摘要：

目前已有大量研究表明,由于生物炭特殊的理化性质,其在土壤固碳,温室气体减排,土壤改良,作物产量提升等方面表现出了巨大的潜力.从生物炭施用情况及其自身特性,气候因素,土壤性质,田间管理措施方面量化评估农田土壤固碳,温室气体排放,作物产量对生物炭的响应程度,不仅有利于生物炭在低碳可持续农业中的应用推广,同时对于全球气候变缓与粮食安全问题的缓解具有科学指导意义.本研究以大量前人的相关试验研究数据为依托,在采用Meta整合分析的基础上,结合数值拟合,随机森林重要值,CCA-VPA的多元统计分析方法,对生物炭施用模式下的农田温室气体减排效应,土壤固碳效应以及作物增产效应进行定量分析和综合评估,从而得到如下研究结论:(1)生物炭具有优良的农田温室气体减排效益,尤其体现在对稻田CH_4排放,农田N_2O排放的显著抑制作用与对GWP减排潜力的大幅提高;与此同时,生物炭的施用还可在很大程度上提高作物产量,从而实现GHGI的大幅削减.整体来看,生物炭施用情况及其自身特性和自然环境因素,无机肥施用情况的交互作用贡献了大部分的温室气体排放,土壤固碳效应与作物产量变化差异的解释度.通过构建结构方程模型进行路径分析可发现,在生物炭施用条件下,气候因素,田间管理措施生物炭施用情况及其自身特性和土壤性质均可对农田温室气体排放,土壤固碳及作物产量构成显著直接影响,且前三者还可通过作用于土壤性质对生物炭的土壤固碳减排与增产效应产生显著的间接影响.但在不同作物种类和种植制度下,除生物炭对作物产量的影响机制基本相似以外,影响生物炭对CH_4,N_2O,GWP,GHGI的减排效应和对土壤SOC的相对变化率,固碳速率以及对NGWP的减排量的主导驱动因子均存在一定差异.(2)若从生物炭的固碳减排效应与增产效应相协调的角度来考虑,高剂量(>80t/ha)的生物炭施用有利于作物产量的提升和GWP,GHGI的减缓,并且不会限制生物炭对农田CH_4的减排作用.当生物炭施用时间在1-1.5年时,其对农田N_2O排放和GWP的削减程度可达到最大,并且能够有效增加生物炭的GHGI减排潜力.选取C/N在50-60且pH值在8.1-9.4之间的生物炭,既能达到最优的稻田CH_4减排效果,且具备较显著的GWP,GHGI减排潜力,也不会影响生物炭发挥对农田N_2O排放的抑制作用.从制备原料上看,水稻秸秆制备的生物炭对稻田CH_4排放的抑制和GHGI的减缓具有较为明显的优势,木质生物炭相对更有利于提高作物产量,而混合类废弃物制备的生物炭则具有极为突出的N_2O和GWP减排潜力.中高温(500-600℃)炭化的生物炭能够实现稻田CH_4和GWP的减排效益最大化,高温(>600℃)热解的生物炭能够最大程度地抑制农田N_2O排放并提高作物产量,而450℃炭化的生物炭相对更有利于旱地CH_4减排,且低温(≤400℃)热解的生物炭还具有最佳的GHGI减排潜力以及相对较为显著的GWP减缓效应.因此,在生物炭炭化温度和制备原料的选择上,应根据实际的农田经济效益与低碳农业生产需求,对生物炭的CH_4,N_2O,GWP,GHGI减排效应和作物增产效应进行相应的取舍.(3)在强酸性(pH<5.5)的土壤环境下,生物炭对稻田和轮作地的CH_4减排效果最为显著,更有利于农田N_2O排放的抑制和GWP的减缓,同时还具有最优的作物增产效应和GHGI减排潜力;而对于中性和弱碱性(6.5≤pH<7.5)的旱地土壤,生物炭的CH_4减排效果相对较为显著.生物炭对有机碳含量较高(12-14g/kg)的稻田土壤CH_4减排效果相对最显著;而在低有机碳含量(<7g/kg)的土壤环境下,生物炭对旱地和轮作地的CH_4减排效果较为显著,同时还具有相对较优的GWP和GHGI减排潜力;此外,生物炭在富碳的土壤条件下(SOC≥20g/kg)能够更好地发挥其N_2O减排效应.生物炭对全氮含量较高(≥1.3g/kg)的稻田,轮作地土壤具有较高的CH_4和GWP减排潜力,但在高氮土壤环境下生物炭则会激发对旱地土壤CH_4排放和农田N_2O排放的正效应.在全磷含量较高(≥1.5g/kg)的土壤环境下,生物炭具有极为显著的农田N_2O减排潜力;而在低磷土壤条件下(TP<0.5g/kg),生物炭能够较大程度地抑制稻田CH_4排放,同时实现GWP,GHGI减排潜力与作物增产效应最大化.当土壤全钾含量相对偏低(<10g/kg)时,生物炭的N_2O减排效应,GHGI减缓效应以及作物增产效应相对更为显著;而在全钾含量较高(≥20g/kg)的土壤环境下,生物炭对稻田CH_4排放的抑制作用更为显著,同时大幅增加了对GHGI的减排潜力.生物炭对粘粒含量≥15%的稻田土壤具有相对更佳的CH_4减排效果,而从整个的作物轮作周期来看,对于粘粒含量偏低的砂壤土,生物炭的CH_4减排作用最显著;生物炭对壤土具有极为突出的农田N_2O减排效应,而对砂质粘壤土的GWP减排潜力则要略高于壤土.生物炭对粉质粘壤土条件下作物的增产效应尤为突出,而生物炭在壤土,砂质粘壤土和壤质粘土的施用能够将对GHGI的减缓幅度提升至显著水平.(4)生物炭与无机肥的混合施用有助于对农田CH_4和N_2O排放的抑制,GWP和GHGI的减缓以及作物产量的提高,因此无机肥中氮磷钾元素的配比在很大程度上影响了生物炭的CH_4,N_2O减排和GWP,GHGI减缓效果以及作物增产效应.为使生物炭在稻田和旱地中实现CH_4减排效益的最大化,氮肥与磷肥的配比应分别控制在6-8和0-3的区间范围内.总的来看,当无机肥中氮钾配比在1.4-3范围内时,生物炭对土壤CH_4排放的抑制作用相对较强.而若要使生物炭达到减缓N_2O排放和GWP,GHGI的最优效果,则应该将无机肥中的氮磷,氮钾及磷钾配比分别调控在0-2,≥5,≥2的区间范围内.(5)从区域尺度来看,生物炭对华中地区的稻田CH_4减排效应最为突出,并且可相应地抑制北方地区(东北和西北)的旱地CH_4排放与农田N_2O排放并实现GHGI减排潜力最大化,并最大程度地降低了华中地区和东北地区的GWP,同时显著提高了华北地区的作物产量.由此可见,低温,低降水量且高日照时数的水热条件有利于生物炭降低农田N_2O排放以及GWP和GHGI,而高温,高降水量和较弱的的光照条件相对更利于生物炭提高作物产量,并为生物炭对稻田,轮作地的CH_4减排创造有利条件.(6)在土壤固碳潜力方面,生物炭能够有效提升土壤有机碳库的可持续年限大约为24.95年,而一旦超过25年,存留在土壤中的生物炭可能会在一定程度加速土壤SOC矿化,但其分解速率(<0.61t/ha/年)极低,远小于植物和土壤微生物通过光合作用和化能合成作用对大气中CO_2的固定速率,因此短期内并不会造成土壤碳库中SOC的大量流失.在所有关键影响因子中,生物炭施用量是影响土壤SOC含量相对变化率,固碳效率以及NGWP变化的最关键因素,而生物炭施用时间和施用量则是土壤固碳速率的最主要驱动因素;除此以外,土壤因素对生物炭的土壤固碳效应的影响同样不可小觑.其中,土壤固碳速率对生物炭施用时间,土壤固碳效率对生物炭施用量以及土壤SOC相对变化率对土壤初始SOC,TN,TP含量的响应均呈现出显著的报酬递减规律,这主要是由外源有机碳在输入与输出上的不平衡以及土壤内源有机碳的过饱和造成的.

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