生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤碳循環(huán)影響研究進(jìn)展

馬浩+雷光宇+李娟

摘 要：近年來，隨著農(nóng)業(yè)集約化的推進(jìn)和全球氣候變暖的加劇，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳庫流失嚴(yán)重，并主要以土壤溫室氣體的形式進(jìn)入大氣，因此，尋求一種既可以減少土壤溫室氣體排放又可以確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的途徑尤為重要。生物碳作為含碳量極為豐富的高度芳香化難熔性物質(zhì)，生物質(zhì)碳的輸入對土壤碳循環(huán)產(chǎn)生一系列深遠(yuǎn)影響，已成為環(huán)境及生態(tài)相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)。本文從生物質(zhì)炭對土壤固碳的影響機(jī)制以及對土壤碳截留和溫室氣體排放的影響、我國生物質(zhì)炭凈減排能力等方面概述了生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤碳循環(huán)的影響，并對國內(nèi)外研究中存在的問題進(jìn)行分析并提出展望，以期對當(dāng)前我國農(nóng)田土壤固碳研究有所參考。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭；農(nóng)田土壤；碳截留；農(nóng)田溫室氣體；減排

中圖分類號：S153；X22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170333051

近年來由于溫室氣體CO2和CH4等對全球氣候變化的影響以及由此引發(fā)的一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題，已經(jīng)引起世界各國的密切關(guān)注，而農(nóng)業(yè)對全球溫室氣體的排放有重要影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與自然土壤相比，農(nóng)田土壤受人類活動干擾嚴(yán)重。據(jù)估計，全球排放的溫室氣體中有11%的CO2，60%的N2O和50%的CH4來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動[1]，其中CO2、CH4和N2O對全球氣候變暖的貢獻(xiàn)率分別為60%、15%和5%[2]，因此，如何有效減少農(nóng)田土壤溫室氣體排放，最大程度提高土壤固碳潛力是當(dāng)前農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域所面臨的主要問題，而生物質(zhì)炭技術(shù)的興起為之提供了可能。

生物質(zhì)是指具有生命的生物體利用大氣、水、土壤等提供的各種元素通過光合作用等合成途徑產(chǎn)生的各種有機(jī)體，即一切有生命的生物體生命活動產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)。國際生物質(zhì)炭協(xié)會將生物質(zhì)炭定義為：生物質(zhì)在缺氧條件下通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化成的固態(tài)產(chǎn)物，它可以單獨(dú)或者作為添加劑使用，能夠改良土壤、提高資源利效率、改善環(huán)境污染，以及作為溫室氣體排放的有效手段。生物質(zhì)炭是一種具有多芳香環(huán)的物質(zhì)，具有高度的生物化學(xué)和熱穩(wěn)定性，能夠?qū)⒋髿釩O2固定并以穩(wěn)定態(tài)碳的形式存儲在土壤中，具有巨大的碳封存潛力。已有大量研究表明[3-8]，生物質(zhì)炭施入土壤生態(tài)系統(tǒng)后，不僅可以增強(qiáng)土壤固碳，還可以改善土壤結(jié)構(gòu)及理化性狀，具有提高土壤質(zhì)量和肥力、提高作物產(chǎn)量的作用。

1 生物質(zhì)炭的固碳減排機(jī)制

1.1 生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性

施用生物質(zhì)炭能夠?qū)⒋髿庵械腃O2固定并封存在土壤中，是一種有效的碳匯途徑。生物質(zhì)炭富含穩(wěn)定的碳元素，主要由芳香環(huán)結(jié)構(gòu)和烷基成分組成[9]，使其表現(xiàn)出高度生化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，具有很強(qiáng)的抵抗微生物分解的能力，可長期保存于土壤中而不易被礦化[10]。生物質(zhì)炭與土壤中的礦物結(jié)合形成土壤團(tuán)聚體，生物質(zhì)炭封閉在團(tuán)聚體中，通過團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用降低土壤礦化速率，提高有機(jī)質(zhì)含量，同時抑制土壤有機(jī)碳（SOC）的分解，促進(jìn)土壤碳庫的形成、固定和周轉(zhuǎn)[11]。

1.2 生物質(zhì)炭對農(nóng)田溫室氣體減排機(jī)制

生物質(zhì)炭的施入能夠顯著降低農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的排放，有利于緩解溫室效應(yīng)和全球氣候變暖。生物質(zhì)炭對農(nóng)田溫室氣體排放的作用機(jī)制主要體現(xiàn)在3個方面：生物質(zhì)炭自身的理化性質(zhì)。由于生物質(zhì)碳多孔性和顆粒結(jié)構(gòu)，能夠較大程度吸附土壤中的氣體和養(yǎng)分，從而影響溫室氣體排放[12]；生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)的影響。生物質(zhì)炭施入土壤后，會對土壤理化性質(zhì)如孔隙度、pH、通氣性、氧化還原電位以及吸附性能產(chǎn)生一系列影響，進(jìn)而影響溫室氣體排放[4]；生物質(zhì)炭對土壤微生物的影響。土壤理化性質(zhì)的改善和大孔隙結(jié)構(gòu)為土壤微生物的生存提高良好的環(huán)境，直接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)多樣性或活性影響溫室氣體的排放[13]。

2 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤碳截留的影響

2.1 生物質(zhì)炭對土壤有機(jī)碳的影響

經(jīng)過熱解后生物質(zhì)炭的碳含量可從生物質(zhì)初始的40%～50%提高到70%～80%，生物質(zhì)炭施入土壤能夠提高土壤的有機(jī)碳含量，且土壤有機(jī)碳含量隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而增加[14]。此外，也有研究認(rèn)為生物質(zhì)炭與土壤原有有機(jī)質(zhì)之間可能存在激發(fā)效應(yīng)，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳含量。當(dāng)添加生物質(zhì)炭以后，生物質(zhì)炭能夠通過改變土壤中有機(jī)質(zhì)腐殖化、穩(wěn)定性和呼吸速率等，產(chǎn)生“碳-負(fù)”（carbon-negative）效應(yīng)，生物質(zhì)炭抑制了生物質(zhì)的分解過程，使碳以一種穩(wěn)定的形態(tài)貯存在土壤中，減緩了碳以溫室氣體形式向大氣的釋放[15]，因此，將生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)炭不僅能夠減少溫室氣體的排放，緩解全球變暖，還能提高土壤碳匯，促進(jìn)土壤新碳的形成。

2.2 生物質(zhì)炭對土壤團(tuán)聚體的影響

生物質(zhì)炭添加到土壤后一般不是以自由有機(jī)質(zhì)形式存在，而是生物質(zhì)炭表面的有機(jī)結(jié)構(gòu)與土壤中的礦物形成土壤團(tuán)聚體[16]。生物質(zhì)炭通過團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用降低土壤微生物對其分解的風(fēng)險而長期固持。生物質(zhì)炭的緩慢氧化過程使得土壤團(tuán)聚體更穩(wěn)固長久[17]，同時，土壤團(tuán)聚體對碳的保護(hù)能力對土壤碳儲存有著不可忽視的作用。但也有研究表明，生物質(zhì)炭對團(tuán)聚體含量變化沒有影響，葉麗麗等[18]通過研究生物質(zhì)炭對土壤機(jī)械穩(wěn)定性和團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響，結(jié)果顯示生物質(zhì)炭不能提高土壤抗破碎能力和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

3 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響

3.1 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤CO2排放的影響

農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化釋放的CO2是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重要途徑，CO2在大氣中的存留壽命為5～200a。生物質(zhì)炭具有較高的吸附性能，不僅可以吸收大氣中的CO2，同時還可以通過固定土壤有機(jī)碳從而減少土壤CO2的釋放，而且還可以將其長期儲存于土層中[15]，這對整個大氣環(huán)境來講這是“碳負(fù)性”。又因生物質(zhì)炭具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，使其施入土壤后能長期存在而不易分解出溫室氣體。但施用生物質(zhì)炭對減少農(nóng)田土壤CO2排放還存在較大的不確定性。有研究表明，生物質(zhì)炭添加土壤后在短期內(nèi)會增加土壤呼吸速率，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加土壤CO2排放量增加[19]。目前對于生物質(zhì)炭施入對土壤CO2排放量影響的定論各不相同，生物質(zhì)炭的施入與土壤CO2排放量之間并不呈現(xiàn)絕對正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，還取決于生物質(zhì)炭的種類、施用的土壤類型、理化性質(zhì)以及土壤微生物活性等多方面因素[20]。

3.2 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤CH4排放的影響

農(nóng)田土壤系統(tǒng)碳循環(huán)過程，CH4盡管所占比例很少，卻是重要的溫室氣體。從100 a的時間尺度上來看，CH4的增溫潛勢（GWP）是單位等質(zhì)量CO2的25倍。生物質(zhì)炭對CH4的減排作用主要通過生物質(zhì)炭降低土壤容重，增加土壤通氣性，從而降低土壤的厭氧環(huán)境，降低CH4的產(chǎn)生或者是增加CH4的氧化[21]。但也有報道表明生物質(zhì)炭的添加會增加CH4的排放。彭華等[22]報道了用量為1.4 t/hm2的生物質(zhì)炭對晚稻CH4減排影響的研究，結(jié)果表明，生物質(zhì)炭的施用CH4的排放總量與單施化肥相比增加了6.32%；另外，施入土壤自身的理化性質(zhì)也影響著CH4的吸收和排放。土壤pH值過高或過低都影響著CH4的產(chǎn)生，當(dāng)土壤pH接近中性6.5～7.5時，產(chǎn)甲烷古細(xì)菌的活性最大[23]。

4 我國生物質(zhì)炭固碳減排的潛力

隨著全球氣候變化，我國越來越重視溫室氣體減排的重要性。中國是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家，我國1.2億hm2耕地上種植的各種農(nóng)作物，年秸稈總量高達(dá)7億t，其中一部分秸稈作為有機(jī)肥料回填到農(nóng)田土壤中，另外一部分則被當(dāng)做垃圾焚燒、遺棄、腐爛，造成環(huán)境污染。由于秸稈中本身碳含量較高，秸稈施入土壤后，在微生物作用下容易礦化并釋放CO2，因此土壤中最終截留的碳很少且積累緩慢；大量的秸稈被焚燒，不僅造成農(nóng)業(yè)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，同時秸稈焚燒會產(chǎn)生大量的CO2和有害氣體，日益嚴(yán)重的霧霾天氣也說明迫切要求更加合理高效地利用秸稈資源。據(jù)國際再生能源（IWR）組織2010年發(fā)布的報告，2009年全球CO2排放量為313億t，其中中國CO2排放量為74.3億t，占全球的23.7%，居世界第一[24]。研究表明[25]，如果能夠熱解炭化7億t農(nóng)林廢棄有機(jī)物質(zhì)，能夠向大氣中減少CO2排放達(dá)10.22億t，也就是說，如果把每年處理7億t農(nóng)林廢棄有機(jī)物以生物質(zhì)炭的方式封存，理論上可減少國家總體排放約13.8%的CO2。由此可見，我國利用生物質(zhì)炭固碳潛力巨大。

5 總結(jié)與展望

生物質(zhì)炭作為一種有效的農(nóng)田固碳減排措施，其具有高度的穩(wěn)定性，其分解需要幾千年甚至幾萬年的時間，而且添加到土壤中可以增加土壤有機(jī)碳的含量及能夠切實降低大氣CO2和CH4濃度。另外，我國農(nóng)田土壤固碳潛力及生物質(zhì)炭減排能力巨大，因此在我國應(yīng)用生物質(zhì)炭固碳減排具有廣闊的前景。但是目前仍有諸多問題還需進(jìn)一步探討。

目前，科學(xué)研究者針對生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性及其與土壤碳庫相互作用方面已經(jīng)開展了一些研究并取得了初步成果，但針對生物質(zhì)炭輸入對土壤腐殖質(zhì)的影響研究報道少之又少，僅有研究主要關(guān)注生物質(zhì)炭對土壤腐殖化的影響。

盡管研究表明生物質(zhì)炭有著穩(wěn)定的固碳效應(yīng)，但生物質(zhì)炭施入土壤后對溫室氣體排放效應(yīng)的影響目前還沒統(tǒng)一的結(jié)論，還需要進(jìn)行大量的試驗研究證明。

生物質(zhì)炭含碳量高，施入土壤可能會引起微生物大量繁殖，會對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響，由此而導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)及功能發(fā)生相應(yīng)的變化，因此有必要開展生物質(zhì)炭——土壤——微生物——作物統(tǒng)一連續(xù)體的研究。

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作者簡介：馬浩（1991-），男，陜西寶雞人，碩士研究生，陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，主要從事旱地農(nóng)業(yè)研究。