不同生物質(zhì)炭對(duì)酸化茶園土壤N2O和CO2排放的影響

孫 贇，何志龍，林 杉*，張水清，2*，柳維揚(yáng)

不同生物質(zhì)炭對(duì)酸化茶園土壤N2O和CO2排放的影響

孫 贇1，何志龍1，林 杉1*，張水清1，2*，柳維揚(yáng)3

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，鄭州 450002；3.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

為了研究不同生物質(zhì)炭對(duì)酸化茶園土壤溫室氣體排放的影響，采用原料為小麥秸稈、柳樹枝、椰殼3種生物質(zhì)炭，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)來探究不同生物質(zhì)炭對(duì)茶園土壤性質(zhì)及N2O、CO2排放特征的影響。試驗(yàn)中生物質(zhì)炭添加量為20 g·kg-1，同時(shí)設(shè)置了施氮肥處理，采用尿素作為外加氮源，施氮量為100 mg·kg-1。結(jié)果表明，施加生物質(zhì)炭提高了酸化茶園土壤pH值，柳樹枝生物質(zhì)炭處理土壤pH值最高為6.71，顯著高于其他處理。不同生物質(zhì)炭對(duì)土壤DOC含量的影響效果存在差異，柳樹枝生物質(zhì)炭使土壤DOC平均含量增加了95.6%，椰殼生物質(zhì)炭使土壤DOC含量降低36.1%，小麥秸稈生物質(zhì)炭則影響不顯著。生物質(zhì)炭通過抑制土壤硝化和反硝化作用降低土壤N2O的排放，椰殼生物質(zhì)炭降低N2O排放比例達(dá)91.7%，減排效果最顯著。在施氮條件下柳樹枝生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O的減排效果顯著低于小麥秸稈和椰殼生物質(zhì)炭。土壤CO2的排放通量與pH值、DOC含量均呈極顯著正相關(guān)，生物質(zhì)炭促進(jìn)了土壤CO2的排放，柳樹枝生物質(zhì)炭處理CO2的排放顯著高于其他處理。此外，外加氮源降低了土壤pH值，增加了土壤N2O的排放，但是對(duì)土壤DOC含量變化無顯著影響。

生物質(zhì)炭；N2O排放；CO2排放；pH；可溶性有機(jī)碳

近年來，由溫室氣體排放增加造成的氣候變暖問題引發(fā)持續(xù)關(guān)注，在過去100多年里，全球平均氣溫上升了0.65～1.06℃[1]。CO2作為最主要的溫室氣體對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)約為55%，而N2O增溫潛勢(shì)是CO2的296倍，并且工業(yè)化以來大氣中N2O的濃度從270 nL·L－1增加到 319 nL·L－1[2]。土壤是 N2O 的主要排放來源，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量施用氮肥促進(jìn)了N2O的排放，據(jù)統(tǒng)計(jì)農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)大氣中N2O的貢獻(xiàn)率超過60%[3]。茶樹是我國(guó)南方主要經(jīng)濟(jì)作物，種植面積大，但是存在管理模式不當(dāng)?shù)葐栴}，過量施肥造成土壤酸化，降低氮肥的利用效率，同時(shí)增加土壤碳氮排放[4]。因此，需要合理的土壤改良劑來改善茶園土壤性質(zhì)，減少溫室氣體排放。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)資源在厭氧或缺氧條件下，經(jīng)熱裂解炭化產(chǎn)生的高度芳香化結(jié)構(gòu)的難溶性固態(tài)物質(zhì)[5]。生物質(zhì)炭呈堿性，表面含有豐富的含氧官能團(tuán)可以與H+結(jié)合，能夠減輕土壤酸化，可作為優(yōu)異的土壤改良劑[6]。對(duì)生物質(zhì)炭最初的研究是利用其較高的含碳量，以實(shí)現(xiàn)土壤碳封存的目的，但是在研究過程中發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭能夠提高氮肥的使用效率，減少土壤中N2O的排放[7－8]。土壤溫室氣體的排放受到土壤pH以及有機(jī)碳、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量等因素的影響[9]。研究表明，生物質(zhì)炭通過影響土壤碳庫與氮庫特征從而影響土壤溫室氣體的排放[10]。

不同原料的生物質(zhì)炭在結(jié)構(gòu)性質(zhì)上有很大的差異，并且對(duì)土壤溫室氣體排放的影響也不同[11]。研究中，甘蔗渣生物質(zhì)炭抑制土壤碳氮的排放[12]，核桃殼生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O排放無顯著影響[13]，松木生物質(zhì)炭沒有顯著減低土壤溫室氣體排放[14]，而蘋果樹枝生物質(zhì)炭降低了土壤增溫潛勢(shì)[15]。目前有關(guān)生物質(zhì)炭對(duì)土壤溫室氣體減排的研究較多，但是針對(duì)茶園土壤的應(yīng)用研究還是不夠全面。因此，本試驗(yàn)采用原料為小麥秸稈、柳樹枝、椰殼3種生物質(zhì)炭，來探究不同生物質(zhì)炭對(duì)茶園酸化土壤的性質(zhì)及溫室氣體排放的影響，以期為區(qū)域茶園土壤改良及溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

土壤采自武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)茶園基地（30°28′N，114°22′E），該區(qū)域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，日照充足。茶園種植年限在20年以上，土壤母質(zhì)為花崗巖。用五點(diǎn)采樣法布點(diǎn)，采集土壤表層0～20 cm處的土樣，剔除可見碎石、動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)，混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室，取部分鮮樣儲(chǔ)存于－4℃條件下待用，其余土壤自然風(fēng)干后過2 mm篩，用于培養(yǎng)試驗(yàn)。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 生物質(zhì)炭

本試驗(yàn)中選用的小麥秸稈是我國(guó)北方主要農(nóng)業(yè)廢棄物，柳樹枝是木材加工的剩余枝條，椰子殼是來自南方熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品。3種原料均在500℃無氧裂解條件下制成生物質(zhì)炭，分別用B1、B2、B3表示，經(jīng)碾磨后過0.3 mm篩作為供試材料。生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)如表2所示。

1.3 培養(yǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)處理：無外源添加物處理（CK），添加小麥秸稈生物質(zhì)炭（B1）、柳樹枝生物質(zhì)炭（B2）、椰殼生物質(zhì)炭（B3），只施氮肥處理（N）、施氮肥和小麥秸稈生物質(zhì)炭（N+B1）、施氮肥和柳樹枝生物質(zhì)炭（N+B2）、施氮肥和椰殼生物質(zhì)炭（N+B3）。培養(yǎng)試驗(yàn)的每個(gè)培養(yǎng)瓶中裝入300 g土壤（干土），生物質(zhì)炭添加量為20 g·kg-1，采用尿素作為試驗(yàn)外加氮源，施氮量為100 mg·kg-1。每個(gè)處理做6次重復(fù)，其中3個(gè)用來采集氣體，另3個(gè)進(jìn)行破壞性取樣測(cè)定土壤理化指標(biāo)。

表2 生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)Table 2 Physicochemical properties of the biochars

將過篩后土壤的孔隙含水率（WFPS）調(diào)節(jié)至40%后活化7 d，消除干濕效應(yīng)并激活微生物?；罨Y(jié)束后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將生物質(zhì)炭、尿素和土壤裝入1 L的廣口培養(yǎng)瓶中混勻，加水調(diào)節(jié)至70%WFPS，每隔1 d通過測(cè)重法保持含水量，用保鮮膜覆蓋瓶口，同時(shí)在保鮮膜上留下小孔以便于氣體交換，在25℃下恒溫培養(yǎng)53 d。

1.4 樣品采集及測(cè)定方法

在 試 驗(yàn) 第 1、2、3、4、6、8、10、12、14、16、20、25、32、39、46、53 d 采集土壤氣體。采樣日上午 9：30 進(jìn)行氣體采集，采樣前保持瓶口暢通以與周圍空氣充分交換，之后用帶有兩支玻璃管的橡膠塞密封瓶口，其中一支管連接密封氣球置于瓶?jī)?nèi)，用來調(diào)節(jié)采樣瓶?jī)?nèi)的氣壓，另一支管連接導(dǎo)氣管用來采集瓶?jī)?nèi)氣體。橡膠塞完全密閉培養(yǎng)瓶后用夾子密封導(dǎo)氣管，保證整個(gè)裝置不漏氣，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，1 h后用帶有三通閥的注射器從導(dǎo)氣管抽取30 mL氣體。在試驗(yàn)第1、4、8、12、16、20、25、32、39、46、53 d 采集培養(yǎng)瓶中土壤用于分析土壤理化指標(biāo)，采樣時(shí)用取樣器均勻采取表面到底部的土壤以避免土層深度的影響。

采集后的氣體樣品用改進(jìn)的氣相色譜儀（Agilent 7890A）分析，N2O濃度用電子捕獲檢測(cè)器（ECD）測(cè)定，檢測(cè)器溫度為300℃，色譜柱為80/100目Porapak Q填充柱，柱箱溫度為55℃，用高純N2作為載氣，流速為25 cm3·min-1。CO2濃度用氫火焰離子檢測(cè)器（FID）測(cè)定，溫度200℃，色譜柱為60/80目Porapak Q填充柱，柱箱溫度為55℃，高純N2作載氣，載氣流速為25 cm3·min-1，鎳作催化劑，空氣和高純H2流速分別為 400 cm3·min-1和 40 cm3·min-1。通過標(biāo)準(zhǔn)氣體和待測(cè)氣體的峰面積比值來計(jì)算出樣品的濃度，標(biāo)準(zhǔn)氣體由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供。采用1 mol·L-1KCl浸提土壤1 h，用靛酚藍(lán)比色法（625 nm）和紫外雙波長(zhǎng)（220 nm和275 nm）分光光度計(jì)法測(cè)定土壤NH+4-N和NO-3-N含量。土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）含量測(cè)定：加水浸提土樣2 h，水土（鮮土）質(zhì)量比5∶1，之后用0.45 μm濾膜進(jìn)行過濾，濾液采用德國(guó)Elementer Vario TOC儀液體模塊測(cè)定。土壤全碳測(cè)定：將烘干土樣過100目篩，用錫紙包裹，采用德國(guó)Ele menter Vario TOC儀固體模塊測(cè)定。土壤微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸法測(cè)定。pH采用電位法測(cè)定，土壤水土質(zhì)量比 2.5∶1，生物質(zhì)炭為 10∶1。全氮（TN）測(cè)定采用半微量凱氏法。土壤機(jī)械組成用比重計(jì)法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

N2O 排放通量（μg N2O-N·kg-1·h-1）和 CO2排放通量（mg CO2-C·kg-1·h-1）按照下列公式計(jì)算：

式中：F為氣體排放通量；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O-N或CO2-C 的密度，分別為 1.258 kg·m-3和 0.535 kg·m-3；Δc/Δt為單位時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)氣體濃度增加量，N2O和 CO2濃度單位分別為 μg·kg-1·h-1和 mg·kg-1·h-1；V為培養(yǎng)瓶中氣體的有效空間體積，m3；W為培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)干土質(zhì)量，kg。

N2O和CO2累積排放量通過相鄰2次采樣的氣體平均排放通量與排放時(shí)間的乘積累加計(jì)算得出，計(jì)算公式如下：

式中：M代表土壤N2O和CO2累積排放量，μg·kg-1和mg·kg-1；F 代表土壤 N2O 和 CO2通量，μg·kg-1·h-1和mg·kg-1·h-1；i代表采樣次數(shù)；t代表培養(yǎng)時(shí)間，d。

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用SPSS 22進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncan多重比較檢驗(yàn)法分析處理間的差異，用Spearman相關(guān)研究法進(jìn)行數(shù)據(jù)間的相關(guān)性分析，顯著性水平設(shè)置為0.05。用Origin 8.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤N2O排放變化情況

圖1土壤N2O通量的動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Temporal dynamics of soil N2O flux

圖1 是試驗(yàn)期間土壤N2O通量隨時(shí)間的變化情況。培養(yǎng)過程中，前期N2O排放通量較高，之后逐漸下降，到培養(yǎng)結(jié)束時(shí)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。各處理之間表現(xiàn)出不同程度的差異，在施氮和未施氮處理中添加生物質(zhì)炭都顯著降低了N2O的排放峰值，秸稈和椰殼生物質(zhì)炭對(duì)N2O的減排作用較為明顯。從N2O排放通量變化來看，整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，除B2處理是第1 d排放量最高外，其他處理都是在第2 d或第3 d 達(dá)到峰值，N 處理的峰值最高，為 6.20 μg·kg-1·h-1。在CK和B2處理中添加氮素，N2O的排放峰值顯著提高，而對(duì)于B1和B3處理，添加氮素對(duì)N2O的排放峰值影響不顯著。

從N2O累積排放通量來看（圖2），處理N的N2O累積排放量最高，而B3處理排放量最低。未添加生物質(zhì)炭處理中，N處理N2O排放量顯著高于CK處理，表明添加氮素促進(jìn)了土壤N2O的排放。未加氮處理中，添加生物質(zhì)炭顯著降低土壤N2O的排放，3種生物質(zhì)炭間N2O累積排放量沒有顯著差異；在施氮處理中，添加生物質(zhì)炭也顯著降低土壤N2O的排放，但是3種生物質(zhì)炭的減排效果出現(xiàn)顯著差異，N+B2處理N2O累積排放量顯著高于N+B1、N+B3處理，柳樹枝生物質(zhì)炭減排效果降低。培養(yǎng)試驗(yàn)期間，B3處理減排效果最佳，與對(duì)照相比減少了91.7%，添加氮肥后，椰殼炭同樣到達(dá)最佳減排效果。

圖2不同處理土壤N2O累積排放量Figure 2 Cumulative emission of soil N2O in different treatments

2.2 土壤CO2排放變化情況

圖3 是試驗(yàn)期間CO2通量隨時(shí)間的變化情況。CO2排放通量整體呈下降趨勢(shì)，前期排放量高，各處理間呈現(xiàn)差異，后期排放量降低并達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，處理之間差異不顯著。與N2O的排放情況不同，添加生物質(zhì)炭增加了土壤CO2的排放。B2和N+B2處理中CO2通量峰值顯著高于其他處理，N+B2處理峰值最高為6.42 mg·kg-1·h-1。在施氮和未施氮條件下添加柳樹枝和椰殼生物質(zhì)炭處理CO2通量均在第1 d達(dá)到峰值，并且N+B2處理CO2與N2O排放峰值不同步，可能的原因是柳樹枝生物質(zhì)炭中可溶性有機(jī)碳含量高，分解迅速，而B3和N+B3處理CO2與N2O排放峰值不同步可能是由椰殼炭的吸附性能造成的。

圖3 土壤CO2通量動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Temporal dynamics of soil CO2flux

圖4 不同處理土壤CO2累積排放量Figure 4 Cumulative emission of soil CO2in different treatments

從CO2累積排放量看（圖4），培養(yǎng)期間N+B2處理CO2累積排放量最高為1 023.16 mg·kg-1，CK處理排放量最低為255.44 mg·kg-1。未加氮肥處理中，添加生物質(zhì)炭顯著增加土壤CO2的排放量，其中柳樹枝生物質(zhì)炭對(duì)土壤CO2排放的促進(jìn)作用最大，B1和B3處理土壤CO2排放量也顯著高于CK處理，但是兩者間差異不顯著。添加氮肥處理中，只有柳樹枝炭顯著促進(jìn)了土壤CO2排放，N+B1和N+B3處理土壤CO2排放量與N處理之間沒有顯著性差異。

2.3 土壤pH變化情況

添加生物質(zhì)炭后，土壤pH提高，柳樹枝生物質(zhì)炭處理pH值要顯著高于其他處理，對(duì)土壤的影響最大，培養(yǎng)過程中B2處理pH值最高為6.71（圖5）。培養(yǎng)初期CK處理pH值最低，N+B2處理最高，隨著培養(yǎng)進(jìn)行，各處理土壤pH值呈下降趨勢(shì)，施氮肥處理pH值下降更快，在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，除B2外，施用同種生物質(zhì)炭條件下加氮處理pH值要低于未加氮對(duì)照處理，N處理pH值最低，為3.93。

圖5不同處理土壤pH的動(dòng)態(tài)變化Figure 5 Temporal dynamics of soil pH value in different treatments

2.4 土壤礦質(zhì)氮含量變化情況

圖6 是試驗(yàn)期間土壤礦質(zhì)氮含量隨時(shí)間的變化情況。外加氮源能夠顯著影響土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量變化。未加氮處理中，土壤礦質(zhì)氮主要來自原有機(jī)質(zhì)礦化，沒有其他氮源，土壤NH+4-N含量不高，并且培養(yǎng)過程中含量也在緩慢下降。在添加氮肥處理中，由于尿素分解釋放大量NH+4-N，土壤NH+4-N含量急劇上升，在前期含量高于未施氮處理。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，礦質(zhì)氮類型在發(fā)生變化，土壤NH+4-N含量逐漸下降，到培養(yǎng)結(jié)束，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，除N處理NH+4-N含量較高為21.6 mg·kg-1，其他處理都是在較低的水平。

圖6 土壤NH+4-N和NO-3-N含量動(dòng)態(tài)變化Figure 6 Temporal dynamics of soil NH+4-N and NO-3-N contents

由于土壤中礦質(zhì)氮類型的轉(zhuǎn)化，土壤NO-3-N含量變化趨勢(shì)與NH+4-N相反呈上升狀態(tài)。在培養(yǎng)開始時(shí)，各處理土壤NO-3-N含量基本一致，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，NO-3-N含量不斷增加，到試驗(yàn)結(jié)束達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，施氮處理土壤NO-3-N含量要高于未施氮處理，其中N+B2處理NO-3-N含量最高，為194.1 mg·kg-1。

2.5 土壤DOC含量變化情況

如圖7所示，土壤中的含量隨著培養(yǎng)進(jìn)行均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，培養(yǎng)開始時(shí)，B2處理中DOC含量最高為105.1 mg·kg-1。不同生物質(zhì)炭處理存在顯著差異，與CK處理相比，B2處理顯著增加了土壤中DOC含量，B3處理中DOC含量要低于CK處理，B1處理中DOC含量與CK處理之間無顯著差異。整個(gè)培養(yǎng)過程中，B2處理DOC平均含量相對(duì)于CK處理增加了95.6%，而B3處理DOC則降低了36.1%。在添加相同生物質(zhì)炭條件下，施氮肥與未施氮肥處理土壤DOC含量差異不顯著，表明施氮肥對(duì)土壤DOC含量無影響。

2.6 土壤MBC情況

圖7 土壤DOC含量動(dòng)態(tài)變化Figure 7 Temporal dynamics of soil DOC contents

圖8不同處理土壤MBC含量Figure 8 Soil MBC content in different treatments

圖8 是培養(yǎng)試驗(yàn)?zāi)┢诓煌幚硗寥繫BC含量，范圍為 59.8～146.4 mg·kg－1，其中 B2 處理土壤MBC含量最高。在施氮和未施氮處理中，只有柳樹枝生物質(zhì)炭顯著增加了土壤MBC含量，椰殼炭處理土壤MBC含量低于未添加生物質(zhì)炭處理，但是差異不顯著。

2.7 土壤氣體排放與影響因子的關(guān)系

從表3可以得出，生物質(zhì)炭類型對(duì)CO2、N2O、pH、DOC、MBC的影響有顯著差異，施氮肥對(duì)CO2、N2O、pH的影響顯著，對(duì)DOC、MBC的影響不顯著，生物質(zhì)炭類型與施氮交互作用對(duì)CO2、N2O、pH影響顯著。

表3 各因素及其交互作用對(duì)土壤性質(zhì)和氣體排放影響的顯著性分析Table 3 Statistical analysis for the effects of biochar type，N，and their interactions on soil properties and gas emissions

從表4可以得出，CO2排放通量與土壤DOC、pH呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與NO－3－N含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與NH+4－N含量不相關(guān)。N2O排放通量與土壤DOC、NH+4－N呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與NO－3－N呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與pH無顯著相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對(duì)土壤性質(zhì)的影響

土壤有機(jī)碳含量是評(píng)價(jià)土壤肥力的關(guān)鍵指標(biāo)，其中DOC是土壤活性有機(jī)碳的重要組成部分，能夠被土壤微生物直接利用，對(duì)土壤中各元素的循環(huán)、遷移具有重要影響[16]。研究表明生物質(zhì)炭能夠通過兩方面提高土壤DOC含量：一方面生物質(zhì)炭可能導(dǎo)致土壤原有機(jī)碳中弱酸性官能團(tuán)的去質(zhì)子化，提高活性有機(jī)碳的親水性從而增加了土壤有機(jī)碳的溶解性；另一方面生物質(zhì)炭本身可以釋放出大量活性物質(zhì)[17－18]。Laird等[19]的研究也發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭中含有一部分活性成分，施入土壤后可釋放出各種有機(jī)分子，在很大程度上影響土壤DOC含量。本研究中柳樹枝生物質(zhì)炭中DOC含量高，添加到土壤后，這部分活性有機(jī)碳進(jìn)入土壤，不僅提高了土壤中DOC含量，而且對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生了很大的影響。與柳樹枝炭不同，本研究中椰殼生物質(zhì)炭中DOC含量低，施用后降低了土壤DOC含量，此外很多研究中證實(shí)以椰子殼作為原料制成的生物質(zhì)炭吸附性能強(qiáng)，吸附固定了土壤有機(jī)碳中可溶解的部分，從而減少了DOC含量[20]。本試驗(yàn)也設(shè)置了施氮肥處理，但是添加氮素后土壤DOC含量沒有顯著變化。有研究表明，施用化學(xué)肥料能夠?qū)ν寥繢OC產(chǎn)生一定的影響，但是化學(xué)肥料的施用對(duì)土壤DOC的影響遠(yuǎn)小于外源有機(jī)物的添加[21]。

生物質(zhì)炭可以改善土壤性質(zhì)，與大多數(shù)研究結(jié)果一致，添加生物質(zhì)炭增加了酸化土壤pH值[6]。一方面，生物質(zhì)炭中含有大量堿基離子，使生物質(zhì)炭呈堿性，可以增加酸性土壤pH值。另一方面，生物質(zhì)炭表面含有豐富的-COO-（-COOH）和-O-（-OH）等含氧官能團(tuán)，可以與土壤中致酸離子結(jié)合，從而改善酸性土壤的酸堿狀況[22]。本試驗(yàn)采用茶園土壤，由于茶樹特殊的生長(zhǎng)習(xí)性，土壤中鋁離子含量逐年增加，鋁離子水解產(chǎn)生H+，使茶園土壤不斷酸化[23]。由于生物質(zhì)炭中有機(jī)質(zhì)含量高，表面的含氧官能團(tuán)可以與鋁離子形成穩(wěn)定的配合物或螯合物，從而提高酸化茶園土壤的pH[24]。試驗(yàn)中3種生物質(zhì)炭處理在不同程度上提高了土壤的pH值，其中柳樹枝生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH的提高效果要優(yōu)于秸稈和椰殼生物質(zhì)碳，可能的原因是柳樹枝生物質(zhì)炭中DOC含量高，有機(jī)陰離子含量更加豐富。研究表明，有機(jī)陰離子能夠通過脫羧反應(yīng)中和土壤中的H+，因此添加生物質(zhì)炭可顯著提高茶園土壤pH，此外，土壤pH的變化受到生物質(zhì)炭中有機(jī)陰離子含量和解離程度的影響[25]。

表4 土壤氣體排放與土壤性質(zhì)因子的相關(guān)性（n=11）Table 4 Correlation between soil gas emissions and soil properties（n=11）

3.2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O排放的影響

大多數(shù)研究表明，在土壤中添加生物質(zhì)炭可以減少N2O排放[8]。本研究中3種不同原料的生物質(zhì)炭都顯著降低了土壤N2O的排放。土壤中N2O的產(chǎn)生主要是受硝化和反硝化作用兩種機(jī)制控制，硝化和反硝化作用的進(jìn)行需要硝化菌和反硝化菌等多種相關(guān)微生物的參與[26]。反硝化作用是在無氧條件下NO-3被反硝化菌逐步還原成N2的過程，脫硝過程中會(huì)有中間產(chǎn)物N2O產(chǎn)生[27]。此次研究中土壤N2O通量與硝態(tài)氮含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，硝態(tài)氮含量越高，N2O通量越低，表明添加生物質(zhì)炭抑制了土壤反硝化過程產(chǎn)生N2O。Rogovska等[28]研究也表明，生物質(zhì)炭增加土壤通氣性，抑制反硝化作用的進(jìn)行，從而降低土壤N2O排放。土壤反硝化作用過程中產(chǎn)生的NO、N2O和N2的相對(duì)量還與土壤pH、通氣狀況和有機(jī)質(zhì)含量等有關(guān)[29]。在土壤中施入生物質(zhì)炭能提高土壤的pH（圖5），這會(huì)影響參與反硝化過程相關(guān)酶活性。同時(shí)，反硝化作用進(jìn)行還需要微生物有足夠的可利用碳源，生物質(zhì)炭可以通過改變土壤DOC含量，直接影響反硝化過程[30]。

本試驗(yàn)中施肥采用的是酰胺態(tài)氮肥，通過土壤中礦質(zhì)氮含量變化發(fā)現(xiàn)硝化作用強(qiáng)烈，并且N2O通量與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)，表明在這種土壤條件下N2O的產(chǎn)生主要是由硝化作用引起。硝化作用產(chǎn)生N2O的途徑有兩種：一是氨氧化成亞硝酸階段，有副產(chǎn)物N2O產(chǎn)生；二是亞硝酸被氧化為硝酸階段，在氧氣不足的條件下發(fā)生歧化反應(yīng)產(chǎn)生N2O[27]。此次試驗(yàn)添加生物質(zhì)炭后土壤N2O排放顯著降低。有研究也發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭能夠增加土壤的通氣性，提高氧氣含量，通過影響土壤硝化作用減少土壤N2O的排放[31]。研究表明，土壤中參與硝化作用的氨氧化細(xì)菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）等微生物的活性受到土壤pH、活性有機(jī)碳含量等因素的影響[32]。生物質(zhì)炭可以通過吸附作用減少微生物活動(dòng)所需要的活性碳源底物，影響氨氧化菌等異養(yǎng)微生物的活性，從而抑制硝化作用的進(jìn)行[33]。本試驗(yàn)中，椰殼生物質(zhì)炭具有良好的吸附性能，對(duì)硝化作用的影響更大，因此椰殼生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O的減排作用優(yōu)于柳樹枝和秸稈炭。此外，硝化作用同時(shí)受到底物的影響，在添加氮肥的處理中，土壤中高含量的銨態(tài)氮為硝化作用提供了充足底物，N2O的排放均有所增加。土壤硝化和反硝化作用都受到土壤活性碳源的影響，而柳樹枝生物質(zhì)炭處理中DOC含量高，微生物可利用的碳源充足，并且在高氮條件下硝化和反硝化底物不受限制，因此在施氮肥后，柳樹枝生物質(zhì)炭對(duì)N2O的抑制作用有所降低[34]。

3.3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤碳排放的影響

生物質(zhì)炭含碳量高，施加到土壤中可以增加土壤有機(jī)碳含量，但是生物質(zhì)炭是否促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化一直存在爭(zhēng)議。Jiang等[35]的研究中生物質(zhì)炭抑制了土壤有機(jī)碳的分解，降低了CO2的排放。而一些研究則表明添加生物質(zhì)炭可在短期內(nèi)增加土壤CO2的排放[36-37]。Luo等[38]在土壤中添加350℃條件下制備的芒草生物質(zhì)炭，結(jié)果表明其促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的礦化，增加CO2的排放。本研究中，添加生物質(zhì)炭增加了土壤CO2的排放，但是3種不同原料的生物質(zhì)炭對(duì)土壤碳排放的影響存在差異，柳樹枝生物質(zhì)炭對(duì)土壤CO2排放的促進(jìn)作用要顯著高于秸稈和椰殼炭。在施加生物質(zhì)炭的土壤中，土壤排放的CO2主要來源有兩部分，一部分是由土壤原有機(jī)碳分解而排放，另一部分則來自于生物質(zhì)炭中活性有機(jī)碳的礦化。通過對(duì)不同處理土壤性質(zhì)變化的分析發(fā)現(xiàn)，土壤DOC含量與CO2通量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，并且大量研究也表明，土壤中CO2的排放主要取決于DOC含量變化[39]。本試驗(yàn)中柳樹枝生物質(zhì)炭處理中DOC含量高于其他處理，是造成土壤CO2排放顯著增加的原因。從土壤中向大氣中釋放的CO2來自土壤微生物對(duì)DOC的分解，土壤微生物的活性與數(shù)量是土壤有機(jī)質(zhì)分解快慢的重要影響因素[40]。由于茶園土壤的酸化，可能會(huì)影響到微生物的活性，添加生物質(zhì)炭，提高土壤pH，使微生物的活性增強(qiáng)，促進(jìn)呼吸作用[41]。在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，土壤MBC含量出現(xiàn)差異，柳樹枝生物質(zhì)炭處理中MBC增加，土壤中微生物數(shù)量高于其他處理，因此，土壤CO2排放顯著增加。

4 結(jié)論

（1）施加生物質(zhì)炭有利于提高酸化茶園土壤pH值，柳樹枝生物質(zhì)炭提高土壤pH的效果要優(yōu)于小麥秸稈和椰殼炭。3種不同原料生物質(zhì)炭對(duì)土壤DOC含量的影響效果存在差異，柳樹枝生物質(zhì)炭顯著提高土壤DOC含量，椰殼生物質(zhì)炭降低土壤DOC含量，小麥秸稈炭則影響不顯著。

（2）生物質(zhì)炭降低土壤N2O的排放，其中椰殼生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O的減排效果最佳，在施氮條件下柳樹枝生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O的減排效果顯著低于小麥秸稈和椰殼生物質(zhì)炭。

（3）土壤CO2排放通量與DOC含量、pH呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，生物質(zhì)炭促進(jìn)了土壤CO2的排放，柳樹枝生物質(zhì)炭處理CO2的排放顯著高于其他處理。

（4）施氮肥降低了土壤pH值，增加了土壤N2O的排放，但是對(duì)土壤DOC含量變化幾乎無影響。

致謝：試驗(yàn)所用的土壤采自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院趙華老師做長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的茶園基地，對(duì)趙老師在土壤采集過程中提供的幫助，特此感謝。

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Effects of different biochars on N2O and CO2emission from acidified tea field soil

SUN Yun1,HE Zhi-long1,LIN Shan1*,ZHANG Shui-qing1,2*,LIU Wei-yang3
（1.College of Recourses and Environment,Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation in Middle and Lower Reaches of Yangtze River,Ministry of Agriculture,Wuhan 430070,China;2.Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources Science,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China;3.College of Plant Science and Technology,Tarim University,Alar 843300,China）

An incubation experiment was conducted to determine the effects of the addition of three kinds of biochars（wheat straw,willow branches,and coconut shell）on acidified tea field soil properties and greenhouse gas emissions.In this experiment,the amount of biochar was 20 g·kg-1,whereas urea was used as an additional nitrogen source for nitrogen fertilizer treatment at the rate of 100 mg·kg-1.The results showed that biochar addition was beneficial to improve the pH value of acidified tea field soil,and the soil pH of the willow biochar addition treatment was 6.71,which was significantly higher than that of the other treatments.Significant differences were noted between the biochar treatments for soil dissolved organic carbon（DOC）content.Compared with that of the control treatment,the soil DOC content increased by 95.6%in the willow biochar treatment and decreased by 36.1%in the coconut shell biochar treatment,whereas no significant differencein DOC was noted in wheat straw biochar（P＞0.05）.The reduction of soil nitrification and denitrification rate caused by biochar application might have reduced soil N2O emissions,and the application of coconut shell biochar reduced N2O emissions to 91.7%,which was the most significant reduction.When combined with nitrogen application,willow biochar treatment caused significantly higher N2O emissions than those from the other biochar treatments.Compared with N2O emissions in wheat straw and coconut shell biochar treatments,the N2O emissions in willow biochar treatment were considerably more sensitive to nitrogen addition.Biochar addition promoted CO2emission from the soil,with the highest CO2emissions from the willow biochar treatment and soil CO2fluxes having significant positive correlation with pH value and DOC contents.Moreover,nitrogen addition reduced the soil pH value and increased N2O emission,but had no significant effect on soil DOC content.

biochar;N2O emission;CO2emission;pH;dissolved organic carbon

X511

A

1672-2043（2017）12-2544-09

10.11654/jaes.2017-0845

孫 贇，何志龍，林 杉，等.不同生物質(zhì)炭對(duì)酸化茶園土壤N2O和CO2排放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（12）：2544-2552.

SUN Yun,HE Zhi-long,LIN Shan,et al.Effects of different biochars on N2O and CO2emission from acidified tea field soil[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（12）:2544-2552.

2017－06－13 錄用日期：2017－09－01

孫 贇（1993—），男，河南南陽人，碩士研究生，主要從事農(nóng)田溫室氣體研究。E－mail：290804185＠qq．com

* 通信作者：林 杉 E－mail：linshan＠m(xù)ail．hzau．edu．cn；張水清 E－mail：zsq510＠163．com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41201255，41561068）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0301103，2016YFD0200109）；中央高?；究蒲谢痦?xiàng)目（2662016PY098）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（41201255，41561068）；The National Basic Research Program of China（2017YFD0-301103，2016YFD0200109）；The Fundamental Research Funds for the Central Universities（2662016PY098）