生物炭對(duì)棕壤玉米田CO2與N2O排放的影響*

謝立勇，許 婧，郭李萍，孫 雪，趙洪亮，鄭益旻

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生物炭對(duì)棕壤玉米田CO2與N2O排放的影響*

謝立勇1，許 婧1，郭李萍2，孫 雪1，趙洪亮1，鄭益旻1

（1．沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽(yáng) 110161；2．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

在棕壤區(qū)玉米田開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)，以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量為基礎(chǔ)，以不施生物炭為對(duì)照CK，設(shè)3個(gè)生物炭施量處理，分別為C1（3000kg·hm?2）、C2（5000kg·hm?2）、C3（7000kg·hm?2），均以基肥形式一次性施入，玉米播種?成熟收獲期內(nèi)定期測(cè)定土壤CO2與N2O排放量，以探討不同生物炭施量對(duì)棕壤區(qū)玉米田CO2和N2O排放的影響。結(jié)果表明：C1、C2處理的CO2排放量小于對(duì)照CK，分別比CK減少9.9%和8.0%，但差異不顯著。在玉米不同生育時(shí)期，土壤CO2累積排放量表現(xiàn)為拔節(jié)?開(kāi)花階段最高，達(dá)到800～1200mg·m?2·h?1，苗期和成熟階段排放最低。玉米全生育期內(nèi)不同處理的CO2排放量均與土壤5cm處溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系；施用生物炭對(duì)土壤N2O排放有抑制作用，且隨著生物炭添加量的增加，抑制作用加強(qiáng)。N2O排放與玉米氮肥施用關(guān)系密切，兩個(gè)排放高峰分別出現(xiàn)在施入底肥和追肥之后。C1、C2、C3處理土壤N2O累積排放量分別比CK減少24.7%、35.2%、37.0%。研究表明，生物炭抑制了棕壤區(qū)土壤呼吸，從而抑制土壤CO2與N2O的排放，并與氮肥用量關(guān)系密切。隨著生物炭施用量的增加，土壤對(duì)CO2排放的抑制作用減弱，而對(duì)N2O排放的抑制作用增加?？傮w而言，土壤中施加生物炭對(duì)抑制農(nóng)田溫室氣體排放和固碳減排有積極作用，而生物炭的施用量需要綜合考慮土壤條件和施肥量等多種因素。

溫室氣體；土壤溫室氣體排放；玉米；生物炭；二氧化碳；氧化亞氮；固碳減排；氣候變化

生物炭在農(nóng)田溫室氣體減排、土壤改良以及環(huán)境修復(fù)方面都有巨大的應(yīng)用潛力，日益受到關(guān)注。生物炭不僅利于提高肥料的利用率，而且對(duì)節(jié)約能源、降低消耗以及保護(hù)農(nóng)業(yè)環(huán)境都發(fā)揮著獨(dú)特的作用。研究表明，生物炭可將CO2固定于土壤中，并影響土壤碳、氮轉(zhuǎn)化，降低土壤溫室氣體（CO2、N2O及CH4）排放，有利于減緩氣候變化[1]。利用生物炭實(shí)現(xiàn)固碳減排，就是把生物炭作為碳封存劑，把大氣中CO2固定到土壤有機(jī)碳庫(kù)中。利用秸稈制備生物炭還田改土，能較大幅度提高土壤有機(jī)碳含量，而不增加土壤CO2釋放，具有較好的固碳減排效果，從而提升作物產(chǎn)量潛力[2?3]。生物炭可以增加土壤有機(jī)碳抵抗微生物降解的穩(wěn)定性，降低土壤有機(jī)碳的礦化速率，具有良好的固碳潛力[4-5]，其不同施用量對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響不同，對(duì)不同土壤條件的影響也不一樣，而不同作物對(duì)生物炭施用的響應(yīng)也存在差異，有的作物在低用量下影響明顯，有的作物在高用量下影響明顯[6-8]。徐鈺等[9]研究表明，生物炭抑制作物生長(zhǎng)，但張杰等[10]試驗(yàn)結(jié)果表明其促進(jìn)作物生長(zhǎng)。一般而言，生物炭與肥料配合施用幾乎都是正效應(yīng)，但生物炭與各類型土壤肥料的配施比例并無(wú)確切的標(biāo)準(zhǔn)。生物炭能否提高作物產(chǎn)量與土壤自身的養(yǎng)分供給有關(guān)，在貧瘠的土壤上更能發(fā)揮吸附養(yǎng)分、持水透氣等效用。

土壤N2O主要來(lái)源于土壤微生物推動(dòng)的硝化作用和反硝化作用，生物炭的多孔隙結(jié)構(gòu)是土壤微生物良好的棲息環(huán)境[11-12]。生物炭表面成分中具有較高的C/N比例，有助于氨化和硝化作用[13-14]。不同的生物炭種類、土壤類型和施肥管理方式等對(duì)土壤N2O排放的影響也不相同[15-16]。土壤中施加生物炭能夠減少或抑制N2O的產(chǎn)生和排放[17]。一般而言，施加生物炭導(dǎo)致土壤的孔隙率增加，會(huì)抑制厭氧反硝化過(guò)程，同時(shí)增加土壤O2，抑制N2O和N2排放[18-19]。Singh等[20]研究認(rèn)為生物炭對(duì)土壤N2O排放不產(chǎn)生影響；葉丹丹等[21]認(rèn)為土壤中施加生物炭后，N2O排放量高于對(duì)照土壤。總之，生物炭的施用及其用量多少對(duì)土壤排放的影響因不同地區(qū)不同土壤條件有所不同，有必要開(kāi)展針對(duì)性的田間試驗(yàn)來(lái)明確生物炭的減排效果和適宜施量。本研究在東北地區(qū)棕壤玉米田土壤中進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)，以期明確不同生物炭施量對(duì)玉米田土壤CO2和N2O排放的影響。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2016年在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行（41°82′N，123°56′E），屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔30?50m，地勢(shì)平坦。多年平均溫度7.0～8.0℃，≥10℃活動(dòng)積溫3281℃·d，日照時(shí)數(shù)3272.5h，無(wú)霜期145～163d。受季風(fēng)影響，降水集中在夏季（6?8月），年降水量600～800mm。溫差較大，四季分明。試驗(yàn)區(qū)土壤為棕壤，土壤質(zhì)地為壤土。播種前土壤0?20cm基本理化性狀為，有機(jī)質(zhì)20.00g·kg?1，堿解氮145.78mg·kg?1，土壤速效磷56.91mg·kg?1，速效鉀126.35mg·kg?1，pH值為6.5。

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，均在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量的基礎(chǔ)上進(jìn)行。對(duì)照處理（CK）不施加生物炭，其它處理均在施基肥時(shí)一次性混入不同量的生物炭，C1、C2和C3的施炭量分別為3000、5000和7000kg·hm?2。小區(qū)面積為10m ×2.4m= 24m2，每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。種植品種為常規(guī)晚熟優(yōu)質(zhì)飼料玉米品種新東單90。采用南北向種植，行距為60cm，株距為40cm，種植密度為42000株·hm?2。各處理的田間管理一致：上一年秋收后旋耕，春季（5月8日）播種，前1日施底肥，施肥量為尿素195.7kg·hm?2，重過(guò)磷酸鈣130.5kg·hm?2，硫酸鉀120kg·hm?2，各處理按照尿素含氮量46%、重過(guò)磷酸鈣含P2O5量46%、硫酸鉀含K2O量50%折算的N、P、K含量（表1）；玉米喇叭口期（6月19日）追施尿素195.7kg·hm?2（折算含N量為90kg·hm?2）。玉米秸稈生物炭（含碳量為50%）以基肥形式一次性施入土壤中。生育期田間管理同生產(chǎn)田。9月24日收獲，整個(gè)生育期為140d。

表1 各處理施肥和生物炭施用量（kg·hm?2）

CO2和N2O的采集用靜態(tài)箱取樣：取樣箱為PVC材料制作的不透明長(zhǎng)方體箱，長(zhǎng)60cm，寬25cm，高30cm，箱體及頂部有三通閥用于取氣；取樣箱底座插入土壤中10cm，箱體扣于底座的凹槽上，并在凹槽中用水密封。于每個(gè)采樣日的9：00?11：00時(shí)（該時(shí)段的氣體排放通量基本能表征全天的平均值），分別在扣箱后0、10、20min打開(kāi)取樣箱頂部的開(kāi)關(guān)閥，并用注射器抽取30mL氣體于預(yù)抽為真空的12mL血清瓶中；每次取12個(gè)小區(qū)共36個(gè)氣樣，氣樣于1周內(nèi)用Agilent 7890B氣相色譜儀測(cè)定N2O濃度。

玉米全生育期的取氣周期為每7d一次，6月19日玉米喇叭口期施肥后取樣頻率加密，改為2～3d一次。每次取氣樣的同時(shí)，測(cè)定土壤5cm處的溫度和土壤水分含量。土壤5cm處的溫度用土壤溫度計(jì)測(cè)定；土壤水分含量用美國(guó)產(chǎn)TDR水分測(cè)定儀測(cè)定，為體積含水量[21]。

每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取具有代表性的60株玉米，單獨(dú)收獲，地上部分曬干后，玉米穗進(jìn)行脫粒，分別測(cè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。風(fēng)干后考種，測(cè)量玉米穗長(zhǎng)、穗粗、穗行數(shù)、穗粒數(shù)和百粒重。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均用Excel進(jìn)行整理并繪制圖表，用SPSS17.0進(jìn)行相關(guān)性及方差分析，利用LSD法進(jìn)行多重檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表2可見(jiàn)，從玉米的穗長(zhǎng)、穗粗和行粒數(shù)看，各處理與CK（未施生物炭）均無(wú)顯著差異。對(duì)于玉米的百粒重，C1（施3000kg·hm?2生物炭）、C2（施5000kg·hm?2生物炭）、C3（施7000kg·hm?2生物炭）處理均比CK有所增加，C2、C3分別增加了13.5%和18.0%，C1與CK處理達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。各處理間的穗重與CK達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。由此可見(jiàn)，在常規(guī)施肥養(yǎng)分等量的前提下，施加3000kg·hm?2生物炭會(huì)使玉米的穗重顯著增加，而對(duì)玉米其它產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響均不顯著。對(duì)于單位面積產(chǎn)量來(lái)說(shuō)，C1、C2、C3分別比CK增加了9.8%和8.7%、10.7%，達(dá)到顯著水平，但各處理間差異不顯著。表明施加生物炭使玉米產(chǎn)量有一定的促進(jìn)作用，但生物炭施入量作用差異不明顯，值得進(jìn)一步討論。

表2 各處理玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素比較

注：同列小寫(xiě)字母分別表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同。

Note：Lowercase in a row indicate the difference significance among treatments at 0.05 level. The same as below.

2.2 生物炭對(duì)土壤CO2排放的影響

2.2.1 對(duì)土壤CO2排放動(dòng)態(tài)變化的影響

由圖1可見(jiàn)，整個(gè)玉米生長(zhǎng)季（5月8日?9月24日，共140d）總共觀測(cè)22次，各處理土壤CO2排放通量變化過(guò)程表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，具有明顯的季節(jié)性特點(diǎn)。整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)觀測(cè)的土壤CO2排放通量在150～1250mg·m?2·h?1，最小值發(fā)生在出苗期，最大值在拔節(jié)期。如圖所示，5月8日施基肥后觀測(cè)時(shí)，土壤CO2排放通量數(shù)值較大，在600mg·m?2·h?1左右；隨后的5月中下旬土壤溫度較低（圖2a），種子正處于發(fā)芽階段，根系尚未形成，土壤CO2排放通量普遍較低，在200mg·m?2·h?1以下；6月19日追肥后，CO2排放通量明顯增多。而到7月末玉米的拔節(jié)開(kāi)花期排放通量最高，達(dá)到800～1200mg·m?2·h?1。8月中旬?9月，隨著土壤溫度的降低，CO2排放通量也逐漸減小，直至9月中旬收獲。

圖1 玉米生長(zhǎng)季不同處理土壤CO2排放通量動(dòng)態(tài)變化

比較不同處理各時(shí)點(diǎn)CO2排放通量可知，大多數(shù)時(shí)點(diǎn)上對(duì)照CK（未施生物炭）處理與C3處理（施7000kg·hm?2生物炭）的CO2排放通量交替為最大或次大值，C1（施3000kg·hm?2生物炭）、C2（施5000kg·hm?2生物炭）處理中CO2排放通量相對(duì)較小，但處理間差異不顯著；從各階段平均值以及整個(gè)生育期多次觀測(cè)結(jié)果的平均值可見(jiàn)（圖2），整個(gè)生育期C1、C2平均排放通量分別比CK減少了9.4%、7.4%，而C3則略有增加。總體表明施加生物炭對(duì)土壤CO2排放通量有一定抑制作用，但與氮肥量的多少關(guān)系不明顯。

圖2 土壤5cm處溫度(a)和體積含水量(b)的變化過(guò)程

2.2.2 對(duì)CO2排放通量與土壤溫度和水分相關(guān)性的影響

由表3可知，各處理土壤CO2排放通量均與土壤5cm處溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），即土壤CO2排放通量隨著土壤5cm處溫度的升高而增加。而土壤CO2排放通量與土壤水分的相關(guān)性則不顯著，可能由于試驗(yàn)當(dāng)年整個(gè)玉米生長(zhǎng)季降水條件較好，絕大部分時(shí)間土壤水分充足，可以滿足玉米生長(zhǎng)的需要，對(duì)土壤CO2的排放不構(gòu)成限制，還需要進(jìn)一步討論。

表3 不同處理CO2的平均排放通量（AE）與土壤溫度（R1）和水分（R2）的相關(guān)關(guān)系

注：*表示相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。下同。

Note：*is P＜0.05. The same as below.

根據(jù)方差分析結(jié)果，各處理土壤CO2平均排放通量持平或略小于對(duì)照，其中C1、C2的CO2平均排放通量分別減少9.4%、7.4%，但各處理與CK均無(wú)顯著差異。表明土壤CO2排放通量受到生物炭的影響，但可能不存在明顯的線性關(guān)系。

2.2.3 對(duì)土壤CO2累積排放量的影響

將每次測(cè)得的土壤CO2排放通量與相鄰兩次測(cè)定時(shí)間間隔天數(shù)的乘積逐次累加，即得土壤CO2累積排放量。由表4可知，在整個(gè)玉米生育期內(nèi)，各處理土壤CO2的累積排放量也與對(duì)照持平或略低。與CK相比，C1和C2分別減少了9.9%和8.0%?？赡苁┘由锾吭谝欢ǔ潭壬弦种屏送寥篮粑膹?qiáng)度，從而抑制CO2的排放。

在整個(gè)玉米生育期，不同生物炭施量的土壤CO2累積排放量表現(xiàn)為，播種?完熟表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，各處理均在拔節(jié)?開(kāi)花期間達(dá)到最大值，約占生育期排放總量的32.7%；苗期及成熟之后排放量最小，約占生育期排放總量的5.4%和11.4%（表4）。這是因?yàn)榘喂?jié)?開(kāi)花階段，正是玉米的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的并進(jìn)階段，是玉米生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期（即大喇叭口時(shí)期）。在這一時(shí)期，玉米的根系生物量急劇增加，溫度條件均適于玉米快速生長(zhǎng)，無(wú)論是來(lái)自自養(yǎng)呼吸還是異養(yǎng)呼吸排放的CO2都會(huì)有增加，而玉米根系的分泌物也會(huì)增強(qiáng)土壤微生物的呼吸作用，從而促進(jìn)CO2排放。而出苗及成熟之后，土壤溫度降低，使得土壤呼吸和植物根系的呼吸作用受到一定抑制，導(dǎo)致土壤CO2累積排放量最少。

表4 玉米各生育時(shí)期（月.日）土壤CO2累積排放量（t·hm?2）及其占比（%）

2.3 生物炭對(duì)土壤N2O排放的影響

2.3.1 對(duì)土壤N2O排放動(dòng)態(tài)變化的影響

由圖3可見(jiàn)，各處理的土壤N2O排放通量均有兩個(gè)明顯的排放高峰，均發(fā)生在施肥之后（基肥5月8日，追肥6月19日），其余幾個(gè)峰發(fā)生在降雨后。5月8日播種前，由于土壤水分含量和溫度均較低，且缺乏充足的氮源，土壤N2O排放通量較低，一般不超過(guò)60μg N2O?N·m?2·h?1。施肥后第5天（5月13日）出現(xiàn)第一次較強(qiáng)降水，土壤含水量升高，氮源的增加和適宜的水分條件有利于硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，因而土壤N2O排放通量繼續(xù)上升，各處理峰值的出現(xiàn)均在施肥后第6天，常規(guī)施肥CK的N2O排放通量最高，為225.0μgN2O?N·m?2·h?1，2周后土壤N2O排放通量下降至常規(guī)水平。與常規(guī)施肥CK相比，C1、C2和C3的N2O排放通量雖然也呈上升趨勢(shì)，但較為平緩，峰值也較低，分別為常規(guī)施肥CK峰值的94.2%、87.8%和76.5%。

6月19日進(jìn)行追肥，3d后出現(xiàn)3d連續(xù)性降水，土壤水分含量明顯上升，各處理N2O排放通量也呈上升趨勢(shì)，施肥后6～8d，N2O的排放通量再次達(dá)到高峰，持續(xù)約2周，CK峰值最高，為270.1μg N2O?N·m?2·h?1。C1、C2、C3的N2O排放峰值分別為CK排放峰值的74.5%、76.1%和78.4%。表明土壤中添加生物炭在一定程度上抑制了土壤N2O的排放。7月中下旬?8月上旬，由于土壤溫度繼續(xù)升高和連續(xù)降水的共同作用，各處理均有瞬時(shí)的N2O脈沖排放峰出現(xiàn)，其中CK的排放峰值最高，達(dá)到219.4μgN2O?N·m?2·h?1，但峰值略低于追肥后的排放峰，在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上添加生物炭量為7000kg·hm?2的C3處理土壤N2O排放峰值最低，比CK低41.1%，而C1、C2的土壤N2O排放峰值分別為CK的69.4%和66.8%。8月末，隨著肥效和溫度的降低、降水的減少，N2O排放通量也逐漸降低，直至9月下旬收獲。

圖3 不同生物炭處理土壤N2O排放通量

2.3.2 對(duì)N2O平均排放通量與土壤溫度和水分相關(guān)性的影響

由表5可見(jiàn)，4個(gè)處理的土壤N2O排放通量與土壤5cm處溫度和土壤水分的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平，與土壤溫度和水分也不存在單一的相關(guān)關(guān)系，但生物炭對(duì)土壤N2O的平均排放通量具有顯著影響。與CK相比，C1、C2、C3處理的土壤N2O平均排放通量分別減少19.1%、29.6%和33.6%，表明生物炭對(duì)土壤N2O排放有明顯的抑制作用，且隨著生物炭施量的增加，土壤N2O的排放通量逐漸減少。

表5 土壤N2O的平均排放通量（AE）及其與5cm土壤溫度（R1）和水分（R2）的相關(guān)關(guān)系

2.3.3 對(duì)土壤N2O累積排放量的影響

將每次測(cè)得的土壤N2O排放通量與相鄰兩次測(cè)定間隔天數(shù)的乘積逐次累加，即得土壤N2O的累積排放量。在整個(gè)玉米生育期內(nèi)，施加生物炭的各處理土壤N2O的累積排放量均小于CK，分別比CK減少24.7%、35.2%、37.0%。表明生物炭可以顯著影響土壤N2O的累積排放量，且隨著生物炭量的增加，土壤N2O累積排放量進(jìn)一步減少。

從表6可以看出，在玉米整個(gè)生育期，不同生物炭施量的土壤N2O累積排放量均表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)，其中播種?拔節(jié)、拔節(jié)?開(kāi)花、開(kāi)花?乳熟3個(gè)階段的N2O累積排放量占整個(gè)生育期的比例分別為19.6%、32.6%和28.9%，而成熟期的土壤N2O累積排放量較小。主要原因是播種?拔節(jié)、拔節(jié)?開(kāi)花兩個(gè)時(shí)期受到基肥和追肥效應(yīng)的影響，加之玉米生長(zhǎng)旺盛使土壤N2O的排放通量增加；而在開(kāi)花?乳熟期間，發(fā)生過(guò)幾次連續(xù)強(qiáng)降水，土壤水分含量充足且溫度狀況適宜，二者的聯(lián)合作用也會(huì)促進(jìn)土壤N2O排放。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

研究表明，在玉米整個(gè)生育期內(nèi)，適量施加生物炭抑制了土壤 CO2排放，主要由于在植物?土壤系統(tǒng)中，土壤呼吸速率變化與玉米生長(zhǎng)發(fā)育快慢趨于一致，且隨著玉米生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤呼吸速率先增加，達(dá)到最大值后隨生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而下降[22-23]。本研究所有施加生物炭處理的土壤CO2排放通量均與CK處理無(wú)顯著差異，表明土壤CO2排放通量受到生物炭的抑制，但很可能不存在線性關(guān)系，而與氮肥的使用量以及土壤溫度關(guān)系更為密切。這就提示，探討生物炭的固碳減排作用時(shí)必須與氮肥的施用量一起考慮，否則就會(huì)偏離實(shí)際。同時(shí)本研究C3處理（施碳量為7000kg·hm?2）的CO2排放偶爾比對(duì)照要高，也需要進(jìn)一步討論。

表6 玉米各生育期土壤N2O累積排放量(t·hm?2)及其占比(%)

生物炭對(duì)玉米土壤N2O的排放有明顯的抑制作用。因?yàn)檗r(nóng)田土壤N2O產(chǎn)生的主要過(guò)程是在微生物的參與下，通過(guò)硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)完成的[24]。農(nóng)田土壤中的N2O排放受到土壤質(zhì)地、土壤溫度、土壤通氣性以及土壤施肥量等因素綜合影響，而生物炭及炭基肥的施入減緩了這兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程的發(fā)生[25-26]。生物炭還可以改變土壤溫度、濕度、通氣性和土壤結(jié)構(gòu)[27]，土壤C/N比會(huì)對(duì)微生物有機(jī)質(zhì)的分解產(chǎn)生影響，當(dāng)C/N大于25:1時(shí)，微生物活性弱，有機(jī)質(zhì)的分解速度較慢，會(huì)對(duì)N2O的產(chǎn)生起到抑制作用[28]。本研究中C2、C3處理添加的生物炭和肥料C/N大于25:1，所以能夠顯著降低土壤N2O的排放，且C2和C3的減排效果最顯著。也表明生物炭對(duì)土壤N2O的平均排放通量具有顯著的抑制作用。與CK相比，C1、C2、C3處理的土壤N2O平均排放通量分別減少19.1%、29.6%和33.6%。且隨著生物炭添加量的增加，土壤N2O的排放通量進(jìn)一步減少。追肥后的土壤N2O排放峰高于基肥后，可能由于追肥后的土壤溫度升高，加之更適宜的土壤水分狀況使土壤中微生物活動(dòng)較活躍，尿素的水解和硝化作用均高于基肥后，并且還可能有合適的溫度和水分條件下，土壤中有機(jī)氮的礦化所貢獻(xiàn)的無(wú)機(jī)氮的疊加作用。

土壤中CO2的排放主要來(lái)源于土壤微生物、植物根系和土壤動(dòng)物的呼吸以及含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用。生物炭可以通過(guò)影響土壤中有機(jī)質(zhì)的含量、土壤微生物以及植物根系的生理活動(dòng)進(jìn)而影響CO2的排放。本研究結(jié)果表明，與常規(guī)施肥相比，添加生物炭3000、5000、7000kg·hm?2時(shí)玉米的產(chǎn)量略有增加，與常規(guī)施肥相比，添加生物炭會(huì)對(duì)玉米的穗長(zhǎng)、穗粗、行粒數(shù)、穗行數(shù)等農(nóng)藝性狀有一定的促進(jìn)作用，但并不顯著。而對(duì)于玉米穗重和百粒重的增加作用，5000kg·hm?2和7000kg·hm?2生物炭的添加量效果尤為明顯。綜合考慮生物炭對(duì)CO2排放和N2O排放的影響與經(jīng)濟(jì)效益，本研究認(rèn)為適量施用生物炭（5000kg·hm?2）更有利于棕壤玉米田的產(chǎn)量獲得和固碳排放。

3.2 結(jié)論

在玉米全生育期內(nèi)，不同生物炭施量的土壤CO2排放通量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，且有明顯的階段性變化。5月和9月的排放通量較小，8月初達(dá)到峰值。各處理的CO2排放通量與土壤5cm處溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤水分無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系。表明施用生物炭一定程度上抑制了土壤呼吸強(qiáng)度，從而抑制土壤CO2的排放，但CO2的排放仍隨生物炭施用量增加而增加，甚至超過(guò)對(duì)照。在玉米全生育期內(nèi)，不同生物炭施量的土壤N2O排放通量在40～270ugN2O-N·m?2·h?1。與土壤5cm處溫度和水分不存在單一的相關(guān)關(guān)系，主要受氮肥影響，在基肥和追肥后顯著增加并有明顯的排放峰值出現(xiàn)。生物炭對(duì)土壤N2O的平均排放通量具有顯著影響。表明施用生物炭對(duì)土壤N2O排放有一定抑制作用，且隨著生物炭施量的增加，抑制土壤N2O的排放效果更明顯。生物炭可以顯著影響土壤N2O的累積排放量，且隨著施量的增加，土壤N2O的累積排放量逐漸減少。在玉米整個(gè)生育期，土壤N2O累積排放量表現(xiàn)為先增加后減少。其中播種?拔節(jié)、拔節(jié)?開(kāi)花、開(kāi)花?乳熟3個(gè)階段的土壤N2O累積排放量分別占總排放量的19.6%、32.6%和28.9%，而成熟期的土壤N2O累積排放量較小。

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Impacts of Biochar Application on CO2and N2O Emissions from Brown Soil with Maize

XIE Li-yong1, XU Jing1, GUO Li-ping2, SUN Xue1, ZHAO Hong-liang1, ZHENG Yi-min1

（1.College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China; 2. Institute of Environmental and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

In order to inquire into the impacts of different biochar application on CO2andN2O emission from maize field in the brown soil in northeast of China, the field experiment was conducted in Liaohe plain from 2016. 4 farming measures, including CK（no biochar）, C1（3000kg·ha-1biochar）, C2（5000kg·ha?1biochar） and C3（7000kg·ha?1biochar）, were taken in the experiment based on local normal nitrogen fertilizer application. CO2and N2O emission from soil during whole maize growth season, started at sowing date, was measured periodical. The result showed that biochar application inhibited the intensity of soil respiration to some extent, so as to inhibit the emission of CO2in the soil, but they were no significant. CO2emission from the treatments of C1 and C2 was less than that of CK, decreased the accumulative emission by 9.9% and 8.0%, respectively. CO2accumulative emission from jointing?flowering stage was the highest, get reaching 800?1200mg·m?2·h?1, and that of from seeding stage and full ripe stage was the lowest. However, there was a significant positive correlation between CO2average emission flux and soil temperature below 5cm. Biochar application also inhibited soil N2O emission, and with increase of biochar, the soil N2O emission decreased gradually. During the whole growth season of maize, N2O emission flux was mainly affected by nitrogen fertilizer application. The emission flux of N2O increased significantly and had obvious emission peak after basic nitrogen fertilizer and supplement nitrogen fertilizer. Compared with CK, N2O accumulative emission from C1, C2 and C3 were reduced by 24.7%, 35.2%, and 37.0% in maize growth season. The results indicated that biochar application reduced CO2andN2O emissions from soil. Biochar application had significance for carbon sequestration in maize field in brown soil region, improved soil properties and maintained the stable maize yield. Appropriate amount of biochar application for maize was a key to mitigate soil CO2and N2O emissions.

Greenhouse gasses; Greenhouse gasses emission from soil; Maize; Biochar; Carbon dioxides (CO2); Nitrous oxide (N2O); Carbon sequestration and mitigation; Climate change

10.3969/j.issn.1000?6362.2018.08.001

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2018?01?12

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2013BAD11B03）

謝立勇（1969?），博士，教授，從事氣候變化與低碳農(nóng)業(yè)研究。E-mail: xly0910@163.com