生物质炭施用量及水热条件对淹水土壤CO2释放的影响

花 莉， 唐志刚， 洛晶晶， 贾卫华

(1.陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安 710021; 2.国家林业局 林产工业规划设计院， 北京 100010)

0 引言

目前，全球温室效应已成为社会关注的焦点.CO2作为最主要的温室气体，对全球温室效应的贡献达50%～60%[1].大气中约20%的CO2来源于农业活动及其相关过程[2].据IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)数据显示，2007年农业温室气体排放约占全球总温室气体排放量的17%[3].其中,稻田生态系统作为农业CO2温室气体的主要排放源，在全球温室效应中起着重要作用.因此，控制稻田温室气体排放对缓解全球气候变暖问题具有重要意义.

据世界观察研究所的一篇报道[4]称，通过改变农业耕作方式等5项措施可以减少土壤25%的CO2释放量，其中包括向土壤中施加生物质炭.由于生物质炭在农业和环境保护中的巨大应用前景，以及对土壤碳的增汇减排作用，近几年来一直都是土壤学和环境科学的研究热点[5].

已有研究[6,7]表明，土壤中施用生物质炭，能明显改变土壤的理化性质和微生物活性，进而影响土壤CO2的释放.然而由于受生物质炭的种类、施炭量、土壤有机质含量以及土地利用方式等因素的影响，目前对生物质炭作用于土壤CO2释放的影响效应，各研究者的看法不一，也未曾有系统阐述生物质炭对土壤CO2释放影响机理的报道.

此外，土壤CO2释放本身还受温度、淹水深度、土地利用方式等外界条件的影响，因此很有必要从生物质炭添加量、农业管理等方面提出合理的调控措施，从而为促进稻田CO2温室气体的减排提供可靠依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况与供试土壤的基本信息

本实验土壤采自西北关中平原水稻田(34 °2′54″N，108 °46′4″E)，属渗育型水稻土，该地区年均气温13.1 ℃，年均降水量约660.6 mm.采样时为冬闲期，稻田表层无积水.采用S型取样，共分16点取土，采样时刨除1 cm表层土，取2～15 cm厚层的土壤，带回实验室.将取回来的水稻土，一部分置于聚乙烯自封袋4 ℃下冷藏保存，测其理化性质.其余捣碎，剔除石子和枝叶，实验前先过2 mm筛.

土壤的有机碳测定参照重铬酸钾氧化-分光光度法：取风干土样0.2 g，先后加入0.1 g的硫酸汞、8 mL 8 g/L的重铬酸钾，再缓慢加入7.5 mL的浓硫酸，135 ℃消解30 min，冷却后定容，于585 nm处测定其吸光度；土壤总氮采用半微量凯氏法，总磷采用碱熔-钼锑抗分光光度法，具体参照标准方法HJ632-2011.

供试土壤的基本理化性质如表1所示.

表1 供试土壤的基本理化性质

1.2 生物质炭的基本信息

本实验所用生物质炭来自陕西亿鑫生物能源有限公司，炭化材料为果木废弃物.炭化温度为450 ℃～700 ℃，基本理化性质如表2所示.

表2 生物质炭的基本理化性质

1.3 主要仪器

CO2气体检测采用便携式红外CO2气体检测仪(HT4-ZDR-CJ，北京中西远大).

1.4 实验设计与装置

采用静态箱法[8]设计加工，该装置整体呈圆柱形，由有机玻璃材料组成(如图1所示).顶部开口，并设用玻璃罩，中间用橡胶垫圈连接，玻璃罩、橡胶垫和法兰均钻有一排螺丝孔，检测气体时用来实现密封.顶部玻璃罩向上开两个长嘴小孔，检测CO2时用来连接进气管和排气管.

图1 静态箱式实验装置

向上述每个装置里加入0.5 kg经预处理后的水稻土，以绝干质量为基准，分别添加土壤质量2%(C2)，5%(C5)，8%(C8)的果木炭，同时设不加炭为对照(C0)，每组处理设3个平行，气体CO2的释放量取其平均值.施用果木炭前，先将其粉碎并过2 mm筛，然后加水将炭土混匀，保证土壤淹水深度约为2～3 cm.待培养超过1月后，每日测定土壤的CO2释放量.

1.5 CO2的采集与测定

本实验培养时间自2013年6月初开始，9月初结束.研究了第51 d至第74 d土壤CO2的释放量变化.每天密封时长为9 h(密封时间若超过20 h，CO2浓度容易超仪器测定量程；密封时间若低于 9 h，各处理之间的数据差异不明显)，主要集中在11:00～20:00之间.

CO2的排放通量按下式计算[9]：

(1)

式中：F为CO2排放通量(mg·m2·h-1)，M为气体的摩尔质量，P0和T0为理想气体标准状态下的气压和温度，V0为CO2在标准状态下的摩尔体积(22.4 L·mol-1)，H为静态箱气室高度，P和T为采样时静态箱内的实际气压和温度，dc/dt为静态箱内单位时间内CO2浓度的变化.

1.6 数据处理与分析

采用origin8.5对数据进行处理与绘图；不同因素与土壤CO2释放的相关性分析采用SPSS 19.0方差分析(ANOVA).

2 结果与讨论

2.1 施炭量对淹水土壤CO2释放的影响

土壤根系呼吸和土壤微生物对有机质的氧化分解是土壤空气中CO2的主要来源[10].已有研究[6,11,12]表明，生物质炭的添加对土壤CO2的释放有明显抑制作用，这主要是通过以下两个途径来实现：一是通过改变土壤的理化性质，如土壤的通透性、团聚体结构等，从而降低土壤的有机碳矿化速率；二是改变土壤微生物的活性，进而减少土壤呼吸代谢所产生的CO2.Randon等[13]指出，施加生物质炭可以显著提升土壤的稳定性碳库，降低土壤有机碳的矿化速率，从而达到增汇减排的目标.

图2和图3分别为不同施炭量处理在淹水条件下土壤CO2的排放通量和累计释放量.从图中可以看出，C2、C5、C8处理的土壤CO2排放速率和累计排放量明显低于对照(C0)，且高施炭量处理下土壤CO2的排放速率更低.淹水时间越长，土壤有机质特别是活性有机质被快速分解后，CO2释放速率逐渐降低.由于培养过程中，每日温度变化对CO2释放速率影响较大，以及周期取样对土壤的扰动，短期内减少了土壤的厌氧程度，因而期间出现了CO2的释放速率周期性的波动.但与对照相比，2%、5%、8%施炭量处理的土壤CO2累计释放量分别降低了5.1%、2.4%和26.5%.显然，高施炭量对土壤CO2释放的抑制作用更为明显.

至于C5比C2的释放量略高，这可能是由于不同施炭量对土壤酶活性造成的差异(脱氢酶活性，C0>C5>C2>C8，见图4所示).土壤脱氢酶是一种氧化还原酶，可以反映土壤体系内活性微生物量以及其对有机物的降解活性.脱氢酶活性越高，土壤的微生物量和活性越强，对土壤有机质的分解作用可能也越强，CO2的释放速率也越快.

图2 不同施炭量对淹水土壤CO2排放通量的影响

图3 不同施炭量对淹水土壤CO2累计释放量的影响

图4 不同施炭量对土壤脱氢酶活性的影响

2.2 温度和昼夜变化对淹水土壤CO2释放的影响

温度和水分是影响土壤呼吸的两大重要环境因子[14].由图5可知，随着环境温度的升高，土壤CO2的释放速率明显增加，这归因于土壤根系和微生物的呼吸作用增强，土壤有机质的分解矿化速率加快.然而，同一温度条件下各处理之间CO2的释放速率趋势与施炭量对CO2释放的影响趋势一致.

图5 温度对淹水土壤CO2释放速率的影响

图6为昼夜变化对不同施炭量处理土壤CO2释放速率的影响.显然,夜间土壤CO2释放速率要高于白天，这可能是因为夜晚土壤根系和微生物以呼吸作用为主；而白天有光照的存在，土壤微生物能够利用光合作用实现部分CO2转化.从昼夜温差来看，由于是模拟土柱实验，昼夜温差很小，基本上可以排除因温差而造成的CO2释放量差异.

图6 昼夜条件对土壤CO2释放速率的影响

2.3 淹水深度对土壤CO2释放的影响

土壤含水量的高低直接影响土壤的通透性和微生物活性，当土壤水分增加到一定程度时，土壤呼吸速率则表现出下降的趋势[15].同时,过高的含水量会影响土壤中氧气的扩散，植物根系和好氧微生物的活性也会受到抑制[16].

而对于淹水稻田来说，土壤长期处于淹水，土壤根系和微生物的呼吸作用受到很大的抑制.这时土壤微生物对有机质的厌氧分解起重要作用，然而微生物的降解活性也依赖于一定的温度条件.灌水深度直接决定土壤与外界空气、温度的交换.如图7所示，灌水深度愈深，土壤温度和水层温度上升越慢[17]，土壤厌氧分解所产生的CO2量也越少，因而CO2的释放量表现为随灌水深度的增加而减少.

图7 淹水深度对淹水土壤CO2释放速率的影响

3 结论

综上所述，生物质炭的添加对淹水土壤CO2的释放量有明显的抑制作用，且高施炭量下的抑制效果更好；环境温度是影响土壤CO2释放的重要因素，温度越高，CO2释放速率越快；夜间CO2的释放量要高于白天；淹水深度与土壤CO2的释放呈反比，合理的灌溉措施有利于减少CO2温室气体的释放.

综合考虑CO2和CH4排放的温室效应，施加8%的生物质炭对土壤CO2的释放有较好的抑制作用.对于温度较高的外界条件下，应增加灌水深度从而减少CO2的释放.例如,在水稻抽穗期高温来临之前，应提高灌水深度，此举不仅可以减少高温热害作用[18]，还可以抑制土壤有机质的厌氧分解和产甲烷菌的活性.然而,灌水深度不断增加带来的另一个客观结果是，土壤的氧化还原电位越来越低，产甲烷潜力也会逐渐增强.因此,综合考虑，建议采用间歇灌溉的方式，在作物生长季增加淹水深度，在作物成熟期采取烤田措施.而在冬季，应采取免耕，并尽可能减少田间持水量，以减少CO2和CH4的综合排放效应.

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