張 楠，潘仕球，喬云發(fā)，朱保國(guó)，苗淑杰

（1應(yīng)用氣象學(xué)院南京信息工程大學(xué)，南京 210044；2黑龍江省農(nóng)科院佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154002）

0 引言

氧化亞氮(N2O)是重要的溫室氣體，在大氣中的滯留時(shí)間較長(zhǎng)（＞10年），其在百年尺度上單分子增溫潛勢(shì)可以達(dá)到二氧化碳(CO2)的265倍，并且是平流層臭氧(O3)最主要的消耗物質(zhì)[1]。大氣中的N2O濃度從1940年290 ppb上升至2017年的330 ppb，農(nóng)業(yè)排放是引起這一增加趨勢(shì)的主要原因[2]。隨著農(nóng)田氮肥用量的增加N2O排放明顯增加，且其排放增量占全球N2O排放增量的80%，并且由于未來集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的加劇，預(yù)計(jì)2010年至2050年全球農(nóng)田N2O排放量將增加約50%[3]。因此，針對(duì)農(nóng)田N2O減排的研究有重要的理論意義和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源豐富，目前秸稈年總產(chǎn)量超過7億t，其中玉米秸稈產(chǎn)量最大，占秸稈總量的77%[4]。由于作物秸稈獲取便捷，同時(shí)富含作物生長(zhǎng)所需多種營(yíng)養(yǎng)元素等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為培肥土壤有機(jī)物料的首選。秸稈還田能夠顯著促進(jìn)有機(jī)質(zhì)積累，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)等[5]。這些土壤性狀的改變可直接影響土壤中的氮素轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而影響N2O產(chǎn)排[6]。關(guān)于秸稈還田調(diào)控N2O排放的研究較多，但結(jié)果卻一直存有爭(zhēng)議，與單施化肥促進(jìn)N2O排放的正效應(yīng)相比，秸稈還田可能促進(jìn)、不影響或者降低N2O排放，且這些不一致的結(jié)果主要與秸稈還田量、方式以及環(huán)境條件有關(guān)[5]。除秸稈直接還田外，還可將其經(jīng)熱解炭化成一類不易降解的含碳豐富的固體物質(zhì)——生物炭。生物炭既可作為改良土壤，培肥地力的有機(jī)物料施入土壤，也可用作調(diào)控溫室氣體排放的材料。添加生物炭是通過提高土壤持水能力、促進(jìn)微生物活動(dòng)、增加陽離子交換量，進(jìn)而影響土壤中的碳氮循環(huán)過程，調(diào)控N2O排放過程[7]。眾多研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭能夠顯著減少N2O排放，但也有研究表明生物炭的施入對(duì)土壤N2O排放有明顯的促進(jìn)作用[8-9]，主要與生物炭性質(zhì)、用量及土壤環(huán)境都有密切關(guān)系。此外，添加秸稈與生物炭在磚紅壤中調(diào)控N2O排放的機(jī)理不同，秸稈通過改變硝化反應(yīng)底物的有效性來影響N2O排放，生物炭對(duì)N2O的減排效果則源于硝化過程中N2O的產(chǎn)生比例較低所致[10]。綜上，關(guān)于秸稈還田及添加生物炭對(duì)于農(nóng)田土壤N2O排放的影響及其主控因素還具有較大的不確定性。

東北平原黑土區(qū)是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，其掠奪式種植導(dǎo)致有機(jī)物料還田少，致使開墾以來農(nóng)田質(zhì)量日益退化[11-12]。因此，秸稈還田及施用生物炭作為培肥土壤的有力手段對(duì)于黑土區(qū)有重要意義，但目前有關(guān)黑土農(nóng)田N2O排放的研究已有很多[13-14]，但有關(guān)秸稈還田及添加生物炭對(duì)黑土區(qū)N2O排放規(guī)律的原位研究鮮有。本試驗(yàn)以東北黑土區(qū)玉米田為研究對(duì)象，建立田間定位試驗(yàn)，探究添加生物炭和秸稈還田對(duì)黑土N2O排放通量的影響，以期為東北黑土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O減排及秸稈資源的合理運(yùn)籌提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米秸稈還田定位田間試驗(yàn)位于中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站內(nèi)，地處黑龍江省海倫市(47°26′N，126°38′E)西郊，海拔240 m，屬于中溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫為1.5℃，降水量為550 mm，其中80%出現(xiàn)在作物生長(zhǎng)期5—9月。該地區(qū)農(nóng)田為雨養(yǎng)旱地，采用壟作種植方式，秋收后耕地起壟，指示作物玉米。供試土壤類型為典型黑土(Mollisol)，質(zhì)地為壤土，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀母質(zhì)，含有34%砂粒、26%粉粒和40%粘粒，土壤pH 6.3，有機(jī)質(zhì)含量為48.3 g/kg，全氮含量為2.2 g/kg。

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理：（1）化肥(NPK)（；2）化肥+秸稈(NPK+S)；（3）化肥+生物炭(NPK+BC)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積5.0 m×3.5 m=17.5 m2。化肥施用與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)相一致，且3個(gè)處理所施化肥量均一致，施肥量(kg/hm2)：N為112.5、P2O5為45.0、K2O為30.0，1/3氮肥、全部磷鉀肥在春季播種時(shí)作基肥，剩余2/3氮肥在拔節(jié)期作為追肥。此外，秸稈還田量為6000 kg/hm2，即每年秋收時(shí)直接將秸稈粉碎，混勻翻耕還田到0～20 cm表層土壤中。生物炭為玉米秸稈炭于2010年秋季施入土壤表層，混勻翻耕0～20 cm土中，施入量為14.4 t/hm2。秸稈和生物炭的基礎(chǔ)性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)秸稈和生物炭的基礎(chǔ)性質(zhì)

1.2 田間取樣與分析方法

2013年，在整個(gè)玉米生長(zhǎng)季，采用密閉靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定土壤N2O排放通量。出苗后次日開始采樣，采樣頻率為一周兩次，為了降低日變化影響，采氣時(shí)間固定在每周一和周四上午10:00—11:00。首先開啟混合器，然后將采樣箱置于采樣底座上，并用水密封，在采氣箱密封后的第0、10、20、30 min用裝有三通閥的50 mL注射器從采氣箱中部的采氣孔插入，來回抽動(dòng)3次以便完全混勻氣體，采集箱內(nèi)氣體20 mL，注入容積為18 mL的真空采氣瓶。采樣按區(qū)組進(jìn)行，以減少土壤呼吸的日變化影響，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

使用氣相色譜分析儀(GC-2010，Shimadzu，Japan)進(jìn)行N2O濃度測(cè)定。N2O用63Ni電子捕獲檢測(cè)器(ECD)檢測(cè)，檢測(cè)器溫度為300℃，色譜柱為80/100目porapakQ填充柱，載氣為氬甲烷(95% Ar+5% CH4)，流速為40 mL/min，N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體購于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。

在玉米成熟期，每個(gè)小區(qū)舍去兩邊兩壟和距離兩頭1 m內(nèi)的玉米，中間玉米全部收集稱重，采集植株樣品，分為根系、秸稈和籽粒，在60℃下烘干、稱重，計(jì)算含水量以獲得產(chǎn)量和各部分生物量。植株全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)得，作物吸收氮量(kg/hm2)的計(jì)算是由各部位干物質(zhì)重（根、籽粒、秸稈）×各部位含氮量得到。

1.3 氣象數(shù)據(jù)獲得及土壤溫度、含水量測(cè)定

日降雨數(shù)據(jù)來自海倫市自動(dòng)氣象站，采集氣體樣品時(shí)，用地溫計(jì)測(cè)定土壤表層(T0)、5 cm(T5)、10 cm(T10)、15 cm(T15)、20 cm(T20)溫度。土壤重量含水量采用重量烘干法測(cè)定，采用土壤孔隙含水量(Water-filled Porespace，WFPS)表示田間土壤水分狀況，WFPS計(jì)算如式(1)所示。

式中，BD是土壤容重(g/cm3)，2.65為假定的土壤顆粒密度(g/cm3)。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

N2O排放通量計(jì)算如式(2)所示。

式中：F表示N2O排放通量[以N計(jì)，μg/(m2·h)]；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O的密度(μg/m3)；V表示密閉靜態(tài)箱的有效體積(m3)，A為靜態(tài)箱底部覆蓋的土壤面積(m2)；T是密閉靜態(tài)箱內(nèi)的溫度(℃)；60用于單位轉(zhuǎn)換；dc/dt表示單位時(shí)間內(nèi)密閉靜態(tài)箱內(nèi)N2O的濃度變化(10-9/min)。

N2O累積排放量的計(jì)算公式如式(3)所示。

式中，EN2O表示N2O-N累積排放量(kg/hm2)，F(xiàn)表示N2O-N排放通量[μg/(m2·h)]，i表示第i次采樣，ti+1-ti表示兩相鄰測(cè)定間隔天數(shù)（天），n為累積排放量觀測(cè)時(shí)間內(nèi)總的測(cè)定次數(shù)，24×10-5為時(shí)間單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel軟件處理，采用SPSS 20.0數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin2019軟件繪圖。處理間不同生育期N2O累積量用One-way ANOVA、LSD和Games Howell(P＜0.05＝進(jìn)行檢驗(yàn)，且N2O排放通量與土壤溫度，水分間的關(guān)系用Pearson進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子

玉米生長(zhǎng)期間，總降雨量為791 mm，其中84%的降水出現(xiàn)在7月(359 mm)和9月(354 mm)，單日最大降雨量出現(xiàn)在出苗后第68天（7月30日），為153 mm（圖1）。各處理土壤含水量隨降雨小幅波動(dòng)，NPK、NPK+SR和NPK+BC處理平均WFPS分別為33.51%、34.41%和36.15%，各處理土壤水分含量差異不顯著。氣溫在8～26℃之間變化，平均氣溫為19℃，土壤溫度在追肥后逐漸升高，且達(dá)到試驗(yàn)期間觀測(cè)峰值33℃。不同土層溫度隨著深度的增加或降低，其中表層溫度與氣溫的變化趨勢(shì)最為一致(T0=0.95×Tair-1.54，r2=0.77，P＜0.0001)。

圖1 試驗(yàn)期間溫度、降雨量、土壤孔隙含水量(WFPS)和不同土層深度溫度的動(dòng)態(tài)變化

2.2 N2O排放通量

玉米生育期，各處理土壤N2O排放通量呈單峰曲線變化規(guī)律（圖2）。玉米出苗后，N2O排放通量隨玉米生長(zhǎng)呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，追肥后達(dá)到峰值，較高排放持續(xù)1～2周時(shí)間。隨后開始逐漸下降，并趨于穩(wěn)定，維持在一個(gè)較低的水平直至玉米生育期結(jié)束。比較而言，NPK處理土壤N2O排放通量變化范圍為-1.48～65.36 μg/(m2·h)，與添加生物炭處理的變化范圍相近[1.09～66.43 μg/(m2·h)]，但兩者均值差異較大，分別為22.62 μg/(m2·h)和 15.16 μg/(m2·h)，可見，添加生物炭降低了土壤N2O排放，降幅達(dá)到33.0%。秸稈還田處理土壤N2O排放通量變化范圍-6.94～205.59 μg/(m2·h)，比NPK處理增加了82.2%。

圖2 玉米生長(zhǎng)季期間不同處理N2O排放通量

2.3 N2O累積排放量和玉米生物量

玉米全生育期NPK處理土壤N2O累積排放總量為0.71 kg/hm2（表2），添加生物炭可以顯著地降低土壤N2O累積排放量，降幅為32.4%(P＜0.05)；NPK+SR處理土壤N2O累積排放量為1.30 kg/hm2，比NPK處理增加了83.1%(P＜0.05)。在玉米不同生育期，土壤N2O累積排放量差異較大，其中NPK和NPK+SR處理N2O累積排放量整體呈雙峰曲線的變化規(guī)律，峰值出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期，分別占整個(gè)生育期累積排放量的66%和73%。乳熟期次之，苗期與成熟期間累積量較小(0.04～0.06 kg/hm2)。而NPK+BC處理土壤N2O累積排放量呈拋物線型變化，在拔節(jié)孕穗期出現(xiàn)累積峰，累積排放量為0.23 kg/hm2，占全生育期累積排放的47.9%，其余生育期內(nèi)累積排放量較低(0.03～0.06 kg/hm2)。

單施化肥玉米全株生物量?jī)H為13989 kg/hm2，秸稈還田和添加生物炭的玉米總生物量分別為15674 kg/hm2和 18789 kg/hm2，增幅分別為12.0%和34.3%?？梢?，秸稈還田和添加生物炭均可提高玉米總生物量，且后者增幅大。添加生物炭的玉米吸收氮量為214 kg/hm2，該值比單施化肥的提高了41.8%，但差異不顯著(P＞0.05)，而秸稈還田的玉米吸收氮量與單施化肥相近（表2）。

表2 不同處理下玉米生物量和作物吸氮量 kg/hm2

圖3 不同玉米生育期N2O累積排放量

3 結(jié)論

在玉米生長(zhǎng)季，土壤N2O排放受秸稈還田和添加生物炭影響。與單施化肥相比，秸稈還田促進(jìn)N2O排放，生物炭降低N2O排放。土壤N2O排放量與土壤各土層溫度均顯著正相關(guān)，與土壤水分未呈現(xiàn)出相關(guān)，結(jié)果表明，水熱條件中溫度是調(diào)控黑土N2O排放的主要因素。此外，秸稈還田和添加生物炭均顯著增加玉米產(chǎn)量，后者增產(chǎn)幅度大，且同時(shí)提高作物吸氮量。由此可見，玉米秸稈制成生物炭還田既能增加玉米產(chǎn)量，又達(dá)到N2O減排的目的，生物炭是玉米秸稈還田的有效方式。

4 討論

4.1 秸稈還田和添加生物炭影響土壤N2O排放

玉米生長(zhǎng)季期間，與單施化肥處理相比，添加生物炭顯著降低了N2O排放通量及累積排放量，并且在抽穗開花期和乳熟期的減排效果明顯。鄒娟等[15]的研究發(fā)現(xiàn)隨著作物生長(zhǎng)盛期到來，由生物炭介導(dǎo)的N2O減排效應(yīng)得以促進(jìn)，與本研究結(jié)果一致。這是因?yàn)樽魑锷L(zhǎng)盛期，對(duì)氮素需求量大，作為硝化反硝化作用底物的無機(jī)氮素被消耗，因此減弱了N2O排放[16]。但也有研究認(rèn)為，添加生物炭顯著增加石灰性紫色土N2O排放，這歸因于生物炭在堿性環(huán)境中刺激土壤中氨氧化細(xì)菌，促進(jìn)反硝化進(jìn)程進(jìn)而釋放大量N2O[17]。本文研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠顯著降低追肥后N2O的排放峰值，降幅達(dá)到54.5%～86.9%。雖然追肥后土壤中無機(jī)氮含量迅速升高，但生物炭因其自身的多孔結(jié)構(gòu)與較大的比表面積能夠有效吸附和固定土壤中游離的有效態(tài)氮和易降解碳，同時(shí)增加土壤孔隙度和通氣性，一方面使厭氧微生物所需碳氮底物受限[18-19]。另一方面，生物炭能提高土壤中氧化亞氮還原酶(nosZ)基因豐度，促進(jìn)N2O被還原成N2，以此達(dá)到N2O減排的效果[20]。

在玉米生長(zhǎng)季，秸稈直接還田顯著增加土壤N2O排放通量，且在追肥后N2O排放峰值是NPK處理的3倍。劉嬌等[21]的研究結(jié)果表示土壤中施加玉米秸稈會(huì)造成N2O的大量排放。這是因?yàn)檫€田的秸稈分解過程中產(chǎn)生的無機(jī)氮和水溶性有機(jī)碳，增加了硝化反硝化作用的底物[22-23]；且秸稈的分解過程中會(huì)消耗土壤中的氧從而形成厭氧微域，為反硝化作用的發(fā)生提供有利條件[24]。此外，有研究認(rèn)為N2O排放主要與施入秸稈自身的C/N高低有關(guān)，當(dāng)秸稈C/N≤45，秸稈的施入為土壤微生物提供豐富的氮源，凈礦化作用增強(qiáng)，富余氮可刺激硝化反硝化作用，促進(jìn)N2O排放；當(dāng)C/N處于45～100之間，刺激效應(yīng)減弱；C/N＞100時(shí)，微生物對(duì)于氮的同化作用增強(qiáng)，對(duì)N2O排放則產(chǎn)生抑制效應(yīng)[5]。秸稈施入造成碳氮比失調(diào)，本研究中秸稈C/N為51，在滿足作物生長(zhǎng)的需求下，仍存在相對(duì)豐富的氮素，且秸稈的分解過程中可產(chǎn)生供微生物利用的碳源，進(jìn)而導(dǎo)致N2O的排放量增加。同時(shí)，秸稈還田對(duì)土壤的“增溫”作用也是調(diào)控N2O排放的重要因子，且這一效應(yīng)在0～10 cm土層最為明顯，適宜的增溫效應(yīng)使得氮素釋放速率增加，促進(jìn)N2O排放[24-26]。

4.2 環(huán)境因子與土壤N2O排放的關(guān)系

水熱條件是影響土壤N2O產(chǎn)生過程的重要環(huán)境因素[27]。土壤水分通過改變土壤中O2含量、有效碳氮運(yùn)輸、微生物活性等影響土壤硝化及反硝化等過程以此調(diào)控N2O的產(chǎn)生及排放[28]。一般認(rèn)為在干燥、通氣性良好的土壤環(huán)境下，硝化作用占主導(dǎo)地位，且隨著水分含量的增加而增加(30%～70%WFPS)，當(dāng)水分含量較高(＞60%WFPS)時(shí)，通氣性變差，O2含量減少促進(jìn)厭氧微域形成，從而刺激反硝化作用的發(fā)生[29]。在本研究中，土壤水分含量較低，平均含水量為35%WFPS，很少超過60%WFPS，因此硝化作用是N2O產(chǎn)生的主導(dǎo)過程。且研究區(qū)為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，水分含量較低是限制反硝化發(fā)生的重要因素[14,30]。本研究中發(fā)現(xiàn)不同處理的N2O排放通量與WFPS均無顯著相關(guān)關(guān)系(P＞0.05)（圖4）。這與前人報(bào)道土壤N2O排放通量與水分含量正相關(guān)不一致[24]。本研究中土壤含水量的變化主要取決于降雨，在追肥后15天內(nèi)，土壤WFPS持續(xù)升高，同時(shí)N2O排放通量增加，此時(shí)可能是施肥對(duì)N2O排放通量的影響掩蓋了水分效應(yīng)，因此出現(xiàn)二者之間無顯著相關(guān)關(guān)系的結(jié)果[31-32]。在降雨后，土壤含水量明顯上升，同期土壤溫度也有明顯上升，雨熱同季，此時(shí)各處理間N2O排放通量均出現(xiàn)峰值，且平均溫度為23.8℃，為N2O排放的最適溫度[33]。不同處理間土壤含水量表現(xiàn)為添加生物炭處理土壤含水量最高，作為土壤改良劑能夠提高持水能力，秸稈還田處理次之，施肥處理下土壤含水量最低，但不同處理間水分差異不顯著。整個(gè)玉米生長(zhǎng)季土壤N2O排放通量與土壤溫度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，與NI等[30]的研究結(jié)果一致。溫度升高提高微生物活性，促進(jìn)硝化反硝化作用產(chǎn)生N2O。本研究中，雖然不同土層深度的土壤溫度沒有顯著差異，但是隨土層深度的增加土溫有降低趨勢(shì)。各土層土壤溫度均表現(xiàn)出與土壤N2O排放通量正相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，水熱條件中溫度是調(diào)控本試驗(yàn)條件下N2O排放的主要因素。

4.3 秸稈還田和添加生物炭提高玉米產(chǎn)量

秸稈還田和添加生物炭不僅改善了土壤環(huán)境條件，而且?guī)肓舜罅康酿B(yǎng)分，促進(jìn)玉米增產(chǎn)。主要因?yàn)樯锾孔陨磔^大的比表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)使得土壤保墑能力得以提高，生物炭釋放養(yǎng)分，提高土壤中無機(jī)氮及水分含量是增加作物產(chǎn)量的主要因素[20]。秸稈還田可減少地表徑流和水分蒸發(fā)，從而提高土壤含水量，提高作物水肥利用率，同時(shí)秸稈還田對(duì)土壤有保溫作用，為作物生長(zhǎng)提供較適宜的溫度環(huán)境，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)[24,26,33-34]。但秸稈還田的增產(chǎn)率僅為添加生物炭的30%，出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是施用化肥且同時(shí)添加生物炭的情況下，肥料消除了生物炭養(yǎng)分低的不足，而生物炭賦予肥料養(yǎng)分緩釋的性能，調(diào)控氮素釋放速率，提高氮素利用率和作物產(chǎn)量，二者的互補(bǔ)和協(xié)同作用使得作物吸收養(yǎng)分的效率提高[35]。而還田的秸稈需經(jīng)一定時(shí)間的腐解轉(zhuǎn)化其養(yǎng)分才能被作物吸收利用，其腐解程度和速率都直接影響作物的生長(zhǎng)狀況[36-37]，且本文研究區(qū)位于中國(guó)東北地區(qū)，秸稈還田在10月開始，此時(shí)氣溫開始下降至次年春季4月，氣溫在零度以下，微生物活性下降，致使秸稈分解緩慢。且土壤蓬松，通透性強(qiáng)，當(dāng)?shù)卮猴L(fēng)大，影響出苗率和生育前期土壤供水供肥能力，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。