秸秆和生物炭添加对关中地区玉米-小麦轮作农田温室气体排放的影响

2018-10-12张建国张阿凤

水土保持研究 2018年5期

陈静,张建国,赵英,张阿凤,成功,冯浩

(1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨陵 712100; 2.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌 712100; 3.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌 712100)

温室气体排放所引起的全球变暖和气候异常是当今国际社会关注的焦点问题之一。据预测，到2050年我国平均气温将增加1.5～2.8℃[1]。研究发现，大气中CH4，N2O和CO2的浓度平均每年分别增加0.28%，0.31%和0.51%[2]，而由人类活动造成的温室气体排放是重要因素[3]。其中，农业是最重要的温室气体来源。而良好的管理措施可以使农业减排潜力大幅度提升[4]。所以探讨如何通过合理的农作措施来减少温室气体排放，对于减缓气候变暖有重要意义。

秸秆还田是一种在我国广为提倡的可持续秸秆资源利用方式，秸秆不仅含有大量养分，能提高土壤有机质含量[5]，还可以改善土壤物理性质，提高土壤微生物活性[6]，更好地培肥土壤，进而可能影响农田温室气体排放。但是同时秸秆还田后土壤中含有大量腐殖质和未完全腐熟的秸秆，为病原菌创造了适宜的生存条件，使田间土壤的病原菌数量不断累积增加，从而增加作物根部病害的发生概率[7-8]。故我们用作物秸秆制成的生物炭代替秸秆添加入土壤，可以使秸秆资源得到有效利用，且生物质炭具有多孔的结构，施入土壤后可以增加表层土壤孔隙度及土壤水分的渗透性[9]，提高养分有效性和pH值，减少土壤养分的淋失，同时改变土壤微生物丰度和群落结构，改变土壤无机氮的有效性，改变土壤N2O释放速率，进而对土壤碳氮循环产生影响，使土壤N2O和CO2的排放发生变化[10]。故作物秸秆和生物炭的农业利用是全球学者的研究热点。国内外学者针对水稻和小麦农田温室气体排放及其影响因素做了大量研究[11-14]，而关于玉米—小麦轮作农田有机物料添加对农田温室气体排放影响的研究相对较少。本文对小麦秸秆、生物炭添加后关中地区典型玉米—小麦轮作农田土壤温室气体排放通量进行为期一年的系统监测，并分析温室气体排放与作物秸秆和生物质添加后土壤温度、土壤含水量间的关系，进而探讨作物秸秆和生物质添加对玉米—小麦轮作农田净增温潜势的影响，以期寻求科学的农田管理措施来降低温室气体排放，为农田固碳减排提供科学依据。

1 试验设计

1.1 研究区概况

试验于2015年6月至2016年5月在位于陕西关中平原中部的杨凌区西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站进行。研究区属于暖温带湿润季风气候区，海拔521 m，年均降水量487.3 mm，且主要集中于7—10月份，年均气温14.56℃，属于典型的夏玉米—冬小麦一年两熟旱作农业种植区。试验站内地形平整，土层深厚，土壤质地为中壤土，其基本理化性质如表1所示。

表1 试验地基本土壤理化性质

1.2 试验材料

试验所用的添加物为小麦秸秆和生物炭。供试的生物炭购买于三利新能源有限公司，由小麦秸秆以20℃min的升温速率在350～550℃无氧条件下热解6 h。生物炭的全碳和全氮含量分别为48.96%和1.07%，K，Ca和Mg的含量分别是0.16%，1.01%和0.62%。小麦秸秆进行粉碎后还田。其中，小麦秸秆的全碳和全氮含量分别为37.78%和0.76%，由于生物炭的粒径大小不一，为了保证粒径大小一致，故要过5 mm筛备用。

1.3 试验处理

试验设常规施肥(N)、常规施肥和秸秆还田(NS)、常规施肥和生物炭处理(NBClow)、常规施肥和生物炭加倍处理(NBChigh)和对照处理(CK)，一共5个处理。每个处理设置3个重复，共15个小区，小区面积为5 m×2 m=10 m2，每个小区之间有0.5 m宽的保护行，采用随机区组设计。除CK外，其他各小区玉米分别施用基肥为225 kg N/hm2的尿素和90 kg P2O5/hm2的磷酸二氢钙，小麦分别施用基肥为120 kg N /hm2的尿素和100 kg P2O5/hm2的磷酸二氢钙和50 kg K2O /hm2。基肥、秸秆、生物炭于玉米和小麦种植之前进行旋耕翻入耕层土壤，追肥为30 kg N/hm2于返青期前施加。作物品种分别为玉米(秦龙14)和小麦(小偃22)，玉米于2015年6月11日播种，2015年10月8日收获，小麦于2015年10月13日播种，2016年5月20日收获。播种量为12.5 kg/hm2。采样箱底座里不播种作物，此外，保证底座里与底座外的处理一致。试验各处理如表2所示。

表2 玉米-小麦试验处理分布表

1.4 温室气体采集与测定

气体采集采用静态暗箱法。采样箱为泡沫和PVC材料包裹的不锈钢箱(50 cm ×50 cm ×50 cm)，箱内装有采样管口和电扇，电扇可以使箱内气体混合均匀。在玉米和小麦种植之前把静态暗箱的底座(50 cm×50 cm)放入各试验小区的作物行间，要使底座边缘与地表在一条水平线上。安放好后整个玉米—小麦轮作生长季底座不再移动。采样时在底座水槽内加水，以保证静态箱内气密性良好，再将采样箱放置在不锈钢底座上。采样时间为每天8：00—14：00，施肥及下雨后适当加测。

采集气样过程中同时用温度计测定采样箱内气温和大气温度，用地温计测定采样箱内0—5 cm土壤温度，并用TDR土壤水分速测仪在每个小区随机测3个点的土壤体积含水量，取平均值。

采集的气体用气相色谱分析仪(7890B，安捷伦科技有限公司，中国)检测样品中N2O，CO2和CH4的浓度。测定CO2和CH4的浓度所用检测器为氢火焰离子化检测器(FID)，测定N2O的浓度的检测器为电子捕获检测器(ECD)，载气为高纯氮气。排放通量由式(1)求得，加权平均与作物生长期天数的乘积求全生长期N2O，CO2和CH4的排放总量。

(1)

式中：F为气体排放通量[μg/(m2·h)]；H为采集箱子的高度(cm)；M为气体的摩尔质量(g/mol)；P为气体密度(g/L)；R为普适气体常数[8.314 (Pa·m3)/(mol·K)]；T为采样时箱内平均气温(℃)；dc/dt为气体排放速率(μl/L·min)。

1.5 土壤有机碳测定

于2016年5月小麦收获后采集0—20 cm土层样本，混匀后风干，过0.5 mm筛备用。土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾—浓硫酸外加热法测定[15]。土壤有机碳封存率(SOCSR)的计算公式如下[16]：

SOCSR=(SOCt-SOC0)/1×γ×(1-δ2 mm/100)×20×10-1

(2)

式中：SOCSR为土壤有机碳封存率[t/(hm2·a)]；SOCt和SOC0分别为2016年6月和205年6月土壤有机碳含量(g/kg)；γ为土壤容重(g/cm3)；δ2 mm为0表示20 cm土层石砾含量(%)；20为表层土厚度(cm)。

1.6 净增温潜势计算

净增温潜势(NGWP)的计算公式如下[17]：

NGWP=34×SC+298×SN-44/12×SOCSR

(3)

式中：NGWP以CO2-C(kg/hm2)表示；SC和SN分别为CH4和N2O的排放总量。

单位产量的净增温潜势(NGHGI)的计算公式如下[18]：

NGHGI=NGWP/yield

(4)

式中：NGHGI以CO2-C表示(t/t)；yield为整个玉米表示小麦轮作周期内总的产量(t/hm2)。

1.7 数据分析

所有试验数据均采用3次重复的平均值。采用Microsoft Excel和SPSS 7.0统计软件对数据进行处理和相关性分析，采用Duncan 法对数据进行显著性分析(α=0.05)，应用OriginPro 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 秸秆和生物炭添加对玉米-小麦农田土壤温室气体排放通量的影响

各处理玉米和小麦土壤N2O排放通量的变化规律基本一致(见图1B)。小麦生长期各处理N2O排放通量的最高值均集中出现在小麦施肥播种后，不同处理之间的值由大到小依次为：N>NBChigh>NBClow>CK>NS，其中最大值和最小值分别为64.66 μg /(m2·h)，29.96 μg/(m2·h)。在4月出现小高峰，可能是由于施加追肥所致。玉米生长期各处理N2O排放速率的最高值也均集中出现在玉米施肥播种后，不同处理之间的值由大到小依次为：N>NS>NBChigh>NBClow>CK。其中最大值和最小值分别为67.98 μg/(m2·h)和16.95 μg/(m2·h)。与N处理相比，秸秆和生物质炭施用降低了农田土壤N2O排放通量的最高值。

玉米和小麦整个生长期不同处理CO2排放通量与温度变化基本一致，也呈先降后升的趋势(图1C)。受温度的影响，小麦各处理土壤CO2排放通量均在越冬期出现最低值，平均温度1.75℃，平均排放通量由大到小依次为：CK>NBChigh>NBClow>NS>N。其中最高值和最低值分别为：46.00 mg/(m2·h)，33.28 mg/(m2·h)。返青期后温度升高，CO2随之升高，各个处理在抽穗期排放通量达到最高，平均温度2℃，平均排放通量由大到小依次为：NS>N>NBClow>NBChigh>CK，其中最大值和最小值分别为：152.7和108.32 mg/(m2·h)。玉米各处理土壤CO2排放通量均在收获期出现最低值。平均温度20℃，平均排放通量由大到小依次为：NS>CK>NBClow>NBChigh>N，最大值和最小值为：NBClow，142.93，110.60 mg/(m2·h)。除了常规施肥处理，玉米其余各处理在8月出现最高值，分别为：CK，334.80 mg/(m2·h)；NS，398.69 mg/(m2·h)；NBClow，300.91 mg/(m2·h)；NBChigh，318.44 mg/(m2·h)。常规施肥处理在施肥播种后为最高值，为279.50 mg/(m2·h)。秸秆还田增加了CO2排放通量最高值和最低值。

CH4排放通量整体较少(图1D)。小麦生长期不同处理CH4排放通量的均值由大到小依次为：NBClow>NBChigh>NS>N>CK。其中最大值和最小值分别为：13.40，18.06 μg/(m2·h)。秸秆还田和生物炭添加增加了CH4平均排放通量。与温度变化一致，玉米不同处理CH4排放通量最高值分别出现在8月和9月，由大到小分别为：NBChigh>NS>NBClow>N>CK，秸秆还田和生物炭添加增加了CH4排放通量最高值。其中最大值和最小值分别为735.66和106.16μg/(m2·h)。排放通量最低值即吸收速率最高值，由大到小分别为：N>NBClow>NBChigh>NS>CK，其中最小值和最大值分别为395.04，658.95μg/(m2·h)。

2.2 秸秆和生物炭添加对农田土壤温室气体的排放总量的影响

与CK处理相比，其他各个处理的农田土壤N2O的排放总量的差异均显著(表3)。与N处理相比，NBClow和NBChigh处理的小麦生长期农田土壤N2O排放总量分别降低了16.92%和29.23%。与N处理相比，NBChigh处理的玉米生长期农田土壤N2O排放总量降低了16.92%。与N处理相比，NBClow和NBChigh处理的N2O的年排放总量分别降低了12.16%和23.53%，NS处理的N2O年排放总量没有显著差异(表4)。

图1 玉米-小麦生长期不同处理CO2，N2O和CH4排放通量

与CK处理相比，其他各个处理的农田土壤CO2的排放总量的差异均显著(表3)。与N处理相比，NS处理的小麦生长期农田土壤CO2排放总量提高了28.69%。而与NS处理相比，NBClow和NBChigh处理的小麦生长期农田土壤CO2的排放总量分别降低了25.32%和29.28%。与N处理相比，NS处理和NBChigh处理的玉米生长期农田土壤CO2排放总量分别提高了61.07%，降低了0.99%。而与NS处理相比，NBClow和NBChigh处理的玉米生长期农田土壤CO2的排放总量分别降低了39.67%和44.74%。与N处理相比，NS处理的CO2年排放总量增加了44.07%，NBChigh处理的CO2年排放总量降低了9.94%，且差异均显著。NBClow处理的CO2年排放总量与N处理相比无显著差异(表4)。

不同处理之间农田土壤CH4的排放总量均为负，故为CH4的汇，且普遍较少(表3)。与N处理相比，NS处理的小麦生长期CH4的排放总量提高了38.03%，NBClow和NBChigh处理分别提高了77.47%和66.20%。与N处理相比，NS处理的玉米生长期CH4排放总量提高了47.58%，NBClow和NBChigh处理分别提高了75.00%和82.14%。与N处理相比，NS，NBClow和NBChigh处理的CH4a排放总量分别显著提高了42.32%，76.38%和73.23%(表4)。

表3 玉米和小麦生长期不同处理温室气体排放总量

注：不同小写字母表示处理间有显著差异(p<0.05)，下同。

2.3 秸秆和生物炭添加对玉米和小麦产量的影响

与CK处理相比，其他各个处理玉米和小麦产量的差异均显著(图2)。与N处理相比，NS，NBClow和NBChigh处理的小麦产量分别提高了14.06%～25.4%，其中NBClow处理的小麦产量最高，比N处理提高了25.4%。NBChigh处理比NBClow处理产量降低了9.05%。与N处理相比，NS和NBClow处理玉米产量分别提高了5.40%和15.50%。NBChigh处理的产量差异不显著。NBChigh处理比NBClow处理产量降低了12.32%。与N处理相比，NS，NBClow和NBChigh处理的年产量分别提高了7.56%～20.37%，其中NBClow处理的年产量最高，比N处理提高了20.37%。NBChigh处理比NBClow处理年产量降低了10.64%。

图2 不同处理的作物产量

2.4 土壤有机碳固定和净增温潜势

玉米—小麦轮作周期后，NBClow和NBChigh处理的0～20 cm有机碳含量与CK处理的差异显著(图3)。与CK处理相比，N，NS，NBClow和NBChigh处理有机碳含量分别增加了3.23%～69.25%。与N处理相比，NBClow和NBChigh处理有机碳含量分别增加了36.5%和63.96%，NS处理与N处理的差异不显著。各个处理有机碳封存率(SOCSR)为1.24～5.66 t/hm2(表4)。与CK处理相比，NS，NBClow和NBChigh处理的有机碳封存率的差异均显著。与N处理相比，NBClow和NBChigh处理的有机碳封存率分别提高了9.6，13.17 t/hm2，NS处理与N处理的差异不显著。

图3 不同处理土壤(0-20 cm)有机碳含量的变化

净增温潜势用来表示不包括CO2的增温效应，由于CO2排放来自秸秆分解及土壤呼吸，包含在土壤有机碳变化量中，农田土壤不视为温室气体排放源，故本研究用净增温潜势(NGWP)来评价不同有机物料添加对全球变暖的相对影响[19](表4)。其值均为负表示玉米—小麦轮作农田土壤固碳是温室气体排放的汇。与CK处理相比，其余各个处理的净增温潜势均有显著差异。与N处理相比，NBClow和NBChigh处理的净增温潜势分别降低了33.59，48.33 t/hm2，NS处理与N处理的差异不显著。单位产量的净增温潜势分别降低了2.53，4.21 t/t，NS处理与N处理的差异不显著。

表4 年温室气体排放总量和净增温潜势

3 讨论

3.1 秸秆和生物炭添加对温室气体排放的影响

本研究结果表明，秸秆还田增加了土壤N2O排放量，生物炭添加降低了土壤N2O排放量。裴淑玮等的研究表明，添加秸秆可以增加土壤的N2O排放总量[20]，但是本研究表明，与常规施肥处理相比，小麦生长期添加4 t/hm2秸秆土壤的N2O排放总量降低了3.85%，添加4 t/hm2秸秆土壤N2O年排放总量没有显著降低。这与众多学者的研究[21-23]结果一致。这可能和土壤性质，秸秆C/N，当地气候有关[24]。其中裴淑玮等的研究中还田的秸秆含氮量为0.48%，本研究中所使用的秸秆含氮量为0.76%，秸秆C/N不同，故添加秸秆对农田土壤N2O排放总量的影响不同。N2O排放通量与土壤温度呈正相关关系，和土壤含水量呈负相关关系，但相关性不显著(表5)。有研究表明N2O排放主要与施肥活动有关[25-27]。由于土壤温度和土壤含水量的不同，故添加秸秆对农田土壤N2O排放总量的影响不同。Xiang等研究表明添加生物炭略微减少了土壤中N2O的排放[28]。本研究中，与常规施肥处理相比，添加4 t/hm2，8 t/hm2的生物炭处理的土壤N2O排放总量均显著降低，且添加8 t/hm2的生物质炭的土壤N2O排放总量显著低于其他处理。可能由于生物炭对土壤中硝化菌和反硝化菌的活性产生影响，使其失活或钝化[29]；其次生物炭吸附土壤中的营养元素或有机物质，将其包被于生物质炭的孔隙内，从而抑制其分解[30]，综合起来影响了土壤N2O的排放。

本试验研究表明，秸秆还田可以增加土壤CO2的排放量，添加8 t/hm2生物炭显著降低土壤CO2的排放量。还田的秸秆和添加的生物炭可以为土壤微生物提供碳源和氮源，进而影响农田土壤温室气体的排放[31]。与常规施肥处理相比，添加4 t/hm2秸秆处理，小麦和玉米生长期CO2的排放总量均增加了。秸秆还田之后，土壤可溶性有机碳含量以及微生物量增加，故而土壤CO2排放量增加[32]。有研究表明，添加生物炭没有显著影响农田土壤CO2的排放总量[33]。我们的研究结果表明，添加8 t/hm2生物炭的CO2排放总量降低了9.94%，且差异显著。也有研究[34-37]表明，生物炭添加抑制了旱地土CO2排放。可能与当地的气候条件以及土壤的黏粒含量有关[33]。生物炭把大气中的CO2固定到土壤有机碳库[38]，有机碳封存率增加，CO2排放量就降低(表5)。且生物炭中高度芳香族物质含量较高，生物炭比土壤有机碳中非生物质炭分降解速度慢[39]。CO2排放通量与土壤温度呈显著正相关关系，与土壤含水量呈负相关(表5)。这与董玉红等[27]的研究结果一致。温度升高可以提高有机质分解速率，故促进CO2排放[40]。生物炭添加增加了农田土壤持水性，故会降低CO2排放量(表5)。与施用4 t/hm2秸秆相比，施用4 t/hm2，8 t/hm2生物炭，小麦生长期土壤CO2的排放总量分别降低了25.32%和29.28%。玉米生长期土壤CO2的排放总量分别降低了39.67%和44.74%。因为秸秆经过热解之后转化为更为稳定的生物质炭，不利于微生物的分解利用[39]。

旱地土普遍是CH4的汇[19]。本研究结果表明，秸秆还田和添加生物炭有利于增加CH4排放量。众多研究表明秸秆还田会促进CH4排放[41-43]。这与本研究结果相似。有机碳封存率增加，CH4排放量增加(表5)。主要原因是秸秆还田为产甲烷菌活动提供了丰富的碳源，使产甲烷菌生长活动有了充足的基质，同时，土壤微生物的活动又使土壤中的氧被快速消耗，加速土壤氧化还原电位下降，为产甲烷菌活动创造了适宜的环境条件[41]，就会增加土壤CH4排放。CH4排放通量与土壤温度和土壤含水量均呈正相关关系(表5)，这主要由于温度升高可以促进有机质的分解速率和产甲烷菌菌群的活性，土壤含水量增加使土壤透气性降低，甲烷菌活性增强[40]。从而有利于CH4的排放，秸秆还田增加了农田土壤温度和持水量，则CH4排放量增加。众多研究发现[44-45]，生物炭添加会增加旱地土CH4排放。这与本研究结果一致。可能是由于添加生物质炭后，生物炭本身含有的可溶性有机碳可被微生物分解，为CH4的产生提供了底物，从而有利于增加CH4排放，降低了CH4吸收[45-46]。且有机碳封存率增加，CH4排放量增加(表5)。

表5 各影响因子与土壤N2O，CH4和CO2排放通量的相关性

注：**表示p<0.01显著相关；*表示p<0.05显著相关。

3.2 秸秆和生物炭的添加与玉米和小麦产量的关系

本研究结果表明，添加秸秆还田和添加生物炭可以提高玉米和小麦总产量。这与游东海等[47]的研究结果一致。可能由于秸秆还田可以提高土壤持水性，提高玉米和小麦的水分利用效率[47]。也有研究表明，施用秸秆对小麦—水稻轮作系统的产量没有显著影响[48]。这可能与土壤性质，作物种类和秸秆还田类型有关[49]。生物炭施用促进了作物根系生长，增多土壤孔隙度，增加根系与土壤的接触面积[50-51]。添加8 t/hm2生物炭玉米和小麦的产量显著低于添加4 t/hm2生物炭处理，这与许多学者[52-53]的研究结果相似。因为施炭量过高会降低土壤中氮肥的有效性，从而导致作物产量降低[54]。因此，合理的秸秆还田量和生物炭施加量对于作物稳产、高产极为重要。对于关中玉米—小麦轮作农田，为保证作物更高的产量，生物炭施加量为4 t/hm2是合适的。

3.3 秸秆和生物炭添加对净增温潜势的影响

本研究用不包括CO2的增温效应的净增温潜势来综合评价作物秸秆和生物炭添加的差异。结果表明，添加秸秆使得土壤CH4和CO2排放总量显著增加，N2O排放总量减少，而有机碳含量没有显著影响。添加生物炭显著增加了土壤CH4排放总量，降低了N2O和CO2排放总量，增加了土壤有机碳含量。这与柯跃进等[38]的研究结果一致。与常规施肥处理相比，添加4 t/hm2秸秆处理的的净增温潜势降低了7.63 t/hm2，单位产量的净增温潜势降低了0.55 t/t。这与裴淑玮等[17]的研究结果不一致。本研究中由于秸秆还田减少了N2O排放总量，对有机碳含量没有显著影响，且增加了作物产量，故降低了净增温潜势。添加4 t/hm2，8 t/hm2生物炭处理的净增温潜势分别降低了33.59，48.33 t/hm2，单位产量的净增温潜势分别降低了2.53，4.21 t/t。这与众多研究[35,55]结果一致。由于生物炭添加降低了N2O和CO2排放总量，且增加了土壤有机碳含量和作物产量[56]。