魏甲彬, 成小琳, 周玲紅, 徐華勤, 唐啟源, 肖志祥, 唐劍武, 譚淑端

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冬季施用雞糞和生物炭對南方稻田土壤CO2與CH4排放的影響*

魏甲彬, 成小琳, 周玲紅, 徐華勤**, 唐啟源, 肖志祥, 唐劍武, 譚淑端

(湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 長沙 410128)

生物炭的利用近年來是農(nóng)田土壤固碳減排研究中的熱點。本研究通過在冬季稻田養(yǎng)雞, 結(jié)合生物炭添加, 采用箱式法結(jié)合溫室氣體分析儀定量測定冬季稻田和雙季稻期間土壤CO2和CH4排放通量, 分別估算冬季稻田和雙季稻期間土壤CO2和CH4排放總量, 評估生物炭和雞糞添加對土壤碳排放的影響。結(jié)果表明, 雞糞還田處理顯著提高了土壤CO2的排放, 冬季稻田和水稻生育期排放量分別達9 935.39 kg·hm-2和27 756.34 kg·hm-2, 比對照增加58.7倍(<0.01)和56%(<0.05); 生物炭添加處理冬季稻田和水稻生育期CO2累積排放量比對照高12.3倍(<0.01)和41%(<0.05)。雞糞還田處理下冬季稻田和水稻生育期稻田的CH4排放量均顯著高于其他處理; 而生物碳添加對冬季稻田CH4排放無顯著影響, 但顯著降低了水稻生育期稻田的CH4排放。雞糞還田配施生物炭處理也顯著提高了稻田土壤CO2的排放。冬季稻田時, 雞糞還田配施生物炭土壤CO2累積排放量顯著高于雞糞還田處理; 而水稻生育期時, 雞糞還田配施生物炭處理下土壤CO2累積排放量顯著低于雞糞還田處理。雞糞還田下添加生物碳可以降低因雞糞還田引起的CH4排放增加的效應(yīng)?？傊? 雞糞原位還田顯著增加了冬季稻田和水稻生育期稻田的CO2和CH4排放; 無論是冬季稻田還是水稻生育期, 生物炭的添加都降低了土壤CH4的排放, 且生物炭添加后期有抑制土壤CO2排放的作用。因此, 從更長的時間尺度來看, 生物炭施入土壤有利于土壤固碳減排。

冬閑稻田; 養(yǎng)雞; 雞糞; 原位還田; 生物碳; CO2排放; CH4排放

生物炭是將農(nóng)作物秸稈、稻殼、木質(zhì)物質(zhì)、禽畜糞便和其他材料等生物質(zhì)在厭氧或無氧條件下經(jīng)高溫熱解炭化產(chǎn)生的一類孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、含碳量高、比表面積大、吸附性能較強和抗分解能力極強的固態(tài)物質(zhì)[1-2]。由于其自身獨特的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì), 生物炭可以增加土壤碳庫儲量、參與土壤養(yǎng)分循環(huán)與固持、提高作物產(chǎn)量[3-5]。另外, 一方面, 由于生物炭碳含量高且具有很強的化學惰性, 在其輸入土壤后可以穩(wěn)定存在千年以上, 因而減少了生物質(zhì)焚燒或者直接還田造成的碳排放, 減緩陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán), 被認為是一種能夠有效減緩氣候變化的新途徑[6]; 另一方面, 有研究者對生物炭的環(huán)境效應(yīng)較為樂觀, 認為生物炭—土壤系統(tǒng)具有固定大氣二氧化碳(CO2)、減少土壤甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等溫室氣體排放的潛力[7-9]。但是, 生物炭進入土壤后究竟是增加土壤碳庫儲量還是促進了土壤碳的排放還存在爭議。有研究者在森林土壤中的研究表明, 生物炭作為一個長期的土壤碳庫的效用被高估了, 因為該效用部分地被其能促進土壤原來的有機質(zhì)的分解導致土壤碳排放增加這一效應(yīng)抵消[10]。也有研究表明, 在半干旱農(nóng)田土壤施用生物炭短期內(nèi)對農(nóng)田CO2和N2O的排放沒有顯著影響[11]。我國對生物炭的研究晚于國外研究者, 且集中研究其在土壤改良和作物增產(chǎn)[12-14]等方面的應(yīng)用。隨著生物炭技術(shù)的發(fā)展及對環(huán)境問題的重視, 生物炭對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響逐漸受到重視。但目前關(guān)于畜禽糞便在田間原位還田并添加生物碳后對稻田土壤溫室氣體的研究還鮮見報道。

我國南方15個省區(qū)有冬閑田2 000余萬hm2, 其中湖南冬閑田面積至少120萬hm2[15]?這樣大面積的土地閑置, 必然導致空間資源的巨大浪費。當前南方冬閑田的主要利用方式是種植綠肥如紫云英()、黑麥草()、紫花苜蓿()和燕麥()等冬季牧草以及如油菜()、馬鈴薯()等冬季作物[15-18]。這一冬閑田利用方式具有提高土壤肥力等諸多益處[19]。但由于其直接經(jīng)濟效益不明顯, 影響了農(nóng)民應(yīng)用的積極性。將輪牧養(yǎng)雞引入冬季稻田, 利用綠肥補充雞飼料, 同時又能達到提高土壤有效碳氮的作用[20]。一方面在春節(jié)前獲得生態(tài)土雞出欄上市, 可大大提升冬季稻田的經(jīng)濟效益; 另一方面, 雞糞和生物炭施入土壤既可以調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì), 提高土壤質(zhì)量, 又向土壤中輸入了大量的有機碳。

因此, 本研究通過在稻田冬季田間養(yǎng)雞, 結(jié)合生物炭添加, 定量測定冬季稻田和雙季稻期間土壤CO2和CH4排放通量, 評估生物炭和雞糞添加對土壤碳排放的影響, 并探討其影響機制, 為深化對生物炭和雞糞有機肥環(huán)境效益的科學認識提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年12月—2016年11月在湖南省長沙市湖南農(nóng)業(yè)大學耘園試驗基地開展。試驗區(qū)氣候溫和, 降水充沛, 雨熱同期, 四季分明, 年平均氣溫17.2 ℃, 年均降水量1 361.6 mm。從11月下旬至翌年3月中旬, 長沙平均氣溫低于0 ℃, 全年以1月最冷, 月平均為4.4~5.1 ℃, 越冬作物可以安全越冬, 緩慢生長。試驗地往年種植制度為早稻-晚稻-冬閑, 土壤質(zhì)地為潮泥土。

1.2 供試材料

供試雞品種為長沙本地土雞品種‘土2.5’, 平均重量為0.5 kg。常規(guī)早稻品種為‘中嘉早17號’, 晚稻品種為‘湘晚秈12號’。供試生物炭為湖南省長沙市生物質(zhì)能源利用研究中心提供的水稻谷殼生物炭, 該生物炭在高溫(300~450 ℃)下限氧碳化而成。供試土壤與生物炭基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤和生物炭基本理化性質(zhì)

1.3 試驗設(shè)計與田間管理

試驗設(shè)置4個處理, 其中1個為對照, 每個處理3個重復(fù), 共12個小區(qū), 3′9=27 m2。小區(qū)隨機組合排列。2015年晚稻收獲后冬季養(yǎng)雞, 養(yǎng)雞期間不施肥; 2016年種雙季稻。試驗設(shè)置1)單施生物炭處理(biochar, B): 小區(qū)內(nèi)添加生物炭, 施用量為30 t·hm-2, 并與表層土(0~15 cm)混勻。2)冬季稻田養(yǎng)雞處理(chicken, C): 在進行田間輪牧養(yǎng)雞, 雞糞原位還田。每個小區(qū)1個雞籠, 每個籠子內(nèi)飼喂30只土雞, 雞籠面積為3 m′3 m。試驗過程中, 雞籠在小區(qū)第1個位置上放8 d后移至第2個位置, 8 d后再移至第3個位置, 依次類推, 每個位置共養(yǎng)雞16 d, 是為輪牧, 又由于間期較短, 土雞生長較緩慢, 因此小區(qū)內(nèi)雞糞含量可以視作均勻分布。同時在另一個雞籠中飼養(yǎng)5只土雞, 每隔3 d測定雞糞重量, 直至養(yǎng)雞結(jié)束。據(jù)統(tǒng)計, 小區(qū)內(nèi)相當于施新鮮雞糞7.3 kg·m-2。3)養(yǎng)雞與生物碳結(jié)合(chicken and biochar, CB): 小區(qū)內(nèi)添加生物炭, 施用量為30 t·hm-2, 并與表層土(0~15 cm)混勻; 同時輪牧養(yǎng)雞, 雞糞原位還田, 還田量與C處理相當。4)對照(CK): 水稻收割以后, 稻田為冬閑田, 不做處理。

田間管理: 2015年12月3日, 田間籠養(yǎng)土雞, 2016年1月28日養(yǎng)雞結(jié)束。飼料配方為50%玉米粉+10%米糠+35%苜蓿草粉+5%預(yù)混料。稻栽培方式采用育苗移栽, 其他管理措施如水分管理、病蟲害管理均一致。磷肥做基肥一次性施用; 氮肥按基肥︰分蘗肥︰穗肥=4︰2︰4施用; 鉀肥按照基肥︰穗肥=7︰3施用。B處理和對照氮、磷、鉀肥用量為長沙市農(nóng)民常規(guī)用量, 即每季水稻共施純氮165 kg·hm-2, P2O575 kg·hm-2, K2O 135 kg·hm-2; C處理和CB處理每季化肥氮和鉀減少20%, 磷不變, 即純氮132 kg·hm-2, P2O575 kg·hm-2, K2O 108 kg·hm-2。

1.4 樣品采集分析和數(shù)據(jù)處理

1.4.1 氣體測定方法

使用超便攜式溫室氣體自動分析儀(CH4, CO2, H2O)(Ultraportable Greenhouse Gas Analyzer, 美國Los GatosResearch公司產(chǎn), 型號為915-0011-1000)與循環(huán)采氣透明靜態(tài)箱相結(jié)合測定土壤CO2和CH4交換通量。溫室氣體自動分析儀能夠原位測出靜態(tài)箱內(nèi)CO2和CH4濃度的線性變化; 測定時可以通過移動通訊設(shè)備屏幕上顯示的線性變化實時判斷靜態(tài)箱是否密封, 確保數(shù)據(jù)的準確性。靜態(tài)箱為透明有機玻璃, 頂部有進氣孔跟出氣孔, 規(guī)格為30 cm×30 cm。每個小區(qū)布置一個與靜態(tài)箱邊長相同的底座, 四邊有凹槽, 安裝時底座邊緣嵌入土中深3 cm。測定時, 靜態(tài)箱置于底座上, 凹槽內(nèi)灌水以確保透明靜態(tài)箱處于密閉狀態(tài), 每個小區(qū)測定5 min, 測定時間為上午8:00—12:00。進行氣體測定時同時測定土壤溫度(0~5 cm)。

冬季養(yǎng)雞期間測定: 底座固定在小區(qū)內(nèi)第1個9 m2養(yǎng)雞區(qū)域, 養(yǎng)雞8 d后雞籠第1次移到小區(qū)內(nèi)第2個9 m2養(yǎng)雞區(qū)域時開始第1次測定, 時間在2015年12月11日, 測定周期約為8 d一次, 共測定6次。水稻種植期間測定: 測定周期為在水稻每個生育期中期測定, 早稻苗期(5月8日)、分蘗盛期(5月18日)、孕穗期(6月13日)、齊穗期(7月1日)、成熟期(7月15日); 晚稻苗期(8月1日)、分蘗盛期(8月15日)、孕穗期(9月6日)、齊穗期(9月20日)、灌漿期(10月10日)和成熟期(11月3日)測定CH4和CO2交換通量。進行氣體測定時同時用Onset HOBO溫度記錄儀(型號: U23-001)測定土壤溫度(0~5 cm)和靜態(tài)箱內(nèi)的空氣溫度。

1.4.2 氣體通量及累積排放量計算

CH4、CO2凈交換通量計算公式為:

式中:為CO2通量, 單位為μmol·m-2·s-1, 或CH4通量, 單位為μmol·m-2·s-1; d/d為采樣箱內(nèi)CO2或CH4濃度(mmol·mol-1)隨時間(s)的變化率;為標準狀態(tài)下大氣壓力, 為101.223 7 kPa;為箱體內(nèi)有效體積(m3), 即透明箱體積減去底座內(nèi)植株總體積和透明箱體內(nèi)壁風扇和溫度記錄儀體積; R為氣體常數(shù)8.314 4 J·mol-1·k-1;為透明箱覆蓋面積(m2);為測定時透明箱內(nèi)平均氣溫(273.15 ℃);

CO2和CH4累積排放量c(kg·hm-2)計算式[21]為:

式中,為稻田冬季及水稻生育期觀測次數(shù);F、F+1為第、+1次測定時CO2和CH4通量, μmol·m-2·s-1;t+1、t為第、+1次測定的時間間隔, d;為水稻生育期轉(zhuǎn)換系數(shù)[由于測定期間天數(shù)少于水稻生育期(播種到收獲)天數(shù), 此系數(shù)將轉(zhuǎn)換為水稻生育期天數(shù)], 此處取194/176。

1.4.3 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)Microsoft Excel 2007整理數(shù)據(jù)后, 采用SPSS 18.0軟件進行單因素方差分析, Sigmaplot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2通量與CH4通量

2.1.1 CO2通量

如圖1所示, 在冬季稻田養(yǎng)雞時期, C、CB和B處理CO2排放通量均高于CK。從變化幅度上看, C處理變化范圍為3.30~10.77 μmol·m-2·s-1, CB處理為3.86~12.80 μmol·m-2·s-1, B處理為0.27~3.11 μmol·m-2·s-1, CK為1.76~1.37 μmol·m-2·s-1。說明向土壤中添加雞糞和生物炭會促進冬季稻田土壤呼吸, 增加土壤CO2排放。

圖1 冬季及雙季稻生育期稻田土壤CO2排放通量

CK: 不施肥對照; C: 單施雞糞; CB: 雞糞配施生物炭; B: 單施生物炭。CK: no fertilization; C: chicken manure; CB: chicken manure plus biochar; B: biochar.

除早稻苗期外, 同一生育期不同處理間稻田土壤CO2通量有顯著差異(<0.05)。水稻生育期內(nèi), 各處理土壤CO2通量變化幅度大, 且排放峰早稻出現(xiàn)在孕穗期和成熟期, 晚稻出現(xiàn)在分蘗盛期和齊穗期。所有處理早稻期間最高值出現(xiàn)在成熟期, 最高為CB處理, 達10.22 μmol·m-2·s-1; 所有處理晚稻最高值出現(xiàn)在齊穗期, 最高為CB處理, 達8.70 μmol·m-2·s-1。即便是同一處理, 早晚稻期間CO2排放最高值出現(xiàn)的時期卻不一樣, 說明早晚稻品種對土壤CO2排放存在一定的影響。但在早稻分蘗盛期, 孕穗期, 晚稻苗期和灌漿期C處理土壤CO2通量值最高; 早稻齊穗期B處理最高, 晚稻孕穗期CK最高。說明不同處理對土壤CO2排放在不同水稻生育期的影響因素較復(fù)雜。

2.1.2 CH4通量

在稻田冬季養(yǎng)雞時期, 如圖2所示, 各處理土壤CH4排放通量變化趨勢基本一致, 并且與土壤溫度無顯著相關(guān)性。C處理和CB處理均高于CK, 但總體來看, 各處理CH4通量變化幅度較小且在0 μmol·m-2·s-1上下浮動。說明冬季稻田土壤CH4排放較小。

在水稻生育期, C處理土壤CH4通量在水稻早稻分蘗盛期和孕穗期, 晚稻苗期時有較大幅度的升高和降低, 并與其他處理間有顯著性差異(<0.05); 其余處理在水稻生育期變化幅度均不大, 各處理間無顯著性差異(>0.05), 并且集中在±0.03 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)上下浮動。土壤CH4通量高時均為田間淹水時期, 說明土壤CH4通量的產(chǎn)生及排放主要集中在水稻生長過程中需要淹水的階段。

圖2 冬季及雙季稻生育期稻田土壤CH4排放通量

CK: 不施肥對照; C: 單施雞糞; CB: 雞糞配施生物炭; B: 單施生物炭。CK: no fertilization; C: chicken manure; CB: chicken manure plus biochar; B: biochar.

2.2 CO2和CH4累積排放量

2.2.1 冬季稻田CO2和CH4累積排放量

如圖3所示, CO2累積排放量各處理變化幅度為166.43~12 263.24 kg·hm-2, CH4累積排放量各處理變化幅度為0.45~44.53 kg·hm-2。各處理土壤CO2和CH4累積排放量有極顯著差異(<0.01)。

測定期間(50 d), 與對照相比, C處理、CB處理和B處理土壤CO2累積排放量分別高58.7倍、72.7倍和12.3倍, 差異極顯著(<0.01)。說明添加雞糞和生物炭會顯著促進土壤CO2累積排放量。本研究中, 新鮮雞糞添加量為73 t·hm-2, 生物炭的添加量為30 t·hm-2, 雞糞和生物炭中均含有大量有機碳, 說明添加外源性有機碳增加土壤CO2的排放。另外, CB處理CO2累積排放量比C處理高2 327.85 kg·hm-2, 與B處理的2 214.05 kg·hm-2相當, 說明CB處理的CO2累積排放量中, 有一部分為生物炭中活性碳分解釋放組成。

如圖3所示, 各處理土壤CH4累積排放量大小為C>CB>CK>B, 且C與CB之間有極顯著差異(<0.01), C比CB處理CH4累積排放量高出2.4倍。說明旱地土壤中, 生物炭會抑制土壤CH4的排放。

圖3 冬季稻田土壤CH4和CO2累積排放量

CK: 不施肥對照; C: 單施雞糞; CB: 雞糞配施生物炭; B: 單施生物炭。不同大寫字母代表不同處理間差異極顯著,<0.01; 不同小寫字母代表不同處理間差異顯著,<0.05。CK: no fertilization; C: chicken manure; CB: chicken manure plus biochar; B: biochar. Different capital letters represent extremely significant differences between different treatments at 0.01 level; different lowercase letters represent significant differences between treatments at 0.05 level.

2.2.2 水稻生育期CO2和CH4累積排放量

如圖4所示, C處理和CB處理CO2累積排放量與CK相比要高, 且具有顯著差異性(<0.05), 其中C處理比對照高56%, CB處理比對照高41%。雖然B處理比對照高17%, 但差異不顯著; CB處理比C處理低2 726.11 kg·hm-2, 且差異顯著(<0.05), 說明與單施雞糞相比, 冬季稻田添加生物炭能夠降低水稻生育期土壤CO2累積排放量。添加生物炭在冬季稻田會增加土壤CO2累積排放量(圖3), 但在經(jīng)過較長時間后, 會起到降低土壤CO2累積排放的作用。

同水稻田冬閑時期一樣(圖3), 添加生物炭處理CH4累計排放量顯著低于沒添加生物炭的處理, CB處理比C處理減少了746%, B處理比CK減少了1 303%, 差異極顯著(<0.01)。CB處理CH4累積排放量雖然高于CK, 但沒有顯著性差異。說明無論是否淹水, 添加生物炭處理均能抑制土壤中CH4的產(chǎn)生與排放。

圖4 水稻生育期稻田土壤CH4和CO2累積排放量

CK: 不施肥對照; C: 單施雞糞; CB: 雞糞配施生物炭; B: 單施生物炭。不同大寫字母代表不同處理間差異極顯著,<0.01; 不同小寫字母代表不同處理間差異顯著,<0.05。CK: no fertilization; C: chicken manure; CB: chicken manure plus biochar; B: biochar. Different capital letters represent extremely significant differences between different treatments at 0.01 level; different lowercase letters represent significant differences between treatments at 0.05 level.

2.3 早稻和晚稻CO2和CH4累積排放量

如圖5, 土壤CO2累積排放量均表現(xiàn)為晚稻高于早稻, CK晚稻高出早稻1.04倍, C處理晚稻高出早稻83%, CB處理晚稻高出早稻69%, B處理晚稻高出早稻1.16倍, 且均達顯著差異(<0.05)?？赡苤饕c晚稻生育期更長有關(guān)。

土壤CH4累積排放量C處理、CB處理和CK均表現(xiàn)為早稻高于晚稻, 而B處理相反, 但差異不顯著。其中, CK早稻比晚稻高46%, C處理早稻比晚稻高38%, CB處理早稻比晚稻高1.08倍, 均達顯著性差異(0.05)。早稻水稻田長期淹水, 造成厭氧環(huán)境, 土壤CH4的排放一直保持較高速率。

圖5 早稻和晚稻土壤CH4和CO2累積排放量

CK: 不施肥對照; C: 單施雞糞; CB: 雞糞配施生物炭; B: 單施生物炭。不同大寫字母代表不同處理間差異極顯著,<0.01; 不同小寫字母代表不同處理間差異顯著,<0.05。CK: no fertilization; C: chicken manure; CB: chicken manure plus biochar; B: biochar. Different capital letters represent extremely significant differences between different treatments at 0.01 level; different lowercase letters represent significant differences between treatments at 0.05 level.

2.4 CO2通量與5 cm土壤溫度的關(guān)系

圖6顯示了全年土壤CO2通量測定期間土壤溫度與CO2通量之間的關(guān)系。如圖所示, 僅CK和B處理能與5 cm土壤溫度能進行較好的非線性擬合, 建立指數(shù)模型, 而C和CB處理與5 cm土壤溫度無顯著相關(guān)性, 且CK和5 cm土壤溫度的2值大于B處理與5 cm土壤溫度的2值, 說明添加生物炭和雞糞原位還田影響了土壤與大氣CO2交換的機制, 使其影響因素更趨復(fù)雜。

圖6 稻田CO2通量與5 cm土壤溫度的關(guān)系

CK: 不施肥對照; C: 單施雞糞; CB: 雞糞配施生物炭; B: 單施生物炭。CK: no fertilization; C: chicken manure; CB: chicken manure plus biochar; B: biochar.

3 討論

土壤有機碳礦化是土壤排放CO2的主要途徑。施用有機物料是調(diào)節(jié)土壤有機碳的重要措施, 有機物料的施用不僅直接增加碳投入, 改變土壤有機碳的有效性, 而且對土壤碳庫的轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生重要影響, 進而影響到土壤碳的固定和溫室氣體的排放[22]。而施入的有機物料的碳的有效性及其理化性質(zhì)是其影響土壤固碳減排效果的關(guān)鍵因素。施用有機物料對土壤CO2排放的影響已經(jīng)有不少研究, 且基本上都認為施用有機物料會促進土壤CO2排放, 但促進效果與有機物料的性質(zhì), 土壤溫度、濕度和質(zhì)地等因素有關(guān)[23]。目前施入生物炭及生物炭配施有機物料到土壤中對土壤CO2和CH4排放的影響研究較少。

關(guān)于使用腐熟雞糞施入到土壤中對土壤呼吸的影響的研究表明, 雞糞施入土壤中會顯著促進土壤CO2排放量[24-25]。本研究使用的是新鮮雞糞, 同樣表明雞糞施入水稻田土壤中無論是在冬季養(yǎng)雞期間還是水稻種植期間均顯著提高土壤CO2排放。而添加生物炭則在不同時間尺度上會有不同的結(jié)果。有研究表明, 土壤中施入生物炭后, 降低土壤有機碳的礦化達25.5%[26], 而不添加生物炭的土壤CO2排放量顯著高于添加生物炭處理[27]。也有學者發(fā)現(xiàn), 土壤中添加稻殼生物炭會促進土壤礦化[28]。這兩種相反的結(jié)論可能與研究的時間尺度不一致有關(guān)。本研究也采用的稻殼生物炭, 添加生物炭顯著提高冬季稻田土壤CO2的排放, 但雞糞原位還田和生物炭復(fù)合添加造成的CO2累積排放量與單獨雞糞原位還田間的差值和單獨添加生物炭處理造成的CO2累積排放量大小相當, 因此可以認為添加生物炭沒有顯著促進土壤本來的有機碳以及添加的雞糞中的有機碳的礦化, 而是生物炭本身包含的部分易礦化有機碳分解后增加了土壤CO2的排放, 且土壤中碳的凈礦化量或損失量與生物炭中不穩(wěn)定物質(zhì)存在正相關(guān)關(guān)系[29-30]。另外,14C研究結(jié)果也表明, 生物炭施入土壤后CO2排放量約等于生物炭中有機碳分解和無機碳釋放的量[31]。且以CO2形態(tài)釋放的C只占生物炭C總量的0.1%~0.8%[32]。因此, 如果只考慮生物炭引起的碳排放, 并與其在土壤中固定的碳量以及將存在的相當長的時間相比, 短期內(nèi)生物炭引起的碳排放量也是微小的[31]。而到水稻生育期期間, 添加雞糞和生物炭處理CO2累積排放量顯著低于單獨養(yǎng)雞處理, 單施生物炭處理CO2累積排放量與CK無顯著差異, 說明添加的生物炭在土壤中穩(wěn)定后, 抑制土壤中的CO2排放。這種抑制作用, 可能是由于生物炭的添加不僅促進了土壤腐殖質(zhì)的形成, 還有助于碳水化合物、酯族、芳烴等難以被微生物利用的有機大分子的形成, 這種過程將降低有機碳的微生物利用量, 會降低土壤原有的有機碳及雞糞的外源有機碳的礦化, 從而減少了土壤CO2的排放[33-34]。本研究結(jié)果與相關(guān)土壤培養(yǎng)試驗結(jié)果一致, 即添加生物炭在培養(yǎng)前期促進土壤有機碳的礦化, 后期則產(chǎn)生抑制效果[35-36]。綜上所述, 土壤中添加生物炭, 以及生物炭配施雞糞等有機物料雖然短期內(nèi)會促進土壤CO2排放, 但只是短期的激發(fā)效應(yīng)[37], 從長遠來看, 添加生物炭對土壤固碳減排是有利的。

土壤中CH4是由產(chǎn)甲烷菌生成，而產(chǎn)甲烷菌的生存繁殖需要較強的厭氧環(huán)境, 因此, 通過增強土壤通透性, 減弱土壤厭氧環(huán)境, 一方面能減少土壤中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量, 另一方面能夠增加土壤中甲烷氧化菌的產(chǎn)生與繁殖, 從而降低土壤中CH4的排放, 甚至使土壤成為CH4的匯, 而生物炭特殊的理化性質(zhì)能夠做到這一點[38-39]。另外, 生物炭對NH4+的吸附作用降低了NH4+對甲烷氧化菌的競爭, 從而增加了CH4氧化的概率[40-41]。也有研究者認為, 生物炭施入土壤后, 增加了土壤的氧化還原電位, 增加了土壤碳氮比, 刺激了甲烷氧化菌的活性[42]。本研究結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)向稻田中添加生物炭, 無論是冬季土壤濕度較低時, 還是在水稻生育期稻田淹水時間較長時, 都能顯著減少土壤中CH4的排放; 且生物炭在與雞糞配施時也能顯著降低土壤CH4排放量, 說明生物炭對減少土壤CH4的排放效果十分顯著。

4 結(jié)論

1)與對照相比, 添加雞糞會顯著促進土壤CO2和CH4排放; 添加生物炭抑制土壤CH4排放, 在冬季稻田時期顯著提高CO2排放, 但在水稻生育期雖然也提高CO2排放但沒有顯著性差異。

2)生物炭配施雞糞, 與對照相比無論冬季稻田時期還是水稻生育期都會顯著增加土壤CO2排放; 冬季稻田時CH4累積排放顯著高于對照, 水稻生育期時則無顯著性差異。與單獨添加雞糞相比, 冬季稻田時期土壤CO2累積排放有顯著提高, 而水稻生育期內(nèi)則顯著降低; CH4則無論冬季稻田還是水稻生育期均顯著低于單獨添加雞糞處理。

3)綜上所述, 添加生物炭到土壤, 會抑制土壤CH4的產(chǎn)生與排放, 效果十分顯著。且與生物炭本身包含的大量惰性有機碳相比, 短期內(nèi)生物炭引起的CO2排放量也是微小的。因此, 長遠來看, 生物炭施入土壤對農(nóng)田土壤固碳減排的效果是明顯的。

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研究生創(chuàng)新科研項目(11451/510291000002)資助

魏甲彬, 成小琳, 周玲紅, 徐華勤, 唐啟源, 肖志祥, 唐劍武, 譚淑端. 冬季施用雞糞和生物炭對南方稻田土壤CO2與CH4排放的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2017, 25(12): 1742-1751

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Effect of chicken manure and biochar on CO2and CH4emission in paddy fields in South China*

WEI Jiabin, CHENG Xiaolin, ZHOU Linghong, XU Huaqin**, TANG Qiyuan, XIAO Zhixiang, TANG Jianwu, TAN Shuduan

(College of Agriculture, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

The application of biochar to enhance soil carbon sequestration in farmlands is an increasingly investigated research to reverse the effects of climate change. There is little report on the effect of adding manurein combination with biochar application to winter paddy fields on CO2and CH4emissions during winter fallow and growth period of double rice. To fully use winter fallow paddy fields and determine how biochar and chicken manure affected the emission of CO2and CH4, four treatments were set up ― no fertilization (CK), chicken raised in the field and chicken manure addition (C),chicken manure addition and biochar addition (CB), and biochar addition (B). The CO2and CH4fluxes and total emissions were determined in paddy fields using the chamber method along with Greenhouse Gas Analyzer during winter and the growth period of double cropping rice. The objective was to assess the effects of chicken manureincorporation and biochar on soil carbon emission. The results showed that relationship between CO2flux under CK and B treatments and soil temperature at 5 cm soil depth fitted well the non-linear index model. Then CO2flux under C and CB treatments had no significant correlation with soil temperature at 5 cm soil depth, which meant that theaddition of chicken manure made it more sophisticated for soil to modulate CO2emission. The treatment ofaddition of chicken manure significantly increased soil CO2emission in winter paddy fields and during rice growth period with respective emissions of 9 935.39 kg·hm-2and 27 756.34 kg·hm-2, which was 58.7 times (< 0.01) and 56% (< 0.05) higher than that of CK. The cumulative CO2emissions in winter paddy fields and during rice growth period under biochar addition were 12.3 times (< 0.01) and 41% (< 0.05) higher than that of CK during in winter paddy fields and during rice growth period. The emissions of CH4in winter paddy fields and during rice growth period under treatment ofaddition of chicken manure were significantly higher than that under other treatments, while it was not significantly changed in winter paddy fields and significantly decreased during rice growth period under biochar addition treatments. Chicken manureapplication in combination with biochar treatment also significantly improved CO2emission of paddy soils. Cumulative CO2emission under chicken manureapplication along with biochar addition in winter paddy fields was significantly higher than that under chicken manureapplication. Also during rice growth period, it was significantly lower than that under chicken manure return. This suggested that biochar addition inhibited soil CO2emission in the late period. The addition of biochar decreased soil CH4emission in both winter paddy field and rice growth stage. In short, the addition of exogenous organic carbon like chicken manure to soils increased carbon emission (both CO2and CH4), while the addition of biochar to soils increased carbon emission in the short-term and decreased CH4emission. Therefore, from the longer time view, biochar application to soils was beneficial to soil carbon sequestration, and might mitigate carbon emission caused byapplication of chicken manure.

Winter fallow paddy field; Raising chicken; Chicken manure;application; Biochar; CO2emission; CH4emission

, E-mail: xu7541@163.com

May 27, 2017;

Aug. 24, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170493

X501; S161.1

A

1671-3990(2017)12-1742-10

徐華勤, 主要研究方向為草地生態(tài)學。E-mail: xu7541@163.com

魏甲彬, 主要研究方向為草地生態(tài)學。E-mail: 376976802@qq.com

2017-05-27

2017-08-24

* This study was supported by the National Rice Industry System of China (CARS-01-30), the Regional Cooperation Project of Hunan Provincial Department of Science and Technology (2016WK2009), the National Natural Science Foundation of China (41571293, 31100382) and Hunan Province Postgraduate Student Innovation Research Project (11451/510291000002).

* 國家水稻產(chǎn)業(yè)體系項目(CARS-01-30)、湖南省科技廳區(qū)域合作項目(2016WK2009)、國家自然科學基金(41571293, 31100382)和湖南省