生物炭及与秸秆联用对我国热带地区稻田土壤CH4和N2O的影响

2022-05-24袁新生唐瑞杰胡天怡朱启林汤水荣伍延正

热带生物学报 2022年3期

袁新生，赵炎，唐瑞杰，胡天怡，朱启林，汤水荣，伍延正，孟磊

（海南大学热带作物学院，海口 570228）

据IPCC报告，全球尺度温度水平在2017年相比工业革命前上升了约1 ℃，若不采取必要措施，预计2030—2052年期间将增温1.5 ℃[1]。全球变暖主要与大气中CH4、N2O、CO2等温室气体的浓度升高有关。自工业革命以来，大气中CH4、N2O、CO2的浓度分别增加了150%、40%、20%。CH4和N2O作为2种重要的温室气体，百年尺度的全球增温潜势（GWP）是CO2的25倍和265倍[2]，农田土壤作为CH4和N2O的主要人为排放源，分别占据全球人为CH4和N2O排放量的50%和60%[3−4]，其产生主要受气候类型、施肥模式、作物类型和种植制度等多种因素影响[5]。增加土壤碳固定是一种减少温室气体排放潜力很大的策略[6]。

海南热带地区雨热同期，稻田干湿交替现象频发而易于N2O产生，随之CH4排放可能受到影响而降低[7]。然而，海南全年高温、降雨充沛的条件有利于土壤和作物碳代谢，可能增加CH4排放[8]。田伟等[9]对琼北晚稻田的原位监测发现热带地区稻田CH4、N2O排放分别达到50.6～175.7、0.44～3.40 kg·hm−2；WELLER 等[10]在菲律宾洛斯巴尼奥斯国际试验站对水稻-水稻、水稻-玉米轮作长期监测发现，CH4、N2O排放分别达到46.5～288.2、1.5～8.0 kg·hm−2；石生伟等[11]研究表明，我国非热带地区典型水稻种植区相同灌溉模式下CH4、N2O 排放分别为 84～144 、0.6～2.07 kg·hm−2，表现出热带地区稻田高CH4和N2O排放特征。因此，需迫切探求我国热带地区CH4和N2O减排的有效措施。生物炭作为一种新型土壤改良剂，因其具有丰富多孔结构、比表面积大、对矿态氮吸附能力强及提升土壤pH等特性而被广泛应用于温室气体减排研究[12]。因此，农田生态系统添加生物炭被认为是最具潜力的减排措施之一，减排潜力可达 0.7 Gt C-eq·a[13]。大量研究表明，生物炭能通过改善土壤理化性质而减少温室气体排放[8,14−15]，但也有研究表明，生物炭会显著增加温室气体排放[16]，或影响不显著[17]。作物秸秆还田被认为是补充土壤养分和降低温室气体排放的措施[18−19]；张杏雨等[20]综述中表明，秸秆还田能降低、或者增加温室气体排放。许多研究结果表明，单独施入秸秆或生物炭，对 CH4和 N2O 排放的影响成相反趋势[18,21]，如秸秆在稻田中施用易促进CH4排放[22]，而生物炭能提高土壤pH和土壤孔隙度，有利于CH4氧化，则会减少CH4排放[15]。生物炭大多呈碱性，施入土壤可能会促进NO3−-N产生导致硝态氮含量增加而不利于氮素的保持；有研究表明，秸秆添加能有效固定土壤中矿态氮含量，从而减少氮素损失和N2O排放[22]，但也有研究表明，在高含水量或大量添加秸秆条件下，秸秆好氧分解会导致氧气含量降低，这在高硝态氮背景下利于促进反硝化过程造成损失而非促进硝态氮固定[23]，生物炭作为一种能提高土壤孔隙度的改良剂，施用生物炭有利于无机氮的固定而抑制反硝化过程[24]。因此，秸秆和生物炭联用或许能同时达到增产、减少氮素损失和温室气体排放的目的。以往研究大多集中于单施秸秆或者生物炭[14,18]，以及在旱地中联合施用[23,25−26]，少有生物炭和秸秆联用在水稻田中对温室气体排放影响的研究。在生物炭施用情况下秸秆还田会对稻田温室气体排放带来何种影响尚不明确。生物炭施用情况下若能进行秸秆还田，对生物质资源循环利用具有重要意义。基于此，本研究以稻-菜轮作体系土壤为基础，采用盆栽培养的方法，设置常规对照、添加生物炭、添加水稻秸秆以及生物炭与秸秆联用4个处理，监测整个水稻种植季CH4和N2O排放。并通过测定水稻收获后土壤微生物量碳、微生物量氮（MBC/MBN）、作物产量和估算GWP，综合探究生物炭、秸秆、生物炭与秸秆联用对温室气体排放和水稻产量的影响，以期为田间生产提供指导。

1 材料与方法

1.1 供试土壤供试土壤取自海南省澄迈县西岸村（19°55′ N，109°57′ E）稻菜轮作田块的土壤，在水稻季结束后采集。该区域属典型热带季风气候，年均温、降雨量分别为 23.80 ℃、1 786.10 mm。试验土壤为滨海沉积物母质发育的水稻土，质地为砂壤土。土壤经风干后去除石砾和植物根系并过2 mm筛，土壤背景理化值分别为：土壤pH 5.90，有机碳含量 15.66 g·kg−1,碱解氮含量 116.93 mg·kg−1,速效磷含量 167.50 mg·kg−1，速效钾含量74.94 mg·kg−1，砂粒 61.70% ，粉粒 20.5% ，黏粒17.80%。

1.2 试验设计盆栽试验选用水稻品种为‘特优808’，育苗20 d进行移栽。试验共设计4个处理，每个处理设置4个平行并按随机区组排列，分别为常规施肥处理（CK）；常规施肥处理基础上添加40 t·hm−2生物炭处理（B）; 常规施肥处理基础上添加 3 t·hm−2水稻秸秆处理 (C); 常规施肥处理基础上添加 40 t·hm−2椰糠生物炭+3 t·hm−2水稻秸秆处理（B+C）。水分管理按照淹水-晒田1周-复水-收获前保持湿润进行。于2020−05−19，按各处理将准备好的土壤、生物炭和秸秆混匀装入盆栽装置，每盆装土5 kg，并加水至土壤孔隙含水量（WFPS）60%进行活化。5月26日活化完成后淹水5 cm并将秧苗移栽入盆中，隔天第1次采集气体。6月5日进行第1次施肥，分别施尿素0.49 g、过磷酸钙 0.85 g、氯化钾 0.30 g；6 月 30 日施第 2 次肥，分别施尿素 0.33 g、过磷酸钙 0.56 g、氯化钾0.20 g，各处理施肥方案一致。试验期间各项农事管理措施一致。

供试生物炭由椰糠在600 ℃下厌氧热解制成，pH 9.7、全碳含量为 676.78 g·kg−1、全氮含量为 5.03 g·kg−1、碳氮比为 134.49、比表面积为 5.84 m2·g−1；水稻秸秆经烘箱烘干粉碎机粉碎过 2 mm筛备用。

1.3 样品采集与测定气体样品采集采用密闭静态暗箱观测法，盆栽装置外围安装采气底座（53 cm×53 cm），边缘设置宽 2.5 cm 的蓄水槽用于密封。用白色 PVC 板制作采气箱（50 cm×50 cm×100 cm）用于气体样品采集。箱体外部包裹泡沫塑料保温层，以防箱内升温过快、箱顶侧边设有温度计连接口和带三通阀的采气口。采气前向底座凹槽内适量灌水以形成密闭环境，后将采样箱扣于底座凹槽上计时采气。采气时先用100 mL针管反复抽动几次使箱体内空气混匀，后于0、10、20、30 min 抽取 60 mL 气体注入提前抽真空的 20 mL顶空瓶（Nichiden-rika Glass Co.Ltd.）。采气时间为上午 08: 00 —11: 00，常规采气频率为 1 周 1 次，施肥后加密采样1次。所采气样带回实验室用气相色谱仪（岛津 GC-2014）进行分析，N2O检测器为电子捕获检测器(ECD)，载气为氩甲烷；CH4检测器为氢焰电离检测器(FID)，载气为高纯氮，检测器温度 300 ℃。标准气体由中国计量科学研究院提供。

采气当天用便携式Eh计（Bante 220）测定土壤Eh和土壤温度；土壤微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）含量采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法进行测定[27]；土壤pH采用pH计（雷磁 PHS-3C）进行测定；土壤 NH4+-N 和 NO3−-N 含量，用 2 mol·L KCl浸提—连续流动分析仪（Proxima 1 022/1/1，爱利安斯科学仪器公司，法国）进行测定,土壤其他基本性质测定方法参考鲍士旦《土壤农化分析》[28]。

1.4 数据处理与分析CH4和 N2O 排放通量计算公式：

式中，F为气体排放通量，FN2O单位为 μg·(m2·h)−1，FCH4单位为 mg·(m2·h)−1；ρ为标准状态下 CH4-C 和N2O-N 的密度/（kg·m−3）；h为采样箱高度/m；Δc/Δt为采样过程中箱内气体摩尔分数变化速率；T为采样时箱内平均温度/℃。

累积排放量（ƒ，kg·hm−2）计算公式如下:

式中，n和i为采样次数，t为采样天数/d。

100 a尺度的农田土壤直接排放的N2O、CH4增温潜势 (GWPGHGS，CO2-eq，kg·hm−2) 计算公式[2]：

使用 SPSS 23.0 进行皮尔森相关分析和单因素方差分析和 Origin2018 绘图。处理间差异采用Duncan多重比较法；P＜0.05为显著水平。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤理化性质变化种植前期，各处理土壤Eh均维持在较低水平且低于−150 mV，其中B+C处理明显低于其他处理；移栽1月进行晒田后，土壤Eh逐渐升高至30 mV左右；复水后Eh逐渐下降并总体维持在−120 mV上下波动直至收获。各处理Eh变化趋势一致（图1-a）：CK、B、C和 B+C 4 个处理Eh 均值分别为−114.38 、−109.78 、−117.06 和−121.86 mV。5 cm 土壤温度各处理温差在2 ℃内且趋势一致（图1-b）。

土壤NH4+-N和NO3−-N含量变化如图2所示。各处理土壤NH4+-N在第1次施肥后升高，C处理峰值最低、B和B+C处理峰值高于CK处理，后随时间延续下降，晒田期后B、C和B+C 处理NH4+-N含量均明显低于CK处理（图2-a）。土壤NO3−-N含量在2次施肥后各处理响应不同，第1次施肥后B+C处理NO3−-N含量下降、其他处理升高，但B、C和B+C处理NO3−-N含量逐渐低于CK处理；晒田期后B和C处理NO3−-N含量均明显低于CK处理且C处理NO3−-N 含量一直维持在最低水平，而B+C处理NO3−-N 含量明显高于CK处理并逐渐下降到最低水平（图2-b）

2.2 不同处理对CH4和N2O通量及累计排放量的影响观测期内各处理 CH4通量为 0.1～25.0 mg·m−2·h−1（图3-a）。第 1 次施肥后，相比其他处理，B+C处理对CH4排放通量响应较快，一直处于上升趋势直至晒田期前夕出现峰值；CK、B和C处理第1次施肥后对CH4排放通量响应较慢，并且峰值较小，添加生物炭处理峰值最低；晒田管理明显抑制CH4排放通量，各处理在晒田期CH4排放通量直线下降，晒田期结束复水进行第2次施肥后各处理出现第2个峰值，B+C处理CH4排放通量最高；大量CH4排放出现在水稻种植孕穗期至收获期，各处理CH4排放通量呈上升趋势于收获前回降。CK、B、C和B+C 4个处理CH4累计排放分别为106.16、66.29、121.69和129.52 kg·hm−2；相比 CK 处理，B 处理显著降低CH4排放37.56%、C和B+C处理分别显著增加CH4排放 14.63% 和 22.01%（P＜0.05）(图4-a)。

观测期内各处理N2O排放通量在49.0～256.3 μg·m−2·h−1之间，晒田期各处理排放通量升高，在施肥后出现峰值、且第2次峰值较第1个高（图3-b）。CK处理的2次排放峰值均最高且其N2O排放通量在整个种植期维持在较高水平。CK、B、C和B+C 4个处理N2O累计排放分别为2.61、2.05、2.04 和 2.22 kg·hm−2。相比 CK 处理，B、C和B+C处理分别显著减少了N2O累计排放21.43%、21.89% 和14.77%，B、C处理N2O累计排放显著低于 B+C 处理（P＜0.05）(图4-b)。

2.3 不同处理对产量和 GWP 的影响收获后，CK、B、C和B+C 4个处理单株水稻产量分别为57.87、60.90、62.94 和 47.23 g/株；B 和 C 处理分别显著增加单株水稻产量5.22%、8.76%，B+C处理显著降低单株水稻产量 18.39%（图5-a）（P＜0.05）。

CK、B、C和B+C 4个处理GWP分别为3.35、2.18、3.58 和 3.77 t CO2-eq ha−2；B 处理显著降低GWP 34.74%、而C和B+C处理分别显著增加GWP 7.08% 和 12.69%（图5b）（P＜0.05）。

2.4 不同处理对生物量的影响收获后，CK、B、C和B+C 4个处理单株水稻生物量分别为140.57、156.38、163.80 和 141.77 g·株−1；B 和 C 处理分别显著增加水稻生物量11.25%和16.53%（P＜0.05），B+C处理增加水稻生物量0.85%但不显著（图6）。

2.5 不同处理土壤微生物量碳和微生物量氮变化水稻收割后对土壤微生物量碳、微生物量氮进行了测定。相比CK处理，B处理显著提高土壤微生物量碳（MBC）含量10.52%、C处理显著降低土壤微生物量碳（MBC）含量 7.18%（P＜0.05），而B+C处理土壤微生物量碳（MBC）含量提高5.32%但不显著（图7-a）。与CK处理相比，B处理土壤微生物量氮含量与CK相当，而C和B+C处理分别显著降低土壤微生物量氮（MBN）含量12.89%和 6.26%（P＜0.05）（图7-b）。

2.6 不同处理CH4和N2O排放通量与Eh、5 cm土温和土壤矿态氮的相关性相关性分析结果表明，各处理N2O排放通量与Eh呈极显著正相关(P＜0.01)、而与 5 cm土温相关性不显著，C 处理N2O排放通量与NO3−-N显著相关、B+C处理N2O排放通量与NO3−-N极显著相关；CK、B和C处理CH4排放通量与5 cm土温呈极显著负相关，而B+C处理与5 cm土温相关性不显著，除C处理以外，各处理CH4排放通量与NO3−-N极显著负相关(表1)。

表1 不同处理 CH4 和 N2O 排放通量与 Eh、5 cm 土温的相关性

3 讨论

3.1 不同处理对 CH4 和 N2O 排放的影响CH4在农田生态系统中有2种产生途径，一种是土壤产甲烷菌利用微生物分解有机酸产生CH4，另一种是有机物在细菌分解下直接产生的 CO2和 H2被还原[5]。同时甲烷消耗受到甲烷氧化菌的调控；产甲烷菌和甲烷氧化菌同时受碳源、土壤pH、Eh以及土温等因子直接或间接影响[24]。本研究结果表明，相比CK处理，B处理显著降低、C和B+C处理显著增加CH4排放（图4-a）。施用生物炭一方面会增强土壤孔隙度而增加土壤好氧状态，从而抑制产甲烷菌的活性[29]；另一方面，有助于吸附大量CH4，为甲烷氧化菌提供碳源而促进CH4氧化[30]，这使得B处理CH4排放通量始终低于CK处理而减少CH4累计排放（图3-a）。C处理由于秸秆腐解，会为产甲烷菌提供充沛碳源而促进CH4大量排放[31-32]；MBC 对土壤有机质的形成至关重要[33]，而C处理显著降低了MBC含量，因此，秸秆添加可能使微生物的周转加快而增加对有机质的消耗导致CH4排放增加。B+C处理由于秸秆添加和生物炭自身部分不稳定性碳会为产甲烷菌提供丰富的碳源而促进CH4排放；同时，B+C处理的水稻产量和地上部分生物量最低也会导致B+C处理从秸秆向根际输送的氧气减少，使土壤更易处于厌氧状况[33−34]（图6），这有利于 CH4的产生而并非抑制CH4的氧化[35]，故其CH4排放最高。土壤Eh作为反映土壤氧化还原条件的重要指标，当 Eh 处于−250～−150 mV 时，CH4排放量会随着土壤Eh的降低而呈指数增加[18], B+C处理在晒田期前土壤Eh一直处于-170 mV以下且始终维持在最低水平（图1-a）。HU等[36]研究表明，硝态氮含量增加会提高甲烷氧化菌活性；本研究结果表明，CH4排放通量与 NO3−-N 极显著负相关（表1），前期B和C处理提高了NO3−-N含量有利于甲烷氧化菌活性而降低CH4排放通量,B+C降低NO3−-N含量则增加CH4排放通量，进入晒田期后,C处理 NO3−-N 含量始终最低,而 CH4排放通量逐渐高于CK处理导致CH4排放增加（图2-b、图3-a）。

农田土壤N2O产生主要来自硝化、反硝化过程，同时反硝化过程完全进行也会使N2O转化为N2，受施肥、土壤水分、pH、碳源等因素的影响[37−38]。一般认为，WFPS 在 30%～60% 间时，硝化作用是产生N2O的主要来源；而当WFPS高于70%时，N2O的产生则主要来源于反硝化作用[38]。本研究中，相比CK处理，B、C和B+C处理均显著降低了N2O 排放（图4-b）。水稻移栽后由于存在返青期且苗较小，虽作为喜铵作物但对铵态氮的实际需求不高[39]；第1次施肥后出现N2O排放峰值，B、C和B+C处理排放低于CK处理，由于前期反硝化可能较弱[37],且B和C处理N2O排放低于CK处理，导致B和C处理硝态氮含量残留较高，B+C处理前期硝态氮含量较低而后期升高可能是前期被微生物固定、后期经微生物矿化而升高[40]（图2-b）；第2次施分蘖肥后，此时水稻需大量吸收铵态氮用于生长，B和C处理更高的水稻生物量表明对铵态氮吸收更多（图6），使土壤铵态氮含量低于CK处理，硝化过程铵底物减少导致硝态氮含量较低（图2-b），水稻吸收氮导致硝化和反硝化氮底物降低使N2O排放减少[24]，生物炭对矿态氮的吸附也会进一步使硝化和反硝化氮底物减少而降低N2O排放。同时，分蘖期后C处理硝态氮含量最低、且显著降低了MBN含量（图7-b），表明秸秆添加会促进反硝化过程使土壤硝态氮更多地以N2形式消耗掉、且不利于土壤微生物对无机氮的固定，从而使N2O排放降低[23]。相比CK处理，B+C处理降低铵态氮而增加了硝态氮含量（图2），前述分析表明B+C处理根际泌氧较低而更易处于厌氧状态，也显著降低了MBN含量（图7-b），且相比CK处理有更多的碳源，这有利于反硝化彻底进行，而使反硝化过程产物更多以N2而并非N2O的形式排放[41]，从其两次施肥后N2O排放峰值最低可得到证实（图3-b）。B+C处理N2O排放量显著高于B和C处理，可能因为B+C处理水稻产量和地上生物量要低于其他2个处理导致后期对氮的吸收减少，因此，在进入晒田期后B+C处理硝态氮含量明显高于B和C处理而使反硝化底物充沛（图2），同时，生物炭对矿态氮的吸附以及秸秆所提供丰富的碳源有利于反硝化进行[12,18]，使反硝化过程产物大部分以N2形式排放的同时存在一部分N2O排放。

3.2 不同处理对产量和全球增温潜势的影响

本研究结果表明，相比CK处理，B+C处理降低了单株水稻、而B和C处理显著增加单株产量（图5），B和C处理结果与LIU等[42]研究结果相似。生物炭处理可能由于改善土壤理化性质而有利于土壤氮素固持和作物养分持续吸收[17]，进而促进作物生长以实现增产（图6）。秸秆添加处理由于秸秆在腐解后产生的有机质和有效养分可以促进水稻生长发育而增加水稻生物量（图6），进而增加水稻产量[43]。本研究中，生物炭与秸秆联用减产可能由于生物炭对矿态氮的吸附以及秸秆提供大量碳源，有利于反硝化的进行从而导致土壤氮素损失而不利于作物的生长[12,18]；同时生物炭与秸秆联用易于形成土壤厌氧条件致使秸秆腐解分泌更多的有机酸[18]，有机酸对作物的毒害作用抑制水稻生长从而降低水稻产量。DUAN等[23]两年田间研究也表明,相比单施生物炭或者秸秆，生物炭与秸秆联用降低作物产量和地上总生物量,相比单施生物炭减产量达到显著水平。因此，相比生物炭与秸秆联用，单施生物炭或者秸秆可能更有利于作物生长和增产。

研究表明，相比CK处理，B处理显著降低水稻增温潜势（GWP），而C和B+C处理增加了GWP（图5-b），这与DUAN等[23]研究结果一致。本研究中，生物炭处理由于显著降低CH4累计排放 37.56% 和N2O 累计排放21.43%（图4），从而显著降低了GWP。C和B+C处理对N2O累计排放分别显著降低21.89%和14.77%，但是对CH4累计排放则分别显著增加14.63%和22.01%，由于CH4累计排放量远高于N2O累计排放（图4），CH4排放增加部分对GWP的贡献高于N2O累计排放降低对GWP的影响。因此，生物炭单独添加下降低增温潜势的效果更好。