生物炭对紫色土农田土壤NO排放的影响①

李 涛，王小国，胡廷旭

（1 中国科学院成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049）

生物炭对紫色土农田土壤NO排放的影响①

李 涛1，2，王小国1*，胡廷旭1，2

（1 中国科学院成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049）

为探明生物炭对紫色土农田土壤NO排放的影响，利用静态箱-化学发光氮氧化物分析法对夏玉米-冬小麦轮作土壤施用生物炭后的NO排放进行了为期一年（2013年6月至2014年5月）的原位观测，比较了生物炭与化肥混施处理（BCNPK）和常规施肥处理（NPK）的紫色土NO排放特征，无肥（CK）作为计算排放系数的对照。结果表明，玉米生长季，NPK处理下的土壤NO排放速率、累积排放通量及排放系数与BCNPK处理下相应参数之间均呈极显著差异（P＜0.01）。施用生物炭后，NO排放速率、累积通量及排放系数分别降低了73.1%、77.4% 和85.5%，但在小麦季两种处理之间的差异均不显著（P＞0.05）。此外，在玉米季和小麦季，BCNPK处理单位产量的综合温室效应（yield-scale GWP）分别比NPK处理降低了79.4% 和26.4%。因此，在同等氮肥施用量的条件下配施生物炭既能保证紫色土农田土壤作物不减产又能降低NO的排放。

生物炭；紫色土；NO减排；综合温室气体效应

NO是一种化学性质活跃的含氮大气污染物，可直接或间接地引起大气臭氧层的破坏、酸雨和光化学烟雾等一系列环境问题［1-2］。有效减少或控制NO的排放对缓解全球变化、改善人类生存环境具有重要意义［1］。目前，国内关于NO排放的报道还很有限［3-4］，通过何种手段可以有效降低NO排放的研究逐渐受到关注。生物炭是一种细粒度、多孔性的碳质材料，具有比表面积大、吸附性能良好和颗粒表面带有大量负电荷等特点［5］。土壤中施用生物炭能够改善土壤物理、化学特性以及微生物环境［6-7］，从而提高养分利用率［8］，促进作物生长和增加作物产量［9］。施用生物炭还能降低重金属［10］及有机污染物的生物有效性［11-12］从而降低其毒性。因此，近年来，生物炭已被作为一种有效的土壤改良剂广泛用于固碳、温室气体减排、土壤污染控制与修复等领域。利用生物炭减排温室气体的研究已有报道，但多集中施用生物炭对土壤CH4、CO2和N2O排放的影响［13-15］，对紫色土土壤NO排放的影响研究报道甚少。因此，本研究通过田间小区试验，采用静态暗箱-气袋采样-化学发光氮氧化物法研究施用生物炭后，川中丘陵区紫色土农田土壤NO年内（夏玉米-冬小麦）排放特征，试图探明施用生物炭对土壤NO排放的影响，为该区探寻有效减少土壤NO排放的途径提供一种思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站位于四川盆地中北部的盐亭县林山乡（105°27′E，31°16′N），海拔460 m，地处嘉陵江一级支流涪江的支流——猕江、湍江的分水岭上。属中亚热带湿润季风气候，气候温和，四季分明，年均气温17.3℃，极端最高气温40℃，极端最低气温 -5.1℃；多年平均降雨量825 mm，分布不均，春季占5.9%，夏季65.5%，秋季19.7%，冬季8.9%，无霜期294 天。农作物一年两熟有余，冬季普遍种植冬小麦和油菜，夏季以玉米为主。试验小区土壤为钙质紫色土，是由白垩纪和侏罗纪的紫色砂页岩风化物形成的初育土。0 ～ 20 cm土壤基本理化性质为：体积质量为1.34 g/cm3，黏粒、粉粒和砂粒含量分别为22.3%、34.6% 和43.1%，pH 8.23，有机质及全氮、全磷、全钾分别为8.75、0.81、0.84、18.01 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾分别为42.29、9.02、86.35 mg/kg。

1.2 试验设计

试验小区布置采用随机区组设计，共设常规氮磷钾肥处理（NPK）、生物炭与氮磷钾肥混施处理（BCNPK）和无肥对照处理（CK）等3个处理，每一处理设置3次重复，共9个小区，小区面积为32 m2（4 m × 8 m）。试验小区均采用冬小麦-夏玉米轮作，经人工锄耕、施肥后立即播种。化肥以一次性基肥人工施入各小区耕作层土壤（20 cm），玉米季化肥采用穴施，小麦季采用撒施。试验期间不灌溉、不追肥，耕地管理与当地农民习惯一致。

玉米和小麦的施肥播种日分别为2013年5月31日和10月27日。玉米播种当日，先生物炭均匀撒施于BCNPK小区土壤表面，再经犁耕将其混入耕作层土壤，而后再采用与NPK和CK处理一致的施肥及播种方式，生物炭施用量为16 t/hm2（1%）。小麦季BCNPK小区不再施加生物炭，所施化肥量与NPK处理完全一致。供试生物炭为小麦秸秆炭，由河南商丘“三利”新能源公司生产，其基本理化性质为：pH 10.22，含碳量83.4%，全氮1.5%，硫含量0.3%，氢含量1.8%，氧含量13.0%，H/C比为0.26，O/C比为0.12［16］。NPK和BCNPK处理施用的总氮水平一致（生物炭的氮素计入总氮），玉米季氮肥（碳酸氢铵，纯N 17%）施用量为N 150 kg/hm2，小麦季氮肥施用量N 130 kg/hm2；磷肥（过磷酸钙，含P2O512%）、钾肥（氯化钾，含K2O 60%）玉米和小麦季的施用量分别为P2O590 kg/hm2和K2O 36 kg/hm2。

1.3 样品的采集、分析和相关计算

1.3.1 样品的采集与分析 本研究采用静态暗箱-气袋采样法采集NO样品，采用化学发光氮氧化物法分析NO浓度，通过计算获得NO排放速率和系数。采样箱构造、田间布设和采样方法详见文献［17］。研究表明，9：00—11：00 am时间段内的NO排放速率能代表当日平均排放水平［17］，故NO样品采样时间设为9：00—11：00 am，采样频率为2次/周。施肥后增加采样频率，第一周每天采样1次，第二周为间隔采样，第三周恢复2次/周。NO样品保存于遮光气袋中（容积5 L，大连光明气体化工技术中心，大连，中国），采集后迅速送回实验室，利用Thermo Scientific NO-NO2-NOx Analyzer（Model 42i，USA.EPA公司）进行分析。

在采气过程中，采用JM624型便携式测温计（JM624，天津今明仪器有限公司，天津，中国）和MP-406便携式水分测定仪（MPM-160B，杭州汇尔仪器设备有限公司）分别测定土壤温度和土壤体积含水率，并采集适量表层土壤带回实验室，分析土壤可溶性有机碳（DOC）、、含量。具体操作步骤为：称取5.000 ± 0.025 g鲜土样于离心管中，加入25 ml 0.5 mol/L K2SO4（水土比为5∶1），于震荡器中震荡2 h（25℃）后置于离心机（3 500 r/min，20 min）中离心，用0.45 μm滤膜过滤，滤液用AA3流动分析仪（SEAL Auto Analyzer 3，德国）测定DOC、NH+4和NO-3浓度。

1.3.2 相关计算公式 土壤湿度用WFPS（waterfilled pore space，总孔隙含水率）表示，通过土壤体积含水率计算得到，转换公式如下［18］：

式中：SWM为土壤体积含水率（%）；BD为土壤体积质量（g/cm3）；PD为土壤密度，取2.65 g/cm3。

基于NO浓度随时间的变化计算得到单位面积的气体排放速率，具体计算公式如下［17］：

式中：F为土壤NO排放速率（mg/（m2·h））；M为气体摩尔质量（g/mol）；V0为标准状态下（温度273 K，气压1 013 hPa）气体摩尔体积（22.41×10-3m3）；T0和P0分别为标准状态下的气温（237 K）和气压（1 031 hPa）；P为采样点的气压（hPa）；T为采样时箱内的平均气温（K）；dc/dt为采样箱内NO浓度变化速率；H为采样箱的高度（cm）；k为量纲转换系数。

NO的累积排放量是根据作物生长期内NO的日排放量累加后得到（通过相邻两次排放速率的线性插值得到未观测日的NO排放速率），计算公式如下［17］：

式中：E为NO累积排放量（kg/hm2，以N计，下同）；k为量纲换算系数；Xi为第i天NO的日排放量值（mg/（m2·d）），将排放速率（mg/（m2·h））乘以24 h即可转换成日排放量；tΔ为相邻两次日排放量值的间隔天数（d）；n为观测期内有效日排放通量观测值的天数（d）。

NO排放系数利用以下公式计算得到［17］：

式中：Tn为施肥后NO累积排放量（kg/hm2）；TCK为对照不施氮肥的NO累积排放量（kg/hm2）。氮肥施用量的单位为kg/hm2。

综合温室效应（GWP）采用以下公式计算：

式中：GWPNO为基于NO的GWP值（kg/hm2，以CO2eq计）；E为NO累积排放量（kg/hm2）。单位产量的综合温室效应（yield-scaled GWP）等于当季的GWPNO除以当季产量。

1.4 数据处理和统计分析

应用Excel 2013和Origin 9.0软件进行数据处理、图表绘制；利用SPSS 16.0软件进行相关分析和方差分析，各处理间差异采用Duncan多重比较法，显著性水平设为0.05。

图1 试验期内空气温度和日降雨量、5 cm土壤温度、土壤湿度（WFPS）及土壤可溶性有机碳（DOC）、无机氮）动态变化Fig. 1 Dynamics of air temperature， daily precipitation， 5 cm soil temperature， soil moisture （WFPS） and the contents of soil，， DOC during the experiment period

2 结果与分析

2.1 环境因子的季节动态

试验期内空气温度和日降雨量、5 cm土壤温度、土壤湿度（WFPS）及土壤可溶性有机碳（DOC）、无机氮变化趋势，如图1所示。由图1A可知，观测期内的年平均气温为16.5℃，月平均最高气温和最低气温分别为27.1℃（7月）和5.8℃（1月）；降雨总量为704.5 mm，较当地多年平均降水量减少约14.6%。各小区的土壤（5 cm）温度介于2.0 ～ 29.6℃，其中玉米季内土壤温度平均值约为25.0℃，小麦季的平均值约为10.5℃（图1B）。土壤孔隙充水率（WFPS）介于25.2% ～ 74.5%，玉米季的平均值约为53.8%，小麦季的平均值约为48.3%（图1C）。

由图1D可以看出，与对照小区（CK）相比，BCNPK和NPK小区土壤DOC含量均显著高于CK处理（P＜0.01），但前两者间差异不显著（表1，P＞0.05）。这主要是因为：CK处理小区长期不施肥，土壤贫瘠，作物生长差，枯枝败叶等有机质输入量长期低于BCNPK和NPK等施肥处理，故其DOC含量显著低于BCNPK和NPK处理。施肥后，土壤无机氮含量迅速增加并维持1 ～ 2周的高峰期（玉米季约1周，小麦季约2周）。随后，由于微生物的硝化和反硝化、植物吸收以及氮淋失等作用，无机氮含量呈现出波动下降趋势并在当季末期降至最低（图1E）。玉米生长季内，常规施肥处理（NPK）下，土壤无机氮含量在施肥后第15天（2013年6月15日）达到最大值（41.51 mg/kg），而生物炭小区（BCNPK）则在施肥后的第1天（2013年6月1日）达到最大值（22.45 mg/kg）。小麦生长季内，BCNPK和NPK处理的土壤无机氮含量均在施肥后第1天（2013年10月28日）达到最大值，其无机氮含量分别为102.54 mg/kg和76.20 mg/kg。试验周期内，BCNPK和NPK小区土壤的无机氮含量显著高于CK处理（P＜0.01），但两者间差异不显著（表1）。

表1 不同施肥处理的DOC和无机氮-N+-N）含量Table1 DOC and inorganic nitrogen （N-N+N） contents of soils in different treatments

表1 不同施肥处理的DOC和无机氮-N+-N）含量Table1 DOC and inorganic nitrogen （N-N+N） contents of soils in different treatments

注：同列数据小写字母不同表示处理间差异达到P＜0.05显著水平（Duncan多重比较，下同）。

DOC （mg/kg） NO3--N+NH4+-N （mg/kg）时期 处理均值±标准误 最小值 最大值 均值±标准误 最小值 最大值夏玉米BCNPK 50.63 ± 1.81 a 36.43 62.19 14.51 ± 0.77 a 8.63 22.45 NPK 50.40 ± 1.81 a 37.39 64.06 15.89 ± 2.28 a 5.31 41.51冬小麦CK 36.95 ± 1.53 b 17.95 46.28 9.77 ± 0.83 b 3.62 16.64 BCNPK 53.16 ± 2.33 a 19.86 86.06 32.91 ± 4.53 a 2.08 102.54 NPK 51.21 ± 2.28 a 16.86 82.56 29.84 ± 3.76 a 3.38 76.20 CK 32.14 ± 1.65 b 14.96 54.74 5.57 ± 0.42 b 1.19 12.28

2.2 NO排放的季节变化

轮作周期内，CK处理下土壤无明显的NO排放峰出现，其值介于 -4.54 ～ 7.63 mg/（m2·h），显著低于BCNPK和NPK处理（表2）。BCNPK和NPK处理表现出相似的NO排放趋势（图2），即在施肥后20天内呈现NO脉冲排放特征，20天后NO排放速率急剧下降并维持与CK对照处理相似的较低排放水平，由此说明施用氮肥能显著激发紫色土尤其是施肥后20天内的NO排放。玉米季内，BCNPK处理于施肥后第7天出现NO排放峰值，为26.12 mg/（m2·h）；NPK处理于施肥后第15天出现NO排放峰值，为82.15 mg/（m2·h）。施肥后20天内，BCNPK、NPK和CK处理土壤NO平均排放速率分别为11.79、44.02和2.90 mg/（m2·h），三者两两差异极显著（P＜0.01）；施肥20天后至玉米季结束，3种处理NO平均排放速率分别为0.22、0.68和0.53 mg/（m2·h），差异不显著（P = 0.150 7）。小麦季内，BCNPK和NPK处理土壤均在施肥后第6天出现NO排放峰值，分别为108.76和115.10 mg/（m2·h）；施肥后20天内，3种处理土壤NO平均排放速率分别为54.16、54.69和0.21 mg/（m2·h），差异极显著（P＜0.01）。施肥20天后至玉米季结束期间3种处理NO平均排放速率分别为 -0.41、0.140和 -0.25 mg/（m2·h），差异不显著（P = 0.562 4）。整个轮作周期内，BCNPK和NPK处理的NO平均排放速率分别是CK的20.1倍和30.9倍。两种施肥处理相比，BCNPK处理土壤玉米季的NO平均排放速率较NPK处理低73.1%（P＜0.05），其整个轮作周期的NO平均排放速率较NPK处理低34.9% （P = 0.929 6），说明紫色土施用生物炭能明显降低土壤NO的排放。

表2 不同施肥处理的产量及土壤NO排放速率、范围、累积通量、综合温室效应值和单位产量的综合温室效应Table2 Crop yield， the flux， range， amount and GWP of soil NO emission and yield-scaled GWP of NO emission in different fertilization treatments

图2 各施肥方式的NO排放速率的季节变化Fig. 2 Seasonal variation of NO emission rate in different treatments

2.3 不同施肥处理作物产量、NO累积排放通量和排放系数

与对照（CK）小区相比，BCNPK小区玉米季和小麦季的生物量分别增加70.7% 和103.5%，NPK小区则分别增加62.3% 和108.9%；相应地，BCNPK玉米季和小麦季的产量分别增加71.7% 和157.9%，NPK则分别增加61.0% 和127.2%。说明施肥能有效促进作物的生长，增加作物的生物量和产量。但是，常规施肥处理和生物炭添加处理间的生物量和作物产量均差异不显著（表2）。

BCNPK、NPK和CK处理夏秋季（玉米季）土壤NO累积排放量占全年NO排放量的90.5%、93.7% 和70.0%（图3），说明水热条件较好的夏秋季是紫色土夏玉米-冬小麦轮作系统NO排放的主要时期。冬春季（小麦季）NO累积排放量所占比例很少，冬季甚至会出现NO吸收现象，BCNPK、NPK和CK分别吸收-0.023、-0.040和 -0.007 kg/hm2的NO。不管是玉米季还是小麦季，不同施肥处理下土壤NO累积排放通量差异均达到显著水平（P＜0.05），而整个试验期内的NO累积通量差异达到极显著水平（P＜0.01）。玉米季内，BCNPK和NPK的NO累积排放量分别是CK的2.4和9.5倍，小麦季的则是36.0和40.5倍，NO全年累积量则分别是CK的15.3和27.7倍。说明施肥能显著增加紫色土土壤NO的排放量。与NPK相比，玉米季和小麦季BCNPK的NO累积排放量分别降低77.4%（P＜0.01）和11.1%（P = 0.585 6），NO排放系数降低85.5% 和10.8%，全年累积排放量降低44.6%（P＜0.01）。不同施肥方式对100年时间尺度的NO综合温室效应（GWPNO）的影响与对NO累计排放通量的影响相同。由此说明施用生物炭能降低紫色土尤其是水热条件较好的玉米季内的土壤NO的排放。

图3 NO累积排放通量（kg/hm2）的季节分配Fig. 3 Seasonal variation of NO cumulative emission flux（kg/hm2） in different treatments

3 讨论

3.1 生物炭对单位产量的综合温室效应的影响

增加作物产量一直是农业中施用氮肥的最终目的，然而，氮肥的大量使用必然增加N2O或NO等氮氧化物的排放风险，因此综合作物产量评价施肥对氮氧化物排放的影响具有一定的现实意义。Linquis等［19］认为，单位产量的综合温室效应（yield-scaled GWP）能在综合考虑环境和生产效益的情况下较好地反映二者的综合效应。既能保证作物无明显减产又能减少yield-scaled GWP值的施肥措施是最合理的施肥方式。本研究中，施肥方式对作物产量、NO排放量、GWP及yield-scaled GWP值均具有显著影响。与CK对照相比，施肥能显著增加作物产量、NO排放量、GWP及yield-scaled GWP值（表2）。而在等量氮肥施用的情况下，玉米季BCNPK处理的作物产量比NPK增加6.7%，NO累计排放通量、GWP和yield-scale GWP则分别降低77.4%、77.4% 和79.4%；小麦季也表现出相同趋势，其中作物产量增加13.5%，NO累计排放通量、GWP和yield-scale GWP分别降低11.1%、11.1% 和26.4%。因此，在同等氮肥施用量时，施用生物炭不仅能保证作物不减产，还能降低单位产量的NO排放量，取得良好的环境效应。但是，本研究在计算GWP或yield-scaled GWP时，没有综合计算CO2、CH4和N2O 3种温室气体的综合温室效应，不能全面评价生物炭对紫色土农田生态系统温室气体综合GWP的影响，还有待进一步研究。

3.2 生物炭减排NO的影响因素

碱性旱地土壤中NO的排放主要来自硝化作用［20-22］。硝化作用主要是指铵态氮在好氧条件下通过生物氧化生成亚硝态氮及硝态氮的过程，其主要影响因素包括pH、温度、水分、氧气、无机氮化合物含量等［23］；本研究中，NO排放速率与土壤温度和DOC无显著相关关系，而与土壤湿度（r = 0.204， n = 165， P＜0.01）和无机氮含量（r = 0.486， n = 165， P＜0.01）呈极显著正相关关系，说明紫色土NO排放受土壤湿度和无机氮含量共同控制。无机氮是硝化反硝化微生物产生NO的作用底物，而土壤湿度可通过影响土壤的通气性、氧化还原电位、土壤有效氮含量及其微生物可利用性来影响土壤NO的排放［1］。由图2可见，试验期内尤其是在施肥后的20天内降雨造成的土壤湿度的干湿交替均会激发NO的排放（如玉米季的6月7日和6月15日，小麦季的11月3日和11月7日），相应地，此阶段土壤无机氮含量较高，不是NO排放的限制条件。然而，施肥20天后，尽管土壤湿度也有剧烈变化（如玉米季的7月28日、8月1日和8月8日等以及小麦季的4月18日），但并没有出现明显的NO激发效应，这是因为该时期土壤无机氮含量显著降低（图1E），供硝化微生物活动产生NO的底物（无机氮）显著减少。因此，土壤湿度和无机氮含量共同作用影响紫色土农田土壤NO的排放。

房彬等［7］、何飞飞等［24］的研究表明，添加生物炭对土壤无机氮含量和N2O具有显著影响。本研究中，NPK处理和BCNPK处理的土壤无机氮含量差异不显著，这与以往的研究结果不同。这是因为生物炭本身就是一种碳氮源，而本研究中进行等氮量施肥处理，BCNPK处理所施氮肥必然较NPK处理少，所以BCNPK处理土壤无机氮含量较NPK低。此外，在玉米播种之前将生物炭按16 t/hm2（1%）添加到生物炭小区，而小麦播种之前则没有新的生物炭添加，因此本研究所添加的生物炭比例明显小于其他研究［7，24］中的添加比例。

与NPK处理相比，BCNPK处理在玉米季和整个作物周期内的NO累计排放通量分别降低77.4% 和44.6%，表现出明显的NO减排效果，然而影响紫色土农田土壤NO排放的关键环境因子（土壤湿度和无机氮含量）在BCNPK和NPK间均无显著差异。因此，本研究认为：添加1% 的生物碳后尤其是玉米季内所表现出来的NO减排效果主要是通过生物炭自身高吸附性、多孔性、高比面积等结构特性及其对土壤结构的改善实现NO减排的，而非通过直接改变土壤湿度和无机氮含量来实现。一方面，生物炭具有较高的CEC，能够有效吸附土壤溶液中NH4+和NO3-［5，25-27］，并短期固定和滞留土壤中的无机氮［28-30］，使无机氮浓度和硝化作用强度降低。另一方面，土壤中施用的生物炭易与土壤矿物质结合形成有机-无机复合体［28］，使N的生物有效性降低，难以被硝化微生物利用；同时，生物炭的多孔性及比表面积高等特征使生物炭具有很强的吸附能力［31］，可以吸附温室气体，减少温室气体向土表的扩散和逸出。本研究中，玉米播种前将生物炭施入土壤后，BCNPK小区耕作层的土壤体积质量降低，土壤持水性能增加［16］，对干湿交替的响应不如NPK小区土壤敏感，因而降雨激发的NO排放量低于NPK小区。因此，BCNPK处理在玉米季中表现出显著的NO减排效果。同时生物炭的NO减排效果随施用时间的延长而减弱，生物炭的吸附位点在玉米季末期时明显减少，而小麦季没有新的生物炭施入，因此BCNPK处理在小麦季并未表现出显著的NO减排效果。

4 结论

1） 试验期内，NO排放速率与土壤温度和DOC含量无显著相关关系，与土壤湿度和无机氮含量呈极显著正相关（P＜0.01），土壤湿度（WFPS）和无机氮含量是影响紫色土农田土壤NO排放的主要环境因子，引起其剧烈变化的措施或环境因子的改变如N肥的施用或降雨造成的干湿交替都能显著激发NO的排放。

2） 与NPK处理相比，玉米季内BCNPK处理的作物产量增加6.7%，NO累计排放通量、GWP和yield-scale GWP则分别降低77.4%、77.4% 和79.4%；小麦季的作物产量增加13.5%，NO累计排放通量、GWP和yield-scale GWP分别降低11.1%、11.1% 和26.4%。由此说明在同等氮肥施用量的条件下，添加生物炭不仅能保证作物不减产，也能降低单位产量的NO排放量，减少氮肥以NO-N形态损失的比例，取得良好的环境效应。

［1］ 蔡延江， 丁维新， 项剑. 农田土壤N2O和NO排放的影响因素及其作用机制［J］. 土壤， 2012， 44（6）： 881-887

［2］ 徐文彬. NOX大气化学概论及全球NOX释放源综述［J］.地质地球化学， 1999， 27（3）： 86-93

［3］ Yu Y， Wang X， Zhu B. NO emission and effect factors in rice-wheat rotation system in Chengdu Plain of Sichuan Basin ［J］. Acta Ecologica Sinica， 2015， 35（9）： 1-8

［4］ Meng S， Liu C， Zheng X， et al. Effects of the applied amount of wheat straw on methane， carbon dioxide， nitrous oxide， and nitric oxide fluxes of a bare soil in south Shanxi［J］. Climatic and Environmental Research， 2012，17（4）： 504-514

［5］ Liang B， Lehmann J， Solomon D， et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soils［J］. Soil Science Society of America Journal， 2006， 70（5）： 1 719-1 730

［6］ Bruun S， Clauson-Kaas S， Bobulska L， et al. Carbon dioxide emissions from biochar in soil： Role of clay，microorganisms and carbonates［J］. European Journal of Soil Science， 2014， 65（1）： 52-59

［7］ 房彬， 李心清， 赵斌， 等. 生物炭对旱作农田土壤理化性质及作物产量的影响［J］. 生态环境学报， 2014， 23（8）：1 292-1 297

［8］ 高德才， 张蕾， 刘强， 等. 旱地土壤施用生物炭减少土壤氮损失及提高氮素利用率［J］. 农业工程学报， 2014，30（6）： 54-61

［9］ Wang J， Pan X， Liu Y， et al. Effects of biochar amendment in two soils on greenhouse gas emissions and crop production ［J］. Plant and Soil， 2012， 360（1/2）： 287-298

［10］ Liu Z， Zhang F S. Removal of lead from water using biochars prepared from hydrothermal liquefaction of biomass［J］. Journal of Hazarsous Materias， 2009，167（1/2/3）： 933-939

［11］ 李洋， 宋洋， 王芳， 等. 小麦秸秆生物炭对高氯代苯的吸附过程与机制研究［J］. 土壤学报， 2015， 52（5）： 1 096-1 105

［12］ Beesley L， Moreno-Jiménez E， Gomez-Eyles J L. Effects of biochar and greenwaste compost amendments on mobility，bioavailability and toxicity of inorganic and organic contaminants in a multi-element polluted soil［J］. Environmental Pollution， 2010， 158（6）： 2 282-2 287

［13］ 王军， 施雨， 李子媛， 等. 生物炭对退化蔬菜地土壤及其修复过程中N2O产排的影响？ ［J］. 土壤学报， 2016，53（3）： 1-12

［14］ Sun L， Li L， Chen Z， et al. Combined effects of nitrogen deposition and biochar application on emissions of N2O，CO2and NH3from agricultural and forest soils［J］. Soil Science and Plant Nutrition， 2014， 60（2）： 254-265

［15］ Singla A， Inubushi K. Effect of biochar on CH4and N2O emission from soils vegetated with paddy［J］. Paddy and Water Environment， 2014， 12（1）： 239-243

［16］ 王红兰， 唐翔宇， 张维， 等. 施用生物炭对紫色土坡耕地耕层土壤水力学性质的影响［J］. 农业工程学报， 2015，31（4）： 107-112

［17］ 胡廷旭， 刘韵， 柯韵， 等. 紫色土夏玉米-冬小麦轮作农田的NO排放特征［J］. 农业环境科学学报， 2015， 34（7）：1 407-1 413

［18］ 花可可. 紫色土坡耕地土壤固碳机制研究［D］. 成都： 中国科学院成都山地灾害与环境研究所， 2013

［19］ Linquist B， Groenigen K J， Adviento-Borbe M A， et al. An agronomic assessment of greenhouse gas emissions from major cereal crops［J］. Global Change Biology Bioenergy，2012， 18（1）： 194-209

［20］ Zheng X， Wang M， Wang Y. Mitigation options for methane， nitrous oxide and nitric oxide emissions from agricultural ecosystems［J］. Advances in Atmospheric Sciences， 2000， 17（1）： 83-92

［21］ Zheng X H， Huang Y， Wang Y S， et al. Effects of soil temperature on nitric oxide emission from a typical Chinese rice-wheat rotation during the non-waterlogged period［J］. Global Change Biology， 2003， 9（4）： 601-611

［22］ Remde A， Conrad R. Role of nitrification and denitrification for NO metabolism in soil［J］. Biogeochemistry， 1991， 12（3）：189-205

［23］ Godde M， Conrad R. Influence of soil properties on the turnover of nitric oxide and nitrous oxide by nitrification and denitrification at constant temperature and moisture［J］. Biology and Fertility of Soils， 2000， 32（2）： 120-128

［24］ 何飞飞， 荣湘民， 梁运姗， 等. 生物炭对红壤菜田土理化性质和N2O、CO2排放的影响［J］. 农业环境科学学报，2013， 32（09）： 1 893-1 900

［25］ Zwieten V L， Kimber S， Morris S. Influence of biochars on flux of N2O and CO2from ferrosol［J］. Australian Journal of Soil Research， 2010， 48（7）： 555-568

［26］ Mei B， Zheng X， Xie B， et al. Nitric oxide emissions from conventional vegetable fields in southeastern China［J］. Atmospheric Environment， 2009， 43（17）： 2 762-2 769

［27］ 邵玲玲， 邹平， 杨生茂， 等. 不同土壤改良措施对冷浸田温室气体排放的影响［J］. 农业环境科学学报， 2014，33（6）： 1 240-1 246

［28］ 李德军. 珠江三角洲森林和蔬菜地土壤一氧化氮排放［D］. 广州： 广州地球化学研究所， 2007

［29］ Singh B P， Hatton B J， Singh B， et al. Influence of biochars on nitrous oxide emission and nitrogen leaching from two contrasting soils［J］. Journal of Environmental Quality，2010， 39（4）： 1 224-1 235

［30］ 刘娇， 高健， 赵英. 玉米秸秆及其黑炭添加对黄绵土氮素转化的影响［J］. 土壤学报， 2014， 51（6）： 1 361-1 368

［31］ Antal M， Grønli M. The art， science and technology of charcoal production［J］. Industrial and Engineering Chemistry， 2003， 42（8）： 1 619-1 640

Impact of Biochar on NO Emission from Cropland of Purple Soil

LI Tao1，2， WANG Xiaoguo1*， HU Tingxu1，2
（1 Institute of Maintain Hazards and Environment， Chinese Academy of Sciences， Chengdu 610041， China；2 College of Resources and Environment， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

In this study， one year monitoring of NO emissions from purple soil farmlands planted with maize （in the summer） and wheat （in the winter） in rotation was carried out in the field after biochar application in Yanting Agro-Ecological Experimental Station （Chinese Academy of Sciences）. The static chamber-gas chromatographic techniques and chemiluminescence NO analyzer were used in the study. Three treatments namely conventional fertilization （NPK）， biochar application in combination with fertilizer （BCNPK） and control treatment （CK） without fertilizer and biochar， were applied by randomized design with three replications. Comparisons of NO emission from purple soil farmlands were made between NPK and BCNPK. In addition， CK was used to calculate NO emission coefficient. It was found that NO emission rate was not significantly correlated with soil temperature and soil dissolved organic carbon content， whereas there was a significantly positive correlation between soil moisture （r = 0.204， n = 165， P＜0.01） and inorganic nitrogen content （r = 0.486， n = 165， P＜0.01）. Consequently， soil moisture and inorganic nitrogen content act as the main influential factors for NO emission from purple soil farmland. N fertilizer application or severe soil moisture alternating caused by rainfall could significantly excite NO emissions. The average NO emission rate throughout the trial period in BCNPK and NPK treatments was 20.1 times and 30.9 times higher than that in CK. During the maize season， the significant differences of NO emission rate， cumulative emissions and emission coefficient were observed between NPK and BCNPK （P＜0.01）. NO emission rate， cumulative emissions and emission coefficient in maize season were decreased by 73.1%， 77.4% and 85.5%， respectively， for BCNPK as compared with NPK. However， the aforementioned three parameters in wheat season showed no significant differences between the two treatments. Moreover， crop yield of BCNPK during the maize and wheat seasons increased by 6.7% and 13.5%， respectively， in comparison with that of NPK. Yield-scaled global warming potential （yield-scale GWP）， a comprehensive indicator for the environmental and yield efficiency evaluation， of BCNPK exhibited the decreases of 79.4% and 26.4%， respectively， as compared with that of NPK for both maize and wheat seasons. That is to say， under the same level of nitrogen fertilization， biochar application could not only guarantee the crop production in purple soil farmland not to reduce， but also cut down NO emission. Therefore， biochar application in the purple soil farmland is a promising practice for NO emission reduction.

Biochar； Purple soil； NO reduction； Comprehensive greenhouse gas effect

X5

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.007

国家自然科学基金项目（41371302）资助。

*通讯作者（xgwang@imde.ac.cn）

李涛（1990—），男，四川仁寿人，硕士研究生，主要从事土壤碳氮循环研究。E-mail： 1106700504@qq.com