生物炭一次性施用于水稻土壤以减少15N流失的效果：来自一项为期两年的实验的证据

《Frontiers in Plant Science》：Biochar one-off application for paddy soil 15N loss improvement: evidence from a two-year experiment

生物炭单次施用对分次氮肥效果及温室气体排放的影响研究。通过同位素追踪技术，分析不同生物炭（0、15、45 t/ha）与氮肥（0、168、210 kg/ha）分阶段（基肥、分蘖肥、穗肥）的协同作用，发现生物炭显著降低分蘖期N?O排放（减排49.5%-65.2%），且与高氮肥配施（N2C2）增产8.5%-13.0%。研究揭示了生物炭通过调节土壤氮形态与微生物活动，减少氮素损失（NLR降低38.6%-49.5%），并提高氮回收效率（NRE）。但不同生育期响应存在差异，需优化生物炭施用时期与氮肥配比。

　　本研究旨在量化生物炭一次性施用对水稻氮肥分阶段施用的影响。通过使用1?N示踪技术，研究人员探讨了生物炭对温室气体（GHG）排放和氮素利用效率（NUE）的作用，研究覆盖了水稻生长的三个关键阶段：分蘖期、穗分化期和成熟期。实验设置了九种处理，包括三种生物炭施用量（0, C0；15, C1；45 t ha?1, C2）与三种氮肥施用量（0, N0；168, N1；常规施用210 kg N ha?1, N2）。结果显示，生物炭的施用对分蘖期的N?O排放速率产生了显著影响，且其与氮肥施用的相互作用在两年中均有所体现。2016年的N?O排放量占总排放量的15.8%至65.2%。优化生物炭的施用时机，特别是在分蘖期和穗分化期，有助于在初期应用中缓解全球变暖潜力（GWP）。水稻产量在N2C0和N2C2处理下表现最佳，分别比N1C0处理高出13.0%和8.5%。此外，生物炭的施用显著降低了N1C2处理下的1?N损失率（NLR）。

生物炭是一种通过在缺氧或氧气受限条件下对农业废弃物进行热解而得到的稳定碳物质，具有大的比表面积。近年来，生物炭在农业中的重要性日益增加，其在提高土壤肥力、作物产量、缓解气候变化以及修复受污染农田方面表现出诸多优势。生物炭与氮肥结合使用在减少氮损失和提升氮素利用效率方面具有一定的优势。一些研究指出，生物炭的施用可提高氮素利用效率，例如，在生物炭与氮肥结合的条件下，氮素利用效率提高了20%。然而，关于生物炭一次性施用对水稻不同施肥阶段氮素利用效率的影响仍不明确。

研究发现，生物炭对土壤中N?O排放的影响具有一定的不确定性。一些研究表明，生物炭对N?O排放没有显著影响，而另一些则表明其具有促进作用。这可能与生物炭的物理化学特性、土壤条件以及微生物活动有关。例如，生物炭的高比表面积可能有助于减少土壤中氮素的释放，从而降低N?O的产生。此外，生物炭的施用可能改变土壤的通气性，影响硝化和反硝化过程，进而影响N?O的排放。生物炭的施用还可能通过改变土壤的pH值和微生物群落结构，间接影响氮素的转化效率。

在实验中，研究人员发现生物炭施用对不同施肥阶段的N?O和CH?排放具有显著影响。例如，在2016年，生物炭的施用显著降低了分蘖期的N?O排放速率，但在2017年，这种效果减弱。此外，生物炭的施用对CH?排放的影响在第二年更为显著，特别是在成熟期。这可能与生物炭的“老化”过程有关，老化后的生物炭可能具有更强的吸附能力，从而减少氮素的损失，提高氮素的利用率。然而，生物炭的施用在某些情况下也可能促进N?O的排放，特别是在土壤水分变化较大的情况下。

本研究还发现，生物炭的施用对水稻产量的影响存在一定的波动。在2016年，N2C0处理的产量比N1C0处理高13.0%，而在2017年，N2C2处理的产量比N1C0处理高8.5%。这表明，生物炭的施用在某些情况下可能有助于提高产量，但在其他情况下可能产生负面影响。这可能与生物炭的施用量、土壤条件以及施肥策略有关。例如，高剂量生物炭的施用可能对土壤的通气性产生负面影响，从而影响作物根系的生长和氮素的吸收。此外，生物炭的施用可能改变土壤的物理化学特性，影响氮素的释放和转化过程。

本研究还探讨了生物炭对氮素损失率（NLR）和土壤残留氮素（RSE）的影响。结果表明，生物炭的施用在一定程度上降低了NLR，特别是在基础氮肥施用阶段。然而，在分蘖期和穗分化期，生物炭的施用可能增加NLR。这可能与生物炭的吸附能力、土壤微生物活性以及氮素的转化效率有关。例如，生物炭的施用可能促进氮素的固定，减少其向大气中的释放。然而，在某些情况下，生物炭的施用可能增加氮素的损失，这可能与土壤水分变化、微生物群落的改变以及氮素的转化速率有关。

此外，研究还发现，生物炭的施用对全球变暖潜力（GWP）有显著影响。在2016年，生物炭的施用显著降低了GWP，而在2017年，这种效果减弱。这可能与生物炭的“老化”过程有关，老化后的生物炭可能具有更强的吸附能力，从而减少氮素的损失，降低GWP。然而，在某些情况下，生物炭的施用可能促进N?O的排放，这可能与土壤的通气性、微生物活性以及氮素的转化速率有关。

综上所述，生物炭的施用在减少氮素损失和提高氮素利用效率方面具有一定的潜力，但其效果可能受到多种因素的影响，包括生物炭的施用量、土壤条件、施肥策略以及气候因素。因此，未来的研究需要进一步探讨生物炭在不同施肥阶段的作用机制，以及其在实际农业中的应用效果。通过优化生物炭的施用时机和剂量，可以实现更可持续的农业实践，同时减少温室气体的排放。