方 明，任天志，賴 欣 ，王知文，2，宋婷婷 ，3，李 潔*，張貴龍*

（1.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；3.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110866）

生物炭是生物質(zhì)材料在高溫厭氧條件下熱解制備的一類富碳物質(zhì)，具有比表面積大、孔隙度高等性質(zhì)，生物炭施入土壤中能夠影響土壤碳庫(kù)，擾動(dòng)土壤微生物群落，改變通氣透水條件等，進(jìn)而影響土壤溫室氣體排放[1]。雖然生物炭在固碳減排、改善土壤環(huán)境及提高作物產(chǎn)量等方面均具有重要的作用，但仍存在較大的不確定性[2]。

雖然有報(bào)道顯示生物炭在改善土壤環(huán)境及提高作物產(chǎn)量等方面均具有重要的作用，但其對(duì)不同類型土壤溫室氣體減排效應(yīng)的影響仍存在爭(zhēng)議。Smith等[3]研究顯示，在砂壤土中施用生物炭能夠促進(jìn)土壤CO2的排放，然而也有研究發(fā)現(xiàn)在水稻土中施用生物炭會(huì)抑制土壤呼吸[4]。Karhu等[1]認(rèn)為向旱地農(nóng)田土壤施用生物炭對(duì)CO2排放沒(méi)有顯著影響，但卻增加了CH4氣體的排放；Hawthorne等[5]發(fā)現(xiàn)在未添加氮肥的情況下，低量（1%）和高量（10%）生物炭施用對(duì)鐵質(zhì)灰壤（Ferric podzol）CH4氣體排放均具有抑制作用，且同時(shí)增加CO2和N2O的排放。Agegnehu等[6]試驗(yàn)表明在熱帶鐵鋁土中施用生物炭顯著降低N2O的排放，而Lin等[7]研究則顯示在紅壤中施用小麥秸稈生物炭則刺激N2O氣體的排放。由此可見(jiàn)，不同類型的土壤在成土過(guò)程中經(jīng)歷不同的氣候、生物和人為等因素影響，導(dǎo)致其容重、粘粒含量、鹽基離子及酸堿度等存在差異，可能是生物炭在不同類型土壤中對(duì)溫室氣體排放影響效果不一致的重要原因。然而，目前生物炭雖然能改變土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、容重、通氣狀況等理化特性[8]，但這些性質(zhì)的改變是否會(huì)進(jìn)一步影響不同土壤主要溫室氣體（N2O、CO2和CH4）的排放強(qiáng)度和綜合溫室效應(yīng)，生物炭添加量是否對(duì)不同類型土壤理化性狀和溫室氣體排放影響有所差別，均有待進(jìn)一步研究。

潮土是黃淮海平原代表性土壤，占全國(guó)耕地面積的60%[9]。紅壤是我國(guó)亞熱帶濕潤(rùn)地區(qū)分布的地帶性紅壤，占全國(guó)耕地面積的30%。該兩類土壤是中國(guó)大陸分布較為廣泛的土壤，空間分布上存在南北差異，成土母質(zhì)不同，黏、砂粒比例相反，一類偏堿性，一類偏酸性。因此，對(duì)比研究生物炭施用對(duì)兩類土壤溫室氣體排放的影響，可較全面地揭示生物炭的碳匯調(diào)控功能。此外，我國(guó)是世界上花生產(chǎn)量最大的國(guó)家，將花生殼廢棄物制成生物炭用于農(nóng)田土壤改良，具有良好的生態(tài)意義[10]。本研究以潮土和紅壤為對(duì)象，利用500℃厭氧熱解制備花生殼生物炭，設(shè)置生物炭梯度培養(yǎng)體系，觀測(cè)生物炭施用條件下土壤N2O、CO2及CH4排放動(dòng)態(tài)和土壤關(guān)鍵理化指標(biāo)的變化，同時(shí)對(duì)比研究生物炭對(duì)兩類土壤溫室氣體排放的影響，并解析生物炭、土壤理化特性及溫室氣體排放之間的關(guān)系，以期豐富生物炭農(nóng)田安全施用的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集

1.1.1 試驗(yàn)材料

供試花生殼生物炭由河南三利新能源公司提供，為500℃厭氧熱解制備，基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試氮肥為尿素。種植作物為小白菜（Brassica rapa L.chinensis），生長(zhǎng)周期為40 d左右。供試土壤為潮土和紅壤，潮土采集地點(diǎn)為天津市武清區(qū)梅廠鎮(zhèn)周莊村（39°36′N，117°13′E），紅壤采集地點(diǎn)為湖南省長(zhǎng)沙市長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn)脫甲村（28°25′N，113°21′E），對(duì) 0～20 cm 和20～40 cm土壤分別采集，兩處采集地點(diǎn)均長(zhǎng)期種植露地蔬菜，主要種植小白菜、甘藍(lán)等葉菜類蔬菜。將取回土樣分層進(jìn)行風(fēng)干、混合過(guò)5 mm孔徑篩，用以土柱填裝。

表1 生物炭基本理化性質(zhì)Table1 Basic physical and chemical properties of biochar

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置

試驗(yàn)采用土柱培養(yǎng)試驗(yàn)（圖1），每種土壤各設(shè)計(jì)6個(gè)處理，包括：空白對(duì)照處理CK，單獨(dú)添加氮肥處理N，生物炭均勻摻混施入土壤，質(zhì)量比為B1（0.5%）、B2（1%）、B3（2%）、B4（4%），紅壤（R）各處理表示為 RCK、RN、RB1N、RB2N、RB3N、RB4N；潮土（M）各處理表示為 MCK、MN、MB1N、MB2N、MB3N、MB4N，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。土柱裝置為直徑21cm，高度45 cm的不銹鋼圓柱管。土柱垂直固定于穩(wěn)定架上，上方邊緣焊接5.5 cm寬、2 cm高邊槽，用于密封氣體收集箱，邊槽可放置暗箱進(jìn)行溫室氣體采集（圖1）。土柱底部鋪有3 cm厚、粒徑為1～2 mm、經(jīng)2 mol·L-1H2SO4浸泡過(guò)夜并用蒸餾水洗凈的干燥石英砂，砂粒與底蓋接觸面及與土壤接觸面分別鋪有一層稍大于底面積的200目尼龍網(wǎng)。

試驗(yàn)于2017年3月將生物炭均勻施入土壤，土柱分兩層裝入，先裝20～40 cm土層，后裝0～20 cm土層，其中僅0～20 cm土層為土壤與生物炭充分混勻后慢慢壓實(shí)裝入[11]。每個(gè)土柱內(nèi)裝填的生物炭和土壤總質(zhì)量均為12 kg，不添加生物炭與添加4%生物炭處理高度相差不超過(guò)2 cm。將土柱置于溫室大棚內(nèi)加水靜置培養(yǎng)，期間保持一定土壤含水量。將小白菜種子用10%H2O2浸泡10 min，用自來(lái)水和去離子水各沖洗3次，隨后在育苗盤中進(jìn)行培養(yǎng)。5月初將育苗盤中長(zhǎng)出的2片真葉小白菜進(jìn)行移植，10 d左右待植株生長(zhǎng)穩(wěn)定進(jìn)行間苗，每個(gè)處理保留3株小白菜，同年6月底收獲。尿素在植株移植后第2 d溶解后施入，其中施氮量與我國(guó)菜地平均施氮量一致，即每個(gè)土柱加3.07 g尿素（CK除外），施氮量相當(dāng)于450 kg·hm-2。參照Hansena等[12]的方法，將磷鉀等養(yǎng)分配制營(yíng)養(yǎng)液在種植前加入。澆灌采用蒸餾水，試驗(yàn)期間通過(guò)土壤水分傳感器（北京Unism公司）監(jiān)測(cè)土壤含水量，及時(shí)補(bǔ)充水分，保持土壤體積含水量為30%～40%。

1.1.3 土壤樣品采集

試驗(yàn)結(jié)束后，采集0～20 cm耕層土壤，土樣采集后，一部分保存于-20℃冰箱，另一部分風(fēng)干后研磨過(guò)篩。用于土壤有機(jī)碳、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等土壤基本理化性狀的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 土柱裝置示意圖Figure1 The experimental setup of soil column device

表2 紅壤和潮土的基本理化性質(zhì)Table2 Basic physical and chemical properties of red soil and fluvo-aquic soil

1.1.4 氣體樣品采集

溫室氣體（CO2、CH4、N2O）的采集利用靜態(tài)箱法。箱體是由PVC材料制成的直徑25 cm、高30 cm的圓柱體。在施肥后第 1、3、5、8、11、16、21、29、35 d 進(jìn)行氣樣采集。每次采樣時(shí)間固定于上午9：00—12：00之間[13]，在收集氣體前將底座凹槽加滿水，用于阻斷氣箱內(nèi)外氣體交換，分別在第0、10、20、30 min用100 mL注射器每次采集200 mL到鋁箔氣體采樣袋（250 mL）內(nèi)，并記錄采樣時(shí)間和實(shí)時(shí)溫度。

1.2 測(cè)定方法

溫室氣體排放量測(cè)定：利用氣相色譜儀（Agilent 7890B）對(duì) CO2、CH4、N2O 含量進(jìn)行檢測(cè)，氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）測(cè)定CO2、CH4含量，電子捕獲檢測(cè)器（ECD）測(cè)定N2O含量。

土壤基本理化特征測(cè)定：土壤pH值用MP511型pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定；有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法；土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用流動(dòng)分析儀（AA3，Bran+Luebbe Corp，德國(guó)）測(cè)定；土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。生物炭的性質(zhì)由元素分析儀（VarioMicrocube，ElementarCorp，德國(guó)）進(jìn)行測(cè)定。

1.3 分析方法及數(shù)據(jù)處理

1.3.1 溫室氣體排放通量和積累排放量

溫室氣體排放通量表示單位時(shí)間通過(guò)單位面積的氣體質(zhì)量，氣體累積排放量表示作物生長(zhǎng)季內(nèi)單位面積的氣體累積排放質(zhì)量。

CO2、CH4、N2O 排放通量計(jì)算公式[14]如下：

其中，F(xiàn) ′為溫室氣體累積排放量，kg·hm-2；Fi為各采樣期內(nèi)CO2、CH4和N2O的平均排放通量；Dn為采樣期的天數(shù)。

土壤固碳量計(jì)算公式[15]：

SOCP=（SOC2-SOC1）×BD×A×H

式中：SOCP表示試驗(yàn)期內(nèi)固定有機(jī)碳的量，t·hm-2；SOC1表示生物炭施用前土壤有機(jī)碳含量，g·kg-1；SOC2表示收獲后各處理土壤有機(jī)碳含量，g·kg-1；A為小區(qū)面積，m2；BD 為各處理土柱土壤容重，g·cm-3；H為土柱內(nèi)土層厚度，取40 cm。

為計(jì)算土壤固碳對(duì)增溫潛勢(shì)的影響，本研究通過(guò)下列公式將稻田土壤固碳量折算為固持大氣CO2的量（ATCS，kg CO2-eq·hm-2）[16]：

ATCS=SOCP×44/12

1.3.2 溫室氣體綜合效應(yīng)和溫室氣體排放強(qiáng)度

三種溫室氣體引發(fā)的凈溫室氣體綜合效應(yīng)GWP（Global warming potential）和溫室氣體排放強(qiáng)度GHGI（Greenhouse gas emission intensity）公式[17]分別為：

GWP=CO2+CH4×25+N2O×298-ATCS

式中系數(shù)表示單位質(zhì)量CH4和N2O在百年時(shí)間尺度全球增溫潛勢(shì)分別是CO2的25倍和298倍。GWP（kg CO2-eq·hm-2）以三種溫室氣體凈交換量的CO2當(dāng)量的代數(shù)和來(lái)計(jì)算[15]。

GHGI=GWP/Y

GHGI（kg CO2-eq·hm-2）為溫室氣體排放強(qiáng)度，表示每

式中：F 為溫室氣體（CO2、CH4、N2O）排放通量，mg·m-2·h-1；t為氣樣采集過(guò)程中的平均溫度，℃；dC/dt為單位時(shí)間內(nèi)氣樣采集過(guò)程中采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化梯度，mL·m-2·h-1；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，P 為箱內(nèi)氣壓。ρ為三種溫室氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度；H為氣體采集箱頂部與水面之間的高度，m；

CO2、CH4、N2O 的累積排放量[14]為：千克植物地上生物量所產(chǎn)生的CO2排放量，其值的相對(duì)大小可以判斷各處理的綜合溫室效應(yīng)。Y為作物產(chǎn)量，單位為 kg·hm-2。

冗余分析采用Canoco for Windows 4.5軟件處理；利用Microsoft Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及圖表的繪制，利用SPSS 17.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因子方差分析，Duncan多重比較判斷處理間的差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

生物炭添加對(duì)土壤關(guān)鍵理化指標(biāo)有顯著影響（表3）。較單施氮肥處理，施用生物炭顯著增加潮土硝態(tài)氮（）含量，其中當(dāng)生物炭添加量為1%、2%（MB2N、MB3N）時(shí)，土壤硝態(tài)氮含量較MN處理分別高24.4%和28.6%，但生物炭添加量為4%（MB4N）時(shí)，潮土硝態(tài)氮與單施氮肥處理（MN）無(wú)顯著差異。紅壤硝態(tài)氮含量則隨生物炭添加量的增加顯著升高，其中添加2%和4%生物炭處理（RB3N、RB4N）分別較單施氮肥處理（RN）高54.6%、39.2%；而添加 0.5%和1%生物炭處理（RB1N、RB2N）則顯著低于單施氮肥處理，與紅壤空白對(duì)照無(wú)顯著差異。

土壤有機(jī)碳含量隨生物炭施用的增加而顯著增加，其中較空白對(duì)照和單施氮肥處理，施用生物炭增加潮土有機(jī)碳含量10.6%～62.1%，增加紅壤有機(jī)碳含量3.4%～43.9%。施用生物炭對(duì)潮土pH值未產(chǎn)生顯著影響，但2%、4%生物炭施用引起紅壤pH值顯著升高，與紅壤空白對(duì)照相比，施用4%生物炭處理（RB4N）pH值增加1.16個(gè)單位。潮土和紅壤在4%生物炭施用量時(shí)，土壤容重較空白對(duì)照分別下降14.9%和14.2%。此外，生物炭施用對(duì)土壤電導(dǎo)率、銨態(tài)氮、全氮及碳氮比無(wú)顯著影響。

2.2 生物炭對(duì)溫室氣體排放的影響

2.2.1 生物炭對(duì)潮土和紅壤N2O排放的影響

總體上，各處理N2O排放量呈先升后降的“單峰”型變化（圖2a、圖2b），均在培養(yǎng)的第5 d左右達(dá)到峰值，在培養(yǎng)8 d以后，各處理N2O排放通量即維持在極低水平（0.5 mg·m-2·h-1左右）。與單施氮肥處理相比，潮土施用生物炭處理N2O排放通量平均高0.78～2.49 mg·m-2·h-1，紅壤平均高 0.17～1.92 mg·m-2·h-1。相比而言，潮土N2O排放量顯著高于紅壤，排放峰值相差約 7.0 mg·m-2·h-1。

整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，紅壤和潮土N2O累積排放量對(duì)生物炭的施用表現(xiàn)出不同的響應(yīng)差異（圖2c、圖2d）。施用生物炭顯著降低潮土N2O累積排放量。與單施氮肥處理相比，潮土施用生物炭N2O累積排放量降低6.5%～26.6%。而紅壤N2O累積排放量則隨生物炭量增加呈增加趨勢(shì)，較紅壤空白對(duì)照和單施氮肥處理，施用生物炭處理N2O累積排放量分別增加24.2%～65.4%和14.7%～54.3%。

表3 不同處理土壤理化性質(zhì)Table3 Physical and chemical properties of both soils under different treatments

圖2 生物炭添加對(duì)潮土和紅壤N2O排放動(dòng)態(tài)和累積排放量的影響Figure2 Effect of biochar addition on N2O emission flux and cumulative emission in fluvo-aquic and red soils

2.2.2 生物炭對(duì)潮土和紅壤CO2排放的影響

培養(yǎng)期間，兩種土壤CO2排放動(dòng)態(tài)呈“先高后低”的趨勢(shì)（圖3a，圖3b），均在培養(yǎng)開(kāi)始后的第3～5 d達(dá)到高峰，峰值均達(dá) 1000～1200 mg·m-2·h-1，此后急劇下降，并維持在較低水平（200 mg·m-2·h-1左右）。其中，施用生物炭和氮肥增加兩種土壤培養(yǎng)初期的CO2排放通量，較空白對(duì)照處理，潮土前5 d平均排放通量升高3.6～4.6倍，紅壤前3 d的平均排放通量升高1.5～2.5倍。與單施氮肥處理相比，施用生物炭增加了潮土CO2排放通量峰值，增幅達(dá)45.0%，但對(duì)紅壤CO2排放通量峰值沒(méi)有顯著影響。相同處理下，紅壤CO2排放通量峰值高于潮土，平均高出218.7～506.6 mg·m-2·h-1。此外，與空白對(duì)照相比，施用氮肥和生物炭均可增加兩種土壤CO2累積排放量的趨勢(shì)，其中，潮土CO2累積排放量增加顯著，添加0.5%生物炭處理（MB1N）CO2累積排放量最高，相對(duì)于潮土空白和單施氮肥處理分別增加了51.9%和25.9%；而在施用生物炭的紅壤中，僅生物炭施用量為0.5%和4%（RB1N、RB4N）的處理，CO2的累積排放量增幅達(dá)到33.2%、32.7%，顯著高于紅壤空白對(duì)照，但與紅壤單施氮肥處理無(wú)顯著差異（圖3c、圖3d）。

2.2.3 生物炭對(duì)潮土和紅壤CH4排放的影響

潮土和紅壤CH4排放動(dòng)態(tài)隨培養(yǎng)時(shí)間推進(jìn)呈不規(guī)則變化（圖4a、圖4b），各處理潮土CH4排放通量在-2.00～2.00 mg·m-2·h-1之間，紅壤 CH4排放通量變化幅度為-1.13～3.83 mg·m-2·h-1，兩種土壤培養(yǎng)期間添加生物炭處理CH4排放通量均未呈現(xiàn)出明顯的梯度變化。整個(gè)培養(yǎng)階段，與空白對(duì)照相比，潮土施用氮肥和生物炭顯著降低CH4累積量，總體上累積量為負(fù)值，呈吸收狀態(tài)；而與單施氮肥處理相比，潮土CH4累積量隨生物炭施用量的增加顯著增加，說(shuō)明在潮土上添加生物炭可增加CH4的累積。此外，與潮土不同，紅壤空白對(duì)照處理 CH4排放累積量為-10.16 mg·m-2·h-1，呈CH4弱匯，而施用生物炭顯著增加紅壤CH4累積排放量，各處理CH4累積排放量變化幅度為3.13～17.07 mg·m-2·h-1，呈 CH4弱源，說(shuō)明總體上添加生物炭后紅壤CH4排放由吸收狀態(tài)變?yōu)獒尫艩顟B(tài)。

圖3 生物炭添加對(duì)潮土和紅壤CO2排放通量和累積排放量的影響Figure3 Effect of biochar addition on CO2emission flux and cumulative emission in fluvo-aquic and red soils

2.3 溫室氣體強(qiáng)度及綜合溫室效應(yīng)

隨生物炭的施用，兩種土壤固碳量均顯著提高，與單施氮肥處理相比，潮土增加了57.1%～78.7%，紅壤增加了11.2%～59.9%，但植株生物量、溫室氣體排放強(qiáng)度，凈綜合溫室效應(yīng)均呈不同變化規(guī)律（表4）。與對(duì)照和單施氮肥處理相比，紅壤添加生物炭顯著增加小白菜生物量，增加了1.4～2.9倍，而潮土施用生物炭卻顯著抑制小白菜生長(zhǎng)，其單株生物量顯著下降，降幅達(dá)64.7%～79.4%，說(shuō)明生物炭對(duì)小白菜生長(zhǎng)的影響與土壤類型和施用量有關(guān)。施用生物炭顯著增加潮土溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI），且隨生物炭添加量的增加，潮土GHGI呈顯著升高趨勢(shì)，與單獨(dú)添加氮肥MN相比，增幅達(dá)68.0%～76.8%，但生物炭施用對(duì)紅壤GHGI則無(wú)顯著影響。兩種土壤凈綜合溫室效應(yīng)（GWP）均空白對(duì)照最低，隨氮肥和生物炭施用，GWP顯著增加，總體上潮土綜合溫室效應(yīng)顯著高于紅壤。

圖4 生物炭添加對(duì)潮土和紅壤CH4氣體排放通量和累積排放量的影響Figure4 Effect of biochar addition on CH4emission flux and cumulative emission in fluvo-aquic and red soils

表4 不同處理作物產(chǎn)量、凈綜合溫室效應(yīng)、土壤固碳量和溫室氣體強(qiáng)度Table4 Crop yields，global warming potential，soil carbon sequestration and green-house gas intensity of different treatments

2.4 土壤理化性質(zhì)與氣體排放偏相關(guān)性分析

偏相關(guān)分析用來(lái)表明不同的土壤理化性質(zhì)與氣體排放是否具有線性相關(guān)關(guān)系。相關(guān)性分析表明，紅壤中，固碳量與有機(jī)碳、pH、電導(dǎo)率和硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)，與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，而紅壤N2O、CO2、CH4排放量和綜合溫室效應(yīng)與所測(cè)主要土壤理化因子無(wú)顯著相關(guān)性（表5）。潮土銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量與N2O、CO2累積排放量及GWP、GHGI呈顯著正相關(guān)，且潮土固碳量與土壤有機(jī)碳、全氮含量呈極顯著正相關(guān)，與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)（表6）。

圖5為主要土壤理化性質(zhì)和氣體排放參數(shù)冗余分析，用以闡明各因子對(duì)溫室氣體排放參數(shù)的影響程度。由此可以看出，土壤容重、pH值和硝態(tài)氮是影響土壤溫室氣體排放的主要土壤環(huán)境因子，其中土壤容重和CH4分布在同一象限，表示容重對(duì)CH4氣體的排放量影響較大。pH值、土壤硝態(tài)氮含量和N2O、CO2分布在同一象限，說(shuō)明pH值與硝態(tài)氮含量對(duì)N2O、CO2具有主要貢獻(xiàn)作用，相對(duì)而言pH值的貢獻(xiàn)作用較大。綜合分析認(rèn)為，施用生物炭通過(guò)降低土壤容重、增加硝態(tài)氮含量影響土壤CH4、N2O和CO2排放。

表5 紅壤理化性質(zhì)與氣體排放參數(shù)偏相關(guān)性分析Table5 The partial correlation analysis of red soil physical and chemical properties and gas emissions indicators

表6 潮土理化性質(zhì)與氣體排放參數(shù)偏相關(guān)性分析Table6 The partial correlation analysis of fluvo-aquic soil physical and chemical properties and gas emissions indicators

圖5 土壤理化性質(zhì)和氣體排放參數(shù)冗余分析Figure5 Redundancy analysis（RDA）of gas emission parameters with the soil properties

3 討論

3.1 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

生物炭具有輕質(zhì)、多孔及堆密度小等特點(diǎn)，施入土壤能夠疏松土層，降低土壤容重。Eastman等[18]研究發(fā)現(xiàn)，施用25 g·kg-1生物炭在粉砂壤中，土壤容重從1.52 g·cm-3降低到 1.33 g·cm-3，這與本研究結(jié)果一致。本研究所用生物炭pH值為9.71，生物炭呈堿性的原因可能是其灰分物質(zhì)中含有Na、Ca、Mg等堿金屬元素和表面負(fù)載有堿性官能團(tuán)[19]，本研究中隨著生物炭施用量的增加，紅壤pH值顯著提高，生物炭攜帶的堿性基團(tuán)可中和酸性土壤中的質(zhì)子，引起酸性土壤pH值升高[20]。但也有研究指出在堿性溫帶農(nóng)業(yè)土壤中施用生物炭，可能會(huì)出現(xiàn)引發(fā)土壤pH過(guò)高從而降低養(yǎng)分有效性的問(wèn)題，影響土壤微生物群落組分。本研究中，添加生物炭對(duì)潮土pH值沒(méi)有顯著影響，這可能與石灰性潮土本身緩沖性能較強(qiáng)有關(guān)[21]，然而對(duì)潮土施用生物炭卻抑制了供試小白菜的生長(zhǎng)（表4），可能與生物炭表面含氧官能團(tuán)吸附NH+4等陽(yáng)離子，影響?zhàn)B分轉(zhuǎn)化速率，及帶入過(guò)多有機(jī)碳組分從而引起土壤微生物固氮等有關(guān)[22]。此外，施用生物炭后兩種土壤含量增加，Major等[23]研究也有類似的結(jié)果，這可能與生物炭添加促進(jìn)了土壤中向轉(zhuǎn)化有關(guān)[24]。生物炭本身碳含量較高，還田后能夠增加土壤有機(jī)碳的含量[25]，本研究支持這一結(jié)論。

3.2 生物炭對(duì)溫室氣體排放的影響

土壤N2O排放是硝化和反硝化作用的結(jié)果，多數(shù)研究認(rèn)為施用生物炭能夠抑制土壤N2O排放[26]，其抑制效果可能與生物炭添加量有關(guān)：Spokas等[27]的研究表明，添加20%～60%生物炭可減少淤泥壤土74.0%的N2O排放，而添加2%～10%生物炭則對(duì)N2O排放量無(wú)顯著降低；Clough等[28]也發(fā)現(xiàn)生物炭添加量在低于4%或10%時(shí)沒(méi)有降低牧草土壤N2O排放。這與本文的結(jié)果不盡一致，本研究0.5%～4%的生物炭添加量顯著降低潮土N2O積累排放量，但卻增加了紅壤N2O積累排放量（圖2）。Zhang等[29]的研究表明，生物炭降低潮土N2O排放可能是由于其疏松結(jié)構(gòu)改善了土壤通透性，降低了潮土反硝化作用。Shen等[30]進(jìn)一步指出，生物炭較大的比表面積和高孔隙度的特征，增加對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸附，減少硝化反硝化作用產(chǎn)生N2O的底物，是生物炭短期降低紅壤N2O排放的主要原因。此外，兩種土壤pH值不同也可能是影響N2O排放的原因[31]。有研究表明，充足的碳源和堿性條件，是降低硝化反硝化過(guò)程中N2O產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。低pH值條件增加了N2O的積累，pH值在6.0時(shí)的N2O積累量是pH在7.0、8.0時(shí)的800倍。高pH值下的N2O產(chǎn)生速率最小，其原因是N2O還原酶爭(zhēng)奪電子的能力較弱，充足的電子供體有利于N2O的還原，低pH值可影響微生物的代謝，且在H+存在時(shí)產(chǎn)生的游離亞硝酸（HNO2）對(duì)N2O還原酶具有抑制作用[32]。

本研究中添加生物炭潮土的CO2排放量增加，而紅壤沒(méi)有顯著變化。有研究認(rèn)為施用生物炭能促進(jìn)土壤CO2的排放[3，33]，可能是生物炭攜帶的碳被礦化以CO2形式釋放的結(jié)果[3]。本研究中生物炭攜帶的有機(jī)碳和氮素的添加，豐富了微生物碳氮源，刺激“共代謝途徑”[34]，促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化，導(dǎo)致CO2釋放量增加，高德才等[11]研究也有類似的結(jié)論。何飛飛等[35]研究表明，施用生物炭能夠提高紅壤pH值，增強(qiáng)微生物呼吸，促進(jìn)紅壤CO2排放。本研究中紅壤pH值較低（4.8），添加生物炭后也多處于6.0以下，偏酸的環(huán)境可能不利于微生物生存和活動(dòng)[36]，微生物的呼吸代謝較弱，對(duì)CO2的排放影響較小。一些研究也指出，生物炭輸入可降低土壤呼吸溫度敏感性Q10值[37]，進(jìn)而影響CO2的排放。此外，不同材料制備生物炭，制備條件、土壤含水量、生物炭添加量等都可影響土壤CO2排放情況，具體機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

土壤CH4排放是產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌活動(dòng)平衡的結(jié)果，產(chǎn)甲烷菌為厭氧菌，甲烷氧化菌為好氧菌，在土壤通氣性較好的情況下，產(chǎn)甲烷菌活性被抑制，氧化甲烷菌活性被激發(fā)。本研究中添加生物炭到潮土中顯著抑制了CH4排放，這與前人研究結(jié)果[38]較為一致?？赡苁巧锾刻砑咏档屯寥廊葜?，增加土壤透氣性，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，從而抑制了CH4產(chǎn)生[39]。Ali等[40]研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭顯著增加稻田土壤CH4的排放，這與本研究在紅壤中的結(jié)果類似，這可能與土壤pH值發(fā)生變化有關(guān)，產(chǎn)甲烷菌在中性或堿性環(huán)境中活性較強(qiáng)，而甲烷氧化菌適宜于偏酸的環(huán)境，生物炭的輸入一定程度上緩解了土壤酸性條件，刺激了產(chǎn)甲烷菌或抑制氧化甲烷菌的活性，引起CH4的累積。

施用生物炭能夠增加兩種土壤固碳量。但潮土蔬菜種植過(guò)程中凈綜合溫室效應(yīng)呈降低趨勢(shì)（0.5%、1%、2%），而紅壤蔬菜種植過(guò)程中施氮肥和生物炭處理凈綜合溫室效應(yīng)無(wú)顯著變化，主要是生物炭施用能夠減少潮土N2O累積排放量，而紅壤N2O累積排放量則隨生物炭量增加呈增加趨勢(shì)。另外，由于生物炭施用后對(duì)兩種土壤植株生物量影響不同，兩種土壤種植系統(tǒng)溫室氣體排放強(qiáng)度也顯著不同。紅壤添加生物炭一定程度上促進(jìn)了小白菜的生長(zhǎng)，但在潮土中則表現(xiàn)為明顯抑制作用。有研究認(rèn)為生物炭可能通過(guò)對(duì)植株可溶性糖含量的影響[41]，及刺激生長(zhǎng)素的合成[42]，影響植株生長(zhǎng)發(fā)育。另一方面生物炭pH值高、含有大量可溶性鹽離子，甚至某些有害成分，大量施用可能導(dǎo)致土壤養(yǎng)分供給等發(fā)生逆變，不利作物生長(zhǎng)[43]。

將秸稈、稻殼、花生殼、木屑等農(nóng)業(yè)廢棄物制備成生物炭材料，作為改良劑向農(nóng)田施用，是近年來(lái)被廣泛關(guān)注的固碳減排措施。本研究中將生物炭施入潮土和紅壤，結(jié)果顯示生物炭對(duì)不同土壤類型溫室氣體短期減排效果不一致，雖然一些研究認(rèn)為，由于具有高含碳量和穩(wěn)定性等特性，生物炭提升土壤碳庫(kù)的作用毋庸置疑[1]，但關(guān)于生物炭對(duì)不同類型土壤溫室氣體排放的影響仍存在爭(zhēng)議，特別是有研究指出生物炭可能存在短期激發(fā)CO2排放的作用[36]，因此，在不同類型土壤施用生物炭的綜合環(huán)境效益還需要深入研究。

4 結(jié)論

（1）施用生物炭顯著增加兩種土壤有機(jī)碳含量，提高土壤固碳量，與單施氮肥處理相比，潮土增幅達(dá)57.1%～78.7%，紅壤增幅達(dá)11.2%～59.9%。同時(shí)，施用生物炭顯著降低土壤容重，不同程度影響土壤無(wú)機(jī)氮含量，提高紅壤pH值。

（2）施用生物炭對(duì)兩種土壤溫室氣體排放特征影響顯著。其中，顯著降低潮土N2O累積排放量，但增加紅壤的N2O累積排放量。施用生物炭顯著增加潮土CO2累積排放量，而對(duì)紅壤CO2累積排放量無(wú)顯著影響。此外，兩種土壤CH4排放無(wú)規(guī)律性變化，施用生物炭后，紅壤和潮土累積排放變化范圍分別為3.13～17.07 kg·hm-2和-9.22～-0.82 kg·hm-2。

（3）由冗余分析可知，生物炭可通過(guò)改變土壤容重、有機(jī)碳、無(wú)機(jī)氮、pH等影響土壤溫室氣體排放強(qiáng)度。在對(duì)兩種土壤綜合溫室效應(yīng)評(píng)估上，對(duì)紅壤施用生物炭可促進(jìn)作物生長(zhǎng)，凈綜合溫室效應(yīng)值較低，不顯著影響溫室氣體排放強(qiáng)度，具較好生態(tài)效應(yīng)；而生物炭施用抑制潮土供試作物生長(zhǎng)，顯著增加其凈綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強(qiáng)度，因此，生物炭施用不利于潮土固碳減排，其對(duì)偏堿性潮土的應(yīng)用改良還需進(jìn)一步研究。

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