环境科学  2018, Vol. 39 Issue (9): 4338-4347   PDF    
引用本文
李娇, 田冬, 黄容, 徐国鑫, 黎嘉成, 高明, 王子芳. 秸秆及生物炭还田对油菜/玉米轮作系统碳平衡和生态效益的影响[J]. 环境科学, 2018, 39(9): 4338-4347.
LI Jiao, TIAN Dong, HUANG Rong, XU Guo-xin, LI Jia-cheng, GAO Ming, WANG Zi-fang. Effects of Straw and Biochar Addition on Soil Carbon Balance and Ecological Benefits in a Rape-maize Rotation Planting System[J]. Environmental Science, 2018, 39(9): 4338-4347.
秸秆及生物炭还田对油菜/玉米轮作系统碳平衡和生态效益的影响
李娇, 田冬, 黄容, 徐国鑫, 黎嘉成, 高明, 王子芳     
西南大学资源环境学院, 重庆 400715
收稿日期: 2017-12-07; 修订日期: 2018-03-10
基金项目: 重庆市农业综合开发办项目（CQNZ2016DY12）；国家重点研发计划项目（2017YFD0800101）
作者简介: 李娇(1995~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤质量与环境, E-mail:840658493@qq.com
通信作者: 王子芳, E-mail:zifangw@126.com
摘要: 在油菜/玉米轮作下，研究不同秸秆与生物炭还田方式对农田生态系统碳平衡和收益的影响，阐明秸秆和生物炭还田的固碳作用.在重庆国家紫色土肥力与肥料效益长期监测基地，通过油菜和玉米两季作物田间定位试验，设置了常规施肥（CK）、秸秆还田（CS）、生物炭还田（BC）、秸秆+速腐剂还田（CSD）、秸秆+生物炭1：1还田（CSBC）5个处理，测定了秸秆与生物炭还田下土壤碳累积排放量，并结合实地调研数据，从土壤呼吸碳排放、土壤碳库及作物碳库角度兼顾考虑农业成本投入，分析了秸秆与生物炭还田下农田生态系统碳排放、碳固定、碳汇效应和经济环境效益.结果表明：①两季作物的土壤碳累积排放量均高于对照（CK），其中秸秆直接还田（CS）处理和秸秆+速腐剂还田（CSD）处理显著（P < 0.05）；②与CK对比，秸秆及生物炭还田均能提高两季作物产量与生态系统净初级生产力（NPP），增产1.49%~3.92%，NPP提高了4.44%~17.90%，且秸秆+速腐剂处理（CSD）的两季作物产量与NPP均为最大；③各处理（除CK外）均为系统净固碳量正值，表现为"碳汇"；在油菜季和玉米季两季中，系统净固碳量最高的分别为秸秆+速腐剂还田（CSD，9.05 t·hm-2）和生物炭还田（BC，10.75 t·hm-2）处理，而碳排放量最低的均是生物炭（BC）处理，比CK减少62.69%~81.86%.④油菜季的秸秆直接还田（CS）处理的两季作物产投比最高，而两季作物的BC处理均会降低产投比，但其碳排放交易量最高（466.95~561.22元·hm-2）.⑤两季作物的BC处理均会提高碳生产力（CP），而BC处理的经济效益（CJ）与生态效益（CE）均显著低于其他处理.秸秆直接还田增加了系统的经济效益和生态效益，而生物炭还田降低了系统的经济效益和生态效益.
关键词: 秸秆      生物炭      紫色土      碳平衡      碳效益     
Effects of Straw and Biochar Addition on Soil Carbon Balance and Ecological Benefits in a Rape-maize Rotation Planting System
LI Jiao , TIAN Dong , HUANG Rong , XU Guo-xin , LI Jia-cheng , GAO Ming , WANG Zi-fang     
College of Resource and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China
Abstract: The effects of different straw and biochar applications on the carbon balance of a farmland ecosystem were studied under a rape-maize rotation planting system. The study explored impact of straw and biochar addition on soil carbon sequestration. A field experiment was carried out at the National Monitor Station of Soil Fertility and Fertilizer Efficiency of Purple Soils (Chongqing, China). Five treatments, i.e., control (CK, no organic material), straw only (CS), straw and microorganism (CSD), half straw and half biochar (CSBC), and biochar only (BC), were applied. In-situ cumulative emissions of soil total carbon were subsequently monitored. Based on field experiment and survey data, carbon emissions, carbon sequestration, and and economic and environmental benefits were analyzed for soil respiration, soil carbon pool, crop carbon pool, as well as the cost of agricultural inputs after straw and biochar application. The main results were:①Accumulative emissions of soil carbon during two planting seasons were all higher with treatment than in CK, and the differences between CS, CSD, and CK were significant (P < 0.05). ②Compared with CK, both straw and biochar treatments increased crop yield (by 1.49%-3.92%) and crop net primary productivity (NPP) increased by 4.44%-17.90%. Largest yields and NPP during both seasons were achieved with CSD.③Net carbon sequestration was positive during both seasons in all treatments without CK, indicating a carbon sink effect. The highest net carbon sequestration was obtained with CSD (9.05 t·hm-2) and BC (10.75 t·hm-2) treatments. The lowest carbon emissions were obtained with the BC treatment, with emissions 62.69%-81.86% lower than CK. ④The highest production to cost ratio was obtained with CS treatments during the rape planting season. Application of only biochar reduced the production to cost ratio but increased the carbon trading income (466.95-561.22 yuan·hm-2).⑤BC treatment increased carbon productivity (CP) in both seasons, while the economic (CJ) and ecological benefits(CE) of BC treatment were significantly lower than with other treatments. The addition of straw increases economic and ecological benefits; however, addition of biochar reduces such benefits.
Key words: straw      biochar      purple soil      carbon balance      carbon benefit     

农田生态系统作为陆地生态系统的一个重要组成部分, 其碳库一直是全球碳库中最活跃的部分, 对维持全球碳平衡具有很重要的作用[1, 2].农田生态系统是受人类强烈调节与控制的复合系统, 其碳循环受各类农作措施的影响极大, 耕作施肥和秸秆还田等农业活动可使农田土壤有机碳的数量和质量发生变化[3], 农作物秸秆是一种可再生能源, 还田处理不仅可以促进农业节水、节约成本、增产、增效; 同时还能减少由于燃烧或移除秸秆造成的碳损失, 有效地增加土壤碳储量, 从而有利于减缓大气CO2浓度的上升趋势[4], 具有明显的经济环保效益.秸秆不同的还田方式对提高农作物秸秆利用和增加土壤碳固定具有重要意义[5].有研究证实, 秸秆促腐还田可以加速秸秆腐解进程、提高土壤微生物活性、改善土壤养分状况、增加土壤活性有机碳和有利于作物生长发育并提高产量[6, 7].秸秆生物炭是有机质源变性的一种重要形式, 其回田利用对土壤环境和作物生长将产生重要影响.由于农田生态系统碳循环涉及到其多个子系统(如作物、土壤、大气等)的物质循环和迁移转化, 因而, 对农田生态系统中不同形式秸秆还田的碳增汇/减排潜力的评估, 有利于揭示碳循环的作用机理和调控机制, 为农田生态系统的经济环境效益评价做出依据.目前, 国内外对生态系统碳汇效应的研究以稻田生态系统为主, 主要集中在不同施肥措施和保护性耕作下土壤固碳和土壤温室气体排放的差异[8~10], 且在各种农作措施中, 前人研究主要利用秸秆直接还田或秸秆还田与不同耕作方式相结合的方法来探讨对农田生态系统的影响[11, 12], 而对秸秆与生物炭还田的不同利用方式、还田对紫色土旱地农田生态系统的碳汇效应及经济环境效益的影响研究还鲜有报道.因此, 本文以油菜/玉米轮作体系的农田生态系统为研究对象, 利用生态系统净初级生产力, 土壤碳库、土壤呼吸碳排放以及生态系统的物质投入和实地调研等资料, 定量评估以秸秆为原料的秸秆与生物炭还田措施下农田生态系统的固碳减排潜力, 从物质消耗和系统碳足迹角度, 比较了不同形式的秸秆还田下农田生态系统的农业投入碳排放、系统净初级生产力和系统净碳汇的差异, 同时对比分析了不同形式的秸秆还田处理的投入-收益的经济生态效益.揭示秸秆与生物炭还田下农田生态系中秸秆资源化利用和碳减排的经济环境可行性, 以此优化秸秆科学利用措施及途径, 以期为秸秆高值化利用与构建低碳减排生态圈, 并为实现经济与环境效益共赢提供参考依据.

1 材料与方法 1.1 研究地点及试验材料

试验地点位于重庆市北碚区“国家紫色土肥力与肥料效益长期监测基地”, 海拔266.3 m, 年平均气温18.3℃. 7月最高和1月最低气温平均为28.7℃和7.7℃, ≥10℃积温6 006℃, 年降雨量1 086.6 mm, 年日照时数1 276.7 h, 属于亚热带季风气候.供试土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土, 中性紫色土亚类, 灰棕紫泥土属, 是重庆、四川紫色土区分布最广的一种土壤.其基本理化性质为：有机碳含量9.98 g·kg-1, 碱解氮135.65 mg·kg-1, 速效磷17.38 mg·kg-1, 速效钾206.32 mg·kg-1, pH为6.7.

试验中所用生物炭由四川省久晟农业科技有限责任公司提供, 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625.8 g·kg-1, C/N为45.52, pH为8.9.水稻秸秆的有机碳含量为412.5 g·kg-1, C/N为47.74, 油菜秸秆的有机碳含量为392.1 g·kg-1, C/N为41.56.将秸秆粉碎机粉碎成2 cm左右, 生物炭过10 mm筛, 备用.

1.2 试验设计

本试验以“等碳量”原则还入秸秆或生物炭, 共设置5个处理, 分别为①无物料还田, CK; ②8 000 kg·hm-2秸秆还田, CS; ③8 000 kg·hm-2秸秆+16 kg·hm-2速腐剂还田, CSD; ④5 274 kg·hm-2生物质炭还田, BC; ⑤4 000 kg·hm-2秸秆+2 637 kg·hm-2生物质炭, CSBC; 各处理3次重复; 采用随机区组排列在15个2 m×1 m能独立排灌的微区内, 各个微区的水肥管理均相同.

试验种植模式采用”油玉新两熟”制, 于2015年10月11日开始, 2016年8月1日结束, 各作物的氮、磷、钾、硼养分用量根据《中国主要作物施肥指南》来确定, 各季作物栽培方式和田间管理措施按照当地习惯进行.其中油菜2015年10月11日育苗, 2015年11月3日移栽, (96v44, 密度8万株·hm-2), 2016年4月19日收获.玉米于2016年4月9日育苗, 4月20日移栽, 玉米(中豪9号, 密度4万株·hm-2)8月1日收获.各处理油菜施肥量相同, 氮、磷、钾肥和硼肥用量分别为150、90、90和15 kg·hm-2.氮肥分基肥和薹肥两次施用(基肥占70%), 磷、钾、硼肥做基肥一次性施用.基肥和薹肥分别于2015年11月1日和2016年2月20日施用, 施用方法为小雨前后撒施.玉米季各处理的氮、磷、钾肥分别为180、60、90 kg·hm-2, 作为基肥在玉米移栽时施入.氮、磷、钾和硼肥品种分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)、硫酸钾(K2O 51%)和硼砂(含B 12%).所有处理田间管理技术与当地农民习惯一致, 其中油菜季还水稻秸秆, 玉米季还油菜秸秆.

1.3 试验方法

试验期间每7 d测一次CO2排放, 并于油菜(玉米)收获后采集0~20 cm土样, 自然风干后过0.25 mm筛测定土壤有机碳含量(TOC). 2016年5月油菜收割后、2016年8月玉米收获后分别采集0~20 cm层原状土, 每个微区采集5点, 将5点土样混合成一个样品, 装入袋中运回实验室.

作物收获时, 微区单打单收, 记录作物籽粒的单穗重、千粒重、总产量, 整个微区作物地上秸秆量、地上凋落物量、挖取地下土壤中作物根系, 最后将地上和地下鲜样于烘箱中105℃杀青1 h, 再80℃烘干至恒重, 用重铬酸钾外加热容量法测定各部分碳含量.详细记录每种作物从播种到收获时期内的施肥、打药、除草等人工管理活动, 农药投入量、化肥施用量、灌溉时期及耗电量、机耕柴油消耗量等农资物品投入数据.

1.3.1 土壤碳排放量

从油菜移栽(2015年11月)到玉米收获(2016年8月), 分别每7 d在上午09:00~11:00用土壤呼吸自动监测系统(ACE-002/OPZ/SC)测定土壤呼吸强度, 前期研究表明, 此时间段的排放通量接近日平均排放水平[13, 14], 遇到降雨时适当调节测定时间.为了减少对土壤表层的扰动, 作物种植前安置好自制的PVC圈(直径为20 cm, 高8 cm)插入土壤3 cm左右, 将植物种植在圈内, 测定呼吸时每个样点持续时间为10 min, 整个作物生长季, 底座位置固定, 仅在作物收获时挖出, 待下茬作物播种前重新安置.每次在采集气体样品时, 同步监测采样箱内温度、大气温度、5 cm地温, 采样按区组进行, 以减少土壤呼吸的日变化影响.种植作物的处理上测定的当天土壤呼吸速率即为CO2排放速率Rsi.

土壤碳累积排放量估算：

(1)
(2)

式中, CCO2为土壤碳累积排放量(t·hm-2), Di为测定当天CO2排放量(g·m-2), Rsi为测定当天CO2排放速率[μmol·(m2·s)-1], 44为CO2的摩尔质量(g·mol-1), 3 600、24和10-6均为换算系数, first、last分别表示第一次、最后一次土壤CO2排放速率测定, Ni+1-Ni表示第i+1次测定与第i次测定之间间隔天数.根据油菜、玉米生育期天数, 换算成不同作物季的土壤累积CO2排放量.

1.3.2 农田生态系统碳平衡估算

本研究应用全生命周期评价系统净固碳效应, 结合全碳分析法与土壤-作物系统生物量排放法对系统的净碳收支平衡进行评估.农田生态系统净碳源/汇效应用取决于系统对吸收的大气二氧化碳减去土壤呼吸碳排放、农业生产管理中的农资物质投入及人工管理投入所消耗能源折算成碳排放(能源消耗换算成CO2-C)的平衡来估算.

(1) 农田土壤碳储量增量

(3)

式中, ΔSOC为土壤碳增量(t·hm-2), SOCi为第i次土壤有机碳含量(g·kg-1), SOC0试验开始前基础土样土壤有机碳含量(g·kg-1), BD为土壤容重g·cm-3), H为土层深度(取20 cm).

(2) 系统碳吸收(Ca)

(4)

式中, CNPP为系统内作物的净初级生产力固定碳, Ccrop为作物固碳(包括作物地上部的籽粒、秸秆、地下部的根系所包含的碳), Clitter田间凋落物残留碳.

(3) 系统碳排放(Ce)

(5)

式中, Cr为系统土壤呼吸碳排放, Ceh为生产活动所产生的碳排放, Cac为农资涉及的能源碳排放(包括农药生产碳排放Cpesticide和肥料生产碳排放Cfertilizer), Cm为系统人工管理投入的碳排放(包括灌溉活动碳排放Cirrigation、机耕消耗能源碳排放Cplowing和收割机碳排放Charvesting), C1为农事操作人工投入碳排放.

(4) 系统净碳汇(Cs)

系统净碳汇(Cs)通过土壤固碳增量、吸收与排放碳平衡计算：

(6)

式中, Ci为物料碳还田量, CNPP为净初级生产力, ΔSOC为土壤固碳量, Cg为可燃气减排碳量, Cr为土壤呼吸碳排放量, Cl为秸秆焚烧碳释放量, Ce为采用碳足迹法、根据从作物播种到收获期农田生产活动中农业投入碳排放量, 主要包括种子、农药、化肥、农膜、灌溉和机耕及收获农机使用过程中产生的碳排放, 其中, 农业机械以耗柴油量计算, 灌溉用电量计算; 各分项具体碳排放=物质投入量×碳排放系数, 不同处理物质投入和产出的数据为田间管理实际记录和已有研究, 同时部分数据来自四川省绵阳市2015年10月实地调研, 参考各项农业投入物质碳排放参数, 估测不同秸秆还田方式下农田生态系统中农业投入造成的碳排放量.农产品收获后的经济效益均以2016年的市场价格进行估算.各项碳排放系数和市场单价见表 1.

表 1 各种农业资料的碳排放系数 Table 1 Index of carbon emissions for different materials used in agricultural production

1.3.3 农田生态系统碳效率评价

(1) 碳生产力(CP)

碳生产力是农业投入碳排放量CI与经济产量Y比值, 是直接与作物产量有关, 其值越小表示单位产量粮食引起的农业投入碳释放量越低, 碳效益越高, 单位“kg·kg-1”.

(7)

(2) 碳的经济效益(CJ)

碳的经济效益是作物经济产值与农业投入碳排放量的比值, 是测量作物生产经济效益的指标, 其值越高表明作物生产中投入单位碳获得的经济价值越高.本研究中用经济产值为经济产量与2016年市场收购单价的乘积.

(8)

(3) 碳的生态效益(CE)

作物生产中碳的生态效率是指作物系统净初级生产力NPP与农业投入碳排放量的比值, 是评估农业生产可持续性的指标之一, 单位是“kg·kg-1”.其值越大表明碳汇能力越强.

(9)
1.3.4 数据处理

采用SPSS 20.0、Origin 8.5和Excel 2010软件进行数据处理、绘图制表.所有的结果均用3次测定结果的平均值表示.不同处理之间的多重比较采用LSD最小显著差数法(P < 0.05).

2 结果与分析 2.1 秸秆及生物炭还田对土壤碳累积排放量的影响

如图 1所示, 油菜季和玉米季各处理的土壤碳累积CO2排放量存在明显差异, 油菜季的土壤碳累积排放量(2.48~3.98 t·hm-2)明显低于玉米季(12.07~21.25 t·hm-2)(P < 0.05).除BC处理外, 其他处理的土壤碳累积排放量高于对照CK, 油菜季CS处理显著增加了3.19 t·hm-2, 玉米季CSD处理显著增加了15.05 t·hm-2.

图 1 不同处理下土壤碳累积排放量 Fig. 1 Soil cumulative carbon emissions under different treatments

2.2 秸秆及生物炭还田对作物产量和生态系统净初级生产力

与常规施肥CK相比, 秸秆及生物质炭还田能提高油菜和玉米产量(图 2), 其中CSD处理的两季作物的产量均最大, 较对照CK分别提高了7.0%和3.9%.如图 3所示, 油菜和玉米作物各部分的固碳量不同, 油菜主要集中于角壳和茎秆, 玉米主要集中于玉米粒和茎秆.生态系统净初级生产力(NPP)是作物生长到成熟过程中籽粒、秸秆、根系等固定的有机碳量, 秸秆及生物炭还田不同程度增加了生态系统净初级生产力.油菜季, CSD、CSBC、CS处理的NPP分别较CK提高了12.74%、9.30%、6.08%, 但各处理间的NPP差异不显著(P < 0.05).玉米季, 各处理的NPP显著高于油菜季, 秸秆及生物炭还田显著提高了玉米穗轴碳量, CK、CS、BC的根系碳量显著低于CSD、CSBC(P < 0.05);各处理的NPP较CK提高了11.11%~17.90%, 其中CSD处理的玉米季NPP最高(12.40 t·hm-2), 其次为CSBC(11.93 t·hm-2), 总体而言, CSD处理提高系统净初级净生产力效果最好.

图 2 不同处理对油菜和玉米产量的影响 Fig. 2 Effects of different treatments on rapeseed and maize yield

图 3 不同处理对油菜和玉米不同部位的固碳量的影响 Fig. 3 Effects of different treatments on carbon sequestration in different parts of rape and maize

2.3 秸秆及生物炭还田下农田生态系统碳平衡分析

整理秸秆与生物炭还田下农田系统各碳收支项, 分析不同处理下农田生态系统碳平衡(表 2).与CK相比, 其他处理增加了不同形式的碳投入量(3.14~3.30 t·hm-2), 减少了秸秆焚烧造成的大量碳损失(5.49~6.12 t·hm-2), 同时增加土壤固碳量(0.01~0.18 t·hm-2).土壤呼吸碳损失是各处理碳排放主要源, 玉米季土壤呼吸碳释放量(3.44~6.31 t·hm-2)显著高于油菜季(0.53~1.31 t·hm-2).

表 2 不同处理系统碳平衡分析/t·hm-2 Table 2 Carbon balance analysis under different treatments/t·hm-2

CS、CSD、BC、CSBC处理净固碳量均为正值, 表现为“碳汇”, 而CK为负值, 表现为“碳源”.油菜季, CSD系统净固碳量(9.05 t·hm-2)最高, 与CS相比, CSD、BC、CSBC的系统净碳固定量分别高出6.56%、5.36%、4.37%;玉米季, BC的系统净固碳量(10.75 t·hm-2)最高, 其次为CSBC(9.01 t·hm-2), 而CSD速腐剂添加增强了土壤呼吸作用, 因此CSD的系统净碳固定量较其他处理低(除CK外); 可见各不同形式秸秆还田处理能显著提高系统的固碳能力.

各处理下农田生态系统的固碳减排能力不同(图 4), 固碳能力强的处理, 其系统碳汇量就高.与CK相比, 秸秆及生物质炭处理的碳排放量显著降低(P < 0.05), 而碳固定量显著增加了3.73~4.61 t·hm-2, 但各处理(除CK外)间的碳固定量无显著差异.碳排量最低的BC, 依次比CK、CS、CSD、CSBC少排放62.69%~81.86%、27.03%~29.98%、21.49%~29.98%、23.53%~31.47%.可见生物炭还田碳汇能力较强, 增加农田生态系统碳汇量首先要减少碳排放量, 其次才是增加碳固定量.

图 4 不同处理系统碳汇能力 Fig. 4 Carbon sequestration performance under different treatments

2.4 秸秆及生物炭还田下农田生态系统经济及环境效益分析

秸秆与生物炭还田下农田生态系统经济效益如表 3所示, 各处理的经济产出收入均大于成本投入, 产投比在1.52~2.23之间, 其中油菜季产投比(1.52~1.69)小于玉米季(2.08~2.23), 产投比最高的是CS, 表明生物质气炭联产技术经济收益低于秸秆直接还田.油菜季各处理的纯利润在3 012.03~3 487.01元·hm-2之间, 其中利润最高的为CS处理, 其系统净固碳量8.49 t, 折合农田每吨秸秆原料, 净利润高达59.08元·t-1, 考虑环境效益, 碳排放交易收入约443.09元·hm-2.玉米季各处理总成本约为油菜季的2倍, 总收入(9 133.47~9 603.01元·hm-2)约为油菜季的3倍左右, 纯利润率在51.92%~54.88%之间, 各处理(除CK外)碳排放交易收入均为456.601~561.22元·hm-2.从表 3中可以看出, 玉米季CSD纯利润最高(9 603.01元·hm-2), 经济效益最好, 虽然BC纯利润最低, 但BC碳排放交易最高(561.22元·hm-2), 其环境效益最好, CK经济效益介于各处理之间, 碳排放收入为负, 环境效益最低, 因此, 常规施肥处理的农田生态系统为大气碳库的碳源, 在全球碳交易市场处于被动地位.

表 3 秸秆与生物炭还田的经济及环境效益评价 Table 3 Evaluation of economic and environmental benefits of different treatments

2.5 秸秆及生物炭还田下农田生态系统碳效益分析

本研究系统分析了秸秆与生物炭还田下农田生态系统的碳生产力(CP)、经济效益(CJ)、生态效益(CE), CP指标直接与作物产量有关, 其值越小表示单位产量粮食引起的农业投入碳释放量越低, 碳效益越高; CJ表示单位农业碳排放增加的作物经济产值, 其值越大, 经济效益越高; CE表示系统净初级生产力与农业投入碳排量的比值, 其值越大, 表示生态效益越高.从表 4可见, 就油菜季而言, 与CK相比, 其他处理(除CS处理)调高了碳生产力, 其中最高的是BC(0.35 t·t-1), 最低的是CS(0.16 t·t-1).玉米季, 各处理的碳生产力大小顺序依次为：BC＞CSBC＞CSD＞CS＞CK, 且玉米季碳生产力显著低于油菜季(P < 0.05).综合两个作物季, BC、CSBC的CJ和CE均显著低于其它处理(P < 0.05), 比CK分别降低了20.14%~31.16%和38.77%~51.21%, CS的CJ和CE最高, 但CSD与CK、CS处理间无显著差异, 可见秸秆还田增加了系统的经济效益和生态效益, 而生物炭还田降低了系统的经济效益和生态效益.

表 4 不同处理系统碳效率1) Table 4 Carbon efficiency under different treatments

3 讨论

我国农作物秸秆资源丰富, 资源化利用潜力大.本研究中油菜季的土壤碳累积排放量(2.48~3.98 t·hm-2)明显低于玉米季(12.07~21.25 t·hm-2)(P < 0.05), 可能是由于气候条件的影响, 油菜季的温度明显低于玉米季, 且随着温度与降雨的增加, 微生物的代谢活动增强, 土壤中的微生物活性增加促进了土壤矿化, 增温可刺激土壤矿化产生大量CO2[20], 使土壤中碳排放量增大.就油菜与玉米的不同器官而言, 根系的固碳量均为最少, 说明植物主要靠地上部分各器官进行光合碳固定.生态系统净初级生产力(NPP)是作物生长到成熟过程中籽粒、秸秆、根系等固定的有机碳量, 本研究中秸秆及生物炭还田处理均不同程度增加了生态系统净初级生产力, NPP不仅反映了植被群落在自然环境条件下的生产能力, 表征陆地生态系统的质量状况, 而且是调节生态过程和估算陆地碳“源/汇”的重要因子[21].

魏小波等[22]的研究表明, 土壤碳的固定受到土壤理化性质、环境因子和农业耕作措施等多种因素的影响.在农业耕作措施中, 秸秆还田的固碳潜力强于无物料还田[23], 本研究中, 对比秸秆直接还田与生物炭还田, 发现生物炭还田后的土壤CO2累积释放量显著低于秸秆直接还田, 且植物固碳量均高于秸秆直接还田, 这与侯亚红等[24]与游东海[25]等的研究结果类似.杨旭等[26]在玉米种植田间试验中, 在施用同等化肥的处理中秸秆炭化还田比直接还田显著降低了土壤CO2的累积排放量, 张继旭等[27]在通过对比不同类型秸秆还田对烟田土壤碳矿化的影响研究中发现, 秸秆生物炭还田后, 具有极低的矿化速率, 可以起到较好的固碳效果.许多研究结果显示, 一般情况下, 对比秸秆直接还田与生物炭还田的土壤, 生物炭还田的土壤CO2排放量大多较低, 其原因可能有：①由于秸秆易被分解, 秸秆直接还田后会使土壤微生物的呼吸作用增强, 增加碳排放量, 而生物炭还田会减少土壤中酶的活性, 使微生物活性降低, 抑制土壤呼吸作用.并且热解的生物炭主要由芳香烃和单质碳或具有石墨结构的碳组成, 具有更多稳定性的碳[28], 高度稳定的生物炭还田能有效抵抗微生物的分解作用, 使得生物炭中的碳得以在土壤中长期保存, 增加了土壤有机碳含量, 降低了土壤呼吸, 从而减少了土壤CO2累积释放量[29]. ②Nguyen等[30]的研究表明, 生物炭巨大的比表面积及一定的矿物质含量(如FeOH、CaCO3等)对CO2具有较强的物理、化学固定作用, 物理及化学固定作用促使生物炭与土壤及有机质形成有机-无机复合体, 生成更紧密的团聚体, 团聚体对土壤有机碳具有物理保护作用, 储存在其中的有机碳不易被微生物分解和利用, 使碳排放减少[31].本研究发现, 各个处理(CK除外)的碳固定量之间差异不显著, 而碳排放量之间差异明显, 且BC处理排放量最低, 碳汇能力最强, 这个结果表明增加农田生态系统碳汇量首先要减少碳排放量, 其次才是增加碳固定量.

碳生产力是农业投入碳排放量与经济产量的比值, 本研究中, 与CK相比, 油菜的各个处理(CS除外)均使碳生产力提高, 其中BC提高最多, 其原因可能是与秸秆直接还田相比, 热解生物炭过程中所排放的碳量会使农业投入的碳排放量大大增加, 从而使碳效益越降低, 同时尽管生物炭施用后会增加作物经济产量, 但由于生物炭的制备与施用增加了成本的投入, 使其产投比低于秸秆直接还田, 降低经济效益.对于CS处理而言, 较CK相比其碳生产力降低, 经济效益与生态效益均为最大, 说明施用秸秆直接还田的处理生态效益最大, 这与上文研究相符, 对于NPP而言, 秸秆+速腐剂的处理提高最多, 其次为秸秆直接还田处理, 但是由于速腐剂的施用会增加其农业投入碳排放, 所以生态效益秸秆直接还田最大.总体上, 秸秆直接还田增加了系统的经济效益和生态效益, 而生物炭还田降低了系统的经济效益和生态效益.

4 结论

与常规施肥(CK)相比, 秸秆与生物炭不仅能提高作物产量和系统净初级生产力(NPP), 还能增加土壤固碳量(0.01~0.18 t·hm-2).除CK碳平衡表现为“碳源”外, 其他处理均表现为“碳汇”.秸秆直接还田(CS)处理的产投比最高, 其经济效益优于生物炭还田处理, 但生物质炭还田(BC)处理的碳排放交易最高, 其环境效益最好; CK经济效益介于各处理之间, 碳排放收入为负, 环境效益最低, 因此, 常规施肥处理的农田生态系统为大气碳库的碳源, 在全球碳交易市场处于被动地位, CS具有良好的经济和环境效益, 加强秸秆还田的资源利用是粮食增产提质、实现降低农田系统碳足迹、提高碳汇能力的有效途径.

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