生物质炭对南方典型农业生态系统土壤氮素利用率的影响

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　　摘要    由于农田生态系统过量施肥而产生的气候变化和氮肥利用率较低的问题日益严重，寻找改善土壤质量、减少温室气体排放以及增加作物产量的有效途径尤为重要。近年来，生物质炭在全球范围内被广泛应用于农业生态系统的固碳减排，而其对各类农田生态系统氮素转化以及作物产量的影响并不一致。本文选取生物质炭对南方典型的稻麦轮作系统以及菜地生态系统氮素利用率的影响进行比较，为进一步研究不同农业生态系统中生物质炭与氮肥、植株的互作关系以及合理利用提供理论依据。
　　关键词    生物质炭;氮素利用率;氮素转换;农业生态系统;集约化种植;南方地区
　　中图分类号    S154.1        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2019）13-0167-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　Effects  of  Biochar  on  Soil  Nitrogen  Use  Efficiency  in  Typical  Agricultural  Ecosystems  in  Southern  China
　　XIA Wen-bin 1    LIN Hai-yan 2    LI Ming-yang 2
　　（1 Yingtan Comprehensive inspection and Testing Center in Jiangxi Province，Yingtan Jiangxi 335000; 2 College of Resources and Environment，South China Agricultural University）
　　Abstract    Climate changes and low nitrogen use efficiency（NUE）are increasingly becoming the serious problems due to the excessive nitrogen fertilization application in agriculture ecosystems，so it is important to find an effective way to improve the soil quality，decrease the greenhouse gases（GHGs）and increase the crop yield.Recently，biochar has been used world widely to achieve the carbon sequestration in agriculture ecosystems，but the effects of biochar on nitrogen transformations and crop yield were not consistent with various agriculture ecosystems.Therefore，we compared the effects of biochar on the NUE of typical agriculture ecosystems in southern China，namely，rice-wheat annual rotation system and vegetable agriculture ecosystem to provide a theoretical basis for the interaction among biochar，nitrogen fertilization and plant in various agriculture ecosystems.
　　Key words    biochar;nitrogen use efficiency;nitrogen transformation;agriculture ecosystem;intensive cultivation;southern China
　　如何在保證粮食产量增加的同时减少与此同时带来的环境污染问题是农业生产中的重要问题[1]。大气中以CO2、N2O、CH4为代表的温室气体逐年增加，造成了气候变化并引起一系列环境效应[2]。据相关统计，在2005年农业活动所产生的N2O排放量占总人类温室气体排放量的60%。氧化亚氮（N2O）是重要的温室气体，参与破坏大气臭氧层，受到科学工作者们的广泛关注。随着温室气体甲烷（CH4）在大气中的浓度趋于平稳[3]，而N2O在大气中的浓度仍然保持每年大约0.25%的速度递增。N2O在大气中的平均寿命长达114年，单分子全球增温潜能是CO2的310倍[2]。因此，N2O在全球变暖中具有更加特殊的地位，对环境造成的影响也日益严重。 　　硝化和反硝化过程是土壤N2O产生的主要过程。由于土壤复杂的体系结构，土壤中多种氮素转化过程通常同时发生。Huang等[4]研究表明，土壤N2O排放量与肥料氮或添加物氮量并无直接关系，而是取决于不同碳氮比的有机物和氮肥组合添加量。因此，在不同生物质循环利用模式下，研究酸性土壤生态系统中N2O的产生与排放机理具有重要的理论和现实意义。
　　已有的研究表明，热带和亚热带酸性土壤硝化和反硝化速率都非常弱[5-6]，然而，该区域却是全球最大的N2O自然排放源，至今这一矛盾现象的机理尚不清楚。在南北样带上，随着纬度的增加，土壤反硝化潜力增强，反硝化产物中氮氧化物比例降低。低纬度地区，高氧化还原电位抑制了土壤中亚硝酸盐还原酶和NO还原酶的生成和活性，使该地区土壤反硝化潜力弱，NO不能有效地还原为N2，反硝化产物中氮氧化物比例高。在东北样带上，从东到西，土壤反硝化潜力增强，N2 /N2O比例显著增大，土壤pH值是这种分布规律的主要控制因子。因此，迫切需要加强研究温室气体排放问题。我国土壤酸化加重的原因之一是化学氮肥施用过量，提高氮肥利用率、减少环境风险的需求日益紧迫[7]。研究典型农田利用方式下酸性土壤的氮素转化规律，对于进一步丰富氮素转化知识体系，为湿润热带、亚热带地区合理施用氮肥，评估氮肥的环境影响奠定理论基础。
　　近年来，生物质炭固碳减排的效应正被越来越多的学者认可[8]。生物质炭是一种固态物质，是在厌氧或无氧条件下将生物质进行高温热解炭化而产生的，其稳定性高、比表面积大、含碳量高、孔隙结构发达，因而吸附性能强[9]。研究表明，生物质炭不仅可以增加土壤碳库储量，还能促进养分循环与固持，为作物生长提供必需的营养元素[10-11]，进而提高作物产量[12]。Jeffery等[13]研究表明，生物质炭的施入使土壤pH值增加了0.1～2.0个单位，变化幅度较大。随着土壤pH值的上升，土壤中有效钾离子和磷酸根的含量也上升[14]，毒性铝离子含量显著下降[15]。Li等[16]研究表明，生物质炭能够减少南方酸性菜地中的综合温室效应并且增加净经济收支，是一种实现环保和增加经济效益的双赢物质。Zhang等[8]研究表明，施用生物质炭显著减少了农田土壤中的N2O与CH4排放。因此，研究生物质炭对南方典型生态酸性土壤农业生态系统氮素转化的影响，对缓解气候变化带来的负面效益、提高氮肥的利用率以及保障国家粮食安全都存在着重要意义。
　　1    生物质炭对稻麦轮作系统土壤氮素利用率的影响
　　稻麦轮作系统是重要的N2O温室气体排放源，对温室效应的影响不容忽视[2]。旱季是稻田N2O排放的主要时节[17]，其间排放量占总量的30%左右[18]，水稻生长期间烤田会使N2O排放明显增加[19-20]。因此，稻田生态系统是温室气体减排研究的重点对象[21]。华东地区稻麦轮作系统是我国最典型的农业种植方式。由于稻麦轮作系统土壤水分变化干湿交替显著，施肥量相对较大，造成南方稻麦轮作系统土壤氮素转化规律明显有别于其他的农业生态系统。因此，当前应对气候变化的研究热点之一是积极探索减少稻麦轮作系统中温室气体排放量的措施[2]。
　　由于生物质炭性质的差异、土壤类型的不同以及氮肥类型的区别，生物质炭对生态系统中不同温室气体的排放产生了不同的影响效果[22]。稻麦轮作系统的氮素转化方式会随着水分条件的剧烈变化而相应的改变。在稻田淹水阶段，由于土壤处于厌氧状态，反硝化作用是主要的N2O排放源;而在稻田烤田以及小麦种植阶段，土壤转化为非厌氧状态从而提高了硝化作用对N2O排放的贡献比率。大量研究表明，生物质炭通过提高土壤的pH值、改良土壤的通气性、改善碳氮比，对农业生态系统氮素动态变化與循环产生影响，进而减少其中的N2O排放[23]。研究表明，生物质炭促进土壤对氮素的固持，对反硝化过程有抑制作用，减少了N2O排放量[24];生物质炭通过对土壤中氨的吸附，促进缓释氮肥发挥作用，有效减少了菜地N2O的排放[25];施用生物质炭能够促进N2O还原酶相关的基因及其转录拷贝数的产生，有利于N2O进一步还原，使N2O排放量减少[26]。Saarnio等[27]研究表明，施用生物质炭能够增加土壤含水量，刺激土壤中氮素的矿化作用，从而促进植物对氮素的吸收。
　　根据Jeffery的整合分析可以得出，虽然生物质炭种类、作物种类以及土壤类型不同，生物质炭仍然能够平均增加作物产量的10%[13]。这主要是因为生物质炭能够增加土壤有机碳含量[28]、改良土壤的理化性质，同时减少土壤中氮素的淋失，吸收无机氮素并缓慢释放供给作物生长，使氮肥利用率得以提高[14]。同时，生物质炭还能够提高其他有益于植物生长的元素的有效性，达到作物增产的目的[29-30]。因此，在稻麦轮作系统中施用生物质炭是提高氮素利用率的一种可行的方式。
　　2    生物质炭对菜地生态系统土壤氮素利用率的影响
　　中国的蔬菜产量占世界蔬菜总产量的45%，而我国蔬菜的种植面积占我国耕地总面积的11.6%。蔬菜地施肥量大，通常其施肥量是其他农业生态系统的3～4倍[31]，具有不同于其他农业生态系统的温室气体排放规律[32]。然而，氮肥的大量施用导致土壤氮素转化差异变大以及更多氮素的流失，造成菜地生态系统氮肥利用率下降。随着大量氮肥施入，蔬菜地N2O排放量高，综合温室效应以及温室气体强度高，这将成为中国蔬菜生产过程中的重要问题[33]。
　　由于菜地生态系统施肥量大、复种指数高等特点，菜地土壤一般会呈现较为严重的酸化趋势。而在这样的酸化条件下，土壤中的氮素转化模式也会产生相应变化，从而导致N2O排放规律不同。相关的研究表明，随着土壤酸化程度的加剧，土壤中异养硝化过程产生的N2O排放比例会有所增加[34]。另外，由于菜地生态系统中凋落残留物较少且氮肥的大量施用导致土壤有机碳含量下降以及菜地生态系统灌溉频繁等特点，导致反硝化作用以及硝化细菌反硝化作用产生的N2O排放比例增加[35-36]。这些特点都有可能导致生物质炭会对菜地N2O排放造成不同的影响。 　　雖然菜地生态系统为典型的旱地生态系统，但是由于土壤过度酸化，硝化作用速率被降低，导致由硝化作用产生的N2O排放量百分比降低[34]。加上频繁的种植与灌溉操作，生物质炭对反硝化作用的影响就变成了其对菜地N2O是否减排的关键因素之一。Qu等[37]发现过量施肥会提高农业土壤中的N2O/（N2O+N2）产物中的比例，这是由于酸性的土壤中N2O还原酶的活性降低，导致反硝化过程产生的N2量减少。而Cayuela等[38]发现，在适合反硝化作用发生的环境下，生物质炭会减少N2O/（N2O+N2）产物中的比例，合理的假设是生物质炭能够促进土壤中反硝化细菌的电子转移，从而实现N2O的减排。
　　然而，生物质炭也有可能因为过量的氮肥施入而失去对菜地生态系统N2O的减排效应。Zhang等[39]发现，在中国南方酸性土壤中，异养硝化是主要的N2O排放源。虽然生物质炭的理化性质相对比较稳定，但是缺乏菜地生态系统长期的试验数据，所以其在高氮肥土壤中的稳定性并不明确。因此，施入菜地中生物质炭的一部分有可能会被微生物利用作为异养硝化的碳源，增加由异养硝化产生的N2O排放比例[35，40-41]。除此之外，在菜地生态系统中由于硝化细菌反硝化作用产生的N2O也是重要的排放源。Sánchez-García等[42]发现，生物质炭在硝化细菌反硝化产生N2O为主的土壤中会增加N2O的排放量，而在反硝化作用产生N2O为主的土壤中会减少N2O的排放量。因此，明确菜地生态系统中N2O的排放源以及排放特征，对明确生物质炭对菜地N2O排放的减排机理有着至关重要的作用。
　　生物质炭对提升菜地中蔬菜产量也有至关重要的作用。由于施肥过量，菜地土壤酸化现象更为严重，而作物产量会随着土壤pH值的降低而减少。大多数生物质炭本身为碱性，而且在很多试验中体现出提高土壤pH值的作用。Biederman等[43]指出，生物质炭在酸性土壤中更能够体现出增加土壤pH值的作用。虽然生物质炭并没有体现出与土壤中氮素的直接互作关系，而且对植株组织的含氮量变化影响也较小，但是对作物增产的效果也比较明显[44]。因此，在菜地生态系统中施用生物质炭是提高菜地生态系统中氮素利用率的重要方式之一。
　　3    生物质炭对气候变化的缓解作用
　　由于生物质炭的稳定性以及其在大多数农业生态系统中表现出的对温室气体的减排作用，生物质炭可以实现农业生态系统中的“碳负性”，从而缓解气候变化带来的一系列问题[45-47]。很多试验中，生物质炭能够增加农田生态系统中土壤的有机碳含量，但是生物质炭在农田生态系统中固碳的时间效应并没有充分得到验证[43]。因此，进行长期的生物质炭对农田生态系统固碳研究是评估生物质炭固碳效应的重要环节。
　　本文着重讨论了生物质炭对稻麦轮作系统以及菜地生态系统氮素转化的影响，其差异主要体现在施肥量以及种植方式对土壤理化性质的长期影响而对土壤pH值产生的影响。在稻麦轮作系统中的土壤pH值高于菜地生态系统中的土壤pH值，因而异养硝化、反硝化以及硝化细菌反硝化等过程产生的N2O排放比例也会出现很大差异，从而导致生物质炭对2种典型农业生态系统中温室气体减排效应的差异。虽然生物质炭在2种农业生态系统中能够显著提高作物产量，但是生物质炭与氮素、植物体和土壤微生物的互作关系并不明确。在未来的试验中，确定不同土壤类型N2O排放源、明确不同农业生态系统的氮素转化特点和作物生长需求、综合使用氮肥与生物质炭是提高农田生态系统氮肥利用率以及减缓温室效应的关键因素。
　　4    参考文献
　　[1] CHEN X，CUI Z，FAN M，et al.Producing more grain with lower environ-mental costs[J].Nature，2014，514（7523）：486-489.
　　[2] IPCC 2007.Climate Change 2007：The physical science basis：contribu-tion of working group I to the fourth assessment report of the intergov-ernmental panel on climate change[M].Cambridge：Cambridge University Press，2007.
　　[3] KHALIL M，BUTENHOFF C，RASMUSSEN R.Atmospheric methane：trends and cycles of sources and sinks[J].Environmental Science & Tech-nology，2007，41（7）：2131-2137.
　　[4] HUANG Y，ZOU J，ZHENG X，et al.Nitrous oxide emissions as influenc-ed by amendment of plant residues with different C：N ratios[J].Soil Biology and Biochemistry，2004，36（6）：973-981.
　　[5] XU Y，CAI Z.Denitrification characteristics of subtropical soils in China affected by soil parent material and land use[J].European Journal of Soil Science，2007，58（6）：1293-1303.
　　[6] ZHAO W，CAI Z，XU Z H.Does ammonium-based N addition influence nitrification and acidification in humid subtropical soils of China[J].Plant and Soil，2007，297（1-2）：213-221. 　　[7] GUO J，LIU X，ZHANG Y，et al.Significant acidification in major Chinese croplands[J].Science，2010，327（5968）：1008-1010.
　　[8] ZHANG A，CUI L，PAN G，et al.Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain，China[J].Agriculture，Ecosystems & Environment，2010，139（4）：469-475.
　　[9] KIM P，JOHNSON A，EDMUNDS C，et al.Surface functionality and carbon structures in lignocellulosic-derived biochars produced by fast pyrolysis[J].Energy & Fuels，2011，25（10）：4693-4703.
　　[10] GASKIN J，STEINER C，HARRIS K，et al.Effect of low-temperature pyrolysis conditions on biochar for agricultural use[J].Trans Asabe，2008，51（6）：2061-2069.
　　[11] NOVAK J，BUSSCHER W，LAIRD D，et al.Impact of biochar amendm-ent on fertility of a southeastern coastal plain soil[J].Soil Science，2009，174（2）：105-112.
　　[12] STEINER C，TEIXEIRA W，LEHMANN J，et al.Long term effects of manure，charcoal and mineral fertilization on crop production and fertility on a highly weathered Central Amazonian upland soil[J].Plant and Soil，2007，291（1-2）：275-290.
　　[13] JEFFERY S，VERHEIJEN F，VAN M，et al.A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis[J].Agriculture，Ecosystems & Environment，2011，144（1）：175-187.
　　[14] ASAI H，SAMSON B，STEPHAN H，et al.Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos：1.Soil physical properties，leaf SPAD and grain yield[J].Field Crops Research，2009，111（1）：81-84.
　　[15] YAMATO M，OKIMORI Y，WIBOWO I，et al.Effects of the application of charred bark of Acacia mangium on the yield of maize，cowpea and peanut，and soil chemical properties in South Sumatra，Indonesia[J].Soil Science and Plant Nutrition，2006，52（4）：489-495.
　　[16] LI B，FAN C，ZHANG H，et al.Combined effects of nitrogen fertilization and biochar on the net global warming potential，greenhouse gas intensity and net ecosystem economic budget in intensive vegetable agriculture in southeastern China[J].Atmospheric Environment，2015（100）：10-19.
　　[17] XIONG Z，KHALIL M，XING G，et al.Isotopic signatures and concentr-ation profiles of nitrous oxide in a rice-based ecosystem during the drained crop-growing season[J].Journal of Geophysical Research：Biog-eosciences，2015，114（G2）：383-384.
　　[18] ZHENG X，HAN S，HUANG Y，et al.Re-quantifying the emission factors based on field measurements and estimating the direct N2O emission from Chinese croplands[J].Global Biogeochemical Cycles，2004，18（2）：1-19. 　　[19] 蔣静艳，黄耀，宗良纲，等.水分管理与秸秆施用对稻田CH4和N2O排放的影响[J].中国环境科学，2003，23（5）：552-556.
　　[20] 李香兰，马静，徐华，等.水分管理对水稻生长期CH4和N2O排放季节变化的影响[J].农业环境科学学报，2008，27（2）：535-541.
　　[21] CAI Z，XING G，YAN X，et al.Methane and nitrous oxide emissions from rice paddy fields as affected by nitrogen fertilisers and water management[J].Plant and Soil，1997，196（1）：7-14.
　　[22] CAYUELA M，VAN L，SINGH B，et al.Biochar′s role in mitigating soil nitrous oxide emissions：A review and meta-analysis[J].Agriculture，Ecosystems & Environment，2014，191：5-16.
　　[23] FELBER R，LEIFELD J，HORAK J，et al.Nitrous oxide emission reduct-ion with greenwaste biochar：comparison of laboratory and field experi-ments[J].European Journal of Soil Science，2014，65（1）：128-138.
　　[24] WANG Z，ZHENG H，LUO Y，et al.Characterization and influence of biochars on nitrous oxide emission from agricultural soil[J].Environmen-tal Pollution，2013（174）：289-296.
　　[25] CLOUGH T，CONDRON L，KAMMANN C，et al.A review of biochar and soil nitrogen dynamics[J].Agronomy，2013，3（2）：275-293.
　　[26] HARTER J，KRAUSE H，SCHUETTLER S，et al.Linking N2O emissio-ns from biochar-amended soil to the structure and function of the N-cycling microbial community[J].The ISME Journal，2014，8（3）：660-674.
　　[27] SAARNIO S，HEIMONEN K，KETTUNEN R.Biochar addition indirectly affects N2O emissions via soil moisture and plant N uptake[J].Soil Biology and Biochemistry，2013（58）：99-106.
　　[28] BIEDERMAN L，HARPOLE W.Biochar and its effects on plant produc-tivity and nutrient cycling：a meta-analysis[J].GCB Bioenergy，2013，5（2）：202-214.
　　[29] DEMPSTER D，GLEESON D，SOLAIMAN Z，et al.Decreased soil micr-obial biomass and nitrogen mineralisation with Eucalyptus biochar addition to a coarse textured soil[J].Plant and Soil，2012，354（1-2）：311-324.
　　[30] TAGHIZADEH-TOOSI A，CLOUGH T，SHERLOCK R，et al.Biochar adsorbed ammonia is bioavailable[J].Plant and Soil，2012，350（1-2）：57-69.
　　[31] JU X，KOU C，ZHANG F，et al.Nitrogen balance and groundwater nitrate contamination：Comparison among three intensive cropping systems on the North China Plain[J].Environmental Pollution，2006，143（1）：117-125.
　　[32] 陈海燕.京郊典型设施蔬菜地温室气体排放规律及影响因素[D].北京：中国农业科学院，2012.
　　[33] JIA J，MA Y，XIONG，et al.Net ecosystem carbon budget，net global warming potential and greenhouse gas intensity in intensive vegetable ecosystems in China[J].Agriculture，Ecosystems & Environment，2012（150）：27-37.
　　[34] ZHU T，ZHANG J，CAI Z，et al.The contribution of nitrogen transforma-tion processes to total N2O emissions from soils used for intensive vegetable cultivation[J].Plant and soil，2011，343（1-2）：313-327. 　　[35] WRAGE N，VELTHOF G，VAN M，et al.Role of nitrifier denitrification in the production of nitrous oxide[J].Soil Biology and Biochemistry，2001， 33（12）：1723-1732.
　　[36] HUANG T，GAO B，HU X，et al.Ammonia-oxidation as an engine to generate nitrous oxide in an intensively managed calcareous Fluvo-aquic soil[J].Scientific Reports，2014（4）：3950.
　　[37] QU Z，WANG J，ALM？覫Y T，et al.Excessive use of nitrogen in Chinese agriculture results in high N2O/（N2O+N2）product ratio of denitrification，primarily due to acidification of the soils[J].Global Change Biology，2014， 20（5）：1685-1698.
　　[38] CAYUELA M，S？魣NCHEZ-MONEDERO M，ROIG A，et al.Biochar and denitrification in soils：when，how much and why does biochar reduce N2O emissions[J].Scientific Reports，2013（3）.
　　[39] ZHANG J，CAI Z，ZHU T.N2O production pathways in the subtropical acid forest soils in China[J].Environmental Research，2011，111（5）：643-649.
　　[40] DE W，KOWALCHUK G.Nitrification in acid soils：micro-organisms and mechanisms[J].Soil Biology and Biochemistry，2001，33（7）：853-866.
　　[41] LUO Y，DURENKAMP M，DE M，et al.Short term soil priming effects and the mineralisation of biochar following its incorporation to soils of different pH[J].Soil Biology and Biochemistry，2011，43（11）：2304-2314.
　　[42] S？魣NCHEZ-GARC？魱A M，ROIG A，S？魣NCHEZ-MONEDERO M，et al.Biochar increases soil N2O emissions produced by nitrification-mediated pathways[J].Frontiers in Environmental Science，2014：2-25.
　　[43] BIEDERMAN L，HARPOLE W.Biochar and its effects on plant produc-tivity and nutrient cycling：a meta‐analysis[J].GCB Bioenergy，2013，5（2）：202-214.
　　[44] JIA J，LI B，CHEN Z，et al.Effects of biochar application on vegetable production and emissions of N2O and CH4[J].Soil Science and Plant Nutrition，2012，58（4）：503-509.
　　[45] LEHMANN，J.A handful of carbon[J].Nature，2007，447（7141）：143-144.
　　[46] KUZYAKOV Y，BOGOMOLOVA I，GLASER B.Biochar stability in soil：Decomposition during eight years and transformation as assessed by compound-specific 14 C analysis[J].Soil Biology and Biochemistry，2014（70）：229-236.
　　[47] KUZYAKOV Y，SUBBOTINA I，CHEN H，et al.Black carbon decompo-sition and incorporation into soil microbial biomass estimated by 14 C labeling[J].Soil Biology and Biochemistry，2009，41（2）：210-219.
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