论文部分内容阅读
华北平原是中国粮食主要生产区之一，但是土壤有机碳含量仍处于较低水平。由于化肥过量施用，农田土壤产生和排放大量的氧化亚氮(N2O)，不仅导致全球变暖，还会破坏大气臭氧层。生物质炭作为高度芳香化结构的含碳物质，被认为能够增加土壤固碳潜力，提高作物产量，还能减少土壤N2O排放。生物质炭对土壤N2O排放的影响因生物质炭性质、用量、土壤环境条件和施肥管理等不同而具有较大差异。本研究在中国科学院封丘农业生态实验站开展了连续两年的田间试验，研究了不同用量生物质炭对土壤N2O排放的影响，明确了土壤N2O排放的关键影响因子，评估了生物质炭对农田生态系统固碳减排、增产潜力及其长效性。另外，研究了硝化抑制剂与生物质炭联用对土壤N2O和NO排放的交互作用和影响机制。主要结果如下:
在2014年建立田间原位试验，包括8个处理，不施肥(CK)、单施3、6和12t ha-1生物质炭（B3、B6和B12）、单施化学氮肥(F)以及化学氮肥与3、6和12t ha-1生物质炭配施（FB3、FB6和FB12）。CK处理的土壤背景N2O排放量为0.57kg N2O-N ha-1，单独施用生物质炭提高了玉米季土壤N2O排放，增幅为54.4-92.9％，其中B12处理差异达到显著水平。施用氮肥处理的土壤N2O排放显著提高到2.15-3.30kg N2O-N ha-1。但是，与单施氮肥处理相比，生物质炭与氮肥配施则显著降低土壤N2O排放，降幅达到31.4-39.9％。单施氮肥处理的N2O排放系数(EF)为1.36％，与生物质炭联用处理则下降到0.71-0.85％。小麦季不论施肥与否，生物质炭施用对土壤N2O排放无显著影响。相关分析表明，玉米季N2O排放的主要控制因子是土壤无机氮含量，小麦季则为土壤温度。生物质炭施用可能显著降低土壤容重，提高土壤通气性，降低土壤反硝化潜力，从而减少土壤N2O排放。
2015-2016年在上述8个处理中选取部分处理建立裂区试验，增施硝化抑制剂（Nitrapyrin），形成如下9个处理:不施肥(CK)、单施化学氮肥(F)、在3、6和12t ha-1生物质炭小区单施化学氮肥（FB3、FB6和FB12）、氮肥配施硝化抑制剂2-氯-6-三氯甲基吡啶nitrapyrin(FI)以及氮肥+生物质炭+硝化抑制剂处理（FB3I、FB6I和FB12I）。不同于常规基肥施用后立即灌水，由于玉米种植前缺少降雨，采用先灌水后翻耕的管理。与单施化学氮肥(F)相比，施用生物质炭或硝化抑制剂对玉米季和小麦季土壤N2O排放均无明显影响。相反，施用硝化抑制剂显著降低土壤NO排放，玉米季和小麦季土壤NO排放量分别降低了22.3-30.0％和40.6-55.1％。玉米季和小麦季施氮处理的NO/N2O比分别为1.11-1.72和1.41-2.78，表明土壤排放的N2O主要来自硝化作用。生物质炭对土壤N2O和NO排放没有显著影响可能是由于翻耕前灌水降低土壤水分含量，降低基肥施用后土壤反硝化潜力，减少土壤N2O排放，低土壤水分含量可能屏蔽了硝化抑制剂对N2O排放的潜在抑制作用。
在2014-2015年，通过测定种植和不种植玉米土壤CO2的排放通量，研究了自养呼吸和异养呼吸特征及其对土壤呼吸的相对贡献。生物质炭施用并没有显著影响土壤基础呼吸（异养呼吸）。在玉米季，单施氮肥处理的土壤呼吸量最高，为549g C m-2，高于施用生物质炭处理土壤19.0-24.5％。与CK相比，氮肥单施处理显著提高了土壤自养呼吸，增幅为62.6％，主要由于氮肥施用显著促进了作物生长，提高了根系或者根际呼吸。相反，与单施氮肥处理相比，生物质炭与氮肥配施显著降低了土壤自养呼吸，FB6和FB12处理的降幅分别为48.2％和46.0％，达到显著水平。可能是生物质炭提高了土壤氮素固持能力，减缓了氮素对作物的供应，研究表明生物质炭施用不仅提高土壤固碳潜力，还扩增了土壤氮素的缓冲容量。
2014-2015年，生物质炭单施或者与氮肥配施对玉米产量无明显影响。与CK处理相比，生物质炭单施显著提高了小麦产量，增幅为16.6-25.9％;相反，与氮肥单施处理相比，生物质炭和氮肥配施则降低了小麦产量，FB12处理差异达到显著水平。2015-2016年，与单施氮肥处理相比，施用生物质炭提高了玉米和小麦总氮量，表明生物质炭具有一定后续效应。但是，与氮肥+抑制剂处理相比，生物质炭和抑制剂联用处理降低了小麦秸秆氮量，可能是由于施用硝化抑制剂减缓NH4+转化为NO3-，降低了作物对NO3-吸收，具体机制有待进一步研究。
在2014年建立田间原位试验，包括8个处理，不施肥(CK)、单施3、6和12t ha-1生物质炭（B3、B6和B12）、单施化学氮肥(F)以及化学氮肥与3、6和12t ha-1生物质炭配施（FB3、FB6和FB12）。CK处理的土壤背景N2O排放量为0.57kg N2O-N ha-1，单独施用生物质炭提高了玉米季土壤N2O排放，增幅为54.4-92.9％，其中B12处理差异达到显著水平。施用氮肥处理的土壤N2O排放显著提高到2.15-3.30kg N2O-N ha-1。但是，与单施氮肥处理相比，生物质炭与氮肥配施则显著降低土壤N2O排放，降幅达到31.4-39.9％。单施氮肥处理的N2O排放系数(EF)为1.36％，与生物质炭联用处理则下降到0.71-0.85％。小麦季不论施肥与否，生物质炭施用对土壤N2O排放无显著影响。相关分析表明，玉米季N2O排放的主要控制因子是土壤无机氮含量，小麦季则为土壤温度。生物质炭施用可能显著降低土壤容重，提高土壤通气性，降低土壤反硝化潜力，从而减少土壤N2O排放。
2015-2016年在上述8个处理中选取部分处理建立裂区试验，增施硝化抑制剂（Nitrapyrin），形成如下9个处理:不施肥(CK)、单施化学氮肥(F)、在3、6和12t ha-1生物质炭小区单施化学氮肥（FB3、FB6和FB12）、氮肥配施硝化抑制剂2-氯-6-三氯甲基吡啶nitrapyrin(FI)以及氮肥+生物质炭+硝化抑制剂处理（FB3I、FB6I和FB12I）。不同于常规基肥施用后立即灌水，由于玉米种植前缺少降雨，采用先灌水后翻耕的管理。与单施化学氮肥(F)相比，施用生物质炭或硝化抑制剂对玉米季和小麦季土壤N2O排放均无明显影响。相反，施用硝化抑制剂显著降低土壤NO排放，玉米季和小麦季土壤NO排放量分别降低了22.3-30.0％和40.6-55.1％。玉米季和小麦季施氮处理的NO/N2O比分别为1.11-1.72和1.41-2.78，表明土壤排放的N2O主要来自硝化作用。生物质炭对土壤N2O和NO排放没有显著影响可能是由于翻耕前灌水降低土壤水分含量，降低基肥施用后土壤反硝化潜力，减少土壤N2O排放，低土壤水分含量可能屏蔽了硝化抑制剂对N2O排放的潜在抑制作用。
在2014-2015年，通过测定种植和不种植玉米土壤CO2的排放通量，研究了自养呼吸和异养呼吸特征及其对土壤呼吸的相对贡献。生物质炭施用并没有显著影响土壤基础呼吸（异养呼吸）。在玉米季，单施氮肥处理的土壤呼吸量最高，为549g C m-2，高于施用生物质炭处理土壤19.0-24.5％。与CK相比，氮肥单施处理显著提高了土壤自养呼吸，增幅为62.6％，主要由于氮肥施用显著促进了作物生长，提高了根系或者根际呼吸。相反，与单施氮肥处理相比，生物质炭与氮肥配施显著降低了土壤自养呼吸，FB6和FB12处理的降幅分别为48.2％和46.0％，达到显著水平。可能是生物质炭提高了土壤氮素固持能力，减缓了氮素对作物的供应，研究表明生物质炭施用不仅提高土壤固碳潜力，还扩增了土壤氮素的缓冲容量。
2014-2015年，生物质炭单施或者与氮肥配施对玉米产量无明显影响。与CK处理相比，生物质炭单施显著提高了小麦产量，增幅为16.6-25.9％;相反，与氮肥单施处理相比，生物质炭和氮肥配施则降低了小麦产量，FB12处理差异达到显著水平。2015-2016年，与单施氮肥处理相比，施用生物质炭提高了玉米和小麦总氮量，表明生物质炭具有一定后续效应。但是，与氮肥+抑制剂处理相比，生物质炭和抑制剂联用处理降低了小麦秸秆氮量，可能是由于施用硝化抑制剂减缓NH4+转化为NO3-，降低了作物对NO3-吸收，具体机制有待进一步研究。