生物質(zhì)炭輸入對竹林土壤溫室氣體排放的影響及其機理研究

□楊 倩

生產(chǎn)中可以通過在缺氧條件下熱化學轉(zhuǎn)化生物質(zhì)來獲得生物質(zhì)炭。從2006年起，許多學者研究強調(diào)表明了生物質(zhì)炭能夠降低大氣中的CO2，通過生物質(zhì)炭輸入土壤生態(tài)系統(tǒng)從而降低溫室氣體的排放這一方法很有可能成為今后改善全球氣候變化的重要途徑，現(xiàn)在，已有大量數(shù)據(jù)研究表明，生物質(zhì)炭輸入農(nóng)田土壤后，不但能夠鞏固土壤固碳作用，還能夠有效改善土壤結構和理化性狀，有效提高土壤質(zhì)量和肥力，提升作物產(chǎn)量。伴隨科學對生物質(zhì)炭研究的不斷深入，生物質(zhì)炭在全球的碳氮循環(huán)、環(huán)境保護和氣候變化調(diào)節(jié)中日趨體現(xiàn)出它的重要作用。

一、試驗設計和田間管理

(一)試驗設計和田間管理。試驗地點位于浙江省杭州市臨安區(qū)青南村。地處浙江省的西北方向、屬于中亞熱帶季風氣候區(qū)南部，溫暖潮濕，日照充沛，雨量充足，四季明顯。年均降水量1613.9毫米，降水日158天，無霜期年平均為237天。

(二)實驗設計。本試驗設3組不同的處理，每個處理設置4個重復，總共12個小區(qū)。利用典型樣地法與隨機區(qū)組設計布置相關試驗。選擇土地條件基本相同，坡度相當、具有代表性的典型毛竹純林進行樣地設置。每個試驗小區(qū)大小為10m×10m=100m2。分別為CK(常規(guī)施肥)、CK(常規(guī)施肥)+秸稈碳、CK(常規(guī)施肥)+竹炭。其中，竹炭和秸稈生物質(zhì)炭添加量為10t ha-1。毛竹林樣地采用高度集約化經(jīng)營管理模式：其中尿素225kg ha-1，過磷酸鈣300kg ha-1，氯化鉀225kg ha-1。

二、測定項目和方法

(一)試驗樣品的采集和處理。毛竹林溫室氣體的采集：在實驗開展之前，預先將采樣底座埋入在毛竹林各處理小區(qū)土壤中。選用靜態(tài)箱法采集毛竹林溫室氣體。采樣箱為PVC材質(zhì)，采樣箱內(nèi)置風扇并由箱外配置的蓄電池驅(qū)動。采樣時間為早上8:00～10:00，采樣共4次。

(二)毛竹林溫室氣體測定。使用島津GC-14B氣相色譜測定溫室氣體(CH4、CO2和N2O)氣體濃度。溫室氣體進樣采用閥進樣，色譜柱為Porapak Q柱(柱溫60℃)，其中CH4采用FID檢測器，N2O采用ECD檢測器，CO2通過Ni轉(zhuǎn)化為CH4測定。檢測器溫度設置為300℃，載氣采用高純氮氣，溫室氣體的排放通量由如下公式計算：

F=ρ×h×dc/dt×273/(t+273)

其中，F(xiàn)——氣體的排放通量；Ρ——標準狀況下氣體的密度；H——采樣箱有效高度；dc/dt——單位時間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體濃度的變化。

三、結果與分析

(一)生物質(zhì)炭輸入對毛竹林土壤理化性質(zhì)的影響。不同類型的生物質(zhì)炭輸入對毛竹林后對土壤理化性質(zhì)的影響如表1所示。土壤pH會對土壤中微生物活性和豐度產(chǎn)生影響。由表1可知，竹炭和秸稈炭還林都可以顯著增加稻田土壤的pH值。與對照相比，毛竹林土壤的pH值分別增加0.33和0.46個單位，秸稈炭的效果顯著優(yōu)于竹炭。這可能是由于與竹炭相比秸稈炭具有更高的pH值有關。

表1 生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)的影響

DOC作為土壤有機質(zhì)的重要組成部分，在土壤中特點有移動比較快、易氧化和易礦化、不穩(wěn)定，土壤微生物的活性直接受到土壤內(nèi)DOC含量的影響。Bayer等(2012)研究發(fā)現(xiàn)長期免耕種植系統(tǒng)中CH4排放量與土壤中DOC含量呈現(xiàn)顯著正相關。但是，秸稈炭和竹炭的添加對毛竹林土壤DOC的含量沒有顯著性的影響。

此外，生物質(zhì)炭的輸入顯著增加了毛竹林土壤的有機碳和總氮的含量。產(chǎn)生這樣的影響與生物質(zhì)炭的高含碳和氮密切相關。

圖1 生物質(zhì)炭輸入對毛竹林土壤N2O烷排放通量的影響

圖2 生物質(zhì)炭輸入對毛竹林土壤CH4吸收通量的影響

(三)生物質(zhì)炭輸入對毛竹林土壤CH4排放的影響。竹炭和秸稈炭輸入對毛竹林土壤CH4吸收通量如圖2所示。竹炭或秸稈炭的添加均可以增加毛竹林土壤的甲烷吸收量。但是，竹炭和秸稈炭對毛竹林土壤CH4吸收的影響兩者之間沒有差異。毛竹林土壤中的產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活性能夠影響土壤內(nèi)甲烷的排放。Spokas等(2010)發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭可以通過本身攜帶的化學物質(zhì)對甲烷氧化菌的活性有抑制作用，從而能夠促進土壤CH4的排放?，F(xiàn)有研究表明，土壤產(chǎn)甲烷菌對pH的改變極其敏感。Charles等(1993)在通過向土壤懸濁液中加入堿液會造成其CH4排放量急劇下降。因此，生物質(zhì)炭的添加能夠改變土壤通氣性，促進土壤CH4氧化。并且Jia等(2001)研究發(fā)現(xiàn)：O2濃度是土壤CH4氧化的控制性因子，對CH4的排放量影響很大。這些都是通過輸入生物質(zhì)炭來對CH4排放通量造成影響的例子。

圖3 生物質(zhì)炭輸入對毛竹林土壤CO2排放通量的影響

(四)生物質(zhì)炭輸入對毛竹林土壤CO2排放的影響。竹炭和秸稈炭輸入對毛竹林土壤CO2排放的影響如圖3所示。由圖3可知，與對照相比，竹炭或秸稈炭的添加均對毛竹林土壤CO2排放量影響不大。

近年來，許多研究指出，土壤有機碳產(chǎn)生激發(fā)效應，此反應對土壤有機質(zhì)的礦化有促進作用，加速了土壤有機碳庫的損失，致使土壤有機質(zhì)含量下降。這主要有兩方面的原因。一方面由于生物質(zhì)炭的輸入，所以土壤獲得更多易降解有機質(zhì)，其觸發(fā)土壤微生物的共代謝作用，從而激發(fā)土壤有機質(zhì)的礦化。另一方面，生物質(zhì)炭可以通過改變土壤理化性質(zhì)(提高溫度、土壤孔隙率、pH、持水能力、養(yǎng)分吸收和含氧量)從而促進土壤有機質(zhì)的礦化。與促進作用相對應，一些研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭輸入土壤環(huán)境非但不會促進土壤有機質(zhì)的礦化，反而會對土壤有機質(zhì)的礦化產(chǎn)生消極的激發(fā)效應，即抑制土壤有機質(zhì)的礦化。

四、總結與展望

(一)結論。通過野外林地實驗，明確生物質(zhì)炭人為輸入對毛竹林土壤CH4、N2O和CO2等溫室氣體排放特性的影響。在此基礎上，通過測定土壤理化性質(zhì)，闡明生物質(zhì)炭輸入對毛竹林CH4、N2O和CO2排放影響的機制機理，為生物質(zhì)炭在毛竹林中大規(guī)模應用提供理論和實驗支撐。一是由于輸入生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，如生物質(zhì)炭的輸入提高土壤的pH，相比較而言秸稈炭的效果顯著優(yōu)于竹炭。這可能是由于與竹炭相比秸稈炭具有更高的pH值有關。同時提高有機碳和總氮含量，對DOC影響不顯著。二是生物質(zhì)炭的添加可以降低毛竹林土壤N2O的排放通量，但是兩種生物質(zhì)炭之間差異不顯著。三是竹炭或秸稈炭的添加均可以增加毛竹林土壤的甲烷吸收量。但是，竹炭和秸稈炭對毛竹林土壤CH4吸收的影響兩者之間沒有差異。四是竹炭或秸稈炭的添加對毛竹林土壤CO2排放量影響并不大。

(二)展望。越來越多的研究表明，生物質(zhì)炭在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)與氮循環(huán)起到了不可忽視的作用，但是現(xiàn)在僅有的研究對生物質(zhì)炭輸入土壤系統(tǒng)后的微生物生態(tài)方面的等各方面研究還有局限性。雖然生物質(zhì)炭的長期、大面積應用效果還有待更多研究，同時生物質(zhì)炭的輸入對土壤生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境風險也需要更加系統(tǒng)和長期的評估，但是就目前來看，生物質(zhì)炭的施用在農(nóng)業(yè)環(huán)境污染修復治理方面的優(yōu)勢表現(xiàn)出其在未來發(fā)展中具有很大潛力。