化肥减量配施生物炭基肥对玉米产量及土壤温室气体排放特征的影响

于衷浦， 杨浩鹏， 纪利成， 卫诚成， 江飞， 李茂森， 李孝良， 李飞跃

(1.安徽科技学院资源与环境学院，安徽 凤阳233100; 2.河南省生物炭工程技术研发中心，河南 郑州 450002)

化肥的施用极大提高了农作物的产量，但也存在化肥利用率低、养分流失严重等问题[1]，导致土壤肥力下降，农作物品质降低，同时加剧了地下水污染[2]、水体富营养化及温室气体排放[3]等问题，进而危害农业生态环境和人类健康[4]。张福锁等[5]研究发现，中国水稻、小麦、玉米三大粮食作物的肥料利用率远低于国际水平，与20世纪80年代相比呈下降趋势。近年来，国家对化肥过量施用所导致的农业面源污染等问题高度重视，实施了有机肥替代化肥行动等一系列政策，旨在达到化肥减量增效的目标。

近年来，生物炭在农业和环境领域得到广泛关注，在温室气体排放、土壤改良及环境修复等具有巨大应用潜力。生物炭因其独特的理化性质、比表面积大、吸附能力强等特点，可以吸收和负载肥料养分，将养分滞留在土壤中供给植物吸收利用，从而达到肥料在土壤中缓释和降低淋洗损失，降低土壤养分损失，提高土壤保水保肥能力[6]。生物炭基肥是以生物炭为载体和化肥通过加工形成的新型肥料。生物炭基肥中具有较大的孔隙结构能够为微生物提供生长繁殖的空间，增加土壤中微生物的多样性，可实现作物增产、抗病等优点[7]。大量研究表明，以生物炭基肥料为代表的新型肥料，在改良土壤，保水保肥，固碳减排方面的效果突出[8-10]。李正东等[11]研究发现，生物炭基肥施用对麦田CH4和CO2的累计排放量无显著影响，但温室气体强度降低了68%～77.5%。舒常禄等[12]研究发现，施用生物炭基肥降低了单位马铃薯产量的温室气体排放强度。NGUYEN等[13-15]研究发现，施用生物炭基肥能够提高水稻的光合作用，提高农作物品质和产量，单施生物炭和普通肥料更加稳定和高效。此外，李晓等[16]研究发现，施用炭基肥显著降低N2O的排放和全球增温趋势。但是，目前化肥减量配施生物炭基肥对玉米产量及土壤温室气体排放特征的影响相关研究很少。本研究生物炭基肥配施不同比例减量化肥施用对玉米产量和田间CH4、CO2、N2O排放的影响，分析土壤CH4、CO2、N2O排放特征和综合温室效应，最终为化肥减量配施生物炭基肥对玉米提质增效提理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况和材料

试验田位于安徽省滁州市凤阳县安徽科技学院科技种植园。该区域属北亚热带湿润季风气候，年均气温为14.9 ℃，年降雨量为904.4 mm。试验地土壤类型为黄褐土，试验地0～20 cm 土壤pH值为5.96，有机质含量为19 g·kg-1，全氮含量为0.81 g·kg-1，速效钾含量为156.22 mg·kg-1，速效磷含量为51.02 mg·kg-1。

供试玉米品种为裕丰303(北京联创种业有限公司)，供试生物炭基肥由河南惠农土质保育研发有限公司提供。总养分为8%，生物炭含量≥20%，N、P2O5、K2O含量分别为3.1%、1.9%、3%，有机质含量≥45%，无机复合肥m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=18∶18∶18(山东新洋丰肥业有限公司)，追肥所用的尿素(N质量分数为46%)(山东华鲁恒升化工股份有限公司)。

1.2 试验设计

本试验共设置6个处理(表1)，即不施加肥料(CK)、化肥(UF)、生物炭基肥(BCF)、生物炭基肥+60%化肥(BCF60)、生物炭基肥+80%化肥(BCF80)、生物炭基肥+100%化肥(BCF100)，每个处理3个重复。于2019-07-06进行试验试验。小区面积21.5 m2，生物炭基肥和化肥作为底肥一次性施入土壤。玉米于2019-07-08播种，玉米播种按照行距0.6 m，株距0.3 m，基本苗为3 867×15株·hm-2。于2019-07-17进行追肥，肥料为尿素。于2019-09-08玉米收获时测产。田间其他管理方式与当地常规管理相同。

表1 化肥减量配施生物炭基肥田间试验方案Table 1 Field experimental scheme of reducing chemical fertilizer and applying biological carbon-based fertilizer kg·hm-2

1.3 样品采集

1.3.1 气体采集与测定 气体样品的采集采用静态箱取样。采样箱由有机玻璃制成圆柱形，直径25 cm、高19.8 cm，采样箱仅底部开口，箱体一侧留有直径1和0.5 cm口分别用于插入温度计和连接三通阀来收集气体。盖箱后用50 mL注射器在采样箱安装的三通阀的采气口进行气体采集，在整个玉米生育期根据玉米生长情况采集气体，平均每6 d采集1次，分别于0、30 min采集气体并测定温度[17]。气体样品采集完成后于实验室用GC-2014气相色谱仪测定CH4、CO2、N2O浓度[18]。

排放通量计算公式：

(1)

式中：F为温室气体排放通量(CH4-C/(μg·m-2·d-1)；CO2-C/(mg·m-2·d-1)；N2O-N/(μg·m-2·d-1))；ρ为CH4、CO2、N2O在标准状态下的气体密度/(kg·m-3)；V为采样箱体积/m3；A为采样箱面积/m2；dc/dt为单位时间内采样箱中温室气体质量浓度增加量/(mg·L-1·d-1)；t为培养温度/℃;273为气态方程常数。

累计排放量计算公式：

(2)

式中(以CO2为例)：S为土壤的CO2-C累计排放量/(mg·g-1)，以C计；Fi同公式(1)；ti为第i次采样时间。

选取100a尺度来计算土壤温室气体排放的全球增温潜势(GWP)[19]：

GWP=25[CH4]+298[N2O]+[CO2]

(3)

式中：[CH4]、[N2O]、[CO2]分别代表土壤中CH4、N2O、CO2的累计排放量/(kg·hm-2)。

温室气体排放强度以单位经济产出的温室气体排放量，计算公式：

GHGI=GWP/Yield

(4)

式中：GHGI为温室气体排放强度/(kg·kg-1,以每kg粮食产生CO2当量计)；Yield为玉米产量/(t·hm-2)。

1.3.2 玉米产量 在玉米成熟期时采集整株样品带回实验室分析。玉米产量采用各小区单独收割后分别晒至质量恒定进行测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2019和SPSS 25.0软件对数据进行统计分析，差异显著采用LSD法，于P<0.05水平下进行显著性检验。采用Origin2018作图。

2 结果与分析

2.1 化肥减量配施生物炭基肥对土壤温室气体排放速率的影响

2.1.1 化肥减量配施生物炭基肥对土壤CH4排放通量的影响 化肥减量配施生物炭基肥对土壤CH4-C排放通量的动态变化如图1所示。化肥减量配施生物炭基肥条件下，各处理CH4-C在45 d内排放通量较为接近。CK、UF、BCF、BCF80、BCF100处理的CH4-C排放通量在第50天时达到最高值后表现出下降的趋势。CK、UF、BCF、BCF60、BCF80、BCF100处理的最高排放通量分别为4.51、4.77、5.44、4.33、5.31、5.97 μg·m-2·d-1。表2所示，各处理的CH4-C累计排放量为0.002 2～0.002 4 kg·hm-2，只有BCF60处理差异显著(P<0.05)，与UF处理相比CH4-C累计排放量降低了5%。

图1 化肥减量配施生物炭基肥对土壤

2.1.2 不同处理对土壤N2O排放通量的影响 化肥减量配施生物炭基肥对土壤N2O-N排放通量的动态变化如图2所示。在化肥减量配施生物炭基肥条件下，变化趋势总体相似。在玉米播种后第1、18 、56天时N2O-N排放通量出现3个排放峰，通量变化为13.94～109.57 μg·m-2·d-1。表2所示，CK、UF、BCF、BCF60、BCF80、BCF100处理的N2O-N累计排放量为0.020 7～0.027 6 kg·hm-2，BCF、BCF80处理下，与UF处理相比N2O-N累计排放量降低17%、15%；在BCF60、BCF100处理下与UF处理相比N2O-N累计排放量增加4%、1%，所有处理无显著差异。

图2 化肥减量配施生物炭基肥对土壤N2O-N

2.1.3 不同处理对土壤CO2排放通量的影响 化肥减量配施生物炭基肥对土壤CO2-C排放通量的动态变化如图3所示。由图3可知，在化肥减量配施生物炭基肥条件下，各处理间在玉米生周期内CO2-C排放通量趋势一致。在玉米播种后第18、38、56天时CO2-C排放通量出现3个排放峰，通量变化为14.58～563.97 mg·m-2·d-1。表2所示，CK、UF、BCF、BCF60、BCF80、BCF100处理的CO2-C累计排放量89.74～99.51 kg·hm-2，在BCF、BCF80、BCF100处理下，与UF相比CO2-C累计排放量分别降低9%、7%、2%；在BCF60的处理下与UF处理相比CO2-C累计排放量增加了1%，所有处理无显著差异。

图3 化肥减量配施生物炭基肥对土壤CO2-C

表2 化肥减量配施生物炭基肥对温室气体累计排放量的影响Table 2 Effect of fertilizer reduction with biochar-based fertilizer on cumulative greenhouse gas emissions

2.2 化肥减量配施生物炭基肥对玉米产量和土壤温室气体综合排放的影响

表3可知，化肥减量配施生物炭基肥玉米的产量。在6个处理中BCF80处理玉米产量最高。BCF60、BCF80、BCF100处理相比UF处理产量提高15%、21%、9%；BCF处理相比UF处理产量降低3%。由表2可知，化肥减量配施生物炭基肥综合增温潜势不存在明显差异，BCF、BCF80和BCF100处理与UF处理相比综合增温潜势降低9%、8%、1%；BCF60处理与UF处理相比综合增温潜势增加了1.5%。可见，单施生物炭基肥和化肥减量20%配施炭基肥及化肥不减量配施生物炭基肥可以降低玉米综合增温潜势。BCF、BCF60、BCF80和BCF100处理与UF处理相比温室气体排放强度降低8%、11%、25%和10%，存在显著差异。

表3 化肥减量配施生物炭基肥对综合增温潜势、玉米产量、温室气体排放强度的影响Table 3 Effect of fertilizer reduction with biochar-based fertilizer on integrated warming potential, maize yield,

3 结论与讨论

3.1 化肥减量配施生物炭基肥对温室气体排放量的影响

玉米农田中CH4排放通量的动态变化受土壤温度、水分、有机质含量等环境因子的影响。本研究中，土壤对CH4吸收的促进作用较弱[20]，其原因可能是生物炭的比表面积大，生物炭基肥添加到土壤中使土壤的孔隙度增加，使得土壤通气程度和持水保水能力有一定改善，土壤中氧气含量增加，抑制厌氧产CH4菌的活性，导致土壤CH4的排放减少。不同处理CH4排放通量呈现相同的变化趋势，施入生物炭基肥促进了CH4的排放。但是化肥减量配施生物炭基肥对于温室气体的影响研究较少，大多是生物炭配施化肥对于温室气体的影响。大多研究表明，生物炭施入会对CH4排放有着减少甚至抑制的效果[21]。本研究施入生物炭基肥促进CH4的排放，这与ZHANG等[22]施用生物炭促进CH4的排放一致。一方面，可能是较高的外加碳源改变了微生物生存状况，减弱了CH4的氧化速率，从而增加了CH4的累计排放量；另一方面，生物炭基肥本身里面含有较高的铵态氮[23]，较高浓度的氨会与CH4氧化菌竞争导致CH4氧化菌的生长受到抑制，从而增加CH4排放量[21]。

试验结果表明，单施生物炭基肥(BCF)、化肥减量20%配施生物炭基肥(BCF80)和化肥配施生物炭基肥(BCF100)可以降低土壤CO2的排放量。生物炭基肥可以为土壤提供碳源和氮源，来影响土壤温室气体的排放[30]。施入生物炭基肥可以将大气中的CO2固定到土壤碳库中[31]，CO2排放量降低。生物炭基肥中芳香族物质含量较高，并低于土壤碳库中非生物炭降解速度[32]。

3.2 化肥减量配施生物炭基肥对玉米产量的影响

研究发现，生物炭基肥对于作物增产有着明显的效果[8-9]，吕泽先[30]研究表明，炭基肥使得玉米和水稻增产12.15%和8.14%。本研究结果表明，添加生物炭基肥并减施化肥可以提高玉米产量。生物炭基肥施用促进了作物对养分的吸收，利于作物的生长[33]。BCF60、BCF80、BCF100处理对于作物都有增产效果，其中BCF80处理增产最多。可能是由于生物炭本身富含N、P、K等元素,为作物生长提供了营养元素，同时生物炭本身因比表面积大、离子吸附能力强等性质，与化肥制成生物炭基肥后能够延缓肥料释放[34]，从而达到增产的效果[35]。

单施生物炭基肥(BCF)和化肥减量20%配施生物炭基肥(BCF80)降低了N2O和CO2累计排放量，增加了CH4的累计排放量。化肥配施生物炭基肥均使得玉米产量提高，其中化肥减量20%配施生物炭基肥(BCF80)的处理产量高于化肥减量40%配施生物炭基肥(BCF60)。与单施化肥(UF)相比，化肥减量20%配施生物炭基肥处理的综合增温潜势降低8%，温室气体排放强度降低25%。