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生物质炭与硝化抑制剂对华北平原玉米-小麦轮作系统温室气体排放的调控机制研究

一、引言

1.1研究背景与意义

华北平原作为中国重要的粮食生产基地，玉米-小麦轮作系统是该地区主要的农业种植模式，在保障国家粮食安全方面发挥着举足轻重的作用。据相关数据显示，该地区玉米和小麦的种植面积广泛，总产量在全国粮食总产量中占据相当大的比重。然而，随着农业集约化程度的不断提高，化肥的大量施用虽然在一定程度上保证了作物的产量，但也带来了一系列严峻的环境问题，其中温室气体排放问题尤为突出。

在玉米-小麦轮作过程中，由于频繁的农事活动以及不合理的施肥等措施，导致该系统成为温室气体的重要排放源之一。土壤中硝化和反硝化作用的增强，使得氧化亚氮（N_2O）排放显著增加，N_2O的全球增温潜势是二氧化碳（CO_2）的近300倍，对全球气候变暖有着不可忽视的影响。同时，土壤微生物的呼吸作用以及作物的生长代谢过程也会释放出大量的CO_2，加剧了温室效应。此外，在一些特定的土壤条件和水分管理情况下，甲烷（CH_4）排放也不容忽视。

生物质炭作为一种新型的土壤改良剂，近年来在农业领域的应用受到了广泛关注。它是由生物质在缺氧条件下热解炭化而成，具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积以及较高的稳定性。这些特性使得生物质炭能够有效地改善土壤结构，增加土壤孔隙度，提高土壤通气性和保水性，从而为作物生长创造良好的土壤环境。同时，生物质炭还可以通过吸附土壤中的养分离子，减少养分的淋溶损失，提高肥料利用率。在温室气体减排方面，生物质炭能够调节土壤微生物群落结构和功能，影响土壤中碳氮循环相关过程，进而对CO_2、N_2O和CH_4等温室气体的排放产生重要影响。一些研究表明，施用生物质炭可以降低土壤N_2O排放，这可能是由于生物质炭吸附了铵态氮，减少了硝化细菌可利用的底物，从而抑制了硝化作用；也有研究发现，生物质炭能够促进土壤中反硝化细菌向产生氮气的方向进行反硝化作用，减少N_2O的生成。

硝化抑制剂则是一类能够抑制土壤中硝化作用的化学物质或生物制剂。硝化作用是指铵态氮在硝化细菌的作用下转化为硝态氮的过程，这一过程不仅会导致氮素的损失，降低肥料利用率，还会促进N_2O的排放。硝化抑制剂通过抑制硝化细菌的活性，减缓铵态氮向硝态氮的转化速度，从而减少氮素的淋溶和挥发损失，同时降低N_2O的排放。常见的硝化抑制剂如双氰胺（DCD）、3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）等，已经在一些农田试验中得到应用，并取得了一定的减排效果。

然而，目前关于生物质炭和硝化抑制剂单独及联合施用对华北平原玉米-小麦轮作系统温室气体排放影响的研究仍存在诸多不足。不同研究结果之间存在较大差异，这可能与生物质炭的原料、制备方法、施用量以及硝化抑制剂的种类、施用量和施用方式等因素有关。此外，两者联合施用时的交互作用及其对温室气体排放的综合影响机制尚不完全明确。因此，深入研究生物质炭和硝化抑制剂对华北平原玉米-小麦轮作系统温室气体排放的影响，对于揭示其减排机制，优化农业生产管理措施，实现农业可持续发展具有重要的理论和现实意义。

一方面，通过本研究可以明确生物质炭和硝化抑制剂在该轮作系统中的减排效果，为制定科学合理的温室气体减排策略提供数据支持和技术参考。另一方面，探究两者联合施用的最佳组合方式和施用量，有助于在保证作物产量的前提下，最大限度地减少温室气体排放，降低农业生产对环境的负面影响，实现农业生产与环境保护的协调发展，对于保障华北平原乃至全国的粮食安全和生态安全具有重要的战略意义。

1.2国内外研究现状

在生物质炭对温室气体排放影响方面，国外研究起步较早。早在21世纪初，一些欧美国家的科研团队就开始关注生物质炭在农业土壤中的应用潜力。美国爱荷华州立大学的研究人员通过田间试验发现，向土壤中添加生物质炭能够显著降低N_2O排放通量，在为期一年的监测中，与对照相比，添加生物质炭处理的N_2O排放量降低了30%-40%，他们认为这主要是由于生物质炭改变了土壤的理化性质，抑制了硝化细菌的活性，从而减少了硝化作用过程中N_2O的产生。在澳大利亚的一些研究中，发现生物质炭对CO_2排放的影响较为复杂，在短期培养实验中，生物质炭的添加可能会促进土壤微生物的活性，导致CO_2排放增加；但在长期田间试验中，由于生物质炭能够增加土壤有机碳的固定，反而会降低CO_2的净排放。关于生物质炭对CH_4排放的影响，德国的相关研究表明，生物质炭可以通过改善土壤通气性，抑制产甲烷菌的生长环境，从而减少水稻土中CH_4的排放，在水稻种植季，添加生物质炭处理的CH_4排放量相比对照降低了20%-30%。

国内对生物质炭的研究近年来也取得了丰硕成果。中国科学院南京土壤研究所的科研人员在南方红壤地区开展了一