生物质炭基肥对农田土壤温室气体排放年际变化的影响

陈红卫，黄 玲，冯 露，李晓庆，孟雨田，代 琳

(1.河南科技学院，河南 新乡 453003； 2.东北农业大学 资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

生物质炭基肥对农田土壤温室气体排放年际变化的影响

陈红卫1，黄 玲1，冯 露2，李晓庆2，孟雨田2，代 琳2

(1.河南科技学院，河南 新乡 453003； 2.东北农业大学 资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

通过大田试验，研究分析不同梯度用量生物质炭基肥(0、10、20、30 t·hm-2)对旱作农田土壤温室气体排放的影响。结果表明，与对照(CK)相比，施用生物质炭基肥土壤的CO2-C排放量在2015年和2016年分别提高了0.81%～23.05%和11.66%～30.94%；土壤N2O的排放总量分别降低了13.32%～16.59%和7.90%～19.57%。综合连续2 a试验结果，本研究中生物质炭基肥施用增加了土壤CO2排放，但对于降低土壤N2O排放、全球增温潜势(GWP)、温室气体排放强度(GHGI)具有显著和持续效应，且在高用量下(30 t·hm-2)的持续效应具有年际间稳定性。

生物质炭；砂壤土；温室气体；减排

温室气体与环境变化是社会关注的焦点和热点。据统计，CO2、CH4和N2O作为最重要的温室气体，对温室效应的贡献率近80%[1]，其中，农业废弃物如秸秆的焚烧是大气污染(如雾霾)和温室气体排放的主要成因之一。秸秆热裂解炭化技术的出现对于提高农田土壤碳库和降低因焚烧引起的温室气体排放具有重要意义[2]。

生物炭是生物有机材料(生物质)在限氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态含碳丰富的产物[3]，因其特殊的理化性状而具有提高土壤肥力[4]和固碳减排[5]等特性。现阶段针对生物质炭应用对农田土壤温室气体排放影响的研究多以短期室内盆栽试验为主，而以生物质炭基肥为材料，结合大田试验研究其对农田土壤温室气体排放的研究鲜有报道，为此，特开展大田试验，探讨生物质炭基肥施用对农田温室气体(CO2和N2O)排放年际变化的影响，以期为温室气体减排和秸秆的资源化利用等提供基础资料与数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点在河南省新乡市凤泉区七里宝村河南科技学院高产试验田，地理坐标113°52′E、35°18′～45°46′N。供试土壤质地为砂壤土，地势平坦。土壤基本理化性质：pH值7.17，阳离子交换量(CEC)19.11 cmol·kg-1，全氮1.19 g·kg-1，全磷2.82 g·kg-1，有机质21.24 g·kg-1，土壤容重1.23 g·cm-3。

1.2 试验材料

试验所用生物质炭基肥以玉米秸秆为原料，由沈阳隆泰生物工程有限公司生产，经500 ℃高温热裂解后，按一定比例添加鸡粪、膨润土、磷矿粉，造粒制得。生物质炭基肥的主要理化性质：pH值10.1，阳离子交换量(CEC)19.27 cmol·kg-1，比表面积171.1 m2·g-1，有机碳191.6 g·kg-1，全氮126.3 g·kg-1，速效钾41.9 g·kg-1，速效磷75.8 g·kg-1。

1.3 试验设计

试验于2015 年4月至2016年10月间进行。2015年4月播种前通过旋耕机将生物质炭基肥一次性深翻施入土壤中，平均深度约20 cm，每小区面积20 m2(4 m×5 m)。生物质炭基肥设4个处理：空白对照(CK)；处理1(B10)，施用生物质炭基肥10 t·hm-2；处理2(B20)，施用生物质炭基肥20 t·hm-2；处理3(B30)，施用生物质炭基肥30 t·hm-2。为使数据更加准确和便于监测、取样，每个处理重复3次，并随机放置气体收集箱。供试作物为玉米，品种郑单958。播种时间分别是2015年5月6日和2016年5月10日，底肥施尿素100 kg·hm-2、磷酸二铵75 kg·hm-2、氯化钾25 kg·hm-2，追肥施尿素80 kg·hm-2。整个生育期田间管理相同，分别于2015年10月9日、2016年10月6日收获。

1.4 气体样品采集

温室气体样品由气体采集箱收集取样，气体采集箱由透明有机玻璃制成，尺寸30 cm×40 cm×100 cm，箱体仅底部开口，置于可埋入土壤底座上，底座四周留有凹槽用水封闭以避免气体跑出，箱体一侧留有直径1 cm口用于连接三通阀以收集气体。采样时间选择上午11：00—11：30土壤呼吸速率较高时间段进行，分别于盖箱后在0、15、30 min采集气样。在采集气体的同时要测定当时气温、0～10 cm地温以及采集箱内温度，同时采集0～20 cm土壤样品并测定土壤含水量等数据指标。

1.5 测定指标及计算方法

土壤和生物质炭基肥的基本理化性质参照《土壤农化分析》(第3版)中的方法测定。

CO2和N2O气体排放通量采用静态箱法气相色谱(GC)法测定。采集好的气体注入气体收集瓶内带回实验室于48 h内测定。CO2和N2O排放通量计算公式如下：

(1)

式(1)中：F表示CO2排放通量(mg C·m-2·h-1)或N2O排放通量(μg N·m-2·h-1)；M表示CO2-C和N2O-N中含C或N的原子量，分别为12 g·mol-1和28 g·mol-1；H为采样箱的有效高度(m)；dc/dt为气体排放速率，即每小区每次3个时间(0、15、30 min)采集的3个样品的气体浓度与时间进行一次线性回归所得的回归方程系数；T为采样时箱内的平均气温(℃)。

在全球增温潜势(GWP)估算中，CO2看作参考气体，CH4和N2O排放量的增减通过GWP值转换成CO2等效量，100 a时间尺度上CH4和N2O的全球增温潜势分别为相当于CO2的25和298倍。综合温室效应由下式计算：

GWP=25R(CH4)+298R(N2O)。

(2)

式(2)中：GWP为CH4和N2O的综合温室效应，R(CH4)和R(N2O)分别为玉米生长季内土壤CH4和N2O的排放总量(kg·hm-2)。因旱田相对水田CH4排放较少，固本试验中未测定CH4气体排放通量，不将其纳入公式计算范围内。

温室气体排放强度(GHGI)的定义为单位经济产出的温室气体排放量，计算公式为

GHGI=GWP/Yield。

(3)

式(3)中，GHGI为温室气体排放强度(kg·CO2-e·t-1)，Yield为玉米产量(t·hm-2)。

1.6 数据处理

所测数据采用Excel 2007、SPSS 17.0和OriginPro 8.0进行数据处理、统计分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 生物质炭基肥对农田土壤CO2排放年际动态的影响

从图1可以看出，向土壤中添加生物质炭基肥后，2015年和2016年间农田土壤CO2排放的总体趋势基本一致，其中排放通量变化与季节间温度及气候存在一定的相关性。2015年，与对照处理(CK，164.17 mg C·m-2·h-1)相比，在B10、B20、B30处理条件下，CO2-C的平均排放通量分别为165.50、185.76和202.01 mg C·m-2·h-1，分别较CK处理增加0.81%、13.15%、23.05%；2016年，与CK(126.95 mg C·m-2·h-1)相比，在B10、B20、B30处理条件下，CO2-C的平均排放通量分别为141.75、147.53和166.23 mg C·m-2·h-1，分别较CK处理增加11.66%、16.21%、30.94%。2015—2016年数据均在30 t·hm-2处理条件下与对照差异达到显著(P<0.05)水平。

2.2 生物质炭基肥对农田土壤N2O排放年际动态的影响

从图2可以看出：2015年，与CK(685.88 μg N·m-2·h-1)相比，在B10、B20、B30处理条件下，N2O-N的平均排放通量分别为594.54、587.97、572.11 μg N·m-2·h-1，与CK处理相比分别降低了13.32%、14.28%、16.59%；2016年，在B10、B20、B30处理条件下，土壤N2O-N平均排放通量分别为577.91、545.27、504.65 μg N·m-2·h-1，与CK(627.45 μg N·m-2·h-1)相比，分别降低7.90%、13.10%、19.57%。同对照相比，高施入量处理条件下N2O排放降低幅度较大，但2016年的减排效果整体较2015年略有降低。

图1 生物质炭基肥施用对2015和2016年土壤CO2排放动态变化的影响Fig.1 Effects of biochar based fertilizer on CO2 emissions during maize growth season in 2015 and 2016

图2 生物质炭基肥对2015和2016年土壤N2O排放季节动态变化的影响Fig.2 Effects of biochar based fertilizer on N2O emissions during maize growth season in 2015 and 2016

2.3 生物质炭基肥对农田土壤温室气体综合排放的影响

由表1可以看出，与CK相比，在生物质炭基肥处理条件下，N2O-N的排放量连续2 a均显著降低，且差异达显著水平。2015—2016年，B10、B20、B30处理下分别较CK降低了10.69%、23.76%、32.20%和14.08%、22.37%、33.23%，而CO2-C排放量连续2 a均有不同程度的上升，分别提高了14.73%、22.84%、39.82%和7.72%、22.48%、32.78%。与CK相比，B10、B20、B30处理下GWP和GHGI连续2 a均显著降低，其中GWP 2015年和2016年分别降低了10.69%、23.76%、32.20%和14.08%、22.37%、33.23%，GHGI分别降低了9.04%、41.94%、30.04%和17.88%、27.65%、38.31%。

2.4 生物质炭基肥对农田土壤理化性状及玉米产量的影响

由表2可以看出，在生物质炭基肥处理条件下，土壤pH值、全氮含量均有不同程度的提高。随着生物质炭基肥施入量增加，土壤容重降低。与CK相比，2015—2016年B30处理条件下土壤pH值均与CK差异显著(P<0.05)，土壤pH值分别增加了8.09%和9.66%。土壤全氮含量在B30处理条件下亦与CK呈显著(P<0.05)差异，2015年与2016年分别提高了5.89%和5.83%。与CK相比，施生物质炭基肥的各处理玉米产量略有降低，但差异不显著。

表1 2015、2016年N2O和CO2排放总量、增温潜势(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)

Table 1 Total emissions of CO2， and N2O， global warming potential (GWP) and greenhouse gas intensity (GHGI) in 2015 and 2016

年份Year处理TreatmentN2O-N/(kg·hm-2)CO2-C/(kg·hm-2)GWP/(kg·hm-2)GHGI/(kg·CO2-e·t-1)2015CK46.261±1.24a13.31±0.77c13785.78±399.21a926.59±51.23aB1041.317±1.13b15.27±0.68b12312.47±389.15b842.82±45.06bB2035.269±0.75c16.35±0.91b10510.16±291.21c537.98±30.22dB3031.363±0.79d18.61±1.37a9346.17±310.11d648.20±35.74c2016CK45.637±1.82a13.21±0.86d13599.83±426.53a1250.12±27.10aB1039.211±1.21b14.23±0.75c11684.88±417.71b1026.61±55.64bB2035.429±1.22c16.18±0.89b10557.84±389.93c904.47±49.36cB3030.474±1.11d17.54±0.91a9081.25±377.65d771.19±40.43d

表中同列数据后无相同字母的表示同一年份不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。Data followed by no same letters in the same row indicated significant difference atP<0.05 within treatments in the same year. The same as below.

表2 2015和2016年0～20 cm土层的总氮、pH、容重和玉米产量

Table 2 Soil pH， total nitrogen content， maize yield and bulk density of top soil (0-20 cm) in 2015 and 2016

年份Year处理Treatments土壤pHSoilpH容重Bulkdensity/(g·cm-3)全氮TotalN/(g·kg-1)玉米产量Yield/(t·hm-2)2015CK7.17±0.02c1.23±0.04a1.19±0.02b12.88±0.11aB107.21±0.03c1.21±0.06a1.21±0.07b12.61±0.13aB207.49±0.03b1.16±0.02a1.23±0.08b12.54±0.32aB307.75±0.04a1.11±0.03b1.26±0.05a12.42±0.33a2016CK7.14±0.06c1.25±0.03a1.20±0.03b12.98±0.25aB107.22±0.04c1.20±0.07a1.22±0.02b12.38±0.31aB207.32±0.06b1.16±0.04a1.24±0.03b12.67±0.47aB307.83±0.03a1.12±0.05b1.27±0.01a12.78±0.29a

3 讨论

生物质炭和以炭为基质的炭基肥被称作固碳减排剂，但由于影响农田土壤CO2排放因素众多(温度、水分、制炭原料等)，且各因素间相互交叉影响；因此对于CO2排放的影响目前尚无一致性结论。有研究指出，生物质炭因具多孔性，施入土壤后能够降低土壤容重，增加土壤呼吸，同时增强土壤微生物活性，加快腐殖质的分解从而促进CO2的排放。本研究中，施入生物质炭基肥后，土壤pH和透气性均在一定程度上得到提升(表2)，与之前研究结果一致[6]。

本研究中，添加生物质炭基肥处理下GWP(100)和GHGI连续2 a显著降低，改变了玉米农田生态系统的增温潜势和排放强度。这可能源于生物质炭较高的碳含量和多孔吸附性，改变了土壤碳氮比和对氮素养分的吸收，抑制了土壤氮的矿化[10]。

综合2015—2016年研究数据，在本研究条件下，生物质炭基肥施入对农田土壤CO2排放的影响具有年际波动性，但能显著降低土壤N2O排放、GWP和GHGI，且以较高施用量(30 t·hm-2)条件下效果更加明显，而且具有持续性和稳定性。由于受研究材料、环境因素等影响，生物质炭基肥对旱作农田温室气体排放的影响未必一致，还需今后持续开展长期的田间定位监测进行深入探讨。

[1] 张玉铭， 胡春胜， 张佳宝， 等. 农田土壤主要温室气体(CO2、CH4、N2O)的源/汇强度及其温室效应研究进展[J]. 中国生态农业学报， 2011， 19(4): 966-975. ZHANG Y M， HU C S， ZHANG J B， et al. Research advances on source/sink intensities and greenhouse effects of CO2， CH4and N2O in agricultural soils[J].ChineseJournalofEco-Agriculture， 2011， 19(4): 966-975. (in Chinese with English abstract)

[4] 王宁， 侯艳伟， 彭静静， 等. 生物炭吸附有机污染物的研究进展[J]. 环境化学， 2012， 31(3):287-295. WANG N， HOU Y W， PENG J J， et al. Research progess on sorption of orgnic contaminants to biochar[J].EnvironmentalChemistry， 2012， 31(3): 287-295. (in Chinese with English abstract)

[5] LIANG B， LEHMANN J， SOLOMON D， et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soil[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal， 2006， 70(5):1719-1730.

[6] 何飞飞， 荣湘民， 梁运姗， 等. 生物炭对红壤菜田土理化性质和N2O、CO2排放的影响[J]. 农业环境科学学报， 2013， 32(9):1893-1900. HE F F， RONG X M， LIANG Y S， et al. Effects of biochar on soil physiochemical properties and N2O， CO2emissions from vegetable planting red soil[J].JournalofAgro-EnvironmentScience， 2013， 32(9): 1893-1900. (in Chinese with English abstract)

[7] HANSEN S M， M☞HLUM J E， BAKKEN L R. N2O and CH4fluxes in soil influenced by fertilization and tractor traffic[J].SoilBiology&Biochemistry， 1993， 25(5):621-630.

[8] LAIRD D A. The charcoal vision: A win-win-win scenario for simultaneously producing bioenergy， permanently sequestering carbon， while improving soil and water quality[J].AgronomyJournal， 2008， 100(1):178-181.

[9] YANAI Y， TOYOTA K， OKAZAKI M. Effects of charcoal addition on N2O emissions from soil resulting from rewetting air-dried soil in short-term laboratory experiments[J].SoilScienceandPlantNutrition， 2007， 53(2):181-188.

[10] 李晓. 施用生物质炭及炭基肥对温室气体排放、玉米生长及土壤性质的影响[D]. 南京: 南京农业大学， 2013. LI X. Effects of biochar and biochar-based fertilizer amendment on greenhouse gass emission， maize growth and soil properties[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University， 2013. (in Chinese with English abstract)

(责任编辑 高 峻)

Effects of biochar based fertilizer on seasonal variation of greenhouse gas emissions

CHEN Hongwei1， HUANG Ling1， FENG Lu2， LI Xiaoqing2， MENG Yutian2, DAI Lin2

(1.HenanInstituteofScienceandTechnology，Xinxiang453003，China; 2.CollegeofResourcesandEnvironment，NortheastAgriculturalUniversity，Harbin150030，China)

A field experiment was performed to investigate the effect of application of biochar based fertilizer (0， 10， 20， 30 t·hm-2) on soil N2O，CO2emissions in 2015 and 2016. It was shown that compared with CK， CO2-C emissions were increased in 2015 and 2016 by 0.81%-23.05% and 11.66%-30.94%， respectively， while， N2O emissions were decreased by 13.32%-16.59% and 7.90%-19.57% in 2015 and 2016， respectively. Based on the results， although application of biochar based fertilizer increased soil CO2emission， it could effectively reduce soil N2O emission， and decrease global warming potential (GWP) and greenhouse gas intensity (GHGI). Moreover， the effects of 30·t·hm-2application rate were sustainable between years.

biochar; sandy loam; green house gases; emission reduction

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.06.17

2017-01-10

国家自然科学基金项目(51509085)

陈红卫(1966—)，男，河南博爱人，博士，副教授，主要从事作物养分水分高效利用与推广研究。E-mail: chw27@qq.com

S156.2

A

1004-1524(2017)06-0977-05