两种类型生物质炭对于旱地土壤综合温室效应的影响
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y contrast, the available P under maize straw-derived biochar was higher than that under wheat straw- derived biochar. No significant difference was observed for the N2O and CH4 emission between the types, but a significant difference for CO2 was found between the two types of biochar, which depended on with/without N fertilizer. The cumulative emissions of CO2 was 6.2% higher under wheat straw-derived biochar without nitrogen than that under maize straw-derived biochar, but under N fertilizer, the CO2 emission was 9.0% higher under maize straw-derived carbon than that under wheat straw-derived biochar.当前，全球气候变暖和可持续性农业生产越来越成为各国关注的重点，而温室气体主要的排放源之一就是农业活动。在2005年，农业温室气体排放量占人类活动温室气体排放量的10%-12%，其中CH4 和N2O排放量分别占人类活动产生CH4 和N2O排放量的50%和60%[1] 。此外，全球人口到2050年预计将提高到92亿，这将不可避免地导致人们对于食品的需求量增加，而作为农业生产增加的必要手段，化肥施用将不断增加以满足人类日益增长的食物消费，这势必进一步加剧农田向大气温室气体的排放，因此，采取合理的农田管理，在增加作物产量的同时，降低土壤温室气体排放已成为农业生产的迫切需求。生物质炭是由生物质在完全或部分缺氧的条件下，经热裂解、炭化产生的一类高度芳香化，难溶性的固态物质[2]。由于生物质炭具有特殊的结构性质以及在农业生产中所具有的多种益处，生物质炭在农业上的应用已经成为解决农业废弃物的有效途径。研究显示，施用生物质炭能显著提高农田土壤有机质含量和农作物产量[3]，并降低土壤温室气体的排放[4-5]，如Zhang 等[3,6]研究表明旱地在施氮肥条件下一次使用生物质炭20 t/hm2和40 t/hm2，水稻增产大约10%，玉米增产11%~18%，N2O的累积排放量降低10%~40%。但Karhu等[7]对芬兰南部农田土壤温室气体排放进行相关研究表明，施用9 t/hm2的生物质炭对土壤N2O的排放没有明显影响。在石灰质土壤中混施肥料和生物质炭后，提高了大豆产量，但小麦和萝卜产量反而降低[8]，尽管已有较多研究报道了生物质炭对作物产量及温室气体减排的效应，但生物质炭类型对土壤温室气体的影响在田间应用的研究还相对较少，因此，本课题分别以小麦秸秆和玉米秸秆所制备的生物质炭为原料，研究两种类型生物质炭对于土壤温室气体影响的差异性，以及对于土壤有机质含量的影响差异，旨在为农作物秸秆资源化利用提供科学依据。1 材料与方法 1.1试验地点试验地位于河南省新乡市朗公庙镇西马头王村(35°09′N, 113°51′E)，属暖温带大陆性季风气候。年平均气温14℃，最冷月1月平均气温0.2 ℃，最热月7月平均气温27.3 ℃。年平均降雨656.3mm，雨水集中于6—9月，年均日照2407.7小时，年均无霜期200.5天。该地区农田常年实行冬小麦-夏玉米轮作，秸秆利用方式全部为秸秆直接还田。供试土壤为褐土，粘粒(＜0.01mm)含量13.1%，质地为砂壤土。土壤基本性质列于表1。表1 供试土壤(0～20 cm)的基本性质Table 1 Basic properties of the topsoil (0~20cm) applied容重 (g/cm3)pH (1:2.5 H2O)有机碳 (g/kg)全氮 (g/kg)全磷(mg/kg)全钾 (mg/kg)土壤1.378.058.450.8138.5180.51.2试验设计设置六种不同处理：（1）不施肥处理(NF)，（2）常规化肥处理（CF），（3）不施氮肥、施20 t/hm2的小麦秸秆炭处理（WCN0），（4）不施氮肥、施20 t/hm2的玉米生物质炭处理（MCN0），（5）施20 t/hm2的小麦秸秆炭，并配施氮肥处理 （WCN1），（6）施20 t/hm2的玉米秸秆炭，并配施氮肥处理（MCN1）。不同处理下的肥料施用量列于表2。表2不同处理下的肥料施用量Table 2 Fertilizer input scheme under different treatments (kg/hm2)处理总氮（kgN）总磷（kg P2O5）总钾（kg K2O）NF000CF225225225WCN00225225MCNO0225225WCN1225225225MCN12252252251.3 供试材料生物质炭购买于河南省三利新能源有限公司，分别为小麦秸秆和玉米秸秆分别在高温（350-550℃）无氧环境下热解后形成的固态产物，其基本性质如表3(生物质炭C、N含量用德国 Elementar 公司的Elementar Vario MAX CNS Analyzer 仪测定)。表3 小麦秸秆炭和玉米秸秆炭的基本性质Table 3 Property of straw and the corresponding biochar sample样品pH(1:2.5)有机碳g/kg全氮g/kg碳氮比全磷 g/kg全钾g/kg玉米秸秆炭9.74520.7011.8044.135.0235.34小麦秸秆炭9.60486.6010.5046.346.2733.171.4气体采集方法土壤温室气体采集与测定采用静态箱-气相色谱法。采样时间在2014年10月21日至2015年6月4日之间进行。施肥后在每个小区中间位置安放底座，底座位于植株行间，每次采样时在底座周围的槽内进行水封。采样频率为每周一次，施肥和灌溉后加密采样，2天一次，持续2-3次。采样时间为上午9:00-11:00，在盖上采集箱后0、10、20和30 min各采样一次，用50ml注射性针筒采集气体样品并注入真空瓶中待测。每次观测时同时测定采样箱内温度、大气温度以及 0-10cm土层含水量。气样用安捷伦气相色谱仪(Agilent 7890A)同时测定N2O、CH4和CO2含量，详细测定条件参照Zhang等[3]。N2O、CH4和CO2流通量根据下面公式计算：F =ρ×h×dC/dt×273/(273+T) ···································(1)式中，F 表示CH4和CO2排放通量(mg/(m2·h))和N2O排放通量(μg/(m2·h))；ρ是标准状态下的气体密度(mg/(m2·h))；h是箱高(m)；dC/dt为采样箱内的气体浓度变化率；T为采样过程中采样箱内的平均温度(℃)。1.5 数据处理及统计检验(1) 综合温室效应(GWP)100年尺度上每千克CH4、N2O所引起的综合温室效应(GWP)分别是CO2的28倍和265倍 。以CH4、N2O和CO2排放量转换成CO2当量估算综合温室效应(GWP)，即：GWP=28×R(CH4)+265×R(N2O)·······························(2)式中，GWP为CH4、N2O和CO2排放的综合温室效应(kg/hm2，以CO2当量计)，R(CH4)和R(N2O)分别为CH4和N2O排放总量，kg/hm2)。(2)温室气体强度(GHGI)GHGI= GWP/Y···················································(3)式中，GWP为CH4和N2O综合温室效应(kg/hm2，以CO2当量计)，GHGI为该处理温室气体强度(kg/kg，以CO2当量计)，Y为玉米的产量（玉米收货后人工脱粒，测每个小区籽粒鲜重并转化成每公顷产量，kg/hm2)。试验数据采用Microsoft Excel 2007进行处理，不同处理间作物产量与温室气体排放的差异采用JMP 7软件进行统计检验，显著性差异水平为P<0.05。2结果与分析2.1不同处理对于小麦产量的影响由图1可以看出，氮肥和秸秆炭对小麦产量有显著影响，施用氮肥或秸秆炭下的小麦产量均显著高于NF，增长幅度为12.9%~42.9%。在不配施氮肥的情况下，施用小麦秸秆下的小麦产量比NF高22.9%，施用玉米秸秆炭高38.1%；施用玉米秸秆炭下小麦产量比施用小麦秸秆炭显著高12.3%。而在配施氮肥的情况下，秸秆炭类型对小麦产量无显著差异，而秸秆炭配施氮肥显著高于无氮肥处理，小麦秸秆炭配施氮肥显著高于无氮肥处理9.7%，而玉米秸秆炭配施氮肥比对应的秸秆炭无氮肥处理高10.2%。图1 小麦季不同处理对产量的影响Figure 1 Wheat yield under different treatments2.2 不同处理对于土壤有机质的影响 由表4可知，施用秸秆炭能显著提高土壤有机碳含量。与NF相比，施用生物质炭显著增加土壤有机碳57.6%~60.2%，在不配施氮肥和配施氮肥时，施用小麦秸秆炭和玉米秸秆炭对于土壤有机碳含量的影响均无显著性差异。CF、WCN0和MCN0对于土壤全氮含量均无显著性影响。施用秸秆炭并配施氮肥可以显著提高土壤全氮含量，并且在施用氮肥的前提下，施用玉米秸秆炭与小麦秸秆炭下的土壤全氮的含量无显著性差异。与NF、CF、WCN0和MCN0相比，WCN1对于土壤全氮的增加幅度为16.3%~25.3%。MCN1对于土壤全氮的增加幅度为15.3%~24.2%。由表4可知，NF下的土壤速效磷含量最低，施用化肥和秸秆炭都能显著提高土壤速效磷含量。在不施用氮肥时，施用小麦秸秆炭和玉米秸秆炭间的土壤速效磷含量无显著性差异。在配施氮肥下，与CF相比，WCN1和MCN1对于土壤速效磷的提高率分别为22.2%和43.8%，并且，施用两种不同秸秆炭有显著性差异，施用玉米秸秆炭比施用小麦秸秆炭对于速效磷的提高率要高17.6%。施用秸秆炭能显著性提高土壤速效钾的含量。在不施氮肥的前提下，施用小麦秸秆炭和玉米秸秆炭对于速效钾的提高率分别为140.3%和74.8%，施用两种不同秸秆炭有显著性差异，施用小麦秸秆炭比施用玉米秸秆炭对于速效磷的提高率要高37.4%。在配施氮肥的前提下，同时施用小麦秸秆炭和玉米秸秆炭对于速效钾的提高率分别为60.4%和71.4%，施用两种不同秸秆炭有显著性差异，施用玉米秸秆炭比施用小麦秸秆炭对于速效磷的提高率要高6.8%。表4 小麦田不同处理收获后土壤性质变化Table 4 Soil basic properties after wheat harvest season under different treatments 处理Treatment有机碳(g/kg)全氮(g/kg)速效磷(mg/kg)速效钾(mg/kg)NF8.27±0.04b0.91±0.01b7.08±1.52c63.33±2.00dCF8.92±0.64b0.98±0.06b23.88±1.47b74.07±4.46dWCN013.22±0.99a0.94±0.02b27.35±4.71b152.18±4.06aMCN013.25±0.34a0.97±0.05b24.57±4.47b110.73±9.94cWCN113.03±0.88a1.14±0.09a29.20±1.29ab118.81±9.19bcMCN113.31±0.11a1.13±0.11a34.33±1.90a126.93±5.73b同一列数据后标识不同字母表示差异显著(P<0.05)。2.3 不同处理对于温室气体累积排放量的影响 表5是麦季不同处理土壤温室气体排放量变化。由表5知，NF的N2O的累积排放量最低，其它处理N2O的累积排放量均显著高于NF，其增长幅度为48.6%~146%。施用秸秆炭无氮肥施用时N2O的累积排放量显著低于常规施肥处理。在配施氮肥和不施氮肥时，施用小麦秸秆炭和玉米秸秆炭对于N2O的累积排放量均无显著性差异。从CH4 排放量来看，各组均无显著性差异。从CO2的排放量来看，NF的CO2的累积排放量最低，其他各组CO2的累积排放量均高于NF，其增长幅度为24.1%~56.2%。在不施氮肥时，施用小麦秸秆炭时CO2的累积排放量显著高于施用玉米秸秆炭时的处理，其增长率为6.2%，在配施氮肥时，施用玉米秸秆炭时CO2的累积排放量要显著高于施用小麦秸秆炭时的CO2的累积排放量，其增长率为9.0%。表5 不同处理的N2O、CH4和CO2累积排放量Table 5 Cumulative emissions of N2O、CH4、CO2 under treatments处理Treatment累积排放量Cumulative emissions(kg·hm-2)N2O-NCH4-CCO2-CNF0.35±0.00c﹣0.48±0.22a1595.9±349.97dCF0.75±0.07a﹣0.52±0.09a2051.15±135.84abcWCN00.53±0.04b﹣0.57±0.14a2102.69±100.62bcMCN00.52±0.07b﹣0.46±0.07a1980.42±230.10cWCN10.79±0.05a﹣0.64±0.09a2287.50±91.05abMCN10.86±0.08a﹣0.71±0.11a2492.47±56.64a同一列数据后标识不同字母表示差异显著(P<0.05)。2.4不同处理对土壤综合温室效应与温室气体强度的影响通过对N2O和CH4综合温室效应(GWP)分析可以看出，NF显著低于其他处理，WCN0、MCN0的GWP要显著低于CF的GWP。在配施氮肥和不施氮肥时，施用小麦秸秆炭和玉米秸秆炭对于GPW的累积排放量都无显著性差异。将综合温室效应与作物产量结合起来，可以看出，NF显著低于其他处理，施用生物质炭不配施化肥时的GHGI要显著低于常规施肥处理的GHGI。在不施氮肥时，施用玉米秸秆炭的GHGI比施用小麦秸秆炭高14.3%，而在配施氮肥时，施用玉米秸秆炭和施用小麦秸秆炭对于温室气体强度无显著性影响。表6 不同处理下综合温室效应(GWP)及温室气体强度(GHGI)Table 6 GWP and GHGI under different treatments处理Treatment综合温室效应GWP(kg CO2 -e·hm-2)温室气体排放强度GHGI(kg CO2 -e ·kg-1)NF129.78±9.52d0.025±0.000cCF299.32±17.15b0.040±0.006aWCN0204.42±12.90c0.032±0.000bMCN0203.35±30.00c0.028±0.003bcWCN1310.36±23.68a0.037±0.001aMCN1336.51±38.39a0.040±0.003a同一列数据后标识不同字母表示差异显著(P<0.05)。3 讨论3.1 不同种类生物质炭对于土壤有机质和小麦产量的影响作物秸秆含有丰富的养分和营养物质，秸秆炭可以由作物秸秆在高温下的热裂解转化而形成，这是一种作物秸秆利用的新途径。Lehmann等研究表明，施用生物质炭能显著改变土壤容重、通透性及营养水平，进而提高土壤肥力[9]。本研究表明，施用生物质炭可以显著提高土壤中有机碳的含量，配施氮肥和不配施氮肥时，施用小麦秸秆炭和玉米秸秆炭对于土壤有机碳含量的影响均无显著性差异。但是对于土壤速效磷含量，不施氮肥时，两种秸秆炭时对于速效磷含量的影响无显著性差异，在配施氮肥前提下，施用玉米秸秆炭时速效磷含量将显著高于施用小麦秸秆炭时的速效磷含量。施用生物质炭可以显著提高土壤速效钾的含量。在施用秸秆炭时，施用氮肥对于土壤速效钾的含量影响更加显著。在不施氮肥的前提下，施用小麦秸秆炭比施用玉米秸秆炭对于速效磷的提高率高37.4%。在配施氮肥的前提下，施用玉米秸秆炭比施用小麦秸秆炭对于土壤速效磷含量的高6.8%。章明奎等的研究表明，施用生物质炭可增加土壤有机碳的氧化稳定性，降低土壤水溶性有机碳，从而提高土壤有机碳的积累[10]。很多研究已表明，施用生物质炭可显著提高土壤中的有机碳含量。例如，Laird等[11]在相同施肥条件下，向土壤中分别施用0，5，10，20g/kg的生物质炭，发现土壤有机碳含量随生物质炭施用量的增加而提高。Hamer等[12]探究了三种不同的生物质炭，分别为玉米秸秆、黑麦秸秆和木材制备的生物质炭，作为材料来进行培养试验，在培养60d后，三种生物质炭的分解率分别为0.78%，0.72%和0.26%，即大部分残留在土壤中。而且不同材料的生物质炭的分解率存在差异。张斌等在广汉平原稻-麦轮作体系下两年的结果显示，在不施用化肥条件下，生物质炭对改善土壤性质具有稳定的持续性，而在施用氮肥的条件下，不同生物质炭种类对不同土壤有机质的影响不同 [5]；Zhang等在太湖地区的试验研究表明，在施用氮肥的前提下，连续两年的水稻生长季内，生物质炭对提高全氮含量、土壤有机碳含量，并降低土壤容重具有稳定的持续效应[14]。施肥方式对于小麦产量有显著性影响，施用生物质炭无氮肥时小麦产量低于常规施肥时的产量，不配施氮肥前提下，施用小麦秸秆炭和施用玉米秸秆炭有显著性差异。同时施用氮肥时，施用生物质炭能显著提高小麦产量，并且施用小麦秸秆炭和施用玉米秸秆炭无明显性差异。氮肥的施用消除了不同秸秆炭对于小麦产量影响的差异。不施氮肥的前提下，施用较多的生物质炭，相当于向施加了大量有机质，可能破坏了土壤养分的供应平衡，因此，生物质炭的作物产量效应与氮肥的施用量有着密切的关系[5]。3.2 不同种类生物质炭对于土壤温室气体排放及综合温室效应的影响施用生物质炭通过改善了土壤性质，从而影响土壤微生物的活性，进一步影响了土壤温室气体的排放 [15]。生物质炭的性质和种类是影响土壤温室气体排放的重要原因之一。不同类型生物质炭的结构性质存在显著的差异[16]。本研究表明，施用生物质炭不配施氮肥时N2O的累积排放量要显著低于常规施肥时的N2O的累积排放量，施用小麦秸秆炭和玉米秸秆炭对于N2O的排放量无显著性差异。很多文献[3,6, 17]都显示，生物质炭显著降低农田N2O 排放量，Liu 等[21]研究表明施用生物质炭可以作为降低土壤N2O排放量的一种有效的农业生态方法。本课题下各组CH4 排放量均无显著性差异。张斌[5]等研究表明，在不施用氮肥时，CH4排放量与生物质炭的施用量有关，施用较少的生物质炭将促进土壤CH4的排放，在施用氮肥时，各处理的土壤CH4排放量无显著性差异。对于CO2的累积排放量。本研究表明，在不施氮肥时，施用小麦秸秆炭时CO2的累积排放量要显著高于施用玉米秸秆炭时的CO2的累积排放量，在配施氮肥时，施用玉米生物质炭时CO2的累积排放量要显著高于施用小麦生物质炭时的CO2的累积排放量。氮肥的施用显著影响了土壤CO2的排放，并且同时施用氮肥时能显著提高CO2的排放量。生物质炭与肥料施可以有效提高土壤中有机碳，但同时也会促进土壤中微生物的呼吸作用，提高CH4和CO2的排放量[19]。Liu 等[18]、Spokas [13]等发现施用不同生物质炭种类及不同的生物质炭添加量，都能明显抑制土壤CO2 的释放。本课题还研究了综合温室效应（GWP）和温室气体排放强度（GHGI），研究结果表明，施用生物质炭不配施氮肥时的GWP要显著低于常规施肥时的GWP，生物质炭具有一定的综合减排能力。两种秸秆炭对于综合温室效应的影响无显著性差异。施用生物质炭不配施氮肥时的GHGI要显著低于常规施肥时的GHGI，不施氮肥的前提下，施用较多的生物质炭，相当于向施加了大量有机质，可能破坏了土壤养分的供应平衡[8]。在不施氮肥时，施用小麦秸秆炭的GHGI比施用玉米秸秆炭高14.3%，而在施用化肥时，施用玉米秸秆炭和施用小麦秸秆炭对于温室气体强度无显著性影响。氮肥的施用消除了两种生物质炭对于GHGI的差异性影响。4 结论施用秸秆炭能显著提高土壤中有机碳的含量。无论氮肥存在与否条件下，秸秆炭类型对土壤有机碳与全氮无显著影响。而生物质炭与氮肥配施将显著提高土壤速效钾的含量。与常规施肥相比，施用生物质炭能减少N2O的累积量。而秸秆炭类型对N2O和CH4的排放量影响均无显著性影响。秸秆炭类型对土壤CO2排放的影响因是否施用氮肥而异。施用生物质炭能显著降低GWP，而秸秆炭类型对GWP无显著影响。从GHGI的变化来看，在无氮肥施用时，施用小麦秸秆炭处理下的GHGI显著高于比施用玉米秸秆炭处理，而在施用化肥条件下，秸秆炭类型对GHGI无显著性影响。致谢同时，我还要感谢一下一起完成毕业论文小组的同学们，如果没有你们的支持和倾心的协助，我是无法解决这些困难和疑惑，最终能够使本文顺利完成。参考文献[1] Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability: Working Group II Contribution to the Fourth Assessment Report of the IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. 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目录
摘 要 3
关键字 3
Abstract. 3
Keywords 3
引言 3
1 材料与方法 4
1.1 试验地点 4
1.2 试验设计 4
1.3 供试材料 4
1.4 气体采集方法 5
1.5 数据处理及统计检验 5
2 结果与分析 6
2.1 不同处理对于小麦产量的影响 6
2.2 不同处理对于土壤有机质的影响 6
2.3 不同处理对于温室气体累积排放量的影响 7
2.4 不同处理对小麦季土壤综合温室效应与温室气体强度的影响 8
3 讨论 8
3.1 不同种类生物质炭对于土壤有机质和小麦产量的影响 8
3.2 不同种类生物质炭对于土壤温室气体排放及综合温室效应的影响 9
4 结论 9
致谢 9
参考文献 9
两种类型生物质炭对旱地土壤综合温室效应的的影响
引言
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