王亚芳 赵以铭 李英杰 徐梓楷 李国元 王敬国 林杉

摘要 通过2组室内培养试验，研究玉米秸秆和生物炭添加量及其添加比例对设施菜田土壤有机碳矿化的影响。试验1为2因素4水平试验设计，主因素为有机碳源种类，即玉米秸秆、生物炭;副因素为碳添加量，分别为0、1.31、2.62、5.24 g/kg土壤（按碳量）。试验2为单因素试验设计，除对照外，有机碳添加量均为5.24 g/kg土壤，将玉米秸秆（S）和生物炭（B）按不同比例与土壤混合，添加比例分别为100%S、75%S+25%B、50%S+50%B、25%S+75%B、100%B、0S0B（对照）。培养期间，维持土壤含水量为田间最大持水量的65%，测定和计算培养期间土壤CO2日均排放通量、累积排放量和排放率、土壤微生物量碳含量。结果表明，与施用生物炭相比，施用等碳量秸秆显著增加了CO2累积排放量，其增幅为50%～337%;与不施用有机物料的对照相比，随着秸秆施用量增加，CO2累积排放量显著增加了92%～463%，而随着生物炭施用量增加，其增幅僅为28%～39%。培养前30 d内，CO2日均排放通量和累积排放量最高，其后逐渐降低，趋于平缓。随着秸秆添加比例降低和生物炭添加比例增加，CO2日均和累积排放量、排放率和土壤微生物量碳含量显著减少;随着培养时间延长，CO2日均排放通量逐渐降低，而累积排放量则逐渐增加。总之，将秸秆与生物炭按比例混合施用，一方面秸秆矿化过程产生的CO2能够满足秋冬茬设施蔬菜对CO2的高需求;另一方面，生物炭可以快速提升土壤碳储量，并且可以避免蔬菜残茬直接还田可能造成土传病害的扩散，有利于设施菜田土壤-植物碳循环和生产体系的可持续性。然而，上述研究结果仍需在大田条件下进一步验证，并根据种植茬口和土壤环境条件调整秸秆和生物炭添加量及其比例。

关键词 设施菜田;玉米秸秆;生物炭;添加量;比例;CO2排放;下沉式设施大棚

中图分类号 S 152.6  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）21-0085-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.21.021

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Additive Amounts and Ratios of Straw and Biochar on CO2 Emissions from the Soil of Sunken Vegetable Fields in North China

WANG Ya-fang， ZHAO Yi-ming， LI Ying-jie et al

（College of Resources and Environmental Sciences， China Agricultural University， Beijing 100193）

Abstract Two laboratory incubation experiments were conducted to investigate the effects of additive amounts and ratios of maize straw and biochar on soil respiration. Experiment I included two-factors with four-level. The main factor was kinds of organic material， namely corn straw and biochar. The second factor was application amount which were 0， 1.3  2.62 and 5.24 g/kg（according to carbon amount）， respectively. Experiment II deal with the effect of application ratio of maize straw （S） and biochar （B） which included six treatments： 100%S，75%S+25%B，50%S+50%B，25%S+75%B，100%B，0S0B （control）. During the incubation period， soil water content was maitained at the 65% of field capacity. Daily CO2 emissions were measured and soil microbial carbon contents were analyzed at the end of incubation for experiment II. The result showed that compared with biochar addtion， application of maize straw at the same carbon addtion rate siginificantly increased soil CO2 emissions by 50%-337%. Compared with control， cumulative CO2 emissions increased with the increasing of straw addition rate （increaed by 92%-463%）， whereas the biochar just increased cumulative CO2 emissions by 28%-39%.Within the first 30 days of incubation， daily CO2 emissions and cumulative CO2 emissions were highest over the whole incubation period and then decreased slowly. With the decreased addtion ratios of straw and increased addtion ratios of biochar， daily CO2 emissions， cumulative CO2 emissions， CO2 emission rates and soil microbial carbon content decreased siginificantly. Daily CO2 emissions decreased with the incubation days， while cumulative CO2 emissions increased. Our results highlight that incorporation of straw and biochar is an effective measure to increase soil resipiraiton and facilitate greenhouse CO2 limitation. On the other hand， addition of biochar will increase soil organic carbon stock. Therefore， simultanouesly application of maize straw and biochar is an effective option to maintain the sustainable development of greenhouse vegetable production. However， the above research results still need to be further verified in field experiments， and the amount and proportion of straw and biochar added should be adjusted according to the planting seasons and soil environmental conditions.

Key words Greenhouse vegetable field;Maize straw;Biochar;Additive amounts;Proportion;CO2 emission;Sunken facility greenhouse

基金项目 国家自然科学基金国际合作项目（41761134087）;湖北省科技厅重大专项（2019ABA117）;国家科技支撑计划项目（2015BAD23B01-4）。

作者简介 王亚芳（1990—），女，山东菏泽人，博士研究生，研究方向：菜田土壤碳氮转化。

*通信作者，教授，博士，博士生导师，从事水碳氮生物地球化学循环研究。

收稿日期 2021-02-23

近40年以来，我国设施蔬菜生产规模呈指数型增长。1983年种植面积仅为1.5万hm 2016年迅猛增加到467万hm 所生产的大约30种不同蔬菜产量近2.52亿t，占我国蔬菜总产量的35%[1]。设施蔬菜产量高、效益显著，发展设施蔬菜已然成为解决我国季节性蔬菜均衡供应和农民致富的有效途径之一[2]。然而，下沉式设施大棚在建造过程中，富含有机质的表层土壤用于构建迎风墙，加之设施大棚内高温高湿的环境条件，导致土壤有机质矿化快、积累慢，土壤保水保肥和供水供肥能力差[3]，这与设施蔬菜对水肥的需求量大和强度高形成了十分尖锐的矛盾。

土壤有机质是评价土壤肥力的重要指标，增加土壤有机质含量是改善土壤结构、增加土壤保蓄性和提高土壤肥力的关键措施[4-5]。Lal[6]研究指出增加土壤有机质含量是保障食品安全的必然选择。添加有机物料在增加土壤碳储量和减少温室气体排放方面受到越来越多的关注[7-8]。秸秆还田能增加土壤有机质和活性有机碳含量，提高土壤总孔隙度和土壤微生物活性。蔬菜残茬往往携带大量土传病原体，直接还田将导致土传病害频繁发生[8-10]，将其进行有效的高温（>450 ℃）热解炭化，生产成生物炭再还田，不仅可以完全消杀蔬菜残茬所携带病原體，还因生物炭具有极高比例芳香碳和极强的生物化学热稳定性，在土壤中可稳定存在几百年甚至上千年[11-13]，进而迅速提升土壤有机碳含量。然而，关于生物炭和秸秆添加量及其添加比例对土壤呼吸和设施菜田土壤-植物碳循环影响的研究尚存在争议。

设施大棚是半封闭的栽培体系，蔬菜作物对CO2的消耗难以从外界得到及时补充。尤其在气温低的冬季，为了保持棚内温度，大棚往往处于关闭状态。从48 h内设施大棚CO2浓度的动态监测结果可以看出，日落后设施大棚中CO2逐渐升高，日出后CO2浓度则随着作物光合作用而逐渐降低，尤其在光合作用最强烈的正午，大棚内CO2浓度，远远低于室外自由大气CO2浓度[8]，进而严重抑制了蔬菜作物光合效率[14]。秋冬茬为了保温，设施大棚常常处于关闭状态，上述矛盾更加突出[15]。因此，设施大棚通过土壤呼吸释放的CO 成为蔬菜作物光合作用的重要来源[16]。

笔者在了解秸秆和生物炭矿化规律的前提下，将玉米秸秆与生物炭按一定比例混合施用，不仅可以提高设施菜田土壤有机碳储量、避免蔬菜残茬直接还田可能造成土传病害的传播，还可以有效增加设施大棚内CO2的浓度。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自天津农业科学院现代农业科技创新基地日光温室（116°57′E，39°25′N），该日光温室建于2011年，连续种植番茄。取下沉式日光温室 0～30 cm 耕层土壤，除去动植物残体和石块后，在室内自然风干后过2 mm 土筛，用于土壤基础理化性质测定和后续培养试验。土壤质地为粉砂质壤土，砂粒、粉粒和黏粒含量分别为30%、62%和8%，容重为1.34 g/cm 田间最大持水量时的质量含水量为37%，pH 8.6 有机碳含量20.0 g/kg，CaCl2浸提态NO3--N含量106 mg/kg。

玉米秸秆取自中国农业大学上庄试验站，含碳量为450 g/kg（按碳量，下同）。生物炭购于金未来农业技术有限公司，热裂解温度为450 ℃，含碳量为550 g/kg。上述试材均粉碎后过2 mm筛。

1.2 试验设计和方法

设置2组室内培养试验。试验1为2因素试验设计，主因素为2种有机碳源，即玉米秸秆（S）、生物炭（B）;副因素为4种碳添加量，分别为0、1.31、2.62、524 g/kg土壤。共计7个处理，其相应的代码分别为CK、S1.31、S2.62、S5.24;B1.31、B2.62、B5.24。所有处理均重复3次，培养时间为90 d。试验2为单因素试验设计，除对照处理外，所有处理的有机碳添加量均为5.24 g/kg（相对于大田施用量14 t/hm2）;共6个处理，分别是①对照（0S0B），不添加有机物料;②100%玉米秸秆（100S0B）;③75%玉米秸秆+25%生物炭（75S25B）;④50%玉米秸秆+50%生物炭（50S50B）;⑤25%玉米秸秆+75%生物炭（25S75B）;⑥100%生物炭（0S100B）。

称取上述供试风干土壤100 g，放入250 mL玻璃培养瓶中。将已过2 mm筛的有机物料加入瓶中，与土壤充分混匀，用称重法调节土壤含水量至田间最大持水量的65%。培养瓶置于恒温恒湿培养箱中，培养温度为 25 ℃，避光培养 56～91 d。培养期间，每2 d通过称重法补充水分，维持土壤含水量分别为田间持水量的65%。为了确保培养箱内通气良好，培养箱外连一个三通道的通气泵，调节流量为45 L/min。为了防止通气过程中培养箱内空气湿度过低，在培养箱中放入2个加去离子水的500 mL烧杯，通气管道插入盛水的烧杯中，以调节培养箱内空气湿度。

1.3 测定方法

用环刀取原状土，加水至饱和，沥干明水后放入烘箱，105 ℃下烘24 h至恒重，测定最大田间持水量和土壤容重。应用土壤粒径激光分析仪（MASTERSIZER 2000，Malvern，England）测定土壤砂粒、粉粒和黏粒含量。将土壤和去离子水按1∶2.5的比例浸提，用pH计（HI9812 Hanna Instruments，Kehl am Rhein，Germany）测定土壤pH。土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定。土壤无机氮采用0.01 mol/L CaCl2浸提，流动分析仪（AA Braun Luebbe，Nordstadt，Germany）测定。土壤微生物量碳含量采用新鲜土样氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4溶液浸提法测定[17-18]。

应用便携式红外线分析仪（华云GXH-3010E 北京华云分析仪器研究所有限公司），测定培养瓶中土壤CO2排放通量。培养前期30 d内，每天测定培养瓶中土壤CO2排放量;培养后期，每隔1～3 d测定一次CO2排放量;每天测定时间为09：00—11：00。便携式CO2红外线分析仪的量程为0～1 000 mg/kg，精度为1 mg/kg。为了使测定时段内CO2排放通量变化值介于仪器测定量程内，经过预试验，最终确定添加秸秆的处理每次测定时长为120 s，间隔为20、40、60、80、100、120  s;仅添加生物炭和对照处理每次测定时长为360 s，间隔为60、120、180、240、300、360 s。所测CO2排放通量（F）计算公式为：

F=（dcdt×P×VR×T×60×60）×24×12/100

式中，F为CO2排放通量，mg/（kg·d）;dcdt为CO2排放变化速率，mg/（kg·s）;P为标准大气压101.3 kPa;V为培养瓶中空气所占的体积（通过排水法测得培养瓶中空气体积为0.15 L）;R取值8.314 4;T取值298.13 K;60、60、24为秒、分、小时转换系数;12为C的分子质量;100为每个培养瓶中土壤质量（g）。CO2累积排放量由监测天的排放通量与未监测天的排放通量累积相加得到，其中未监测天的CO2排放通量由内插法计算得出。CO2累积排放率=（添加物料处理CO2排放量-对照CO2排放量）/碳添加量×100%;CO2日均排放通量=CO2累积排放量/培养天数。

1.4 数据分析

用Excel 2013进行数据处理。统计分析采用SAS V8.2进行单因素及二因素方差分析，处理间差异显著性用Duncan 单因素方差分析法。用Sigmaplot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆和生物炭添加量对设施菜田土壤有机质矿化的影响

从图1可以看出，培养至90 d时，添加秸秆各处理CO2累积排放量从高到低依次为S5.24>S2.62>S1.31>CK。当秸秆添加量为5.24 g/kg时，土壤CO2累积排放量高达1 723 mg/kg，分别是秸秆添加量1.31 g/kg处理的2.9倍（587 mg/kg）和对照处理的5.6倍（306 mg/kg）。随着生物炭添加量增加，土壤CO2累积排放量仅增加了28%～39%。与生物炭处理相比，添加等碳量秸秆处理的土壤CO2累积排放量显著增加了92%～463%。秸秆碳积累排放率为21%～27%，显著高于生物炭处理累积排放率（1.7%～66%）。当秸秆碳添加量为1.31和2.62 g/kg时，CO2累积排放率不存在显著差异，但二者均显著低于秸秆碳添加量524 g/kg处理。随着生物炭添加量增加，CO2累积排放率则显著降低。

从图2可以看出，不同培养阶段，CO2日均排放通量从大到小依次为0～30、31～60、61～90 d。0～30 d，与对照相比，随着秸秆添加量增加，CO2日均排放通量显著增加224%～1 074%;而随着生物炭添加量增加，CO2日均排放通量仅增加了66%～123%。31～60和61～90 d，随秸秆添加量增加，CO2日均排放通量增加;而随着生物炭添加量增加，61～90 d时CO2日均排放通量降低。

从图3可以看出，培养0～30 d，不同秸秆添加量间CO2日排放通量差异显著，而不同生物炭添加量间 CO2日排放通量差异不显著;30 d后，各处理CO2日排放通量趋于稳定。添加秸秆处理的CO2累积排放量在0～30 d快速增加，随后其增加趋势变缓慢，且CO2累积排放量与秸秆添加量成正比;培养0～90 d，不同生物炭添加量处理的 CO2累积排放量增长趋势平缓，且均低于秸秆处理的CO2累积排放量。

2.2 秸秆和生物炭添加比例对设施菜田土壤CO2排放的影响

从图4可以看出，培养14、28、42、56 d，随着秸秆添加比例降低和生物炭添加比例增加，CO2累积排放量显著减少，其大小顺序为100S0B>75S25B>50S50B>25S75B>0S0B>0S100B。添加100%生物炭处理（0S100B）的CO2累積排放量甚至低于对照处理（0S0B），但二者差异不显著。

从图5可以看出，随着培养时间延长，各时段CO2日均排放通量显著降低;0～14 d的日排放通量分别是15～28、29～42和43～56 d的2.2、4.4、6.2倍。0～14 d，随着秸秆添加比例降低和生物炭添加比例增加，土壤CO2日均排放通量呈显著降低趋势，100S0B处理CO2日均排放通量是0S100B处理的14倍，而50S50B处理是0S100B处理的6.8倍。培养29～42和43～56 d，各处理间CO2日均排放通量差异减小。

从图6可以看出，第56天时，各处理CO2累积排放量为292～1 551 mg/kg;除对照外，处理间差异显著。随着秸秆比例减少和生物炭添加比例增加，来自有机物料的CO2累积排放率呈显著降低趋势，100S0B处理的CO2累积排放率为26%，75S25B处理为19%，50S50B处理为11%，25S75B处理为3.6%，而0S100B处理则为-0.6%，表明添加生物炭降低了土壤呼吸。

添加100%玉米秸秆处理（100S0B），CO2日排放通量和累积排放量最高，其次分别为75S25B、50S50B、25S75B、0S0B和0S100B处理;培养至56 d时，50S50B处理的CO2累积排放量为886 mg/kg，分别是添加100%生物炭处理（0S100B）的3倍和添加100%玉米秸秆处理（100S0B）的0.6倍（图7）。

从图8可以看出，培养28 d时，100S0B处理土壤微生物量碳含量为446 mg/kg，分别是50S50B和0S100B处理的1.7和2.9倍;随着秸秆添加比例减少和生物炭添加比例增加，土壤微生物量碳含量显著降低。

3 討论与结论

为了避免冬季保温造成的额外能源费用，华北地区传统的下沉式设施大棚在建造过程中，将表层土壤下挖0.5～2.0 m，用于构建墙体厚度高达1.5 m的北侧保温墙。由此导致下沉式设施菜田表层土壤有机质含量低[19]，而蔬菜残茬由于携带大量病原体无法直接还田，以提高土壤有机质含量;另一方面，秋冬茬设施大棚为了保温，往往处于半关闭状态，导致棚内CO2浓度低，进而抑制了蔬菜作物光合作用[8]。

生物炭性状稳定，难以被土壤微生物矿化释放CO 可以快速增加土壤有机碳储量，这从CO2日排放通量和累积排放量并不随生物炭添加量增加而发生显著改变得到很好的验证;然而，随着秸秆添加量增加，CO2日排放通量和累积排放量均显著提高[20-22]。培养至90 d时，秸秆高添加量处理（S5.24）和低添加量处理（S1.31）CO2累积排放量分别是对照处理的5.6和1.9倍。这与此前田间试验报道的研究结果（添加3.5 t/hm2（相对于1.31 g/kg）的秸秆后，CO2累积排放量是不添加秸秆处理的1.6倍）[22]基本吻合。添加等碳量生物炭与对照处理虽有显著差异，但CO2累积排放量仅增加了30%，而且，其排放率则随着生物炭添加量增加而显著降低[23]，这与生物炭高温热裂解所形成的生物化学稳定性有关[24]，难以作为微生物生长的碳源。因此，生物炭还田是增加土壤有机质含量的有效措施[25]。生物炭无法促进土壤呼吸，以满足半封闭式设施蔬菜生长发育对CO2的高需求。

培养试验2的结果表明，添加等碳量有机物料时，随着秸秆添加比例增加和生物炭添加比例降低，CO2累积排放量和日排放通量均显著增加。与空白土壤相比，添加100%秸秆（5.24 g/kg）导致土壤呼吸所排放的CO2增加了7倍，近1/4的秸秆碳在培养期间被矿化。这与田间条件下添加3.5 t/hm2玉米秸秆，120 d内土壤CO2排放量增加了2.2 t/hm2的结果基本一致[22]。但是，当添加100%生物炭时，土壤CO2累积排放量并未显著增加，甚至抑制了土壤呼吸。类似的试验结果表明，通过450 ℃裂解制得的生物炭在60 d内几乎不发生矿化;添加4%的生物炭，未显著增加土壤呼吸;而添加1%的秸秆，土壤CO2排放量增加了4倍[24]。当秸秆和生物炭添加比例各占50%时（50S50B），CO2累积排放量分别是只添加秸秆（100S0B）和只添加生物炭（0S100B）处理的57%和303%。秸秆因含有大量易分解的有机含碳化合物，直接还田后，其中所含有的碳水化合物、蛋白质和半纤维素类物质将被土壤微生物利用[26-27]，加快了土壤有机碳矿化，速释放大量CO2。与此相反，生物炭中稳定性碳所占比例高，难以被土壤微生物利用，有利于快速提升土壤有机碳储量[28]。

据此，针对华北地区下沉式半封闭设施大棚表层土壤有机质含量低，不能满足蔬菜作物对水肥和CO2高需求的现状，可以根据不同生长季蔬菜作物对CO2的需求特点和快速提升土壤有机碳储量的目标，确定还田有机物料中玉米秸秆和生物炭的添加比例。

提升土壤有机碳储量和满足设施蔬菜对大气CO2的高需求，关系到下沉式设施蔬菜生产体系的可持续性。设施菜田土壤中单施秸秆或者单施生物炭，无法同时解决增加菜田土壤有机碳储量和棚内CO2浓度的问题。而将秸秆和生物炭混合施用，一方面，可以解决设施大棚内CO2浓度低的问题，满足设施蔬菜快速生长对CO2的高需求;另一方面，可以快速提升土壤碳储量，提高土壤肥力，还可以避免蔬菜残茬直接还田可能造成土传病害的扩散，有利于设施蔬菜生产体系的可持续发展。然而，针对不同土壤和气候条件以及蔬菜作物生长规律，秸秆和生物炭的施用量及比例仍需通过田间试验获得进一步验证。

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