生物炭配施硅肥對增溫稻麥輪作農田CH4和N2O排放強度的影響

祝夢全，婁運生，杜澤云，高安妮，潘德豐，郭峻泓

（1南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創(chuàng)新中心，南京 210044；2南京信息工程大學江蘇省農業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044）

0 引言

IPCC第六次評估報告指出，2010—2019年全球平均地表氣溫相比1850—1900年已上升0.9～1.2℃[1]。人類活動引起的大氣溫室氣體濃度升高是氣候變暖的主要原因[2-3]。甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是2 種增溫潛勢較強的溫室氣體[4]。農田CH4和N2O 排放量分別占人類活動排放總量的50%和65%～70%[5-7]。水稻、小麥是中國主要糧食作物，種植面積分別占全球的32%和11%[8]，而稻、麥田是CH4和N2O 重要排放源或匯[9-10]。長江中下游是中國稻麥輪作種植主要區(qū)域。在保障糧食生產前提下，如何減少稻麥輪作農田溫室氣體排放，已成為稻麥生產應對氣候變化的研究熱點。

氣溫夜間增幅顯著高于白天是氣候變暖的主要特征之一[1]。夜間增溫顯著降低水稻千粒重和結實率[11]。夜間增溫顯著增加冬小麥無效穗數，降低穗粒數和千粒重，導致產量下降[12]。溫度影響稻田土壤產甲烷菌數量和活性，CH4產生及其大氣傳輸效率[13]。在一定溫度范圍內隨溫度升高，稻田CH4排放呈指數增加[14]。稻、麥田N2O 排放通量與溫度呈正相關關系[15]。生物炭是一種多孔結構穩(wěn)定的土壤改良劑[16]。施生物炭可提高水稻、小麥產量，降低農田CH4和N2O排放[7]。施用30 t/hm2生物炭可顯著降低農田CH4和N2O 綜合增溫潛勢[17]。也有報道，施生物炭可提高水稻和小麥產量，但對溫室氣體排放沒有顯著影響[18]。硅是水稻、小麥等禾谷類作物有益元素。施硅可提高水稻、小麥對高溫、低溫、干旱、病蟲害、重金屬脅迫等抗性，促進植株生長，提高產量[19-22]。施硅可降低水稻、小麥田CH4和N2O 綜合增溫潛勢和排放強度[23-28]。也有認為，施硅可降低有機碳分解和氮固定，促進農田硝化和反硝化作用，提高N2O排放[29]。

有關夜間增溫、施生物炭或硅肥對水稻或冬小麥單一作物產量、農田CH4和N2O排放的影響已有報道，但夜間增溫下生物炭配施硅肥對稻麥輪作農田糧食生產、CH4和N2O排放強度的影響，尚缺少報道。本研究通過田間模擬增溫試驗，探討了生物炭配施硅肥對增溫稻麥輪作農田溫室氣體排放的影響，以及通過施肥能否緩解增溫對稻麥生產的不利影響，以期為保障稻麥糧食生產及應對氣候變化提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間模擬試驗于2020 年10 月—2021 年10 月，在南京市浦口區(qū)科研試驗站進行(32.0°N，118.8°E)。該站地處亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均降水量1100 mm，年均氣溫15.6℃。供試土壤為潴育型水稻土，壤質粘土，土壤有機碳19.49 g/kg，全氮1.45 g/kg，粘粒26.12 g/kg，pH 6.2（土水比1:1）。供試生物炭為稻殼生物炭，有機碳含量50%。供試硅肥為鋼渣和礦粉，有效硅含量(SiO2)分別為14.21%和32.26%。供試氮磷鉀肥料為高濃度復合肥(15-15-15)。供試冬小麥品種為‘蘇麥188’，2020 月11 月5 日播種，供試水稻品種為‘南粳5055’，2021年5月10日育苗，2021年6月12日移栽。

1.2 試驗設計

采用3因素3水平正交試驗設計，三因素為夜間增溫(W)、施生物炭(B)和施硅肥(Si)。夜間增溫(W)設3水平，即W0（常溫對照，不蓋膜）、W1（覆蓋5 mm鋁箔膜）和W2（覆蓋11 mm 鋁箔膜）；生物炭(B)設3 水平，即B0（對照，不施生物炭）、B1（施10 t/hm2生物炭）和B2（施25 t/hm2生物炭）；施硅(Si)設3 水平，即Si0（對照，不施硅）、Si1（施鋼渣）和Si2（施礦粉），施用量均為0.2 t SiO2/hm2。采用開放式被動增溫方法，試驗開始前在各小區(qū)四周安裝高度可調鋼架用于固定鋁箔膜。稻麥生育期內，夜間（19:00—次日6:00）用鋁箔膜覆蓋稻麥冠層。根據生育進程及時調整鋁箔膜高度，使冠層與鋁箔膜間距保持30 cm 左右。在降雨或大風（風速＞10 m/s）等惡劣天氣時不覆蓋鋁箔膜，以免惡劣天氣對增溫設施造成破壞。采用溫度自動記錄儀記載冠層和5 cm 土層溫度。播種或幼苗移栽前進行耕作整地，根據小區(qū)處理將生物炭、硅肥以基肥方式施入土壤，同時施入復合肥0.2 t/hm2。小區(qū)面積為2×2=4 m2，隨機排列。水稻除曬田外，田間灌溉使水層保持5 cm左右。參照田間常規(guī)管理進行除草和病蟲害防治。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 氣樣采集與分析采用靜態(tài)采樣箱氣相色譜法測定CH4和N2O 排放通量。自分蘗期至成熟期，每周采集氣樣1 次，時間為8:00—11:00。采樣前將采樣箱置于事先固定于土壤的底座上，在底座水槽注水以水封靜態(tài)箱，接通直流電源驅動箱頂部微型直流風扇運轉20 s，以混勻箱內氣體。封箱后0、15、30 min，用帶有三通閥的注射器通過膠塞采樣孔，從箱內抽取50 mL氣體注入事先抽成真空的玻璃采樣瓶內，帶回實驗室用氣相色譜儀(Agilent 7890B)測定氣樣中CH4和N2O濃度。氣相色譜儀檢測條件為，FID 檢測器溫度250℃，ECD 檢測器溫度為300℃，柱箱溫度50℃，色譜柱型號為P/N 19091J—413，高純H2和干燥無油壓縮空氣，流量分別為50 mL/min和450 mL/min，鎳轉化爐溫度為375℃，載氣高純N2(99.999%)或高純He(99.999%)。

排放通量計算公式如式(1)所示。

式中，F為排放通量[mg/(m2·h)]；ρ為標準狀態(tài)下氣體密度(kg/m3)，H為采樣箱內高度(m)，T為箱內平均溫度(℃)；dc/dt為箱內氣體濃度隨時間變化率[mg/(kg·h)]。

累積排放量計算公式如式(2)所示。

式中，Y為累積排放量(mg/m2)；Fi+1和Fi分別為第i+1次、第i次采樣時平均排放通量[mg/(m2·h)]；Di+1和Di分別為第i+1次、第i次的采樣時間(d)。

1.3.2 全球增溫潛勢和碳排放強度計算全球增溫潛勢計算公式如式(3)所示。

式中，SGWP為稻麥輪作農田綜合溫室效應[(kg CO2eq)/hm2]；YCH4、YN2O分別為CH4、N2O累積排放量(mg/m2)，45和270 是指以CO2為參照百年尺度下CH4和N2O 全球增溫潛勢，分別為CO2的45和270倍。

CH4和N2O排放強度計算公式如式(4)所示。

式中，GHGI為稻麥輪作農田CH4和N2O 排放強度[(kg CO2eq)/t]；SWGP 為稻麥輪作農田全球增溫潛勢[(kg CO2eq)/hm2]；y為各小區(qū)單位面積稻麥產量(t/hm2)。

1.3.3 產量稻麥成熟后，在小區(qū)中間選取一定面積植株(0.5 m×0.5 m)收割，測定有效穗數、穗粒數、空秕飽數和結實率，經風干、晾曬后，用脫粒機進行脫粒，測定千粒重，計算產量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 處理數據和極差分析，用SPSS 21.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 水稻和小麥產量

表1 表明，W1B2Si0 處理的水稻產量最高，為19.20 t/hm2，比W0B0Si0 處理增產56.22%；W0B2Si2處理的小麥產量最高，為9.16 t/hm2，比W0B0Si0 處理增產288.14%。三因素對水稻產量的影響大小為：施生物炭＞施硅＞夜間增溫；三因素對小麥產量的影響大小為：施生物炭＞夜間增溫＞施硅。與B0 相比，B1、B2 條件下小麥分別增產69.22%和96.03%。W1B2Si0、W0B2Si1 分別為稻、麥最適處理組合（圖1）。夜間增溫、施硅對稻、麥產量影響未達顯著水平，施生物炭可顯著提高小麥產量（表2）。

圖1 不同因素稻、麥產量水平趨勢圖

表1 不同處理對水稻、小麥產量的影響 t/hm2

表2 不同處理對稻、麥產量影響方差分析（F值）

2.2 CH4排放通量和累積排放量

2.2.1 CH4排放通量稻田CH4排放通量自分蘗期（移栽后1～47 d 逐步上升，于分蘗期（移栽后47 d）達到小高峰。曬田結束灌溉覆水，CH4排放通量較低。拔節(jié)期（移栽后68 d）又開始上升，于開花期（移栽后91 d）和灌漿期（移栽后105 d）出現2個低谷。停止灌水（移栽后112 d）后排放通量略微上升，隨后降低并趨近于0 mg/(m2·h)。稻田CH4排放通量極值均出現于W1B2Si0 處理。麥田灌漿前（播種后168 d）排放通量均接近于0 mg/(m2·h)，之后CH4排放通量穩(wěn)步上升并在灌漿后（播種后第175 天）出現高峰后下降，除W1B1Si2、W2B2Si1、W0B2Si2、W2B1Si0處理外，均在第189 天出現排放峰值，排放最大值出現于W1B0Si1處理（圖2）。

圖2 夜間增溫下生物炭配施硅肥對CH4排放影響

2.2.2 CH4累積排放量不同處理的稻田、麥田CH4累積排放量、各生育期CH4排放占比存在差異（表3）。水稻分蘗期和抽穗-揚花期稻田CH4累積排放量高，拔節(jié)—孕穗期最?。慌c常溫對照相比，夜間增溫處理的CH4累積排放量較低，隨鋁箔膜厚度減小而降低。W2B2Si1 處理的稻田全生育期CH4排放量最低，僅為對照(W0B0Si0)處理的5.21%，W2B0Si2 處理的最高。麥田CH4累積排放量差異較大，總體上，麥田CH4排放主要集中于灌漿—成熟期。W0B2Si2 與W2B1Si0 處理的麥田對CH4有吸收作用。

表3 不同處理對稻、麥田各生育期CH4累積排放量的影響

三因素對稻田CH4累積排放量影響大小為：施生物炭＞施硅＞夜間增溫，對麥田CH4累積排放量的影響大小為：施硅＞施生物炭＞夜間增溫（圖3）。W2B2Si2 處理的稻田、麥田CH4累積排放量最低。方差分析表明（表4），施生物炭顯著降低水稻分蘗期(P＜0.05)，夜間增溫、施硅對稻田、麥田CH4累積排放量影響未達顯著水平(P＞0.05)。

圖3 不同因素稻麥全生育期CH4總累積排放量水平趨勢

表4 稻麥各生育期CH4累積排放量的方差分析（F值）

2.3 N2O排放通量和累積排放量

2.3.1 N2O排放通量稻田N2O排放峰值出現于曬田期（移栽后54 d），灌溉覆水后迅速下降，孕穗期（移栽后84 d）后，N2O排放又呈現增加，于開花期（移栽后91 d）又出現峰值，停止灌溉后排放接近0。稻田N2O 排放通量最大值出現于W2B1Si0 處理。麥田各處理前期N2O 排放通量變化平穩(wěn)，孕穗期后呈波動變化趨勢。W1B2Si0 處理的麥田于孕穗期后維持較高水平（圖4）。

圖4 夜間增溫下施生物炭和硅肥對稻麥田N2O排放通量的影響

2.3.2 N2O 累積排放量水稻季W0B2Si2 處理的稻田全生育期對N2O起吸收作用，吸收量為644.80 mg/m2；W0B2Si2 處理的稻田全生育期累積排放量最高，為1907.80 mg/m2。麥田N2O 累積排放量，主要集中于灌漿—成熟期；W1B1Si2 處理的麥田全生育期對N2O 起吸收作用，吸收量為136.15 mg/m2，W2B0Si2 和W1B0Si1 處理的麥田累積排放量較低，分別為W0B0Si0處理的9.28%和19.64%（表5）。

表5 不同處理對稻田各生育期N2O累積排放量的影響

三因素對稻田N2O 累積排放量影響大小為：施生物炭＞施硅＞夜間增溫；對麥田N2O 累積排放量的影響大小為：施硅＞施生物炭＞夜間增溫。稻田、麥田N2O 累積排放量最低的最佳因素組合，分別為W1B2Si2和W2B0Si2（圖5）。施生物炭顯著影響稻田全生育期N2O累積排放量(P＜0.05)（表6）。

圖5 不同因素稻麥全生育期N2O總累積排放量水平趨勢

表6 稻麥各生育期N2O累積排放量的方差分析（F值）

2.4 SGWP/SGCP和GHGI

2.4.1 SGWP/SGCP 稻田CH4排放和麥田N2O 排放對增溫潛勢起主要貢獻，麥田CH4排放對增溫潛勢貢獻最低。就稻麥輪作農田而言，W1B1Si2處理的稻—麥田增溫潛勢最低，W0B1Si1處理的最高（圖6）。圖7可見，夜間增溫(W1、W2)降低稻麥輪作農田的全球增溫潛勢；施生物炭(B1、B2)明顯降低稻麥輪作農田增溫潛勢；施硅(Si1、Si2)降低稻麥農田增溫潛勢，以施礦粉(Si2)效果較好。三因素對稻田SGWP 影響大小為：施生物炭＞施硅＞夜間增溫；對麥田SGWP 的影響大小為：施硅＞施生物炭＞夜間增溫。稻田、麥田增溫潛勢最低的最佳因素組合，分別為W1B2Si2和W2B0Si2。2.4.2 GHGI 稻田、麥田碳排放強度存在顯著差異（圖8）?？傮w上，麥田對碳排放強度的貢獻約為稻田的3倍。W1B0Si1、W2B0Si2和W2B1Si0處理的稻田碳排放強度大于麥田。圖9 所示，施生物炭對稻田碳排放強度有抑制作用，隨生物炭用量增加而增強。施硅抑制麥田碳排放強度、對稻田碳排放強度的影響不一，施鋼渣硅肥(Si1)促進碳排放強度，而施礦粉(Si2)則起抑制作用。三因素對稻田增溫潛勢影響大小為：施生物炭＞施硅＞夜間增溫，對麥田增溫潛勢的影響大小為：施硅＞施生物炭＞夜間增溫。稻田、麥田碳排放強度最低的因素組合，分別為W0B2Si2和W1B1Si2。

圖6 不同處理稻麥系統CH4和N2O的SGWP/SGCP

圖8 不同處理稻麥系統碳排放強度(GHGI)

圖9 不同因素稻麥GHGI水平趨勢

3 結論

施生物炭可明顯提高水稻和小麥產量。夜間增溫、施生物炭、施礦粉均可降低稻麥輪作農田CH4排放。夜間增溫、施硅可降低稻麥輪作農田N2O排放，添加低量生物炭(10 t/hm2)抑制稻田CH4排放，而高量(20 t/hm2)則促進CH4排放。稻田對稻麥輪作系統增溫潛勢的貢獻大于麥田，稻田CH4排放起主導作用，夜間增溫、施硅均可降低稻麥輪作農田增溫潛勢。麥田的GHGI 大于稻田，夜間增溫降低稻麥農田碳排放強度，隨生物炭用量增加，碳排放強度降低，施硅降低碳排放強度。

4 討論

4.1 夜間增溫下生物炭配施硅肥對稻麥輪作農田CH4排放影響

農田CH4產生、吸收與排放主要受土壤產甲烷菌、甲烷氧化菌、土壤理化性質、栽培管理及溫度等影響[30-33]。本研究表明，稻田CH4排放主要集中于分蘗期和灌漿期，原因在于：分蘗期植株生長旺盛根系活動強，上季小麥根茬還田提供了有機底物，淹水形成厭氧土壤環(huán)境，有利于產甲烷菌活動，促進了CH4產生及排放[34]；水稻灌漿期生殖生長旺盛，光合作用強，根系生長及分泌旺盛，植株通氣組織發(fā)達，為甲烷產生提供較多碳源，有利于植株傳輸排放[31,35]。小麥拔節(jié)—孕穗期麥田對CH4起吸收作用，麥田CH4排放主要發(fā)生于灌漿—成熟期，原因在于：拔節(jié)—孕穗期麥田土壤通氣性良好，溫度較低，有利于甲烷氧化菌活動，表現為CH4負排放[33]；小麥灌漿—成熟期，溫度較高，降水量增加，有利于土壤形成局部厭氧環(huán)境，促進產甲烷菌活動，增加了CH4產生排放。

夜間增溫降低稻麥輪作農田CH4排放（圖2，表3），原因可能在于：夜間增溫促進了稻麥農田土壤甲烷氧化菌活動[36]，促進了CH4吸收；夜間增溫提高土壤碳儲存[37]，抑制了CH4產生。施生物炭在一定程度上抑制稻麥農田CH4排放，原因在于：施用生物炭提高土壤孔隙度，改善土壤通氣性，破壞了土壤厭氧環(huán)境，不利于產甲烷菌活動；多孔結構的生物炭為土壤甲烷氧化菌提供較多的生存空間，增加甲烷氧化菌的豐度，產甲烷菌與甲烷氧化菌豐度比降低，從而減少CH4產生排放[38-40]。施硅一定程度抑制稻田CH4排放，原因可能在于：施用的鋼渣和礦粉為堿性肥料，土壤pH升高并趨于中性，中性土壤適宜CH4氧化菌活動[41]，促進甲烷氧化；鋼渣和礦粉作為土壤改良劑，提高土壤孔隙度，改善通氣性，不利于CH4產生。施用鋼渣促進麥田CH4排放，而施用礦粉則抑制麥田CH4排放，原因可能在于：鋼渣中Fe、Cu、Zn元素含量較豐富，這些元素涉及產甲烷菌的酶促反應[42]，促進麥田CH4排放；而施用礦粉則提高孔隙度，改善通氣性，pH升高趨于中性，不利于產甲烷菌活動，降低甲烷排放[41]。

4.2 夜間增溫下生物炭配施硅肥對稻麥輪作農田N2O排放影響

農田N2O產生排放主要來自土壤微生物參與的硝化和反硝化過程[43]，主要受土壤理化性質、溫度、水分、作物種類、施肥等影響[44-48]。稻田N2O排放峰值主要發(fā)生于排水曬田期（圖4）。原因在于：曬田期干濕條件適宜，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量較高，有利于硝化、反硝化作用進行，促進了N2O產生排放[49]；麥田N2O產生排放小麥生長前期占比較低，主要集中于生長后期，即灌漿-成熟期（圖4），因為生長前期溫度較低，不利于硝化即反硝化微生物活動，抑制了N2O產生排放；小麥生長中后期溫度逐漸升高，硝化、反硝化微生物活性增強，有利于N2O產生排放[50-51]。

夜間增溫不同水平對稻田N2O影響存在差異，W1降低了稻田N2O 排放，而W2 則增加了排放，原因在于，W1處理提高水稻產量，而W2則相反，導致水稻植株對土壤氮素吸收利用減少，土壤硝化、反硝化作用底物含量較多，有利于N2O 產生排放[50]。夜間增溫降低麥田N2O排放，可能在于，夜間增溫促進農田蒸散，土壤含水量降低，土壤溫度升高，抑制土壤硝化、反硝化微生物活性，降低麥田N2O產生排放[52]。施用低量生物炭(10 t/hm2)增加稻田N2O排放，而高量生物炭(25 t/hm2)則降低稻田排放，原因在于，添加低量生物炭促進稻田土壤固氮作用，減少土壤硝化、反硝化有效底物，降低N2O產生排放[7]，而高量生物炭則大幅增加土壤孔隙度和通氣性，促進土壤局部激發(fā)效應，土壤硝化、反硝化微生物活性增強，有利于N2O 產生排放[53]。麥田N2O排放與生物炭用量則呈正相關關系，原因在于：旱地麥田通氣良好，施用生物炭提高有機質和養(yǎng)分含量，改善土壤水熱條件，土壤硝化、反硝化微生物活性增強，促進N2O 產生排放[54]。施硅抑制稻麥農田N2O 產生排放，因為N2O 是硝化、反硝化微生物代謝產物，而施用鋼渣、礦粉硅肥，增加土壤鐵、硫等氧化物含量，土壤pH 升高有利于氨揮發(fā)，抑制硝化、反硝化微生物活性[55]，進而降低N2O產生排放。

4.3 夜間增溫下施硅和生物炭對稻、麥系統作物產量、GWP和GHGI的影響

稻麥輪作系統中稻田全球增溫潛勢貢獻大于麥田，且稻田CH4排放起主導作用（圖6），因為稻田厭氧環(huán)境下產甲烷菌活性較高，有利于甲烷產生排放。麥田GHGI 大于稻田（圖8），麥田CH4排放雖然低于稻田，但N2O排放占比較高，而N2O百年尺度增溫潛勢遠高于CH4[5]，麥田單位面積產量又低于稻田，因此，麥田GHGI高于稻田。夜間增溫降低稻麥輪作農田總增溫潛勢及GHGI，因為夜間增溫對稻麥田CH4和N2O排放的抑制作用高于其降低產量作用。施生物炭對稻麥輪作系統總增溫潛勢和GHGI 也有抑制作用，因為添加生物炭降低稻麥農田CH4排放，低量生物炭降低N2O排放，而施生物炭可提高稻麥產量，因此，施生物炭對GHGI有抑制作用。施硅對稻麥輪作農田總增溫潛勢和GHGI 也起抑制作用，而添加礦粉的抑制作用更強。施硅可促進稻麥N2O排放，但影響不顯著，而施硅可提高稻麥產量，同時可降低CH4排放，且礦粉對CH4排放抑制作用更強，因此，總體上施硅可降低稻麥輪作農田總增溫潛勢和GHGI。