生物质炭对农田温室气体排放的作用效应及其影响因素探讨

发布时间：2022-07-06

　　摘要：气候变暖已成为当今全球关注的焦点。农田生态系统作为 CO2、CH4、N2O 等温室气体的主要排放源，在全球温室效应中起重要作用。近年来，由于生物质炭在改善土壤性质，提高土壤碳汇和控制农业温室气体排放方面的巨大应用潜力，特别是对土壤碳的增汇减排作用，已成为土壤学和环境科学的研究热点。目前，关于生物质炭在农田温室气体排放方面的影响研究主要集中在我国华中、太湖平原、成都平原等地。然而由于受空间地域、实验条件等因素的差异，众多学者开展生物质炭作用于农田温室气体排放的研究结果不尽相同，也未曾见有报道从影响因素的角度深入探讨其作用机制。综述对比了近几年来国内外关于生物质炭对农田温室气体排放的影响研究，并从生物质炭的种类、施炭量、应用的土壤类型以及耕作方式和施肥条件等因素探讨了生物质炭对农田温室气体排放的作用机制。旨在通过改变生物质炭的种类和施炭量等条件，从而为抑制农业温室气体的排放乃至缓解全球气候变化提供可靠的科学依据。综合各项研究发现，秸秆炭在抑制农田温室气体排放方面要优于其他种生物质炭;40 t·hm-2 的施炭量是一个既能提高作物产量又能实现固碳减排目标的较好选择;单作物耕作方式和合理的保护性耕作技术有利于减少农田温室气体的排放;在肥料的施用选择上，施用氮磷钾有机肥比普通氮肥更能有效地减少农田温室气体的综合排放效应。然而，从微生物活性和群落结构变化的角度深入探讨生物质炭作用于农田温室气体排放的微观机理及其温室气体减排还仍需进一步的研究。

　　关键词：生物质炭;农田温室气体;作用效应;影响因素;减排

　　目前，气候变暖成为全球关注的一个热点问题。CO2、CH4和 N2O 作为最重要的温室气体，对温室效应的贡献率占了近 80%[1]。据估计，2005 年全球农业温室气体排放量占人为排放总量的 10%~12%[2]。其中 CH4和 N2O 浓度的增加主要来源于农业活动排放，分别占人类活动 CH4和 N2O 排放量的 52%和 84%[3]。据 IPCC 第四次报告显示，中国是农业源温室气体排放最多的国家，农业源温室气体排放占全国总温室气体排放的 17%。因此，提高农田碳汇和抑制农业温室气体排放，对缓解全球气候变化具有极为重要的意义。

　　生物质炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质[4]。长期以来，生物质炭在改善土壤性质，增加作物产量，提高土壤碳汇和控制农业温室气体排放方面扮演着重要角色[5-8]，特别是近几年来生物质炭在农业温室气体排放方面的应用研究更是成为众多学者关注的焦点。生物质炭化还田旨在减少土壤利用中温室气体的排放，已成为农业应对全球气候变化的一条重要途径[9]。然而从生物质炭作用于土壤温室气体排放的影响因素角度探讨农田温室气体减排的研究还未见报道。

　　1 国内外生物质炭对农田温室气体排放的作用效应研究进展

　　生物质炭在环境中的应用已颇具历史，它最早作为土壤改良剂，用于提高土壤肥力和作物产量 [10]。相比其他土壤改良剂，生物质炭具有较大的比表面积和多孔性的特征，因而能更好地吸收和持留养分，并能为微生物繁殖提供适宜的环境[11-12]。

　　已有研究[13]表明，生物质炭施用于土壤中，能明显改变土壤的理化性质和微生物活性，进而影响 CO2、CH4和 N2O 的排放。由于受不同作用条件的影响，生物质炭对农业土壤 CO2、CH4 和 N2O 温室气体排放的作用效果不尽相同(如表 1 所示)，因而探讨生物质炭对农业温室气体排放的影响因素具有重要意义。

　　1.1 生物质炭的输入对土壤 CO2释放的作用效应

　　生物质炭具有极强的稳定性和较高的吸附性能，可以吸收大气中的 CO2，并将其长期储存于土层中[22]。添加到土壤中的生物质炭不仅能存在成百上千年，而且极少参与碳循环，可以抵消由于消耗化石燃料排放出的 CO2，在一定程度上能有效地缓解气候变化问题，因此生物质炭技术被认为是碳封存的有效手段之一[23]。生物质炭的输入不仅可以去除土壤-大气层碳循环中的 CO2，还可以通过固定土壤有机碳从而减少土壤 CO2 的释放 [7]。

　　Liu 等[15]、Spokas [19]等虽然施用的生物质炭种类及添加量不同，但均发现生物质炭的输入能明显抑制土壤 CO2的释放。花莉等[24]发现，随着生物质炭施加量的增多，土壤活性有机碳占有机碳量的百分比降低，这有利于积累更多的土壤惰性碳，降低 CO2 的释放。匡崇婷[25]指出，生物质炭的输入降低了土壤有机碳的矿化速率和累计矿化量。刘玉学[15] 则认为，虽然土壤 CO2累计释放量总体随生物质炭施炭量的增加而减少，但不同处理之间差异不显著。

　　然而也有报道称，生物质炭的输入促进了土壤 CO2 的释放。例如，Rogovska[26]研究发现，生物质炭的输入提高了土壤的呼吸速率，加快了腐殖质的分解，因而促进了 CO2的释放。Knoblauch 等[21]强调，施用质量分数 2.5%的稻壳炭略微促进了土壤 CO2 的产生，但土壤碳矿化速率并无影响。

　　1.2 生物质炭的输入对土壤 CH4释放的作用效应

　　施加生物质炭对土壤CH4释放的作用效应极为明显。刘玉学[16]认为，生物质炭的输入抑制了土壤 CH4 的排放，且这种抑制作用随施炭量的提高而增强。这归功于生物质炭的输入改善了土壤的通透性，减少了厌氧状态的存在[27]。而在外加碳源的选择上，秸秆炭对淹水稻田土壤 CH4排放的抑制作用要明显优于竹炭。可能的原因是秸秆炭的碳含量低于竹炭，分解矿化产生的 CH4较竹炭少。

　　也有不同的研究结果存在，如 Zhang 等[14]就指出，施氮肥条件下，添加 40 t·ha-1生物质炭的土壤 CH4 排放量相比对照增加了 34%，如果不施氮肥，这一数据则会更高。这一方面是因为外加碳源或施肥改变了土壤微生物的区系及其活性，降低了 CH4 的氧化速率，导致 CH4净排放增加[28];另一方面由于试验田土壤偏中性(pH 值在 6.5~6.7)，生物质炭的施入提高了土壤的 pH 值，从而促进了土壤大多数产甲烷菌的生长。

　　生物质炭的输入对土壤CH4释放的作用效应不仅仅表现在土壤理化性质的改变还体现在微生物群落结构的变化。Feng 等[29]从微生物活性和群落结构的角度探究了生物质炭对土壤CH4减排的作用机理，结果发现，生物质炭的施用改变了土壤的微生物群落结构，尤其是对嗜甲烷菌的生长有明显促进作用，这也与胡荣桂[28]等的研究结果一致。

　　1.3 生物质炭的输入对 N2O 释放的作用效应

　　Rondon 等[30]通过试验发现，添加 20g·kg-1的生物质炭后，牧草地和大豆土壤 N2O 排放量分别降低了 80%和 50%。Spokas[19]尝试了不同水平(2~60% w/w)的生物质炭添加量对土壤 N2O 排放的影响研究，发现不同添加水平均能一定程度上抑制土壤 N2O 的释放，但并未发现生物质炭的添加量与土壤 N2O 释放量之间存在线性关系。而 Liu 等[31]则明确指出，土壤 N2O 排放量随施炭量的增加而降低。这可能是由于生物质炭施入后土壤容重降低，通气性改善，加上生物质炭的高 C/N 比，限制了氮素的微生物转化和反硝化[32]。

　　Case 等[33]的] 研究指出，生物质炭的输入抑制了 N2O 的排放，推测其原因可能有两种：一是生物质炭可以通过物理和生物手段固定土壤中的无机氮;二是生物质炭影响土壤硝化菌和反硝化菌功能团的活性和丰度。另外，生物质炭的输入提高了土壤的阳离子交换量[34]，因而可以吸附更多容易导致 N2O 增排的 NH4 + -N、NO3 − 和磷酸盐[35]，从而减少 N2O 的释放。Clemens 等[17]向草地中施加 10 t·ha-1 的动物粪肥生物质炭，结果发现，土壤 N2O 的排放量相比对照无明显变化;而Zhang等[14]添加40 t·ha-1 的麦秆炭到施用氮肥的水稻土中发现，N2O 排放量显著降低了 40%~51%。说明生物质炭的种类、施炭量、应用的土壤类型以及施肥条件对土壤 N2O 排放的影响不容忽视。

　　2 生物质炭对农田温室气体排放的作用机制和影响因素探讨

　　由于生物质炭具有较高的稳定性和和较强吸附性能，可对土壤的理化性质和微生物活性产生重要影响。生物质炭对农业温室气体排放的影响机制，主要体现在 3 个方面：1)生物质炭具有较强的吸附性，通过吸附土壤中的气体分子或养分[36]，影响温室气体的排放;2)生物质炭施入土壤后，通过影响土壤的理化性状如孔隙性、含水量等[37] 影响温室气体的排放;3)通过影响土壤中参与温室气体产生和吸收过程的微生物的种群结构多样性或活性[15-16]影响温室气体的排放。

　　生物质炭的施用可通过改变土壤的理化性质和微生物活性从而影响农田温室气体的排放，但受到相关环境条件和施用条件的影响。这也是导致众多学者开展生物质炭在农田温室气体排放方面的应用研究结果迥异的根本原因。综合已有的研究结果，生物质炭对农田温室气体排放的影响因素主要包括以下几点。

　　2.1 生物质炭的种类的影响生物质炭的种类和性质是影响

　　农田温室气体排放的重要原因。生物质炭的种类繁多，包括木炭、秸秆炭、竹炭、动物粪肥生物质炭等，不同来源生物质炭的结构性质存在着很大的差异[38]。不同的碳化材料、碳化条件制成的生物质炭，化学特性也不同[39]，特别是炭化温度对生物质炭的微观结构、孔径分布、比表面积的影响[40]尤为显著。Xu 等[41]研究对比了 300、400、500 ℃制成的玉米秸秆炭对水稻土 N2O 释放的影响，发现土壤 N2O 的释放量随生物质炭的炭化温度升高而降低。这是由于最终炭化温度的升高，生物质炭的比表面积增大[42]，吸附性增强，同时自身也更难以分解而释放出 N2O。

　　Liu 等[15]报道称，秸秆炭对淹水稻田土壤 CH4 和 N2O 排放的抑制作用要明显优于竹炭。这可能是由于秸秆炭和竹炭的芳香化程度以及极性官能团含量的不同，从而表现出分解矿化速率的差异。 Spokas 等[43]对比了 16 种生物质炭对农业土壤温室气体排放的影响，结果发现，在所有施用的生物质炭中，有 2 种抑制了土壤 CO2 呼吸，即 400 ℃和 510 ℃下碳化玉米秸秆制成的生物质炭。Gayoung 等 [44]研究发现，麦秆炭的输入降低了草地土壤中 N2O 的释放，而动物粪肥生物质炭增加了稻田 N2O 的释放。这是因为动物粪肥生物质炭相比其他生物质炭含氮量更高，C/N 比较低，更易分解矿化的缘故，因而在抑制土壤 N2O 释放方面劣于其他生物质炭。Singh 等[45]的研究也证明了这点。

　　2.2 施炭量的影响

　　生物质炭施炭量是影响农业温室气体排放的一个重要因素。对此国内外已有大量的研究，其中室内培养施用量最低为 0.5%(质量分数)，最高达 60%(质量分数)，田间施炭量一般在 10~40 t·hm-2。 Spokas 等[19]发现，不同添加水平(2%~60%质量分数)的生物质炭均可降低土壤 CO2的产生，且都能不同程度抑制 N2O 和 CH4 的的产生。Zhang 等[14] 在太湖平原田间试验发现，施用 10 t·hm-2 麦秆炭对土壤 CO2 排放无明显影响，当施用量达 40 t·hm-2 时，CO2 排放增加了 17.2%。他认为，生物质炭中的水溶性有机物为土壤微生物提供了碳源，提高了微生物的活性，较高施炭量情况下，土壤有机质易被微生物分解释放出更多的 CO2 [46]。张斌等[47]向成都平原水稻土中添加 40 t·hm-2 的麦秆炭，发现生物质炭的施用促进了 CH4的排放，然而对 N2O 的排放则表现出持续的抑制效应，且这种效应随施炭量的增加而增强。

　　纵观相关研究表明，对土壤温室气体排放有显著影响的施炭量范围大约在 2%~60%(质量分数)或 10~40 t·hm-2，但并不表示生物质炭的施炭量一定与土壤温室气体排放量呈正相关，而且生物质炭对土壤温室气体排放的影响并不是无限制的，这还跟土壤的理化性质改变和微生物活性变化等多种因素影响有关。

　　2.3 土壤类型的影响

　　土壤质地或类型直接影响土壤的通透性和水分含量，进而影响土壤的硝化作用、反硝化作用、有机质氧化分解和还原过程的相对强弱及温室气体的产生及其在土壤中的扩散[48]。

　　不同土壤类型施用生物质炭的效果并不一样，酸性土壤施加生物质炭可以有效地提高土壤 pH 值，并使之趋向于中性，此举有利于改良土壤性质和促进微生物的生长。有报道称，土壤 CH4和 N2O 排放量随酸化程度的加深而增加[49]，因此，施用生物质炭对改良南方酸性红壤和控制土壤 CH4、N2O 的排放有较好效果。稻田作为典型的农业土壤，同时也是农业温室气体最大的排放源，生物质炭的施用已成为抑制农业温室气体排放的重要途径，这在许多的研究中已得到证实。

　　2.4 耕作方式、施肥的影响

　　多数学者认为，生物质炭的输入在施氮肥与不施氮肥条件下对土壤 N2O 的排放有明显的区别。 Ahmad [50]指出，施肥提高了土壤的有机质，导致 N2O 的排放量增加。生物质炭与肥料配施可以有效提高土壤碳库储量，但同时也会促进土壤呼吸，增加 CO2 和 CH4 的释放量[51]。从不同肥料配施的角度来看，施用普通化肥比有机肥更易促进土壤 N2O 的排放。长期施用氮肥会改变土壤微生物的区系及其活性，降低 CH4 的氧化速率，导致 CH4 净排放增加[28]，而且施氮肥的土壤 N2O 排放通量也远高于氮磷钾有机肥处理的土壤[52]。在耕作方式上，传统耕作相比免耕方式土壤 CH4 的累计释放量要高出 29%，而 N2O 的释放量则要低 33%，但 CO2的释放很少受耕作方式和施肥条件的影响[53]。

　　3 结论与展望

　　不同类型生物质炭可能对土壤温室气体排放的影响不同，秸秆炭相比其他种类的生物质炭在抑制温室气体排放方面更为有效。而动物粪肥生物质炭由于自身含氮量高，且易于分解，因而在抑制 N2O气体的排放方面可能要劣于其他种类的生物质炭。从施炭量来看，生物质炭的输入增加了土壤的有机碳含量，可能会促进有机质的矿化分解，因而容易导致 CO2释放的增加。而更多地学者[15-16, 19,23] 坚持认为，CH4 和 N2O 的排放量随生物质炭的增加而减少。40 t·hm-2 的施炭量既能提高作物产量又能实现固碳减排的目标[47]。但综合土壤肥力保持和温室气体排放考虑，建议对有机质含量少，氮缺乏的土壤应尽量多施加易分解成分多的生物质炭，而有机质含量较高、氮充足的土壤应施加炭化温度较高的惰性生物质炭[41]，并可适当减少生物质炭的添加量。生物质炭的施用应考虑到应用的土壤类型，在砂土中添加生物质炭，粒径应小些，粘质土壤应大些[54]。例如在水稻土中施加粒径大些的生物质炭不仅可以提高土壤的通透性从而抑制CH4等温室气体的产生，还可以很好地保持土壤肥力。从耕作方式和施肥条件来说，单作物耕种比双作物循环耕种更能抑制 N2O 的排放[55]。另一很重要的措施就是保护性耕作，它可以显著减少农田温室气体的排放[56]。在肥料的施用选择上，施用氮磷钾有机肥比普通氮肥更能减少土壤温室气体的排放。

　　然而，目前综合考虑生物质炭对农业生产以及土壤 CO2、CH4、N2O 排放的综合温室效应的研究还很少见有报道，也未曾有从生物质炭的种类和施炭量等角度探讨农田温室气体的减排。生物质炭作用于温室气体产生和排放的微观机理、生物质炭的施炭量对温室气体综合效应的影响及其模型建立还将是今后该领域研究的重点。——本文来源于《生态环境学报》2013年第6期，论文作者：花莉;唐志刚;解井坤;范洋;

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