炭基肥施用对旱地土壤综合温室效应的影响
摘要：由于生物质炭农田应用具有显著的作物增产及温室气体减排效应，近年来受到国内外研究者的普遍关注，然而，炭基肥对土壤温室气体排放的研究还相对不足。本研究以河南褐土为研究对象，田间设置六种炭基肥施用模式（NF、CF、 CBFN1、CBFN2、CBFN3、CBFN），研究炭基肥施用方式对土壤温室气体排放的影响以及对玉米产量的影响，结果表明，与CF相比，全量炭基肥显著增加玉米产量10.29%，氮素利用率提高了43.4%。不同施肥模式对温室气体的排放动态无显著影响，然而，全量炭基肥有显著降低N2O排放的趋势，尽管各施肥处理间的GWP无显著变化，但由于产量效应不同，全量炭基肥施用相对于单施化肥处理显著降低GHGI12.03%，因此，本研究结果为评价炭基肥对农业增汇减排、提高化肥利用效率、稳定和提高作物产量提供一定的依据。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
引言4
1材料与方法4
1.1试验地概况 4
1.2供试材料5
1.3试验设计5
1.4样品采集与测定方法6
1.4.1气体采集与测定6
1.4.2玉米样品采集与产量测定6
1.5数据处理与统计分析7
2结果与分析7
2.1炭基肥施用下土壤温室气体排放动态7
2.2炭基肥施用下土壤综合温室效应的变化8
2.3炭基肥施用下对玉米产量及氮素农学利用率变化8
3讨论9
3.1施用炭基肥对温室气体排放、GWP及GHGI的影响9
3.2 炭基肥施用对作物产量的影响10
4结论10
5不足与展望10
致谢11
参考文献12
炭基肥施用对旱地土壤综合温室效应的影响
环境工程121班 熊旭东
引言
引言
如今，以全球变暖为特征的气候变化和粮食安全已成为世界关注
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
的焦点问题，温室气体排放量的增加以及产生的温室效应是引起气候变化的主要原因。农业活动的所产生的温室气体是大气温室气体的一个重要来源。在全球温室气体总收支中占有相当大的比重，因此也在全球气候变化中扮演着举足轻重的角色。2005年，农业生产中排放的温室气体达1.4~1.7 GtC，占总的人为温室气体排放的10~12%，其中N2O和CH4的排放分别为0.76 GtC和0.90 GtC，分别占总的N2O和CH4排放的58%和47%[1]。如何在农业生产中在维持甚至提高农作物产量的基础上，降低温室气体的排放量，减少生产资料的消耗，推动农业生产向绿色减排，是当前农业生产面临的主要课题。
我国农业大国的地位决定了每年有大量的作物秸秆等农业废弃物的产生，秸秆类作物每年约有 3.7亿吨闲置，由于地域的差异，其中有1~50%的秸秆被焚烧，其排放的CO2、CH4和NOX分别占2000年中国总排放的6.13%、0.68%和3.63%[2]。随着生物质炭研究的兴起，秸秆转化为生物质炭进行还田成为解决秸秆困局的主要途径，通过评估生命周期的方法，Woolf等评估了秸秆的不同再利用方式，其中作为生物质炭还田最多可以避免1.0~1.8 PgCO2e yr1[3]。随着生物质炭深入研究，炭基肥作为新兴肥料被进行研究， 炭基肥指的是将生物质炭与其他化学肥料按照一定的比例混合，混合制成的一种新型肥料，其与传统肥料的不同之处在于加入了生物质炭。生物质炭是指农业废弃物（如秸秆等）在无氧条件下高温（350550℃）热解后的固态产物的统称，主要由碳、氢、氧等元素组成，其主要标志是较高的含碳量(约70%～80%)[35]。近年来，相关研究表明，施用炭基肥可以对土壤温室气体如CO2，CH4和N2O等的排放具有一定的影响作用[46]，但相关研究结果不尽相同。Spokas等提出施用炭基肥之后，土壤的乙烯等物质浓度提高，从而对硝化细菌和甲烷氧化菌的活动产生一定程度的影响，削弱了CH4的氧化并使N2O的释放减少，但是CO2的排放不受影响[7]。Yanai通过室内试验，表明，施用炭基肥之后，土壤的N2O排放量缩减为对照组的十分之一，生物质炭可以显著减少土壤N2O的释放[8]。在作物产量方面，Khan等的研究表明，施用炭基肥的肥效与单纯使用普通化学肥料相比明显提升，这与生物质炭和化学肥料两者之间的互补作用以及生物质炭使后者在土壤中缓释有关[9]。还有研究表明，炭基肥的施用反而会减少作物的产量，尤其是在养分较少和低氮的土壤中，其主要原因是生物质炭中的矿物质成分含量较少[10]。由于炭基肥对作物产量的影响由于受作物品种、土壤条件、气候条件和生物质炭含量差异等的影响而变化。
从以上的研究可以看出，尽管已有研究者对其农田应用进行了探索，但其施用方式及其在大田作物中的应用研究还相对不足，鉴于此，本研究拟以华北平原褐土为研究对象，通过炭基肥不同施用方式的田间应用，研究其对玉米产量季及土壤的主要温室气体（CO2，N2O和CH4）排放的影响，以期为秸秆资源化利用提供科学依据。
本文主要研究内容有两个方面，其一是研究施用炭基肥施用方式对旱地土壤的固炭减排效应的影响；其二是研究施用炭基肥施用方式对玉米产量以及产量构成因素的影响。
1材料与方法
1.1试验地概况
试验于2015年6月至9月，在河南省新乡市朗公庙镇西马头王村(35°09′N，113°51′E)试验田中进行。该地区属暖温带大陆性季风气候，1月为最冷月，7月为最热月，年均气温为14℃，年均降水量为656.3mm，69月雨水较为集中，年平均日照时间2408h，年平均无霜期为201d。玉米生长季的气温和降水量变化如图1所示。
试验田种植夏玉米，为褐土，黏粒含量 131 g/kg，其质地为砂壤土。供试土壤的基本性质见表1。
表1 供试土壤(0~20 cm)基本性质
Table 1 Basic properties of topsoil (0–20cm) studied
土壤容重
酸碱度
有机碳
全氮
速效磷
速效钾
(g/cm3)
(1︰2.5 H2O)
(g/kg)
(g/kg)
(mg/kg)
(mg/kg)
1.37
8.05
8.45
0.81
38.5
180.5
图1. 2015年玉米生长季降水量与气温的变化
Fig 1.Daily precipitation (bars) and air temperature (curve) during the maize growing season in 2015
1.2供试材料性质
供试玉米品种为新引3564(当地常规品种)。本研究所用生物质炭原料为小麦秸秆炭，购自河南商丘三利新能源有限公司，基本性质如下：pH(H20) (1:2.5)为9.6，土壤有机碳和全氮含量分别为486.6g/kg和10.5g/kg，碳氮比为10.5，阳离子交换量为24.3cmol/kg。生物质炭基复合肥(简称“炭基肥”)，参照Qian等的方法，将原料过0.3mm筛，并充分混匀，利用圆盘造粒制成秸秆生物质炭基复合肥，颗粒直径3~4mm，制备的炭基肥总养分含量为37%(N:P2O5:K2O=18:9:10)，当地施用的常规缓释肥养分比为N:P2O5:K2O=15:15:15。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
引言4
1材料与方法4
1.1试验地概况 4
1.2供试材料5
1.3试验设计5
1.4样品采集与测定方法6
1.4.1气体采集与测定6
1.4.2玉米样品采集与产量测定6
1.5数据处理与统计分析7
2结果与分析7
2.1炭基肥施用下土壤温室气体排放动态7
2.2炭基肥施用下土壤综合温室效应的变化8
2.3炭基肥施用下对玉米产量及氮素农学利用率变化8
3讨论9
3.1施用炭基肥对温室气体排放、GWP及GHGI的影响9
3.2 炭基肥施用对作物产量的影响10
4结论10
5不足与展望10
致谢11
参考文献12
炭基肥施用对旱地土壤综合温室效应的影响
环境工程121班 熊旭东
引言
引言
如今，以全球变暖为特征的气候变化和粮食安全已成为世界关注
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
的焦点问题，温室气体排放量的增加以及产生的温室效应是引起气候变化的主要原因。农业活动的所产生的温室气体是大气温室气体的一个重要来源。在全球温室气体总收支中占有相当大的比重，因此也在全球气候变化中扮演着举足轻重的角色。2005年，农业生产中排放的温室气体达1.4~1.7 GtC，占总的人为温室气体排放的10~12%，其中N2O和CH4的排放分别为0.76 GtC和0.90 GtC，分别占总的N2O和CH4排放的58%和47%[1]。如何在农业生产中在维持甚至提高农作物产量的基础上，降低温室气体的排放量，减少生产资料的消耗，推动农业生产向绿色减排，是当前农业生产面临的主要课题。
我国农业大国的地位决定了每年有大量的作物秸秆等农业废弃物的产生，秸秆类作物每年约有 3.7亿吨闲置，由于地域的差异，其中有1~50%的秸秆被焚烧，其排放的CO2、CH4和NOX分别占2000年中国总排放的6.13%、0.68%和3.63%[2]。随着生物质炭研究的兴起，秸秆转化为生物质炭进行还田成为解决秸秆困局的主要途径，通过评估生命周期的方法，Woolf等评估了秸秆的不同再利用方式，其中作为生物质炭还田最多可以避免1.0~1.8 PgCO2e yr1[3]。随着生物质炭深入研究，炭基肥作为新兴肥料被进行研究， 炭基肥指的是将生物质炭与其他化学肥料按照一定的比例混合，混合制成的一种新型肥料，其与传统肥料的不同之处在于加入了生物质炭。生物质炭是指农业废弃物（如秸秆等）在无氧条件下高温（350550℃）热解后的固态产物的统称，主要由碳、氢、氧等元素组成，其主要标志是较高的含碳量(约70%～80%)[35]。近年来，相关研究表明，施用炭基肥可以对土壤温室气体如CO2，CH4和N2O等的排放具有一定的影响作用[46]，但相关研究结果不尽相同。Spokas等提出施用炭基肥之后，土壤的乙烯等物质浓度提高，从而对硝化细菌和甲烷氧化菌的活动产生一定程度的影响，削弱了CH4的氧化并使N2O的释放减少，但是CO2的排放不受影响[7]。Yanai通过室内试验，表明，施用炭基肥之后，土壤的N2O排放量缩减为对照组的十分之一，生物质炭可以显著减少土壤N2O的释放[8]。在作物产量方面，Khan等的研究表明，施用炭基肥的肥效与单纯使用普通化学肥料相比明显提升，这与生物质炭和化学肥料两者之间的互补作用以及生物质炭使后者在土壤中缓释有关[9]。还有研究表明，炭基肥的施用反而会减少作物的产量，尤其是在养分较少和低氮的土壤中，其主要原因是生物质炭中的矿物质成分含量较少[10]。由于炭基肥对作物产量的影响由于受作物品种、土壤条件、气候条件和生物质炭含量差异等的影响而变化。
从以上的研究可以看出，尽管已有研究者对其农田应用进行了探索，但其施用方式及其在大田作物中的应用研究还相对不足，鉴于此，本研究拟以华北平原褐土为研究对象，通过炭基肥不同施用方式的田间应用，研究其对玉米产量季及土壤的主要温室气体（CO2，N2O和CH4）排放的影响，以期为秸秆资源化利用提供科学依据。
本文主要研究内容有两个方面，其一是研究施用炭基肥施用方式对旱地土壤的固炭减排效应的影响；其二是研究施用炭基肥施用方式对玉米产量以及产量构成因素的影响。
1材料与方法
1.1试验地概况
试验于2015年6月至9月，在河南省新乡市朗公庙镇西马头王村(35°09′N，113°51′E)试验田中进行。该地区属暖温带大陆性季风气候，1月为最冷月，7月为最热月，年均气温为14℃，年均降水量为656.3mm，69月雨水较为集中，年平均日照时间2408h，年平均无霜期为201d。玉米生长季的气温和降水量变化如图1所示。
试验田种植夏玉米，为褐土，黏粒含量 131 g/kg，其质地为砂壤土。供试土壤的基本性质见表1。
表1 供试土壤(0~20 cm)基本性质
Table 1 Basic properties of topsoil (0–20cm) studied
土壤容重
酸碱度
有机碳
全氮
速效磷
速效钾
(g/cm3)
(1︰2.5 H2O)
(g/kg)
(g/kg)
(mg/kg)
(mg/kg)
1.37
8.05
8.45
0.81
38.5
180.5
图1. 2015年玉米生长季降水量与气温的变化
Fig 1.Daily precipitation (bars) and air temperature (curve) during the maize growing season in 2015
1.2供试材料性质
供试玉米品种为新引3564(当地常规品种)。本研究所用生物质炭原料为小麦秸秆炭，购自河南商丘三利新能源有限公司，基本性质如下：pH(H20) (1:2.5)为9.6，土壤有机碳和全氮含量分别为486.6g/kg和10.5g/kg，碳氮比为10.5，阳离子交换量为24.3cmol/kg。生物质炭基复合肥(简称“炭基肥”)，参照Qian等的方法，将原料过0.3mm筛，并充分混匀，利用圆盘造粒制成秸秆生物质炭基复合肥，颗粒直径3~4mm，制备的炭基肥总养分含量为37%(N:P2O5:K2O=18:9:10)，当地施用的常规缓释肥养分比为N:P2O5:K2O=15:15:15。
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