李秀云，張洪培，沈玉芳,*，李世清

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 陜西楊陵712100；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊陵712100)

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生物炭與氮肥對旱作春玉米農(nóng)田CO2和CH4排放特征的影響

李秀云1，張洪培1，沈玉芳1,2*，李世清2

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 陜西楊陵712100；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊陵712100)

摘要:為了研究生物炭與氮肥對旱作春玉米農(nóng)田CO2和CH4排放通量季節(jié)變化、累積排放總量及CO2+ CH4排放強度的影響，試驗設(shè)置C0N0 (不加生物炭，不施氮肥)、 C0N1 (不加生物炭,施氮肥225 kg·hm-2)和 C1N1 (添加生物炭50 t·hm-2, 施氮肥225 kg·hm-2)3個處理，采用密閉式靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對不同生物炭和氮肥輸入旱作春玉米農(nóng)田CO2和CH4排放通量進行連續(xù)觀測，同時對影響通量變化的0～20 cm土層溫度和水分因子進行測定。結(jié)果表明：(1)試驗期內(nèi)不同處理春玉米農(nóng)田均表現(xiàn)為CO2累積通量的源，且CO2排放通量均呈現(xiàn)一定的峰值變化規(guī)律。(2)C1N1處理減少了春玉米生長季農(nóng)田CO2排放通量和累積排放總量，在試驗的2個生長季內(nèi)農(nóng)田CO2平均排放通量和累積排放總量各處理均表現(xiàn)為C0N0 > C0N1 > C1N1，且C1N1處理降低顯著。(3)土壤CO2排放通量與土壤溫度變化呈顯著正相關(guān)關(guān)系，可用指數(shù)方程和二次方程較好擬合二者關(guān)系，且與10 cm土層溫度的相關(guān)性優(yōu)于0 cm土層溫度，但土壤CO2排放通量與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。(4)試驗各處理農(nóng)田土壤CH4排放通量在-16.08～-73.96 μg·m-2·h-1之間，表現(xiàn)為大氣CH4的凈吸收庫；C1N1處理增加了土壤CH4排放通量和累積排放總量，但作用效果的顯著性受年際環(huán)境因子的影響；農(nóng)田土壤CH4排放通量與土壤含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭和施氮減少了旱作農(nóng)田春玉米生長季CO2排放通量和累積排放總量，增加了CH4排放通量和累積排放總量，總體上顯著增加了春玉米產(chǎn)量，顯著減少農(nóng)田CO2+CH4排放強度。

關(guān)鍵詞:生物炭；氮肥；二氧化碳；甲烷；旱作農(nóng)田

CO2和CH4是大氣中兩種主要的溫室氣體，農(nóng)業(yè)活動及其相關(guān)過程是其重要的源或匯[1]。氮肥的施用、秸稈等生物質(zhì)焚燒等農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生大量的溫室氣體。當(dāng)前世界糧食需求大量增加，使得未來20年中農(nóng)田溫室氣體的排放量也會有所增加[2]。減少農(nóng)業(yè)溫室氣體的排放在控制全球氣候變化方面具有巨大潛力。因此，研究各種農(nóng)業(yè)措施對農(nóng)田CO2和CH4氣體排放變化的影響，可為正確評估農(nóng)業(yè)對大氣溫室氣體增溫的貢獻率及采取合理措施改善種植模式、增加農(nóng)田碳匯效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

生物炭是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類多孔、高度芳香化、難熔性的固態(tài)物質(zhì)[3]。研究表明，將生物炭施入土壤可以快速擴充土壤穩(wěn)定性碳庫，增加土壤的碳封存能力和肥力，顯著降低土壤CO2和CH4的排放[4]。Zimmerman等[5]研究發(fā)現(xiàn)生物炭可抑制實驗后期土壤有機質(zhì)的礦化。Karhu等[6]研究結(jié)果也顯示，添加9 t·hm-2生物炭可增加土壤對CH4的吸收。Feng等[7]認(rèn)為產(chǎn)甲烷菌與嗜甲烷菌豐度比例的降低，或孔隙和比表面積的增加可能是主要原因。但也有學(xué)者認(rèn)為添加生物炭會促進土壤CO2和CH4的排放[8-9]。因此，添加生物炭是否能減少農(nóng)田CO2、CH4的排放與農(nóng)田土壤性質(zhì)、環(huán)境因子和管理措施有密切關(guān)系。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中在施用氮肥提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時，施氮造成的溫室氣體效應(yīng)問題研究也非常必要。Ding等[10]研究表明，施氮能夠降低農(nóng)田土壤玉米生育期累積CO2排放量。但王重陽等[11]研究卻發(fā)現(xiàn)，施氮增加了旱作玉米農(nóng)田土壤CO2排放。氮肥施用對農(nóng)田CH4排放的影響目前較多集中在稻田生態(tài)系統(tǒng)。如趙崢等[12]研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥會增加水稻生育期CH4的平均排放通量，但添加緩釋氮肥可以減少CH4的排放。

對以種植業(yè)為主的西北旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，氮肥施用引起的CO2、CH4排放變化研究結(jié)果不一[12]。添加生物炭能否通過影響土壤物理化學(xué)或微生物特性改變CH4和CO2的排放？黃土高原低的降水和高的降水變異性是否影響生物炭對農(nóng)田CO2、CH4排放的調(diào)節(jié)效應(yīng)。本研究以黃土高原旱作農(nóng)田土壤為研究對象，采用密閉式靜態(tài)暗箱-氣相色譜法，分析春玉米農(nóng)田土壤CO2和CH4排放的連續(xù)變化特征，探明生物炭與氮肥對旱作農(nóng)田CO2和CH4排放動態(tài)變化規(guī)律的影響，以及CO2和CH4排放通量與主要環(huán)境因子間的關(guān)系，以期為正確評價生物炭與氮肥在黃土高原旱作農(nóng)田CO2和CH4排放中的作用，以及生物炭在旱作春玉米農(nóng)田固碳減排中的作用提供一定參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地概況

田間定位試驗布置在西北農(nóng)林科技大學(xué)長武國家農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站(107°40′E，35°12′N)。該試驗站位于黃土高原中南部陜甘交界處的陜西省長武縣洪家鎮(zhèn)王東村，海拔1 200 m。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，1984～2012年間年均降水量為578 mm，年均氣溫9.1 ℃，≥10 ℃積溫為3 029 ℃，無霜期171 d，年日照時數(shù)2 230 h，地下水埋深50～80 m，屬典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)；地帶性土壤為黑壚土，土壤質(zhì)地為壤土，土質(zhì)均勻疏松。

1.2試驗設(shè)計

本氣體采集試驗于2014年4至2015年9月間進行，試驗期內(nèi)總降水991 mm(圖1)。試驗設(shè)不施生物炭和不施氮(C0N0)，不施生物炭和施氮225 kg·hm-2(C0N1)，施生物炭50 t·hm-2和施氮225 kg·hm-2(C1N1)3個處理，3次重復(fù)，采用不完全隨機區(qū)組設(shè)計，每個試驗小區(qū)面積為56 m2(7 m×8 m)。供試生物炭為玉米秸稈炭(河南三利新能源公司生產(chǎn))，熱裂解炭化溫度350～450 ℃，于2014年播前撒施于地表后微耕機翻耕混勻。磷肥和鉀肥分別于2014和2015年播前作為基肥與種肥一次施入，磷肥和鉀肥施肥量分別為40 kg·hm-2(含P2O512%過磷酸鈣)和80 kg·hm-2(含K2O 45%硫酸鉀)。氮肥(含N 46.4 %尿素)按4∶3∶3分3次施入?；┑?、磷肥和鉀肥均在播前撒于地表后微耕機翻耕，使其充分混勻；追施氮肥用點種器施入。試驗玉米品種為‘先玉335’，播種方式采用寬窄行平作(60∶40)，種植密度65 000 株·hm-2。試驗期間不進行灌溉處理(雨養(yǎng))。

1.3監(jiān)測指標(biāo)與監(jiān)測方法

1.3.1氣體樣品的采集與分析采用密閉式靜態(tài)箱-氣相色譜法測定CO2和CH4的排放通量。試驗的采樣箱包括箱體和底座兩部分，均為不銹鋼材料，箱體長、寬、高均為50 cm，箱內(nèi)置風(fēng)扇用于采樣時混勻箱內(nèi)氣體，箱外包覆泡沫層用來保溫；底座長50 cm、寬50 cm、高15 cm，于播前固定于土層15 cm深處，原地定位。框內(nèi)種植2棵玉米，生長至九葉期后，截斷保留45 cm高度[13]。每次采樣時(8:30～10:30)將頂箱嵌入底座上部的凹槽中，用水密封，阻斷箱內(nèi)外空氣交流，分別于0、10、20、30 min用50 mL注射器抽取箱內(nèi)氣體50 mL，于12 h內(nèi)用Agilent 7890A氣相色譜儀(Agilent Technologies inc.)測定分析CO2和CH4濃度。生長季每2～5 d采集氣體樣品1次，休閑期7～15 d采集氣體樣品1次。CO2、CH4排放通量的計算公式為：

F= 273/(273+T)×2/22.4×60×H×dc/dt

式中，F(xiàn)為被測氣體的排放通量(分別以CO2-C、 CH4-C計，單位分別為mg·m-2·h-1、μg·m-2·h-1)；12為每摩爾CO2、CH4中C的質(zhì)量數(shù)；22.4為溫度273 K時CO2、CH4的摩爾體積；H為采樣箱高度(m)；dc為氣體濃度差；dt為時間間隔(h)；T為采樣時箱內(nèi)溫度(℃)；dc/dt為采樣時間內(nèi)CO2、CH4濃度變化速率(mL·L-1·min-1或 μL·L-1·min-1)，采用線性回歸方程計算。根據(jù)氣樣濃度與時間的關(guān)系曲線計算氣體的排放通量，加權(quán)平均求得全生育期CO2和CH4的排放總量。

1.3.2玉米CO2、CH4的排放強度采用CO2、CH4的排放強度(greenhouse gas intensity,GHGI)來評價單位玉米產(chǎn)量的CO2、CH4排放[14]，也即：GHGI(kg·t-1)=GWP/Y

其中，GWP指CO2、CH4的增溫潛勢(kg·hm-2)，Y指玉米的產(chǎn)量(t·hm-2)

1.3.3土壤溫度和含水量每次采集氣體樣品的同時用便攜式鉑電阻數(shù)字溫度計(JM624)測定0和10 cm土壤溫度(溫度探頭于播前置于0和10 cm土層)，取采集第1針和最后1針氣體樣品時的溫度平均值作為當(dāng)天氣體采集時的溫度值。同時，采集0～20 cm土層土樣，用烘干法測定土壤含水量。降水量數(shù)據(jù)來自長武試驗區(qū)自動氣象站(圖1)。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 16.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Sigmaplot 12.5作圖。

2結(jié)果與分析

2.1生物炭及氮肥對旱作春玉米農(nóng)田CO2排放的影響

2.1.1試驗期內(nèi)CO2排放通量2年試驗期內(nèi)，3個處理旱作春玉米農(nóng)田CO2排放通量變化趨勢基本一致，在各生長季內(nèi)均呈現(xiàn)出一定的峰值變化規(guī)律(圖2)。各處理CO2排放通量在玉米生長初期較低，后隨著生育期的進程逐漸增大，并分別于2014年6月22日和2015年7月1日出現(xiàn)排放峰值。其中，C0N0處理CO2排放通量峰值在2014和2015年分別為267.04和275.56 mg·m-2·h-1，C0N1處理分別為291.21和262.85 mg ·m-2·h-1，C1N1處理分別為282.01和263.66 mg ·m-2·h-1。之后隨玉米植株剪斷，以及植物和大氣溫度及降雨的改變，除個別采樣時期出現(xiàn)短時間CO2排放通量較大波動外，各處理CO2排放通量均呈逐漸下降趨勢。同時，各處理農(nóng)田休閑期CO2排放通量均維持在較低水平。在本試驗的2個生長季內(nèi)，旱作春玉米農(nóng)田CO2平均排放通量均表現(xiàn)為C0N0>C0N1>C1N1；與C0N0相比，C0N1和C1N1處理CO2平均排放通量分別降低4.05%和7.79%，且差異顯著(P<0.05)，而C0N1與C1N1間差異不顯著。因此，生物炭與氮肥共同作用對春玉米生長季內(nèi)CO2排放降低效果更顯著。

圖1　試驗期間的降水量Fig. 1　Precipitation during the experiment

2.1.2生長季內(nèi)CO2排放總量本試驗不同處理2個生長季農(nóng)田CO2排放總量(表1)在3 525.83～4 152.13 kg·hm-2之間。與C0N0處理相比，C0N1處理春玉米生長季CO2排放總量在2014和2015年分別降低3.12%和5.67%，后者差異顯著(P<0.05)；而C1N1春玉米生長季CO2排放總量在2014和2015年分別降低6.52%和7.67%，且差異均顯著(P<0.05)。與C0N1相比，C1N1處理春玉米生長季CO2排放總量在2014和2015年分別降低4.69%和2.12%，且前者差異顯著。同時，比較春玉米生長季CO2排放總量年際變化發(fā)現(xiàn)，與2014年相比，2015年C0N0、C0N1、C1N1處理CO2排放總量分別相應(yīng)顯著降低8.03%、10.45%和9.16%(P<0.05)?？傮w上，試驗不同處理間和不同年際間的生長季CO2排放總量差異均顯著(表1)。

2.2生物炭與氮肥對旱作春玉米農(nóng)田CH4通量的影響

2.2.1試驗期CH4排放通量各處理旱作春玉米農(nóng)田CH4排放通量在-16.08～-73.96 μg·m-2·h-1之間，且不同處理間排放通量季節(jié)波動趨勢基本一致，表明旱作春玉米農(nóng)田為大氣CH4的凈吸收庫，生長季較休閑季吸收效應(yīng)更顯著(圖3)。C0N0、C0N1和C1N1處理的農(nóng)田CH4平均吸收通量在2014年生長季分別為48.97、47.64和41.12 μg·m-2·h-1，在2015年則分別為47.33、46.95和44.68 μg·m-2·h-1；與C0N0相比，C0N1處理2年的生長季CH4平均吸收通量降低1.78%，C1N1則平均顯著降低10.81%(P<0.05)；與C0N1相比，C1N1處理的CH4平均吸收通量在2014和2015年分別降低13.67%和4.82%?？梢?，生物炭和氮肥均降低了旱作春玉米農(nóng)田CH4的平均吸收通量，增加農(nóng)田CH4排放。

2.2.2生長季CH4排放總量表1顯示，春玉米生長季C0N0、C0N1和C1N1處理農(nóng)田CH4排放總量在2014年分別為-1.60、-1.56和-1.38 kg·hm-2，在2015年分別為-1.40、-1.38和-1.34 kg·hm-2；與C0N0處理相比，C0N1處理降低了春玉米生長季農(nóng)田CH4吸收總量，其在2014和2015年分別降低2.23%和1.59%，但差異均不顯著；C1N1處理則分別相應(yīng)降低13.61%和4.21%，且2014年達到顯著水平(P<0.05)；與C0N1處理相比，C1N1處理2014年生長季CH4吸收總量也顯著降低。同時，比較不同年際生長季CH4吸收總量發(fā)現(xiàn)，2015年不同試驗處理的CH4吸收總量均比相應(yīng)的2014年處理降低。另外，方差分析結(jié)果表明(表1)，春玉米生長季CH4排放總量在試驗不同處理間差異性達極顯著水平，且年際間及處理與年際交互效應(yīng)差異均極顯著(P<0.01)。

箭頭處表示玉米植株剪斷時間;MS和FS分別表示玉米生長季和土地休閑期；下同 圖2　不同處理旱作春玉米農(nóng)田CO2通量動態(tài)變化Arrows denote the date of maize broken. MS and FS denote the maize growing season and fallow season, respectively.The same as belowFig. 2　Dynamic of CO2 flux in dry spring maize farmland with different treatments

處理TreatmentCO2排放總量CO2cumulativeemission/(kg·hm-2)CH4排放總量CH4cumulativeemission/(kg·hm-2)(CO2+CH4)排放強度CO2+CH4emissionintensity/(kg·t-1)產(chǎn)量Yield/(t·hm-2)20142015201420152014201520142015C0N04152.13a3818.63a*-1.60b-1.40b**5464.35c3688.87c**2.76c3.76c*C0N14022.50a3602.10b*-1.56b-1.38ab**1661.11b1295.32b**8.90b10.10b*C1N13881.35b3525.83b*-1.38a-1.34a**1425.03a1191.29a**9.90a10.75a*

注：同列不同字母表示處理間差異達0.05水平，同行*和**分別表示處理內(nèi)年際間差異達到0.05和0.01水平；下同。

Note: The values within columns followed by different letters are significantl differentses at 0.05 level, while the * and ** within the same row indicate significant difference between years at 0.05 and 0.01 level, respectively. The same as below

圖3　不同處理旱作春玉米農(nóng)田CH4通量動態(tài)變化Fig. 3　Dynamic of CH4 flux in dry spring maize farmland with different treatments

2.3生物炭、氮肥對旱作農(nóng)田春玉米產(chǎn)量及其CO2和CH4排放強度的影響

試驗期間不同生物炭、氮肥處理玉米產(chǎn)量及其CO2和CH4排放強度見表1。與C0N0相比，C0N1處理2014、2015年玉米產(chǎn)量分別顯著增加222.5%和168.6%，同期C1N1處理則分別顯著增加了288.7%和185.9%(P<0.05)；試驗相同處理年際間的玉米產(chǎn)量差異也均達顯著水平。同時，與C0N0相比，C0N1處理2014、2015年春玉米生長季CO2+CH4排放強度分別顯著降低 69.60%和64.89%，同期C1N1處理則分別顯著降低 73.92%和67.71%(P<0.05)；試驗相同處理年際間的生長季CO2+CH4排放強度差異均極顯著(P<0.01)。可見，施用生物炭和氮肥總體上顯著增加了旱作農(nóng)田春玉米產(chǎn)量，顯著減少農(nóng)田CO2+CH4排放強度。

2.4旱作春玉米農(nóng)田土壤溫度、含水量及其與CO2、CH4排放量的關(guān)系

試驗不同處理2個生長季土壤含水量和溫度的動態(tài)變化如圖4所示。其中，2014和2015年生長季0～20 cm土層土壤含水量的波動范圍分別為8.82%～28.69%和10.30%～23.38%，而且不同處理間土壤含水量的變化趨勢基本一致，主要受降雨分布的影響(圖1)。同時，研究表明，土壤溫度也是影響土壤CO2和CH4通量的另一重要環(huán)境因子[13]。本試驗不同處理平均土壤溫度變化趨勢基本一致，總體上均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，5月底土壤溫度開始逐漸升高，至8月初開始緩慢降低(圖4)。

圖4　旱作春玉米農(nóng)田土壤水分及溫度的動態(tài)變化Fig. 4　Dynamic of moisture and soil temperature in dry spring maize farmland

進一步相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(圖5)，2個春玉米生長季農(nóng)田CO2排放通量與0～20 cm土層土壤含水量呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，可用指數(shù)方程和二次方程對二者關(guān)系進行擬合；CH4排放通量的動態(tài)變化也受到土壤含水量的顯著影響，隨著降雨后土壤含水量增加，農(nóng)田CH4的排放通量增加；CH4通量與土壤含水量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，指數(shù)方程和二次方程均可以較好擬合二者關(guān)系。

此外，農(nóng)田CO2排放通量與土壤溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表2)，二次方程和指數(shù)方程均可以較好擬合CO2通量與0和10 cm土壤溫度的關(guān)系，且指數(shù)方程決定系數(shù)(R2)大于二次方程；農(nóng)田CO2排放通量與10 cm土壤溫度相關(guān)性顯著高于0 cm土壤溫度(P<0.05)。同時，隨著0和10 cm土壤溫度升高，試驗農(nóng)田CH4吸收通量增加，兩者間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，用指數(shù)方程擬合的R2分別為0.211和0.293，而用二次方程擬合的R2分別為0.214和0.297，CH4排放與10 cm土壤溫度相關(guān)性也顯著高于淺層0 cm溫度。這表明土壤溫度升高，有利于土壤對CH4的吸收氧化。

圖5　春玉米生長季土壤CO2、CH4通量與其平均含水量的相關(guān)性Fig. 5　The correlation between soil CO2 and CH4 flux and soil moisture during the spring maize growing season

指標(biāo)Index土層Soillayer/cm二次方程QuadraticequationR2指數(shù)方程ExponentialequationR2CO2通量CO2flux0y=-241.83+30.65x-0.5826x20.397y=17.37e0.097x0.44810y=-93.77+15.35x-0.1679x20.469y=16.93e0.106x0.581CH4通量CH4flux0y=-12.76-1.87x+0.0063x20.214y=-22.93e0.036x0.21110y=-32.98+0.72x-0.0773x20.297y=-21.01e0.043x0.293

3討論

3.1農(nóng)田土壤溫度及水分與其CO2、CH4排放的關(guān)系

研究表明，土壤溫度、水分是影響農(nóng)田土壤CO2、CH4通量的時空變化的主要環(huán)境因子[15-17]。本研究中，0和10 cm土層土壤溫度與CO2排放通量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與CH4通量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與Li等[18]、宋秋來等[16]的研究結(jié)果一致，表明土壤溫度影響農(nóng)田土壤CO2通量的主導(dǎo)因子之一。溫度會通過影響土壤微生物菌群的數(shù)量、多樣性、活性及有機質(zhì)的分解等，影響土壤CO2、CH4產(chǎn)生、傳輸和排放；使得二者之間的關(guān)系具有一定的規(guī)律性，可用指數(shù)方程和二次方程進行擬合，但兩者在10 cm土層的相關(guān)性優(yōu)于0 cm土層。

但由于田間試驗環(huán)境的復(fù)雜性，溫度的變化經(jīng)常受水分等影響，溫度和水分對CO2、CH4排放通量的影響相互作用。目前對于土壤水分與CO2、CH4排放相關(guān)關(guān)系的研究結(jié)果不一。Mer等[19]研究認(rèn)為，干燥土壤CH4吸收量很低，土壤含水量升高會增加土壤CH4吸收。Bing等[13]研究發(fā)現(xiàn)，大約三分之一的土壤CH4吸收差異受土壤水分和溫度的影響。Wu等[15]的研究表明，隨土壤水分含量的增加，CO2、CH4的排放通量均增加。本試驗土壤含水量與CH4排放通量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與CO2排放通量呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。短期較強降雨后，使得土壤含水量迅速增加，而厭氧環(huán)境的產(chǎn)生、微生物的氧化活性減弱，土壤的通透性也降低，不利于CO2的產(chǎn)生和擴散排放；但同時卻為產(chǎn)甲烷菌提供良好的環(huán)境，從而增加CH4的產(chǎn)生和排放[20]。但試驗總體上土壤水分變化與CO2排放通量的相關(guān)性較弱。

3.2施氮與農(nóng)田土壤CO2、CH4排放的關(guān)系

增施氮肥是提高產(chǎn)量和維持土壤地力的重要管理措施，同時也會影響農(nóng)田溫室氣體的產(chǎn)生和排放。研究表明，施氮對CO2、CH4排放的影響取決于氮肥種類、施氮量和施肥技術(shù)，有促進、無影響、抑制三種作用[21-22]。Spokas等[23]的研究表明，施氮20年后CO2排放量降低了40%。Bowden 等[24]通過長期施氮模擬發(fā)現(xiàn)，施氮第1年促進土壤CO2釋放，第2年無影響，而施氮13年后與對照相比則降低了41%。本研究中，施氮不同程度降低了試驗2年春玉米生長季CO2的排放總量，且2015年作用顯著；施氮增加了生長季的CH4排放總量，這與焦燕等[25]、王旭燕等[26]研究結(jié)果一致，說明長期施化學(xué)氮肥可能會降低土壤對甲烷的氧化能力，從而抑制CH4的吸收。但總體上，施氮處理2014、2015年CO2+CH4的排放強度均顯著降低，這與施氮顯著增加玉米產(chǎn)量有關(guān)。

3.3施用生物炭與農(nóng)田土壤CO2、CH4排放的關(guān)系

生物炭施加到農(nóng)田土壤中，影響土壤的物理性狀、營養(yǎng)狀況及生物效應(yīng)，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放效應(yīng)。Luo等[27]在英國洛桑試驗站的研究結(jié)果表明，向旱地土壤中添加生物炭會使土壤CO2的排放增加，尤其在添加初期這種促進作用更明顯。Liu等[8]則發(fā)現(xiàn)輸入生物炭能明顯抑制土壤CO2的釋放；生物炭一方面可能通過降低土壤微生物的活性使排放受到抑制，另一方面可以吸附土壤中的酶和有機物，從而抑制土壤中有機碳的礦化，減少土壤CO2的排放[28]。因此，生物炭添加對土壤CO2排放效應(yīng)及機理解釋目前并不一致，這與土壤及生物炭本身特性有關(guān)。Spokas等[23]通過對比16種不同生物炭對土壤溫室氣體排放的影響，發(fā)現(xiàn)熱裂解溫度分別為400～515 ℃的玉米秸稈生物炭抑制CO2排放。本研究采用的生物炭由玉米秸稈在350～450 ℃溫度下熱裂解制成；試驗中，生物炭不同程度地降低了CO2的排放通量、排放總量及排放強度。

同時，本試驗添加生物炭農(nóng)田CH4的排放有增加趨勢。這一方面可能是試驗生物炭中一些易分解物質(zhì)能夠提供給產(chǎn)甲烷菌更多的生活底物，從而促進根系分泌物的增加，為產(chǎn)甲烷菌提供了前體，增加CH4的排放[29]。另外，添加生物炭有利于土壤溫度的升高，加速有機質(zhì)的分解來消耗更多的氧氣從而形成土壤的厭氧環(huán)境，促進了CH4的產(chǎn)生和排放[30]。Zhang等[31]研究也發(fā)現(xiàn)，向水稻田中添加40 t·hm-2小麥秸稈生物炭，可以增加土壤CH4的排放。但Karhu等[6]在芬蘭南部小麥-大豆輪作土壤中研究卻表明，添加9 t·hm-2生物炭5年后，土壤CH4的吸收量增加。Xie等[32]在稻田土壤中研究發(fā)現(xiàn)，添加12 t·hm-2玉米秸稈生物炭對CH4的排放并未產(chǎn)生顯著的影響。因此，不同土壤施加生物炭后，由于土壤在質(zhì)地、水分含量、通氣狀況、溫度、本底有機質(zhì)含量、微生物種類和數(shù)量、作物類型等方面的差異，會同時影響CO2和CH4排放變化的差異。生物炭對在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位的旱作農(nóng)田溫室氣體排放的影響究竟如何，仍需要進一步長期的田間定位監(jiān)測以及影響機制的探討，以期為生物炭科學(xué)應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

綜上所述，在本試驗期內(nèi)，不同生物炭和施氮處理春玉米農(nóng)田表現(xiàn)為CH4累積通量的匯和CO2累積通量的源，且CO2排放通量均呈現(xiàn)一定的峰值變化規(guī)律；添加生物炭與施氮減少了春玉米生長季CO2排放通量和累積排放總量，增加了CH4排放通量和累積排放總量，但總體上，顯著降低了CO2+ CH4的排放強度，且作用效果的顯著性受年際環(huán)境因子的影響；土壤CO2排放通量與土壤溫度變化呈顯著正相關(guān)，用指數(shù)方程和二次方程可較好擬合二者關(guān)系，且與10 cm土層溫度的相關(guān)性優(yōu)于0 cm土層溫度，但其卻與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)；土壤CH4排放通量與土壤含水量呈顯著正相關(guān)，與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)。

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(編輯:裴阿衛(wèi))

文章編號:1000-4025(2016)06-1216-09

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.06.1216

收稿日期:2016-03-01;修改稿收到日期:2016-05-24

基金項目:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項 (YQ2013009)；國家自然科學(xué)基金(51279197, 50809068)；楊凌示范區(qū)科技計劃項目 (2014NY-30)

作者簡介:李秀云(1990-)，女，在讀碩士研究生，主要從事農(nóng)田溫室氣體排放及碳平衡效應(yīng)方面的研究。E-mail：Liduoduo112112@163.com *通信作者:沈玉芳，博士，副研究員，主要從事旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分養(yǎng)分動態(tài)過程及其環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail：shenyufang@nwsuaf.edu.cn

中圖分類號:Q945.79

文獻標(biāo)志碼:A

Effect of Biochar and Fertilizer on CO2and CH4Emission from Spring Maize Dryland

LI Xiuyun1, ZHANG Hongpei1, SHEN Yufang1,2*, LI Shiqing2

(College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China;2 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China)

Abstract:With the aim of investigating the effects of biochar and nitrogen input on the season variation of carbon dioxide (CO2), methane (CH4) fluxes，we measured CO2 and CH4 cumulative emission, CO2+ CH4 emission intensity in dry farmland. A field experiment was performed over two years to measure CO2 and CH4 emissions by continuous observation using static chamber technique. Soil temperature and moisture were also measured at the same time. Three treatments were laid out with three replicates per experiment: C0N0 (no biochar, no N), C0N1 (no biochar, 225 kg·hm-2), C1N1 (50 t·hm-2biochar, 225 kg·hm-2). The results showed that：(1) the dry spring maize farmland was source for CO2 under three treatments during the experimental period. The rates of CO2 emission increased and peaked on the 22th June 2014 and the 1st July 2015 during the maize growing season. The rates then decreased and were maintained at a relatively low level during the fallow season. Biochar and nitrogen amendments decreased the CO2 flux and cumulative CO2 emission during the maize growing season. (2)The flux and cumulative CO2 emission were significantly lower in C1N1 treatment than that in C0N0 treatment during the two spring maize growing seasons. (3)There was significantly positive correlation between CO2 flux and soil temperature. Both exponential equation and quadratic equation could be used to simulate the relationships, of which the correlation of 10 cm temperature was better than of 0 cm temperature. The CO2 flux had negative correlation with soil moisture. (4)The CH4 flux was between -16.08-73.96 μg·m-2·h-1for all of the treatments, and was sink for CH4 . Biochar and nitrogen amendments increased the CH4 flux and cumulative CH4 emission during the maize growing season which were also affected by annual environmental factors. The CH4 emission had positive correction with soil moisture but negative with soil temperature. The addition of biochar and nitrogen could reduce CO2 and increase CH4 fluxes and cumulative emission from dry farmland. Comprehensive consideration of two aspects, a reasonable addition of nitrogen and biochar would be beneficial for controlling greenhouse gas emission from dry farmland. Briefly, biochar and nitrogen amendment significantly increased the yield of maize, while reduced CO2+CH4 emissions intensity significantly.

Key words:biochar; nitrogenous fertilizer; carbon dioxide; methane; dry farmland