生物炭在奥地利田间试验中减缓有机与无机肥料引起的N2O和NH3排放

《European Journal of Soil Science》：Biochar Mitigates N2O and NH3 Emissions for Organic and Inorganic Fertilizers in an Austrian Field Experiment

　　

生物炭是一种有前景的土壤管理策略，可减少农业土壤中活性氮（Nr）的损失；用有机改良剂（OAs）替代矿质肥料可改善土壤健康并增强养分循环。研究人员在奥地利下奥地利州开展了一项为期三年的玉米（Zea mays）田间试验，比较有机废弃物堆肥和消化液与矿质氮磷钾（NPK）施肥（175 kg N ha^?1、39 kg P ha^?1、187 kg K ha^?1），并评估生物炭施用对氧化亚氮（N₂O）、氨（NH₃）排放和作物产量的影响。堆肥和消化液以较高的总氮施用量（350 kg N ha^?1）施用。生物炭（约7.5 t ha^?1）与NPK或堆肥组合施用，施肥量与各自非生物炭处理相同，以评估其减缓气态Nr损失的潜力。此外，还评估了处理对土壤性质和微生物功能基因丰度的影响。总体而言，与NPK相比，堆肥使累积N₂O和NH₃排放分别降低了66%和68%，而消化液使排放分别增加了21%（N₂O）和32%（NH₃）。施用生物炭的土壤在NPK处理下使N₂O排放减少了48%，在堆肥处理下减少了39%。此外，添加生物炭后，NPK和堆肥处理的NH₃挥发分别减少了51%和26%。在产量方面，消化液成功替代了NPK，而堆肥由于氮矿化速率有限，未能提供同等的短期养分供应。在OAs处理下，土壤有机碳和全氮（TN）增加，表明具有长期肥力效益。生物炭改良条件下N₂O排放的减少可能与这些处理中较低的反硝化潜力有关，而硝酸盐（NO₃^?）和铵（NH₄⁺）的有效性未受生物炭改良影响，这通过氮循环基因丰度分析和土壤提取得到证实。该研究表明，OAs和生物炭均可作为气候智慧农业工具，通过改善土壤肥力和支持碳（C）固存，同时减少直接的N₂O和NH₃排放。然而，为维持高产，有效的施肥管理必不可少，需要采取综合养分管理策略，将OAs与矿质氮（N）施肥有机结合。

气候变化是21世纪人类面临的重大威胁，农业贡献了约23%的人为温室气体排放，其中氧化亚氮（N₂O，一种强效温室气体）占全球人为排放的50%以上，同时N₂O也是最重要的平流层臭氧消耗物质。氨（NH₃）挥发是农业土壤活性氮（Nr）损失的主要途径，可导致细颗粒物（PM_2.5）形成和水体富营养化。为满足不断增长的粮食需求并减缓气候变化，需要优化养分管理。有机改良剂（OAs，指堆肥、消化液等有机来源的土壤添加物）可替代矿质肥料，改善土壤健康并促进养分循环，但其氮矿化特性可能增加Nr损失。生物炭（biochar）因其高碳稳定性被视为长期固碳手段，并被报道可减少N₂O和NH₃排放，但在奥地利田间条件下相关数据十分有限。因此，研究人员在奥地利下奥地利州Grabenegg试验站开展了一项为期三年的田间试验，旨在比较有机废弃物堆肥和消化液与矿质氮磷钾（NPK）施肥的效果，并评估生物炭联合施用对N₂O、NH₃排放和作物产量的影响。

试验从2022年到2024年，种植作物包括青贮玉米（2022和2024年）和春小麦（2023年）。共设6个处理：不施肥对照、NPK、堆肥、NPK+生物炭、堆肥+生物炭、消化液。堆肥和消化液按总氮（TN）350 kg N ha^?1施用，NPK为175 kg N ha^?1；生物炭以约7.5 t ha^?1的用量与NPK或堆肥组合施用。研究测定了气体排放、作物产量、土壤理化性质以及氮循环相关微生物功能基因丰度。总体结果表明，与NPK相比，堆肥使累积N₂O和NH₃排放分别降低66%和68%，而消化液使两者分别增加21%和32%；生物炭添加使NPK和堆肥处理的N₂O排放分别降低48%和39%，NH₃挥发分别降低51%和26%。在产量方面，消化液可有效替代NPK，而堆肥由于矿化速率有限未能提供等量短期养分；但堆肥显著提高了土壤有机碳（TOC）和TN，显示出长期肥力效益。该研究证明OAs和生物炭可作为气候智慧农业工具，但需综合管理以维持高产。

研究方法方面，研究人员采用手动静态箱法测定土壤—大气N₂O交换通量，采用半开放静态箱（SOSC，一种被动换气的气体收集装置）法半定量测定NH₃挥发。土壤样品分析包括pH、TOC、TN、活性碳、氮矿化潜力（NMP）以及0.5 M K₂SO₄提取态铵（NH₄⁺）、硝酸盐（NO₃^?）和溶解性有机碳（DOC）。采用数字PCR（dPCR，基于单分子模板绝对定量的核酸扩增技术）定量土壤细菌、真菌丰度及氮循环功能基因，包括氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）、反硝化基因nirK/nirS和nosZ。统计上采用线性混合效应模型（LMM，含固定效应和随机效应的回归模型）和广义线性混合效应模型（GLMM）识别排放驱动因素，并用方差分析（ANOVA）比较处理差异。

3.1 土壤数据：试验开始前各处理土壤性质无显著差异。2024年收获后分析显示，堆肥及堆肥+生物炭处理显著提高pH；NPK+生物炭使TOC增加0.37%，堆肥增加0.35%，堆肥+生物炭增加0.77%；堆肥处理TN显著增加（堆肥+0.026%，堆肥+BC+0.033%）；活性碳在堆肥处理中保持稳定；NMP普遍增加但差异不显著；堆肥处理P、K含量较高。土壤提取态氮动态显示，NPK和消化液施肥后NH₄⁺和NO₃^?迅速升高，堆肥处理升高较缓和；生物炭对可提取矿质氮无系统性影响，但2022年NPK+BC处理NO₃^?下降较早；堆肥显著提高DOC且无明显降低趋势。

3.2 N₂O/NH₃排放与收获数据：2022年和2024年排放结果显示，堆肥处理累积N₂O排放分别为7.3和4.0 kg N ha^?1，显著低于NPK（7.4和25.9 kg N ha^?1）和消化液（11.7和28.5 kg N ha^?1）。生物炭使N₂O累积排放降低41%（NPK）和52%（堆肥）（2022年），以及50%和15%（2024年）；NH₃排放降低61%和40%（2022年）以及43%和23%（2024年）。两年总排放因子（EF）方面，N₂O EF分别为NPK 9.5%、堆肥1.6%、NPK+BC 4.9%、堆肥+BC 1.0%、消化液5.7%；NH₃ EF分别为1.17%、0.19%、0.58%、0.14%和0.77%。玉米产量显示消化液处理与NPK相当，2022年产量分别为18.2与18.8 t DW ha^?1，2024年分别为14.4与16.9 t DW ha^?1；堆肥处理产量较低。2023年小麦试验中，未再施用OAs的堆肥处理表现明显氮限制，表明堆肥短期供氮不足。

3.3 DNA定量：dPCR结果表明，堆肥处理细菌丰度较高，NPK处理AOB丰度较高，而堆肥处理AOA丰度较高；生物炭添加降低nirK（编码亚硝酸盐还原酶的功能基因）和nirS（另一种亚硝酸盐还原酶基因）反硝化基因丰度，与N₂O排放减少相一致。nosZ（编码氧化亚氮还原酶）基因未检出，说明土壤N₂O还原为N₂的能力有限，这可能解释了总体上较高的N₂O排放。

3.4 N₂O和NH₃排放主要驱动因素的统计建模：LMM模型表明，生物炭在所有施肥制度下使N₂O排放显著降低40%（p<0.001），施肥处理排放均显著高于对照。土壤NO₃^?、水分填充孔隙度（WFPS）、土壤温度、空气温湿度对N₂O有正效应，而NH₄⁺呈负相关。NH₃的GLMM显示生物炭有降低趋势（24%，p=0.09），NH₄⁺是正驱动因子，DOC为负驱动因子。

讨论指出，N₂O排放主要受氮有效性、WFPS和温度控制；堆肥因慢速矿化降低了无机氮释放和排放，同时增加土壤碳氮。生物炭减排并非通过改变可提取矿质氮含量，而是可能通过微生物氮固定、物理吸附以及降低nirK/nirS丰度抑制反硝化潜力实现。结论部分翻译：研究表明，N₂O和NH₃排放是施肥、生物炭和环境因素相互作用的结果；消化液可在产量上替代NPK，堆肥则改善土壤质量；生物炭在不显著改变矿质氮库的情况下有效减少排放并增加难降解有机碳储存；将OAs与矿质氮肥及生物炭综合管理，可在维持产量的同时减少气态氮损失并提升土壤健康。