图文摘要
导读
氮是作物生长的主要限制因子，为了作物的高产，农民倾向于过度施用化肥。然而，过度施肥未能进一步增加作物产量，反而使得肥料氮利用率降低。肥料氮被认为是华北平原N2O产生的主要来源，然而也有研究发现土壤N对N2O的产生贡献很大，N2O的来源可以利用15N示踪方法有效区分。我们前期的研究发现，12 t ha–1生物炭施用能降低玉米季N2O排放，降幅为9.4−34.8%，但是生物炭的减排机制如何?是否与生物炭增加肥料氮的保留有关？本研究在生物炭施用后的第四年，选取常规施肥和常规施肥+12 t ha–1生物炭小区设置微区试验，施用15N标记的尿素，旨在探究生物炭对肥料N归趋的影响，阐明生物炭对肥料N诱导的N2O排放的影响。
一、肥料氮的回收率
选取田间试验中常规施氮（Control）和常规施氮 + 12 t ha−1生物炭（Biochar）处理，添加15N标记的尿素，玉米收获后测定产量、氮素含量和15N丰度，计算肥料氮吸收量和回收率。结果表明，玉米籽粒肥料氮吸收量为34.54–36.14 kg N，占总尿素输入的17.3–18.1%。玉米地上部肥料氮回收率为25.6–26.2%，对照和生物炭处理间无显著差异。
表1 肥料N在玉米植株中分布和肥料N回收率
二、土壤中肥料N的残留量
玉米收获后分层采集0−20和20−40 cm深度土壤样品，测定肥料N在不同土层中的残留量。结果表明，与Control处理相比，Biochar处理增加了肥料来源N在0–20cm土层中的残留比例，增幅为10.2%，却降低了肥料来源N在20–40cm土层中的残留比例，降幅为37.2%，说明生物炭在土壤表层截留N，减少N向下层土壤移动。Control和Biochar处理中肥料N保留在0–40cm土层中的量分别占施入尿素的21.6%和20.3%。在0–20cm土层，Biochar处理肥料来源的NO3–-N残留量高出Control处理11.8%，而在20–40cm土层，Biochar处理肥料来源的NO3–-N残留量却比Control处理低55.1%.
表2 玉米收获后肥料N在0-40cm土壤剖面中的残留
三、N2O 排放量
采用静态箱-气相色谱法监测玉米季土壤N2O排放量，并测定N2O的15N丰度。结果表明， Biochar处理N2O通量峰值出现在追肥后，为840.1 μg N m–2 h–1，高于Control处理(图1a)。在N2O通量中，来自肥料的比例在基肥和追肥后1–3天达到最高值，分别占59.6–45.1%和53.0–66.3%.
图1 土壤N2O通量（Control和Biochar）和肥料来源的N2O通量（F- Control和F- Biochar）的动态变化
Control处理N2O累积排放量为2.06 kg N ha–1，Biochar处理则为1.89 kg N ha–1，比Control处理低8.3%（图2），Control和Biochar处理中肥料来源的N2O排放量分别为0.78和0.74 kg N ha–1，占总排放量的38.0%和39.4%, 肥料添加引起的激发效应导致的有机氮分解产生的N2O排放量分别为0.69和0.56 kg N ha–1，占总排放量的33.7%和29.7%，该途径的N2O排放量Biochar处理比Control处理低18.8%。
图2 土壤背景N2O排放量、肥料来源N2O排放量和氮肥添加引起的激发效应产生的N2O排放量及其对N2O排放总量的贡献
总结
15N-尿素施入土壤后，20.3–21.6%的肥料N残留在0–40cm土壤剖面中，25.6–26.2%的肥料N被玉米地上部吸收（图3）；生物炭田间老化三年后显著降低了肥料N向底土层移动，但是没有改变玉米季肥料N的利用率。玉米季排放的N2O中，38.0–39.4%的N2O直接来源于肥料，29.7–33.7%的N2O来源于肥料添加引起的激发效应；生物炭田间老化三年后能吸附来自肥料的NH4+-N，抑制土壤有机N的分解，从而有效降低来自肥料和土壤的N2O排放。
图3 田间老化生物炭对玉米系统中肥料氮去向的影响
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145645
