生物炭与肥料配施对田间条件下温室气体排放及土壤固碳潜力的影响

《Sustainable Chemistry for Climate Action》：Effects of biochar and fertilizer application on greenhouse gas emissions and soil carbon sequestration potential under field conditions

　　

研究人员针对农业系统中土壤管理措施对温室气体（GHG）排放及碳汇功能的综合评估不足，开展了田间试验，以美国德克萨斯州南部大平原的高粱田为对象，分析生物炭单独施用或与化肥配施对土壤理化性质、GHG通量及碳平衡的影响。结果表明，生物炭与全量或减量化肥配施可显著提升表层土壤有机碳（SOC）含量与土壤含水量，同时降低表层与亚表层氮素水平。在气体排放方面，生物炭与不同施肥水平组合可减少甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）及氧化亚氮（N2O）通量5.5%至12.4%。产量方面，全量施肥结合生物炭可使高粱增产达35%，而每英亩2.5吨生物炭配施减量肥则导致减产。净生态系统碳平衡（NECB）显著受生物炭用量影响，其中B5处理（5 t/acre）固碳量最高，可达19.6 Mg C ha?1，其次为B2.5处理，表明其在气候减缓与可持续土壤管理中具有重要潜力。研究还发现，N2O对累积全球增温潜势（GWP）贡献最大，CH4与CO2占比不足10%，且施肥管理对N2O排放影响显著，而单施生物炭对每日GWP降低作用有限。

本研究发表于《Sustainable Chemistry for Climate Action》，旨在填补美国南部大平原地区关于生物炭与化肥配施对温室气体减排与土壤碳汇功能综合研究的空白。当前，农田管理措施多集中于提高作物产量与养分利用率，较少兼顾碳汇与减排的双重目标，且已有研究多局限于单一指标（如仅关注产量或仅关注排放），缺乏系统性评估。此外，生物炭与化肥联合施用的效果在不同土壤与气候条件下差异显著，机制尚不明晰。为此，研究人员在美国德克萨斯州普雷里维尤农工大学研究农场开展田间试验，设置不同生物炭施用量（2.5 t/acre与5 t/acre）与不同施肥水平（全量与减量）的组合，系统监测土壤理化性质、温室气体通量及作物产量，并量化净生态系统碳平衡（NECB）。结果显示，生物炭配施化肥可显著提高表层土壤有机碳（SOC），优化土壤水分状况，并在一定程度上减少CH₄、CO₂和N₂O排放；其中B5处理固碳能力最强，增产效果明显，但在减量施肥条件下可能出现减产。该研究为气候智慧型农业提供了田间尺度的实证依据，强调管理措施应因地制宜，兼顾生产力提升与碳减排目标。

关键技术方法方面，研究人员采用随机区组设计，在美国德克萨斯州南部大平原的高粱田中布置九个处理，每个处理三次重复，分别施用不同量的松木源生物炭（500℃限氧热解）与无机肥（尿素、磷酸二铵、氯化钾）。土壤样品采集涵盖0–15 cm与15–45 cm两层，用于测定SOC、总氮及物理性质；作物产量与生物量在收获期测定；温室气体（CO₂、CH₄、N₂O）通量采用静态箱—自动气体分析仪系统连续监测，并结合IPCC第六次评估报告给出的GWP₁₀₀系数计算全球增温潜势，进一步通过质量平衡法估算净生态系统碳平衡（NECB）。统计分析使用双因素方差分析（ANOVA）检验生物炭、施肥及其交互作用。

研究结果分为以下几个部分：

土壤理化性质：生物炭与化肥配施显著提高表层SOC，增幅最高达57.4%（B5+QNPK），而亚表层SOC变化较小甚至略有下降；总氮浓度在表层与亚表层均有所下降，降幅随生物炭用量增加而增大；土壤电导率（EC）、体积含水量（VWC）与温度亦受处理显著影响，且不同土层响应存在差异。

温室气体通量：CH₄排放在单施化肥条件下最高，生物炭配施可削减其排放，尤其在B2.5+QNPK处理下降12.4%；CO₂排放普遍升高，但B5+FNPK与对照相近；N₂O是GWP的主要贡献者，占85%以上，施肥显著增加其排放，而生物炭配施可降低增幅。

全球增温潜势与净生态系统碳平衡：N₂O主导GWP，CH₄与CO₂贡献较小；NECB在生物炭处理中显著提升，B5处理达19.6 Mg C ha^?1，显示生物炭是碳汇增强的主因。

高粱产量：生物炭显著增产，B5处理增产35.7%，但减量施肥配施生物炭可能导致减产。

在讨论部分，研究人员指出生物炭可通过直接输入惰性碳、改善土壤结构与调节养分循环提升SOC，但其减排效果因气体种类与管理措施而异；N₂O减排效果在配合适量施肥时显著，而高氮投入可能抵消收益。研究局限性在于仅在单季高粱田开展，长期效应与区域适用性尚需验证。

研究结论部分表明，生物炭与化肥配施可在短期内提升土壤有机碳储量并部分削减温室气体排放，其中高量生物炭（5 t/acre）固碳与增产效果最佳，但管理措施需结合土壤本底条件，避免“一刀切”策略，以实现农业生产力与气候减缓的双赢。