生物炭与氮肥施用对双季稻田温室气体排放的影响

汪勇 吕茹洁 黎星 胡水秀 商庆银

（江西农业大学双季稻现代化生产协同创新中心/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室/南方粮油作物协同创新中心，南昌330045；*通讯作者：sqyt@163.com）

CH4与N2O 是温室效应的主要影响因子，人类活动所产生的CH4和N2O 是导致全球气候变暖的主要原因之一[1]。据世界气象组织（WMO）报道，2015 年大气中CH4和N2O 平均浓度分别由工业革命前（1750 年前）的0.52 mg/m3和0.53 mg/m3增至1.32 mg/m3和0.64 mg/m3，已达到工业革命之前的2.56 倍和1.21 倍[2]。水稻是我国重要的粮食作物[3]。研究表明，水稻生产过程中会排放大量温室气体[4-5]。南方双季稻区水稻种植面积约占全国水稻总种植面积的40%，是我国重要的稻作区域[6]。然而，由于该区域本身土壤pH 值较低，加上化肥的大量投入，导致土壤质量下降、水稻减产等问题产生[7]。因此，探究协同实现南方双季稻田温室气体减排与水稻持续增产具有重要意义。

生物炭是由农业有机废弃物在高温厌氧条件下裂解形成的不易分解的富炭物质[8]。前人研究表明，生物炭在提高土壤肥力和作物产量[9]、增加土壤固碳能力[10]等方面具有一定效果。但由于生物炭种类、施用量、土壤类型、水肥管理、气候条件及作物种类等因子的影响，导致生物炭对稻田温室效应的影响仍存在较大的不确定性[11]。一方面，有研究表明，生物炭能够显著降低稻田CH4排放[12]。JEFFERY 等[13]研究表明，相对于中性和碱性土壤，酸性土壤中施加生物炭更有利于降低CH4排放。另一方面，有研究表明，生物炭的施用对稻田CH4排放无显著影响甚至有增加排放的趋势[10，14-16]。生物炭对稻田N2O 排放目前也未有一致结论[17]。有研究报道，新输入的生物炭和经过3 年陈化的生物炭均能够显著降低稻麦轮作体系N2O 排放[18]。但随着生物炭在土壤中陈化时间的增加，对降低N2O 排放的效果逐渐减弱[19]。而李露等[20]发现，稻田施用生物炭对N2O排放无显著性影响。此外，氮肥的施用对稻田CH4与N2O 排放亦产生重要影响，其中施氮所引起的气态氮损失是稻田N2O 排放的主要来源[1]。目前，有关生物炭与氮肥配施对双季稻田温室气体排放的研究较少。为此，本试验通过设置施氮与不施氮条件下配施不同梯度的生物炭，探究生物炭与氮肥配施对双季稻产量、综合温室效应和温室气体排放强度的影响，以期为南方双季稻区土壤固碳减排与水稻丰产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

图1 田间表层水深度与田间气温变化

本试验于2018 年在江西省宜春市上高县泗溪镇曾家村试验基地（115°09′E，28°31′N）进行，该地区属于典型的亚热带季风气候，近10 年内年平均降雨量为1 650 mm、年平均气温为17.5℃。供试土壤为第四纪红色黏土发育而成的水稻土，试验前耕层0～20 cm 土壤基本理化性状：pH 值5.6、有机质48.1 g/kg、全氮2.85 g/kg、碱解氮245.0 mg/kg、有效磷22.3 mg/kg、有效钾189.0 mg/kg。

1.2 试验设计和田间管理

本试验采用完全随机区组设计，小区面积35 m2。共设置5 个处理：N0B0，不施氮肥和生物炭；N0B2，单施40 t/hm2生物炭；N1B0，单施氮肥；N1B1，氮肥配施20 t/hm2生物炭；N1B2，氮肥配施40 t/hm2生物炭。每个处理3 次重复。于2017 年早稻田翻耕前5 d 一次性施用生物炭且后期不在增施，于2018 年早稻移栽后次日开始监测田间温室气体排放情况。氮、磷、钾肥分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾。早、晚稻纯N 施用量分别为165 kg/hm2和180 kg/hm2，P2O5施用量分别为82.5 kg/hm2和90 kg/hm2，K2O 施用量分别为165 kg/hm2和180 kg/hm2。早、晚稻施肥比例相同，氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶2∶3 施用，磷肥作基肥一次性施用，钾肥按基肥∶穗肥=5∶5 施用。早、晚稻品种分别选用株两优39 和泰优871。早、晚稻播种日期分别为2018 年3 月19 日和6月21 日，收获日期分别为7 月5 日和11 月2 日。早、晚稻栽插密度分别为13.2 cm×23.3 cm 和13.2 cm×26.7 cm，基本苗分别为3 苗/丛与2 苗/丛。早、晚稻田间水分管理模式均采用栽插后浅水灌溉，分蘖末期排水搁田，复水后干湿交替直至收获前10 d 左右断水。病虫草害管理按照当地高产栽培模式进行。早、晚稻收获后，水稻秸秆从田间移除。本试验施用的生物炭（湖北金日生态能源股份有限公司）系由水稻秸秆炭化而来，裂解温度为350℃～500℃，生物炭基础性状为：pH 值10.3，C/N为59。

1.3 样品的采集与分析

采用静态暗箱-气象色谱法连续监测稻田温室气体排放。暗箱为不锈钢材质，长、宽、高均为50 cm，当水稻株高大于50 cm 时增加1 个双向开口暗箱。箱体外层使用保温材料与隔热铝箔包裹，避免温室气体采集过程中暗箱内温度变化迅速。箱体内顶部安装1 个12 V 电风扇，使箱内气体均匀。另外，水稻移栽后，在各个小区内插入1 个15 cm 深的底座，底座上部留有凹槽。早、晚稻移栽后第2 天开始进行温室气体采集，在整个水稻生育期温室气体平均每7 d 采集1 次，施肥后及搁田期增加1 次采气频率。温室气体采集时，将暗箱置于底座上，加水于凹槽内使箱体密封。分别在第0、10、20、30 min 使用50 mL 注射器来回抽动，采集气体样品于抽真空气袋内，立即带回实验室利用气相色谱仪（Agilent 7890B）测定样品中CH4与N2O 浓度。CH4由氢火焰离子化检测器（FID）测定，N2O 由电子捕获检测器（ECD）测定。采集气体样品的同时测定箱内温度、田间离地1 m 大气温度及田间表层水深度（图1）。CH4与N2O 的排放通量、累积排放量、综合温室效应（global warming potential，GWP）和温室气体排放强度（greenhouse gas intensity，GHGI）的计算方法参考李露[21]。

晚稻收获后，采用“五点法”取各小区耕层0～20 cm 土壤。待自然风干，磨碎过1 mm 网筛后待测。采用pHS-3C 型pH 测试仪测定土壤pH 值（土水比为1∶5）；Kjeltec 8400 全自动凯氏定氮仪测定全N；采用TOC 仪（multi N/C 2100，德国）测定全C；碱解扩散法测定碱解氮含量；碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定有效磷含量；乙酸铵浸提火焰光度法测定有效钾含量。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0 软件进行方差分析，于P ＜0.05 水平下进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 生物炭与氮肥配施对CH4 排放的影响

整个双季早晚稻生育期内，CH4排放通量的变化范围为0.03～29.25 mg/（m2·h），其中晚稻季CH4排放通量变化幅度较大（图2）。早稻CH4排放高峰出现在移栽后第22 d。CH4排放通量随着移栽天数的增加而逐渐增加，到中期排水搁田后CH4排放通量逐渐降低，后期干湿交替状态出现微弱增幅后逐渐降低。晚稻CH4排放高峰除N0B2 处理外均出现在移栽后第5 d；中期搁田时CH4排放通量迅速降低，后期干湿交替状态下CH4排放通量逐渐增加，直至收获前15 d，CH4排放通量趋近于零。

图2 生物炭与氮肥配施对双季稻CH4 排放通量的影响

图3 生物炭与氮肥配施对双季稻CH4 累积排放总量的影响

在整个双季稻生育期内，CH4累积排放总量范围为118.7～201.2 kg/hm2。与不施生物炭处理相比，施用生物炭降低了CH4累积排放总量，其中在晚稻季差异显著，而早稻季差异不显著（图3）；生物炭与氮肥对CH4累积排放量无显著互作效应。整个双季稻生育期内，N1B0 处理CH4累积排放总量最高，达（201.2±4.7）kg/hm2。与N1B0 处理相比，N1B1、N1B2 处理在整个双季稻生育期内CH4累积排放总量分别降低32.4%和41.0%。与N0B0 处理CH4累积排放总量 [（198.0 ±33.4）kg/hm2]相比，N0B2 处理显著降低25.9%。随着生物炭输入量的增加，CH4累积排放总量降低趋势更加明显。晚稻季各处理CH4累积排放总量均高于早稻季。

2.2 生物炭与氮肥配施对N2O 排放的影响

整个双季稻生育期内N2O 排放通量变化范围为-23.4～300.0 ug/（m2·h）（图4）。早稻季在施用穗肥后，监测到N2O 排放高峰。晚稻季在晒田期和施用穗肥之后均监测到排放高峰。晚稻后期干湿交替阶段，在不施氮条件下，施生物炭处理N2O 排放通量低于不施生物炭处理，而施氮条件下，施用生物炭与不施生物炭的N2O排放通量无显著差异。

图4 生物炭与氮肥配施对双季稻N2O 排放通量的影响

图5 生物炭与氮肥配施对双季稻N2O 累积排放总量的影响

在整个双季稻生育期内，N2O 累积排放总量范围为2.9～18.6 g/hm2（图5）。氮肥与生物炭的施用对稻田N2O 累积排放总量存在显著的互作效应，既在不施氮条件下，生物炭的施用有降低稻田N2O 累积排放总量的趋势；而在施氮条件下，生物炭的施用显著增加稻田N2O 累积排放总量。与N1B0 处理N2O 累积排放总量[（8.6±1.3）g/hm2] 相比，N1B1 和N1B2 处理分别增加110.0%、107.0%，差异达显著水平，N1B1 处理与N1B2处理间差异不显著。与N0B0 处理N2O 累积排放总量[（5.7±1.4）g/hm2]相比，N0B2 处理降低49.9%，但未达显著水平。

2.3 生物炭与氮肥配施对综合温室效应、周年产量和温室气体排放强度的影响

从表1 可见，各处理GWP 与其相对应的CH4累积排放总量变化趋势一致。施用生物炭能够显著降低GWP 和GHGI，而对周年产量影响不显著；氮肥的施用能够显著增加作物周年产量和降低GHGI；生物炭与氮肥对GWP、GHGI 和周年产量均无显著互作效应。与N1B0 处理相比，N1B1 处理与N1B2 处理GWP 分别显著下降32.4%、40.9%，GHGI 分别显著下降34.5%、42.7%，而N1B2 处理与N1B1 处理间GWP 和GHGI 差异均不显著；在不施氮肥条件下，施用生物炭能够显著提高周年作物产量（11.5%），而施氮条件下则无显著性影响。

表1 双季稻整个生育周期内综合温室效应、周年产量、温室气体强度、CH4 贡献率和减排百分比与方差分析（P 值）

表2 生物炭与氮肥配施对各处理土壤理化性质的影响

2.4 生物炭与氮肥配施对土壤理化性质的影响

施用生物炭显著提高了土壤全C 和C/N，氮肥与生物炭对土壤pH 值、全C、全N、C/N、碱解氮含量均无显著的互作效应（表2）。与N1B0 处理相比，N1B1、N1B2 处理土壤pH 值分别增加2.0%和4.2%，全C 含量分别增加7.5%和38.8%，C/N 分别增加13.8%和34.2%，其中N1B2 处理与N1B0 处理间差异达显著水平。与N0B0 处理相比，N0B2 处理土壤pH 值、全C、全N、C/N、碱解氮分别增加2.4%、54.1%、11.9%、32.1%、11.5%，其中土壤全C、全N、C/N 增幅均达显著性水平。

2.5 生物炭与氮肥配施对温室气体排放和土壤性状的相关性分析

从表3 可见，施用生物炭与CH4累积排放量、GWP均呈极显著负相关，与土壤pH 值、全C、C/N 呈显著或极显著正相关；施用氮肥与N2O 累积排放量、周年产量呈极显著正相关，与GHGI 呈极显著负相关。GWP 与土壤pH 值、全C、C/N 和生物炭施用量均呈显著或极显著负相关，而与土壤全氮、碱解氮、施氮量的相关性均未达显著水平。

3 讨论

3.1 生物炭与氮肥配施对温室气体排放的影响

本研究表明，生物炭显著降低了稻田CH4累积排放总量，且随着施用量的增加，减排效果更显著。生物炭输入土壤后的分解速率随着时间的延长呈下降趋势，其中约3%的不稳定生物炭可在短期内分解，其余碳可长期稳定封存于土壤中[22]。吴震等[18]对不同年份间的生物炭陈化作用研究表明，第1 年施用的生物炭有增加土壤CH4排放的趋势，而经过3 年陈化后的生物炭能显著降低CH4排放。结合本研究结果，其可能原因是，生物炭输入稻田1 年后内其不稳定碳已快速分解，降低了土壤中有效碳源，从而降低CH4排放。另外，有研究表明，田间CH4排放与产甲烷菌与甲烷氧化菌等微生物调控密切相关[23]。生物炭提高了土壤pH 值（表2），有利于土壤甲烷氧化菌的生存，增加甲烷氧化菌与产甲烷菌比值[24]，从而降低CH4排放。田间长期淹水造成的厌氧状态能够显著增加CH4排放[25]，而稻田施用生物炭能够增加土壤通气性，有利于提高土壤氧化还原电位和对CH4的氧化能力从而降低稻田土壤CH4的排放[26]。本研究中，早稻生育中期CH4排放较高，而晚稻季CH4排放主要集中于生育前期，其中晚稻季CH4排放较为剧烈（图2），这与成臣等[27]的研究结果一致。可能原因为，晚稻生育前期土壤中水稻残留根系数量与田间气温（图1）均高于早稻季，为稻田产甲烷菌提供了更多的有效碳源与适宜的增殖环境[23]。且QUAN等[28]研究表明，水稻根系残留物碳对稻田CH4排放贡献率约为60%。由此我们推测，生物炭对CH4的减排效应可能与其抑制水稻残留根系腐解过程中CH4的产生密切相关，晚稻生育前期土壤中水稻残留根系要多于早稻季，致使晚稻CH4排放受生物炭的影响更为剧烈。另外，本研究中氮肥的施用对CH4排放影响较小，这与傅志强等[29]的研究结果类似。

表3 温室气体排放与土壤性状的相关性分析

本研究中，早稻季搁田期间未出现明显N2O 排放峰值，这可能与该时段搁田效果不佳有关。晚稻季N2O排放高峰主要集中于搁田期间，这与吴震等[18]在稻麦轮作体系中水稻季N2O 排放趋势一致，但与其生物炭对稻季N2O 排放无显著性影响的结果不同。多数研究表明，生物炭能降低土壤N2O 排放[17]。LIU 等[30]研究也发现，在较肥沃的土壤中施加生物炭降低土壤N2O 排放的效果更加明显。本研究中，施氮条件下生物炭的施用显著增加了稻田N2O 排放。可能原因是，一是本试验点土壤基础肥力较高，土壤本身供氮能力较强，生物炭的吸附作用能够减少矿质氮素流失[31]；二是在施氮条件下，生物炭对土壤pH 值的提升，促进了土壤微生物活性，有利于土壤有机氮素的矿化[32]，为硝化与反硝化作用产生N2O 提供充足的能源底物与适宜的环境，从而增加稻田N2O 排放。而不施氮条件下，生物炭能够降低水稻抽穗至成熟期N2O 排放通量（图4），可能原因为，不施氮条件下的生物炭施用显著提高了水稻产量（表1），增加了土壤氮素利用率，因此减少了气态氮损失。也有学者认为，生物炭降低土壤N2O 排放，可能与其提高土壤通气性、改善土壤酸度、影响土壤氮素转化等过程有关[17]。稻田N2O 排放时间较短，季节性差异较大，且本研究1 年监测数据中N2O 排放存在较大的变异性。因此关于生物炭对稻田N2O 排放的影响仍需进一步研究。

3.2 生物炭与氮肥配施对土壤性状、产量、GWP 和GHGI 的影响

本试验表明，生物炭的施用显著增加了土壤pH值、总C、C/N。BIEDERMAN 等[32]研究表明，生物炭的施用能够有效提高酸性土壤pH 值，主要由于生物炭本身含有丰富的碱性物质[33]。水稻秸秆生物炭富含炭素与大量矿质元素，具有较高的C/N[11]，因此施用生物炭导致土壤全C、C/N 和有效钾含量显著提高。土壤性状的改变对作物产量具有一定的影响，多数研究表明，施用生物炭有利于提高作物产量[34]。而本研究中，施氮条件下施用生物炭对产量无显著性影响，在不施氮条件下施用生物炭显著提高作物产量，这可能与试验地较高的土壤基础肥力和肥料施用量有关，较高土壤基础肥力和肥料施用量保证了土壤对作物生长过程中的养分供应[35]，从而降低了生物炭对产量的积极意义。

本试验中各处理CH4对GWP 的贡献率均高于99.8%，CH4作为双季稻田温室气体排放主要贡献者决定着GWP 的大小，这主要由于双季稻田长期淹水管理，土壤长期的厌氧环境促进CH4排放，且抑制了N2O排放[25]。本试验中施用生物炭能够显著降低GWP，施用氮肥能够显著增加作物产量，而生物炭与氮肥均能够显著影响GHGI，各处理GHGI 大小分别为N0B0>N0B2>N1B0>N1B1>N1B2，表明生物炭与氮肥配施对实现稻田增产减排效果最优，这与李露等[21]研究中40 t/hm2生物炭施用量减排效果最佳结论相一致。众多研究表明，生物炭施用首年内均能够降低GWP 与GHGI[21，36-37]。本研究中生物炭经过稻田1 年陈化后依然能够减少稻田温室效应。QIN 等[26]连续4 年试验表明，生物炭施用后4 年期间均能够降低稻田温室气体排放。吴震等[18]也发现，土壤中经过3 年陈化的生物炭其依然能够减少稻田温室气体排放。本研究仅做了1 年田间定位试验，后续研究应继续监测施用生物炭对双季稻产量和稻田温室气体排放的长期效应。

4 结论

稻田施用生物炭显著降低稻田CH4排放，且随着施用量的增加，降低CH4排放效果更加显著，而氮肥的施用对CH4排放无显著影响。施氮条件下，生物炭的施用能够显著增加N2O 排放；不施氮条件下，生物炭却降低了N2O 排放。施用生物炭显著降低稻田GWP 与GHGI，对周年产量无显著影响；氮肥的施用显著增加了周年产量并降低GHGI，对GWP 无显著影响。氮肥配施40 t/hm2生物炭的处理GWP 与GHGI 最低，固碳减排效果最佳。