自2003年到2012年，由于人为活动导致温室气体（GHGs）排放增加，使全球表面温度提高了（0.78±0.06） ℃^[1]。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次评估报告^[1]表明，2010 年全球农林业温室气体排放达到12.0 Gt CO₂-C_e（CO₂当量），占人类活动总排放的 24.0%（49.00±4.50 Gt CO₂-C_e）。若通过良好的管理措施，农业的减排潜力可占总自然潜力的20%以上^[2]，减少农田温室气体排放，对于减缓全球气候变化具有十分重要的作用。

我国农业每年产生6~8 Gt 的作物秸秆^[3]，但资源利用率较低。秸秆还田是秸秆利用的一种重要方式，其能够维持土壤养分平衡，改善土壤物理结构，提高土壤有机碳含量^[4]，但同时增加了土壤呼吸^[5]。近年来，将秸秆在高温厌氧环境下转化为生物质炭施入土壤，作为一个有效的增汇减排途径被广泛研究^[6]。生物质炭自身具有多孔的结构，施入土壤后可以增加表层土壤孔隙度、田间持水量及土壤水分的渗透性^[7]，并能够抑制土壤CO₂和N₂O的排放，增加土壤有机碳库^[8]。但是也有研究表明，生物质炭的施用增加了稻田CH₄的排放^[9]，而有关生物质炭施用对关中地区塿土（土垫旱耕人为土）碳氮转化影响的研究还很少。

随着全球变暖成为社会关注的热点，碳足迹作为一个新的研究方法迅速得到学术界的认可，并成为气候变化领域新的研究热点^[10]。碳足迹研究法旨在系统、定量地研究个体生命周期内所有的碳源和碳汇^[11]，有效评价农业生产活动对温室效应的影响。国内外学者从不同角度对农业碳足迹进行了研究^{[12, 13]}，但对添加秸秆及其生物质炭后作物生产碳足迹的分析较少。本文旨在研究添加秸秆及其生物质炭之后，小麦生长季土壤CO₂排放及生态系统N₂O、CH₄排放和小麦产量的变化，运用“碳足迹”的方法评价秸秆和生物质炭施用对小麦生长过程中净碳汇的影响，为合理评估秸秆、生物质炭的农田应用及农业固碳减排提供理论支撑与科学依据。

试验田位于陕西关中平原中部杨凌区，西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院。属暖温带季风半湿润气候区，海拔521 m，年平均降水量630 mm，年平均温度12.9 ℃，年昼夜温差平均11.5 ℃，年均蒸发量1440 mm，全年降雨主要集中在7、8、9三个月，属于典型的冬小麦-夏玉米一年两熟种植区。试验站内土壤为塿土，1 m土层的平均田间持水量为23%~25%，萎蔫系数为8.5%（以上含水量均为质量分数），土壤容重为1.44 g·cm_-3。

供试的小麦秸秆及小麦秸秆生物质炭均购买于三利新能源有限公司，其碳氮含量见表 1。生物质炭是由小麦秸秆在350~550 ℃无氧条件下热解制得，其中K、Ca和Mg的含量分别是0.16%、1.01% 和0.62%。生物质炭过5 mm筛备用。

表 1 秸秆及生物质炭的碳、 氮含量 Table 1 Organic carbon and total nitrogen of wheat straw and its biochar

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试验采用随机区组设计，共5个处理，其中秸秆施用量为4 t·hm^-2，生物质炭施用量为4 t·hm^-2和8 t·hm^-2（表 2），每个处理重复3次，共15个小区，小区面积为2 m×5 m。试验区周围布0.5 m宽的作物保护带。除CK外，其他各小区分别施用225 kg N·hm^-2的尿素和90 kg P₂O₅·hm^-2的磷酸二氢钙，用作基肥。肥料、秸秆和生物质炭在播种前人工撒施之后通过旋耕机一次性翻入耕层土壤。其他管理措施与当地一致。

表 2 试验处理及说明 Table 2 Experimental treatments and description

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小麦于2013年10月3日播种，2014年6月5日收获。采样日期分别为出苗期（2013年10月23日）、三叶期（2013年11月1日）、分蘖期（2013年11月11日）、越冬前期（2013年12月24日）、越冬后期（2014年1月21日）、返青期（2014年3月8日）、抽穗期（2014年4月17日）和成熟期（2014年5月25日）。

温室气体使用密闭式静态暗箱法^[14]进行采集。密闭箱分为箱体和底座两部分，箱体材料为PVC，规格是50 cm×50 cm×50 cm，箱内安装风扇以混匀气体，底座上附凹槽，在小麦播种前插入土壤中安装好。每小区安装两个底座，其中一个底座内种植小麦，采集生态系统N₂O和CH₄的排放；另一个为裸地，采集土壤CO₂的排放。每次采集气体之前在凹槽中注水，使其与箱体形成一个密闭环境。在小麦生长的不同时期，每次于上午8：00—11：00之间采集气体，每个小区分别用两个密闭箱同时采集气体，分别在密闭箱置于底座内密封后的 0、10、20、30 min时用注射器抽取箱内气体50 mL，共4次，气样中CO₂、CH₄和N₂O的浓度在30 min 内都呈线性积累（R²>0.900 0）。

采集的气体用Agilent 7890 A气相色谱仪测定。CH₄和CO₂使用FID检测器，柱温为80 ℃，检测器温度为200 ℃。载气为氮气，流速40 mL·min^-1；燃气为氢气，流速35 mL·min^-1；助燃气为空气，流速350 mL·min^-1。N₂O使用ECD检测器，其柱温是65 ℃，检测器温度320 ℃，载气为氩甲烷，流速30 mL·min^-1。气体排放速率由4个气体样品的浓度值经过线性回归分析得出，排放通量由下式求得，加权平均求全生育期CO₂、N₂O和CH₄在小麦生长期内的排放总量。

以CO₂为例，式中：H为采集箱子的高度，cm；M为CO₂的摩尔质量，44 g·mol^-1；ρ为CO₂的气体密度，g·L^-1；R为普适气体常数，8.314 Pa·m³·mol^-1·K^-1；T为采样时箱内平均气温，℃；dC/dt为CO₂排放速率，μL·L^-1·min^-1；Flux为CO₂排放通量，mg CO₂-C·m^-2·h^-1。

每次采集气体样品的同时，用地温计测定土壤15 cm处耕层温度，用温度计测定大气温度和密闭箱内空气温度，测定时间为密闭箱置于底座后15 min。

气体采集时土壤水分含量采用TDR土壤水分速测仪进行测定，每个小区随机测3个点取平均值。

小麦收获后，在每个小区选取1 m2样点进行单独收割，风干脱粒后称取籽粒重量并计算产量，最终结果以每公顷小麦产量（kg·hm^-2）表示。

净初级生产力（NPP）为小麦收获后地上部分、掉落物和地下部分生物量的总和。

农田生态系统碳足迹模型如图 1所示。试验中，评价生物质炭生产过程中的能源消耗与替代（生产的生物气并网发电），农资生产过程中（化学肥料和农药）的碳排放，农艺措施中的能源消耗（耕作、秸秆打包和粉碎、秸秆及其生物质炭还田、化肥和农药喷洒、收获），秸秆及其生物质炭运输过程产生的能源消耗，同时考虑土壤异养呼吸的碳排放及小麦生长过程中的碳固定（生态系统净初级生产力），文中用生态系统的净交换（NEE）综合表征生态系统净的碳固定，并考虑小麦生态系统中CH₄和N₂O的排放，综合评价小麦秸秆及其生物质炭施用的固碳潜力，系统分析生物质炭生产-农田耕作系统碳平衡，这里用农田生态系统的单位面积碳足迹（CF）表征。在碳成本的计算过程中，秸秆以及生物质炭运输过程中产生的能源消耗用消耗的柴油量表示。生物质炭生产过程中产生的生物油是一种生物质热解产生的重要副产品，但由于生物油精炼的复杂性和缺乏对其估值数据，在这项研究中没有考虑生物油的利用率。

图 1 农田生态系统碳足迹模型 Figure 1 Concept model of carbon footprint in agricultural ecosystem

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小麦生长过程的总CF计算公式为^[13]：

作物生产单位产量碳足迹CF_y（kg CO₂-C_e·kg^-1），即生态系统生产每千克小麦所产生的碳排放，计算公式为^[12]：

所有数据均采用3次重复。采用 JMP 7.0统计软件对数据进行处理和相关性分析，应用OriginPro 9.0软件对数据进行制图，采用 Duncan 法对数据进行方差分析（α=0. 05）。

小麦收获后，各处理小麦产量见图 2。小麦产量由高到低依次为NBC_low>NBC_high>NS>N>CK。与CK相比，其他处理的小麦产量分别提高了83.7%~205.5%。与常规施肥相比，添加4 t·hm^-2秸秆后小麦的产量提高了30.9%，添加4 t·hm^-2和8 t·hm^-2生物质炭处理小麦产量分别提高了66.3%和36.6%，小麦产量随着生物质炭用量的增加而降低。

不同字母表示处理间差异显著 P<0.05。下同 图 2 小麦秸秆及其生物质炭对小麦产量的影响 Figure 2 Effects of wheat straw and its biochar amendment on wheat yields

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不同处理之间生态系统净初级生产力有显著性差异（图 3）。与CK 相比，常规施肥处理的农田生态系统净初级生产力提高了36.1%。与N相比，添加4 t·hm^-2秸秆、4 t·hm^-2生物质炭和8 t·hm^-2生物质炭处理，小麦生态系统净初级生产力分别提高了30.9%、63.0%和27.8%。

图 3 不同处理农田生态系统净初级生产力 Figure 3 Net primary productivity in different treatments

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整个小麦生长期不同处理土壤CO₂排放速率的变化趋势与温度和水分的变化趋势一致（图 4a），都呈先降后升的趋势（图 4b）。出苗期NS、NBC_low、NBC_high三个处理的土壤CO₂排放速率达到整个小麦生长期的最大值，分别为285.1、97.7、73.9 mg CO₂-C·m^-2·h^-1。受温度的影响，各处理土壤CO₂排放速率均在越冬期出现最低值，其中CK处理的排放速率最低，只有6.69 mg CO₂-C·m^-2·h^-1。返青期后CO₂排放速率随着温度的升高而升高，CK、N两个处理在抽穗期达到整个生长期的最大值，分别为115.5、109.8 mg CO₂-C·m^-2·h^-1。不同处理CO₂排放速率的均值大小顺序为NS>CK>N>NBC_low>NBC_high。总的来说，与常规施肥相比，添加4 t·hm^-2秸秆处理，土壤CO₂的排放总量增加了68.7%；而生物质炭施用下土壤CO₂排放总量与N处理相比没有显著性的差异（图 5a）。

图 4 小麦生长期不同处理CO2、N2O和CH4季节性排放特征 Figure 4 Seasonal dynamics of CO2, N2O and CH4 fluxes in different treatments during the whole wheat growing season

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图 5 小麦生长期不同处理温室气体排放总量 Figure 5 Seasonal amounts of CO2， N2O and CH4 emissions in different treatments during the whole wheat growing season

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整个小麦生育期，不同处理农田生态系统N₂O的季节排放特征见图 4（c）。各处理土壤N₂O排放速率的季节变化规律基本一致，均呈现先降低后升高的趋势。除CK处理外，其余各处理N₂O排放速率的最高值集中出现在小麦生育的出苗期和三叶期，分别为：N，31.7 μg N₂O-N·m^-2·h^-1；NS，19.7 μg N₂O-N·m^-2·h^-1；NBClow，24.2 μg N₂O-N·m^-2·h^-1；NBChigh，28.0 μg N₂O-N·m^-2·h^-1。与常规施肥相比，秸秆和生物质炭施用降低了生态系统N₂O排放速率的最高值。总的来说，与施肥处理相比，添加4 t·hm^-2秸秆、4 t·hm^-2和8 t·hm^-2的生物质炭处理，生态系统N₂O 季节排放总量分别降低了33.9%、23.8%和58.6%（图 5b）。

一般认为旱地是CH₄的汇，各处理冬小麦生态系统CH₄的排放速率见图 4（d）。不同处理CH₄吸收速率均值由大到小依次为：NBC_low，3.8 mg CH₄-C·m^-2·h^-1；NBC_high，1.8 mg CH₄-C·m^-2·h^-1；CK，-4.4 mg CH₄-C·m^-2·h^-1；NS，-13.5 mg CH₄-C·m^-2·h^-1；N，-20.4 mg CH₄-C·m^-2·h^-1。CK、N、NS三个处理均表现为CH₄的净吸收汇，添加生物质炭的两个处理表现为CH₄的排放源。但总的来说，小麦生长季各处理之间CH₄的季节排放总量没有显著性差异（图 5c）。

整个小麦生长季的碳足迹见表 3，各处理均表现为净的碳吸收，即“碳负性”。与CK相比，常规施肥处理的总碳足迹值降低了463.8%；而与N处理相比，添加4 t·hm^-2秸秆处理碳足迹值增加了26.0%，但是添加4 t·hm^-2和8 t·hm^-2的生物质炭处理碳足迹值分别降低了198.0%和112.9%。小麦生长周期的碳足迹构成见图 6。各处理中CO₂净交换值占碳汇的97.0%~99.7%，而碳排放的主要来源是肥料、农药和N₂O的释放，分别占各处理中碳消耗总量的59.8%~64.0%、12.0%~42.7%和5.8%~30.6%。氮肥产生的碳消耗最多，占肥料消耗总量的95%。

图 6 不同处理冬小麦碳足迹构成 Figure 6 Composition of carbon footprint of wheat production in different treatments

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表 3 不同处理碳消耗 Table 3 Carbon costs of different treatments

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各处理单位产量的碳足迹排放见图 7，单位小麦产量的碳排放均为负值，表现为“碳汇”。不同处理之间单位产量碳足迹差异较大，最高值为-0.074 kg CO₂-C_e·kg^-1，最低值为-0.51 kg CO₂-C_e·kg^-1。与CK相比，N处理的单位产量碳足迹降低了280.7%；与N处理相比，添加4 t·hm^-2秸秆处理，单位产量的碳足迹增加了43.5%，而添加4 t·hm^-2和8 t·hm^-2生物质炭处理使单位产量的碳足迹分别降低了80.4%和56.0%。

图 7 不同处理之间单位小麦产量的碳足迹 Figure 7 Carbon footprint of unit wheat production in different treatments

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由于秸秆和生物质炭的施用改善了土壤物理化学性质，对提高作物产量等方面有重要的作用^{[19, 20]}。本研究表明，秸秆和生物质炭的添加增加了小麦产量，而Xia等^[21]的研究表明，秸秆的长期施用，对太湖地区小麦-玉米的产量并没有显著性的差异。这可能与秸秆的施用量、土壤肥力情况及作物类型有关系。不同来源及用量的生物质炭施用对不同作物产量的影响也不同^{[19, 20]}。施用4 t·hm^-2生物质炭处理的小麦产量、生物量要比施用8 t·hm^-2处理的分别提高21.8%和27.6%。这与Zhang等^[22]的研究结果一致，在低肥力的旱地土壤中，随着生物质炭用量的增加，作物的产量减低，可能是因为高C/N比值的外源物质施用，导致了氮的微生物固定，从而降低作物的产量。Uzoma等^[23]的研究结果也表明，牛粪制成的生物质炭施用于砂质土壤中使玉米的产量显著增加，但是产量增加的幅度随着生物质炭用量的增加而降低。

秸秆和生物质炭的施用为微生物提供了可利用的碳源和氮源，从而影响农田生态系统N₂O、CH₄和CO₂的产生、排放与碳固定^{[9, 24]}。本试验的研究结果表明：与常规施肥处理相比，添加秸秆的土壤CO₂的排放总量显著增加了68.7%；秸秆还田之后，土壤可溶性有机碳含量、微生物生物量的增加导致土壤CO₂排放量的增加^[21]。Wang等^[25]整合分析研究生物质炭施用对土壤有机碳的影响，表明生物质炭施用能够减缓本土有机碳的矿化，为“负激发”效应。本研究的结果表明，与常规施肥处理相比，生物质炭的添加没有影响土壤CO₂的季节排放总量。这与Liu等^[26]的研究结果一致，可能与当地的气候条件、制备生物质炭的原料、热解温度以及土壤的粘粒含量有关^[26]。而与施用4 t·hm^-2秸秆相比，施用4 t·hm^-2和8 t·hm^-2生物质炭，CO₂的季节排放总量分别降低了48.7%和48.6%。秸秆经过热解之后转化为更为稳定的生物质炭，与我们用Py-GC/MS的方法研究统计秸秆与生物质炭中化合物的组分结果相一致：秸秆里的化合物以胺类、酸类物质为主，而经过热解转化为生物质炭之后是以芳香族、烷烃及醇类物质为主（图 8）。Liu等^[13]研究表明，秸秆的施用增加了稻田CH₄的排放，但是转化为生物质炭之后变为比较稳定的物质，不利于微生物的分解利用。这也佐证了我们上述的研究结果，而旱地一般认为是CH₄的汇。但是总的来说，各个处理之间CH₄的季节排放总量没有显著性差异。

图 8 GC/MS分析得到的特征产物 Figure 8 Representative products in wheat straw and its biochar identified by GC/MS

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Shan等^[27]整合分析研究秸秆还田对N₂O排放的影响，平均来说，秸秆施用对N₂O的排放没有显著性影响。这与我们的研究结果不同，与施肥处理相比，添加4 t·hm^-2秸秆处理生态系统N₂O 季节排放总量降低了33.9%。这可能与农田的管理方式、土地利用类型以及秸秆C/N有关^[28]。Cayuela等^[28]研究表明，生物质炭的施用降低了54%的土壤N₂O排放，并且降低的幅度与生物质炭的施用量成正比，且制备生物质炭的原料、热解条件与生物质炭本身的C/N是影响N₂O排放的关键因子^[28]。本试验中，与常规施肥处理相比，添加4 t·hm^-2和8 t·hm^-2生物质炭处理的生态系统N₂O 季节排放总量分别降低了23.8%和58.6%，其中添加8 t·hm^-2生物质炭处理N₂O的季节排放总量显著低于其他各处理，比不施肥处理的N₂O的季节排放总量低32.2%（图 5c）。生物质炭施用之后一方面通过影响土壤理化性质而降低N₂O的排放^[9]，另一方面影响土壤氨氧化细菌（AOB）的丰度，并降低了反硝化细菌（nirK和nosZ）的基因丰度，从而影响了土壤反硝化作用的过程^[29]。

评价农田生态系统碳平衡时，已有的研究只考虑了农业投入产生的间接CO₂排放的影响，但是没有考虑土壤呼吸CO₂释放量、生态系统的净初级生产力以及农田生态系统CH₄和N₂O的排放^[13]。本研究综合考虑了农业活动间接释放的CO₂、土壤呼吸、生态系统净初级生产力、生态系统CH₄和N₂O的释放量、秸秆打包、运输及秸秆在转化生物质炭工厂化生产过程中产生的能源，全面系统分析了秸秆及生物质炭施用农田之后生态系统的碳平衡。目前用涡度相关法、静态箱法和干物质积累法评估生态系统CO₂的吸收固定量^[30]。李俊等^[31]用涡度相关法对华北平原冬小麦/夏玉米轮作系统进行碳通量的观测研究，结果表明，在观测的两年内系统年均NEE分别为-1.98、-3.18 t C·hm^-2；Zhang等^[24]用静态箱法评估了生物质炭施用对太湖地区稻麦轮作系统碳汇的影响，小麦生长季的NEE值为-0.9~-2.2 t C·hm^-2。本研究小麦生长季NEE的值为-0.4~-3.8 t C·hm^-2，介于上述二者之间。试验中，各处理CO₂净交换值占碳汇的97.0%~99.7%，这里用NEE作为碳固定量高于用土壤有机碳增量指标作为碳固定量^[32]。本试验中化肥投入占系统农业总投入的59.8%~64.0%，是农业投入中主要的碳源，与Cheng等^[18]的研究结果一致。张恒恒等^[33]研究北方旱区免耕对农田生态系统固碳与碳平衡的影响，结果表明化肥投入占系统农业总投入的73.5%~77.4%，略高于本研究结果，其次是农药和N₂O的释放，分别占各处理碳消耗总量的12.0%~42.7%和5.8%~30.6%。

采用碳足迹分析方法结果表明试验中各处理均表现为净的碳吸收，与CK相比，施肥因增加了生态系统的净初级生产力，相应增大了生态系统净交换的能力。与常规施肥处理相比，秸秆的施用增加了土壤呼吸，因此增加了整个系统的碳足迹值及碳排放强度；而生物质炭的施用增加了生态系统净初级生产力，降低生态系统N₂O的排放，并且对土壤CO₂排放没有显著性的影响，因此降低了生态系统的碳足迹及碳排放强度。由于添加8 t·hm^-2的生物质炭降低了生态系统净初级生产力，导致观测的4 t·hm^-2的生物质炭处理下碳足迹及碳排放强度最低。这与Liu等^[13]研究结果一致，生物质炭的施用显著增加了土壤有机碳库，并且在热解的过程中产生的能源替代排放，降低了水稻生产过程中的碳足迹及碳排放强度，但他们是用土壤有机碳的增量作为碳固定量，与我们的有所不同。但不管是用生态系统净交换量还是土壤有机碳的增量来表征碳汇，生物质炭的施用都降低了农业生产过程中的碳足迹及碳排放强度。

（1）产量方面，与常规施肥相比较，添加秸秆或生物质炭均有利于小麦产量的提高，其中添加4 t·hm^-2秸秆、4 t·hm^-2生物质炭与8 t·hm^-2生物质炭处理，小麦产量分别增加了30.9%、66.3%和36.6%。

（2）温室气体排放方面：与常规施肥相比较，添加4 t·hm^-2秸秆使土壤CO₂的排放总量增加了68.7%、生态系统N₂O排放总量降低了33.9%；添加4 t·hm^-2和8 t·hm^-2生物质炭分别使生态系统N₂O的排放总量降低了23.8%和58.6%，但是土壤CO₂的排放总量没有显著性差异。添加生物质炭利于降低农田土壤CO₂的排放总量和生态系统N₂O的排放总量。

（3）碳足迹方面：与常规施肥相比较，添加4 t·hm^-2秸秆使小麦生产过程中的碳足迹升高了26.0%、添加4 t·hm^-2和8 t·hm^-2生物质炭分别降低了198.0%和112.9%。综合考虑产量及碳足迹得出，在常规施肥的基础上，添加4 t·hm^-2生物质炭更有利于小麦生长过程中农田生态系统的固碳减排。