張浩東，賈俊香，馬智勇

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西太谷030801）

氣候變暖成為目前的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。近些年來(lái)，雖然國(guó)家在加大力度宣傳環(huán)境保護(hù)方面的知識(shí)，但是還是有很多的人因宣傳覆蓋的不全面，仍會(huì)出現(xiàn)對(duì)森林植被的過(guò)度砍伐，使得吸收溫室氣體的綠色植物大大減少。同時(shí)工業(yè)上大量化學(xué)燃料的燃燒，導(dǎo)致大氣中N2O 和CO2的氣體濃度不斷增高，造成了我國(guó)溫室效應(yīng)不斷增強(qiáng)[1]。溫室氣體的累積也導(dǎo)致了全球氣候變暖越來(lái)越嚴(yán)重，氣候的變化引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視[2]。N2O、CH4以及CO2等溫室氣體的不斷排放，使溫室氣體的濃度不斷升高，是引起全球氣候持續(xù)變暖的原因[3]。在《中華人民共和國(guó)氣候變化第二次國(guó)家信息通報(bào)》中可以了解到，來(lái)自我國(guó)農(nóng)業(yè)方面的N2O 和CH4的排放量分別占全國(guó)氣體總排放量的56.29%和73.79%。來(lái)自農(nóng)業(yè)的溫室氣體的總排放量占全國(guó)溫室氣體總排放量的10.79%[4]。我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)發(fā)展越迅速，對(duì)我國(guó)溫室氣體濃度的累積影響就會(huì)越大。在我國(guó)大部分的種植地都是旱地土壤，而旱地土壤又是主要排放N2O 氣體的地方。N2O 作為溫室氣體的主要貢獻(xiàn)者，抑制或減緩來(lái)自農(nóng)業(yè)的N2O 等氣體的排放很有必要[5]。

生物炭是由于生物有機(jī)材料（例如農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)物質(zhì)、農(nóng)林廢棄物以及禽畜糞便等有機(jī)物質(zhì)）在無(wú)氧或缺氧條件下通過(guò)低溫裂解而得到的一種不完全燃燒的含碳量極其豐富的固體黑色產(chǎn)物[6]。它的穩(wěn)定性程度很高，并具有很強(qiáng)的吸附能力。生物炭添加到土壤中可以增加土壤的穩(wěn)定性碳庫(kù)儲(chǔ)量。生物炭特殊的物理性質(zhì)，加入土壤后可以使土壤本身的理化性質(zhì)發(fā)生改變，其主要表現(xiàn)在土壤自身結(jié)構(gòu)的變化、土壤的酸堿性變化、土壤持水力的變化等[7-8]。生物炭具有比較大的比表面積，施入土壤后，可以有效降低土壤的容重，還能夠在增大土壤的持水性同時(shí)增強(qiáng)土壤的保肥能力[9]。此外，生物炭的施入對(duì)土壤中有毒有害物質(zhì)以及重金屬物質(zhì)的吸附也有很大的幫助，這種效果也會(huì)隨著生物炭添加量的多少而表現(xiàn)出不同的反應(yīng)[10-14]。生物炭施入土壤中可以給作物提供其生長(zhǎng)周期內(nèi)所需要的各種營(yíng)養(yǎng)元素，進(jìn)而提高我國(guó)農(nóng)作物的產(chǎn)量及其品質(zhì)[15-16]。土壤的理化性質(zhì)以及土壤微生物的活性都可以通過(guò)施入一定量的生物炭得到改善。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于土壤中施入生物炭能否抑制或減少溫室氣體排放的研究比較多。其中，在生物炭對(duì)于菜地土壤CO2排放通量的影響這一方面，各位學(xué)者的研究結(jié)果不盡相同，有促進(jìn)排放[17]、抑制排放[18]以及二者關(guān)系不明顯[19]等報(bào)道。而生物炭對(duì)于菜地土壤N2O 排放通量這一方面的報(bào)道則多為降低排放量[20]和關(guān)系不顯著[21]2 個(gè)結(jié)果。王月玲等[22]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在塿土土壤中施加一定量的生物炭后，能促進(jìn)土壤CO2的排放以及增加土壤對(duì)CH4的吸收。并且ZHENG 等[23]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤中施加生物炭會(huì)促進(jìn)土壤CO2的排放。何飛飛等[24]研究表明，在土壤中施入不同生物炭量對(duì)土壤N2O、CO2的排放量略有差異。目前多數(shù)學(xué)者在研究生物炭的過(guò)程中沒(méi)有深入考查到氮肥與生物炭配施對(duì)于土壤溫室氣體排放結(jié)果的影響。

本試驗(yàn)采用室內(nèi)靜態(tài)暗箱培養(yǎng)結(jié)合氣相色譜法，探究氮肥與生物炭配施對(duì)菜地土壤N2O、CH4、CO2等溫室氣體排放通量和累積排放量以及對(duì)GWP 的影響，以期為我國(guó)菜地土壤溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試生物炭為河南三利新能源公司生產(chǎn)的玉米秸稈生物炭，其理化性狀為：pH 值10.6，有機(jī)碳含量500.4 g/kg，全氮含量8.4 g/kg，全磷含量3.0 g/kg，全鉀含量10.8 g/kg；氮肥為含氮量46.7%的分析純尿素。

供試土壤選自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)站菜地耕層土，試驗(yàn)地土壤基本理化性狀為：pH值8.24，土壤容重1.12 g/cm3，有機(jī)碳含量12.74 g/kg，全氮含量0.38 g/kg，全磷含量0.706 g/kg，全鉀含量15.34 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用靜態(tài)室內(nèi)培養(yǎng)結(jié)合氣相色譜法，對(duì)培養(yǎng)樣品的N2O、CH4與CO2氣體排放通量進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)共設(shè)置 CK、N、NB 等 3 個(gè)處理（表 1），每個(gè)處理重復(fù)3 次。稱取過(guò)1 mm 篩的風(fēng)干土樣100 g 于250 mL的三角瓶里，于2019 年4 月16 日到5 月6 日在恒溫培養(yǎng)箱里進(jìn)行培養(yǎng)，恒溫溫度為26 ℃。在樣品培養(yǎng)的第 1、3、5、8、14、21 天 9：00—11：00 采集氣體，總共采集6 次。采樣時(shí)取出在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)的樣品，采氣前先用帶有三通閥的橡皮塞把三角瓶塞住，使之成為密閉狀態(tài)。在其密閉培養(yǎng)狀態(tài)下的 0、10、20、30 min 用帶有三通閥的 20 mL 注射針管各采氣1 次。采集的氣體樣品用氣相色譜儀（Agilent 7890B）進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)儀器的各項(xiàng)指標(biāo)：CO2檢測(cè)器為FID，檢測(cè)器溫度設(shè)定為250 ℃，柱溫為60 ℃，載氣是99.999%高純氮，流速為30 mL/min；N2O 檢測(cè)器為ECD，溫度設(shè)定為30 ℃，載氣是99.999%高純氫氣，流速為40 mL/min。試驗(yàn)室所用的標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度 CO2為 409.2 mol/mol，CH4為2.56 mol/mol。每次采集完氣體后對(duì)培養(yǎng)的樣品進(jìn)行稱質(zhì)量，并定量加水，使土壤水分含量保持在60%。

表1 試驗(yàn)各處理設(shè)置

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 排放通量的測(cè)定 排放通量的值為3 次平行采樣的平均值，以每次培養(yǎng)的時(shí)間間隔為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，最后求得培養(yǎng)期內(nèi)N2O、CH4和CO2累積排放量。

式中，F(xiàn) 表示N2O（μg（/m·2h））、CH（4mg（/m·2h））和CO2的排放通量（mg（/m2·h））；ρ 表示標(biāo)準(zhǔn)狀況下 N2O-N、CH4-C 和 CO2-C 的密度，N2O-N 的密度為 1.25 g/L，CH4-C 的密度為 0.77 g/L，CO2-C 的密度為 0.54 g/L；V 表示三角瓶體積（m3），為 250 mL，換算成0.000 25 m3；A 表示三角瓶?jī)?nèi)土壤表面積（m2），為 0.005 024 m2；ΔC 表示單位時(shí)間內(nèi)密閉靜態(tài)箱內(nèi) N2O、CH4和 CO2濃度的變化量；Δt 表示單位時(shí)間內(nèi)密閉靜態(tài)箱內(nèi)N2O、CH4和CO2的排放速率（N2O 為nL（/L·h），CH4為 μL（/L·h），CO2為 μL/（L·h））；T 表示溫度，這里指室溫 26 ℃。

1.3.2 全球增溫潛勢(shì)（GWP）的計(jì)算 以100 a 為時(shí)間尺度來(lái)進(jìn)行計(jì)算，把N2O 與CH4氣體的累積排放量根據(jù)溫室效應(yīng)強(qiáng)度換算為等量的CO2氣體量。單位分子N2O 的全球增溫潛勢(shì)是單位分子CO2的298 倍，單位分子CH4的全球增溫潛勢(shì)是單位分子CO2的25 倍。其計(jì)算公式如公式（2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excle 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖表處理，作圖和顯著性差異檢驗(yàn)在SPSS 24.0 軟件中制作和處理，顯著性差異檢驗(yàn)采用LSD 法（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)菜地土壤N2O 排放通量的影響

由圖1 可知，N 和NB 處理的平均排放通量要高于CK 的平均排放通量，但N 處理的排放趨勢(shì)相對(duì)平緩，NB 處理的排放相對(duì)比較強(qiáng)烈。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，N2O 的排放通量在培養(yǎng)后期顯著降低且趨勢(shì)越來(lái)越平緩。分析試驗(yàn)初期N2O 的排放通量增加的原因有可能是因?yàn)樵谂囵B(yǎng)初期，肥料在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了反應(yīng)，使土壤中的硝化與反硝化作用增強(qiáng)，使得N2O 的排放通量明顯增加。CK、N 以及NB 處理在培養(yǎng)期間內(nèi)N2O 排放通量分別為0.000 78～0.027 8、0.000 333～0.651、0.001 08～0.993 μg（/m·2h）。其中，NB 處理在4 月18 日達(dá)到該處理的最大N2O排放通量，為0.993 μg（/m2·h），5 月6 日所有處理的N2O 排放通量均下降到最低。

2.2 生物炭對(duì)菜地土壤CH4 排放通量的影響

從圖2 可以看出，CH4在培養(yǎng)初期整體排放通量均為正值，在培養(yǎng)中期整體排放通量均為負(fù)值，后期又均有回升的趨勢(shì)。CK 的變化相對(duì)比較平緩，N、NB 處理的變化比較雜亂，沒(méi)有特別明顯的規(guī)律。分析原因可能是因?yàn)樵诘咎镏蠧H4的排放會(huì)比較強(qiáng)烈，在菜地土壤中的排放通量則并不明顯。CK、N、NB 處理在培養(yǎng)期間內(nèi)CH4的排放通量分別為-0.004 3～0.001 91、-0.001 21～0.001 9、-0.005 34～0.005 86 mg（/m·2h）。其中，NB 處理CH4排放通量在4 月29 日達(dá)到最大值，為0.005 86 mg（/m·2h）。在每組處理中CH4排放通量都表現(xiàn)出波動(dòng)性變化，在接近試驗(yàn)中期時(shí)出現(xiàn)了CH4排放通量低于0 的情況，意味著菜地土壤對(duì)CH4的匯作用有所增強(qiáng)，土壤對(duì)CH4的排放開(kāi)始出現(xiàn)吸收現(xiàn)象。

2.3 生物炭對(duì)菜地土壤CO2 排放通量的影響

從圖3 可以看出，各處理在培養(yǎng)初期均達(dá)到了該組的最高值，并且在整個(gè)培養(yǎng)期間各處理間的變化基本趨于一致。CO2排放通量為NB＞N＞CK，均隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，雖然在后期的排放中稍有波動(dòng)，但是整體呈現(xiàn)下降的變化并逐漸趨于平緩。分析前期排放通量達(dá)最高的原因可能是因?yàn)閯偧尤敕柿希龠M(jìn)了土壤的呼吸作用。CK、N、NB 處理在培養(yǎng)期間內(nèi)CO2的排放通量分別為3.277 3～28.457 4、2.525 2～35.946 2、3.790 3～39.922 1 mg（/m2·h）。每日排放CO2最少的是CK，其中，NB 處理的CO2排放通量在4 月16 日達(dá)到最大值，為39.922 1 mg/（m2·h）。各處理CO2排放通量在5 月6 日都降到該組的最低排放水平。

2.4 生物炭對(duì)菜地土壤溫室氣體平均排放通量和累積排放量的影響

從表2、3 可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)期間，N2O 的累積排放量的最大值是NB 處理。相對(duì)于CK 來(lái)說(shuō)，NB 處理的N2O 累積排放量增加了29.98 倍，并且CK 與NB 處理之間存在顯著性差異，這意味著樣品中添加生物炭使N2O 的平均排放通量與累積排放量都增加，且增加幅度較強(qiáng)烈。結(jié)果表明，菜地土壤中添加生物炭會(huì)促進(jìn)N2O 的排放。這一試驗(yàn)結(jié)果與MARIA 等[25]的研究結(jié)果相同。生物炭會(huì)促進(jìn)土壤的硝化作用從而增加N2O 的排放，分析可能這就是NB 的排放通量高于CK 的原因。

表2 土壤溫室氣體平均排放通量比較

表3 土壤溫室氣體累積排放量比較

CH4的累積排放量的最大值為NB 處理。N 和NB 處理與CK 相比，差異均不顯著。結(jié)果表明，樣品中添加生物炭抑制了土壤對(duì)CH4的吸收作用。這一試驗(yàn)結(jié)果與張中杰等[26]在川中丘陵旱地的研究結(jié)果相似。生物炭的添加增加了土壤中的有機(jī)物質(zhì)，有利于土壤中各活動(dòng)的產(chǎn)生，從而使CH4的排放通量增加。

CO2累積排放量的最大值為NB 處理。與CK相比，NB 處理的CO2累積排放量增加了1.32 倍，并且NB 處理與CK 間存在顯著性差異，同時(shí)排放通量明顯高于CK。這表明添加生物炭會(huì)促進(jìn)CO2的排放，這一試驗(yàn)結(jié)果與武文明等[27]的研究結(jié)果一致。

2.5 生物炭對(duì)菜地土壤全球增溫潛勢(shì) （GWP）的影響

從表4 可以看出，根據(jù)菜地土壤中N2O 和CH4的累積排放量并將其在100 a 的時(shí)間尺度上轉(zhuǎn)化為等量CO2累積排放量。分析得出，溫室氣體GWP 的總值從大到小排序?yàn)镹B＞N＞CK。在試驗(yàn)的各個(gè)處理中，生物炭與氮肥配施樣品的全球增溫潛勢(shì)是整個(gè)試驗(yàn)中最高的，并且它的最大值已經(jīng)達(dá)到0.894 kg/hm2，CK 的 GWP 值是該試驗(yàn)最低的，為0.030 kg/hm2。并且 NB 和 CK 與 N 和 CK 之間都存在顯著性差異。N 和NB 處理的GWP 分別較CK 增加了22.13、29.8 倍。說(shuō)明不管是單施氮肥還是生物炭與氮肥配施都會(huì)增加GWP。

表4 不同處理下GWP 的變化

3 結(jié)論與討論

在整個(gè)試驗(yàn)培養(yǎng)期內(nèi)，N 和NB 處理的N2O 排放通量處于一個(gè)先升高后降低最后趨于平緩的趨勢(shì)，N 和NB 處理在培養(yǎng)試驗(yàn)第3 天時(shí)達(dá)到了整組的最高值?？梢杂^察到N2O排放通量為NB＞N＞CK。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，生物炭與氮肥配施顯著增加了菜地土壤 N2O 的排放，與 CK 相比，NB 與 N 處理的N2O 累積排放量分別增加了29.98、22.30 倍。影響菜地土壤N2O 排放的原因有很多，如種植地土壤的土壤質(zhì)地、種植地的氣候條件以及農(nóng)民耕作時(shí)的耕作方式等，因?yàn)橹T多因素的共同作用導(dǎo)致N2O 排放通量存在較大差異[28]。本試驗(yàn)中導(dǎo)致菜地土壤中N2O 排放通量增加的原因可能是：（1）在試驗(yàn)培養(yǎng)初期添加了氮肥，氮肥增強(qiáng)了菜地土壤中的硝化與反硝化作用，而決定菜地土壤中N2O 的排放通量大小一般是由含氮量的多少所決定；（2）向菜地土壤中添加的生物炭可以激發(fā)土壤中礦物態(tài)氮的活性，增強(qiáng)其可利用性。

NB 處理對(duì)CH4排放通量的影響要高于CK 以及N 處理。N 處理與CK 的CH4累積排放量均小于0，表現(xiàn)為吸收，NB 處理的CH4累積排放量大于0，N、NB 與CK 間差異不顯著，并且試驗(yàn)中CH4的排放通量忽高忽低，排放通量沒(méi)有明顯的規(guī)律可言。分析原因可能是影響菜地土壤中CH4排放的主要原因是菜地土壤中存在著甲烷菌和甲烷氧化菌，而CH4的排放通量是它們聯(lián)合作用所致的結(jié)果[29]。本試驗(yàn)生物炭與氮肥配施中生物炭的某些化學(xué)物質(zhì)可能抑制了土壤中甲烷菌和甲烷氧化菌的活性，所以，提高了CH4的排放通量。

相對(duì)于 CK 的 CO2排放通量，NB 與 N 處理的CO2排放通量分別增加了1.32、1.24 倍。生物炭與氮肥配施顯著增加了CO2的排放通量，這與馬智勇等[30]的研究結(jié)果相同，影響菜地土壤中CO2排放通量的原因可能是因?yàn)橄蛲寥乐刑砑恿松锾?，從而促進(jìn)了菜地土壤中有機(jī)碳的分解，這與菜地土壤中的含水量有一定的關(guān)系。本試驗(yàn)結(jié)果表明，菜地土壤中添加生物炭會(huì)促進(jìn)菜地土壤CO2的排放。生物炭是一種含碳量高達(dá)60%的生物有機(jī)材料，它可以為土壤中微生物的生長(zhǎng)環(huán)境提供大量所需物質(zhì)，促進(jìn)土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解；還因?yàn)槠渥陨淼慕Y(jié)構(gòu)具有改善土壤理化性質(zhì)的特點(diǎn)，這也激發(fā)了微生物活性，從而使菜地土壤中CO2的排放通量大大增加。

此外，生物炭與氮肥配施增強(qiáng)了GWP。N 處理比 CK 增加了 22.13 倍，NB 處理比 N 處理增加了34.64%。這表明單施氮肥、生物炭配施氮肥都會(huì)促進(jìn)GWP。