑料大棚覆蓋。

表1 試驗(yàn)菜地土壤與生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil and biochar

1.3 氣體樣品采集與分析

N2O排放通量測(cè)定采用靜態(tài)暗箱—?dú)庀嗌V法。采樣箱由PVC材質(zhì)制成 (長(zhǎng)50 cm × 寬50 cm ×高50 cm)。試驗(yàn)開(kāi)始前將底座埋入。采樣時(shí)將采樣箱扣向底座并向凹槽內(nèi)注水以密封采樣箱，防止采樣箱內(nèi)外氣體交換。觀察期內(nèi)通常每周采集1次樣品，施肥和灌溉后加密采樣，1～2天一次，持續(xù)10天左右。采樣時(shí)間均為上午9：00—11：00，在箱子密閉后的0、10、20和30 min用20 mL注射器針筒采集4個(gè)氣體樣品。用氣相色譜儀 (Agilent 7890A)測(cè)定樣品中的N2O濃度，檢測(cè)器為ECD，載氣為體積分?jǐn)?shù)5%的氬甲烷，檢測(cè)溫度為300℃。

根據(jù)4個(gè)樣品的N2O濃度值和采樣時(shí)間的直線回歸方程的斜率求得N2O的排放通量。N2O排放通量計(jì)算公式為：F=ρ×h×dC/dt× 273/(273 +T)

式中：F是N2O排放通量 [μg/(m2·h)]；ρ是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體流動(dòng)時(shí)的密度 (g/L)，其中N2O-N為1.25 g/L；h為采樣箱高度(m)；dC/dt為采樣箱內(nèi)的氣體濃度變化率；T為采樣過(guò)程中采樣箱內(nèi)的平均溫度 (℃)。

各處理每次排放通量用各重復(fù)平均值表示；作物季節(jié)平均排放通量則以每次采樣時(shí)間間隔為權(quán)重，進(jìn)行加權(quán)平均求得；生長(zhǎng)季節(jié)累積排放量以每次排放通量的加權(quán)和表示。

N2O排放系數(shù)是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中N2O-N排放量占氮肥用量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。基于IPCC (2007) 提供的方法，N2O-N直接排放系數(shù)EF (Emission Factor) 根據(jù)下式進(jìn)行估算：N2O排放系數(shù) = (N2O施氮排放量 -N2O對(duì)照排放量)/施氮量 × 100%。其中，周年排放系數(shù)以N2O周年累積排放值進(jìn)行計(jì)算。

1.4 土壤理化性質(zhì)、蔬菜產(chǎn)量和單位產(chǎn)量N2O排放量的測(cè)定

每次采集氣體樣品時(shí)，用便攜式溫度計(jì) (JM624，中國(guó)天津金明儀器有限公司) 同步測(cè)定 (除氣體加密采樣外) 采樣箱內(nèi)溫度、大氣溫度以及10 cm土層土壤溫度。大田試驗(yàn)開(kāi)始前采集耕層土壤 (0—15 cm)，進(jìn)行土壤背景理化性質(zhì)的測(cè)定。土壤pH采用復(fù)合玻璃電極儀 (PHS-3Cmv/pH detector，Shanghai，China)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)土水比為1∶2.5。菜地土壤樣品的采集應(yīng)用5點(diǎn)采樣法，采集菜地0—10 cm土層的新鮮土樣，分為2份，1份用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量，根據(jù)土壤容重?fù)Q算成土壤充水孔隙度 (water filled pore space, WFPS)，計(jì)算公式：WFPS（%）=（土壤質(zhì)量含水量×土壤容量）÷土壤總孔隙度×100。另1份用于測(cè)定土壤礦質(zhì)氮和含量，土壤和含量采用比色法測(cè)定。將采集的新鮮土壤樣品過(guò)2 mm篩，用2 mol/L KC1溶液按照1∶5的土水比進(jìn)行浸提，浸提液用紫外分光光度計(jì) (HITACffl，U-2900，Japan) 進(jìn)行測(cè)定。

每季產(chǎn)量為當(dāng)季蔬菜收獲時(shí)，收取試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的所有植株地上部，稱(chēng)鮮重計(jì)為產(chǎn)量，對(duì)可被收獲多次的空心菜，以農(nóng)戶自己實(shí)際稱(chēng)重計(jì)產(chǎn)。周年蔬菜總產(chǎn)量為4季蔬菜產(chǎn)量之和。

綜合考慮田間試驗(yàn)菜地N2O排放量和蔬菜產(chǎn)量，得出菜地單位產(chǎn)量N2O排放量[單位產(chǎn)量N2O排放量(N kg/t) = N2O累積排放量 (N kg/hm2)/蔬菜產(chǎn)量(t/hm2) ][33]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，采用SPSS 19.0軟件對(duì)N2O排放通量與土壤WFPS、土壤溫度、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮進(jìn)行相關(guān)性分析，對(duì)不同處理間N2O累積排放量、蔬菜產(chǎn)量和排放系數(shù)進(jìn)行方差分析。利用Origin2017軟件進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度、土壤充水孔隙度和礦質(zhì)氮的動(dòng)態(tài)變化

因各處理間土壤溫度和WFPS差異不明顯，故以各處理土壤溫度和WFPS的平均值作圖，顯示其動(dòng)態(tài)變化。觀測(cè)期內(nèi)菜地土壤溫度和WFPS動(dòng)態(tài)變化及箱線圖見(jiàn)圖1和圖2。本試驗(yàn)中，觀測(cè)期內(nèi)土壤WFPS值介于37%～93%之間，周年平均值為57.5%。而第二季第一茬 (空心菜) 和第三季 (莧菜)的WFPS較其他觀測(cè)期高，WFPS高達(dá)90%和93%。這是因?yàn)榉N植期內(nèi)灌溉和農(nóng)事操作頻繁所導(dǎo)致的。試驗(yàn)期內(nèi)周年覆蓋溫室大棚，土壤溫度變化范圍為5.8～29.7℃，周年平均氣溫為19.8℃，表現(xiàn)出比較明顯的周年差異，體現(xiàn)為夏季溫度高，冬季溫度低。但在第二季第一茬空心菜的種植中，由于大棚覆膜導(dǎo)致土壤溫度迅速上升。

圖1 觀測(cè)期內(nèi)菜地土壤溫度和土壤充水孔隙度平均值動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Dynamics of average water filled pore space (WFPS)and soil temperature during the observation period

圖2 觀測(cè)期內(nèi)菜地土壤充水孔隙度和土壤溫度箱線圖Fig. 2 WFPS and soil temperature box plots during the observation period

觀測(cè)期內(nèi)不同處理的土壤礦質(zhì)氮濃度動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。所有處理土壤含量在11～357 mg/kg之間波動(dòng)，CK、N、NCF、NCA四個(gè)處理的平均NH含量分別為64.7、146.5、140.7和153.2 mg/kg；所有處理土壤含量在15～348 mg/kg之間波動(dòng)，CK、N、NCF、NCA四個(gè)處理平均含量分別為49.9、179.6、170.7、167.5 mg/kg。所有處理土壤含量在0.3～27.6 mg/kg之間波動(dòng)，CK、N、NCF、NCA四個(gè)處理平均含量分別為1.9、4.4、3.3、2.9 mg/kg。施肥和灌溉措施會(huì)導(dǎo)致土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量的變化。其中，施加氮肥均顯著增加了土壤無(wú)機(jī)氮含量的平均值。在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，生物質(zhì)炭的施用顯著降低了土壤含量的平均值，而對(duì)土壤N含量的平均值無(wú)顯著影響。

2.2 菜地土壤N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化

各處理N2O排放通量的季節(jié)性變化規(guī)律基本一致，但各種植季間排放規(guī)律明顯不同 (圖4)。在灌溉、施肥和翻耕等農(nóng)事操作后會(huì)出現(xiàn)陣發(fā)性的土壤N2O排放峰。一般在施肥和灌溉后3 d內(nèi)出現(xiàn)排放峰，且各處理間排放峰值差異明顯。試驗(yàn)期內(nèi)，最高的排放峰值出現(xiàn)在第3季 (莧菜) 種植期的N處理中，為N 11831 μg/(m2·h)。N2O排放主要集中在溫度和濕度較高的第2季和第3季 (圖4)，并且主導(dǎo)了菜地周年N2O累積排放量。而第1季 (小青菜) 和第4季 (菠菜) 種植過(guò)程中未觀測(cè)到明顯的排放峰出現(xiàn)，主要原因是這兩季蔬菜種植過(guò)程中氣溫較低，導(dǎo)致菜地土壤氮素轉(zhuǎn)化速率較慢。

圖3 觀測(cè)期內(nèi)不同處理的土壤礦質(zhì)氮濃度動(dòng)態(tài)變化Fig. 3 The concentrations of inorganic nitrogen of different treatments during the whole observation period

2.3 菜地土壤N2O累積排放量和排放系數(shù)

在四季蔬菜種植過(guò)程中，各處理間N2O累積排放量差異顯著 (圖5，P〈 0.05)。N2O累積排放量最高值出現(xiàn)在N處理中，為N 25.9 kg/hm2。N2O累積排放主要發(fā)生在第2季 (空心菜) 和第3季 (莧菜) 蔬菜種植過(guò)程中。其中第1季 (小青菜)，與N處理相比，NCA處理N2O累積排放量和排放系數(shù)顯著降低；而NCF處理顯著增加了N2O累積排放量和排放系數(shù)。N2O排放主要發(fā)生在第2季 (空心菜) 種植過(guò)程中，與N處理相比，NCF處理顯著降低了 (P〈0.05) N2O累積排放量和排放系數(shù) (圖5，表3)，而NCA處理減排效果不顯著。在第3 (莧菜) 和第4 (菠菜) 種植季，生物質(zhì)炭處理 (NCF、NCA) N2O累積排放量和排放系數(shù)降低 (P〈 0.05)。

各處理間N2O周年累積排放量存在顯著差異 (P〈0.05)。其中從CK最低，為N 4.8 kg/hm2；N處理最高，為N 25.9 kg/hm2。與N處理相比，生物質(zhì)炭處理 (NCF、NCA) 菜地N2O周年累積排放量和周年排放系數(shù)均顯著降低 (圖5，表2)。其中NCA處理仍然具有較強(qiáng)的減排能力，整個(gè)輪作周期內(nèi)NCA處理N2O周年累積排放量和周年排放系數(shù)較N處理分別顯著降低38.8%和49.9%；NCF處理較N處理分別顯著降低35.6%和46.2%。其中N2O周年累積排放量和周年排放系數(shù)在NCF和NCA處理間差異不顯著。

圖4 不同處理的土壤N2O排放通量動(dòng)態(tài)變化Fig. 4 Dynamics of soil N2O fluxes under different treatments in intensified vegetable field

圖5 菜地各處理各蔬菜季N2O累積排放量Fig. 5 Cumulative N2O emissions of individual vegetable crop season under different treatments in intensified vegetable field

2.4 各季及周年蔬菜產(chǎn)量和單位產(chǎn)量N2O排放量

整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)CK處理周年蔬菜產(chǎn)量最低，為119.71 t/hm2。NCA處理蔬菜產(chǎn)量最高，為184.61 t/hm2，較CK高 54.2% (圖6)。在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)施用氮肥對(duì)各蔬菜季蔬菜產(chǎn)量的影響不一致；施用氮肥顯著增加第1季、第2季和第4季的蔬菜產(chǎn)量 (圖6，P〈 0.05)，而在第3季蔬菜種植過(guò)程中產(chǎn)量無(wú)顯著變化 (圖 6，P〈 0.05)。與 N 處理相比，NCA和 NCF處理均增加蔬菜產(chǎn)量。其中NCA處理的增產(chǎn)效果達(dá)到顯著水平。

整個(gè)周年內(nèi)各處理單位產(chǎn)量N2O排放量范圍為N 0.043～0.165 kg/t，CK處理單位產(chǎn)量N2O排放量最低。與N處理相比，氮肥配施生物質(zhì)炭處理(NCF、NCA) 分別顯著降低了49.8%和41.3%的單位產(chǎn)量N2O累積排放量 (圖7，P〈 0.01)。其中NCA處理仍然具有較強(qiáng)的減排能力。NCF和NCA處理間單位產(chǎn)量N2O累積排放量無(wú)顯著差異。

圖7 各蔬菜季不同處理菜地單位產(chǎn)量N2O排放量Fig. 7 Yield-scaled N2O emission from individual vegetable crop season under different treatments in intensive vegetable field

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對(duì)菜地土壤N2O排放的影響

本試驗(yàn)中，氮肥配施生物質(zhì)炭處理 (NCF、NCA)均能顯著降低集約化生產(chǎn)中菜地土壤N2O排放，這與之前的研究結(jié)果一致[34-35]。生物質(zhì)炭因其疏松多孔的結(jié)構(gòu)，施入土壤能影響土壤理化性質(zhì)及微生物活性，改變土壤氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程[36]，從而影響土壤N2O排放。具體表現(xiàn)為，施加生物質(zhì)炭可短期增加土壤的氮素轉(zhuǎn)化速率，從而將氮從穩(wěn)定態(tài)氮庫(kù)轉(zhuǎn)化成活性態(tài)氮庫(kù)，減少氮素的損失，進(jìn)而減少N2O排放[37]；作為氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的中間產(chǎn)物，可通過(guò)硝化細(xì)菌反硝化還原為N2O[38]，并與土壤N2O累積排放量呈正相關(guān)關(guān)系[39]。施加生物質(zhì)炭可降低土壤含量，進(jìn)而降低土壤N2O排放。此外，生物質(zhì)炭還可通過(guò)促進(jìn)完全反硝化過(guò)程[40]，使得更多的N2O轉(zhuǎn)化為N2[41]，以及通過(guò)自身作為電子受體實(shí)現(xiàn)“電子穿梭”，將電子轉(zhuǎn)化到土壤中的反硝化微生物基團(tuán)中，進(jìn)一步促進(jìn)反硝化過(guò)程的最后一步，把N2O轉(zhuǎn)化為從而降低N2O排放；最后，生物質(zhì)炭還可通過(guò)影響土壤N2O排放源以及硝化和反硝化過(guò)程的排放速率，進(jìn)而影響土壤N2O的排放[42]。

生物質(zhì)炭在施入田間后，由于受田間風(fēng)化作用的影響，其官能團(tuán)會(huì)發(fā)生變化[43]，造成生物質(zhì)炭對(duì)土壤的緩沖能力下降。此外，生物質(zhì)炭表面氧化會(huì)隨施入時(shí)間的推移有顯著變化[44-45]，影響其對(duì)土壤N2O排放的減排效果。Spokas等[25]的研究結(jié)果表明，由于生物質(zhì)炭在農(nóng)田土壤中的風(fēng)化作用，其在施入土壤一段時(shí)間后會(huì)喪失對(duì)土壤N2O排放的抑制作用。因陳化生物質(zhì)炭中抑制硝化反硝化的化合物流失造成其吸附能力下降[46]，以及表面氧化使其失去提高土壤pH的能力[15]，最終導(dǎo)致其N(xiāo)2O的減排能力降低。這與我們的結(jié)果并不一致。本研究發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭4年后仍能有效減少菜地土壤N2O的排放，主要原因是生物質(zhì)炭能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定提升土壤肥力，及影響土壤的反硝化過(guò)程，促進(jìn)N2O向N2的轉(zhuǎn)化，降低土壤N2O的排放[11]。生物質(zhì)炭對(duì)N2O排放的影響可能是由于其改變了菜地土壤氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程[35]。

3.2 環(huán)境因子對(duì)菜地土壤N2O排放的影響

本研究中集約化菜地土壤N2O排放與土壤WFPS存在顯著相關(guān)關(guān)系 (表 3，P〈 0.01)。Weier等[47]的研究同樣發(fā)現(xiàn)，土壤WFPS和土壤溫度是影響土壤N2O排放的主要因素。土壤WFPS通過(guò)影響土壤通氣性、土壤氧化還原電位及微生物活性，進(jìn)而影響土壤N2O的產(chǎn)生與排放[48-49]。有研究指出，土壤WFPS維持在50%～80%之間，是土壤硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌活動(dòng)產(chǎn)生N2O的最適土壤濕度[50-51]。為保證土壤水分的充足，蔬菜生長(zhǎng)季頻繁的灌溉導(dǎo)致了土壤WFPS維持在較高水平，造成N2O的排放集中在蔬菜生長(zhǎng)季；而在休閑期，排放相對(duì)較低。有研究表明，土壤溫度通過(guò)影響土壤氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程相關(guān)的微生物活性，進(jìn)而影響土壤N2O的產(chǎn)生與排放。

表3 N2O排放通量與土壤充水孔隙度 (WFPS)、溫度、礦質(zhì)氮含量的相關(guān)關(guān)系 (r)Table 3 Correlation between N2O flux and water-filled pore space (WFPS), soil temperature and mineral N

Yao等[52]對(duì)茶園土壤的研究發(fā)現(xiàn)，溫度是影響土壤N2O排放的主要因素之一。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，菜地土壤N2O排放通量與溫度無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，與前人研究結(jié)果不一致，這可能是由于受氮肥和頻繁灌水的影響較大；同時(shí)由于覆膜等因素使得土壤溫度的變化范圍有限。進(jìn)一步分析各處理N2O排放通量與土壤礦質(zhì)氮含量的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)各處理土壤N2O排放通量與土壤和間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

3.3 生物質(zhì)炭對(duì)各季及周年蔬菜產(chǎn)量的影響

與N處理相比，氮肥配施生物質(zhì)炭處理 (NCF、NCA) 增加了蔬菜產(chǎn)量，其中NCA處理的增產(chǎn)效果達(dá)到顯著水平。這主要是由于生物質(zhì)炭能夠改良土壤的結(jié)構(gòu)[53]，有效提高了與作物增產(chǎn)有關(guān)的關(guān)鍵土壤理化性質(zhì)[54]，激發(fā)了農(nóng)田土壤的微生物活性，從而提高了蔬菜產(chǎn)量。與本研究在菜地上的研究結(jié)果一致。Major等[55]報(bào)道，施用生物質(zhì)炭的當(dāng)年玉米產(chǎn)量沒(méi)有增加，但第二年至第四年，生物質(zhì)炭均能促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，尤其第四年增產(chǎn)極顯著。這說(shuō)明生物質(zhì)炭對(duì)作物的增產(chǎn)效果具有持續(xù)性，在施入生物質(zhì)炭幾年后仍可觀測(cè)到產(chǎn)量水平的大幅提升。Kocsis等[56]和Criscuoli等[57]分別在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上對(duì)生物質(zhì)炭施用25年和158年的土壤取樣分析，發(fā)現(xiàn)陳化生物質(zhì)炭仍能明顯提高土壤肥力并促進(jìn)作物生長(zhǎng)。Biederman等[58]發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭可普遍增加土壤pH值、總氮、SOC (土壤有機(jī)碳) 和作物產(chǎn)量。生物質(zhì)炭的施用可長(zhǎng)期穩(wěn)定增加作物產(chǎn)量，是一種提高集約化蔬菜生產(chǎn)產(chǎn)量的有效措施。

4 結(jié)論

土壤水分含量的變化顯著影響 (P〈 0.01) 土壤N2O排放通量。施用4年后的陳化生物質(zhì)炭能顯著增加作物產(chǎn)量，且增產(chǎn)效果較新施生物質(zhì)炭處理更優(yōu)。此外，陳化生物質(zhì)炭處理與新施生物質(zhì)炭處理均能減少集約化蔬菜生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放及單位產(chǎn)量N2O排放量。因此，施用生物質(zhì)炭對(duì)集約化蔬菜生態(tài)系統(tǒng)減排和改善作物生產(chǎn)具有長(zhǎng)期效應(yīng)。