宋 敏蔡立群齊 鵬Stephen Yeboah,5張仁陟羅珠珠潘占東盧廷超

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 蘭州 730070;2.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730070; 3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心 蘭州 730070;4.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織服裝學(xué)院 合肥 230514; 5.CSIR-Crops Research Institute,P.O.BOX 3780-Kumasi,Ghana)

不同生物質(zhì)炭輸入水平下旱作農(nóng)田溫室氣體排放日變化研究*

宋 敏1,2,3,4蔡立群1,2,3**齊 鵬1,2,3Stephen Yeboah1,2,3,5張仁陟1,2,3羅珠珠1,2,3潘占東1,2,3盧廷超1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 蘭州 730070;2.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730070; 3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心 蘭州 730070;4.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織服裝學(xué)院 合肥 230514; 5.CSIR-Crops Research Institute,P.O.BOX 3780-Kumasi,Ghana)

在隴中黃土高原干旱半干旱區(qū),采用小區(qū)定位試驗(yàn),對(duì)不同生物質(zhì)炭水平(0 t·hm-2、10 t·hm-2、20 t·hm-2、30 t·hm-2、40 t·hm-2、50 t·hm-2)下農(nóng)田土壤溫室氣體(CO2、N2O和CH4)的日排放通量及其影響因子進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),并確定1 d中不同生物質(zhì)炭處理水平下的最佳觀測(cè)時(shí)間。結(jié)果表明：6個(gè)生物質(zhì)炭輸入水平處理下,春小麥地土壤CH4、N2O和CO2通量變化趨勢(shì)與氣溫日變化軌跡大體一致,均表現(xiàn)為白天排放量大于夜間,并在4：00—5：00時(shí),出現(xiàn)對(duì)CH4通量的吸收峰,以及N2O與CO2的排放低谷;全天內(nèi)各處理CH4平均排放通量依次為：10.14 μg·m-2·h-1、7.82 μg·m-2·h-1、6.57 μg·m-2·h-1、-0.10 μg·m-2·h-1、1.05 μg·m-2·h-1和2.89 μg·m-2·h-1, N2O平均排放通量依次為：288.79 μg·m-2·h-1、201.78 μg·m-2·h-1、157.14 μg·m-2·h-1、112.06 μg·m-2·h-1、154.60 μg·m-2·h-1和 164.02 μg·m-2·h-1,CO2平均排放通量依次為：85.44 mg·m-2·h-1、80.91 mg·m-2·h-1、76.49 mg·m-2·h-1、65.29 mg·m-2·h-1、67.19 mg·m-2·h-1和69.10 mg·m-2·h-1;當(dāng)生物質(zhì)炭輸入量小于30 t·hm-2時(shí),土壤CH4、N2O、CO2排放通量隨其輸入量增加而顯著減小,但當(dāng)其輸入量超過(guò)30 t·hm-2時(shí),3種溫室氣體排放通量則呈顯著增大趨勢(shì);當(dāng)生物質(zhì)炭輸入水平為30 t·hm-2時(shí),春小麥土壤全天表現(xiàn)為CH4的吸收匯,其余各水平處理下的土壤表現(xiàn)為CH4的弱排放源;6種處理水平下,全天春小麥地土壤表現(xiàn)為N2O、CO2的排放源。0～5 cm的土壤溫度及水分(y)與生物質(zhì)炭輸入量(x)回歸方程分別為y=-0.017 6x+16.585(R2=0.302 6,r=-0.55, P＜0.05)和y=0.056 5x+13.626(R2=0.815 1,r=0.903,P＜0.05),生物質(zhì)炭輸入量與0～5 cm的土壤水分呈顯著正相關(guān)關(guān)系;無(wú)生物質(zhì)炭輸入處理下3種溫室氣體的吸收或排放通量與地表溫度及5 cm地溫均呈顯著正相關(guān)關(guān)系,其他各處理也表現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)關(guān)系。因此,當(dāng)生物質(zhì)炭輸入水平為30 t·hm-2時(shí),更有利于CH4、N2O 和CO23種溫室氣體的增匯減排;生物質(zhì)炭輸入水平差異引起的土壤溫度及水分差異可能是不同生物質(zhì)炭處理CH4、N2O和CO2日排放通量產(chǎn)生差異的主要原因;由矯正系數(shù)及最佳時(shí)段溫室氣體排放量與累積排放量回歸分析可得,3種溫室氣體的最佳同期觀測(cè)時(shí)間為8：00—9：00。

旱作農(nóng)田 春小麥 生物質(zhì)炭 溫室氣體 排放通量 日變化 土壤溫度 土壤水分

CH4、N2O、CO2是引起全球氣候變化的主要溫室氣體,農(nóng)田土壤是溫室氣體的重要排放源[1-2],農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體各占大氣中CH4、N2O和CO2的90%、70%和20%[2-3],對(duì)溫室氣體總排放的貢獻(xiàn)率大約為20%[4]。隨著全球變暖導(dǎo)致氣候異常日益加劇,改良農(nóng)田土壤性質(zhì),提高農(nóng)田碳匯,減少農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放,對(duì)于緩解全球氣候變化具有極其重要的意義。

生物質(zhì)炭是在厭氧或無(wú)氧條件下,經(jīng)高溫?zé)峤?350～600℃)產(chǎn)生的一種多孔富碳、高度芳香化難溶性的固態(tài)物質(zhì),具有穩(wěn)定性強(qiáng)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)[5]。生物質(zhì)炭還田后,可將植物光合作用所固定的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為惰性碳,提升穩(wěn)定性碳庫(kù)儲(chǔ)量[6],減緩微生物對(duì)有機(jī)碳的礦化,達(dá)到增匯減排的作用[5]。因此生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用備受關(guān)注。高德才等[7]、Stewart等[8]的研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭添加能顯著降低土壤N2O排放,但土壤CO2排放則隨生物質(zhì)炭輸入量的增加而增加?？萝S進(jìn)等[9]室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),耕地土壤中添加生物炭對(duì)土壤CO2排放的減排率高達(dá)41.5%。Spokas等[10]通過(guò)不同生物質(zhì)炭輸入水平試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對(duì)土壤CO2及CH4的排放具有顯著抑制效果,且不同輸入水平均能在一定程度上抑制土壤N2O的排放。郭艷亮等[11]通過(guò)在半干旱區(qū)農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn),短期內(nèi)生物炭的添加對(duì)土壤CO2和N2O排放沒有顯著影響, 但CH4排放隨著生物炭添加量的增加而降低。Zhang 等[12]旱地試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與對(duì)照相比,不同生物質(zhì)炭輸入量處理下的CH4排放量均未出現(xiàn)明顯變化。我們的研究發(fā)現(xiàn),作物生長(zhǎng)季土壤CH4排放通量隨生物質(zhì)炭輸入量的增加而減小;當(dāng)生物質(zhì)炭輸入量小于30 t·hm-2時(shí),土壤N2O、CO2排放通量隨其輸入量增加而顯著減小,但當(dāng)其輸入量超過(guò) 30 t·hm-2時(shí), N2O、CO2排放通量則呈顯著增大趨勢(shì)[13]?？梢?目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物質(zhì)炭輸入水平對(duì)溫室氣體增匯減排的研究結(jié)論尚不統(tǒng)一,且以大時(shí)間尺度研究為主,在此基礎(chǔ)上的日變化差異研究少見報(bào)道。溫室氣體日排放研究是估算大時(shí)間尺度(如年際和季節(jié))下溫室氣體排放量的基礎(chǔ)[14-15]。因此,探究不同生物質(zhì)炭水平下的溫室氣體日排放規(guī)律并確定其最佳觀測(cè)時(shí)間,對(duì)于研究生物質(zhì)炭輸入水平對(duì)溫室氣體的影響,精準(zhǔn)估算不同生物質(zhì)炭水平下的溫室氣體排放具有重要意義。

本研究在黃土高原半干旱區(qū),通過(guò)研究不同生物質(zhì)炭輸入水平下,全天旱作農(nóng)田溫室氣體連續(xù)排放特征及溫度對(duì)CH4、N2O和CO2氣體通量的影響,在時(shí)間尺度上探討生物質(zhì)炭輸入水平差異可能導(dǎo)致的土壤溫室氣體排放差異,以期為生物質(zhì)炭處理下的旱作農(nóng)田溫室氣體觀測(cè)確定最佳時(shí)間,科學(xué)估計(jì)生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田溫室氣體的減排效益,為合理應(yīng)用生物質(zhì)炭、減少溫室氣體排放、緩解全球氣候變暖提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站,該區(qū)位于隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū),為典型的雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。區(qū)內(nèi)平均海拔2 000 m左右,日照時(shí)數(shù)2 300 h,年平均太陽(yáng)輻射5 94.9 kJ·cm-2,年均氣溫6.5℃,無(wú)霜期149 d,年均降水量390.99 mm,年蒸發(fā)量1 531 mm,80%保證率的降水量為365 mm,變異系數(shù)24.3%,干燥度2.53。土壤為典型的黃綿土,土質(zhì)綿軟,土層深厚,質(zhì)地均勻,儲(chǔ)水性能良好。土壤pH 為8.36,土壤平均容重為1.17 g·cm-3,凋萎含水率7.3%,飽和含水率21.9%,有機(jī)質(zhì)含量12.01 g·kg-1,全氮0.76 g·kg-1,全磷(P2O5)1.77 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)生物質(zhì)炭水平處理,分別為0 t·hm-2(B0)、10 t·hm-2(B1)、20 t·hm-2(B2)、30 t·hm-2(B3)、40 t·hm-2(B4)和50 t·hm-2(B5),3次重復(fù),試驗(yàn)小區(qū)面積為2.8 m×6 m,小區(qū)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),播前耕后按試驗(yàn)設(shè)計(jì)量均勻撒入土壤后翻埋于耕層土壤(10 cm左右)。供試春小麥品種為‘定西35號(hào)’,2015 年3月下旬播種,7月底收獲,播種量為187.5 kg·hm-2,行距為20 cm,播深7 cm。各處理施用氮素與磷肥水平一致,施純N 105 kg·hm-2(尿素,46%N),純P2O5105 kg·hm-2(過(guò)磷酸鈣,含14%的P2O5)。在播種同時(shí)按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)一次性施肥,不再追肥。

供試生物質(zhì)炭為金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司生產(chǎn)的玉米秸稈生物質(zhì)炭,生物炭基本性質(zhì)：pH 9.21,C含量53.28%,N 含量1.04%,P含量0.26%, Ca含量0.8%,K含量0.51%。

1.3 氣體采集與樣品分析

1.3.1 氣體樣品采集

CH4與N2O采用靜態(tài)暗箱密閉法收集氣體樣品[16]。根據(jù)試驗(yàn)地氣候特征及春小麥生育期狀況,結(jié)合以往季節(jié)性變化研究[17],采樣時(shí)間選取水肥、氣候等外部環(huán)境因素相對(duì)穩(wěn)定的5月中下旬進(jìn)行,根據(jù)氣象報(bào)告,日變化測(cè)定日期定為5月22—23日,觀測(cè)日天氣為晴轉(zhuǎn)多云,為本月份代表性天氣。采樣時(shí)間從16：00開始,到次日17：00結(jié)束,每隔4 h取樣1次。根據(jù)氣象觀測(cè)記錄,氣溫、風(fēng)力級(jí)別、地下5 cm土壤溫度、空氣濕度、土壤濕度等影響溫室氣體通量的環(huán)境要素大致為5月份的平均水平,可代表本月份總體情況。

采樣箱為圓柱形,包括底座和頂箱,由1 mm厚304 K薄的不銹鋼板制成,頂箱直徑38 cm,高35 cm,底座內(nèi)徑36.5 cm,高16 cm,上端有密封凹槽,播種后將底座栽入各處理小區(qū)中間,整個(gè)采樣期不再移動(dòng);箱體外圍覆鋁箔反光保溫膜,頂部留有1個(gè)膠塞測(cè)溫口,用于采樣時(shí)插入溫度計(jì)記錄箱內(nèi)溫度;箱體內(nèi)部裝有風(fēng)扇用于混勻氣體;箱體一側(cè)安裝三通閥采樣孔,用于注射器采樣。采樣時(shí),將頂箱嵌入底座凹槽加水密封,插入溫度計(jì)并接通風(fēng)扇電源后立即用注射器分別采集0 min、10 min和20 min的氣體樣品,分別注入150 mL鋁塑復(fù)合氣袋中帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

CO2氣體通量采用EGM-4便捷式CO2分析儀(英國(guó)PP Systems公司生產(chǎn))測(cè)定,與N2O、CH4氣體樣品采集同步進(jìn)行。

1.3.2 氣體樣品分析

氣體濃度采用安捷倫7890A型氣相色譜儀進(jìn)行分析。色譜柱：ParkQ 15 m×0.53 mm×25 μm。CH4采用前檢測(cè)器FID(檢測(cè)溫度200℃,柱溫55℃),載氣為高純N2;N2O采用后檢測(cè)器(u)ECD(檢測(cè)溫度300℃,柱溫45℃),載氣為高純N2,氣體排放通量F計(jì)算公式為：

式中：F為氣體排放通量(mg·m-2·h-1);A為取樣箱底面積(m2);V為體積(m3);M0為氣體分子量;C1、C2分別為測(cè)定箱關(guān)閉時(shí)和測(cè)定箱開啟前箱內(nèi)溫室氣體的體積濃度(mol·mol-1);T1、T2分別為測(cè)定箱關(guān)閉時(shí)和測(cè)定箱開啟前箱內(nèi)溫度(K),t1、t2為測(cè)定開始和結(jié)束的時(shí)間。

溫室氣體(CH4、N2O、CO2)累積排放量(M)計(jì)算公式如下：

式中：M為全天氣體累積排放量(kg·hm-2),F為氣體排放速率(mg·m-2·h-1),N為采樣次數(shù),t為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔(h)。

不同生物質(zhì)炭輸入水平下旱作農(nóng)田一天中各個(gè)時(shí)刻溫室氣體排放通量的矯正系數(shù)計(jì)算公式如下[14]：

式中：i為一天中進(jìn)行觀測(cè)的次數(shù),各次觀測(cè)之間的時(shí)間相等;Ci為矯正系數(shù);Favg為溫室氣體日平均排放通量;Fi為第i次觀測(cè)的溫室氣體排放通量。

1.3.3 同期觀測(cè)數(shù)據(jù)

土壤溫度測(cè)定。試驗(yàn)小區(qū)各設(shè)地溫計(jì),采樣同時(shí)同步觀察記錄地表及地下5 cm處的土壤溫度。

土壤水分含量測(cè)定。采集氣體同時(shí),用土鉆取0～5 cm土層土壤,用烘干法[(105±2)℃]進(jìn)行土壤含水量測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2010整理后,利用Origin 9與SPSS 17.0軟件進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析作圖。

圖1 不同生物質(zhì)炭輸入水平下春小麥地土壤CH4(a)、N2O(b)和CO2(c)排放通量日變化Fig.1 Diurnal variations of soil CH4(a),N2O(b)and CO2(c)fluxes of spring wheat fields under different biochar application rates

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物質(zhì)炭輸入水平下春小麥田CH4、N2O、CO2通量的日變化

由圖1a可以看出,不同生物質(zhì)炭輸入處理下,春小麥田土壤CH4通量與氣溫變化趨勢(shì)大致一致,具有明顯的日變化特征,各處理排放通量均表現(xiàn)為白天排放量大于夜間。在16：00—4：00,各處理排放通量大致呈逐漸降低趨勢(shì),在4：00—5：00達(dá)到全天的吸收峰,其中B3吸收通量最低,達(dá)-3.86μg·m-2·h-1,分別比B0、B1、B2、B4和B5低28.44%、31.82%、54.40%、29.38%和33.25%,各處理間吸收通量差異較小。隨后CH4的排放通量開始上升,進(jìn)入白天,各處理排放通量差異顯著增大,16：00—17：00達(dá)到白天的排放峰,B0顯著高于其他各處理。白天各處理表現(xiàn)為CH4的凈排放源,4：00—5：00各處理表現(xiàn)為凈吸收匯。

由圖1b可知,不同生物質(zhì)炭處理水平下N2O排放通量日變化特征明顯,B3變化平緩,B0的N2O排放通量明顯高于其他各處理,各處理隨晝夜溫差變化呈晝高夜低的變化趨勢(shì)。16：00—4：00隨溫度的降低,各處理N2O排放通量逐漸降低。5：00以后各處理N2O排放通量開始上升,在12：00—13：00,除B2、B4、B5外,其余處理出現(xiàn)N2O排放峰。B0處理在各時(shí)段排放通量保持較高水平,并在4：00—5：00出現(xiàn)排放低谷,12：00—13：00達(dá)到一天的峰值,排放通量波動(dòng)范圍為131.81～372.67μg·m-2·h-1,說(shuō)明氣溫變化對(duì)B0處理排放通量影響較大。B3在各時(shí)段排放通量變化較小,說(shuō)明30 t·hm-2(B3)的生物質(zhì)炭輸入水平可能更利于抑制硝化和反硝化細(xì)菌的活性。

圖1c為不同生物質(zhì)炭輸入水平下,春小麥地CO2排放通量的日變化曲線。不同生物質(zhì)炭輸入水平下,土壤CO2排放通量的日變化大致呈單谷單峰曲線,晝高夜低,其變化趨勢(shì)與氣溫日變化軌跡大體一致,說(shuō)明旱作農(nóng)田溫室氣體排放受溫度的影響較大,各處理CO2排放通量隨氣溫升高而升高,隨溫度降低而降低,白天排放通量顯著高于夜晚。16：00—5：00隨氣溫下降,除B5最低排放通量出現(xiàn)在0：00—1：00,其他處理在4：00—5：00出現(xiàn)對(duì)CO2的排放谷。4：00—13：00隨氣溫回升,各處理排放通量逐漸增大,并在12：00—13：00出現(xiàn)對(duì)CO2的排放峰,B0處理此時(shí)達(dá)到全天的排放最高值,為116.76 mg·m-2·h-1,分別比B1、B2、B3、B4和B5高16.31%、12.61%、41.0%、39.19%和25.85%,12：00—17：00隨溫度下降排放通量再次表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

2.2 不同生物質(zhì)炭輸入水平對(duì)春小麥地CH4、N2O 和CO2日平均通量的影響

表1為CH4、N2O和CO2氣體全天的通量差異。由于全天各時(shí)段的氣體通量只能反映相應(yīng)時(shí)段的排放或吸收狀況,且環(huán)境因子變化差異亦有可能引起通量變化出現(xiàn)偏差,本文通過(guò)核算各處理全天氣體平均通量,并進(jìn)行方差分析和多重比較(表2),估算全天內(nèi)各處理對(duì)CH4、N2O與CO2氣體的影響。

表1 不同生物質(zhì)炭輸入水平下小麥地CH4、N2O、CO2的通量日平均值及多重比較Table 1 Duncan’s multiple-range test for the means of soil CH4,N2O and CO2fluxes of different biochar application rates in spring wheat fields

可以得出：除B3處理土壤CH4日平均通量為吸收通量,其他處理日平均通量為排放通量。各處理日平均通量的大小次序?yàn)椋築0＞B1＞B2＞B5＞B4＞B3。B0處理下的CH4平均通量顯著大于B1、B2、B3、B4 和B5處理,分別高2.32μg·m-2·h-1、3.57μg·m-2·h-1、10.24μg·m-2·h-1、9.09μg·m-2·h-1和7.25μg·m-2·h-1,說(shuō)明生物質(zhì)炭添加會(huì)不同程度地減小CH4的日排放量,且以30 t·hm-2的生物質(zhì)炭輸入量為界,CH4日平均排放通量隨生物質(zhì)炭輸入水平提高表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)。其中,B1與B2差異不顯著,B3與B4差異不顯著,說(shuō)明CH4日排放通量會(huì)隨生物質(zhì)炭添加量的不同產(chǎn)生差異,低水平生物質(zhì)炭輸入量之間、中水平生物質(zhì)炭輸入量之間的減排效應(yīng)差異不顯著。B3、B4與B5之間差異顯著,說(shuō)明中水平與高水平生物質(zhì)炭輸入水平的減排效應(yīng)差異顯著。

旱作春小麥地土壤N2O日平均通量為排放通量, 6種處理下的N2O排放通量表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化。由表1可知,各處理下N2O日平均排放通量大小次序?yàn)椋築0＞B1＞B5＞B2＞B4＞B3。B0、B1和B3與其他各處理差異顯著,B2、B4和B5之間差異不顯著。與B0處理相比,B1、B2、B3、B4和B5的N2O排放通量分別降低30.13%、45.59%、61.20%、46.47% 和43.21%,說(shuō)明在生物質(zhì)炭輸入量小于30 t·hm-2時(shí), N2O排放通量隨生物質(zhì)炭輸入量的增加而減小,當(dāng)超過(guò)30 t·hm-2時(shí),N2O排放通量反而表現(xiàn)出增加趨勢(shì),但高水平生物質(zhì)炭處理之間的排放通量增加幅度較小。張斌等[18]在旱地土壤溫室氣體排放的研究結(jié)果表明,當(dāng)生物質(zhì)炭添加量為40 t·hm-2時(shí),N2O減排效應(yīng)較好,與本研究結(jié)果接近。

表2 各處理氣體通量日變化與地表溫度和5 cm地溫的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between gases fluxes and soil surface temperature,soil temperature of 5 cm depth in diurnal variation

與CH4和N2O類似,旱作春小麥地土壤CO2的日平均通量為排放通量,隨生物質(zhì)炭輸入水平的差異表現(xiàn)出明顯的規(guī)律,各處理下的CO2日平均排放通量的大小次序?yàn)椋築0＞B1＞B2＞B5＞B4＞B3。由表1可見,除B3與B4之間差異不顯著外,其他各處理間CO2排放通量差異顯著。與B0處理相比較,B1、B2、B3、B4和B5的CO2排放通量分別降低5.30%、10.48%、23.59%、21.36%和19.12%,說(shuō)明當(dāng)生物質(zhì)炭輸入水平為30 t·hm-2時(shí),CO2的減排效果最好,當(dāng)輸入量過(guò)高時(shí)反而不利于CO2的減排。

2.3 不同生物質(zhì)炭輸入水平下春小麥地CH4、N2O 和CO2通量日變化與地表氣溫、5 cm地溫的關(guān)系

由圖2知,各時(shí)段不同生物質(zhì)炭輸入水平下地表溫度及5 cm 地溫日變化特征明顯,且變化趨勢(shì)基本一致,但變化幅度存在差異。

圖2 不同生物質(zhì)炭水平下全天小麥地平均土壤溫度變化圖Fig.2 Variations of average soil temperature of different biochar application rates in spring wheat fields

由表2可知,CH4通量與地表溫度及5 cm的地溫呈正相關(guān)關(guān)系,其中B0、B3、B5處理相關(guān)性較顯著,說(shuō)明CH4日排放通量隨地表溫度及5 cm地溫的升高而升高,生物質(zhì)炭輸入水平不同導(dǎo)致的水熱組合不同可能會(huì)引起CH4排放通量的差異。

B0和B4處理的N2O排放通量與地表溫度及5 cm地溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系,B1處理的N2O排放通量與地表溫度呈顯著性正相關(guān)關(guān)系,其他處理的N2O排放通量與地表溫度及5 cm地溫呈正相關(guān)但不顯著,說(shuō)明N2O日排放通量隨地表溫度及5 cm地溫的升高而升高,生物質(zhì)炭的添加對(duì)5 cm地溫具有一定的維持作用,且與B0處理相比較,其他處理5 cm地溫變化差異對(duì)N2O排放通量影響不大。

B0和B1處理的CO2排放通量與地表溫度呈顯著性正相關(guān),其他處理的CO2排放通量與地表溫度呈極顯著相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明地表溫度的變化是影響CO2排放通量的重要因素。B2和B5的CO2排放通量與5 cm地溫呈顯著性正相關(guān),B3和B4的CO2排放通量與5 cm地溫呈極顯著性正相關(guān),B0、B1的 CO2排放通量與5 cm地溫呈不顯著正相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明生物質(zhì)炭的添加會(huì)引起5 cm地溫的變化,是導(dǎo)致CO2排放通量變化的重要影響因子。由此可見,溫度是造成不同生物質(zhì)炭處理CH4、N2O和CO2通量日變化差異的重要原因。

2.4 不同生物質(zhì)炭輸入水平下春小麥地CH4、N2O和CO2通量排放的最佳觀測(cè)時(shí)間及回歸分析

由圖1可見,溫室氣體的排放通量日變化特征明顯,且存在較大的時(shí)間變異性。圖3為3種溫室氣體的矯正系數(shù)隨時(shí)間變化的分布圖,矯正系數(shù)是指各時(shí)段溫室氣體的平均排放通量與某時(shí)段溫室氣體排放通量的比值,即某一時(shí)段排放通量矯正系數(shù)越接近于1,該時(shí)段的排放通量就越接近于日平均排放通量。由圖3可得,CH4、N2O、CO23種溫室氣體排放通量的矯正系數(shù),均在8：00—9：00時(shí)較為接近于1,說(shuō)明8：00—9：00是3種溫室氣體同期觀測(cè)的最佳時(shí)間,可以作為后續(xù)研究中的代表性觀測(cè)時(shí)間,科學(xué)估計(jì)溫室氣體在相應(yīng)季節(jié)的排放通量。

圖3 CH4(a)、N2O(b)與CO2(c)的矯正系數(shù)隨時(shí)間分布圖Fig.3 Diurnal variations of correction coefficients of CH4(a),N2O(b)and CO2(c)

同時(shí),通過(guò)對(duì)最佳時(shí)段的平均排放通量與日排放總量進(jìn)行回歸分析(圖4),對(duì)最佳時(shí)段的代表性做進(jìn)一步驗(yàn)證,結(jié)果表明,CH4、N2O和CO2在這一時(shí)間段的平均排放量與日排放總量的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.937 (P＜0.01)、0.902(P＜0.05)和0.909(P＜0.05),均達(dá)顯著水平,說(shuō)明不同處理水平下,各氣體這一時(shí)間段的排放量均具有很強(qiáng)的代表性,可作為生物質(zhì)炭處理?xiàng)l件下,旱作農(nóng)田春小麥田溫室氣體研究的最佳取樣時(shí)間段。

圖4 CH4(a)、N2O(b)與CO2(c)氣體最佳觀測(cè)時(shí)間排放通量與日排放總量的回歸分析Fig.4 Regression analysis between the optimal observation time and the daily total fluxes of CH4(a),N2O(b)and CO2(c)

3 討論與結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同生物質(zhì)炭輸入水平下土壤溫室氣體的日變化觀測(cè)分析,本研究結(jié)果顯示：在生物質(zhì)炭輸入水平小于30 t·hm-2時(shí),CH4排放通量表現(xiàn)為隨生物質(zhì)炭輸入水平的增加而減小,當(dāng)超過(guò)30 t·hm-2時(shí), CH4排放通量則表現(xiàn)出隨生物質(zhì)炭輸入水平的增加而增加的趨勢(shì),原因可能是生物質(zhì)炭輸入土壤后,其巨大的比表面積和孔隙度改善了土壤的通氣狀況[19],通過(guò)影響土壤供氧狀況對(duì)CH4產(chǎn)生和吸收過(guò)程中相關(guān)微生物的調(diào)節(jié)作用從而減少CH4的排放[20]。與此同時(shí),通過(guò)改變土壤水熱狀況,抑制產(chǎn)甲烷菌的活性,使得受溫度變化影響較小的甲烷氧化菌活性增加,引起CH4的排放減少[10,20],但旱作農(nóng)田土壤甲烷氧化菌活性有限,導(dǎo)致過(guò)量的生物質(zhì)炭輸入水平下的減排效應(yīng)不顯著。白天,旱作農(nóng)田春小麥地為CH4排放通量的源,夜間各水平處理CH4通量既有源又有匯,4：00—5：00時(shí)各處理表現(xiàn)為CH4通量的凈吸收匯。16：00—17：00出現(xiàn)CH4排放峰,這可能是經(jīng)過(guò)一天的太陽(yáng)輻射,土壤溫度達(dá)到一天中的最高值,隨溫度上升,產(chǎn)甲烷菌較甲烷氧化菌活躍度高的緣故。16：00—17：00時(shí),與B0處理相比,其他各處理的CH4排放通量較低,這可能是具有多孔特性的生物質(zhì)炭將土壤水分吸附,使土壤透氣性提高,水熱狀況較為穩(wěn)定,一定程度上提高了甲烷氧化菌的氧化作用所導(dǎo)致的[10]。

大量研究表明,生物質(zhì)炭的添加對(duì)N2O的增匯減排具有積極的作用[10,18,21]。本研究結(jié)果顯示,除4：00—5：00時(shí)段B2和B4出現(xiàn)對(duì)N2O的吸收峰,各處理在各觀測(cè)時(shí)段表現(xiàn)為N2O的排放通量,且較B0處理,不同水平生物質(zhì)炭的添加不同程度減少了N2O的排放,說(shuō)明旱作農(nóng)田春小麥地為N2O通量的排放源,這與劉博等[16]、段翠青等[22]的日變化研究結(jié)果以及王旭燕等[23]的季節(jié)特征研究結(jié)果一致,進(jìn)一步說(shuō)明了生物質(zhì)炭的添加有利于旱作農(nóng)田春小麥農(nóng)田N2O的增匯減排;當(dāng)生物質(zhì)炭輸入水平為30 t·hm-2時(shí),生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田N2O的減排效應(yīng)最好。這可能因?yàn)樯镔|(zhì)炭添加后,增加了土壤的通氣性[10],提高了土壤陽(yáng)離子交換量,吸附固定了土壤的NH4+[24],使反硝化作用的底物減少,抑制了硝化過(guò)程的進(jìn)行,從而減少了N2O的產(chǎn)生;也有可能是因?yàn)橥寥繭2的增加,減少了硝化過(guò)程第2階段以及反硝化過(guò)程中N2O的產(chǎn)生[19]。但是,在反硝化過(guò)程中,N2O還原酶(Nos)對(duì)O2的敏感度較其他酶要高得多,當(dāng)生物質(zhì)炭輸入量過(guò)高時(shí),通氧量的增加可能造成反硝化過(guò)程進(jìn)行到N2O時(shí)停止,引發(fā)N2O排放增加[25],這可能是B4、B5較B3減排效果減弱的原因。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)旱地CO2排放影響的研究結(jié)果仍不盡一致,尚未形成系統(tǒng)結(jié)論,這可能是由于生物質(zhì)炭來(lái)源、制備過(guò)程以及土壤差異等因素所導(dǎo)致[11,26-27]。本研究結(jié)果表明,較B0處理,在春小麥旱作農(nóng)田添加生物質(zhì)炭有利于CO2的增匯減排,這一結(jié)果與Liu等[28]和Spokas等[10]的結(jié)論一致。原因可能是生物質(zhì)炭在土壤中的添加,一方面因其本身具有的高度穩(wěn)定性,使其所含有的碳素牢牢固定在土壤中,成了碳的凈匯,減少了碳循環(huán)中CO2的排放量;另一方面,生物質(zhì)炭較大的表面積和強(qiáng)吸附能力可將土壤有機(jī)質(zhì)吸附到其表面或孔隙中,通過(guò)吸附作用降低有機(jī)質(zhì)有效性,通過(guò)包封作用將微生物與有機(jī)質(zhì)隔離,從而抑制有機(jī)質(zhì)降解,減少CO2的排放[26]。但CO2的日排放量并非隨生物質(zhì)炭輸入量的增加而減小,當(dāng)生物質(zhì)炭輸入達(dá)到30 t·hm-2時(shí),旱作春小麥地土壤表現(xiàn)出對(duì)CO2的最大減排比,這可能是土壤初始有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤呼吸作用的影響所導(dǎo),生物質(zhì)炭的添加降低了有機(jī)碳含量較低的黃綿土土壤呼吸,使CO2排放量減小;但是過(guò)量的生物質(zhì)炭,反而使CO2排放量趨于增加,這可能是由于土壤有機(jī)碳庫(kù)已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)[29],過(guò)量的生物質(zhì)炭輸入土壤后所形成的土壤水熱狀況、土壤結(jié)構(gòu)不利于CO2的增匯減排。

由此可見,當(dāng)生物質(zhì)炭輸入水平為30 t·hm-2時(shí), CH4的日平均通量為吸收通量,低于或高于30 t·hm-2的各水平處理下,全天春小麥地土壤表現(xiàn)為CH4的排放通量。6種處理水平下,全天春小麥地土壤表現(xiàn)為N2O、CO2的排放源。當(dāng)生物質(zhì)炭輸入水平為30 t·hm-2時(shí),更有利于CH4、N2O和CO2氣體日排放通量的增匯減排。

土壤溫室氣體的排放與環(huán)境因子息息相關(guān)。觀測(cè)當(dāng)天0～5 cm的土壤溫度及水分與生物質(zhì)炭輸入量回歸方程均達(dá)顯著水平,由此可見生物質(zhì)炭輸入量與0～5 cm的土壤水分呈顯著正相關(guān),輸入水平差異也在一定程度上引起土壤溫度和水分的差異,生物質(zhì)炭的添加對(duì)于土壤的水熱狀況有著重要的影響,勢(shì)必會(huì)對(duì)溫室氣體排放造成影響。本研究結(jié)果表明,B0處理3種溫室氣體(CH4、N2O、CO2)的吸收或排放通量與地表溫度及5 cm地溫均呈顯著正相關(guān),說(shuō)明在日變化中,CH4、N2O和CO2吸收或排放過(guò)程受地表溫度及5 cm地溫的顯著影響,這與田慎重等[14]和謝軍飛等[30]的研究結(jié)果一致。此外,其他各處理也表現(xiàn)出與地表溫度及5 cm地溫不同程度的正相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明在較短的時(shí)間尺度內(nèi),在氣候、土壤、植物等狀況相對(duì)穩(wěn)定的情況下,溫度成為影響溫室氣體排放的主要因素,在不同生物質(zhì)炭輸入水平下所形成的水熱組合可能是導(dǎo)致各處理日排放通量差異的主要原因。

由矯正系數(shù)隨時(shí)間的分布情況及排放總量與最佳時(shí)間的排放通量的回歸分析可見,8：00—9：00是CH4、N2O和CO2的最佳觀測(cè)時(shí)間,可作為旱作農(nóng)田春小麥地3種溫室氣體觀測(cè)時(shí)間,這與田慎重等[14]的研究結(jié)果一致。

References

[1]汪婧,蔡立群,張仁陟,等.耕作措施對(duì)溫帶半干旱地區(qū)土壤溫室氣體(CO2、CH4、N2O)通量的影響[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,19(6)：1295-1300 Wang J,Cai L Q,Zhang R Z,et al.Effect of tillage pattern on soil greenhouse gases(CO2,CH4and N2O)fluxes in semi-arid temperate regions[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011,19(6)：1295-1300

[2]張玉銘,胡春勝,張佳寶,等.農(nóng)田土壤主要溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的源/匯強(qiáng)度及其溫室效應(yīng)研究進(jìn)展[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,19(4)：966-975 Zhang Y M,Hu C S,Zhang J B,et al.Research advances on source/sink intensities and greenhouse effects of CO2,CH4and N2O in agricultural soils[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2011,19(4)：966-975

[3]張翰林,呂衛(wèi)光,鄭憲清,等.不同秸稈還田年限對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)溫室氣體排放的影響[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015, 23(3)：302-308 Zhang H L,Lü W G,Zheng X Q,et al.Effects of years of straw return to soil on greenhouse gas emission in rice/wheat rotation systems[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2015, 23(3)：302-308

[4]Vergé X P C,De Kimpe C,Desjardins R L.Agricultural production,greenhouse gas emissions and mitigation potential[J].Agricultural and Forest Meteorology,2007, 142(2/4)：255-269

[5]Karhu K,Mattila T,Bergstr?m I,et al.Biochar addition to agricultural soil increased CH4uptake and water holding capacity— Results from a short-term pilot field study[J]. Agriculture,Ecosystems& Environment,2011,140(1/2)：309-313

[6]Marris E.Putting the carbon back：Black is the new green[J]. Nature,2006,442(7103)：624-626

[7]高德才,張蕾,劉強(qiáng),等.生物黑炭對(duì)旱地土壤CO2、CH4、N2O排放及其環(huán)境效益的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(11)：3615-3624 Gao D C,Zhang L,Liu Q,et al.Effects of biochar on CO2, CH4,N2O emission and its environmental benefits in dryland soil[J].Acta Ecologica Sinica,2015,35(11)：3615-3624

[8]Stewart C E,Zheng J Y,Botte J,et al.Co-generated fast pyrolysis biochar mitigates green-house gas emissions and increases carbon sequestration in temperate soils[J].Global Change Biology Bioenergy,2013,5(2)：153-164

[9]柯躍進(jìn),胡學(xué)玉,易卿,等.水稻秸稈生物炭對(duì)耕地土壤有機(jī)碳及其CO2釋放的影響[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(1)：93-99 Ke Y J,Hu X Y,Yi Q,et al.Impacts of rice straw biochar on organic carbon and CO2release in arable soil[J]. Environmental Science,2014,35(1)：93-99

[10]Spokas K A,Koskinen W C,Baker J M,et al.Impacts of woodchip biochar additions on greenhouse gas production and sorption/degradation of two herbicides in a Minnesota soil[J]. Chemosphere,2009,77(4)：574-581

[11]郭艷亮,王丹丹,鄭紀(jì)勇,等.生物炭添加對(duì)半干旱地區(qū)土壤溫室氣體排放的影響[J].環(huán)境科學(xué),2015,36(9)：3393-3400 Guo Y L,Wang D D,Zheng J Y,et al.Effect of biochar onsoil greenhouse gas emissions in semi-arid region[J]. Environmental Science,2015,36(9)：3393-3400

[12]Zhang A F,Liu Y M,Pan G X,et al.Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain[J].Plant and Soil,2011,351(1/2)：263-275

[13]宋敏,齊鵬,蔡立群,等.不同生物質(zhì)炭輸入水平下旱作農(nóng)田溫室氣體排放研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,24(9)：1185-1195 Song M,Qi P,Cai L Q,et al.Effect of different biochar application levels on greenhouse gas emissions in the Loess Plateau semi-arid environment in China[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2016,24(9)：1185-1195

[14]田慎重,寧堂原,遲淑筠,等.不同耕作措施的溫室氣體排放日變化及最佳觀測(cè)時(shí)間[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(3)：879-888 Tian S Z,Ning T Y,Chi S Y,et al.Diurnal variations of the greenhouse gases emission and their optimal observation duration under different tillage systems[J].Acta Ecologica Sinica,2012,32(3)：879-888

[15]葉勇,盧昌義,林鵬,等.河口紅樹林濕地CH4通量的日變化研究[J].海洋學(xué)報(bào),2000,22(3)：103-109 Ye Y,Lu C Y,Lin P,et al.Diurnal change of CH4fluxes from esturine mangrove wetlands[J].Acta Oceanologica Sinica, 2000,22(3)：103-109.

[16]劉博,黃高寶,高亞琴,等.免耕對(duì)旱地春小麥成熟期CO2和N2O排放日變化的影響[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010, 45(1)：82-87 Liu B,Huang G B,Gao Y Q,et al.Effects of no-tillage on daily dynamics of CO2and N2O emission from spring wheat field during mature stage[J].Journal of Gansu Agricultural University,2010,45(1)：82-87

[17]蔡立群,王娟,羅珠珠,等.不同耕作條件下豆麥雙序列輪作農(nóng)田土壤溫室氣體的排放及影響因素研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,21(8)：921-930 Cai L Q,Wang J,Luo Z Z,et al.Greenhouse gas emissions in double sequence pea-wheat rotation fields under different tillage conditions[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013,21(8)：921-930

[18]張斌,劉曉雨,潘根興,等.施用生物質(zhì)炭后稻田土壤性質(zhì)、水稻產(chǎn)量和痕量溫室氣體排放的變化[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,45(23)：4844-4853 Zhang B,Liu X Y,Pan G X,et al.Changes in soil properties, yield and trace gas emission from a paddy after biochar amendmentin two consecutive rice growing cycles[J]. Scientia Agricultura Sinica,2012,45(23)：4844-4853

[19]Lukas V Z,Singh B,Foseph S,et al.Biochar and emissions of non-CO2greenhouse gases from soil[M]//Lehmann J,Joseph S.Biochar for Environmental Management：Science and Technology.London：Earthscan,2009：232

[20]Feng Y Z,Xu Y P,Yu Y C,et al.Mechanisms of biochar decreasing methane emission from Chinese paddy soils[J]. Soil Biology and Biochemistry,2012,46：80-88

[21]王欣欣,鄒平,符建榮,等.不同竹炭施用量對(duì)稻田甲烷和氧化亞氮排放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(1)： 198-204 Wang X X,Zou P,Fu J R,et al.Effects of bamboo biochar amendments on methane and nitrous oxide emission from paddy soil[J].Journal of Agro-Environment Science,2014, 33(1)：198-204

[22]段翠清,張仁陟,蔡立群,等.保護(hù)性耕作對(duì)黃土高原旱地春小麥成熟期農(nóng)田溫室氣體通量日變化的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2013,29(21)：35-40 Duan C Q,Zhang R Z,Cai L Q,et al.Effects of conservation tillage on daily dynamics of greenhouse gases flux from spring wheat during mature stage in dry land of the Loess Plateau[J].ChineseAgriculturalScience Bulletin,2013, 29(21)：35-40

[23]王旭燕,張仁陟,蔡立群,等.不同施氮處理下旱作農(nóng)田土壤CH4、N2O氣體排放特征研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2015, 35(11)：3655-3661 Wang X Y,Zhang R Z,Cai L Q,et al.Emission characteristics of CH4and N2O fluxes from dryland field under different nitrogen treatments[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2015, 35(11)：3655-3661

[24]張廣斌,馬靜,馬二登,等.尿素施用對(duì)稻田土壤甲烷產(chǎn)生、氧化及排放的影響[J].土壤,2010,42(2)：178-183 Zhang G B,Ma J,Ma E D,et al.Effects of urea application on methane production,oxidation and emission from a paddy soil[J].Soils,2010,42(2)：178-183

[25]朱永官,王曉輝,楊小茹,等.農(nóng)田土壤N2O產(chǎn)生的關(guān)鍵微生物過(guò)程及減排措施[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(2)：792-800 Zhu Y G,Wang X H,Yang X R,et al.Key microbial processes in nitrous oxide emissions of agricultural soil and mitigation strategies[J].Environmental Science,2014,35(2)：792-800

[26]Zimmerman A R,Gao B,Ahn M Y.Positive and negative carbon mineralization priming effects among a variety of biochar-amended soils[J].Soil Biology and Biochemistry, 2011,43(6)：1169-1179

[27]劉玉學(xué),王耀鋒,呂豪豪,等.生物質(zhì)炭化還田對(duì)稻田溫室氣體排放及土壤理化性質(zhì)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2013, 24(8)：2166-2172 Liu Y X,Wang Y F,Lü H H,et al.Effects of biochar application on greenhouse gas emission from paddy soil and its physical and chemical properties[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2013,24(8)：2166-2172

[28]Liu Y X,Yang M,Wu Y M,et al.Reducing CH4and CO2emissions from waterlogged paddy soil with biochar[J]. Journal of Soils and Sediments,2011,11(6)：930-939

[29]Lehmann J.Capturing relevant biochar properties：Current status and advances at the Kyoto meeting[C]//Biochar and New Green Agriculture of China：An International Workshop on Production and Application ofBiocharin China’s Agriculture.Nanjing,China：Cornell University,2011

[30]謝軍飛,李玉娥.土壤溫度對(duì)北京旱地農(nóng)田N2O排放的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2005,26(1)：7-10 Xie J F,Li Y E.Effect of soil temperature on N2O emission in upland farm of Beijing[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2005,26(1)：7-10

Diurnalvariationsofgreenhousegasesemissionsunderdifferentbiocharapplications*

SONG Min1,2,3,4,CAI Liqun1,2,3**,QI Peng1,2,3,StephenYeboah1,2,3,5,ZHANG Renzhi1,2,3,LUO Zhuzhu1,2,3,PAN Zhandong1,2,3,LU Tingchao1

(1.College of Resources and Environmental Sciences,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2.Gansu Provincial Key Lab ofAridland Crop Science,Lanzhou 730070,China;3.Gansu Province Research Center for Water-savingAgriculture Engineering Technology,Lanzhou 730070,China;4.Department of Textile Engineering,Anhui Vocational and Technical College,Hefei 230514, China;5.CSIR-Crops Research Institute,P.O.BOX 3780-Kumasi,Ghana)

Biochar is a carbon-rich solid product obtained from heating biomass under oxygen-limited conditions.Biochar application has the potential to mitigate greenhouse gas emission.Dryland farming areas in Northwest China emit substantial amounts of greenhouse gases.The aim of this study was to determine the effects of different biochar rates on diurnal variations in methane(CH4),nitrous oxide(N2O)and carbon dioxide(CO2)emissions in the western Loess Plateau.Treatments included 6 biochar application rates(3 replications)：0 t·hm-2(control,B0),10 t·hm-2(B1),20 t·hm-2(B2),30 t·hm-2(B3),40 t·hm-2(B4) and 50 t·hm-2(B5)t·hm-2.Soil moisture and temperature were measured concurrently with gas measurement.The results showed distinct diurnal variations in CO2,CH4and N2O fluxes for different biochar application rates.The trends of change in the fluxes of the 3 gases(CH4,N2O and CO2)were consistent with daily variations in temperature.Daytime fluxes were greater than nighttime fluxes.The order of absorption peak of CH4was B0(10.14 μg·m-2·h-1)＞B1(7.82 μg·m-2·h-1)＞B2(6.57 μg·m-2·h-1)＞B5(2.89 μg·m-2·h-1)＞B4(1.05 μg·m-2·h-1)＞B3(-0.10 μg·m-2·h-1).A similar order was noted for average emission flux of N2O,given as B0(288.79 μg·m-2·h-1)＞B1(201.78 μg·m-2·h-1)＞B5(164.02 μg·m-2·h-1)＞B2(157.14 μg·m-2·h-1)＞B4(154.60 μg·m-2·h-1)＞B3(112.06 μg·m-2·h-1).The order of average emission flux of CO2was B0(85.44 mg·m-2·h-1)＞B1(80.91 mg·m-2·h-1)＞B2(76.49 mg·m-2·h-1)＞B5(69.10 mg·m-2·h-1)＞B4(67.19 mg·m-2·h-1)＞B3(65.29 mg·m-2·h-1).The results showed that when biochar input was less than 30 t·hm-2,mean emission fluxes of CH4,N2O and CO2dropped with increasing biochar application rate.However,when biochar input exceed 30 t·hm-2,the mean emission fluxes of CH4,N2O and CO2increased with increasing biochar application rate.The soil was a good source of atmospheric CH4for all treatments(except for 30 t·hm-2)and sources of atmospheric N2O and CO2,irrespective of treatment.Soil temperature at 5 cm depth was correlated with biochar application rate—y=-0.017 6x+16.585(R2=0.302 6,r=-0.55,P＜0.05),but soil moisture at 5 cm soil depth was linearly correlated with biochar application rate—y=0.056 5x+13.626(R2=0.815 1,r= 0.903,P＜0.05).The average fluxes of CH4,N2O and CO2under the control treatment were positively correlated with soil temperature of both soil surface and the 0-5 cm depth.The others treatments were also positively correlated with different levels of biochar.Biochar application at 30 t·hm-2reduced greenhouse gas emission.The differences in both soil temperature and moisture caused by different input levels of biochar were the main reasons for the differences in CH4,N2O and CO2emissions.Correction coefficient and regression analysis of optimal measure time revealed that the optimal observation period of the three greenhouse gases was between 8 a.m.and 9 a.m.

Dry farmland;Spring wheat;Biochar;Greenhouse gases;Emission flux;Diurnal variation;Soil temperature;Soil moisture

X171.3

A< class="emphasis_bold">文章編號(hào):1671-3

1671-3990(2016)10-1300-10

10.13930/j.cnki.cjea.151318

* 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題(GSCS-2012-13)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31160269,31571594)、“十二·五”《循環(huán)農(nóng)業(yè)科技工程》項(xiàng)目(2012BAD14B03)和甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(145RJZA204,145RJZA106)資助

**通訊作者：蔡立群,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail：cailq@gsau.edu.cn宋敏,研究方向?yàn)榛謴?fù)生態(tài)學(xué)、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。E-mail：153405328@qq.com

2015-12-15 接受日期：2016-04-06

* Supported by the Open Found of Gansu Provincial Key Lab of Aridland Crop Science Project(GSCS-2012-13),the National Natural Science Foundation of China(31160269,31571594),the Project of the Twelfth Five-Year Plan for Circular Agriculture Science and Technology (2012BAD14B03)and the Natural Science Foundation of Gansu Province(145RJZA204,145RJZA106)

**Corresponding author,E-mail：cailq@gsau.edu.cn Received Dec.15,2015;accepted Apr.6,2016