程效義，劉曉琳，孟軍，蘭宇，劉遵奇，楊旭，黃玉威，曹婷，陳溫福

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)/遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心，沈陽　110866）

生物炭對棕壤NH3揮發(fā)、N2O排放及氮肥利用效率的影響

程效義，劉曉琳，孟軍，蘭宇，劉遵奇，楊旭，黃玉威，曹婷，陳溫福*

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)/遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心，沈陽110866）

通過田間試驗，采用封閉式酸吸收法和靜態(tài)箱法，研究秸稈生物炭對棕壤玉米旱田NH3揮發(fā)和N2O排放以及氮肥利用效率的影響。試驗設(shè)不施氮肥（對照CK）、單施氮肥（NB0）、施氮基礎(chǔ)增施20 t·hm-2生物炭（NB20）、施氮基礎(chǔ)增施40 t·hm-2生物炭（NB40）4個處理。結(jié)果表明，各施肥處理的NH3揮發(fā)量差異顯著，表現(xiàn)為NB0＞NB20＞NB40，NB20和NB40分別比NB0降低24.07%和37.62%。NB20和NB40可顯著降低N2O排放量，分別比NB0降低21.76%和19.57%，而NB20和NB40之間差異不顯著。NB20和NB40顯著增加了土壤的pH、全氮和有機(jī)碳含量，降低了土壤的容重。相關(guān)分析表明，NH3揮發(fā)量與土壤容重和銨態(tài)氮含量均呈極顯著正相關(guān)，與土壤有機(jī)碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)；N2O排放量與土壤容重呈顯著正相關(guān)，與土壤硝態(tài)氮含量和有機(jī)碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)。與NB0相比，NB20提高了氮肥利用效率，玉米產(chǎn)量顯著提高6.07%，而NB40降低了氮肥利用效率，玉米產(chǎn)量顯著降低了13.88%。

生物炭；NH3揮發(fā)；N2O排放；氮肥利用效率

程效義，劉曉琳，孟軍，等.生物炭對棕壤NH3揮發(fā)、N2O排放及氮肥利用效率的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，35（4）：801-807.

CHENG Xiao-yi，LIU Xiao-lin，MENG Jun，et al.Effects of biochar on NH3volatilization，N2O emission and nitrogen fertilizer use efficiency in brown soil［J］. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（4）：801-807.

中國是世界上氮肥施用最多的國家［1］，然而，農(nóng)田氮肥的利用效率卻僅為30%～35%［2］。農(nóng)田中大量的氮素通過NH3和N2O等氣態(tài)的形式逸散于大氣中或以離子態(tài)隨水淋溶到耕層以下，不僅造成資源的浪費，而且導(dǎo)致大氣污染、土壤酸化、水體富營養(yǎng)化等諸多生態(tài)環(huán)境問題［3-6］。我國每用約有26%的氮肥以氣態(tài)損失［7］。有研究表明，施肥灌水后，土壤NH3揮發(fā)和N2O排放速率迅速增加，12 d內(nèi)N2O和NH3的排放總量最大分別可達(dá)150 gN·hm-2和2.465 kgN·hm-2［8］。生物炭是黑炭的一種，是由生物質(zhì)在缺氧入件下不完全燃燒所產(chǎn)生的炭質(zhì)［9］。研究表明，將生物炭混入土壤，不僅可以提高作物的產(chǎn)量［10-12］，而且可有效減少N2O的排放和NH3的揮發(fā)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)減排［13-15］。Rondon等［14］將生物炭混入牧草地和種植大豆的土壤中，發(fā)現(xiàn)兩種土壤的N2O排放分別降低了80%和50%。Taghizadeh等［16］以30 t·hm-2的標(biāo)準(zhǔn)將生物炭施入牧場土壤中，發(fā)現(xiàn)N2O的排放降低了70%，并認(rèn)為生物炭對NH3的吸收作用可能是降低N2O排放的一個主要原因。近期，Baronti［17］研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與畜禽堆肥混合施入土壤，可降低土壤的NH3揮發(fā)損失50%以上，直接證明了生物炭對土壤NH3揮發(fā)具有抑制作用。然而，Scheer等［18］認(rèn)為生物炭對N2O排放并沒有抑制作用。Yanai等［19］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤的孔隙含水量為83%時，生物炭促進(jìn)N2O排放。楊帆等［20］認(rèn)為生物炭加入稻田土和紅壤后提高了土壤pH，引起NH3揮發(fā)量的顯著增加。這些研究由于土壤類型、生物炭性質(zhì)以及施用入件的不同，研究結(jié)果不盡相同。本文以典型棕壤土為研究對象，探究玉米秸稈生物炭對棕壤旱田NH3揮發(fā)和N2O排放及氮肥利用效率的影響，以期為評價生物炭對棕壤氮素的氣態(tài)損失和環(huán)境安全的綜合效應(yīng)提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于遼寧省沈陽市沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地。該區(qū)屬松遼平原南部的中心地帶，溫帶濕潤半濕潤季風(fēng)氣候，用降雨量約為710 mm，無霜期160 d左右，土壤類型為棕壤，屬發(fā)育在第四紀(jì)黃土性母質(zhì)上的簡育濕潤淋溶土，容重1.21 g·cm-3，pH7.6（水土比為2.5頤1），有機(jī)質(zhì)18.82 g·kg-1，堿解氮84.5 mg·kg-1，速效磷15.9 mg·kg-1，速效鉀158.7 mg·kg-1。

1.2試驗設(shè)計

采用大田試驗，共設(shè)4個處理：不施氮肥（對照CK）；單施氮肥（NB0）；施氮基礎(chǔ)增施20 t·hm-2生物炭（NB20）；施氮基礎(chǔ)增施40 t·hm-2生物炭（NB40）。所有處理磷鉀肥作為底肥一次性施用，施氮肥的處理在播種前將氮肥均勻撒施于小區(qū)內(nèi)部，后期不再追肥。所用化肥為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，用量折合為純養(yǎng)分分別為N 160 kg·hm-2、P2O570 kg·hm-2、K2O 80 kg·hm-2。生物炭制備原料為玉米秸稈，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供。播種前將生物炭均勻撒施于土壤表面，用旋耕機(jī)將其與氮肥一并均勻混合于20 cm耕層土壤當(dāng)中。每個處理采用3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為60 m2（6 m×10 m），玉米種植密度為5.95萬株·hm-2，穴距0.28 m，行距0.6 m，種植10行。供試品種為玉米雜交種鄭單958，于5月17日播種，6月1號出苗，9月29日收獲，作物生長期間進(jìn)行常規(guī)田間管理。

1.3測定指標(biāo)及方法

NH3揮發(fā)的田間原位測定采用封閉式硼酸吸收法。收集裝置采用白色PVC自制收集罩，高40 cm，底面直徑為35 cm。NH3的收集間隔采用前緊后松的方式，直到各處理與對照的NH3揮發(fā)量一致。收集氣體同時取0～20 cm耕層土壤，帶回實驗室用2 mol·L-1氯化鈣溶液浸提，流動注射分析儀（德國Seal-AA3）測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。

N2O氣體收集采用密閉箱法。密閉箱采用特制的透明有機(jī)玻璃罩，高40 cm，底面積1600 cm2（40 cm×40 cm），頂部有抽氣的小孔，內(nèi)置小風(fēng)扇和溫度計。取氣前將玉米齊根砍掉，以玉米為中心壓入土壤中，并在周圍覆土，防止空氣進(jìn)入，每小區(qū)并排放置三個裝置。每次取樣時間為上午的9：00—11：00，每隔15 min采樣一次，共采集3次，每次取氣50 mL，放入氣袋中保存。采集氣體時記錄土壤溫度和箱內(nèi)溫度。N2O的收集間隔亦采用前緊后松的方式，直到玉米收獲。N2O樣品采用GC-7890A型氣相色譜儀（美國安捷倫公司）分析測定。柱箱溫度60益，滋ECD檢測器工作溫度為300益，載氣為He，尾吹氣為5%Ar-CH4混合氣，采用定量六通閥進(jìn)樣，進(jìn)樣量為1 mL。測定前用N2O含量為0.32 g·L-1的標(biāo)準(zhǔn)氣體校正儀校準(zhǔn)。N2O排放通量參考梁國慶等［21］提供的方法計算。

肥料氮NH3揮發(fā)損失率=（NH3累計揮發(fā)量-CK處理的NH3累計揮發(fā)量）/肥料帶入的氮素含量

肥料氮N2O排放損失率=（N2O排放總量-CK處理的N2O排放總量）/肥料帶入的氮素含量

肥料氮的利用效率=（作物吸收氮素-CK處理作物吸收氮素）/肥料帶入的氮素含量

2　結(jié)果與分析

2.1生物炭對土壤NH3揮發(fā)的影響

土壤的NH3揮發(fā)速率如圖1a所示。未施氮肥的CK處理土壤的NH3揮發(fā)速率一直保持較低水平，介于0.038～0.065 mgN·m-2·h-1之間。施氮肥顯著增加了NH3揮發(fā)速率，施氮肥后第2 d，NB0、NB20和NB40三個處理的NH3揮發(fā)速率逐漸增高，排放峰出現(xiàn)在施肥后第4 d，此后逐漸降低，在第14 d NH3揮發(fā)速率與CK接近。施肥的基礎(chǔ)上增施生物炭能降低土壤的NH3揮發(fā)速率，與NB0處理相比，NB20和NB40處理的NH3揮發(fā)速率的峰值下降29.65%和36.89%。土壤NH3揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后14 d內(nèi)，分析NH3累計揮發(fā)量（圖1b）可知，CK的NH3累計揮發(fā)量為0.179 kgN·hm-2，NB0、NB20和NB40三個處理的NH3累計揮發(fā)量分別為2.843、2.159、1.774 kgN·hm-2，處理間差異顯著。與NB0處理相比，NB20和NB40的NH3累計揮發(fā)量分別減少24.075%和37.621%。

圖1　土壤NH3揮發(fā)速率（a）和累計揮發(fā)量（b）Figure 1　Rate（a）and total amount（b）of NH3volatilization in soil

2.2生物炭對土壤N2O排放的影響

土壤的N2O排放通量如圖2a所示。整個玉米的生長季內(nèi)，未施氮肥的CK處理的N2O排放通量較低，介于4.361～10.763滋gN·m-2·h-1之間，且無明顯的排放峰。施氮肥顯著增加了N2O的排放通量，NB0、NB20和NB40三個處理的N2O排放通量變化規(guī)律均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，前期迅速增加，施肥后第8 d后出現(xiàn)峰值，分別為65.542、52.013、58.805滋gN·m-2·h-1，隨后迅速降低，后期呈小幅度的上下波動趨勢。整個生長季NB0、NB20和NB40三個處理的平均N2O排放通量分別為16.970、13.062、13.937滋gN·m-2·h-1。分析土壤的N2O排放總量（圖2b）可知，CK的N2O排放總量為0.164 kgN·hm-2，NB0、NB20和NB40三個處理的N2O排放總量分別為0.359、0.282、0.289 kgN·hm-2。與NB0相比，NB20與NB40處理的N2O排放總量顯著減少21.76%和19.57%，但NB20與NB40處理之間無顯著差異。

圖2　土壤N2O排放通量（a）和排放總量（b）Figure 2　Flux（a）and total amount（b）of N2O emissions in soil

2.3NH3揮發(fā)和N2O排放與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

分析收獲后土壤理化性質(zhì)（表1）可知，單施氮肥對土壤的pH、容重、全氮和有機(jī)碳含量無顯著影響，與CK相比，NB0處理的容重、全氮含量增加，而pH、有機(jī)碳含量降低，但其差異不顯著。而施氮肥的基礎(chǔ)上增施生物炭對土壤的理化性質(zhì)影響較大。NB20和NB40處理顯著提高了土壤的pH，分別比NB0處理提高4.08%和6.20%，而NB20和NB40之間差異不顯著。土壤的全氮含量和土壤的有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為NB40＞NB20＞NB0，處理間差異顯著，NB20和NB40處理土壤的全氮含量分別比NB0提高3.78%和9.09%，有機(jī)碳含量分別提高23.85%和35.80%。與NB0相比，NB20和NB40均能顯著降低土壤的容重9.09%和16.53%。

表1　生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響Table 1　Effects of biochar on physical and chemical properties of brown soil

土壤NH3揮發(fā)和N2O排放與土壤礦質(zhì)氮密切相關(guān)，本研究跟蹤監(jiān)測了土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的動態(tài)變化，結(jié)果見圖3。整個玉米生育期，與NB0相比，NB20和NB40處理土壤硝態(tài)氮平均含量分別提高31.71%和33.16%，銨態(tài)氮平均含量降低30.02%和36.14%，而NB20和NB40處理間差異不顯著。

對比分析可知，未施氮肥的CK處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量一直較低，呈升高與降低交替的波動變化。對于NB0、NB20和NB40三個施氮肥處理，在施氮肥后，土壤銨態(tài)氮含量迅速升高，到第4 d各處理達(dá)到峰值，隨后逐漸下降，到第14 d與CK處理持平，此階段尿素迅速分解，氮素代謝作用較強(qiáng)，促進(jìn)NH3揮發(fā)和N2O排放。土壤硝態(tài)氮的增長則滯后于銨態(tài)氮，于第8 d達(dá)到峰值，此后略有下降，且呈先升高后降低的變化趨勢。

分析施炭入件下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量與土壤NH3揮發(fā)和N2O排放的相關(guān)關(guān)系（表2）發(fā)現(xiàn)，NH3累計揮發(fā)量與土壤銨態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（R=0.870）。N2O的排放總量與硝態(tài)氮呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（R=-0.727），NH3累計揮發(fā)量和N2O的排放總量還與容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系（R=0.968，0.857），與土壤的有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（R=-0.899，-0.643）。

圖3　土壤銨態(tài)氮（a）和硝態(tài)氮（b）含量變化Figure 3　Dynamics of ammonium N（a）and nitrate N（b）in soil

表2　施炭后土壤理化性質(zhì)與NH3揮發(fā)和N2O排放的相關(guān)分析Table 2　Correlation coefficient between soil physiochemical properties and NH3volatilization and N2O emissions

2.4生物炭對玉米產(chǎn)量與氮肥利用效率的影響

施肥可以顯著提高玉米的產(chǎn)量，施肥的基礎(chǔ)上施入適量的生物炭可進(jìn)一步提高玉米的產(chǎn)量（表3）。施氮處理NB0、NB20和NB40的玉米產(chǎn)量顯著高于CK，NB20比NB0產(chǎn)量顯著提高6.07%，而NB40比NB0產(chǎn)量顯著降低13.88%。不同處理間玉米對氮素的吸收利用差異顯著，NB0、NB20和NB40處理的作物吸氮量均顯著高于CK，NB20比NB0的作物吸氮量顯著提高5.59%，而NB40比NB0的作物吸氮量顯著降低15.32%。氮肥利用效率隨著生物炭用量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，與NB0相比，NB20的氮肥利用效率提高6.21%，而NB40下降16.97%。

從NH3累計揮發(fā)量和N2O排放總量及其肥料氮損失率（表3）分析，整個生長季NB0、NB20和NB40處理的氣態(tài)氮素?fù)p失（NH3和N2O）總量分別為3.202、2.238、1.851 kgN·hm-2，與NB0相比，NB20和NB40分別減少由NH3揮發(fā)和N2O排放而導(dǎo)致的氮素?fù)p失30.106%和42.192%。NB0、NB20和NB40處理肥料氮素的NH3揮發(fā)損失率分別為1.665%、1.237%和0.996%，而肥料氮素的N2O排放損失率分別為0.121%、0.079%和0.077%。與NB0相比，NB20和NB40處理最高可以分別節(jié)省肥料0.47%和0.713%。

表3　玉米產(chǎn)量與氮肥利用效率Table 3　Rates of nitrogen losses from fertilization

3　討論

本研究表明，生物炭可以減少土壤的NH3揮發(fā)，降低N2O排放，且隨著生物炭用量的增加，土壤NH3揮發(fā)量隨之減小，而N2O排放量未受影響。土壤氮素的氣態(tài)損失主要有兩個來源，一個是土壤中原來殘留的氮素，另一個是施入的氮肥。本實驗不考慮氮肥的激發(fā)效應(yīng)，因而來自土壤殘留氮素的NH3揮發(fā)量等于不施氮小區(qū)的揮發(fā)量，施氮小區(qū)來自肥料的NH3便可由總揮發(fā)量與不施肥小區(qū)的差值來估算，同樣可以得到來自肥料的N2O的排放損失量。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭顯著降低肥料氮素的NH3揮發(fā)損失和N2O排放損失，與單施氮肥相比，20 t·hm-2和40 t·hm-2生物炭處理可分別節(jié)省肥料0.47%和0.71%。適量的生物炭（20 t·hm-2）對玉米產(chǎn)量具有促進(jìn)作用，且提高玉米對氮素的吸收，增加玉米對氮肥的利用效率；而40 t· hm-2生物炭用量對產(chǎn)量產(chǎn)生明顯的抑制作用，影響玉米對氮素的吸收，降低氮肥的利用效率。這種低量生物炭增產(chǎn)、高量生物炭減產(chǎn)的現(xiàn)象與Baronti等［17］對黑麥草的研究結(jié)果一致，他們認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因是生物炭改變了土壤的酸堿性。本研究中，造成這一現(xiàn)象的原因可能與試驗當(dāng)用環(huán)境氣候變化密切相關(guān)，當(dāng)用春季嚴(yán)重干旱，40 t·hm-2生物炭處理顯著降低了土壤的容重（1.01 g·cm-3），有可能過度增加了土壤的通氣性，不利于保墑，致使高量生物炭處理玉米出苗不齊而嚴(yán)重缺苗，最終導(dǎo)致單位面積有效穗數(shù)少、產(chǎn)量低。另外，生物炭施入土壤后，土壤堿性提高，40 t·hm-2生物炭處理的pH已經(jīng)達(dá)到8，可能對玉米的生長造成一定影響，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。

本試驗中氮肥均為一次性施入，NH3揮發(fā)特征曲線和N2O排放曲線均只有一個明顯的排放峰，與肥料在土壤中的轉(zhuǎn)化關(guān)系很大。為了明確生物炭的減排機(jī)理，對土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量以及相關(guān)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，生物炭可提高土壤pH、全氮含量和有機(jī)碳的含量，降低土壤的容重。相關(guān)分析表明，NH3揮發(fā)損失量與土壤的銨態(tài)氮含量和容重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；N2O的排放量與容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤的硝態(tài)氮含量和有機(jī)碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。有研究表明，土壤的NH3揮發(fā)量與土壤銨態(tài)氮濃度呈正比例關(guān)系，與土壤溶液中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮總濃度呈動態(tài)平衡［22］。本研究中，生物炭處理顯著降低了土壤的銨態(tài)氮含量，可能是導(dǎo)致生物炭處理NH3揮發(fā)減少的原因之一。生物炭具有強(qiáng)大的表面吸附性能，對NH+4具有吸附作用［23］，另外生物炭表面存在酸性的官能團(tuán)，能吸附土壤中的NH3［24］，從而減少了土壤中NH3的揮發(fā)損失。生物炭降低N2O排放的機(jī)理可能與其影響土壤硝化與反硝化作用密切相關(guān)。在硝化細(xì)菌的作用下，土壤溶液中的NH+4被氧化為NO-3，且伴隨產(chǎn)生少量的N2O，與此同時，部分NO-3會經(jīng)反硝化作用生成N2O或N2。一方面生物炭降低了土壤中銨態(tài)氮的含量，降低了硝化作用的底物，減少N2O排放的機(jī)會，另一方面，生物炭本身具有較大的孔隙結(jié)構(gòu)，施入土壤后降低土壤的容重，有效地改善原本黏重的棕壤，增加土壤通氣性和氧氣含量，減少厭氧細(xì)菌的數(shù)量，從而抑制反硝化作用［25］，減少N2O的排放。另外，也可能由于生物炭中的萜類和乙烯等物質(zhì)抑制了硝化和反硝化作用［26］。也有研究認(rèn)為生物炭的施入導(dǎo)致土壤pH提高，增強(qiáng)了N2O還原酶活性，從而促進(jìn)更多的N2O還原為N2，使得N2O的排放減少［19］。

4　結(jié)論

向棕壤中添加生物炭能夠改善土壤的理化性質(zhì)，影響土壤的硝化與反硝化過程，間接地影響土壤NH3揮發(fā)與N2O排放，減少土壤氮素以NH3和N2O形式的氣態(tài)損失，同時增加了作物產(chǎn)量，不僅節(jié)省了肥料，提高氮肥利用效率，而且對環(huán)境起到了保護(hù)作用。但是，有關(guān)生物炭對土壤硝化和反硝化過程的影響機(jī)制以及對相關(guān)微生物的影響，還有待進(jìn)一步深入研究探討。

［1］中國農(nóng)業(yè)用鑒編委會.2004用中國農(nóng)業(yè)用鑒［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005：187-192.

Editorial Board of China Agriculture Year Book.The year book of China agriculture for 2004［M］.Beijing：Chinese Agricultural Press，2005：87-92.

［2］朱兆良，張福鎖.主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素行為與氮肥高效利用的基礎(chǔ)研究［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：39-46.

ZHU Zhao-liang，ZHANG Fu-suo.Basic research on N behavior and the efficient use of N fertilizer in main fields of the ecological system［M］. Beijing：Science Press，2010：39-46.

［3］朱兆良.農(nóng)田中氮肥的損失與對策［J］.土壤與環(huán)境，2000，9（1）：1-6.

ZHU Zhao-liang.Loss of fertilizer N from plants-soil system and strategies and techniques of its reduction［J］.Soil and Environmental Sciences，2000，9（1）：1-6.

［4］張玉銘，胡春勝，張佳寶，等.太行山前平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)與平衡研究［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2006，12（1）：5-11.

ZHANG Yu-ming，HU Chun-sheng，ZHANG Jia-bao，et al.Nitrogen cycling and balance in agricultural ecosystem in piedmont plain of Taihang Mountains［J］.Plant Nutrition and Fertilizer Science，2006，12（1）：5-11.

［5］巨曉棠，劉學(xué)軍，鄒國元，等.冬小麥/夏玉米輪作體系中氮素的損失途徑分析［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，35（12）：1493-1499.

JU Xiao-tang，LIU Xue-jun，ZOU Guo-yuan，et al.Evaluation of nitrogen loss way in winter wheat and summer maize rotation system［J］.ScientiaAgricultural Sinica，2002，35（12）：1493-1499.

［6］陳新平，張福鎖.小麥-玉米輪作體系養(yǎng)分資源綜合管理理論與實踐［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2006：103-110.

CHEN Xin-ping，ZHANG Fu-suo.Maize rotation system integrated nutrient management theory and practice［M］.Beijing：China Agricultural University Press，2006：103-110.

［7］Zhu Z L，Chen D L.Nitrogen fertilizer use in China-contributions to food production，impacts on the environment and best management strategies［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems，2002，63：117-127.

［8］李鑫，巨曉棠，張麗娟，等.不同施肥方式對土壤NH3揮發(fā)和N2O排放的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2008，19（1）：99-104.

LI Xin，JU Xiao-tang，ZHANG Li-juan，et al.Effects of different fertilization modes on soil ammonia volatilization and nitrous oxide emission［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2008，19（1）：99-104.

［9］陳溫福，張偉明，孟軍，等.生物炭應(yīng)用技術(shù)研究［J］.中國工程科學(xué)，2011，13（2）：83-89.

CHEN Wen-fu，ZHANG Wei-ming，MENG Jun，et al.Researches on biochar application technology［J］.Engineering Sciences，2011，13（2）：83-89.

［10］Kishimoto S，Sugiura G.Charcoal as a soil conditioner［J］.International Achievements for the Future，1985（5）：12-23.

［11］Iswaran V，Jauhrik S，Sen A，et al.Effect of charcoal，coal and peat on the yield of moong，soybean and pea［J］.Soil Biology and Biochemistry，1980，12（2）：191-192.

［12］唐光木，葛春輝，徐萬里，等.施用生物黑炭對新疆灰漠土肥力與玉米生長的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，30（9）：1797-1802.

TANG Guang-mu，GE Chun-hui，XU Wan-li，et al.Effect of applying biochar on the quality of grey desert soil and maize cropping in Xinjiang，China［J］.Journal ofAgro-Environment Science，2011，30（9）：1797-1802.

［13］Lehmann J，Silva J P，Steiner C，et al.Nutrient availability and leaching in an archaeological anthrosol and a ferralsol of the Central Amazon Basin：Fertilizer manure and charcoal amendments［J］.Plant and Soils，2003，249：343-357.

［14］Rondon M A，Lenmann J，Ramirez J，et al.Biological nitrogen fixation by common beans（Phaseolusbulgaris L.）increases with biochar additions［J］.Biology and Fertility of Soils，2007，43：699-708.

［15］彭華，紀(jì)雄輝，吳家梅，等.生物黑炭還田對晚稻CH4和N2O綜合減排影響研究［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2011，20（11）：1620-1625.

PENG Hua，JI Xiong-hui，WU Jia-mei，et al.Integrated effect of decreasing CH4and N2O emission by biochar incorported to paddy field onlate rice［J］.Ecology and Environmental Sciences，2011，20（11）：1620-1625.

［16］Taghizadeh T A，Clough T J，Sherlock R R，et al.Biochar adsorbed ammonia is bioavailable［J］.Plant and Soil，2012，350：57-69.

［17］Baronti S，Alberti G，Genesio.Effects on soil fertility and on crops production［C］//2nd International Biochar Conference IBI September.UK：Newcastle-Gateshead，2008：698-703.

［18］Scheer C，Grace P R，Rowlings D W，et al.Effect of biochar amendment on soil-atmosphere exchange of greenhouse gases from an intensive subtropical pasture in Northern New South Wales［J］.Australia Plant and Soil，2011，345：47-58.

［19］Yanai，Y，Toyota K，Okazaki M.Effects of charcoal addition on N2O emissions from soil resulting from rewetting air-dried soil in short-term laboratory experiments［J］.Soil Science and Plant Nutrition，2007，53：181-188.

［20］楊帆，李飛躍，趙玲，等.生物炭對土壤NH3氮轉(zhuǎn)化的影響研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2013，32（5）：1016-1020.

YANG Fan，LI Fei-yue，ZHAO Ling，et al.Influence of biochar on the transformation of ammonia nitrogen in soils［J］.Journal of Agro-Envi-ronment Science，2013，32（5）：1016-1020.

［21］梁國慶，周衛(wèi)，夏文建，等.±化施氮下稻-麥輪作體系土壤N2O排放研究［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2010，16（2）：304-311.

LIANG Guo-qing，ZHOU Wei，XIA Wen-jian，et al.Effect of optimized nitrogen application on N2O emission from paddy field under wheat-rice rotation system［J］.Plant Nutrition and Fertilizer Science，2010，16（2）：304-311.

［22］Diekmann K H，Datta S K D，Ottow J C.Nitrogen uptake and recovery from urea and green manure in lowland rice measured by15N and nonisotope techniques［J］.Plant and Soil，1993，148：91-99.

［23］邢英，李心清，周志紅，等.生物炭對水體中銨氮的吸附特征及其動力學(xué)研究［J］.地球與環(huán)境，2011，39（4）：511-515.

XING Ying，LI Xin-qing，ZHOU Zhi-hong，et al.Adsorption and kinetics of ammonium from aqueous medium onto biochar［J］.Earth and Environment，2011，39（4）：511-515.

［24］Kastner J R，Miller J，Das K.Pyrolysis conditions and ozone oxidation effects on ammonia adsorption in biomass generated chars［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，164：1420-1427.

［25］Cavigelli M A，Robertson G P.Role of denitrifier diversity in rates of nitrous oxide consumption in a terrestrial ecosystem［J］.Soil Biol-Biochem，2001，33：297-310.

［26］Spokas K A，Reicosky D C.Impacts of sixteen different biochars on soil greenhouse gas production［J］.Annals of Environmental Science，2009，3：179-193.

Effects of biochar on NH3volatilization，N2O emission and nitrogen fertilizer use efficiency in brown soil

CHENG Xiao-yi，LIU Xiao-lin，MENG Jun，LAN Yu，LIU Zun-qi，YANG Xu，HUANG Yu-wei，CAO Ting，CHEN Wen-fu*
（Shenyang Agricultural University，Biochar Engineering Technology Research Center of Liaoning Province，Shenyang 110866，China）

A field experiment was conducted to investigate the effects of biochar on NH3volatilization，N2O emission，and N fertilizer use efficiency in brown soil by acid absorption and static chamber method.Four treatments，including no N fertilizer（CK），N fertilizer（NB0），N fertilizer with 20 t·hm-2biochar（NB20）and N fertilizer with 40 t·hm-2biochar（NB40），were designed.Results showed that：Compared with NB0，NH3volatilization in NB20 and NB40 decreased by 24.07%and 37.62%，respectively，while N2O emission in these two treatments reduced by 21.67%and 19.57%，with no significant difference between them；Soil bulk density was decreased，but soil pH，total nitrogen and organic carbon content were increased in NB20 and NB40；A significant positive correlation existed between NH3volatilization and soil bulk density or ammonium nitrogen concentration，and between N2O emission and soil bulk density，whereas a negative correlation between NH3volatilization and organic carbon content，and between N2O emission and nitrate-nitrogen concentration or organic carbon content；NB20 increased N fertilizer use efficiency and maize yield by 6.07%，while NB40 decreased the yield by 13.88%，as compared with NB0.

biochar；NH3volatilization；N2O emission；N fertilizer use efficiency

X712

A

1672-2043（2016）04-0801-07

10.11654/jaes.2016.04.026

2015-11-15

科技支撐課題“用產(chǎn)3萬噸生物質(zhì)炭基材料技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化示范”（2014BAD02B06-02）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科技專項“秸稈移動床熱解炭化多聯(lián)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”；遼寧省教育廳±秀人才支持計劃

程效義（1985—），男，黑龍江依蘭人，博士研究生，主要從事生物炭應(yīng)用與土壤改良。E-mail：cxy_beyond@126.com

陳溫福E-mail：wfchen0512@126.com