中国是世界上氮肥施用最多的国家^[1]，然而，农田氮肥的利用效率却仅为30%~35%^[2]。农田中大量的氮素通过NH₃和N₂O等气态的形式逸散于大气中或以离子态随水淋溶到耕层以下，不仅造成资源的浪费，而且导致大气污染、土壤酸化、水体富营养化等诸多生态环境问题^{[3, 4, 5, 6]}。我国每年约有26%的氮肥以气态损失^[7]。有研究表明，施肥灌水后，土壤NH₃挥发和N₂O排放速率迅速增加，12 d内N₂O和NH₃的排放总量最大分别可达150 gN·hm^-2和2.465 kgN·hm^-2[8]。生物炭是黑炭的一种，是由生物质在缺氧条件下不完全燃烧所产生的炭质^[9]。研究表明，将生物炭混入土壤，不仅可以提高作物的产量^{[10, 11, 12]}，而且可有效减少N₂O的排放和NH₃的挥发，促进农业减排^{[13, 14, 15]}。Rondon等^[14]将生物炭混入牧草地和种植大豆的土壤中，发现两种土壤的N₂O排放分别降低了80%和50%。Taghizadeh等^[16]以30 t·hm^-2的标准将生物炭施入牧场土壤中，发现N₂O的排放降低了70%，并认为生物炭对NH₃的吸收作用可能是降低N₂O排放的一个主要原因。近期，Baronti^[17]研究发现，生物炭与畜禽堆肥混合施入土壤，可降低土壤的NH₃挥发损失50% 以上，直接证明了生物炭对土壤NH₃挥发具有抑制作用。然而，Scheer等^[18]认为生物炭对N₂O排放并没有抑制作用。Yanai等^[19]研究发现，当土壤的孔隙含水量为83%时，生物炭促进N₂O排放。杨帆等^[20]认为生物炭加入稻田土和红壤后提高了土壤pH，引起NH₃挥发量的显著增加。这些研究由于土壤类型、生物炭性质以及施用条件的不同，研究结果不尽相同。本文以典型棕壤土为研究对象，探究玉米秸秆生物炭对棕壤旱田NH₃挥发和N₂O排放及氮肥利用效率的影响，以期为评价生物炭对棕壤氮素的气态损失和环境安全的综合效应提供理论依据。

试验区位于辽宁省沈阳市沈阳农业大学试验基地。该区属松辽平原南部的中心地带，温带湿润半湿润季风气候，年降雨量约为710 mm，无霜期160 d左右，土壤类型为棕壤，属发育在第四纪黄土性母质上的简育湿润淋溶土，容重1.21 g·cm^-3，pH7.6(水土比为2.5：1)，有机质18.82 g•kg^-1，碱解氮84.5 mg•kg^-1，速效磷15.9 mg•kg^-1，速效钾158.7 mg•kg^-1。

采用大田试验，共设4个处理：不施氮肥(对照CK)；单施氮肥(NB0)；施氮基础增施20 t·hm^-2生物炭(NB20)；施氮基础增施40 t·hm^-2生物炭(NB40)。所有处理磷钾肥作为底肥一次性施用，施氮肥的处理在播种前将氮肥均匀撒施于小区内部，后期不再追肥。所用化肥为尿素、过磷酸钙和硫酸钾，用量折合为纯养分分别为N 160 kg·hm^-2、P₂O₅ 70 kg·hm^-2、K₂O 80 kg·hm^-2。生物炭制备原料为玉米秸秆，由辽宁金和福农业开发有限公司提供。播种前将生物炭均匀撒施于土壤表面，用旋耕机将其与氮肥一并均匀混合于20 cm耕层土壤当中。每个处理采用3次重复，随机区组排列，小区面积为60 m²(6 m×10 m)，玉米种植密度为5.95万株·hm^-2，穴距 0.28 m，行距 0.6 m，种植10行。供试品种为玉米杂交种郑单958，于5月17日播种，6月1号出苗，9月29日收获，作物生长期间进行常规田间管理。

NH₃挥发的田间原位测定采用封闭式硼酸吸收法。收集装置采用白色PVC自制收集罩，高40 cm，底面直径为35 cm。NH₃的收集间隔采用前紧后松的方式，直到各处理与对照的NH₃挥发量一致。收集气体同时取0~20 cm耕层土壤，带回实验室用2 mol·L^-1氯化钙溶液浸提，流动注射分析仪(德国Seal-AA3)测定铵态氮和硝态氮的含量。

N₂O气体收集采用密闭箱法。密闭箱采用特制的透明有机玻璃罩，高40 cm，底面积1600 cm²(40 cm×40 cm)，顶部有抽气的小孔，内置小风扇和温度计。取气前将玉米齐根砍掉，以玉米为中心压入土壤中，并在周围覆土，防止空气进入，每小区并排放置三个装置。每次取样时间为上午的9：00—11：00，每隔15 min采样一次，共采集3次，每次取气50 mL，放入气袋中保存。采集气体时记录土壤温度和箱内温度。N₂O的收集间隔亦采用前紧后松的方式，直到玉米收获。N₂O样品采用GC-7890A型气相色谱仪(美国安捷伦公司)分析测定。柱箱温度60 ℃，μECD检测器工作温度为300 ℃，载气为He，尾吹气为5% Ar-CH4混合气，采用定量六通阀进样，进样量为1 mL。测定前用N₂O含量为0.32 g·L^-1的标准气体校正仪校准。N₂O排放通量参考梁国庆等^[21]提供的方法计算。

肥料氮NH₃挥发损失率=(NH₃累计挥发量-CK处理的NH₃累计挥发量)/肥料带入的氮素含量

肥料氮N₂O排放损失率=(N₂O排放总量-CK处理的N₂O排放总量)/肥料带入的氮素含量

肥料氮的利用效率=(作物吸收氮素-CK处理作物吸收氮素)/肥料带入的氮素含量

土壤的NH₃挥发速率如图 1a所示。未施氮肥的CK处理土壤的NH₃挥发速率一直保持较低水平，介于0.038~0.065 mgN·m^-2·h^-1之间。施氮肥显著增加了NH₃挥发速率，施氮肥后第2 d，NB0、NB20和NB40三个处理的NH₃挥发速率逐渐增高，排放峰出现在施肥后第4 d，此后逐渐降低，在第14 d NH₃挥发速率与CK接近。施肥的基础上增施生物炭能降低土壤的NH₃挥发速率，与NB0处理相比，NB20和NB40处理的NH₃挥发速率的峰值下降29.65%和36.89%。土壤NH₃挥发主要发生在施肥后14 d内，分析NH₃累计挥发量(图 1b)可知，CK的NH₃累计挥发量为0.179 kgN·hm^-2，NB0、NB20和NB40三个处理的NH₃累计挥发量分别为2.843、2.159、1.774 kgN·hm^-2，处理间差异显著。与NB0处理相比，NB20和NB40的NH₃累计挥发量分别减少24.075%和37.621%。

图 1 土壤NH3挥发速率(a)和累计挥发量(b) Figure 1 Rate(a)and total amount(b)of NH3 volatilization in soil

图选项

土壤的N₂O排放通量如图 2a所示。整个玉米的生长季内，未施氮肥的CK处理的N₂O排放通量较低，介于4.361~10.763 μgN·m^-2·h^-1之间，且无明显的排放峰。施氮肥显著增加了N₂O的排放通量，NB0、NB20和NB40三个处理的N₂O排放通量变化规律均表现为先增加后降低的趋势，前期迅速增加，施肥后第8 d后出现峰值，分别为65.542、52.013、58.805 μgN·m^-2·h^-1，随后迅速降低，后期呈小幅度的上下波动趋势。整个生长季NB0、NB20和NB40三个处理的平均N₂O排放通量分别为16.970、13.062、13.937 μgN·m^-2·h^-1。分析土壤的N₂O排放总量(图 2b)可知，CK的N₂O排放总量为0.164 kgN·hm^-2，NB0、NB20和NB40三个处理的N₂O排放总量分别为0.359、0.282、0.289 kgN·hm^-2。与NB0相比，NB20与NB40处理的N₂O排放总量显著减少21.76%和19.57%，但NB20与NB40处理之间无显著差异。

图 2 土壤N2O排放通量(a)和排放总量(b) Figure 2 Flux(a)and total amount(b)of N2O emissions in soil

图选项

分析收获后土壤理化性质(表 1)可知，单施氮肥对土壤的pH、容重、全氮和有机碳含量无显著影响，与CK相比，NB0处理的容重、全氮含量增加，而pH、有机碳含量降低，但其差异不显著。而施氮肥的基础上增施生物炭对土壤的理化性质影响较大。NB20和NB40处理显著提高了土壤的pH，分别比NB0处理提高4.08%和6.20%，而NB20和NB40之间差异不显著。土壤的全氮含量和土壤的有机碳含量均表现为NB40>NB20>NB0，处理间差异显著，NB20和NB40处理土壤的全氮含量分别比NB0提高3.78%和9.09%，有机碳含量分别提高23.85%和35.80%。与NB0相比，NB20和NB40均能显著降低土壤的容重9.09%和16.53%。

表 1 生物炭对土壤理化性质的影响 Table 1 Effects of biochar on physical and chemical properties of brown soil

表选项

土壤NH₃挥发和N₂O排放与土壤矿质氮密切相关，本研究跟踪监测了土壤的铵态氮和硝态氮含量的动态变化，结果见图 3。整个玉米生育期，与NB0相比，NB20和NB40处理土壤硝态氮平均含量分别提高31.71%和33.16%，铵态氮平均含量降低30.02%和36.14%，而NB20和NB40处理间差异不显著。

图 3 土壤铵态氮(a)和硝态氮(b)含量变化 Figure 3 Dynamics of ammonium N(a)and nitrate N(b)in soil

图选项

对比分析可知，未施氮肥的CK处理土壤铵态氮和硝态氮含量一直较低，呈升高与降低交替的波动变化。对于NB0、NB20和NB40三个施氮肥处理，在施氮肥后，土壤铵态氮含量迅速升高，到第4 d各处理达到峰值，随后逐渐下降，到第14 d与CK处理持平，此阶段尿素迅速分解，氮素代谢作用较强，促进NH₃挥发和N₂O排放。土壤硝态氮的增长则滞后于铵态氮，于第8 d达到峰值，此后略有下降，且呈先升高后降低的变化趋势。

分析施炭条件下土壤铵态氮和硝态氮含量与土壤NH₃挥发和N₂O排放的相关关系(表 2)发现，NH₃累计挥发量与土壤铵态氮含量呈极显著正相关关系(R=0.870)。N₂O的排放总量与硝态氮呈显著负相关关系(R=-0.727)，NH₃累计挥发量和N₂O的排放总量还与容重呈显著正相关关系(R=0.968，0.857)，与土壤的有机碳呈显著负相关关系(R=-0.899，-0.643)。

表 2 施炭后土壤理化性质与NH₃挥发和N₂O排放的相关分析 Table 2 Correlation coefficient between soil physiochemical properties and NH₃ volatilization and N₂O emissions

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施肥可以显著提高玉米的产量，施肥的基础上施入适量的生物炭可进一步提高玉米的产量(表 3)。施氮处理NB0、NB20和NB40的玉米产量显著高于CK，NB20比NB0产量显著提高6.07%，而NB40比NB0产量显著降低13.88%。不同处理间玉米对氮素的吸收利用差异显著，NB0、NB20和NB40处理的作物吸氮量均显著高于CK，NB20比NB0的作物吸氮量显著提高5.59%，而NB40比NB0的作物吸氮量显著降低15.32%。氮肥利用效率随着生物炭用量的增加呈现先增加后降低的趋势，与NB0相比，NB20的氮肥利用效率提高6.21%，而NB40下降16.97%。

表 3 玉米产量与氮肥利用效率 Table 3 Rates of nitrogen losses from fertilization

表选项

从NH₃累计挥发量和N₂O排放总量及其肥料氮损失率(表 3)分析，整个生长季NB0、NB20和NB40处理的气态氮素损失(NH₃和N₂O)总量分别为3.202、2.238、1.851 kgN·hm^-2，与NB0相比，NB20和NB40分别减少由NH₃挥发和N₂O排放而导致的氮素损失30.106%和42.192%。NB0、NB20和NB40处理肥料氮素的NH₃挥发损失率分别为1.665%、1.237%和0.996%，而肥料氮素的N₂O排放损失率分别为0.121%、0.079%和0.077%。与NB0相比，NB20和NB40处理最高可以分别节省肥料0.47%和0.713%。

本研究表明，生物炭可以减少土壤的NH₃挥发，降低N₂O排放，且随着生物炭用量的增加，土壤NH₃挥发量随之减小，而N₂O排放量未受影响。土壤氮素的气态损失主要有两个来源，一个是土壤中原来残留的氮素，另一个是施入的氮肥。本实验不考虑氮肥的激发效应，因而来自土壤残留氮素的NH₃挥发量等于不施氮小区的挥发量，施氮小区来自肥料的NH₃便可由总挥发量与不施肥小区的差值来估算，同样可以得到来自肥料的N₂O的排放损失量。本研究发现，生物炭显著降低肥料氮素的NH₃挥发损失和N₂O排放损失，与单施氮肥相比，20 t·hm^-2和40 t·hm^-2生物炭处理可分别节省肥料0.47%和0.71%。适量的生物炭(20 t·hm^-2)对玉米产量具有促进作用，且提高玉米对氮素的吸收，增加玉米对氮肥的利用效率；而40 t·hm^-2生物炭用量对产量产生明显的抑制作用，影响玉米对氮素的吸收，降低氮肥的利用效率。这种低量生物炭增产、高量生物炭减产的现象与Baronti等^[17]对黑麦草的研究结果一致，他们认为造成这种现象的原因是生物炭改变了土壤的酸碱性。本研究中，造成这一现象的原因可能与试验当年环境气候变化密切相关，当年春季严重干旱，40 t·hm^-2生物炭处理显著降低了土壤的容重(1.01 g·cm^-3)，有可能过度增加了土壤的通气性，不利于保墒，致使高量生物炭处理玉米出苗不齐而严重缺苗，最终导致单位面积有效穗数少、产量低。另外，生物炭施入土壤后，土壤碱性提高，40 t·hm^-2生物炭处理的pH已经达到8，可能对玉米的生长造成一定影响，最终导致减产。

本试验中氮肥均为一次性施入，NH₃挥发特征曲线和N₂O排放曲线均只有一个明显的排放峰，与肥料在土壤中的转化关系很大。为了明确生物炭的减排机理，对土壤的铵态氮和硝态氮含量以及相关土壤理化性质进行了分析。结果表明，生物炭可提高土壤pH、全氮含量和有机碳的含量，降低土壤的容重。相关分析表明，NH₃挥发损失量与土壤的铵态氮含量和容重呈极显著正相关关系，与有机碳呈显著负相关关系；N₂O的排放量与容重呈显著正相关关系，与土壤的硝态氮含量和有机碳含量呈显著负相关关系。有研究表明，土壤的NH₃挥发量与土壤铵态氮浓度呈正比例关系，与土壤溶液中的铵态氮和硝态氮总浓度呈动态平衡^[22]。本研究中，生物炭处理显著降低了土壤的铵态氮含量，可能是导致生物炭处理NH₃挥发减少的原因之一。生物炭具有强大的表面吸附性能，对NH₄⁺具有吸附作用^[23]，另外生物炭表面存在酸性的官能团，能吸附土壤中的NH₃^[24]，从而减少了土壤中NH₃的挥发损失。生物炭降低N₂O排放的机理可能与其影响土壤硝化与反硝化作用密切相关。在硝化细菌的作用下，土壤溶液中的NH₄⁺被氧化为NO₃^-，且伴随产生少量的N₂O，与此同时，部分NO₃^-会经反硝化作用生成N₂O或N2。一方面生物炭降低了土壤中铵态氮的含量，降低了硝化作用的底物，减少N₂O排放的机会，另一方面，生物炭本身具有较大的孔隙结构，施入土壤后降低土壤的容重，有效地改善原本黏重的棕壤，增加土壤通气性和氧气含量，减少厌氧细菌的数量，从而抑制反硝化作用^[25]，减少N₂O的排放。另外，也可能由于生物炭中的萜类和乙烯等物质抑制了硝化和反硝化作用^[26]。也有研究认为生物炭的施入导致土壤pH提高，增强了N₂O还原酶活性，从而促进更多的N₂O还原为N2，使得N₂O的排放减少^[19]。

向棕壤中添加生物炭能够改善土壤的理化性质，影响土壤的硝化与反硝化过程，间接地影响土壤NH₃挥发与N₂O排放，减少土壤氮素以NH₃和N₂O形式的气态损失，同时增加了作物产量，不仅节省了肥料，提高氮肥利用效率，而且对环境起到了保护作用。但是，有关生物炭对土壤硝化和反硝化过程的影响机制以及对相关微生物的影响，还有待进一步深入研究探讨。