秸秆生物炭对菜地N2O、CO2与CH4排放及土壤化学性质的影响

贾俊香，熊正琴

(1.山西农业大学资源环境学院,山西 太谷　030801；2.江苏省低碳农业与温室气体减排重点实验室/ 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京　210095)



秸秆生物炭对菜地N2O、CO2与CH4排放及土壤化学性质的影响

贾俊香1,2，熊正琴2①

(1.山西农业大学资源环境学院,山西 太谷030801；2.江苏省低碳农业与温室气体减排重点实验室/ 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京210095)

摘要：通过盆栽模拟试验，探究玉米秸秆生物炭施用对菜地温室气体N2O、CO2与CH4排放及土壤理化性质的影响。结果表明，生物炭施用抑制了菜地N2O排放，NB1(施N 400 kg·hm(-2)，生物炭20 t·hm(-2))和NB2(施N 400 kg·hm(-2)，生物炭40 t·hm(-2))的N2O累积排放量分别比N处理(施N 400 kg·hm(-2))低76.4%和70.7%，但抑制效应并未随生物炭用量的增加而加强。生物炭施用增强了CO2排放，但对CH4排放影响不显著。NB1和NB2累积CO2排放量分别为N处理的1.8和2.1倍，不容忽视的是,这2种处理同时增加了土壤中有机碳含量，分别比N处理高15.2%与21.3%。NB1和NB2在不降低甚至提高蔬菜产量的基础上，提高了土壤中NH4+-N含量与pH值，降低了NO3--N含量。pH值和NH4+-N含量分别平均比N处理高0.265和34.9%，NO3--N含量平均比N处理低12.7%，因此生物炭具有减排N2O与改良菜地土壤质量的巨大潜力。但生物炭引起的CO2排放以及对土壤有机碳增加的净影响效应尚需进一步研究。

关键词：生物炭;菜地;N2O；CO2；CH4;土壤化学性质

氧化亚氮(N2O)、二氧化碳(CO2)与甲烷(CH4)是3种重要的温室气体,农业土壤在这3种温室气体的产生与排放中扮演了重要角色[1-3]。菜地是农业生态系统的重要组成部分。近年来,伴随我国蔬菜地面积的快速增加,出现的突出问题是比粮食生产更高的氮肥投入[4]。据统计,我国典型太湖地区稻-麦与华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系平均年施N量为550～600 kg·hm-2[5-7],而北京市郊区与山东寿光菜地氮肥用量分别高达1 000与1 782 kg·hm-2[4,8]。快速增长的集约化菜地与大量氮肥的投入导致N2O大量排放[5,9],同时对CH4与CO2排放也造成不同程度的影响。

生物炭是生物残体在缺氧条件下,经高温不完全燃烧产生的一种含碳量丰富、孔隙发达、比表面积大以及具有极强吸附能力的非纯净碳混合物[10]。诸多研究表明,生物炭能提高土壤碳库、改良土壤质量以及减排温室气体[11-14]。在我国,随着农业废弃物炭化技术的逐渐成熟[15],生物炭作为改善土壤质量的有机物料,在稻田、果园以及南方旱地红壤等土壤中均进行了有益尝试[16-19]。但到目前为止,生物炭应用于菜地的报道甚少。该研究以种植多年的南方典型菜地为研究对象,通过施用不同用量的玉米秸秆生物炭,试图探究生物炭对N2O、CO2与CH4排放的影响效应,以期为我国集约化菜地温室气体科学减排提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试土壤与生物炭

于2011年3月3日—5月1日在江苏省南京市郊区高桥门户外(32°01′ N,118°52′ E)进行盆栽模拟试验。试验土壤取自高桥门温室大棚种植10 a菜地0～20 cm土层,采集土壤风干后过4 mm孔径筛。供试土壤pH值(H2O)为5.8,有机碳含量为17.4 g·kg-1,全氮含量为2.0 g·kg-1,砂粒含量w为3.5%,粉粒含量w为69.4%。供试生物炭由中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室提供,由玉米秸秆在400 ℃下炭化而成,灰分含量为210.0 g·kg-1,有机碳含量为511.3 g·kg-1,pH值为9.5 (生物炭与水质量比为1∶2.5),总氮含量为13.4 g·kg-1,总磷含量为2.5 g·kg-1,总钾含量为13.4 g·kg-1,有效氮含量为14.4 mg·kg-1。

1.2试验设计

试验设置4个处理:CK，不施氮肥与生物炭；N，施N 400 kg·hm-2；NB1，施N 400 kg·hm-2,生物炭20 t·hm-2；NB2，施N 400 kg·hm-2,生物炭40 t·hm-2。每个处理重复3次。NB1与 NB2处理土壤中生物炭施用量分别为8.9与17.8 g·kg-1,相当于田间施用量20与40 t·hm-2[16]。施入氮肥为尿素(N含量w为46%),土壤中施用量为0.18 g·kg-1,相当于施N量400 kg·hm-2,装盆时一次施入,根据当地传统蔬菜生产管理方式,磷肥与钾肥均没有施用。种植蔬菜为菜心(Brassicarapavar.Chinensis),2011年3月1日撒播,每盆20粒种子,出苗后统一间苗,每盆保留8株,5月1日收获。试验盆钵与采样箱由PVC材料制成,试验盆钵为圆柱形(高与直径均为30 cm),采样箱为立方体(长×宽×高为30 cm×30 cm×40 cm)。为便于采样,在盆钵顶部装有正方形储水凹槽,采样时将采样箱放到注满水的水槽内。每个盆钵装土15 kg,装盆时把生物炭与肥料充分混合均匀。为保证蔬菜生长过程中外界环境条件一致,每个盆钵浇水量均相同。

1.3气体样品的采集、测定与排放通量计算

采用静态暗箱-气相色谱法采集并测定N2O、CO2与CH4排放通量。用20 mL注射性针筒采集气样,采样频率为1周1次,采样时间为当地时间09:00—11:00。采集好的样品带回实验室于48 h内用装有ECD与FID检测器的安捷伦气相色谱仪Agilent 7890A测定。采用ECD检测器测定N2O,载气为φ=5%的氩甲烷,流速为35 cm3·min-1;采用FID检测器测定CH4与CO2,载气为氮气,流速为35 cm3·min-1。3种气体检测器温度为300 ℃。

根据每组4个样品的气体体积比与对应采样时间的直线回归斜率求得各气体排放通量。CO2、CH4和N2O排放通量计算公式如下:

(1)

式(1)中,F为N2O(以N计)、CO2(以C计)和CH4(以C计)排放通量，单位为μg·m-2·h-1、mg·m-2·h-1和mg·m-2·h-1;ρ为标准状况下N2O-N、CO2-C和CH4-C密度，其值分别为1.25、0.5和0.54 g·L-1;V为采样箱体积,m3;A为采样底座内土壤表面积,m2;ΔC/Δt为N2O(以N计)、CO2(以C计)和CH4(以C计)排放速率，单位为μg·h-1、mg·h-1和mg·h-1;T为采样箱内温度,℃。各处理排放通量用各重复的平均值表示。

1.4指标测定方法

菜心收获后采集盆钵内土样并测定土壤pH值,有机碳、NO3--N与NH4+-N含量。pH值测定采用pH计电位法(土水质量比为1∶5),有机碳含量测定采用重铬酸钾外加热法。土壤NO3--N与NH4+-N含量采用比色法测定,蔬菜收获后,采集新鲜土样,过2 mm孔径筛,用2 mol·L-1KCl溶液按照质量比为1∶5的土水比浸提,然后用紫外分光光度计(HITACHI,U-2900,Japan)测定。NO3--N含量采用220和275 nm双波长直接测定,NH4+-N含量采用靛酚兰比色法(625 nm)测定[20]。

1.5数据处理

采用Microsoft Excel 2003 软件对数据进行处理和制图,采用JMP(SAS Institute,USA,2007)软件进行方差分析(P<0.05)与多重比较(Tukey法),数据用平均值±标准误表示。

2结果与分析

2.1生物炭对菜地土壤N2O排放的影响

从图1可见,CK处理N2O排放通量均小于同期其他3个处理,N、NB1与NB2处理N2O排放通量呈交错变化。与CK处理N2O排放通量的变幅(0.02～5.05 μg·m-2·h-1)相比,N、NB1与NB2处理N2O排放通量表现出更大的变异性,变幅分别达22.5～1 173.6、4.2～289.1与14.1～460.9 μg·m-2·h-1。氮肥施用促进了菜地土壤N2O产生与排放(表1),N、NB1与NB2处理N2O平均排放通量与累积排放量分别为CK的21.1、5.2与6.4 倍。除NB1外,N与NB2处理N2O平均排放通量与累积排放量均显著高于CK(P<0.05)。生物炭施用显著抑制了菜地土壤N2O排放,NB1与NB2的N2O累积排放量仅为N处理的23.6%与29.3%。生物炭对N2O的抑制效应并未随用量的增加而加强,NB2的N2O累积排放量比NB1高24.4%,但两者间无显著差异。

CK—对照;N—施N 400 kg·hm-2;NB1—施N 400 kg·hm-2,

表1不同处理N2O、CO2与CH4平均排放通量与累积排放量

Table 1Average flux and cumulative emission of N2O, CO2and CH4in different treatments

处理N2O平均排放通量/(μg·m-2·h-1)N2O累积排放量/(10-1g·m-2)CO2平均排放通量/(mg·m-2·h-1)CO2累积排放量/(g·m-2)CH4平均排放通量/(mg·m-2·h-1)CH4累积排放量/(10-2g·m-2)CK26.4±6.4c0.37±0.09c12.2±0.8c17.3±1.1c0.02±0.01a2.4±0.7aN557.6±34.5a8.18±0.49a33.8±0.7b48.0±0.9b0.03±0.02a4.1±3.1aNB1136.0±11.9bc1.93±0.17bc59.3±2.7a83.9±3.8a0.03±0.01a4.0±1.2aNB2169.3±38.3b2.40±0.54b70.9±5.0a100.4±7.1a0.04±0.02a5.9±3.2a

CK为对照;N为施N 400 kg·hm-2;NB1为施N 400 kg·hm-2,生物炭20 t·hm-2;NB2为施N 400 kg·hm-2,生物炭40 t·hm-2。同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

2.2生物炭对菜地土壤CO2排放的影响

由图2可见,N、NB1与NB2处理CO2排放通量表现出较为相似的变化规律,总体上呈近“U”型变化。氮肥与生物炭施用后短期内(3月初)N、NB1与NB2处理均呈现出较高的CO2排放通量,NB1与NB2表现尤为明显,最高值分别达185.9与184.2 mg·m-2·h-1,然后逐渐降低,于3月16日后变化幅度基本趋于平稳。4月16日至5月1日CO2排放通量又逐渐增加。整个观测周期内CK处理CO2排放通量始终最小。从表1可知,N、NB1与NB2处理CO2平均排放通量与累积排放量显著高于CK(P<0.05),其累积排放量分别是CK的2.8、4.9与5.8倍。施用生物炭的NB1与NB2处理间CO2累积排放量无显著差异,但两者均显著高于N处理(P<0.05),分别为N处理的1.7与2.1倍。

2.3生物炭对菜地土壤CH4排放的影响

从图3可以看出,CK、N、NB1与NB2这4个处理CH4排放通量无明显变化规律,且均有负值出现,其变化幅度分别为-0.04～0.15、-0.03～0.13、-0.06～0.13与-0.03～0.13 mg·m-2·h-1。施用氮肥的N、NB1与NB2 处理CH4平均排放通量与累积排放量均高于CK(表 1),但4个处理间CH4平均排放通量与累积排放量均无显著差异,表明施用生物炭对菜地CH4排放无显著影响。

2.4生物炭对菜地pH值,有机碳、NO3--N、NH4+-N含量与蔬菜产量的影响

蔬菜收获后,pH值的方差分析结果(表2)显示,NB1与NB2处理土壤pH值显著高于N处理(P<0.05),表明生物炭施用短期内显著提高了菜地土壤pH值,降低了菜地土壤酸性。

CK—对照;N—施N 400 kg·hm-2;NB1—施N 400 kg·hm-2,

生物炭施用增加了菜地土壤有机碳含量,其中NB1与NB2处理土壤有机碳含量分别比CK处理高17.1%～23.4%，比N处理高15.2%～21.3%。4个处理中,NB2、NB1、N与CK的NH4+-N含量依次降低,除NB2与NB1处理间无显著差异外,其他处理间差异均达显著水平(P<0.05)。N、NB1与NB2 处理NO3--N含量显著高于CK(P<0.05),表明氮肥施用增加了菜地土壤中NO3--N含量,但NB1与NB2处理NO3--N含量分别比N处理低12.0%与13.3%,表明生物炭施用降低了土壤NO3--N含量。NB1处理蔬菜产量最高,分别比N与NB2处理高18.2%与22.8%,施用生物炭较多的NB2处理蔬菜产量并未随生物炭用量的增加而增加。

CK—对照;N—施N 400 kg·hm-2;NB1—施N 400 kg·hm-2,

表2不同处理土壤pH值，有机碳、NO3--N、NH4+-N含量与蔬菜产量变化

Table 2Soil pH, contents of organic carbon, nitrate nitrogen and ammonium nitrogen and vegetable yield in different treatments

处理pH值w(有机碳)/(g·kg-1)w(NH4+-N)/(mg·kg-1)w(NO3--N)/(mg·kg-1)蔬菜产量/(g·盆-1)CK5.80±0.02b17.5±0.10c10.5±0.09c59.5±0.86c189±16.6bN5.75±0.01b17.8±0.10c16.2±0.17b84.8±0.26a314±28.1abNB16.01±0.03a20.5±0.47b21.5±0.51a74.6±0.85b371±11.9aNB26.02±0.04a21.6±0.30a22.2±0.33a73.5±0.40b302±45.1ab

CK为对照;N为施N 400 kg·hm-2;NB1为施N 400 kg·hm-2,生物炭20 t·hm-2;NB2为施N 400 kg·hm-2,生物炭40 t·hm-2。同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

3讨论

诸多研究表明生物炭能降低土壤N2O排放[11-13,21]。该研究中,生物炭施用(NB1与NB2处理)可使菜地土壤N2O累积排放量降低 70.7%～76.4%(表1),表明秸秆生物炭能够显著抑制菜地土壤N2O排放。但由于生物炭制备材料与热解温度、土壤性质以及种植作物管理方式不同,不同生物炭对N2O排放的影响机制也有所差异[14，22]。VAN ZWIETEN等[11]与YANAI等[21]认为生物炭具有的多孔结构改善了土壤通气性,通过抑制反硝化菌的活性进而降低N2O排放。也有研究认为生物炭的多孔结构为微生物提供了活动场所,有利于固氮微生物群落的发展,通过增强土壤生物固氮能力而抑制N2O排放[23-24]。该研究中菜地土壤为酸性土壤,加入生物炭(pH值为9.5)改善了土壤酸性(表2),使土壤更适宜硝化细菌的生长,即pH值提高能够增强土壤的硝化能力。有关生物炭对耕地土壤硝化作用的影响结果报道不一。LEHMANN等[25]在研究生物炭对热带耕地土壤影响的盆栽试验中发现生物黑炭对土壤硝化无影响;WANG等[26]通过室内培养研究生物炭对水稻土N2O与CO2排放的影响,发现生物炭抑制了土壤硝化作用;VAN ZWIETEN等[27]在生物炭施用于温室大棚菜地的研究中发现,w为11%的生物炭施用量增加了土壤中NO3--N累积。笔者研究中,与N处理相比,生物炭施用使菜地土壤NH4+-N含量提高32.7%～37.0%,同时使NO3--N含量下降12.0%～13.3%(表 2),表明秸秆生物炭施用增强了土壤对铵根离子的吸持能力,降低了NO3--N淋失,从而提高蔬菜对氮的吸收利用(表2),因此推断生物炭可能通过提高菜地土壤对有效氮的固持与利用率,从而减少向大气中排放N2O的损失。

笔者试验中CO2排放通量为包括土壤呼吸与地上部植株呼吸的生态系统呼吸。观测初期NB1与NB2处理表现出较高的CO2排放通量,这与其他学者报道的生物炭施用会造成CO2短期内快速释放的研究结果[28-29]一致。生物炭为菜地土壤微生物提供了充足碳源,从而提高了土壤微生物活性,这可能是CO2排放通量在短期内较高的重要原因。从整个观测周期看,氮肥和生物炭配施均显著促进CO2排放(表1),但如果只考虑生物炭引起的碳排放[30],并与其在土壤中固定的碳相比,短期内生物炭引起的碳排放量是微小的[29]。从表2可知,NB1与NB2处理土壤有机碳含量比N处理高15.2%～21.3%,因此尚需进一步准确定量生物炭引起的碳排放与其固定于土壤中的有机碳量。

目前,关于生物炭对CH4排放的影响报道不一。RENNER[31]在哥伦比亚大田试验中发现施用生物炭能消除CH4排放;ZHANG等[16]在我国稻田试验中发现以40 t·hm-2施用生物炭可使CH4排放量增加34%～41%;RONDON等[32]报道贫瘠土壤上施用生物炭能够降低CH4排放量。笔者研究表明玉米秸秆生物炭施用于菜地土壤对CH4排放影响不显著(表 1)。CH4主要产生于稻田土壤,水分是影响其产生与排放的重要原因,尽管菜地土壤实施频繁的灌溉管理,生物炭施用也会引起菜地土壤理化性质变化,但均未对CH4排放产生显著影响,其原因需进一步探究。

秸秆生物炭能显著提高酸性菜地土壤pH值和有机碳含量,增加对铵根离子吸附并降低NO3--N含量(表 2),表明生物炭具有改良菜地土壤质量的巨大潜力。在我国酸性较强的红壤性水稻土[33]与南方旱地红壤[19]施用小麦秸秆生物炭,均发现土壤pH值升高(分别提高0.3与0.09～0.28)。笔者研究中NB1与NB2处理使菜地土壤pH值平均提高0.26,与上述研究结果相似。生物炭含碳量丰富,具有高度芳香化结构与较高的生物化学和热稳定性,能显著提高菜地土壤稳定性碳库贮量[10]。笔者试验中施用生物炭的NB1与NB2处理有机碳含量比N处理提高15.2%～21.3%证实了这个观点。生物炭施用提高了NB1处理蔬菜产量,比N处理高18.2%,但NB2处理产量并未随生物炭用量的增加而增加;其原因可能是生物炭能够增强土壤对铵根离子的吸附,但过量的生物炭会产生与土壤竞争吸附铵根离子的现象,从而降低蔬菜对土壤中氮素的吸收能力。曲晶晶等[33]也发现施氮条件下长沙水稻产量未呈现随生物炭用量增加而增加的现象。由此可见,生物炭本身的特性与施用量对土壤理化性质与肥力特征均产生一定程度的影响。

4结论

生物炭施用抑制了菜地土壤N2O排放,增强了CO2排放,对CH4排放影响不显著。与N相比,生物炭施用使菜地土壤N2O排放量显著降低70.7%～76.4%。但生物炭对N2O的抑制效应并未随生物炭用量增加而增强。生物炭低用量处理NB1对N2O的抑制效应强于高用量处理NB2。对于CO2排放,生物炭施用增强了生态系统呼吸,NB1与NB2处理CO2累积排放量分别为N处理的1.7与2.1倍,但不容忽视的是,这2个处理同时也提高了土壤有机碳含量,分别比N处理高15.2%与21.3%,因此需进一步精确定量来源于生物炭的CO2排放量。生物炭施用能够提高蔬菜产量、土壤有机碳与NH4+-N含量,降低菜地土壤酸性与NO3--N含量,表明生物炭具有改善酸性菜地土壤质量的巨大潜力。

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(责任编辑： 许素)

Impact of Application of Maize Stalk-Derived Biochar on Soil Properties of and N2O, CO2and CH4Emissions From Vegetable Fields.

JIAJun-xiang1,2,XIONGZheng-qin2

(1.College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China;2.College of Resources and Environment, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Abstract:A pot experiment was carried out to explore impacts of application of maize stalk-derived biochar on emissions of nitrous oxide (N2O), carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) from and soil physicochemical properties of vegetable fields. Results show that application of the biochar suppressed N2O emission. Compared to Treatment N (N 400 kg·hm(-2)), Treatment NB1 (N 400 kg·hm(-2)+ biochar 20 t·hm(-2)) and Treatment NB2 (N 400 kg·hm(-2)+ biochar 40 t·hm(-2)) decreased N2O emission by 76.4% and 70.7%, respectively. But the effect did not increase with increasing application rate of the biochar. Application of the biochar and nitrogen fertilizer promoted CO2 emission, but did not affect much CH4 emission. The cumulative CO2 emission in Treatments NB1 and NB2 was 1.8 times and 2.1 times, respectively, as much as that in Treatment N. Application of the biochar increased soil organic carbon content, which was 15.2% and 21.3% higher, respectively, in Treatments NB1 and NB2 than in Treatment N. Meanwhile, application of the biochar increased the content of ammonium nitrogen and pH, and reduced the content of nitrate nitrogen while maintaining and even increasing yield of the vegetable. Soil pH and content of ammonium nitrogen was 0.265 and 34.9% higher in the field applied with biochar than in the field without application of biochar, while content of nitrate nitrogen was 12.7% lower in the former than in the latter. So biochar has a great potential of decreasing N2O emission and improving vegetable soil quality. However, it still calls for further study to explore net effect of application of biochar on CO2 emission and soil organic carbon pool.

Key words:biochar;vegetable field;nitrous oxide；carbon dioxide；methane;soil chemical property

作者简介：贾俊香(1974—),女,山西原平人,副教授,博士,主要研究方向为农田土壤碳氮循环。E-mail: junxiangjia@163.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.017

中图分类号：X511;S153.6

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)02-0283-06

通信作者①E-mail: zqxiong@njau.edu.cn

基金项目：山西省土壤环境与养分资源重点实验室开放基金(2013003);国家自然科学基金(40971139,41171238)

收稿日期：2015-04-22