文章信息
- 韩继明, 潘根兴, 刘志伟, 张硕硕, 熊旭东, 吕振, 郑聚锋, 张旭辉, 刘晓雨, 李恋卿, 卞荣军, 程琨
- HAN Jiming, PAN Genxing, LIU Zhiwei, ZHANG Shuoshuo, XIONG Xudong, LÜ Zhen, ZHENG Jufeng, ZHANG Xuhui, LIU Xiaoyu, LI Lianqing, BIAN Rongjun, CHENG Kun
- 减氮条件下秸秆炭化与直接还田对旱地作物产量及综合温室效应的影响
- Contrasting effect of straw return and its biochar on changes in crop yield and integrated global warming effects under different nitrogen levels
- 南京农业大学学报, 2016, 39(6): 986-995
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2016, 39(6): 986-995.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201603033
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文章历史
- 收稿日期: 2016-03-17
2. 江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心, 江苏 南京 210095
2. Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization, Nanjing 210095, China
近10年来, 我国农业化肥施用量增加了近90%, 氮肥施用量约占全球的31.3%[1]。目前, 我国已成为世界上化肥投入最多的国家。过量施用氮肥已产生了一系列土壤与生态环境问题, 如土壤板结、酸化, 水体及大气污染等[2-3]。此外, 氮素生产及农田大量施用氮肥所产生的温室气体(CO2、CH4和N2O)向大气中的排放量迅速增加, 这进一步加剧了大气的温室效应。最近, 农业部在《全国农业可持续发展规划(2015-2030年)》[4]中明确提出了“十三五”规划内化肥施用量零增长的目标。因此, 在农业生产中减少化肥施用的措施, 对农业土壤可持续发展及生态环境的保护具有重要意义。
中国是秸秆资源最为丰富的国家, 每年生产7.6~8.2亿t秸秆, 且随着农作物单产的提高, 秸秆产量也随之增加[5]。由于秸秆中含有丰富的养分, 秸秆还田后可增加土壤有机质和养分的含量, 从而促进作物生长, 因此, 秸秆直接还田仍被作为当前农业利用的主要途径[6]。然而, 在旱作农业中秸秆大量还田可能会对作物生长产生不利影响, 如李正东等[7]报道旱地中长期连续秸秆还田存在增加病虫害和降低作物产量的风险等。近年来, 农作物秸秆通过热裂解转化为生物质炭, 应用于农田, 为其利用提供了新途径[8-11]。生物质炭是有机物在高温裂解下的富碳产物, 自2009年以来, 其农田应用作为农田固碳减排的重要措施受到国内外研究者的普遍关注[8-12]。尽管已有研究表明, 农田中大量施用生物质炭可显著提高土壤质量、作物的农学利用率和作物产量, 并可显著降低CH4和N2O等温室气体的排放[13-15], 但生物质炭在农业生产中是否可以在保证作物产量的前提下降低肥料施用量, 即生物质炭是否具有节肥效应, 以及降低肥料施用下土壤的温室气体排放的研究还相对不足。
华北平原是中国粮食的主要产区, 耕地面积占全国耕地总面积的27.9%, 粮食产量占全国总产量的26.4%, 作物种植方式是旱作, 主要以小麦-玉米轮作为主, 秸秆利用主要以还田为主。本研究以华北典型旱地为研究对象, 以当地秸秆还田为对照, 研究氮肥减施条件下配施生物质炭的措施对不同作物季的土壤温室气体排放和作物产量的影响, 进而为农业生产制定科学的施肥措施, 并为农作物秸秆的资源化利用提供依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况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。年平均温度14 ℃, 最冷月份(1月)平均温度0.2 ℃, 最热月份(7月)平均温度27.3 ℃。年均降雨量656.3 mm, 雨水集中于6-9月, 日照年均2 407.7 h, 年均无霜期200.5 d。该地区种植制度主要以冬小麦-夏玉米轮作为主。供试土壤为褐土, 质地为砂壤土, 试验前土壤的基本性质:黏粒( < 0.01 mm)含量13.1%, 土壤容重为1.37 g · cm-3, pH (H2O)(1 : 2.5)为8.05, 土壤有机碳和全氮含量分别为8.45和0.81 g · kg-1, 硝态氮和铵态氮含量分别为79.96和4.64 mg · kg-1, 速效磷和速效钾分别为38.5和180.5 mg · kg-1。
1.2 供试材料供试小麦品种为‘矮抗58’, 玉米品种为‘新引3564’, 均为当地常规品种。生物质炭为小麦和玉米秸秆炭, 分别为对应秸秆在350~500 ℃高温热裂解后的固体产物, 购自河南商丘三利新能源有限公司, 各种材料基本性质如表 1所示。
| 样品 Sample |
pH值 pH value |
有机碳含量/ (g·kg-1) Organic carbon content |
可溶性有机碳含量/ (g·kg-1) Dissolved organic carbon content |
全氮含量/ (g·kg-1) Total Ncontent |
碳氮比 C/N |
全磷含量/(g·kg-1) Total Pcontent |
全钾含量/(g·kg-1) Total Kcontent |
灰分/% Ash content |
| 玉米秸秆Maize straw | 439.45 | 6.77 | 64.91 | 2.08 | 12.96 | 5.35 | ||
| 玉米秸秆炭Biochar of maize straw | 9.74 | 520.70 | 0.42 | 11.80 | 44.13 | 5.02 | 35.34 | 24.43 |
| 小麦秸秆Wheat straw | 408.70 | 6.33 | 64.57 | 2.77 | 10.46 | 6.03 | ||
| 小麦秸秆炭Biochar of wheat straw | 9.60 | 486.60 | 0.80 | 10.50 | 46.34 | 6.27 | 33.17 | 20.8 |
田间试验共设7个试验处理:1)不施肥处理(CK); 2)秸秆还田配施全量化肥氮处理(常规SN100):每季总计施用氮肥225 kg · hm-2; 3)秸秆还田配施化肥减氮10%处理(SN90), 每季作物总计施用氮肥202.5 kg · hm-2; 4)秸秆还田配施化肥减氮20%处理(SN80), 每季总计施用氮肥180 kg · hm-2。以上秸秆还田SN100、SN90和SN80处理中, 小麦季以9 000 kg · hm-2玉米秸秆还田, 玉米季以7 500 kg · hm-2小麦秸秆还田, 粉碎后均匀翻入0~20 cm土层。5)生物质炭还田配施全量化肥氮处理(BN100):每季总计施用氮肥225 kg · hm-2; 6)生物质炭还田配施化肥减氮10%处理(BN90), 每季总计施用氮肥202.5 kg · hm-2; 7)生物质炭还田配施化肥减氮20%处理(BN80), 每季总计施用氮肥180 kg · hm-2。以上生物质炭还田BN100、BN90和BN80处理中, 秸秆转化生物质炭以1/3计算, 小麦季以3 000 kg · hm-2玉米秸秆炭还田, 玉米季以2 500 kg · hm-2小麦秸秆炭还田, 粉碎过2 mm筛后, 均匀翻入0~20 cm土层。除CK外, 其余各处理均在作物种植前补齐磷、钾肥, 氮磷钾复合肥作为基肥一次性施入, 整个生育期内不追肥。试验每个处理均设3次重复, 共21个小区, 小区采用随机区组排列, 小区面积20 m2(4 m×5 m), 各小区间筑埂覆盖厚塑料膜, 用以隔水隔肥, 并设置保护行。玉米植株行距60 cm, 株距30 cm, 每个小区定植119株, 于2014年6月21日播种, 于2014年9月24日收获。小麦种植17行, 于2014年10月21日播种, 于2015年6月4日收获。产量均采用小区实测的方法, 人工脱粒称质量后计算每公顷的籽粒产量。作物生长期间分别于2014年7月16日和12月12日进行灌溉, 其他田间管理与当地一致。
1.4 气样采集及测定方法土壤温室气体采集与测定参照Zhang等[8]和Zou等[16]的方法, 采用静态箱-气相色谱法。作物全生育期进行气体采集, 田间试验共观测了玉米和小麦两个作物生长季, 具体方法如下:播种时在每个小区中间位置安放底座, 底座位于植株行间, 每次采样时于底座凹槽内加水密封。采样频率为每周1次, 施肥后加密采样, 2 d 1次, 持续2~3次; 采样时间为上午09:00-11:00, 盖上采集箱后, 分别在0、10、20和30 min各采样1次, 用50 mL注射性针筒将采集的气体样品注入18 mL真空瓶中, 然后, 将气样带回实验室采用配有ECD和FID检测器的气相色谱仪(Agilent 7890A)同时测定N2O、CH4和CO2的含量。仪器运行的详细测定条件见Zhang等[8]描述的方法。每次进行田间观测的同时测定采样箱内气温和0~10 cm土层含水量。试验期间降雨量和气温变化情况见图 1。N2O、CH4和CO2通量计算公式[12]:F=ρ×h×dC/dt×273/(273+T)。式中:F表示CH4和CO2排放通量(mg · m-2 · h-1)和N2O排放通量(μg · m-2 · h-1); ρ是标准状态下的气体密度(mg · m-2 · h-1); 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气温(℃)。
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图 1 玉米季和小麦季降雨量与气温的变化 Figure 1 Daily precipitation and air temperature across maize and wheat seasons |
1)综合温室效应(global warming potential, 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和265倍。将CH4、N2O排放量转换为CO2当量估算综合温室效应(GWP), 计算式为:GWP=28×ECH4+265×EN2O。式中:GWP为CH4和N2O排放的综合温室效应(kg · hm-2); ECH4和EN2O分别为CH4和N2O排放总量(kg · hm-2)。
2)温室气体排放强度(greenhouse gases emission intensity, GHGI)计算式为:GHGI=GWP/Y。式中:GHGI为该施肥模式的温室气体排放强度(kg · kg-1); GWP为CH4和N2O综合温室效应(kg · hm-2); Y为玉米的产量(kg · hm-2)。
3)化肥N的N2O排放系数计算式为:EF=(ENi-EN0)/N×100%。式中:EF是化肥氮的N2O排放系数(kg · kg-1); ENi和EN0分别代表施氮肥处理和不施氮肥处理的N2O累积排放量(kg · hm-2); N代表当季的氮肥施用量(kg · hm-2)。
4)氮肥农学效率(AEN)计算式为:AEN=(Yi-Y0)/N。式中:AEN为氮肥农学利用率(kg · kg-1); Yi为i施肥模式下的玉米产量(kg · hm-2); Y0为不施肥处理玉米的产量(kg · hm-2); N代表当季氮肥施用量(kg · hm-2)。
采用Excel 2007和SPSS 16.0统计软件进行数据分析。处理间的差异采用单因素方差法分析, 显著性差异采用LSD方法(P < 0.05)检验。
2 结果与分析 2.1 不同处理下作物产量和氮素农学效率(AEN)的变化由图 2可知:在玉米季中BN100处理的玉米产量(11.71 t · hm-2)最高, 显著高于SN80和BN80处理。秸秆直接还田各处理之间, 与SN100处理相比, SN90和SN80的处理玉米产量无显著变化, 而在小麦季中, SN80处理比SN100处理的小麦产量显著降低了6.42%;生物质炭还田在减氮条件下的小麦产量均无显著变化。在等量氮肥处理下, BN80处理的小麦产量比SN80处理显著提高了5.97%。
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图 2 不同处理对玉米季和小麦季作物产量的影响 Figure 2 Effects of different treatments on crop yield during across maize and wheat seasons 1) CK:空白处理Control; SN100、SN90和SN80分别表示秸秆还田每季配施225、205和180 kg · hm-2的氮肥。SN100, SN90 and SN80 represent straw return with nitrogen fertilizer levels (225, 205 and 180 kg · hm-2); BN100、BN90和BN80分别表示生物质炭还田每季配施225、205和180 kg · hm-2的氮肥。BN100, BN90 and BN80 represent biochar return with nitrogen fertilizer levels (225, 205 and 180 kg · hm-2).2)不同字母代表不同处理之间在0.05水平差异显著。The different letters indicate signifinant difference at 0.05 level. The same as follows. |
由图 3可知:两季作物中秸秆不同还田方式下氮肥施用量的降低对AEN的影响明显不同。在玉米生长季中, 各处理间AEN无显著差异; 而在小麦季中, 秸秆直接还田下AEN随着氮肥施用量的降低无显著变化, 但生物质炭还田下AEN随氮肥施用量降低显著增加, BN80处理的AEN分别比SN100与BN100处理显著提高了22.06%和17.12%。等量氮肥处理下, BN80比SN80处理的AEN高19.92%, 其他处理间均无显著差异。
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图 3 不同处理对玉米季和小麦季氮素农学利用率的影响 Figure 3 Effects of different treatment on agronomic nitrogen use efficiency (AEN) during maize and wheat seasons |
3种温室气体季节动态存在较大差异, 而对于同一种温室气体在不同处理下与不同作物生长季的变化趋势相似(图 4)。由图 4-A和表 2可知:N2O排放通量, 在作物生长期均呈现前期快速降低、后期趋于稳定的变化趋势。玉米季相同还田方式不同氮肥处理下N2O排放通量由高到低顺序分别为:SN100处理与SN90处理显著高于SN80处理; BN100处理显著高于BN90和BN80处理。小麦季中N2O排放通量由高到低依次为SN100、SN90、SN80处理; BN100处理显著高于BN80和BN90处理。从N2O季节排放量来看, 生物质炭还田与秸秆还田处理均随氮肥用量的降低而降低。在秸秆还田处理下, 玉米季SN90处理的N2O排放通量与SN100处理无显著差异, 而在小麦季比SN100处理显著降低了32.14%;SN80处理的N2O排放通量在玉米季和小麦季比SN100处理分别降低了38.52%和36.90%。而对于生物质炭还田而言, 与BN100处理相比, BN90和BN80处理的N2O排放通量在玉米季分别显著降低了25.98%和30.15%, 在小麦季分别降低了13.11%和16.40%。在等量氮肥条件下, 玉米季和小麦季中BN100、BN90、BN80处理分别比SN100、SN90、SN80处理的N2O排放通量降低了34.50%、50.73%、25.59%和27.38%、7.02%、3.77%。从N2O排放系数(EF)来看, 生物质炭还田与秸秆还田在减施氮肥条件下EF均随氮肥用量的降低而呈降低的趋势。SN90处理的EF在玉米季与SN100处理无显著差异, 在小麦季显著降低50.00%, 而SN80处理的EF在2个作物生长季中分别显著降低32.75%和34.94%;生物质炭还田下, BN90和BN80处理的EF在玉米季比BN100处理显著降低28.34%和26.11%, 在小麦季则无显著差异。在等量氮肥条件下, BN100、BN90和BN80处理的EF分别比SN100、SN90和SN80处理在玉米季显著降低41.48%、61.60%和35.71%, 而小麦季仅BN100处理比SN100处理显著降低45.45%, 其他等量氮肥处理间无显著差异。CH4排放通量在旱地中主要表现为弱碳汇(图 4-B)。
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图 4 玉米季和小麦季各处理N2O (A)、CH4(B)和CO2(C)的季节排放动态 Figure 4 Dynamics of N2O (A), CH4(B) and CO2(C) emission fluxes in different treatments during maize and wheat seasons 实箭头为氮磷钾复合肥作为基肥施用的时间, 虚箭头为农田灌溉的时间。Arrows indicate when basal N, P, K fertilizer was applied and dash arrows indicate the field was irrigated. |
| 生长季Growing season | 处理Treatment | 累积排放量/(kg·hm-2) Cumulative emissions | N2O排放系数/%EF | ||
| N2O-N | CH4-C | CO2-C | |||
| 玉米季 | CK | 1.07±0.10e | -0.28±0.06a | 1 692.84±161.31c | - |
| Maize season | SN100 | 6.23±0.60a | -0.28±0.08a | 2 915.88±222.96b | 2.29±0.27a |
| SN90 | 6.13±0.22a | -0.34±0.20a | 3 193.10±569.51b | 2.50±0.11a | |
| SN80 | 3.83±0.06bc | -0.40±0.08a | 4 144.96±309.14a | 1.54±0.03b | |
| BN100 | 4.08±0.61b | -0.48±0.14a | 3 396.45±317.22b | 1.34±0.27bc | |
| BN90 | 3.02±0.62cd | -0.45±0.08a | 2 932.04±181.06b | 0.96±0.30c | |
| BN80 | 2.85±0.61d | -0.41±0.10a | 2 868.72±240.08b | 0.99±0.34c | |
| 小麦季 | CK | 0.35±0.00c | -0.48±0.22ab | 1 595.90±349.97c | - |
| Wheat season | SN100 | 0.84±0.02a | -0.36±0.13a | 2 507.21±215.27b | 0.22±0.02a |
| SN90 | 0.57±0.09bc | -0.59±0.15ab | 2 667.01±177.85ab | 0.11±0.04b | |
| SN80 | 0.53±0.04c | -0.61±0.03b | 3 088.56±311.55a | 0.09±0.02b | |
| BN100 | 0.61±0.07b | -0.57±0.15ab | 2 483.47±44.65b | 0.12±0.03b | |
| BN90 | 0.53±0.01c | -0.62±0.09b | 2 414.91±210.31b | 0.09±0.01b | |
| BN80 | 0.51±0.01c | -0.69±0.09b | 2 459.95±277.33b | 0.10±0.04b | |
| 注:同一列数据后标识不同字母表示差异显著(P < 0.05)。 Note:Different letters in same column represent significant difference at 0.05 level. The same as follows. | |||||
CO2排放通量于整个作物生长季出现多个排放峰(图 4-C), 这主要与作物生育期、降雨及温度变化有关。不同还田方式下减施氮肥对CO2排放季节排放量影响明显不同, 秸秆还田减施氮肥下, 土壤CO2排放通量呈随施用氮肥的减少而增加的趋势(表 2), 尤其在玉米季最为明显, 与SN100相比, SN80处理在玉米季和小麦季的CO2排放分别显著增加了42.16%和23.18%, 而生物质炭还田处理的CO2排放通量在玉米季随氮肥减施呈下降的趋势, BN90和BN80处理分别比BN100处理的CO2排放降低了13.66%和24.38%, 而在小麦季中CO2排放并无显著变化; 等量氮肥处理下, 与相应秸秆还田处理相比, 生物质炭还田处理显著低于秸秆还田的CO2排放通量, BN90和BN80处理的CO2排放在玉米季分别降低了8.17%和9.48%, 小麦季分别降低了38.03%和20.37%。
2.3 减氮条件下秸秆炭化与直接还田对土壤综合效应(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)的影响由表 3可知:生物质炭还田与秸秆还田条件下土壤综合温室效应(GWP)均随氮肥用量的降低而呈降低的趋势。与SN100处理相比, 在玉米季中SN90处理的GWP无显著变化, SN80处理的GWP显著降低38.82%, 在小麦季中SN90和SN80处理的GWP显著降低36.50%和43.91%;而生物质炭还田下, BN90和BN80处理的GWP在玉米生长季分别较BN100显著降低了26.31%和30.25%, 小麦季中无显著差异。在玉米季等量氮肥处理下BN100、BN90和BN80处理的GWP分别比SN100、SN90、SN80处理显著降低了34.94%, 51.22%和25.87%, 在小麦季仅BN100处理比SN100处理显著降低31.03%, 其他等量氮肥处理间无显著差异。
| 处理Treatment | 玉米季Maize season | 小麦季Wheat season | |||
| GWP/(kg·hm-2) | GHGI/(kg·kg-1) | GWP/(kg·hm-2) | GHGI/(kg·kg-1) | ||
| CK | 437.14±42.56c | 0.050±0.006d | 126.23±10.37c | 0.024±0.000c | |
| SN100 | 2 584.28±248.38a | 0.228±0.018a | 337.21±26.91a | 0.042±0.004a | |
| SN90 | 2 538.81±96.57a | 0.226±0.006a | 214.84±35.77b | 0.027±0.005bc | |
| SN80 | 1 581.88±21.50b | 0.145±0.004b | 189.30±14.75b | 0.025±0.003bc | |
| BN100 | 1 681.18±257.94b | 0.143±0.017b | 232.26±27.65b | 0.028±0.004b | |
| BN90 | 1 238.83±260.01c | 0.109±0.022c | 199.37±10.34b | 0.025±0.001b | |
| BN80 | 1 172.56±254.52c | 0.106±0.026c | 195.32±28.51b | 0.024±0.004bc | |
若考虑作物产量, 生物质还田与秸秆还田条件下的GHGI变化趋势与GWP相似, 即均随氮肥用量的降低而降低。与SN100处理相比, 在玉米季SN90处理的GHGI无显著变化, SN80处理则降低36.40%, 而在小麦季SN90和SN80处理的GHGI分别显著降低了35.71%和40.48%;在生物质炭处理中, 在玉米季BN90和BN80处理的GHGI比BN100处理显著降低了24.47%和25.87%, 而在小麦季无显著差异。在等量氮肥处理下, BN90和BN80处理的GHGI比相应的秸秆还田处理在玉米季分别降低了51.76%和17.33%, 而在小麦季无显著差异。
3 讨论 3.1 氮肥减施条件下秸秆和生物质炭还田对作物产量的影响本研究表明, 减施氮肥20%条件下生物质炭还田不影响玉米和小麦的产量, 秸秆直接还田虽然在减氮10%条件下不降低玉米产量, 但减氮20%将降低小麦的产量。虽然氮肥对粮食生产具有重要作用, 但不同区域研究表明, 在高肥料投入地区, 氮肥减施幅度为20%~50%, 可改善作物品质[17-19]。本研究中, 当地施氮量为225 kg · hm-2, 在氮肥减施20%以内可保持产量稳定, 但与秸秆还田方式有关。而有关秸秆还田配施氮肥对作物产量的影响报道不一, 江晓东等[20]的研究结果表明在高产条件下无论是常规施肥还是减施氮肥, 秸秆全量还田较不还田处理小麦和玉米产量均无显著影响, 而夏文斌等[11]在采用秸秆直接还田与生物质还田对比研究发现, 生物质施用下的玉米产量显著高于秸秆直接还田下的产量, 尤其是在干旱条件下。本研究显示两种秸秆还田方式下, 不同作物对降低肥料施用的响应不同。玉米生育期相对较短, 同时由于秸秆在夏季高温多雨的气候条件下降解和释放养分的速度加快, 因此, 减施氮肥并没有出现明显的减产效应。然而, 小麦的生育期较长, 经越冬期后小麦返青迅速生长, 若在旱作不追肥条件下易受到养分与水分胁迫[11], 在小麦生长发育的高峰期尤其是在化肥量不足的条件下易引起肥料供应不足。生物质炭疏松多孔, 且表面有丰富的官能团, 施入土壤后可显著增加了土壤中的离子交换点位, 从而增加土壤阳离子交换量[21], 对养分起到了保持和缓释的作用, 因而与化肥配施可对养分进行短期固持(如氮素), 降低氮素流失, 从而增加氮素利用率和作物产量。已有的诸多研究结果表明生物质炭对作物生长具有显著的正效应[12]。而在本研究中, 与当地常规秸秆还田相比, 全量氮肥施用下施用生物质炭并没有显著的增产效应。虽然减施氮素对玉米和小麦产量均无显著影响, 但是氮素农学利用率提高了22.06%。这表明常规管理下的化肥施用量较高, 根据作物生产的报酬递减率规律, 肥料高投入下作物的增产效应将减弱, 而在减氮条件下, 生物质炭对养分的固持与缓释作用可能发挥了关键作用, 一方面降低了肥料的淋失, 增加了作物的利用效率, 另一方面, 生物质炭因具有良好的保水性能, 从而有利于缓解干旱对作物形成的环境胁迫, 起到保墒的作用。由此可见, 秸秆不同还田方式下减施氮肥对作物产量的影响与作物类型有关, 而这种效应在不同的土壤类型的表现需要进一步研究。
3.2 氮肥减施条件下秸秆和生物质炭还田对土壤温室气体排放的影响在本研究中氮肥施用量和秸秆不同还田方式显著影响N2O的排放, 与常规处理相比, 减施氮肥条件下秸秆还田和生物质炭还田处理下N2O排放分别显著减少32.14%~38.52%和36.90%~54.25%, 且EF也分别显著降低了32.75%~59.09%和54.55%~58.08%。首先, 氮肥是农田土壤N2O排放的直接来源[12], 减施氮肥意味着土壤提供给土壤微生物进行硝化与反硝化作用的基质减少, 进而降低N2O向大气中排放。其次, 秸秆还田方式本身显著影响N2O的排放[11, 22]。本研究中, 生物质还田均显著低于同等氮肥施用下秸秆还田处理的N2O排放。这可能与秸秆两种还田方式在土壤的分解转化过程有关。秸秆直接还田在施氮后的短暂时间内, 增加了碳的供应, 促进土壤反硝化作用, 从而增加了N2O排放[22]。而施用生物质炭则可改善土壤通气性, 从而降低了土壤的反硝化作用, 并且生物质炭中的碱性物质增加了N2O还原酶的活性, 减少了N2O/N2的比例, 从而减少了N2O的排放[23]; 此外, 生物质炭本身具有较多的空隙结构, 以及较大的比表面积, 增加了对土壤中NH4+-N和NO3--N的吸附和固持作用, 进而增加氮素的农学利用率, 并减少了产生N2O的基质, 从而减少N2O的排放[15]。
CH4排放主要取决于土壤的水分条件, 相关研究均显示旱地土壤主要为呈“弱汇”的趋势[11-12], 并无显著的变化动态特征。本研究的结果也与前人报道的结果相一致。其原因可能是CH4是强还原条件下的产物, 而旱地农田通常情况下含水量不高, 不易形成厌氧的强还原条件, 且不利于产甲烷菌的活动, 反而有利于好氧的甲烷氧化菌的活性提高[24], 因而旱地土壤有机质分解以CO2为主, 土壤甚至成为大气甲烷的汇[25]。
秸秆还田在减施氮肥条件下CO2排放的季节排放量随氮肥用量的降低而呈增加趋势, 这可能与土壤氮素水平与有机物的分解特性有关。有机物在土壤中分解取决于微生物活性、土壤环境条件(温度、水分)及有机物特性(尤其是C/N)。在农田生态系统中氮素水平显著影响土壤CO2释放[26]。本研究采用了秸秆还田配施氮肥处理, 由于秸秆分解受到土壤C/N影响, 因此, 氮素水平的高低将影响土壤微生物的降解能力, 而本研究的常规施氮水平较高, 减施氮肥可能由于高氮对微生物的抑制作用, 从而促进秸秆降解。Mo等[27]也研究发现在高氮土壤中施用氮肥将加氮肥降低土壤呼吸强度。相对秸秆直接还田, 生物质炭施用在玉米季减施氮肥有助于降低CO2排放。Liu等[28]对生物质炭试验的综合分析显示生物质炭施用对土壤呼吸没有显著影响。可能是由于根系呼吸量远高于有机质分解量, 掩盖了由于土壤有机质降解引起的土壤CO2排放的微小变化。此外, 生物质炭对氮素的调控作用[27], 也在一定程度上缓解了氮肥对土壤有机质分解的影响。
3.3 氮肥减施条件下秸秆和生物质炭还田对综合温室效应的影响温室气体排放强度取决于土壤温室气体排放量与作物产量的相对变化。由于旱地土壤CH4排放量极低, 对GWP的贡献可忽略不计, 因而减施氮肥条件下, GWP的变化主要取决于N2O排放的变化。Zhang等[12]在2011和2012年的研究中, 在旱地土壤上施用40 t · hm-2生物质炭, GHGI分别显著降低11.8%~28.8%和19.8%~27.8%。李露等[29]研究表明, 配施40 t · hm-2的生物质炭在稻麦轮作系统中GHGI可降低21.7%~23.5%。本研究中, 减氮处理的GHGI有较大的降低幅度, 可显著降低35.71%~53.50%。这首先归因于生物质炭具有一定的减排作用(如对N2O排放量的降低), 而上述研究均为施用与未施用生物质炭处理的比较, 而本研究以常规秸秆还田为参照, 秸秆本身在分解过程中N2O的排放显著高于未施秸秆处理。同时, 再加上减施氮肥引起N2O排放降低, 生物质炭与减施氮肥的双重作用叠加, 因而在本研究中生物质炭施用处理具有较大的减排效应。此外, 由于减施氮肥每季作物还可间接减排143.6~281.7 kg · hm-2 CO2。因此, 氮肥减施配施生物质炭是一种可在稳定旱地作物产量的条件下实现低碳生产的一种可行的管理措施。
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