生物质炭施入对旱作农田土壤温室气体排放动态变化的影响

刘先良，邓 茂，王祥炳，姚 靖，程睿韬，张永江

（重庆市黔江区生态环境监测站，重庆409000）

目前，气候变暖成为全球关注的一个热点问题。CO2、CH4和N2O作为最重要的温室气体，对温室效应的贡献率占了近80%［1］。据不完全统计，黑龙江省秸秆总量达到6.58×107t，占东北地区秸秆产量的50%［2］。近年来，随着农村能源结构的变化，大量秸秆或闲置或被烧掉，秸秆焚烧成为空气污染及温室气体排放的重要来源之一。生物质炭化技术为解决我国庞大的秸秆资源问题及提高农田碳汇和抑制农业温室气体排放，对缓解全球气候变化具有极为重要的意义［3－4］。

生物质炭是指将生物质原料（农作物秸秆、畜禽粪便等）在限氧或缺氧条件下，经高温热裂解所产生的一类具有高度芳香化、含碳丰富、稳定的固态物质［5］。生物质炭特殊的理化性质具有提高固碳减排［6－7］、提高土壤肥力［8］等特性。目前全球学者对于生物质炭的理化性质以及将其作为固碳减排剂的研究相继展开，但目前的研究大多为模拟试验或短期的盆栽试验，针对大田的长期定位试验较少，因此，本研究通过2年的田间定位试验，探讨研究生物炭施入对农田温室气体（CO2和N2O）的动态变化过程，以期为生物质炭作为固碳减排剂及秸秆资源的综合利用提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黑龙江省农垦总局红兴隆管理局曙光农场，地理坐标为130°17～130°39′E，46°13′～46°23′N。农场属寒温带大陆性季风气候，气候四季分明，冬长夏短。年平均气温3.6℃，年平均降水量523.4 mm。

1.2 试验材料

供试土壤类型为岗地白浆土，土壤基本理化指标见表1。本研究中田间试验所用的生物炭以玉米秸秆为原料制得，购自南京勤丰秸秆科技有限公司，在500℃左右温度下经热裂解制成。试验用生物炭基本理化性质指标详见表2。

表1 供试土壤基本理化性质

表2 生物质炭基本理化性质

1.3 试验设计

本试验于2015年4月玉米播种前通过旋耕机将生物质炭一次性深翻施入土壤中，深度为20 cm左右，每个小区面积30 m2（5 m×6 m）；生物质炭试验设4个处理，其中空白对照（CK）0 t／hm2、处理 1（B1）10 t／hm2、处理 2（B2）20 t／hm2、处理3（B3）30 t／hm2，每个处理 3次重复，随机放置气体收集箱。2年试验玉米大田施肥量为：底肥施尿素200 kg／hm2、磷酸 二 铵 150 kg／hm2，硫 酸 钾 50 kg／hm2，追 肥 施 尿 素120 kg／hm2。2015年、2016年分别于5月6日、5月10日播种，足墒播种，全生育期无人工灌溉，田间管理一致，分别于10月9日、10月6日收获。

1.4 气体样品采集

气体取样采用静态箱法，其装置主要包括静态箱及其底座，静态箱可人工移动，底座被长期预埋田间。静态箱由5 mm厚的透明有机玻璃制成，规格为30 cm×40 cm×100 cm；箱4面和顶部封闭，底部开口，箱内顶部安装一个微型风扇，顶部打孔接出风扇电源线，箱体一侧设置三通阀采气孔，用于连通三通阀便于收集气体。采样时间为10：00—10：30，田间采样情况见图1。将采气管与箱体连接，用箱内气体抽洗注射器2～3次，最后停至0刻度。每个取样点盖箱后立即计时，在第0、15、30 min分别采集气样。在采集气体时要同时测定当时气温、0～10 cm地温以及采集箱内温度，同时要采集0～20 cm土壤样品并测定土壤含水量等数据。

1.5 测定指标及计算方法

土壤和生物炭的基本理化性质参照鲍士旦主编的《土壤农化分析（第三版）》进行测定。

1.5.1 CO2和N2O气体排放通量计算 测定采用静态箱法和气相色谱（GC）法进行测定。采集好的气体注入气体收集瓶内带回实验室于48 h内进行迅速测定。CO2和N2O排放通量计算公式如下：

式中：F表示 CO2和 CH4排放通量［mg C／（m2·h）］和 N2O排放通量［μg N／（m2·h）］；M表示 CO2－C、和 N2O－N含 C或N的原子量，分别为12 g／mol和28 g／mol；H为采样箱的有效高度（m），d c／d t为 N2O排放速率［nL／（L·h）］，即每个小区每次3个时间（0、15、30 min）采集的3个样品的气体浓度与时间进行一次线性回归是回归方程系数，T为采样时箱内平均气温（℃）。

1.5.2 综合温室效应（GWP）测定计算 在全球增温潜势（GWP）估算中，CO2看做参考气体，CH4和N2O排放量的增减通过GWP值转换成CO2等效量，100年时间尺度上CH4和N2O的全球增温潜势分别为相当于CO2的25倍和298倍。综合温室效应由公式（2）计算：

式中：GWP为 CH4和 N2O的综合温室效应，R（CH4）和 R（N2O）分别为玉米生长季内土壤CH4和N2O的排放总量（kg／hm2）。因本试验中未测定CH4气体排放通量，故未纳入公式计算范围内。

1.5.3 温室气体排放强度（GHGI）计算 温室气体排放强度的定义为单位经济产出的温室气体排放量计算公式为：

式中：GHGI为温室气体排放强度（kg CO2／t）；GWP为 CH4和N2O排放的综合温室效应（kg CO2／hm2）；Yield为玉米产量（t／hm2）。

1.6 数据处理

数据采用 Office 2007、SPSS 17.0和 Origin Pro 8.0进行处理、统计分析和制作图表。

2 结果与分析

2.1 生物质炭对农田土壤CO2排放的季节动态影响

在2015年和2016年2年的玉米生长季期间，通过添加不同量的生物质炭，2年间的农田土壤CO2的排放趋势基本趋于一致。2015年，农田土壤CO2－C的平均排放通量分别为：B1相对较低，为 177.31 mg CO2／（m2·h），B2处理188.44 mg／（m2·h），B3处理 205.27 mg／（m2·h），与对照CK［167.10 mg／（m2·h）］相比，农田土壤 CO2的排放量分别增加6.11%、12.77%、22.84%。其中 B3处理与对照差异达到显著水平（P＜0.05），其他处理与对照无显著差异。

从图3可以看出，2016年农田土壤不同处理间农田土壤CO2的平均排放通量较2015年有所降低，但降低幅度较小，生物质炭添加各处理间与对照CK相比无显著差异。2016年B1、B2、B3处理与对照 CK相比，分别增加11.66%、16.00%、26.02%。

2.2 生物质炭对农田土壤N2 O排放的季节动态影响

玉米生长季内N2O排放动态变化如图4、图5所示。不同处理下，土壤N2O的排放速率随时间的变化很大，但基本变化趋势一致，排放峰值分别出现在降水和施肥后。土壤N2O的排放受施肥和降水影响较大，在降水和施肥后土壤N2O的释放都会增加，且施用生物质炭处理的土壤N2O的排放峰值低于常规施肥（对照）处理。2015年整个玉米生长季，B1、B2、B3处理的 N2O－N平均排放通量分别为553.41、419.81、397.48 μg／（m2· h），与 对 照 CK 处 理［733.49μg／（m2·h）］相比，分别降低了 4.55%、42.77%、45.81%；生物质炭的施入与对照相比显著降低了N2O的排放，且以B3处理降低幅度最大。

由图5可以看出，在2016年整个玉米生长季，B1、B2、B3的处理N2O－N平均排放通量分别为 579.03、511.68和44315μg／（m2·h），与对照 CK处理［622.44μg／（m2·h）］相比，分别降低了 6.97%、17.79%、28.80%；同对照相比，生物质炭使土壤N2O排放量显著降低，但是整体效果较2015年生物质炭处理同期的降低幅度减少。

2.3 生物质炭对农田土壤温室气体综合排放的影响

由表3可以看出，与对照CK处理相比，在生物质炭B1、B2、B3的处理条件下，N2O－N的排放量连续2年显著降低，2015年和 2016年分别降低了 32.54%、74.71%、84.53%和10.23%、24.74%、44.03%；而 CO2－C排放量连续 2年均有不同程度的上升，2015年提高了 6.11%、12.77%、22.84%，2016年提高了 11.66%、16.00%、26.02%；与对照处理相比，生物质炭B1、B2、B3处理下GWP（100）连续2年显著降低，2015年分别降低了 19.52%、31.09%、46.53%，2016年分别降低 8.54%、15.58%、41.42%。

由表3可知，与对照CK处理相比，生物质炭B1、B2、B3处理下GHGI连续2年显著降低，2015年和2016年分别降低了 19.79%、32.12%、48.28%和 9.44%、17.03%、42.88%。添加生物质炭改变了玉米农田生态系统的增温潜势和排放强度，在相同施肥条件下，随着生物质炭添加量的增加，2015年和2016年增温潜势和排放强度依次递减，B3处理的增温潜势和排放强度显著低于CK和B1处理。

3 讨论

3.1 生物质炭对农田土壤CO2排放的季节动态影响

影响土壤CO2排放的影响因素较多，如土壤MG度、养分、孔隙度、微生物量、近地表大气环流的状况等，同时生物质炭制备的温度、原料、时间也同样对土壤CO2排放存在较大影响，这些因素都交互作用于CO2的排放。Spokas等通过研究16种不同生物质炭对土壤温室气体排放的影响，发现抑制CO2排放的2种生物质炭是由玉米秸秆在热裂解温度分别为400、515℃下制成的［11］，而本试验所采用的生物质炭是由玉米秸秆粉碎在500℃温度下热裂解制成，试验也获得了较一致的研究结果。Rogovska认为，添加生物质炭能够增加土壤的呼吸速率，加快腐殖质的分解速度，从而能够促进CO2的排放，可能是由于生物质炭能够加强微生物活性，加速土壤有机质的分解［12］。而何飞飞等研究认为，在红壤中添加生物质炭，其CO2的排放量与土壤的pH值、阳离子交换量（CEC）及土壤含水量有极显著相关性，认为pH值、CEC、含水量的提高有利于土壤微生物活性的提高，增加CO2的排放［13］。

表3 生物质炭对土壤CO2排放的总量，增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）的影晌

表4 2015和2016年土壤TN、pH值、田间持水量和容重（0～20 cm）

本研究中，生物质炭施入土壤后，土壤pH值和含水量均一定程度上升，土壤容重显著降低，增加了土壤的透气性，同时各处理间CO2排放略有浮动，试验结果得到一致性趋势。Spokas等研究却认为是土壤微生物受到生物质炭的毒害作用，降低了微生物的活性使呼吸作用受到了抑制，从而减少了土壤CO2的排放［14］。花莉等向土壤中添加生物质炭，发现加速了土壤中腐殖质的形成，促进了难以被土壤微生物利用的碳水化合物、酯族、芳烃等有机大分子的形成，增加土壤养分，从而减少CO2的排放［15］。分析发现，不同学者所采用的试验材料、研究方法以及试验对象存在较大差异，对生物质炭能否真正减少土壤温室气体排放，还存在很多争议。目前主要来自实验室内优化条件下短期培养数据，缺乏田间长期定位试验数据，对生物质炭等的添加对土壤CO2排放效应及机理解释目前并不一致，有待进一步研究。

3.2 生物质炭对农田土壤N2 O排放的季节动态影响

不同的环境因素和农田管理措施（如pH值、土壤温度、湿度、施肥、耕作等）相互联系和作用于旱作农田土壤N2O的排放［16］。其他的研究也表明，生物质炭较大的比表面积及较强的吸附能力，能够增加其对土壤中NH4＋－N和NO3－－N的吸附，土壤中较高的C／N可以抑制土壤矿化N的量［17］，减少N2O产生的基质，减少N2O的排放。试验添加生物质炭后土壤容重不同程度减小，对试验结果进一步分析发现，生物质炭的添加降低了N2O排放通量峰值，排放量随添加量的增加而降低；由表4可以看出，试验添加生物质炭后土壤容重不同程度减小，增加了土壤孔隙度，而土壤孔隙度影响土壤中氧气的供给状况，对N2O的排放过程产生极为重要的影响［18］，本试验研究效果与之一致。

本试验供试土壤为弱酸性土壤，试验添加生物质炭后土壤pH值不同程度地增加，Yanai等研究认为，生物质炭灰分中的碱性物质可以改变土壤的pH值，刺激N2O还原酶的活性，减少N2O排放［19］，本试验与其研究效果一致。本研究结果表明，不同处理下土壤N2O的排放速率随时间的变化很大，但基本变化趋势一致，排放峰值分别出现在降雨和施肥后，且施用生物质炭处理的N2O的排放峰值低于常规施肥对照处理。本研究发现，生物质炭处理对降低N2O排放具有持续性，但是生物质炭B2处理下第一年减排效应优于次年，而B3处理的减排效应具有持续的稳定性。

3.3 生物质炭对农田土壤温室气体综合排放的影响

全球增温潜势（global warming potential，GWP）是一个相对辐射强迫指数，玉米农田GWP和GHGI主要由CO2贡献，随着时间尺度的延长及大量N肥的持续施用，N2O对旱作春玉米农田综合温室效应的贡献率可能进一步上升，主要是因为N2O在大气中存活时间较长，并且其全球增温潜势也远高于CO2。本研究结果表明，添加生物质炭对土壤温室气体排放具有显著影响。与对照（CK）处理相比，生物质炭B1、B2、B3处理下GWP（100）和GHGI连续2年显著降低，添加生物质炭改变了玉米农田生态系统的增温潜势和排放强度，在相同施肥条件下，随着生物质炭施用量的增加，2015年和2016年增温潜势和排放强度依次递减。

分析原因可能有2个主要方面：第一，添加生物质炭改变了较适宜春玉米生长的土壤C／N比；第二，生物质炭中的碳粒子具有较高的阳离子交换量（CEC），所以具有较强吸附能力，提高了对NO3－－N和NH4＋－N养分的吸收，同时也抑制了土壤氮的矿化。施加生物质炭后，由于不同种类土壤在质地、水分含量、通气状况、温度、作物类型等方面的差异，均会造成N2O和CO2排放变化的差异。生物质炭施用对旱作农田温室气体排放的影响究竟如何，需要进一步进行长期的田间定位监测，为准确评价生物质炭对旱作农田土壤温室气体排放影响积累更加丰富和代表性的数据，同时也为生物质炭还田大面积推广应用提供一定科学依据。

4 结论

施用生物质炭对土壤温室气体、GWP和GHGI均有显著影响，且2年间具有持续的效应。2015年，农田土壤CO2－C的平均排放通量在B3处理下CO2的排放总量与对照达到显著差异水平（P＜0.05），其他处理与对照无显著差异；2016年农田土壤不同处理间农田土壤的CO2平均排放通量较2015年有所降低，但降低幅度较小，生物质炭添加各处理间与对照CK处理相比无显著差异。连续2年施用生物质炭均显著降低了土壤N2O排放、GWP和GHGI，且随着施用量的增加效果愈明显，但次年对农田土壤CO2的排放没有显著性影响。综合连续2年试验结果，生物质炭对CO2排放的影响具有年际波动性，而对于降低土壤N2O排放、GWP和GHGI具有持续效应，且高用量生物质炭B3效应在连续2年里具有持续性和稳定性。

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