劉先良，鄧 茂，王祥炳，姚 靖，程睿韜，張永江

（重慶市黔江區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，重慶409000）

目前，氣候變暖成為全球關(guān)注的一個熱點(diǎn)問題。CO2、CH4和N2O作為最重要的溫室氣體，對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率占了近80%［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計，黑龍江省秸稈總量達(dá)到6.58×107t，占東北地區(qū)秸稈產(chǎn)量的50%［2］。近年來，隨著農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的變化，大量秸稈或閑置或被燒掉，秸稈焚燒成為空氣污染及溫室氣體排放的重要來源之一。生物質(zhì)炭化技術(shù)為解決我國龐大的秸稈資源問題及提高農(nóng)田碳匯和抑制農(nóng)業(yè)溫室氣體排放，對緩解全球氣候變化具有極為重要的意義［3－4］。

生物質(zhì)炭是指將生物質(zhì)原料（農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等）在限氧或缺氧條件下，經(jīng)高溫?zé)崃呀馑a(chǎn)生的一類具有高度芳香化、含碳豐富、穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)［5］。生物質(zhì)炭特殊的理化性質(zhì)具有提高固碳減排［6－7］、提高土壤肥力［8］等特性。目前全球?qū)W者對于生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)以及將其作為固碳減排劑的研究相繼展開，但目前的研究大多為模擬試驗(yàn)或短期的盆栽試驗(yàn)，針對大田的長期定位試驗(yàn)較少，因此，本研究通過2年的田間定位試驗(yàn)，探討研究生物炭施入對農(nóng)田溫室氣體（CO2和N2O）的動態(tài)變化過程，以期為生物質(zhì)炭作為固碳減排劑及秸稈資源的綜合利用提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省農(nóng)墾總局紅興隆管理局曙光農(nóng)場，地理坐標(biāo)為130°17～130°39′E，46°13′～46°23′N。農(nóng)場屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣候四季分明，冬長夏短。年平均氣溫3.6℃，年平均降水量523.4 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

供試土壤類型為崗地白漿土，土壤基本理化指標(biāo)見表1。本研究中田間試驗(yàn)所用的生物炭以玉米秸稈為原料制得，購自南京勤豐秸稈科技有限公司，在500℃左右溫度下經(jīng)熱裂解制成。試驗(yàn)用生物炭基本理化性質(zhì)指標(biāo)詳見表2。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

表2 生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)于2015年4月玉米播種前通過旋耕機(jī)將生物質(zhì)炭一次性深翻施入土壤中，深度為20 cm左右，每個小區(qū)面積30 m2（5 m×6 m）；生物質(zhì)炭試驗(yàn)設(shè)4個處理，其中空白對照（CK）0 t／hm2、處理 1（B1）10 t／hm2、處理 2（B2）20 t／hm2、處理3（B3）30 t／hm2，每個處理 3次重復(fù)，隨機(jī)放置氣體收集箱。2年試驗(yàn)玉米大田施肥量為：底肥施尿素200 kg／hm2、磷酸 二 銨 150 kg／hm2，硫 酸 鉀 50 kg／hm2，追 肥 施 尿 素120 kg／hm2。2015年、2016年分別于5月6日、5月10日播種，足墑播種，全生育期無人工灌溉，田間管理一致，分別于10月9日、10月6日收獲。

1.4 氣體樣品采集

氣體取樣采用靜態(tài)箱法，其裝置主要包括靜態(tài)箱及其底座，靜態(tài)箱可人工移動，底座被長期預(yù)埋田間。靜態(tài)箱由5 mm厚的透明有機(jī)玻璃制成，規(guī)格為30 cm×40 cm×100 cm；箱4面和頂部封閉，底部開口，箱內(nèi)頂部安裝一個微型風(fēng)扇，頂部打孔接出風(fēng)扇電源線，箱體一側(cè)設(shè)置三通閥采氣孔，用于連通三通閥便于收集氣體。采樣時間為10：00—10：30，田間采樣情況見圖1。將采氣管與箱體連接，用箱內(nèi)氣體抽洗注射器2～3次，最后停至0刻度。每個取樣點(diǎn)蓋箱后立即計時，在第0、15、30 min分別采集氣樣。在采集氣體時要同時測定當(dāng)時氣溫、0～10 cm地溫以及采集箱內(nèi)溫度，同時要采集0～20 cm土壤樣品并測定土壤含水量等數(shù)據(jù)。

1.5 測定指標(biāo)及計算方法

土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)參照鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析（第三版）》進(jìn)行測定。

1.5.1 CO2和N2O氣體排放通量計算 測定采用靜態(tài)箱法和氣相色譜（GC）法進(jìn)行測定。采集好的氣體注入氣體收集瓶內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室于48 h內(nèi)進(jìn)行迅速測定。CO2和N2O排放通量計算公式如下：

式中：F表示 CO2和 CH4排放通量［mg C／（m2·h）］和 N2O排放通量［μg N／（m2·h）］；M表示 CO2－C、和 N2O－N含 C或N的原子量，分別為12 g／mol和28 g／mol；H為采樣箱的有效高度（m），d c／d t為 N2O排放速率［nL／（L·h）］，即每個小區(qū)每次3個時間（0、15、30 min）采集的3個樣品的氣體濃度與時間進(jìn)行一次線性回歸是回歸方程系數(shù)，T為采樣時箱內(nèi)平均氣溫（℃）。

1.5.2 綜合溫室效應(yīng)（GWP）測定計算 在全球增溫潛勢（GWP）估算中，CO2看做參考?xì)怏w，CH4和N2O排放量的增減通過GWP值轉(zhuǎn)換成CO2等效量，100年時間尺度上CH4和N2O的全球增溫潛勢分別為相當(dāng)于CO2的25倍和298倍。綜合溫室效應(yīng)由公式（2）計算：

式中：GWP為 CH4和 N2O的綜合溫室效應(yīng)，R（CH4）和 R（N2O）分別為玉米生長季內(nèi)土壤CH4和N2O的排放總量（kg／hm2）。因本試驗(yàn)中未測定CH4氣體排放通量，故未納入公式計算范圍內(nèi)。

1.5.3 溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）計算 溫室氣體排放強(qiáng)度的定義為單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的溫室氣體排放量計算公式為：

式中：GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度（kg CO2／t）；GWP為 CH4和N2O排放的綜合溫室效應(yīng)（kg CO2／hm2）；Yield為玉米產(chǎn)量（t／hm2）。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用 Office 2007、SPSS 17.0和 Origin Pro 8.0進(jìn)行處理、統(tǒng)計分析和制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤CO2排放的季節(jié)動態(tài)影響

在2015年和2016年2年的玉米生長季期間，通過添加不同量的生物質(zhì)炭，2年間的農(nóng)田土壤CO2的排放趨勢基本趨于一致。2015年，農(nóng)田土壤CO2－C的平均排放通量分別為：B1相對較低，為 177.31 mg CO2／（m2·h），B2處理188.44 mg／（m2·h），B3處理 205.27 mg／（m2·h），與對照CK［167.10 mg／（m2·h）］相比，農(nóng)田土壤 CO2的排放量分別增加6.11%、12.77%、22.84%。其中 B3處理與對照差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），其他處理與對照無顯著差異。

從圖3可以看出，2016年農(nóng)田土壤不同處理間農(nóng)田土壤CO2的平均排放通量較2015年有所降低，但降低幅度較小，生物質(zhì)炭添加各處理間與對照CK相比無顯著差異。2016年B1、B2、B3處理與對照 CK相比，分別增加11.66%、16.00%、26.02%。

2.2 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤N2 O排放的季節(jié)動態(tài)影響

玉米生長季內(nèi)N2O排放動態(tài)變化如圖4、圖5所示。不同處理下，土壤N2O的排放速率隨時間的變化很大，但基本變化趨勢一致，排放峰值分別出現(xiàn)在降水和施肥后。土壤N2O的排放受施肥和降水影響較大，在降水和施肥后土壤N2O的釋放都會增加，且施用生物質(zhì)炭處理的土壤N2O的排放峰值低于常規(guī)施肥（對照）處理。2015年整個玉米生長季，B1、B2、B3處理的 N2O－N平均排放通量分別為553.41、419.81、397.48 μg／（m2· h），與 對 照 CK 處 理［733.49μg／（m2·h）］相比，分別降低了 4.55%、42.77%、45.81%；生物質(zhì)炭的施入與對照相比顯著降低了N2O的排放，且以B3處理降低幅度最大。

由圖5可以看出，在2016年整個玉米生長季，B1、B2、B3的處理N2O－N平均排放通量分別為 579.03、511.68和44315μg／（m2·h），與對照 CK處理［622.44μg／（m2·h）］相比，分別降低了 6.97%、17.79%、28.80%；同對照相比，生物質(zhì)炭使土壤N2O排放量顯著降低，但是整體效果較2015年生物質(zhì)炭處理同期的降低幅度減少。

2.3 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤溫室氣體綜合排放的影響

由表3可以看出，與對照CK處理相比，在生物質(zhì)炭B1、B2、B3的處理?xiàng)l件下，N2O－N的排放量連續(xù)2年顯著降低，2015年和 2016年分別降低了 32.54%、74.71%、84.53%和10.23%、24.74%、44.03%；而 CO2－C排放量連續(xù) 2年均有不同程度的上升，2015年提高了 6.11%、12.77%、22.84%，2016年提高了 11.66%、16.00%、26.02%；與對照處理相比，生物質(zhì)炭B1、B2、B3處理下GWP（100）連續(xù)2年顯著降低，2015年分別降低了 19.52%、31.09%、46.53%，2016年分別降低 8.54%、15.58%、41.42%。

由表3可知，與對照CK處理相比，生物質(zhì)炭B1、B2、B3處理下GHGI連續(xù)2年顯著降低，2015年和2016年分別降低了 19.79%、32.12%、48.28%和 9.44%、17.03%、42.88%。添加生物質(zhì)炭改變了玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的增溫潛勢和排放強(qiáng)度，在相同施肥條件下，隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，2015年和2016年增溫潛勢和排放強(qiáng)度依次遞減，B3處理的增溫潛勢和排放強(qiáng)度顯著低于CK和B1處理。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤CO2排放的季節(jié)動態(tài)影響

影響土壤CO2排放的影響因素較多，如土壤MG度、養(yǎng)分、孔隙度、微生物量、近地表大氣環(huán)流的狀況等，同時生物質(zhì)炭制備的溫度、原料、時間也同樣對土壤CO2排放存在較大影響，這些因素都交互作用于CO2的排放。Spokas等通過研究16種不同生物質(zhì)炭對土壤溫室氣體排放的影響，發(fā)現(xiàn)抑制CO2排放的2種生物質(zhì)炭是由玉米秸稈在熱裂解溫度分別為400、515℃下制成的［11］，而本試驗(yàn)所采用的生物質(zhì)炭是由玉米秸稈粉碎在500℃溫度下熱裂解制成，試驗(yàn)也獲得了較一致的研究結(jié)果。Rogovska認(rèn)為，添加生物質(zhì)炭能夠增加土壤的呼吸速率，加快腐殖質(zhì)的分解速度，從而能夠促進(jìn)CO2的排放，可能是由于生物質(zhì)炭能夠加強(qiáng)微生物活性，加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解［12］。而何飛飛等研究認(rèn)為，在紅壤中添加生物質(zhì)炭，其CO2的排放量與土壤的pH值、陽離子交換量（CEC）及土壤含水量有極顯著相關(guān)性，認(rèn)為pH值、CEC、含水量的提高有利于土壤微生物活性的提高，增加CO2的排放［13］。

表3 生物質(zhì)炭對土壤CO2排放的總量，增溫潛勢（GWP）和溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）的影晌

表4 2015和2016年土壤TN、pH值、田間持水量和容重（0～20 cm）

本研究中，生物質(zhì)炭施入土壤后，土壤pH值和含水量均一定程度上升，土壤容重顯著降低，增加了土壤的透氣性，同時各處理間CO2排放略有浮動，試驗(yàn)結(jié)果得到一致性趨勢。Spokas等研究卻認(rèn)為是土壤微生物受到生物質(zhì)炭的毒害作用，降低了微生物的活性使呼吸作用受到了抑制，從而減少了土壤CO2的排放［14］?；ɡ虻认蛲寥乐刑砑由镔|(zhì)炭，發(fā)現(xiàn)加速了土壤中腐殖質(zhì)的形成，促進(jìn)了難以被土壤微生物利用的碳水化合物、酯族、芳烴等有機(jī)大分子的形成，增加土壤養(yǎng)分，從而減少CO2的排放［15］。分析發(fā)現(xiàn)，不同學(xué)者所采用的試驗(yàn)材料、研究方法以及試驗(yàn)對象存在較大差異，對生物質(zhì)炭能否真正減少土壤溫室氣體排放，還存在很多爭議。目前主要來自實(shí)驗(yàn)室內(nèi)優(yōu)化條件下短期培養(yǎng)數(shù)據(jù)，缺乏田間長期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對生物質(zhì)炭等的添加對土壤CO2排放效應(yīng)及機(jī)理解釋目前并不一致，有待進(jìn)一步研究。

3.2 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤N2 O排放的季節(jié)動態(tài)影響

不同的環(huán)境因素和農(nóng)田管理措施（如pH值、土壤溫度、濕度、施肥、耕作等）相互聯(lián)系和作用于旱作農(nóng)田土壤N2O的排放［16］。其他的研究也表明，生物質(zhì)炭較大的比表面積及較強(qiáng)的吸附能力，能夠增加其對土壤中NH4＋－N和NO3－－N的吸附，土壤中較高的C／N可以抑制土壤礦化N的量［17］，減少N2O產(chǎn)生的基質(zhì)，減少N2O的排放。試驗(yàn)添加生物質(zhì)炭后土壤容重不同程度減小，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的添加降低了N2O排放通量峰值，排放量隨添加量的增加而降低；由表4可以看出，試驗(yàn)添加生物質(zhì)炭后土壤容重不同程度減小，增加了土壤孔隙度，而土壤孔隙度影響土壤中氧氣的供給狀況，對N2O的排放過程產(chǎn)生極為重要的影響［18］，本試驗(yàn)研究效果與之一致。

本試驗(yàn)供試土壤為弱酸性土壤，試驗(yàn)添加生物質(zhì)炭后土壤pH值不同程度地增加，Yanai等研究認(rèn)為，生物質(zhì)炭灰分中的堿性物質(zhì)可以改變土壤的pH值，刺激N2O還原酶的活性，減少N2O排放［19］，本試驗(yàn)與其研究效果一致。本研究結(jié)果表明，不同處理下土壤N2O的排放速率隨時間的變化很大，但基本變化趨勢一致，排放峰值分別出現(xiàn)在降雨和施肥后，且施用生物質(zhì)炭處理的N2O的排放峰值低于常規(guī)施肥對照處理。本研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭處理對降低N2O排放具有持續(xù)性，但是生物質(zhì)炭B2處理下第一年減排效應(yīng)優(yōu)于次年，而B3處理的減排效應(yīng)具有持續(xù)的穩(wěn)定性。

3.3 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤溫室氣體綜合排放的影響

全球增溫潛勢（global warming potential，GWP）是一個相對輻射強(qiáng)迫指數(shù)，玉米農(nóng)田GWP和GHGI主要由CO2貢獻(xiàn)，隨著時間尺度的延長及大量N肥的持續(xù)施用，N2O對旱作春玉米農(nóng)田綜合溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率可能進(jìn)一步上升，主要是因?yàn)镹2O在大氣中存活時間較長，并且其全球增溫潛勢也遠(yuǎn)高于CO2。本研究結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭對土壤溫室氣體排放具有顯著影響。與對照（CK）處理相比，生物質(zhì)炭B1、B2、B3處理下GWP（100）和GHGI連續(xù)2年顯著降低，添加生物質(zhì)炭改變了玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的增溫潛勢和排放強(qiáng)度，在相同施肥條件下，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，2015年和2016年增溫潛勢和排放強(qiáng)度依次遞減。

分析原因可能有2個主要方面：第一，添加生物質(zhì)炭改變了較適宜春玉米生長的土壤C／N比；第二，生物質(zhì)炭中的碳粒子具有較高的陽離子交換量（CEC），所以具有較強(qiáng)吸附能力，提高了對NO3－－N和NH4＋－N養(yǎng)分的吸收，同時也抑制了土壤氮的礦化。施加生物質(zhì)炭后，由于不同種類土壤在質(zhì)地、水分含量、通氣狀況、溫度、作物類型等方面的差異，均會造成N2O和CO2排放變化的差異。生物質(zhì)炭施用對旱作農(nóng)田溫室氣體排放的影響究竟如何，需要進(jìn)一步進(jìn)行長期的田間定位監(jiān)測，為準(zhǔn)確評價生物質(zhì)炭對旱作農(nóng)田土壤溫室氣體排放影響積累更加豐富和代表性的數(shù)據(jù)，同時也為生物質(zhì)炭還田大面積推廣應(yīng)用提供一定科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

施用生物質(zhì)炭對土壤溫室氣體、GWP和GHGI均有顯著影響，且2年間具有持續(xù)的效應(yīng)。2015年，農(nóng)田土壤CO2－C的平均排放通量在B3處理下CO2的排放總量與對照達(dá)到顯著差異水平（P＜0.05），其他處理與對照無顯著差異；2016年農(nóng)田土壤不同處理間農(nóng)田土壤的CO2平均排放通量較2015年有所降低，但降低幅度較小，生物質(zhì)炭添加各處理間與對照CK處理相比無顯著差異。連續(xù)2年施用生物質(zhì)炭均顯著降低了土壤N2O排放、GWP和GHGI，且隨著施用量的增加效果愈明顯，但次年對農(nóng)田土壤CO2的排放沒有顯著性影響。綜合連續(xù)2年試驗(yàn)結(jié)果，生物質(zhì)炭對CO2排放的影響具有年際波動性，而對于降低土壤N2O排放、GWP和GHGI具有持續(xù)效應(yīng)，且高用量生物質(zhì)炭B3效應(yīng)在連續(xù)2年里具有持續(xù)性和穩(wěn)定性。

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