秸秆与生物炭对棉田碱性土壤NH3挥发与N2O排放的影响

摘要：为探究秸秆和秸秆生物炭连续添加Sa后对土壤氨（NH3）挥发和氧化亚氮（N2O）排放的影响，并确定合理的秸秆还田措施，以降低碱性棉田氮损失。本研究基于等碳量输入，设置秸秆翻埋、秸秆催腐+覆盖还田、秸秆生物炭翻埋和不还田对照共4个处理，氮磷钾肥统一施用。结果表明：秸秆生物炭翻埋下土壤NH3挥发和N2O排放分别较不还田对照显著降低27.3％和56.7％，主要归因于生物炭显著抑制土壤羟胺还原酶与硝酸还原酶活性，增加棉花氮吸收量，也与生物炭自身的强吸附能力有关。而秸秆翻埋、秸秆催腐+覆盖还田分别较对照增加NH3挥发37.2％和21.2％，但减少N20排放17.1％和38.3％，这两种秸秆还田方式均显著促进土壤有机氮矿化和羟胺还原酶活性，抑制硝酸还原酶活性。冗余分析（RDA）结果表明羟胺还原酶和棉花氮吸收是土壤NH3挥发和N2O排放的主要影响因子，解释率分别为64.8％和20.1％。研究表明，秸秆生物炭翻埋对NH3和N2O减排的综合效果优于秸秆，是碱性棉田土壤值得推荐的氮减排措施。

关键词：秸杆；生物炭；NH3；N2O；氮循环酶；碱性土壤

中图分类号：S156 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2024）02-0442-10 doi：10.11654/jaes.2023-0206

秸秆还田与生物炭添加作为土壤改良的重要方式，能改善土壤理化性状，调节土壤养分供应，增加土壤碳固存。而有机物料的添加能够通过影响土壤通气性、pH、活性氮库等理化性质以及微生物丰度与活性，直接或间接地改变土壤氮转化过程，既可能降低活性氮损失，也可能增加氮损失。氨（NH3）挥发和氧化亚氮（N2O）排放是旱地土壤气态氮损失的主要途径，导致水体富营养化、臭氧层破坏、温室效应等生态环境污染问题日益加重。因此，探究秸秆还田与生物炭添加对土壤NH3挥发和N2O排放的影响，有利于平衡农业生产，减轻环境污染，发展绿色可持续农业。

土壤NH3挥发可由化学平衡过程（土壤胶体吸附的NH+4转化为土壤溶液中游离态的NH+4，然后转化为NH3，并经土壤表层挥发到空气中）和生物过程（硝酸盐异化还原成铵）产生，物理吸附、气液平衡及生化过程调节等机制可调控这两个过程。秸秆还田对土壤NH3挥发的影响有正效应亦有负效应。Meta分析表明，秸秆还田显著抑制旱田NH3挥发，原因是秸秆较高的C/N增强微生物对土壤氮的固定作用。相反，Xia等认为秸秆还田刺激土壤脲酶活性的提高，进而使旱地NH3排放量增加17.0％。也有研究认为秸秆还田主要通过促进硝化作用抑制NH3挥发。不同于秸秆，生物炭对NH3挥发的影响取决于其特有的石灰效应和强吸附能力的平衡。土壤pH在NH3挥发的气液平衡中起主导作用。生物炭添加在酸性土壤中显著增加NH3排放，对中性土壤影响很小，而在碱性土壤中则有降低趋势，这与其对土壤pH的影响有关。生物炭表面的酸性官能团对土壤NH+4和NH3的吸附作用是其抑制NH3挥发的一个重要原因。

土壤中N2O主要由硝化和反硝化作用产生，其驱动因素主要有直接影响底物含量的土壤矿质氮、有机碳含量和间接影响底物的土壤pH、容重、相关微生物活性等。秸秆还田与生物炭添加后上述因素均可发生改变，二者性质不同造成影响结果存在较大差异。不论秸秆类型、土壤特性、气候等如何变化，秸秆还田后N2O排放量平均增加29.7％；Xia等分析指出秸秆还田使旱地土壤N2O排放平均增加21.5％。而秸秆转化成生物炭后，在不同土壤条件和管理措施下均能降低土壤N2O的排放，研究表明，生物炭平均降低N2O排放量达到30.9％-54.0％。

同一试验（特别是大田原位）条件下，秸秆还田与生物炭添加对土壤NH3挥发和N2O排放的协同效应存在较大差异，其作用机制尚不完全清楚。因此，本研究拟在等碳量添加下比较秸秆和秸秆生物炭连续还田Sa后对棉田碱性土壤NH3挥发与N2O排放的影响，并通过冗余分析阐明二者影响土壤NH3挥发与N2O排放的作用机制，筛选出推荐措施，从而为减少碱性棉田气态氮损失的调控提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验于2022年在江苏省盐城市大丰区大丰稻麦原种场（33°12′N，120°28′E）进行。秸秆与生物炭还田定位试验始于2018年，种植制度为大麦-棉花-年两熟。土壤类型为砂壤土，其中砂粒含量57.1％，粉粒含量36.4％，黏粒含量6.5％。土壤基本理化性质（0-20 cm）：有机质16.62 g·kg-1、全氮1.24 g·kg-1、速效氮16.17 mg·kg-1、有效磷17.89 mg·kg-1、速效钾193.76 mg·kg-1、容重1.45 g·cm-3、总盐含量1.67 g·kg-1，pH 8.23。

1.2试验设计

试验处理设在棉花季，包括不还田对照（CK）、大麦秸秆翻埋（S）、大麦秸秆催腐+覆盖（SD）和秸秆生物炭翻埋（SB），氮磷钾化肥统一施用。试验采用随机区组设计，小区面积80 m2，设置3个重复。大麦秸秆还田量根据当地大麦平均产量水平设定为5 625 kg·hm-2；按照等碳量的原则，秸秆生物炭施用量为4 160kg·hm-2，各处理碳投入量均为2 250 kg·hm-2。

大麦收获后将大麦秸秆移出各小区，并机械粉碎至10 cm左右，然后按照各处理要求采取不同的还田操作。S：大麦秸秆均匀地撒在地表，再使用旋耕机将其翻入0-15 cm土层，而后播种棉花；SD：先进行旋耕播种，待棉花出苗后，将粉碎的大麦秸秆均匀地覆盖于棉花行间，并喷施微生物腐熟剂；SB：将秸秆生物炭均匀撒在地表，再旋耕翻埋入土0-15 cm左右，而后播种棉花；CK处理只需在大麦秸秆移出小区后，旋耕再播种棉花；各处理连续5a操作一致。试验所用生物炭购买于南京勤丰秸秆科技有限公司，由小麦秸秆在高温（500℃）下无氧裂解th后产生，生物炭酸性官能团数量为1.1 mmol·g-1，比表面积为23.2 m2·g-1。微生物腐熟剂（瑞莱特）产于成都合成生物科技有限公司，按照75 g·hm-2的用量，在使用前先将其与清水混合，质量比为1：100，然后常温放置24 h使微生物活化，喷施时再将活化后的菌液用清水稀释200倍。秸秆与生物炭的性质见表1。

棉花供试品种为中棉所425，于2022年5月26日大麦收获后开沟直播，行距0.80 m，株距0.14 m，种植密度90 000株·hm-2。所有处理均按照常规生产施肥，其中施氮量（以N计）150 kg·hm-2、施磷量（以P2O5计）75 kg·hm-2、施钾量（以K2O计）225 kg·hm-2；氮肥按比例40％和60％分苗期与初花期两次施用，磷肥与钾肥均在苗期一次性全部施用。试验所用氮、磷和钾肥分别为尿素（46％），过磷酸钙（16％）和硫酸钾（52％）。其他田间管理措施同当地棉花栽培。

1.3样品采集与测定方法

在棉花吐絮期，用取土器依照五点采样法取0-20 cm土层土壤，样品去杂后按不同指标要求过筛。样品一部分存放于4℃冰箱用来测定土壤速效氮和氮转化酶活性，另一部分自然风干用来测定土壤有机碳、全氮、pH、有机氮矿化等。在每个小区随机取长势相似的棉花3株，按照根、茎、叶、生殖器官进行分样，105℃杀青30 min，75℃烘干至恒质量，称量计算生物量。磨样过0.25 mm筛后测定棉株氮含量。

1.3.1土壤性质

土壤理化性质均参照鲁如坤的《土壤农化分析方法》进行测定。土壤0-20 cm土层容重采用环刀法测定；土壤含水量采用烘干法测定；土壤pH采用电位法测定；土壤有机碳采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定；土壤全氮及植株氮含量采用凯氏定氮法测定；土壤NH+4-N采用2 mol·L-1 KCl溶液浸提，靛酚蓝比色法测定，NO-3-N采用2 mol·L-1 KCl溶液浸提，双波长法测定，土壤速效氮含量为NH+4-N与NO-3-N之和。土壤脲酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和羟胺还原酶均参照关松荫的《土壤酶及其研究法》进行测定。

1.3.2NH3挥发

NH3采用通气法捕获，靛酚蓝比色法测定。取气装置为直径16 cm、高25 cm的PVC圆柱管，每小区埋一个PVC管于棉花行间，埋深5 cm。将两层磷酸甘油浸泡过的海绵（直径16.5 cm、厚2 mm）放于管内，下层海绵距地面5 cm，用来吸收土壤挥发的NH3，上层海绵与管顶部齐平用来隔绝空气中的NH3。采样时间为：播种后第44、46、48、51、56、62、65、68、72、77、84、91天（两次施氮肥时间分别为播种后第44天和第61天，第44天上午取样，下午第一次施氮肥，因此第44天的气体数据为第一次施肥前的数据）。为了减少土壤呼吸日变化对样品的影响，每次取气时间定在上午9点到11点之间。取样时先将下层海绵取出放入自封袋中密封，同时换上新的磷酸甘油浸泡过的海绵（上层海绵根据干湿情况更换，约每周1次），在放置下层海绵的自封袋中加入250 mL l mol·L-1的KC1溶液使其完全浸没，静置30 min后，收集海绵内溶液并过滤，采用靛酚蓝比色法测定滤液中的NH+4-N含量。

NH3挥发速率（FNH3，kg·hm-2·d-1）及累积量（ENH3，kg·hm-2）的计算公式如下：

1.3.3N2O排放

N2O采用密闭静态箱法捕获，气相色谱测定。每小区放置一采样装置于棉花行间，包括集气箱（直径16 cm、高25 cm的PVC圆柱管）和底座（内径15cm、外径17 cm、高5 cm的环形凹槽）。底座在第一次施肥前埋入并长期固定于田间。每次采样时将水注入底座凹槽，后放上箱体，避免漏气。集气箱内放一温度计用来记录箱内温度，箱盖处放置连有三通阀的橡胶管，取气时先用注射器反复按压数次使箱内气体混匀，后分别在0、10、20、30 min抽取40 mL箱内气体于真空瓶中。N2O采样时间与NH3 -致，每次收集完气体后，将采样箱移走。使用气相色谱仪（Shimadzu GC-2010 Plus，京都，日本）测定气体样品。

1.3.4有机氮矿化

土壤有机氮净矿化速率采用室内培养法测定。称100 g风干土于500 mL塑料瓶中，保持土壤60％的含水率，先黑暗下25℃预培养7d以激活土壤微生物，后在塑料瓶中放入装有20 mL 0.2 mol·L-1 NaOH溶液的小烧杯来吸收培养期间产生的CO2，放入小烧杯当天记为第0天，黑暗下25℃连续培养45 d。培养期间每隔5d进行破坏性取样（约5g土），同时更换碱液并补充土壤水分至指定含水率。测定土样NH+4-N和NO-3-N含量来计算净氮矿化速率及累积量。

1.4数据处理

采用Excel 2010和SPSS 22软件对数据进行统计分析，采用单因素（One-way ANOVA）和Duncan法（a=0.05）进行方差分析和多重比较。采用Canoc0 5.0软件进行冗余分析（RDA），采用Origin 2023软件制图。表中数据为平均值±标准误。

2结果与分析

2.1秸秆与生物炭对土壤NH3挥发与N2O排放的影响

由图1a可知，各处理的NH3挥发速率在施氮后迅速增加，分别于第一次施氮后4d（棉花播种后48 d）和第二次施氮后4d（棉花播种后65 d）达到峰值，后呈下降趋势，且处理间差异逐渐减小。各处理第一次施氮后NH3挥发速率峰值高于第二次施氮后的峰值。在各峰值处，S处理的NH3挥发速率最高，其次为SD处理，二者均显著高于CK，而SB处理下NH3挥发速率显著低于CK。与CK相比，S和SD处理下NH3挥发累积量分别显著增加37.2％和21.2％，SB处理NH3挥发累积量显著降低27.3％（图lb），表明两种秸秆还田方式均加剧NH3挥发，而生物炭添加明显抑制NH3挥发。

随时间的推进N2O排放通量在各处理下有相似的变化规律（图2a），即在两次施氮后迅速上升，分别于第一次施氮后7d（棉花播种后51d）和第二次施氮后4d（棉花播种后65 d）达到峰值，后呈下降趋势，且处理间差异逐渐减小。N2O排放通量第一个峰值出现时间比NH3挥发速率晚3d，且第二个峰值明显高于第一个。在各峰值点，N2O排放通量由高到低依次为S、SD和SB，且均显著低于CK。与CK相比，S、SD和SB处理下N2O累积排放量分别显著降低17.1％、38.3％和56.7％（图2b），说明秸秆和生物炭添加都对N2O有显著减排作用，且生物炭减排效果最好。

2.2土壤氮矿化与有机氮组分含量

各处理土壤氮矿化速率在培养前5d均迅速下降，后缓慢下降趋于平缓（图3a）。培养期间，S和SD处理氮矿化速率均显著高于CK，而前20 d SB处理的氮矿化速率与CK相比略有降低，25 d与30 d时SB处理的氮矿化速率与CK相比略有增加，但无显著差异，培养至35 d与40 d时显著增加氮矿化速率。培养结束时S、SD和SB处理氮矿化速率与CK相比分别显著增加19.0％、22.6％和14.0％。CK的累积氮矿化量为34.3 mg·kg-1，S、SD和SB处理的累积氮矿化量分别为CK的1.2、1.2倍和1.1倍，均显著高于CK（图3b），说明秸秆和生物炭添加均能显著促进土壤氮矿化，且秸秆的促进效果更好。

2.3土壤氮转化相关酶活性

与CK相比，SD与SB处理均显著增加土壤脲酶活性，增幅分别为11.9％和17.1％（图4a）；同时均显著降低土壤硝酸还原酶活性，降幅分别为18.0％和23.6％（图4b）；而S处理对这两个酶活性的影响均未达到显著水平。S、SD和SB处理均较CK显著增加土壤亚硝酸还原酶活性，分别为CK处理的1.3、1.5倍和1.3倍（图4c）。与CK相比，土壤羟胺还原酶活性在两个秸秆处理下呈增加趋势，其中S处理增加显著，增幅达26.5％（图4d）。

2.4棉花生物量及氮吸收

由图5可以看出，与CK相比，S、SD和SB处理下棉花生物量分别增加31.4％、45.2％和65.5％，氮吸收量分别增加18.1％、34.3％和70.3％，各处理间的差异均达到显著水平，说明秸秆和生物炭添加均能显著促进棉花生长及氮吸收，且生物炭的促进效果更好。

2.5土壤理化性质

从表2中可以看出，与CK相比，土壤有机碳含量在SB处理下显著增加，全氮含量在SD与SB处理下显著增加，其他处理与CK差异不显著。土壤NH+4-N与NO-3-N含量在SB处理下最大，其显著高于CK。S和SD处理NH+4-N与NO-3-N含量与CK差异不显著。S与SB处理较CK显著降低土壤容重。各处理的土壤pH较CK无显著变化。

2.6土壤NH3挥发和N2O排放的驱动因子

通过Pearson法对气态氮排放量与环境因子、棉花氮吸收等进行相关性分析，筛选出与气态氮排放量显著相关的指标，进一步将显著相关指标与气态氮排放量进行冗余分析可知，前两个轴的特征值分别为81.1％和15.9％，共解释土壤NH3挥发和N2O排放量的97.0％（图6）。其中土壤NH3挥发与土壤pH显著负相关。土壤N2O排放与土壤容重显著正相关，与土壤有机碳含量、棉花氮吸收显著负相关。土壤NH3挥发和N2O排放均与NO-3-N含量极显著负相关。土壤N2O排放与土壤硝酸还原酶活性极显著正相关，土壤NH3挥发与土壤羟胺还原酶活性极显著正相关。其中，羟胺还原酶和棉花氮吸收是主要影响因子，对土壤NH3挥发和N20排放的解释率分别高达64.8％（F-18.4，P=0.002）和20.1（F=12.0，P=0.002）。

3讨论

3.1生物炭添加对土壤NH3挥发与N2O排放的影响

秸秆生物炭连续添加后棉田碱性土壤NH3挥发量显著降低（图1），与Mandal等和Sun等的研究结果相似。生物炭的“石灰效应”主要发生在酸性土壤，是酸性土壤NH3挥发的主要驱动因子，在碱性土壤上添加生物炭有降低NH3挥发的趋势。本研究土壤为滨海盐碱土，生物炭添加后土壤pH无显著变化（表2）。生物炭降低NH3挥发的一个主要原因是其显著抑制了土壤羟胺还原酶活性，这从土壤NH3挥发量与羟胺还原酶活性之间存在极显著正相关及羟胺还原酶对NH3挥发有最大的解释率可得到验证（图6）。羟胺还原酶催化硝化反硝化过程的中间产物NH2OH还原为NH3，因此其活性越高，产生的NH3挥发量越大。而生物炭对羟胺还原酶的抑制机制暂不清楚，还需要进一步研究。NH3挥发降低的另一个主要原因可能与生物炭表面的酸性官能团对土壤中NH+4和NH3的强吸附作用有关。其中，生物炭吸附的NH+4，包括由施入土壤的氮肥水解产生的NH+4和由生物炭激发的本土有机氮矿化产生的NH+4。

生物炭添加降低NH3挥发的同时，也显著降低棉田土壤N2O排放，降幅达56.7％（图2），与大多数研究结果相符。硝化与反硝化过程是农田土壤N2O产生的两种主要途径，生物炭添加直接或间接地影响上述过程，从而减少土壤N2O排放。我们认为生物炭主要通过影响反硝化作用来抑制N2O排放。一方面，冗余分析显示，土壤容重与N2O排放量显著正相关，棉花氮吸收与N2O排放量显著负相关，其中棉花氮吸收对N2O排放的解释率较大（图6），表明生物炭通过改善土壤通气性，提高土壤养分有效性，来促进作物氮吸收的增加（图5），进而降低N2O排放。另一方面，生物炭主要通过降低硝酸还原酶活性来减少N2O排放，这从土壤硝酸还原酶活性与N2O排放量呈极显著正相关可得到支持（图6）。生物炭吸附土壤中的NH+和NO-3，降低氮效率，继而使反硝化底物的可用性降低，这可能是其促进N2O减排的另一原因。

大多研究表明土壤NH+4、NO-3含量和脲酶活性与NH3挥发或N2O排放呈正相关，而本研究中却为负相关，特别是N2O排放量与之显著负相关（图6）。这可能因为生物炭添加抑制土壤硝化作用使NH+4累积；有效抑制NO-3的淋溶流失使NO-3累积；改善土壤微生物生存环境使脲酶活性提高；同时因其强吸附能力将其固定于土壤中。也可能与特定的土壤环境有关，需进一步试验研究。

3.2秸秆还田对土壤NH3挥发与N2O排放的影响

秸秆还田后棉田土壤NH3挥发显著增加（图1），这个结果类似于Xia等和Zhao等的研究结果。主要原因有两个：第一，土壤NH+4含量即NH3挥发底物的增加。秸秆还田后土壤增加的NH+4一方面来自秸秆本身，一方面来自其激发效应即对有机氮矿化分解的促进作用。由于大麦秸秆中的速效氮含量很低，增加的土壤NH+4主要来自于秸秆翻埋与秸秆覆盖+催腐还田对土壤有机氮矿化的显著促进作用（图3）。第二，秸秆还田显著提高土壤羟胺还原酶活性，进而促进NH3挥发（图6）。秸秆还田也可通过刺激硝酸盐异化还原成NH+4并降低NH+4氧化率，促使NH3挥发底物大量增加，进而增加NH3挥发量。本试验土壤呈碱性，硝酸盐异化还原成NH+4的过程更容易发生。至于秸秆催腐+覆盖处理的NH3挥发高于秸秆翻埋处理的原因，很可能是秸秆一直覆盖于棉花行间，使土壤与大气接触面积减小，地表风速降低，使NH3挥发有所减少。结果说明相较秸秆生物炭，秸秆还田有增加NH3挥发的风险，容易造成环境压力。

秸秆还田显著降低棉田土壤N2O排放（图2），这与一些研究结果相反。N2O排放的增加可归因于秸秆还田为土壤微生物提供足够的基质，加速微生物过程，促进硝化反硝化作用。另外，秸秆还田可保持土壤微环境的温度和水分，增加土壤厌氧微域，使反硝化作用增强，从而促进N2O排放。而本研究中，与生物炭添加相同，秸秆还田亦主要通过增加棉花氮吸收来抑制反硝化作用，进而减少N2O排放（图6）。对比秸秆与秸秆生物炭对土壤N2O排放的抑制作用发现，秸秆翻埋处理的N2O排放量显著高于其他两个处理（图2）。高C/N植物残体施入土壤后可通过增加氮素固持改变基质的反硝化有效性，从而降低N2O排放。虽然本研究施用的秸秆C/N较生物炭大，但生物炭可有效吸附土壤中硝化和反硝化细菌的能源底物，且其多孔的结构对微生物生长和土壤氮素的固定有益。另外，秸秆覆盖+催腐处理的N2O排放量显著低于秸秆翻埋处理（图2），这可能是因为秸秆催腐后增加了相关微生物活性，促进秸秆更快分解，对土壤有效氮固定化作用更强。以上说明秸秆对碱性棉田土壤N2O的减排效果低于秸秆生物炭，两种秸秆还田方式中，秸秆翻埋还田减排效果更好。

本研究各处理NH3挥发量约为N2O排放量的1.6-3.1倍（图1和图2），说明NH3挥发是碱性棉田气态氮损失的主要方式。NH3挥发量与大多研究范围相似，而N2O排放量与大多研究相比较高，但与Ma等的研究相当，这可能与供试土壤性质和气象条件有关。N2O排放和土壤黏粒含量显著负相关，质地黏重的土壤对NO-3有较强的吸附力且透气性较弱，不利于N2O从土壤逸出。本研究土壤为碱性砂壤土，黏粒含量较低对N2O排放较为有利。且碱性土壤的温度在10～35℃范围内时，N2O排放量随温度的增加而增加，试验处于高温时期，N2O排放速率的第二个峰值出现前又发生降雨，进一步促进了N2O排放。NH3挥发和N2O排放受到土壤因素、气象条件、秸秆与生物炭原料及性质等多方面因素影响。本研究仅在一个土壤条件下进行，所得结果还有待于更多土壤条件进行验证。另外，本试验在布置采样点时，没有考虑到施肥与非施肥区域面积权重的问题，造成气态氮损失量被高估，在今后的试验中有待进一步完善。

4结论

在碱性棉田土壤条件下，秸秆生物炭主要通过降低土壤羟胺还原酶活性与增加棉花氮吸收抑制土壤NH3挥发和N2O排放，同时降低土壤容重，改善土壤肥力，进而提高棉花生物量，兼顾了棉花生产与土壤氮减排。而秸秆还田虽然可以降低土壤N2O排放量，但增加了NH3挥发的风险，这主要与土壤有机氮矿化的增加和羟胺还原酶活性的提高有关。秸秆催腐+覆盖还田在提高棉花生物量和氮吸收、降低氮排放方面均优于秸秆翻埋还田。总体上，秸秆生物炭更有利于实现NH3和N2O协同减排，发展绿色低碳农业。