论文内容
研究背景：
水稻是世界主要粮食作物之一，稳定、高产水稻对粮食安全和消费需求至关重。在过去的40年里，中国的水稻产量增加了52.13%，主要依靠大量额外的氮投入，这导致了环境问。水稻土是CH4和N2O等温室气体排放的重要来源，约占农业CO2当量排放总量的16%。值得注意的是，施用于稻田的氮肥中，超过25%的氮肥通过氮淋失、N2O排放、NH3挥发和氮径流等各种形式流失到环境中。本研究的目的是通过为期3年的田间原位试验，加深对这些改良剂对水稻可持续产量和水稻温室气体排放的综合影响的了解。因此，我们的两个研究目标是:评估三个水稻季节生物炭施用方式对水稻土产量、氮肥利用率、CH4和N2O排放的影响以及与CH4和N2O排放相关的基因丰度，并确定一次施用生物炭的效果是否持续多年。在实现研究目标的基础上，以作物产量为基础，从生态系统角度对温室效应和温室气体强度进行评价，为中国北方水稻增产稳产、减少氮肥施用、科学应用生物炭提供新的思路。
研究内容：
如图1所示，生物与氮肥配施连续3年显著提高了土壤pH、SOC、TN、MBC和MBN，降低了BD。
不同处理稻田的CH4通量存在显著差异。总体而言，CH4通量在水稻分蘖期达到峰值，其次是干旱区无效分蘖期。随后CH4通量逐渐减小，稻田复水后CH4通量逐渐增大，达到峰值后逐渐减小。在3年的试验中，N210B0处理的CH4通量高于其他处理。累积CH4排放量受处理、年份以及两者交互作用的显著影响(P < 0.05)。N210B1、N210B2、N168B1和N168B2处理连续3年显著降低了CH4的累积排放量。其中，2020年减排目标分别为36.7%、19.1%、42.2%、29.9%;2021年分别为46.1%、22.3%、51.0%和37.9%;2022年与2010年相比，分别为47.2%、33.3%、55.5%和43.6%。此外，施用一次生物炭比施用三次生物炭对减少甲烷排放的效果更稳定，特别是在168 kg N ha−1水平下。
为了阐明影响CH4排放的内在机制，我们检测了3年内产甲烷菌和氧化甲烷菌的丰度，以及mcrA/pmoA的比值，与N210B0相比，两种生物炭施用方式均显著提高了pmoA基因丰度，但对mcrA基因丰度没有显著影响。施用一次的生物炭的pmoA基因丰度显著高于施用三次的生物炭。在相同生物炭施用方式下，两种氮肥处理间pmoA基因丰度无显著差异。mcrA/pmoA基因丰度比值的降低顺序为:N168B1< N210B1 < N168B2 < N210B2。
施氮和排水增加了N2O通量(图4a-c)。在移栽后4 ~ 7d，施基肥后N2O通量增加，但随后迅速下降。分蘖期氮肥施用后，N2O通量逐渐增加，分蘖后期控制分蘖时N2O通量达到最大值。稻田复水约40d后，N2O通量逐渐下降。在这两个生育期，N2O通量的变化主导了水稻累积N2O通量的变化。
N210B1、N210B2、N168B1和N168B2处理连续3年显著减少N2O排放，与N210B0处理相比，3年平均减少量分别为34.8%、49.1%、54.2%和62.5%(图4d)。在第一年，施用一次生物炭的累积N2O排放量显著低于施用三次生物炭的累积N2O排放量。但在第二年和第三年，减排效果排序为N168B2 > N210B2 > N168B1 > N210B1。一次性施用生物炭的减排效果逐年下降。此外，与只施用一次的生物炭相比，施用三次的生物炭在减少N2O排放方面明显更有效，特别是在施氮量为80%的情况下。
检测了参与硝化(即AOA和AOB)和反硝化(即nirK、nirS和nosZ基因)的功能基因丰度，并在2022年研究了(nirK + nirS，)/nosZ的比值，分析了不同处理下N2O排放量的变化。对于硝化，生物炭的应用对AOA基因丰度无显著影响，但显著增加了AOB基因丰度。施用三次的生物炭的AOB基因丰度高于施用一次的生物炭，特别是在210 kg N ha−1水平下。
对于反硝化，不同处理间nirS基因丰度无显著差异。与N210B0相比，两种生物炭处理均显著提高了nirK和nosZ基因的丰度。施用三次的生物炭的增长率高于施用一次的生物炭。此外，施用生物炭显著降低了(nirS + nirK)/ nosZ比值，但N210B1、N210B2、N168B1和N168B2处理间差异不显著。
NUE- pf显著大于NUE- bt， NUE- pf的增加归因于NUE的增加。
研究发现，nosZ基因丰度与累积N2O排放量呈显著负相关，而(nirK + nirS)/nosZ与累积N2O排放量呈正相关。AmoA-AOA基因丰度与pH呈显著正相关，AmoA-AOB基因丰度与土壤MBN、TN、SOC、pH呈显著正相关，nirK和nosZ基因丰度与土壤MBN、MBC、TN、SOC、pH呈显著正相关，与BD呈显著负相关;(nirK + nirS)/nosZ则相反。
mcrA基因丰度与土壤MBN、TN、SOC和pH呈正相关(P < 0.01)，与BD呈负相关(P < 0.05)。pmoA基因丰度与MBC呈正相关，与BD呈负相关，mcrA/ pmoA基因丰度比与土壤BD呈正相关，与其他化学性质呈负相关。CH4排放量与pmoA基因丰度呈负相关，并随mcrA/pmoA基因丰度之比而降低，但与mcrA基因丰度无显著相关。
采用结构方程模型(SEM)计算路径CH4和N2O排放、产量、氮肥利用和土壤之间的系数环境变量(图8)受CH4(通径系数0.98)和N2O的通径系数为0.03)(P < 0.01)。生物炭的间接抑制作用对CH4和N2O排放的影响主要归因于其显著性对SOC、BD、PH和MBC的影响。对MBC产生了直接的负面影响CH4排放量通径系数为- 0.96,P < 0.01。BD和pH对N2O排放有直接的负向影响，通径系数分别为0.91和- 0.25。土壤有机碳和全氮对产量有显著影响，NUE- pf对NUE有直接显著的正向影响，通径系数为0.62 (P < 0.01)。
研究结论：
在3年的试验期内，两种生物炭施用方式显著改善了土壤理化性质，降低了CH4和N2O排放，提高了水稻产量和氮肥利用效率。然而，不同的生物炭施用方式和氮肥的效果是不同的。连续施用1次的生物炭对CH4的减排效果较好，特别是在168 kg N ha−1时，其pmoA基因丰度显著高于施用3次的生物炭。生物炭对mcrA基因丰度的影响不显著，CH4排放量与pmoA呈负相关。随着生物炭年龄的增加，其改善土壤pH、有机碳、全氮和MBN的能力在第三年下降。这种减少导致生物炭减少土壤N2O排放的能力逐渐降低。生物炭施用3次时AOB基因丰度高于2022年的1次，特别是在210 kg N ha−1时。从总温室气体和温室气体排放来看，一次性施用生物炭可以提高水稻产量，减少农田温室气体排放。CH4是影响总温室气体和GHGI的主要因子。
综上所述，生物炭与210 kg N ha-1配施一次可促进水稻增产增产，与168 kg N ha-1配施可减少温室气体排放，提高氮素利用效率。总体而言，我们的研究结果有助于设计适合中国北方可持续农业和环境的种植模式。
期刊信息
期刊：Science of the Total Environment
影响因子（2022）：9.8
中科院分区：环境科学与生态学期刊一区
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