2019, Vol. 40
2. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所, 郑州 450002;
3. 华中农业大学工学院, 武汉 430070
2. Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources Science, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China;
3. College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
近年来, 由温室气体排放引起的全球变暖已引起国内外学者的广泛关注, 而氧化亚氮(N2O)作为主要的贡献者之一, 其增温潜势是CO2的298倍[1], 且还参与了破坏臭氧层, 危害人类健康.据估计, 全球每年大约70%的N2O排放来自于土壤, 其中农田土壤是N2O的主要排放源[2].华北平原作为我国粮食的重要产区, 其冬小麦产量大约占全国产量的61%[3, 4], 但近年来, 由于化肥的不合理使用造成了土壤N2O的高排放[5].因此, 改善土壤的理化性质, 降低土壤温室气体排放是当前人们关注的主要问题.
生物质炭是生物质在厌氧或无氧的密闭环境中经高温热解(< 700℃)生成的高度芳香化的固态物质[6], 它具有C/N高、比表面积大、稳定性高和吸附性强等特性, 能够提高土壤pH值和养分有效性[7], 在土壤改良[8, 9]和抑制土壤氮磷流失[10]等方面发挥着重要作用.施用生物质炭的改良措施已被认为是一种潜在的减少N2O排放的方式[11].且有研究发现生物质炭与氮肥配合施用, 显著降低了土壤N2O排放[12, 13].
关于生物质炭对土壤N2O排放的影响还存在争议. Wu等[14]研究了两种生物质炭添加对酸性土和碱性土N2O排放的影响, 得出用玉米棒为原料制成的生物质炭对碱性土壤N2O排放无显著影响, 但降低了酸性土壤N2O排放; 以橄榄果肉为原料制成的生物质炭显著降低了两种土壤N2O的排放.罗晓琦[6]通过Meta分析结果表明了添加生物质炭显著降低华南、华东、华中和东北地区土壤N2O排放, 而对西北地区N2O排放影响不显著. Liu等[15]采用了3种生物质炭对中国南方稻田土壤进行了改良, 发现生物质炭降低了土壤N2O排放0~60.9%.但也有一些研究发现添加生物质炭会通过增加氨氧化细菌的氨单加氧酶基因(amoA)丰度促进稻田土壤N2O排放[16, 17].生物质炭对N2O排放的影响取决于土壤质地、pH、土壤含水量、生物质炭的种类和施用量[18, 19]等多种因素.目前有不少关于生物质炭施用对降低土壤温室气体排放方面的研究报道, 但针对生物质炭对华北平原不同土壤类型N2O排放的影响还较少.因此, 本文以华北平原4种典型土壤为研究对象, 探讨生物质炭添加对土壤理化性质和N2O排放的影响, 通过进一步优化生物质炭在该地区农业生产中的应用, 以期为缓解温室气体排放提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验地点位于河南省平原新区河南现代农业研究基地(35°0′N, 113°43′E), 属北温带大陆性季风气候, 4季分明, 雨热同期, 降水集中在夏季, 全年平均气温15.6℃, 年平均降雨量542.15 mm, 无霜期209 d.全年日照时间约1 869.7 h.
1.2 试验材料选取华北平原4种pH值不同的土壤, 分别为：水稻土、砂姜黑土、褐土和潮土.潮土是试验点原土壤, 经过5 a匀地种植, 另外3种土壤则是从异地搬运到试验点混合均匀后放置试验小区.试验之前水稻土耕作模式为稻麦轮作, 砂姜黑土、褐土和潮土均为小麦-玉米轮作. 4种土壤基本理化性质见表 1.供试生物质炭为河南3利新能源公司生产, 采用花生壳在500℃高温厌氧条件下热解4 h制得, 其中有机碳含量647.16 g·kg-1, 碳氮比为42.52, pH为9.16.
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表 1 试验土壤基本理化性质 Table 1 Physicochemical properties of the soils in experimental field |
1.3 试验设计
将水稻土、砂姜黑土、褐土和潮土收集到同一个试验地点, 在相同的自然环境条件下进行试验.试验小区为1 m2, 用1 m深的水泥板隔开, 去除表面30 cm土层填放水稻土、砂姜黑土和褐土这3种土壤, 小区采用随机区组排列.试验设置4个处理：不施肥(CK)、施用化肥(NPK)、施用生物质炭(BC)和化肥配施生物质炭(NPK+BC), 每个处理3次重复.生物质炭施用量2.25 kg·m-2, 化肥采用尿素、过磷酸钙和氯化钾, 施用量：纯N 165 kg·hm-2, P2O5 82.5 kg·hm-2, K2O 82.5 kg·hm-2, 磷钾肥全部基施.
2017年10月16日播种小麦, 播量约为150 kg·hm-2, 行距23 cm, 当日对土壤进行翻耕施入基肥, 深度为5 cm, 尿素加水溶解后灌溉, 灌水量为12 mm.施肥后第1、3、5、9、13、18、25、35、43、56和93 d采集不同处理的土壤N2O气体, 同时采集土壤样品, 测定土壤矿质氮含量, 并测定第1、5、25、43、56和93 d的土壤pH.采样时间为上午9：00, 以此时的通量代表采样日的日均通量[20], 并记录此时气温, 同时采集土壤表层(0~20 cm)土样, 混合均匀后, 带回实验室, 测定土壤含水量, 然后去除样品中的杂物放于4℃下保存, 用于测定土壤矿质氮含量.降雨量资料使用试验地内的气象站数据.
1.4 试验方法采用静态箱-气相色谱法[21]测定土壤中N2O排放, 试验开始前将不锈钢底座打入土壤中, 底座凹槽与地面持平, 采样时将配套的静态箱(40 cm×40 cm×40 cm)体放入凹槽, 并在凹槽中加水做气密性处理, 箱体采气口用橡胶管连接3通阀, 在扣箱后半小时用注射器抽取60 mL气体密封保存.采集后的气体样品用改进的气相色谱仪(Agilent 7890A)分析, N2O浓度用电子捕获检测器(ECD)测定, 检测器温度为300℃, 色谱柱为80/100目Porapak Q填充柱, 柱箱温度为55℃, 用高纯N2作为载气, 流速为25 cm3·min-1.通过标准气体和待测气体的峰面积比值来计算出样品的浓度, 标准气体由国家标准物质中心提供.
土壤矿质氮含量用浓度为1 mol·L-1KCl溶液提取, 过滤, 用德国Seal Analytical AA3流动分析仪测定.土壤pH采用电位法测定, 土壤水土质量比2.5:1, 生物质炭为10:1.土壤全氮(TN)采用半微量凯氏法测定.土壤有机碳(TOC)测定采用土壤有机碳用总有机碳分析仪(Elementer, 德国)固体模块进行测定.土壤机械组成采用比重计法测定.土壤容重采用环刀法测定.
1.5 数据统计与分析N2O排放通量(F)按照下列公式[22]计算:
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(1) |
式中, F为气体排放通量[以N2O-N计, μg·(m2·h)-1], ρ为标准状态下N2O-N的密度为1.258 (kg·m-3); Δc/Δt为单位时间内采样箱内气体浓度增加量, N2O浓度单位为μg·(kg·h)-1; V和A分别为采样箱的体积(m3)与底面积(m2), T为绝对温度(K).
N2O累积排放量通过相邻2次采样的气体平均排放通量与排放时间的乘积累加计算得出, 计算公式如下：
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(2) |
式中, M代表土壤N2O累积排放量(kg·hm-2); F代表土壤N2O排放通量[μg·(m2·h)-1]; i代表采样次数; t代表试验天数d.
采用Execl 2010对数据进行预处理, 利用SPSS 22进行方差分析(ANOVA)、多重比较和数据间的相关性分析, 显著性水平设置为0.05.用Origin 9.0进行绘图.
2 结果与分析 2.1 降雨量与气温在小麦播种前期温度和降雨量相对较高, 施肥播种一周后降雨基本停止, 持续干旱一段时间, 到1月初冬季有少量的降雪, 温度下降至0℃以下, 在2018年1月12日温度开始回升, 降水减少.该区域在冬小麦苗期平均降雨量为1.23 mm, 平均气温为7.51℃, 整体表现为低温少雨(图 1).
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图 1 试验期间的降水量与气温变化 Fig. 1 Changes in precipitation and air temperature during the experimental period |
如图 2所示, 水稻土、砂姜黑土和褐土这3种土壤NPK和NPK+BC处理N2O排放通量随采样时间变化趋势基本一致, 均呈现先升高后迅速降低再保持平稳的趋势.潮土的NPK和NPK+BC处理N2O排放通量达到最大值后下降较平缓, 且在施肥后第3~13 d排放通量维持在30 μg·(m2·h)-1左右, 高于其他3种土壤.与对照相比, 施肥显著(P < 0.05)增加了N2O排放, 在施肥处理中, 4种土壤N2O排放通量均在施肥后第3 d达到最大值, 且均为NPK处理N2O排放通量高于NPK+BC处理, 其中, 砂姜黑土NPK处理N2O排放通量最高为109.33 μg·(m2·h)-1, 水稻土NPK+BC处理N2O排放最低为56.52 μg·(m2·h)-1.在未施肥处理中, 除褐土BC处理N2O排放通量在第13 d之前高于CK处理之外, 其他3种土壤CK和BC处理N2O排放通量无显著差异.
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图 2 不同土壤N2O通量的动态变化 Fig. 2 Dynamics of N2O fluxes form the four treatments for the different soils |
整个试验观测期间土壤N2O累积排放量如表 2, 在未施肥处理中, 添加生物质炭显著(P < 0.05)增加了水稻土和褐土的N2O累积排放量, 与CK相比, 水稻土和褐土BC处理N2O累积排放量分别增加了72.4%和50.9%, 但生物质炭添加对砂姜黑土和潮土N2O累积排放量影响不显著.在施肥处理中, 添加生物质炭显著(P < 0.05)降低了4种土壤N2O累积排放量, 且4种土壤NPK+BC处理间N2O累积排放量差异显著(P < 0.05). 4种土壤均是NPK处理土壤N2O累积排放量最高, 表明施肥显著增加了N2O累积排放(P < 0.05).与NPK相比, NPK+BC显著降低了4种土壤N2O排放, 分别降低了18.6%、26.4%、14.4%和18.5%.从表 3可以看出, 生物质炭和施肥的交互作用对水稻土、褐土和潮土N2O排放影响显著(P < 0.05).在整个观测期间, 潮土NPK处理N2O累积排放量最高为0.248 kg·hm-2, 水稻土CK处理累积排放量最低为0.035 kg·hm-2.
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表 2 4种土壤不同处理间的N2O累积排放量1)/kg·hm-2 Table 2 Cumulative N2O emissions among different treatments for the four soils/kg·hm-2 |
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表 3 生物质炭和化肥交互作用对N2O累积排放的影响 Table 3 Influence of interaction between biochar and fertilizer on cumulative N2O emission |
2.3 土壤pH
如图 3, 4种土壤中, 添加生物质炭的两个处理(BC和NPK+BC)土壤pH均高于不加生物质炭的处理, 表明添加生物质炭提高了4种土壤pH(图 3), 其中, 水稻土初始pH最低, 生物质炭对其影响较显著, 在观测期第1 d, BC处理pH值相较于CK处理增加了一个单位.施肥同样影响土壤pH, 在整个试验期间, 4种土壤的CK和BC处理土壤pH值随时间变化不大, 而施肥处理土壤pH出现缓慢下降, 观测结束时, 4种土壤NPK和NPK+BC处理土壤pH均低于观测期第1 d土壤pH.
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图 3 不同处理土壤pH动态变化 Fig. 3 Temporal dynamics of soil pH values in different treatments |
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图 4 4种土壤NH4+-N含量的动态变化 Fig. 4 Temporal dynamics of NH4+-N contents in four soils |
本试验期间, 4种土壤铵态氮含量整体变化趋势相似(图 4), 外加氮源影响了土壤铵态氮含量的变化, 施肥处理铵态氮含量在第13 d之前均高于未施肥处理, CK和BC处理NH4+-N含量总体保持较低的水平, 波动较小.水稻土的NPK和NPK+BC处理土壤铵态氮含量在第9 d达到最大值, 而砂姜黑土、褐土和潮土在第5 d达到最大值, 与NPK处理相比, 4种土壤生物质炭与化肥混施均降低了铵态氮含量最大值, 分别降低了19.4%、18.6%、14.2%和23.9%.从施肥后第18 d, 土壤铵态氮含量处于较低水平, 除了水稻土和砂姜黑土铵态氮含量有小幅波动之外, 褐土和潮土铵态氮含量在5~10 mg·kg-1之间基本保持稳定.
土壤硝态氮含量的变化如图 5所示, 在观测期第1 d水稻土各处理硝态氮含量高于其他3种土壤, 随着试验进行水稻土CK和BC处理土壤硝态氮含量下降到5 mg·kg-1左右后基本达到平稳状态.砂姜黑土、褐土和潮土这3种土壤其初始硝态氮含量较低, CK和BC处理土壤硝态氮含量一直维持在较低水平.与CK相比, 在前期施肥处理增加了4种土壤硝态氮含量.砂姜黑土、褐土和潮土的NPK和NPK+BC处理土壤硝态氮含量总体呈现先上升后下降的趋势, 而水稻土由于初始硝态氮含量较高则表现为先下降后上升再下降趋势.褐土和潮土的NPK和NPK+BC处理均在第13 d达到最大值, 水稻土和砂姜黑土硝态氮含量的最大值出现较晚, 与铵态氮相反, 4种土壤生物质炭与化肥混施硝态氮含量的最大值均高于单施化肥处理硝态氮含量最大值.施肥显著(P < 0.05)增加了4种土壤NH4+-N和NO3--N平均含量, 单施生物质炭对NH4+-N和NO3--N平均含量无显著影响(P>0.05, 表 4).与NPK处理相比, 生物质炭与化肥混施降低了NH4+-N平均含量, 增加了NO3--N平均含量, 但不显著(P>0.05, 表 4).
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图 5 4种土壤NO3--N含量的动态变化 Fig. 5 Temporal dynamics of NO3--N contents in four soils |
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表 4 4种土壤不同处理的NH4+-N和NO3--N平均含量1)/mg·kg-1 Table 4 Average contents of NH4+-N and NO3--N in four soils under different treatments/mg·kg-1 |
2.5 N2O排放与矿质氮含量之间的关系
土壤N2O排放通量与土壤矿质氮含量之间的关系在不同处理中表现存在差异(表 5).施肥处理的土壤铵态氮对N2O排放有促进作用, 砂姜黑土、褐土和潮土NPK和NPK+BC的N2O排放通量与铵态氮含量均呈现显著的正相关(P < 0.05).单施生物质炭处理的水稻土和砂姜黑土N2O通量与NO3--N含量呈显著正相关(P < 0.05).仅砂姜黑土4种处理(除CK外)和潮土NPK处理的N2O排放通量与土壤pH呈显著正相关, 表明了pH是影响砂姜黑土N2O排放的又一重要原因.
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表 5 4种土壤N2O通量与土壤NH4+-N和NO3--N含量的相关性1) Table 5 Correlation between N2O flux and contents of NH4+-N and NO3--N in four soils |
3 讨论
添加生物质炭提高了土壤的pH, 从图 3可以看出4种土壤中添加生物质炭处理的pH均高于不加生物质炭的处理.这可能是由于生物质炭自身呈碱性, 表面带有可以与土壤中致酸离子结合的—COO—(—COOH)和—O—(—OH)等官能团[23], 调节了土壤的酸碱性, 而水稻土相较于其他3种土壤原始pH较低, 生物质炭对其影响较显著, 添加生物质炭后第1 d的pH值相较于CK处理上升了1个单位.此外, 由于水稻土、砂姜黑土和褐土从其他采样地搬运到试验点后, 进行了灌溉压实, 其观测期第1 d的pH值相较于原土壤均升高.施肥降低了4种土壤pH, 这与Wrage等[24]的研究结果一致, 施肥增加了硝化作用的底物, 促进了硝化作用释放出H+, 降低了土壤pH.有研究表明添加生物质炭导致土壤pH升高, 增强了N2O还原酶活性, 从而促进反硝化作用进行, 使得更多的N2O还原为N2, 减少了N2O排放[25~29].
本次试验中施肥显著增加了4种土壤N2O的排放, 而生物质炭的添加降低了施肥后土壤N2O的排放(图 2和表 2).土壤N2O的产生主要有两种途径, 一是硝化作用下NH4+被氧化为NO3-过程中有N2O产生, 二是部分NO3-经反硝化作用生成N2O或N2[24], 生物质炭降低N2O排放的机理与其影响土壤硝化与反硝化作用密切相关.土壤中NH4+-N和NO3--N含量的变化可以反映N2O产生的途径.与NPK处理相比, 生物质炭与化肥混施土壤铵态氮含量最大值降低而硝态氮含量增加(图 4和图 5), 这与生物质炭与化肥相互作用会促进土壤硝化作用有关[30], 而N2O排放通量与施肥后铵态氮含量呈显著正相关(表 5), 因此, 土壤N2O排放降低.也有研究表明生物质炭具有较大的比表面积和较强的养分吸收能力, 施入农田土壤后增强了对NH4+-N等的吸附, 降低了NO3--N含量, 抑制了土壤氮的矿化, 减少了N2O的产生[31, 32].大量研究表明施肥对土壤N2O排放有短期的促进作用[33, 34], Clay等[35]的研究认为, 施肥后通常伴随降雨, 促进了尿素水解, NH4+-N含量升高, 增加了土壤硝化和反硝化作用的底物, 提高了N2O的排放.与NPK处理相比, 生物质炭与化肥混施显著降低了土壤N2O的排放(表 2), 这可能由于生物质炭的添加提高了氧气含量, 抑制了厌氧反硝化酶的活性, 进而减少了反硝化过程N2O的产生[36~40].从表 3看出, 生物质炭和肥料只对水稻土、褐土和潮土N2O排放有显著的交互作用(P<0.05), 可能由于相比其他3种土壤, 砂姜黑土N2O排放通量与土壤pH呈显著正相关(表 5), 施肥降低了土壤pH而生物质炭添加增加了土壤pH, 因此, 生物质炭和肥料交互作用对砂姜黑土N2O排放影响不显著(P>0.05).本试验4种土壤的CK和BC处理土壤N2O排放通量均处于较低的水平, 主要是受到土壤中矿质氮浓度的限制[41], 所产生的N2O较少, 生物质炭的作用效果不显著.潮土的NPK和NPK+BC处理N2O排放通量达到最大值后没有迅速降低, 造成N2O累积排放量最高, 这可能与它初始的pH较高有关, 生物质炭对它影响较弱.与CK相比, 单施生物质炭显著提高了水稻土和褐土N2O累积排放量(表 2), 可能是生物质炭中含有部分氮素, 增加了N2O产生的底物, 在土壤氮素底物受到限制的条件下, 氮素的增加掩盖了生物质炭对N2O产生的抑制效应[41].也有研究认为水稻土初始pH较低, 添加生物质炭对其pH影响较显著, 提高了与硝化作用有关的氨氧化细菌和氨氧化古菌的活性, 促进了N2O的产生[42, 43].
4 结论添加生物质炭和化肥对4种土壤N2O的排放影响存在差异.施肥显著增加了4种土壤N2O排放, 而生物质炭与化肥混施降低了4种土壤N2O排放, 生物质炭与化肥对水稻土、褐土和潮土N2O排放具有显著的交互作用.单施生物质炭显著增加了水稻土和褐土的N2O排放, 而对砂姜黑土和潮土N2O排放无显著影响.添加生物质炭提高了4种土壤pH, 其中, 初始pH最低的水稻土, 受生物质炭影响较显著, 施肥则降低了4种土壤pH.因此, 在华北平原4种典型土壤中, 生物质炭与化肥混合施用是缓解土壤N2O排放的有效措施.
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