张浩东，贾俊香，马智勇

（山西农业大学资源环境学院，国家级实验教学示范中心，山西太谷030801）

气候变暖成为目前的热点问题之一。近些年来，虽然国家在加大力度宣传环境保护方面的知识，但是还是有很多的人因宣传覆盖的不全面，仍会出现对森林植被的过度砍伐，使得吸收温室气体的绿色植物大大减少。同时工业上大量化学燃料的燃烧，导致大气中N2O 和CO2的气体浓度不断增高，造成了我国温室效应不断增强[1]。温室气体的累积也导致了全球气候变暖越来越严重，气候的变化引起了国内外学者的高度重视[2]。N2O、CH4以及CO2等温室气体的不断排放，使温室气体的浓度不断升高，是引起全球气候持续变暖的原因[3]。在《中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报》中可以了解到，来自我国农业方面的N2O 和CH4的排放量分别占全国气体总排放量的56.29%和73.79%。来自农业的温室气体的总排放量占全国温室气体总排放量的10.79%[4]。我国作为一个农业大国，农业发展越迅速，对我国温室气体浓度的累积影响就会越大。在我国大部分的种植地都是旱地土壤，而旱地土壤又是主要排放N2O 气体的地方。N2O 作为温室气体的主要贡献者，抑制或减缓来自农业的N2O 等气体的排放很有必要[5]。

生物炭是由于生物有机材料（例如农作物秸秆、木质物质、农林废弃物以及禽畜粪便等有机物质）在无氧或缺氧条件下通过低温裂解而得到的一种不完全燃烧的含碳量极其丰富的固体黑色产物[6]。它的稳定性程度很高，并具有很强的吸附能力。生物炭添加到土壤中可以增加土壤的稳定性碳库储量。生物炭特殊的物理性质，加入土壤后可以使土壤本身的理化性质发生改变，其主要表现在土壤自身结构的变化、土壤的酸碱性变化、土壤持水力的变化等[7-8]。生物炭具有比较大的比表面积，施入土壤后，可以有效降低土壤的容重，还能够在增大土壤的持水性同时增强土壤的保肥能力[9]。此外，生物炭的施入对土壤中有毒有害物质以及重金属物质的吸附也有很大的帮助，这种效果也会随着生物炭添加量的多少而表现出不同的反应[10-14]。生物炭施入土壤中可以给作物提供其生长周期内所需要的各种营养元素，进而提高我国农作物的产量及其品质[15-16]。土壤的理化性质以及土壤微生物的活性都可以通过施入一定量的生物炭得到改善。

目前国内外学者对于土壤中施入生物炭能否抑制或减少温室气体排放的研究比较多。其中，在生物炭对于菜地土壤CO2排放通量的影响这一方面，各位学者的研究结果不尽相同，有促进排放[17]、抑制排放[18]以及二者关系不明显[19]等报道。而生物炭对于菜地土壤N2O 排放通量这一方面的报道则多为降低排放量[20]和关系不显著[21]2 个结果。王月玲等[22]通过试验发现，在塿土土壤中施加一定量的生物炭后，能促进土壤CO2的排放以及增加土壤对CH4的吸收。并且ZHENG 等[23]通过试验发现，土壤中施加生物炭会促进土壤CO2的排放。何飞飞等[24]研究表明，在土壤中施入不同生物炭量对土壤N2O、CO2的排放量略有差异。目前多数学者在研究生物炭的过程中没有深入考查到氮肥与生物炭配施对于土壤温室气体排放结果的影响。

本试验采用室内静态暗箱培养结合气相色谱法，探究氮肥与生物炭配施对菜地土壤N2O、CH4、CO2等温室气体排放通量和累积排放量以及对GWP 的影响，以期为我国菜地土壤温室气体减排提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试生物炭为河南三利新能源公司生产的玉米秸秆生物炭，其理化性状为：pH 值10.6，有机碳含量500.4 g/kg，全氮含量8.4 g/kg，全磷含量3.0 g/kg，全钾含量10.8 g/kg；氮肥为含氮量46.7%的分析纯尿素。

供试土壤选自山西农业大学资源环境学院试验站菜地耕层土，试验地土壤基本理化性状为：pH值8.24，土壤容重1.12 g/cm3，有机碳含量12.74 g/kg，全氮含量0.38 g/kg，全磷含量0.706 g/kg，全钾含量15.34 g/kg。

1.2 试验设计

试验在山西农业大学资源环境学院实验室进行，采用静态室内培养结合气相色谱法，对培养样品的N2O、CH4与CO2气体排放通量进行测定。试验共设置 CK、N、NB 等 3 个处理（表 1），每个处理重复3 次。称取过1 mm 筛的风干土样100 g 于250 mL的三角瓶里，于2019 年4 月16 日到5 月6 日在恒温培养箱里进行培养，恒温温度为26 ℃。在样品培养的第 1、3、5、8、14、21 天 9：00—11：00 采集气体，总共采集6 次。采样时取出在恒温培养箱中培养的样品，采气前先用带有三通阀的橡皮塞把三角瓶塞住，使之成为密闭状态。在其密闭培养状态下的 0、10、20、30 min 用带有三通阀的 20 mL 注射针管各采气1 次。采集的气体样品用气相色谱仪（Agilent 7890B）进行测定。测定时仪器的各项指标：CO2检测器为FID，检测器温度设定为250 ℃，柱温为60 ℃，载气是99.999%高纯氮，流速为30 mL/min；N2O 检测器为ECD，温度设定为30 ℃，载气是99.999%高纯氢气，流速为40 mL/min。试验室所用的标准气体的浓度 CO2为 409.2 mol/mol，CH4为2.56 mol/mol。每次采集完气体后对培养的样品进行称质量，并定量加水，使土壤水分含量保持在60%。

表1 试验各处理设置

1.3 测定项目及方法

1.3.1 排放通量的测定 排放通量的值为3 次平行采样的平均值，以每次培养的时间间隔为权重进行加权平均，最后求得培养期内N2O、CH4和CO2累积排放量。

式中，F 表示N2O（μg（/m·2h））、CH（4mg（/m·2h））和CO2的排放通量（mg（/m2·h））；ρ 表示标准状况下 N2O-N、CH4-C 和 CO2-C 的密度，N2O-N 的密度为 1.25 g/L，CH4-C 的密度为 0.77 g/L，CO2-C 的密度为 0.54 g/L；V 表示三角瓶体积（m3），为 250 mL，换算成0.000 25 m3；A 表示三角瓶内土壤表面积（m2），为 0.005 024 m2；ΔC 表示单位时间内密闭静态箱内 N2O、CH4和 CO2浓度的变化量；Δt 表示单位时间内密闭静态箱内N2O、CH4和CO2的排放速率（N2O 为nL（/L·h），CH4为 μL（/L·h），CO2为 μL/（L·h））；T 表示温度，这里指室温 26 ℃。

1.3.2 全球增温潜势（GWP）的计算 以100 a 为时间尺度来进行计算，把N2O 与CH4气体的累积排放量根据温室效应强度换算为等量的CO2气体量。单位分子N2O 的全球增温潜势是单位分子CO2的298 倍，单位分子CH4的全球增温潜势是单位分子CO2的25 倍。其计算公式如公式（2）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excle 2010 软件进行数据和图表处理，作图和显著性差异检验在SPSS 24.0 软件中制作和处理，显著性差异检验采用LSD 法（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 生物炭对菜地土壤N2O 排放通量的影响

由图1 可知，N 和NB 处理的平均排放通量要高于CK 的平均排放通量，但N 处理的排放趋势相对平缓，NB 处理的排放相对比较强烈。随着培养时间的增加，N2O 的排放通量在培养后期显著降低且趋势越来越平缓。分析试验初期N2O 的排放通量增加的原因有可能是因为在培养初期，肥料在短时间内发生了反应，使土壤中的硝化与反硝化作用增强，使得N2O 的排放通量明显增加。CK、N 以及NB 处理在培养期间内N2O 排放通量分别为0.000 78～0.027 8、0.000 333～0.651、0.001 08～0.993 μg（/m·2h）。其中，NB 处理在4 月18 日达到该处理的最大N2O排放通量，为0.993 μg（/m2·h），5 月6 日所有处理的N2O 排放通量均下降到最低。

2.2 生物炭对菜地土壤CH4 排放通量的影响

从图2 可以看出，CH4在培养初期整体排放通量均为正值，在培养中期整体排放通量均为负值，后期又均有回升的趋势。CK 的变化相对比较平缓，N、NB 处理的变化比较杂乱，没有特别明显的规律。分析原因可能是因为在稻田中CH4的排放会比较强烈，在菜地土壤中的排放通量则并不明显。CK、N、NB 处理在培养期间内CH4的排放通量分别为-0.004 3～0.001 91、-0.001 21～0.001 9、-0.005 34～0.005 86 mg（/m·2h）。其中，NB 处理CH4排放通量在4 月29 日达到最大值，为0.005 86 mg（/m·2h）。在每组处理中CH4排放通量都表现出波动性变化，在接近试验中期时出现了CH4排放通量低于0 的情况，意味着菜地土壤对CH4的汇作用有所增强，土壤对CH4的排放开始出现吸收现象。

2.3 生物炭对菜地土壤CO2 排放通量的影响

从图3 可以看出，各处理在培养初期均达到了该组的最高值，并且在整个培养期间各处理间的变化基本趋于一致。CO2排放通量为NB＞N＞CK，均随着培养时间的增加，虽然在后期的排放中稍有波动，但是整体呈现下降的变化并逐渐趋于平缓。分析前期排放通量达最高的原因可能是因为刚加入肥料，促进了土壤的呼吸作用。CK、N、NB 处理在培养期间内CO2的排放通量分别为3.277 3～28.457 4、2.525 2～35.946 2、3.790 3～39.922 1 mg（/m2·h）。每日排放CO2最少的是CK，其中，NB 处理的CO2排放通量在4 月16 日达到最大值，为39.922 1 mg/（m2·h）。各处理CO2排放通量在5 月6 日都降到该组的最低排放水平。

2.4 生物炭对菜地土壤温室气体平均排放通量和累积排放量的影响

从表2、3 可以看出，在整个试验期间，N2O 的累积排放量的最大值是NB 处理。相对于CK 来说，NB 处理的N2O 累积排放量增加了29.98 倍，并且CK 与NB 处理之间存在显著性差异，这意味着样品中添加生物炭使N2O 的平均排放通量与累积排放量都增加，且增加幅度较强烈。结果表明，菜地土壤中添加生物炭会促进N2O 的排放。这一试验结果与MARIA 等[25]的研究结果相同。生物炭会促进土壤的硝化作用从而增加N2O 的排放，分析可能这就是NB 的排放通量高于CK 的原因。

表2 土壤温室气体平均排放通量比较

表3 土壤温室气体累积排放量比较

CH4的累积排放量的最大值为NB 处理。N 和NB 处理与CK 相比，差异均不显著。结果表明，样品中添加生物炭抑制了土壤对CH4的吸收作用。这一试验结果与张中杰等[26]在川中丘陵旱地的研究结果相似。生物炭的添加增加了土壤中的有机物质，有利于土壤中各活动的产生，从而使CH4的排放通量增加。

CO2累积排放量的最大值为NB 处理。与CK相比，NB 处理的CO2累积排放量增加了1.32 倍，并且NB 处理与CK 间存在显著性差异，同时排放通量明显高于CK。这表明添加生物炭会促进CO2的排放，这一试验结果与武文明等[27]的研究结果一致。

2.5 生物炭对菜地土壤全球增温潜势 （GWP）的影响

从表4 可以看出，根据菜地土壤中N2O 和CH4的累积排放量并将其在100 a 的时间尺度上转化为等量CO2累积排放量。分析得出，温室气体GWP 的总值从大到小排序为NB＞N＞CK。在试验的各个处理中，生物炭与氮肥配施样品的全球增温潜势是整个试验中最高的，并且它的最大值已经达到0.894 kg/hm2，CK 的 GWP 值是该试验最低的，为0.030 kg/hm2。并且 NB 和 CK 与 N 和 CK 之间都存在显著性差异。N 和NB 处理的GWP 分别较CK 增加了22.13、29.8 倍。说明不管是单施氮肥还是生物炭与氮肥配施都会增加GWP。

表4 不同处理下GWP 的变化

3 结论与讨论

在整个试验培养期内，N 和NB 处理的N2O 排放通量处于一个先升高后降低最后趋于平缓的趋势，N 和NB 处理在培养试验第3 天时达到了整组的最高值。可以观察到N2O排放通量为NB＞N＞CK。从试验结果可以看出，生物炭与氮肥配施显著增加了菜地土壤 N2O 的排放，与 CK 相比，NB 与 N 处理的N2O 累积排放量分别增加了29.98、22.30 倍。影响菜地土壤N2O 排放的原因有很多，如种植地土壤的土壤质地、种植地的气候条件以及农民耕作时的耕作方式等，因为诸多因素的共同作用导致N2O 排放通量存在较大差异[28]。本试验中导致菜地土壤中N2O 排放通量增加的原因可能是：（1）在试验培养初期添加了氮肥，氮肥增强了菜地土壤中的硝化与反硝化作用，而决定菜地土壤中N2O 的排放通量大小一般是由含氮量的多少所决定；（2）向菜地土壤中添加的生物炭可以激发土壤中矿物态氮的活性，增强其可利用性。

NB 处理对CH4排放通量的影响要高于CK 以及N 处理。N 处理与CK 的CH4累积排放量均小于0，表现为吸收，NB 处理的CH4累积排放量大于0，N、NB 与CK 间差异不显著，并且试验中CH4的排放通量忽高忽低，排放通量没有明显的规律可言。分析原因可能是影响菜地土壤中CH4排放的主要原因是菜地土壤中存在着甲烷菌和甲烷氧化菌，而CH4的排放通量是它们联合作用所致的结果[29]。本试验生物炭与氮肥配施中生物炭的某些化学物质可能抑制了土壤中甲烷菌和甲烷氧化菌的活性，所以，提高了CH4的排放通量。

相对于 CK 的 CO2排放通量，NB 与 N 处理的CO2排放通量分别增加了1.32、1.24 倍。生物炭与氮肥配施显著增加了CO2的排放通量，这与马智勇等[30]的研究结果相同，影响菜地土壤中CO2排放通量的原因可能是因为向土壤中添加了生物炭，从而促进了菜地土壤中有机碳的分解，这与菜地土壤中的含水量有一定的关系。本试验结果表明，菜地土壤中添加生物炭会促进菜地土壤CO2的排放。生物炭是一种含碳量高达60%的生物有机材料，它可以为土壤中微生物的生长环境提供大量所需物质，促进土壤中有机物质的分解；还因为其自身的结构具有改善土壤理化性质的特点，这也激发了微生物活性，从而使菜地土壤中CO2的排放通量大大增加。

此外，生物炭与氮肥配施增强了GWP。N 处理比 CK 增加了 22.13 倍，NB 处理比 N 处理增加了34.64%。这表明单施氮肥、生物炭配施氮肥都会促进GWP。