馮瑞興，何 胥，施潔君，金梅娟，沈明星，王海候*

(1.太倉市農(nóng)業(yè)委員會，江蘇 太倉 215400；2.江蘇省安豐生物源農(nóng)藥工程中心有限公司，江蘇 太倉 215400；3.江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所 /農(nóng)業(yè)部蘇州水稻土生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站，江蘇 蘇州 215155)

炭基有機肥對小麥產(chǎn)量及麥季農(nóng)田溫室氣體排放的影響

馮瑞興1，何 胥2，施潔君1，金梅娟3，沈明星3，王海候3*

(1.太倉市農(nóng)業(yè)委員會，江蘇 太倉 215400；2.江蘇省安豐生物源農(nóng)藥工程中心有限公司，江蘇 太倉 215400；3.江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所 /農(nóng)業(yè)部蘇州水稻土生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站，江蘇 蘇州 215155)

馮瑞興,何胥,施潔君,金梅娟,沈明星,王海候.炭基有機肥對小麥產(chǎn)量及麥季農(nóng)田溫室氣體排放的影響[J/OL].大麥與谷類科學(xué), 2017,34(3):6-11[2017-04-20].http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1769.s.20170420.1736.001.html

為減少生物質(zhì)炭在農(nóng)田應(yīng)用的農(nóng)事操作工序，探討生物質(zhì)炭與畜禽糞便混合堆肥產(chǎn)品——炭基有機肥對小麥產(chǎn)量及麥季農(nóng)田溫室氣體排放的影響，試驗以施用炭基有機肥為處理，以施用商品有機肥與不施有機肥為對照，共計 3 個處理，探討了炭基有機肥對小麥產(chǎn)量、甲烷（CH4）與氧化亞氮（N2O）排放通量及單位產(chǎn)量的全球增溫潛勢（GWP）的影響。結(jié)果表明：炭基有機肥有促進小麥產(chǎn)量提高的趨勢，但與商品有機肥、不施有機肥相對而言，產(chǎn)量差異未達顯著水平；炭基有機肥處理的小麥千粒質(zhì)量顯著大于商品有機肥及不施有機肥處理；增施有機肥處理的麥田土壤甲烷排放總量低于不施有機肥處理，而氧化亞氮的排放總量則高于不施有機肥處理；與商品有機肥相比，施用炭基有機肥處理的全球增溫潛勢降低了 36.48%、單位產(chǎn)量的 GWP 下降了37.3%，但不同處理之間差異均未達顯著水平。

炭基有機肥；小麥；產(chǎn)量；溫室氣體

近年來，我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展取得了顯著成績，但農(nóng)業(yè)保障農(nóng)民收入、糧食安全、生態(tài)環(huán)境的壓力日益增大，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、保護生態(tài)環(huán)境、合理利用資源、發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)勢在必行且意義重大[1]。為此，農(nóng)林秸稈廢棄物的資源化利用作為生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要著力點，一直是各級政府關(guān)注的重點[2-3]。目前，農(nóng)業(yè)廢棄物的生物質(zhì)炭轉(zhuǎn)化及其農(nóng)田應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)固炭減排的重要技術(shù)途徑[4-7]，在生物質(zhì)炭的農(nóng)田應(yīng)用技術(shù)上，國內(nèi)外已經(jīng)探索了生物質(zhì)炭的條施、穴施、表土層摻混等多種具體的還田方式[8-10]，但由于生物質(zhì)炭呈粉沫狀且質(zhì)量輕，在運輸和使用過程中極易導(dǎo)致產(chǎn)品損耗，并且生物質(zhì)炭與肥料單獨施用，農(nóng)事操作工序尚不便捷、高效。

炭基有機肥是以生物質(zhì)炭為堆肥輔料，將秸稈廢棄生物質(zhì)由傳統(tǒng)的堆漚還田、過腹還田、機械粉碎還田轉(zhuǎn)變?yōu)樘炕€田，并與養(yǎng)殖業(yè)廢棄物制成炭基有機肥，在不額外增加勞動力等經(jīng)濟投入的基礎(chǔ)上，完成生物質(zhì)炭還田應(yīng)用的農(nóng)事生產(chǎn)工序。由于炭基有機肥區(qū)別于生物質(zhì)炭，其物理化學(xué)特性及應(yīng)用功能尚不明確，且在國內(nèi)外尚無報道。另外，已有研究表明，施用生物質(zhì)炭可以有效減少農(nóng)田土壤的溫室氣體排放[11]，但炭基有機肥是否仍具有固碳減排的效果，尚不明確。為此，本研究遵循低碳經(jīng)濟理念，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大田為供試對象，設(shè)計 3 種肥料處理，研究炭基有機肥對小麥產(chǎn)量、麥田溫室氣體排放的影響，以期為炭基有機肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于 2013 年 11 月—2014 年 5 月，在太倉市東林農(nóng)場進行，土壤為沙壤土，肥力中等偏下，前茬水稻品種為南粳 46，小麥品種為揚麥 25 號，11 月 3日進行條直播，行距為 15 cm，播種量為 225 kg/hm2。炭基有機肥是筆者所在項目組自主研發(fā)，水分含量為 45%，有機質(zhì)含量為 58.8%，全 N 含量為 1.76%，P2O5含量為 2.13%，K2O 含量為 2.28%；生物質(zhì)炭購于河南商丘三利新能源有限公司；商品有機肥由江蘇太倉綠豐有機肥料有限公司提供，水分含量為46%，有機質(zhì)含量為 48.3%，全 N 含量為 1.81%，P2O5含量為 1.93%，K2O 含量為 1.79%。

1.2 試驗設(shè)計

為便于農(nóng)事操作，采用野外田間大區(qū)試驗法，大區(qū)面積為 890 m2。試驗設(shè)計 3 個不同的肥料處理：施用炭基有機肥、施用商品有機肥、不施有機肥。前茬水稻生產(chǎn)與當(dāng)季小麥生產(chǎn)的有機肥料施用量均為 37.5 t/hm2；3 個處理施用的化學(xué)肥料量均相同，化學(xué) 肥 料 施用量 ：N 為 240 kg/hm2、P2O5為 75kg/hm2、K2O 為 75 kg/hm2。有機肥在土壤旋耕前，均勻撒施，再進行常規(guī)的旱旋，其余的病蟲草害防治措施均與常規(guī)生產(chǎn)方法相同。田間測定與取樣時，在大區(qū)的前、中、后區(qū)域進行 3 次重復(fù)操作。

1.3 取樣方法及測定項目

1.3.1 成熟期調(diào)查每小區(qū)的穗數(shù)，測定干物質(zhì)積累、產(chǎn)量及其構(gòu)成。

1.3.2 溫室氣體采集與分析：于 2013 年 11 月—2014 年 5 月，每周測定 1 次，溫室氣體采集采用靜態(tài)箱法，采樣箱由 PVC 材質(zhì)制成，箱體外部包有海綿和鋁箔紙；箱底橫截面為：0.5 m（長）×0.5 m（寬），箱高 0.6 m；采樣箱內(nèi)頂部裝有 12 V 小風(fēng)扇以充分混勻箱內(nèi)氣體，箱體中部安裝抽氣孔，采樣箱頂部開有直徑為 2.5 cm 的測溫孔，溫度計固定在橡皮塞中，再安裝在測溫孔上；在采氣之前，每個大區(qū)先固定采樣底座 3 個，底座上部有 5 cm 深的凹槽，測定時在槽內(nèi)注滿水，當(dāng)箱體安放在底座上時可以起到密封作用；在箱體放入槽內(nèi)第 0、10、20、30 min 的時間點，用 50 mL 針筒抽取箱內(nèi)氣體，迅速保存于氣樣袋，同時記錄箱內(nèi)的溫度。實驗室分析測定甲烷（CH4） 和氯化亞氫 （N2O） 氣體濃度，均由 Agilent 7890A 氣相色譜測定，CH4檢測器為 FID，檢測溫度300 ℃，柱溫 60 ℃，載氣為 99.999%高純氮氣，流速30 mL/min；N2O 檢測器為 ECD，檢測溫度 300 ℃，柱溫 60 ℃，載氣為 99.999%高純氬甲烷氣（95%氬氣+5%甲烷），流速 40 mL/min。氣體排放通量計算公式如下：F=ρ×h×(dc/dt）×273/(273+T），式中 F 為排放通量[mg/（m2·h）]；h 是采樣箱高度（m）；ρ 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度；dc/dt為單位時間內(nèi)氣體的濃度變化率；T為采樣箱內(nèi)的平均溫度（℃）。

1.3.3 全球增溫潛勢（GWP）的計算。以 CO2作為參考?xì)怏w，CH4、N2O 的排放量通過 GWP 值轉(zhuǎn)換成 CO2的等效量。在 100 年時間尺度上，單位質(zhì)量 CH4和 N2O 的 GWP 值分別為 CO2的 25 和 298 倍，計算如下：GWP=25×CO2量（CH4）+298×CO2量（N2O），單位為 kg/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試 驗數(shù) 據(jù) 采用 Microsoft excel 2010 整 理 與 畫圖，應(yīng)用 SPSS22.0 進行統(tǒng)計分析。差異顯著性水平為 α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭基有機肥對小麥產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成的影響2.1.1 對小麥產(chǎn)量的影響。由圖 1 可知，在化學(xué)肥料相同施用量條件下，與不施有機肥處理相比，增施有機肥料處理有促進小麥增產(chǎn)的趨勢，其中：炭基有機肥處理的小麥增產(chǎn)率為 8.72%；商品有機肥處理的小麥增產(chǎn)率為 7.04%；炭基有機肥處理的小麥增產(chǎn)率略大于商品有機肥處理。但統(tǒng)計分析結(jié)果表明，不同處理之間小麥產(chǎn)量差異未達顯著水平。

圖1 炭基有機肥對小麥產(chǎn)量的影響

2.1.2 對小麥產(chǎn)量構(gòu)成的影響。不同肥料處理的小麥產(chǎn)量構(gòu)成測定結(jié)果見表1，與不施有機肥處理相比，施用有機肥（炭基、商品）顯著提高了小麥的干物質(zhì)累積量、千粒質(zhì)量（P ＜ 0.05），但不同處理的穗數(shù)與每穗飽粒數(shù)無顯著差異性。與商品有機肥相比，炭基有機肥處理的小麥干物質(zhì)累積量、穗數(shù)、千粒質(zhì)量分別比商品有機肥處理增加了 1.27%、0.92%、2.89%，而每穗飽粒數(shù)減少了 2.48%，但除千粒質(zhì)量外，炭基有機肥與商品有機肥處理之間均未達顯著差異性?？梢?，炭基有機肥處理的小麥產(chǎn)量略高于商品有機肥處理，與其千粒質(zhì)量較大有關(guān)。

表1 炭基有機肥對小麥產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.2 炭基有機肥對麥季農(nóng)田甲烷及氧化亞氮排放的影響

2.2.1 對甲烷及氧化亞氮排放的影響。由圖 2 可知，不同處理小麥生長期間甲烷排放通量均呈現(xiàn)季節(jié)性變化。施用炭基有機肥處理在初期有一個排放高峰，達 0.25 mg/(m2·h)，其余時間比較平緩，無明顯的排放高峰；商品有機肥在中期有一個排放峰值，為 0.04 mg/(m2·h)；不施有機肥處理在播后 64 d 有一個排放峰值，為 0.37 mg/(m2·h)。在排放峰值后，各處理的甲烷排放通量均無明顯的波動，排放量比較小且維持較低水平直至小麥?zhǔn)斋@。

小麥生長季氧化亞氮排放通量測定結(jié)果如圖2所示，不同處理之間氧化亞氮排放的變化趨勢基本相近。播種以后，施用有機肥處理的氧化亞氮排放通量大于不施有機肥處理的，但有機肥處理之間的氧化亞氮排放通量的差異較小，之后不施有機肥處理的氧化亞氮排放通量大于施用有機肥處理，后期不同處理間，施用有機肥處理大于不施有機肥處理。

2.2.2 對不同生育階段甲烷、氧化亞氮累積排放量的影響。為比較不同處理之間的甲烷和氧化亞氮排放差異，將小麥生育階段分為播種期至 3 葉苗期、3葉苗期至越冬期、越冬期至拔節(jié)期、拔節(jié)期至抽穗期、抽穗期至成熟期 5 個階段。圖 3 結(jié)果表明，炭基有機肥處理在全生育過程中，播種至 3 葉苗期、3 葉苗期至越冬期的甲烷排放量大于后期；商品有機肥處理的甲烷排放量在各個時間段均較?。徊皇┯袡C肥處理在 3葉苗期至越冬期、越冬期至拔節(jié)期排放量較大，尤其在越冬至拔節(jié)期存在集中排放，之后排放量較小。與商品有機肥處理相比，施用炭基有機肥提高了播種至 3葉苗期、3葉苗期的甲烷排放量，之后炭基有機肥處理的甲烷排放量均低于商品有機肥處理。不施有機肥處理的甲烷排放量在3葉苗期至越冬期、越冬期至拔節(jié)期均明顯大于施用有機肥處理。不同生育階段與不同處理的甲烷排放通量出現(xiàn)負(fù)值，可能是農(nóng)田土壤的自身 CH4排放量小于大氣擴散進入土壤的 CH4的量。

圖2 炭基有機肥對小麥季農(nóng)田甲烷與氧化亞氮排放通量的的影響

另一方面，據(jù)圖 3 可知，炭基有機肥處理的氧化亞氮排放量隨著生育進程，呈先下降后上升的變化趨勢，在播種至 3 葉苗期的排放量最大，在越冬期至拔節(jié)期排放量最?。簧唐酚袡C肥處理的氧化亞氮排放量與炭基有機肥處理表現(xiàn)出相同的變化趨勢；不施有機肥處理的氧化亞氮排放量呈先上升后

下降的變化趨勢，越冬期至拔節(jié)期排放量最大。

2.2.3 對全球增溫潛勢（GWP）的影響。由表 2 可知，各處理麥季排放的甲烷所產(chǎn)生的GWP以不施有機肥處理最高，氧化亞氮所產(chǎn)生的 GWP 以商品有機肥處理最高，但差異均未達顯著水平。不同處理下，麥季甲烷的排放通量為 CO29.20～24.04 kg/hm2，而氧化亞氮的排放通量為 CO22 562.18～5 002.78 kg/hm2，麥季氧化亞氮對總增溫潛勢的貢獻明顯高于甲烷，氧化亞氮是麥季固炭減排的主要對象。在化學(xué)肥料相同施用量條件下，增施有機肥會提高麥田的綜合溫室效應(yīng)，但施用炭基有機肥與商品有機肥相比，全球增溫潛勢降低了 36.48%。以“單位產(chǎn)量的GWP”這一指標(biāo)來評價不同處理對農(nóng)田甲烷和氧化亞氮排放的綜合影響，從表 2 可以看出，施用有機肥處理的“單位產(chǎn)量的 GWP”均高于不施有機肥處理，炭基有機肥處理“單位產(chǎn)量的 GWP”與商品有機肥處理相比，減少了 37.3%，但無顯著性差異。

3 結(jié)論與討論

試驗結(jié)果表明，在化學(xué)肥料相同施用量條件下，增施有機肥料處理的小麥產(chǎn)量較不施有機肥處理呈現(xiàn)小幅度上升趨勢，但不同處理之間小麥產(chǎn)量差異未達顯著水平。喬志剛等發(fā)現(xiàn)在施用生物質(zhì)炭的基礎(chǔ)上施氮總量減少 30%的處理與常規(guī)生產(chǎn)措施相比，對作物產(chǎn)量無顯著影響[8]；王海候等比較了相同施氮水平下，與商品有機肥處理相比，炭基有機肥處理對水稻產(chǎn)量有增產(chǎn)作用[12]。可見，生物質(zhì)炭采用單施或制成炭基有機肥后施用，均可保障小麥的穩(wěn)產(chǎn)性。另外，炭基有機肥處理的小麥千粒質(zhì)量、物質(zhì)累積量及穗數(shù)均大于商品有機肥處理，說明生物質(zhì)炭與畜禽糞便制成炭基有機肥料，并不影響小麥的生長發(fā)育，而更有利于小麥光合生產(chǎn)能力的提高，從而進一步提高小麥產(chǎn)量。

化學(xué)肥料相同施用量條件下，增施有機肥降低了麥田的甲烷排放總量，但不同處理之間的甲烷排放總量的差異不顯著。一般認(rèn)為施用有機肥會使土壤產(chǎn)生更多的甲烷[13]，主要表現(xiàn)為甲烷產(chǎn)量與土壤活性有機碳含量密切相關(guān)，速效碳源可以激活產(chǎn)甲烷菌[14]，但有機肥類型及處置方式對甲烷的排放影響較大，新鮮有機肥會導(dǎo)致農(nóng)田土壤甲烷高排放，而好氧腐熟的堆肥可以有效降低土壤甲烷排放[15]。

圖3 炭基有機肥對小麥不同生育階段甲烷、氧化亞氮累積排放量的影響

表2 不同肥料處理下麥季農(nóng)田排放 CH4和 N2O 的全球增溫潛勢

本試驗供試的炭基有機肥與商品有機肥均經(jīng)過好氧腐熟處理，因此，甲烷排放量低于不施有機肥處理。另外，本試驗結(jié)果表明，麥季甲烷的排放通量為 CO29.20～24.04 kg/hm2，而氧化亞氮的排放通量為 CO22 562.18～5 002.78 kg/hm2，氧化亞氮是麥季固炭減排的主要對象；增施有機肥處理的農(nóng)田氧化亞氮排放量大于不施有機肥處理，且氧化亞氮所產(chǎn)生的GWP以商品有機肥處理最高，但差異均未達顯著水平，這與 Fleisher 等指出有機肥促進氧化亞氮排放的結(jié)論是一致的[16]。Wolsing 等發(fā)現(xiàn)施有機肥處理的土壤反硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和不施有機肥處理顯著不同，施有機肥土壤的反硝化速率顯著高于不施有機肥處理，是有機肥處理下農(nóng)田氧化亞氮排放增加的重要原因[17]。然而，炭基有機肥處理的氧化亞氮排放量低于商品有機肥處理，主要原因可能是炭基有機肥中的生物質(zhì)炭通過物理和生物手段固定土壤中的無機氮，并且生物質(zhì)炭的輸入提高了土壤的陽離子交換量，因而可以吸附更多容易導(dǎo)致氧化亞氮增排的 NH4+-N、NO3--N 和磷酸鹽，從而減少 N2O 的釋放[18-19]。

增施有機肥處理的單位產(chǎn)量的GWP均高于不施有機肥處理，但無顯著性差異。雖然炭基有機肥處理單位產(chǎn)量的GWP與商品有機肥相比，減少了37.3%，但是將生物質(zhì)炭應(yīng)用于有機肥料的生產(chǎn)過程并制成炭基有機肥，能否作為施用有機肥條件下減少農(nóng)田溫室氣體排放的有效措施，尚需多年度的數(shù)據(jù)驗證。

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Effects of an Organic Fertilizer Composted with Biochar on Wheat Yield and Greenhouse Gas Emission During Wheat-growing Season in a Rice-wheat Double Cropping System

FENG Rui-xing1,HE Xu2,SHI Jie-jun1,JIN Mei-juan3,SHEN Ming-xing3,WANG Hai-hou3
(1.TaicangAgriculture Committee,Taicang215400,China; 2.Jiangsu Provincial AnfengBiogenic Pesticide EngineeringCenterCo.,Ltd.,Taicang215400,China; 3.Taihu Research Institute ofAgricultural Sciences/KeyScientific Observation&ExperimentStation ofPaddyField Eco-environment, Suzhou,MinistryofAgriculture,Suzhou 215155,China)

This study aimed to simplify the operating procedure of biochar application in the agricultural field,and to evaluate the effect of a biochar-based organic fertilizer on wheat yield and the greenhouse gas emission of the wheat field in the wheat growing season.To achieve these objectives,a field experiment was conducted,consisting of a treatment with a biochar-based organic fertilizer,a control treatment with a commercial organic fertilizer,and a control treatment without organic fertilizer.The effects of the biochar-based organic manure on wheat yield and yield composition,methane flux,nitrous oxide (N2O)flux,and GWP per unit yield were determined.The results showed that the carbon base fertilizer produced the effect of increasing wheat yield,but the differences in yield between the carbon base fertilizer treatment and the controls were not significant.The treatment with biochar-based organic fertilizer attained significantly larger 1 000-grains weight than the treatment with the commercial organic fertilizer and the treatment without organic fertilizer.Relative to the control without organic fertilizer,application of an organic fertilizer resulted in a decrease in CH4emission,but an increase in the total amount of N2O emission;however,the differences in the two parameters were not significant between treatments.Compared to the treatment with the commercial organic fertilizer,the treatment with the biochar-based organic fertilizer led to reductions in the global warming potential by 36.48%and in the yield of GWP per unit by 37.3%;however,the differences between the two treatments were not significant.

Biochar-based organic fertilizer;Wheat;Yield;Greenhouse gas

S141;S634.3

：A

：1673-6486-20170309

2017-02-09

國家科技支撐計劃(2012BAD14B12-03)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新項目[CX(16)-1003-11]；蘇州市科技支撐計劃(SNG201439)。

馮瑞興（1971—），男，農(nóng)藝師，主要從事種養(yǎng)循環(huán)生產(chǎn)技術(shù)推廣研究。E-mail:tcnlf@163.com。

* 通訊作者：王海候(1979—)，男，碩士，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究。E-mail:wanghaihou@126.com。