秸稈和生物炭添加量及比例對華北下沉式設施菜田土壤CO2排放的影響

王亞芳 趙以銘 李英杰 徐梓楷 李國元 王敬國 林杉

摘要 通過2組室內培養試驗，研究玉米秸稈和生物炭添加量及其添加比例對設施菜田土壤有機碳礦化的影響。試驗1為2因素4水平試驗設計，主因素為有機碳源種類，即玉米秸稈、生物炭;副因素為碳添加量，分別為0、1.31、2.62、5.24 g/kg土壤（按碳量）。試驗2為單因素試驗設計，除對照外，有機碳添加量均為5.24 g/kg土壤，將玉米秸稈（S）和生物炭（B）按不同比例與土壤混合，添加比例分別為100%S、75%S+25%B、50%S+50%B、25%S+75%B、100%B、0S0B（對照）。培養期間，維持土壤含水量為田間最大持水量的65%，測定和計算培養期間土壤CO2日均排放通量、累積排放量和排放率、土壤微生物量碳含量。結果表明，與施用生物炭相比，施用等碳量秸稈顯著增加了CO2累積排放量，其增幅為50%～337%;與不施用有機物料的對照相比，隨著秸稈施用量增加，CO2累積排放量顯著增加了92%～463%，而隨著生物炭施用量增加，其增幅僅為28%～39%。培養前30 d內，CO2日均排放通量和累積排放量最高，其后逐漸降低，趨于平緩。隨著秸稈添加比例降低和生物炭添加比例增加，CO2日均和累積排放量、排放率和土壤微生物量碳含量顯著減少;隨著培養時間延長，CO2日均排放通量逐漸降低，而累積排放量則逐漸增加?？傊?，將秸稈與生物炭按比例混合施用，一方面秸稈礦化過程產生的CO2能夠滿足秋冬茬設施蔬菜對CO2的高需求;另一方面，生物炭可以快速提升土壤碳儲量，并且可以避免蔬菜殘茬直接還田可能造成土傳病害的擴散，有利于設施菜田土壤-植物碳循環和生產體系的可持續性。然而，上述研究結果仍需在大田條件下進一步驗證，并根據種植茬口和土壤環境條件調整秸稈和生物炭添加量及其比例。

關鍵詞 設施菜田;玉米秸稈;生物炭;添加量;比例;CO2排放;下沉式設施大棚

中圖分類號 S 152.6? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）21-0085-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.21.021

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Additive Amounts and Ratios of Straw and Biochar on CO2 Emissions from the Soil of Sunken Vegetable Fields in North China

WANG Ya-fang， ZHAO Yi-ming， LI Ying-jie et al

（College of Resources and Environmental Sciences， China Agricultural University， Beijing 100193）

Abstract Two laboratory incubation experiments were conducted to investigate the effects of additive amounts and ratios of maize straw and biochar on soil respiration. Experiment I included two-factors with four-level. The main factor was kinds of organic material， namely corn straw and biochar. The second factor was application amount which were 0， 1.3? 2.62 and 5.24 g/kg（according to carbon amount）， respectively. Experiment II deal with the effect of application ratio of maize straw （S） and biochar （B） which included six treatments： 100%S，75%S+25%B，50%S+50%B，25%S+75%B，100%B，0S0B （control）. During the incubation period， soil water content was maitained at the 65% of field capacity. Daily CO2 emissions were measured and soil microbial carbon contents were analyzed at the end of incubation for experiment II. The result showed that compared with biochar addtion， application of maize straw at the same carbon addtion rate siginificantly increased soil CO2 emissions by 50%-337%. Compared with control， cumulative CO2 emissions increased with the increasing of straw addition rate （increaed by 92%-463%）， whereas the biochar just increased cumulative CO2 emissions by 28%-39%.Within the first 30 days of incubation， daily CO2 emissions and cumulative CO2 emissions were highest over the whole incubation period and then decreased slowly. With the decreased addtion ratios of straw and increased addtion ratios of biochar， daily CO2 emissions， cumulative CO2 emissions， CO2 emission rates and soil microbial carbon content decreased siginificantly. Daily CO2 emissions decreased with the incubation days， while cumulative CO2 emissions increased. Our results highlight that incorporation of straw and biochar is an effective measure to increase soil resipiraiton and facilitate greenhouse CO2 limitation. On the other hand， addition of biochar will increase soil organic carbon stock. Therefore， simultanouesly application of maize straw and biochar is an effective option to maintain the sustainable development of greenhouse vegetable production. However， the above research results still need to be further verified in field experiments， and the amount and proportion of straw and biochar added should be adjusted according to the planting seasons and soil environmental conditions.

Key words Greenhouse vegetable field;Maize straw;Biochar;Additive amounts;Proportion;CO2 emission;Sunken facility greenhouse

基金項目 國家自然科學基金國際合作項目（41761134087）;湖北省科技廳重大專項（2019ABA117）;國家科技支撐計劃項目（2015BAD23B01-4）。

作者簡介 王亞芳（1990—），女，山東菏澤人，博士研究生，研究方向：菜田土壤碳氮轉化。

*通信作者，教授，博士，博士生導師，從事水碳氮生物地球化學循環研究。

收稿日期 2021-02-23

近40年以來，我國設施蔬菜生產規模呈指數型增長。1983年種植面積僅為1.5萬hm 2016年迅猛增加到467萬hm 所生產的大約30種不同蔬菜產量近2.52億t，占我國蔬菜總產量的35%[1]。設施蔬菜產量高、效益顯著，發展設施蔬菜已然成為解決我國季節性蔬菜均衡供應和農民致富的有效途徑之一[2]。然而，下沉式設施大棚在建造過程中，富含有機質的表層土壤用于構建迎風墻，加之設施大棚內高溫高濕的環境條件，導致土壤有機質礦化快、積累慢，土壤保水保肥和供水供肥能力差[3]，這與設施蔬菜對水肥的需求量大和強度高形成了十分尖銳的矛盾。

土壤有機質是評價土壤肥力的重要指標，增加土壤有機質含量是改善土壤結構、增加土壤保蓄性和提高土壤肥力的關鍵措施[4-5]。Lal[6]研究指出增加土壤有機質含量是保障食品安全的必然選擇。添加有機物料在增加土壤碳儲量和減少溫室氣體排放方面受到越來越多的關注[7-8]。秸稈還田能增加土壤有機質和活性有機碳含量，提高土壤總孔隙度和土壤微生物活性。蔬菜殘茬往往攜帶大量土傳病原體，直接還田將導致土傳病害頻繁發生[8-10]，將其進行有效的高溫（>450 ℃）熱解炭化，生產成生物炭再還田，不僅可以完全消殺蔬菜殘茬所攜帶病原體，還因生物炭具有極高比例芳香碳和極強的生物化學熱穩定性，在土壤中可穩定存在幾百年甚至上千年[11-13]，進而迅速提升土壤有機碳含量。然而，關于生物炭和秸稈添加量及其添加比例對土壤呼吸和設施菜田土壤-植物碳循環影響的研究尚存在爭議。

設施大棚是半封閉的栽培體系，蔬菜作物對CO2的消耗難以從外界得到及時補充。尤其在氣溫低的冬季，為了保持棚內溫度，大棚往往處于關閉狀態。從48 h內設施大棚CO2濃度的動態監測結果可以看出，日落后設施大棚中CO2逐漸升高，日出后CO2濃度則隨著作物光合作用而逐漸降低，尤其在光合作用最強烈的正午，大棚內CO2濃度，遠遠低于室外自由大氣CO2濃度[8]，進而嚴重抑制了蔬菜作物光合效率[14]。秋冬茬為了保溫，設施大棚常常處于關閉狀態，上述矛盾更加突出[15]。因此，設施大棚通過土壤呼吸釋放的CO 成為蔬菜作物光合作用的重要來源[16]。

筆者在了解秸稈和生物炭礦化規律的前提下，將玉米秸稈與生物炭按一定比例混合施用，不僅可以提高設施菜田土壤有機碳儲量、避免蔬菜殘茬直接還田可能造成土傳病害的傳播，還可以有效增加設施大棚內CO2的濃度。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自天津農業科學院現代農業科技創新基地日光溫室（116°57′E，39°25′N），該日光溫室建于2011年，連續種植番茄。取下沉式日光溫室 0～30 cm 耕層土壤，除去動植物殘體和石塊后，在室內自然風干后過2 mm 土篩，用于土壤基礎理化性質測定和后續培養試驗。土壤質地為粉砂質壤土，砂粒、粉粒和黏粒含量分別為30%、62%和8%，容重為1.34 g/cm 田間最大持水量時的質量含水量為37%，pH 8.6 有機碳含量20.0 g/kg，CaCl2浸提態NO3--N含量106 mg/kg。

玉米秸稈取自中國農業大學上莊試驗站，含碳量為450 g/kg（按碳量，下同）。生物炭購于金未來農業技術有限公司，熱裂解溫度為450 ℃，含碳量為550 g/kg。上述試材均粉碎后過2 mm篩。

1.2 試驗設計和方法

設置2組室內培養試驗。試驗1為2因素試驗設計，主因素為2種有機碳源，即玉米秸稈（S）、生物炭（B）;副因素為4種碳添加量，分別為0、1.31、2.62、524 g/kg土壤。共計7個處理，其相應的代碼分別為CK、S1.31、S2.62、S5.24;B1.31、B2.62、B5.24。所有處理均重復3次，培養時間為90 d。試驗2為單因素試驗設計，除對照處理外，所有處理的有機碳添加量均為5.24 g/kg（相對于大田施用量14 t/hm2）;共6個處理，分別是①對照（0S0B），不添加有機物料;②100%玉米秸稈（100S0B）;③75%玉米秸稈+25%生物炭（75S25B）;④50%玉米秸稈+50%生物炭（50S50B）;⑤25%玉米秸稈+75%生物炭（25S75B）;⑥100%生物炭（0S100B）。

稱取上述供試風干土壤100 g，放入250 mL玻璃培養瓶中。將已過2 mm篩的有機物料加入瓶中，與土壤充分混勻，用稱重法調節土壤含水量至田間最大持水量的65%。培養瓶置于恒溫恒濕培養箱中，培養溫度為 25 ℃，避光培養 56～91 d。培養期間，每2 d通過稱重法補充水分，維持土壤含水量分別為田間持水量的65%。為了確保培養箱內通氣良好，培養箱外連一個三通道的通氣泵，調節流量為45 L/min。為了防止通氣過程中培養箱內空氣濕度過低，在培養箱中放入2個加去離子水的500 mL燒杯，通氣管道插入盛水的燒杯中，以調節培養箱內空氣濕度。

1.3 測定方法

用環刀取原狀土，加水至飽和，瀝干明水后放入烘箱，105 ℃下烘24 h至恒重，測定最大田間持水量和土壤容重。應用土壤粒徑激光分析儀（MASTERSIZER 2000，Malvern，England）測定土壤砂粒、粉粒和黏粒含量。將土壤和去離子水按1∶2.5的比例浸提，用pH計（HI9812 Hanna Instruments，Kehl am Rhein，Germany）測定土壤pH。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定。土壤無機氮采用0.01 mol/L CaCl2浸提，流動分析儀（AA Braun Luebbe，Nordstadt，Germany）測定。土壤微生物量碳含量采用新鮮土樣氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4溶液浸提法測定[17-18]。

應用便攜式紅外線分析儀（華云GXH-3010E 北京華云分析儀器研究所有限公司），測定培養瓶中土壤CO2排放通量。培養前期30 d內，每天測定培養瓶中土壤CO2排放量;培養后期，每隔1～3 d測定一次CO2排放量;每天測定時間為09：00—11：00。便攜式CO2紅外線分析儀的量程為0～1 000 mg/kg，精度為1 mg/kg。為了使測定時段內CO2排放通量變化值介于儀器測定量程內，經過預試驗，最終確定添加秸稈的處理每次測定時長為120 s，間隔為20、40、60、80、100、120? s;僅添加生物炭和對照處理每次測定時長為360 s，間隔為60、120、180、240、300、360 s。所測CO2排放通量（F）計算公式為：

F=（dcdt×P×VR×T×60×60）×24×12/100

式中，F為CO2排放通量，mg/（kg·d）;dcdt為CO2排放變化速率，mg/（kg·s）;P為標準大氣壓101.3 kPa;V為培養瓶中空氣所占的體積（通過排水法測得培養瓶中空氣體積為0.15 L）;R取值8.314 4;T取值298.13 K;60、60、24為秒、分、小時轉換系數;12為C的分子質量;100為每個培養瓶中土壤質量（g）。CO2累積排放量由監測天的排放通量與未監測天的排放通量累積相加得到，其中未監測天的CO2排放通量由內插法計算得出。CO2累積排放率=（添加物料處理CO2排放量-對照CO2排放量）/碳添加量×100%;CO2日均排放通量=CO2累積排放量/培養天數。

1.4 數據分析

用Excel 2013進行數據處理。統計分析采用SAS V8.2進行單因素及二因素方差分析，處理間差異顯著性用Duncan 單因素方差分析法。用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈和生物炭添加量對設施菜田土壤有機質礦化的影響

從圖1可以看出，培養至90 d時，添加秸稈各處理CO2累積排放量從高到低依次為S5.24>S2.62>S1.31>CK。當秸稈添加量為5.24 g/kg時，土壤CO2累積排放量高達1 723 mg/kg，分別是秸稈添加量1.31 g/kg處理的2.9倍（587 mg/kg）和對照處理的5.6倍（306 mg/kg）。隨著生物炭添加量增加，土壤CO2累積排放量僅增加了28%～39%。與生物炭處理相比，添加等碳量秸稈處理的土壤CO2累積排放量顯著增加了92%～463%。秸稈碳積累排放率為21%～27%，顯著高于生物炭處理累積排放率（1.7%～66%）。當秸稈碳添加量為1.31和2.62 g/kg時，CO2累積排放率不存在顯著差異，但二者均顯著低于秸稈碳添加量524 g/kg處理。隨著生物炭添加量增加，CO2累積排放率則顯著降低。

從圖2可以看出，不同培養階段，CO2日均排放通量從大到小依次為0～30、31～60、61～90 d。0～30 d，與對照相比，隨著秸稈添加量增加，CO2日均排放通量顯著增加224%～1 074%;而隨著生物炭添加量增加，CO2日均排放通量僅增加了66%～123%。31～60和61～90 d，隨秸稈添加量增加，CO2日均排放通量增加;而隨著生物炭添加量增加，61～90 d時CO2日均排放通量降低。

從圖3可以看出，培養0～30 d，不同秸稈添加量間CO2日排放通量差異顯著，而不同生物炭添加量間 CO2日排放通量差異不顯著;30 d后，各處理CO2日排放通量趨于穩定。添加秸稈處理的CO2累積排放量在0～30 d快速增加，隨后其增加趨勢變緩慢，且CO2累積排放量與秸稈添加量成正比;培養0～90 d，不同生物炭添加量處理的 CO2累積排放量增長趨勢平緩，且均低于秸稈處理的CO2累積排放量。

2.2 秸稈和生物炭添加比例對設施菜田土壤CO2排放的影響

從圖4可以看出，培養14、28、42、56 d，隨著秸稈添加比例降低和生物炭添加比例增加，CO2累積排放量顯著減少，其大小順序為100S0B>75S25B>50S50B>25S75B>0S0B>0S100B。添加100%生物炭處理（0S100B）的CO2累積排放量甚至低于對照處理（0S0B），但二者差異不顯著。

從圖5可以看出，隨著培養時間延長，各時段CO2日均排放通量顯著降低;0～14 d的日排放通量分別是15～28、29～42和43～56 d的2.2、4.4、6.2倍。0～14 d，隨著秸稈添加比例降低和生物炭添加比例增加，土壤CO2日均排放通量呈顯著降低趨勢，100S0B處理CO2日均排放通量是0S100B處理的14倍，而50S50B處理是0S100B處理的6.8倍。培養29～42和43～56 d，各處理間CO2日均排放通量差異減小。

從圖6可以看出，第56天時，各處理CO2累積排放量為292～1 551 mg/kg;除對照外，處理間差異顯著。隨著秸稈比例減少和生物炭添加比例增加，來自有機物料的CO2累積排放率呈顯著降低趨勢，100S0B處理的CO2累積排放率為26%，75S25B處理為19%，50S50B處理為11%，25S75B處理為3.6%，而0S100B處理則為-0.6%，表明添加生物炭降低了土壤呼吸。

添加100%玉米秸稈處理（100S0B），CO2日排放通量和累積排放量最高，其次分別為75S25B、50S50B、25S75B、0S0B和0S100B處理;培養至56 d時，50S50B處理的CO2累積排放量為886 mg/kg，分別是添加100%生物炭處理（0S100B）的3倍和添加100%玉米秸稈處理（100S0B）的0.6倍（圖7）。

從圖8可以看出，培養28 d時，100S0B處理土壤微生物量碳含量為446 mg/kg，分別是50S50B和0S100B處理的1.7和2.9倍;隨著秸稈添加比例減少和生物炭添加比例增加，土壤微生物量碳含量顯著降低。

3 討論與結論

為了避免冬季保溫造成的額外能源費用，華北地區傳統的下沉式設施大棚在建造過程中，將表層土壤下挖0.5～2.0 m，用于構建墻體厚度高達1.5 m的北側保溫墻。由此導致下沉式設施菜田表層土壤有機質含量低[19]，而蔬菜殘茬由于攜帶大量病原體無法直接還田，以提高土壤有機質含量;另一方面，秋冬茬設施大棚為了保溫，往往處于半關閉狀態，導致棚內CO2濃度低，進而抑制了蔬菜作物光合作用[8]。

生物炭性狀穩定，難以被土壤微生物礦化釋放CO 可以快速增加土壤有機碳儲量，這從CO2日排放通量和累積排放量并不隨生物炭添加量增加而發生顯著改變得到很好的驗證;然而，隨著秸稈添加量增加，CO2日排放通量和累積排放量均顯著提高[20-22]。培養至90 d時，秸稈高添加量處理（S5.24）和低添加量處理（S1.31）CO2累積排放量分別是對照處理的5.6和1.9倍。這與此前田間試驗報道的研究結果（添加3.5 t/hm2（相對于1.31 g/kg）的秸稈后，CO2累積排放量是不添加秸稈處理的1.6倍）[22]基本吻合。添加等碳量生物炭與對照處理雖有顯著差異，但CO2累積排放量僅增加了30%，而且，其排放率則隨著生物炭添加量增加而顯著降低[23]，這與生物炭高溫熱裂解所形成的生物化學穩定性有關[24]，難以作為微生物生長的碳源。因此，生物炭還田是增加土壤有機質含量的有效措施[25]。生物炭無法促進土壤呼吸，以滿足半封閉式設施蔬菜生長發育對CO2的高需求。

培養試驗2的結果表明，添加等碳量有機物料時，隨著秸稈添加比例增加和生物炭添加比例降低，CO2累積排放量和日排放通量均顯著增加。與空白土壤相比，添加100%秸稈（5.24 g/kg）導致土壤呼吸所排放的CO2增加了7倍，近1/4的秸稈碳在培養期間被礦化。這與田間條件下添加3.5 t/hm2玉米秸稈，120 d內土壤CO2排放量增加了2.2 t/hm2的結果基本一致[22]。但是，當添加100%生物炭時，土壤CO2累積排放量并未顯著增加，甚至抑制了土壤呼吸。類似的試驗結果表明，通過450 ℃裂解制得的生物炭在60 d內幾乎不發生礦化;添加4%的生物炭，未顯著增加土壤呼吸;而添加1%的秸稈，土壤CO2排放量增加了4倍[24]。當秸稈和生物炭添加比例各占50%時（50S50B），CO2累積排放量分別是只添加秸稈（100S0B）和只添加生物炭（0S100B）處理的57%和303%。秸稈因含有大量易分解的有機含碳化合物，直接還田后，其中所含有的碳水化合物、蛋白質和半纖維素類物質將被土壤微生物利用[26-27]，加快了土壤有機碳礦化，速釋放大量CO2。與此相反，生物炭中穩定性碳所占比例高，難以被土壤微生物利用，有利于快速提升土壤有機碳儲量[28]。

據此，針對華北地區下沉式半封閉設施大棚表層土壤有機質含量低，不能滿足蔬菜作物對水肥和CO2高需求的現狀，可以根據不同生長季蔬菜作物對CO2的需求特點和快速提升土壤有機碳儲量的目標，確定還田有機物料中玉米秸稈和生物炭的添加比例。

提升土壤有機碳儲量和滿足設施蔬菜對大氣CO2的高需求，關系到下沉式設施蔬菜生產體系的可持續性。設施菜田土壤中單施秸稈或者單施生物炭，無法同時解決增加菜田土壤有機碳儲量和棚內CO2濃度的問題。而將秸稈和生物炭混合施用，一方面，可以解決設施大棚內CO2濃度低的問題，滿足設施蔬菜快速生長對CO2的高需求;另一方面，可以快速提升土壤碳儲量，提高土壤肥力，還可以避免蔬菜殘茬直接還田可能造成土傳病害的擴散，有利于設施蔬菜生產體系的可持續發展。然而，針對不同土壤和氣候條件以及蔬菜作物生長規律，秸稈和生物炭的施用量及比例仍需通過田間試驗獲得進一步驗證。

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