不同用量生物質(zhì)炭降低華南集約化菜地土壤N2O 排放和提高氮肥利用率的效應(yīng)

摘要： 【目的】我國集約化蔬菜種植氮肥施用量大、復(fù)種指數(shù)高、農(nóng)事操作頻繁，導(dǎo)致土壤氮素?fù)p失量大，氮肥利用率低。生物質(zhì)炭施用可有效改善土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤氮素循環(huán)以及作物產(chǎn)量。比較不同生物質(zhì)炭用量對(duì)土壤N2O 減排和作物產(chǎn)量的影響及作用機(jī)理，為生物質(zhì)炭在蔬菜栽培中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。【方法】田間試驗(yàn)在華南地區(qū)進(jìn)行，在連續(xù)兩年內(nèi)共種植4 茬多次收獲蔬菜。試驗(yàn)設(shè)置不施氮肥（CK）、常規(guī)施氮（NF）、常規(guī)施氮+20 t/hm2 生物質(zhì)炭（NB20） 和常規(guī)施氮+40 t/hm2 生物質(zhì)炭（NB40） 處理，采用靜態(tài)暗箱—?dú)庀嗌V法對(duì)兩年蔬菜生長(zhǎng)季的土壤N2O 排放量和蔬菜產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定，田間試驗(yàn)結(jié)束后采集土樣測(cè)定土壤理化性質(zhì)和酶活性?！窘Y(jié)果】生物炭施用兩年后，NB20 和NB40 處理的土壤全氮、pH、有效磷和脲酶活性均顯著高于NF，NB20 處理的pH 和有效磷含量又顯著高于NB40 處理。兩年試驗(yàn)NF 處理菜地土壤N2O 排放通量范圍為42.8～7233.0 μg/（m2·h），生物質(zhì)炭處理為28.4～3188.1 μg/（m2·h），溫度、季節(jié)和氮肥施用是引起波動(dòng)的主要因素。與NF 處理相比，2018、2019 年NB20 處理的N2O 累積排放量分別顯著降低了64.3%、66.9%，NB40 處理分別顯著降低了55.8%、62.5%，但兩處理之間無顯著差異。與NF 處理相比，NB20 處理的蔬菜產(chǎn)量顯著增加了10.1%～29.10%，產(chǎn)量尺度N2O 排放顯著降低了56.4%～74.4%，氮素吸收量因而顯著增加了13.9%～32.9%，兩年之間多數(shù)指標(biāo)變化不顯著；NB40 處理第一年的增產(chǎn)、降排效果與NB20 處理無顯著差異，第二年的產(chǎn)量和氮素利用率顯著低于NB20 處理，也低于第一年。相關(guān)性分析和冗余分析表明，土壤pH是影響N2O 排放的主要因素，土壤有效磷、pH 和有機(jī)碳是影響蔬菜產(chǎn)量的主要因素。【結(jié)論】在華南集約化蔬菜生產(chǎn)中，配施生物質(zhì)炭能顯著緩解大量氮肥施用產(chǎn)生的土壤酸化，增加土壤蛋白酶和脲酶活性，進(jìn)而抑制施肥誘發(fā)的土壤N2O 排放，提高蔬菜的氮吸收量，最終增加蔬菜產(chǎn)量和氮素利用率。與施用40 t/hm2 的處理相比，施用20 t/hm2 生物炭的處理提升土壤pH 和產(chǎn)量的效果更穩(wěn)定，降低單位產(chǎn)量N2O 排放和提升蔬菜氮素利用效率的效果更佳，因此常規(guī)施氮+20 t/hm2 生物質(zhì)炭是可推薦的減排增效措施。

關(guān)鍵詞： 生物質(zhì)炭； 華南地區(qū)； 集約化菜地； N2O； 氮素利用率

氧化亞氮（N2O） 是溫室氣體的重要組成部分，其在百年時(shí)間尺度上的全球增溫潛勢(shì)（GWP） 是CO2 的298 倍 [1]。農(nóng)田是N2O 的主要排放源之一，來源于農(nóng)田土壤的N2O 排放量占年度N2O 排放量的53% [2]。華南地處亞熱帶地區(qū)，由于其高溫高濕的特點(diǎn)，土壤脫硅富鐵鋁化劇烈，存在著土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，氮肥利用率低等特點(diǎn) [3]。為滿足蔬菜高產(chǎn)需求，蔬菜種植常采用集約化模式，該模式能提高土地利用效率，但由于其具有施肥量大、復(fù)種指數(shù)高和灌溉頻繁等特點(diǎn) [4]，極大地提高了土壤N2O 排放風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在華南地區(qū)保證蔬菜產(chǎn)量的同時(shí)，減少集約化蔬菜生產(chǎn)過程中土壤N2O 排放，并提高氮素利用率，成為該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

生物質(zhì)炭是一種用于農(nóng)田增產(chǎn)減排的新型物質(zhì)，其具有較大的比表面積和豐富的孔隙 [5]，且富含堿性官能團(tuán) [6]，可有效改良土壤理化性質(zhì)、減少土壤養(yǎng)分流失并提高肥料利用率 [7?8]，降低農(nóng)田溫室氣體排放 [9]。國內(nèi)外研究表明，由于生物質(zhì)炭的原料類型、添加量、土壤類型和質(zhì)地等差異，生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O 減排效果也有很大不同 [10]。Wu 等[11]通過研究生物質(zhì)炭添加對(duì)酸性土和堿性土N2O 排放的影響發(fā)現(xiàn)，橄欖生物質(zhì)炭顯著降低了兩種土壤的N2O 排放；而玉米生物質(zhì)炭降低了酸性土壤的N2O 排放，但對(duì)堿性土壤N2O 排放無顯著影響。Milagros 等 [12]通過向農(nóng)田添加不同類型的生物質(zhì)炭發(fā)現(xiàn)，由雞糞制成的生物質(zhì)炭顯著增加了24.0% 的N2O 排放，而由牛糞和木渣制成的生物質(zhì)炭則分別顯著降低了23.0% 和50.0% 的N2O 排放。Shakoor 等[13]的薈萃分析結(jié)果表明，在質(zhì)地較細(xì)（黏土、粉黏土、砂黏土）和質(zhì)地中等的土壤（壤土、黏壤土、粉壤土） 中添加生物質(zhì)炭提高N2O 排放，而在質(zhì)地粗糙的土壤（砂壤土、壤砂土） 中施用生物質(zhì)炭則顯著降低N2O 排放。由此可見，不同類型土壤中生物質(zhì)炭的減排效果不一。目前關(guān)于菜地土壤的研究較少，且相關(guān)研究多局限于短期內(nèi)的減排效應(yīng)，缺乏長(zhǎng)期年際效應(yīng)的研究。