秸秆与生物炭覆盖对土壤养分及温室气体排放的影响

杨世梅，何腾兵,2,3，杨丽，赵秋梅，张涛

(1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学新农村发展研究院，贵州 贵阳 550025；3.贵州省山地畜禽养殖污染控制与资源化技术工程实验室，贵州 贵阳 550025)

自20 世纪以来，全球平均地表温度持续升高，模型预测结果显示，从2018 年到2100 年全球平均地表温度将升高0.3～4.8 ℃[1]，气候变暖严重影响自然、经济和人类生活，已成为全球关注的问题[2]。CO2、N2O、CH4作为三大温室气体，其在大气中的浓度不断增加是导致温室效应并造成全球变暖的关键因素[3]。农业活动是温室气体的主要来源之一，在全球农业温室气体排放中，来源于土壤的CO2占15%，CH4占47%，N2O 占84%[4]。农田土壤温室气体的排放受到多方面的影响，如土壤理化性质、水分、温度、秸秆还田量及还田方式等[5–6]。在确保粮食生产安全的同时，找到有效的途径降低温室气体排放，从而改善全球气候变暖及环境恶化成为当今世界所面临的共同挑战。

中国作为农业大国，秸秆资源十分丰富，2016年中国秸秆产量超过8×108t[7]，传统秸秆处理方式主要为就地焚烧或直接丢弃在田间，这不仅造成了一系列的环境问题，也是对资源的一种浪费。生物炭是由生物质在厌氧状态下经过高温热解碳化而产生的稳定且富含碳的固态物。生物炭独特的多孔结构和表面化学特性使其成为一种优良的有机污染物吸附剂[8]。大量研究[9–12]认为，秸秆还田和施用生物炭能够改善土壤理化性质，提高土壤蓄水保墒能力，减少硝酸盐的淋失，提高作物的产量。有研究[5–6,13]表明，秸秆还田会导致温室气体排放的增加。与秸秆还田相反，生物炭施用能抑制农田土壤温室气体的排放[5,9,14]。保护性耕作措施中，秸秆还田能促进土壤呼吸，如果将秸秆制成生物炭则对CO2排放影响很小[15]。生物炭能显著降低蔬菜土壤N2O 的年累积排放量，同时降低反硝化酶活性，显著提高蔬菜产量，并通过提高土壤碳含量和阳离子交换容量改善土壤肥力[16]。也有研究[17]认为，秸秆还田能减少温室气体的排放。在保证作物产量的同时，不以牺牲生态效益为代价，寻求合理的秸秆利用方式及施用量，使其发挥出最大的优势逐渐受到大家的关注。

本研究中，对贵州最为常见的长期种植玉米的典型旱地土壤进行玉米秸秆和生物炭还田模拟试验，探究不同处理条件下土壤的肥力状况和温室气体排放规律，以期探明农田土壤固碳减排和提升土壤肥力的秸秆利用方式，为合理利用秸秆资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以贵州省花溪区麦坪镇典型多年种植玉米的黄壤为供试土壤，其成土母质为砂页岩。土壤有机质和全氮质量分数为34.61、2.52 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾质量分数分别为159.08、9.11、114 mg/kg，pH 5.4。使用事先已知质量、直径11 cm、高约15 cm 的PVC 管采集0～10 cm 原状土壤样品：将PVC 管垂直打入土壤10 cm 深，用铁锹从侧面向底部切入，去除多余部分，并将PVC 管底部密封，另一端呈敞开状态，在采样及运输过程中尽量减少对土壤的扰动。在采集原状土样的同时，采集0～10 cm 土壤样品带回实验室，测定其含水量及田间持水量。装有原状土样的PVC 管带回实验室，称量总质量，再通过计算得到PVC 管内土壤的总干质量。试验所用玉米秸秆与土壤样品来自同一地块，玉米秸秆齐地面刈割，茎叶一起完整带回实验室，烘干后粉碎，待用。生物炭为购买所得，炭化原料为玉米秸秆。玉米秸秆的有机碳、全氮、全磷、全钾质量分数分别为214.31、7.69、0.46、6.92 g/kg；生物炭的有机碳、全氮、全磷、全钾质量分数分别为518.11、1.11、1.83、14.46 g/kg。

1.2 试验设计

参照邵泱峰等[18]及田宇欣等[19]的研究确定秸秆覆盖量，设6 个处理，分别为不添加秸秆和生物炭的对照(CK)、全量秸秆(S10)、半量秸秆(S5)、全量生物炭(B10)、半量生物炭(B5)和半量秸秆+半量生物炭(BS5)。全量为10 g/管，即为11.6 t/hm2；半量为5 g/管，即为5.8 t/hm2。每个处理4 个重复。试验开始前，将原状土壤水分调节至田间持水量的70%[20]，然后将秸秆和生物炭均匀覆盖到土壤表层，置于20 ℃恒温培养箱中培养，预培养7 d 后开始为期32 d 的正式试验。培养期间用重量法保持土壤水分恒定。

1.3 样品的采集与测定

每3 或4 d 采集一次气体样品。采集气体样品时，首先使用30 mL 注射器抽取各处理敞开端气体样品，之后盖上带有三通阀的密封盖，使PVC 管完全密封，1 h 后再次使用30 mL 注射器抽取气体样品，样品于提前抽成真空的采气袋中保存，2 d之内使用气相色谱分析仪(岛津GC–2014，日本)进行分析。气相色谱条件：载气为高纯N2；CO2、CH4浓度检测时采用氢火焰离子检测器(FID)，反应温度为200 ℃；N2O 气体浓度检测时采用电子捕获检测器(ECD)，反应温度为350 ℃。参照文献[21]的方法，计算土壤CO2、CH4和N2O 排放通量；参照文献[22]的方法，计算土壤CO2、CH4和N2O 的累积排放量，并将温室气体的增温潜势转化为CO2的排放当量，即全球增温潜势(GWP)。

试验结束后，将表层秸秆和生物炭去除干净，采集土样。土样经自然风干、过筛后，参照文献[23]的方法测定其基础养分指标：采用电位法测定pH；采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定有机质；采用硫酸催化剂消煮+半微量凯氏定氮法测定全氮；采用碱解扩散法测定碱解氮；采用0.5 mol/L NaHCO3浸提+钼蓝比色法测定有效磷；采用醋酸铵浸提+火焰光度法测定速效钾。

1.4 数据处理与分析

试验所得数据运用Excel 2010 进行整理及绘图；运用SPSS 21.0 进行单因素方差分析，并采用LSD 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 秸秆与生物炭覆盖对土壤养分特征的影响

从表1 可知，秸秆和生物炭覆盖对土壤pH 产生的影响并不一致，其中BS5 的土壤pH 显著高于S10和B5 的，与CK 相比，BS5、S5 和B10 的土壤pH分别提高了3.96%、2.18%和0.59%，但所有处理与CK 间的差异均无统计学意义；S10、S5 和B5 的速效钾质量分数均显著低于CK 的，分别降低了57.01%、47.44%和36.04%；土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷的质量分数在各处理间的差异均无统计学意义，其中，BS5 的有机质、碱解氮和有效磷质量分数均为最高；与CK 相比，S10、S5、B10、B5 和BS5 的全氮分别降低了7.91%、2.37%、12.65%、11.86%和7.11%。

表1 秸秆与生物炭覆盖土壤的养分特征Table 1 Nutrient characteristics of straw and biochar mulched soil

2.2 秸秆与生物炭覆盖土壤的CO2 排放特征

从图1 可知，培养期间各处理CO2排放通量变化趋势基本相似，试验前期CO2排放通量较高，到后期逐渐降低直至趋于稳定，总体表现为CO2排放源；正式培养第1 天CO2排放通量最高；第9 天时排放通量降低到达第一个排放谷；第12 天时排放通量迅速上升；第18 天时CO2排放通量再次降到排放谷，之后一直到培养结束时CO2排放通量的波动范围较小，并且逐渐趋于平稳。

图1 秸秆与生物炭覆盖土壤温室气体排放通量的动态变化Fig.1 Dynamic change of greenhouse gas emission flux of straw and biochar mulched soil

2.3 秸秆与生物炭覆盖土壤的CH4 排放特征

从图1 可知，培养期间各处理CH4排放通量动态变化不一致，排放通量有正有负；试验从开始到第4 天，CH4排放通量呈下降趋势，且第4 天时除B10 外，其余处理土壤均表现为对CH4吸收；CK、B5、BS5 第7 天和第12 天时分别出现CH4排放通量的排放峰，第9 天时排放通量虽有下降，但均为CH4排放源，S5、S10、B10 则是第7～12 天逐渐增加，第12 天时出现CH4排放通量的排放峰；之后呈下降趋势，直至第24 天时再次出现CH4吸收；第29 天CH4排放量再次增加；培养至第32 天时CH4排放量又出现小幅度下降，但除CK 和BS5 外，其他处理土壤仍然表现为CH4的排放。

2.4 秸秆与生物炭覆盖土壤的N2O 排放特征

从图1 可知，除第9 天各处理N2O 排放特征存在差异外，整个培养期间各处理的变化趋势基本一致：培养第1 天N2O 排放通量最低，表现为N2O的吸收；之后N2O 排放通量迅速升高，至第4 天时出现一个排放峰，且所有处理均表现为N2O 排放源；之后开始下降，但是在培养的第9 天各处理N2O 排放通量出现较大差异，CK 和BS5 为N2O 排放源，而其他处理则为汇；培养后期N2O 排放通量逐渐趋于稳定，且排放通量总体为负值。

2.5 秸秆与生物炭覆盖的土壤温室气体累积排放量及全球增温潜势变化特征

从表2 可知，BS5、B5、S5、B10、S10、CK的CO2累积排放量依次减少，秸秆和生物炭覆盖均提高了土壤的CO2累积排放量，BS5 的CO2累积排放量显著高于CK 和S10 的，分别是其2.56 和2.06倍；与CK 相比，秸秆和生物炭覆盖土壤的CH4累积排放量变化均不显著，B5 累积排放量最低，降低了93.39%，而BS5 则使CH4累积排放量增加了21.50%；秸秆和生物炭覆盖均有降低N2O 累积排放量的趋势，其中秸秆或生物炭单独覆盖处理的N2O累积排放量均为负值，即土壤由N2O 排放源转为汇，两者混合覆盖土壤虽有一定的降低效果，但仍为N2O 的排放源，各处理以S10 对土壤N2O 排放抑制效果最佳，其累积排放量显著低于CK 的累积排放量。

表2 秸秆与生物炭覆盖土壤的温室气体累积排放量及全球增温潜势Table 2 Cumulative amounts of greenhouse gas emissions and global warming potential of straw and biochar mulched soil

从表2 还可知，所有处理均具有潜在温室效应，以CO2对GWP 贡献最大，N2O 贡献最低；各处理GWP 的变化特征与CO2累积排放量变化特征基本一致，随秸秆或生物炭覆盖量增加GWP 呈下降趋势，以BS5 的GWP 最高，显著高于CK 和S10 的，可见，半量秸秆+半量生物炭覆盖导致的潜在温室效应最为明显。

3 结论与讨论

有研究认为，秸秆与生物炭还田均能提高土壤全氮、碱解氮、速效磷等养分的含量，改善土壤肥力状况[16,24]，提高表层土壤的有机碳[10,25]、溶解有机碳、不稳定有机碳、颗粒有机碳和微生物量碳含量[11]，少耕或免耕与秸秆还田相结合有助于提高土壤有机碳含量和质量[26]。还有研究表明，秸秆覆盖还田对土壤全氮含量并没有影响，且可提高土壤pH[27]，施用生物炭同样可提高土壤pH[24]。LI[16]等的研究表明，生物炭施用会导致pH 降低。本研究中，秸秆与生物炭覆盖对土壤中有机质、全氮、碱解氮、有效磷质量分数的影响并不显著，对pH 和速效钾的影响不一致，既有降低作用，也存在提高现象。本研究中，土壤养分含量的变化特征与上述学者的研究结果存在差异，特别是部分处理土壤速效钾质量分数显著降低，可能原因是本试验培养周期较短且还田方式为覆盖还田，导致秸秆腐解速率相对较低，养分释放速率缓慢，在试验周期内秸秆本身的养分未能及时转移到土壤中。秸秆还田后被土壤微生物降解，将其木质素和木质纤维素等成分进行发酵、腐解、分解等方式转化后才能向土壤中输送有机质和矿质营养等成分[28]。在秸秆腐解前期土壤中的微生物需要大量消耗土壤中的养分来维持自己的正常活动性，如需要消耗氮素[29]，从而导致了土壤中养分的亏损。

本研究中，在培养前期各处理温室气体排放通量普遍较高，特别是CO2排放峰出现在正式培养的第1 天，这可能是培养初期由于干扰未稳定而带来的通量正常波动；培养后期各处理温室气体排放通量逐渐下降并趋于稳定，原因可能是玉米秸秆含有大量的糖类、脂肪等易分解组分，进入土壤后被微生物快速分解利用，微生物数量迅速增加，温室气体释放较快，到了培养后期易分解组分逐渐被消耗，微生物不得不转向开始利用难分解组分，温室气体降低且趋于稳定[30–31]。本研究中，秸秆和生物炭覆盖有促进CO2排放、抑制N2O 排放的趋势，而对CH4排放的影响不一致；半量秸秆+半量生物炭覆盖增加CO2和CH4排放，降低N2O 抑制效果。有研究得出，在土壤中添加秸秆和生物炭会抑制CO2和N2O 的排放，促进CH4吸收[9]，秸秆和生物炭会促进土壤中形成腐殖质、碳水化合物等难以被微生物吸收利用的大分子物质[32]，使微生物对碳的吸收利用能力下降[33]，其本身具有较高的C/N 比值，随着其输入，土壤的通透性和保水持水能力得到了增强，对硝化作用和反硝化作用起到了一定程度上的抑制[34–35]；还有研究[5,36]表明，生物炭还田降低了土壤CO2排放量；但朱晓晴等[13]认为，秸秆还田增加了CO2和N2O 排放，降低CH4吸收。各学者的研究结论并不一致，可能原因是温室气体排放受多种外部因素的影响，如各地环境差异较大、还田方式的不同、秸秆或生物炭的使用量不一致等。在本研究条件下，人为地控制了土壤水分及培养温度2 个重要影响因子，仅考虑外源秸秆覆盖对温室气体排放的影响，这也可能导致得出的结论因环境问题而与其他学者的结论存在差异。

本研究中，各处理均有增加GWP 的趋势。3种温室气体中，CO2对GWP 的贡献最大。秸秆覆盖有增加土壤温室气体排放的潜势[37]。向土壤不同深度添加秸秆，均增加了玉米生长季温室气体的综合增温潜势[13]。周际海等[5]研究表明，施用秸秆有增加GWP 的趋势，而施用生物炭有降低GWP 的趋势，且高剂量生物炭施用降低GWP 的效果更为显著。但也有研究[9]认为，秸秆与生物炭施用均降低了GWP。秸秆和生物炭还田于土壤表层，使土壤有机碳大量矿化[13]。向土壤中加入生物炭，土壤中碳矿化率增加，或者是由于所添加生物炭所含的不稳定碳的矿化[38]，导致了温室气体排放的增加，进而增加了GWP。