秸秆还田及添加生物炭对黑土玉米生长季N2O排放的影响

张 楠，潘仕球，乔云发，朱保国，苗淑杰

（1应用气象学院南京信息工程大学，南京 210044；2黑龙江省农科院佳木斯分院，黑龙江 佳木斯 154002）

0 引言

氧化亚氮(N2O)是重要的温室气体，在大气中的滞留时间较长（＞10年），其在百年尺度上单分子增温潜势可以达到二氧化碳(CO2)的265倍，并且是平流层臭氧(O3)最主要的消耗物质[1]。大气中的N2O浓度从1940年290 ppb上升至2017年的330 ppb，农业排放是引起这一增加趋势的主要原因[2]。随着农田氮肥用量的增加N2O排放明显增加，且其排放增量占全球N2O排放增量的80%，并且由于未来集约化农业生产的加剧，预计2010年至2050年全球农田N2O排放量将增加约50%[3]。因此，针对农田N2O减排的研究有重要的理论意义和实践应用价值。

中国是农业大国，秸秆资源丰富，目前秸秆年总产量超过7亿t，其中玉米秸秆产量最大，占秸秆总量的77%[4]。由于作物秸秆获取便捷，同时富含作物生长所需多种营养元素等优势，已经成为培肥土壤有机物料的首选。秸秆还田能够显著促进有机质积累，改善土壤结构，促进微生物生长等[5]。这些土壤性状的改变可直接影响土壤中的氮素转化过程，进而影响N2O产排[6]。关于秸秆还田调控N2O排放的研究较多，但结果却一直存有争议，与单施化肥促进N2O排放的正效应相比，秸秆还田可能促进、不影响或者降低N2O排放，且这些不一致的结果主要与秸秆还田量、方式以及环境条件有关[5]。除秸秆直接还田外，还可将其经热解炭化成一类不易降解的含碳丰富的固体物质——生物炭。生物炭既可作为改良土壤，培肥地力的有机物料施入土壤，也可用作调控温室气体排放的材料。添加生物炭是通过提高土壤持水能力、促进微生物活动、增加阳离子交换量，进而影响土壤中的碳氮循环过程，调控N2O排放过程[7]。众多研究发现添加生物炭能够显著减少N2O排放，但也有研究表明生物炭的施入对土壤N2O排放有明显的促进作用[8-9]，主要与生物炭性质、用量及土壤环境都有密切关系。此外，添加秸秆与生物炭在砖红壤中调控N2O排放的机理不同，秸秆通过改变硝化反应底物的有效性来影响N2O排放，生物炭对N2O的减排效果则源于硝化过程中N2O的产生比例较低所致[10]。综上，关于秸秆还田及添加生物炭对于农田土壤N2O排放的影响及其主控因素还具有较大的不确定性。

东北平原黑土区是中国重要的商品粮生产基地，其掠夺式种植导致有机物料还田少，致使开垦以来农田质量日益退化[11-12]。因此，秸秆还田及施用生物炭作为培肥土壤的有力手段对于黑土区有重要意义，但目前有关黑土农田N2O排放的研究已有很多[13-14]，但有关秸秆还田及添加生物炭对黑土区N2O排放规律的原位研究鲜有。本试验以东北黑土区玉米田为研究对象，建立田间定位试验，探究添加生物炭和秸秆还田对黑土N2O排放通量的影响，以期为东北黑土农田生态系统N2O减排及秸秆资源的合理运筹提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验设计

玉米秸秆还田定位田间试验位于中国科学院海伦农业生态实验站内，地处黑龙江省海伦市(47°26′N，126°38′E)西郊，海拔240 m，属于中温带湿润季风气候，年平均气温为1.5℃，降水量为550 mm，其中80%出现在作物生长期5—9月。该地区农田为雨养旱地，采用垄作种植方式，秋收后耕地起垄，指示作物玉米。供试土壤类型为典型黑土(Mollisol)，质地为壤土，土壤母质为第四纪黄土状母质，含有34%砂粒、26%粉粒和40%粘粒，土壤pH 6.3，有机质含量为48.3 g/kg，全氮含量为2.2 g/kg。

试验设置3个处理：（1）化肥(NPK)（；2）化肥+秸秆(NPK+S)；（3）化肥+生物炭(NPK+BC)。采用随机区组设计，每个处理3次重复，每个小区面积5.0 m×3.5 m=17.5 m2。化肥施用与当地农业生产相一致，且3个处理所施化肥量均一致，施肥量(kg/hm2)：N为112.5、P2O5为45.0、K2O为30.0，1/3氮肥、全部磷钾肥在春季播种时作基肥，剩余2/3氮肥在拔节期作为追肥。此外，秸秆还田量为6000 kg/hm2，即每年秋收时直接将秸秆粉碎，混匀翻耕还田到0～20 cm表层土壤中。生物炭为玉米秸秆炭于2010年秋季施入土壤表层，混匀翻耕0～20 cm土中，施入量为14.4 t/hm2。秸秆和生物炭的基础性质见表1。

表1 试验区秸秆和生物炭的基础性质

1.2 田间取样与分析方法

2013年，在整个玉米生长季，采用密闭静态箱-气相色谱法测定土壤N2O排放通量。出苗后次日开始采样，采样频率为一周两次，为了降低日变化影响，采气时间固定在每周一和周四上午10:00—11:00。首先开启混合器，然后将采样箱置于采样底座上，并用水密封，在采气箱密封后的第0、10、20、30 min用装有三通阀的50 mL注射器从采气箱中部的采气孔插入，来回抽动3次以便完全混匀气体，采集箱内气体20 mL，注入容积为18 mL的真空采气瓶。采样按区组进行，以减少土壤呼吸的日变化影响，带回实验室分析。

使用气相色谱分析仪(GC-2010，Shimadzu，Japan)进行N2O浓度测定。N2O用63Ni电子捕获检测器(ECD)检测，检测器温度为300℃，色谱柱为80/100目porapakQ填充柱，载气为氩甲烷(95% Ar+5% CH4)，流速为40 mL/min，N2O标准气体购于国家标准物质中心。

在玉米成熟期，每个小区舍去两边两垄和距离两头1 m内的玉米，中间玉米全部收集称重，采集植株样品，分为根系、秸秆和籽粒，在60℃下烘干、称重，计算含水量以获得产量和各部分生物量。植株全氮含量采用凯氏定氮法测得，作物吸收氮量(kg/hm2)的计算是由各部位干物质重（根、籽粒、秸秆）×各部位含氮量得到。

1.3 气象数据获得及土壤温度、含水量测定

日降雨数据来自海伦市自动气象站，采集气体样品时，用地温计测定土壤表层(T0)、5 cm(T5)、10 cm(T10)、15 cm(T15)、20 cm(T20)温度。土壤重量含水量采用重量烘干法测定，采用土壤孔隙含水量(Water-filled Porespace，WFPS)表示田间土壤水分状况，WFPS计算如式(1)所示。

式中，BD是土壤容重(g/cm3)，2.65为假定的土壤颗粒密度(g/cm3)。

1.4 数据计算与统计分析

N2O排放通量计算如式(2)所示。

式中：F表示N2O排放通量[以N计，μg/(m2·h)]；ρ为标准状态下N2O的密度(μg/m3)；V表示密闭静态箱的有效体积(m3)，A为静态箱底部覆盖的土壤面积(m2)；T是密闭静态箱内的温度(℃)；60用于单位转换；dc/dt表示单位时间内密闭静态箱内N2O的浓度变化(10-9/min)。

N2O累积排放量的计算公式如式(3)所示。

式中，EN2O表示N2O-N累积排放量(kg/hm2)，F表示N2O-N排放通量[μg/(m2·h)]，i表示第i次采样，ti+1-ti表示两相邻测定间隔天数（天），n为累积排放量观测时间内总的测定次数，24×10-5为时间单位转换系数。

试验数据采用Microsoft Excel软件处理，采用SPSS 20.0数据包进行统计分析，Origin2019软件绘图。处理间不同生育期N2O累积量用One-way ANOVA、LSD和Games Howell(P＜0.05＝进行检验，且N2O排放通量与土壤温度，水分间的关系用Pearson进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 环境因子

玉米生长期间，总降雨量为791 mm，其中84%的降水出现在7月(359 mm)和9月(354 mm)，单日最大降雨量出现在出苗后第68天（7月30日），为153 mm（图1）。各处理土壤含水量随降雨小幅波动，NPK、NPK+SR和NPK+BC处理平均WFPS分别为33.51%、34.41%和36.15%，各处理土壤水分含量差异不显著。气温在8～26℃之间变化，平均气温为19℃，土壤温度在追肥后逐渐升高，且达到试验期间观测峰值33℃。不同土层温度随着深度的增加或降低，其中表层温度与气温的变化趋势最为一致(T0=0.95×Tair-1.54，r2=0.77，P＜0.0001)。

图1 试验期间温度、降雨量、土壤孔隙含水量(WFPS)和不同土层深度温度的动态变化

2.2 N2O排放通量

玉米生育期，各处理土壤N2O排放通量呈单峰曲线变化规律（图2）。玉米出苗后，N2O排放通量随玉米生长呈波动增加趋势，追肥后达到峰值，较高排放持续1～2周时间。随后开始逐渐下降，并趋于稳定，维持在一个较低的水平直至玉米生育期结束。比较而言，NPK处理土壤N2O排放通量变化范围为-1.48～65.36 μg/(m2·h)，与添加生物炭处理的变化范围相近[1.09～66.43 μg/(m2·h)]，但两者均值差异较大，分别为22.62 μg/(m2·h)和 15.16 μg/(m2·h)，可见，添加生物炭降低了土壤N2O排放，降幅达到33.0%。秸秆还田处理土壤N2O排放通量变化范围-6.94～205.59 μg/(m2·h)，比NPK处理增加了82.2%。

图2 玉米生长季期间不同处理N2O排放通量

2.3 N2O累积排放量和玉米生物量

玉米全生育期NPK处理土壤N2O累积排放总量为0.71 kg/hm2（表2），添加生物炭可以显著地降低土壤N2O累积排放量，降幅为32.4%(P＜0.05)；NPK+SR处理土壤N2O累积排放量为1.30 kg/hm2，比NPK处理增加了83.1%(P＜0.05)。在玉米不同生育期，土壤N2O累积排放量差异较大，其中NPK和NPK+SR处理N2O累积排放量整体呈双峰曲线的变化规律，峰值出现在拔节孕穗期和抽穗开花期，分别占整个生育期累积排放量的66%和73%。乳熟期次之，苗期与成熟期间累积量较小(0.04～0.06 kg/hm2)。而NPK+BC处理土壤N2O累积排放量呈抛物线型变化，在拔节孕穗期出现累积峰，累积排放量为0.23 kg/hm2，占全生育期累积排放的47.9%，其余生育期内累积排放量较低(0.03～0.06 kg/hm2)。

单施化肥玉米全株生物量仅为13989 kg/hm2，秸秆还田和添加生物炭的玉米总生物量分别为15674 kg/hm2和 18789 kg/hm2，增幅分别为12.0%和34.3%。可见，秸秆还田和添加生物炭均可提高玉米总生物量，且后者增幅大。添加生物炭的玉米吸收氮量为214 kg/hm2，该值比单施化肥的提高了41.8%，但差异不显著(P＞0.05)，而秸秆还田的玉米吸收氮量与单施化肥相近（表2）。

表2 不同处理下玉米生物量和作物吸氮量 kg/hm2

图3 不同玉米生育期N2O累积排放量

3 结论

在玉米生长季，土壤N2O排放受秸秆还田和添加生物炭影响。与单施化肥相比，秸秆还田促进N2O排放，生物炭降低N2O排放。土壤N2O排放量与土壤各土层温度均显著正相关，与土壤水分未呈现出相关，结果表明，水热条件中温度是调控黑土N2O排放的主要因素。此外，秸秆还田和添加生物炭均显著增加玉米产量，后者增产幅度大，且同时提高作物吸氮量。由此可见，玉米秸秆制成生物炭还田既能增加玉米产量，又达到N2O减排的目的，生物炭是玉米秸秆还田的有效方式。

4 讨论

4.1 秸秆还田和添加生物炭影响土壤N2O排放

玉米生长季期间，与单施化肥处理相比，添加生物炭显著降低了N2O排放通量及累积排放量，并且在抽穗开花期和乳熟期的减排效果明显。邹娟等[15]的研究发现随着作物生长盛期到来，由生物炭介导的N2O减排效应得以促进，与本研究结果一致。这是因为作物生长盛期，对氮素需求量大，作为硝化反硝化作用底物的无机氮素被消耗，因此减弱了N2O排放[16]。但也有研究认为，添加生物炭显著增加石灰性紫色土N2O排放，这归因于生物炭在碱性环境中刺激土壤中氨氧化细菌，促进反硝化进程进而释放大量N2O[17]。本文研究发现，生物炭能够显著降低追肥后N2O的排放峰值，降幅达到54.5%～86.9%。虽然追肥后土壤中无机氮含量迅速升高，但生物炭因其自身的多孔结构与较大的比表面积能够有效吸附和固定土壤中游离的有效态氮和易降解碳，同时增加土壤孔隙度和通气性，一方面使厌氧微生物所需碳氮底物受限[18-19]。另一方面，生物炭能提高土壤中氧化亚氮还原酶(nosZ)基因丰度，促进N2O被还原成N2，以此达到N2O减排的效果[20]。

在玉米生长季，秸秆直接还田显著增加土壤N2O排放通量，且在追肥后N2O排放峰值是NPK处理的3倍。刘娇等[21]的研究结果表示土壤中施加玉米秸秆会造成N2O的大量排放。这是因为还田的秸秆分解过程中产生的无机氮和水溶性有机碳，增加了硝化反硝化作用的底物[22-23]；且秸秆的分解过程中会消耗土壤中的氧从而形成厌氧微域，为反硝化作用的发生提供有利条件[24]。此外，有研究认为N2O排放主要与施入秸秆自身的C/N高低有关，当秸秆C/N≤45，秸秆的施入为土壤微生物提供丰富的氮源，净矿化作用增强，富余氮可刺激硝化反硝化作用，促进N2O排放；当C/N处于45～100之间，刺激效应减弱；C/N＞100时，微生物对于氮的同化作用增强，对N2O排放则产生抑制效应[5]。秸秆施入造成碳氮比失调，本研究中秸秆C/N为51，在满足作物生长的需求下，仍存在相对丰富的氮素，且秸秆的分解过程中可产生供微生物利用的碳源，进而导致N2O的排放量增加。同时，秸秆还田对土壤的“增温”作用也是调控N2O排放的重要因子，且这一效应在0～10 cm土层最为明显，适宜的增温效应使得氮素释放速率增加，促进N2O排放[24-26]。

4.2 环境因子与土壤N2O排放的关系

水热条件是影响土壤N2O产生过程的重要环境因素[27]。土壤水分通过改变土壤中O2含量、有效碳氮运输、微生物活性等影响土壤硝化及反硝化等过程以此调控N2O的产生及排放[28]。一般认为在干燥、通气性良好的土壤环境下，硝化作用占主导地位，且随着水分含量的增加而增加(30%～70%WFPS)，当水分含量较高(＞60%WFPS)时，通气性变差，O2含量减少促进厌氧微域形成，从而刺激反硝化作用的发生[29]。在本研究中，土壤水分含量较低，平均含水量为35%WFPS，很少超过60%WFPS，因此硝化作用是N2O产生的主导过程。且研究区为雨养农业，水分含量较低是限制反硝化发生的重要因素[14,30]。本研究中发现不同处理的N2O排放通量与WFPS均无显著相关关系(P＞0.05)（图4）。这与前人报道土壤N2O排放通量与水分含量正相关不一致[24]。本研究中土壤含水量的变化主要取决于降雨，在追肥后15天内，土壤WFPS持续升高，同时N2O排放通量增加，此时可能是施肥对N2O排放通量的影响掩盖了水分效应，因此出现二者之间无显著相关关系的结果[31-32]。在降雨后，土壤含水量明显上升，同期土壤温度也有明显上升，雨热同季，此时各处理间N2O排放通量均出现峰值，且平均温度为23.8℃，为N2O排放的最适温度[33]。不同处理间土壤含水量表现为添加生物炭处理土壤含水量最高，作为土壤改良剂能够提高持水能力，秸秆还田处理次之，施肥处理下土壤含水量最低，但不同处理间水分差异不显著。整个玉米生长季土壤N2O排放通量与土壤温度呈现显著的正相关关系(P＜0.05)，与NI等[30]的研究结果一致。温度升高提高微生物活性，促进硝化反硝化作用产生N2O。本研究中，虽然不同土层深度的土壤温度没有显著差异，但是随土层深度的增加土温有降低趋势。各土层土壤温度均表现出与土壤N2O排放通量正相关关系。结果表明，水热条件中温度是调控本试验条件下N2O排放的主要因素。

4.3 秸秆还田和添加生物炭提高玉米产量

秸秆还田和添加生物炭不仅改善了土壤环境条件，而且带入了大量的养分，促进玉米增产。主要因为生物炭自身较大的比表面积和丰富的微孔结构使得土壤保墒能力得以提高，生物炭释放养分，提高土壤中无机氮及水分含量是增加作物产量的主要因素[20]。秸秆还田可减少地表径流和水分蒸发，从而提高土壤含水量，提高作物水肥利用率，同时秸秆还田对土壤有保温作用，为作物生长提供较适宜的温度环境，实现作物增产[24,26,33-34]。但秸秆还田的增产率仅为添加生物炭的30%，出现这一结果的原因是施用化肥且同时添加生物炭的情况下，肥料消除了生物炭养分低的不足，而生物炭赋予肥料养分缓释的性能，调控氮素释放速率，提高氮素利用率和作物产量，二者的互补和协同作用使得作物吸收养分的效率提高[35]。而还田的秸秆需经一定时间的腐解转化其养分才能被作物吸收利用，其腐解程度和速率都直接影响作物的生长状况[36-37]，且本文研究区位于中国东北地区，秸秆还田在10月开始，此时气温开始下降至次年春季4月，气温在零度以下，微生物活性下降，致使秸秆分解缓慢。且土壤蓬松，通透性强，当地春风大，影响出苗率和生育前期土壤供水供肥能力，进而影响作物产量。