2018, Vol. 39
2. 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715
, GAO Ming1,2
, GUO Xiao-min1 , NIU Hai-dong1 , LI Ting1 , SUN Tao1 , CAO Qun-ling1 , TANG Jia-hao1
2. Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Chongqing 400715, China
气候变暖是当今国际社会普遍关注的全球性问题, 也是当今全球面临的重大挑战[1].水稻是世界三大粮食作物之一, 据统计, 每年稻田排放CH4的总量约占总排放量的12%[2], 水稻田CH4的排放对世界CH4源的贡献非常重要.稻田产生的另一主要温室气体是N2O, N2O在大气中的浓度虽远低于CO2, 但其温室效应是CO2的265倍, 温室效应贡献率为5%, 而且它对臭氧层有间接破坏作用[3].因此, 探索和推广稻田温室气体减排措施, 对缓解全球变暖具有重要意义[2~4].
生物炭作为一种重要的再利用资源一直受到人们的关注, 它可以减少温室气体排放[5], 增加碳汇[6].向土壤中施加生物炭对土壤温室气体排放的影响是当前国际生物炭研究的前沿领域, 也是关乎废弃有机物资源能否实现生物炭还田的关键[7].生物炭在农田土壤的固碳减排作用来自于其自身高度的化学稳定性和生物稳定性[8], 它是在厌氧或者无氧的条件下对秸秆等生物质废弃物进行热解[9], 生成的含有丰富空隙、含碳量高、生物降解速率以及氧化速率非常慢的固体[10], 通过碳封存技术锁定和降低大气中CO2来减少温室气体排放[6].
近年来, 关于生物炭添加对土壤温室气体排放影响的研究较多, 但研究结果存在较大的差异和分歧[11~18]. Karhu等[14]的研究认为, 生物炭施用增加了土壤的通气性, 促进CH4氧化而减少排放.而Zhang等[15]的试验结果发现生物质炭施入增加了稻田CH4排放. Liu等[11]通过对我国多个生物炭大田试验点的数据总结发现, 生物炭在不同的土壤和作物类型下, 以及不同类型的生物炭处理对土壤呼吸均没有显著影响, 而Zheng等[13]认为生物炭会促进土壤CO2的排放. Kammann等[16]认为高温生产的生物质炭施入土壤后CO2排放量小于低温生物质炭处理. Zhang等[12]对20 t·hm-2和40 t·hm-2生物炭配施化肥的旱地玉米温室气体排放的研究认为, 不施氮肥时, 施用40 t·hm-2生物炭的土壤CO2排放增加12%, 而CH4和N2O综合温室效应随着生物炭施用量的增加而减少. Sagrilo等[17]研究认为多数室内培养试验中, 生物炭施入土壤中会显著增加土壤CO2排放量.郭艳亮等[7]对两种不同材料生物炭的研究发现, 对N2O的排放影响没有明显规律性.而Cayuela等[18]研究认为, 生物炭显著降低N2O排放总量的49%.近期的研究主要从土壤条件、作物种类、生物炭材料等方面考虑对温室气体排放的影响.但是多数学者在生物炭与化肥配施的过程中, 忽略了不同生物炭施用量对土壤温室气体排放的影响及规律, 而生物炭施用量在紫色水稻土中温室气体排放的影响还鲜见报道, 本文选取西南地区典型的紫色水稻土为研究对象, 探索不同生物炭施用量与化肥配施土壤温室气体排放的特征, 对减少农业温室气体排放具有重要的科学理论意义和实践价值.
1 材料与方法 1.1 试验设计试验在西南大学温室大棚内以盆栽方式进行, 试验地点海拔242 m, 年平均气温18.3℃.最高气温7月平均28.7℃, 最低气温1月平均7.7℃, ≥10℃积温6 006℃.供试土壤取自西南大学试验农场(E106°24′41″, N29°48′47″), 为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的灰棕紫泥土.其基本理化性质为：有机碳含量13.95 g·kg-1, 碱解氮121.52mg·kg-1, 有效磷264.25mg·kg-1, 速效钾206.32 mg·kg-1, pH为7.86.土壤装盆前先过2 mm筛, 再加以充分混合后装盆.试验盆钵为可再生性PVC密闭圆桶, 上口直径24.4 cm, 下口直径21.0 cm, 高度23.0 cm, 每盆装入6 kg干土.供试水稻品种为宜香优2115, 2017年3月10日播种(图 1), 2017年5月14日插秧, 定苗2穴, 每穴2株, 9月15日收割.水稻在试验期间土壤一直处于淹水条件下, 苗期和返青期2~3 d浇一次水, 分蘖期、拔节期、抽穗期和乳熟期阴雨天气1 d浇一次水, 遇晴天及高温天气1 d浇水2~3次, 一直保持水稻在试验期间淹水3~5 cm.试验共设5个处理：①不施肥(CK)、②施化肥(NPK)、③施用低量生物质炭10 t·hm-2+NPK(LBC)、④施用中量生物质炭20 t·hm-2+NPK(MBC)、⑤施用高量生物质炭40 t·hm-2+NPK(HBC), 每个处理6次重复, 试验采取随机排列.
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图 1 水稻生长期及农作处理时间示意 Fig. 1 Growth of crops and the management of fields |
肥料施肥：按照当地农民习惯, 氮肥按N 0.2 g·kg-1, 磷肥按P2O5 0.12 g·kg-1, 钾肥按K2O 0.16 g·kg-1施入.供试肥料为尿素(N质量分数46%), 过磷酸钙(P2O5质量分数12%), 钾肥(KCl质量分数60%).氮肥施肥比例为基肥：分蘖肥=60%：40%.基肥于5月6日施入; 在6月1日施入追肥.钾肥、磷肥作为底肥一次施入.基肥和不同施用量生物炭与土样一起充分混匀后, 装入盆中, 追肥溶于水中施于土壤表面.每个处理中除CK外, 各处理保持等氮磷钾的输入处理(表 1).试验中所用生物炭由四川省久晟农业有限责任公司提供, 以油菜秸秆为原料在500℃高温厌氧条件下热解2 h烧制, 其碳含量为62.58%, 氮含量为4.36g·kg-1, 磷含量为0.97 g·kg-1, 钾含量为10.5g·kg-1, pH为8.9.
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表 1 不同处理施肥量/g·盆-1 Table 1 Amount of fertilizer applied in different treatments/g·pot-1 |
1.2 分析方法
本试验采用静态暗箱法采集CH4、CO2和N2O这3种气体.用于气体采集的箱体均设计成分节组合式标准箱, 由顶箱、延长箱和底座组成.顶箱和延长箱均由不锈钢制成, 箱体尺寸均为30 cm×30 cm×50 cm, 箱体外覆白色棉被, 防止在太阳辐射下箱内温度升高, 每盆水稻底部固定一个高度3 cm、直径50 cm的PVC柱作为底座.顶箱上部装有2个轴流扇, 用于混合箱内气体, 侧面安装有电源插头和气体样品采集口.采样时视作物生长情况适时增加延长箱, 将顶箱或延长箱罩在底座上, 用水密封.采样频率为每7~10 d一次, 每次采样时间控制在上午08:30~11:30进行, 遇到施肥情况, 采样频率增加, 为每1~3 d一次, 持续10 d.扣箱后立刻用60 mL的三通阀注射器采集第一次样品, 之后每隔10 min采集一次, 共采集4次样品, 采样后立即将样品带回实验室分析.气体样品采用Agilent GC-7890A气相色谱仪进行分析, CH4用FID检测器(火焰离子化检测器), N2O用ECD检测器(电子俘获检测器), 具体分析方法及工作条件详见文献[7].标准气体由中国计量科学研究院提供(摩尔分数分别为CH4 10.3×10-6和N2O 407×10-9), 根据4个气样浓度随采样时间的变化率, 参照文献[19]的方法, 计算排放通量.通过内插累加法[20]求得全年CH4、CO2和N2O的排放通量.综合增温潜势(GWP)的计算方法参照文献[21].
自然风干后的土壤过1 mm筛用于测定土壤pH、碱解氮、有效磷、速效钾, 土壤pH采用pH计(美国Sartorius公司PT-10 pH测定仪)测定(土水比1：2.5), 土壤碱解氮采用碱解扩散法测定, 土壤有效磷采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定, 土壤速效钾采用NH4Ac浸提-火焰光度计法测定; 并过0.25 mm筛测定土壤有机碳(SOC), SOC采用重铬酸钾容量法测定.具体测定详细步骤参见文献[22, 23].
1.3 数据处理及分析试验数据采用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理, Origin 8.5作图, 不同处理间差异采用SPSS 22. 0统计分析软件进行多因素方差分析, LSD法进行显著性检验(P=0.05).
2 结果与分析 2.1 生物炭施用量对水稻生育期CH4排放的影响图 2 (a)显示, 5种曲线的变化趋势基本一致, 整个监测期内, 与CK处理相比, 生物炭对土壤CH4的排放表现出明显的抑制效应.对于生物炭不同施用量处理, CH4的排放量随着生物炭添加量的增加而降低.施肥处理中, NPK处理水稻CH4的排放量最高, HBC处理显著减少了CH4的排放通量, 平均通量较NPK处理减少了57.77%.除HBC处理外, 各处理均在抽穗期8月25日出现CH4排放通量峰值, 说明水稻抽穗期CH4排放通量增加, NPK、LBC、MBC和CK处理CH4排放通量最高峰值分别为(47.34±12.04)、(36.8±8.83)、(29.25±1.29)、(26.28±0.57)mg·(m2·h)-1, 均高于9月11日HBC处理的CH4排放通量最高峰值(18.99±3.98)mg·(m2·h)-1.
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图 2 不同处理对紫色水稻土CH4排放通量和累积排放量的影响 Fig. 2 Effects of different treatments on CH4 flux emissions and cumulative emissions in purple paddy soil |
从图 2(b)可以看出, 不同施用量生物炭添加处理下整个水稻生育期CH4排放总量较CK和NPK处理显著减少, CH4的排放总量随着生物炭添加量的增加而显著降低. CK(62.65±1.64)kg·hm-2和NPK(61.7±2.97)kg·hm-2处理CH4排放总量差异并不显著, 说明化肥的添加对CH4排放并无显著影响. HBC处理水稻生育期CH4排放总量为(27.28±1.33)kg·hm-2, 较CK处理下降了56.46%; MBC处理和LBC处理水稻生育期CH4排放总量为(36.18±0.93)kg·hm-2和(49.35±1.97)kg·hm-2, 较CK处理下降了42.25%和21.22%.不同施用量生物炭添加处理间CH4排放总量差异也十分显著, MBC处理比LBC处理水稻生育期CH4排放总量减少了26.69%, HBC处理比MBC处理CH4排放总量减少了24.6%.生物炭施用量在0、10、20和40t·hm-2下, 投入量每增加一个梯度, CH4排放总量减少21.22%~26.69%.
2.2 生物炭施用量对水稻生育期CO2排放的影响图 3(a)显示, 与CK处理相比, 添加生物炭均促进了土壤CO2的排放, 并延后了CO2排放通量最高峰值出现的时间, LBC处理的CO2排放量增加表现最明显.施追肥10 d后, NPK处理CO2排放通量出现最高峰值(1 350.88±256.65)mg·(m2·h)-1, 且整个监测期内, NPK处理CO2排放通量均显著高于CK处理, 说明化肥的施用会增加CO2的排放.等氮磷钾施用条件下, 化肥施用比生物炭配施化肥对CO2排放的增加效应更明显. CK处理CO2排放通量最高峰值(560.5±105.12)mg·(m2·h)-1出现在6月18日, 比纯施化肥处理CO2排放通量最高峰值延后了一周. MBC(897.5±50.58)mg·(m2·h)-1和HBC(1 033.0±186.61)mg·(m2·h)-1处理CO2排放通量均呈单峰型, 最高峰值出现在分蘖期7月3日; 而LBC处理CO2排放通量呈双峰型, 最高峰值出现在分蘖期7月3日和抽穗期8月16日, 峰值分别为(1 075.04±41.39)mg·(m2·h)-1和(1 046.1±61.85)mg·(m2·h)-1.
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图 3 不同处理对紫色水稻土CO2排放通量和累积排放量的影响 Fig. 3 Effects of different treatments on CO2 flux emissions and cumulative emissions in purple paddy soil |
不同施用量生物炭添加处理下整个水稻生育期CO2排放总量较CK处理显著增加[图 3(b)], 较等氮磷钾条件下纯施化肥处理显著减少; 纯施化肥处理(3 036.96±124.32)kg·hm-2 CO2排放总量显著高于对照处理(1 742.882±71.76)kg·hm-2, 较CK处理增加了74.2%.整个观测期CO2排放总量LBC处理(2 743.91±115.93)kg·hm-2、MBC处理(2 568.93±102.55)kg·hm-2和HBC处理(2 442.95±113.18)kg·hm-2较对照处理分别增加了57.43%、47.4%和40.17%, 比等氮磷钾条件下纯施化肥处理减少了9.65%、15.41%和19.56%.生物炭不同添加处理间, HBC处理CO2排放总量比LBC处理显著减少了11.0%, MBC处理与LBC处理和HBC处理CO2排放总量差异并不显著.
2.3 生物炭施用量对水稻生育期N2O排放的影响如图 4(a)所示, 生物炭施用对水稻整个生育期N2O排放通量的影响无明显规律性, N2O排放通量变化曲线受到化肥的显著影响.施追肥1 d后, MBC处理N2O排放通量出现最高吸收峰值(-309.39±27.07) μg·(m2·h)-1, CK处理、NPK处理和LBC处理也出现不同程度的吸收峰值; 施追肥4 d后, NPK处理N2O排放通量出现最高峰值(198.59±85.59) μg·(m2·h)-1, MBC和HBC处理N2O排放通量也分别出现最高峰值(389.67±97.15) μg·(m2·h)-1和(895.48±68.58) μg·(m2·h)-1; 施追肥一周后, CK处理(未施追肥)和LBC处理N2O排放通量出现最高峰值(22.21±15.41) μg·(m2·h)-1和(124.19±96.07) μg·(m2·h)-1. MBC处理在分蘖后期7月14日出现吸收峰值(-263.82±15.16) μg·(m2·h)-1, LBC处理在拔节期7月24日出现最高吸收峰值(-274.45±13.95) μg·(m2·h)-1.
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图 4 不同处理对紫色水稻土N2O排放通量和累积排放量的影响 Fig. 4 Effects of different treatments on N2O flux emissions and cumulative emissions in purple paddy soil |
图 4(b)是整个观测时期内不同施用量生物炭处理下N2O排放总量.对照处理在整个观测期以吸收N2O为主, 但吸收总值仅为(2.37±1.9) g·hm-2. NPK、LBC和MBC处理N2O排放总量差异并不显著, 平均N2O排放总量在51.56~66.23 g·hm-2之间, 较对照处理提高22.71~28.09倍. HBC处理N2O排放总量(460.46±39.87) g·hm-2显著高于其他处理, 是其他生物炭处理的3.6~8.5倍.
2.4 不同施用量生物炭处理对水稻温室气体增温潜势的影响不同处理的增温潜势大小同其CH4季节总排放量顺序相同(表 2), 由于稻田排放N2O的量非常少, 因此整个观测期CH4对温室气体综合增温潜势影响明显, 稻田减缓温室气体增温潜势的主要目标就是减少CH4排放.在100年尺度下, 不同施用量生物炭处理显著减少水稻温室气体的增温潜势, 且生物炭施用量越多, 对温室气体增温潜势的抑制作用就越明显.
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表 2 不同处理对紫色水稻土综合增温潜势的影响(以CO2计)/kg·hm-2 Table 2 Effects of different treatments on GWP in purple paddy soil(CO2)/kg·hm-2 |
对照和纯施化肥处理增温潜势基本相同(表 2), 与对照相比, 不同施用量生物炭处理均可显著减少水稻温室气体的综合增温潜势, LBC处理、MBC处理和HBC处理平均GWP分别比对照处理减少了20.39%、41.45%和49.44%, 比等氮磷钾条件下纯施化肥减少了20.0%、41.1%和49.2%.不同施用量生物炭处理之间GWP值差异显著, HBC处理较LBC和MBC处理GWP分别减少了36.49%和13.65%, MBC处理GWP值较LBC处理减少了26.46%.
3 讨论 3.1 生物炭对CH4排放的影响本试验中, 生物炭添加土壤后, CH4的释放均受到显著的抑制作用, 且生物炭施加量越多, CH4排放的抑制作用越明显, 这与郭艳亮等[7]的研究结果一致.土壤CH4的排放主要是由产甲烷菌在淹水厌氧条件下产生的[24], 因此, 生物炭对CH4的减排可能由于生物炭抑制产甲烷菌的活性而使产甲烷菌的比例降低[25].而且, 生物炭拥有巨大的表面积和发达的孔隙结构, 能够吸附土壤中的CH4[26]. CH4排放通量介于-0.05~47.34 mg·(m2·h)-1之间, 这个范围与郭腾飞等[21]的研究结果一致.整个观测期内, CH4排放通量变化曲线与张军科等[27]的研究结果基本一致, 但与石将来等[20]、郭腾飞等[21]的CH4排放通量变化曲线并不一致, 原因一方面可能是与氮肥施入量有关, 其研究施入化肥偏多, 本研究按照当地农民的习惯合理精确控制化肥的用量, 使得在水稻生育期早期CH4排放通量未出现峰值; 另一方面, 生物炭能够吸附土壤中的有机物, 进入生物炭表面孔隙中的有机物被保护起来, 不易被外界微生物所分解, 从而减少了土壤有机碳的矿化[28].生物炭对土壤CH4排放的影响, 还可通过改变土壤微生物种群结构的多样性及微生物(如甲烷氧化菌)活性、土壤理化性质(如容重、pH、氧化还原电位、持水性)等途径来实现[7].
3.2 生物炭对CO2排放的影响在水稻生育期内, 化肥和生物炭处理改变了CO2的排放特征.与不施化肥处理相比, 纯施化肥CO2的排放通量峰值约提前一周.不同施用量与化肥配施处理CO2的排放通量峰值的出现比纯施化肥处理延后20 d左右, 原因可能是生物炭施入土壤中吸附固定可溶性有机碳并减缓有机质矿化造成的[29].与对照处理相比, 生物炭施入土壤后, 均不同程度地促进了CO2的累积排放量, 这与郭艳亮等[7]的研究结果一致.本文中CO2累积排放量(1 742.88~3 036.96)kg·hm-2与张蕾等[30]的研究结果一致, 但生物炭与化肥配施均比常规施肥显著降低了CO2累积排放量, 而其有机肥处理CO2累积排放量远远高于化肥处理, 说明生物炭与化肥配施在抑制CO2排放的方面要优于有机肥配施化肥处理.本研究结果显示, 生物炭与化肥配施较NPK处理可以抑制CO2的总排放量, 并且生物炭施用量越多, 对CO2排放的抑制作用越明显, 这与Liu等[31]的研究结果一致, 原因可能是生物炭的强吸附性固持了土壤中的氮磷钾, 促进土壤团聚体的形成而对土壤有机质形成物理保护, 减缓纯施化肥对有机碳的矿化.
3.3 生物炭对N2O排放的影响本研究结果显示, 生物炭与化肥配施处理反而促进N2O的排放, 原因可能是由于长期淹水条件下, 使得土壤中生物炭添加没有减排效应[32].由于稻田排放N2O的量非常少, 各处理N2O的排放通量在-309.39~895.48 μg·(m2·h)-1之间, 大约是甲烷排放量的0.004%~1.69%, 虽然比李露等[33]的结果变化波动更为剧烈, 但是同样没有显著规律.与CK处理相比, 纯施化肥与添加生物炭处理均显著增加N2O的累积排放量.其中HBC处理N2O的累积排放量最高, LBC处理、MBC处理和纯施化肥处理N2O的累积排放量差异并不显著, 这可能由于稻田N2O排放非常少, 生物炭对N2O排放的影响有很大变异造成的[34].稻田生态系统中N2O的排放起始于土壤N2O的产生以及传输至大气的整个过程[21], 土壤排放的N2O是通过生物学过程产生的[35], 通常硝化作用和反硝化作用被认为是土壤N2O产生的主要过程[7]. Sánchez-García等[34]认为高量生物炭通过硝化作用增加土壤N2O的排放, 这也可能是HBC处理N2O的累积排放量显著高于其他处理的原因之一.化肥尤其是氮肥的施用对N2O的排放影响显著, 化肥作为底肥施用到追肥施用这段时间内, N2O的排放通量较少, 原因可能是插秧初期土壤中氧气较充足, 使得相关微生物在进行硝化和反硝化作用时减少了中间产物N2O的排放.追肥施用1 d后, 各处理N2O的排放通量出现负值, 可能是高浓度的氮肥造成了相关微生物对环境的不适应性, 使得N2O排放减少.追肥施用一段时间后, 微生物对环境适应逐渐提高, 促进硝化和反硝化过程的进行, 随着氧气的减少, 引起土壤N2O排放峰值的出现[36].而有学者研究认为生物炭对土壤N2O具有减排效应[18, 35], 这可能与生物炭原料、裂解温度、土壤质地、施肥措施和温度有关.
3.4 生物炭对GWP的影响本研究采用IPCC确定的因素[37]来评价100年尺度上不同施肥措施下水稻生育期CH4和N2O的综合温室效应.与纯施化肥处理相比, 生物炭可显著降低水稻整个生育期的综合温室效应, 且生物炭施用量越多, 对综合温室效应的抑制作用越明显, 与李露等[33]的研究结果大致相同, 其认为不施氮肥对稻麦轮作处理GWP的影响低于生物炭处理, 但是本研究结果显示不同施用量生物炭处理均比CK处理显著降低其温室效应, 原因是李露等的研究麦季不同施肥措施所排放N2O对GWP的贡献高于稻季CH4对GWP的贡献, 因此施用氮肥后各处理的温室效应较高.而本研究不同施肥措施所排放N2O对综合温室效应的贡献远低于CH4, 各处理的增温潜势中, N2O所占比重最高的HBC处理也仅仅为13.8%, 其他的甚至可以忽略不计, 这与Liu等[38]的研究结果一致.但是有研究表明, 在500年时间尺度上的化肥处理N2O的增温潜势占到了79%[39], 因此也不能忽视对于N2O排放的研究.
4 结论(1) 整个监测期内各生物炭处理紫色水稻土CH4累积排放量显著减少(P＜0.01), 生物炭施用量越多, 对CH4排放量的抑制作用越明显, 不同生物炭处理间差异显著(P＜0.01).与CK处理相比, 施用化肥对CH4累积排放量的抑制作用并不明显.
(2) 生物质炭施用对紫色水稻土CO2排放的效应因施化肥与否而异.与不施化肥处理相比, 各生物炭处理促进土壤表面CO2排放(P＜0.01);与纯施化肥处理相比, 各生物炭处理抑制土壤表面CO2排放(P＜0.05), 且不同生物炭处理土壤CO2排放通量随添加量增加呈现降低趋势.
(3) 整体而言, 各处理对紫色水稻土N2O排放的影响与CK之间差异比较显著, 对土壤表层N2O的产生以促进作用为主, 但是不同施用量生物炭处理间规律并不明显.
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