生物炭对水稻产量及土壤理化性质和温室气体浓度的影响
本实验重点研究了我国稻田土壤在联合施用氮肥和小麦秸秆生物炭后，土壤剖面中CH4、N2O的分布规律；而后评估了土壤的理化性质及水稻总产量，为生物炭在减缓全球气候变化及农业生产中的推广应用提供科学依据。试验设置了空白对照（N0B0）、单施生物炭（N0B1）、单施氮肥（N1B0）以及氮肥生物炭联合施用（N1B1）共四个处理，田间原位观测氮肥配施生物炭对稻田土壤CH4和N2O浓度和分布和土壤理化性质及产量的影响。结果表明，施氮肥能显著增加水稻土壤CH4浓度和N2O浓度，还能降低稻田土壤pH值和增加产量；氮肥配施生物炭相对于单施氮肥能显著增加土壤养分和水稻产量并显著降低土壤CH4浓度，但对土壤N2O浓度无显著影响。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
引言3
1材料与方法4
1.1试验地点 4
1.2试验设计管理 5
1.3气体采集与测定5
图1 采集气体装置样板图5
1.4 土壤样品测定5
1.5 数据处理与分析5
2 结果与分析6
2.1 生物炭和氮肥施用对水稻土壤剖面CH4浓度的影响6图2 水稻土壤剖面不同处理CH4含量的动态变化6
表1 不同处理对水稻土壤剖面中平均CH4含量的影响7
表2水稻土壤7 和15 cm处CH4浓度双因子方差分析7
2.2 施用氮肥和生物炭对稻田土壤N2O浓度的影响7图3水稻土壤剖面不同处理N2O含量的动态变化8
表3不同处理对水稻土壤剖面中平均N2O含量的影响8
2.3 施用氮肥和生物炭对稻田土壤理化性质和产量的影响 9图4氮肥配施生物炭对土壤理化性质及水稻产量的影响9
3讨论 9
3.1 氮肥与生物炭的联合施用对稻田土壤CH4浓度的影响9
3.2 氮肥配施生物炭对稻田土壤N2O 浓度的影响 9
3.3 氮肥配施生物炭对稻田土壤理化性质和产量的影响10
4结论10
致谢11
参考文献12
生物炭对水稻产量及土壤理化 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
性质和温室气体浓度的影响
引言
甲烷是重要的温室气体，从全球范围内来看，稻田是甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的重要排放源，甲烷（CH4） 的排放量在淹水稻田中占到了全球总排放量的5% ~ 19% [1]，甲烷（CH4）的研究对于温室气体减排有重要意义。人类的农业活动往大气中排放了巨量的CH4 和N2O。稻田N2O的排放表现为旱季多于雨季，旱季排放占我国农业总排放量的30% [2]，在水稻生长期，烤田操作能极大提高N2O的排放[3]。中国是世界农业大国，拥有约1.2×109公顷的耕地面积，其中水稻种植面积占约23%，是世界水稻种植面积的20%[4]。在我国华东地区，稻田轮作系统是最典型的农业种植方式，研究稻田土壤温室气体的产生和排放现已成为应对气候变化的研究热点。
生物炭是通过有机原料木屑、有机废弃物、城市垃圾、畜禽粪便等在厌氧或无氧条件下进行高温热分解，除生成的CO2、可燃性气体、挥发性物质和焦油类物质外的含碳丰富的难熔性固体[5]。生物炭的稳定性极高，并具有强大的吸附能力 [6]。综合作物产量与温室效应的温室气体强度研究现已成为综合评估农田管理措施的研究趋势和热点，研究前景非常广阔。同时，国内外与此相关的研究成果也表明，生物炭进入农田土壤后可以在许多方面改变土壤的理化性质，对提高肥料利用效率、增加农作物产量和促进农业可持续发展等方面都具有重要作用。生物炭的功能主要是增加作物产量，其原理是增加土壤的碳储量并提供植物生长所需的一系列营养素如钙、镁、磷、氮[7]。我国科学家章明奎[8]曾发现生物炭能够抑制稻田土壤CH4的排放。生物炭进入土壤后，通过改变土壤微生物群落的结构和数量来影响土壤CH4的产生与排放[9]。进一步分析可知：生物炭对于稻田土壤CH4排放的影响归因于影响甲烷氧化菌丰度和产甲烷菌与甲烷氧化菌的比值。R等室内盆栽试验的数据表明，向种牧草和大豆的土壤中加入2 kgm2生物质炭后，CH4 排放通量减少了五分之一（20.4%）[10]。生物质炭对土壤N2O排放的影响是通过对土壤有机氮的矿化、吸附吸收和释放来实现的[11]。生物炭不仅易获取，而且结构还具有多样性。生物炭含有有机还原物和金属离子，从而可以很好的对N2O进行非生物还原 [12]。综上所述，生物炭凭借增产和固碳减排的优势成为农业应用领域的一颗新星。
对于土壤温室气体排放状况的监测通常使用静态箱法，该法是依据气体浓度与时间的变化斜率来计算排放通量。静态箱法简单易行，操作简单，但却对检测对象有不同程度的干扰，造成结果的不稳定性[13]。而且，这种监测方法容易受到特殊天气的干扰，在极度寒冷的天气下，监测被迫终止[14]。对稻田生态系统CH4和N2O的研究主要集中在地表排放规律，而对于土壤剖面CH4和N2O的研究也只是集中在不同区域旱地土壤或室内原状土柱培养实验中[15]。在土壤剖面中，CH4和N2O的地气交换过程容易受时空变异性的影响，这是因为二者容易被反应所消耗，也易在土层中扩散 [16]。对生物炭的研究有助于了解土壤剖面中CH4和N2O的库、源、汇及其各种反应机制，并帮助我们了解生物炭对二者减排的原因，为固碳减排提供科学依据。
基于国内外对土壤CH4和N2O研究进展，以典型水稻种植制度稻麦轮作为研究对象，于2014年进行实验，对水稻生长期的土壤配施不同浓度的生物炭肥料，田间原位研究施用氮肥和生物炭对土壤温室气体分布的影响；对作物产量和土壤理化性质进行数据分析，了解生物炭的实际效用，为生物炭在的综合利用提供科学依据。
1 材料与方法
1．1 试验地点
本研究的田间试验于2013年6月至2015年5月底在中国江苏省南京市秣陵镇（31o58′N，118o48′E）进行。华东地区属于典型的亚热带季风气候，年均降水量约为1050.2mm，年均气温约为15.6℃，年均日照时间约为2048.9h，全年无霜期为224天左右，当地稻田耕作体系为水旱轮作体系，主要为单季稻小麦轮作体系。试验田土壤类型属于典型的水稻土壤，土壤质地为粉砂性粘壤土，由14%粘粒，6%砂粒和80%的粉粒构成[17]。本实验用的生物炭为小麦秸秆的高温低氧发酵产物。
1．2 试验设计及管理
试验田面积为4 m × 5 m = 20 m2，每组灌排水系统相互独立。试验共设4个处理，即：N0B0（空白对照）、N0B1（20 thm2生物炭）、N1B0（氮肥）、N1B1（氮肥+20 thm2生物炭）。
水稻以苗床育秧移栽的方式种植；水分管理按照淹水烤田复水落干的模式进行给水。水稻2014年6 月11 日插秧， 11 月4 日收获，共153 d。所有处理都在水稻插秧时一次性施入钙镁磷肥和氯化钾作为基肥，施用量分别为钙镁磷肥（以P2O5计）60 kghm2 和氯化钾（以K2O计）120 kghm2。施氮处理分基肥和两次追肥施用，分别在2014年7月12日和2014年8月20日追肥；烤田期为2014年7月21日至7月28日，持续一个星期。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
引言3
1材料与方法4
1.1试验地点 4
1.2试验设计管理 5
1.3气体采集与测定5
图1 采集气体装置样板图5
1.4 土壤样品测定5
1.5 数据处理与分析5
2 结果与分析6
2.1 生物炭和氮肥施用对水稻土壤剖面CH4浓度的影响6图2 水稻土壤剖面不同处理CH4含量的动态变化6
表1 不同处理对水稻土壤剖面中平均CH4含量的影响7
表2水稻土壤7 和15 cm处CH4浓度双因子方差分析7
2.2 施用氮肥和生物炭对稻田土壤N2O浓度的影响7图3水稻土壤剖面不同处理N2O含量的动态变化8
表3不同处理对水稻土壤剖面中平均N2O含量的影响8
2.3 施用氮肥和生物炭对稻田土壤理化性质和产量的影响 9图4氮肥配施生物炭对土壤理化性质及水稻产量的影响9
3讨论 9
3.1 氮肥与生物炭的联合施用对稻田土壤CH4浓度的影响9
3.2 氮肥配施生物炭对稻田土壤N2O 浓度的影响 9
3.3 氮肥配施生物炭对稻田土壤理化性质和产量的影响10
4结论10
致谢11
参考文献12
生物炭对水稻产量及土壤理化 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
性质和温室气体浓度的影响
引言
甲烷是重要的温室气体，从全球范围内来看，稻田是甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的重要排放源，甲烷（CH4） 的排放量在淹水稻田中占到了全球总排放量的5% ~ 19% [1]，甲烷（CH4）的研究对于温室气体减排有重要意义。人类的农业活动往大气中排放了巨量的CH4 和N2O。稻田N2O的排放表现为旱季多于雨季，旱季排放占我国农业总排放量的30% [2]，在水稻生长期，烤田操作能极大提高N2O的排放[3]。中国是世界农业大国，拥有约1.2×109公顷的耕地面积，其中水稻种植面积占约23%，是世界水稻种植面积的20%[4]。在我国华东地区，稻田轮作系统是最典型的农业种植方式，研究稻田土壤温室气体的产生和排放现已成为应对气候变化的研究热点。
生物炭是通过有机原料木屑、有机废弃物、城市垃圾、畜禽粪便等在厌氧或无氧条件下进行高温热分解，除生成的CO2、可燃性气体、挥发性物质和焦油类物质外的含碳丰富的难熔性固体[5]。生物炭的稳定性极高，并具有强大的吸附能力 [6]。综合作物产量与温室效应的温室气体强度研究现已成为综合评估农田管理措施的研究趋势和热点，研究前景非常广阔。同时，国内外与此相关的研究成果也表明，生物炭进入农田土壤后可以在许多方面改变土壤的理化性质，对提高肥料利用效率、增加农作物产量和促进农业可持续发展等方面都具有重要作用。生物炭的功能主要是增加作物产量，其原理是增加土壤的碳储量并提供植物生长所需的一系列营养素如钙、镁、磷、氮[7]。我国科学家章明奎[8]曾发现生物炭能够抑制稻田土壤CH4的排放。生物炭进入土壤后，通过改变土壤微生物群落的结构和数量来影响土壤CH4的产生与排放[9]。进一步分析可知：生物炭对于稻田土壤CH4排放的影响归因于影响甲烷氧化菌丰度和产甲烷菌与甲烷氧化菌的比值。R等室内盆栽试验的数据表明，向种牧草和大豆的土壤中加入2 kgm2生物质炭后，CH4 排放通量减少了五分之一（20.4%）[10]。生物质炭对土壤N2O排放的影响是通过对土壤有机氮的矿化、吸附吸收和释放来实现的[11]。生物炭不仅易获取，而且结构还具有多样性。生物炭含有有机还原物和金属离子，从而可以很好的对N2O进行非生物还原 [12]。综上所述，生物炭凭借增产和固碳减排的优势成为农业应用领域的一颗新星。
对于土壤温室气体排放状况的监测通常使用静态箱法，该法是依据气体浓度与时间的变化斜率来计算排放通量。静态箱法简单易行，操作简单，但却对检测对象有不同程度的干扰，造成结果的不稳定性[13]。而且，这种监测方法容易受到特殊天气的干扰，在极度寒冷的天气下，监测被迫终止[14]。对稻田生态系统CH4和N2O的研究主要集中在地表排放规律，而对于土壤剖面CH4和N2O的研究也只是集中在不同区域旱地土壤或室内原状土柱培养实验中[15]。在土壤剖面中，CH4和N2O的地气交换过程容易受时空变异性的影响，这是因为二者容易被反应所消耗，也易在土层中扩散 [16]。对生物炭的研究有助于了解土壤剖面中CH4和N2O的库、源、汇及其各种反应机制，并帮助我们了解生物炭对二者减排的原因，为固碳减排提供科学依据。
基于国内外对土壤CH4和N2O研究进展，以典型水稻种植制度稻麦轮作为研究对象，于2014年进行实验，对水稻生长期的土壤配施不同浓度的生物炭肥料，田间原位研究施用氮肥和生物炭对土壤温室气体分布的影响；对作物产量和土壤理化性质进行数据分析，了解生物炭的实际效用，为生物炭在的综合利用提供科学依据。
1 材料与方法
1．1 试验地点
本研究的田间试验于2013年6月至2015年5月底在中国江苏省南京市秣陵镇（31o58′N，118o48′E）进行。华东地区属于典型的亚热带季风气候，年均降水量约为1050.2mm，年均气温约为15.6℃，年均日照时间约为2048.9h，全年无霜期为224天左右，当地稻田耕作体系为水旱轮作体系，主要为单季稻小麦轮作体系。试验田土壤类型属于典型的水稻土壤，土壤质地为粉砂性粘壤土，由14%粘粒，6%砂粒和80%的粉粒构成[17]。本实验用的生物炭为小麦秸秆的高温低氧发酵产物。
1．2 试验设计及管理
试验田面积为4 m × 5 m = 20 m2，每组灌排水系统相互独立。试验共设4个处理，即：N0B0（空白对照）、N0B1（20 thm2生物炭）、N1B0（氮肥）、N1B1（氮肥+20 thm2生物炭）。
水稻以苗床育秧移栽的方式种植；水分管理按照淹水烤田复水落干的模式进行给水。水稻2014年6 月11 日插秧， 11 月4 日收获，共153 d。所有处理都在水稻插秧时一次性施入钙镁磷肥和氯化钾作为基肥，施用量分别为钙镁磷肥（以P2O5计）60 kghm2 和氯化钾（以K2O计）120 kghm2。施氮处理分基肥和两次追肥施用，分别在2014年7月12日和2014年8月20日追肥；烤田期为2014年7月21日至7月28日，持续一个星期。
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