羅曉琦, 馮 浩, 劉晶晶, 張阿鳳

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生物炭施用下中國農(nóng)田土壤N2O排放的Meta分析*

羅曉琦1,2, 馮 浩2,3**, 劉晶晶1,2, 張阿鳳2,4

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院 楊凌 712100; 3. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所 楊凌 712100; 4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 楊凌 712100)

為明確施加生物炭對中國農(nóng)田土壤N2O排放的影響和主要控制因素, 以公開發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為研究對象, 采用Meta-analysis法定量分析了施加生物炭條件下, 氣候、土壤性質(zhì)、田間管理方式、生物炭性質(zhì)與施加量對土壤N2O排放的影響, 并對各影響因素進(jìn)行通徑分析。結(jié)果表明, 當(dāng)年降雨量≥600 mm時, 生物炭顯著降低土壤N2O排放量(<0.05), 且隨年降雨量的增加而增強(qiáng); 當(dāng)年日照時數(shù)大于1 000 h時, 生物炭對土壤N2O的減排效果隨年日照時數(shù)的增加而減弱。當(dāng)土壤pH≥6.5時, 生物炭對土壤N2O的減排效果隨土壤pH的增加呈先增后減趨勢; 在壤土中施加生物炭對N2O的減排效果顯著(<0.05), 而砂土和黏土不顯著(>0.05)。生物炭對覆膜土壤N2O的減排效果優(yōu)于不覆膜土壤; 生物炭對土壤N2O的減排效果隨施氮肥量增加而減弱, 而隨生物炭比表面積的增加而增強(qiáng)。當(dāng)生物炭C/N處于30~500時, 生物炭施用下土壤N2O排放量顯著降低(<0.05); 當(dāng)生物炭施加量處于20~160 t×hm-2時, 生物炭對土壤N2O的減排效果隨施加量增加而增強(qiáng)。生物炭對土壤N2O減排的影響存在顯著的區(qū)域性特征, 對華南、華東、華中和東北地區(qū)影響顯著(<0.05), 而對西北地區(qū)不顯著(>0.05); 施氮肥量、生物炭施加量、年均溫和年降雨量是影響生物炭減排效果的最主要因素, 這些因素的相互作用共同影響生物炭對土壤N2O的減排效果。該研究可為生物炭在我國農(nóng)區(qū)的推廣應(yīng)用和農(nóng)田N2O減排提供參考。

生物炭; 氧化亞氮; 減排效果; 氣象因素; 土壤性質(zhì); 田間措施

溫室氣體(CO2、CH4和N2O)大量排放是全球氣候變暖及其引起的一系列環(huán)境問題的主要原因。2013年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布的《碳排放評估報(bào)告》指出, 農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放量占全球溫室氣體排放總量的11%, 已超過2020年的排放目標(biāo)[1-2]。N2O作為三大主要溫室氣體之一, 其增溫潛勢是CO2的298倍[3]; 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O排放量占全球排放總量的60%~75%, 是N2O最主要的排放源[4]。因此, 農(nóng)田N2O減排對減緩溫室效應(yīng)具有重要意義。

施加生物炭是目前控制土壤N2O排放的重要措施, 生物炭是生物質(zhì)在厭氧或無氧的密閉環(huán)境中高溫?zé)峤?<700 ℃)生成的孔隙豐富、性質(zhì)穩(wěn)定、富含碳素并具有不同程度芳香化的固態(tài)物質(zhì)[5-6]。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附NH4+的能力較強(qiáng), 并可調(diào)節(jié)硝化菌和反硝化菌的能源底物, 影響土壤N2O的排放[7-10]。很多研究認(rèn)為施加生物炭顯著降低土壤N2O的排放, 其減排效果與生物炭的施用量有關(guān)[9-12]。硝化與反硝化過程是農(nóng)田土壤N2O的兩大主要來源, 但施加生物炭對土壤N2O排放的影響機(jī)制尚不清楚, 需定量總結(jié)生物炭對農(nóng)田土壤N2O排放的影響規(guī)律, 并分析其影響因素, 以揭示施加生物炭對土壤N2O的減排效果。

Meta分析是一種在同一主題下從現(xiàn)有的研究中整理、合并研究數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法[13]。該方法已被應(yīng)用于定量分析某種農(nóng)業(yè)措施對農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)的影響[14], 為農(nóng)耕制度的優(yōu)化提供參考依據(jù)。目前關(guān)于生物炭對土壤N2O排放的影響研究眾多, 但各研究的試驗(yàn)區(qū)氣候、土壤性質(zhì)、種植制度和生物炭種類等因素的不同使研究結(jié)果不一致, 不利于生物炭技術(shù)的推廣應(yīng)用。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中, 各因素相互作用, 影響土壤N2O的排放過程。因此, 分析各因素與土壤N2O排放量的復(fù)雜關(guān)系, 揭示各因素對土壤N2O排放的直接作用和間接作用, 找出主要影響因素, 對土壤N2O減排措施的制定具有重要意義。本文基于2016年12月前中國農(nóng)田施加生物炭的研究數(shù)據(jù), 通過Meta分析方法定量分析了施加生物炭對土壤N2O排放的影響, 并揭示氣候條件、土壤性質(zhì)、氮肥使用量、生物炭性質(zhì)與施加量等因素對農(nóng)田土壤N2O排放的影響機(jī)制; 采用通徑分析法對影響土壤N2O排放的因素進(jìn)行分析, 探明施加生物炭條件下影響土壤N2O排放的主要因素, 為生物炭在我國農(nóng)區(qū)的推廣應(yīng)用和減緩溫室效應(yīng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基于中國知網(wǎng)、維普、萬方、Web of Science、Google Scholar等中英文數(shù)據(jù)庫, 以“生物炭”、“生物碳”、“氧化亞氮”、“N2O”、“biochar”、“black carbon”、“charcoal”和“nitrous oxide”為關(guān)鍵詞檢索2016年12月前發(fā)表的關(guān)于施加生物炭對中國農(nóng)田土壤N2O排放的影響文獻(xiàn), 并對文獻(xiàn)進(jìn)行篩選。文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)為: 1)研究對象為中國農(nóng)田土壤; 2)試驗(yàn)方法為大田試驗(yàn)、小區(qū)試驗(yàn)或盆栽試驗(yàn); 3)試驗(yàn)處理至少包括1對施加生物炭和不施加生物炭的處理, 且其他田間條件一致; 4)試驗(yàn)地點(diǎn)、時間、土壤和生物炭的基本性質(zhì)均明確; 5)文中提供了土壤N2O排放量和N2O-N等數(shù)據(jù); 6)試驗(yàn)中各處理的重復(fù)次數(shù)至少3次; 7)試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)?zāi)攴?、試?yàn)數(shù)據(jù)和種植作物種類一致的文獻(xiàn), 選取研究年限最長的文獻(xiàn)?；谝陨虾Y選標(biāo)準(zhǔn), 獲得41篇有效文獻(xiàn), 采集了132組數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)分類

根據(jù)土壤N2O排放的影響因素分組, 主要指標(biāo)包括: 試驗(yàn)地區(qū)、氣候因素(年降雨量、年均溫、年日照時數(shù))、土壤性質(zhì)(土壤pH和土壤質(zhì)地)、田間管理措施(施氮肥量和覆膜)、生物炭性質(zhì)(制造溫度、比表面積和C/N)、生物炭施加量等, 劃分標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[15]。根據(jù)中國區(qū)域劃分方法[16], 本文將試驗(yàn)地區(qū)劃分為華東地區(qū)(江蘇、浙江、江西、安徽)、華中地區(qū)(湖南、河南)、華南地區(qū)(廣東)、西北地區(qū)(新疆、陜西、寧夏)和東北地區(qū)(遼寧)5個主要區(qū)域。年降雨量以400 mm、600 mm為分界線[17], 年均溫度以10 ℃劃分[18]。數(shù)據(jù)分類情況見表1。

表1 數(shù)據(jù)分類及依據(jù)

1.3 Meta分析

由于部分文獻(xiàn)提供的土壤N2O排放量數(shù)據(jù)是以CO2排放當(dāng)量或N2O-N排放量的形式表示, 需進(jìn)行數(shù)據(jù)換算。以CO2排放當(dāng)量表示土壤N2O排放量的, 需除以298得到土壤N2O排放量的換算值[19]; 以N2O-N排放量表示土壤N2O排放量的, 需以分子質(zhì)量為換算因子即除以28/44得到土壤N2O排放量的換算值[15]。

標(biāo)準(zhǔn)差是Meta分析中一個重要參數(shù), 是各研究結(jié)果的權(quán)重指標(biāo), 反映其重要性的大小[20]。若文獻(xiàn)中提供的土壤N2O排放量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)誤差是以圖形式表示, 通過Origin 9.0軟件中的digitizer功能進(jìn)行圖形數(shù)值化, 將獲得的標(biāo)準(zhǔn)誤差換算為標(biāo)準(zhǔn)差; 若原文獻(xiàn)未提供標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)誤差和樣本個數(shù), 通過常規(guī)方法不能獲得標(biāo)準(zhǔn)差, 采用MetaWin 2.1軟件的再取樣(resampling tests)功能得到非加權(quán)方差[21-22], 獲得所需的標(biāo)準(zhǔn)差。

Meta分析通過MetaWin 2.1軟件實(shí)現(xiàn), 需分別輸入施加生物炭和不施加生物炭土壤N2O排放量的均值、對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差和樣本數(shù)。Meta分析需引入效應(yīng)值指標(biāo), 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化, 通過加權(quán)整合施加生物炭對土壤N2O排放量的影響規(guī)律。為提高效應(yīng)值的準(zhǔn)確性, 通過隨機(jī)效應(yīng)模型計(jì)算得到效應(yīng)值(ln)[23]:

ln=ln(e/c) (1)

式中:為響應(yīng)比, 是施加生物炭土壤N2O的排放量(e)與不施加生物炭土壤N2O的排放量(c)的比值。

為直觀地表達(dá)生物炭對土壤N2O排放的促進(jìn)或減弱, 式(1)經(jīng)變換得到土壤N2O排放量的變化率:

=(-1)×100% (2)

土壤N2O排放量變化率的95%置信區(qū)間上、下限值的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[24]。若95%置信區(qū)間包含0, 表示施加生物炭對土壤N2O排放無顯著影響(>0.05); 若95%置信區(qū)間都大于0, 表示施加生物炭對土壤N2O排放具有顯著的促進(jìn)作用(<0.05); 若95%置信區(qū)間都小于0, 表示施加生物炭對土壤N2O排放具有顯著的減弱作用(<0.05)[25]。

1.4 通徑分析

通徑分析是研究變量間相互關(guān)系、自變量對因變量作用程度的多元統(tǒng)計(jì)分析方法, 通過直接通徑、間接通徑和總通徑系數(shù)分別表示某一因素對土壤N2O排放的直接影響、間接影響和綜合影響, 揭示各因素對土壤N2O排放量的影響程度大小[26]。通徑分析的主要計(jì)算過程參照文獻(xiàn)[27]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010軟件建立數(shù)據(jù)庫, Origin 9.0軟件繪制圖表和數(shù)值化, Metawin 2.1軟件實(shí)現(xiàn)Meta分析, SPSS 19.0軟件進(jìn)行通徑分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣候因素對土壤N2O排放的影響

通過對41篇參考文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)生物炭對土壤N2O的減排效果與試驗(yàn)區(qū)的氣候因素密切相關(guān), 結(jié)果見圖1。

2.1.1 年降雨量對土壤N2O排放的影響

整合分析結(jié)果表明, 年降雨量對中國農(nóng)田土壤N2O排放起到削弱作用。由圖1a可知, 當(dāng)年降雨量<600 mm時, 施加生物炭對土壤N2O的減排效果不顯著(>0.05); 而年降雨量≥600 mm時, 施加生物炭顯著降低土壤N2O的排放(<0.05)。當(dāng)年降雨量<400 mm、400~600 mm和≥600 mm時, 土壤N2O排放量的降低率分別為10.7%(95%置信區(qū)間= 1.1%~-22.5%)、19.2%(95%置信區(qū)間=2.4%~-40.8%)和25.3%(95%置信區(qū)間=-6.6%~-43.4%), 施加生物炭對土壤N2O排放的削弱作用隨年降雨量的增加而增強(qiáng)。這是因?yàn)殡S年降雨量的增加, 土壤水分逐漸填充土壤大中孔隙, 土壤含水率逐漸增大, 土壤的通透性減弱, 使土壤中的微生物處于低氧還原狀態(tài), 導(dǎo)致N2O還原酶的形成滯后于NO3–還原酶, 使N2O大部分還原為N2[28]。此外, 土壤深層的N2O向大氣中擴(kuò)散的速率隨土壤含水率增加而降低, 并且土壤硝化菌的活性也呈降低趨勢, 使反硝化過程因反應(yīng)基質(zhì)供應(yīng)不足而逐漸減弱。因此, 土壤N2O的排放量隨年降雨量的增加而減少。生物炭吸附土壤中大量的銨態(tài)氮, 減少硝化菌的能源底物; 且生物炭具有芳香碳結(jié)構(gòu), 可吸附反硝化菌所需的能源底物, 從而抑制土壤硝化菌和反硝化菌的活性, 增強(qiáng)生物炭對土壤N2O的減排效果[29]。

2.1.2 年均溫和年日照時數(shù)對土壤N2O排放的影響

10 ℃是喜溫性植物有機(jī)物開始積累和適宜生長的起始溫度[30], 年均溫以10 ℃劃分, 充分考慮了溫度對作物生長發(fā)育的影響。由圖1b可知, 年均溫<10 ℃和≥10 ℃時, 施加生物炭顯著降低土壤N2O的排放量(<0.05), 其降低率分別為27.3%和17.9%, 生物炭對土壤N2O的減排作用隨年均溫的升高而降低。由圖1c可知, 年日照時數(shù)為1 000~2 000 h時, 土壤N2O排放量的降低率為21.3%。年日照時數(shù)≥2 000 h時, 土壤N2O排放量的降低率為16.7%。因此, 當(dāng)日照時數(shù)大于1 000 h時, 日照時數(shù)越短, 施加生物炭越有利于土壤N2O的減排。

各散點(diǎn)的誤差線表示95%置信區(qū)間, X軸線表示=0。若誤差線與X軸線相交, 表示處理和對照之間差異不顯著(>0.05)。誤差線上的數(shù)字代表樣本數(shù)。Error bars represent 95% confidence intervals, horizontal axis denotes=0 line. If 95% confidence intervals go across the horizontal axis, difference between biochar application and control is significant (> 0.05). Number above the error bars is sample size.

綜上可知, 施加生物炭對土壤N2O的減排作用隨年均溫和年日照時數(shù)的升高而降低。因年均溫和年日照時數(shù)均可控制土壤有機(jī)質(zhì)的分解、土壤微生物代謝活動中酶的活性和作物生長狀況來影響土壤N2O的排放[31]。年均溫和年均日照時數(shù)增大時土壤溫度也隨之升高, 微生物和酶活性增強(qiáng), 硝化菌和反硝化菌對能源底物的吸收作用加強(qiáng), 促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解[32]。年均日照時數(shù)不僅影響土壤溫度, 還影響作物的生長狀況, 進(jìn)而影響土壤N2O的排放。隨著日照時數(shù)的延長, 作物根系吸收水分養(yǎng)分能力增強(qiáng), 植物根系消耗土壤中的大量氧氣、改變土壤結(jié)構(gòu)、分泌有機(jī)物, 進(jìn)而促進(jìn)土壤微生物的反硝化作用, 促進(jìn)土壤N2O的排放[33]。同時, 植物根系還可吸收溶解在土壤水分中無法擴(kuò)散至大氣中的N2O, 通過蒸騰作用釋放到大氣中[34], 增加了土壤N2O的排放量。施加一定量的生物炭顯著減少土壤N2O的排放量, 但其固存N2O的量是有限的。因此, 隨年均溫和年均日照時數(shù)的增加, 施加生物炭對土壤N2O的減排效果逐漸減弱。

2.2 土壤性質(zhì)對土壤N2O排放的影響

2.2.1 土壤pH對土壤N2O排放的影響

土壤pH會影響硝化菌和反硝化菌的活性, 改變硝化速率和反硝化速率及最終產(chǎn)物的形態(tài), 從而影響土壤N2O的排放[35]。由圖2a可知, 土壤pH<6.5時, 施加生物炭使土壤N2O排放量降低31.5%, 未達(dá)到顯著水平(>0.05)。而土壤pH處于6.5~7.5和≥7.5時, 施加生物炭顯著降低土壤N2O的排放量(<0.05), 降低率分別為52.3%和49.3%。施加生物炭條件下, 土壤N2O排放量的降低率隨土壤pH增加呈先增后減的趨勢, 表明施加生物炭對土壤N2O的減排作用隨土壤pH的增加而先增強(qiáng)后減弱。在施加生物炭的條件下, 土壤pH主要通過改變硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性, 影響土壤N2O的形成。首先, 土壤pH處于6.5~7.5時, 促進(jìn)了氮相關(guān)微生物活性的提高, 且生物炭對土壤有機(jī)物和水肥的吸附能力也達(dá)到最強(qiáng), 調(diào)節(jié)土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu), 并增強(qiáng)生物炭的穩(wěn)固性, 抑制土壤N2O的排放[36]; 其次, 在酸性土壤中, 硝化和反硝化微生物的代謝過程和活性均減弱, 且生物炭的惰性增強(qiáng), 不利于生物炭固存土壤中的N2O[37]; 最后, 土壤pH還會影響反硝化酶Nos酶(氧化亞氮還原酶)的活性及鐵氨氧化作用的速率, 當(dāng)土壤pH≥7.5時, 生物炭表面含氧官能團(tuán)對土壤中重金屬的吸附能力減弱, 不利于硝化菌和反硝化菌的生存, 且生物炭的共軛芳香結(jié)構(gòu)之間的鍵能減弱, 不利于生物炭吸收土壤排放的N2O[31,38]。因此, 生物炭對pH處于6.5~7.5的土壤N2O的減排效果最佳。

各散點(diǎn)的誤差線表示95%置信區(qū)間, X軸線表示=0。若誤差線與X軸線相交, 表示處理和對照之間差異不顯著(>0.05)。誤差線上的數(shù)字代表樣本數(shù)。Error bars represent 95% confidence intervals, horizontal axis denotes=0 line. If 95% confidence intervals go across the horizontal axis, difference between biochar application and control is significant (> 0.05). Number above the error bars is sample size.

2.2.2 土壤質(zhì)地對土壤N2O排放的影響

由圖2b可知, 施加生物炭對壤土N2O排放的影響顯著(<0.05), 而對砂土和黏土的影響不顯著(>0.05)。施加生物炭條件下, 砂土、壤土和黏土N2O排放量的降低率分別為2.8%、22.6%和13.7%, 生物炭對壤土N2O的減排效果最好, 而砂土的減排效果最差。因土壤質(zhì)地會影響硝化作用和反硝化作用的強(qiáng)度和N2O的擴(kuò)散速率, 并降低土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率, 進(jìn)而影響土壤N2O的排放[39-40]。土壤的氣體擴(kuò)散系數(shù)隨土壤質(zhì)地的改變而不同, 壤土具有較好的非毛管孔隙和毛管孔隙結(jié)構(gòu), 且N2O的排放通道較暢通, 使壤土的N2O排放量高于砂土和黏土[41]。

2.3 田間管理措施對土壤N2O排放的影響

2.3.1 施氮肥量對土壤N2O排放的影響

施加氮肥會增加土壤氮素含量, 增加硝化和反硝化過程所需的底物NO3–和NO4+; 同時刺激作物根系生長和分泌物的增長, 進(jìn)而影響土壤N2O的排放[42]。由圖3a可知, 當(dāng)施氮肥量≥60 kg×hm-2時, 生物炭可減弱土壤N2O的排放, 但影響效果不顯著(>0.05)。施加生物炭條件下, 土壤N2O排放量的降低率隨施氮肥量的增加而降低, 表明施加生物炭對土壤N2O的減排效果呈減弱趨勢。這是因?yàn)檗r(nóng)田施氮肥改變了土壤C/N, 顯著增加了土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量, 增強(qiáng)了硝化作用和反硝化作用強(qiáng)度, 促進(jìn)了土壤N2O的產(chǎn)生和排放[43]。且土壤中Nos酶的還原性隨施氮肥量的增加而增強(qiáng), 增大了反硝化過程氣體產(chǎn)物中N2O的比例[30]。而施加的生物炭改善了土壤微環(huán)境, 調(diào)控土壤微生物群落組成和多樣性, 退化土壤中氮相關(guān)的微生物菌群豐度, 抑制土壤N2O的產(chǎn)生[44], 生物炭對土壤排放的N2O的吸附能力有限。因此, 生物炭減排土壤N2O的效果隨施氮肥量的增加而衰退。

各散點(diǎn)的誤差線表示95%置信區(qū)間, X軸線表示=0。若誤差線與X軸線相交, 表示處理和對照之間差異不顯著(>0.05)。誤差線上的數(shù)字代表樣本數(shù)。Error bars represent 95% confidence intervals, horizontal axis denotes=0 line. If 95% confidence intervals go across the horizontal axis, difference between biochar application and control is significant (> 0.05). Number above the error bars is sample size.

2.3.2 覆膜對土壤N2O排放的影響

覆膜通過改變土壤溫度和濕度影響土壤生態(tài)環(huán)境, 進(jìn)而影響土壤N2O的產(chǎn)生、傳輸和排放。由圖3b可知, 施加生物炭對覆膜和不覆膜土壤N2O排放的減弱作用顯著(<0.05)。覆膜條件下, 土壤N2O排放量的降低率為25.3%, 較不覆膜增大6.2%, 表明生物炭對覆膜土壤N2O的減排效果優(yōu)于不覆膜土壤。因?yàn)榈啬ぞ哂形锢碜韪糇饔? 隔絕了土壤蒸發(fā)水分向外散發(fā)的通道, 增加了土壤含水量[45], 促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化過程, 增強(qiáng)土壤反硝化作用, 從而促進(jìn)土壤N2O的排放; 且地膜吸收大量的太陽輻射, 減少土壤與大氣之間的水熱交換, 提高土壤溫度, 提升土壤硝化菌和反硝化菌的活性和有機(jī)質(zhì)分解速率[46], 促進(jìn)土壤N2O的排放。覆膜使土壤排放的N2O積聚在狹小的濕熱空間內(nèi), 提高N2O濃度, 進(jìn)而提高生物炭對N2O的吸收效率, 使生物炭對覆膜土壤N2O的減排效果優(yōu)于不覆膜土壤。

2.4 不同生物炭性質(zhì)與添加量對土壤N2O排放的影響

2.4.1 生物炭制造溫度、比表面積和C/N對土壤N2O排放的影響

生物炭制造溫度、比表面積和C/N均影響土壤N2O的排放。由圖4a可知, 施加生物炭條件下, 生物炭制造溫度顯著降低土壤N2O排放量(<0.05)。當(dāng)生物炭制造溫度<400 ℃、400~500 ℃、500~600 ℃和≥600 ℃時, 土壤N2O排放量的降低率分別為32.6%、43.9%、35.6%和51.3%。不同生物炭制造溫度條件下, 生物炭對土壤N2O的減弱作用顯著(<0.05), 這與Cayuela等[47]的研究結(jié)果一致, 這是因?yàn)樯锾勘砻婀倌軋F(tuán)隨制造溫度的變化而改變; 隨著制造溫度的增大, 生物炭的芳香性結(jié)構(gòu)增加, 極性減弱, 穩(wěn)定性增強(qiáng)[48], 從而影響土壤N2O的排放。研究發(fā)現(xiàn), 低溫制造的生物炭微孔分布較均勻, 孔道規(guī)則, 溫度升高后, 微孔分布相對不規(guī)則; 溫度升至閾值時, 生物炭微孔孔壁坍塌, 表面粗糙度增加[49], 這與土壤N2O排放量隨生物炭制造溫度的變化規(guī)律一致。

由圖4b可知, 生物炭比表面積對土壤N2O的排放無顯著影響(>0.05)。當(dāng)生物炭比表面積<100和≥100 m2×g-1時, 土壤N2O排放量的降低率分別為15.5%和35.1%, 施加生物炭對土壤N2O的減排效果隨生物炭比表面積的增加而增強(qiáng)。因?yàn)樯锾勘缺砻娣e影響土壤持水性能和吸附有機(jī)物的能力; 隨著生物炭比表面積的增加, 生物炭孔隙度增大, 連續(xù)片結(jié)構(gòu)越明顯, 并使生物炭內(nèi)共軛芳香族化合物晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)或偏移, 增強(qiáng)了生物炭吸附N2O的能力[50]。

由圖4c可知, 當(dāng)生物炭C/N處于10~30時, 生物炭C/N對土壤N2O排放的影響不顯著(>0.05), 而生物炭C/N處于30~500時, 生物炭C/N的影響達(dá)到顯著水平(<0.05)。生物炭對土壤N2O的減排作用隨生物炭C/N的增加呈先增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢, 這是因?yàn)槭┘由锾康腃/N越高, 土壤微生物活動加劇, 但硝化作用和反硝化作用所需的氮素供應(yīng)不足, 促進(jìn)了微生物對土壤原有礦質(zhì)氮素的生物固定, 加劇了微生物種間競爭, 從而使土壤N2O排放量降低[51], 增強(qiáng)了生物炭對土壤N2O排放的吸附作用。

各散點(diǎn)的誤差線表示95%置信區(qū)間, X軸線表示=0。若誤差線與X軸線相交, 表示處理和對照之間差異不顯著(>0.05)。誤差線上的數(shù)字代表樣本數(shù)。Error bars represent 95% confidence intervals, horizontal axis denotes=0 line. If 95% confidence intervals go across the horizontal axis, difference between biochar application and control is significant (> 0.05). Number above the error bars is sample size.

2.4.2 生物炭施加量對土壤N2O排放的影響

隨著生物炭施加量的增加, 生物炭對土壤銨態(tài)氮的吸附面積增大, 并改變了土壤電子受體和氧化還原電位[52], 從而影響土壤N2O的排放量。由圖4d可知, 當(dāng)生物炭施加量處于20~160 t×hm-2時, 生物炭顯著降低土壤N2O排放量(<0.05), 生物炭對土壤N2O的減排效果隨施加量的增加而增強(qiáng)。生物炭施加量<20 t×hm-2時, 生物炭對土壤N2O的減排效果不顯著(>0.05)。這是因?yàn)樯锾繉ο趸头聪趸饔盟璧孜锏奈阶饔秒S生物炭添加量的增加而增強(qiáng), 從而減弱了土壤微生物產(chǎn)生N2O的能力[53]; 生物炭在土壤中形成的新孔隙度也隨生物炭施加量的增加而增大, 改善了厭氧微生物菌落的功能性和多樣性, 減少反硝化菌的數(shù)量, 降低了土壤的反硝化潛力, 使土壤N2O的排放量減少[54]。該結(jié)論與李松等[55]和賈俊香等[56]的研究結(jié)果一致。

2.5 施加生物炭土壤N2O排放的區(qū)域性特征

生物炭對中國不同地區(qū)農(nóng)田土壤N2O排放的影響程度不同(圖5)。由圖5可知, 對于華南、華東、華中和東北地區(qū), 施加生物炭顯著降低農(nóng)田土壤N2O的排放量(<0.05)。施加生物炭使華南、華東、華中和東北地區(qū)土壤N2O排放量分別減小31.4%、27.2%、26.7%和21.5%。而在西北地區(qū), 施加生物炭使土壤N2O排放降低17.2%, 未達(dá)到顯著水平(>0.5)。綜上可知, 施加生物炭對華南地區(qū)土壤N2O的減排效果最好, 西北地區(qū)最差。這與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、土壤性質(zhì)和田間管理方式等因素密切相關(guān)。我國各地區(qū)氣候特征具有明顯的區(qū)域性, 年降水量從東南向西北內(nèi)陸遞減, 長江以北地區(qū)的降水量較少, 而以南地區(qū)降雨豐富, 華南地區(qū)的降雨量最多[57]; 而生物炭對土壤N2O的減排作用隨年降雨量的增加而增強(qiáng), 因此, 生物炭對華南地區(qū)土壤N2O的減排效果最好。年均溫由南向北逐漸遞減, 而地區(qū)季節(jié)溫度差異逐漸增大[56], 華南、華東、華中、西北和東北地區(qū)年均溫的空間變化趨勢不明顯, 使生物炭對各地區(qū)土壤N2O排放的影響規(guī)律不明顯。年日照時數(shù)呈北多南少、西多東少的空間格局, 高緯度地區(qū)高于低緯度地區(qū), 使生物炭對土壤N2O排放的影響程度隨之改變[58]。此外, 土壤性質(zhì)存在空間變異性, 不同性質(zhì)的土壤在空間分布上具有一定的相關(guān)性和隨機(jī)性[59], 使生物炭對土壤N2O排放影響的區(qū)域性特征更顯著。不同的種植方式導(dǎo)致作物根系對土壤理化環(huán)境的影響和根系分泌物均不同, 進(jìn)而影響土壤形成N2O的硝化和反硝化等微生物過程[60]。不同的田間管理措施通過改變土壤水熱狀況、孔隙度和微生物群落結(jié)構(gòu)等, 直接或間接影響土壤N2O的排放[61]。這些因素在空間分布上均存在區(qū)域性, 各因素相互作用使生物炭對土壤N2O的減排效果也存在區(qū)域性特征。

各散點(diǎn)的誤差線表示95%置信區(qū)間, X軸線表示=0。若誤差線與X軸線相交, 表示處理和對照之間差異不顯著(>0.05)。誤差線上的數(shù)字代表樣本數(shù)。Error bars represent 95% confidence intervals, horizontal axis denotes=0 line. If 95% confidence intervals go across the horizontal axis, difference between biochar application and control is significant (> 0.05). Number above the error bars is sample size.

2.6 施加生物炭對土壤N2O排放影響的通徑分析

生物炭對土壤N2O的減排效果受年降雨量、年均溫、年日照時數(shù)、土壤pH、土壤質(zhì)地、施氮肥量、覆膜、生物炭性質(zhì)及添加量等因素相關(guān)。為分析引起土壤N2O減排效果差異的主導(dǎo)因素, 選取年降雨量(1)、年均溫(2)、年日照時數(shù)(3)、土壤pH(4)、土壤質(zhì)地(5)、施氮肥量(6)、生物炭制造溫度(7)、生物炭比表面積(8)、生物炭C/N(9)、生物炭施加量(10)和土壤N2O排放量降低率()等定量參數(shù)進(jìn)行通徑分析, 以探求主導(dǎo)影響因素, 結(jié)果見表2。

表2 施加生物炭的土壤N2O排放效應(yīng)的影響因子通徑分析結(jié)果

1、2、3、4、5、6、7、8、9、10分別表示年降雨量、年均溫、年日照時數(shù)、土壤pH、土壤質(zhì)地、施氮肥量、生物炭制造溫度、生物炭比表面積、生物炭C/N、生物炭施加量;為土壤N2O排放量降低率。1,2,3,4,5,6,7,8,9and10represent annual mean precipitation, annual mean temperature, annual sunshine hours, soil pH, soil texture, N fertilizer input, biochar manufacturing temperature, specific surface area of biochar, C/N ratio of biochar and biochar application amount, respectively.represents decrease rate of soil N2O emissions.

由表2可知, 各影響因素的直接通徑系數(shù)的大小順序?yàn)?6、10、2、1、3、9、4、5、8、7。表明施氮肥量、生物炭施加量和年均溫是影響生物炭減排效果的三大主導(dǎo)因素, 年降雨量和年日照時數(shù)對生物炭減排效果的直接影響程度接近, 而生物炭制造溫度和比表面積的直接影響較小; 且各影響因素對生物炭減排效果的影響均具有直接正效應(yīng)。間接通徑系數(shù)表示各單因素通過其他因素對生物炭減排效果的影響程度。由表2可知, 氣象因素中, 年均溫和年降雨量均通過土壤pH對生物炭減排效果的間接影響最大, 年日照時數(shù)通過年降雨量對生物炭減排效果的間接影響最大; 土壤性質(zhì)中, 土壤pH通過土壤質(zhì)地間接促進(jìn)生物炭的減排作用, 土壤質(zhì)地通過土壤pH對生物炭減排效果的間接影響最大, 土壤pH和土壤質(zhì)地之間的相互作用效應(yīng)較明顯。田間管理因素中, 施氮肥量通過土壤pH對生物炭減排效果的間接影響最大; 生物炭性質(zhì)中, 生物炭制造溫度通過生物炭比表面積對生物炭減排效果的間接影響最大, 生物炭比表面積、C/N和生物炭施加量均通過土壤pH對生物炭減排效果的間接影響最大。從總通徑系數(shù)可知, 施氮肥量、生物炭施加量、年均溫和年降雨量是影響生物炭減排效果的最主要因素, pH的間接影響對總通徑系數(shù)貢獻(xiàn)較大, 因此, 合理施用氮肥和生物炭且適當(dāng)控制土壤酸堿度有利于中國農(nóng)田土壤N2O的減排。

3 結(jié)論

1)生物炭施加條件下, 中國農(nóng)田土壤N2O排放減少, 但減排的程度與地區(qū)的降水量、溫度、日照時數(shù)、土壤pH和質(zhì)地、施氮量、農(nóng)田地膜覆蓋等外部因素有關(guān)。

2)制造溫度、比表面積、C/N、施加量等生物炭本身性質(zhì)對土壤N2O排放亦存在一定影響, 其中生物炭C/N和施加量影響較大。

3)施加生物炭顯著降低華南、華東、華中和東北地區(qū)土壤N2O的排放量, 而西北地區(qū)不顯著。

因此, 在施加生物炭條件下, 實(shí)現(xiàn)N2O減排或提高生物炭減排效果需綜合考慮氣候、土壤性質(zhì)、田間管理方式、生物炭性質(zhì)和施加量等因素。

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Meta-analysis on farmland soil N2O emissions under biochar application in China*

LUO Xiaoqi1,2, FENG Hao2,3**, LIU Jingjing1,2, ZHANG Afeng2,4

(1. College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2. Institute of Water-saving Agriculture in Arid Region of China, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China; 4. College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

In this study, a Meta-analysis was conducted to make clear the effects of biochar application on soil N2O emissions and the main controlling factors in China. Based on observation data from published papers in the public domain, the effects of biochar application on soil N2O emissions were quantitatively analyzed under different climatic conditions, soil properties, field management practices and biochar properties. Then path analysis was used to determine the dominant factors influencing soil N2O emissions. The results showed that biochar application significantly decreased soil N2O emissions (< 0.05) under annual mean precipitation more than 600 mm, and the reduction effect was strengthened with increasing annual mean precipitation. Also when annual mean sunshine hours was greater than 1 000 h, the N2O emission-reduction effect of biochar application decreased in trend following an initial increase with increasing annual mean sunshine hours. With increasing soil pH above 6.5, soil N2O emission reduction first increased and then decreased under biochar application. Biochar application significantly decreased soil N2O emissions in loam soils (< 0.05), whereas the effects in sandy and clay soils were not significant (> 0.05). Moreover, the reduction in soil N2O emissions under film mulching was higher than that without film mulching. The effect of biochar on soil emission decreased with increasing nitrogen application rate, but increased with increasing specific surface area of biochar. When C∶N ratio of biochar was 30-500, the effects of biochar application on soil N2O emissions was significant at< 0.05. When the amount of biochar was 20-160 t×hm-2, soil N2O emissions significantly decreased with increasing biochar application rate. Furthermore, significant differences in N2O emissions were observed for different regions under biochar application. For example, there was a significant reduction in N2O in South, East, Central and Northeast regions of China (< 0.05), except Northwest China (> 0.05). Generally, N fertilizer input, biochar application amount, annual mean temperature and annual mean precipitation were the dominant factors affecting the N2O emission-mitigation effects of biochar, which was controlled by the interactions among these factors. The study provided a reference base for the promotion of biochar technology in farming in China and emission reduction of soil N2O.

Biochar; Nitrous oxide; N2O emission-mitigation effect; Meteorological factor; Soil property; Field management practice

Apr. 7, 2017; accepted May 23, 2017

S131+.3

A

1671-3990(2017)09-1254-12

10.13930/j.cnki.cjea.170298

2017-04-07

2017-05-23

* 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA102904)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301305)資助

* This study was supported by the National High Technology Research and Development Program of China (2013AA102904), the National Natural Science Foundation of China (41301305).

** Corresponding author, E-mail: nercwsi@vip.sina.com

**通訊作者:馮浩, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源高效利用研究。E-mail: nercwsi@vip.sina.com

羅曉琦, 主要研究方向?yàn)樗临Y源高效利用研究。E-mail: luoxq0903@163.com

羅曉琦, 馮浩, 劉晶晶, 張阿鳳. 生物炭施用下中國農(nóng)田土壤N2O排放的Meta分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(9): 1254-1265

Luo X Q, Feng H, Liu J J, Zhang A F. Meta-analysis on farmland soil N2O emissions under biochar application in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(9): 1254-1265