生物炭对棕壤玉米田CO2与N2O排放的影响*

谢立勇，许 婧，郭李萍，孙 雪，赵洪亮，郑益旻



生物炭对棕壤玉米田CO2与N2O排放的影响*

谢立勇1，许 婧1，郭李萍2，孙 雪1，赵洪亮1，郑益旻1

（1．沈阳农业大学农学院，沈阳 110161；2．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

在棕壤区玉米田开展对比试验，以当地常规施肥量为基础，以不施生物炭为对照CK，设3个生物炭施量处理，分别为C1（3000kg·hm−2）、C2（5000kg·hm−2）、C3（7000kg·hm−2），均以基肥形式一次性施入，玉米播种−成熟收获期内定期测定土壤CO2与N2O排放量，以探讨不同生物炭施量对棕壤区玉米田CO2和N2O排放的影响。结果表明：C1、C2处理的CO2排放量小于对照CK，分别比CK减少9.9%和8.0%，但差异不显著。在玉米不同生育时期，土壤CO2累积排放量表现为拔节−开花阶段最高，达到800～1200mg·m−2·h−1，苗期和成熟阶段排放最低。玉米全生育期内不同处理的CO2排放量均与土壤5cm处温度呈显著正相关关系；施用生物炭对土壤N2O排放有抑制作用，且随着生物炭添加量的增加，抑制作用加强。N2O排放与玉米氮肥施用关系密切，两个排放高峰分别出现在施入底肥和追肥之后。C1、C2、C3处理土壤N2O累积排放量分别比CK减少24.7%、35.2%、37.0%。研究表明，生物炭抑制了棕壤区土壤呼吸，从而抑制土壤CO2与N2O的排放，并与氮肥用量关系密切。随着生物炭施用量的增加，土壤对CO2排放的抑制作用减弱，而对N2O排放的抑制作用增加。总体而言，土壤中施加生物炭对抑制农田温室气体排放和固碳减排有积极作用，而生物炭的施用量需要综合考虑土壤条件和施肥量等多种因素。

温室气体；土壤温室气体排放；玉米；生物炭；二氧化碳；氧化亚氮；固碳减排；气候变化

生物炭在农田温室气体减排、土壤改良以及环境修复方面都有巨大的应用潜力，日益受到关注。生物炭不仅利于提高肥料的利用率，而且对节约能源、降低消耗以及保护农业环境都发挥着独特的作用。研究表明，生物炭可将CO2固定于土壤中，并影响土壤碳、氮转化，降低土壤温室气体（CO2、N2O及CH4）排放，有利于减缓气候变化[1]。利用生物炭实现固碳减排，就是把生物炭作为碳封存剂，把大气中CO2固定到土壤有机碳库中。利用秸秆制备生物炭还田改土，能较大幅度提高土壤有机碳含量，而不增加土壤CO2释放，具有较好的固碳减排效果，从而提升作物产量潜力[2−3]。生物炭可以增加土壤有机碳抵抗微生物降解的稳定性，降低土壤有机碳的矿化速率，具有良好的固碳潜力[4-5]，其不同施用量对作物生长发育的影响不同，对不同土壤条件的影响也不一样，而不同作物对生物炭施用的响应也存在差异，有的作物在低用量下影响明显，有的作物在高用量下影响明显[6-8]。徐钰等[9]研究表明，生物炭抑制作物生长，但张杰等[10]试验结果表明其促进作物生长。一般而言，生物炭与肥料配合施用几乎都是正效应，但生物炭与各类型土壤肥料的配施比例并无确切的标准。生物炭能否提高作物产量与土壤自身的养分供给有关，在贫瘠的土壤上更能发挥吸附养分、持水透气等效用。

土壤N2O主要来源于土壤微生物推动的硝化作用和反硝化作用，生物炭的多孔隙结构是土壤微生物良好的栖息环境[11-12]。生物炭表面成分中具有较高的C/N比例，有助于氨化和硝化作用[13-14]。不同的生物炭种类、土壤类型和施肥管理方式等对土壤N2O排放的影响也不相同[15-16]。土壤中施加生物炭能够减少或抑制N2O的产生和排放[17]。一般而言，施加生物炭导致土壤的孔隙率增加，会抑制厌氧反硝化过程，同时增加土壤O2，抑制N2O和N2排放[18-19]。Singh等[20]研究认为生物炭对土壤N2O排放不产生影响；叶丹丹等[21]认为土壤中施加生物炭后，N2O排放量高于对照土壤。总之，生物炭的施用及其用量多少对土壤排放的影响因不同地区不同土壤条件有所不同，有必要开展针对性的田间试验来明确生物炭的减排效果和适宜施量。本研究在东北地区棕壤玉米田土壤中进行田间对比试验，以期明确不同生物炭施量对玉米田土壤CO2和N2O排放的影响。

1 材料与方法

试验于2016年在沈阳农业大学试验田进行（41°82′N，123°56′E），属温带半湿润大陆性季风气候，平均海拔30−50m，地势平坦。多年平均温度7.0～8.0℃，≥10℃活动积温3281℃·d，日照时数3272.5h，无霜期145～163d。受季风影响，降水集中在夏季（6−8月），年降水量600～800mm。温差较大，四季分明。试验区土壤为棕壤，土壤质地为壤土。播种前土壤0−20cm基本理化性状为，有机质20.00g·kg−1，碱解氮145.78mg·kg−1，土壤速效磷56.91mg·kg−1，速效钾126.35mg·kg−1，pH值为6.5。

试验设4个处理，均在当地常规施肥量的基础上进行。对照处理（CK）不施加生物炭，其它处理均在施基肥时一次性混入不同量的生物炭，C1、C2和C3的施炭量分别为3000、5000和7000kg·hm−2。小区面积为10m ×2.4m= 24m2，每个处理3次重复，共12个小区，随机区组排列。种植品种为常规晚熟优质饲料玉米品种新东单90。采用南北向种植，行距为60cm，株距为40cm，种植密度为42000株·hm−2。各处理的田间管理一致：上一年秋收后旋耕，春季（5月8日）播种，前1日施底肥，施肥量为尿素195.7kg·hm−2，重过磷酸钙130.5kg·hm−2，硫酸钾120kg·hm−2，各处理按照尿素含氮量46%、重过磷酸钙含P2O5量46%、硫酸钾含K2O量50%折算的N、P、K含量（表1）；玉米喇叭口期（6月19日）追施尿素195.7kg·hm−2（折算含N量为90kg·hm−2）。玉米秸秆生物炭（含碳量为50%）以基肥形式一次性施入土壤中。生育期田间管理同生产田。9月24日收获，整个生育期为140d。

表1 各处理施肥和生物炭施用量（kg·hm−2）

CO2和N2O的采集用静态箱取样：取样箱为PVC材料制作的不透明长方体箱，长60cm，宽25cm，高30cm，箱体及顶部有三通阀用于取气；取样箱底座插入土壤中10cm，箱体扣于底座的凹槽上，并在凹槽中用水密封。于每个采样日的9：00−11：00时（该时段的气体排放通量基本能表征全天的平均值），分别在扣箱后0、10、20min打开取样箱顶部的开关阀，并用注射器抽取30mL气体于预抽为真空的12mL血清瓶中；每次取12个小区共36个气样，气样于1周内用Agilent 7890B气相色谱仪测定N2O浓度。

玉米全生育期的取气周期为每7d一次，6月19日玉米喇叭口期施肥后取样频率加密，改为2～3d一次。每次取气样的同时，测定土壤5cm处的温度和土壤水分含量。土壤5cm处的温度用土壤温度计测定；土壤水分含量用美国产TDR水分测定仪测定，为体积含水量[21]。

每个小区随机取具有代表性的60株玉米，单独收获，地上部分晒干后，玉米穗进行脱粒，分别测经济产量和生物产量。风干后考种，测量玉米穗长、穗粗、穗行数、穗粒数和百粒重。

试验数据均用Excel进行整理并绘制图表，用SPSS17.0进行相关性及方差分析，利用LSD法进行多重检验。

2 结果与分析

2.1 生物炭对玉米产量及产量构成因素的影响

由表2可见，从玉米的穗长、穗粗和行粒数看，各处理与CK（未施生物炭）均无显著差异。对于玉米的百粒重，C1（施3000kg·hm−2生物炭）、C2（施5000kg·hm−2生物炭）、C3（施7000kg·hm−2生物炭）处理均比CK有所增加，C2、C3分别增加了13.5%和18.0%，C1与CK处理达到显著水平（P＜0.05）。各处理间的穗重与CK达到显著水平（P＜0.05）。由此可见，在常规施肥养分等量的前提下，施加3000kg·hm−2生物炭会使玉米的穗重显著增加，而对玉米其它产量构成要素的影响均不显著。对于单位面积产量来说，C1、C2、C3分别比CK增加了9.8%和8.7%、10.7%，达到显著水平，但各处理间差异不显著。表明施加生物炭使玉米产量有一定的促进作用，但生物炭施入量作用差异不明显，值得进一步讨论。

表2 各处理玉米产量及其构成要素比较

注：同列小写字母分别表示处理间在0.05水平上的差异显著性。下同。

Note：Lowercase in a row indicate the difference significance among treatments at 0.05 level. The same as below.

2.2 生物炭对土壤CO2排放的影响

2.2.1 对土壤CO2排放动态变化的影响

由图1可见，整个玉米生长季（5月8日−9月24日，共140d）总共观测22次，各处理土壤CO2排放通量变化过程表现出一致的趋势，具有明显的季节性特点。整个生长季内观测的土壤CO2排放通量在150～1250mg·m−2·h−1，最小值发生在出苗期，最大值在拔节期。如图所示，5月8日施基肥后观测时，土壤CO2排放通量数值较大，在600mg·m−2·h−1左右；随后的5月中下旬土壤温度较低（图2a），种子正处于发芽阶段，根系尚未形成，土壤CO2排放通量普遍较低，在200mg·m−2·h−1以下；6月19日追肥后，CO2排放通量明显增多。而到7月末玉米的拔节开花期排放通量最高，达到800～1200mg·m−2·h−1。8月中旬−9月，随着土壤温度的降低，CO2排放通量也逐渐减小，直至9月中旬收获。

图1 玉米生长季不同处理土壤CO2排放通量动态变化

比较不同处理各时点CO2排放通量可知，大多数时点上对照CK（未施生物炭）处理与C3处理（施7000kg·hm−2生物炭）的CO2排放通量交替为最大或次大值，C1（施3000kg·hm−2生物炭）、C2（施5000kg·hm−2生物炭）处理中CO2排放通量相对较小，但处理间差异不显著；从各阶段平均值以及整个生育期多次观测结果的平均值可见（图2），整个生育期C1、C2平均排放通量分别比CK减少了9.4%、7.4%，而C3则略有增加。总体表明施加生物炭对土壤CO2排放通量有一定抑制作用，但与氮肥量的多少关系不明显。

图2 土壤5cm处温度(a)和体积含水量(b)的变化过程

2.2.2 对CO2排放通量与土壤温度和水分相关性的影响

由表3可知，各处理土壤CO2排放通量均与土壤5cm处温度呈显著正相关关系（P＜0.05），即土壤CO2排放通量随着土壤5cm处温度的升高而增加。而土壤CO2排放通量与土壤水分的相关性则不显著，可能由于试验当年整个玉米生长季降水条件较好，绝大部分时间土壤水分充足，可以满足玉米生长的需要，对土壤CO2的排放不构成限制，还需要进一步讨论。

表3 不同处理CO2的平均排放通量（AE）与土壤温度（R1）和水分（R2）的相关关系

注：*表示相关系数通过0.05水平的显著性检验。下同。

Note：*is P＜0.05. The same as below.

根据方差分析结果，各处理土壤CO2平均排放通量持平或略小于对照，其中C1、C2的CO2平均排放通量分别减少9.4%、7.4%，但各处理与CK均无显著差异。表明土壤CO2排放通量受到生物炭的影响，但可能不存在明显的线性关系。

2.2.3 对土壤CO2累积排放量的影响

将每次测得的土壤CO2排放通量与相邻两次测定时间间隔天数的乘积逐次累加，即得土壤CO2累积排放量。由表4可知，在整个玉米生育期内，各处理土壤CO2的累积排放量也与对照持平或略低。与CK相比，C1和C2分别减少了9.9%和8.0%。可能施加生物炭在一定程度上抑制了土壤呼吸的强度，从而抑制CO2的排放。

在整个玉米生育期，不同生物炭施量的土壤CO2累积排放量表现为，播种−完熟表现出先增加后减少的趋势，各处理均在拔节−开花期间达到最大值，约占生育期排放总量的32.7%；苗期及成熟之后排放量最小，约占生育期排放总量的5.4%和11.4%（表4）。这是因为拔节−开花阶段，正是玉米的营养生长和生殖生长的并进阶段，是玉米生长发育的关键时期（即大喇叭口时期）。在这一时期，玉米的根系生物量急剧增加，温度条件均适于玉米快速生长，无论是来自自养呼吸还是异养呼吸排放的CO2都会有增加，而玉米根系的分泌物也会增强土壤微生物的呼吸作用，从而促进CO2排放。而出苗及成熟之后，土壤温度降低，使得土壤呼吸和植物根系的呼吸作用受到一定抑制，导致土壤CO2累积排放量最少。

表4 玉米各生育时期（月.日）土壤CO2累积排放量（t·hm−2）及其占比（%）

2.3 生物炭对土壤N2O排放的影响

2.3.1 对土壤N2O排放动态变化的影响

由图3可见，各处理的土壤N2O排放通量均有两个明显的排放高峰，均发生在施肥之后（基肥5月8日，追肥6月19日），其余几个峰发生在降雨后。5月8日播种前，由于土壤水分含量和温度均较低，且缺乏充足的氮源，土壤N2O排放通量较低，一般不超过60µg N2O−N·m−2·h−1。施肥后第5天（5月13日）出现第一次较强降水，土壤含水量升高，氮源的增加和适宜的水分条件有利于硝化反应和反硝化反应的进行，因而土壤N2O排放通量继续上升，各处理峰值的出现均在施肥后第6天，常规施肥CK的N2O排放通量最高，为225.0µgN2O−N·m−2·h−1，2周后土壤N2O排放通量下降至常规水平。与常规施肥CK相比，C1、C2和C3的N2O排放通量虽然也呈上升趋势，但较为平缓，峰值也较低，分别为常规施肥CK峰值的94.2%、87.8%和76.5%。

6月19日进行追肥，3d后出现3d连续性降水，土壤水分含量明显上升，各处理N2O排放通量也呈上升趋势，施肥后6～8d，N2O的排放通量再次达到高峰，持续约2周，CK峰值最高，为270.1µg N2O−N·m−2·h−1。C1、C2、C3的N2O排放峰值分别为CK排放峰值的74.5%、76.1%和78.4%。表明土壤中添加生物炭在一定程度上抑制了土壤N2O的排放。7月中下旬−8月上旬，由于土壤温度继续升高和连续降水的共同作用，各处理均有瞬时的N2O脉冲排放峰出现，其中CK的排放峰值最高，达到219.4µgN2O−N·m−2·h−1，但峰值略低于追肥后的排放峰，在常规施肥基础上添加生物炭量为7000kg·hm−2的C3处理土壤N2O排放峰值最低，比CK低41.1%，而C1、C2的土壤N2O排放峰值分别为CK的69.4%和66.8%。8月末，随着肥效和温度的降低、降水的减少，N2O排放通量也逐渐降低，直至9月下旬收获。

图3 不同生物炭处理土壤N2O排放通量

2.3.2 对N2O平均排放通量与土壤温度和水分相关性的影响

由表5可见，4个处理的土壤N2O排放通量与土壤5cm处温度和土壤水分的相关性均未达到显著水平，与土壤温度和水分也不存在单一的相关关系，但生物炭对土壤N2O的平均排放通量具有显著影响。与CK相比，C1、C2、C3处理的土壤N2O平均排放通量分别减少19.1%、29.6%和33.6%，表明生物炭对土壤N2O排放有明显的抑制作用，且随着生物炭施量的增加，土壤N2O的排放通量逐渐减少。

表5 土壤N2O的平均排放通量（AE）及其与5cm土壤温度（R1）和水分（R2）的相关关系

2.3.3 对土壤N2O累积排放量的影响

将每次测得的土壤N2O排放通量与相邻两次测定间隔天数的乘积逐次累加，即得土壤N2O的累积排放量。在整个玉米生育期内，施加生物炭的各处理土壤N2O的累积排放量均小于CK，分别比CK减少24.7%、35.2%、37.0%。表明生物炭可以显著影响土壤N2O的累积排放量，且随着生物炭量的增加，土壤N2O累积排放量进一步减少。

从表6可以看出，在玉米整个生育期，不同生物炭施量的土壤N2O累积排放量均表现为先增加后减少的趋势，其中播种−拔节、拔节−开花、开花−乳熟3个阶段的N2O累积排放量占整个生育期的比例分别为19.6%、32.6%和28.9%，而成熟期的土壤N2O累积排放量较小。主要原因是播种−拔节、拔节−开花两个时期受到基肥和追肥效应的影响，加之玉米生长旺盛使土壤N2O的排放通量增加；而在开花−乳熟期间，发生过几次连续强降水，土壤水分含量充足且温度状况适宜，二者的联合作用也会促进土壤N2O排放。

3 结论与讨论

3.1 讨论

研究表明，在玉米整个生育期内，适量施加生物炭抑制了土壤 CO2排放，主要由于在植物−土壤系统中，土壤呼吸速率变化与玉米生长发育快慢趋于一致，且随着玉米生长时间的延长，土壤呼吸速率先增加，达到最大值后随生长时间的延长而下降[22-23]。本研究所有施加生物炭处理的土壤CO2排放通量均与CK处理无显著差异，表明土壤CO2排放通量受到生物炭的抑制，但很可能不存在线性关系，而与氮肥的使用量以及土壤温度关系更为密切。这就提示，探讨生物炭的固碳减排作用时必须与氮肥的施用量一起考虑，否则就会偏离实际。同时本研究C3处理（施碳量为7000kg·hm−2）的CO2排放偶尔比对照要高，也需要进一步讨论。

表6 玉米各生育期土壤N2O累积排放量(t·hm−2)及其占比(%)

生物炭对玉米土壤N2O的排放有明显的抑制作用。因为农田土壤N2O产生的主要过程是在微生物的参与下，通过硝化反应和反硝化反应完成的[24]。农田土壤中的N2O排放受到土壤质地、土壤温度、土壤通气性以及土壤施肥量等因素综合影响，而生物炭及炭基肥的施入减缓了这两个反应过程的发生[25-26]。生物炭还可以改变土壤温度、湿度、通气性和土壤结构[27]，土壤C/N比会对微生物有机质的分解产生影响，当C/N大于25:1时，微生物活性弱，有机质的分解速度较慢，会对N2O的产生起到抑制作用[28]。本研究中C2、C3处理添加的生物炭和肥料C/N大于25:1，所以能够显著降低土壤N2O的排放，且C2和C3的减排效果最显著。也表明生物炭对土壤N2O的平均排放通量具有显著的抑制作用。与CK相比，C1、C2、C3处理的土壤N2O平均排放通量分别减少19.1%、29.6%和33.6%。且随着生物炭添加量的增加，土壤N2O的排放通量进一步减少。追肥后的土壤N2O排放峰高于基肥后，可能由于追肥后的土壤温度升高，加之更适宜的土壤水分状况使土壤中微生物活动较活跃，尿素的水解和硝化作用均高于基肥后，并且还可能有合适的温度和水分条件下，土壤中有机氮的矿化所贡献的无机氮的叠加作用。

土壤中CO2的排放主要来源于土壤微生物、植物根系和土壤动物的呼吸以及含碳矿物质的化学氧化作用。生物炭可以通过影响土壤中有机质的含量、土壤微生物以及植物根系的生理活动进而影响CO2的排放。本研究结果表明，与常规施肥相比，添加生物炭3000、5000、7000kg·hm−2时玉米的产量略有增加，与常规施肥相比，添加生物炭会对玉米的穗长、穗粗、行粒数、穗行数等农艺性状有一定的促进作用，但并不显著。而对于玉米穗重和百粒重的增加作用，5000kg·hm−2和7000kg·hm−2生物炭的添加量效果尤为明显。综合考虑生物炭对CO2排放和N2O排放的影响与经济效益，本研究认为适量施用生物炭（5000kg·hm−2）更有利于棕壤玉米田的产量获得和固碳排放。

3.2 结论

在玉米全生育期内，不同生物炭施量的土壤CO2排放通量呈现先增加后减少的趋势，且有明显的阶段性变化。5月和9月的排放通量较小，8月初达到峰值。各处理的CO2排放通量与土壤5cm处温度呈显著正相关关系，与土壤水分无明显的相关关系。表明施用生物炭一定程度上抑制了土壤呼吸强度，从而抑制土壤CO2的排放，但CO2的排放仍随生物炭施用量增加而增加，甚至超过对照。在玉米全生育期内，不同生物炭施量的土壤N2O排放通量在40～270ugN2O-N·m−2·h−1。与土壤5cm处温度和水分不存在单一的相关关系，主要受氮肥影响，在基肥和追肥后显著增加并有明显的排放峰值出现。生物炭对土壤N2O的平均排放通量具有显著影响。表明施用生物炭对土壤N2O排放有一定抑制作用，且随着生物炭施量的增加，抑制土壤N2O的排放效果更明显。生物炭可以显著影响土壤N2O的累积排放量，且随着施量的增加，土壤N2O的累积排放量逐渐减少。在玉米整个生育期，土壤N2O累积排放量表现为先增加后减少。其中播种−拔节、拔节−开花、开花−乳熟3个阶段的土壤N2O累积排放量分别占总排放量的19.6%、32.6%和28.9%，而成熟期的土壤N2O累积排放量较小。

[1]陈温福,张伟明,孟军.生物炭与农业环境研究回顾与展望[J].农业环境科学学报,2014,33(5):821-828.

Chen W F,Zhang W M,Meng J.Biochar and agro-ecological environment:review and prospect[J].Journal of Agro-Environ- ment Science,2014,33(5):821-828.(in Chinese)

[2]Spokas K A,Reicosky D C.Impacts of sixteen different biochars on soil greenhouse gas production[J].Annals of Environmental Science,2009,3:179-193.

[3]刘悦,黎子涵,邹博,等.生物炭影响作物生长及其与化肥混施的增效机制研究进展[J].应用生态学报,2017,28(3):1030- 1038.

Liu Y,Li Z H,Zou B,et al.Research progress in effects of biochar application on crop growth and synergistic mechanism of biochar with fertilizer [J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2017,28(3):1030-1038.(in Chinese)

[4]陈温福,张伟明,孟军.农用生物炭进展与[J].中国农业科学,2013,46(16):3324-3333.

Chen W F,Zhang W M,Meng J.Advances and prospects in research of biochar utilization in agriculture[J].Scientia Agricultura Sinica,2013,46(16):3324-3333.(in Chinese)

[5]王晓辉,郭光霞,郑瑞伦,等.生物炭对设施退化土壤氮相关功能微生物群落丰度的影响[J].土壤学报,2013,50(3):624-631.

Wang X H,Guo G X,Zheng R L,et al.Effect of biochar on abundance of N-related functional microbial communities in degraded greenhouse soil[J].Acta Pedologica Sinica,2013,50(3): 624-631.(in Chinese)

[6]张星,张晴雯,刘杏认,等.施用生物炭对农田土壤氮素转化关键过程的影响[J].中国农业气象,2015,36(6):709-716. Zhang X,Zhang Q W,Liu X R,et al.Effects of biochar on the key soil nitrogen transformation processes in agricultural soil[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2015,36(6): 709-716.(in Chinese)

[7]赵迅,郭李萍,谢立勇,等.不同农作措施对棕壤玉米田N2O排放及碳足迹的影响[J].中国农业气象,2016,37(3): 270-280.

Zhao X,Guo L P,Xie L Y,et al.Impacts of different farming managements on N2O emission and carbon footprint for maize from brown Soi[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2016,37(3):270-280.(in Chinese)

[8]张星,刘杏认,林国林,等.生物炭和秸秆对华北农田表层土壤矿质氮和pH值的影响[J].中国农业气象,2016,37(2):131- 142.

Zhang X,Liu X R,Lin G L,et al.Effects of biochar and straw return on mineral nitrogen and pH of the surface soil in farmland of the North China Plain[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2016,37(2):131-142.(in Chinese)

[9]徐钰,刘兆辉,石璟,等.北方设施菜地土壤N2O排放通量日变化及最佳观测时间确定[J].中国农业气象,2016,37(5):505- 512.

Xu Y,Liu Z H,Shi J,et al.Diurnal variation characteristic of nitrous oxide from greenhouse vegetable soil during emission peak and its optimal observation duration[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2016,37(5):505-512.(in Chinese)

[10]张杰,黄金生,刘佳,等.秸秆木质素及其生物炭对潮土CO2释放及有机碳含量的影响[J].农业环境科学学报,2015,34 (2):401-408.

Zhang J,Huang J S,Liu J,et al.Carbon dioxide emissions and organic carbon contents of fluvo-aquic soil as influenced by straw and lignin and their biochars[J].Journal of Agro- Environment Science,2015,34(2):401-408.(in Chinese)

[11]Richardson D,Felgate H,Watmough N,et al.Mitigating release of the potent greenhouse gas N2O from the nitrogen cycle:could enzymic regulation hold the key[J].Trends in Biotechnology,2009,27:388-397.

[12]Bruun E W,Muller Stover D,Ambus P,et al.Application of biochar to soil and N2O emissions:potential effects of blending fast-pyrolysis biochar with anaerobically digested slurry[J].European Journal of Soil Science,2011,62:581-589.

[13]Clough T J,Bertram J E,Ray J L,et al.Unweathered wood biochar impact on nitrous oxide emissions from a bovine- urine-amended pasture soil[J].Soil Science Society of America Journal,2010(74): 852-860.

[14]Elizabeth V,Johan S.Biochar does not mitigate field scale N2O emissions in a Northern California vineyard:an assessment across two years[J].Agriculture Ecosystems and Environment, 2014,191:27-38.

[15]Kuzyakov Y,Subbotina I,Chen H Q,et al.Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by C-14 labeling[J].Soil Biology & Biochemistry, 2009,41:210-219.

[16]Zimmerman A R,Gao B,Ahn M Y.Positive and negative carbon mineralization priming effects among a variety of biochar amended soils[J].Soil Biology & Biochemistry,2011, 43:1169-1179.

[17]Sun J,Wang B C,Xu G,et al.Effect s of wheat straw biochar on carbon mineralization and guidance for large-scale soil quality improvement in the coastal wetland[J].Ecological Engineering,2014,62:43-47.

[18]Luo Y,Durenkamp M,Nobili M D,et al.Short term soil priming effects and the mineralization of biochar following its incorporation to soils of different pH[J].Soil Biology & Biochemistry,2011,43:2304-2314.

[19]Bruun E W,Ambus P,Egsgaard H,et al.Effects of slow and fast pyrolysis biochar on soil C and N turnover dynamics[J].Soil Biology & Biochemistry,2012,46:73-79.

[20]Singh R,Babu J N,Kumar R,et al.Multifaceted application of crop residue biochar as a tool for sustainable agriculture:an ecological perspective[J].Ecological Engineering,2015,77: 324-347.

[21]叶丹丹,谢立勇,郭李萍,等.华北平原典型农田CO2和N2O排放通量及其与土壤养分动态和施肥的关系[J].中国土壤与肥料,2011,(3):15-20.

Ye D D,Xie L Y,Guo L P,et al.The emission-flux of CO2and N2O and its relationship with soil nutrient dynamic and fertilization in typical upland field in North China plain[J].Soil and Fertilizer Sciences in China,2011,(3):15- 20.(in Chinese)

[22]郭艳亮,王丹丹,郑纪勇,等.生物炭添加对半干旱地区土壤温室气体排放的影响[J].环境科学,2015,(9):3393-3400.

Guo Y L,Wang D D,Zheng J Y,et al.Effect of biochar on soil greenhouse gas emissions in semi-arid region[J].Chinese Journal of Environmental Science,2015,(9):3393-3400.(in Chinese)

[23]范靖尉,白晋华,任寰宇,等.减氮和施生物炭对华北夏玉米-冬小麦田土壤CO2和N2O排放的影响[J].中国农业气象,2016,37(2):121-130.Fan J W,Bai J H,Ren H Y,et al.Effects of reducing nitrogen and biochar application on CO2and N2O emissions from summer maize-winter wheat field in North China[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2016,37(2):121-130.(in Chinese)

[24]Lehmann J,Gaunt J,Rondon M.Biochar sequestration in terrestrial ecosystems-A review[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change,2006,11:403-427.

[25]Zhang A F,Liu Y M,Pan G X,et al.Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain[J].Plant and Soil,2012,351:263-275.

[26]谢立勇,叶丹丹,张贺,等.旱地土壤温室气体排放影响因子及减排增汇措施分析[J].中国农业气象,2011,32(4):481- 487.

Xie L Y,Ye D D,Zhang H,et al.Review of influence factors on greenhouse gases emission from upland soil and relevant adjustment practices[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2011,32(4):481-487.(in Chinese)

[27]刘莹莹,秦海芝,李恋卿,等.不同作物原料热裂解生物质炭对溶液中Cd2+和Pb2+的吸附特性[J].生态环境学报,2012, (1): 146-152.

Liu Y Y,Qin H Z,Li L Q,et al.Adsorption of Cd2+and Pb2+in aqueous solution by biochars produced from the pyrolysis of different crop feedstock[J].Ecology and Environmental Sciences, 2012,(1):146-152.(in Chinese)

[28]张晗芝,黄云,刘钢,等.生物炭对玉米苗期生长养分吸收及土壤化学性状的影响[J].生态环境学报,2010,19(11):2713- 2717.

Zhang H Z,Huang Y,Liu G,et al.Effects of biochar on corn growth,nutrient uptake and soil chemical properties in seeding stage[J].Ecology and Environmental Sciences,2010, 19(11):2713-2717.(in Chinese)

Impacts of Biochar Application on CO2and N2O Emissions from Brown Soil with Maize

XIE Li-yong1, XU Jing1, GUO Li-ping2, SUN Xue1, ZHAO Hong-liang1, ZHENG Yi-min1

（1.College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China; 2. Institute of Environmental and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

In order to inquire into the impacts of different biochar application on CO2andN2O emission from maize field in the brown soil in northeast of China, the field experiment was conducted in Liaohe plain from 2016. 4 farming measures, including CK（no biochar）, C1（3000kg·ha-1biochar）, C2（5000kg·ha−1biochar） and C3（7000kg·ha−1biochar）, were taken in the experiment based on local normal nitrogen fertilizer application. CO2and N2O emission from soil during whole maize growth season, started at sowing date, was measured periodical. The result showed that biochar application inhibited the intensity of soil respiration to some extent, so as to inhibit the emission of CO2in the soil, but they were no significant. CO2emission from the treatments of C1 and C2 was less than that of CK, decreased the accumulative emission by 9.9% and 8.0%, respectively. CO2accumulative emission from jointing−flowering stage was the highest, get reaching 800−1200mg·m−2·h−1, and that of from seeding stage and full ripe stage was the lowest. However, there was a significant positive correlation between CO2average emission flux and soil temperature below 5cm. Biochar application also inhibited soil N2O emission, and with increase of biochar, the soil N2O emission decreased gradually. During the whole growth season of maize, N2O emission flux was mainly affected by nitrogen fertilizer application. The emission flux of N2O increased significantly and had obvious emission peak after basic nitrogen fertilizer and supplement nitrogen fertilizer. Compared with CK, N2O accumulative emission from C1, C2 and C3 were reduced by 24.7%, 35.2%, and 37.0% in maize growth season. The results indicated that biochar application reduced CO2andN2O emissions from soil. Biochar application had significance for carbon sequestration in maize field in brown soil region, improved soil properties and maintained the stable maize yield. Appropriate amount of biochar application for maize was a key to mitigate soil CO2and N2O emissions.

Greenhouse gasses; Greenhouse gasses emission from soil; Maize; Biochar; Carbon dioxides (CO2); Nitrous oxide (N2O); Carbon sequestration and mitigation; Climate change

10.3969/j.issn.1000−6362.2018.08.001

谢立勇,许婧,郭李萍,等.生物炭对棕壤玉米田CO2与N2O排放的影响[J].中国农业气象,2018,39(8):493−501

2018−01−12

“十二五”国家科技支撑计划课题（2013BAD11B03）

谢立勇（1969−），博士，教授，从事气候变化与低碳农业研究。E-mail: xly0910@163.com