生物质炭基肥对农田土壤温室气体排放年际变化的影响

陈红卫，黄玲，冯露，等.生物质炭基肥对农田土壤温室气体排放年际变化的影响[J].浙江农业学报，2017,29(6): 977 -981.

浙

江

农

业

学

报

2017,29(6) : 977 -981

DOI： 10. 3969/j. issn. 1004-1524. 2017. 06. 17

生物质炭基肥对农田土壤温室气体排放年际变化的影响

陈红卫\\黄玲1，冯露2,李晓庆2,孟雨田2,代

琳2

(1.河南科技学院，河南新乡453003; 2.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨150030)

:通过大田试验，研究分析不同梯度用量生物质炭基肥（〇、1〇、20、30 fhnT2)对旱作农田土壤温室气

体排放的影响。结果表明，与对照（CK)相比，施用生物质炭基肥土壤的C02-C排放量在2015年和2016年分 别提高了 0.81% ~ 23. 05%和11.66% ~ 30.94% ; 土壤N20的排放总量分别降低了 13.32% ~ 16. 59%和 7.90% ~19.57%。综合连续2 a试验结果，本研究中生物质炭基肥施用增加了土壤C02排放，但对于降低土 壤％0排放、全球增温潜势（GWP)、温室气体排放强度（GHGI)具有显著和持续效应，且在高用量下（30 f hnT2)的持续效应具有年际间稳定性。关键词:生物质炭;砂壤土;温室气体;减排中图分类号:S156.2 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2017)06-0977-05

摘要

CHEN Hongwei1 , HUANG Ling1 , FENG Lu2, LI Xiaoqing2, MENG Yutian2, DAI Lin2(1. Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China ； 2. College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University,Harbin 150030’China)Abstract ： A field experiment was performed to investigate the effect of application of biochar based fertilizer ( 0, 10, 20, 30 t*hm 2) on soil N20,C02 emissions in 2015 and 2016. It was shown that compared with CK, C02-C emis­sions were increased in 2015 and 2016 by 0. 81% -23. 05% and 11. 66% -30. 94% , respectively, while, N20 e­missions were decreased by 13. 32% - 16. 59% and 7. 90% - 19. 57% in 2015 and 2016, respectively. Based on the results, although application of biochar based fertilizer increased soil C02 emission, it could effectively reduce soil N20 emission, and decrease global warming potential ( GWP) and greenhouse gas intensity ( GHGI) . Moreover, the effects of 30*t*hm 2 application rate were sustainable between years.Key words： biochar； sandy loam； green house gases； emission reduction

温室气体与环境变化是社会关注的焦点和 热点。据统计，co2、ch4和N20作为最重要的温 室气体，对温室效应的贡献率近80% [1]，其中，农 业废弃物如秸秆的焚烧是大气污染（如雾霾）和 温室气体排放的主要成因之一。秸秆热裂解炭

收稿日期

Effects of biochar based fertilizer on seasonal variation of greenhouse gas emissions

化技术的出现对于提高农田土壤碳库和降低因 焚烧引起的温室气体排放具有重要意义[2]。

生物炭是生物有机材料（生物质）在限氧或 绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态含碳丰 富的产物[3]，因其特殊的理化性状而具有提高土

=2017-01-10:

基金项目：国家自然科学基金项目（作者简介陈红卫

(1966—），男，河南博爱人，博士，副教授，主要从事作物养分水分高效利用与推广研究。E-mail: chw27@qq.com

51509085)

• 978 •浙江农业学报第29卷第6期

壤肥力[4]和固碳减排[5]等特性。现阶段针对生 物质炭应用对农田土壤温室气体排放影响的研 究多以短期室内盆栽试验为主，而以生物质炭基 肥为材料，结合大田试验研究其对农田土壤温室 气体排放的研究鲜有报道，为此，特开展大田试 验，探讨生物质炭基肥施用对农田温室气体（C02 和N20)排放年际变化的影响，以期为温室气体 减排和秸秆的资源化利用等提供基础资料与数 据参考。

化钾25 1^_11111_2,追肥施尿素8〇]^_11111_2。整个 生育期田间管理相同，分别于2015年10月9日、 2016年10月6日收获。1.4气体样品采集

温室气体样品由气体采集箱收集取样，气体

采集箱由透明有机玻璃制成，尺寸30 cmx 40 cm

x 100 cm,箱体仅底部开口，置于可埋入土壤底

座上，底座四周留有凹槽用水封闭以避免气体跑 出，箱体一侧留有直径1 cm 口用于连接三通阀 1材料与方法

1. 1

试验区概况

试验地点在河南省新乡市凤泉区七里宝村

河南科技学院高产试验田，地理坐标113 °52 T、 35。1^ ~45M6W。供试土壤质地为砂壤土，地势 平坦。土壤基本理化性质:pH值7. 17，阳离子交 换量（CEC)19. 11 Cmd，kg'全氮 1. 19 g，kg' 全磷2.82 g.kg — 1，有机质 21.24 g.kg — 1，土壤容 重 1. 23 g.cm_30

1.2

试验材料

试验所用生物质炭基肥以玉米秸秆为原料，

由沈阳隆泰生物工程有限公司生产，经500 °C高 温热裂解后，按一定比例添加鸡粪、膨润土、磷矿 粉PH，造粒制得。生物质炭基肥的主要理化性质: 值10. 1，阳离子交换量（CEC)19.27 cmd- ^kg_1，比表面积171.1〇121_1，有机碳g191.68-

_1,全氮 126. 3 g.kg_1,速效钾 41. 9 .kg_1,速 效磷75.8 g-kg-1。

1.3试验设计

试验于2015年4月至2016年10月间进行。 2015年4月播种前通过旋耕机将生物质炭基肥

一

次性深翻施入土壤中，平均深度约20 cm,每小

区面积20 m2(4 m X5 m)。生物质炭基肥设4个 处理:空白对照（CK);处理1 (B10),施用生物质 炭基肥10 t • hm _2;处理2 (B20),施用生物质炭 基肥20 t.hm-2;处理3(B30),施用生物质炭基 肥30 fhm_2。为使数据更加准确和便于监测、 取样，每个处理重复3次，并随机放置气体收集 箱。供试作物为玉米，品种郑单958。播种时间 分别是2015年5月6日和2016年5月10日，底 肥施尿素100 kg.hm_2、磷酸二按75 kg.hm_2、氯

以收集气体。采样时间选择上午11 :〇〇—11:30 土壤呼吸速率较高时间段进行，分别于盖箱后在 0、15、30min采集气样。在采集气体的同时要测 定当时气温、0 ~ 10 cm地温以及采集箱内温度， 同时采集〇 ~20 cm 土壤样品并测定土壤含水量 等数据指标。

1.5测定指标及计算方法

土壤和生物质炭基肥的基本理化性质参照 《土壤农化分析》C（第3版）中的方法测定。

02和N20气体排放通量米用静态箱法气

相色谱（GC)法测定。采集好的气体注入气体收 集瓶内带回实验室于48 h内测定。C02和N20

排放通量计算公式如下：

p ZM jj dc 273 = 24X Xdi X(273 +T)'(1)

式（1)中:F表示(]〇2排放通量（

mg OnT2-

11_1)或 CN20 排放通量（pg N_m—2 _h_1 ) ;M 表示 C02-和N20-N中含C或N的原子量，分别为I2 g.mol-1和28 g.mol-1 为采样箱的有效高度（m) ;dC/ck为气体排放速率，即每小区每次3 个时间(0、15、30 min)采集的3个样品的气体浓

度与时间进行一次线性回归所得的回归方程系 数;:T为采样时箱内的平均气温(°C )。

在全球增温潜势（GWP)估算中，C02看作参 考气体，CH4和

N20排放量的增减通过GWP值

转换成NC02等效量，100 a时间尺度上CH4和

20的全球增温潜势分别为相当于C02的25和

298倍GWP。综合温室效应由下式计算：

=25«(CH4) +298«(N20)。 （2)式(2)中:GWP为CH4和N20的综合温室效 应，《(CH4)和則N20)分别为玉米生长季内土壤 〇14和队0的排放总量（kg*hm_2)。因旱田相 对水田CH4排放较少，固本试验中未测定CH4气

陈红卫，等.生物质炭基肥对农田土壤温室气体排放年际变化的影响.979

.

体排放通量，不将其纳入公式计算范围内e

温室气体排放强度（GHGI)的定义为单位经 济产出的温室气体排放量，计算公式为GHGI = GWP/Yields

(3)

处理（CK，164. 17 mg C.m-'h-1)相比，在 B10、

B20、B30处理条件下，C02-C的平均排放通量分

别为 165.50、185.76 和202.011^〇111-2.11-1， 分别较 CK 处理增加 0. 81%、13. 15%、23. 05% ; 2016 年，与 CK( 126. 95 mg O nT2* h-1)相比，

C02_e”。，Yield 为玉米产量(t.hm-2)。

1.6数据处理

所测数据采用Excel 2007、SPSS 17.0和 OriginPro 8. 0进行数据处理、统计分析和图表

制作，

2

结果与分析

式(3)中，GHGI为温室气体排放强度（1^-

B10、B20、B30处理条件下，C02-C的平均排

放通M分别为 141. 75、147. 53 和 166. 23 mg O m_2 • h—1，分别较CK处理增加11. 66%、

在

t*hm_2处理条件下与对照差异达到显著（P <

0. 05)水平。

16. 21%、30. 94%。2015 —2016 年数据均在 30

2.2生物质炭基肥对农田土壤N20排放年际动

2.1生物质炭基肥对农田土壤C02排放年际动

态的影响

从图1可以看出，向土壤中添加生物质炭基

肥后，2015年和2016年间农田土壤C02排放的 总体趋势基本一致，其中排放通量变化与季节间 温度及气候存在一定的相关性。2015年，与对照

3

N-m-'h — 1)相比，在B10、B20、B30处理条件下， N20-N的平均排放通量分别为594. 54、587. 97、 572. 11问N • m _2 • h _1与CK处理相比分别降低 了 13.32%、14.28%、16.59% ;2016 年，在 B10、 B20、B30处理条件下，土壤N20-N平均排放通量

，

320 [280- 2016

态的影响

从图2可以看出：2015年，与

CK(685. 88问

装

觉

00

2l8i2 4<0<26< 2i28<

1 1

-■■-CK-+B10 ->-B20 -♦-B30 2015

图1 生物质炭基肥施用对2015和2016年土壤C02排放动态变化的影响

Fig. 1 Effects of biochar based fertilizer on C02 emissions during maize growth season in 2015 and 2016

图2 生物质炭基肥对2015和2016年土壤N20排放季节动态变化的影响

Fig. 2 Effects of biochar based fertilizer on N20 emissions during maize growth season in 2015 and 2016

rMVEoSLLO/suojssjE^oc

日期Date日期Date

• 980 •浙江农业学报第29卷第6期

分别为 577. 91、545. 27、504.65 网 N.nT2.!!-1， 与

降低，其中GWP 2015年和2016年分别降低了 10. 69%、23. 76%、32. 20% 和 14. 08%、22. 37%、 33. 23%

CK(627.45网N’m'h

— 1)相比，分别降低

7.90%、13. 10%、19.57%。同对照相比，高施入 量处理条件下N20排放降低幅度较大，但2016 年的减排效果整体较2015年略有降低。2.3生物质炭基肥对农田土壤温室气体综合排 放的影响

由表1可以看出，与

，GHGI 分别降低了 9. 04%、41. 94%、

30. 04% 和 17. 88%、27. 65%、38. 31%。

2.4生物质炭基肥对农田土壤理化性状及玉米 产量的影响

由表2可以看出，在生物质炭基肥处理条件 下，土壤pH值、全氮含量均有不同程度的提高。 随着生物质炭基肥施入量增加，土壤容重降低。 与CK相比，2015—2016年B30处理条件下土壤

，

CK相比，在生物质炭基

肥处理条件下，N20-N的排放量连续2 a均显著 降低，且差异达显著水平。2015—2016年，B10、 B20、B30处理下分别较CK降低了 10.69%、

23. 76%、32. 20% 和 14. 08%、22. 37%、33. 23% , 而C02-C排放量连续2 a均有不同程度的上升， 分别提高了 14. 73%、22. 84%、39. 82% 和 7. 72%、22. 48%、32. 78%。与 CK 相比，B10、

pH值均与CK差异显著（P < 0. 05)土壤PH值

分别增加了 8. 09%和9. 66%。土壤全氮含量在

B30处理条件下亦与CK呈显著（P < 0. 05)差

异，2015年与2016年分别提高了 5.89%和 5.83%。与

B20、B30处理下GWP和GHGI连续2 a均显著

CK相比，施生物质炭基肥的各处理

玉米产量略有降低，但差异不显著。

2015、2016年N20和C02排放总量、增温潜势（GWP)和温室气体排放强度（GHGI)

Table 1 Total emissions of C02, and N2〇, global warming potential ( GWP) and greenhouse gas intensity ( GHGI) in 2015 and 2016

年份Year处理 Treatment

2015

CKB10B20B30

2016

CKB10B20B30

N2 0-N/ (kg • hm ~ 2 )46. 261 ±1.24 a41.317 ±1. 13 b35. 269 ±0.75 c31.363 ±0.79 d45. 637 ±1.82 a39. 211 ±1.21 b35.429 ±1.22 c30.474 ±1. 11 d

C02-C/(kg.hm 2)13. 31 ±0.77 c15. 27 ±0.68 b16. 35 ±0.91 b18.61 ±1.37 a13. 21 ±0. 86 d14. 23 ±0.75 c16. 18 ±0. 89 b17. 54 ±0.91 a

<0.051

GWP/(kg-hm-2)13785.78 ±399.21 a12312.47 ±389. 15 b10510. 16 ±291. 21 c9346. 17 ±310. 11 d13599.83 ±426.53 a11684.88 ±417.71 b10557.84 ±389.93 c9081.25 ±377.65 d

GHGI/(kg-C02-e-f1)926. 59 ±51.23 a842. 82 ±45.06 b537. 98 ±30. 22 d648.20 ±35.74 c1250. 12 ±27. 10 a1026.61 ±55.64 b904.47 ±49. 36 c771. 19 ±40.43 d

表1

表中同列数据后无相同字母的表示同一年份不同处理间差异显著(^下同。

Data followed by no same letters in the same row indicated significant difference at P <0. 05 within treatments in the same year. The same as below.

表2

2015和2016年0 ~20 cm 土层的总氮、pH、容重和玉米产量

Table 2 Soil pH, total nitrogen content, maize yield and bulk density of top soil (0-20 cm) in 2015 and 2016

年份Year处理 TVeatments

2015

CKB10B20B30

2016

CKB10B20B30

土壤 pH Soil pH

7. 17 ±0. 02 c7. 21 ±0.03 c7.49 ±0. 03 b7. 75 ±0.04 a7. 14 ±0. 06 c7. 22 ±0.04 c7. 32 ±0.06 b7. 83 ±0. 03 a

容重 Bulk density/( g.cin_3)

1.23 ±0.04 a1.21 ±0.06 a1. 16 ±0.02 a1. 11 ±0.03 b1.25 ±0.03 a1.20±0. 07 a1.16 ±0.04 a1. 12 ±0.05 b

全氮 Total N/(g.kg_1 )玉米产量 Yield/( t.hm _2 )

12. 88 ±0. 11 a12. 61 ±0. 13 a12. 54 ±0.32 a12.42±0. 33 a12. 98 ±0.25 a12. 38 ±0.31 a12. 67 ±0.47 a12. 78 ±0.29 a

1. 19 ±0.02 b1.21 ±0.07 b1.23 ±0.08 b1.26±0. 05 a1.20±0. 03 b1.22±0.02 b1.24±0. 03 b1.27±0. 01 a

碳减排剂，但由于影响农田土壤co2排放因素众

3

讨论

生物质炭和以炭为基质的炭基肥被称作固

多（温度、水分、制炭原料等），且各因素间相互交

叉影响；因此对于co2排放的影响目前尚无一致 性结论。有研究指出，生物质炭因具多孔性，施

陈红卫，等.生物质炭基肥对农田土壤温室气体排放年际变化的影响.981 .

入土壤后能够降低土壤容重，增加土壤呼吸，同 时增强土壤微生物活性，加快腐殖质的分解从而

促进co2的排放。本研究中，施入生物质炭基肥 后，土壤pH和透气性均在一定程度上得到提升 (表2)，与之前研究结果一致[6]。

有研究显示，生物质炭基肥的添加降低了降 雨后N20的排放通量峰值，且随添加量增加，降 幅扩大。这可能与生物质炭能增加土壤容重有 关[7]，而且生物质炭具有较高的CEC,能增加对 游离NH/-N的吸附，从而降低N20排放[8]。本 研究中，添加生物质炭基肥后，N2o排放减少，与 前人研究结果一致[9]。

本研究中，添加生物质炭基肥处理下GWP (100)和

[5] [4[3]

sis of agricultural residues from rape and sunflowers ： produc­tion and characterization of bio-fuels and biochar soil manage­ment [ J].

Journal of Analytical & Applied Pyrolysis , 2009 , 85

(I) ：142-144.

OZCiMEN, D, ERSOY-MER i gBOYU A. Characterization of biochar and bio-oil samples obtained from carbonization of various biomass materials[ J]. (6) ：1319 -1324.

] 王宁，侯艳伟，彭静静，等.生物炭吸附有机污染物的研

Renewable Energy, 2010, 35

究进展[J

]•

环境化学，2012, 31(3) :287 -295.

WANG N, HOU Y W, PENG J J, et al. Research progess on sorption of orgnic contaminants to biochar[J].

Environmental

Chemistry, 2012, 31(3) ： 287 -295.

lish abstract)

(in Chinese with Eng­

LIANG B, LEHMANN J, SOLOMON D, et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soil[J].

GHGI连续2 a显著降低，改变了玉米农

[6

Soil Science So­

田生态系统的增温潜势和排放强度。这可能源 于生物质炭较高的碳含量和多孔吸附性，改变了 土壤碳氮比和对氮素养分的吸收，抑制了 土壤氮 的矿化[1°]。

综合2015—2016年研究数据，在本研究条 件下，生物质炭基肥施入Xt农田土壤C02排放的 影响具有年际波动性，但能显著降低土壤N20排 放、GWP和

ciety of America Journal, 2006 , 70(5)： 1719 - 1730.

] 何飞飞，荣湘民，梁运姗，等.生物炭对红壤菜田土理化

性质和N20、C02排放的影响[

2013, 32(9) ：1893 -1900.

J].

农业环境科学学报，

HE F F, RONG X M, LIANG Y S, et al. Effects of biochar on soil physiochemical properties and N20, C02 emissions from vegetable planting red soil [ J ].

Journal of Agro-Environ­

(in Chinese with

ment Science, 2013, 32(9) ： 1893 - 1900.

English abstract)

[7]

GHGI,且以较高施用量（30 fhm_2)

HANSEN S M, M^HLUM J E, BAKKEN L R. N20 and CH4 fluxes in soil influenced by fertilization and tractor traffic[J] .

条件下效果更加明显，而且具有持续性和稳定 性。由于受研究材料、环境因素等影响，生物质 炭基肥对旱作农田温室气体排放的影响未必一 致，还需今后持续开展长期的田间定位监测进行 深入探讨。

[9] [8]

Soil Biology & Biochemistry, 1993, 25(5) ：621 -630.

LAIRD D A. The charcoal vision： A win-win-win scenario for simultaneously producing bioenergy, permanently sequestering carbon, while improving soil and water quality[ J] •

Agronomy

Journal, 200^, 100(1) ： 178 - 181.

YANAI Y, TOYOTA K, OKAZAKI M. Effects of charcoal ad­dition on N20 emissions from soil resulting from rewetting air- dried soil in short-term laboratory experiments[ J].

参考文献（References)

[1

] (

co

:

Soil Science

张玉铭，胡春胜，张佳宝，等.农田土壤主要温室气体

2、ch4、n2o)

and Plant Nutrition, 2007, 53(2) ：181 -188.

[10]

的源/汇强度及其温室效应研究进展

19(4): 966 -975.

李晓.施用生物质炭及炭基肥对温室气体排放、玉米生长

].

[J].

中国生态农业学报，2011,

及土壤性质的影响[D南京：南京农业大学，2013.

ZHANG Y M, HU C S, ZHANG J B, et al. Research ad­vances on source/sink intensities and greenhouse effects of C02 , CH4 and N20 in agricultural soils [J].

LI X. Effects of biochar and biochar-based fertilizer amend­ment on greenhouse gass emission, maize growth and soil properties [ D ] • Nanjing ： Nanjing Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

Chinese Journal

(in Chinese

of Eco-Agriculture, 2011 , 19(4)： 966 - 975.

with English abstract)

[2]

(责

任编辑高峻）

SANCHEZ M E , LINDAO E , MARGALEFF D, et al. Pyroly­