生物質(zhì)炭對南方典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素利用率的影響

夏文斌　林海燕　李明揚

摘要 ? ?由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)過量施肥而產(chǎn)生的氣候變化和氮肥利用率較低的問題日益嚴重，尋找改善土壤質(zhì)量、減少溫室氣體排放以及增加作物產(chǎn)量的有效途徑尤為重要。近年來，生物質(zhì)炭在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排，而其對各類農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化以及作物產(chǎn)量的影響并不一致。本文選取生物質(zhì)炭對南方典型的稻麥輪作系統(tǒng)以及菜地生態(tài)系統(tǒng)氮素利用率的影響進行比較，為進一步研究不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中生物質(zhì)炭與氮肥、植株的互作關(guān)系以及合理利用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 ? ?生物質(zhì)炭;氮素利用率;氮素轉(zhuǎn)換;農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng);集約化種植;南方地區(qū)

中圖分類號 ? ?S154.1 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）13-0167-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

Effects ?of ?Biochar ?on ?Soil ?Nitrogen ?Use ?Efficiency ?in ?Typical ?Agricultural ?Ecosystems ?in ?Southern ?China

XIA Wen-bin 1 ? ?LIN Hai-yan 2 ? ?LI Ming-yang 2

（1 Yingtan Comprehensive inspection and Testing Center in Jiangxi Province，Yingtan Jiangxi 335000; 2 College of Resources and Environment，South China Agricultural University）

Abstract ? ?Climate changes and low nitrogen use efficiency（NUE）are increasingly becoming the serious problems due to the excessive nitrogen fertilization application in agriculture ecosystems，so it is important to find an effective way to improve the soil quality，decrease the greenhouse gases（GHGs）and increase the crop yield.Recently，biochar has been used world widely to achieve the carbon sequestration in agriculture ecosystems，but the effects of biochar on nitrogen transformations and crop yield were not consistent with various agriculture ecosystems.Therefore，we compared the effects of biochar on the NUE of typical agriculture ecosystems in southern China，namely，rice-wheat annual rotation system and vegetable agriculture ecosystem to provide a theoretical basis for the interaction among biochar，nitrogen fertilization and plant in various agriculture ecosystems.

Key words ? ?biochar;nitrogen use efficiency;nitrogen transformation;agriculture ecosystem;intensive cultivation;southern China

如何在保證糧食產(chǎn)量增加的同時減少與此同時帶來的環(huán)境污染問題是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要問題[1]。大氣中以CO2、N2O、CH4為代表的溫室氣體逐年增加，造成了氣候變化并引起一系列環(huán)境效應(yīng)[2]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，在2005年農(nóng)業(yè)活動所產(chǎn)生的N2O排放量占總?cè)祟悳厥覛怏w排放量的60%。氧化亞氮（N2O）是重要的溫室氣體，參與破壞大氣臭氧層，受到科學(xué)工作者們的廣泛關(guān)注。隨著溫室氣體甲烷（CH4）在大氣中的濃度趨于平穩(wěn)[3]，而N2O在大氣中的濃度仍然保持每年大約0.25%的速度遞增。N2O在大氣中的平均壽命長達114年，單分子全球增溫潛能是CO2的310倍[2]。因此，N2O在全球變暖中具有更加特殊的地位，對環(huán)境造成的影響也日益嚴重。

硝化和反硝化過程是土壤N2O產(chǎn)生的主要過程。由于土壤復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)，土壤中多種氮素轉(zhuǎn)化過程通常同時發(fā)生。Huang等[4]研究表明，土壤N2O排放量與肥料氮或添加物氮量并無直接關(guān)系，而是取決于不同碳氮比的有機物和氮肥組合添加量。因此，在不同生物質(zhì)循環(huán)利用模式下，研究酸性土壤生態(tài)系統(tǒng)中N2O的產(chǎn)生與排放機理具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

已有的研究表明，熱帶和亞熱帶酸性土壤硝化和反硝化速率都非常弱[5-6]，然而，該區(qū)域卻是全球最大的N2O自然排放源，至今這一矛盾現(xiàn)象的機理尚不清楚。在南北樣帶上，隨著緯度的增加，土壤反硝化潛力增強，反硝化產(chǎn)物中氮氧化物比例降低。低緯度地區(qū)，高氧化還原電位抑制了土壤中亞硝酸鹽還原酶和NO還原酶的生成和活性，使該地區(qū)土壤反硝化潛力弱，NO不能有效地還原為N2，反硝化產(chǎn)物中氮氧化物比例高。在東北樣帶上，從東到西，土壤反硝化潛力增強，N2 /N2O比例顯著增大，土壤pH值是這種分布規(guī)律的主要控制因子。因此，迫切需要加強研究溫室氣體排放問題。我國土壤酸化加重的原因之一是化學(xué)氮肥施用過量，提高氮肥利用率、減少環(huán)境風(fēng)險的需求日益緊迫[7]。研究典型農(nóng)田利用方式下酸性土壤的氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律，對于進一步豐富氮素轉(zhuǎn)化知識體系，為濕潤熱帶、亞熱帶地區(qū)合理施用氮肥，評估氮肥的環(huán)境影響奠定理論基礎(chǔ)。

近年來，生物質(zhì)炭固碳減排的效應(yīng)正被越來越多的學(xué)者認可[8]。生物質(zhì)炭是一種固態(tài)物質(zhì)，是在厭氧或無氧條件下將生物質(zhì)進行高溫?zé)峤馓炕a(chǎn)生的，其穩(wěn)定性高、比表面積大、含碳量高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，因而吸附性能強[9]。研究表明，生物質(zhì)炭不僅可以增加土壤碳庫儲量，還能促進養(yǎng)分循環(huán)與固持，為作物生長提供必需的營養(yǎng)元素[10-11]，進而提高作物產(chǎn)量[12]。Jeffery等[13]研究表明，生物質(zhì)炭的施入使土壤pH值增加了0.1～2.0個單位，變化幅度較大。隨著土壤pH值的上升，土壤中有效鉀離子和磷酸根的含量也上升[14]，毒性鋁離子含量顯著下降[15]。Li等[16]研究表明，生物質(zhì)炭能夠減少南方酸性菜地中的綜合溫室效應(yīng)并且增加凈經(jīng)濟收支，是一種實現(xiàn)環(huán)保和增加經(jīng)濟效益的雙贏物質(zhì)。Zhang等[8]研究表明，施用生物質(zhì)炭顯著減少了農(nóng)田土壤中的N2O與CH4排放。因此，研究生物質(zhì)炭對南方典型生態(tài)酸性土壤農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化的影響，對緩解氣候變化帶來的負面效益、提高氮肥的利用率以及保障國家糧食安全都存在著重要意義。

1 ? ?生物質(zhì)炭對稻麥輪作系統(tǒng)土壤氮素利用率的影響

稻麥輪作系統(tǒng)是重要的N2O溫室氣體排放源，對溫室效應(yīng)的影響不容忽視[2]。旱季是稻田N2O排放的主要時節(jié)[17]，其間排放量占總量的30%左右[18]，水稻生長期間烤田會使N2O排放明顯增加[19-20]。因此，稻田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體減排研究的重點對象[21]。華東地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)是我國最典型的農(nóng)業(yè)種植方式。由于稻麥輪作系統(tǒng)土壤水分變化干濕交替顯著，施肥量相對較大，造成南方稻麥輪作系統(tǒng)土壤氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律明顯有別于其他的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。因此，當前應(yīng)對氣候變化的研究熱點之一是積極探索減少稻麥輪作系統(tǒng)中溫室氣體排放量的措施[2]。

由于生物質(zhì)炭性質(zhì)的差異、土壤類型的不同以及氮肥類型的區(qū)別，生物質(zhì)炭對生態(tài)系統(tǒng)中不同溫室氣體的排放產(chǎn)生了不同的影響效果[22]。稻麥輪作系統(tǒng)的氮素轉(zhuǎn)化方式會隨著水分條件的劇烈變化而相應(yīng)的改變。在稻田淹水階段，由于土壤處于厭氧狀態(tài)，反硝化作用是主要的N2O排放源;而在稻田烤田以及小麥種植階段，土壤轉(zhuǎn)化為非厭氧狀態(tài)從而提高了硝化作用對N2O排放的貢獻比率。大量研究表明，生物質(zhì)炭通過提高土壤的pH值、改良土壤的通氣性、改善碳氮比，對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素動態(tài)變化與循環(huán)產(chǎn)生影響，進而減少其中的N2O排放[23]。研究表明，生物質(zhì)炭促進土壤對氮素的固持，對反硝化過程有抑制作用，減少了N2O排放量[24];生物質(zhì)炭通過對土壤中氨的吸附，促進緩釋氮肥發(fā)揮作用，有效減少了菜地N2O的排放[25];施用生物質(zhì)炭能夠促進N2O還原酶相關(guān)的基因及其轉(zhuǎn)錄拷貝數(shù)的產(chǎn)生，有利于N2O進一步還原，使N2O排放量減少[26]。Saarnio等[27]研究表明，施用生物質(zhì)炭能夠增加土壤含水量，刺激土壤中氮素的礦化作用，從而促進植物對氮素的吸收。

根據(jù)Jeffery的整合分析可以得出，雖然生物質(zhì)炭種類、作物種類以及土壤類型不同，生物質(zhì)炭仍然能夠平均增加作物產(chǎn)量的10%[13]。這主要是因為生物質(zhì)炭能夠增加土壤有機碳含量[28]、改良土壤的理化性質(zhì)，同時減少土壤中氮素的淋失，吸收無機氮素并緩慢釋放供給作物生長，使氮肥利用率得以提高[14]。同時，生物質(zhì)炭還能夠提高其他有益于植物生長的元素的有效性，達到作物增產(chǎn)的目的[29-30]。因此，在稻麥輪作系統(tǒng)中施用生物質(zhì)炭是提高氮素利用率的一種可行的方式。

2 ? ?生物質(zhì)炭對菜地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素利用率的影響

中國的蔬菜產(chǎn)量占世界蔬菜總產(chǎn)量的45%，而我國蔬菜的種植面積占我國耕地總面積的11.6%。蔬菜地施肥量大，通常其施肥量是其他農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的3～4倍[31]，具有不同于其他農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放規(guī)律[32]。然而，氮肥的大量施用導(dǎo)致土壤氮素轉(zhuǎn)化差異變大以及更多氮素的流失，造成菜地生態(tài)系統(tǒng)氮肥利用率下降。隨著大量氮肥施入，蔬菜地N2O排放量高，綜合溫室效應(yīng)以及溫室氣體強度高，這將成為中國蔬菜生產(chǎn)過程中的重要問題[33]。

由于菜地生態(tài)系統(tǒng)施肥量大、復(fù)種指數(shù)高等特點，菜地土壤一般會呈現(xiàn)較為嚴重的酸化趨勢。而在這樣的酸化條件下，土壤中的氮素轉(zhuǎn)化模式也會產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致N2O排放規(guī)律不同。相關(guān)的研究表明，隨著土壤酸化程度的加劇，土壤中異養(yǎng)硝化過程產(chǎn)生的N2O排放比例會有所增加[34]。另外，由于菜地生態(tài)系統(tǒng)中凋落殘留物較少且氮肥的大量施用導(dǎo)致土壤有機碳含量下降以及菜地生態(tài)系統(tǒng)灌溉頻繁等特點，導(dǎo)致反硝化作用以及硝化細菌反硝化作用產(chǎn)生的N2O排放比例增加[35-36]。這些特點都有可能導(dǎo)致生物質(zhì)炭會對菜地N2O排放造成不同的影響。

雖然菜地生態(tài)系統(tǒng)為典型的旱地生態(tài)系統(tǒng)，但是由于土壤過度酸化，硝化作用速率被降低，導(dǎo)致由硝化作用產(chǎn)生的N2O排放量百分比降低[34]。加上頻繁的種植與灌溉操作，生物質(zhì)炭對反硝化作用的影響就變成了其對菜地N2O是否減排的關(guān)鍵因素之一。Qu等[37]發(fā)現(xiàn)過量施肥會提高農(nóng)業(yè)土壤中的N2O/（N2O+N2）產(chǎn)物中的比例，這是由于酸性的土壤中N2O還原酶的活性降低，導(dǎo)致反硝化過程產(chǎn)生的N2量減少。而Cayuela等[38]發(fā)現(xiàn)，在適合反硝化作用發(fā)生的環(huán)境下，生物質(zhì)炭會減少N2O/（N2O+N2）產(chǎn)物中的比例，合理的假設(shè)是生物質(zhì)炭能夠促進土壤中反硝化細菌的電子轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)N2O的減排。

然而，生物質(zhì)炭也有可能因為過量的氮肥施入而失去對菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O的減排效應(yīng)。Zhang等[39]發(fā)現(xiàn)，在中國南方酸性土壤中，異養(yǎng)硝化是主要的N2O排放源。雖然生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)相對比較穩(wěn)定，但是缺乏菜地生態(tài)系統(tǒng)長期的試驗數(shù)據(jù)，所以其在高氮肥土壤中的穩(wěn)定性并不明確。因此，施入菜地中生物質(zhì)炭的一部分有可能會被微生物利用作為異養(yǎng)硝化的碳源，增加由異養(yǎng)硝化產(chǎn)生的N2O排放比例[35，40-41]。除此之外，在菜地生態(tài)系統(tǒng)中由于硝化細菌反硝化作用產(chǎn)生的N2O也是重要的排放源。Sánchez-García等[42]發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭在硝化細菌反硝化產(chǎn)生N2O為主的土壤中會增加N2O的排放量，而在反硝化作用產(chǎn)生N2O為主的土壤中會減少N2O的排放量。因此，明確菜地生態(tài)系統(tǒng)中N2O的排放源以及排放特征，對明確生物質(zhì)炭對菜地N2O排放的減排機理有著至關(guān)重要的作用。

生物質(zhì)炭對提升菜地中蔬菜產(chǎn)量也有至關(guān)重要的作用。由于施肥過量，菜地土壤酸化現(xiàn)象更為嚴重，而作物產(chǎn)量會隨著土壤pH值的降低而減少。大多數(shù)生物質(zhì)炭本身為堿性，而且在很多試驗中體現(xiàn)出提高土壤pH值的作用。Biederman等[43]指出，生物質(zhì)炭在酸性土壤中更能夠體現(xiàn)出增加土壤pH值的作用。雖然生物質(zhì)炭并沒有體現(xiàn)出與土壤中氮素的直接互作關(guān)系，而且對植株組織的含氮量變化影響也較小，但是對作物增產(chǎn)的效果也比較明顯[44]。因此，在菜地生態(tài)系統(tǒng)中施用生物質(zhì)炭是提高菜地生態(tài)系統(tǒng)中氮素利用率的重要方式之一。

3 ? ?生物質(zhì)炭對氣候變化的緩解作用

由于生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性以及其在大多數(shù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)出的對溫室氣體的減排作用，生物質(zhì)炭可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的“碳負性”，從而緩解氣候變化帶來的一系列問題[45-47]。很多試驗中，生物質(zhì)炭能夠增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤的有機碳含量，但是生物質(zhì)炭在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中固碳的時間效應(yīng)并沒有充分得到驗證[43]。因此，進行長期的生物質(zhì)炭對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳研究是評估生物質(zhì)炭固碳效應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。

本文著重討論了生物質(zhì)炭對稻麥輪作系統(tǒng)以及菜地生態(tài)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化的影響，其差異主要體現(xiàn)在施肥量以及種植方式對土壤理化性質(zhì)的長期影響而對土壤pH值產(chǎn)生的影響。在稻麥輪作系統(tǒng)中的土壤pH值高于菜地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤pH值，因而異養(yǎng)硝化、反硝化以及硝化細菌反硝化等過程產(chǎn)生的N2O排放比例也會出現(xiàn)很大差異，從而導(dǎo)致生物質(zhì)炭對2種典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體減排效應(yīng)的差異。雖然生物質(zhì)炭在2種農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中能夠顯著提高作物產(chǎn)量，但是生物質(zhì)炭與氮素、植物體和土壤微生物的互作關(guān)系并不明確。在未來的試驗中，確定不同土壤類型N2O排放源、明確不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的氮素轉(zhuǎn)化特點和作物生長需求、綜合使用氮肥與生物質(zhì)炭是提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮肥利用率以及減緩溫室效應(yīng)的關(guān)鍵因素。

4 ? ?參考文獻

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