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生物炭改良剂对产量的影响以及来自中国太湖平原的稻田CH4和N2O排放

摘要

通过田间试验，研究了0、10、40t/ha生物炭对水稻产量的影响以及太湖平原稻田施用氮肥与不施用氮肥后CH4和N2O的排放。在传统的水分制度下水稻耕作(Oryza sativa L., cv. Wuyunjing 7)。采用密闭室法，每隔10天监测一次，对水稻整个生长季土壤CH4和N2O的排放进行监测。在未施肥土壤里施用10t/ha和40t/ta生物炭改良剂分别增加产量12%和14%，在施用氮肥的土壤里施用10t/ha和40t/ha生物炭改良剂分别增加产量8.8%和12.1%。在未施肥和施用氮肥的土壤里分别施用10t/ha 和40t/ha生物炭改良剂，增加产量12%和14% ，8.8%和12.1%。分别与在不施生物炭的施氮或不施氮处理进行比较，经40t/ha生物炭改良的土壤CH4-C排放总量分别增加了34%和41%。然而，分别在施氮或不施氮的土壤加入生物炭改良剂，N2O排放总量急剧下降40%-51%和21%-28%。N排放系数(EF)由无生物炭施氮的0.0042kg/kg N2O-N降至施用生物炭施氮40t/ha的0.0013kg /kgN2O-N。结果表明，生物炭能显著提高水稻产量，降低N2O排放，但甲烷排放总量有所增加。基于该实验数据集的汇总计算为估计通过将生物炭掺入中国东南部的水稻土中可能实现的温室气体排放的减少提供了基础。

1介绍

许多研究指出生物炭作为土壤改良剂对改善土壤质量和作物生产力的有益作用(Glaser et al., 2001, 2002; Mann, 2002; Lehmann, 2007; Lehmann et al., 2006, 2008; Yamato et al., 2006; Marris, 2006; Chan et al.,2007, 2008)。人们也越来越关注利用生物炭将碳转移到农业土壤中以缓解气候变化的可能性(Lehmann et al., 2006; Major et al.,2009)。2009年哥本哈根气候变化会议之前，《联合国防治荒漠化公约》向《联合国气候变化框架公约》提出，生物炭改良剂可用于补充土壤碳池，恢复土壤肥力，将二氧化碳作为双赢的选择(UNCCD, 2009)。在计算减轻气候变化的实际效益时，定量研究生物炭对农田的甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）排放的影响是十分必要的。这些温室气体的产生是湿地水稻生产中特别关注的问题，在湿地水稻生产中，土壤经常灌水和排水，从而促进CH4和N2O的排放。

减少CH4和N2O排放已被确定为一项紧迫的世界任务，因为这些物质是具有高变暖潜力(IPCC,2007a)的重要长期温室气体(GHGs)。农业土壤中的生物炭改良剂已被证明碳氮释放缓慢，这是生物炭中高含量的难溶性有机碳影响微生物活性的土壤性质的伴随变化(Glaser et al.,2001,2002;Lehmann et al.,2003).。Yanai等人(2007)写到在一个小的室内试验中应用城市生物废弃物产生的生物炭后，湿润型单体的N2O排放量急剧下降。朗登等人. (2006)同样看到，在应用红树林木材生物炭后，哥伦比亚东部平原酸性稀树草原土壤中的N2O排放量减少了15 mg/m^2 N2O。生物炭改良土壤中N2O排放减少的一个原因包括减少可用作反硝化作用的氮量，作为对铵的吸附和保留(Singh et al., 2010; Steiner et al., 2010)。但是由于生产生物炭的原料(Zwieten et al., 2009)以及土壤类型、生物炭利用率和土壤湿度不同，N2O排放量可减少的程度也有所不同。文献中记录了生物炭处理土壤CH4排放率的广泛变化，一些研究显示排放量减少，其他研究显示排放量增加。 朗登等人. (2006)写到，在不肥沃的热带土壤中，以20t/ha的量施用木质生物炭显著增加了甲烷的年沉降量。同样，在之前的研究中，朗登等人(2005)看到在15g/kg土壤下用生物炭处理的草地(Brachiaria humidicola) 和30g/kg土壤处理的大豆农田完全抑制了CH4排放。与这些显示甲烷排放减少的发现相反，Knoblauch等人(2008)说明了在田间和实验室试验中，用烧焦的水稻残余物以2.5%的质量百分比修正的石灰氟维醇的CH4生产没有显著变化。生物炭改良剂是否对减少农业土壤中CH4的排放具有有益的作用，会成为世界上何时何地使用生物炭改良剂的一个关键问题。到目前为止，CH4的排放量似乎取决于土壤类型、生物炭的化学性质以及施肥和水分管理制度(Cai et al., 1997, 2000; Zou et al., 2007; Xiong et al., 2007; Zwieten et al., 2009)。

世界水稻生产是温室气体产生最重要的人为来源之一。稻田每年的CH4排放量估计在31-112Tg/年之间，占全球温室气体排放总量的5%-19% (IPCC, 2007b)。中国稻田每年总CH4和N2O排放量的估计值分别为7.7tg/年CH4和88.0Gg/年N2O-N到8.0Tg/年CH4和98.1Gg/年N2O-N(Xing and Zhu, 1998; Yan et al., 2003; Zheng et al., 2004; Liu et al., 2010)。中国23%的农田用于水稻生产，约占世界总面积的20%(Frolking et al., 2002)。减少中国稻田的CH4和N2O排放，到2020年，温室气体排放总量将达到单位GDP的40-45% (Anon., 2010)。到目前为止，无论是处理作物生产力和土壤质量的变化，还是处理碳的排放都还没有关于中国农业土壤中生物炭影响的实地研究报告。本研究旨在探讨生物炭改良剂对稻米产量和东南部稻米生产周期内甲烷和氮氧化物总排放量的影响。通过在田间试验中量化整个水稻生长季节(WRGS)的总二氧化碳当量，应该可以确定在中国稻田中使用生物炭可以减轻温室气体排放的程度。

2 材料和方法

2.1 实验场地

现场试验位于江苏省宜兴市井塘村(31◦24N and 119◦41E)。该地区的水稻种植已经在该地区进行了几千年，该地区被认为是水稻生产最具生产力的地区之一(Xu, 2001)。该地区为典型的高产水田土壤，主要来源于湖泊沉积，分为水农业、稳定的人类溶胶和诱人的哈尔普特土壤(Soil Survey Staff, 1994)。该地区属亚热带季风气候，年平均气温15.7摄氏度，降水量1177毫米。在0-15cm深的土壤样本中测量的表土化学性质为：pH（H2O）6.5，土壤有机碳（SOC）2.4%，土壤总氮0.18%，容重1.01 g/msup3;，粘土含量39%。

2.2 生物炭的生产及基本性能

河南三里新能源公司以麦秸为原料生产用于田间试验的生物炭。生物炭是在350-550摄氏度下由麦秸热解产生的。该公司使用的商业工艺采用由耐火砖制成的垂直窑和专有工艺，将35%的生物质转化为直径为0.3 mm的颗粒形式的生物炭。为了进行土壤研究，将生物炭块磨碎，使其通过一个2 mm的筛子，并彻底混合，以获得与土壤混合更均匀的粉末稠度。按照Lu (2000)所述的方案，用Vario-Max-CNS分析仪对生物炭的总有机碳和氮的特性进行了测试(German Elementar Company, 2003)。用复合玻璃电极在1:5的炭/水悬浮液中测量炭的pH值(SevenEasy Mettler Toledo, China, 2008)。在马弗炉中用720℃点火3h测定总灰分，用酸消化法和原子吸收光谱法进行元素分析测定矿物元素含量。生物炭的碳和氮含量分别为46.7%和0.59%，总灰分为20.8%，pH（H2O）为10.4。在元素分析方面，生物炭含有1%的钙、0.6%的镁、0.4%的铁和2.6%的钾。高灰份很可能是由于在田间收集时灰尘和土壤颗粒污染了秸秆。

2.3 野外试验

以0、10和40t/ha-1的量将生物炭应用于田间试验田(C0, C1 and C2, respectively)，并应用于有或无N施肥的处理(N1 and N0, respectively)。在施氮处理中，尿素施用量为300kg/ha N，其中40%在移栽前作为基肥施用，40%在分蘖期施用，其余20%在穗期施用。为了保持营养平衡，在移栽前，二磷酸钙和氯化钾也分别以125kg/haP2O5 和125kg/haK2O的速率作为基础肥料施用。各处理区面积为4 mtimes;5 m，田间试验区采用随机整块设计。各地块由0.8 m宽的保护行隔开，每个保护行都有一个灌溉和排水出口。2009年5月，在土壤表面播撒生物炭和氮肥，并通过犁耕至12厘米的深度将其融入土壤中。在后期施用的额外氮肥被广播并人工混合到土壤中。为了保持一致性，还对没有生物炭或氮肥的地块进行了耕作和混合处理每种，处理重复三次。

在作物生产方面，水稻于5月15日在苗床上播种，之后于6月13日移栽，2009年10月14日收获(Oryza sativa L., cv. Wuyunjing 7)。在整个生长季节，采用交替的灌水和排水循环F-D-F-M（分别在苗期、穗期、穗期和成熟期）管理水势。具体来说，6月10日至7月23日保持了田间灌水，随后的排水在8月1日至9月17日回流之前进行了约1周，随后进行了最后的间歇灌溉，直至收割。所有的作物管理在整个地块上保持一致。

2.4 CH4和N2O排放监测

在水淹没水稻之前，在每片土地上都安装了一个铝制的通量环。套环的上边缘有一个充满水的槽，用于密封气室的边缘，气室在充气时与套环相连。试验箱配有循环风机，以确保完全混合气体，并用一层海绵和铝箔包裹，以尽量减少取样期间试验箱内的空气温度变化。试验箱的横截面积为0.12㎡（0.35 mtimes;0.35 m）。在WRGS期间，每10天进行一次排放气体取样。按照Zou等人(2005)使用的方法，在上午8点至10点之间进行气体取样，并在封上箱子后后0、10、20和30分钟用注射器收集4个单独的气体样品。用装有火焰离子化检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD）的气相色谱仪（安捷伦7890D）同时分析气体样品中CH4和N2O的浓度。分别用氮气或氩气和甲烷的气体混合物作为标准气体进行CH4和N2O分析。N2O由两个不锈钢柱（1柱长1米，直径2.2毫米，2柱长3米，直径2.2毫米）分离，填充80-100目Porapak Q。N2O由ECD检测，CH4由FID检测。将烘箱温度控制在55°C，将ECD和FID的温度分别设置为330°C和200°C。通过四个连续样品的混合比变化斜率测定通量，分别在盖上箱子后后的0、10、20和30分钟内采集。得到的线性回归值若非大于0.90，则样本测量重做。在整个水稻生长季节中，CH4和N2O的总排放量是根据每两个相邻测量间隔的平均排放量依次累积的(Zou et al.,2005)。

2.5 土壤取样与分析

在2009年10月14日水稻收获后，用Eijkelkamp土壤芯取样器从每片土地上采集了0-15cm深度的表层土复合样本。样品用塑料袋密封，取样后2天内送往实验室。在分析之前，移除根碎屑，风干土壤，并研磨通过2 mm筛子。用与生物炭相同的方法将每个土壤样品的一部分磨碎，以通过0.15 mm筛子进行C和N分析。此外，还使用压入土壤中的100立方厘米圆柱体测量了每个地块的三倍表土样的体积密度。使用1:5土壤/水比和复合玻璃电极测定土壤pH值(Seven Easy Mettler Toledo, China, 2008)。这些测定是按照Lu所写的方法进行的。

2.6 计算与统计

根据IPCC方法计算CH4和N2O的直接排放因子和全球变暖潜在值(GWP)(IPCC, 2007a)。通过比较不同处理地的作物表现，估算了不同处理地的农业N利用效率 (AEN, kg grain yield increase per kg N applied)。用施氮处理与不施氮处理的WRGS总N2O-N排放量之差除以施氮处理后的生物炭处理后的N，计算出肥料产生的N2O排放因子(EF)。为了评估在农业中使用生物炭进行缓解和生产之间的权衡，每单位产量计算出CH4和N2O的总二氧化碳排放量。

所有数据均表示为平均值加上或减去一个标准差。采用方差双向分析法，比较了生物炭改良、氮肥及其相互作用的效果 (ANOVA)。考虑生物炭与氮肥的相互作用，研究了生物炭对肥料N2O-N排放因子和农田利用效率的影响。所有统计分析均使用JMP 7.0版进行(SAS Institute, USA, 2007)。

图1. 不同生物炭处理下的农艺用氮效率（AEN，每公斤施肥增加粮食产量kg）。

3 结果

3.1 土壤性质与水稻产量

表1给出了不同生物炭/氮处理下田间试验结束时土壤理化性质的描述数据。生物炭的改良导致了pH（H2O）、SOC和总氮的增加，但在有或无N施肥的处理中，体积密度降低，相对变化与施用率相对应（表2）。与无生物炭处理相比，无论是否施肥40t/ha下的生物炭修正分别导致土壤体积密度降低0.1g/msup3;和0.12 g/msup3;，土壤PH（H2O）增加0.24和0.46。与C0N0相比，C2N0处理的SOC增加了57%，C2N1处理的SOC增加了55%，C1N1处理的SOC增加了14%。同样，与C0N0相比，C2N0和C1N0处理的总

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