沼液与生物炭配施优化土壤微环境、减少温室气体排放并提高温室番茄产量的机制研究

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Optimizing biogas slurry and biochar co-application to enhance soil microenvironment, mitigate greenhouse gas emissions, and increase tomato yield in greenhouse systems

　　

为支撑农业碳达峰与碳中和目标，本研究针对沼液利用过程中温室气体排放与养分淋溶的不确定性，系统探讨了在过量灌溉与施肥的集约化农业管理条件下，沼液、生物炭与化肥联合施用减少温室气体排放与养分损失的机制与缓解路径。在等氮磷钾投入与一致灌溉水平下，研究人员评估了不同沼液替代化肥比例的点源地下灌溉处理，包括CF、FR、BS25、BS50、BS75和BS100，及其对应生物炭处理CF+C、FR+C、BS25+C、BS50+C、BS75+C和BS100+C。研究人员测定了番茄产量、土壤物理性质、微生物生物量、微生物基因拷贝数及土壤温室气体排放量，并通过多元统计分析与多准则决策方法识别关键影响因素与最优管理策略。结果表明，沼液与生物炭配施显著改善了温室番茄系统的土壤微环境，提升了土壤温度（ST）、土壤含水量（SMC）和充水孔隙度（WFPS），尤其在春夏和秋冬两季的开花期效果最为明显。生物炭还显著增加了微生物生物量碳（MBC），而AOA、AOB和mcrA等微生物基因拷贝数表现出明显的季节性变化。在温室气体排放方面，沼液与生物炭配施显著影响了CO2通量，特别是在第8–119天促进了CO2排放；生物炭有效抑制了N2O排放，在第1–7天促进了CH4排放，而在第8–119天降低了CH4通量。BS75+C处理显著将番茄产量提升至151.34 t ha?1，将全球增温潜势（GWP）降低至9491.43 kg ha?1，并降低了温室气体排放强度（GHGI）。与其他处理相比，BS75+C在农学与环境表现上均持续优异。综合分析表明，ST、SMC和MBC主要影响CO2排放；ST、AOA和AOB影响N2O排放；mcrA、WFPS和ST影响CH4排放。多准则决策分析确定BS75+C为可持续温室农业中实现产量最大化、温室气体排放最小化并提高沼液利用效率的最优策略。

研究背景与问题提出

全球气候变化主要由CO₂、N₂O和CH₄等温室气体排放驱动，已成为国际关注的重大问题。据联合国粮农组织统计，农业用地每年贡献约150亿吨CO₂当量的全球人为温室气体排放。中国作为农业大国，其农业土壤碳汇潜力占全球大气CO₂年增量的25%–33.3%，同时农业碳排放约占全国总碳排放的17%。不合理的农业管理措施，如过量施肥和过度灌溉，导致土壤退化和养分损失，进而影响土壤碳循环并加剧温室气体排放。因此，减少农业碳排放、改善土壤质量是实现中国碳达峰与碳中和目标的关键路径。

化学肥料在增产中不可或缺，但氮肥会刺激土壤温室气体排放，长期过量使用还导致土壤酸化、养分失衡和结构稳定性下降，制约设施农业可持续发展。增加有机肥投入被认为是减少矿物肥料依赖的有效方式之一。然而，有机替代对农业温室气体排放的影响仍缺乏定量研究，尤其是在同步提升土壤质量的背景下，温室气体减排与土壤培肥之间的权衡关系尚不清晰。

沼液是厌氧发酵产生的液态副产物，富含有机养分和可溶性元素，是一种良好的有机液态肥料。但其高水分低养分特性使得过量施用易导致养分淋溶，不足则无法满足作物需求。如何提高沼液在作物根区的水分和养分保持率，是其大规模农业应用的瓶颈问题。生物炭作为一种富碳有机材料，因其强吸附能力，有望改善沼液在根区的水分和养分保持。然而，关于沼液、生物炭与化肥协同作用对温室气体排放的研究尚未见报道，特别是在设施蔬菜系统中。

研究目的与研究设计

本研究以温室番茄为典型设施栽培体系代表，在等氮磷钾投入和等灌水量条件下，设置不同沼液替代化肥比例并配合生物炭施用，共12个处理：CF（常规施肥对照）、FR（测土配方全量化肥）、BS25（25%沼液氮+75%化肥氮）、BS50、BS75、BS100（100%沼液氮），以及相应加生物炭的处理CF+C、FR+C、BS25+C、BS50+C、BS75+C、BS100+C。试验于2023年3月至2024年12月在甘肃省兰州市七里河区狗牙山设施蔬菜水肥一体化示范基地进行。供试土壤为粉砂壤土，番茄品种为‘粉艳734’。沼液来自废弃蔬菜残体厌氧发酵产物，生物炭为玉米秸秆、玉米芯和花生壳在400–600℃下热解制成。研究旨在验证两个假设：（1）沼液配施生物炭部分替代化肥可优化土壤微环境，实现温室气体减排与增产的协同；（2）土壤温度（ST）、土壤含水量（SMC）/充水孔隙度（WFPS）及关键微生物（MBC、AOA、AOB、mcrA）是三种温室气体通量的关键驱动因子。

关键技术方法

1. 1.
   点源地下渗灌技术：采用穴灌方式，将沼液直接施入植株根部附近孔穴，每2天灌溉一次，每次灌溉量依据20 cm蒸发皿累积蒸发量计算，确保各处理灌水量一致。
2. 2.
   静态暗箱-气相色谱法测定温室气体通量：使用聚氯乙烯材质静态暗箱采集气体样品，通过Agilent 7890A气相色谱仪测定CO₂、N₂O和CH₄浓度，火焰离子化检测器用于CO₂和CH₄，电子捕获检测器用于N₂O，按公式计算气体通量和累积排放量，并基于IPCC 2021百年尺度GWP值（CH₄为27.9，N₂O为273.0）计算全球增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）。
3. 3.
   土壤微生物指标测定：采用氯仿熏蒸-K₂SO₄提取法测定微生物生物量碳（MBC）；采用实时荧光定量PCR（qPCR）技术，以ChamQ SYBR Color qPCR Master Mix和LineGene9600plus系统定量氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）和甲基辅酶M还原酶基因（mcrA）的拷贝数。
4. 4.
   多准则决策评价（VIKOR法） ：结合层次分析法（AHP）主观权重和熵权法客观权重，基于博弈论组合赋权，通过计算群体效用值（S_i）、个体遗憾值（R_i）和折衷排序值（Q_i），对12个处理进行综合排序。
5. 5.
   冗余分析（RDA）与主成分分析（PCA） ：RDA用于揭示土壤因子与温室气体排放之间的关系，PCA用于降维提取主要变异模式。

研究结果

3.1 沼液替代化肥配施生物炭对温室番茄土壤微环境的影响

3.1.1 土壤物理性质

春夏茬所有处理土壤温度呈先升后降趋势，开花期达峰值。与未施生物炭处理相比，施生物炭处理使春夏平均土壤温度提高0.50%–3.24%，但在高温开花期BS100+C处理反而降低1.82%，表明生物炭可能具有温度缓冲效应。秋冬茬无生物炭处理土壤温度持续下降，而有生物炭处理仍呈先升后降趋势，进一步证实生物炭的温度调节作用。在等NPK投入下，各处理土壤含水量（SMC）均呈先升后降趋势，开花期最高。相同替代比例下，施生物炭处理在春夏和秋冬分别显著提高SMC 9.98%–37.28%和4.94%–15.57%。充水孔隙度（WFPS）呈先降后升趋势，开花期最低，BS75+C处理在所有处理中WFPS最高，春夏达55.83%，秋冬达58.42%。

3.1.2 土壤微生物生物量与基因拷贝数

3.1.2.1 土壤微生物生物量碳（MBC）

各处理MBC随生育期呈先升后降趋势。与纯化肥处理（CF和FR）相比，沼液配施生物炭处理显著提高了MBC水平（p<0.05）。苗期和开花期最高MBC分别出现在BS25+C和BS50+C处理，春夏分别为683.77 mg kg^?1和758.25 mg kg^?1；结果期最高MBC出现在BS75+C和BS100+C处理。秋冬茬MBC整体低于春夏茬，降幅在苗期?11.60%至?0.86%、开花期?8.42%至?2.36%、结果期?33.05%至?16.44%之间。

3.1.2.2 AOA、AOB和mcrA基因拷贝数

各处理间AOA、AOB和mcrA基因拷贝数差异显著（p<0.05）。春夏茬AOA拷贝数随生育期递增，结果期达峰值；BS75处理平均最高（25898.10×10³ copies g^?1），BS100最低。秋冬茬AOA呈先升后降趋势，开花期达峰值。春夏茬AOB拷贝数呈降-升模式，开花期最低；施生物炭处理在结果期AOB拷贝数较未施处理下降2.79%–93.45%。秋冬茬AOB呈先升后降趋势，开花期最高。mcrA拷贝数在各处理中呈降-升趋势，开花期最低；施生物炭处理在结果期mcrA拷贝数较未施处理下降幅度在春夏为?92.23%至?53.01%，秋冬为?74.81%至?2.82%。结果表明AOA、AOB和mcrA的最高拷贝数出现在春夏的苗期和结果期以及秋冬的苗期和开花期，反映了季节差异。

3.2 沼液替代化肥配施生物炭对土壤温室气体排放的影响

3.2.1 土壤CO₂排放通量

各处理CO₂排放通量在整个生育期内呈波动变化，移栽恢复期后第1天排放通量最高。春夏茬第62–63天出现主要峰值，BS100+C处理最高（645.10 mg m^?2 h^?1），比CF和FR分别高32.47%和30.93%。秋冬茬第48–49天出现主要峰值，同样BS100+C最高（593.49 mg m^?2 h^?1）。与未施生物炭处理相比，施生物炭处理在第1–7天减缓了CO₂排放，但在第8–119天促进了排放。从第49天开始，沼液替代比例与CO₂通量呈正相关。

3.2.2 土壤N₂O排放通量

各处理N₂O通量呈波动上升后下降趋势。春夏茬第76–77天出现主要峰值，CF处理最高（0.491 mg m^?2 h^?1）。秋冬茬第62–63天出现主要峰值，同样CF最高（0.466 mg m^?2 h^?1）。与未施生物炭处理相比，施生物炭处理在整个生育期显著抑制了N₂O通量（p<0.05），春夏降幅?85.60%至?1.80%，秋冬降幅?85.60%至?1.43%。沼液替代处理（BS25–BS100）也降低了N₂O排放，表明减少化肥投入可缓解N₂O排放，且有机替代优于纯化肥。

3.2.3 土壤CH₄排放通量

各处理CH₄通量呈波动变化，总体上土壤表现为净CH₄"汇"。CH₄通量范围在春夏为?0.180至0.142 mg m^?2 h^?1，秋冬为?0.212至0.138 mg m^?2 h^?1。最大CH₄"汇"峰值出现在春夏CF+C处理第49天和秋冬BS25+C处理第63天。最强CH₄"源"峰值出现在BS75处理第35天。与未施生物炭处理相比，施生物炭处理在第1–7天倾向于促进CH₄排放，但在第8–119天具有缓解CH₄排放的潜力。

3.3 温室番茄土壤温室气体排放对土壤因子交互作用的响应

冗余分析（RDA）显示，土壤因子累计解释了73.1%的温室气体排放变异。CO₂排放方向与SMC、MBC和WFPS接近，表明水分状况和微生物活性是其主要驱动因素。N₂O排放方向与AOA一致，表明氮循环微生物调控N₂O排放。CH₄排放方向与mcrA一致，反映产甲烷微生物的主导作用。Pearson相关分析进一步证实：CO₂通量与MBC、SMC、ST极显著正相关（p<0.001），与AOB显著正相关（p<0.05），与mcrA极显著负相关（p<0.01）；N₂O通量与ST极显著正相关（p<0.01），与AOB显著正相关（p<0.05），与WFPS显著负相关（p<0.05）；CH₄通量与mcrA极显著正相关（p<0.01），与MBC、SMC极显著正相关（p<0.001），与ST极显著正相关（p<0.01），与AOA和AOB显著负相关（p<0.05）。主成分分析（PCA）表明，PC1（39.8%）主要由SMC和MBC贡献，PC2（31.5%）由WFPS和氮循环微生物主导，PC3（13.0%）由mcrA和ST主导。

综合评估与结论

研究人员采用VIKOR多准则决策方法，整合番茄产量、温室气体排放（GWP、GHGI）和沼液利用效率等多项指标，对不同处理进行综合评价。结果表明，BS75+C处理（75%沼液氮+25%化肥氮+生物炭）在各项指标中表现最优，显著提高了番茄产量至151.34 t ha^?1，将GWP降至9491.43 kg ha^?1，并获得了最低的GHGI。综合冗余分析、Pearson相关分析和主成分分析的结果，研究人员明确了ST、SMC和MBC主要影响CO₂排放；ST、AOA和AOB影响N₂O排放；mcrA、WFPS和ST影响CH₄排放的核心驱动机制。

研究结论：在等氮磷钾投入和等灌水量条件下，沼液配施生物炭部分替代化肥能够优化土壤微环境，增强土壤保水保温能力，提高微生物活性，从而在增加番茄产量的同时有效降低全球增温潜势和温室气体排放强度。多准则决策分析确认BS75+C为可持续温室农业中实现产量最大化、温室气体排放最小化并提高沼液利用效率的最优策略。该研究为绿色低碳农业发展提供了理论和技术支撑，为实现农业碳减排、增产增效和肥料利用率提升提供了可行路径。