2024, Vol. 45
2. 海南省农业科学院农业环境与土壤研究所, 海口 571100;
3. 农业农村部海南耕地保育科学观测试验站, 海口 571100;
4. 海南省耕地保育重点实验室, 海口 571100
, CHE Jia-yue1 , HU Yu-jie1 , CHEN Qi-qi1 , ZHANG Dong-ming2,3,4 , Lei Fei2,3,4 , ZENG Jian-hua2,3,4 , TANG Shui-rong1 , WU Yan-zheng1
, MENG Lei1
2. Agricultural Environment and Soil Research Institute, Hainan Academy of Agricultural Sciences, Haikou 571100, China;
3. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Hainan), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Haikou 571100, China;
4. Hainan Key Laboratory of Cultivated Land Preservation, Haikou 571100, China
氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4) 是温室气体的重要组成部分, 在百年尺度上全球增温潜势分别是二氧化碳(CO2)的298倍和25倍, 是导致臭氧消耗和全球变暖的主要原因[1].农田是温室气体的主要来源之一, 其与土壤相关的N2O、CO2和CH4排放分别占年度N2O、CO2和CH4排放量的53%、35%和47%[2].海南属于热带地区, 由于其高温高湿的气候特点, 使得土壤往往比较贫瘠, 酸度高, 保肥能力差, 肥料利用率低[3 ~ 5].基于此, 海南有着独特的冬季瓜菜-水稻轮作的种植模式, 该模式能够提高土地利用率, 降低连作障碍, 提高产量[6].然而, 在该模式下, 瓜菜季施肥量大, 可高达750 kg·hm-2, 大量氮肥投入往往会导致大量硝酸盐的积累[7].在种植水稻过程中, 由于瓜菜地积累了高浓度的硝酸盐, 淹水后会导致大量N2O排放, 增加氮素损失, 加剧温室效应.因此有必要采取相应措施减少海南特有的瓜菜-水稻种植模式中硝态氮的损失.
我国年均秸秆产量约8.65×108 t, 不合理利用会加剧环境污染[8].秸秆还田是一种可持续农业在避免焚烧造成的空气污染、提高土壤肥力和碳(C)固持方面的有效管理方法[9].据报道, 添加秸秆还能够增加土壤对无机氮的固持, 增加土壤微生物碳氮含量[10].然而, 这种做法为N2O排放提供了一定的碳源和氮源.Wu等[11]研究表明添加秸秆在较高的硝态氮土壤中可增加土壤N2O排放量.有研究表明, 秸秆还田增加了N2O排放, 但降低了NO3--N的淋洗[12].生物炭作为一种土壤调节剂, 近年来在土壤修复, 减缓温室气体排放方面效果显著[3].添加生物炭能够改变土壤理化性质(例如提高土壤的通气性)和土壤微生物作用(抑制反硝化微生物), 从而减少N2O排放[5].然而, 由于原料、分解温度和分解时间的不同, 不同生物炭的物理化学性质, 例如比表面积、含氧官能团、C/N、pH和CEC, 都有很大差异, 并且它们的N2O减排效果也有很大差异[13 ~ 17].有不少研究报道了添加秸秆和生物炭对N2O排放和土壤微生物的影响, 然而多数研究集中于旱地(例如蔬菜地)和水田(例如水稻地)等种植模式, 对于瓜菜-水稻轮作模式鲜有报道[18 ~ 21].瓜菜季施加大量肥料会残留大量硝态氮, 添加硝化抑制剂或生物炭, 减少氮肥投入, 有机无机配施等措施能够减少氮素损失和N2O排放[22 ~ 24], 但在蔬菜季结束后依然会看到有较高的硝态氮残留, 如何在后续水稻季淹水后提高硝态氮利用率, 减少N2O排放尚未有较好的措施.合理的利用秸秆还田与生物炭配合施用可能是减少温室气体排放, 增加无机氮固持的有效途径.
本试验选取水稻和花生秸秆以及椰壳生物炭, 探讨在淹水条件下, 秸秆和生物炭配合施用对土壤的理化性质, N2O排放和土壤微生物作用的影响.本研究假设：①秸秆和生物炭配合施用改变了土壤理化性质；②秸秆和生物炭合理配施可以减少N2O排放；③秸秆和生物炭合理配施能够增加土壤微生物碳氮含量.
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤取自海南省澄迈县儒头村(109°54′57″E, 19°56′26″N)瓜菜地土壤, 上一茬作物为水稻.新鲜土样采集后, 去除杂质, 自然风干过2 mm筛.土壤pH为5.01, ω(有机质)为42.17 g·kg-1, ω(碱解氮)为101.42 mg·kg-1, ω(速效磷)为10.78 mg·kg-1, ω(速效钾)为222.80 mg·kg-1, ω(全氮)为2.40 g·kg-1.供试水稻秸秆和花生秸秆用粉碎机粉碎过2 mm筛.水稻秸秆pH为6.42, ω(有机碳)为388.60 g·kg-1, ω(全氮)为5.36 g·kg-1；花生秸秆pH为7.06, ω(有机碳)为396.70 g·kg-1, ω(全氮)为17.72 g·kg-1.供试生物炭由椰壳在600℃厌氧热解制备而成, pH为8.77, ω(全碳)为621.74 g·kg-1, ω(全氮)为23.62 g·kg-1.
1.2 试验方法本试验采用室内恒温培养法, 设置6个处理, 6个重复, 3个重复用于气体测定, 3个重复用于土样分析.处理分别为：①仅添加200 mg·kg-1(以N计, 下同) KNO3(CK)；②添加200 mg·kg-1 KNO3和2%的生物炭(B)；③添加200 mg·kg-1 KNO3和1%的花生秸秆(P)；④添加200 mg·kg-1 KNO3, 2%的生物炭和1%的花生秸秆(P+B)；⑤添加200 mg·kg-1 KNO3和1%的水稻秸秆(R)；⑥添加200 mg·kg-1 KNO3, 2%的生物炭和1%的水稻秸秆(R+B).
称300 g供试土壤(干土计), 按照上述要求添加相应质量的秸秆和生物炭, 混匀后放入500 mL培养瓶中, 加去离子水, 保持含水量为45% 田间持水量(WHC), 在培养箱中25℃黑暗培养7 d.活化7 d后, 按照上述要求添加200 mg·kg-1 KNO3溶液.使用去离子水调节至淹水2~3 cm左右, 用保鲜膜封住瓶口并用针头扎细孔, 继续在25℃培养箱中培养, 称重法1 d加一次水保持恒定的土壤含水量.
采集培养第2、4、8、11、16、21、25、31、42、60、70、80、91、102和114 d土壤, 用于测定pH, NH4+-N和NO3--N含量.采集培养第114 d土壤用于测定土壤微生物量碳氮含量.在第1、2、4、7、11、16、21、25、30、35、42、50、60、70、80、91、102和114 d进行气体采集.取下保鲜膜, 向培养瓶中吹入高纯空气几分钟, 用硅橡胶塞密封瓶口, 用704胶密封瓶口和塞子之间的间隙, 用空心铝密封瓶口.用带三通阀的25 mL注射器从橡胶塞中间的取样口密封玻璃瓶后, 在0 min和40 min收集气体, 并打入真空瓶中.使用配有63Ni电子捕获检测器(ECD)和火焰离子化检测器(FID)的气相色谱仪(Shimadzu GC-2014)分析N2O、CO2和CH4浓度.
1.3 指标测定土壤NH4+-N和NO3--N用2 mol·L-1 KCl溶液浸提过滤, NH4+-N用靛酚蓝比色法(625 nm), NO3--N用紫外双波长法(220 nm和275 nm)分别在紫外分光光度计(UV 1800；Ao Xi, 上海)上测定.pH用pH计测定(水土比5∶1)(FE 28；Mettler Toledo, 上海)；有机质用重铬酸钾外加热法测定；碱解氮用扩散法测定；速效磷用氟化铵-盐酸钼蓝比色法测定；速效钾用火焰光度法(FP640)测定；全氮用凯氏定氮仪(KDN-816)测定；MBC和MBN通过氯仿熏蒸法测定, 滤液在总有机碳/总氮分析仪(Multi N/C 3100)测定.
1.4 数据处理N2O、CO2和CH4排放通量计算公式如下：
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(1) |
式中, F为N2O、CO2或CH4的排放通量, μg·(kg·h)-1；ρ为标准状态下N2O-N、CO2-C或CH4-C的密度, g·cm-3；W为干土质量, kg；Δc/Δt为单位时间内培养瓶中气体浓度增量, μg·h-1；V为培养瓶内气体体积, cm3；T为采集气体时的温度, ℃.
N2O、CO2和CH4累计排放量计算公式如下：
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(2) |
式中, f为N2O、CO2或CH4的累计排放量, μg·kg-1；i为采样次数；n为总采样次数；ti+1-ti为两次采样间隔天数, d.
100 a尺度上以等量CO2增温为基准, CH4和N2O增温潜势(GWP)计算公式如下：
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(3) |
土壤有机碳固存率(SOCSR)计算公式：
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(4) |
式中, SOCSR为土壤有机碳固存率, μg·(kg·h)-1；SOCt和SOC0分别为培养结束后的SOC和培养开始前的SOC, g·kg-1；r为土壤容重, g·cm-3.
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(5) |
方差分析(ANOVA)用于分析生物炭和秸秆对土壤理化、N2O排放和土壤微生物碳氮含量的影响.使用Duncan法来确定不同处理之间的差异(P < 0.05).通过方差分析来检验生物炭和秸秆及其交互作用对N2O、CO2、CH4排放以及GWP、NGWP、MBC、MBN的影响.通过相关分析(皮尔逊相关检验)评估了N2O排放量, 土壤理化性质, MBC和MBN之间相关关系.所有统计分析均使用SPSS Statistics 17.0进行.采用Excel 2016进行数据整理, 采用Origin 2018进行作图.
2 结果与分析 2.1 土壤理化性质变化培养土壤淹水后, 各处理pH整体上呈缓慢上升趋势(图 1).添加秸秆显著增加了pH, 然而在添加秸秆的条件下继续添加椰壳生物炭并没有使其pH发生显著变化.单独添加生物炭时, 仅在培养前70 d, 土壤pH高于CK.培养结束时, 各处理土壤pH均显著上升, 添加秸秆或秸秆和生物炭配合施用处理pH在6.80左右, 其余处理在6.10左右.
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图 1 不同处理pH变化 Fig. 1 The pH variation in different treatments |
在整个培养过程中, NH4+-N和NO3--N含量均呈现逐渐下降并趋于稳定的趋势(图 2).培养前期, 各处理土壤ω(NH4+-N)(以N计, 下同)从约60 mg·kg-1迅速下降, 直至培养第8 d, 添加秸秆或秸秆和生物炭配合施用的处理ω(NH4+-N)下降至约20 mg·kg-1并在之后的培养时期上下波动, 但基本维持在20 mg·kg-1左右, CK和B处理ω(NH4+-N)下降至0 mg·kg-1并在之后的培养时期基本保持不变.在培养40 d后, R和R+B处理ω(NH4+-N)略高于P和P+B处理[图 2(a)].培养前期, 与NH4+-N变化趋势相似, ω(NO3--N)从约200 mg·kg-1迅速下降, 添加秸秆或秸秆和生物炭配合施用处理在第17 d下降至约0 mg·kg-1, 随后保持基本稳定, 然而CK和B处理ω(NO3--N)下降相对较为缓慢, 在第42 d下降至约0 mg·kg-1, 随后保持基本稳定[图 2(b)].
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图 2 不同处理NH4+-N和NO3--N含量变化 Fig. 2 NH4+-N and NO3--N changes in different treatments |
如图 3(a)所示, 各处理N2O排放通量(以N计, 下同)在开始培养后呈剧烈排放, 并随着培养的进行逐渐下降至0 μg·(kg·h)-1左右, 而后基本保持不变.培养的第1 d为各处理在整个培养时期N2O排放通量最高点, 从大到小依次为：P > P + B > R > R + B > CK > B.其中, 添加秸秆或秸秆和生物炭配合施用的处理N2O排放通量下降趋势相同并在培养第4 d接近0 μg·(kg·h)-1；CK和B处理N2O排放通量缓慢下降, 直至培养第20 d和第30 d降至0 μg·(kg·h)-1左右.培养期间CO2排放整体上呈现先上升后下降的趋势[图 3(b)].各处理CO2排放通量均在培养第16 d达到峰值.其中, P、P+B、R和R+B处理的CO2排放通量(以C计, 下同)较高, 分别为2 625.09、2 567.02、2 204.08和2 248.78 μg·(kg·h)-1；其余处理的CO2排放通量较低, 约为300.00 μg·(kg·h)-1.添加秸秆或秸秆和生物炭配合施用处理有较为明显的CH4排放, 其余处理在整个培养过程中未发现显著的CH4排放[图 3(c)].在培养前期, 各处理均未发现较为显著的CH4排放, 直至培养第42 d, R处理CH4开始排放并在培养第60 d达到峰值[3.50 mg·(kg·h)-1], 随后开始下降直至培养第70 d保持基本稳定, 为0.56 mg·(kg·h)-1左右；在培养第60 d, R+B、P和P+B处理CH4开始排放, R+B和P+B在第80 d达到峰值分别为1.55 mg·(kg·h)-1和0.92 mg·(kg·h)-1, 而P处理在培养第91 d才达到峰值[1.56 mg·(kg·h)-1].
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图 3 不同处理N2O、CO2和CH4排放通量变化 Fig. 3 Changes in N2O, CO2, and CH4 fluxes in different treatments |
如图 4(a)所示, 土壤淹水后, N2O排放显著增加, 但秸秆和生物炭配合施用以及单独添加水稻秸秆能够显著降低N2O排放总量(P < 0.05).B处理N2O累计排放量(以N计, 下同)最高, 为30.94 mg·kg-1, 其次是P处理, 为28.06 mg·kg-1, 这两个处理N2O总量均显著高于CK(21.84 mg·kg-1)(P < 0.05)；P+B、R和R+B处理的N2O排放总量均显著低于CK处理(P < 0.05), R+B处理排放量最低, 为13.83 mg·kg-1.施加硝态氮肥或添加生物炭并不能显著增加CO2排放总量, 然而添加秸秆或秸秆和生物炭配合施用显著增加了CO2排放总量[P < 0.05, 图 4(b)].同样的, 施加硝态氮肥或添加生物炭并不能显著增加CH4排放总量, 然而添加秸秆或秸秆和生物炭配合施用显著增加了CH4排放总量(P < 0.05), CH4排放总量从大到小依次为：R > R+B > P > P+B, 其中, R处理CH4排放总量最高, 为2 798.93 mg·kg-1, P处理和P+B处理CH4排放总量无显著差异[图 4(c)].
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不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05), 下同 图 4 不同处理N2O、CO2和CH4累计排放量变化 Fig. 4 Cumulative emission changes in N2O, CO2, and CH4 under different treatments |
单独添加秸秆显著增加了GWP, 单独添加生物炭对GWP无显著影响, R处理GWP最高, 为77.45 g·kg-1, R+B处理显著降低(P < 0.05), 但GWP值仍大于P和P+B处理, P和P+B处理无显著差异, CK和B处理无显著差异(表 1)；单独添加秸秆增加了NGWP, 但差异不显著；单独添加生物炭显著降低了NGWP(P < 0.05), R处理NGWP最高, 为41.10 g·kg-1, 秸秆和生物炭配合施用降低了NGWP, P+B处理NGWP显著降低(P < 0.05).
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表 1 不同处理GWP和NGWP大小1)/g·kg-1 Table 1 Different treatments of GWP and NGWP/g·kg-1 |
2.4 土壤微生物量碳、氮含量变化
如图 5所示, 添加生物炭、秸秆、秸秆和生物炭配合施用均显著增加了土壤微生物量碳含量(MBC)(P < 0.05).各处理MBC从大到小依次为：P+B > P > B > R+B > R > CK.在椰壳生物炭和花生秸秆之间具有协同作用, 生物炭和花生秸秆配合施用, 显著增加了MBC(P < 0.05)；在椰壳生物炭和水稻秸秆之间并未发现显著差异, B、R和R+B处理之间的MBC无显著差异.与CK相比, P和R处理MBN增加, 但不显著；与B相比, P+B和R+B处理MBN显著增加(P < 0.05).
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图 5 不同处理MBC和MBN变化 Fig. 5 Changes in MBC and MBN under different treatments |
N2O排放通量与NH4+-N和NO3--N呈极显著正相关, 与pH呈极显著负相关(P < 0.01)(表 2)；N2O累积排放量与MBN呈极显著负相关(P < 0.01)(表 3), 与NO3--N呈显著正相关(P < 0.05), 与pH呈显著负相关(P < 0.05)(表 3).NO3--N与pH呈极显著负相关(P < 0.01)(表 2), 与MBN呈显著负相关(P < 0.05)(表 3).
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表 2 N2O排放通量与pH、NH4+-N和NO3--N的相关性分析1) Table 2 Correlation analysis of N2O flux with pH, NH4+-N, and NO3--N |
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表 3 N2O累计排放量与培养结束后pH、NH4+-N、NO3--N、MBC和MBN的相关性分析1) Table 3 Correlation analysis between cumulative emission of N2O, pH, NH4+-N, NO3--N, MBC, and MBN after incubation |
如表 4所示, 秸秆或秸秆和生物炭的交互作用对N2O累积排放量、MBN有显著影响(P < 0.05)；秸秆对CO2有极显著影响(P < 0.001)；秸秆或生物炭以及两者交互作用对CH4、GWP和MBC有显著影响(P < 0.05)；秸秆或生物炭对NGWP有显著影响(P < 0.05).
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表 4 生物炭、秸秆及其交互作用对N2O、CO2和CH4累积排放量以及GWP、NGWP、MBC和MBN的影响1) Table 4 Effects of biochar, straw, and their interactions on cumulative N2O, CO2, CH4 emissions, GWP, NGWP, MBC, and MBN |
3 讨论 3.1 秸秆或生物炭添加对N2O排放的影响
添加秸秆影响N2O排放.有些报道表明秸秆还田增加了N2O排放[9, 11], 然而, Senbayram等[27]研究发现, 添加0.5%玉米秸秆降低了施加KNO3土壤的N2O排放；Li等[28]研究发现在水稻生长季, 添加小麦秸秆使N2O排放减少了19%~42%.秸秆还田可以通过增加土壤无机氮和土壤有机碳含量影响土壤硝化作用和反硝化作用进而影响N2O排放, 也有可能改变了土壤C/N来影响土壤微生物对氮素的吸收利用, 进而影响N2O排放[29 ~ 31].在本研究中, 与CK相比较, 添加花生秸秆显著增加了N2O排放, 而添加水稻秸秆显著降低了N2O排放[图 4(a)], P和R处理N2O仅在培养前4d有显著排放[图 3(a)], 施入土壤后, 在培养前4 d, P处理pH迅速降低(图 1), 尽管花生秸秆pH (7.06)增加了土壤pH, NO3--N迅速降低(图 2), CO2排放较高[图 3(b)], 说明花生秸秆C/N低, 为土壤微生物提供碳源的同时, 迅速促进氮的矿化, 提供了更多的氮, 增强微生物活性和硝化过程并为反硝化过程提供了底物, 促进N2O排放；水稻秸秆C/N高, 矿化速率慢, 减少了无机氮供应, 减少硝化底物, 减弱了硝化过程, 为土壤微生物提供碳源, 增强了土壤微生物对无机氮的固定, 减少了反硝化底物, 从而降低了N2O排放[32 ~ 35].
先前的研究结果表明, 生物炭对N2O排放的影响取决于其本身性质, 受原料和热解温度的影响, 因为原料和热解温度影响生物炭pH、吸附NH4+-N与NO3--N的能力和固碳[15, 36, 37].在本研究中, 添加椰壳生物炭增加了N2O排放[图 4(a)], 可能的原因有添加生物炭提高了土壤pH(图 1), 硝化作用增加, 增加N2O排放[15, 38]；储存在生物炭内部的N2O随着培养时间又逐渐被释放[图 3(a)]；添加生物炭为土壤提供了一定碳源, 在土壤中改变了原本土壤碳氮比, 影响了硝化反硝化微生物活性, 增加了N2O排放；维持在较高含量硝态氮可能会使得N2O/N2增加[39].在本试验培养前期, B处理KNO3维持在较高含量, N2排放减少, N2O排放增加.
在本研究中, 秸秆和生物炭配合施用均显著降低了N2O排放, 其中, R+B处理N2O排放最低, 但生物炭对花生秸秆的N2O减排贡献率高于水稻秸秆[图 4(a)].在本研究中, 单独添加生物炭并不能起到减少N2O排放的效果, 然而椰壳生物炭与花生或水稻秸秆配合施用减少了N2O排放.许多研究也得出了相同的结果：秸秆和生物炭配合施用降低了N2O排放[29, 40, 41].可以观察到, 与CK相比, 添加花生秸秆增加了N2O排放, 然而在花生秸秆中配合施用椰壳生物炭能够显著降低N2O排放；水稻秸秆和椰壳生物炭配合施用消除了单独添加生物炭对N2O增排的影响, 甚至进一步减少了N2O排放, 这可能是由于秸秆和生物炭配合施用提供了碳源和氮源的同时增加了土壤通气性, 促进了微生物无机氮的固定, 显著增加了土壤微生物量氮含量(P < 0.05), 减少了硝化反硝化底物含量(图 2), 从而减少了N2O排放(图 5)；相关性分析表明(表 3), N2O与MBN呈极显著负相关(P < 0.01)；二元方差分析结果也表明了秸秆和生物炭配合施用对N2O累计排放量有极显著影响(P < 0.01) (表 4).秸秆和生物炭配施降低N2O排放也可能是通过提高土壤pH(图 1), 促进了N2O的还原, 即N2O向N2的转化[42, 43].pH对反硝化速率和N2O的影响可能归因于其对反硝化群落结构和4种反硝化还原酶活性的影响, 尤其是Nos[42, 44].本研究发现, 单独添加秸秆以及秸秆和生物炭配合施用处理pH, NH4+-N和NO3--N有着相同的变化趋势, 并有别于其他处理, pH影响硝化过程, NH4+-N和NO3--N影响硝化和反硝化过程, 这可能是影响N2O排放的原因之一(图 1和图 2).
在实际大田条件下, N2O排放受诸多因素干扰, 如作物吸收和硝态氮淋失等.在大田淹水过程中, 水稻幼苗可能对硝态氮进行一定的吸收, 从而降低硝态氮含量, 即使水稻是喜铵作物, 部分NO3-也会淋失造成损失, 这些因素可能会影响本试验N2O排放结果, 从而高估N2O排放；然而, 在田间条件下, 可能有干湿交替过程, 会促进N2O排放, 这些因素也可能影响培养试验结果, 低估N2O排放[3, 45].不同处理对N2O的减排效果可能与施肥量关系不大[46, 47].因此, 淋失可能损失的部分硝态氮, 导致底物浓度降低, N2O排放可能被高估, 但对N2O减排效果可能影响不大.本研究注重于反硝化过程以及土壤微生物对硝态氮的固持两个角度来衡量NO3-的转化, 重点关注秸秆还田下额外添加生物炭对N2O减排效果的探究, 并不注重于实际N2O排放量, 因为培养试验得出的N2O排放量并不能真正代表田间实际情况, 可能会有偏差.
3.2 秸秆或生物炭添加对CH4和CO2排放的影响添加秸秆增加了CO2排放, 这是因为秸秆为土壤微生物提供了碳源, 增强了土壤呼吸[48], 然而增添生物炭并不能降低CO2排放[图 4(b)].秸秆对CO2排放有极显著影响(P < 0.01)(表 4).Wang等[49]研究表明生物炭添加并没有增加两种水稻土CO2排放量, 与本研究结果一致.作物秸秆添加入土壤提供了现成的C来源, 这已被证实能够增加CH4排放[50].秸秆对CH4排放有极显著影响(P < 0.01, 表 4).与仅添加秸秆相比, 花生秸秆和生物炭配合施用降低CH4排放, 但不显著, 而水稻秸秆和生物炭配合施用显著降低了CH4排放[P < 0.05, 图 4(c)], 这可能与产甲烷菌和甲烷氧化菌有关, 秸秆在淹水土壤分解时, 会产生醋酸盐, 这是一种重要的产甲烷基质, 可能影响了产甲烷菌, 进而影响CH4的排放；秸秆和生物炭配施增加了土壤含氧量, 有利于增加甲烷氧化菌活性, 从而减少甲烷排放[19, 51, 52].水稻秸秆碳氮比高, 相同质量下碳含量高于花生秸秆, 能够提供更多的碳源, 促进产甲烷菌活性, 导致R处理CH4排放高于P处理[图 4(c)]；而增添生物炭能够减少产甲烷古菌, 增加甲烷氧化菌进而降低CH4排放[53].秸秆和生物炭的交互作用对CH4排放有显著影响(P < 0.05, 表 4).Jiang等[54]Meta分析结果表明生物炭对CH4排放影响不显著, 但也有报道表明生物炭增加了CH4排放[55].生物炭对CH4排放有显著影响(P < 0.05, 表 4).Wang等[56]也有类似的研究结果, 0.33%水稻秸秆配合施用生物炭对减少CH4排放不显著, 而0.66%水稻秸秆配合施用显著降低了CH4排放.
3.3 秸秆或生物炭添加对GWP和NGWP的影响与CK相比, 秸秆和生物炭配合施用降低了N2O排放, 增加了CO2和CH4排放, 但尚不明确其增温潜势(GWP)和净温室气体潜能值(NGWP)的变化(图 4).表 1表征了各处理GWP和NGWP的差异.秸秆碳氮质量、秸秆种类不同, GWP和NGWP差异较大[57].添加生物炭或秸秆对温室气体排放有着显著影响(P < 0.05, 表 4).单独添加生物炭增加了N2O排放, 但对CO2和CH4无显著影响, GWP高于CK处理, 然而添加生物炭增加了土壤C的投入, 使得B处理NGWP低于CK(图 4和表 1).添加秸秆或生物炭对NGWP有显著影响(P < 0.05, 表 4).添加秸秆提供了充足碳源, 增加土壤碳固存率, 在淹水条件下, 产甲烷菌活性增强, 而增添生物炭能够减少产甲烷古菌, 增加甲烷氧化菌, 减少CH4排放[53]；秸秆和生物炭配合施用增加了土壤C的投入, 无机氮固定, 减少了底物含量, 降低了N2O排放(图 5), 从而降低了NGWP.
3.4 秸秆或生物炭添加对土壤微生物量碳氮的影响在本研究中, 添加秸秆或生物炭显著增加了土壤MBC含量且两者有协同作用[图 5(a)].生物炭、秸秆以及两者交互作用对MBC有显著影响(P < 0.05, 表 4).添加生物炭或秸秆为土壤提供现有C源, 刺激微生物活动, 能够提高土壤MBC含量[57].MBC与MBN呈显著正相关(表 3).土壤微生物在土壤氮的固定化中发挥着重要作用, 土壤微生物生物量被认为主要决定了土壤氮的固定, 有研究发现, 土壤氮的固定随着土壤微生物生物量的增加而增加, 表明了土壤微生物生物量显著驱动力土壤氮的固定, 本研究用MBN来衡量土壤微生物生物量对土壤氮固定能力[58].秸秆可以矿化为铵态氮, 直接被微生物固定或者进一步硝化为硝酸盐, 从而为微生物固定化提供基质, 促进土壤MBN固定[59]；与CK相比, 添加秸秆提供了碳源和氮源, 增加了土壤微生物活性, 使得P和R处理MBN增加；增添生物炭能够增加土壤通气性, 有利于微生物固定无机氮, 秸秆和生物炭配合施用增加了MBN含量[图 5(b)].生物炭和秸秆的交互作用对MBN有显著影响(P < 0.05, 表 4).有报道称在碳氮比 > 18的有机物(如秸秆)添加下或有机碳添加量(以C计) > 500 mg·kg-1的情况下, 硝酸盐固定增强[60].在本试验中, 秸秆碳氮比大于18, 秸秆和生物炭配合施用外源有机碳可能超过了500 mg·kg-1水平, 增强了硝酸盐的固定, 使得MBN增加. MBN与NO3--N呈显著负相关(P < 0.05), 与N2O呈显著负相关(P < 0.01)(表 3), 添加秸秆和生物炭增加了土壤微生物活性, 有利于土壤微生物对NO3--N的固定, 土壤微生物对硝态氮的固持能够将部分硝态氮保留在土壤中, 增加MBN含量[图 5(b)], 从而降低了反硝化过程中NO3--N底物含量, 以防止硝态氮通过反硝化过程损失, 减少了N2O排放[图 4(a)].
4 结论(1) 与CK相比, R、P+B以及R+B能够显著降低N2O排放, 添加秸秆增加了NGWP, 增施生物炭能够降低添加秸秆后的NGWP, 其中P+B显著降低NGWP, R+B不显著, 水稻秸秆NGWP最高.
(2) 添加秸秆或生物炭显著提高了MBC含量, P+B处理最高；秸秆和生物炭配合施用显著提高了MBN含量, P+B处理最高, 将无机氮转化为土壤微生物固定的有机氮, 保留了部分氮素, 提高了肥料利用率.
(3) 花生秸秆和椰壳生物炭配合施用能够抑制N2O排放, 增加土壤微生物MBC和MBN, 是一种海南瓜菜季后充分利用氮肥, 减少氮素损失, 减缓N2O排放的一种合理措施.
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