生物炭施用下中国农田土壤N2O排放的Meta分析*

2017-09-03罗晓琦刘晶晶张阿凤

中国生态农业学报(中英文) 2017年9期

罗晓琦, 冯浩, 刘晶晶, 张阿凤

罗晓琦1,2, 冯浩2,3**, 刘晶晶1,2, 张阿凤2,4

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌 712100; 2. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院杨凌 712100; 3. 中国科学院水利部水土保持研究所杨凌 712100; 4. 西北农林科技大学资源环境学院杨凌 712100)

为明确施加生物炭对中国农田土壤N2O排放的影响和主要控制因素, 以公开发表的试验数据为研究对象, 采用Meta-analysis法定量分析了施加生物炭条件下, 气候、土壤性质、田间管理方式、生物炭性质与施加量对土壤N2O排放的影响, 并对各影响因素进行通径分析。结果表明, 当年降雨量≥600 mm时, 生物炭显著降低土壤N2O排放量(<0.05), 且随年降雨量的增加而增强; 当年日照时数大于1 000 h时, 生物炭对土壤N2O的减排效果随年日照时数的增加而减弱。当土壤pH≥6.5时, 生物炭对土壤N2O的减排效果随土壤pH的增加呈先增后减趋势; 在壤土中施加生物炭对N2O的减排效果显著(<0.05), 而砂土和黏土不显著(>0.05)。生物炭对覆膜土壤N2O的减排效果优于不覆膜土壤; 生物炭对土壤N2O的减排效果随施氮肥量增加而减弱, 而随生物炭比表面积的增加而增强。当生物炭C/N处于30~500时, 生物炭施用下土壤N2O排放量显著降低(<0.05); 当生物炭施加量处于20~160 t×hm-2时, 生物炭对土壤N2O的减排效果随施加量增加而增强。生物炭对土壤N2O减排的影响存在显著的区域性特征, 对华南、华东、华中和东北地区影响显著(<0.05), 而对西北地区不显著(>0.05); 施氮肥量、生物炭施加量、年均温和年降雨量是影响生物炭减排效果的最主要因素, 这些因素的相互作用共同影响生物炭对土壤N2O的减排效果。该研究可为生物炭在我国农区的推广应用和农田N2O减排提供参考。

生物炭; 氧化亚氮; 减排效果; 气象因素; 土壤性质; 田间措施

温室气体(CO2、CH4和N2O)大量排放是全球气候变暖及其引起的一系列环境问题的主要原因。2013年联合国环境规划署发布的《碳排放评估报告》指出, 农业源温室气体排放量占全球温室气体排放总量的11%, 已超过2020年的排放目标[1-2]。N2O作为三大主要温室气体之一, 其增温潜势是CO2的298倍[3]; 农田生态系统N2O排放量占全球排放总量的60%~75%, 是N2O最主要的排放源[4]。因此, 农田N2O减排对减缓温室效应具有重要意义。

施加生物炭是目前控制土壤N2O排放的重要措施, 生物炭是生物质在厌氧或无氧的密闭环境中高温热解(<700 ℃)生成的孔隙丰富、性质稳定、富含碳素并具有不同程度芳香化的固态物质[5-6]。生物炭的孔隙结构发达、比表面积大、吸附NH4+的能力较强, 并可调节硝化菌和反硝化菌的能源底物, 影响土壤N2O的排放[7-10]。很多研究认为施加生物炭显著降低土壤N2O的排放, 其减排效果与生物炭的施用量有关[9-12]。硝化与反硝化过程是农田土壤N2O的两大主要来源, 但施加生物炭对土壤N2O排放的影响机制尚不清楚, 需定量总结生物炭对农田土壤N2O排放的影响规律, 并分析其影响因素, 以揭示施加生物炭对土壤N2O的减排效果。

Meta分析是一种在同一主题下从现有的研究中整理、合并研究数据的统计分析方法[13]。该方法已被应用于定量分析某种农业措施对农田生态效应的影响[14], 为农耕制度的优化提供参考依据。目前关于生物炭对土壤N2O排放的影响研究众多, 但各研究的试验区气候、土壤性质、种植制度和生物炭种类等因素的不同使研究结果不一致, 不利于生物炭技术的推广应用。在农田生态系统中, 各因素相互作用, 影响土壤N2O的排放过程。因此, 分析各因素与土壤N2O排放量的复杂关系, 揭示各因素对土壤N2O排放的直接作用和间接作用, 找出主要影响因素, 对土壤N2O减排措施的制定具有重要意义。本文基于2016年12月前中国农田施加生物炭的研究数据, 通过Meta分析方法定量分析了施加生物炭对土壤N2O排放的影响, 并揭示气候条件、土壤性质、氮肥使用量、生物炭性质与施加量等因素对农田土壤N2O排放的影响机制; 采用通径分析法对影响土壤N2O排放的因素进行分析, 探明施加生物炭条件下影响土壤N2O排放的主要因素, 为生物炭在我国农区的推广应用和减缓温室效应提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

基于中国知网、维普、万方、Web of Science、Google Scholar等中英文数据库, 以“生物炭”、“生物碳”、“氧化亚氮”、“N2O”、“biochar”、“black carbon”、“charcoal”和“nitrous oxide”为关键词检索2016年12月前发表的关于施加生物炭对中国农田土壤N2O排放的影响文献, 并对文献进行筛选。文献筛选标准为: 1)研究对象为中国农田土壤; 2)试验方法为大田试验、小区试验或盆栽试验; 3)试验处理至少包括1对施加生物炭和不施加生物炭的处理, 且其他田间条件一致; 4)试验地点、时间、土壤和生物炭的基本性质均明确; 5)文中提供了土壤N2O排放量和N2O-N等数据; 6)试验中各处理的重复次数至少3次; 7)试验地点、试验年份、试验数据和种植作物种类一致的文献, 选取研究年限最长的文献。基于以上筛选标准, 获得41篇有效文献, 采集了132组数据。

1.2 数据分类

根据土壤N2O排放的影响因素分组, 主要指标包括: 试验地区、气候因素(年降雨量、年均温、年日照时数)、土壤性质(土壤pH和土壤质地)、田间管理措施(施氮肥量和覆膜)、生物炭性质(制造温度、比表面积和C/N)、生物炭施加量等, 划分标准参考文献[15]。根据中国区域划分方法[16], 本文将试验地区划分为华东地区(江苏、浙江、江西、安徽)、华中地区(湖南、河南)、华南地区(广东)、西北地区(新疆、陕西、宁夏)和东北地区(辽宁)5个主要区域。年降雨量以400 mm、600 mm为分界线[17], 年均温度以10 ℃划分[18]。数据分类情况见表1。

表1 数据分类及依据

1.3 Meta分析

由于部分文献提供的土壤N2O排放量数据是以CO2排放当量或N2O-N排放量的形式表示, 需进行数据换算。以CO2排放当量表示土壤N2O排放量的, 需除以298得到土壤N2O排放量的换算值[19]; 以N2O-N排放量表示土壤N2O排放量的, 需以分子质量为换算因子即除以28/44得到土壤N2O排放量的换算值[15]。

标准差是Meta分析中一个重要参数, 是各研究结果的权重指标, 反映其重要性的大小[20]。若文献中提供的土壤N2O排放量数据和标准误差是以图形式表示, 通过Origin 9.0软件中的digitizer功能进行图形数值化, 将获得的标准误差换算为标准差; 若原文献未提供标准差、标准误差和样本个数, 通过常规方法不能获得标准差, 采用MetaWin 2.1软件的再取样(resampling tests)功能得到非加权方差[21-22], 获得所需的标准差。

Meta分析通过MetaWin 2.1软件实现, 需分别输入施加生物炭和不施加生物炭土壤N2O排放量的均值、对应的标准差和样本数。Meta分析需引入效应值指标, 对试验数据进行量化, 通过加权整合施加生物炭对土壤N2O排放量的影响规律。为提高效应值的准确性, 通过随机效应模型计算得到效应值(ln)[23]:

ln=ln(e/c) (1)

式中:为响应比, 是施加生物炭土壤N2O的排放量(e)与不施加生物炭土壤N2O的排放量(c)的比值。

为直观地表达生物炭对土壤N2O排放的促进或减弱, 式(1)经变换得到土壤N2O排放量的变化率:

=(-1)×100% (2)

土壤N2O排放量变化率的95%置信区间上、下限值的计算方法参考文献[24]。若95%置信区间包含0, 表示施加生物炭对土壤N2O排放无显著影响(>0.05); 若95%置信区间都大于0, 表示施加生物炭对土壤N2O排放具有显著的促进作用(<0.05); 若95%置信区间都小于0, 表示施加生物炭对土壤N2O排放具有显著的减弱作用(<0.05)[25]。

1.4 通径分析

通径分析是研究变量间相互关系、自变量对因变量作用程度的多元统计分析方法, 通过直接通径、间接通径和总通径系数分别表示某一因素对土壤N2O排放的直接影响、间接影响和综合影响, 揭示各因素对土壤N2O排放量的影响程度大小[26]。通径分析的主要计算过程参照文献[27]。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2010软件建立数据库, Origin 9.0软件绘制图表和数值化, Metawin 2.1软件实现Meta分析, SPSS 19.0软件进行通径分析。

2 结果与讨论

2.1 气候因素对土壤N2O排放的影响

通过对41篇参考文献中的数据进行分析, 发现生物炭对土壤N2O的减排效果与试验区的气候因素密切相关, 结果见图1。

2.1.1 年降雨量对土壤N2O排放的影响

整合分析结果表明, 年降雨量对中国农田土壤N2O排放起到削弱作用。由图1a可知, 当年降雨量<600 mm时, 施加生物炭对土壤N2O的减排效果不显著(>0.05); 而年降雨量≥600 mm时, 施加生物炭显著降低土壤N2O的排放(<0.05)。当年降雨量<400 mm、400~600 mm和≥600 mm时, 土壤N2O排放量的降低率分别为10.7%(95%置信区间= 1.1%~-22.5%)、19.2%(95%置信区间=2.4%~-40.8%)和25.3%(95%置信区间=-6.6%~-43.4%), 施加生物炭对土壤N2O排放的削弱作用随年降雨量的增加而增强。这是因为随年降雨量的增加, 土壤水分逐渐填充土壤大中孔隙, 土壤含水率逐渐增大, 土壤的通透性减弱, 使土壤中的微生物处于低氧还原状态, 导致N2O还原酶的形成滞后于NO3–还原酶, 使N2O大部分还原为N2[28]。此外, 土壤深层的N2O向大气中扩散的速率随土壤含水率增加而降低, 并且土壤硝化菌的活性也呈降低趋势, 使反硝化过程因反应基质供应不足而逐渐减弱。因此, 土壤N2O的排放量随年降雨量的增加而减少。生物炭吸附土壤中大量的铵态氮, 减少硝化菌的能源底物; 且生物炭具有芳香碳结构, 可吸附反硝化菌所需的能源底物, 从而抑制土壤硝化菌和反硝化菌的活性, 增强生物炭对土壤N2O的减排效果[29]。

2.1.2 年均温和年日照时数对土壤N2O排放的影响

10 ℃是喜温性植物有机物开始积累和适宜生长的起始温度[30], 年均温以10 ℃划分, 充分考虑了温度对作物生长发育的影响。由图1b可知, 年均温<10 ℃和≥10 ℃时, 施加生物炭显著降低土壤N2O的排放量(<0.05), 其降低率分别为27.3%和17.9%, 生物炭对土壤N2O的减排作用随年均温的升高而降低。由图1c可知, 年日照时数为1 000~2 000 h时, 土壤N2O排放量的降低率为21.3%。年日照时数≥2 000 h时, 土壤N2O排放量的降低率为16.7%。因此, 当日照时数大于1 000 h时, 日照时数越短, 施加生物炭越有利于土壤N2O的减排。

各散点的误差线表示95%置信区间, X轴线表示=0。若误差线与X轴线相交, 表示处理和对照之间差异不显著(>0.05)。误差线上的数字代表样本数。Error bars represent 95% confidence intervals, horizontal axis denotes=0 line. If 95% confidence intervals go across the horizontal axis, difference between biochar application and control is significant (> 0.05). Number above the error bars is sample size.

综上可知, 施加生物炭对土壤N2O的减排作用随年均温和年日照时数的升高而降低。因年均温和年日照时数均可控制土壤有机质的分解、土壤微生物代谢活动中酶的活性和作物生长状况来影响土壤N2O的排放[31]。年均温和年均日照时数增大时土壤温度也随之升高, 微生物和酶活性增强, 硝化菌和反硝化菌对能源底物的吸收作用加强, 促进了土壤有机质的分解[32]。年均日照时数不仅影响土壤温度, 还影响作物的生长状况, 进而影响土壤N2O的排放。随着日照时数的延长, 作物根系吸收水分养分能力增强, 植物根系消耗土壤中的大量氧气、改变土壤结构、分泌有机物, 进而促进土壤微生物的反硝化作用, 促进土壤N2O的排放[33]。同时, 植物根系还可吸收溶解在土壤水分中无法扩散至大气中的N2O, 通过蒸腾作用释放到大气中[34], 增加了土壤N2O的排放量。施加一定量的生物炭显著减少土壤N2O的排放量, 但其固存N2O的量是有限的。因此, 随年均温和年均日照时数的增加, 施加生物炭对土壤N2O的减排效果逐渐减弱。

2.2 土壤性质对土壤N2O排放的影响

2.2.1 土壤pH对土壤N2O排放的影响

土壤pH会影响硝化菌和反硝化菌的活性, 改变硝化速率和反硝化速率及最终产物的形态, 从而影响土壤N2O的排放[35]。由图2a可知, 土壤pH<6.5时, 施加生物炭使土壤N2O排放量降低31.5%, 未达到显著水平(>0.05)。而土壤pH处于6.5~7.5和≥7.5时, 施加生物炭显著降低土壤N2O的排放量(<0.05), 降低率分别为52.3%和49.3%。施加生物炭条件下, 土壤N2O排放量的降低率随土壤pH增加呈先增后减的趋势, 表明施加生物炭对土壤N2O的减排作用随土壤pH的增加而先增强后减弱。在施加生物炭的条件下, 土壤pH主要通过改变硝化细菌和反硝化细菌的活性, 影响土壤N2O的形成。首先, 土壤pH处于6.5~7.5时, 促进了氮相关微生物活性的提高, 且生物炭对土壤有机物和水肥的吸附能力也达到最强, 调节土壤中微生物的群落结构, 并增强生物炭的稳固性, 抑制土壤N2O的排放[36]; 其次, 在酸性土壤中, 硝化和反硝化微生物的代谢过程和活性均减弱, 且生物炭的惰性增强, 不利于生物炭固存土壤中的N2O[37]; 最后, 土壤pH还会影响反硝化酶Nos酶(氧化亚氮还原酶)的活性及铁氨氧化作用的速率, 当土壤pH≥7.5时, 生物炭表面含氧官能团对土壤中重金属的吸附能力减弱, 不利于硝化菌和反硝化菌的生存, 且生物炭的共轭芳香结构之间的键能减弱, 不利于生物炭吸收土壤排放的N2O[31,38]。因此, 生物炭对pH处于6.5~7.5的土壤N2O的减排效果最佳。

2.2.2 土壤质地对土壤N2O排放的影响

由图2b可知, 施加生物炭对壤土N2O排放的影响显著(<0.05), 而对砂土和黏土的影响不显著(>0.05)。施加生物炭条件下, 砂土、壤土和黏土N2O排放量的降低率分别为2.8%、22.6%和13.7%, 生物炭对壤土N2O的减排效果最好, 而砂土的减排效果最差。因土壤质地会影响硝化作用和反硝化作用的强度和N2O的扩散速率, 并降低土壤有机质的分解速率, 进而影响土壤N2O的排放[39-40]。土壤的气体扩散系数随土壤质地的改变而不同, 壤土具有较好的非毛管孔隙和毛管孔隙结构, 且N2O的排放通道较畅通, 使壤土的N2O排放量高于砂土和黏土[41]。

2.3 田间管理措施对土壤N2O排放的影响

2.3.1 施氮肥量对土壤N2O排放的影响

施加氮肥会增加土壤氮素含量, 增加硝化和反硝化过程所需的底物NO3–和NO4+; 同时刺激作物根系生长和分泌物的增长, 进而影响土壤N2O的排放[42]。由图3a可知, 当施氮肥量≥60 kg×hm-2时, 生物炭可减弱土壤N2O的排放, 但影响效果不显著(>0.05)。施加生物炭条件下, 土壤N2O排放量的降低率随施氮肥量的增加而降低, 表明施加生物炭对土壤N2O的减排效果呈减弱趋势。这是因为农田施氮肥改变了土壤C/N, 显著增加了土壤中铵态氮和硝态氮的含量, 增强了硝化作用和反硝化作用强度, 促进了土壤N2O的产生和排放[43]。且土壤中Nos酶的还原性随施氮肥量的增加而增强, 增大了反硝化过程气体产物中N2O的比例[30]。而施加的生物炭改善了土壤微环境, 调控土壤微生物群落组成和多样性, 退化土壤中氮相关的微生物菌群丰度, 抑制土壤N2O的产生[44], 生物炭对土壤排放的N2O的吸附能力有限。因此, 生物炭减排土壤N2O的效果随施氮肥量的增加而衰退。

2.3.2 覆膜对土壤N2O排放的影响

覆膜通过改变土壤温度和湿度影响土壤生态环境, 进而影响土壤N2O的产生、传输和排放。由图3b可知, 施加生物炭对覆膜和不覆膜土壤N2O排放的减弱作用显著(<0.05)。覆膜条件下, 土壤N2O排放量的降低率为25.3%, 较不覆膜增大6.2%, 表明生物炭对覆膜土壤N2O的减排效果优于不覆膜土壤。因为地膜具有物理阻隔作用, 隔绝了土壤蒸发水分向外散发的通道, 增加了土壤含水量[45], 促进土壤有机质的矿化过程, 增强土壤反硝化作用, 从而促进土壤N2O的排放; 且地膜吸收大量的太阳辐射, 减少土壤与大气之间的水热交换, 提高土壤温度, 提升土壤硝化菌和反硝化菌的活性和有机质分解速率[46], 促进土壤N2O的排放。覆膜使土壤排放的N2O积聚在狭小的湿热空间内, 提高N2O浓度, 进而提高生物炭对N2O的吸收效率, 使生物炭对覆膜土壤N2O的减排效果优于不覆膜土壤。

2.4 不同生物炭性质与添加量对土壤N2O排放的影响

2.4.1 生物炭制造温度、比表面积和C/N对土壤N2O排放的影响

生物炭制造温度、比表面积和C/N均影响土壤N2O的排放。由图4a可知, 施加生物炭条件下, 生物炭制造温度显著降低土壤N2O排放量(<0.05)。当生物炭制造温度<400 ℃、400~500 ℃、500~600 ℃和≥600 ℃时, 土壤N2O排放量的降低率分别为32.6%、43.9%、35.6%和51.3%。不同生物炭制造温度条件下, 生物炭对土壤N2O的减弱作用显著(<0.05), 这与Cayuela等[47]的研究结果一致, 这是因为生物炭表面官能团随制造温度的变化而改变; 随着制造温度的增大, 生物炭的芳香性结构增加, 极性减弱, 稳定性增强[48], 从而影响土壤N2O的排放。研究发现, 低温制造的生物炭微孔分布较均匀, 孔道规则, 温度升高后, 微孔分布相对不规则; 温度升至阈值时, 生物炭微孔孔壁坍塌, 表面粗糙度增加[49], 这与土壤N2O排放量随生物炭制造温度的变化规律一致。

由图4b可知, 生物炭比表面积对土壤N2O的排放无显著影响(>0.05)。当生物炭比表面积<100和≥100 m2×g-1时, 土壤N2O排放量的降低率分别为15.5%和35.1%, 施加生物炭对土壤N2O的减排效果随生物炭比表面积的增加而增强。因为生物炭比表面积影响土壤持水性能和吸附有机物的能力; 随着生物炭比表面积的增加, 生物炭孔隙度增大, 连续片结构越明显, 并使生物炭内共轭芳香族化合物晶体结构发生旋转或偏移, 增强了生物炭吸附N2O的能力[50]。

由图4c可知, 当生物炭C/N处于10~30时, 生物炭C/N对土壤N2O排放的影响不显著(>0.05), 而生物炭C/N处于30~500时, 生物炭C/N的影响达到显著水平(<0.05)。生物炭对土壤N2O的减排作用随生物炭C/N的增加呈先增大后趋于稳定的变化趋势, 这是因为施加生物炭的C/N越高, 土壤微生物活动加剧, 但硝化作用和反硝化作用所需的氮素供应不足, 促进了微生物对土壤原有矿质氮素的生物固定, 加剧了微生物种间竞争, 从而使土壤N2O排放量降低[51], 增强了生物炭对土壤N2O排放的吸附作用。

2.4.2 生物炭施加量对土壤N2O排放的影响

随着生物炭施加量的增加, 生物炭对土壤铵态氮的吸附面积增大, 并改变了土壤电子受体和氧化还原电位[52], 从而影响土壤N2O的排放量。由图4d可知, 当生物炭施加量处于20~160 t×hm-2时, 生物炭显著降低土壤N2O排放量(<0.05), 生物炭对土壤N2O的减排效果随施加量的增加而增强。生物炭施加量<20 t×hm-2时, 生物炭对土壤N2O的减排效果不显著(>0.05)。这是因为生物炭对硝化和反硝化作用所需底物的吸附作用随生物炭添加量的增加而增强, 从而减弱了土壤微生物产生N2O的能力[53]; 生物炭在土壤中形成的新孔隙度也随生物炭施加量的增加而增大, 改善了厌氧微生物菌落的功能性和多样性, 减少反硝化菌的数量, 降低了土壤的反硝化潜力, 使土壤N2O的排放量减少[54]。该结论与李松等[55]和贾俊香等[56]的研究结果一致。

2.5 施加生物炭土壤N2O排放的区域性特征

生物炭对中国不同地区农田土壤N2O排放的影响程度不同(图5)。由图5可知, 对于华南、华东、华中和东北地区, 施加生物炭显著降低农田土壤N2O的排放量(<0.05)。施加生物炭使华南、华东、华中和东北地区土壤N2O排放量分别减小31.4%、27.2%、26.7%和21.5%。而在西北地区, 施加生物炭使土壤N2O排放降低17.2%, 未达到显著水平(>0.5)。综上可知, 施加生物炭对华南地区土壤N2O的减排效果最好, 西北地区最差。这与当地的气候条件、土壤性质和田间管理方式等因素密切相关。我国各地区气候特征具有明显的区域性, 年降水量从东南向西北内陆递减, 长江以北地区的降水量较少, 而以南地区降雨丰富, 华南地区的降雨量最多[57]; 而生物炭对土壤N2O的减排作用随年降雨量的增加而增强, 因此, 生物炭对华南地区土壤N2O的减排效果最好。年均温由南向北逐渐递减, 而地区季节温度差异逐渐增大[56], 华南、华东、华中、西北和东北地区年均温的空间变化趋势不明显, 使生物炭对各地区土壤N2O排放的影响规律不明显。年日照时数呈北多南少、西多东少的空间格局, 高纬度地区高于低纬度地区, 使生物炭对土壤N2O排放的影响程度随之改变[58]。此外, 土壤性质存在空间变异性, 不同性质的土壤在空间分布上具有一定的相关性和随机性[59], 使生物炭对土壤N2O排放影响的区域性特征更显著。不同的种植方式导致作物根系对土壤理化环境的影响和根系分泌物均不同, 进而影响土壤形成N2O的硝化和反硝化等微生物过程[60]。不同的田间管理措施通过改变土壤水热状况、孔隙度和微生物群落结构等, 直接或间接影响土壤N2O的排放[61]。这些因素在空间分布上均存在区域性, 各因素相互作用使生物炭对土壤N2O的减排效果也存在区域性特征。

2.6 施加生物炭对土壤N2O排放影响的通径分析

生物炭对土壤N2O的减排效果受年降雨量、年均温、年日照时数、土壤pH、土壤质地、施氮肥量、覆膜、生物炭性质及添加量等因素相关。为分析引起土壤N2O减排效果差异的主导因素, 选取年降雨量(1)、年均温(2)、年日照时数(3)、土壤pH(4)、土壤质地(5)、施氮肥量(6)、生物炭制造温度(7)、生物炭比表面积(8)、生物炭C/N(9)、生物炭施加量(10)和土壤N2O排放量降低率()等定量参数进行通径分析, 以探求主导影响因素, 结果见表2。

表2 施加生物炭的土壤N2O排放效应的影响因子通径分析结果

1、2、3、4、5、6、7、8、9、10分别表示年降雨量、年均温、年日照时数、土壤pH、土壤质地、施氮肥量、生物炭制造温度、生物炭比表面积、生物炭C/N、生物炭施加量;为土壤N2O排放量降低率。1,2,3,4,5,6,7,8,9and10represent annual mean precipitation, annual mean temperature, annual sunshine hours, soil pH, soil texture, N fertilizer input, biochar manufacturing temperature, specific surface area of biochar, C/N ratio of biochar and biochar application amount, respectively.represents decrease rate of soil N2O emissions.

由表2可知, 各影响因素的直接通径系数的大小顺序为:6、10、2、1、3、9、4、5、8、7。表明施氮肥量、生物炭施加量和年均温是影响生物炭减排效果的三大主导因素, 年降雨量和年日照时数对生物炭减排效果的直接影响程度接近, 而生物炭制造温度和比表面积的直接影响较小; 且各影响因素对生物炭减排效果的影响均具有直接正效应。间接通径系数表示各单因素通过其他因素对生物炭减排效果的影响程度。由表2可知, 气象因素中, 年均温和年降雨量均通过土壤pH对生物炭减排效果的间接影响最大, 年日照时数通过年降雨量对生物炭减排效果的间接影响最大; 土壤性质中, 土壤pH通过土壤质地间接促进生物炭的减排作用, 土壤质地通过土壤pH对生物炭减排效果的间接影响最大, 土壤pH和土壤质地之间的相互作用效应较明显。田间管理因素中, 施氮肥量通过土壤pH对生物炭减排效果的间接影响最大; 生物炭性质中, 生物炭制造温度通过生物炭比表面积对生物炭减排效果的间接影响最大, 生物炭比表面积、C/N和生物炭施加量均通过土壤pH对生物炭减排效果的间接影响最大。从总通径系数可知, 施氮肥量、生物炭施加量、年均温和年降雨量是影响生物炭减排效果的最主要因素, pH的间接影响对总通径系数贡献较大, 因此, 合理施用氮肥和生物炭且适当控制土壤酸碱度有利于中国农田土壤N2O的减排。

3 结论

1)生物炭施加条件下, 中国农田土壤N2O排放减少, 但减排的程度与地区的降水量、温度、日照时数、土壤pH和质地、施氮量、农田地膜覆盖等外部因素有关。

2)制造温度、比表面积、C/N、施加量等生物炭本身性质对土壤N2O排放亦存在一定影响, 其中生物炭C/N和施加量影响较大。

3)施加生物炭显著降低华南、华东、华中和东北地区土壤N2O的排放量, 而西北地区不显著。

因此, 在施加生物炭条件下, 实现N2O减排或提高生物炭减排效果需综合考虑气候、土壤性质、田间管理方式、生物炭性质和施加量等因素。

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Meta-analysis on farmland soil N2O emissions under biochar application in China*

LUO Xiaoqi1,2, FENG Hao2,3**, LIU Jingjing1,2, ZHANG Afeng2,4

(1. College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2. Institute of Water-saving Agriculture in Arid Region of China, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China; 4. College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

In this study, a Meta-analysis was conducted to make clear the effects of biochar application on soil N2O emissions and the main controlling factors in China. Based on observation data from published papers in the public domain, the effects of biochar application on soil N2O emissions were quantitatively analyzed under different climatic conditions, soil properties, field management practices and biochar properties. Then path analysis was used to determine the dominant factors influencing soil N2O emissions. The results showed that biochar application significantly decreased soil N2O emissions (< 0.05) under annual mean precipitation more than 600 mm, and the reduction effect was strengthened with increasing annual mean precipitation. Also when annual mean sunshine hours was greater than 1 000 h, the N2O emission-reduction effect of biochar application decreased in trend following an initial increase with increasing annual mean sunshine hours. With increasing soil pH above 6.5, soil N2O emission reduction first increased and then decreased under biochar application. Biochar application significantly decreased soil N2O emissions in loam soils (< 0.05), whereas the effects in sandy and clay soils were not significant (> 0.05). Moreover, the reduction in soil N2O emissions under film mulching was higher than that without film mulching. The effect of biochar on soil emission decreased with increasing nitrogen application rate, but increased with increasing specific surface area of biochar. When C∶N ratio of biochar was 30-500, the effects of biochar application on soil N2O emissions was significant at< 0.05. When the amount of biochar was 20-160 t×hm-2, soil N2O emissions significantly decreased with increasing biochar application rate. Furthermore, significant differences in N2O emissions were observed for different regions under biochar application. For example, there was a significant reduction in N2O in South, East, Central and Northeast regions of China (< 0.05), except Northwest China (> 0.05). Generally, N fertilizer input, biochar application amount, annual mean temperature and annual mean precipitation were the dominant factors affecting the N2O emission-mitigation effects of biochar, which was controlled by the interactions among these factors. The study provided a reference base for the promotion of biochar technology in farming in China and emission reduction of soil N2O.

Biochar; Nitrous oxide; N2O emission-mitigation effect; Meteorological factor; Soil property; Field management practice

Apr. 7, 2017; accepted May 23, 2017

S131+.3

1671-3990(2017)09-1254-12

10.13930/j.cnki.cjea.170298

2017-04-07

2017-05-23

* 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA102904)和国家自然科学基金项目(41301305)资助

* This study was supported by the National High Technology Research and Development Program of China (2013AA102904), the National Natural Science Foundation of China (41301305).

** Corresponding author, E-mail: nercwsi@vip.sina.com

**通讯作者:冯浩, 主要研究方向为农业水土资源高效利用研究。E-mail: nercwsi@vip.sina.com

罗晓琦, 主要研究方向为水土资源高效利用研究。E-mail: luoxq0903@163.com

罗晓琦, 冯浩, 刘晶晶, 张阿凤. 生物炭施用下中国农田土壤N2O排放的Meta分析[J]. 中国生态农业学报, 2017, 25(9): 1254-1265

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