炭基有机肥对小麦产量及麦季农田温室气体排放的影响

冯瑞兴，何 胥，施洁君，金梅娟，沈明星，王海候*

(1.太仓市农业委员会，江苏 太仓 215400；2.江苏省安丰生物源农药工程中心有限公司，江苏 太仓 215400；3.江苏太湖地区农业科学研究所 /农业部苏州水稻土生态环境重点野外科学观测试验站，江苏 苏州 215155)

炭基有机肥对小麦产量及麦季农田温室气体排放的影响

冯瑞兴1，何 胥2，施洁君1，金梅娟3，沈明星3，王海候3*

(1.太仓市农业委员会，江苏 太仓 215400；2.江苏省安丰生物源农药工程中心有限公司，江苏 太仓 215400；3.江苏太湖地区农业科学研究所 /农业部苏州水稻土生态环境重点野外科学观测试验站，江苏 苏州 215155)

冯瑞兴,何胥,施洁君,金梅娟,沈明星,王海候.炭基有机肥对小麦产量及麦季农田温室气体排放的影响[J/OL].大麦与谷类科学, 2017,34(3):6-11[2017-04-20].http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1769.s.20170420.1736.001.html

为减少生物质炭在农田应用的农事操作工序，探讨生物质炭与畜禽粪便混合堆肥产品——炭基有机肥对小麦产量及麦季农田温室气体排放的影响，试验以施用炭基有机肥为处理，以施用商品有机肥与不施有机肥为对照，共计 3 个处理，探讨了炭基有机肥对小麦产量、甲烷（CH4）与氧化亚氮（N2O）排放通量及单位产量的全球增温潜势（GWP）的影响。结果表明：炭基有机肥有促进小麦产量提高的趋势，但与商品有机肥、不施有机肥相对而言，产量差异未达显著水平；炭基有机肥处理的小麦千粒质量显著大于商品有机肥及不施有机肥处理；增施有机肥处理的麦田土壤甲烷排放总量低于不施有机肥处理，而氧化亚氮的排放总量则高于不施有机肥处理；与商品有机肥相比，施用炭基有机肥处理的全球增温潜势降低了 36.48%、单位产量的 GWP 下降了37.3%，但不同处理之间差异均未达显著水平。

炭基有机肥；小麦；产量；温室气体

近年来，我国现代农业的发展取得了显著成绩，但农业保障农民收入、粮食安全、生态环境的压力日益增大，转变农业发展方式、保护生态环境、合理利用资源、发展生态循环农业势在必行且意义重大[1]。为此，农林秸秆废弃物的资源化利用作为生态循环农业发展的重要着力点，一直是各级政府关注的重点[2-3]。目前，农业废弃物的生物质炭转化及其农田应用已经成为现代农业固炭减排的重要技术途径[4-7]，在生物质炭的农田应用技术上，国内外已经探索了生物质炭的条施、穴施、表土层掺混等多种具体的还田方式[8-10]，但由于生物质炭呈粉沫状且质量轻，在运输和使用过程中极易导致产品损耗，并且生物质炭与肥料单独施用，农事操作工序尚不便捷、高效。

炭基有机肥是以生物质炭为堆肥辅料，将秸秆废弃生物质由传统的堆沤还田、过腹还田、机械粉碎还田转变为炭化还田，并与养殖业废弃物制成炭基有机肥，在不额外增加劳动力等经济投入的基础上，完成生物质炭还田应用的农事生产工序。由于炭基有机肥区别于生物质炭，其物理化学特性及应用功能尚不明确，且在国内外尚无报道。另外，已有研究表明，施用生物质炭可以有效减少农田土壤的温室气体排放[11]，但炭基有机肥是否仍具有固碳减排的效果，尚不明确。为此，本研究遵循低碳经济理念，以农业生产大田为供试对象，设计 3 种肥料处理，研究炭基有机肥对小麦产量、麦田温室气体排放的影响，以期为炭基有机肥在农业生产中的应用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于 2013 年 11 月—2014 年 5 月，在太仓市东林农场进行，土壤为沙壤土，肥力中等偏下，前茬水稻品种为南粳 46，小麦品种为扬麦 25 号，11 月 3日进行条直播，行距为 15 cm，播种量为 225 kg/hm2。炭基有机肥是笔者所在项目组自主研发，水分含量为 45%，有机质含量为 58.8%，全 N 含量为 1.76%，P2O5含量为 2.13%，K2O 含量为 2.28%；生物质炭购于河南商丘三利新能源有限公司；商品有机肥由江苏太仓绿丰有机肥料有限公司提供，水分含量为46%，有机质含量为 48.3%，全 N 含量为 1.81%，P2O5含量为 1.93%，K2O 含量为 1.79%。

1.2 试验设计

为便于农事操作，采用野外田间大区试验法，大区面积为 890 m2。试验设计 3 个不同的肥料处理：施用炭基有机肥、施用商品有机肥、不施有机肥。前茬水稻生产与当季小麦生产的有机肥料施用量均为 37.5 t/hm2；3 个处理施用的化学肥料量均相同，化学 肥 料 施用量 ：N 为 240 kg/hm2、P2O5为 75kg/hm2、K2O 为 75 kg/hm2。有机肥在土壤旋耕前，均匀撒施，再进行常规的旱旋，其余的病虫草害防治措施均与常规生产方法相同。田间测定与取样时，在大区的前、中、后区域进行 3 次重复操作。

1.3 取样方法及测定项目

1.3.1 成熟期调查每小区的穗数，测定干物质积累、产量及其构成。

1.3.2 温室气体采集与分析：于 2013 年 11 月—2014 年 5 月，每周测定 1 次，温室气体采集采用静态箱法，采样箱由 PVC 材质制成，箱体外部包有海绵和铝箔纸；箱底横截面为：0.5 m（长）×0.5 m（宽），箱高 0.6 m；采样箱内顶部装有 12 V 小风扇以充分混匀箱内气体，箱体中部安装抽气孔，采样箱顶部开有直径为 2.5 cm 的测温孔，温度计固定在橡皮塞中，再安装在测温孔上；在采气之前，每个大区先固定采样底座 3 个，底座上部有 5 cm 深的凹槽，测定时在槽内注满水，当箱体安放在底座上时可以起到密封作用；在箱体放入槽内第 0、10、20、30 min 的时间点，用 50 mL 针筒抽取箱内气体，迅速保存于气样袋，同时记录箱内的温度。实验室分析测定甲烷（CH4） 和氯化亚氢 （N2O） 气体浓度，均由 Agilent 7890A 气相色谱测定，CH4检测器为 FID，检测温度300 ℃，柱温 60 ℃，载气为 99.999%高纯氮气，流速30 mL/min；N2O 检测器为 ECD，检测温度 300 ℃，柱温 60 ℃，载气为 99.999%高纯氩甲烷气（95%氩气+5%甲烷），流速 40 mL/min。气体排放通量计算公式如下：F=ρ×h×(dc/dt）×273/(273+T），式中 F 为排放通量[mg/（m2·h）]；h 是采样箱高度（m）；ρ 为标准状态下气体密度；dc/dt为单位时间内气体的浓度变化率；T为采样箱内的平均温度（℃）。

1.3.3 全球增温潜势（GWP）的计算。以 CO2作为参考气体，CH4、N2O 的排放量通过 GWP 值转换成 CO2的等效量。在 100 年时间尺度上，单位质量 CH4和 N2O 的 GWP 值分别为 CO2的 25 和 298 倍，计算如下：GWP=25×CO2量（CH4）+298×CO2量（N2O），单位为 kg/hm2。

1.4 数据处理

试 验数 据 采用 Microsoft excel 2010 整 理 与 画图，应用 SPSS22.0 进行统计分析。差异显著性水平为 α=0.05。

2 结果与分析

2.1 炭基有机肥对小麦产量及其产量构成的影响2.1.1 对小麦产量的影响。由图 1 可知，在化学肥料相同施用量条件下，与不施有机肥处理相比，增施有机肥料处理有促进小麦增产的趋势，其中：炭基有机肥处理的小麦增产率为 8.72%；商品有机肥处理的小麦增产率为 7.04%；炭基有机肥处理的小麦增产率略大于商品有机肥处理。但统计分析结果表明，不同处理之间小麦产量差异未达显著水平。

图1 炭基有机肥对小麦产量的影响

2.1.2 对小麦产量构成的影响。不同肥料处理的小麦产量构成测定结果见表1，与不施有机肥处理相比，施用有机肥（炭基、商品）显著提高了小麦的干物质累积量、千粒质量（P ＜ 0.05），但不同处理的穗数与每穗饱粒数无显著差异性。与商品有机肥相比，炭基有机肥处理的小麦干物质累积量、穗数、千粒质量分别比商品有机肥处理增加了 1.27%、0.92%、2.89%，而每穗饱粒数减少了 2.48%，但除千粒质量外，炭基有机肥与商品有机肥处理之间均未达显著差异性。可见，炭基有机肥处理的小麦产量略高于商品有机肥处理，与其千粒质量较大有关。

表1 炭基有机肥对小麦产量构成的影响

2.2 炭基有机肥对麦季农田甲烷及氧化亚氮排放的影响

2.2.1 对甲烷及氧化亚氮排放的影响。由图 2 可知，不同处理小麦生长期间甲烷排放通量均呈现季节性变化。施用炭基有机肥处理在初期有一个排放高峰，达 0.25 mg/(m2·h)，其余时间比较平缓，无明显的排放高峰；商品有机肥在中期有一个排放峰值，为 0.04 mg/(m2·h)；不施有机肥处理在播后 64 d 有一个排放峰值，为 0.37 mg/(m2·h)。在排放峰值后，各处理的甲烷排放通量均无明显的波动，排放量比较小且维持较低水平直至小麦收获。

小麦生长季氧化亚氮排放通量测定结果如图2所示，不同处理之间氧化亚氮排放的变化趋势基本相近。播种以后，施用有机肥处理的氧化亚氮排放通量大于不施有机肥处理的，但有机肥处理之间的氧化亚氮排放通量的差异较小，之后不施有机肥处理的氧化亚氮排放通量大于施用有机肥处理，后期不同处理间，施用有机肥处理大于不施有机肥处理。

2.2.2 对不同生育阶段甲烷、氧化亚氮累积排放量的影响。为比较不同处理之间的甲烷和氧化亚氮排放差异，将小麦生育阶段分为播种期至 3 叶苗期、3叶苗期至越冬期、越冬期至拔节期、拔节期至抽穗期、抽穗期至成熟期 5 个阶段。图 3 结果表明，炭基有机肥处理在全生育过程中，播种至 3 叶苗期、3 叶苗期至越冬期的甲烷排放量大于后期；商品有机肥处理的甲烷排放量在各个时间段均较小；不施有机肥处理在 3叶苗期至越冬期、越冬期至拔节期排放量较大，尤其在越冬至拔节期存在集中排放，之后排放量较小。与商品有机肥处理相比，施用炭基有机肥提高了播种至 3叶苗期、3叶苗期的甲烷排放量，之后炭基有机肥处理的甲烷排放量均低于商品有机肥处理。不施有机肥处理的甲烷排放量在3叶苗期至越冬期、越冬期至拔节期均明显大于施用有机肥处理。不同生育阶段与不同处理的甲烷排放通量出现负值，可能是农田土壤的自身 CH4排放量小于大气扩散进入土壤的 CH4的量。

图2 炭基有机肥对小麦季农田甲烷与氧化亚氮排放通量的的影响

另一方面，据图 3 可知，炭基有机肥处理的氧化亚氮排放量随着生育进程，呈先下降后上升的变化趋势，在播种至 3 叶苗期的排放量最大，在越冬期至拔节期排放量最小；商品有机肥处理的氧化亚氮排放量与炭基有机肥处理表现出相同的变化趋势；不施有机肥处理的氧化亚氮排放量呈先上升后

下降的变化趋势，越冬期至拔节期排放量最大。

2.2.3 对全球增温潜势（GWP）的影响。由表 2 可知，各处理麦季排放的甲烷所产生的GWP以不施有机肥处理最高，氧化亚氮所产生的 GWP 以商品有机肥处理最高，但差异均未达显著水平。不同处理下，麦季甲烷的排放通量为 CO29.20～24.04 kg/hm2，而氧化亚氮的排放通量为 CO22 562.18～5 002.78 kg/hm2，麦季氧化亚氮对总增温潜势的贡献明显高于甲烷，氧化亚氮是麦季固炭减排的主要对象。在化学肥料相同施用量条件下，增施有机肥会提高麦田的综合温室效应，但施用炭基有机肥与商品有机肥相比，全球增温潜势降低了 36.48%。以“单位产量的GWP”这一指标来评价不同处理对农田甲烷和氧化亚氮排放的综合影响，从表 2 可以看出，施用有机肥处理的“单位产量的 GWP”均高于不施有机肥处理，炭基有机肥处理“单位产量的 GWP”与商品有机肥处理相比，减少了 37.3%，但无显著性差异。

3 结论与讨论

试验结果表明，在化学肥料相同施用量条件下，增施有机肥料处理的小麦产量较不施有机肥处理呈现小幅度上升趋势，但不同处理之间小麦产量差异未达显著水平。乔志刚等发现在施用生物质炭的基础上施氮总量减少 30%的处理与常规生产措施相比，对作物产量无显著影响[8]；王海候等比较了相同施氮水平下，与商品有机肥处理相比，炭基有机肥处理对水稻产量有增产作用[12]。可见，生物质炭采用单施或制成炭基有机肥后施用，均可保障小麦的稳产性。另外，炭基有机肥处理的小麦千粒质量、物质累积量及穗数均大于商品有机肥处理，说明生物质炭与畜禽粪便制成炭基有机肥料，并不影响小麦的生长发育，而更有利于小麦光合生产能力的提高，从而进一步提高小麦产量。

化学肥料相同施用量条件下，增施有机肥降低了麦田的甲烷排放总量，但不同处理之间的甲烷排放总量的差异不显著。一般认为施用有机肥会使土壤产生更多的甲烷[13]，主要表现为甲烷产量与土壤活性有机碳含量密切相关，速效碳源可以激活产甲烷菌[14]，但有机肥类型及处置方式对甲烷的排放影响较大，新鲜有机肥会导致农田土壤甲烷高排放，而好氧腐熟的堆肥可以有效降低土壤甲烷排放[15]。

图3 炭基有机肥对小麦不同生育阶段甲烷、氧化亚氮累积排放量的影响

表2 不同肥料处理下麦季农田排放 CH4和 N2O 的全球增温潜势

本试验供试的炭基有机肥与商品有机肥均经过好氧腐熟处理，因此，甲烷排放量低于不施有机肥处理。另外，本试验结果表明，麦季甲烷的排放通量为 CO29.20～24.04 kg/hm2，而氧化亚氮的排放通量为 CO22 562.18～5 002.78 kg/hm2，氧化亚氮是麦季固炭减排的主要对象；增施有机肥处理的农田氧化亚氮排放量大于不施有机肥处理，且氧化亚氮所产生的GWP以商品有机肥处理最高，但差异均未达显著水平，这与 Fleisher 等指出有机肥促进氧化亚氮排放的结论是一致的[16]。Wolsing 等发现施有机肥处理的土壤反硝化细菌群落结构和不施有机肥处理显著不同，施有机肥土壤的反硝化速率显著高于不施有机肥处理，是有机肥处理下农田氧化亚氮排放增加的重要原因[17]。然而，炭基有机肥处理的氧化亚氮排放量低于商品有机肥处理，主要原因可能是炭基有机肥中的生物质炭通过物理和生物手段固定土壤中的无机氮，并且生物质炭的输入提高了土壤的阳离子交换量，因而可以吸附更多容易导致氧化亚氮增排的 NH4+-N、NO3--N 和磷酸盐，从而减少 N2O 的释放[18-19]。

增施有机肥处理的单位产量的GWP均高于不施有机肥处理，但无显著性差异。虽然炭基有机肥处理单位产量的GWP与商品有机肥相比，减少了37.3%，但是将生物质炭应用于有机肥料的生产过程并制成炭基有机肥，能否作为施用有机肥条件下减少农田温室气体排放的有效措施，尚需多年度的数据验证。

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Effects of an Organic Fertilizer Composted with Biochar on Wheat Yield and Greenhouse Gas Emission During Wheat-growing Season in a Rice-wheat Double Cropping System

FENG Rui-xing1,HE Xu2,SHI Jie-jun1,JIN Mei-juan3,SHEN Ming-xing3,WANG Hai-hou3
(1.TaicangAgriculture Committee,Taicang215400,China; 2.Jiangsu Provincial AnfengBiogenic Pesticide EngineeringCenterCo.,Ltd.,Taicang215400,China; 3.Taihu Research Institute ofAgricultural Sciences/KeyScientific Observation&ExperimentStation ofPaddyField Eco-environment, Suzhou,MinistryofAgriculture,Suzhou 215155,China)

This study aimed to simplify the operating procedure of biochar application in the agricultural field,and to evaluate the effect of a biochar-based organic fertilizer on wheat yield and the greenhouse gas emission of the wheat field in the wheat growing season.To achieve these objectives,a field experiment was conducted,consisting of a treatment with a biochar-based organic fertilizer,a control treatment with a commercial organic fertilizer,and a control treatment without organic fertilizer.The effects of the biochar-based organic manure on wheat yield and yield composition,methane flux,nitrous oxide (N2O)flux,and GWP per unit yield were determined.The results showed that the carbon base fertilizer produced the effect of increasing wheat yield,but the differences in yield between the carbon base fertilizer treatment and the controls were not significant.The treatment with biochar-based organic fertilizer attained significantly larger 1 000-grains weight than the treatment with the commercial organic fertilizer and the treatment without organic fertilizer.Relative to the control without organic fertilizer,application of an organic fertilizer resulted in a decrease in CH4emission,but an increase in the total amount of N2O emission;however,the differences in the two parameters were not significant between treatments.Compared to the treatment with the commercial organic fertilizer,the treatment with the biochar-based organic fertilizer led to reductions in the global warming potential by 36.48%and in the yield of GWP per unit by 37.3%;however,the differences between the two treatments were not significant.

Biochar-based organic fertilizer;Wheat;Yield;Greenhouse gas

S141;S634.3

：A

：1673-6486-20170309

2017-02-09

国家科技支撑计划(2012BAD14B12-03)；江苏省农业科技自主创新项目[CX(16)-1003-11]；苏州市科技支撑计划(SNG201439)。

冯瑞兴（1971—），男，农艺师，主要从事种养循环生产技术推广研究。E-mail:tcnlf@163.com。

* 通讯作者：王海候(1979—)，男，硕士，副研究员，主要从事农业资源与环境研究。E-mail:wanghaihou@126.com。