生物炭和秸秆还田对干旱区玉米农田土壤温室气体通量的影响*

2019-07-08刘廷玺李东方段利民王冠丽

中国生态农业学报(中英文) 2019年7期

程功, 刘廷玺, 李东方, 段利民, 王冠丽

程功1,3, 刘廷玺1,2**, 李东方1,2, 段利民1,2, 王冠丽1,2

(1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院呼和浩特 010018; 2. 内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室呼和浩特 010018; 3. 南京市水利规划设计院股份有限公司南京 210000)

为了研究生物炭及秸秆还田对干旱区玉米农田温室气体通量的影响, 以内蒙古科尔沁地区玉米农田为试验对象, 采用静态箱-气相色谱法对分别施入生物炭0 t∙hm-2(CK)、15 t∙hm-2(C15)、30 t∙hm-2(C30)、45 t∙hm-2(C45)及秸秆还田(SNPK)的土壤进行温室气体(CO2、CH4和N2O)通量的原位观测, 并估算生长季CH4和N2O的综合增温潜势(GWP)与排放强度(GHGI)。结果表明: 添加生物炭能够显著减少土壤CO2和N2O的排放量, 并促进土壤对CH4的吸收作用。其中处理C15对CO2的减排效果最好, 与对照相比CO2排放量降低21.16%。随着施入生物炭量的增加, 生物炭对N2O排放的抑制作用不断增强, 处理C45对减排效果最好, 与对照相比N2O排放量降低86.25%。处理C15对土壤吸收CH4的促进效果最好, CH4吸收量增加56.62%; 处理C45对CH4的排放有促进作用, 使生长季土壤吸收CH4减少81.36%。SNPK对温室气体的减排作用接近处理C15。添加生物炭和秸秆还田对提高玉米产量和降低农田GWP与GHGI均有显著效果, 施用生物炭及秸秆还田均有效提高了科尔沁地区的玉米产量, 且玉米产量随着施入生物炭含量的增大而提升。从GWP上来看, 施用15 t∙hm-2生物炭对温室气体减排的整体效果最好。从GHGI上来看, 施用生物炭及秸秆还田均具有一定的经济效益和减排意义, 其中施用15 t∙hm-2生物炭的综合效益最高。因此综合经济效益与环境因素, 建议科尔沁地区农田在种植玉米时添加15 t∙hm-2生物炭, 如不具备购买生物炭条件, 可以考虑秸秆还田来实现玉米增产与温室气体减排。

生物炭; 玉米; 农田; 温室气体; 秸秆还田; 干旱区

近年来, 全球温室气体浓度剧增引起海平面上升、全球温度升高等问题已经严重影响到地球生态环境, 并对人类的生存和发展造成威胁[1]。农业活动是温室气体排放的重要来源, 全球农业排放温室气体中, 有15%左右的CO2、47%的CH4和84%的N2O来源于土壤[2]。农业活动中施用化肥会对土壤温室气体的排放产生重要影响[3], 因此在农田的种植与施肥中寻求降低温室气体排放的途径是目前亟待解决的重要问题。

生物炭(biochar)是指枯枝落叶、作物秸秆等农林废弃物和动植物残体等生物质在完全无氧或部分缺氧的状态下经过高温热解碳化而产生的稳定且富含碳的固态物[4-5]。在土壤中添加生物炭, 可以有效增加土壤肥力并改变土壤理化性质, 如增加土壤pH[6]、提升土壤保水持水能力[7]以及影响土壤中NH4+-N和NO3--N的含量[8-9]等。有研究表明, 在施用氮肥的条件下同时施用生物炭, 可以有效抑制土壤CO2和N2O的排放[10-11], 促进土壤CH4吸收[12], 有效减少农田温室气体排放。秸秆还田也是利用农林废弃物的一种重要方式[13], 有研究表明秸秆还田能够抑制土壤CO2和N2O的排放并促进土壤CH4吸收[14-15], 也有研究表明添加生物炭和秸秆还田会促进农田土壤排放温室气体[16-17]。生物炭因其来源、热解温度以及试验区的土壤质地、施用量和作物的不同而对土壤温室气体通量有着不同的影响[18-21], 因此目前对施用生物炭和秸秆还田对土壤温室气体排放的影响尚未得出统一定论, 有待于进一步验证。

玉米()是内蒙古科尔沁地区农田的主要作物之一, 该地区土地干旱, 玉米产量较低, 秋收后玉米秸秆一部分打碎留待过冬喂养牛羊, 一部分焚烧, 对环境造成严重破坏。如果能在施用生物炭和秸秆还田增加产量的同时, 对农田温室气体进行减排, 不仅能够解决当地每年遗留玉米秸秆的焚烧问题, 也能够为资源的可持续利用做出贡献。本文以玉米秸秆生物炭和秸秆还田对当地农田进行改造试验, 探究生物炭和秸秆还田对干旱区雨养农田土壤温室气体(CO2、CH4、N2O)排放通量的影响, 估算温室气体在玉米生长季的累计排放量并计算温室气体的综合增温潜势及其排放强度, 对科尔沁地区进行农业活动做出科学指导, 并为农田温室气体减排研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验在位于内蒙古自治区通辽市科尔沁左翼后旗阿古拉镇的科尔沁沙地阿古拉生态水文实验站(122°39′18″E, 39°18′01″N)开展, 地处科尔沁沙地东南边缘, 海拔184~190 m。该区多年平均降水量387 mm, 主要集中在6—9月; 多年平均水面蒸发量(20 cm蒸发皿)1 408 mm, 主要集中在4—9月; 多年平均相对湿度55.7%; 多年平均气温6.9 ℃, 年极端最低气温-33.9 ℃, 年极端最高气温36.2 ℃, 昼夜温差大; 年平均风速3~4 m∙s-1。农田为草甸湿地开垦多年而成, 主要作物为玉米, 整个生长季无人为浇灌, 玉米生长水分全部依赖于天然降水和地下水。研究区地理位置见图1。

1.2 土壤及生物炭理化性质

采用玉米秸秆在360 ℃下不完全燃烧24 h制成的生物炭, 购于辽宁金和福农业开发有限公司。供试土壤及生物炭基础理化性质如表1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 试验设计

试验设置如图1(右上)所示, 在农田中选取20 m× 20 m的区域, 并将样地分成9块6 m×6 m(面积为36 m2)的试验田, 每块试验田间设置1 m隔离带。种植玉米品种为‘先玉1411’, 行距0.6 m, 株距0.4 m, 种植密度为65 000 株∙hm-2。为研究施用不同含量生物炭和秸秆还田对玉米农田温室气体通量的影响, 共设置5个处理, 每个处理均设置3个重复, 分别为: 施用0 t∙hm-2(CK)、15 t∙hm-2(C15)、30 t∙hm-2(C30)、45 t∙hm-2(C45)生物炭, 和秸秆还田(SNPK)处理。SNPK处理为将玉米秸秆全部粉碎后与土壤混合。基肥采用尿素、磷酸二铵和硫酸钾, 按照N 200 kg∙hm-2、P2O552.5 kg∙hm-2和K2O 37.5 kg∙hm-2在播种同时施用。玉米于2018年5月12—15日播种, 播种前使用旋耕机将生物炭与土壤均匀混合, 混合深度为30 cm。生育期内依照年当地田间种植管理, 无灌溉, 9月下旬收割, 称量并计算单位面积上的玉米产量。

1.3.2 样品采集和测定

使用静态箱-气相色谱法, 于2018年5—10月内每7 d左右选取晴好天气的9:00—11:00时段, 在所设立的取样点同时进行温室气体通量(CO2、CH4、N2O)的原位观测。静态箱由厚2.0 mm的非透明PVC板制成, 包括顶箱和基座两部分, 内置小风扇和温度计。顶箱规格为50 cm×50 cm×50 cm, 基座边缘设有水槽, 观测时上下箱体用水槽中的水密封。在试验开始1周前将静态箱基座插入土壤中, 并在整个试验过程中不取出或挪动基座。基座埋入深度在5 cm以上(实际计算通量时以地、箱高度为准)。采用30 min罩箱时间, 即每个采样箱分别罩箱后的0 min、10 min、20 min和30 min抽取气体样品。采样容器为100 mL带三通阀的医用注射器, 将注射器与箱体一侧的三通阀相连, 抽取30~60 mL气体样品放入气袋, 同时使用秒表记录取样时间和箱内温度计所观测的箱内气温。气样带回实验室后, 3 d内使用安捷伦7890B气相色谱仪分析温室气体浓度。

图1 研究区地理位置与试验点布设示意图

表1 供试土壤及生物炭基础性质

1.3.3 数据采集

气温和降雨量等气象要素通过试验点附近布设的波文比-土壤环境监测系统全天候24 h自动采集, 气温由距地面2 m高处的传感器(HMP45C, Vaisala, Helsinki, Finland)测量, 降雨量通过距地面0.7 m高处的自记雨量计(TE525MM, Texas Electeonices, Dallas, USA)测量; 土壤温度、土壤水分通过分层位(10 cm、20 cm等)埋在土壤中的探头(Hydra ProbeⅡ, Stevens, USA)测量。以上数据通过数据采集器(CR1000, Campbell, Logan, USA)每10 min在线采集一次, 计算平均值, 自动存储。由于气象站不能辐射所有试验田, 因此每次观测同时使用JM624手持温度计记录10 cm、20 cm处土壤温度并使用铝盒法测量不同取样点的表层土壤含水率(10 cm及20 cm处), 并与气象站数据相互验证。

1.3.4 气体通量的计算

通量是指单位时间通过某单位面积输送的物理量。气体交换通量()计算公式为[22]:

式中:为箱内气体密度; Δ和Δ分别为一段时间内箱内气体质量和混合比浓度的变化;、、分别为采样箱的底面积、体积和气室高度; Δ/Δ为箱内气体浓度变化。当为负值时表示吸收,为正值时表示排放。计算通量过程中, 通过公式中引入箱内温度和气压值, 对气体浓度进行矫正。

温室气体累计排放量(c)计算公式为[23]:

(2)

综合增温潜势(GWP)是将各类温室气体的增温潜势转化为CO2的排放当量, 100年时间尺度下的GWP计算公式为[23]:

温室气体排放强度(GHGI)是单位经济产出的CO2排放当量, 其计算公式为[23]:

GHGI=GWP/(4)

式中:为单位面积产量。

1.4 数据分析

利用Office Excel 2013对原始数据进行整理, 采用SPSS 19.0的one-way ANONA进行差异性处理, 差异性水平选择<0.05; Person相关系数分析温室气体通量与影响因素之间的相关性。图中数据均为3个重复测定的平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 试验区玉米生长季大气、土壤水热变化

2018年4—10月研究区累计降雨369.9 mm, 主要集中在7、8月份; 平均气温为7.1 ℃, 生长季气温呈单峰型曲线, 在7、8月份达到较高值(图2a)。生长季玉米农田土壤温度与气温大致趋势相同, 均呈单峰型, 并在7月中下旬达到最大值。土壤含水率由于冬季冰冻融化等原因, 在生长季初期较高并呈下降趋势, 整个生长季过程土壤含水率随降雨波动, 并在生长季末期大幅度下降, 20 cm土壤含水率明显高于10 cm土壤含水率(图2b)。

2.2 施用生物炭后玉米农田的CO2通量特征

5个处理的玉米田CO2通量在整个生长季均呈现明显的双峰型(图3)。试验初期温度较低, CO2通量也处于较低的水平; 且之后土壤水分下降, CO2通量随之下降; 5月12—15日玉米农田进行翻耕、种植后CO2通量出现明显的上升趋势, 并在7月初和8月初分别出现排放峰值, 随后呈现明显的下降趋势。在生长季初期添加生物炭各处理的CO2通量明显高于CK, 但在生长中后期添加生物炭的各处理CO2通量低于CK, 说明添加生物炭在生长季初期对CO2的排放具有促进作用, 而在生长中后期则有抑制作用。处理CK、C15、C30、C45、SNPK生长季CO2平均通量分别为: 405.15 mg∙m-2·h-1、319.40 mg∙m-2·h-1、347.03 mg∙m-2·h-1、336.16 mg∙m-2·h-1、323.39 mg∙m-2·h-1, 与对照CK相比, 处理C15、C30、C45及SNPK分别降低21.16%、14.34%、17.02%和19.93%, 不同生物炭处理间差异显著(<0.05)。从生长季整体来看, 添加生物炭有效抑制了土壤CO2的排放, 其中处理C15和SNPK抑制效果较好。Person相关分析结果表明, 玉米生长季CO2通量与土壤温度和湿度均呈显著(<0.01)正相关(表2)。

图2 2018年玉米农田生长季气温、降雨量(a)和土壤温、湿度(b)的变化

图b中s为土壤含水率,s为土壤温度。In figure b,smeans soil moisture,smeans soil temperature

图3 不同生物炭处理土壤CO2通量季节动态变化

CK为空白对照; C15、C30和C45为施用生物炭处理, 施用量分别为15 t∙hm-2、30 t∙hm-2和45 t∙hm-2; SNPK为秸秆还田处理。CK is the control; C15, C30 and C45 are biochar application treatments with biochar rate of 15 t∙hm-2, 30 t∙hm-2and 45 t∙hm-2, respectively; SNPK is treatment of corn straw incorporation.

表2 不同生物炭处理玉米生长季土壤CO2、CH4和N2O通量与10 cm处土壤温湿度相关性

*:<0.05; **:<0.01. CK为空白对照; C15、C30和C45为施用生物炭处理, 施用量分别为15 t∙hm-2、30 t∙hm-2和45 t∙hm-2; SNPK为秸秆还田处理。CK is the control; C15, C30 and C45 are biochar application treatments with biochar rate of 15 t∙hm-2, 30 t∙hm-2and 45 t∙hm-2, respectively; SNPK is treatment of corn straw incorporation.

2.3 施用生物炭后玉米农田的CH4通量特征

试验期间玉米农田CH4通量如图4所示, 其正值代表土壤排放CH4, 负值代表土壤吸收CH4。播种前农田土壤CH4吸收值逐渐增大。5月12—15日玉米农田翻耕、种植后土壤CH4通量发生较大变化, 其中处理C45由CH4的吸收转为排放, 其余处理CH4吸收值均大于CK。6—8月玉米生长盛季, CH4吸收较强且波动较大, 生长季后期处理C45重新转变为CH4的吸收, 其他处理也逐渐接近CK。处理CK、C15、C30、C45、SNPK生长季CH4平均通量分别为:-44.03 μg∙m-2∙h-1、-68.96 μg∙m-2∙h-1、-58.14 μg∙m-2∙h-1、-8.20 μg∙m-2∙h-1、-61.79 μg∙m-2∙h-1。与CK相比, 处理C15、C30及SNPK的CH4吸收值分别增加56.62%、32.05%和40.35%, 处理C45的CH4吸收值与CK相比降低81.36%, 不同生物炭处理间差异显著(<0.05)。其中处理C15、C30和SNPK显著促进了CH4的吸收, 而处理C45显著增加了CH4的排放。土壤中添加适量生物炭有助于促进土壤对CH4的吸收, 其中处理C15和SNPK对CH4的减排效果较好。Person相关分析结果(表2)表明, 各处理的CH4通量与土壤温度均显著相关(<0.01); 处理C30及C45的CH4通量与土壤含水率均无显著相关, 而处理C15、SNPK的CH4通量与土壤含水率呈显著(<0.05)负相关。

图4 不同生物炭处理土壤CH4通量季节动态变化

2.4 施用生物炭后玉米农田的N2O通量特征

图5所示为试验期间玉米农田N2O通量变化, 其正值代表土壤进行N2O排放, 负值代表土壤吸收N2O。生长季初期N2O通量逐渐增大。5月12—15日农田种植玉米后土壤N2O通量产生巨大差异, 其中处理C45的N2O通量出现明显的负值, 各处理N2O通量均低于CK。生长季末期处理C45的土壤N2O通量重新由吸收转为排放。处理CK、C15、C30、C45、SNPK生长季CH4平均通量分别为: 9.23 μg∙m-2∙h-1、6.98 μg∙m-2∙h-1、3.99 μg∙m-2∙h-1、1.27 μg∙m-2∙h-1、6.62 μg∙m-2∙h-1, 与CK相比, 处理C15、C30、C45及SNPK的N2O通量分别降低24.42%、56.83%、86.25%和28.28%, 不同生物炭处理间差异显著(<0.05)。添加生物炭明显抑制了土壤N2O的排放, 其对土壤N2O排放的抑制效果随生物炭施用量而逐渐提升, 各添加生物炭处理对土壤N2O排放的抑制均在前期较强, 而后期较弱, 这可能是因为前期玉米生长过程中根系、土壤微生物等活动旺盛, 对土壤中的生物炭响应更强烈所致。Person相关分析结果(表2)表明, 除处理C45, 其他处理的N2O通量与土壤温度均显著(<0.05)或极显著(<0.01)相关; C30及C45的N2O通量与土壤含水率均无显著相关, 而处理C15、SNPK的N2O通量与土壤含水率呈显著(<0.05)或极显著(<0.01)负相关。

图5 不同生物炭处理土壤N2O通量季节动态变化

2.5 生物炭对玉米农田土壤温室气体综合排放的影响

与CK相比, 处理C15、C30、C45和SNPK分别增加玉米产量4.41%、5.07%、9.20%和4.28%, 且不同生物炭及秸秆处理间及其与CK间差异显著(<0.05), 随生物炭施入量增加玉米产量显著提高, 处理C45的玉米产量最高, 处理C15与SNPK相近。与CK相比, 处理C15、C30、C45和SNPK的玉米生长季CO2累积排放量分别减少21.18%、13.86%、16.61%和19.76%, N2O累积排放量分别减少25.44%、57.43%、86.40%和29.22%, 且差异显著(<0.05), 说明施用一定量的生物炭对土壤CO2和N2O的排放具有抑制作用(表3)。处理C15、C30和SNPK的CH4累计吸收量比CK分别增加57.43%、32.76%和41.10%, 处理C45则降低83.04%, 且差异显著(<0.05)。玉米生长季CH4通量表现为负值, 即为土壤对CH4进行吸收, 处理C15、C30和SNPK对土壤CH4的吸收具有一定促进作用, 而处理C45则抑制了土壤对CH4的吸收, 因此说明适量施用生物炭对土壤吸收CH4具有显著促进效果(表3)。整个生长季处理C15与SNPK温室气体通量变化相近。施入生物炭显著降低了玉米农田的GWP和GHGI, 其中C15对降低GWP和GHGI贡献最大, 处理SNPK与处理C15相近。作为重要的温室气体, 在100年尺度上CH4和N2O的全球增温潜势分别是CO2的25倍和298倍。本研究表明施入生物炭有效降低了温室气体的GWP, 其中处理C15的GHGI最小。

3 讨论

本文研究发现在土壤中添加生物炭及秸秆还田均会抑制土壤CO2的累积排放, 这个结果与非干旱区小麦-玉米轮作农田规律相反[22], 与内蒙古河套区玉米农田结果相同[23]。本研究区为干旱区, 土壤含水率较低, 微生物活性对土壤含水率的变化较为敏感[24], 因此生长季CO2通量与土壤含水率呈显著正相关, 同时较低的土壤含水率会限制微生物对生物炭的分解利用能力[21]。有研究表明当施入生物炭较多时, 反而会降低生物炭中不稳定碳组分被微生物降解的表观呼吸率[25], 从而使施入生物炭对干旱区与非干旱地区土壤CO2通量产生不同的影响。生长季初期(播种后)各处理CO2排放均高于对照CK, 其原因可能是由于生物炭中含有大量易被微生物吸收利用的有机质, 促进了土壤中微生物的呼吸作用[26],且生物炭的裂解温度较低时会产生较多转化不完全的糖类物质, 从而使土壤微生物活性增强, 降低了土壤的固碳能力[27]。7月6日后CK的CO2排放明显高于其他处理, 此时生物炭对土壤CO2通量表现为明显的抑制作用, 并在生长季整体体现为对CO2排放的抑制, 是因为农田中微生物和玉米经过一段时间的生长发育后, 简单易吸收的有机质已经被吸收殆尽, 并且生物炭会促进土壤中难以被微生物分解吸收的大分子物质(腐殖质、芳烃及碳水化合物等)的形成[28], 从而降低了微生物对土壤中碳的吸收和利用[29], 减小土壤碳的矿化速度[30], 最终呈现出对土壤CO2排放的抑制。生物炭对农田土壤CO2通量的影响是贯穿整个生长季的长期过程, 添加生物炭对土壤理化性质有所改变进而影响CO2通量[31]。

表3 不同生物炭处理下温室气体通量累积排放量、玉米产量、综合增温潜势(GWP)及温室的气体排放强度(GHGI)

CK为空白对照; C15、C30和C45为施用生物炭处理, 施用量分别为15 t∙hm-2、30 t∙hm-2和45 t∙hm-2; SNPK为秸秆还田处理。同列不同小写字母表示不同处理间在0.05水平差异显著。CK is the control; C15, C30 and C45 are biochar application treatments with biochar rate of 15 t∙hm-2, 30 t∙hm-2and 45 t∙hm-2, respectively; SNPK is treatment of corn straw incorporation. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

本研究发现在农田土壤中添加生物炭对土壤N2O排放有抑制作用, 这与大量研究结果相同[36-37,39]。经相关分析表明(表2), 处理CK、C15和SNPK生长季土壤N2O通量与浅层土壤温湿度呈显著正相关(<0.05), 而处理C30和C45土壤N2O通量与表层土壤温湿度(10 cm处)无显著相关性, 其原因可能是由于本试验区生长季土壤温度均处于硝化反应和反硝化反应的适宜温度, 也有可能是由于土壤N2O通量的影响掩盖了土壤含水率对土壤N2O通量的影响所致。本研究发现随着施入生物炭量的增加, 生物炭对土壤N2O排放的抑制效果逐渐增强, 这与其他地区的研究结果相同[40-42]。一方面生物炭会大量吸收土壤中的N2O[40], 另一方面生物炭对土壤氮素转化具有一定影响作用[25], 且生物炭本身具有较高的C/N比, 随着大量生物炭的施入, 土壤的通透性和保水持水能力得到了增强, 对硝化作用和反硝化作用起到了一定程度上的抑制, 从而增加了土壤的固氮作用[41,43]。本文中处理SNPK与C15效果相近, 均对生长季土壤N2O的排放具有一定的抑制作用, 这与山东小麦-玉米轮作模式下秸秆还田的规律不同[22], 这可能是由于土地利用方式、气候差异以及土壤理化性质的不同造成的。

屈忠义等[23]、李露等[42]和李秀云等[44]发现施入生物炭后整体提升了玉米产量, 这与本文研究结果一致, 生物炭施入土壤后有效改善土壤理化性质并提升作物对营养物质的吸收利用, 从而提升作物产量。但本研究施入生物炭后玉米产量的提升与其他研究者得出的结果相比较低, 可能是本研究区作为干旱区降水较少, 对玉米的生长有一定程度上的限制作用[24]。

4 结论

添加生物炭有效降低了科尔沁地区玉米生长季农田土壤CO2和N2O的累计排放量, 并对土壤吸收CH4有一定的促进作用, 其中施用15 t∙hm-2生物炭对CO2和CH4的减排效果最好; 过多添加生物炭(45 t∙hm-2)抑制了整个生长季土壤对CH4的吸收, 说明只有适量地施入生物炭才能够有效减排。随着施入生物炭含量的增大, 生物炭对土壤N2O的减排效果逐渐提升, 其中施用45 t∙hm-2生物炭N2O的减排效果最好。秸秆还田与施用15 t∙hm-2生物炭的效果相近, 对CO2、CH4和N2O均有减排效果。从GWP上来看, 施用15 t∙hm-2生物炭对温室气体减排的整体效果最好。施用生物炭及秸秆还田均有效提高了科尔沁地区的玉米产量, 且玉米产量随着施入生物炭含量的增大而提升。从GHGI来看, 施用生物炭及秸秆还田均具有一定的经济效益和减排意义, 其中施用15 t∙hm-2生物炭的综合效益最高。因此综合经济效益与环境因素, 建议科尔沁地区农田在种植玉米时添加15 t∙hm-2生物炭, 并在不具备购买生物炭条件时可以考虑以秸秆还田作为对废弃秸秆的处理手段。

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Effects of biochar and straw on greenhouse gas fluxes of corn fields in arid regions*

CHENG Gong1,3, LIU Tingxi1,2**, LI Dongfang1,2, DUAN Limin1,2, WANG Guanli1,2

(1. Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2. Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010018, China; 3. Nanjing Water Conservancy Planning Design Institute Corp. Ltd, Nanjing 210000, China)

Biochar refers to a kind of stable and carbon-rich solid matter, generally composed of biomass and fertilizers, such as litter and crop straw, which have been pyrolyzed and carbonized under high temperatures in either a completely anaerobic or partially anoxic state. To explore the effects of biochar and straw returning on the greenhouse gas fluxes of corn fields in arid areas, an experiment was conducted on a corn field in the Horqin District, Inner Mongolia. A static chamber-gas chromatography (GC) technique was used to conduct in situ observations on greenhouse gas (CO2, CH4, and N2O) fluxes under different experimental treatments. These treatments included different application rates of biochar: 0 (CK), 15 (C15), 30 (C30), and 45 t∙hm-2(C45); and straw returning (SNPK). For the experiments, the global warming potential (GWP) and greenhouse gas intensity (GHGI) during the growing season were estimated. The results showed that the addition of biochar could significantly reduce the soil CO2and N2O emissions. During the growing season, the CO2fluxes in the C15, C30, C45, and SNPK treatments decreased by 21.16%, 14.34%, 17.02%, and 19.93%, respectively. Among these treatments, C15 exhibited the best emission reduction effect. Compared with CK, the N2O fluxes of C15, C30, C45, and SNPK reduced by 24.42%, 56.83%, 86.25%, and 28.28%, respectively. With the increase in biochar rates, the inhibition effect on N2O emissions increased. Among the treatments, C45 provided the greatest reduction in emissions. Appropriate addition of biochar could promote the soil to absorb CH4. Compared with CK, the soil CH4absorption of C15, C30, and SNPK increased by 56.62%, 32.05%, and 40.35%, respectively. The CH4absorption of C45 decreased by 81.36% compared with CK. Excessive biochar could cause less CH4absorption in the soil. There was a positive correlation between soil CO2flux, temperature, and moisture during the growing season. The CH4and N2O fluxes of CK, C15, and SNPK were significantly correlated with the soil temperature and moisture during the growing season. However, the CH4and N2O fluxes of C30 and C45 did not exhibit a significant correlation with the soil temperature or moisture during the growing season. The addition of biochar and straw returning to the field had a significant effect on increasing the corn yield and reducing the GWP and GHGI in the farmlands. Biochar and straw returning both effectively increased the corn yield in the Horqin District. The corn yield increased as the amount of biochar increased. From the perspective of the GWP, a biochar rate of 15 t∙hm-2had the best overall effect on reducing greenhouse gas emissions, similar to the SNPK treatment. From the perspective of the GHGI, biochar and straw returning had certain economic benefits and significant reducing-effects of greenhouse gas emissions. Among the different treatments investigated, 15 t∙hm-2of biochar had the highest comprehensive benefits, and the C45 and SNPK treatments were slightly inferior to C15, but higher than C30. Therefore, from the perspectives of comprehensive economic benefits and environmental factors, it was suggested that 15 t∙hm-2of biochar should be added to the farmlands in Horqin when growing corn. If biochar was not available, straw returning can also be considered to achieve an increase in corn yields and decrease in greenhouse gas emissions.

Biochar; Corn; Farmland; Greenhouse gas; Straw returning; Arid region

, E-mail: txliu1966@163.com

Jan. 3, 2019;

Mar. 14, 2019

S154.1

2096-6237(2019)07-1004-11

10.13930/j.cnki.cjea.190008

程功, 刘廷玺, 李东方, 段利民, 王冠丽. 生物炭和秸秆还田对干旱区玉米农田土壤温室气体通量的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(7): 1004-1014

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* 国家自然科学基金项目(51620105003, 51139002, 51769020)、内蒙古自然科学基金重点项目(2018ZD05)、教育部科技创新团队滚动发展计划(IRT_17R60)、科技部重点领域创新团队(2015RA4013)、内蒙古自治区草原英才创业创新人才团队、内蒙古农业大学寒旱区水资源利用创新团队(NDTD2010-6)和内蒙古自治区高等学校“青年科技英才支持计划”项目(NJYT-18-B11)资助

刘廷玺, 主要研究方向为生态水文。E-mail: txliu1966@163.com

程功, 研究方向为温室气体通量。E-mail: 18645979803@163.com

2019-01-03

2019-03-14

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (51620105003, 51139002 and 51769020), the Natural Science Foundation of Inner Mongolia (2018ZD05), the Innovative Research Team of Ministry of Education of China (IRT_17R60), the Innovative Research Team in Priority Areas of Ministry of Science and Technology of China (2015RA4013), the Innovative Research Team of Inner Mongolia Agricultural University (NDTD2010-6) and the Program for Young Talents of Science and Technology in Universities of Inner Mongolia Autonomous Region (NJYT-18-B11).