生物炭减缓农业生态系统土壤N2O排放的研究进展

为进一步厘清生物炭在减缓农业生态系统土壤N₂O排放的作用和机制,本研究基于CNKI、Springer、Wiley和Science Direct数据库,以“生物炭”、“农业生态系统”、“N₂O”为关键词,搜索2008—2021年相关文献,并进行了总结和归纳。结果表明:土壤N₂O可通过多种微生物过程产生,其中硝化作用和反硝化作用是主要过程,硝化细菌反硝化、硝态氮异化还原成铵、化学反硝化等非生物过程也可产生N₂O;生物炭添加对土壤N₂O排放影响的结论不一,多数研究认为生物炭有利于减少土壤N₂O的排放,少数认为生物炭刺激了土壤N₂O的排放或对其无影响;提出了生物炭减缓土壤N₂O排放机制(生物炭本身理化性质的差异、生物炭影响土壤理化性质和氮转化过程);并分析了生物炭降低堆肥土壤N₂O排放的潜力和生物炭促进酸性土壤的植物生产力。最后,基于上述研究提出三点展望:有必要建立生物炭特性数据库;系统性的加强生物炭在N₂O减排潜力的估算;进行长期野外田间试验的必要性。     

硝化抑制剂对紫色土硝化作用及N2O排放的影响

为探讨硝化抑制剂对紫色土硝化作用及N_2O排放的抑制效果,通过室内培养试验,研究在25℃,60%最大田间持水量条件下,4种硝化抑制剂[双氰胺(DCD)、3,4-甲基吡唑磷酸盐(DMPP)、2-氯-6-三氯甲基吡啶(Nitrapyrin)、对羟基苯丙酸甲酯(MHPP)]对四川地区石灰性紫色土无机氮含量、硝化速率及N_2O产生速率变化特征的影响,并以酸性紫色土作对比。结果表明,与对照处理相比,4种硝化抑制剂均能抑制两种土壤中NH_4~+向NO_3~-的转化,同时降低N_2O的排放,但是抑制效果存在差异。其中,对石灰性紫色土硝化速率的抑制效果为MHPP(93%～193%)Nitrapyrin(91%～191%)DMPP(9%～58%)DCD(6%～14%),对酸性紫色土硝化速率的抑制效果为MHPP(76%～116%)Nitrapyrin(62%～109%)DCD(59%～75%)DMPP(26%～43%)。硝化抑制剂对石灰性紫色土和酸性紫色土N_2O产生总量的抑制效果分别为46%～76%和32%～54%。总体而言,相较DCD和DMPP,Nitrapyrin和MHPP两种硝化抑制剂对供试土壤硝化速率和N_2O产生速率均表现出较强的抑制效果。     

纳米碳溶胶配施尿素对土壤N2O排放的影响

为研究纳米碳材料对土壤N₂O排放的影响,选用纳米碳溶胶（一种纳米级材料,利用电解石墨制备而成）作为供试材料,以未经秸秆还田改良（秸秆离田）和秸秆还田改良的潮土为供试土壤,通过培养试验探讨纳米碳溶胶对潮土N₂O排放的影响,培养条件为25℃和80%田间持水量。结果表明：施氮条件下,添加纳米碳溶胶显著增加了秸秆离田土壤N₂O排放,但显著降低了秸秆还田土壤N₂O排放,减排效率达63%。纳米碳溶胶显著提高了两种处理土壤的硝化潜势（PNR）,但降低了秸秆还田土壤反硝化潜势（PDR）。然而,秸秆离田土壤PDR对纳米碳溶胶无显著响应。纳米碳溶胶通过促进秸秆离田土壤的硝化作用提高N₂O排放。对于秸秆还田土壤,纳米碳溶胶减排N₂O的机理可能是土壤可溶性有机碳含量的增加一方面激发了土壤异养微生物对底物无机氮的固持,另一方面促进了土壤彻底反硝化过程。     

添加生物黑炭对茶园土壤CO2、N2O排放的影响

采用室内培养试验,研究了不同生物黑炭施用量对两种茶园土壤(红壤和黄壤)CO₂、N₂O排放特征的影响。生物黑炭用量设5个水平:H0(0 g·kg^-1)、H1(3.56 g·kg^-1)、H2(7.11 g·kg^-1)、H3(14.22 g·kg^-1)、H4(28.44 g·kg^-1).结果表明:红壤茶园土壤CO₂排放量显着高于黄壤,N₂O排放总量则低于黄壤;与H0处理相比,施用低量的生物黑炭(H1)对两种茶园土壤CO₂排放无显着影响;高量的生物黑炭处理(H3、H4)则显着增加土壤CO₂排放量,增幅为20%~47%(P<0.05).生物黑炭施用后(H2、H3、H4)明显降低两种茶园土壤N₂O释放速率及反硝化损失率,土壤N₂O排放总量降幅为37%~63%(P<0.05),反硝化损失量降幅22%~54%(P<0.05),且均随着生物黑炭施用量增加而增大。此外,从土壤pH值、无机氮含量和硝化率角度,探讨了生物黑炭影响茶园土壤CO₂和N₂O排放的因素。     

氮肥品种和含水量对水稻土N2O排放速率及排放过程的影响

稻田是全球重要的N_2O排放源,氮肥有效性和水分状况是影响稻田N_2O排放的关键因素。为探明水稻土在施用尿素和硫酸铵时,水分变化对短时间内N_2O总排放速率及不同硝化过程(自养硝化、异养硝化、非生物作用)贡献的影响,通过室内培养实验,采用乙炔抑制法,测定了不同时间段N_2O释放量,并计算释放速率。结果表明:施用氮肥可以显著提高自养硝化、异养硝化及总过程的N_2O排放速率,并且施尿素处理N_2O排放速率大于施硫酸铵。随着土壤水分含量由48%增加至160%,总N_2O排放速率以及自养硝化、异养硝化N_2O排放速率显著增加。供试水稻土N_2O的产生主要是由生物过程主导的,其中硝化作用(包括自养硝化、异养硝化)最高贡献达51.1%,非生物作用贡献所占比重很小。这些结果可为科学施肥,降低农田土壤N_2O排放提供科学依据。     

不同生物质炭对酸化茶园土壤N2O和CO2排放的影响

为了研究不同生物质炭对酸化茶园土壤温室气体排放的影响,采用原料为小麦秸秆、柳树枝、椰壳3种生物质炭,通过室内培养试验来探究不同生物质炭对茶园土壤性质及N_2O、CO_2排放特征的影响。试验中生物质炭添加量为20 g·kg~(-1),同时设置了施氮肥处理,采用尿素作为外加氮源,施氮量为100 mg·kg~(-1)。结果表明,施加生物质炭提高了酸化茶园土壤pH值,柳树枝生物质炭处理土壤pH值最高为6.71,显著高于其他处理。不同生物质炭对土壤DOC含量的影响效果存在差异,柳树枝生物质炭使土壤DOC平均含量增加了95.6%,椰壳生物质炭使土壤DOC含量降低36.1%,小麦秸秆生物质炭则影响不显著。生物质炭通过抑制土壤硝化和反硝化作用降低土壤N_2O的排放,椰壳生物质炭降低N_2O排放比例达91.7%,减排效果最显著。在施氮条件下柳树枝生物质炭对土壤N_2O的减排效果显著低于小麦秸秆和椰壳生物质炭。土壤CO_2的排放通量与pH值、DOC含量均呈极显著正相关,生物质炭促进了土壤CO_2的排放,柳树枝生物质炭处理CO_2的排放显著高于其他处理。此外,外加氮源降低了土壤pH值,增加了土壤N_2O的排放,但是对土壤DOC含量变化无显著影响。     

添加硝化抑制剂、秸秆及生物炭对亚热带农田土壤N2O排放的影响

为了筛选适合亚热带农田土壤性质和气候条件的N_2O减排调控措施,采用室内培养试验研究了添加硝化抑制剂、秸秆和生物炭三种调控措施对亚热带红壤(JX)和紫色土(SC)农田土壤N_2O排放的影响。结果表明,在添加硝化抑制剂(三氯甲基吡啶)的初期阶段(24 h),可显著降低两种土壤N_2O的排放,尤其是SC土壤,抑制程度可达62%。而生物炭的添加可显著增加JX土壤的N_2O排放,但在SC土壤中虽有升高趋势却不显著。添加秸秆对土壤N_2O排放的影响与秸秆类型和性质、土壤质地和理化性质,以及添加的时长有关。短时条件内(24 h),苜蓿和水稻秸秆可显著增加SC土壤N_2O排放,而添加甘蔗渣后N_2O排放虽有增加但不显著;JX土壤中添加水稻秸秆可显著刺激N_2O排放,但苜蓿和甘蔗渣则显著降低了其排放。添加秸秆较长时间后,苜蓿和水稻秸秆对土壤N_2O排放的影响程度下降,而甘蔗渣在6个月后仍能显著降低SC土壤N_2O的排放。研究表明,在对土壤进行调控时,若以减少N_2O排放为目的,应当根据土壤类型和性质选择合适的措施。     

外加碳氮对不同有机碳土壤N2O和CO2排放的影响

以两种有机碳含量不同的土壤为对象,采用室内培养试验方法,研究了外加可溶性碳氮对黄棕壤(高有机碳含量)和紫色土(低有机碳含量)N₂O、CO₂排放的影响。试验设置五种处理分别为:对照(CK),低氮(LN),高氮(HN),低氮配施碳(LNC)和高氮配施碳(HNC).结果表明,土壤有机碳含量较高的黄棕壤各处理N₂O与CO₂排放均高于紫色土。与对照相比,单施氮肥显着促进了两种土壤N₂O排放,紫色土HN处理N₂O排放最高,而黄棕壤LN处理最高;与单施氮肥相比,LNC和HNC处理均显着降低了紫色土N₂O排放,而黄棕壤仅LNC处理N₂O排放显着降低。外源碳的输入显着提高了两种土壤CO₂排放,但单施氮肥对CO₂排放影响不明显。黄棕壤N₂O排放通量与CO₂排放通量呈极显着正相关,而紫色土N₂O排放通量与CO₂排放通量没有相关关系。上述结果说明,外加可溶性碳氮源对土壤呼吸及硝化-反硝化强度有一定的激发效应。     

紫色土坡耕地退耕还林对土壤N2O排放的影响

采用静态暗箱-气相色谱法对紫色土坡耕地常规施肥处理(CL)、坡耕地不施肥处理(CL-CK)和退耕15、30年的桤柏混交林地(FL₁₅、 FL₃₀)的土壤N₂O排放通量进行为期1年的观测,同时测定土壤温度、土壤湿度、土壤无机氮含量等。结果表明,观测期内CL、CL-CK、FL₁₅与FL₃₀的N₂O平均释放速率分别是25.6、6.60、1.20、4.35 μg N₂O-N·m^-2·h^-1,CL小麦季N₂O平均释放速率是18.0 μg N₂O-N·m^-2·h^-1,玉米季35.2 μg N₂O-N·m^-2·h^-1,CL土壤N₂O排放速率显著高于CL-CK、FL₁₅和FL₃₀(P < 0.01),且CL-CK高于FL₁₅、FL₃₀(P < 0.01),FL₃₀高于FL₁₅(P < 0.01)。CL、CL-CK、FL₁₅和FL₃₀全年的N₂O排放量分别为1.01、0.400、0.050、0.310 kg N₂O-N·hm^-2。比较CL以及CL-CK的N₂O排放总量,停止施氮的措施对土壤N₂O排放的减排潜力达到0.610 kg N₂O-N·hm^-2。与CL-CK相比,FL₁₅、FL₃₀土壤N₂O释放量分别减少0.350、0.090 kg N₂O-N·hm^-2,主要原因是退耕后土壤碳氮比升高,土壤无机养分、温度以及湿度等发生变化。     

微咸水与淡水轮灌对春玉米土壤CO2和N2O排放的影响

为探究咸淡轮灌模式下春玉米土壤温室气体的排放特性,采用4种水质,即淡水和矿化度分别为2、3.5和5g/L的微咸水;2种轮灌方式,即淡水—微咸水(1∶1)和淡水—微咸水—微咸水(1∶2)循环轮灌进行滴灌试验,分析了不同处理对农田土壤CO_2、N_2O排放和春玉米产量的影响。结果表明:1)1:2轮灌处理CO_2和N_2O日平均排放通量比1∶1轮灌分别低10.26%、8.74%。2)矿化度为3.5和5g/L微咸水处理CO_2气体日均排放通量比2g/L分别低27.82%、31.16%,N_2O气体日平均排放通量比2g/L分别低4.46%、8.23%。3)相比2g/L处理,3.5和5g/L处理产量平均减少5.92%、11.05%;1∶2轮灌比1∶1轮灌产量平均减少2.00%。4)显著性分析表明:水质对CO_2气体日平均排放通量和玉米产量的影响显著(P0.05),对N_2O气体排放通量无显著影响(P0.05);轮灌方式对CO_2、N_2O气体排放通量和玉米产量的影响不显著(P0.05)。     

施用生物炭对农田土壤N2O的减排效应

生物炭作为一种土壤改良剂,在农田土壤氮素转化和温室气体减排等方面发挥着重要作用。本实验对不同施氮量的农田土壤添加生物炭,研究了其对N₂O的减排潜力,为生物炭的固氮减排提供理论依据。于2015年6月18日至9月25日,利用盆栽实验研究了施用生物炭对农田土壤在不同氮肥用量下N₂O排放的影响,实验共设4个处理：对照（CK）为不施氮处理、N1（200 kg·hm^-2）、N2（400 kg·hm^-2）和N3（600 kg·hm^-2）,各处理均施用土壤质量15%（W/W）的等量生物炭。结果表明,随着施氮量的增加,土壤N₂O的累积排放量逐渐增加,N2和N3处理差异不显著,N₂O排放系数逐渐降低,N1、N2、N3的排放系数分别为1.33%、1.27%、0.90%。Pearson相关分析表明,土壤孔隙含水量（WFPS）、土壤pH、土壤NO₃^--N和土壤微生物量氮（MBN）含量是影响N₂O排放最主要的因素,其中土壤WFPS、土壤NO₃^--N和MBN含量与N₂O排放通量之间呈极显著的正相关关系,土壤pH与N₂O排放通量之间呈极显著负相关关系。生物炭的施用对农田土壤N₂O具有巨大的减排潜力,并且生物炭与氮肥配施对土壤氮素有很好的固持作用。     

城市污水的微生物-植物联合修复对水体N2O、N2和O2释放的影响

针对城市河道污染水体治理这一问题,采用自主研发的自然水体原位收集装置对微生物和微生物-植物联合修复过程中气体N₂O、N₂及O₂释放的特征进行野外原位监测。结果表明:微生物菌剂和微生物-植物联合净化期间水体氧化亚氮(N₂O)释放速率均值分别为10.68、5.91 μmol·m^-2·h^-1,与对照比,降幅分别为16.37%和53.86%;氮气(N₂)释放速率均值分别为1.49、0.87 mmol·m^-2·h^-1,降幅分别为5.70%和67.54%;氧气(O₂)释放速率均值分别为1.14、0.69 mmol·m^-2·h^-1,降幅分别为14.93%和72.06%;微生物菌剂及微生物-植物联合净化期间,目测水体透明度转好,藻类含量降低,水体溶氧由超饱和状态(17.17 mg·L^-1)降至正常水体溶氧水平(9.49 mg·L^-1),降幅达到50%,可能是水体氧气释放速率降低的原因。因此,微生物-植物联合净化能显著降低水体N₂O、N₂及O₂的释放速率,推测是由于微生物和水生植物对水体养分的同化作用产生营养竞争,抑制了微生物反硝化作用产生N₂O、N₂并抑制藻类生长产生O₂及增加水体溶氧的原因。     

秸秆与生物炭对棉田碱性土壤NH3挥发与N2O排放的影响

为探究秸秆和秸秆生物炭连续添加5 a后对土壤氨（NH₃）挥发和氧化亚氮（N₂O）排放的影响,并确定合理的秸秆还田措施,以降低碱性棉田氮损失。本研究基于等碳量输入,设置秸秆翻埋、秸秆催腐+覆盖还田、秸秆生物炭翻埋和不还田对照共4个处理,氮磷钾肥统一施用。结果表明：秸秆生物炭翻埋下土壤NH₃挥发和N₂O排放分别较不还田对照显著降低27.3%和56.7%,主要归因于生物炭显著抑制土壤羟胺还原酶与硝酸还原酶活性,增加棉花氮吸收量,也与生物炭自身的强吸附能力有关。而秸秆翻埋、秸秆催腐+覆盖还田分别较对照增加NH₃挥发37.2%和21.2%,但减少N₂O排放17.1%和38.3%,这两种秸秆还田方式均显著促进土壤有机氮矿化和羟胺还原酶活性,抑制硝酸还原酶活性。冗余分析（RDA）结果表明羟胺还原酶和棉花氮吸收是土壤NH₃挥发和N₂O排放的主要影响因子,解释率分别为64.8%和20.1%。研究表明,秸秆生物炭翻埋对NH₃和N₂O减排的综合效果优于秸秆,是碱性棉田土壤值得推荐的氮减排措施。     

干湿交替频率对不同土壤CO2和N2O释放的影响

干旱、半干旱和地中海气候区,乃至一些湿润地区,由干湿交替引起的土壤碳、氮的短暂脉冲式释放很大程度上决定着长时间尺度温室气体释放的总量,是土壤碳、氮温室气体释放的关键过程.选择我国降雨梯度下的森林、农田、草地和荒漠生态系统,采集土样进行实验室统一控制条件下的多重干湿交替循环,对比探讨不同生态系统土壤干湿交替频率对CO2和N2O释放的影响模式.结果表明:(1)干湿交替能够显著的激发土壤中CO2和N2O的释放,森林、农田、草地和荒漠土壤CO2和N2O释放速率对干湿交替的响应模式基本一致,其响应强度与土壤本底中碳和氮的含量有关;(2)在一定培养时间内,随着干湿交替频率的增加,土壤再湿润阶段CO2释放速率降低,但是,气体释放的总量较之于恒湿对照组有所增加.(3)不同土壤N2O的释放总量对于湿交替频率的响应模式表现出很大的差异,其中农田和荒漠土壤响应模式类似.     

密度调控对女贞人工林土壤N2O排放的影响

以江苏省扬州市江都区女贞人工林为对象,研究了密度调控对其土壤N2O排放通量的影响。结果表明,3种密度下土壤N2O排放通量均是秋季和春季较高,冬季最低。秋季时,3种密度下N2O排放通量大小比较为4225株·hm-2(9.985μg m-2·h-1)1050株·hm-2(8.195μg·m-2·h-1)2275株·hm-2(6.971μg·m-2·h-1),但各密度间差异不显著(P0.05)。冬季时,N2O排放通量下降明显,其中4225株·hm-2密度(-10.355μg·m-2·h-1)和2275株·hm-2密度(-2.716μg·m-2·h-1)均为负值,且两者明显低于1050株·hm-2密度下N2O排放通量(2.629μg·m-2·h-1)。春季伴随着温度的回升,各密度下N2O排放通量均显著增加,并达到4个季度中的最高值,其中2275株·hm-2密度下排放通量最低(7.513μg·m-2·h-1),且与4225株·hm-2(11.839μg·m-2·h-1)和1050株·hm-2(12.175μg·m-2·h-1)密度间差异达到极显著水平(P0.01)。夏季时,3种密度下N2O排放通量分别为4225株·hm-2(3.201μg·m-2·h-1),2275株·hm-2(7.658μg·m-2·h-1)和1050株·hm-2(6.804μg·m-2·h-1),各密度间差异并不显著(P0.05)。土壤N2O排放通量与土温呈极显著正相关(P0.01),与NH4+-N和NO3--N含量间则呈极显著负相关(P0.01)。土壤氮矿化速率与N2O排放通量也呈线性相关极显著(P0.01),说明密度调控作用于土壤因子,并对N2O排放产生明显影响。     

长期施用化肥对旱作雨养农田N2O排放特征的影响

【目的】分析不同施肥处理对土壤理化性质、N_2O的排放特征及小麦产量的影响,以期为旱作雨养农田化肥合理施用以及降低温室气体排放提供科学依据。【方法】2016-2018年,以始于1990年的陕西杨凌"国家黄土肥力与肥料效益监测基地"冬小麦/夏休闲体系长期肥料定位试验为基础,对其中6个处理((1)不施肥(CK)、(2)单施氮肥(N)、(3)氮肥与钾肥配施(NK)、(4)磷肥与钾肥配施(PK)、(5)氮肥与磷肥配施(NP)、6)氮肥、磷肥与钾肥配施(NPK))进行研究,测定不同处理土壤样品理化性质、N_2O排放特征以及小麦产量,并就N_2O排放总量与土壤理化性质的关系进行了冗余(RDA)分析。【结果】不同处理对土壤理化性质影响有差异,其中NP和NPK处理土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、无机氮(铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N))、微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)含量均明显高于其他处理,而土壤pH显著下降。2016-2017和2017-2018年不同处理的土壤N_2O排放总量分别为0.48～1.31和0.41～1.18 kg/hm~2,其中施氮处理(NK、NP和NPK)的土壤N_2O排放总量均显著高于CK;土壤N_2O排放总量平均值表现为NPKNPNKNPKCK。所有施氮处理中,NPK处理的N_2O排放系数平均值最高,达0.59%,显著高于其他处理。2016-2017和2017-2018年,所有施肥处理小麦产量均显著高于CK,其中NP和NPK处理的小麦产量均较高。6个处理中,N处理的土壤N_2O排放强度平均值最高,显著高于其他处理;CK、NK和NPK处理次之,且三者之间差异不显著; NP和PK处理均较低,且两者之间差异不显著。RDA分析结果表明,土壤N_2O排放总量与土壤理化性质的相关性由大到小表现为TNNO_3~--NSOCNH_4~+-NMBNMBC。【结论】对于土娄土区雨养农田而言,长期氮、磷肥配施(NP)或者氮、磷、钾肥配施(NPK)可显著提高土壤肥力和小麦产量以及N_2O排放总量,是研究区较好的施肥方式。     

巨大芽孢杆菌对土壤N2O释放量及土壤微生物的影响

培养筛选出一种能够将土壤中铵态氮转化为微生物氮,减少硝态氮形成及N_2O排放的巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium,并通过小麦盆栽试验探索该微生物抑制土壤N_2O排放的效果。结果显示:1)高氮肥浓度下,B.megaterium提高土壤中活性微生物数量、种群的相对丰度,降低高浓度氮肥对土壤微生物生长繁殖的抑制作用。2)B.megaterium降低土壤中硝化菌(Nitrospirae)的相对丰度,继而减少硝态氮的形成。3)施加B.megaterium后土壤N_2O排放通量整体小于普通氮肥处理。试验期间B.megaterium处理的N_2O累积排放量较相同氮肥水平下普通氮肥减少4%~53%,且随着氮肥水平的增加,N_2O减排效果逐渐加强。巨大芽孢杆菌B.megaterium可减缓氮肥对气候和土壤环境的影响。