《Biomass and Bioenergy》：Phosphorus fertilization of switchgrass (
Panicum virgatum L.) reduces the climate benefits by increasing nitrous oxide emissions
编辑推荐：
磷肥施用对能源作物土壤氮转化及温室气体排放的影响研究
奥古斯丁·K·奥塞伊（Augustine K. Osei）|娜迪亚·加班内利（Nadia Gabbanelli）|马伦·奥尔伯曼（Maren Oelbermann）
加拿大萨斯喀彻温省农业部，韦本（Weyburn），SK
摘要
合成肥料可以提高农业生产力，但同时也显著增加了温室气体排放。尽管如此，磷（P）肥料对氮（N）转化及其相关N?O排放的影响在生物能源作物中仍知之甚少。我们进行了一项为期43天的研究，评估了五种施肥处理下柳枝稷（Panicum virgatum L.）的N?O排放情况：不施肥（N?P?）；每公顷60公斤氮（N??）；每公顷60公斤氮+20公斤磷（N??P??）；每公顷60公斤氮+40公斤磷（N??P??）；以及每公顷60公斤氮+60公斤磷（N??P??）。在N??P??处理中，柳枝稷的氮吸收量最高，但这并未转化为更高的生物量产量（p = 0.023）。在最初的六天内，施肥处理组的N?O占总排放量的72%至78%，而N?P?处理组仅为46%。六天后，所有处理组的N?O排放量迅速降至接近零的水平。与N?P?处理组相比，施肥处理组的累积N?O排放量高出2至4倍（p < 0.05）。累积二氧化碳当量（CO?e）排放量在N?P?处理组最低，在施肥处理组中，N??P??处理组的排放量最低（p < 0.05）。≥40公斤磷/公顷的施肥处理组中较高的N?O和CO?e排放量表明，高磷施肥可能会降低柳枝稷作为生物能源作物的气候变化缓解潜力。这些结果强调了优化氮和磷管理以平衡生物能源系统中的生产力和温室气体排放的重要性。
引言
生物能源在减少基于化石燃料的能源系统碳排放以及缓解气候变化方面发挥着关键作用[1]。目前，来自粮食作物（例如第一代生物能源作物）的生物能源原料，如玉米（Zea mays L.）、大豆（Glycine max L.）和油菜（Brassica napus L.），由于其生产过程中存在诸多环境、气候和粮食安全问题而受到关注[2,3]。然而，包括短轮作木本作物和草本作物在内的木质纤维素作物（例如第二代生物能源作物）受到了越来越多的关注[4, [5], [6]]。柳枝稷（Panicum virgatum L.）是一种原产于北美的多年生暖季草本植物，常用于生物能源生产[7]。由于其维护成本低，并且能够在贫瘠土壤上生长并产生大量生物量，因此成为一种有前景的生物能源作物[7]。柳枝稷还能通过增加土壤碳封存和减少温室气体排放来提供气候缓解效益[8, [9], [10]]。
虽然柳枝稷在无氮（N）肥料的情况下也能产生大量生物量[11,12]，但通常需要添加肥料才能达到最大生物量生产力[13,14]，然而关于柳枝稷的施肥管理建议仍不明确[15]。例如，目前推荐的氮肥施用量范围为每公顷60至70公斤[7]，但美国堪萨斯州的一项田间研究表明，柳枝稷的经济最佳氮肥施用量为每公顷90至120公斤[15]。然而，Schmer等人[16]发现，施用67公斤氮肥后，柳枝稷的生物量增加了3.2至6.8兆克/公顷，而Nikièma等人[17]发现，氮肥施用量为56公斤和112公斤时，柳枝稷的生物量分别增加了1.5倍和2.5倍。尽管氮肥施用通常能提高柳枝稷的生物量生产力和养分吸收，但Obour等人[15]指出，所需氮肥的数量以及生物量增加的程度与季节间气候变化密切相关，这些变化会影响不同生长季节的土壤和环境条件。关于柳枝稷的磷（P）施肥指南也较为有限，一般建议施用量为每公顷45至50公斤[1]。在美国阿肯色州，Ashworth等人[18]报告称，施用28公斤磷/公顷时柳枝稷的生物量仅略有增加，而在施用50公斤磷/公顷时达到峰值。Obour等人[15]发现，当磷肥施用量从每公顷45公斤增加到180公斤时，柳枝稷的生物量没有显著差异，尽管施用45公斤磷/公顷时生物量明显高于未施肥对照组。
虽然这些结果表明氮肥施用可以增加柳枝稷的生物量，但也可能增加N?O排放，从而抵消其作为生物能源作物的温室气体缓解效益[19]。例如，McGowan等人[20]发现，随着氮肥施用量的增加（从0增加到150公斤/公顷），柳枝稷的累积N?O排放量从0.2公斤N?O-氮/公顷增加到3.0公斤N?O-氮/公顷。同样，在一项为期两年的研究中，Wile等人[21]发现，施用120公斤氮/公顷的肥料使柳枝稷的N?O排放量增加了73%。然而，土壤磷缺乏也会限制柳枝稷对可用氮的利用效率，从而导致N?O排放增加[22]。相比之下，Gong等人[23]发现高磷施肥会使氮成为微生物的限制性养分，从而减少N?O排放。迄今为止，尚无研究评估磷肥施用对柳枝稷N?O排放的影响。大多数研究集中在氮肥施用引起的N?O排放上[20,21]，但少数研究探讨了磷肥施用对草地、高山湿地和人工林N?O排放的影响[24], [25], [26]。一些研究发现磷肥施用会增加N?O排放[24]，而另一些研究则发现磷肥施用会降低N?O排放，并认为这可能是由于植物对氮的吸收增加[26], [27], [28]；Zhang等人[25]则发现磷肥施用对N?O排放没有影响。这些相互矛盾的结果表明，磷肥施用对N?O排放的影响可能受到植物种类、环境条件（包括土壤养分含量）以及不同磷肥施用量的影响。
迄今为止的大多数研究都集中在氮和磷肥施用对柳枝稷的经济效益上，包括乙醇生产[20,29,30]。虽然已经研究了氮肥施用引起的N?O排放[20], [21], [22]，但氮和磷共同施用引起的排放仍不甚清楚。由于磷在调节氮动态和N?O排放中起着重要作用[27]，因此了解磷如何影响氮肥施用柳枝稷的N?O排放及其对生物能源作物气候变化缓解效益的影响至关重要。为了更好地理解磷的影响，我们在受控环境中进行了实验，以确定不同磷肥施用量对氮肥施用柳枝稷的影响。我们假设中等至高水平的磷肥施用量（例如每公顷40至60公斤）会促进柳枝稷的生长和氮吸收，从而减少土壤中氮的可用性并降低N?O排放，相比之下，低水平的磷肥施用量（例如每公顷20公斤）则不会产生这种效果。
实验设计
实验在受控环境中进行，使用的是Conviron公司的Conviron PGR-15控制环境箱（Conviron PGR-15，Controlled Environments Inc.，温尼伯，MB，加拿大）。将等量的商业盆栽土（Vigoro? Garden Soil，相当于500克风干土壤）放入白色聚氯乙烯（PVC）管中（内径10厘米，高度25厘米）。每个管中的土壤被压实至0.64克/立方厘米的密度，填满管子的底部10厘米空间，留下15厘米的空隙。
柳枝稷的生长和养分含量
平均每日茎生长速率从0.03厘米/天（N??P??）到2.23厘米/天（N?P?）不等（图2）。所有处理组的柳枝稷生长速率峰值出现在第36天，分别为N?P?组的2.23厘米/天、N??P??组的2.16厘米/天、N??P??组的2.02厘米/天、N??P??组的1.98厘米/天和N??组的1.83厘米/天。在整个43天的研究期间，N??处理组的平均每日茎生长速率最低（p > 0.05）（图2）。施用磷的处理的根和茎生物量与N?P?处理组相似。
讨论
N??处理组中柳枝稷生长和生物量生产力的下降可能是由于仅施用氮肥导致的养分失衡。这种养分失衡影响了柳枝稷的生理代谢，降低了其氮吸收效率，从而限制了其生长和生物量生产力[42,43]。与我们的研究类似，Anas等人[44]发现，同时施用氮和磷肥料可以提高植物的氮吸收和生产力。
结论
与我们的假设相反，即高磷施肥会提高柳枝稷的氮吸收并减少N?O排放，我们观察到土壤总氮含量有所增加。尽管具体机制尚不清楚，这可能是由于短期内微生物对氮的固定作用，这凸显了在柳枝稷生物能源系统早期建立阶段，磷肥施用、土壤微生物和氮动态之间的复杂相互作用。尽管土壤总氮含量增加，但氮和磷的联合施用并未
作者贡献声明
奥古斯丁·K·奥塞伊（Augustine K. Osei）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据可视化，数据分析，数据管理。娜迪亚·加班内利（Nadia Gabbanelli）：数据可视化，数据分析。马伦·奥尔伯曼（Maren Oelbermann）：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，方法学研究，资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者们认为本研究不存在利益冲突。研究资金由加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）、加拿大创新基金会（CFI）和加拿大全球事务部（GFA）提供。NSERC、CFI和GFA对研究设计或数据分析没有影响，也未对论文本身进行任何编辑干预。
致谢
研究资金由加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC，RGPIN-2018-04346）提供，研究基础设施由加拿大创新基金会（CFI，编号12896）提供。这项工作得到了滑铁卢大学（University of Waterloo）的支持，该大学为奥古斯丁·K·奥塞伊提供了研究基础设施。加拿大全球事务部的“美洲新兴领导者”计划也为娜迪亚·加班内利在滑铁卢大学的实习提供了资金支持。
