汪勇 呂茹潔 黎星 胡水秀 商慶銀

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，南昌330045；*通訊作者：sqyt@163.com）

CH4與N2O 是溫室效應(yīng)的主要影響因子，人類活動(dòng)所產(chǎn)生的CH4和N2O 是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因之一[1]。據(jù)世界氣象組織（WMO）報(bào)道，2015 年大氣中CH4和N2O 平均濃度分別由工業(yè)革命前（1750 年前）的0.52 mg/m3和0.53 mg/m3增至1.32 mg/m3和0.64 mg/m3，已達(dá)到工業(yè)革命之前的2.56 倍和1.21 倍[2]。水稻是我國(guó)重要的糧食作物[3]。研究表明，水稻生產(chǎn)過程中會(huì)排放大量溫室氣體[4-5]。南方雙季稻區(qū)水稻種植面積約占全國(guó)水稻總種植面積的40%，是我國(guó)重要的稻作區(qū)域[6]。然而，由于該區(qū)域本身土壤pH 值較低，加上化肥的大量投入，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、水稻減產(chǎn)等問題產(chǎn)生[7]。因此，探究協(xié)同實(shí)現(xiàn)南方雙季稻田溫室氣體減排與水稻持續(xù)增產(chǎn)具有重要意義。

生物炭是由農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物在高溫厭氧條件下裂解形成的不易分解的富炭物質(zhì)[8]。前人研究表明，生物炭在提高土壤肥力和作物產(chǎn)量[9]、增加土壤固碳能力[10]等方面具有一定效果。但由于生物炭種類、施用量、土壤類型、水肥管理、氣候條件及作物種類等因子的影響，導(dǎo)致生物炭對(duì)稻田溫室效應(yīng)的影響仍存在較大的不確定性[11]。一方面，有研究表明，生物炭能夠顯著降低稻田CH4排放[12]。JEFFERY 等[13]研究表明，相對(duì)于中性和堿性土壤，酸性土壤中施加生物炭更有利于降低CH4排放。另一方面，有研究表明，生物炭的施用對(duì)稻田CH4排放無(wú)顯著影響甚至有增加排放的趨勢(shì)[10，14-16]。生物炭對(duì)稻田N2O 排放目前也未有一致結(jié)論[17]。有研究報(bào)道，新輸入的生物炭和經(jīng)過3 年陳化的生物炭均能夠顯著降低稻麥輪作體系N2O 排放[18]。但隨著生物炭在土壤中陳化時(shí)間的增加，對(duì)降低N2O 排放的效果逐漸減弱[19]。而李露等[20]發(fā)現(xiàn)，稻田施用生物炭對(duì)N2O排放無(wú)顯著性影響。此外，氮肥的施用對(duì)稻田CH4與N2O 排放亦產(chǎn)生重要影響，其中施氮所引起的氣態(tài)氮損失是稻田N2O 排放的主要來源[1]。目前，有關(guān)生物炭與氮肥配施對(duì)雙季稻田溫室氣體排放的研究較少。為此，本試驗(yàn)通過設(shè)置施氮與不施氮條件下配施不同梯度的生物炭，探究生物炭與氮肥配施對(duì)雙季稻產(chǎn)量、綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強(qiáng)度的影響，以期為南方雙季稻區(qū)土壤固碳減排與水稻豐產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

圖1 田間表層水深度與田間氣溫變化

本試驗(yàn)于2018 年在江西省宜春市上高縣泗溪鎮(zhèn)曾家村試驗(yàn)基地（115°09′E，28°31′N）進(jìn)行，該地區(qū)屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，近10 年內(nèi)年平均降雨量為1 650 mm、年平均氣溫為17.5℃。供試土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而成的水稻土，試驗(yàn)前耕層0～20 cm 土壤基本理化性狀：pH 值5.6、有機(jī)質(zhì)48.1 g/kg、全氮2.85 g/kg、堿解氮245.0 mg/kg、有效磷22.3 mg/kg、有效鉀189.0 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和田間管理

本試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積35 m2。共設(shè)置5 個(gè)處理：N0B0，不施氮肥和生物炭；N0B2，單施40 t/hm2生物炭；N1B0，單施氮肥；N1B1，氮肥配施20 t/hm2生物炭；N1B2，氮肥配施40 t/hm2生物炭。每個(gè)處理3 次重復(fù)。于2017 年早稻田翻耕前5 d 一次性施用生物炭且后期不在增施，于2018 年早稻移栽后次日開始監(jiān)測(cè)田間溫室氣體排放情況。氮、磷、鉀肥分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀。早、晚稻純N 施用量分別為165 kg/hm2和180 kg/hm2，P2O5施用量分別為82.5 kg/hm2和90 kg/hm2，K2O 施用量分別為165 kg/hm2和180 kg/hm2。早、晚稻施肥比例相同，氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3 施用，磷肥作基肥一次性施用，鉀肥按基肥∶穗肥=5∶5 施用。早、晚稻品種分別選用株兩優(yōu)39 和泰優(yōu)871。早、晚稻播種日期分別為2018 年3 月19 日和6月21 日，收獲日期分別為7 月5 日和11 月2 日。早、晚稻栽插密度分別為13.2 cm×23.3 cm 和13.2 cm×26.7 cm，基本苗分別為3 苗/叢與2 苗/叢。早、晚稻田間水分管理模式均采用栽插后淺水灌溉，分蘗末期排水?dāng)R田，復(fù)水后干濕交替直至收獲前10 d 左右斷水。病蟲草害管理按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培模式進(jìn)行。早、晚稻收獲后，水稻秸稈從田間移除。本試驗(yàn)施用的生物炭（湖北金日生態(tài)能源股份有限公司）系由水稻秸稈炭化而來，裂解溫度為350℃～500℃，生物炭基礎(chǔ)性狀為：pH 值10.3，C/N為59。

1.3 樣品的采集與分析

采用靜態(tài)暗箱-氣象色譜法連續(xù)監(jiān)測(cè)稻田溫室氣體排放。暗箱為不銹鋼材質(zhì)，長(zhǎng)、寬、高均為50 cm，當(dāng)水稻株高大于50 cm 時(shí)增加1 個(gè)雙向開口暗箱。箱體外層使用保溫材料與隔熱鋁箔包裹，避免溫室氣體采集過程中暗箱內(nèi)溫度變化迅速。箱體內(nèi)頂部安裝1 個(gè)12 V 電風(fēng)扇，使箱內(nèi)氣體均勻。另外，水稻移栽后，在各個(gè)小區(qū)內(nèi)插入1 個(gè)15 cm 深的底座，底座上部留有凹槽。早、晚稻移栽后第2 天開始進(jìn)行溫室氣體采集，在整個(gè)水稻生育期溫室氣體平均每7 d 采集1 次，施肥后及擱田期增加1 次采氣頻率。溫室氣體采集時(shí)，將暗箱置于底座上，加水于凹槽內(nèi)使箱體密封。分別在第0、10、20、30 min 使用50 mL 注射器來回抽動(dòng)，采集氣體樣品于抽真空氣袋內(nèi)，立即帶回實(shí)驗(yàn)室利用氣相色譜儀（Agilent 7890B）測(cè)定樣品中CH4與N2O 濃度。CH4由氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）測(cè)定，N2O 由電子捕獲檢測(cè)器（ECD）測(cè)定。采集氣體樣品的同時(shí)測(cè)定箱內(nèi)溫度、田間離地1 m 大氣溫度及田間表層水深度（圖1）。CH4與N2O 的排放通量、累積排放量、綜合溫室效應(yīng)（global warming potential，GWP）和溫室氣體排放強(qiáng)度（greenhouse gas intensity，GHGI）的計(jì)算方法參考李露[21]。

晚稻收獲后，采用“五點(diǎn)法”取各小區(qū)耕層0～20 cm 土壤。待自然風(fēng)干，磨碎過1 mm 網(wǎng)篩后待測(cè)。采用pHS-3C 型pH 測(cè)試儀測(cè)定土壤pH 值（土水比為1∶5）；Kjeltec 8400 全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定全N；采用TOC 儀（multi N/C 2100，德國(guó)）測(cè)定全C；堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮含量；碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷含量；乙酸銨浸提火焰光度法測(cè)定有效鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行方差分析，于P ＜0.05 水平下進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與氮肥配施對(duì)CH4 排放的影響

整個(gè)雙季早晚稻生育期內(nèi)，CH4排放通量的變化范圍為0.03～29.25 mg/（m2·h），其中晚稻季CH4排放通量變化幅度較大（圖2）。早稻CH4排放高峰出現(xiàn)在移栽后第22 d。CH4排放通量隨著移栽天數(shù)的增加而逐漸增加，到中期排水?dāng)R田后CH4排放通量逐漸降低，后期干濕交替狀態(tài)出現(xiàn)微弱增幅后逐漸降低。晚稻CH4排放高峰除N0B2 處理外均出現(xiàn)在移栽后第5 d；中期擱田時(shí)CH4排放通量迅速降低，后期干濕交替狀態(tài)下CH4排放通量逐漸增加，直至收獲前15 d，CH4排放通量趨近于零。

圖2 生物炭與氮肥配施對(duì)雙季稻CH4 排放通量的影響

圖3 生物炭與氮肥配施對(duì)雙季稻CH4 累積排放總量的影響

在整個(gè)雙季稻生育期內(nèi)，CH4累積排放總量范圍為118.7～201.2 kg/hm2。與不施生物炭處理相比，施用生物炭降低了CH4累積排放總量，其中在晚稻季差異顯著，而早稻季差異不顯著（圖3）；生物炭與氮肥對(duì)CH4累積排放量無(wú)顯著互作效應(yīng)。整個(gè)雙季稻生育期內(nèi)，N1B0 處理CH4累積排放總量最高，達(dá)（201.2±4.7）kg/hm2。與N1B0 處理相比，N1B1、N1B2 處理在整個(gè)雙季稻生育期內(nèi)CH4累積排放總量分別降低32.4%和41.0%。與N0B0 處理CH4累積排放總量 [（198.0 ±33.4）kg/hm2]相比，N0B2 處理顯著降低25.9%。隨著生物炭輸入量的增加，CH4累積排放總量降低趨勢(shì)更加明顯。晚稻季各處理CH4累積排放總量均高于早稻季。

2.2 生物炭與氮肥配施對(duì)N2O 排放的影響

整個(gè)雙季稻生育期內(nèi)N2O 排放通量變化范圍為-23.4～300.0 ug/（m2·h）（圖4）。早稻季在施用穗肥后，監(jiān)測(cè)到N2O 排放高峰。晚稻季在曬田期和施用穗肥之后均監(jiān)測(cè)到排放高峰。晚稻后期干濕交替階段，在不施氮條件下，施生物炭處理N2O 排放通量低于不施生物炭處理，而施氮條件下，施用生物炭與不施生物炭的N2O排放通量無(wú)顯著差異。

圖4 生物炭與氮肥配施對(duì)雙季稻N2O 排放通量的影響

圖5 生物炭與氮肥配施對(duì)雙季稻N2O 累積排放總量的影響

在整個(gè)雙季稻生育期內(nèi)，N2O 累積排放總量范圍為2.9～18.6 g/hm2（圖5）。氮肥與生物炭的施用對(duì)稻田N2O 累積排放總量存在顯著的互作效應(yīng)，既在不施氮條件下，生物炭的施用有降低稻田N2O 累積排放總量的趨勢(shì)；而在施氮條件下，生物炭的施用顯著增加稻田N2O 累積排放總量。與N1B0 處理N2O 累積排放總量[（8.6±1.3）g/hm2] 相比，N1B1 和N1B2 處理分別增加110.0%、107.0%，差異達(dá)顯著水平，N1B1 處理與N1B2處理間差異不顯著。與N0B0 處理N2O 累積排放總量[（5.7±1.4）g/hm2]相比，N0B2 處理降低49.9%，但未達(dá)顯著水平。

2.3 生物炭與氮肥配施對(duì)綜合溫室效應(yīng)、周年產(chǎn)量和溫室氣體排放強(qiáng)度的影響

從表1 可見，各處理GWP 與其相對(duì)應(yīng)的CH4累積排放總量變化趨勢(shì)一致。施用生物炭能夠顯著降低GWP 和GHGI，而對(duì)周年產(chǎn)量影響不顯著；氮肥的施用能夠顯著增加作物周年產(chǎn)量和降低GHGI；生物炭與氮肥對(duì)GWP、GHGI 和周年產(chǎn)量均無(wú)顯著互作效應(yīng)。與N1B0 處理相比，N1B1 處理與N1B2 處理GWP 分別顯著下降32.4%、40.9%，GHGI 分別顯著下降34.5%、42.7%，而N1B2 處理與N1B1 處理間GWP 和GHGI 差異均不顯著；在不施氮肥條件下，施用生物炭能夠顯著提高周年作物產(chǎn)量（11.5%），而施氮條件下則無(wú)顯著性影響。

表1 雙季稻整個(gè)生育周期內(nèi)綜合溫室效應(yīng)、周年產(chǎn)量、溫室氣體強(qiáng)度、CH4 貢獻(xiàn)率和減排百分比與方差分析（P 值）

表2 生物炭與氮肥配施對(duì)各處理土壤理化性質(zhì)的影響

2.4 生物炭與氮肥配施對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

施用生物炭顯著提高了土壤全C 和C/N，氮肥與生物炭對(duì)土壤pH 值、全C、全N、C/N、堿解氮含量均無(wú)顯著的互作效應(yīng)（表2）。與N1B0 處理相比，N1B1、N1B2 處理土壤pH 值分別增加2.0%和4.2%，全C 含量分別增加7.5%和38.8%，C/N 分別增加13.8%和34.2%，其中N1B2 處理與N1B0 處理間差異達(dá)顯著水平。與N0B0 處理相比，N0B2 處理土壤pH 值、全C、全N、C/N、堿解氮分別增加2.4%、54.1%、11.9%、32.1%、11.5%，其中土壤全C、全N、C/N 增幅均達(dá)顯著性水平。

2.5 生物炭與氮肥配施對(duì)溫室氣體排放和土壤性狀的相關(guān)性分析

從表3 可見，施用生物炭與CH4累積排放量、GWP均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤pH 值、全C、C/N 呈顯著或極顯著正相關(guān)；施用氮肥與N2O 累積排放量、周年產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，與GHGI 呈極顯著負(fù)相關(guān)。GWP 與土壤pH 值、全C、C/N 和生物炭施用量均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，而與土壤全氮、堿解氮、施氮量的相關(guān)性均未達(dá)顯著水平。

3 討論

3.1 生物炭與氮肥配施對(duì)溫室氣體排放的影響

本研究表明，生物炭顯著降低了稻田CH4累積排放總量，且隨著施用量的增加，減排效果更顯著。生物炭輸入土壤后的分解速率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，其中約3%的不穩(wěn)定生物炭可在短期內(nèi)分解，其余碳可長(zhǎng)期穩(wěn)定封存于土壤中[22]。吳震等[18]對(duì)不同年份間的生物炭陳化作用研究表明，第1 年施用的生物炭有增加土壤CH4排放的趨勢(shì)，而經(jīng)過3 年陳化后的生物炭能顯著降低CH4排放。結(jié)合本研究結(jié)果，其可能原因是，生物炭輸入稻田1 年后內(nèi)其不穩(wěn)定碳已快速分解，降低了土壤中有效碳源，從而降低CH4排放。另外，有研究表明，田間CH4排放與產(chǎn)甲烷菌與甲烷氧化菌等微生物調(diào)控密切相關(guān)[23]。生物炭提高了土壤pH 值（表2），有利于土壤甲烷氧化菌的生存，增加甲烷氧化菌與產(chǎn)甲烷菌比值[24]，從而降低CH4排放。田間長(zhǎng)期淹水造成的厭氧狀態(tài)能夠顯著增加CH4排放[25]，而稻田施用生物炭能夠增加土壤通氣性，有利于提高土壤氧化還原電位和對(duì)CH4的氧化能力從而降低稻田土壤CH4的排放[26]。本研究中，早稻生育中期CH4排放較高，而晚稻季CH4排放主要集中于生育前期，其中晚稻季CH4排放較為劇烈（圖2），這與成臣等[27]的研究結(jié)果一致?？赡茉?yàn)椋淼旧捌谕寥乐兴練埩舾禂?shù)量與田間氣溫（圖1）均高于早稻季，為稻田產(chǎn)甲烷菌提供了更多的有效碳源與適宜的增殖環(huán)境[23]。且QUAN等[28]研究表明，水稻根系殘留物碳對(duì)稻田CH4排放貢獻(xiàn)率約為60%。由此我們推測(cè)，生物炭對(duì)CH4的減排效應(yīng)可能與其抑制水稻殘留根系腐解過程中CH4的產(chǎn)生密切相關(guān)，晚稻生育前期土壤中水稻殘留根系要多于早稻季，致使晚稻CH4排放受生物炭的影響更為劇烈。另外，本研究中氮肥的施用對(duì)CH4排放影響較小，這與傅志強(qiáng)等[29]的研究結(jié)果類似。

表3 溫室氣體排放與土壤性狀的相關(guān)性分析

本研究中，早稻季擱田期間未出現(xiàn)明顯N2O 排放峰值，這可能與該時(shí)段擱田效果不佳有關(guān)。晚稻季N2O排放高峰主要集中于擱田期間，這與吳震等[18]在稻麥輪作體系中水稻季N2O 排放趨勢(shì)一致，但與其生物炭對(duì)稻季N2O 排放無(wú)顯著性影響的結(jié)果不同。多數(shù)研究表明，生物炭能降低土壤N2O 排放[17]。LIU 等[30]研究也發(fā)現(xiàn)，在較肥沃的土壤中施加生物炭降低土壤N2O 排放的效果更加明顯。本研究中，施氮條件下生物炭的施用顯著增加了稻田N2O 排放。可能原因是，一是本試驗(yàn)點(diǎn)土壤基礎(chǔ)肥力較高，土壤本身供氮能力較強(qiáng)，生物炭的吸附作用能夠減少礦質(zhì)氮素流失[31]；二是在施氮條件下，生物炭對(duì)土壤pH 值的提升，促進(jìn)了土壤微生物活性，有利于土壤有機(jī)氮素的礦化[32]，為硝化與反硝化作用產(chǎn)生N2O 提供充足的能源底物與適宜的環(huán)境，從而增加稻田N2O 排放。而不施氮條件下，生物炭能夠降低水稻抽穗至成熟期N2O 排放通量（圖4），可能原因?yàn)?，不施氮條件下的生物炭施用顯著提高了水稻產(chǎn)量（表1），增加了土壤氮素利用率，因此減少了氣態(tài)氮損失。也有學(xué)者認(rèn)為，生物炭降低土壤N2O 排放，可能與其提高土壤通氣性、改善土壤酸度、影響土壤氮素轉(zhuǎn)化等過程有關(guān)[17]。稻田N2O 排放時(shí)間較短，季節(jié)性差異較大，且本研究1 年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中N2O 排放存在較大的變異性。因此關(guān)于生物炭對(duì)稻田N2O 排放的影響仍需進(jìn)一步研究。

3.2 生物炭與氮肥配施對(duì)土壤性狀、產(chǎn)量、GWP 和GHGI 的影響

本試驗(yàn)表明，生物炭的施用顯著增加了土壤pH值、總C、C/N。BIEDERMAN 等[32]研究表明，生物炭的施用能夠有效提高酸性土壤pH 值，主要由于生物炭本身含有豐富的堿性物質(zhì)[33]。水稻秸稈生物炭富含炭素與大量礦質(zhì)元素，具有較高的C/N[11]，因此施用生物炭導(dǎo)致土壤全C、C/N 和有效鉀含量顯著提高。土壤性狀的改變對(duì)作物產(chǎn)量具有一定的影響，多數(shù)研究表明，施用生物炭有利于提高作物產(chǎn)量[34]。而本研究中，施氮條件下施用生物炭對(duì)產(chǎn)量無(wú)顯著性影響，在不施氮條件下施用生物炭顯著提高作物產(chǎn)量，這可能與試驗(yàn)地較高的土壤基礎(chǔ)肥力和肥料施用量有關(guān)，較高土壤基礎(chǔ)肥力和肥料施用量保證了土壤對(duì)作物生長(zhǎng)過程中的養(yǎng)分供應(yīng)[35]，從而降低了生物炭對(duì)產(chǎn)量的積極意義。

本試驗(yàn)中各處理CH4對(duì)GWP 的貢獻(xiàn)率均高于99.8%，CH4作為雙季稻田溫室氣體排放主要貢獻(xiàn)者決定著GWP 的大小，這主要由于雙季稻田長(zhǎng)期淹水管理，土壤長(zhǎng)期的厭氧環(huán)境促進(jìn)CH4排放，且抑制了N2O排放[25]。本試驗(yàn)中施用生物炭能夠顯著降低GWP，施用氮肥能夠顯著增加作物產(chǎn)量，而生物炭與氮肥均能夠顯著影響GHGI，各處理GHGI 大小分別為N0B0>N0B2>N1B0>N1B1>N1B2，表明生物炭與氮肥配施對(duì)實(shí)現(xiàn)稻田增產(chǎn)減排效果最優(yōu)，這與李露等[21]研究中40 t/hm2生物炭施用量減排效果最佳結(jié)論相一致。眾多研究表明，生物炭施用首年內(nèi)均能夠降低GWP 與GHGI[21，36-37]。本研究中生物炭經(jīng)過稻田1 年陳化后依然能夠減少稻田溫室效應(yīng)。QIN 等[26]連續(xù)4 年試驗(yàn)表明，生物炭施用后4 年期間均能夠降低稻田溫室氣體排放。吳震等[18]也發(fā)現(xiàn)，土壤中經(jīng)過3 年陳化的生物炭其依然能夠減少稻田溫室氣體排放。本研究?jī)H做了1 年田間定位試驗(yàn)，后續(xù)研究應(yīng)繼續(xù)監(jiān)測(cè)施用生物炭對(duì)雙季稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放的長(zhǎng)期效應(yīng)。

4 結(jié)論

稻田施用生物炭顯著降低稻田CH4排放，且隨著施用量的增加，降低CH4排放效果更加顯著，而氮肥的施用對(duì)CH4排放無(wú)顯著影響。施氮條件下，生物炭的施用能夠顯著增加N2O 排放；不施氮條件下，生物炭卻降低了N2O 排放。施用生物炭顯著降低稻田GWP 與GHGI，對(duì)周年產(chǎn)量無(wú)顯著影響；氮肥的施用顯著增加了周年產(chǎn)量并降低GHGI，對(duì)GWP 無(wú)顯著影響。氮肥配施40 t/hm2生物炭的處理GWP 與GHGI 最低，固碳減排效果最佳。