生物炭和雙氰胺對(duì)設(shè)施蔬菜土壤溫室氣體排放的影響

宋博影，郭艷杰, 4，王文贊，呂澤楠，趙宇晴，柳鷺，張麗娟,3

生物炭和雙氰胺對(duì)設(shè)施蔬菜土壤溫室氣體排放的影響

1河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定 071001；2河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071001；3河北省蔬菜產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，河北保定 071001；4華北作物改良與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071001

【目的】通過(guò)探究生物炭、雙氰胺（DCD）及二者聯(lián)合施用對(duì)設(shè)施土壤溫室氣體（N2O、CO2和CH4）排放的綜合效應(yīng)，為設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系的溫室氣體減排和綠色發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā恳栽O(shè)施小油菜（L.）田為研究對(duì)象，設(shè)置不施氮（CK）、傳統(tǒng)施氮（CN）、推薦施氮（RN）、推薦施氮+生物炭（RNB）、推薦施氮+DCD（RND）和推薦施氮+生物炭+DCD（RNBD）6個(gè)處理。分析不同處理下土壤溫室氣體的排放特征，以及排放強(qiáng)度（GHGI）和全球增溫潛勢(shì)（GWP）的差異?！窘Y(jié)果】與CN相比，推薦施氮條件下各處理（RN、RNB、RND和RNBD）的小油菜產(chǎn)量降低2.9%—29.3%，但在推薦施氮條件下，生物炭+DCD聯(lián)合施用處理（RNBD）則使小油菜產(chǎn)量增加了34.4%，生物炭和DCD在小油菜增產(chǎn)方面表現(xiàn)出協(xié)同效果（＜0.05）。推薦施氮的各處理較傳統(tǒng)施氮（CN）降低了29.4%—76.5%的土壤N2O排放量，以RND效果最優(yōu)，但對(duì)土壤CO2、CH4排放影響不大；與CN相比，推薦施氮的各處理總GWP有所降低，降低幅度為4.3%—51.2%，以RND減排效果最優(yōu)；就GHGI而言，各推薦施氮處理間差異則不顯著（＞0.05）?！窘Y(jié)論】相同尿素施用量條件下，推薦施氮配施生物炭或雙氰胺對(duì)小油菜產(chǎn)量影響不大，但二者聯(lián)合配施可顯著促進(jìn)小油菜增產(chǎn)，并可在一定程度上降低溫室氣體累積排放與全球增溫潛勢(shì)，但二者配合施用的效果并不優(yōu)于推薦施氮與雙氰胺配施的處理。

生物炭；雙氰胺；設(shè)施菜田；小油菜（L.）；溫室氣體排放強(qiáng)度；綜合增溫效應(yīng)

0 引言

【研究意義】當(dāng)前大氣中溫室氣體（N2O、CO2和CH4）濃度升高導(dǎo)致的全球氣候變暖的環(huán)境問(wèn)題[1]，一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[2-3]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體產(chǎn)生的主要來(lái)源，在全球大氣溫室氣體收支平衡中也扮演著重要角色[4]。據(jù)估計(jì)，全球每年大氣中有80%—90%的N2O、5%—20%的CO2和15%—30%的CH4來(lái)自土壤[5]，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)貢獻(xiàn)了全球25%的溫室氣體排放[6-7]。蔬菜在我國(guó)是僅次于糧食的重要農(nóng)產(chǎn)品，尤其是設(shè)施蔬菜栽培因可實(shí)現(xiàn)蔬菜全年供應(yīng)，有助于提高蔬菜質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[8-10]，是目前最具活力的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，發(fā)展尤為迅猛?！笆濉逼陂g，我國(guó)設(shè)施蔬菜面積基本穩(wěn)定在410萬(wàn) hm2，年均增長(zhǎng)率為1%左右[11]，2019年，全國(guó)設(shè)施蔬菜產(chǎn)值超過(guò)9800億元，約占蔬菜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的1/2，占種植業(yè)總產(chǎn)值的19.1%[12]。因此設(shè)施蔬菜土壤溫室氣體排放問(wèn)題也日益引起關(guān)注和重視。與糧食作物相比，蔬菜作物需肥量高[13]，同時(shí)菜農(nóng)片面追求高產(chǎn)高收益大量施用肥料，尤其是氮肥的超量投入，從而加劇了土壤溫室氣體排放[14]。施用化學(xué)氮肥可以為土壤硝化和反硝化微生物提供充足的作用底物，顯著促進(jìn)土壤N2O排放[15]。有研究表明，土壤N2O排放隨氮肥施用量的增加而增加[16-17]，且二者呈指數(shù)關(guān)系[18]。據(jù)估計(jì)，設(shè)施蔬菜體系土壤N2O排放占全國(guó)農(nóng)田N2O排放的20%[19]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】生物炭（biochar）是有機(jī)材料（作物秸稈、林果木枝條、糞便等）在缺氧或限氧環(huán)境中，經(jīng)高溫?zé)崃呀夂螽a(chǎn)生的固態(tài)產(chǎn)物，因其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附性能好的優(yōu)點(diǎn)，可作為土壤調(diào)理劑[20-21]。生物炭施入土壤可提升土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量[22-24]，從而緩解大氣CO2濃度升高[25-26]、改善土壤理化和微生物性質(zhì)[27-30]、抑制N2O、CH4的產(chǎn)生和排放[31-33]，同時(shí)也可為作物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)元素，提高產(chǎn)量和品質(zhì)[34-36]。硝化抑制劑（nitrification inhibitor, NI）能夠有效抑制硝化作用，減緩銨態(tài)氮（NH4+-N）向硝態(tài)氮（NO3--N）轉(zhuǎn)化的速率，從而減少NO3--N的產(chǎn)生和累積，進(jìn)而減少淋溶和反硝化損失[37-38]。GAO等[39]通過(guò)文獻(xiàn)薈萃分析得出，雙氰胺（dicyandiamide，DCD）可減少30.4%的N2O排放，3,4-二甲基吡唑磷酸鹽（3,4-dimethylpyrazole phosphate，DMPP）能減少60.1%的N2O排放。MENG等[40]通過(guò)分析硝化抑制劑與尿素施用對(duì)亞熱帶牧場(chǎng)的影響發(fā)現(xiàn)，施用DCD和DMPP均可顯著降低N2O排放量，分別超過(guò)76%和67%。硝化抑制劑施用后，土壤中硝化細(xì)菌減少甚至消失，其使用效果在很大程度上取決于與NH4+-N接觸的有效量。DCD水溶性很高（13 ℃下水溶解度為22.6 g·L-1），在土體中移動(dòng)性較強(qiáng)，在遇到強(qiáng)水流的情況下，很容易從NH4+-N中分離出來(lái)，這嚴(yán)重限制了其施用效果[41]。生物炭因具有多微孔、比表面積大、吸附力強(qiáng)、富含碳等理化特性[42]，因此可以增強(qiáng)硝化抑制劑和NH4+-N的吸引和滯留[43]，使其與NH4+-N之間的空間分離得到了緩解，接觸得到改善，從而提高硝化抑制劑的效果。由此，推測(cè)生物炭和硝化抑制劑在溫室氣體減排方面可能會(huì)表現(xiàn)出協(xié)同效果。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用，可降低抑制劑在土壤中的釋放速率，降低氮素淋洗損失，從而對(duì)硝化抑制劑起到一定的保護(hù)作用[44]。如CHEN等[45]通過(guò)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將新鮮的小麥秸稈生物炭施入土壤能吸附一定的硝化抑制劑，從而延長(zhǎng)穩(wěn)定劑的作用時(shí)長(zhǎng)，減少N2O的釋放。但也有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與硝化抑制劑配施后增加了生物炭-土壤復(fù)合體對(duì)DMPP的吸附，進(jìn)而降低了DMPP的作用效果[46]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前有關(guān)生物炭的研究多集中在其改善土壤理化性質(zhì)[47-48]、固碳減排等方面[49-50]，硝化抑制劑則多集中在減少氮素淋溶損失和N2O減排，提高氮肥利用率等方面。關(guān)于二者配施的研究結(jié)果尚且存在爭(zhēng)議?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文以設(shè)施蔬菜——小油菜（L.）為研究對(duì)象，采用盆栽試驗(yàn)法研究生物炭與硝化抑制劑DCD配合施用對(duì)土壤溫室氣體（N2O、CO2和CH4）排放的影響，并結(jié)合小油菜產(chǎn)量評(píng)價(jià)其綜合效應(yīng)，旨在為設(shè)施蔬菜生產(chǎn)溫室氣體減排提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自河北廊坊永清縣小青垡村設(shè)施大棚（E 116°28'41"，N 39°13'30"，棚齡13年，前茬作物為番茄），0—20 cm耕層土壤基本理化性質(zhì)為pH 7.75，NO3--N 13.10 mg·kg-1，NH4＋-N 3.25 mg·kg-1，速效磷242.5 mg·kg-1，速效鉀563.06 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)31.27 g·kg-1，容重1.32 g·cm-3。采集后的土壤樣品自然風(fēng)干后過(guò)2 mm篩備用。

供試氮肥為尿素（N，46%），磷肥為磷酸二氫鉀（P2O5，52%；K2O，34%），鉀肥為硫酸鉀（K2O，50%），供試硝化抑制劑為雙氰胺（DCD，N 67%），均為分析純?cè)噭?；生物炭類型為果木枝條類炭，pH 9.65，限氧條件下高溫?zé)峤庑纬?，純養(yǎng)分含量N：0.68 g·kg-1、P2O5：0.9 g·kg-1、K2O：6.3 g·kg-1。供試作物為小油菜，品種為四月慢，購(gòu)自河北省保定市農(nóng)資科技市場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)6個(gè)處理，分別為CK（不施任何氮肥或硝化抑制劑）、傳統(tǒng)施氮（CN）、推薦施氮（RN）、推薦施氮+生物炭（RNB）、推薦施氮+DCD（RND）、推薦施氮+生物炭+DCD（RNBD），4次重復(fù)。傳統(tǒng)施氮為450 kg·hm-2，推薦施氮是結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分含量，采用目標(biāo)產(chǎn)量法確定在傳統(tǒng)施氮量基礎(chǔ)上減少17%，DCD用量為純氮量的15%（課題組前期田間試驗(yàn)篩選得出），生物炭按照土壤重量的1%添加，各處理中氮素、生物炭和硝化抑制劑DCD投入量詳見(jiàn)表1。各處理磷肥和鉀肥施用量相同，純養(yǎng)分P2O5和K2O投入量均為150 kg·hm-2。生物炭攜帶的P2O5和K2O量，其余處理由磷酸二氫鉀與硫酸鉀補(bǔ)充。所有肥料作為底肥一次性施入。

表1 各處理氮素、生物炭和DCD添加量

試驗(yàn)布置在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)日光溫室內(nèi)，采用盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，稱取過(guò)篩后的風(fēng)干土樣2.50 kg，同時(shí)加入上述處理中相應(yīng)的肥料、生物炭和DCD，充分混勻后裝入直徑20 cm、高15 cm底部帶孔的塑料盆中，調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的60%，播撒小油菜種子，待全部出苗后定苗，每盆定苗5株。生長(zhǎng)期間用去離子水澆灌，各處理除氮肥、生物炭和DCD施用量不同外，其他田間管理措施一致，小油菜成熟后收獲取樣。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 氣體樣品 采用靜態(tài)箱-氣相色譜法監(jiān)測(cè)土壤溫室氣體CO2、CH4和N2O排放。靜態(tài)箱分為底座和采氣罩兩部分。底座為不銹鋼材質(zhì)，有2 cm凹槽放置采氣罩。采氣罩為泡沫材質(zhì)箱體（50 cm×50 cm×50 cm），頂部安裝有金屬探頭，用于監(jiān)測(cè)箱內(nèi)溫度，箱內(nèi)側(cè)面安裝有1臺(tái)小型電風(fēng)扇，用于正式采氣前混勻箱內(nèi)空氣，箱體外包有隔熱材料。正式采樣時(shí)將整個(gè)盆栽置于靜態(tài)箱內(nèi)，采氣罩扣置于底座，凹槽內(nèi)用水密封，保證氣密性。肥料或生物炭（DCD）等施入后第2天起開(kāi)始取樣，連續(xù)取樣7 d，之后根據(jù)澆水管理間隔3天取一次氣體樣，直至小油菜收獲。采樣時(shí)間為上午9：00 —11：00，扣置采氣罩后先將風(fēng)扇打開(kāi)，待箱體內(nèi)空氣充分混勻后，分別于0、10、20 min時(shí)分3次用60 mL注射器取氣，每次30 mL，同時(shí)記錄箱體內(nèi)溫度。氣體樣品采用氣相色譜（Agilent 7890A）分析測(cè)定溫室氣體CH4、CO2和N2O濃度。溫室氣體排放通量（F）的計(jì)算公式[51]如下：

F= ρ×H×?C/?t×273/（273+T）×60 （1）

式中，F(xiàn)表示CO2和CH4排放通量（mg·m-2·h-1）和N2O排放通量（μg·m-2·h-1）；ρ表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2-C、CH4-C和N2O-N的密度（kg·m-3）；H表示采樣箱高度（m）；?C/?t表示氣體濃度變化率（μL·L-1·min-1）；T表示采樣箱內(nèi)溫度（℃）。未觀測(cè)日期土壤溫室氣體排放通量通過(guò)內(nèi)插法來(lái)計(jì)算，之后將測(cè)定值和計(jì)算值逐日累加從而得出氣體排放累積量。

1.3.2 植物樣品 小油菜收獲時(shí)，用不銹鋼剪刀沿地面剪取植株地上部，測(cè)定植株鮮重，并折算為每公頃產(chǎn)量。

1.4 全球增溫潛勢(shì)（GWP）和溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）

1.4.1 GWP 農(nóng)田溫室效應(yīng)采用全球增溫潛勢(shì)來(lái)衡量，采用聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）推薦的綜合增溫潛勢(shì)（global warming potential，GWP）計(jì)算3種溫室氣體在100年尺度的綜合增溫效應(yīng)。由于單位質(zhì)量CH4和N2O在百年尺度的全球增溫潛勢(shì)分別是CO2的34倍和298倍。因此溫室效應(yīng)[52]（GWP）可表示為：

CO2GWP（kg·hm-2）=M（CO2）×44/12 （2）

N2O GWP（kg·hm-2）=M（N2O）×44/28×298 （3）

CH4GWP（kg·hm-2）=M（CH4）×16/12×34 （4）

總GWP（kg·hm-2）=CO2GWP +N2O GWP+CH4GWP （5）

式中，GWP為全球增溫潛勢(shì)（kg·hm-2）；M（CO2）為小油菜生長(zhǎng)期CO2累積排放量（kg·hm-2）；M（N2O）為N2O生長(zhǎng)期累積排放量（kg·hm-2）；M（CH4）為小油菜生長(zhǎng)期CH4累積排放量（kg·hm-2）。

1.4.2 GHGI（greenhouse gas emission intensity） 單位產(chǎn)量的全球增溫潛勢(shì)公式[53]為：

GHGI=GWP/Y （6）

式中，GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度（kg·kg-1）；Y為作物產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用 Microsoft Excel 2020軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖表整理及繪圖，SPSS 26進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用重復(fù)測(cè)量方差分析法分析處理、時(shí)間及二者交互作用對(duì)土壤溫室氣體排放通量的影響。采用單因素方差分析比較處理間的顯著性差異（LSD檢驗(yàn)，＜0.05）。

2 結(jié)果

2.1 小油菜產(chǎn)量

圖1可以看出，施加氮肥可顯著提高小油菜產(chǎn)量。不施氮（CK）產(chǎn)量最低，僅為661.5 kg·hm-2，傳統(tǒng)施氮（CN）產(chǎn)量最高，為1 388.9 kg·hm-2。與CN相比，RN（1 003.5 kg·hm-2）、RNB（982.0 kg·hm-2）和RND（1 078.1 kg·hm-2）處理小油菜產(chǎn)量明顯降低22.4%—29.3%（＜0.05），這可能與試驗(yàn)小油菜生長(zhǎng)期較短有關(guān)。生物炭與硝化抑制劑DCD聯(lián)合施用的RNBD處理（1 349.1 kg·hm-2）小油菜產(chǎn)量較CN雖有所降低，但差異不顯著（＞0.05）。相同尿素施用量條件下，與RN處理相比，RNB和RND處理對(duì)小油菜產(chǎn)量的影響不大，但RNBD處理使小油菜產(chǎn)量增加了34.4%，差異達(dá)顯著性水平（＜0.05），可見(jiàn)生物炭和DCD配合施用在小油菜增產(chǎn)方面表現(xiàn)出了協(xié)同效果。

圖1 各處理小油菜產(chǎn)量

2.2 土壤溫室氣體排放通量動(dòng)態(tài)變化

2.2.1 土壤N2O排放通量 由圖2可知，小油菜整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)，CK處理土壤N2O排放通量一直保持在較低水平，且變幅不大，僅為3.0—8.5 μg·m-2·h-1，均值為5.77 μg·m-2·h-1。CN處理土壤N2O排放通量則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且在施肥后的第5天達(dá)到峰值，隨后23 d內(nèi)迅速降低，在整個(gè)試驗(yàn)期間內(nèi)排放通量變幅較大，為4.2—121.3 μg·m-2·h-1，平均值為24.8 μg·m-2·h-1。RN與RNB處理土壤N2O排放通量呈現(xiàn)與CN相似的變化趨勢(shì)，分別為3.9—83.5和6.0—97.1 μg·m-2·h-1，平均值分別為14.4 和17.8 μg·m-2·h-1，較CN分別降低41.8%和28.2%（＜0.01）。與CK處理相類似，RND、RNBD處理土壤N2O排放通量試驗(yàn)期間變化不大，但較CN則明顯降低，整個(gè)試驗(yàn)期間變化范圍分別為2.2—12.6和3.1—10.1 μg·m-2·h-1，平均值分別為6.2和7.0 μg·m-2·h-1，分別降低74.9%和71.7%，且差異達(dá)顯著水平（＜0.05）。相同尿素施用量條件下，與RN相比，RNB處理對(duì)土壤N2O排放通量影響不大，但RND和RNBD處理使土壤N2O排放通量顯著降低，分別降低56.9%和51.3%（＜0.05）。此外，由表2可知，不同處理、監(jiān)測(cè)時(shí)間以及二者交互作用對(duì)設(shè)施蔬菜土壤N2O排放通量有極顯著影響（＜0.01）。

圖2 各處理土壤N2O排放通量動(dòng)態(tài)變化

表2 各處理土壤溫室氣體排放通量重復(fù)測(cè)量方差分析

2.2.2 土壤CO2排放通量 在整個(gè)試驗(yàn)期間，各處理土壤CO2排放通量總體呈現(xiàn)先降低再升高，試驗(yàn)的第3—4天達(dá)到排放高峰，隨后逐漸下降并趨于平緩的變化趨勢(shì)（圖3）。傳統(tǒng)施氮（CN）處理土壤CO2排放通量在第4天達(dá)到峰值，在整個(gè)試驗(yàn)期間內(nèi)排放通量變幅較大，為4.8—72.8 mg·m-2·h-1，平均值為17.9 mg·m-2·h-1。RN和RNB處理土壤CO2排放通量變化趨勢(shì)與CN相類似，分別為4.7—94.9和3.3—60.0 mg·m-2·h-1，平均值分別為18.6和14.8 mg·m-2·h-1。RND和RNBD處理土壤CO2排放通量變化范圍分別為2.4—42.0和3.0—24.6 mg·m-2·h-1，平均值分別為12.0和13.5 mg·m-2·h-1，較CN分別降低33.0%和24.6%，差異達(dá)顯著水平（＜0.05）。相同尿素施用量條件下，與RN相比，RNB處理對(duì)土壤CO2排放通量影響不大，但RND、RNBD處理均可使土壤CO2排放通量顯著降低35.3%和27.1%（＜0.05）。由表2可知，不同處理、監(jiān)測(cè)時(shí)間以及二者交互作用對(duì)設(shè)施蔬菜土壤CO2排放通量有極顯著影響（＜0.01）。

2.2.3 土壤CH4排放通量 由圖4可知，整個(gè)試驗(yàn)期間，各處理土壤與大氣CH4的交換均表現(xiàn)為吸收，土壤是CH4的吸收“匯”。各處理土壤CH4排放通量變化趨勢(shì)相類似，呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律波動(dòng)，且波動(dòng)性不大，變化范圍在-0.01—-0.06 mg·m-2·h-1，平均值在-0.02—0.06 mg·m-2·h-1。除RN處理土壤CH4排放通量與CK相比明顯增加外（＜0.05），其余處理與CK之間無(wú)顯著性差異（＞0.05）。由表2可知，不同處理、監(jiān)測(cè)時(shí)間以及二者交互作用對(duì)設(shè)施蔬菜土壤CH4排放通量有極顯著影響（＜0.01）。

圖3 各處理CO2排放通量動(dòng)態(tài)變化

圖4 各處理CH4排放通量動(dòng)態(tài)變化

2.3 土壤N2O、CO2和CH4累積排放量

進(jìn)一步分析整個(gè)試驗(yàn)期間各處理土壤N2O、CO2和CH4累積排放量（圖5）。與CN相比，推薦或推薦基礎(chǔ)上配施硝化抑制劑、生物炭或二者配合施用均能顯著降低土壤N2O排放，降幅為29.4%—76.5%（0.05）。相同尿素施用量條件下，RNB處理對(duì)土壤N2O累積排放量影響不大（＞0.05），RND和RNBD處理分別顯著降低土壤N2O累積排放量的60%和50%（＜0.05）。

整個(gè)小油菜生長(zhǎng)期內(nèi)，與CN相比，各施氮處理間土壤CO2累積排放量差異不顯著（＞0.05）。相同尿素施用量條件下，與RN相比，RNB和RNBD處理對(duì)土壤CO2累積排放量影響不大（＞0.05），但RND處理卻能顯著降低CO2累積排放量35.3%（＜0.05）。

整個(gè)試驗(yàn)期間，各施氮處理對(duì)土壤CH4交換表現(xiàn)吸收狀態(tài)，土壤CH4累積吸收量各處理間差異不顯著。

圖5 各處理土壤溫室氣體累積排放量

2.4 GWP和GHGI

本研究中（表3），各處理土壤N2O GWP和CO2GWP均為正值，CH4GWP為負(fù)值，說(shuō)明設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系是N2O和CO2的排放源，CH4的吸收匯。就N2O GWP而言，各推薦施氮處理與傳統(tǒng)施氮處理相比顯著降低32.5%—78.7%（＜0.05）。相同尿素施用量條件下，與RN相比，RNB減排效果不明顯，但RND與RNBD處理N2O GWP均較RN分別顯著降低了59.9%、59.4%（＜0.05），且以RND處理對(duì)N2O減排效果最優(yōu)。對(duì)于CO2GWP，各處理間差異不顯著（＞0.05），范圍在229.2—440.4 kg·hm-2，以RND對(duì)CO2減排效果最優(yōu)。各處理CH4GWP范圍在-7.2—-12.8 kg·hm-2，且各處理間差異不顯著（＞0.05）?？梢钥闯?，與CN相比，RN和RNB處理對(duì)總GWP的降低效果不大，但RND和RNBD處理則可明顯降低總GWP，降幅為39.5%—51.3%（＜0.05）。相同尿素施用量條件下，RND和RNBD相較于RN可降低總GWP，范圍為36.8%—49.1%，以RND減排效果最優(yōu)。

與CN相比，GHGI各推薦施氮處理間差異不顯著（＞0.05），相同尿素施用量條件下，與RN相比，RND和RNBD處理則可顯著降低溫室氣體排放強(qiáng)度（＜0.05），且降低率均達(dá)到51.1%。

表3 各處理增溫潛勢(shì)和溫室氣體排放強(qiáng)度

表中每列數(shù)字后的不同字母表示處理間差異顯著（＜0.05）。下同

Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (＜0.05). The same below

3 討論

3.1 生物炭與硝化抑制劑對(duì)小油菜產(chǎn)量的影響

本試驗(yàn)中，相同尿素施用量條件下，配施生物炭和配施DCD小油菜產(chǎn)量較推薦施氮處理（RN）變化不大，但RNBD處理小油菜產(chǎn)量較RN則顯著提高，但均顯著低于CN處理（圖1）。RN處理因減氮導(dǎo)致小油菜產(chǎn)量明顯降低；其次，本研究中選用小油菜品種正常生長(zhǎng)周期為45—60 d，試驗(yàn)后期因高溫導(dǎo)致小油菜長(zhǎng)勢(shì)欠佳，只進(jìn)行了28 d，對(duì)產(chǎn)量有一定影響。本研究中氮肥與生物炭配施并沒(méi)有顯著增加小油菜產(chǎn)量，而王湛等[34]的田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，添加8.5 t·hm-2生物炭（玉米芯550 ℃條件下制備）相對(duì)不添加生物炭菜心的周年產(chǎn)量增加59.1%，生物量增加36.7%，由于生物炭實(shí)際可供作物吸收利用的養(yǎng)分含量并不多，促進(jìn)生長(zhǎng)的原因可能是其加入土壤后，提高了土壤的吸附能力，增加了土壤保水保肥性能[54]。本研究試驗(yàn)周期較短，且僅種植了一茬作物，短期的盆栽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)條件存在很大的差異性，試驗(yàn)結(jié)果還需要進(jìn)一步的田間驗(yàn)證。

硝化抑制劑可以抑制土壤硝化微生物的活動(dòng)，減緩銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化[55]，但其降解速率一般受溫度的影響很大，較高溫度下抑制劑的降解速率明顯加快[56]。而本試驗(yàn)于5月中旬布置，溫室大棚最高氣溫可達(dá)35 ℃，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此可能導(dǎo)致硝化抑制劑雙氰胺降解速率較快[56]，小油菜產(chǎn)量表現(xiàn)上與單施尿素處理無(wú)明顯差異。然而，推薦施氮+生物炭+DCD處理對(duì)小油菜增產(chǎn)效果則優(yōu)于推薦施氮+生物炭和推薦施氮+DCD（圖1），這可能是由于DCD施用后抑制了銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，而生物炭則可吸附并固持土壤中的銨態(tài)氮并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)為小油菜提供養(yǎng)分[57]。陳少毅等[58]使用生物質(zhì)炭與硝化抑制劑配合施用，與氮肥配施DMPP處理相比，水稻籽粒產(chǎn)量顯著增加49.3%（＞0.05）。但陳晨等[59]在菜地研究中也發(fā)現(xiàn)尿素配施生物炭和DCD比單施氮肥產(chǎn)量提高了134%，但與尿素只配施硝化抑制劑或生物炭相比，蔬菜產(chǎn)量無(wú)顯著差異。因此，生物炭與DCD配施對(duì)于提高作物產(chǎn)量作用有待進(jìn)一步開(kāi)展田間驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)其作用機(jī)理還有待深入探索。

3.2 生物炭與硝化抑制劑對(duì)土壤溫室氣體排放的影響

本研究結(jié)果表明設(shè)施菜田土壤是CH4的吸收“匯”，是N2O和CO2的排放源（圖5）。由于旱地農(nóng)田為好氧條件，缺乏淹水所導(dǎo)致的厭氧呼吸，而好氣性土壤可以對(duì)CH4有部分吸收[60]，因此菜田土壤溫室氣體排放以N2O和CO2為主[61]。

當(dāng)CN處理施氮量為450 kg·hm-2時(shí)，土壤N2O累積排放最高達(dá)0.17 kg·hm-2，而推薦施氮（施氮量較CN減少17%）的各處理可減少29.4%—41.2%的N2O排放。農(nóng)田施氮是引起N2O排放增加的重要因素[62]，有Meta分析表明，當(dāng)施氮量超過(guò)作物需求時(shí)，N2O排放量呈指數(shù)增長(zhǎng)[63]。因此，農(nóng)田N2O減排的關(guān)鍵是合理施氮[64]。此外，在合理施氮基礎(chǔ)上配施生物炭或硝化抑制劑也是減少土壤N2O排放的有效調(diào)控措施[65]。本研究結(jié)果表明，RND、RNBD處理較RN處理均可減少N2O累積排放量，降幅分別為60%、50%，但RND、RNBD處理間差異不顯著（＞0.05）（圖5），可見(jiàn)推薦施氮基礎(chǔ)上聯(lián)合施用生物炭和硝化抑制劑（RNBD處理）效果并不優(yōu)于推薦施氮基礎(chǔ)上僅配施DCD（RND處理）。馬智勇等[61]通過(guò)室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雙氰胺和秸稈生物炭有效降低因氮肥施用導(dǎo)致的土壤N2O的排放通量和累積排放量，這可能是氮肥配施DCD有效抑制土壤NH4+-N向NO3--N轉(zhuǎn)化過(guò)程，不僅降低土壤中硝酸鹽淋失的風(fēng)險(xiǎn)[63]，還降低N2O排放。朱云飛等[65]通過(guò)對(duì)熱帶土壤研究發(fā)現(xiàn)，與單施氮肥相比，配施生物炭（花生殼在500 ℃下經(jīng)過(guò)厭氧熱解而成，C/N為 69.1，pH 9.74）可降低15.1%的N2O累積排放，配施硝化抑制劑可以減排68.3%，生物炭硝化抑制劑聯(lián)合施用可以減排69.6%，生物炭與硝化抑制劑表現(xiàn)出了協(xié)同效應(yīng)?？紤]到生物炭的種類[61]以及施用量、土壤質(zhì)地[64]、硝化抑制劑種類[65]、植物種類[66]、土壤含水量[67]、土壤溫度[68]等這些因素都會(huì)影響土壤N2O的排放，因此生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用在不同土壤環(huán)境條件下表現(xiàn)出的綜合減排效果也明顯不同。

就CO2累積排放量而言，RND處理的累積排放量最低，推測(cè)一方面可能是硝化抑制劑選擇性抑制了土壤硝化微生物的活動(dòng)，導(dǎo)致CO2排放相對(duì)降低[61]，另一方面，硝化抑制劑DCD本身是一種緩效氮肥，含氮量達(dá)到66.7%，外源氮的添加抑制了土壤有機(jī)碳的礦化，有助于土壤碳的固定[69]。本試驗(yàn)中，與CN和RN相比，RNB、RNBD處理在減排CO2方面均無(wú)顯著性差異，這可能是因?yàn)樯锾吭牧蠟楣局l類炭，相較于其他作物秸稈類生物炭，易分解有機(jī)碳含量低[70]，對(duì)土壤微生物影響較小，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)土壤CO2累積排放量影響不大，具體影響機(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究。

3.3 生物炭與硝化抑制劑的綜合增溫效應(yīng)

進(jìn)一步結(jié)合產(chǎn)量綜合分析各處理GWP和GHGI（表2）?？梢钥闯觯O(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系GWP主要由CO2的GWP決定，N2O和CH4的貢獻(xiàn)率較低。與CN相比，RN、RNB、RND能夠有效減少GWP和GHGI。相同尿素施用量條件下，與RN相比，RND、RNBD顯著降低了設(shè)施蔬菜GWP和GHGI（＜0.05），這與李佳等[71]研究結(jié)果相似，但在本試驗(yàn)中RND處理減排效果優(yōu)于RNBD，這可能是由于施加硝化抑制劑DCD后，有效減少了土壤CO2和N2O排放，進(jìn)而使總GWP和GHGI有所降低。本研究中綜合來(lái)看，推薦施氮與DCD配施處理GWP較低，可以顯著減少因氮肥施用造成的溫室效應(yīng)，且生物炭也表現(xiàn)出了一定的減排效果。但由于本試驗(yàn)只是盆栽試驗(yàn)且周期短，還需進(jìn)一步開(kāi)展田間條件下的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究中，生物炭和DCD二者聯(lián)合施用則使小油菜產(chǎn)量顯著增加。設(shè)施菜田土壤表現(xiàn)為N2O和CO2的排放“源”，CH4的吸收“匯”?？侴WP主要由CO2的GWP決定，N2O和CH4的GWP貢獻(xiàn)率較低。推薦施氮+DCD和推薦施氮+生物炭+DCD兩處理均顯著降低土壤N2O累積排放量及總GWP，后者的減排效果并不優(yōu)于前者，還有待在田間條件下進(jìn)一步研究。

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Effects of Biochar Combined with Dicyandiamide on Greenhouse Gases Emissions from Facility Vegetable Soil

SONG BoYing1, 2, GUO YanJie1, 2, 4, WANG WenZan1, 2, Lü ZeNan1, 2, ZHAO YuQing1, 2, LIU Lu1, 2, ZHANG LiJuan1, 2, 3

1College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, Hebei;2Key Laboratory for Farmland Eco-Environment of Hebei Province, Baoding 071001, Hebei;3Collaborative Innovation Center for Vegetable Industry of Hebei, Baoding 071001, Hebei;4State Key Laboratory of North China Crop Improvement and Regulation, Baoding 071001, Hebei

【Objective】This paper aimed to explore the comprehensive effects of biochar, dicyandiamide (DCD) and their combined application on the greenhouse gas (N2O, CO2and CH4) emissions from facility soil, so as to provide a scientific basis for reducing the greenhouse gas emissions and green development of facility vegetable production system. 【Method】 In this study, the facility vegetable production system was used as the research object, and a total of six treatments were set up, including no nitrogen application (CK), traditional nitrogen application (CN), recommended nitrogen application (RN), recommended nitrogen application+biochar(RNB), recommended nitrogen application + DCD (RND), and recommended nitrogen application+biochar+ DCD(RNBD). A pot experiment method was applied to analyze the effects of soil greenhouse gas emissions, and the difference in greenhouse gas intensity (GHGI) and global warming potential (GWP) under different treatments. 【Result】Compared with the CN treatment, the rape yield decreased by 2.9%-29.3% under the recommend nitrogen treatments (RN, RN, RND and RNBD). However, under the same nitrogen application rate, the rape yield increased by 34.4% in the treatment of recommend nitrogen combined with biochar and DCD (RNBD), indicating that biochar and DCD showed a synergistic effect on rape yield increase (＜0.05). The recommend nitrogen treatments reduced the soil N2O emissions by 29.4%-76.5% in comparation with the CN treatment, especially the RND treatment showed the best effect. However, the recommend nitrogen treatments showed little effect on soil CO2and CH4emissions. Compared with the CN treatment, the total GWP under the recommended nitrogen treatments decreased by 4.3%-51.2%, and the RND treatment showed the best emission-reduction effect. In terms of GHGI, the difference among the recommended nitrogen treatments was not significant (＞0.05), and the RND treatment also showed the best emission-reduction effect. 【Conclusion】Under the same nitrogen application rate, the application of biochar alone or DCD alone had little effect on rape yield, but the combination of biochar and DCD could significantly increase the rape yield. Additionally, the combination of biochar and DCD could reduce the cumulative greenhouse gas emissions and GWP, but it was not superior to single application of DCD in the facility vegetable field.

biochar; DCD; facility vegetable field; rape (L.); greenhouse gas emissions intensity; global warming potential

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.10.010

2022-04-13；

2022-07-12

河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（21326905D）、河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蔬菜產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（HBCT2018030206）

宋博影，E-mail：bysong2022@163.com。通信作者郭艷杰，E-mail：guoyanjie928@126.com。通信作者張麗娟，E-mail：lj_zh2001@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）