N₂O具有较强的增温潜势，是重要的温室气体之一，其潜在增温作用约为CO₂的298倍^[1];同时还参与大气中许多光化学反应，威胁人类健康。IPCC第四份全球气候评估报告指出，全球大气N₂O浓度的增加主要来自于农业，占总排放量的80%^[2].我国是农业大国，旱作农田在农业生产中占据重要地位，由于其化肥使用量大，成为大气N₂O的重要排放源。因此，研究旱作农田土壤N₂O的排放特征，以及如何减少其N₂O的排放显得尤为重要。

研究表明，不同的农田管理措施，如施肥、耕作方式、灌溉以及作物类型等均会通过影响土壤水分、温度或土壤结构等土壤的物理性质和微生物特性，从而影响土壤的硝化、反硝化反应和N₂O在土壤中的传输，进一步影响土壤的N₂O排放通量。Pelstera等^[3]研究发现，旱作农田从传统耕作方式转变成免耕方式引起N₂O排放量的增加，但增加是暂时的。化肥氮是农业土壤中产生N₂O的最大来源，肥料种类和施肥量对农田土壤N₂O排放有显着影响，土壤N₂O的排放量与氮肥施用量呈线性关系^[4].但施肥对土壤N₂O排放的影响又受土壤水分条件的影响，水分影响着N₂O在土壤中的运输及向大气中的扩散。当土壤含水量较低时，施肥并不会导致N₂O通量迅速升高，高水分条件下施肥迅速增加农田土壤N₂O排放^[5].土壤N₂O排放是非常复杂的过程，如何通过一定的调控措施减少农田N₂O排放，使减排措施达到效益最优是科学家需要重点解决的问题之一。

生物质炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质^[6].向土壤中施加生物质炭以减少温室气体排放是当前国际生物质炭研究领域的前沿，也是能否实现废弃有机物资源生物质炭还田的关键。一些研究表明^[7,8],在水稻田内添加生物质炭能够显着降低N₂O的排放^[9,10],土壤NOx的排放减少约80%^[11],但Clough等^[12]却发现生物质炭施入土壤后促进N₂O排放。分析发现，不同学者所采用的实验材料、研究方法以及实验对象存在较大差异，对生物质炭能否真正减少土壤温室气体N₂O排放，还存在很多争议。目前结果主要来自实验室内优化条件下短期培养数据，缺乏田间长期定位试验数据，土壤类型也主要集中在热带酸性土壤及水稻土壤，有关生物质炭对旱作农田N₂O排放影响因素的研究较少。黄土高原旱作农业降水量少且季节分布不均、年际间变幅大，生物质炭添加如何影响农田N₂O排放有待深入研究。研究采用密闭式静态暗箱-气相色谱法，通过长期定位监测生物质炭输入后旱作农田土壤N₂O的排放，开展生物质炭对黄土高原旱作农田N₂O排放规律及影响因子的分析研究，以期为正确评价生物质炭在黄土高原旱作农田土壤N₂O排放中的作用以及有机物质生物质炭化技术在旱地农田中的应用提供一定参考依据。 1 材料与方法 1.1 试验区概况

田间试验安排在西北农林科技大学水土保持研究所长武国家农业生态试验站（107°40′ E,35°12′ N）.该试验站位于黄土高原中南部的陕西省长武县洪家镇王东村，海拔1200 m,属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水584 mm,年均气温9.1 ℃，年日照时数2218 h,无霜期171 d,地下水埋深50~80 m,属典型旱作农业区；地带性土壤为黑垆土，土壤质地为壤土，全剖面土质均匀疏松，表层土壤密度为1.30 g·cm^-3. 1.2 试验设计

试验于2013年4-9月进行，试验期内总降雨424 mm,玉米生育期降雨分布及气温状况见图 1.为了比较生物质炭添加对不同施肥下农田N₂O排放的影响，试验设6个处理，3次重复，随机区组排列，小区面积为7 m×8 m=56 m2.C0N0:不施氮+0 t·hm^-2生物质炭；C2N0:不施氮+20 t·hm^-2生物质炭；C0N1:225 kg N·hm^-2+0 t·hm^-2生物质炭；C1N1:225 kg N·hm^-2+10 t·hm^-2生物质炭；C2N1:225 kg N·hm^-2+20 t·hm^-2生物质炭；C3N1:225 kg N·hm^-2+30 t·hm^-2生物质炭。以含氮量46%的尿素为氮源，分3次施用，其中基肥与种肥占40%,拔节期追肥占30%,抽雄期追肥占30%.各处理施磷肥40 kg P·hm^-2,钾肥80 kg K·hm^-2,分别以含P₂O₅ 12%的过磷酸钙和含K₂O 45%的硫酸钾为肥源。供试生物质炭为玉米秸秆炭（河南三利新能源公司生产）,热裂解炭化温度350~450 ℃。生物质炭、基施氮肥、磷肥和钾肥均在播前撒于地表后微耕机翻耕，使其充分混匀；追施氮肥用点种器施入。玉米种植密度为65 000株·hm^-2,品种为先玉335.各处理均为宽窄行种植，宽行60 cm、窄行40 cm.试验期间采用雨养方式，不进行灌溉处理。

箭头处表示施肥时间 Arrows denote dates of fertilization 图 1 玉米生长季降雨分布和气温变化（a）以及N2O排放通量（b） Figure 1 Dynamics of precipitation and air temperature（a）,and N2O emissions（b） during corn growth season

图选项

采用密闭式静态箱法测定N₂O排放。箱体包括顶箱和底座两部分，均由不锈钢制成。顶箱长、宽、高均为50 cm,箱内安装风扇以将箱内气体混匀，箱外包覆泡沫层用来保温。底座长、宽、高分别为50 cm、50 cm、15 cm,底座安置在小区中央，插入土层15 cm深处，整个生长季不再移动，框内种植两棵玉米，玉米长高后（6月下旬，九叶期）折断，只留45 cm高度^[13].气体采集于每天上午8:30至11:30之间进行，采集时将顶箱放置在底座上部的凹槽中，用水密封，分别在盖箱后0、10、20、30 min用50 mL注射器抽取箱内气体50 mL.采气频率：平时为每5 d监测1次，施氮肥后从第2 d开始每2 d监测1次，连续监测10 d后恢复为每5 d监测1次；降雨后从第2 d开始每2 d 监测1次，连续监测3次后恢复为每5 d监测1次。所采集气体暂时保存在注射器内，当天用Agilent 7890 A气相色谱仪（Agilent Technologies inc.）测定。N₂O排放通量计算公式为：

每次采集气体样品的同时用便携式铂电阻数字温度计（JM624）测定箱内空气、土壤表层、土壤10 cm处温度，测定时间分别为采集第1针及最后1针气体样品时，取两次测定的平均值作为当天的温度值。降雨量及大气温度来自长武试验区自动气象站。 1.3.3 土壤含水量、矿质氮、全氮、pH及容重测定

施氮后10 d和降雨后6 d内每2 d采集1次，其余时间每5 d采集1次箱内0~20 cm土层土样（土壤样品采集与气体样品采集在同一时间段内进行）,用烘干法测定土壤含水量；用1 mol·L^-1 KCl溶液浸提，连续流动分析仪测定浸提液NH⁺₄-N及NO^-₃-N的含量。于玉米收获后在玉米行间随机取点采集0~20 cm土层土样，用凯氏定氮法测定全氮含量；采用土水比1∶2.5,用复合玻璃电极测定土壤pH;采用环刀法测定土壤容重。 1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 16.0和Sigmaplot 10.0软件进行t检验、方差分析和相关性分析及作图。 2 结果与分析 2.1 生物质炭对农田N₂O排放的影响 2.1.1 生长季N₂O排放通量

春玉米生长季农田N₂O的排放动态变化见图 1.不施肥时（C0N0和C2N0）,农田N₂O排放通量相对稳定，且排放量也一直维持在较低的水平；施肥后，添加不同生物质炭处理农田均出现明显的N₂O排放峰，且排放峰出现时间和高低与施肥量、土壤含水量、施肥后降雨时间及降雨量有一定关系。第一次排放峰出现在施基肥（4月16日）后的第7 d,降雨后的第4 d,C0N1、C1N1、C2N1和C3N1处理的排放通量分别高达131.85、126.48、113.62、103.25 μg·m^-2·h^-1;第二次排放峰出现在拔节期期间的第一次追肥（7月1日）后第10 d,降雨后的第3 d,C0N1、C1N1、C2N1和C3N1处理的排放通量分别为108.92、102.95、94.72、80.59 μg·m^-2·h^-1;抽雄期期间的第二次追肥（7月21日）后第2 d C0N1、C1N1、C2N1和C3N1处理的N₂O排放通量均达到生长季排放通量的最高值，分别为151.61、142.25、131.93、119.54 μg·m^-2·h^-1,这可能与这次追肥后第1 d突降120 mm强降雨有关。另外，生物质炭的添加降低了N₂O排放通量峰值，且降幅随添加量的增加而增大。 2.1.2 生长季N₂O排放总量

由图 2可以看出，氮肥是影响N₂O排放总量的主要因素，不施氮处理的农田N₂O排放总量极显着低于施氮处理（P<0.01）.生物质炭添加降低了施氮农田春玉米生长季N₂O排放总量，C3N1处理N₂O排放总量显着低于C0N1处理（P<0.05）,减少了19.24%,C1N1、C2N1比C0N1处理仅减少3.40%、9.89%,差异未达显着水平。不施氮时，20 t·hm^-2的生物质炭添加未对试验农田N₂O排放总量产生显着影响。

不同字母表示差异达显着水平 P<0.05 Different lowercase letters indicate significant differences at P<0.05 图 2 玉米生长季N2O排放总量 Figure 2 Cumulative N2O emissions in different treatments during corn growth season

图选项

土壤持水能力受土壤质地、结构和土壤有机质含量的影响。生物质炭施入土壤后改变土壤孔隙度和团聚程度，因而可能会影响土壤水分持有能力。整个生长季0~20 cm土壤含水量变化为9.32%~33.72%（图 3）.添加生物质炭并未显着改变农田土壤表层土壤含水量，C0N0和C2N0两个不施氮处理整个生长季的表层土壤平均含水量分别为21.71%和22.10%;C0N1、C1N1、C2N1和C3N1 四个施氮处理分别为21.88%、21.53%、21.70%、21.48%,差异均较小。生长季后期不施氮处理的土壤含水量平均略高于施氮处理，可能与施氮处理玉米植株壮大，蒸腾耗水量相应增加有关。

图 3 玉米生长季水分动态变化 Figure 3 Dynamics of soil volumetric water content in different treatments during corn growth season

图选项

土壤温度与种子萌发、幼苗的生长及作物产量关系密切，又是影响土壤N₂O产生与排放的一个重要因素。不同处理土壤温度的测定结果（图 4、图 5）表明，无论施氮与否，添加生物质炭后农田土表（0 cm）和10 cm土壤的生长季平均温度增加，且生物质炭对土表（0 cm）的增温效果更显着，生长前期的温度增幅最高达0.7 ℃。平均来看，不施氮时，C2N0处理0~20 cm土层平均土壤温度比C0N0增加0.2 ℃；施氮时，C1N1、C2N1、C3N1处理0~20 cm土层平均土壤温度分别比C0N1增加了0.1 ℃、0.2 ℃、0.4 ℃，但差异不显着。

图 4 玉米生长季土表（0 cm）温度变化 Figure 4 Dynamics of soil temperature（0 cm） in different treatments during corn growth season

图选项

图 5 玉米生长季10 cm土壤温度变化 Figure 5 Dynamics of soil temperature（10 cm） in different treatments during corn growth season

图选项

不同处理对0~20 cm土壤NO^-₃-N和NH⁺₄-N含量的影响见图 6.由图 6可知，NO^-₃-N和NH⁺₄-N含量的两次峰值均出现在施肥后 （4月16日及7月1日），但第 2 次增加相对较少，未达显著水平； 生育后 期 0~20 cm 土层土壤的 NO^-₃ -N 和 NH⁺₄ -N 含量显著 降低，所有处理的平均 NH⁺₄ -N 含量无明显差异。比较 不同处理发现，不施氮时，添加生物质炭减少了 0~20 cm 土层土壤 NH⁺₄ -N 含量而未影响 NO^-₃ -N 含量； 施 氮时，添加生物质炭同时减少了 0~20 cm 土层土壤 NH⁺₄ -N 和 NO^-₃ -N 的含量，C1N1、C2N1、C3N1 处理的 NH⁺₄ -N 平均含量比 C0N1 分别降低了 6.5%、15.8%、 19.7%。

图 6 玉米生长季土壤矿质氮含量动态变化 Figure 6 Dynamics of soil mineral nitrogen in each treatment during corn growth season

图选项

农田土壤作为大气中 N₂O 的最主要释放源，肥料 氮是旱作农田土壤 N₂O 排放的最主要源，氮施用对 农田土壤 N₂O 的排放有明显的促进作用 ^[4] ； 土壤水热 条件则是影响其 N₂O 产生和排放的重要因子。春玉 米整个生长季 N₂O 排放通量与 0~20 cm 土壤水分、0~ 20 cm 土壤 NO^-₃ -N 和 NH⁺₄ -N 含量、土表（ 0 cm ） 温度 及 10 cm 土壤温度的相关性分析结果见表 1。施肥 后，0~20 cm 土壤 NO^-₃ -N 和 NH⁺₄ -N 含量显著增加，出 现明显的 N₂O 排放峰；而未施氮处理整个生长季土壤 NO^-₃ -N 和 NH⁺₄ -N 含量及 N₂O 排放较为平缓 （图 1b 和图 6 ）。0~20 cm 土层土壤含水量的变化直接受降雨 的影响 （图 1a，图 3），添加生物质炭并未显著改变 0~ 20 cm 土层平均土壤含水量，但降低了 N₂O 排放总 量。这可能是由于随生物质炭添加量的增加，降雨对 施氮处理的 N₂O 排放通量增加效应减弱。相关性分 析 （表 1） 表明，N₂O 的排放通量与 0~20 cm 土层土壤 含水量呈极显著正相关关系 （P<0. 001 ），与白红英 等 ^[14] 研究结果一致。但本试验春玉米生长季土表 0 cm 和 10 cm 土壤温度与 N₂O 排放通量分别呈极显著负 相关 （ P<0.01 ）和显著负相关 （ P<0.05 ），与已有 N₂O 排 放通量小和温度呈显著正相关的研究结果 ^[15] 不一致，这可能与降雨后 N₂O 排放增加而农田土壤温度下 降有关。另外，随着生物质炭添加，土壤温度呈升高趋 势，但N₂O 排放减少。综合分析研究结果，我们认为添 加生物质炭后，矿质氮含量的减少可能是 N₂O 的排放 减少的主要原因，而且相关性分析也表明，N₂O 的排 放通量与 NO^-₃ -N 和 NH⁺₄ -N 含量呈极显著的正相关 关系 （ P<0.001 ）。

表 1 春玉米生长季农田土壤N₂O排放通量与各影响因子的相关性 Table 1 Correlation coefficients between soil N₂O flux and influencing factor during spring corn growth season

表选项

为确保作物正常生长，目前我国每年都要给旱作 农田土壤施加一定量的氨基氮肥，这为硝化作用提供 了大量的底物 NH⁺₄ ，硝化作用影响着耕地土壤氮素转 化，是大气中 N₂O 的主要产生机制之一 ^[16] 。旱作农田 土壤 N₂O 的排放还受到不同的环境因素和农田管理 措施 （ 如 pH、土壤温度、湿度、施肥、耕作等 ）的共同作 用和影响。Yanai 等 ^[8] 研究认为，生物质炭灰分中的碱 性物质可以改变土壤的 pH，刺激 N₂O 还原酶的活性， 减少 N₂O 排放。但本试验供试土壤为弱碱性土壤，具 有一定的酸碱缓冲能力，因此不同处理土壤 pH 并未 表现出明显差异 （ 表 2 ）。不同处理 N₂O 排放峰均出现 在 3 次施肥降雨后，即施肥及土壤水分含量增加之 后 ^[5] 。在追肥后降雨前由于土壤含水量极低，可以从 试验小区内观察到表层土下方所追施氮肥仍然呈 颗粒状，测定的 N₂O 排放峰也没有产生，这与Saarnio 等 ^[17] 研究结果一致。

表 2 N₂O排放总量和0~20 cm土壤全氮、pH和容重 Table 2 Cumulative N₂O emissions,soil pH,total N and bulk density of top soil（0~20 cm） in different treatments

表选项

对试验结果进一步分析发现，生物质炭的添加降低了降雨后 N₂O 排放通量峰值，且随添加量的增加， 降低显著； 这可能与生物质炭具有多孔、低密度特性 有关。试验添加生物质炭后土壤容重不同程度减小 （表 2 ），增加了土壤孔隙度，而土壤孔隙度影响土壤 中氧气的供给状况，对 N₂O 的排放过程产生极为重要 的影响 ^[18] 。土壤的保水性也主要取决于土壤孔隙的分 布和连通性。Novak 等 ^[19] 研究认为，添加生物质炭能 够增加土壤的保水能力，但本试验各处理间的水分 含量差异未达显著水平，可能与试验土壤温度升高 有关。生物质炭呈黑色，随着添加量的增加试验土壤 的孟塞尔色度值有变小趋势 ^[20] ； 本试验地区又具有较 强的太阳辐射与较长的日照时间，有利于黑色物质 吸收更的太阳辐射来提高土壤温度，增加土壤水 分蒸发。

土壤温度的提升，孔隙度的增加，以及生物质炭 颗粒对游离 NH⁺₄ -N 的吸附，一方面可以给微生物提 供良好的生存环境 ^[21] ，增加微生物的活性，在土壤中 固定更的氮，增加土壤的全氮含量 （表 2 ），另一方 面可降低反硝化细菌的活性，降低土壤的硝化与反硝 化作用 ^[22,23] ，降低 N₂O 的排放 ^[24] 。比较不同处理发现， 施氮处理 C1N1、C2N1、C3N1 的 NH⁺₄ -N 平均含量比 C0N1 分别降低了 6.5%、15.8%、19.7%，说明可能是生 物质炭对 NH⁺₄ -N 的吸附作用减缓了 NH⁺₄ -N 转化为 NO^-₃ -N 的反应速率进而减少了 N₂O 的排放。

农田土壤是 N₂O 重要排放源，基于全球农田土壤 1008 个 N₂O 排放数据分析表明，施肥农田土壤每年 释放 N₂O-N 的量达到 3.3 Tg，且为了满足日益增长的 人口对粮食的需求，越来越多肥料被施入农田，必将 极大地增加农田土壤 N₂O 的排放量 ^[25] 。因此，加强我 国农田土壤 N₂O 排放规律及减排措施的研究十分必 要。施加生物质炭后，由于不同种类土壤在质地、水分 含量、通气状况、温度、本底有机质含量、微生物种类 和数量、植被类型等方面的差异，因而 N₂O 排放也存 在差异，目前对生物质炭能否减少土壤温室气体排放 尚无定论。生物质炭对在我国农业生产中占据重要地 位的旱作农田 N₂O 排放的影响究竟如何，需要进一步 长期的田间定位监测，为准确评价生物质炭对旱作农 田土壤 N₂O 排放影响积累更加丰富和代表性的数据， 同时也为生物质炭还田大面积推广应用提供一定科 学依据。 4 结论

生物质炭添加降低了施氮农田春玉米生长季 N₂O 排放通量峰值和排放总量，且 C3N1 处理降低显 著 （ P<0.01 ）。无论添加生物质炭与否，生长季不施氮 处理农田 N₂O 排放通量和总量均显著低于施氮处 理。添加生物质炭不同程度提高了农田 0 cm 和 10 cm 土壤温度，减少了施氮处理 0~20 cm 土壤 NH⁺₄ -N 和 NO^-₃ -N 含量，但对农田 0~20 cm 土层土壤含水量 影响不显著； 相关性分析表明，试验农田 N₂O 的排放 通量与 0~20 cm 土层土壤 NO^-₃ -N 和 NH⁺₄ -N 含量、含 水量均呈极显著正相关关系 （ P<0.001 ）。添加生物质 炭后矿质氮含量的减少可能是旱作春玉米农田 N₂O 排放减少的主要原因。