生物炭對山西菜地土壤溫室氣體排放強(qiáng)度的影響

張浩東，賈俊香，馬智勇

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，國家級實驗教學(xué)示范中心，山西太谷030801）

氣候變暖成為目前的熱點問題之一。近些年來，雖然國家在加大力度宣傳環(huán)境保護(hù)方面的知識，但是還是有很多的人因宣傳覆蓋的不全面，仍會出現(xiàn)對森林植被的過度砍伐，使得吸收溫室氣體的綠色植物大大減少。同時工業(yè)上大量化學(xué)燃料的燃燒，導(dǎo)致大氣中N2O 和CO2的氣體濃度不斷增高，造成了我國溫室效應(yīng)不斷增強(qiáng)[1]。溫室氣體的累積也導(dǎo)致了全球氣候變暖越來越嚴(yán)重，氣候的變化引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視[2]。N2O、CH4以及CO2等溫室氣體的不斷排放，使溫室氣體的濃度不斷升高，是引起全球氣候持續(xù)變暖的原因[3]。在《中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報》中可以了解到，來自我國農(nóng)業(yè)方面的N2O 和CH4的排放量分別占全國氣體總排放量的56.29%和73.79%。來自農(nóng)業(yè)的溫室氣體的總排放量占全國溫室氣體總排放量的10.79%[4]。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)發(fā)展越迅速，對我國溫室氣體濃度的累積影響就會越大。在我國大部分的種植地都是旱地土壤，而旱地土壤又是主要排放N2O 氣體的地方。N2O 作為溫室氣體的主要貢獻(xiàn)者，抑制或減緩來自農(nóng)業(yè)的N2O 等氣體的排放很有必要[5]。

生物炭是由于生物有機(jī)材料（例如農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)物質(zhì)、農(nóng)林廢棄物以及禽畜糞便等有機(jī)物質(zhì)）在無氧或缺氧條件下通過低溫裂解而得到的一種不完全燃燒的含碳量極其豐富的固體黑色產(chǎn)物[6]。它的穩(wěn)定性程度很高，并具有很強(qiáng)的吸附能力。生物炭添加到土壤中可以增加土壤的穩(wěn)定性碳庫儲量。生物炭特殊的物理性質(zhì)，加入土壤后可以使土壤本身的理化性質(zhì)發(fā)生改變，其主要表現(xiàn)在土壤自身結(jié)構(gòu)的變化、土壤的酸堿性變化、土壤持水力的變化等[7-8]。生物炭具有比較大的比表面積，施入土壤后，可以有效降低土壤的容重，還能夠在增大土壤的持水性同時增強(qiáng)土壤的保肥能力[9]。此外，生物炭的施入對土壤中有毒有害物質(zhì)以及重金屬物質(zhì)的吸附也有很大的幫助，這種效果也會隨著生物炭添加量的多少而表現(xiàn)出不同的反應(yīng)[10-14]。生物炭施入土壤中可以給作物提供其生長周期內(nèi)所需要的各種營養(yǎng)元素，進(jìn)而提高我國農(nóng)作物的產(chǎn)量及其品質(zhì)[15-16]。土壤的理化性質(zhì)以及土壤微生物的活性都可以通過施入一定量的生物炭得到改善。

目前國內(nèi)外學(xué)者對于土壤中施入生物炭能否抑制或減少溫室氣體排放的研究比較多。其中，在生物炭對于菜地土壤CO2排放通量的影響這一方面，各位學(xué)者的研究結(jié)果不盡相同，有促進(jìn)排放[17]、抑制排放[18]以及二者關(guān)系不明顯[19]等報道。而生物炭對于菜地土壤N2O 排放通量這一方面的報道則多為降低排放量[20]和關(guān)系不顯著[21]2 個結(jié)果。王月玲等[22]通過試驗發(fā)現(xiàn)，在塿土土壤中施加一定量的生物炭后，能促進(jìn)土壤CO2的排放以及增加土壤對CH4的吸收。并且ZHENG 等[23]通過試驗發(fā)現(xiàn)，土壤中施加生物炭會促進(jìn)土壤CO2的排放。何飛飛等[24]研究表明，在土壤中施入不同生物炭量對土壤N2O、CO2的排放量略有差異。目前多數(shù)學(xué)者在研究生物炭的過程中沒有深入考查到氮肥與生物炭配施對于土壤溫室氣體排放結(jié)果的影響。

本試驗采用室內(nèi)靜態(tài)暗箱培養(yǎng)結(jié)合氣相色譜法，探究氮肥與生物炭配施對菜地土壤N2O、CH4、CO2等溫室氣體排放通量和累積排放量以及對GWP 的影響，以期為我國菜地土壤溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試生物炭為河南三利新能源公司生產(chǎn)的玉米秸稈生物炭，其理化性狀為：pH 值10.6，有機(jī)碳含量500.4 g/kg，全氮含量8.4 g/kg，全磷含量3.0 g/kg，全鉀含量10.8 g/kg；氮肥為含氮量46.7%的分析純尿素。

供試土壤選自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗站菜地耕層土，試驗地土壤基本理化性狀為：pH值8.24，土壤容重1.12 g/cm3，有機(jī)碳含量12.74 g/kg，全氮含量0.38 g/kg，全磷含量0.706 g/kg，全鉀含量15.34 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院實驗室進(jìn)行，采用靜態(tài)室內(nèi)培養(yǎng)結(jié)合氣相色譜法，對培養(yǎng)樣品的N2O、CH4與CO2氣體排放通量進(jìn)行測定。試驗共設(shè)置 CK、N、NB 等 3 個處理（表 1），每個處理重復(fù)3 次。稱取過1 mm 篩的風(fēng)干土樣100 g 于250 mL的三角瓶里，于2019 年4 月16 日到5 月6 日在恒溫培養(yǎng)箱里進(jìn)行培養(yǎng)，恒溫溫度為26 ℃。在樣品培養(yǎng)的第 1、3、5、8、14、21 天 9：00—11：00 采集氣體，總共采集6 次。采樣時取出在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)的樣品，采氣前先用帶有三通閥的橡皮塞把三角瓶塞住，使之成為密閉狀態(tài)。在其密閉培養(yǎng)狀態(tài)下的 0、10、20、30 min 用帶有三通閥的 20 mL 注射針管各采氣1 次。采集的氣體樣品用氣相色譜儀（Agilent 7890B）進(jìn)行測定。測定時儀器的各項指標(biāo)：CO2檢測器為FID，檢測器溫度設(shè)定為250 ℃，柱溫為60 ℃，載氣是99.999%高純氮，流速為30 mL/min；N2O 檢測器為ECD，溫度設(shè)定為30 ℃，載氣是99.999%高純氫氣，流速為40 mL/min。試驗室所用的標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度 CO2為 409.2 mol/mol，CH4為2.56 mol/mol。每次采集完氣體后對培養(yǎng)的樣品進(jìn)行稱質(zhì)量，并定量加水，使土壤水分含量保持在60%。

表1 試驗各處理設(shè)置

1.3 測定項目及方法

1.3.1 排放通量的測定 排放通量的值為3 次平行采樣的平均值，以每次培養(yǎng)的時間間隔為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，最后求得培養(yǎng)期內(nèi)N2O、CH4和CO2累積排放量。

式中，F(xiàn) 表示N2O（μg（/m·2h））、CH（4mg（/m·2h））和CO2的排放通量（mg（/m2·h））；ρ 表示標(biāo)準(zhǔn)狀況下 N2O-N、CH4-C 和 CO2-C 的密度，N2O-N 的密度為 1.25 g/L，CH4-C 的密度為 0.77 g/L，CO2-C 的密度為 0.54 g/L；V 表示三角瓶體積（m3），為 250 mL，換算成0.000 25 m3；A 表示三角瓶內(nèi)土壤表面積（m2），為 0.005 024 m2；ΔC 表示單位時間內(nèi)密閉靜態(tài)箱內(nèi) N2O、CH4和 CO2濃度的變化量；Δt 表示單位時間內(nèi)密閉靜態(tài)箱內(nèi)N2O、CH4和CO2的排放速率（N2O 為nL（/L·h），CH4為 μL（/L·h），CO2為 μL/（L·h））；T 表示溫度，這里指室溫 26 ℃。

1.3.2 全球增溫潛勢（GWP）的計算 以100 a 為時間尺度來進(jìn)行計算，把N2O 與CH4氣體的累積排放量根據(jù)溫室效應(yīng)強(qiáng)度換算為等量的CO2氣體量。單位分子N2O 的全球增溫潛勢是單位分子CO2的298 倍，單位分子CH4的全球增溫潛勢是單位分子CO2的25 倍。其計算公式如公式（2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excle 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖表處理，作圖和顯著性差異檢驗在SPSS 24.0 軟件中制作和處理，顯著性差異檢驗采用LSD 法（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對菜地土壤N2O 排放通量的影響

由圖1 可知，N 和NB 處理的平均排放通量要高于CK 的平均排放通量，但N 處理的排放趨勢相對平緩，NB 處理的排放相對比較強(qiáng)烈。隨著培養(yǎng)時間的增加，N2O 的排放通量在培養(yǎng)后期顯著降低且趨勢越來越平緩。分析試驗初期N2O 的排放通量增加的原因有可能是因為在培養(yǎng)初期，肥料在短時間內(nèi)發(fā)生了反應(yīng)，使土壤中的硝化與反硝化作用增強(qiáng)，使得N2O 的排放通量明顯增加。CK、N 以及NB 處理在培養(yǎng)期間內(nèi)N2O 排放通量分別為0.000 78～0.027 8、0.000 333～0.651、0.001 08～0.993 μg（/m·2h）。其中，NB 處理在4 月18 日達(dá)到該處理的最大N2O排放通量，為0.993 μg（/m2·h），5 月6 日所有處理的N2O 排放通量均下降到最低。

2.2 生物炭對菜地土壤CH4 排放通量的影響

從圖2 可以看出，CH4在培養(yǎng)初期整體排放通量均為正值，在培養(yǎng)中期整體排放通量均為負(fù)值，后期又均有回升的趨勢。CK 的變化相對比較平緩，N、NB 處理的變化比較雜亂，沒有特別明顯的規(guī)律。分析原因可能是因為在稻田中CH4的排放會比較強(qiáng)烈，在菜地土壤中的排放通量則并不明顯。CK、N、NB 處理在培養(yǎng)期間內(nèi)CH4的排放通量分別為-0.004 3～0.001 91、-0.001 21～0.001 9、-0.005 34～0.005 86 mg（/m·2h）。其中，NB 處理CH4排放通量在4 月29 日達(dá)到最大值，為0.005 86 mg（/m·2h）。在每組處理中CH4排放通量都表現(xiàn)出波動性變化，在接近試驗中期時出現(xiàn)了CH4排放通量低于0 的情況，意味著菜地土壤對CH4的匯作用有所增強(qiáng)，土壤對CH4的排放開始出現(xiàn)吸收現(xiàn)象。

2.3 生物炭對菜地土壤CO2 排放通量的影響

從圖3 可以看出，各處理在培養(yǎng)初期均達(dá)到了該組的最高值，并且在整個培養(yǎng)期間各處理間的變化基本趨于一致。CO2排放通量為NB＞N＞CK，均隨著培養(yǎng)時間的增加，雖然在后期的排放中稍有波動，但是整體呈現(xiàn)下降的變化并逐漸趨于平緩。分析前期排放通量達(dá)最高的原因可能是因為剛加入肥料，促進(jìn)了土壤的呼吸作用。CK、N、NB 處理在培養(yǎng)期間內(nèi)CO2的排放通量分別為3.277 3～28.457 4、2.525 2～35.946 2、3.790 3～39.922 1 mg（/m2·h）。每日排放CO2最少的是CK，其中，NB 處理的CO2排放通量在4 月16 日達(dá)到最大值，為39.922 1 mg/（m2·h）。各處理CO2排放通量在5 月6 日都降到該組的最低排放水平。

2.4 生物炭對菜地土壤溫室氣體平均排放通量和累積排放量的影響

從表2、3 可以看出，在整個試驗期間，N2O 的累積排放量的最大值是NB 處理。相對于CK 來說，NB 處理的N2O 累積排放量增加了29.98 倍，并且CK 與NB 處理之間存在顯著性差異，這意味著樣品中添加生物炭使N2O 的平均排放通量與累積排放量都增加，且增加幅度較強(qiáng)烈。結(jié)果表明，菜地土壤中添加生物炭會促進(jìn)N2O 的排放。這一試驗結(jié)果與MARIA 等[25]的研究結(jié)果相同。生物炭會促進(jìn)土壤的硝化作用從而增加N2O 的排放，分析可能這就是NB 的排放通量高于CK 的原因。

表2 土壤溫室氣體平均排放通量比較

表3 土壤溫室氣體累積排放量比較

CH4的累積排放量的最大值為NB 處理。N 和NB 處理與CK 相比，差異均不顯著。結(jié)果表明，樣品中添加生物炭抑制了土壤對CH4的吸收作用。這一試驗結(jié)果與張中杰等[26]在川中丘陵旱地的研究結(jié)果相似。生物炭的添加增加了土壤中的有機(jī)物質(zhì)，有利于土壤中各活動的產(chǎn)生，從而使CH4的排放通量增加。

CO2累積排放量的最大值為NB 處理。與CK相比，NB 處理的CO2累積排放量增加了1.32 倍，并且NB 處理與CK 間存在顯著性差異，同時排放通量明顯高于CK。這表明添加生物炭會促進(jìn)CO2的排放，這一試驗結(jié)果與武文明等[27]的研究結(jié)果一致。

2.5 生物炭對菜地土壤全球增溫潛勢 （GWP）的影響

從表4 可以看出，根據(jù)菜地土壤中N2O 和CH4的累積排放量并將其在100 a 的時間尺度上轉(zhuǎn)化為等量CO2累積排放量。分析得出，溫室氣體GWP 的總值從大到小排序為NB＞N＞CK。在試驗的各個處理中，生物炭與氮肥配施樣品的全球增溫潛勢是整個試驗中最高的，并且它的最大值已經(jīng)達(dá)到0.894 kg/hm2，CK 的 GWP 值是該試驗最低的，為0.030 kg/hm2。并且 NB 和 CK 與 N 和 CK 之間都存在顯著性差異。N 和NB 處理的GWP 分別較CK 增加了22.13、29.8 倍。說明不管是單施氮肥還是生物炭與氮肥配施都會增加GWP。

表4 不同處理下GWP 的變化

3 結(jié)論與討論

在整個試驗培養(yǎng)期內(nèi)，N 和NB 處理的N2O 排放通量處于一個先升高后降低最后趨于平緩的趨勢，N 和NB 處理在培養(yǎng)試驗第3 天時達(dá)到了整組的最高值?？梢杂^察到N2O排放通量為NB＞N＞CK。從試驗結(jié)果可以看出，生物炭與氮肥配施顯著增加了菜地土壤 N2O 的排放，與 CK 相比，NB 與 N 處理的N2O 累積排放量分別增加了29.98、22.30 倍。影響菜地土壤N2O 排放的原因有很多，如種植地土壤的土壤質(zhì)地、種植地的氣候條件以及農(nóng)民耕作時的耕作方式等，因為諸多因素的共同作用導(dǎo)致N2O 排放通量存在較大差異[28]。本試驗中導(dǎo)致菜地土壤中N2O 排放通量增加的原因可能是：（1）在試驗培養(yǎng)初期添加了氮肥，氮肥增強(qiáng)了菜地土壤中的硝化與反硝化作用，而決定菜地土壤中N2O 的排放通量大小一般是由含氮量的多少所決定；（2）向菜地土壤中添加的生物炭可以激發(fā)土壤中礦物態(tài)氮的活性，增強(qiáng)其可利用性。

NB 處理對CH4排放通量的影響要高于CK 以及N 處理。N 處理與CK 的CH4累積排放量均小于0，表現(xiàn)為吸收，NB 處理的CH4累積排放量大于0，N、NB 與CK 間差異不顯著，并且試驗中CH4的排放通量忽高忽低，排放通量沒有明顯的規(guī)律可言。分析原因可能是影響菜地土壤中CH4排放的主要原因是菜地土壤中存在著甲烷菌和甲烷氧化菌，而CH4的排放通量是它們聯(lián)合作用所致的結(jié)果[29]。本試驗生物炭與氮肥配施中生物炭的某些化學(xué)物質(zhì)可能抑制了土壤中甲烷菌和甲烷氧化菌的活性，所以，提高了CH4的排放通量。

相對于 CK 的 CO2排放通量，NB 與 N 處理的CO2排放通量分別增加了1.32、1.24 倍。生物炭與氮肥配施顯著增加了CO2的排放通量，這與馬智勇等[30]的研究結(jié)果相同，影響菜地土壤中CO2排放通量的原因可能是因為向土壤中添加了生物炭，從而促進(jìn)了菜地土壤中有機(jī)碳的分解，這與菜地土壤中的含水量有一定的關(guān)系。本試驗結(jié)果表明，菜地土壤中添加生物炭會促進(jìn)菜地土壤CO2的排放。生物炭是一種含碳量高達(dá)60%的生物有機(jī)材料，它可以為土壤中微生物的生長環(huán)境提供大量所需物質(zhì)，促進(jìn)土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解；還因為其自身的結(jié)構(gòu)具有改善土壤理化性質(zhì)的特點，這也激發(fā)了微生物活性，從而使菜地土壤中CO2的排放通量大大增加。

此外，生物炭與氮肥配施增強(qiáng)了GWP。N 處理比 CK 增加了 22.13 倍，NB 處理比 N 處理增加了34.64%。這表明單施氮肥、生物炭配施氮肥都會促進(jìn)GWP。