生物炭与蚯蚓粪结合可以提高作物产量，同时减少水稻土壤中氨和一氧化二氮的排放外文翻译资料

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生物炭与蚯蚓粪结合可以提高作物产量，同时减少水稻土壤中氨和一氧化二氮的排放

摘要

据报道，有机改良剂如蚯蚓粪和生物炭可以提高土壤肥力和作物产量。然而，这两种修正方案的共同应用是否能够相互协同，或者这种益处是否伴随着农业生态系统中气态氮(N)损失的风险，目前仍不清楚。一项土柱实验使用加1%的生物质碳或不加的三个类别的蚯蚓粪(没有剂量,低剂量(1%),和高剂量(3%))调查其对水稻生长的影响和在作物生长季节中气态N的损失情况。研究结果表明，蚯蚓粪与生物炭在促进作物产量方面存在协同作用。与单用生物炭改良相比，通过生物炭与蚯蚓粪复合处理使作物增产26.5%-35.3% (P lt; 0.01)。但是，大剂量的蚯蚓粪显著增加了累积氨(NH₃)和一氧化二氮(N₂O)的排放(P lt; 0.01)。在蚯蚓粪存在的情况下，添加生物炭显著(P lt; 0.01)降低了14.1%-18.6%的N₂O累计排放量。将生物炭与小剂量蚯蚓粪的共同作用，可获得NH₃和N₂O的最低排放值。本研究表明，生物炭与适量蚯蚓粪的联合应用为提高作物产量、降低环境风险提供了一种新的途径。

关键词:氨挥发;作物产量;蚯蚓;生态系统服务，排放因子，气态氮损失，有机修正，有机废物。

1 介绍

集约化农作物耕种通常依赖于化肥的广泛使用，这可能导致许多与环境污染和土壤生态系统恶化相关的问题(Bender et al.， 2016)。土壤对于生态系统服务的提供至关重要，比如粮食生产和减缓气候变化(de Vries et al.， 2013)。生态系统在调节环境质量方面发挥着至关重要的作用，但是改变生态系统进程以支持调节生态系统服务可以更好地与其他服务相互受益(Smith et al.， 2013)。对高产量的追求增加了失去重要的生态系统调节服务的风险。目前在生态管理的方法中，使用有机修正的生态管理方法更有利于达到多重效益目标，例如在不损害环境的情况下提高农业生产。

蚯蚓粪是在蚯蚓的作用下通过堆肥过程形成的有机废弃物基质(Song et al.， 2014)，具有良好的物理结构、丰富的不稳定资源和较高的微生物活性(Doan et al.， 2014)。近年来，大量研究表明，蚯蚓粪改良可以通过改善土壤的结构和化学性质、增加植物可利用养分、促进土壤生物活性来提高土壤质量和作物产量(Pramanik, 2010;Jouquet等，2011;Doan等，2015;Song等，2015;Goswami等，2017)。然而，过量使用蚯蚓粪可能会加剧氮(N)的流失和全球变暖(Arancon and Edwards, 2011)。

认识到可能带来的环境问题后，研究发现生物炭可以作为一种补充材料。生物炭是一种固体碳(C)残渣，是在有限的氧气或厌氧条件下，由植物生物质、有机废物，甚至藻类生物质的热转化而来(Gul et al.， 2015)。最近的研究强调了在土壤中添加生物炭的好处(Biederman和Harpole, 2013;Agegnehu等，2017)，包括改善土壤持水能力(Mukherjee和Lal, 2013)，增强微生物群落结构(Lehmann等，2011;Liu S W et al.， 2016)，增加农作物产量(Jeffery et al.， 2011)，减少温室气体排放，增强固氮能力(Stewart et al.， 2013)等。然而，由于生物炭中营养成分和微生物活性较低，蚯蚓粪也可以作为一种补充材料。因此，蚯蚓粪和生物炭改良剂的共同施用可能对土壤养分和微生物群落结构产生协同作用。然而，这两种改良剂的共同应用是否对作物产量产生协同效应，或者这种效益是否由农业生态系统中氮损失的风险来补偿，仍然是未知的。

蚯蚓粪和生物炭在作物生产力中都扮演着重要的角色，主要是通过促进农业生态系统中作物对氮的吸收。但它们对环境的负面影响至今为止几乎没有引起关注(Bass et al.， 2016)。在有机氮肥和高氮肥投入水田的条件下，更多的氮肥会流失到环境中，特别是通过氨(NH₃)挥发和一氧化二氮(N₂O)的排放。NH₃挥发性是非常值得关注的，全球应用氮肥的NH₃损失率高达64%(平均18%)(Pan et al.， 2016)。另一个主要问题是N₂O的排放，N₂O作为温室气体，其效力大约是二氧化碳的300倍，寿命约为150年(IPCC, 2014)。在农业生态系统中，N₂O主要通过硝化和反硝化两种微生物途径产生(Verhoeven et al.， 2017)，影响N₂O排放的因素包括土壤pH、氮固定、溶解的有机碳量、酶活性以及硝化和反硝化菌群落(Cayuela et al.， 2014)。Doan等人(2015)通过历时3年的实验发现，蚯蚓粪修正案减少了NH ₄和NO ^- ₃向水中的转移。然而，由于有效氮含量增多和微生物活性增加，大量使用蚯蚓粪可能会增加气态氮的损失(NH₃挥发和N₂O排放)。反硝化过程中N₂O的生成受nirS基因编码的硝酸还原酶调控，nosZ基因编码的N₂O还原酶将N₂O还原为N₂ (Thomson et al.， 2012)。土壤中N₂O的形成和释放与nosZ基因的丰度密切相关，而nosZ基因只与N₂O相关(Xu et al.， 2014)。Morales等(2010)发现nirS和nosZ基因与N₂O排放有很强的相关性。此外，Rodriguez等人(2011)发现，复合施用蚯蚓粪和无机肥料会增加N₂O的排放，因为相比于未经改良的土壤，施用蚯蚓粪和无机肥料会增加NO ^- ₃的浓度。相比之下，近期对现有数据进行的meta分析发现，生物炭的添加通常可以减少N₂O的排放(Cayuela et al.， 2014)。同时，生物炭的吸附能力可能会降低NH₃挥发，使其比表面积增大，可以吸附NH ₄ (Mandal et al.， 2016)。因此，蚯蚓粪与生物炭的结合可能提供一个新的机会，以减少农业对环境的负面影响。

然而，蚯蚓粪和生物炭对气态氮损失(NH₃挥发和N₂O排放)的相互作用和影响尚不清楚，特别是在规模化生产过程中的N₂O-N和NH₃-N方面。除利用农村固体废弃物资源和避免环境污染外，蚯蚓粪与生物炭的结合不仅促进了对生态学协同理论的理解，而且为可持续农业提供了切实可行的管理。

大米目前是全球近50%人口的主食。水稻生产过程中存在着氮素利用率低且氮素损失大的现象，如NH₃挥发、N₂O排放等，对全球环境质量构成潜在威胁(Sun et al.， 2016)。这些氮的损失取决于有机肥的种类和剂量(Ju et al.， 2009)。一项土柱实验使用加1%的生物质碳或不加的三个类别的蚯蚓粪(没有剂量,低剂量(1%),和高剂量(3%))调查其对水稻生长的影响和在作物生长季节中气态N的损失情况。我们假设:1)蚯蚓粪与生物炭的协同作用并不会增加NH₃挥发和N₂O排放;2)蚯蚓粪与生物炭的协同作用会增加作物产量，同时减少其产生的负面影响(NH₃和N₂O的排放因子)。

2 材料和方法

2.1 蚯蚓粪和生物炭

蚯蚓粪由苏州沃丰垃圾处理有限公司提供。简单地说，蚯蚓粪是由牛粪接种艾森那(Eisenia fetida) 蚯蚓种后3个月堆肥而成。蚯蚓粪pH为8.02，总C含量为203 g kg^minus;1，总N含量为8.90 g kg^minus;1，碱性水解N含量为612 mg kg^minus;1。

以麦秸为原料，采用沼气-能量慢热裂解法制备生物炭。反应炉在限氧条件下逐步升温，温度升高到500^◦C，速度为5^◦C /min ^{- 1}，并保持恒定8小时，使其在高温下分解(Sun et al.， 2017)。生物炭pH值为9.42，总C含量为602 g kg^minus;1，总N含量为11.20 g kg^minus;1，最大NH ₄ -N吸附能力为2.68 g kg^minus;1。

2.2 实验

地点在江苏省宜兴市的一个典型水田(119.9861^◦E，31.4765^◦N)，位于中国太湖地区；分别从0 - 20cm、20 - 40cm和40 - 60cm的深度采集土壤样品。每一层的土壤都经过2毫米的过滤筛进行过滤，然后均匀地混合，小心地重新装入土柱中，装入顺序和土柱容重与在田间条件下相同。土柱由聚氯乙烯(PVC)构成，高60厘米，内径30厘米。土壤pH值为6.22，总有机碳为22.6 g kg^minus;1，总氮为1.60 g kg^minus;1。

土柱实验采用因子随机化设计，因子为蚯蚓粪剂量，即， NV(无vermicompost剂量)，LV(低剂量vermicompost, 1%)，HV(高剂量vermicompost, 3%)；生物炭或添加生物炭(1%)。每个实验都进行了三次重复。该水稻于2016年6月27日进行移植，每个试验单元（土柱）9株。在水稻移栽前，每个单元的水稻处理总尿素氮的40% (96 kg N ha^minus;1)、90 kg P₂O₅ ha^minus;1和120 kg K₂O ha^minus;1;总尿素氮(96 kg N ha^minus;1)的40%在水稻分蘖期(ST1)进行追肥，20% (48 kg N ha^minus;1)在水稻穗起始期(ST2)进行追肥。在土壤耕层(0-20 cm)中加入蚯蚓粪和/或生物炭。除2016年7月25日至2016年8月1日的一个季中排水期外，其余均采用3-5 cm洪水水位下相同水量灌溉。

2.3气体收集与分析

采用静态密闭室法测量N₂O通量(Wu et al.， 2015)，采样室用PVC材料制成，高100 cm，直径35 cm。上午8时至9时采集了气体样本，因为这段时间的土壤温度接近日平均土壤温度。关闭后0、10、20、30、40分钟后，分别用20ml注射器通过与腔室连接的特氟龙管(外径3.00 mm)收集气体样本。在气体收集过程中，对室内空气温度进行了监测。在水稻生长季，各处理的N₂O排放通量通常每周测量两次，且施肥后、季中曝气和再灌溉期间测量频率更高。在48小时内使用气相色谱仪(GC 7890a, Agilent, USA)分析N₂O，并使用电子捕获检测器(ECD)检测N₂O。载气为95%氩气和5%甲烷，流速为5ml min ^{- 1}。烤箱和ECD分别在55和300^◦C条件下操作。当线性回归R₂值小于0.90时，剔除样本。N₂O通量和累积排放(CE)计算公式如下(Wang et al.， 2011):

F = rho;times;V/Atimes;(dc/dt)times;273/(273 T) (1)

CE = Sigma;(F_i F_{i 1})/2times;24times;(d_{i 1} minus;d_i) (2)

式中F代表气体通量(micro;g m^-2 h ^minus;1);rho;是标准状态下的气体密度(micro;g m^minus;3);V为采样室容积(m³);A表示气体进入腔室的面积(m²);dc / dt为气体积累的速度micro;g公斤^minus;1 h^minus;1;T为室内温度(^◦C);i指的是采样次数;d表示采样日期。

我们在之前的研究(Feng et al.， 2017)中详细描述了如何使用透明有机玻璃室(直径为20 cm，高度为20 cm)，在每个柱中连续使用气流封闭法测量NH₃每日挥发通量。NH₃挥发率测定是在每天上午9点至11点,下午2点到下午16点,将其与0.01mol L^minus;1硫酸滴定后直到氨吸收剂(由80毫升2%的硼酸和甲基红混合指示剂,溴甲酚绿,和乙醇)的颜色不发生变化为止,。NH₃的累积挥发量是通过观察期间每天的排放量总和来计算的。

2.4 地表水样品的采集与分析

在NH₃挥发量测定的同时进行了地面灌溉采样。测定NH₃

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