生物質(zhì)炭對(duì)土壤溫室氣體排放影響機(jī)制探討

邱虎森，王翠紅，盛 浩

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128）

2009年哥本哈根會(huì)議中全球變暖這一議題受到廣泛的關(guān)注，溫室氣體（CO2、CH4和N2O 等）排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇，全球氣溫升高，嚴(yán)重威脅了生態(tài)系統(tǒng)的平衡和人類的生存發(fā)展[1]。全球森林過度采伐和其他土地利用變化導(dǎo)致土壤CO2釋放量增加，占過去兩個(gè)世紀(jì)人類活動(dòng)CO2釋放總量的一半[2]。農(nóng)田也是溫室氣體的一個(gè)排放源，如何通過減少土壤溫室氣體排放來減輕全球氣候變暖日益成為國內(nèi)外科學(xué)工作者們共同關(guān)注的問題。在諸多方法或措施中，近年來一種叫生物質(zhì)炭（biochar）的材料物質(zhì)備受國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。生物質(zhì)炭是指生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難溶性固態(tài)物質(zhì)。研究資料表明，早期人們對(duì)生物質(zhì)炭的研究證明生物質(zhì)炭的施用具有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)增匯的作用，并且最近對(duì)其環(huán)境影響效應(yīng)的研究表明，與制備生物質(zhì)炭的原料相比，生物質(zhì)炭施入土壤后，可以減少土壤溫室氣體的排放[3-4]，但其尚處于初期探索階段，需要更多的試驗(yàn)證據(jù)來支撐。本文從生物質(zhì)炭影響溫室氣體排放的可能機(jī)制方面進(jìn)行綜述，旨在為生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)溫室氣體減排方面的研究提供參考。

已有研究表明，生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體排放的影響受生物質(zhì)種類、熱解溫度、施入量等因素制約。Spokas[4]在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了熱解溫度在400～850℃條件下制成的16 種生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田土壤、森林土壤、垃圾填埋場填埋區(qū)覆蓋土壤溫室氣體排放的影響，結(jié)果表明：僅有815℃和505℃下制成的玉米秸稈生物質(zhì)炭降低了農(nóng)田和垃圾填埋場土壤CO2的排放；50%的生物質(zhì)炭降低了森林土壤CO2的排放，僅有木屑顆粒炭、465℃熱解成的生物燃料炭促進(jìn)了垃圾填埋場CO2的排放。Liu[5]對(duì)水稻土CH4排放的影響培養(yǎng)試驗(yàn)表明，木炭和秸稈炭在1.5%、2.5%（w/w）的施用水平下均降低了CH4排放；在2.5%的施用量下，CH4的排放分別減少51.1%和91.2%，顯然秸稈炭的效果優(yōu)于木炭。

縱觀已有資料表明，生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體的影響機(jī)制可以概括為以下幾個(gè)方面：（1）生物質(zhì)炭具有較強(qiáng)的吸附性，通過吸附土壤中的氣體分子或養(yǎng)分[6]，影響溫室氣體的排放；（2）生物質(zhì)炭施入土壤后，通過影響土壤的理化性狀如孔隙性、含水量等[7]影響溫室氣體的排放；（3）通過影響土壤中參與溫室氣體產(chǎn)生和吸收過程的微生物的種群結(jié)構(gòu)多樣性或活性[5,8]影響溫室氣體的排放。

1 生物質(zhì)炭的吸附作用

生物質(zhì)炭含有豐富的多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，較大的比表面積，并帶有大量的負(fù)電荷[9]，如劉玉學(xué)[8]測定了水稻秸稈炭和竹炭的小孔孔容分別為0.14 cm3/g（小孔率82.1%）和0.037 cm3/g（小孔率71.6%），CEC 分別為44.7 cmol/kg、15.3 cmol/kg，比表面積分別為31.68 m2/g 和182.6 m2/g。生物質(zhì)炭的這些特性，使其能吸附土壤中的各種離子、分子，甚至是水和一些固體物質(zhì)，具有較強(qiáng)的吸附性。

1.1 對(duì)N2O 等氣體分子的吸附作用

Singh 等[10]的研究認(rèn)為生物質(zhì)炭對(duì)N2O 的減排作用與其直接吸附性有關(guān)，但這種吸附作用并不是長期的，隨著土壤的擾動(dòng)，被吸附在生物質(zhì)炭表面的N2O 可能會(huì)重新釋放進(jìn)入土壤，隨后向大氣排放。

1.2 對(duì)NH4+離子的吸附作用

生物質(zhì)炭顆粒表面可吸附NH4+離子[11-12]。據(jù)Singh[10]進(jìn)行的3 種干濕交替過程條件下生物質(zhì)炭對(duì)N2O 的排放研究結(jié)果表明，與對(duì)照相比，4 種不同生物質(zhì)炭（400℃和550℃條件下木屑、家禽糞便與水稻殼混合物的生物質(zhì)炭），在前2 次干濕交替過程中，均沒有降低N2O 的排放，而在第3 次交替過程中，N2O 的排放降低了14%～73%，NH4+的淋洗也降低了55%～94%。Kim[13]的研究發(fā)現(xiàn)，森林中大火燒過之后，土壤中NH4+-N 濃度升高，NO3--N 沒有差異，CO2、N2O 排放降低，CH4無變化。對(duì)照和大火燒過之后除去生物質(zhì)炭的地區(qū)在8～9月份之間出現(xiàn)了一次N2O 排放的峰值，而大火燒過的地區(qū)，并沒有出現(xiàn)此峰值，他認(rèn)為森林大火產(chǎn)生的生物質(zhì)炭可能促進(jìn)了土壤中NH4+-N 和NO3--N 的固定，或是干擾了土壤硝化作用的進(jìn)行，從而減低了N2O 排放。

1.3 對(duì)土壤中酶和有機(jī)物的吸附

研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭可吸附土壤中的酶和有機(jī)物，從而抑制土壤有機(jī)碳的礦化，減少CO2的排放[6]。據(jù)Liang[6]的研究，在生物質(zhì)炭豐富的土壤中添加外源有機(jī)質(zhì)，土壤中總的碳礦化比生物質(zhì)炭貧乏的土壤中降低了25.5%，這可能是由于生物質(zhì)炭具有較大的比表面積，可吸附土壤中的酶和有機(jī)物，有機(jī)物進(jìn)入生物質(zhì)炭表面的孔隙中，被這些孔隙結(jié)構(gòu)保護(hù)起來，不易于外界微生物的分解，進(jìn)而使土壤有機(jī)碳的礦化受到抑制。

2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤理化性狀的改善

生物質(zhì)炭大量的孔洞以及巨大的表面積結(jié)構(gòu)不僅對(duì)土壤中的分子，離子等具有吸附作用，同時(shí)由于其弱堿性以及能夠保持水分和空氣的特點(diǎn)，可通過改善土壤的孔隙性、提高土壤田間持水量等影響土壤溫室氣體的排放。

2.1 對(duì)土壤孔隙度的影響

已有研究表明，生物質(zhì)炭擁有大量的多孔結(jié)構(gòu)，施入土壤后能使表層土壤容重減小。如Zhang[14]的研究表明在玉米地僅施入40 t/ha 小麥秸稈炭的處理中，土壤容重降低了0.28 g/cm3，這也是土壤孔隙度增加的結(jié)果，土壤孔隙度的增加有利于土壤通氣性的增強(qiáng)，從而通過影響微生物的活性影響土壤溫室氣體的排放。

2.2 對(duì)土壤水分的影響

生物質(zhì)炭中含有豐富的有機(jī)大分子和孔隙結(jié)構(gòu)，施入土壤后可改善土壤物理性狀，提高土壤的保水性。Glaser 等[15]的研究結(jié)果表明，含生物質(zhì)炭豐富的土壤，其表面積是周圍無炭土壤的3 倍，田間持水量增加了18%。Karhu 等[16]的研究結(jié)果表明，旱地施加生物質(zhì)炭（9 t/hm2）后，田間持水量增加了11%，同時(shí)土壤對(duì)CH4的吸收增加了96%，他認(rèn)為施用生物質(zhì)炭通過對(duì)土壤水分含量的影響穩(wěn)定了CH4的排放量。

3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物的調(diào)控

生物質(zhì)炭施入土壤中后，其對(duì)土壤理化性狀的改善和較大的孔隙結(jié)構(gòu)可為微生物的生存提供良好的環(huán)境，有利于微生物的繁衍增殖，從而影響土壤溫室氣體的排放。

3.1 對(duì)參與CH4 產(chǎn)生和氧化過程的功能微生物的影響

生物質(zhì)炭施用可降低土壤中CH4的排放，可能是通過影響參與CH4的產(chǎn)生和吸收過程的微生物而起作用的。Feng[17]選用玉米秸稈在不同熱解溫度（300℃、400℃、500℃）制成的生物質(zhì)炭施入水稻土進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)各處理CH4排放均減少，甲烷菌沒有明顯變化，甲烷氧化菌豐度增加，經(jīng)116 d 的培養(yǎng)，土壤中的甲烷氧化菌數(shù)量分別為7.24×108個(gè)/g、8.81×108個(gè)/g、4.13×108個(gè)/g，而對(duì)照為1.89×108個(gè)/g，說明生物質(zhì)炭是通過增加甲烷氧化菌種群結(jié)構(gòu)的多樣性，來增加土壤中CH4的氧化，進(jìn)而減少CH4的排放。

浙江大學(xué)劉玉學(xué)[10]的培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用木炭和水稻秸稈炭（1.5%、2.5%，w/w）均可降低淹水稻田土壤CH4排放，土壤中的甲烷菌和甲烷氧化菌種群結(jié)構(gòu)的多樣性和甲烷氧化的活性均無明顯變化，而產(chǎn)甲烷的活性受到抑制，他認(rèn)為生物質(zhì)炭減少淹水稻田土壤CH4排放機(jī)理主要是通過抑制產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷活性，而不是改變土壤產(chǎn)甲烷菌種群結(jié)構(gòu)的多樣性。

3.2 對(duì)參與CO2 產(chǎn)生過程的功能微生物的影響

有研究表明[4]，生物質(zhì)炭降低土壤CO2的排放可能是由于土壤微生物受到生物質(zhì)炭的毒害作用，活性降低，土壤呼吸受到抑制。但Zhang[14]大田試驗(yàn)證明，施用10 t/hm2小麥秸稈制成的生物質(zhì)炭對(duì)CO2排放沒有明顯影響，當(dāng)施用量在40 t/hm2時(shí)，CO2排放增加了17.2%。生物質(zhì)炭中含有一些水溶性的組分，當(dāng)施入土壤中，會(huì)很快被微生物分解，釋放出CO2，促進(jìn)CO2排放。他認(rèn)為，生物質(zhì)炭中的水溶性有機(jī)物為土壤微生物提供了碳源，可提高微生物的活性，從而促進(jìn)了土壤CO2排放。

3.3 對(duì)參與N2O 產(chǎn)生過程的功能微生物的影響

關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)N2O 的減排作用，也有從微生物分子方面的闡述，但尚缺乏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐。有研究推測，生物質(zhì)炭表面的金屬及其氧化物可催化N2O 向N2的轉(zhuǎn)化的微生物過程，減少N2O 的排放。也有研究提出生物質(zhì)炭中含有某些組分能抑制參與NO3-N 向N2O 轉(zhuǎn)化的反硝化作用的酶（硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、一氧化氮還原酶）的活性，或能促進(jìn)參與N2O 向N2轉(zhuǎn)化的氧化亞氮還原酶的活性[18]。

4 展 望

目前，關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體的減排作用研究較多的是集中在農(nóng)田，而對(duì)于森林土壤溫室氣體的減排機(jī)制，幾乎還是空白，且研究多在室內(nèi)條件下進(jìn)行，在自然狀態(tài)下的研究較少。若想將生物質(zhì)炭推廣使用，必須要進(jìn)行大量的野外長期定位試驗(yàn)的驗(yàn)證。

有關(guān)生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體減排機(jī)制，眾說紛紜，還處于初級(jí)探索階段，尤其是生物質(zhì)炭對(duì)N2O減排機(jī)制，目前尚無一致的觀點(diǎn)，因此，需要更多相應(yīng)過程的功能微生物分子生態(tài)學(xué)試驗(yàn)證據(jù)。

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