生物質(zhì)炭施用對深層土壤碳庫的影響

鄭聚鋒,程琨,潘根興

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所/江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210095)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)評估報(bào)告指出農(nóng)業(yè)土壤固碳在減緩氣候變化中充當(dāng)著重要角色[1]。在2015年巴黎聯(lián)合國氣候變化大會上,聯(lián)合國氣候變化框架公約(UNFCCC)啟動了旨在固碳的“千分之四全球土壤增碳計(jì)劃”[2]。該計(jì)劃的依據(jù)是:如果將全球2 m深的土壤有機(jī)碳庫增加千分之四可抵消全球能源碳排放。全球科學(xué)家根據(jù)各國和各地區(qū)的土壤碳儲量及變化特征探討了該計(jì)劃的可行性,結(jié)果顯示表層土壤固碳潛力難以達(dá)到“千分之四全球土壤增碳計(jì)劃”的設(shè)想,而深層土壤可能在這一計(jì)劃中發(fā)揮重要作用[3]。

生物質(zhì)炭是指將生物質(zhì)在低溫厭氧的條件下裂解而產(chǎn)生的一種高度芳香化的化合物,具有含碳量高、碳穩(wěn)定性強(qiáng)、比表面積大和多孔隙結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),被認(rèn)為是一項(xiàng)可以將大氣中的CO2長期封存于土壤中的重要措施[4]。眾多研究表明,施用生物質(zhì)炭具有降低土壤溫室氣體排放、增加有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤理化性質(zhì)以及提高作物產(chǎn)量等作用[5-7]。目前,關(guān)于生物質(zhì)炭施用對農(nóng)田土壤有機(jī)碳影響的研究主要集中于表層(0～20 cm)土壤,而對深層土壤有機(jī)碳影響的報(bào)道較少。由于深層土壤有機(jī)碳儲量巨大,其動態(tài)對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響不容小覷[8],因此,開展對生物質(zhì)炭施用下農(nóng)田深層土壤有機(jī)碳動態(tài)的研究十分重要。本文主要針對目前農(nóng)田深層土壤有機(jī)碳研究的現(xiàn)狀,闡述農(nóng)田深層土壤有機(jī)碳的來源與穩(wěn)定性,生物質(zhì)炭施用下土壤碳庫動態(tài)及其對深層土壤有機(jī)碳動態(tài)的影響,并為今后的研究提出了建議,以期為生物質(zhì)炭施用下農(nóng)田土壤固碳研究提供參考。

1 深層土壤固碳的研究趨勢

深層土壤一般指土壤深度大于30 cm的土層。在全球0～100 cm的土層中有機(jī)碳大約儲存1 500 Pg,而深層土壤有機(jī)碳含量約占土壤總碳量的50%[9],因此,深層土壤有機(jī)碳的動態(tài)對氣候變化的作用舉足輕重。表層土壤有機(jī)碳密度較高,且對外部環(huán)境變化響應(yīng)敏感,在過去的20多年中,土壤表層碳庫的動態(tài)受到土壤學(xué)家及生態(tài)學(xué)家的普遍關(guān)注。然而,盡管深層土壤有機(jī)碳庫的總量較大,但一直未受到足夠重視。美國國家研究理事會(NRC)在2001年提出地球關(guān)鍵帶(earth critical zone)這一概念[10-11],科學(xué)家們對土壤固碳研究關(guān)注的焦點(diǎn)開始從土壤表層轉(zhuǎn)移到深層。一些研究學(xué)者已關(guān)注深層土壤有機(jī)碳的動態(tài)及穩(wěn)定性。如:Koven 等[12]通過模型預(yù)測表明,在未來全球氣候變暖背景下,至2300年凍土區(qū)深層有機(jī)碳損失將達(dá)21～164 Pg;Balesdent 等[8]通過薈萃分析發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳動態(tài)及其對氣候控制或土地利用方式的響應(yīng)具有很高的土壤深度依賴性;Tautges 等[13]通過19年的長期定位試驗(yàn)揭示了表層與深層土壤有機(jī)碳對農(nóng)田管理呈不同的響應(yīng),并指出在評估土壤固碳潛力時(shí)要充分考慮深層土壤的貢獻(xiàn)。在英國召開的世界有機(jī)質(zhì)大會上,土壤深層固碳被作為1個(gè)專題加以討論,并且將其稱為土壤學(xué)固碳研究最后的前沿。

2 農(nóng)田深層土壤有機(jī)碳的來源與穩(wěn)定性

一般來說,長期耕作的農(nóng)田深層土壤有機(jī)碳主要來源于可溶性有機(jī)碳(DOC)、作物根系及其分泌物、顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)及有機(jī)碳的難溶組分,它們可以通過生物擾動、土壤優(yōu)先流、重力作用等向深層土壤遷移與沉積[14]。在水分充足的條件下,DOC的垂直遷移被認(rèn)為是深層土壤有機(jī)碳的主要來源。有研究表明,在礦質(zhì)土壤中DOC在土壤剖面中的通量為10～200 kg·hm-2·a-1,在1 m深的土壤中DOC遷移和滯留量約占總土壤碳庫的20%[15],其遷移形式主要有2種,即溶解態(tài)和復(fù)合體。例如:在富含鐵/鋁的火山灰土壤中有機(jī)碳主要以復(fù)合體形式遷移[16]。難降解組分(如生物質(zhì)炭)主要以顆粒態(tài)或礦物結(jié)合態(tài)向深層土壤遷移,從而增加深層土壤難降解有機(jī)碳組分的含量[17]。農(nóng)業(yè)土壤表層土壤碳動態(tài)易受人為活動的干擾,這將進(jìn)一步驅(qū)動深層土壤碳庫的變化[18]。例如:Hobley 等[19]從12個(gè)地點(diǎn)采集了78個(gè)土壤樣品,分析發(fā)現(xiàn)土地利用方式會改變新碳(相對于土壤中的老碳而言)在土壤剖面中的分布,并改變土壤不同深度有機(jī)碳的組分。因此,從表層土壤和深層土壤有機(jī)碳的動態(tài)關(guān)系來看,土壤移動碳傳輸是深層土壤有機(jī)碳固定的關(guān)鍵,而表層土壤管理措施亦可以通過改變土壤碳的傳輸而影響深層土壤有機(jī)碳的保持與穩(wěn)定。

有機(jī)質(zhì)在深層土壤中的轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定過程主要受土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)、化學(xué)穩(wěn)定和生物化學(xué)穩(wěn)定性的影響。Rumpel等[20]提出表層土壤碳輸入可影響深層土壤有機(jī)碳的組成,并指出深層和表層土壤有機(jī)碳存在不同的穩(wěn)定機(jī)制。目前,有關(guān)深層土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性主要有以下幾方面的認(rèn)識:1)黏土礦物通過化學(xué)鍵與有機(jī)碳結(jié)合形成的物理-化學(xué)保護(hù)作用[21]。通常認(rèn)為深層土壤中礦物結(jié)合的有機(jī)碳屬于老碳,難以被微生物分解。研究表明氧化鐵和黏土礦物是深層土壤中的重要穩(wěn)定劑[22]。Lorenz 等[23]在溫帶和熱帶森林深層土壤中也發(fā)現(xiàn)抗氧化有機(jī)質(zhì)含量與非結(jié)晶態(tài)礦物存在顯著相關(guān)性。然而,外界干擾(環(huán)境變化)也可能導(dǎo)致它們的替換與更新[21]。2)土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳形成物理保護(hù)作用,從而降低微生物與有機(jī)碳的接觸[24]。深層土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)主要體現(xiàn)在2個(gè)方面,一是土壤團(tuán)聚作用對POC形成保護(hù),二是微團(tuán)聚體中黏粒與有機(jī)碳的形成復(fù)合體對有機(jī)碳的保護(hù)。然而,表層環(huán)境變化對深層土壤團(tuán)聚作用影響的研究還較少。3)微生物的活性與代謝的作用。首先,深層土壤中的低溫與低氧等環(huán)境因子限制微生物的活性[25]。其次,土壤基質(zhì)對微生物的活性限制[26-27]。例如:Chen 等[28]發(fā)現(xiàn)亞熱帶森林土壤底層含有大量的極易分解有機(jī)碳,這與微生物利用底物的特性有關(guān)。Li 等[29]對我國干旱地區(qū)長期施肥的農(nóng)田土壤不同深度微生物的優(yōu)勢種群研究表明,表層微生物種群主要受氮素水平控制,而深層土壤的微生物種群主要受有機(jī)碳輸入水平的影響,從而進(jìn)一步影響深層土壤有機(jī)碳的礦化[30]。因此,表層土壤向深層土壤改變基質(zhì)的輸入水平和強(qiáng)度,改變微生物對深層碳的利用強(qiáng)度,從而影響有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定。

3 生物質(zhì)炭施用對有機(jī)碳遷移及深層土壤碳動態(tài)的影響

生物質(zhì)炭施用可影響表層有機(jī)碳組分與移動性。生物質(zhì)炭被視為目前農(nóng)田土壤固碳重要而有效的途徑[31]。在過去10多年間,生物質(zhì)炭在土壤中的穩(wěn)定性及其對土壤有機(jī)碳分解的影響(激發(fā)效應(yīng))一直是土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。生物質(zhì)炭施用可能產(chǎn)生促進(jìn)(正激發(fā))、抑制(負(fù)激發(fā))和無激發(fā)現(xiàn)象[32-34]。這些結(jié)果與土壤類型、生物質(zhì)炭生產(chǎn)條件及是否有植物生長參與有密切關(guān)系[35]。在生物質(zhì)炭存在與否條件下,外源碳輸入對土壤原有有機(jī)碳的分解會產(chǎn)生不同的影響。例如:Luo 等[34]采用雙同位素的方法標(biāo)記研究生物質(zhì)炭作用下的激發(fā)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)與未施生物質(zhì)炭的土壤相比,在含有生物質(zhì)炭的土壤中加入標(biāo)記的葡萄糖沒有產(chǎn)生明顯的激發(fā)效應(yīng),而生物質(zhì)炭的分解與加入葡萄糖的量和土壤類型有關(guān);Jiang 等[36]研究結(jié)果顯示,在田間條件下施用氮素對富含生物質(zhì)炭的土壤產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng),其原因主要是由于生物質(zhì)炭存在,氮素促進(jìn)起源于DOC的碳向土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化。這些結(jié)果表明生物質(zhì)炭參與的土壤過程不僅影響土壤有機(jī)碳的分解,同時(shí)也改變土壤碳的遷移動態(tài),從而可能影響表層土壤向深層輸入碳的組分及強(qiáng)度。

生物質(zhì)炭對土壤碳移動的影響主要存在3種形式:1)生物質(zhì)炭影響可溶性組分與POC的遷移。由于不同的生產(chǎn)原料和生產(chǎn)條件等因素,生物質(zhì)炭所含的DOC存在較大差異[37]。生物質(zhì)炭對土壤DOC影響的報(bào)道因不同試驗(yàn)條件而不同。例如:趙世翔等[38]通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施加生物質(zhì)炭(300和400 ℃)處理的DOC平均含量比對照增加82.09%和65.61%,并且DOC含量隨生物質(zhì)炭的添加量增加而增加。Major等[39]報(bào)道在表層(0～10 cm)施用生物質(zhì)炭2年后,約41%的生物質(zhì)炭因地表徑流而損失,同時(shí)發(fā)現(xiàn)深層土壤(30 cm)中DOC與POC存在不同程度的淋失。相反,Eykelbosh 等[40]采用土柱淋溶試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),酒糟炭處理中的DOC淋失量比對照降低20.7%,是由于生物質(zhì)炭對小分子脂肪族碳產(chǎn)生強(qiáng)烈吸附的結(jié)果。2)生物質(zhì)炭固體顆粒遷移[41]。進(jìn)入環(huán)境中的生物質(zhì)炭經(jīng)過崩解等風(fēng)化作用,破碎形成納米或微米級細(xì)小顆粒,并伴隨土壤擾動或水分滲漏進(jìn)入土壤深層。3)生物質(zhì)炭間接作用引起的有機(jī)碳遷移[42-44],即生物質(zhì)炭可能通過改變土壤原有有機(jī)碳在土壤中的結(jié)合狀態(tài),而改變土壤有機(jī)碳的可移動性。如:生物質(zhì)炭在酸性和堿性土壤中存在不同的老化程度,酸性土壤可加速其表面脫氫反應(yīng),從而增加生物質(zhì)炭對土壤中Al3+的吸附,進(jìn)一步增加Al3+的可移動性[42]。Al3+去除可能促使與其結(jié)合的有機(jī)質(zhì)失去保護(hù)作用,而被微生物分解或向土壤深層遷移。Smebye 等[43]將2種不同來源的生物質(zhì)炭添加于酸性和中性土壤后發(fā)現(xiàn),從土壤礦物表面因脫附作用產(chǎn)生的DOC明顯增加;劉慧云等[44]在中性和石灰性土壤中加入生物質(zhì)炭后也得到相似結(jié)果,進(jìn)一步通過光譜分析發(fā)現(xiàn)不同處理中DOC的腐殖酸組成與復(fù)雜程度也存在明顯不同。這些表層組分的變化與深層土壤有機(jī)碳存在何種關(guān)聯(lián)?其在土壤剖面中的遷移如何影響生物活性?深層土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性對其如何響應(yīng)?這在今后的研究中還需進(jìn)一步關(guān)注。

4 結(jié)語與展望

農(nóng)田施用生物質(zhì)炭作為應(yīng)對氣候變化和土壤固碳的一個(gè)新途徑,不僅改變表層土壤碳庫組成,而且影響土壤有機(jī)碳的可移動性。生物質(zhì)炭自身組分及可移動碳以不同方式向剖面深層遷移,從而可能影響深層土壤有機(jī)碳的動態(tài)與固定潛力。然而,深層土壤有機(jī)碳對施用生物質(zhì)炭的響應(yīng)還缺乏足夠研究。建議今后從以下幾個(gè)方面開展研究:1)生物質(zhì)炭施用下表層碳組分動態(tài)與深層土壤有機(jī)碳之間的依存關(guān)系;2)可移動碳在土壤剖面中遷移過程及其機(jī)制;3)長期生物質(zhì)炭施用下深層有機(jī)碳穩(wěn)定性及生物作用機(jī)制。以上研究工作將為準(zhǔn)確評估生物質(zhì)炭改良下的農(nóng)田土壤的固碳效應(yīng)提供依據(jù)。