有机肥和秸秆炭分别替代部分尿素和秸秆降低黑土温室效应的效果

李桂花，郭俊娒，姜慧敏*，张建峰*

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101）

农田温室气体排放是全球温室气体的主要排放源之一，而施肥模式对温室气体排放和土壤肥力提升影响巨大[1]。因此，采取合理措施，增加土壤碳封存，对农业可持续发展和缓解全球气候变化具有重要意义。

生物炭是“固碳减排”方面的研究热点[2–4]。但是，外加生物炭能否成为生态系统的碳汇，还要取决于生物炭、微生物和土壤有机质间的相互作用。因此，有关生物炭在“固碳减排”方面的研究得到了对立的结果[5–8]。Spokas等[9]研究认为秸秆炭降低了土壤有机碳的矿化速率，有利于积累土壤惰性碳，降低CO2的排放；Lu等[10]认为秸秆炭显著降低土壤CO2释放，但增加了秸秆炭的CO2释放，所以总释放量与单施化肥相比没有差异；Zhang等[11]认为生物炭对总CO2的释放没有影响。而Rogovska等[12]发现秸秆炭显著提高CO2的排放。刘玉学等[13]认为秸秆炭改善了土壤的通透性，减少了厌氧环境，因此减少了CH4的排放；而Feng等[14]认为秸秆炭改变土壤微生物群落结构，促进产甲烷菌的生长，因此促进CH4的排放。然而，很多在室内培养或盆栽得到的生物炭“固碳减排”结果并没有在田间条件下得以重现[7]。

除了生物炭外，缓控释肥和有机肥的施用也影响温室气体的排放与有机质的提升。与尿素相比，缓控释肥显著降低黑土玉米田和水田CH4和N2O的排放量[11,15–16]，对CO2的排放没有影响[15]；而丁维军等[17]研究表明施用缓释氮肥分别降低土壤CO2、CH4和N2O排放量24.7%、3.0%和26.8%。另外，有机无机配施与单施化肥相比能减少温室气体排放，在保持产量的基础上达到“减排”和“固碳”的协同效果[18]；而高红军等[19]发现，长期有机−无机配施、秸秆还田比单施化肥显著增加黑土CO2和N2O的释放，而降低CH4的释放。董玉红等[20]也发现有机肥施用抑制CH4的排放，却增加CO2的排放通量。

总之，因有机物料 (有机肥、秸秆、秸秆炭) 以及土壤和气候条件的差异，温室气体释放结果也不同。而在等氮条件下，有关有机肥、生物炭和缓释肥结合对高肥力黑土温室气体释放、有机质提升方面研究较少，因此本文在田间原位情况下，通过三年定位试验，研究不同有机物料和控释肥施用对温室气体排放和土壤肥力的潜在影响，为黑土“减排固碳”提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验地点位于哈尔滨市道外区民主乡黑龙江省农科院现代农业科技示范园区 (东经 126°48′55″，北纬 45°49′44″)，海拔 130 m，属于寒温带大陆季风气候，年均气温3.6℃，年降水量486.4 mm，无霜期135d。土壤类型为黑土含砂粒13%、粉粒63%和粘粒24%。试验前耕层土壤理化性质：有机质28.7 g/kg、全氮1.14 g/kg、全磷0.39 g/kg、全钾29.5 g/kg、碱解氮85.19 mg/kg、有效磷30.00 mg/kg、速效钾185.98 mg/kg、pH 6.85。

1.2 试验设计

试验于2013年5月—2015年10月在春玉米地进行。在施用玉米秸秆4 t/hm2前提下设置：1) 不施氮对照 (N0)；2)100%尿素氮 (N 165 kg/hm2，N1)；3)60%尿素氮 + 20%有机肥氮 + 20%缓释氮 (N2)；4) 用2 t/hm2玉米秸秆炭替代4 t/hm2玉米秸秆，其他用量与N2相同 (N3)。每个处理4次重复，随机区组排列，小区面积60 m2。所有处理施磷量60 kg/hm2(磷酸氢二铵) 和施钾量为75 kg/hm2(硫酸钾) 。

尿素按基肥 (4月28日) 和追肥 (7月1日) 2∶1施入，有机物料、缓释肥和磷钾肥全部作为底肥施用。缓释肥为包膜尿素 (氮含量41.8%)，由中国科学院南京土壤研究所提供。有机肥由江苏田娘农业科技有限公司生产 (含水量30%、有机质47.8%、氮1.86%)，替代量参考前期研究结果[1]。玉米秸秆炭 (500℃厌氧热解) 由黑龙江省农科院提供 (全氮6.1 g/kg、全磷5.17 g/kg、全钾22.8 g/kg、pH 9.07、碳77.1%)。玉米品种为当地主栽品种龙单42，播种量为25 kg/hm2。

1.3 田间管理

播种后一周，用金都尔乳油 (975 mL/hm2) 与2, 4-D丁酷乳油 (1125 mL/hm2) 混合施用封闭除草；到玉米4～5叶时喷施耕杰除草剂 (1575 mL/hm2)。

机器中耕两次，人工收获玉米。玉米收获后，除N3处理外，留一半的秸秆 (4 t/hm2) 用粉碎机粉碎，人工回田。秋季翻地，再用旋耕起垄机同时起垄。所有耗油量用实测值计算。

1.4 样品采集和测试

成熟期采集0—20 cm耕层土壤，每个小区采集5个点混匀，用四分法混合成一个样品，风干、研磨、过筛。参照《土壤农化分析》[21]测定基本理化性质。温室气体 (N2O、CH4和CO2) 用静态暗箱 (长60 cm、宽60 cm，高80 cm + 70 cm) 原位采集，气相色谱法测定[22]。气体采集从基肥和追肥后第二天起，每天采集一次，连续7天，之后一周采集一次。采样时间为上午9—11点，遇到雨天第二天采样。每次采样分别在0、5、10、15、20 min采集，共5次，第一次采集箱外周边气体，同时测定箱温、土温和气温。

温室气体通量公式为：

式中：F为气体排放通量[mg/(m2·h)]；k为量纲换算系数；V为气室体积；A为底座面积；M为目标气体摩尔质量；V0为标准状况下气体的摩尔体积；T0为标准状况下绝对气温；T为箱内温度；P箱内气压；P0标准状况下绝对气压；dc/dt为采集箱内气体浓度变化速率。将整个生育期测定结果进行累加，并进行单位换算，计算出生态系统温室气体总排放量。

1.5 当季作物尺度土壤固碳效应的计算

当季作物尺度土壤固碳效应 (δSOC) 用农田生态系统净碳收支 (NECB) 进行估算[22,23]。

式中：NEP表示生态系统净生产力；H表示农田收获物移出农田系统的总碳量；GPP表示总初级生产力；Re表示生态系统呼吸；NPP表示作物生态系统净初级生产力；NPP根茬(根茬碳) 按照种植密度60000株/hm2条件下，春玉米根冠比为0.075[24]计算根质量，再按成熟期春玉米根系的碳含量为45%[25]计算根茬碳含量；NPP根系分泌物(作物根系沉积 C) 按光合作用同化碳的5.3%计算[26]；NPP凋落物(作物凋落物C) 按地上部和根系碳的5%计算[27]；玉米籽粒碳含量 (NPP籽粒) 用产量的45%计算；玉米秸秆碳含量(NPP秸秆) 用秸秆重量的40%计算。有机肥C投入量是C 491 kg/hm2。

δSOC = NECB × 0.230 + 秸秆炭的碳含量

式中：0.230是NECB转化为旱田土壤有机碳的表观平均转换速率[22]；秸秆炭的碳含量用77%计算。

1.6 综合净温室效应的计算

综合净温室效应 (Net GWP) = CH4× 28 + N2O ×265 + E0+ Ei-δSOC × 44/12[23]

式中：E0指农事操作带来的碳排放；Ei指化学品投入带来的碳排放，具体农事碳排放系数参照表1。

温室气体强度 (GHGI) 为综合净温室效应 (Net GWP) 与玉米产量的比值。

1.7 数据的统计分析

试验结果用SigmaPlot10.0进行方差分析，不同处理间采用最小显著差数法 (LSD法) 进行差异显著性检验 (P ＜ 0.05)。

2 结果与分析

2.1 生态系统CO2、N2O、CH4气体的排放

不同施肥处理在春玉米生育期内的气体排放规律具有一致性。从累积排放量看 (表2)，N1、N2、N3 处理生态系统 CO2排放为 N3≈N2 ＜ N1，N2、N3处理显著低于N1处理 (P ＜ 0.05)，N2和N3处理差异不显著，N2和N3处理降低CO2排放的效果显著好于N1处理；N2O累积排放各处理为N1≈N2 ＞N3，N3处理降低N2O累积排放的效果显著好于N1和N2处理；CH4累积排放各处理表现为N1≈N2 ＞N3，N3各处理降低CH4累积排放的效果显著好于N1 和 N2 各处理 (P ＜ 0.05)。

2.2 当季作物尺度农田生态系统净碳收支平衡

从地上部生物量光合固碳、移出碳 (如玉米产量)、外加有机物料碳和生态系统碳呼吸 (CO2) 收支结果看，当季作物尺度生态系统净碳收支 (NECB) 差异显著 (表3，P ＜ 0.05)，N1、N2和 N3处理的生态系统净碳收支分别为−621.3、766.5、−673.3 kg/hm2，N2处理净碳收支结果显著高于N1和N2处理。因秸秆炭直接作为土壤碳的增量来计算，因此，秸秆炭处理 (N3) 对生态系统净碳收支平衡的影响显著低于有机肥处理 (N2)。

表2 不同施肥处理玉米生育期生态系统CO2、N2O和CH4累计排放量(kg/hm2)Table 2 Cumulative greenhouse gas emissions during maize growth period under different treatments

2.3 当季作物尺度农田土壤固碳效应和综合净温室效应

农业投入 (农事操作和化学品投入) 所带来的碳排放见表4。农机损耗的柴油包括自身燃烧和生产和运输过程中产生的CO2。化学品包括生产和运输产生的CO2排放。农事操作产生的碳排放为61.3 kg/hm2，氮肥生产和投入是主要的碳排放源，N1、N2、N3处理分别占农业投入的73%、71%和66%。

从表5看出，施肥处理间 (N1、N2和N3) 玉米产量无显著差异。三年不同施肥处理间土壤有机质含量差异不显著 (数据略)。如果把秸秆炭直接作为土壤固碳增量来计算，则利用农田生态系统净碳收支平衡值 (NECB) 估算的当季土壤固碳效应分别为C−142.9 kg/hm2(N1)、176.3 kg/hm2(N2) 和 1385.1 kg/hm2(N3)。说明施用有机肥处理 (N2和N3) 的土壤固碳效应显著优于化肥 (N1) 和不施肥 (N0)，且生物炭(N3) 处理的土壤固碳效应最好。进一步从农事碳投入、农田生态系统温室气体排放 (CH4和N2O与CO2的等同效应)、土壤固碳效应角度分析综合净温室效应，则只有N3处理 (–3769.7 CO2eq. kg/hm2) 是碳汇，其他三个处理的综合净温室效应都是碳源。如果考虑玉米产量，则温室气体强度 (GHGI，综合净温室效应/作物产量) 三个处理的大小为N1 ＞ N0≈N2 ＞ N3。说明N3处理的综合净温室效应和温室气体强度最小。

表3 当季作物尺度农田生态系统净碳收支平衡 (C kg/hm2)Table 3 Net carbon budget of agro-ecosystem in one growth season

表4 农事操作和化学品投入所产生的碳排放量Table 4 Amount of carbon emission from farming practices and chemical inputs

表5 农田土壤固碳效应、综合净温室效应和温室气体强度Table 5 Soil organic C sequestration potential, net global warming potential and greenhouse gas intensity

3 讨论

3.1 不同施肥对农田综合净温室效应的影响

以现阶段低碳农业评价指标[23]看，只有N3处理是碳汇，其他是碳源 (表5)。用有机肥替代部分化肥(N2和N3处理) 显著减少CO2排放。用生物炭 (N3处理) 替代秸秆 (N2处理) 显著降低N2O排放[34]，增加土壤固碳效应，从而降低综合净温室效应和温室气体强度。说明用有机肥和生物炭 (N3) 替代部分化肥和秸秆的“固碳减排”效果最佳。

东北黑土玉米产量高，连续三年不施氮肥的玉米平均产量达6700 kg/hm2。因此，不同处理的NPP也较大 (C 7240～9820 kg/hm2)。而东北玉米季前期温度低，生态系统CO2释放少，整个生育期释放量也相对较低，所以施肥处理的NEP(C 5800～7000 kg/hm2)相对较高。这与战领等[32]通过通量观测数据得到的相近纬度美国施肥玉米地的NEP(C 5600～6200 kg/hm2)较接近。

虽然本文参照的NPP/GPP比值 (0.58) 是水稻–小麦系统的比值[23]，但GPP计算结果 (C 12000～17000 kg/hm2) 与战领等[32]通过通量观测数据得到的相近纬度的美国玉米地GPP结果 (C 13200～16400 kg/hm2)非常相近。说明黑土区玉米系统碳利用效率也接近这个值。Zhang等[33]通过MODIS数据与生态产量模型的结合，计算出北半球作物系统NPP/GPP的比值为0.5399。

3.2 有机物料对土壤肥力和CO2气体排放的影响

从氮转化角度，本试验结果已经表明，用有机肥、缓释肥以及秸秆炭替代部分化肥氮，不仅可以提高氮肥利用率，降低N2O环境污染风险，而且改善土壤肥力的可持续性[34]。然而有机物料的投入还会影响土壤原有有机质的分解，即产生激发效应。本研究表明，用有机肥替代部分化肥显著降低生态系统CO2释放，而且有机肥 (N2) 或有机肥 + 生物炭 (N3)显著增加当季尺度生态系统净碳收支或土壤固碳效应。

黑土长期定位试验表明，有机−无机配施比化肥 +秸秆显著增加土壤肥力[35]。本文碳平衡结果也表明有机肥和有机肥 + 生物炭处理比化肥 + 秸秆处理增加土壤固碳效应。原因可能是有机肥中的养分比秸秆更均衡。Kirkby等[36]发现如果秸秆还田时，配施一定比例的无机氮、磷和硫 (使C∶N∶P∶S形成一个合适的比例)，则显著增加土壤中耐分解碳的组分，从而增加土壤碳的封存。

另外，生物炭的加入对土壤有机质的分解可以产生正激发[5]、负激发[5,8]或无显著作用[7,37]。产生这种差异的原因可能是生物炭对土壤有机质的激发效应受生物炭种类[9]、炭化温度[38]和土壤类型[5]的影响。本研究表明，粘粒含量高的黑土，用秸秆炭(N3处理) 替代秸秆 (N2处理) 对CO2的排放没有显著影响，而Fang等[5]发现生物炭的激发效应与粘粒含量呈负相关。通常情况下，粘粒吸附生物炭中的易分解有机物，从而减少生物炭所引发的激发效应[5]。但是如果存在有机肥，它可以与粘粒形成稳定的有机−矿物结构，从而保护有机肥、土壤有机质的分解，但同时减少粘粒对易分解生物炭组分的吸附，促进生物炭的分解，最后达到增减平衡的结果，对CO2的排放没有产生显著影响。或者说有机肥的存在掩盖了粘粒与生物炭间的作用，这从微生物量碳角度也可以发现存在有机肥的情况下，不论是配施生物炭还是秸秆，N3和N2处理的微生物量碳没有差异。说明只要土壤养分均衡，微生物更多地将底物加以利用，从而增加碳的封存，而与秸秆或秸秆炭无关。另外一些试验发现，随着外加生物炭时间的增加，激发效应逐步由正激发变成负激发[38]。但本研究并没有表现出相同的结果，原因可能是施入生物炭后，土壤温度持续较低，影响了微生物活性，而且作物生长较慢，根系呼吸不活跃。

本质上说，有机肥含有较多易分解成分，因此与化肥处理 (N1) 相比，N2和N3处理应当显著增加CO2释放，但因有机肥养分更加均衡，所以微生物对碳底物利用率高，因此，与化肥 + 秸秆还田相比，减少了CO2的释放，这与高红军等的结果一致[19]。同时，因秸秆炭的存在，吸附了易分解底物和土壤有机物[10]，所以在低温环境条件下，快速生长型微生物 (r-strategist) 无法快速利用底物，并参与SOM的分解，从而减缓了CO2的释放。而在玉米生长活跃期，微生物分解有机物主要是为了供应作物生长 (竞争能力低于作物)，因此，主要以生长缓慢型 (k-strategist)微生物起作用，以耐分解的SOM和生物炭为底物，从而减缓了CO2的释放。另外，生物炭高温 (＞ 500)热解，也利于形成难分解的生物炭，从而减少正激发的产生，减少CO2释放[38]。

3.3 有机物料对CH4气体排放的影响

旱地土壤中产生的CH4一般情况下在未被排放到大气中时就被甲烷氧化菌氧化生成CO2，因此旱地土壤中CH4的排放通量一般较低，土壤含水量、通气性和土壤中易分解有机物含量均能对CH4的排放产生影响。本研究结果表明，与有机肥相比，生物炭的投入，减少了CH4的产生。原因可能是生物炭通过自身多孔结构和对有机物质的高度亲和能力，减少甲烷细菌的反应底物[39]。另外可能是生物炭产生微生物抑制剂，降低微生物活性，从而减少CH4的产生[9]。还有可能是秸秆炭通过调节土壤通气性和氧化还原电位等来减少CH4的排放[40]。

4 结论

与施用100%尿素氮 (N1处理) 相比，用有机肥氮替代部分尿素氮 (N2和N3处理) 能减少CO2排放25%和27%；用秸秆生物炭 (N3处理) 替代秸秆(N2和N1处理) 可降低N2O排放45%和40%，增加土壤固碳效应8倍和10倍，所以从综合净温室效应看，有机肥与生物炭配施是“固碳减排”的最有效措施。