2017, Vol. 38
2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 杨凌 712100;
3. 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌 712100
, CHEN Jing1,3 , LIU Jing-jing2 , ZHANG A-feng1,3
, WANG Xu-dong1,3 , FENG Hao2 , ZHAO Ying1
2. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
3. Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China
近年来由温室气体排放增加引起的气候变暖成为全球关注的热点.农业作为温室气体排放的重要来源，受到越来越多的国内外研究人员的关注[1].有研究表明，2010年全球农林业温室气体排放占人类活动总排放的24.0%[2].因此，如何通过有效的措施降低农业生产过程中的温室气体排放成为当前应对气候变化研究的热点之一[3].
秸秆是指农业生产、加工过程中产生的副产品，我国农业每年产生的秸秆为6~8 Gt[4].秸秆含有多种养分，具有较好的培肥土壤效果，因此，秸秆直接还田是农业利用的最主要途径[5].Xiong等[6]研究发现，秸秆还田会增加稻田CH4的排放，但对N2 O没有显著影响；李新华等[4]研究发现，秸秆直接还田可以显著抑制小麦土壤CO2和N2 O的排放，并能提高CH4的吸收量.近年来，作物秸秆通过高温厌氧环境转化为生物质炭在农业上的应用为秸秆在农业生产过程中的有效利用提供了新途径.生物质炭的施用可显著抑制农田土壤温室气体排放，并能显著提高作物产量[8, 9].成功等[10]研究发现生物质炭可显著抑制小麦生长过程中生态系统的温室气体排放，并能显著提高小麦产量；黄海洲等[11]研究发现，生物质炭添加降低了施氮农田春玉米生长季N2 O排放通量峰值和排放总量；Zhang等[12]研究发现，生物质炭可显著降低稻麦轮作体系N2 O的季节排放，并能显著提高小麦及水稻产量.以往的研究主要是针对一种碳源物质(秸秆或生物质炭)还田对稻田温室气体排放的影响[12]；研究的时间尺度较短[10, 11].同时由于土壤类型、碳源性质、作物等的差异导致秸秆/生物质炭还田后对农田作物产量及温室气体排放的变异性较大[6, 13].而针对我国北方旱作小麦-玉米轮作生态系统，对比分析秸秆、生物质炭这两种碳源对农田温室气体排放及产量影响的研究较少.
本研究采用大田小区定位试验，针对小麦-玉米轮作系统研究小麦秸秆、生物质炭还田对作物产量、温室气体排放的影响，并用净增温潜势对比分析小麦秸秆、生物质炭施用对全球变暖的贡献，通过揭示小麦秸秆、生物质炭施用对小麦-玉米轮作系统温室气体的排放特征，以期为我国北方地区农业生产过程中减排增汇提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验地位于陕西省杨凌示范区西北农林科技大学，国家节水灌溉工程技术研究中心(34°17′N，108°04′E).海拔521 m.该地区属暖温带季风半湿润气候区，年平均降水量为635.1 mm，年平均温度为12.9℃，全年降雨主要集中在7、8、9这3个月，属于典型的小麦-玉米一年两熟种植区.研究期间的气温与降雨如图 1所示，平均气温为14.5℃，降雨量622.8 mm.试验站内土壤类型为褐土类，塿土亚类，黄土母质，系统分类为土垫旱耕人为土，属石灰性土壤.1 m土层的平均田间持水量为23%~25%，萎蔫系数为8.5%(以上均为重量含水量)，平均干容重1.44 g ·cm-3[10].
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图 1 小麦-玉米生长季的降雨和平均气温 Fig. 1 Daily precipitation and average temperature during the wheat-maize growing season |
本试验所用小麦秸秆及小麦秸秆生物质炭均购买于三利新能源有限公司(表 1)，生物质炭是小麦秸秆在350~550℃无氧条件下热解产生，其中K、Ca和Mg所占质量分数分别是0.16%、1.01%和0.62%.生产的生物质炭过5 mm筛备用[10].
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表 1 秸秆及其生物质炭参数 Table 1 Parameters of straw and biochar |
1.3 试验设计
试验采用随机区组设计，设置5个处理：空白对照(CK)、常规施肥处理(F)、施肥并施用8 t ·hm-2秸秆处理(FS)、施肥并施用8 t ·hm-2生物质炭处理(FBlow)和施肥并施用16 t ·hm-2生物质炭处理(FBhigh)，各处理重复3次，共15个小区，每个小区面积为10 m2(2 m×5 m).试验区周围布0.5 m宽的作物保护带.小麦秸秆和生物质炭分别在小麦季施用50%，玉米季施用50%.各小区的肥料用量、施肥方式、耕作以及田间管理措施见表 2.小麦(小偃22)于2013年10月3日播种，收获日期为2014年6月5日.玉米(秦龙14)的播种日期为2014年6月19日，收获日期为2014年10月11日.
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表 2 田间管理措施1) Table 2 Field management |
1.4 测定指标与方法 1.4.1 气体采集与测定
使用密闭式静态暗箱法[10]对CO2、N2 O和CH4进行采集.密闭箱分为箱体和底座两部分，制作材料均为PVC.箱体规格为50 cm×50 cm×50 cm，箱内安装风扇以混匀气体，箱外包裹泡沫层以保温.底座外径为50.5 cm×50.5 cm，上附宽度为3 cm的凹槽，底座的4个角下连接长度为10 cm的楔子，底座总高度为15 cm.在小麦/玉米播种前将底座插入土壤中15 cm，至其凹槽上沿与地表水平，整个作物生长季内不再移动，底座内不种植小麦/玉米.每次采集气体之前在凹槽中注水，使其与箱体形成一个密闭环境.在小麦和玉米生长的不同时期，每次于上午08:00~11:00之间采集气体.分别在密闭箱置于底座内密封后的0、10、20、30 min时用注射器抽取箱内气体50 mL，共4次.
采集的气体用Agilent 7890 B气相色谱仪进行分析.FID检测器用于分析测定CH4和CO2浓度，柱温为80℃，检测器温度为200℃，载气为氮气(流速为40 mL ·min-1)，燃气是氢气(流速35 mL ·min-1)，助燃气是空气(流速350 mL ·min-1).ECD检测器用于分析测定N2 O浓度，柱温是80℃，检测器温度为320℃，载气为氩甲烷(流速为30 mL ·min-1)[10].
气体排放通量的计算公式如下：
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以CO2为例，式中，Flux为CO2排放通量[以CO2-C计，mg ·(m2 ·h)-1]；H为采集箱子的高度(cm)；M为CO2的摩尔质量(44 g ·mol-1)；ρ为CO2的气体密度(g ·L-1)；R为普适气体常数[8.314 J ·(mol ·K)-1]；T为采样时箱内平均气温(℃)；dc/dt为CO2排放速率((L·L-1·min-1)，由4个气体样品的浓度值经过线性回归分析得出[10].
气体排放总量的计算公式如下：
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以CO2为例，式中，S为CO2排放总量(kg ·hm-2)；Xi为第n次采样时的气体排放通量[mg ·(m2 ·h)-1]；di为第n次采样到第n+1次采样间隔的天数；d为总天数，100将mg ·m-2换算成kg ·hm-2.
1.4.2 温度及水分的测定每次采集气体样品的同时，用地温计测定土壤15 cm处耕层温度，用温度计测定大气温度和密闭箱内空气温度，测定时间为密闭箱置于底座后15 min.
气体采集时的土壤水分含量采用TDR土壤水分速测仪进行测定，每个小区随机测3个点取平均值.土壤孔隙含水量的计算公式如下：
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于2014年10月玉米收获后采集土壤样品，用内径3 cm的土钻采集0~20 cm土层样本，每个小区随机采3个点混匀，风干后挑出肉眼可见的根等杂质，过0.15 mm筛备用.土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法[14].土壤有机碳封存率(SOCSR)的计算公式[6]如下：
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式中，SOCSR为土壤有机碳封存率[t ·(hm2 ·a)-1]；SOCt和SOC0分别为2014年10月和2013年10月土壤有机碳含量(g ·kg-1)；γ为土壤容重(g ·cm-3)；δ2 mm为0~20 cm土层石砾含量(%)；20为表层土厚度(cm).
1.5 净增温潜势计算净综合增温潜势(NGWP)的计算公式如下：
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式中，以CO2作参考气体，NGWP为净增温潜势(以CO2-C计，kg ·hm-2)；SM和SN为CH4和N2 O的年排放总量；在100 a的时间尺度下，CH4和N2 O的增温潜势分别是CO2的34倍和298倍[15].
单位产量的净综合增温潜势(NGHGI)的计算公式[16]如下：
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式中，NGHGI为单位产量的净综合增温潜势(以CO2-C计，t ·t-1)；yield为整个小麦-玉米轮作周期内总的产量(t ·hm-2).
1.6 数据分析所有数据均采用3次重复.采用JMP 7.0统计软件对数据进行处理和相关性分析，应用OriginPro 9.0软件对数据进行制图，采用Duncan法进行方差分析中的多重比较(α=0.05).
2 结果与分析 2.1 不同处理产量差异不同处理对小麦和玉米产量的影响见图 2.在施肥的基础上添加8 t ·hm-2生物质炭后，小麦和玉米的产量均处于较高水平.与F处理相比较，添加秸秆、生物质炭使小麦产量提高了30.9%~66.3%，其中FBlow处理小麦产量最高，为9 415.5 kg ·hm-2.在玉米生长期，与F处理相比，FS、CK及FBhigh处理下玉米产量分别降低了14.1%、18.0%和24.6%，但是FBlow处理对玉米产量没有显著性的影响.由图 2可知，与施肥处理相比较，添加秸秆、生物质炭均可以显著提高小麦产量，但是施用8 t ·hm-2的秸秆或者16 t ·hm-2的生物质炭均降低了玉米的产量.
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不同小写字母表示处理间差异显著P < 0.05，下同 图 2 小麦秸秆及其生物质炭对作物产量的影响 Fig. 2 Effects of wheat straw and its biochar amendment on crop yield |
整个小麦-玉米轮作周期内各处理0~20 cm土层温度见图 3.各处理土壤温度均在12月和1月达到最低值，在6、7、8这3个月达到峰值.对整个轮作周期内不同处理0~20 cm土层温度的平均值而言，与F处理相比较，FS、FBlow和FBhigh这3个处理分别使土壤0~20 cm表层温度显著提高了8.2%、8.0%和6.2%.
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图 3 土壤(0~20 cm)温度和土壤孔隙含水量 Fig. 3 Soil (0-20 cm) temperature and soil water filled pore space (WFPS) |
整个小麦-玉米轮作周期内，不同处理土壤孔隙含水量(WFPS)为15%~91%.由图 3可知，各处理的WFPS变化趋势基本一致，且CK处理的WFPS始终保持较高水平.与F处理相比较，FBlow和FBhigh两处理的平均WFPS分别显著下降8.9%和14.7%.
2.3 CO2排放整个生长周期内，受土壤温度的影响不同处理之间土壤CO2排放的变化趋势基本一致[图 4(a)].除FS处理外，各处理土壤CO2排放均在7、8月达到最大值(以CO2-C计，下同)，由大到小分别是：CK，126.4 mg ·(m2 ·h)-1；F，127.4 mg ·(m2 ·h)-1；FBlow，115.5 mg ·(m2 ·h)-1；FBhigh，119.2 mg ·(m2 ·h)-1.各处理排放速率均在1月份出现最低值，由大到小依次为：FS，15.6 mg ·(m2 ·h)-1；FBhigh，14.6 mg ·(m2 ·h)-1；FBlow，14.2 mg ·(m2 ·h)-1；F，11.5 mg ·(m2 ·h)-1；CK，6.7 mg ·(m2 ·h)-1.由表 3可知，与F处理相比较，在小麦生长期FS处理土壤CO2排放总量显著增加了85.6%，FBhigh处理的CO2排放总量显著降低了15.4%；在玉米生长期FS处理的排放总量显著增加了29.9%.总的来说，与F相比较，FS处理的CO2年排放总量显著增加了60.2%，FBhigh处理的CO2年排放总量显著降低了14.4%(表 4)，FBlow处理CO2年排放总量无显著差异.
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图中F表示施肥 图 4 小麦-玉米生长季不同处理下土壤CO2、N2 O和CH4通量的季节性变化 Fig. 4 Changes in seasonal flux of CO2, N2 O and CH4 under different treatments during wheat-maize growing season |
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表 3 小麦-玉米生长季温室气体排放/吸收总量1)/kg ·hm-2 Table 3 Seasonal amount of CO2 and N2 O emissions and CH4 uptake under different treatments during wheat-maize growing season/kg ·hm-2 |
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表 4 年温室气体排放/吸收总量和净增温潜势 Table 4 Annual amount of CO2, N2 O emissions and CH4 uptake and global warming potential under different treatments |
2.4 N2 O和CH4排放
在小麦-玉米轮作周期内，不同处理间土壤N2 O排放通量存在较大的差异.由图 4(b)可知，CK、F、FS、FBlow这4个处理土壤N2 O排放通量在小麦季施肥后出现最大值(以N2 O-N计)，分别为：14.9、87.3、46.7、和38.8 μg ·(m2 ·h)-1.而FBhigh处理土壤N2 O排放的最大值出现在玉米季施肥后.与F处理相比，添加秸秆、生物质炭均显著降低了N2 O排放通量的最大值，降幅为46.5%~65.0%.由表 3可知，与F处理相比，小麦生长期FS处理土壤N2 O排放总量增加了22.8%，而FBhigh处理土壤N2 O排放总量降低了42.9%；玉米生长期FBlow和FBhigh两处理土壤N2 O排放总量分别下降了48.9%和30.3%.总体而言，与F处理相比，FBlow和FBhigh两处理N2 O的年排放总量显著降低了27.6%和38.7%，FS处理的N2 O年排放总量没有显著差异(表 4).
在小麦-玉米轮作周期内，不同处理的土壤整体表现为CH4的吸收汇[图 4(c)].除CK外，各处理CH4的吸收峰分别出现在6月和8月，由高到低依次为(以CH4-C计)：FS，155.4 mg ·(m2 ·h)-1；F，132.4 mg ·(m2 ·h)-1；FBlow，105.9 mg ·(m2 ·h)-1；FBhigh，62.9 mg ·(m2 ·h)-1.加权平均得到整个轮作周期内各处理CH4吸收均值，由大到小依次为：F>FBlow>FBhigh>FS>CK，其中，CK处理仅为11.0 mg ·(m2 ·h)-1.由表 3可知，与F处理相比，小麦季FS、FBlow和FBhigh这3个处理CH4吸收总量分别显著降低了85.0%、57.7%和37.4%；玉米季FBhigh处理CH4吸收总量降低了64.8%，其余处理差异不显著.总体而言，与F处理相比，FS、FBlow和FBhigh这3个处理的CH4的年吸收总量分别显著降低了37.4%、45.4%和50.1%(表 4).
2.5 土壤有机碳固定和净增温潜势整个小麦-玉米轮作周期结束后，不同处理0~20 cm土层有机碳含量见图 5.与F处理相比较，FBlow和FBhigh处理的土壤有机碳含量增加了34.1%和71.1%，FS处理差异不显著.受土壤有机碳含量和土壤容重变化的影响，各处理的土壤有机碳封存率(SOCSR)为1.33~16.45 t ·hm-2(表 4).与F处理相比较，FS、FBlow和FBhigh处理的SOCSR分别提高了4.11、8.09和15.12 t ·hm-2.
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图 5 不同处理土壤(0~20 cm)有机碳含量的变化 Fig. 5 Change in soil (0-20 cm) organic carbon content under different treatments |
在农业生产过程中，受小麦-玉米轮作管理措施的影响，必然会导致CO2的排放、有机碳的固定、CH4和N2 O的吸收与释放之间的差异，因此用净增温潜势(NGWP)来评价不同处理对全球变暖的相对影响(表 4).与F处理相比，FBlow和FBhigh两个处理的NGWP分别降低了24.13 t ·hm-2和58.44 t ·hm-2，FS处理无显著差异.单位产量的净综合增温潜势(NGHGI)，与F处理相比，FBlow和FBhigh两个处理的NGHGI分别降低了1.78 t ·t-1和5.06 t ·t-1(表 4).
3 讨论 3.1 秸秆、生物质炭施用对小麦-玉米产量的影响秸秆和生物质炭作用于土壤后，通过改善土壤的理化性质从而影响作物的产量[17, 18]，且对于不同作物的产量影响不同[19].本研究的结果表明，秸秆和生物质炭的施用增加了小麦产量，但是却降低了玉米产量，特别是高用量生物质炭施用条件下.这与Zhang等[20]的研究结果不同，用量为20 t ·hm-2生物质炭处理增加玉米的产量，但是40 t ·hm-2处理下玉米产量有下降的趋势.Xia等[21]研究表明，秸秆还田对太湖地区小麦-水稻轮作系统的产量影响不显著.而杨宪龙等[22]研究表明，在秸秆还田的第一年内，与施肥处理相比较，秸秆还田使得小麦产量小幅提高且玉米产量略有降低，这与我们的研究结果一致.这可能与土壤类型、作物种类、秸秆还田类型和还田量有关[23].Liu等[24]研究发现，施用生物质炭会显著增加小麦-玉米轮作制度下第一季玉米的产量，但对之后几季作物的产量没有显著影响.而Asai等[17]研究表明，高的生物质炭施用量会使土壤中氮肥有效性降低，导致作物产量的降低.对比FBlow和FBhigh两个处理可知，小麦和玉米产量均随着生物质炭施用量的增加而减少.一方面可能是由于生物质炭本身的C/N较高，促进了根际微生物对土壤中氮素的竞争[25]；另一方面可能是生物质炭的施用导致了土壤理化性质的变化，影响了作物对养分的吸收[26].特别是较高的生物质炭施用量会使得苗期玉米对土壤N、P养分的吸收量降低[27].
3.2 秸秆、生物质炭施用对温室气体排放的影响秸秆或生物质炭施用通过改善土壤的理化性质以及其自身对土壤微生物的影响从而影响对农田温室气体的排放.秸秆还田后，一部分残留于土壤中成为土壤有机质的来源，另一部分会以CO2的形式散逸到大气中，从而导致了CO2排放的增加[28].本研究发现整个小麦-玉米轮作周期内，添加8 t ·hm-2秸秆使农田土壤CO2的年排放总量显著提高60.2%.郭腾飞等[29]研究发现，在施肥条件下秸秆还田会显著增加稻田土壤CO2的排放，这与本研究的结果一致.生物质炭施用于土壤后，由于其自身孔隙度及比表面积巨大[30]，使得土壤中的部分微生物或酶被生物质炭吸附从而钝化[31]；并且生物质炭施入土壤后可以参与土壤团聚体的形成，从而抑制土壤原有机碳的分解[32].本研究表明，整个小麦-玉米轮作周期内，添加16 t ·hm-2生物质炭使农田土壤CO2的年排放总量降低了14.4%.这与Zhang等[9]的研究结果一致，施氮肥条件下，生物质炭的添加会降低稻田土壤CO2的排放总量.但是生物质炭的施用对土壤CO2的排放没有影响[20].这可能是由于土壤类型不同造成的.本研究中当添加量均为8 t ·hm-2时，添加生物质炭处理的CO2的年排放总量比添加秸秆的处理低40.1%.这与Cheng等[33]的研究结果一致.秸秆里的化合物以胺、酸类的物质为主，而经过热解转化为生物质炭之后以芳香族、烷烃及醇类的物质为主[10]，这说明与生物质炭相比，秸秆中易分解有机物的含量更高，从而增加了土壤CO2的排放[34].
旱地一般认为是CH4的净吸收汇，土壤中CH4的吸收与排放取决于产甲烷菌与嗜甲烷菌的丰度比例[35]，并且与土壤中的有机碳含量和土壤的温度、湿度有关[36].通过试验发现，在小麦生长期和玉米生长期，与施肥处理相比较，添加秸秆和生物质炭均降低了土壤CH4的吸收总量，并且CH4的吸收总量与温度呈负相关，与水分呈正相关(表 5).这与Wu等[37]的研究结果一致，在相同条件下，添加生物质炭均增加了棉花田CH4的排放.这可能是由于添加生物质炭有利于土壤温度的升高，加速有机质的分解来消耗更多的氧气从而形成土壤的厌氧环境，促进了产甲烷细菌的活性[38].同时生物质炭中一些易分解物质能够提供给产甲烷菌更多基质[39].
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表 5 温室气体气体排放与土壤孔隙含水量和土壤温度的相关性1) Table 5 Single Pearson correlation coefficient between greenhouse gas emission and water filled pore space (WFPS, %) and soil temperature |
本研究表明，与施肥处理相比，秸秆的施用使得小麦生长季农田土壤N2 O的排放总量增加了22.8%.这与Zhang等[40]研究结果一致.但是就整个小麦-玉米年农田土壤N2 O排放总量而言，添加秸秆与施肥处理并没有显著差异，这与Shan等[13]的研究结果一致.但是也有研究结果表明，秸秆的添加对稻田土壤N2 O的排放没有显著影响[41].这可能与作物的种类，土壤性质，秸秆C/N比有关[42].有研究表明，生物质炭的施用会引起土壤中参与硝化和反硝化过程的一些功能性基因的变化，从而影响N2 O的排放[43].本研究表明，生物质炭施用降低了土壤N2 O年排放总量.这与Zhang等[20]的研究结果一致.可能是由于生物质炭自身呈碱性，施入土壤后会增加反硝化过程中N2 O的还原，从而抑制土壤N2 O排放[8].本试验还发现，与施肥处理相比较，添加8 t ·hm-2秸秆对土壤N2 O年排放总量没有显著影响，但添加等量的生物质炭显著降低了N2 O的年排放.这与Wu等[44]的研究结果一致.这说明秸秆转化成生物质炭会释放能源并且抑制土壤N2 O排放[45].
3.3 秸秆和生物质炭施用对净增温潜势的影响本研究综合考虑了秸秆和生物质炭施用条件下土壤有机碳的变化、CH4/N2 O吸收/排放通量的变化，并用净增温潜势(NGWP)综合评价不同处理下的差异.这与Zhang等[20]的研究结果不同，评价生物质炭施用对增温潜势的影响时没有考虑土壤有机碳增量的变化.本研究表明，添加秸秆使得土壤CH4的年吸收总量显著降低，且显著提高了土壤CO2的年排放总量，但对土壤有机碳含量没有显著的影响.生物质炭的施用不仅降低了土壤N2 O、CO2的年排放总量和CH4的年吸收总量，同时还增加了土壤有机碳含量.这与Liu等[24]、张婷等[46]的研究结果一致.就小麦-玉米轮作系统土壤的净增温潜势而言，与施肥处理相比较，添加8 t ·hm-2和16 t ·hm-2生物质炭处理净增温潜势分别降低了24.13 t ·hm-2和58.44 t ·hm-2.同时单位产量的净综合增温潜势分别降低了1.78 t ·t-1和5.06 t ·t-1.
4 结论(1)与施肥处理相比较，添加8 t ·hm-2秸秆、添加8 t ·hm-2和16 t ·hm-2生物质炭分别使小麦产量提高了30.9%、66.3%和36.6%；添加8 t ·hm-2秸秆和16 t ·hm-2生物质炭分别使玉米产量降低了14.1%和24.6%，添加8 t ·hm-2生物质炭对玉米产量没有显著性影响.
(2)与施肥处理相比较，秸秆的施用对整个小麦-玉米轮作农田土壤N2 O年排放总量没有显著性差异，但CO2的年排放总量显著提高了60.2%，且CH4的年吸收总量降低了37.4%.添加8 t ·hm-2和16 t ·hm-2生物质炭的两个处理，整个小麦-玉米轮作农田土壤N2 O年排放总量分别显著降低了27.6%和38.7%，CH4的年吸收总量分别降低了45.4%和50.1%；添加16 t ·hm-2生物质炭处理CO2的年排放总量显著降低了14.4%.
(3)与施肥处理相比，添加8 t ·hm-2和16 t ·hm-2生物质炭使净增温潜势分别降低了24.13和58.44 t ·hm-2；单位产量的净综合增温潜势分别降低了1.78和5.06 t ·t-1.
(4)综上所述，对于小麦-玉米轮作系统而言，施用16 t ·hm-2生物质炭可作为一种提高作物产量并降低净增温潜势的良好措施.
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