秸稈和生物炭添加量及比例對(duì)華北下沉式設(shè)施菜田土壤CO2排放的影響

王亞芳 趙以銘 李英杰 徐梓楷 李國(guó)元 王敬國(guó) 林杉

摘要 通過2組室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究玉米秸稈和生物炭添加量及其添加比例對(duì)設(shè)施菜田土壤有機(jī)碳礦化的影響。試驗(yàn)1為2因素4水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主因素為有機(jī)碳源種類，即玉米秸稈、生物炭;副因素為碳添加量，分別為0、1.31、2.62、5.24 g/kg土壤（按碳量）。試驗(yàn)2為單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，除對(duì)照外，有機(jī)碳添加量均為5.24 g/kg土壤，將玉米秸稈（S）和生物炭（B）按不同比例與土壤混合，添加比例分別為100%S、75%S+25%B、50%S+50%B、25%S+75%B、100%B、0S0B（對(duì)照）。培養(yǎng)期間，維持土壤含水量為田間最大持水量的65%，測(cè)定和計(jì)算培養(yǎng)期間土壤CO2日均排放通量、累積排放量和排放率、土壤微生物量碳含量。結(jié)果表明，與施用生物炭相比，施用等碳量秸稈顯著增加了CO2累積排放量，其增幅為50%～337%;與不施用有機(jī)物料的對(duì)照相比，隨著秸稈施用量增加，CO2累積排放量顯著增加了92%～463%，而隨著生物炭施用量增加，其增幅僅為28%～39%。培養(yǎng)前30 d內(nèi)，CO2日均排放通量和累積排放量最高，其后逐漸降低，趨于平緩。隨著秸稈添加比例降低和生物炭添加比例增加，CO2日均和累積排放量、排放率和土壤微生物量碳含量顯著減少;隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，CO2日均排放通量逐漸降低，而累積排放量則逐漸增加?？傊?，將秸稈與生物炭按比例混合施用，一方面秸稈礦化過程產(chǎn)生的CO2能夠滿足秋冬茬設(shè)施蔬菜對(duì)CO2的高需求;另一方面，生物炭可以快速提升土壤碳儲(chǔ)量，并且可以避免蔬菜殘茬直接還田可能造成土傳病害的擴(kuò)散，有利于設(shè)施菜田土壤-植物碳循環(huán)和生產(chǎn)體系的可持續(xù)性。然而，上述研究結(jié)果仍需在大田條件下進(jìn)一步驗(yàn)證，并根據(jù)種植茬口和土壤環(huán)境條件調(diào)整秸稈和生物炭添加量及其比例。

關(guān)鍵詞 設(shè)施菜田;玉米秸稈;生物炭;添加量;比例;CO2排放;下沉式設(shè)施大棚

中圖分類號(hào) S 152.6? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）21-0085-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.21.021

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effects of Additive Amounts and Ratios of Straw and Biochar on CO2 Emissions from the Soil of Sunken Vegetable Fields in North China

WANG Ya-fang， ZHAO Yi-ming， LI Ying-jie et al

（College of Resources and Environmental Sciences， China Agricultural University， Beijing 100193）

Abstract Two laboratory incubation experiments were conducted to investigate the effects of additive amounts and ratios of maize straw and biochar on soil respiration. Experiment I included two-factors with four-level. The main factor was kinds of organic material， namely corn straw and biochar. The second factor was application amount which were 0， 1.3? 2.62 and 5.24 g/kg（according to carbon amount）， respectively. Experiment II deal with the effect of application ratio of maize straw （S） and biochar （B） which included six treatments： 100%S，75%S+25%B，50%S+50%B，25%S+75%B，100%B，0S0B （control）. During the incubation period， soil water content was maitained at the 65% of field capacity. Daily CO2 emissions were measured and soil microbial carbon contents were analyzed at the end of incubation for experiment II. The result showed that compared with biochar addtion， application of maize straw at the same carbon addtion rate siginificantly increased soil CO2 emissions by 50%-337%. Compared with control， cumulative CO2 emissions increased with the increasing of straw addition rate （increaed by 92%-463%）， whereas the biochar just increased cumulative CO2 emissions by 28%-39%.Within the first 30 days of incubation， daily CO2 emissions and cumulative CO2 emissions were highest over the whole incubation period and then decreased slowly. With the decreased addtion ratios of straw and increased addtion ratios of biochar， daily CO2 emissions， cumulative CO2 emissions， CO2 emission rates and soil microbial carbon content decreased siginificantly. Daily CO2 emissions decreased with the incubation days， while cumulative CO2 emissions increased. Our results highlight that incorporation of straw and biochar is an effective measure to increase soil resipiraiton and facilitate greenhouse CO2 limitation. On the other hand， addition of biochar will increase soil organic carbon stock. Therefore， simultanouesly application of maize straw and biochar is an effective option to maintain the sustainable development of greenhouse vegetable production. However， the above research results still need to be further verified in field experiments， and the amount and proportion of straw and biochar added should be adjusted according to the planting seasons and soil environmental conditions.

Key words Greenhouse vegetable field;Maize straw;Biochar;Additive amounts;Proportion;CO2 emission;Sunken facility greenhouse

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作項(xiàng)目（41761134087）;湖北省科技廳重大專項(xiàng)（2019ABA117）;國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD23B01-4）。

作者簡(jiǎn)介 王亞芳（1990—），女，山東菏澤人，博士研究生，研究方向：菜田土壤碳氮轉(zhuǎn)化。

*通信作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事水碳氮生物地球化學(xué)循環(huán)研究。

收稿日期 2021-02-23

近40年以來，我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)規(guī)模呈指數(shù)型增長(zhǎng)。1983年種植面積僅為1.5萬hm 2016年迅猛增加到467萬hm 所生產(chǎn)的大約30種不同蔬菜產(chǎn)量近2.52億t，占我國(guó)蔬菜總產(chǎn)量的35%[1]。設(shè)施蔬菜產(chǎn)量高、效益顯著，發(fā)展設(shè)施蔬菜已然成為解決我國(guó)季節(jié)性蔬菜均衡供應(yīng)和農(nóng)民致富的有效途徑之一[2]。然而，下沉式設(shè)施大棚在建造過程中，富含有機(jī)質(zhì)的表層土壤用于構(gòu)建迎風(fēng)墻，加之設(shè)施大棚內(nèi)高溫高濕的環(huán)境條件，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)礦化快、積累慢，土壤保水保肥和供水供肥能力差[3]，這與設(shè)施蔬菜對(duì)水肥的需求量大和強(qiáng)度高形成了十分尖銳的矛盾。

土壤有機(jī)質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量是改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤保蓄性和提高土壤肥力的關(guān)鍵措施[4-5]。Lal[6]研究指出增加土壤有機(jī)質(zhì)含量是保障食品安全的必然選擇。添加有機(jī)物料在增加土壤碳儲(chǔ)量和減少溫室氣體排放方面受到越來越多的關(guān)注[7-8]。秸稈還田能增加土壤有機(jī)質(zhì)和活性有機(jī)碳含量，提高土壤總孔隙度和土壤微生物活性。蔬菜殘茬往往攜帶大量土傳病原體，直接還田將導(dǎo)致土傳病害頻繁發(fā)生[8-10]，將其進(jìn)行有效的高溫（>450 ℃）熱解炭化，生產(chǎn)成生物炭再還田，不僅可以完全消殺蔬菜殘茬所攜帶病原體，還因生物炭具有極高比例芳香碳和極強(qiáng)的生物化學(xué)熱穩(wěn)定性，在土壤中可穩(wěn)定存在幾百年甚至上千年[11-13]，進(jìn)而迅速提升土壤有機(jī)碳含量。然而，關(guān)于生物炭和秸稈添加量及其添加比例對(duì)土壤呼吸和設(shè)施菜田土壤-植物碳循環(huán)影響的研究尚存在爭(zhēng)議。

設(shè)施大棚是半封閉的栽培體系，蔬菜作物對(duì)CO2的消耗難以從外界得到及時(shí)補(bǔ)充。尤其在氣溫低的冬季，為了保持棚內(nèi)溫度，大棚往往處于關(guān)閉狀態(tài)。從48 h內(nèi)設(shè)施大棚CO2濃度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，日落后設(shè)施大棚中CO2逐漸升高，日出后CO2濃度則隨著作物光合作用而逐漸降低，尤其在光合作用最強(qiáng)烈的正午，大棚內(nèi)CO2濃度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室外自由大氣CO2濃度[8]，進(jìn)而嚴(yán)重抑制了蔬菜作物光合效率[14]。秋冬茬為了保溫，設(shè)施大棚常常處于關(guān)閉狀態(tài)，上述矛盾更加突出[15]。因此，設(shè)施大棚通過土壤呼吸釋放的CO 成為蔬菜作物光合作用的重要來源[16]。

筆者在了解秸稈和生物炭礦化規(guī)律的前提下，將玉米秸稈與生物炭按一定比例混合施用，不僅可以提高設(shè)施菜田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、避免蔬菜殘茬直接還田可能造成土傳病害的傳播，還可以有效增加設(shè)施大棚內(nèi)CO2的濃度。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自天津農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新基地日光溫室（116°57′E，39°25′N），該日光溫室建于2011年，連續(xù)種植番茄。取下沉式日光溫室 0～30 cm 耕層土壤，除去動(dòng)植物殘?bào)w和石塊后，在室內(nèi)自然風(fēng)干后過2 mm 土篩，用于土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)測(cè)定和后續(xù)培養(yǎng)試驗(yàn)。土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土，砂粒、粉粒和黏粒含量分別為30%、62%和8%，容重為1.34 g/cm 田間最大持水量時(shí)的質(zhì)量含水量為37%，pH 8.6 有機(jī)碳含量20.0 g/kg，CaCl2浸提態(tài)NO3--N含量106 mg/kg。

玉米秸稈取自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站，含碳量為450 g/kg（按碳量，下同）。生物炭購于金未來農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司，熱裂解溫度為450 ℃，含碳量為550 g/kg。上述試材均粉碎后過2 mm篩。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

設(shè)置2組室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)1為2因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主因素為2種有機(jī)碳源，即玉米秸稈（S）、生物炭（B）;副因素為4種碳添加量，分別為0、1.31、2.62、524 g/kg土壤。共計(jì)7個(gè)處理，其相應(yīng)的代碼分別為CK、S1.31、S2.62、S5.24;B1.31、B2.62、B5.24。所有處理均重復(fù)3次，培養(yǎng)時(shí)間為90 d。試驗(yàn)2為單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，除對(duì)照處理外，所有處理的有機(jī)碳添加量均為5.24 g/kg（相對(duì)于大田施用量14 t/hm2）;共6個(gè)處理，分別是①對(duì)照（0S0B），不添加有機(jī)物料;②100%玉米秸稈（100S0B）;③75%玉米秸稈+25%生物炭（75S25B）;④50%玉米秸稈+50%生物炭（50S50B）;⑤25%玉米秸稈+75%生物炭（25S75B）;⑥100%生物炭（0S100B）。

稱取上述供試風(fēng)干土壤100 g，放入250 mL玻璃培養(yǎng)瓶中。將已過2 mm篩的有機(jī)物料加入瓶中，與土壤充分混勻，用稱重法調(diào)節(jié)土壤含水量至田間最大持水量的65%。培養(yǎng)瓶置于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)溫度為 25 ℃，避光培養(yǎng) 56～91 d。培養(yǎng)期間，每2 d通過稱重法補(bǔ)充水分，維持土壤含水量分別為田間持水量的65%。為了確保培養(yǎng)箱內(nèi)通氣良好，培養(yǎng)箱外連一個(gè)三通道的通氣泵，調(diào)節(jié)流量為45 L/min。為了防止通氣過程中培養(yǎng)箱內(nèi)空氣濕度過低，在培養(yǎng)箱中放入2個(gè)加去離子水的500 mL燒杯，通氣管道插入盛水的燒杯中，以調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱內(nèi)空氣濕度。

1.3 測(cè)定方法

用環(huán)刀取原狀土，加水至飽和，瀝干明水后放入烘箱，105 ℃下烘24 h至恒重，測(cè)定最大田間持水量和土壤容重。應(yīng)用土壤粒徑激光分析儀（MASTERSIZER 2000，Malvern，England）測(cè)定土壤砂粒、粉粒和黏粒含量。將土壤和去離子水按1∶2.5的比例浸提，用pH計(jì)（HI9812 Hanna Instruments，Kehl am Rhein，Germany）測(cè)定土壤pH。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定。土壤無機(jī)氮采用0.01 mol/L CaCl2浸提，流動(dòng)分析儀（AA Braun Luebbe，Nordstadt，Germany）測(cè)定。土壤微生物量碳含量采用新鮮土樣氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4溶液浸提法測(cè)定[17-18]。

應(yīng)用便攜式紅外線分析儀（華云GXH-3010E 北京華云分析儀器研究所有限公司），測(cè)定培養(yǎng)瓶中土壤CO2排放通量。培養(yǎng)前期30 d內(nèi)，每天測(cè)定培養(yǎng)瓶中土壤CO2排放量;培養(yǎng)后期，每隔1～3 d測(cè)定一次CO2排放量;每天測(cè)定時(shí)間為09：00—11：00。便攜式CO2紅外線分析儀的量程為0～1 000 mg/kg，精度為1 mg/kg。為了使測(cè)定時(shí)段內(nèi)CO2排放通量變化值介于儀器測(cè)定量程內(nèi)，經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)，最終確定添加秸稈的處理每次測(cè)定時(shí)長(zhǎng)為120 s，間隔為20、40、60、80、100、120? s;僅添加生物炭和對(duì)照處理每次測(cè)定時(shí)長(zhǎng)為360 s，間隔為60、120、180、240、300、360 s。所測(cè)CO2排放通量（F）計(jì)算公式為：

F=（dcdt×P×VR×T×60×60）×24×12/100

式中，F(xiàn)為CO2排放通量，mg/（kg·d）;dcdt為CO2排放變化速率，mg/（kg·s）;P為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.3 kPa;V為培養(yǎng)瓶中空氣所占的體積（通過排水法測(cè)得培養(yǎng)瓶中空氣體積為0.15 L）;R取值8.314 4;T取值298.13 K;60、60、24為秒、分、小時(shí)轉(zhuǎn)換系數(shù);12為C的分子質(zhì)量;100為每個(gè)培養(yǎng)瓶中土壤質(zhì)量（g）。CO2累積排放量由監(jiān)測(cè)天的排放通量與未監(jiān)測(cè)天的排放通量累積相加得到，其中未監(jiān)測(cè)天的CO2排放通量由內(nèi)插法計(jì)算得出。CO2累積排放率=（添加物料處理CO2排放量-對(duì)照CO2排放量）/碳添加量×100%;CO2日均排放通量=CO2累積排放量/培養(yǎng)天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。統(tǒng)計(jì)分析采用SAS V8.2進(jìn)行單因素及二因素方差分析，處理間差異顯著性用Duncan 單因素方差分析法。用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈和生物炭添加量對(duì)設(shè)施菜田土壤有機(jī)質(zhì)礦化的影響

從圖1可以看出，培養(yǎng)至90 d時(shí)，添加秸稈各處理CO2累積排放量從高到低依次為S5.24>S2.62>S1.31>CK。當(dāng)秸稈添加量為5.24 g/kg時(shí)，土壤CO2累積排放量高達(dá)1 723 mg/kg，分別是秸稈添加量1.31 g/kg處理的2.9倍（587 mg/kg）和對(duì)照處理的5.6倍（306 mg/kg）。隨著生物炭添加量增加，土壤CO2累積排放量?jī)H增加了28%～39%。與生物炭處理相比，添加等碳量秸稈處理的土壤CO2累積排放量顯著增加了92%～463%。秸稈碳積累排放率為21%～27%，顯著高于生物炭處理累積排放率（1.7%～66%）。當(dāng)秸稈碳添加量為1.31和2.62 g/kg時(shí)，CO2累積排放率不存在顯著差異，但二者均顯著低于秸稈碳添加量524 g/kg處理。隨著生物炭添加量增加，CO2累積排放率則顯著降低。

從圖2可以看出，不同培養(yǎng)階段，CO2日均排放通量從大到小依次為0～30、31～60、61～90 d。0～30 d，與對(duì)照相比，隨著秸稈添加量增加，CO2日均排放通量顯著增加224%～1 074%;而隨著生物炭添加量增加，CO2日均排放通量?jī)H增加了66%～123%。31～60和61～90 d，隨秸稈添加量增加，CO2日均排放通量增加;而隨著生物炭添加量增加，61～90 d時(shí)CO2日均排放通量降低。

從圖3可以看出，培養(yǎng)0～30 d，不同秸稈添加量間CO2日排放通量差異顯著，而不同生物炭添加量間 CO2日排放通量差異不顯著;30 d后，各處理CO2日排放通量趨于穩(wěn)定。添加秸稈處理的CO2累積排放量在0～30 d快速增加，隨后其增加趨勢(shì)變緩慢，且CO2累積排放量與秸稈添加量成正比;培養(yǎng)0～90 d，不同生物炭添加量處理的 CO2累積排放量增長(zhǎng)趨勢(shì)平緩，且均低于秸稈處理的CO2累積排放量。

2.2 秸稈和生物炭添加比例對(duì)設(shè)施菜田土壤CO2排放的影響

從圖4可以看出，培養(yǎng)14、28、42、56 d，隨著秸稈添加比例降低和生物炭添加比例增加，CO2累積排放量顯著減少，其大小順序?yàn)?00S0B>75S25B>50S50B>25S75B>0S0B>0S100B。添加100%生物炭處理（0S100B）的CO2累積排放量甚至低于對(duì)照處理（0S0B），但二者差異不顯著。

從圖5可以看出，隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，各時(shí)段CO2日均排放通量顯著降低;0～14 d的日排放通量分別是15～28、29～42和43～56 d的2.2、4.4、6.2倍。0～14 d，隨著秸稈添加比例降低和生物炭添加比例增加，土壤CO2日均排放通量呈顯著降低趨勢(shì)，100S0B處理CO2日均排放通量是0S100B處理的14倍，而50S50B處理是0S100B處理的6.8倍。培養(yǎng)29～42和43～56 d，各處理間CO2日均排放通量差異減小。

從圖6可以看出，第56天時(shí)，各處理CO2累積排放量為292～1 551 mg/kg;除對(duì)照外，處理間差異顯著。隨著秸稈比例減少和生物炭添加比例增加，來自有機(jī)物料的CO2累積排放率呈顯著降低趨勢(shì)，100S0B處理的CO2累積排放率為26%，75S25B處理為19%，50S50B處理為11%，25S75B處理為3.6%，而0S100B處理則為-0.6%，表明添加生物炭降低了土壤呼吸。

添加100%玉米秸稈處理（100S0B），CO2日排放通量和累積排放量最高，其次分別為75S25B、50S50B、25S75B、0S0B和0S100B處理;培養(yǎng)至56 d時(shí)，50S50B處理的CO2累積排放量為886 mg/kg，分別是添加100%生物炭處理（0S100B）的3倍和添加100%玉米秸稈處理（100S0B）的0.6倍（圖7）。

從圖8可以看出，培養(yǎng)28 d時(shí)，100S0B處理土壤微生物量碳含量為446 mg/kg，分別是50S50B和0S100B處理的1.7和2.9倍;隨著秸稈添加比例減少和生物炭添加比例增加，土壤微生物量碳含量顯著降低。

3 討論與結(jié)論

為了避免冬季保溫造成的額外能源費(fèi)用，華北地區(qū)傳統(tǒng)的下沉式設(shè)施大棚在建造過程中，將表層土壤下挖0.5～2.0 m，用于構(gòu)建墻體厚度高達(dá)1.5 m的北側(cè)保溫墻。由此導(dǎo)致下沉式設(shè)施菜田表層土壤有機(jī)質(zhì)含量低[19]，而蔬菜殘茬由于攜帶大量病原體無法直接還田，以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量;另一方面，秋冬茬設(shè)施大棚為了保溫，往往處于半關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致棚內(nèi)CO2濃度低，進(jìn)而抑制了蔬菜作物光合作用[8]。

生物炭性狀穩(wěn)定，難以被土壤微生物礦化釋放CO 可以快速增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，這從CO2日排放通量和累積排放量并不隨生物炭添加量增加而發(fā)生顯著改變得到很好的驗(yàn)證;然而，隨著秸稈添加量增加，CO2日排放通量和累積排放量均顯著提高[20-22]。培養(yǎng)至90 d時(shí)，秸稈高添加量處理（S5.24）和低添加量處理（S1.31）CO2累積排放量分別是對(duì)照處理的5.6和1.9倍。這與此前田間試驗(yàn)報(bào)道的研究結(jié)果（添加3.5 t/hm2（相對(duì)于1.31 g/kg）的秸稈后，CO2累積排放量是不添加秸稈處理的1.6倍）[22]基本吻合。添加等碳量生物炭與對(duì)照處理雖有顯著差異，但CO2累積排放量?jī)H增加了30%，而且，其排放率則隨著生物炭添加量增加而顯著降低[23]，這與生物炭高溫?zé)崃呀馑纬傻纳锘瘜W(xué)穩(wěn)定性有關(guān)[24]，難以作為微生物生長(zhǎng)的碳源。因此，生物炭還田是增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的有效措施[25]。生物炭無法促進(jìn)土壤呼吸，以滿足半封閉式設(shè)施蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)CO2的高需求。

培養(yǎng)試驗(yàn)2的結(jié)果表明，添加等碳量有機(jī)物料時(shí)，隨著秸稈添加比例增加和生物炭添加比例降低，CO2累積排放量和日排放通量均顯著增加。與空白土壤相比，添加100%秸稈（5.24 g/kg）導(dǎo)致土壤呼吸所排放的CO2增加了7倍，近1/4的秸稈碳在培養(yǎng)期間被礦化。這與田間條件下添加3.5 t/hm2玉米秸稈，120 d內(nèi)土壤CO2排放量增加了2.2 t/hm2的結(jié)果基本一致[22]。但是，當(dāng)添加100%生物炭時(shí)，土壤CO2累積排放量并未顯著增加，甚至抑制了土壤呼吸。類似的試驗(yàn)結(jié)果表明，通過450 ℃裂解制得的生物炭在60 d內(nèi)幾乎不發(fā)生礦化;添加4%的生物炭，未顯著增加土壤呼吸;而添加1%的秸稈，土壤CO2排放量增加了4倍[24]。當(dāng)秸稈和生物炭添加比例各占50%時(shí)（50S50B），CO2累積排放量分別是只添加秸稈（100S0B）和只添加生物炭（0S100B）處理的57%和303%。秸稈因含有大量易分解的有機(jī)含碳化合物，直接還田后，其中所含有的碳水化合物、蛋白質(zhì)和半纖維素類物質(zhì)將被土壤微生物利用[26-27]，加快了土壤有機(jī)碳礦化，速釋放大量CO2。與此相反，生物炭中穩(wěn)定性碳所占比例高，難以被土壤微生物利用，有利于快速提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[28]。

據(jù)此，針對(duì)華北地區(qū)下沉式半封閉設(shè)施大棚表層土壤有機(jī)質(zhì)含量低，不能滿足蔬菜作物對(duì)水肥和CO2高需求的現(xiàn)狀，可以根據(jù)不同生長(zhǎng)季蔬菜作物對(duì)CO2的需求特點(diǎn)和快速提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的目標(biāo)，確定還田有機(jī)物料中玉米秸稈和生物炭的添加比例。

提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和滿足設(shè)施蔬菜對(duì)大氣CO2的高需求，關(guān)系到下沉式設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系的可持續(xù)性。設(shè)施菜田土壤中單施秸稈或者單施生物炭，無法同時(shí)解決增加菜田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和棚內(nèi)CO2濃度的問題。而將秸稈和生物炭混合施用，一方面，可以解決設(shè)施大棚內(nèi)CO2濃度低的問題，滿足設(shè)施蔬菜快速生長(zhǎng)對(duì)CO2的高需求;另一方面，可以快速提升土壤碳儲(chǔ)量，提高土壤肥力，還可以避免蔬菜殘茬直接還田可能造成土傳病害的擴(kuò)散，有利于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系的可持續(xù)發(fā)展。然而，針對(duì)不同土壤和氣候條件以及蔬菜作物生長(zhǎng)規(guī)律，秸稈和生物炭的施用量及比例仍需通過田間試驗(yàn)獲得進(jìn)一步驗(yàn)證。

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