研究论文||化肥减量配施生物炭基肥对玉米产量及土壤温室气体排放特征的影响

摘 要

【目的】通过玉米田间实验,研究化肥减量配施生物炭基肥对玉米产量及土壤温室气体排放特征的影响。【方法】试验共设置 6 个处理,分别为不施肥(CK) 、单施化肥( UF) 、单施生物炭基肥( BCF) 、生物炭基肥配施不同比例化肥(3 个比例,即 60%、80%、100%,分别记为 BCF60、BCF80、BCF100) 。【结果】在玉米生长期内,CH累计排放量为 BCF100 = BCF80 = BCF>UF = CK>BCF60,其中,BCF、BCF80、BCF100 排放量最高且相同,较 UF 增加 5%;N₂O-N 的累计排放量 BCF60 处理最高,与 UF 相比累计排放量增加 4%,而 BCF、BCF80 处理减排效果明显, 与 UF 相比累计排放量 降 低 17% 和 15%;CO₂ -C 的 累 计 排 放 量 为 BCF60 处 理 最 高 较 UF 相 比 增 加 1%,BCF、BCF80、 BCF100 处理与 UF 相比累计排放量分别降低 9%、7%、2%。 单施生物炭基肥( BCF) 处理与 UF 相比玉米产量降低 3%,然而,生物炭基肥配施化肥提高了玉米产量,和 UF 相比,BCF60、BCF80、BCF100 玉米产量分别增加 15%、21%和 9%;温室气体综合增温潜势表现为 BCF60>UF>BCF100>BCF80>CK>BCF,而温室气体排放强度表现为CK>UF>BCF> BCF100>BCF60>BCF80,表明与 UF 相比, BCF60 玉米季温室气体的综合增温潜势增加1.5%,而 BCF80 处理与 UF 相比玉米季综合增温潜势和温室气体排放强度分别降低了 25%和 38%,表明化肥减量 20%配施生物炭基肥,可在一定程度上缓解全球增温潜势。【结论】化肥减量 20% 配施生物炭基肥可降低温室气体累计排放量、综合增温潜势和温室气体排放强度,同时短时间内增加玉米产量。

引 言

 化肥的施用极大提高了农作物的产量，但也存在化肥利用率低、养分流失严重等问题，导致土壤肥力下降，农作物品质降低，同时加剧了地下水污染，水体富营养化以及温室气体排放等问题，进而危害农业生态环境和人类健康。近年来，国家对化肥过量施用所导致的农业面源污染等问题高度重视，实施了有机肥替代化肥行动等一系列政策，旨在达到化肥减量增效的目标。

目前，生物炭在农业和环境领域得到广泛关注。在温室气体排放、土壤改良以及环境修复等具有巨大应用潜力。生物炭因其独特的理化性质、比表面积大、吸附能力强等特点，可以吸收和负载肥料养分，将养分滞留在土壤中供给植物吸收利用，从而达到肥料在土壤中缓释和降低淋洗损失，降低土壤养分损，提高土壤保水保肥能力。生物炭基肥是以生物炭为载体和化肥通过加工形成的新型肥料。生物炭基肥中具有较大的孔隙结构能够为微生物提供生长繁殖的空间，增加土壤中微生物的多样性，可实现作物增产、抗病等优点。然而，化肥减量配施生物炭基肥对玉米产量及土壤温室气体排放特征的影响相关研究很少。本研究生物炭基肥配施不同比例减量化肥施用对玉米产量和田间CH₄、CO₂、N₂O排放的影响，分析土壤CH₄、CO₂、N₂O排放特征和综合温室效应，最终为化肥减量配施生物炭基肥对玉米提质增效提理论依据。

试验材料

 试验田位于安徽省滁州市凤阳县安徽科技学院科技种植园，该区域属北亚热带湿润季风气候，年均气温14.9 ℃，年降雨量904.4 mm。试验地土壤类型为黄褐土，试验地0～20 cm 土壤pH值5.96，有机质含量19 g·kg-1，全氮含量0.81 g·kg-1，速效钾含量156.22 mg·kg-1，速效磷含量51.02 mg·kg-1。

 供试玉米品种为裕丰303（北京联创种业有限公司），供试生物炭基肥由河南省生物炭中心研制，河南惠农土质保育研发有限公司提供。总养分为8%，生物炭含量≥20%，N、P₂O₅、K₂O含量分别为3.1%、1.9%、3%，有机质含量≥45%，无机复合肥m（N）: m（P₂O₅）: m（K₂O）=18:18:18（山东新洋丰肥业有限公司），追肥所用的尿素（N质量分数为46%）（山东华鲁恒升化工股份有限公司）。

研究结果

 生物炭炭基肥替代化肥可以有效降低N₂O和CO₂累计排放量和综合增温潜势以及温室气体排放强度；且使得玉米产量提高。

图1  化肥减量配施生物炭基肥对土壤CH₄-C排放通量的影响

图2  化肥减量配施生物炭基肥对土壤N₂O-N排放通量的影响

图3  化肥减量配施生物炭基肥对土壤CO₂-C排放通量的影响

表2 化肥减量配施生物炭基肥对温室气体累计排放量的影响

表3 化肥减量配施生物炭基肥对综合增温潜势、玉米产量、温室气体排放强度的影响
 

小 结

本研究初步揭示了化肥减量配施生物炭基肥对玉米产量及温室气体排放特征的影响。单施生物炭基肥（BCF）和化肥减量20%配施生物炭基肥（BCF80）降低了N₂O和CO₂累计排放量，增加了CH₄的累计排放量。化肥配施生物炭基肥均使得玉米产量提高，其中化肥减量20%配施生物炭基肥（BCF80）的处理产量高于化肥减量40%配施生物炭基肥（BCF60）。与单施化肥（UF）相比，化肥减量20%配施生物炭基肥处理的综合增温潜势降低8%，温室气体排放强度降低25%。综合考虑化肥减量 20% 配施生物炭基肥可降低温室气体累计排放量、综合增温潜势和温室气体排放强度,同时短时间内增加玉米产量。

本研究为玉米增产以及固碳减排提供了理论参考，表明生物炭基肥在玉米增产和温室气体减排方面具有较好的应用前景。

                                                                                                                                                                             （文图/李飞跃 任天宝）