李 濤，王小國(guó)，胡廷旭

（1 中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

生物炭對(duì)紫色土農(nóng)田土壤NO排放的影響①

李 濤1，2，王小國(guó)1*，胡廷旭1，2

（1 中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

為探明生物炭對(duì)紫色土農(nóng)田土壤NO排放的影響，利用靜態(tài)箱-化學(xué)發(fā)光氮氧化物分析法對(duì)夏玉米-冬小麥輪作土壤施用生物炭后的NO排放進(jìn)行了為期一年（2013年6月至2014年5月）的原位觀測(cè)，比較了生物炭與化肥混施處理（BCNPK）和常規(guī)施肥處理（NPK）的紫色土NO排放特征，無(wú)肥（CK）作為計(jì)算排放系數(shù)的對(duì)照。結(jié)果表明，玉米生長(zhǎng)季，NPK處理下的土壤NO排放速率、累積排放通量及排放系數(shù)與BCNPK處理下相應(yīng)參數(shù)之間均呈極顯著差異（P＜0.01）。施用生物炭后，NO排放速率、累積通量及排放系數(shù)分別降低了73.1%、77.4% 和85.5%，但在小麥季兩種處理之間的差異均不顯著（P＞0.05）。此外，在玉米季和小麥季，BCNPK處理單位產(chǎn)量的綜合溫室效應(yīng)（yield-scale GWP）分別比NPK處理降低了79.4% 和26.4%。因此，在同等氮肥施用量的條件下配施生物炭既能保證紫色土農(nóng)田土壤作物不減產(chǎn)又能降低NO的排放。

生物炭；紫色土；NO減排；綜合溫室氣體效應(yīng)

NO是一種化學(xué)性質(zhì)活躍的含氮大氣污染物，可直接或間接地引起大氣臭氧層的破壞、酸雨和光化學(xué)煙霧等一系列環(huán)境問(wèn)題［1-2］。有效減少或控制NO的排放對(duì)緩解全球變化、改善人類生存環(huán)境具有重要意義［1］。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于NO排放的報(bào)道還很有限［3-4］，通過(guò)何種手段可以有效降低NO排放的研究逐漸受到關(guān)注。生物炭是一種細(xì)粒度、多孔性的碳質(zhì)材料，具有比表面積大、吸附性能良好和顆粒表面帶有大量負(fù)電荷等特點(diǎn)［5］。土壤中施用生物炭能夠改善土壤物理、化學(xué)特性以及微生物環(huán)境［6-7］，從而提高養(yǎng)分利用率［8］，促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增加作物產(chǎn)量［9］。施用生物炭還能降低重金屬［10］及有機(jī)污染物的生物有效性［11-12］從而降低其毒性。因此，近年來(lái)，生物炭已被作為一種有效的土壤改良劑廣泛用于固碳、溫室氣體減排、土壤污染控制與修復(fù)等領(lǐng)域。利用生物炭減排溫室氣體的研究已有報(bào)道，但多集中施用生物炭對(duì)土壤CH4、CO2和N2O排放的影響［13-15］，對(duì)紫色土土壤NO排放的影響研究報(bào)道甚少。因此，本研究通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)，采用靜態(tài)暗箱-氣袋采樣-化學(xué)發(fā)光氮氧化物法研究施用生物炭后，川中丘陵區(qū)紫色土農(nóng)田土壤NO年內(nèi)（夏玉米-冬小麥）排放特征，試圖探明施用生物炭對(duì)土壤NO排放的影響，為該區(qū)探尋有效減少土壤NO排放的途徑提供一種思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站位于四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)（105°27′E，31°16′N(xiāo)），海拔460 m，地處嘉陵江一級(jí)支流涪江的支流——獼江、湍江的分水嶺上。屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，年均氣溫17.3℃，極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫 -5.1℃；多年平均降雨量825 mm，分布不均，春季占5.9%，夏季65.5%，秋季19.7%，冬季8.9%，無(wú)霜期294 天。農(nóng)作物一年兩熟有余，冬季普遍種植冬小麥和油菜，夏季以玉米為主。試驗(yàn)小區(qū)土壤為鈣質(zhì)紫色土，是由白堊紀(jì)和侏羅紀(jì)的紫色砂頁(yè)巖風(fēng)化物形成的初育土。0 ～ 20 cm土壤基本理化性質(zhì)為：體積質(zhì)量為1.34 g/cm3，黏粒、粉粒和砂粒含量分別為22.3%、34.6% 和43.1%，pH 8.23，有機(jī)質(zhì)及全氮、全磷、全鉀分別為8.75、0.81、0.84、18.01 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀分別為42.29、9.02、86.35 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)布置采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)常規(guī)氮磷鉀肥處理（NPK）、生物炭與氮磷鉀肥混施處理（BCNPK）和無(wú)肥對(duì)照處理（CK）等3個(gè)處理，每一處理設(shè)置3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為32 m2（4 m × 8 m）。試驗(yàn)小區(qū)均采用冬小麥-夏玉米輪作，經(jīng)人工鋤耕、施肥后立即播種?；室砸淮涡曰嗜斯な┤敫餍^(qū)耕作層土壤（20 cm），玉米季化肥采用穴施，小麥季采用撒施。試驗(yàn)期間不灌溉、不追肥，耕地管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致。

玉米和小麥的施肥播種日分別為2013年5月31日和10月27日。玉米播種當(dāng)日，先生物炭均勻撒施于BCNPK小區(qū)土壤表面，再經(jīng)犁耕將其混入耕作層土壤，而后再采用與NPK和CK處理一致的施肥及播種方式，生物炭施用量為16 t/hm2（1%）。小麥季BCNPK小區(qū)不再施加生物炭，所施化肥量與NPK處理完全一致。供試生物炭為小麥秸稈炭，由河南商丘“三利”新能源公司生產(chǎn)，其基本理化性質(zhì)為：pH 10.22，含碳量83.4%，全氮1.5%，硫含量0.3%，氫含量1.8%，氧含量13.0%，H/C比為0.26，O/C比為0.12［16］。NPK和BCNPK處理施用的總氮水平一致（生物炭的氮素計(jì)入總氮），玉米季氮肥（碳酸氫銨，純N 17%）施用量為N 150 kg/hm2，小麥季氮肥施用量N 130 kg/hm2；磷肥（過(guò)磷酸鈣，含P2O512%）、鉀肥（氯化鉀，含K2O 60%）玉米和小麥季的施用量分別為P2O590 kg/hm2和K2O 36 kg/hm2。

1.3 樣品的采集、分析和相關(guān)計(jì)算

1.3.1 樣品的采集與分析 本研究采用靜態(tài)暗箱-氣袋采樣法采集NO樣品，采用化學(xué)發(fā)光氮氧化物法分析NO濃度，通過(guò)計(jì)算獲得NO排放速率和系數(shù)。采樣箱構(gòu)造、田間布設(shè)和采樣方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)［17］。研究表明，9：00—11：00 am時(shí)間段內(nèi)的NO排放速率能代表當(dāng)日平均排放水平［17］，故NO樣品采樣時(shí)間設(shè)為9：00—11：00 am，采樣頻率為2次/周。施肥后增加采樣頻率，第一周每天采樣1次，第二周為間隔采樣，第三周恢復(fù)2次/周。NO樣品保存于遮光氣袋中（容積5 L，大連光明氣體化工技術(shù)中心，大連，中國(guó)），采集后迅速送回實(shí)驗(yàn)室，利用Thermo Scientific NO-NO2-NOx Analyzer（Model 42i，USA.EPA公司）進(jìn)行分析。

在采氣過(guò)程中，采用JM624型便攜式測(cè)溫計(jì)（JM624，天津今明儀器有限公司，天津，中國(guó)）和MP-406便攜式水分測(cè)定儀（MPM-160B，杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司）分別測(cè)定土壤溫度和土壤體積含水率，并采集適量表層土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，分析土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）、、含量。具體操作步驟為：稱取5.000 ± 0.025 g鮮土樣于離心管中，加入25 ml 0.5 mol/L K2SO4（水土比為5∶1），于震蕩器中震蕩2 h（25℃）后置于離心機(jī)（3 500 r/min，20 min）中離心，用0.45 μm濾膜過(guò)濾，濾液用AA3流動(dòng)分析儀（SEAL Auto Analyzer 3，德國(guó)）測(cè)定DOC、NH+4和NO-3濃度。

1.3.2 相關(guān)計(jì)算公式 土壤濕度用WFPS（waterfilled pore space，總孔隙含水率）表示，通過(guò)土壤體積含水率計(jì)算得到，轉(zhuǎn)換公式如下［18］：

式中：SWM為土壤體積含水率（%）；BD為土壤體積質(zhì)量（g/cm3）；PD為土壤密度，取2.65 g/cm3。

基于NO濃度隨時(shí)間的變化計(jì)算得到單位面積的氣體排放速率，具體計(jì)算公式如下［17］：

式中：F為土壤NO排放速率（mg/（m2·h））；M為氣體摩爾質(zhì)量（g/mol）；V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（溫度273 K，氣壓1 013 hPa）氣體摩爾體積（22.41×10-3m3）；T0和P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣溫（237 K）和氣壓（1 031 hPa）；P為采樣點(diǎn)的氣壓（hPa）；T為采樣時(shí)箱內(nèi)的平均氣溫（K）；dc/dt為采樣箱內(nèi)NO濃度變化速率；H為采樣箱的高度（cm）；k為量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)。

NO的累積排放量是根據(jù)作物生長(zhǎng)期內(nèi)NO的日排放量累加后得到（通過(guò)相鄰兩次排放速率的線性插值得到未觀測(cè)日的NO排放速率），計(jì)算公式如下［17］：

式中：E為NO累積排放量（kg/hm2，以N計(jì)，下同）；k為量綱換算系數(shù)；Xi為第i天NO的日排放量值（mg/（m2·d）），將排放速率（mg/（m2·h））乘以24 h即可轉(zhuǎn)換成日排放量；tΔ為相鄰兩次日排放量值的間隔天數(shù)（d）；n為觀測(cè)期內(nèi)有效日排放通量觀測(cè)值的天數(shù)（d）。

NO排放系數(shù)利用以下公式計(jì)算得到［17］：

式中：Tn為施肥后NO累積排放量（kg/hm2）；TCK為對(duì)照不施氮肥的NO累積排放量（kg/hm2）。氮肥施用量的單位為kg/hm2。

綜合溫室效應(yīng)（GWP）采用以下公式計(jì)算：

式中：GWPNO為基于NO的GWP值（kg/hm2，以CO2eq計(jì)）；E為NO累積排放量（kg/hm2）。單位產(chǎn)量的綜合溫室效應(yīng)（yield-scaled GWP）等于當(dāng)季的GWPNO除以當(dāng)季產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用Excel 2013和Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖表繪制；利用SPSS 16.0軟件進(jìn)行相關(guān)分析和方差分析，各處理間差異采用Duncan多重比較法，顯著性水平設(shè)為0.05。

圖1 試驗(yàn)期內(nèi)空氣溫度和日降雨量、5 cm土壤溫度、土壤濕度（WFPS）及土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）、無(wú)機(jī)氮）動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Dynamics of air temperature， daily precipitation， 5 cm soil temperature， soil moisture （WFPS） and the contents of soil，， DOC during the experiment period

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子的季節(jié)動(dòng)態(tài)

試驗(yàn)期內(nèi)空氣溫度和日降雨量、5 cm土壤溫度、土壤濕度（WFPS）及土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）、無(wú)機(jī)氮變化趨勢(shì)，如圖1所示。由圖1A可知，觀測(cè)期內(nèi)的年平均氣溫為16.5℃，月平均最高氣溫和最低氣溫分別為27.1℃（7月）和5.8℃（1月）；降雨總量為704.5 mm，較當(dāng)?shù)囟嗄昶骄邓繙p少約14.6%。各小區(qū)的土壤（5 cm）溫度介于2.0 ～ 29.6℃，其中玉米季內(nèi)土壤溫度平均值約為25.0℃，小麥季的平均值約為10.5℃（圖1B）。土壤孔隙充水率（WFPS）介于25.2% ～ 74.5%，玉米季的平均值約為53.8%，小麥季的平均值約為48.3%（圖1C）。

由圖1D可以看出，與對(duì)照小區(qū)（CK）相比，BCNPK和NPK小區(qū)土壤DOC含量均顯著高于CK處理（P＜0.01），但前兩者間差異不顯著（表1，P＞0.05）。這主要是因?yàn)椋篊K處理小區(qū)長(zhǎng)期不施肥，土壤貧瘠，作物生長(zhǎng)差，枯枝敗葉等有機(jī)質(zhì)輸入量長(zhǎng)期低于BCNPK和NPK等施肥處理，故其DOC含量顯著低于BCNPK和NPK處理。施肥后，土壤無(wú)機(jī)氮含量迅速增加并維持1 ～ 2周的高峰期（玉米季約1周，小麥季約2周）。隨后，由于微生物的硝化和反硝化、植物吸收以及氮淋失等作用，無(wú)機(jī)氮含量呈現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢(shì)并在當(dāng)季末期降至最低（圖1E）。玉米生長(zhǎng)季內(nèi)，常規(guī)施肥處理（NPK）下，土壤無(wú)機(jī)氮含量在施肥后第15天（2013年6月15日）達(dá)到最大值（41.51 mg/kg），而生物炭小區(qū)（BCNPK）則在施肥后的第1天（2013年6月1日）達(dá)到最大值（22.45 mg/kg）。小麥生長(zhǎng)季內(nèi)，BCNPK和NPK處理的土壤無(wú)機(jī)氮含量均在施肥后第1天（2013年10月28日）達(dá)到最大值，其無(wú)機(jī)氮含量分別為102.54 mg/kg和76.20 mg/kg。試驗(yàn)周期內(nèi)，BCNPK和NPK小區(qū)土壤的無(wú)機(jī)氮含量顯著高于CK處理（P＜0.01），但兩者間差異不顯著（表1）。

表1 不同施肥處理的DOC和無(wú)機(jī)氮-N+-N）含量Table1 DOC and inorganic nitrogen （N-N+N） contents of soils in different treatments

表1 不同施肥處理的DOC和無(wú)機(jī)氮-N+-N）含量Table1 DOC and inorganic nitrogen （N-N+N） contents of soils in different treatments

注：同列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母不同表示處理間差異達(dá)到P＜0.05顯著水平（Duncan多重比較，下同）。

DOC （mg/kg） NO3--N+NH4+-N （mg/kg）時(shí)期 處理均值±標(biāo)準(zhǔn)誤 最小值 最大值 均值±標(biāo)準(zhǔn)誤 最小值 最大值夏玉米BCNPK 50.63 ± 1.81 a 36.43 62.19 14.51 ± 0.77 a 8.63 22.45 NPK 50.40 ± 1.81 a 37.39 64.06 15.89 ± 2.28 a 5.31 41.51冬小麥CK 36.95 ± 1.53 b 17.95 46.28 9.77 ± 0.83 b 3.62 16.64 BCNPK 53.16 ± 2.33 a 19.86 86.06 32.91 ± 4.53 a 2.08 102.54 NPK 51.21 ± 2.28 a 16.86 82.56 29.84 ± 3.76 a 3.38 76.20 CK 32.14 ± 1.65 b 14.96 54.74 5.57 ± 0.42 b 1.19 12.28

2.2 NO排放的季節(jié)變化

輪作周期內(nèi)，CK處理下土壤無(wú)明顯的NO排放峰出現(xiàn)，其值介于 -4.54 ～ 7.63 mg/（m2·h），顯著低于BCNPK和NPK處理（表2）。BCNPK和NPK處理表現(xiàn)出相似的NO排放趨勢(shì)（圖2），即在施肥后20天內(nèi)呈現(xiàn)NO脈沖排放特征，20天后NO排放速率急劇下降并維持與CK對(duì)照處理相似的較低排放水平，由此說(shuō)明施用氮肥能顯著激發(fā)紫色土尤其是施肥后20天內(nèi)的NO排放。玉米季內(nèi)，BCNPK處理于施肥后第7天出現(xiàn)NO排放峰值，為26.12 mg/（m2·h）；NPK處理于施肥后第15天出現(xiàn)NO排放峰值，為82.15 mg/（m2·h）。施肥后20天內(nèi)，BCNPK、NPK和CK處理土壤NO平均排放速率分別為11.79、44.02和2.90 mg/（m2·h），三者兩兩差異極顯著（P＜0.01）；施肥20天后至玉米季結(jié)束，3種處理NO平均排放速率分別為0.22、0.68和0.53 mg/（m2·h），差異不顯著（P = 0.150 7）。小麥季內(nèi)，BCNPK和NPK處理土壤均在施肥后第6天出現(xiàn)NO排放峰值，分別為108.76和115.10 mg/（m2·h）；施肥后20天內(nèi)，3種處理土壤NO平均排放速率分別為54.16、54.69和0.21 mg/（m2·h），差異極顯著（P＜0.01）。施肥20天后至玉米季結(jié)束期間3種處理NO平均排放速率分別為 -0.41、0.140和 -0.25 mg/（m2·h），差異不顯著（P = 0.562 4）。整個(gè)輪作周期內(nèi)，BCNPK和NPK處理的NO平均排放速率分別是CK的20.1倍和30.9倍。兩種施肥處理相比，BCNPK處理土壤玉米季的NO平均排放速率較NPK處理低73.1%（P＜0.05），其整個(gè)輪作周期的NO平均排放速率較NPK處理低34.9% （P = 0.929 6），說(shuō)明紫色土施用生物炭能明顯降低土壤NO的排放。

表2 不同施肥處理的產(chǎn)量及土壤NO排放速率、范圍、累積通量、綜合溫室效應(yīng)值和單位產(chǎn)量的綜合溫室效應(yīng)Table2 Crop yield， the flux， range， amount and GWP of soil NO emission and yield-scaled GWP of NO emission in different fertilization treatments

圖2 各施肥方式的NO排放速率的季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal variation of NO emission rate in different treatments

2.3 不同施肥處理作物產(chǎn)量、NO累積排放通量和排放系數(shù)

與對(duì)照（CK）小區(qū)相比，BCNPK小區(qū)玉米季和小麥季的生物量分別增加70.7% 和103.5%，NPK小區(qū)則分別增加62.3% 和108.9%；相應(yīng)地，BCNPK玉米季和小麥季的產(chǎn)量分別增加71.7% 和157.9%，NPK則分別增加61.0% 和127.2%。說(shuō)明施肥能有效促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，增加作物的生物量和產(chǎn)量。但是，常規(guī)施肥處理和生物炭添加處理間的生物量和作物產(chǎn)量均差異不顯著（表2）。

BCNPK、NPK和CK處理夏秋季（玉米季）土壤NO累積排放量占全年NO排放量的90.5%、93.7% 和70.0%（圖3），說(shuō)明水熱條件較好的夏秋季是紫色土夏玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)NO排放的主要時(shí)期。冬春季（小麥季）NO累積排放量所占比例很少，冬季甚至?xí)霈F(xiàn)NO吸收現(xiàn)象，BCNPK、NPK和CK分別吸收-0.023、-0.040和 -0.007 kg/hm2的NO。不管是玉米季還是小麥季，不同施肥處理下土壤NO累積排放通量差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），而整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)的NO累積通量差異達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。玉米季內(nèi)，BCNPK和NPK的NO累積排放量分別是CK的2.4和9.5倍，小麥季的則是36.0和40.5倍，NO全年累積量則分別是CK的15.3和27.7倍。說(shuō)明施肥能顯著增加紫色土土壤NO的排放量。與NPK相比，玉米季和小麥季BCNPK的NO累積排放量分別降低77.4%（P＜0.01）和11.1%（P = 0.585 6），NO排放系數(shù)降低85.5% 和10.8%，全年累積排放量降低44.6%（P＜0.01）。不同施肥方式對(duì)100年時(shí)間尺度的NO綜合溫室效應(yīng)（GWPNO）的影響與對(duì)NO累計(jì)排放通量的影響相同。由此說(shuō)明施用生物炭能降低紫色土尤其是水熱條件較好的玉米季內(nèi)的土壤NO的排放。

圖3 NO累積排放通量（kg/hm2）的季節(jié)分配Fig. 3 Seasonal variation of NO cumulative emission flux（kg/hm2） in different treatments

3 討論

3.1 生物炭對(duì)單位產(chǎn)量的綜合溫室效應(yīng)的影響

增加作物產(chǎn)量一直是農(nóng)業(yè)中施用氮肥的最終目的，然而，氮肥的大量使用必然增加N2O或NO等氮氧化物的排放風(fēng)險(xiǎn)，因此綜合作物產(chǎn)量評(píng)價(jià)施肥對(duì)氮氧化物排放的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。Linquis等［19］認(rèn)為，單位產(chǎn)量的綜合溫室效應(yīng)（yield-scaled GWP）能在綜合考慮環(huán)境和生產(chǎn)效益的情況下較好地反映二者的綜合效應(yīng)。既能保證作物無(wú)明顯減產(chǎn)又能減少yield-scaled GWP值的施肥措施是最合理的施肥方式。本研究中，施肥方式對(duì)作物產(chǎn)量、NO排放量、GWP及yield-scaled GWP值均具有顯著影響。與CK對(duì)照相比，施肥能顯著增加作物產(chǎn)量、NO排放量、GWP及yield-scaled GWP值（表2）。而在等量氮肥施用的情況下，玉米季BCNPK處理的作物產(chǎn)量比NPK增加6.7%，NO累計(jì)排放通量、GWP和yield-scale GWP則分別降低77.4%、77.4% 和79.4%；小麥季也表現(xiàn)出相同趨勢(shì)，其中作物產(chǎn)量增加13.5%，NO累計(jì)排放通量、GWP和yield-scale GWP分別降低11.1%、11.1% 和26.4%。因此，在同等氮肥施用量時(shí)，施用生物炭不僅能保證作物不減產(chǎn)，還能降低單位產(chǎn)量的NO排放量，取得良好的環(huán)境效應(yīng)。但是，本研究在計(jì)算GWP或yield-scaled GWP時(shí)，沒(méi)有綜合計(jì)算CO2、CH4和N2O 3種溫室氣體的綜合溫室效應(yīng)，不能全面評(píng)價(jià)生物炭對(duì)紫色土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體綜合GWP的影響，還有待進(jìn)一步研究。

3.2 生物炭減排NO的影響因素

堿性旱地土壤中NO的排放主要來(lái)自硝化作用［20-22］。硝化作用主要是指銨態(tài)氮在好氧條件下通過(guò)生物氧化生成亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮的過(guò)程，其主要影響因素包括pH、溫度、水分、氧氣、無(wú)機(jī)氮化合物含量等［23］；本研究中，NO排放速率與土壤溫度和DOC無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，而與土壤濕度（r = 0.204， n = 165， P＜0.01）和無(wú)機(jī)氮含量（r = 0.486， n = 165， P＜0.01）呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明紫色土NO排放受土壤濕度和無(wú)機(jī)氮含量共同控制。無(wú)機(jī)氮是硝化反硝化微生物產(chǎn)生NO的作用底物，而土壤濕度可通過(guò)影響土壤的通氣性、氧化還原電位、土壤有效氮含量及其微生物可利用性來(lái)影響土壤NO的排放［1］。由圖2可見(jiàn)，試驗(yàn)期內(nèi)尤其是在施肥后的20天內(nèi)降雨造成的土壤濕度的干濕交替均會(huì)激發(fā)NO的排放（如玉米季的6月7日和6月15日，小麥季的11月3日和11月7日），相應(yīng)地，此階段土壤無(wú)機(jī)氮含量較高，不是NO排放的限制條件。然而，施肥20天后，盡管土壤濕度也有劇烈變化（如玉米季的7月28日、8月1日和8月8日等以及小麥季的4月18日），但并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的NO激發(fā)效應(yīng)，這是因?yàn)樵摃r(shí)期土壤無(wú)機(jī)氮含量顯著降低（圖1E），供硝化微生物活動(dòng)產(chǎn)生NO的底物（無(wú)機(jī)氮）顯著減少。因此，土壤濕度和無(wú)機(jī)氮含量共同作用影響紫色土農(nóng)田土壤NO的排放。

房彬等［7］、何飛飛等［24］的研究表明，添加生物炭對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量和N2O具有顯著影響。本研究中，NPK處理和BCNPK處理的土壤無(wú)機(jī)氮含量差異不顯著，這與以往的研究結(jié)果不同。這是因?yàn)樯锾勘旧砭褪且环N碳氮源，而本研究中進(jìn)行等氮量施肥處理，BCNPK處理所施氮肥必然較NPK處理少，所以BCNPK處理土壤無(wú)機(jī)氮含量較NPK低。此外，在玉米播種之前將生物炭按16 t/hm2（1%）添加到生物炭小區(qū)，而小麥播種之前則沒(méi)有新的生物炭添加，因此本研究所添加的生物炭比例明顯小于其他研究［7，24］中的添加比例。

與NPK處理相比，BCNPK處理在玉米季和整個(gè)作物周期內(nèi)的NO累計(jì)排放通量分別降低77.4% 和44.6%，表現(xiàn)出明顯的NO減排效果，然而影響紫色土農(nóng)田土壤NO排放的關(guān)鍵環(huán)境因子（土壤濕度和無(wú)機(jī)氮含量）在BCNPK和NPK間均無(wú)顯著差異。因此，本研究認(rèn)為：添加1% 的生物碳后尤其是玉米季內(nèi)所表現(xiàn)出來(lái)的NO減排效果主要是通過(guò)生物炭自身高吸附性、多孔性、高比面積等結(jié)構(gòu)特性及其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善實(shí)現(xiàn)NO減排的，而非通過(guò)直接改變土壤濕度和無(wú)機(jī)氮含量來(lái)實(shí)現(xiàn)。一方面，生物炭具有較高的CEC，能夠有效吸附土壤溶液中NH4+和NO3-［5，25-27］，并短期固定和滯留土壤中的無(wú)機(jī)氮［28-30］，使無(wú)機(jī)氮濃度和硝化作用強(qiáng)度降低。另一方面，土壤中施用的生物炭易與土壤礦物質(zhì)結(jié)合形成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體［28］，使N的生物有效性降低，難以被硝化微生物利用；同時(shí)，生物炭的多孔性及比表面積高等特征使生物炭具有很強(qiáng)的吸附能力［31］，可以吸附溫室氣體，減少溫室氣體向土表的擴(kuò)散和逸出。本研究中，玉米播種前將生物炭施入土壤后，BCNPK小區(qū)耕作層的土壤體積質(zhì)量降低，土壤持水性能增加［16］，對(duì)干濕交替的響應(yīng)不如NPK小區(qū)土壤敏感，因而降雨激發(fā)的NO排放量低于NPK小區(qū)。因此，BCNPK處理在玉米季中表現(xiàn)出顯著的NO減排效果。同時(shí)生物炭的NO減排效果隨施用時(shí)間的延長(zhǎng)而減弱，生物炭的吸附位點(diǎn)在玉米季末期時(shí)明顯減少，而小麥季沒(méi)有新的生物炭施入，因此BCNPK處理在小麥季并未表現(xiàn)出顯著的NO減排效果。

4 結(jié)論

1） 試驗(yàn)期內(nèi)，NO排放速率與土壤溫度和DOC含量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，與土壤濕度和無(wú)機(jī)氮含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），土壤濕度（WFPS）和無(wú)機(jī)氮含量是影響紫色土農(nóng)田土壤NO排放的主要環(huán)境因子，引起其劇烈變化的措施或環(huán)境因子的改變?nèi)鏝肥的施用或降雨造成的干濕交替都能顯著激發(fā)NO的排放。

2） 與NPK處理相比，玉米季內(nèi)BCNPK處理的作物產(chǎn)量增加6.7%，NO累計(jì)排放通量、GWP和yield-scale GWP則分別降低77.4%、77.4% 和79.4%；小麥季的作物產(chǎn)量增加13.5%，NO累計(jì)排放通量、GWP和yield-scale GWP分別降低11.1%、11.1% 和26.4%。由此說(shuō)明在同等氮肥施用量的條件下，添加生物炭不僅能保證作物不減產(chǎn)，也能降低單位產(chǎn)量的NO排放量，減少氮肥以NO-N形態(tài)損失的比例，取得良好的環(huán)境效應(yīng)。

［1］ 蔡延江， 丁維新， 項(xiàng)劍. 農(nóng)田土壤N2O和NO排放的影響因素及其作用機(jī)制［J］. 土壤， 2012， 44（6）： 881-887

［2］ 徐文彬. NOX大氣化學(xué)概論及全球NOX釋放源綜述［J］.地質(zhì)地球化學(xué)， 1999， 27（3）： 86-93

［3］ Yu Y， Wang X， Zhu B. NO emission and effect factors in rice-wheat rotation system in Chengdu Plain of Sichuan Basin ［J］. Acta Ecologica Sinica， 2015， 35（9）： 1-8

［4］ Meng S， Liu C， Zheng X， et al. Effects of the applied amount of wheat straw on methane， carbon dioxide， nitrous oxide， and nitric oxide fluxes of a bare soil in south Shanxi［J］. Climatic and Environmental Research， 2012，17（4）： 504-514

［5］ Liang B， Lehmann J， Solomon D， et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soils［J］. Soil Science Society of America Journal， 2006， 70（5）： 1 719-1 730

［6］ Bruun S， Clauson-Kaas S， Bobulska L， et al. Carbon dioxide emissions from biochar in soil： Role of clay，microorganisms and carbonates［J］. European Journal of Soil Science， 2014， 65（1）： 52-59

［7］ 房彬， 李心清， 趙斌， 等. 生物炭對(duì)旱作農(nóng)田土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2014， 23（8）：1 292-1 297

［8］ 高德才， 張蕾， 劉強(qiáng)， 等. 旱地土壤施用生物炭減少土壤氮損失及提高氮素利用率［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2014，30（6）： 54-61

［9］ Wang J， Pan X， Liu Y， et al. Effects of biochar amendment in two soils on greenhouse gas emissions and crop production ［J］. Plant and Soil， 2012， 360（1/2）： 287-298

［10］ Liu Z， Zhang F S. Removal of lead from water using biochars prepared from hydrothermal liquefaction of biomass［J］. Journal of Hazarsous Materias， 2009，167（1/2/3）： 933-939

［11］ 李洋， 宋洋， 王芳， 等. 小麥秸稈生物炭對(duì)高氯代苯的吸附過(guò)程與機(jī)制研究［J］. 土壤學(xué)報(bào)， 2015， 52（5）： 1 096-1 105

［12］ Beesley L， Moreno-Jiménez E， Gomez-Eyles J L. Effects of biochar and greenwaste compost amendments on mobility，bioavailability and toxicity of inorganic and organic contaminants in a multi-element polluted soil［J］. Environmental Pollution， 2010， 158（6）： 2 282-2 287

［13］ 王軍， 施雨， 李子媛， 等. 生物炭對(duì)退化蔬菜地土壤及其修復(fù)過(guò)程中N2O產(chǎn)排的影響？ ［J］. 土壤學(xué)報(bào)， 2016，53（3）： 1-12

［14］ Sun L， Li L， Chen Z， et al. Combined effects of nitrogen deposition and biochar application on emissions of N2O，CO2and NH3from agricultural and forest soils［J］. Soil Science and Plant Nutrition， 2014， 60（2）： 254-265

［15］ Singla A， Inubushi K. Effect of biochar on CH4and N2O emission from soils vegetated with paddy［J］. Paddy and Water Environment， 2014， 12（1）： 239-243

［16］ 王紅蘭， 唐翔宇， 張維， 等. 施用生物炭對(duì)紫色土坡耕地耕層土壤水力學(xué)性質(zhì)的影響［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2015，31（4）： 107-112

［17］ 胡廷旭， 劉韻， 柯韻， 等. 紫色土夏玉米-冬小麥輪作農(nóng)田的NO排放特征［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 34（7）：1 407-1 413

［18］ 花可可. 紫色土坡耕地土壤固碳機(jī)制研究［D］. 成都： 中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 2013

［19］ Linquist B， Groenigen K J， Adviento-Borbe M A， et al. An agronomic assessment of greenhouse gas emissions from major cereal crops［J］. Global Change Biology Bioenergy，2012， 18（1）： 194-209

［20］ Zheng X， Wang M， Wang Y. Mitigation options for methane， nitrous oxide and nitric oxide emissions from agricultural ecosystems［J］. Advances in Atmospheric Sciences， 2000， 17（1）： 83-92

［21］ Zheng X H， Huang Y， Wang Y S， et al. Effects of soil temperature on nitric oxide emission from a typical Chinese rice-wheat rotation during the non-waterlogged period［J］. Global Change Biology， 2003， 9（4）： 601-611

［22］ Remde A， Conrad R. Role of nitrification and denitrification for NO metabolism in soil［J］. Biogeochemistry， 1991， 12（3）：189-205

［23］ Godde M， Conrad R. Influence of soil properties on the turnover of nitric oxide and nitrous oxide by nitrification and denitrification at constant temperature and moisture［J］. Biology and Fertility of Soils， 2000， 32（2）： 120-128

［24］ 何飛飛， 榮湘民， 梁運(yùn)姍， 等. 生物炭對(duì)紅壤菜田土理化性質(zhì)和N2O、CO2排放的影響［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013， 32（09）： 1 893-1 900

［25］ Zwieten V L， Kimber S， Morris S. Influence of biochars on flux of N2O and CO2from ferrosol［J］. Australian Journal of Soil Research， 2010， 48（7）： 555-568

［26］ Mei B， Zheng X， Xie B， et al. Nitric oxide emissions from conventional vegetable fields in southeastern China［J］. Atmospheric Environment， 2009， 43（17）： 2 762-2 769

［27］ 邵玲玲， 鄒平， 楊生茂， 等. 不同土壤改良措施對(duì)冷浸田溫室氣體排放的影響［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2014，33（6）： 1 240-1 246

［28］ 李德軍. 珠江三角洲森林和蔬菜地土壤一氧化氮排放［D］. 廣州： 廣州地球化學(xué)研究所， 2007

［29］ Singh B P， Hatton B J， Singh B， et al. Influence of biochars on nitrous oxide emission and nitrogen leaching from two contrasting soils［J］. Journal of Environmental Quality，2010， 39（4）： 1 224-1 235

［30］ 劉嬌， 高健， 趙英. 玉米秸稈及其黑炭添加對(duì)黃綿土氮素轉(zhuǎn)化的影響［J］. 土壤學(xué)報(bào)， 2014， 51（6）： 1 361-1 368

［31］ Antal M， Gr?nli M. The art， science and technology of charcoal production［J］. Industrial and Engineering Chemistry， 2003， 42（8）： 1 619-1 640

Impact of Biochar on NO Emission from Cropland of Purple Soil

LI Tao1，2， WANG Xiaoguo1*， HU Tingxu1，2
（1 Institute of Maintain Hazards and Environment， Chinese Academy of Sciences， Chengdu 610041， China；2 College of Resources and Environment， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

In this study， one year monitoring of NO emissions from purple soil farmlands planted with maize （in the summer） and wheat （in the winter） in rotation was carried out in the field after biochar application in Yanting Agro-Ecological Experimental Station （Chinese Academy of Sciences）. The static chamber-gas chromatographic techniques and chemiluminescence NO analyzer were used in the study. Three treatments namely conventional fertilization （NPK）， biochar application in combination with fertilizer （BCNPK） and control treatment （CK） without fertilizer and biochar， were applied by randomized design with three replications. Comparisons of NO emission from purple soil farmlands were made between NPK and BCNPK. In addition， CK was used to calculate NO emission coefficient. It was found that NO emission rate was not significantly correlated with soil temperature and soil dissolved organic carbon content， whereas there was a significantly positive correlation between soil moisture （r = 0.204， n = 165， P＜0.01） and inorganic nitrogen content （r = 0.486， n = 165， P＜0.01）. Consequently， soil moisture and inorganic nitrogen content act as the main influential factors for NO emission from purple soil farmland. N fertilizer application or severe soil moisture alternating caused by rainfall could significantly excite NO emissions. The average NO emission rate throughout the trial period in BCNPK and NPK treatments was 20.1 times and 30.9 times higher than that in CK. During the maize season， the significant differences of NO emission rate， cumulative emissions and emission coefficient were observed between NPK and BCNPK （P＜0.01）. NO emission rate， cumulative emissions and emission coefficient in maize season were decreased by 73.1%， 77.4% and 85.5%， respectively， for BCNPK as compared with NPK. However， the aforementioned three parameters in wheat season showed no significant differences between the two treatments. Moreover， crop yield of BCNPK during the maize and wheat seasons increased by 6.7% and 13.5%， respectively， in comparison with that of NPK. Yield-scaled global warming potential （yield-scale GWP）， a comprehensive indicator for the environmental and yield efficiency evaluation， of BCNPK exhibited the decreases of 79.4% and 26.4%， respectively， as compared with that of NPK for both maize and wheat seasons. That is to say， under the same level of nitrogen fertilization， biochar application could not only guarantee the crop production in purple soil farmland not to reduce， but also cut down NO emission. Therefore， biochar application in the purple soil farmland is a promising practice for NO emission reduction.

Biochar； Purple soil； NO reduction； Comprehensive greenhouse gas effect

X5

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.007

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41371302）資助。

*通訊作者（xgwang@imde.ac.cn）

李濤（1990—），男，四川仁壽人，碩士研究生，主要從事土壤碳氮循環(huán)研究。E-mail： 1106700504@qq.com