黃淮海平原農(nóng)田土壤溫室氣體排放對(duì)長期施加生物炭的響應(yīng)

劉宏元， 周志花， 趙光昕， 沈欽瑞

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濕地農(nóng)業(yè)與生態(tài)研究所，濟(jì)南 250100； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺(tái)，呼和浩特 010051；3.北京科技大學(xué)天津?qū)W院， 天津 301830； 4.山東省菏澤市曹縣植物檢疫站，山東 菏澤 274400）

二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是大氣中最重要的3種溫室氣體，其排放量的增加是引起全球氣候變暖的主要原因[1]。由于施入肥料、灌水和秸稈還田等農(nóng)藝措施導(dǎo)致農(nóng)田是溫室氣體的重要排放源，降低農(nóng)田溫室氣體排放量是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措之一。研究表明，添加生物炭可以改變土壤理化性質(zhì)和微生物活動(dòng)，進(jìn)而有效抑制土壤溫室氣體排放[2]。但也有研究表明，生物炭并不能抑制甚至可以促進(jìn)溫室氣體排放[3]。由此表明，生物炭對(duì)土壤溫室氣體的影響不僅與生物炭類型和試驗(yàn)區(qū)土壤類型有關(guān)，更與生物炭施用劑量和施用頻率有關(guān)。因此，通過長期的田間研究明確生物炭的合理施用量和施用頻率，對(duì)指導(dǎo)生物炭在農(nóng)田推廣應(yīng)用具有重要意義。

研究表明，生物炭可以影響土壤溫室氣體的排放，玉米田中添加生物炭能夠降低土壤溫室氣體排放，其降幅最高可達(dá)41.8%[4]；施加9 t·hm?2生物炭可以顯著增加華北典型農(nóng)田土壤溫室氣體排放量，且增幅達(dá)40.0%[5]。這可能與生物炭改變了土壤無機(jī)態(tài)氮、土壤pH、持水性能和微生物活動(dòng)有關(guān)[6]。但生物炭在土壤中會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化，這可能也是生物炭對(duì)土壤溫室氣體排放影響不確定的重要原因之一。研究表明，向土壤中添加生物炭后，由于生物炭孔隙的利用和分解，其有效性逐漸降低[7]；Muhammad 等[8]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過158 d的同位素標(biāo)記培養(yǎng)后，只有0.4%的生物炭成分在微生物組中被識(shí)別出來；隨著施用時(shí)間的延長，生物炭的抑制作用可能會(huì)減弱[9]；Niu 等[10]認(rèn)為，3 t·hm?2生物炭是抑制中國北方農(nóng)田土壤N2O 排放的最佳劑量，而Cheng 等[11]認(rèn)為該劑量為16 t·hm?2。不同的施用劑量和施用時(shí)長可能是造成研究結(jié)果差異的原因之一，大量生物炭的施用可能會(huì)長期抑制N2O 的排放。此外，如果一次施用大劑量生物炭能夠達(dá)到最佳的抑制效果，那么將大大降低生物炭施用的成本和工作量，這對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。由于當(dāng)前對(duì)生物炭在田間土壤環(huán)境中分解機(jī)理的了解非常有限[12]，因此，在田間條件下，生物炭在多長時(shí)間內(nèi)可以持續(xù)抑制土壤溫室氣體排放仍然值得深入研究。

黃淮海平原是我國重要的農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)，也是我國氮肥用量最高的地區(qū)之一。如山東省冬小麥和夏玉米輪作系統(tǒng)年施氮量可達(dá)625 kg·hm?2，遠(yuǎn)高于歐洲同類型農(nóng)田[13]。因此，本研究在黃淮海農(nóng)田連續(xù)多年施用不同劑量生物炭和一次施用大劑量生物炭的基礎(chǔ)上，探究生物炭對(duì)黃淮海農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響及其時(shí)間限制效應(yīng)，以期為生物炭在黃淮海農(nóng)田乃至世界其他同類型農(nóng)田的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省德州市黃河崖鎮(zhèn)（37°21′14″ N， 116°20′3″ E），屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.9 ℃；年平均降水量547.5 mm，主要發(fā)生在6—8月。田間作物種植模式為冬小麥和夏玉米輪作。土壤類型為鹽堿土，質(zhì)地為輕壤土。2015年試驗(yàn)前試驗(yàn)區(qū)0—20 cm土層的基本性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)13.71 g·kg?1，堿解氮26.56 mg·kg?1，速效磷34.27 mg·kg?1，速效鉀106 mg·kg?1，pH 7.78。

1.2 試驗(yàn)材料

供試生物炭由棉花秸稈經(jīng)800 ℃不完全燃燒制成，其基本特征為：全氮4.88 g·kg?1，全磷0.83 g·kg?1，全鉀15.98 g·kg?1，pH 8.60，密度0.297 g·cm?3，碳73%。供試小麥品種選用‘濟(jì)麥22’，玉米品種選用‘魯寧184’，均采購于當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

生物炭添加的田間定位試驗(yàn)于2015—2018 年進(jìn)行，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置不施用生物炭（CK）和生物炭施用量分別為2.25（C1）、4.50（C2）、9.00（C3）、13.50 t·hm?2（C4）和僅在第1年施用13.50 t·hm?2生物炭（CS），共6 個(gè)處理，每處理3次重復(fù)，共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每小區(qū)面積為180 m2。其中C1、C2、C3 和C4 處理在每年小麥季播種前施用相應(yīng)量生物炭；CS 處理僅在2015 年1 次性施用13.5 t·hm?2生物炭。所有生物炭和肥料混合并進(jìn)行旋耕，深度為20 cm。

小麥季氮、磷肥施用量均為315 kg N·hm?2、270 kg P2O5·hm?2；玉米季氮、磷、鉀肥施用量均為255 kg N·hm?2、45 kg P2O5·hm?2、60 kg K2O·hm?2。其中小麥季氮肥按底肥和追肥（2018 年3 月14日）1∶1 均勻施入，磷肥作為基肥一次性均勻施入；玉米季所有肥料均于2018 年6 月18 日一次性施入。每季施肥后均進(jìn)行旋耕和灌溉。

于2017年10月至2018年10月開展溫室氣體采集與測(cè)量，采樣期間田間基本管理措施如下。小麥季于2017 年10 月20 日施用化肥和生物炭，進(jìn)行旋耕，10 月21 日播種，10 月22 日灌水；于2018 年3 月14 日追肥、灌水，6 月8 日收獲。玉米季于2018 年6 月19 日施肥、旋耕，6 月20 日播種、灌水，10月8日收獲。

1.4 樣品采集與測(cè)定

采用便攜式地溫儀（今明TM-624）測(cè)量10 cm土壤溫度；用手持TDR 儀（Spectrum TDR-100）測(cè)量土壤濕度。小麥季每15~20 d采集1次樣品，玉米季每7~10 d采集1次樣品，在施肥、灌溉、降水期間加密采集。采集土壤樣品后，需去除植物根系和砂礫，土壤中的用0.01 mol·L?1的CaCl2溶液提取，并用AA3 流動(dòng)分析儀（Braun and Lübbe, Norderstedt, Germany）測(cè)定其含量。

采集土壤樣品當(dāng)天采集0—20 cm 氣體樣品。溫室氣體排放通量采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定。靜態(tài)箱由不銹鋼取樣箱（50 cm×50 cm×50 cm）和底座（50 cm×50 cm×15 cm）組成，取樣箱厚度1.5 mm，底座厚度2 mm。靜態(tài)箱內(nèi)裝有空氣混合風(fēng)機(jī)、空氣壓力平衡管、溫度計(jì)和樣品采集管。靜態(tài)箱覆蓋白色棉套以達(dá)到隔熱目的，并清除靜態(tài)箱內(nèi)植株。每次采集時(shí)間為8:00—11:00。于每個(gè)小區(qū)用200 mL一次性注射器分別在0、10、20和30 min采集氣體樣本，共采集4個(gè)氣體樣本。在氣體取樣過程中，同時(shí)記錄箱內(nèi)溫度。采集的氣體樣品用氣相色譜儀（Agilent7890, USA）測(cè)定。溫室氣體排放通量的計(jì)算參照劉宏元等[14]方法。將氣體排放通量乘以時(shí)間得到日排放量，通過加權(quán)平均法得到季節(jié)排放總量。綜合增溫潛勢(shì)（global warming potential，GWP）的計(jì)算參照劉宏元等[14]方法。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析比較處理間土壤理化性質(zhì)和氣體排放通量的差異顯著性，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。使用Origin 8.5軟件進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

各處理土壤溫度的變化基本一致，均表現(xiàn)為先降低后增加的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，各處理土壤溫度在每次監(jiān)測(cè)時(shí)差異較??；土壤濕度的變化趨勢(shì)主要表現(xiàn)為小麥季逐漸降低，而玉米季變化波動(dòng)較大（圖1）。土壤溫度和土壤濕度動(dòng)態(tài)變化主要與氣溫和降水有關(guān)。每次施肥后，各處理土壤含量均迅速達(dá)到最大值，而后逐漸下降至較低水平；各處理土壤含量變化基本一致，每次施肥后，各處理土壤含量均先增加而后逐漸降低至一定范圍內(nèi)波動(dòng)（圖2）。比較不同處理下各因子的季平均值，結(jié)果（表1）表明，生物炭對(duì)土壤含量無顯著影響，對(duì)土壤含量影響顯著，其中C3、C4 和CS 處理在小麥季土壤含量較CK顯著增加，增幅分別為22.9%、27.7%和25.3%；C3 和C4 處理在玉米季土壤含量較CK 顯著增加，增幅分別為22.4%和21.5%。在小麥季，生物炭處理對(duì)土壤溫度無顯著影響；而在玉米季，除C1處理外，生物炭處理均顯著增加土壤溫度，較CK 增加0.8%~2.0%。在小麥季，C2 處理的土壤濕度較CK顯著降低，降幅達(dá)12.9%，但其余生物炭處理在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)與CK差異不顯著。

表1 各處理土壤、溫度、濕度的季節(jié)平均值Table 1 Seasonal mean values of soil N， temperature and moisture of each treatment

表1 各處理土壤、溫度、濕度的季節(jié)平均值Table 1 Seasonal mean values of soil N， temperature and moisture of each treatment

注：同列不同小寫字母表示同季不同處理間差異在P<0.05水平顯著。Note：Different lowercase letters in same column indicate significant differences between different treatments in same season at P<0.05 level.

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圖1 不同處理下的土壤溫度和土壤濕度Fig. 1 Temperature and moisture of soil under different treatments

圖2 各處理土壤含量Fig. 2 Contents of and soil in soil under different treatments

2.2 生物炭對(duì)溫室氣體排放的影響

由圖3可知，各處理的土壤CO2排放通量動(dòng)態(tài)變化基本一致，主要表現(xiàn)為小麥季在每次施肥、灌水后有明顯增加而后逐漸降低至一定區(qū)間內(nèi)波動(dòng)；玉米季前期波動(dòng)較大，后期下降至較低區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。在小麥季，生物炭對(duì)土壤CO2排放的抑制主要集中在出苗期，其余時(shí)期僅CS處理有較為明顯的抑制作用；而在玉米季，生物炭對(duì)土壤CO2排放的抑制主要集中在中前期；玉米季土壤CO2的排放通量強(qiáng)度顯著高于小麥季，且波動(dòng)范圍更大。各處理土壤CH4排放通量均較低，且處理間差異不顯著。每次施肥后各處理土壤N2O 排放通量均有明顯的峰值，其中在小麥季土壤N2O 排放通量較弱，且變化緩慢；在玉米季初始土壤N2O排放峰值過后，其呈逐漸下降趨勢(shì)，但在2018年7月下旬至8 月上旬，土壤N2O 排放通量有小幅增加。生物炭對(duì)土壤N2O 排放的抑制主要集中在N2O 排放通量峰值時(shí)期；在土壤N2O排放通量低的時(shí)期，生物炭對(duì)土壤N2O 排放通量影響不顯著。玉米季土壤N2O 排放通量強(qiáng)度顯著高于小麥季，且波動(dòng)范圍更大。

圖3 不同處理下土壤CO2、CH4和N2O的排放通量Fig. 3 Emission fluxes of CO2， CH4 and N2O in soil under different treatments

由表2 可知，與CK 相比，在小麥季僅CS 處理顯著降低了土壤累積CO2排放量，降幅為38.5%；在玉米季除C1處理外，其余生物炭處理均可以在一定程度上降低土壤累積CO2排放量，且隨著生物炭施用量的增多，抑制效果越明顯，降幅達(dá)17.7%~24.6%。值得注意的是，CS 處理在玉米季依然表現(xiàn)出對(duì)土壤累積CO2排放量的顯著抑制效果，較CK 顯著降低25.7%。生物炭對(duì)土壤累積CH4排放量無顯著影響，且CH4排放量較低，幾乎可忽略不計(jì)。除CS處理外，生物炭處理均可以顯著降低土壤累積N2O 排放量，其中在小麥季，C3處理對(duì)土壤累積N2O 排放量的抑制作用最強(qiáng)，較CK 顯著降低60.1%；在玉米季，C4 處理的抑制效果最強(qiáng)，較CK 顯著降低39.3%。對(duì)于綜合增溫潛勢(shì)（GWP），僅CS處理較CK顯著降低了30.4%。

表2 各處理土壤累積CO2、CH4、N2O排放量和綜合增溫潛勢(shì)Table 2 Cumulative emissions of CO2， CH4， N2O and GWP under different treatments

2.3 溫室氣體排放與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

從整個(gè)試驗(yàn)周期來看，土壤CO2排放通量與土壤含量及土壤溫度、濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤CH4排放通量與土壤含量及土壤溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤N2O 排放通量與土壤含量及土壤溫度和濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（表3）。

表3 土壤CO2、CH4、N2O排放通量與土壤、溫度和濕度的相關(guān)性Table 3 Correlation between the CO2， CH4 and N2O fluxes with soil ， temperature and moisture

表3 土壤CO2、CH4、N2O排放通量與土壤、溫度和濕度的相關(guān)性Table 3 Correlation between the CO2， CH4 and N2O fluxes with soil ， temperature and moisture

注：*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平相關(guān)顯著。Note：* and ** indicate significant correlations at P<0.05 and P<0.01 levels， respectively.

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3 討論

3.1 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

3.2 生物炭對(duì)土壤溫室氣體排放的影響

土壤CO2產(chǎn)生的強(qiáng)度主要取決于土壤中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及礦化速率、土壤微生物類群的數(shù)量及活性、土壤動(dòng)植物的呼吸作用等。本研究表明，在玉米季生物炭處理顯著抑制了土壤CO2排放，與Cross等[19]研究存在差異；但CS處理可以在整個(gè)試驗(yàn)周期均顯著抑制土壤CO2排放。一方面，生物炭施入土壤一定時(shí)間后可以促進(jìn)一些難以被土壤微生物分解的大分子物質(zhì)形成，如土壤腐殖質(zhì)、碳水化合物、酯族、芳烴等[20]，從而降低微生物對(duì)有機(jī)碳的利用量，降低微生物量碳[21]，抑制土壤碳的礦化[22]，最終降低土壤CO2排放。本研究中生物炭是在小麥季播種前施入，因此在小麥季生物炭還不能發(fā)揮出作用，而在玉米季生物炭能夠較好地抑制土壤CO2排放。另一方面，生物炭呈堿性，施入生物炭后會(huì)增強(qiáng)對(duì)土壤CO2的固持作用，從而減少土壤CO2排放[23]。值得注意的是，除CS 處理外，其余生物炭處理均為每年小麥季播種前施用生物炭，每年新施加的生物炭存在不穩(wěn)定性碳組分，會(huì)導(dǎo)致微生物的降解作用增加，進(jìn)而促進(jìn)土壤CO2排放[24]，這可能是除CS 處理外其余生物炭處理在小麥季不能顯著抑制土壤CO2排放的原因之一。CS 處理僅在2015 年施入生物炭，在第3 年依然可以對(duì)土壤CO2的排放具有顯著的抑制作用。由此推測(cè)，生物炭對(duì)土壤CO2的抑制作用存在長期效應(yīng)，即在較長的時(shí)間尺度內(nèi)，生物炭均可以起到固碳減排的作用，但其抑制機(jī)制還有待進(jìn)一步探索。

本研究中各處理的CH4排放通量和累積排放量都極低，幾乎可以忽略不計(jì)。這可能是由于旱地土壤的通氣性較好，產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，產(chǎn)生的極少量的CH4也快速被消耗[25]。

生物炭主要通過硝化或反硝化作用影響土壤N2O 排放。反硝化作用并不局限于厭氧環(huán)境，因?yàn)樵S多微生物會(huì)產(chǎn)生胞周硝酸鹽還原酶，該酶對(duì)氧分子不敏感[26]。本研究表明，土壤含量增加，而增加可促進(jìn)氧化亞氮還原酶活性，從而間接抑制N2O 的排放[27]；且這種抑制作用在高劑量生物炭（C3和C4）處理中更為明顯，大量生物炭的施入為氧化亞氮還原菌提供了適宜的生長環(huán)境，從而顯著減少土壤N2O 排放[28]。本研究中C3處理在小麥季節(jié)抑制效果最好，C4處理在玉米季節(jié)抑制效果最好。如上所述，生物炭可以通過改變土壤理化性質(zhì)和相關(guān)微生物活性來抑制N2O的排放，但由于生物炭對(duì)土壤N2O 排放的限制性具有時(shí)間效應(yīng)，生物炭施用量越高，抑制作用越強(qiáng)、抑制時(shí)間越久。本研究表明CS 處理對(duì)N2O 排放影響不顯著。這可能是由于生物炭對(duì)土壤N2O排放抑制存在時(shí)間效應(yīng)，一方面隨著生物炭施用時(shí)間的延長，生物炭的吸附能力和可吸附面積逐漸減弱，進(jìn)而影響其對(duì)土壤N2O 排放的抑制能力[29]；另一方面隨著時(shí)間的推移，土壤中的生物如腐生植物等也會(huì)影響生物炭的持久性，微生物菌絲的生長和細(xì)胞外酶使其在生物炭孔隙中形成菌落，這可能導(dǎo)致生物炭破碎[30]。

綜合增溫潛勢(shì)（GWP）常常用來表示相同質(zhì)量下不同溫室氣體對(duì)氣候變化的綜合效應(yīng)[31]。本研究中，僅CS 處理顯著降低了GWP，這可能是由于其對(duì)土壤CO2排放的持續(xù)抑制作用，由此表明一定時(shí)期內(nèi)僅施用1 次生物炭對(duì)土壤溫室氣體的抑制作用反而優(yōu)于每年施用，這對(duì)今后生物炭的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。在本研究條件下，生物炭施用量推薦為一次性施用生物炭13.5 t·hm?2。但本研究試驗(yàn)?zāi)晗抻邢蓿? 次性施用生物炭對(duì)土壤溫室氣體排放的抑制效果可以持續(xù)多長時(shí)間還有待于進(jìn)一步監(jiān)測(cè)。已往推薦生物炭施用量均以年為基礎(chǔ)，但每年施用會(huì)浪費(fèi)財(cái)力、物力。未來對(duì)生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅要關(guān)注生物炭的數(shù)量和類型，更要關(guān)注生物炭的施用頻率，合理施用生物炭不僅可以減少生物炭的施用量，而且有利于使生物炭的價(jià)值最大化。