秸稈與生物炭覆蓋對土壤養(yǎng)分及溫室氣體排放的影響

楊世梅，何騰兵,2,3，楊麗，趙秋梅，張濤

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，貴州 貴陽 550025；3.貴州省山地畜禽養(yǎng)殖污染控制與資源化技術(shù)工程實驗室，貴州 貴陽 550025)

自20 世紀(jì)以來，全球平均地表溫度持續(xù)升高，模型預(yù)測結(jié)果顯示，從2018 年到2100 年全球平均地表溫度將升高0.3～4.8 ℃[1]，氣候變暖嚴(yán)重影響自然、經(jīng)濟和人類生活，已成為全球關(guān)注的問題[2]。CO2、N2O、CH4作為三大溫室氣體，其在大氣中的濃度不斷增加是導(dǎo)致溫室效應(yīng)并造成全球變暖的關(guān)鍵因素[3]。農(nóng)業(yè)活動是溫室氣體的主要來源之一，在全球農(nóng)業(yè)溫室氣體排放中，來源于土壤的CO2占15%，CH4占47%，N2O 占84%[4]。農(nóng)田土壤溫室氣體的排放受到多方面的影響，如土壤理化性質(zhì)、水分、溫度、秸稈還田量及還田方式等[5–6]。在確保糧食生產(chǎn)安全的同時，找到有效的途徑降低溫室氣體排放，從而改善全球氣候變暖及環(huán)境惡化成為當(dāng)今世界所面臨的共同挑戰(zhàn)。

中國作為農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源十分豐富，2016年中國秸稈產(chǎn)量超過8×108t[7]，傳統(tǒng)秸稈處理方式主要為就地焚燒或直接丟棄在田間，這不僅造成了一系列的環(huán)境問題，也是對資源的一種浪費。生物炭是由生物質(zhì)在厭氧狀態(tài)下經(jīng)過高溫?zé)峤馓蓟a(chǎn)生的穩(wěn)定且富含碳的固態(tài)物。生物炭獨特的多孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)特性使其成為一種優(yōu)良的有機污染物吸附劑[8]。大量研究[9–12]認(rèn)為，秸稈還田和施用生物炭能夠改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤蓄水保墑能力，減少硝酸鹽的淋失，提高作物的產(chǎn)量。有研究[5–6,13]表明，秸稈還田會導(dǎo)致溫室氣體排放的增加。與秸稈還田相反，生物炭施用能抑制農(nóng)田土壤溫室氣體的排放[5,9,14]。保護性耕作措施中，秸稈還田能促進土壤呼吸，如果將秸稈制成生物炭則對CO2排放影響很小[15]。生物炭能顯著降低蔬菜土壤N2O 的年累積排放量，同時降低反硝化酶活性，顯著提高蔬菜產(chǎn)量，并通過提高土壤碳含量和陽離子交換容量改善土壤肥力[16]。也有研究[17]認(rèn)為，秸稈還田能減少溫室氣體的排放。在保證作物產(chǎn)量的同時，不以犧牲生態(tài)效益為代價，尋求合理的秸稈利用方式及施用量，使其發(fā)揮出最大的優(yōu)勢逐漸受到大家的關(guān)注。

本研究中，對貴州最為常見的長期種植玉米的典型旱地土壤進行玉米秸稈和生物炭還田模擬試驗，探究不同處理條件下土壤的肥力狀況和溫室氣體排放規(guī)律，以期探明農(nóng)田土壤固碳減排和提升土壤肥力的秸稈利用方式，為合理利用秸稈資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以貴州省花溪區(qū)麥坪鎮(zhèn)典型多年種植玉米的黃壤為供試土壤，其成土母質(zhì)為砂頁巖。土壤有機質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.61、2.52 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為159.08、9.11、114 mg/kg，pH 5.4。使用事先已知質(zhì)量、直徑11 cm、高約15 cm 的PVC 管采集0～10 cm 原狀土壤樣品：將PVC 管垂直打入土壤10 cm 深，用鐵鍬從側(cè)面向底部切入，去除多余部分，并將PVC 管底部密封，另一端呈敞開狀態(tài)，在采樣及運輸過程中盡量減少對土壤的擾動。在采集原狀土樣的同時，采集0～10 cm 土壤樣品帶回實驗室，測定其含水量及田間持水量。裝有原狀土樣的PVC 管帶回實驗室，稱量總質(zhì)量，再通過計算得到PVC 管內(nèi)土壤的總干質(zhì)量。試驗所用玉米秸稈與土壤樣品來自同一地塊，玉米秸稈齊地面刈割，莖葉一起完整帶回實驗室，烘干后粉碎，待用。生物炭為購買所得，炭化原料為玉米秸稈。玉米秸稈的有機碳、全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為214.31、7.69、0.46、6.92 g/kg；生物炭的有機碳、全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為518.11、1.11、1.83、14.46 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

參照邵泱峰等[18]及田宇欣等[19]的研究確定秸稈覆蓋量，設(shè)6 個處理，分別為不添加秸稈和生物炭的對照(CK)、全量秸稈(S10)、半量秸稈(S5)、全量生物炭(B10)、半量生物炭(B5)和半量秸稈+半量生物炭(BS5)。全量為10 g/管，即為11.6 t/hm2；半量為5 g/管，即為5.8 t/hm2。每個處理4 個重復(fù)。試驗開始前，將原狀土壤水分調(diào)節(jié)至田間持水量的70%[20]，然后將秸稈和生物炭均勻覆蓋到土壤表層，置于20 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，預(yù)培養(yǎng)7 d 后開始為期32 d 的正式試驗。培養(yǎng)期間用重量法保持土壤水分恒定。

1.3 樣品的采集與測定

每3 或4 d 采集一次氣體樣品。采集氣體樣品時，首先使用30 mL 注射器抽取各處理敞開端氣體樣品，之后蓋上帶有三通閥的密封蓋，使PVC 管完全密封，1 h 后再次使用30 mL 注射器抽取氣體樣品，樣品于提前抽成真空的采氣袋中保存，2 d之內(nèi)使用氣相色譜分析儀(島津GC–2014，日本)進行分析。氣相色譜條件：載氣為高純N2；CO2、CH4濃度檢測時采用氫火焰離子檢測器(FID)，反應(yīng)溫度為200 ℃；N2O 氣體濃度檢測時采用電子捕獲檢測器(ECD)，反應(yīng)溫度為350 ℃。參照文獻[21]的方法，計算土壤CO2、CH4和N2O 排放通量；參照文獻[22]的方法，計算土壤CO2、CH4和N2O 的累積排放量，并將溫室氣體的增溫潛勢轉(zhuǎn)化為CO2的排放當(dāng)量，即全球增溫潛勢(GWP)。

試驗結(jié)束后，將表層秸稈和生物炭去除干凈，采集土樣。土樣經(jīng)自然風(fēng)干、過篩后，參照文獻[23]的方法測定其基礎(chǔ)養(yǎng)分指標(biāo)：采用電位法測定pH；采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定有機質(zhì)；采用硫酸催化劑消煮+半微量凱氏定氮法測定全氮；采用堿解擴散法測定堿解氮；采用0.5 mol/L NaHCO3浸提+鉬藍比色法測定有效磷；采用醋酸銨浸提+火焰光度法測定速效鉀。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗所得數(shù)據(jù)運用Excel 2010 進行整理及繪圖；運用SPSS 21.0 進行單因素方差分析，并采用LSD 法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈與生物炭覆蓋對土壤養(yǎng)分特征的影響

從表1 可知，秸稈和生物炭覆蓋對土壤pH 產(chǎn)生的影響并不一致，其中BS5 的土壤pH 顯著高于S10和B5 的，與CK 相比，BS5、S5 和B10 的土壤pH分別提高了3.96%、2.18%和0.59%，但所有處理與CK 間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義；S10、S5 和B5 的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于CK 的，分別降低了57.01%、47.44%和36.04%；土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮和有效磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各處理間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，其中，BS5 的有機質(zhì)、堿解氮和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為最高；與CK 相比，S10、S5、B10、B5 和BS5 的全氮分別降低了7.91%、2.37%、12.65%、11.86%和7.11%。

表1 秸稈與生物炭覆蓋土壤的養(yǎng)分特征Table 1 Nutrient characteristics of straw and biochar mulched soil

2.2 秸稈與生物炭覆蓋土壤的CO2 排放特征

從圖1 可知，培養(yǎng)期間各處理CO2排放通量變化趨勢基本相似，試驗前期CO2排放通量較高，到后期逐漸降低直至趨于穩(wěn)定，總體表現(xiàn)為CO2排放源；正式培養(yǎng)第1 天CO2排放通量最高；第9 天時排放通量降低到達第一個排放谷；第12 天時排放通量迅速上升；第18 天時CO2排放通量再次降到排放谷，之后一直到培養(yǎng)結(jié)束時CO2排放通量的波動范圍較小，并且逐漸趨于平穩(wěn)。

圖1 秸稈與生物炭覆蓋土壤溫室氣體排放通量的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic change of greenhouse gas emission flux of straw and biochar mulched soil

2.3 秸稈與生物炭覆蓋土壤的CH4 排放特征

從圖1 可知，培養(yǎng)期間各處理CH4排放通量動態(tài)變化不一致，排放通量有正有負(fù)；試驗從開始到第4 天，CH4排放通量呈下降趨勢，且第4 天時除B10 外，其余處理土壤均表現(xiàn)為對CH4吸收；CK、B5、BS5 第7 天和第12 天時分別出現(xiàn)CH4排放通量的排放峰，第9 天時排放通量雖有下降，但均為CH4排放源，S5、S10、B10 則是第7～12 天逐漸增加，第12 天時出現(xiàn)CH4排放通量的排放峰；之后呈下降趨勢，直至第24 天時再次出現(xiàn)CH4吸收；第29 天CH4排放量再次增加；培養(yǎng)至第32 天時CH4排放量又出現(xiàn)小幅度下降，但除CK 和BS5 外，其他處理土壤仍然表現(xiàn)為CH4的排放。

2.4 秸稈與生物炭覆蓋土壤的N2O 排放特征

從圖1 可知，除第9 天各處理N2O 排放特征存在差異外，整個培養(yǎng)期間各處理的變化趨勢基本一致：培養(yǎng)第1 天N2O 排放通量最低，表現(xiàn)為N2O的吸收；之后N2O 排放通量迅速升高，至第4 天時出現(xiàn)一個排放峰，且所有處理均表現(xiàn)為N2O 排放源；之后開始下降，但是在培養(yǎng)的第9 天各處理N2O 排放通量出現(xiàn)較大差異，CK 和BS5 為N2O 排放源，而其他處理則為匯；培養(yǎng)后期N2O 排放通量逐漸趨于穩(wěn)定，且排放通量總體為負(fù)值。

2.5 秸稈與生物炭覆蓋的土壤溫室氣體累積排放量及全球增溫潛勢變化特征

從表2 可知，BS5、B5、S5、B10、S10、CK的CO2累積排放量依次減少，秸稈和生物炭覆蓋均提高了土壤的CO2累積排放量，BS5 的CO2累積排放量顯著高于CK 和S10 的，分別是其2.56 和2.06倍；與CK 相比，秸稈和生物炭覆蓋土壤的CH4累積排放量變化均不顯著，B5 累積排放量最低，降低了93.39%，而BS5 則使CH4累積排放量增加了21.50%；秸稈和生物炭覆蓋均有降低N2O 累積排放量的趨勢，其中秸稈或生物炭單獨覆蓋處理的N2O累積排放量均為負(fù)值，即土壤由N2O 排放源轉(zhuǎn)為匯，兩者混合覆蓋土壤雖有一定的降低效果，但仍為N2O 的排放源，各處理以S10 對土壤N2O 排放抑制效果最佳，其累積排放量顯著低于CK 的累積排放量。

表2 秸稈與生物炭覆蓋土壤的溫室氣體累積排放量及全球增溫潛勢Table 2 Cumulative amounts of greenhouse gas emissions and global warming potential of straw and biochar mulched soil

從表2 還可知，所有處理均具有潛在溫室效應(yīng)，以CO2對GWP 貢獻最大，N2O 貢獻最低；各處理GWP 的變化特征與CO2累積排放量變化特征基本一致，隨秸稈或生物炭覆蓋量增加GWP 呈下降趨勢，以BS5 的GWP 最高，顯著高于CK 和S10 的，可見，半量秸稈+半量生物炭覆蓋導(dǎo)致的潛在溫室效應(yīng)最為明顯。

3 結(jié)論與討論

有研究認(rèn)為，秸稈與生物炭還田均能提高土壤全氮、堿解氮、速效磷等養(yǎng)分的含量，改善土壤肥力狀況[16,24]，提高表層土壤的有機碳[10,25]、溶解有機碳、不穩(wěn)定有機碳、顆粒有機碳和微生物量碳含量[11]，少耕或免耕與秸稈還田相結(jié)合有助于提高土壤有機碳含量和質(zhì)量[26]。還有研究表明，秸稈覆蓋還田對土壤全氮含量并沒有影響，且可提高土壤pH[27]，施用生物炭同樣可提高土壤pH[24]。LI[16]等的研究表明，生物炭施用會導(dǎo)致pH 降低。本研究中，秸稈與生物炭覆蓋對土壤中有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響并不顯著，對pH 和速效鉀的影響不一致，既有降低作用，也存在提高現(xiàn)象。本研究中，土壤養(yǎng)分含量的變化特征與上述學(xué)者的研究結(jié)果存在差異，特別是部分處理土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，可能原因是本試驗培養(yǎng)周期較短且還田方式為覆蓋還田，導(dǎo)致秸稈腐解速率相對較低，養(yǎng)分釋放速率緩慢，在試驗周期內(nèi)秸稈本身的養(yǎng)分未能及時轉(zhuǎn)移到土壤中。秸稈還田后被土壤微生物降解，將其木質(zhì)素和木質(zhì)纖維素等成分進行發(fā)酵、腐解、分解等方式轉(zhuǎn)化后才能向土壤中輸送有機質(zhì)和礦質(zhì)營養(yǎng)等成分[28]。在秸稈腐解前期土壤中的微生物需要大量消耗土壤中的養(yǎng)分來維持自己的正?；顒有?，如需要消耗氮素[29]，從而導(dǎo)致了土壤中養(yǎng)分的虧損。

本研究中，在培養(yǎng)前期各處理溫室氣體排放通量普遍較高，特別是CO2排放峰出現(xiàn)在正式培養(yǎng)的第1 天，這可能是培養(yǎng)初期由于干擾未穩(wěn)定而帶來的通量正常波動；培養(yǎng)后期各處理溫室氣體排放通量逐漸下降并趨于穩(wěn)定，原因可能是玉米秸稈含有大量的糖類、脂肪等易分解組分，進入土壤后被微生物快速分解利用，微生物數(shù)量迅速增加，溫室氣體釋放較快，到了培養(yǎng)后期易分解組分逐漸被消耗，微生物不得不轉(zhuǎn)向開始利用難分解組分，溫室氣體降低且趨于穩(wěn)定[30–31]。本研究中，秸稈和生物炭覆蓋有促進CO2排放、抑制N2O 排放的趨勢，而對CH4排放的影響不一致；半量秸稈+半量生物炭覆蓋增加CO2和CH4排放，降低N2O 抑制效果。有研究得出，在土壤中添加秸稈和生物炭會抑制CO2和N2O 的排放，促進CH4吸收[9]，秸稈和生物炭會促進土壤中形成腐殖質(zhì)、碳水化合物等難以被微生物吸收利用的大分子物質(zhì)[32]，使微生物對碳的吸收利用能力下降[33]，其本身具有較高的C/N 比值，隨著其輸入，土壤的通透性和保水持水能力得到了增強，對硝化作用和反硝化作用起到了一定程度上的抑制[34–35]；還有研究[5,36]表明，生物炭還田降低了土壤CO2排放量；但朱曉晴等[13]認(rèn)為，秸稈還田增加了CO2和N2O 排放，降低CH4吸收。各學(xué)者的研究結(jié)論并不一致，可能原因是溫室氣體排放受多種外部因素的影響，如各地環(huán)境差異較大、還田方式的不同、秸稈或生物炭的使用量不一致等。在本研究條件下，人為地控制了土壤水分及培養(yǎng)溫度2 個重要影響因子，僅考慮外源秸稈覆蓋對溫室氣體排放的影響，這也可能導(dǎo)致得出的結(jié)論因環(huán)境問題而與其他學(xué)者的結(jié)論存在差異。

本研究中，各處理均有增加GWP 的趨勢。3種溫室氣體中，CO2對GWP 的貢獻最大。秸稈覆蓋有增加土壤溫室氣體排放的潛勢[37]。向土壤不同深度添加秸稈，均增加了玉米生長季溫室氣體的綜合增溫潛勢[13]。周際海等[5]研究表明，施用秸稈有增加GWP 的趨勢，而施用生物炭有降低GWP 的趨勢，且高劑量生物炭施用降低GWP 的效果更為顯著。但也有研究[9]認(rèn)為，秸稈與生物炭施用均降低了GWP。秸稈和生物炭還田于土壤表層，使土壤有機碳大量礦化[13]。向土壤中加入生物炭，土壤中碳礦化率增加，或者是由于所添加生物炭所含的不穩(wěn)定碳的礦化[38]，導(dǎo)致了溫室氣體排放的增加，進而增加了GWP。