生物炭配施硅肥对增温稻麦轮作农田CH4和N2O排放强度的影响

祝梦全，娄运生，杜泽云，高安妮，潘德丰，郭峻泓

（1南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；2南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室，南京 210044）

0 引言

IPCC第六次评估报告指出，2010—2019年全球平均地表气温相比1850—1900年已上升0.9～1.2℃[1]。人类活动引起的大气温室气体浓度升高是气候变暖的主要原因[2-3]。甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是2 种增温潜势较强的温室气体[4]。农田CH4和N2O 排放量分别占人类活动排放总量的50%和65%～70%[5-7]。水稻、小麦是中国主要粮食作物，种植面积分别占全球的32%和11%[8]，而稻、麦田是CH4和N2O 重要排放源或汇[9-10]。长江中下游是中国稻麦轮作种植主要区域。在保障粮食生产前提下，如何减少稻麦轮作农田温室气体排放，已成为稻麦生产应对气候变化的研究热点。

气温夜间增幅显著高于白天是气候变暖的主要特征之一[1]。夜间增温显著降低水稻千粒重和结实率[11]。夜间增温显著增加冬小麦无效穗数，降低穗粒数和千粒重，导致产量下降[12]。温度影响稻田土壤产甲烷菌数量和活性，CH4产生及其大气传输效率[13]。在一定温度范围内随温度升高，稻田CH4排放呈指数增加[14]。稻、麦田N2O 排放通量与温度呈正相关关系[15]。生物炭是一种多孔结构稳定的土壤改良剂[16]。施生物炭可提高水稻、小麦产量，降低农田CH4和N2O排放[7]。施用30 t/hm2生物炭可显著降低农田CH4和N2O 综合增温潜势[17]。也有报道，施生物炭可提高水稻和小麦产量，但对温室气体排放没有显著影响[18]。硅是水稻、小麦等禾谷类作物有益元素。施硅可提高水稻、小麦对高温、低温、干旱、病虫害、重金属胁迫等抗性，促进植株生长，提高产量[19-22]。施硅可降低水稻、小麦田CH4和N2O 综合增温潜势和排放强度[23-28]。也有认为，施硅可降低有机碳分解和氮固定，促进农田硝化和反硝化作用，提高N2O排放[29]。

有关夜间增温、施生物炭或硅肥对水稻或冬小麦单一作物产量、农田CH4和N2O排放的影响已有报道，但夜间增温下生物炭配施硅肥对稻麦轮作农田粮食生产、CH4和N2O排放强度的影响，尚缺少报道。本研究通过田间模拟增温试验，探讨了生物炭配施硅肥对增温稻麦轮作农田温室气体排放的影响，以及通过施肥能否缓解增温对稻麦生产的不利影响，以期为保障稻麦粮食生产及应对气候变化提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间模拟试验于2020 年10 月—2021 年10 月，在南京市浦口区科研试验站进行(32.0°N，118.8°E)。该站地处亚热带湿润气候区，年均降水量1100 mm，年均气温15.6℃。供试土壤为潴育型水稻土，壤质粘土，土壤有机碳19.49 g/kg，全氮1.45 g/kg，粘粒26.12 g/kg，pH 6.2（土水比1:1）。供试生物炭为稻壳生物炭，有机碳含量50%。供试硅肥为钢渣和矿粉，有效硅含量(SiO2)分别为14.21%和32.26%。供试氮磷钾肥料为高浓度复合肥(15-15-15)。供试冬小麦品种为‘苏麦188’，2020 月11 月5 日播种，供试水稻品种为‘南粳5055’，2021年5月10日育苗，2021年6月12日移栽。

1.2 试验设计

采用3因素3水平正交试验设计，三因素为夜间增温(W)、施生物炭(B)和施硅肥(Si)。夜间增温(W)设3水平，即W0（常温对照，不盖膜）、W1（覆盖5 mm铝箔膜）和W2（覆盖11 mm 铝箔膜）；生物炭(B)设3 水平，即B0（对照，不施生物炭）、B1（施10 t/hm2生物炭）和B2（施25 t/hm2生物炭）；施硅(Si)设3 水平，即Si0（对照，不施硅）、Si1（施钢渣）和Si2（施矿粉），施用量均为0.2 t SiO2/hm2。采用开放式被动增温方法，试验开始前在各小区四周安装高度可调钢架用于固定铝箔膜。稻麦生育期内，夜间（19:00—次日6:00）用铝箔膜覆盖稻麦冠层。根据生育进程及时调整铝箔膜高度，使冠层与铝箔膜间距保持30 cm 左右。在降雨或大风（风速＞10 m/s）等恶劣天气时不覆盖铝箔膜，以免恶劣天气对增温设施造成破坏。采用温度自动记录仪记载冠层和5 cm 土层温度。播种或幼苗移栽前进行耕作整地，根据小区处理将生物炭、硅肥以基肥方式施入土壤，同时施入复合肥0.2 t/hm2。小区面积为2×2=4 m2，随机排列。水稻除晒田外，田间灌溉使水层保持5 cm左右。参照田间常规管理进行除草和病虫害防治。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气样采集与分析采用静态采样箱气相色谱法测定CH4和N2O 排放通量。自分蘖期至成熟期，每周采集气样1 次，时间为8:00—11:00。采样前将采样箱置于事先固定于土壤的底座上，在底座水槽注水以水封静态箱，接通直流电源驱动箱顶部微型直流风扇运转20 s，以混匀箱内气体。封箱后0、15、30 min，用带有三通阀的注射器通过胶塞采样孔，从箱内抽取50 mL气体注入事先抽成真空的玻璃采样瓶内，带回实验室用气相色谱仪(Agilent 7890B)测定气样中CH4和N2O浓度。气相色谱仪检测条件为，FID 检测器温度250℃，ECD 检测器温度为300℃，柱箱温度50℃，色谱柱型号为P/N 19091J—413，高纯H2和干燥无油压缩空气，流量分别为50 mL/min和450 mL/min，镍转化炉温度为375℃，载气高纯N2(99.999%)或高纯He(99.999%)。

排放通量计算公式如式(1)所示。

式中，F为排放通量[mg/(m2·h)]；ρ为标准状态下气体密度(kg/m3)，H为采样箱内高度(m)，T为箱内平均温度(℃)；dc/dt为箱内气体浓度随时间变化率[mg/(kg·h)]。

累积排放量计算公式如式(2)所示。

式中，Y为累积排放量(mg/m2)；Fi+1和Fi分别为第i+1次、第i次采样时平均排放通量[mg/(m2·h)]；Di+1和Di分别为第i+1次、第i次的采样时间(d)。

1.3.2 全球增温潜势和碳排放强度计算全球增温潜势计算公式如式(3)所示。

式中，SGWP为稻麦轮作农田综合温室效应[(kg CO2eq)/hm2]；YCH4、YN2O分别为CH4、N2O累积排放量(mg/m2)，45和270 是指以CO2为参照百年尺度下CH4和N2O 全球增温潜势，分别为CO2的45和270倍。

CH4和N2O排放强度计算公式如式(4)所示。

式中，GHGI为稻麦轮作农田CH4和N2O 排放强度[(kg CO2eq)/t]；SWGP 为稻麦轮作农田全球增温潜势[(kg CO2eq)/hm2]；y为各小区单位面积稻麦产量(t/hm2)。

1.3.3 产量稻麦成熟后，在小区中间选取一定面积植株(0.5 m×0.5 m)收割，测定有效穗数、穗粒数、空秕饱数和结实率，经风干、晾晒后，用脱粒机进行脱粒，测定千粒重，计算产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 处理数据和极差分析，用SPSS 21.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 水稻和小麦产量

表1 表明，W1B2Si0 处理的水稻产量最高，为19.20 t/hm2，比W0B0Si0 处理增产56.22%；W0B2Si2处理的小麦产量最高，为9.16 t/hm2，比W0B0Si0 处理增产288.14%。三因素对水稻产量的影响大小为：施生物炭＞施硅＞夜间增温；三因素对小麦产量的影响大小为：施生物炭＞夜间增温＞施硅。与B0 相比，B1、B2 条件下小麦分别增产69.22%和96.03%。W1B2Si0、W0B2Si1 分别为稻、麦最适处理组合（图1）。夜间增温、施硅对稻、麦产量影响未达显著水平，施生物炭可显著提高小麦产量（表2）。

图1 不同因素稻、麦产量水平趋势图

表1 不同处理对水稻、小麦产量的影响 t/hm2

表2 不同处理对稻、麦产量影响方差分析（F值）

2.2 CH4排放通量和累积排放量

2.2.1 CH4排放通量稻田CH4排放通量自分蘖期（移栽后1～47 d 逐步上升，于分蘖期（移栽后47 d）达到小高峰。晒田结束灌溉覆水，CH4排放通量较低。拔节期（移栽后68 d）又开始上升，于开花期（移栽后91 d）和灌浆期（移栽后105 d）出现2个低谷。停止灌水（移栽后112 d）后排放通量略微上升，随后降低并趋近于0 mg/(m2·h)。稻田CH4排放通量极值均出现于W1B2Si0 处理。麦田灌浆前（播种后168 d）排放通量均接近于0 mg/(m2·h)，之后CH4排放通量稳步上升并在灌浆后（播种后第175 天）出现高峰后下降，除W1B1Si2、W2B2Si1、W0B2Si2、W2B1Si0处理外，均在第189 天出现排放峰值，排放最大值出现于W1B0Si1处理（图2）。

图2 夜间增温下生物炭配施硅肥对CH4排放影响

2.2.2 CH4累积排放量不同处理的稻田、麦田CH4累积排放量、各生育期CH4排放占比存在差异（表3）。水稻分蘖期和抽穗-扬花期稻田CH4累积排放量高，拔节—孕穗期最小；与常温对照相比，夜间增温处理的CH4累积排放量较低，随铝箔膜厚度减小而降低。W2B2Si1 处理的稻田全生育期CH4排放量最低，仅为对照(W0B0Si0)处理的5.21%，W2B0Si2 处理的最高。麦田CH4累积排放量差异较大，总体上，麦田CH4排放主要集中于灌浆—成熟期。W0B2Si2 与W2B1Si0 处理的麦田对CH4有吸收作用。

表3 不同处理对稻、麦田各生育期CH4累积排放量的影响

三因素对稻田CH4累积排放量影响大小为：施生物炭＞施硅＞夜间增温，对麦田CH4累积排放量的影响大小为：施硅＞施生物炭＞夜间增温（图3）。W2B2Si2 处理的稻田、麦田CH4累积排放量最低。方差分析表明（表4），施生物炭显著降低水稻分蘖期(P＜0.05)，夜间增温、施硅对稻田、麦田CH4累积排放量影响未达显著水平(P＞0.05)。

图3 不同因素稻麦全生育期CH4总累积排放量水平趋势

表4 稻麦各生育期CH4累积排放量的方差分析（F值）

2.3 N2O排放通量和累积排放量

2.3.1 N2O排放通量稻田N2O排放峰值出现于晒田期（移栽后54 d），灌溉覆水后迅速下降，孕穗期（移栽后84 d）后，N2O排放又呈现增加，于开花期（移栽后91 d）又出现峰值，停止灌溉后排放接近0。稻田N2O 排放通量最大值出现于W2B1Si0 处理。麦田各处理前期N2O 排放通量变化平稳，孕穗期后呈波动变化趋势。W1B2Si0 处理的麦田于孕穗期后维持较高水平（图4）。

图4 夜间增温下施生物炭和硅肥对稻麦田N2O排放通量的影响

2.3.2 N2O 累积排放量水稻季W0B2Si2 处理的稻田全生育期对N2O起吸收作用，吸收量为644.80 mg/m2；W0B2Si2 处理的稻田全生育期累积排放量最高，为1907.80 mg/m2。麦田N2O 累积排放量，主要集中于灌浆—成熟期；W1B1Si2 处理的麦田全生育期对N2O 起吸收作用，吸收量为136.15 mg/m2，W2B0Si2 和W1B0Si1 处理的麦田累积排放量较低，分别为W0B0Si0处理的9.28%和19.64%（表5）。

表5 不同处理对稻田各生育期N2O累积排放量的影响

三因素对稻田N2O 累积排放量影响大小为：施生物炭＞施硅＞夜间增温；对麦田N2O 累积排放量的影响大小为：施硅＞施生物炭＞夜间增温。稻田、麦田N2O 累积排放量最低的最佳因素组合，分别为W1B2Si2和W2B0Si2（图5）。施生物炭显著影响稻田全生育期N2O累积排放量(P＜0.05)（表6）。

图5 不同因素稻麦全生育期N2O总累积排放量水平趋势

表6 稻麦各生育期N2O累积排放量的方差分析（F值）

2.4 SGWP/SGCP和GHGI

2.4.1 SGWP/SGCP 稻田CH4排放和麦田N2O 排放对增温潜势起主要贡献，麦田CH4排放对增温潜势贡献最低。就稻麦轮作农田而言，W1B1Si2处理的稻—麦田增温潜势最低，W0B1Si1处理的最高（图6）。图7可见，夜间增温(W1、W2)降低稻麦轮作农田的全球增温潜势；施生物炭(B1、B2)明显降低稻麦轮作农田增温潜势；施硅(Si1、Si2)降低稻麦农田增温潜势，以施矿粉(Si2)效果较好。三因素对稻田SGWP 影响大小为：施生物炭＞施硅＞夜间增温；对麦田SGWP 的影响大小为：施硅＞施生物炭＞夜间增温。稻田、麦田增温潜势最低的最佳因素组合，分别为W1B2Si2和W2B0Si2。2.4.2 GHGI 稻田、麦田碳排放强度存在显著差异（图8）。总体上，麦田对碳排放强度的贡献约为稻田的3倍。W1B0Si1、W2B0Si2和W2B1Si0处理的稻田碳排放强度大于麦田。图9 所示，施生物炭对稻田碳排放强度有抑制作用，随生物炭用量增加而增强。施硅抑制麦田碳排放强度、对稻田碳排放强度的影响不一，施钢渣硅肥(Si1)促进碳排放强度，而施矿粉(Si2)则起抑制作用。三因素对稻田增温潜势影响大小为：施生物炭＞施硅＞夜间增温，对麦田增温潜势的影响大小为：施硅＞施生物炭＞夜间增温。稻田、麦田碳排放强度最低的因素组合，分别为W0B2Si2和W1B1Si2。

图6 不同处理稻麦系统CH4和N2O的SGWP/SGCP

图8 不同处理稻麦系统碳排放强度(GHGI)

图9 不同因素稻麦GHGI水平趋势

3 结论

施生物炭可明显提高水稻和小麦产量。夜间增温、施生物炭、施矿粉均可降低稻麦轮作农田CH4排放。夜间增温、施硅可降低稻麦轮作农田N2O排放，添加低量生物炭(10 t/hm2)抑制稻田CH4排放，而高量(20 t/hm2)则促进CH4排放。稻田对稻麦轮作系统增温潜势的贡献大于麦田，稻田CH4排放起主导作用，夜间增温、施硅均可降低稻麦轮作农田增温潜势。麦田的GHGI 大于稻田，夜间增温降低稻麦农田碳排放强度，随生物炭用量增加，碳排放强度降低，施硅降低碳排放强度。

4 讨论

4.1 夜间增温下生物炭配施硅肥对稻麦轮作农田CH4排放影响

农田CH4产生、吸收与排放主要受土壤产甲烷菌、甲烷氧化菌、土壤理化性质、栽培管理及温度等影响[30-33]。本研究表明，稻田CH4排放主要集中于分蘖期和灌浆期，原因在于：分蘖期植株生长旺盛根系活动强，上季小麦根茬还田提供了有机底物，淹水形成厌氧土壤环境，有利于产甲烷菌活动，促进了CH4产生及排放[34]；水稻灌浆期生殖生长旺盛，光合作用强，根系生长及分泌旺盛，植株通气组织发达，为甲烷产生提供较多碳源，有利于植株传输排放[31,35]。小麦拔节—孕穗期麦田对CH4起吸收作用，麦田CH4排放主要发生于灌浆—成熟期，原因在于：拔节—孕穗期麦田土壤通气性良好，温度较低，有利于甲烷氧化菌活动，表现为CH4负排放[33]；小麦灌浆—成熟期，温度较高，降水量增加，有利于土壤形成局部厌氧环境，促进产甲烷菌活动，增加了CH4产生排放。

夜间增温降低稻麦轮作农田CH4排放（图2，表3），原因可能在于：夜间增温促进了稻麦农田土壤甲烷氧化菌活动[36]，促进了CH4吸收；夜间增温提高土壤碳储存[37]，抑制了CH4产生。施生物炭在一定程度上抑制稻麦农田CH4排放，原因在于：施用生物炭提高土壤孔隙度，改善土壤通气性，破坏了土壤厌氧环境，不利于产甲烷菌活动；多孔结构的生物炭为土壤甲烷氧化菌提供较多的生存空间，增加甲烷氧化菌的丰度，产甲烷菌与甲烷氧化菌丰度比降低，从而减少CH4产生排放[38-40]。施硅一定程度抑制稻田CH4排放，原因可能在于：施用的钢渣和矿粉为碱性肥料，土壤pH升高并趋于中性，中性土壤适宜CH4氧化菌活动[41]，促进甲烷氧化；钢渣和矿粉作为土壤改良剂，提高土壤孔隙度，改善通气性，不利于CH4产生。施用钢渣促进麦田CH4排放，而施用矿粉则抑制麦田CH4排放，原因可能在于：钢渣中Fe、Cu、Zn元素含量较丰富，这些元素涉及产甲烷菌的酶促反应[42]，促进麦田CH4排放；而施用矿粉则提高孔隙度，改善通气性，pH升高趋于中性，不利于产甲烷菌活动，降低甲烷排放[41]。

4.2 夜间增温下生物炭配施硅肥对稻麦轮作农田N2O排放影响

农田N2O产生排放主要来自土壤微生物参与的硝化和反硝化过程[43]，主要受土壤理化性质、温度、水分、作物种类、施肥等影响[44-48]。稻田N2O排放峰值主要发生于排水晒田期（图4）。原因在于：晒田期干湿条件适宜，土壤铵态氮、硝态氮含量较高，有利于硝化、反硝化作用进行，促进了N2O产生排放[49]；麦田N2O产生排放小麦生长前期占比较低，主要集中于生长后期，即灌浆-成熟期（图4），因为生长前期温度较低，不利于硝化即反硝化微生物活动，抑制了N2O产生排放；小麦生长中后期温度逐渐升高，硝化、反硝化微生物活性增强，有利于N2O产生排放[50-51]。

夜间增温不同水平对稻田N2O影响存在差异，W1降低了稻田N2O 排放，而W2 则增加了排放，原因在于，W1处理提高水稻产量，而W2则相反，导致水稻植株对土壤氮素吸收利用减少，土壤硝化、反硝化作用底物含量较多，有利于N2O 产生排放[50]。夜间增温降低麦田N2O排放，可能在于，夜间增温促进农田蒸散，土壤含水量降低，土壤温度升高，抑制土壤硝化、反硝化微生物活性，降低麦田N2O产生排放[52]。施用低量生物炭(10 t/hm2)增加稻田N2O排放，而高量生物炭(25 t/hm2)则降低稻田排放，原因在于，添加低量生物炭促进稻田土壤固氮作用，减少土壤硝化、反硝化有效底物，降低N2O产生排放[7]，而高量生物炭则大幅增加土壤孔隙度和通气性，促进土壤局部激发效应，土壤硝化、反硝化微生物活性增强，有利于N2O 产生排放[53]。麦田N2O排放与生物炭用量则呈正相关关系，原因在于：旱地麦田通气良好，施用生物炭提高有机质和养分含量，改善土壤水热条件，土壤硝化、反硝化微生物活性增强，促进N2O 产生排放[54]。施硅抑制稻麦农田N2O 产生排放，因为N2O 是硝化、反硝化微生物代谢产物，而施用钢渣、矿粉硅肥，增加土壤铁、硫等氧化物含量，土壤pH 升高有利于氨挥发，抑制硝化、反硝化微生物活性[55]，进而降低N2O产生排放。

4.3 夜间增温下施硅和生物炭对稻、麦系统作物产量、GWP和GHGI的影响

稻麦轮作系统中稻田全球增温潜势贡献大于麦田，且稻田CH4排放起主导作用（图6），因为稻田厌氧环境下产甲烷菌活性较高，有利于甲烷产生排放。麦田GHGI 大于稻田（图8），麦田CH4排放虽然低于稻田，但N2O排放占比较高，而N2O百年尺度增温潜势远高于CH4[5]，麦田单位面积产量又低于稻田，因此，麦田GHGI高于稻田。夜间增温降低稻麦轮作农田总增温潜势及GHGI，因为夜间增温对稻麦田CH4和N2O排放的抑制作用高于其降低产量作用。施生物炭对稻麦轮作系统总增温潜势和GHGI 也有抑制作用，因为添加生物炭降低稻麦农田CH4排放，低量生物炭降低N2O排放，而施生物炭可提高稻麦产量，因此，施生物炭对GHGI有抑制作用。施硅对稻麦轮作农田总增温潜势和GHGI 也起抑制作用，而添加矿粉的抑制作用更强。施硅可促进稻麦N2O排放，但影响不显著，而施硅可提高稻麦产量，同时可降低CH4排放，且矿粉对CH4排放抑制作用更强，因此，总体上施硅可降低稻麦轮作农田总增温潜势和GHGI。