生物質(zhì)炭輸入影響土壤氮素轉(zhuǎn)化與氧化亞氮排放的研究進展

屈田華，李永夫，張少博，酈琳琳，李永春，劉 娟

（1. 浙江農(nóng)林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；2. 浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 311300）

氧化亞氮(N2O)是僅次于二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的第三大強效溫室氣體，百年尺度下的全球變暖潛能值(GWP)是CO2的300倍[1]。據(jù)估計，大氣N2O每年約增加0.2%～0.3%，不僅加劇全球氣候變暖，也對生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生顯著負面影響[2]。作為平流層臭氧消耗的因素之一，N2O在臭氧層破壞的過程中起著重要的催化作用，嚴重威脅大氣環(huán)境和人類生存安全[3?4]。因此，如何緩解N2O持續(xù)增加是目前國內(nèi)外研究關注的重點和難點問題[5]。生物質(zhì)炭(biochar)是指生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)高溫熱裂解產(chǎn)生的芳香類化學物質(zhì)[6?7]，具有多孔、強吸附力、高化學穩(wěn)定性、高酸堿度和較大陽離子交換量等特性[7?8]。作為土壤改良劑，高孔隙度的生物質(zhì)炭可以吸附持留氮素[銨根()和硝酸根() ]并顯著改變土壤的理化性質(zhì)，從而直接或間接影響參與土壤氮循環(huán)相關的微生物群(如硝化菌、反硝化菌和固氮菌)的豐度和多樣性，最終影響土壤氮循環(huán)[9?11]。因此，對近年來國內(nèi)外關于生物質(zhì)炭對土壤無機氮動態(tài)、硝化和反硝化作用以及N2O排放影響及其機制等研究現(xiàn)狀進行綜述，可為生物質(zhì)炭的資源化利用、土壤生態(tài)系統(tǒng)增匯減排技術的開發(fā)提供參考。

1 生物質(zhì)炭輸入對土壤無機氮的影響

土壤淋溶是土壤養(yǎng)分流失的重要原因之一[23]。土壤中的氮素淋溶主要包括2個過程：①在降雨和灌溉水的作用下，土壤中的氮素以化合物的形式流失；②土壤中可溶性的無機氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)流失到土壤下層[24?25]。大量淋溶實驗表明：生物質(zhì)炭處理可以顯著降低土壤氮素的淋濾損失。DEMPSTER等[26]發(fā)現(xiàn)：25 t·hm?2生物質(zhì)炭處理可以顯著降低砂質(zhì)土壤表層 (0～10 cm)銨態(tài)氮 (14%)和硝態(tài)氮(28%)的淋失。SIKA等[27]發(fā)現(xiàn)：生物質(zhì)炭所降低的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量與生物質(zhì)炭質(zhì)量和土壤質(zhì)量比值(炭土質(zhì)量比)成正相關，炭土質(zhì)量比為0.5%、2.5%和10.0%時，銨態(tài)氮累積淋出量分別降低12%、50%和86%，硝態(tài)氮累積淋出量分別降低26%、42%和96%。不同類型的生物質(zhì)炭對氮素的固持效果也不相同。相較于不添加生物質(zhì)炭的對照組，土壤中添加由玉米Zea mays秸稈制成的生物質(zhì)炭(100 t·hm?2)可以顯著降低土壤總氮淋失量(74%)[28]，而添加稻草生物質(zhì)炭(50 t·hm?2)所降低的土壤總氮淋失值僅為11%[29]。當添加炭土質(zhì)量比為0.5%和1.0%的稻草生物質(zhì)炭時，總氮的淋失量分別減少28%和44%；而添加炭土質(zhì)量比為0.5%和1.0%的毛竹Phyllostachys edulis生物質(zhì)炭時，總氮的淋失量則減少20%和31%。由此可以推斷，添加適量合適類型的生物質(zhì)炭可以大幅度減少土壤中氮素的淋失[28]。生物質(zhì)炭的輸入能實現(xiàn)氮素淋失降低的原因很可能與生物質(zhì)炭改善土壤物理性質(zhì)有關，如增大土壤顆粒間孔隙度、降低土壤容重，從而增強土壤對氮素的固定作用，達到減少氮素流失的效果[30?31]。也有研究認為生物質(zhì)炭本身具備吸附養(yǎng)分、有效持留土壤中氮素的能力[32]。

2 生物質(zhì)炭輸入對土壤硝化作用和反硝化作用的影響

2.1 生物質(zhì)炭輸入對土壤硝化作用的影響

亞硝化作用是亞硝酸鹽氧化菌在亞硝酸鹽氧化還原酶催化下將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的過程[63]。一般認為參與亞硝化作用的酶活性較低[64]，氨氧化作用處于硝化作用的限速步驟(第1步反應)[65]，因此對亞硝化菌的研究較少，有關生物質(zhì)炭輸入對土壤亞硝化功能微生物的研究更是鮮見報道。現(xiàn)有研究表明：亞硝化作用功能微生物的豐度、活性及多樣性與CO2、溫度、降水和氮濃度等環(huán)境因子有關[66]。根據(jù)生物質(zhì)炭對土壤氨氧化作用產(chǎn)生影響推測，生物質(zhì)炭同樣會對亞硝化作用產(chǎn)生較大影響。因此，探究生物質(zhì)炭對土壤亞硝化作用的影響及其機制是未來生物質(zhì)炭輸入對土壤氮素轉(zhuǎn)化研究的主要方向之一。此外，現(xiàn)有對土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究大多立足于適宜環(huán)境，而對于極端環(huán)境(如干旱、濕冷)或特殊狀態(tài)(如熏蒸)下生物質(zhì)炭對土壤的影響過程和作用機制鮮有涉及[9, 67?68]。

2.2 生物質(zhì)炭輸入對土壤反硝化作用的影響

3 生物質(zhì)炭輸入對土壤 N2O 排放的影響

CAYUELA等[81]在對數(shù)據(jù)整合分析后發(fā)現(xiàn)：生物質(zhì)炭具有降低土壤N2O排放的潛力，平均降幅約為54%。然而，由于生物質(zhì)炭制備原料、氣候類型、土壤質(zhì)地、施用時間和田間管理方式等條件的不同，其對土壤N2O排放的效應各異[82?84]。一般來講，草本或木本炭能減少N2O排放，但畜禽糞便炭無此效果[85]。熱帶、亞熱帶地區(qū)施用生物質(zhì)炭對N2O的減排作用小于溫帶地區(qū)[81]。生物質(zhì)炭對強酸性土壤(pH＜5)N2O減排作用較小，對pH＞5土壤的N2O減排作用較大[86]。以往對農(nóng)田土壤的研究表明：施用生物質(zhì)炭可以減少旱地土壤N2O排放[87]。TAGHIZADEH-TOOSI等[88]施用30 t·hm?2的松木Pinus生物質(zhì)炭，降低了粉砂土壤N2O的排放；ZHANG等[89]施加小麥秸稈生物質(zhì)炭，降低了壤土土壤N2O的排放。生物質(zhì)炭輸入對森林土壤N2O排放的研究相對較少，但研究者認為減排效果最為顯著的[90?91]。SUN等[91]發(fā)現(xiàn)：在松林土壤中施用生物質(zhì)炭(30 t·hm?2)可顯著減少N2O排放累積量(25.5%)。MALGHANI等[90]發(fā)現(xiàn)：生物質(zhì)炭(質(zhì)量分數(shù)為1%)處理可以使云杉Picea asperata林土壤N2O排放速率顯著降低。肖永恒等[20]發(fā)現(xiàn)：與對照相比，5 t·hm?2的生物質(zhì)炭可使板栗林土壤N2O年平均通量和年累積排放量分別減少27.4%和20.5%。SONG等[77]發(fā)現(xiàn)：施用生物質(zhì)炭顯著降低毛竹林土壤N2O排放(降幅為28.8%～31.3%)，關鍵機制在于生物質(zhì)炭降低了土壤活性氮濃度和土壤氮循環(huán)相關酶活性。JI等[92]研究了中國亞熱帶茶園土壤N2O排放對生物炭添加的響應，發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭降低了土壤N2O排放通量(24%)，導致nirK和nosZ基因豐度顯著增加。賀超卉等[79]也發(fā)現(xiàn)：添加質(zhì)量分數(shù)為1%的生物質(zhì)炭可顯著提高nirS和nosZ基因豐度，增大N2/(N2O+N2)，促進N2O徹底還原成N2從而實現(xiàn)減排?？傮w來講，生物質(zhì)炭輸入降低土壤N2O排放的作用機制主要包括4個方面：①生物質(zhì)炭處理顯著提高土壤通氣狀況，抑制土壤反硝化過程[93?95]；②生物質(zhì)炭可吸附土壤硝化作用的底物()，降低土壤中有效性，從而降低土壤N2O的排放速率[12, 20, 78, 93?94]；③生物質(zhì)炭輸入使得土壤pH值升高，提高了土壤N2O還原酶活性，并抑制了參與NO3?和NO2?向N2O轉(zhuǎn)化的酶活性[95?100]；④生物質(zhì)炭處理提高了土壤活性有機碳(如水溶性有機碳、微生物量碳等)相對含量，刺激了微生物的生長，從而提高土壤硝化程度，最終導致N2O 排放降低[72, 79, 92, 101?102]。

也有研究表明：生物質(zhì)炭處理對土壤N2O排放無顯著影響或促進N2O排放。如HAWTHORNE等[103]發(fā)現(xiàn)：在森林土壤中施用質(zhì)量分數(shù)10%的生物質(zhì)炭會顯著增加N2O排放，但施用質(zhì)量分數(shù)1%的生物質(zhì)炭后卻未觀察到明顯的影響。SACKETT等[104]也發(fā)現(xiàn)：在溫帶闊葉林中使用生物質(zhì)炭(5 t·hm?2)不會改變土壤N2O排放。因此，生物質(zhì)炭添加對土壤N2O排放的影響十分復雜，作用機制也需進一步研究。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，生物質(zhì)炭輸入對土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響主要是通過作用于土壤氮循環(huán)過程及其相關功能微生物的豐度和活性來實現(xiàn)的。生物質(zhì)炭通過影響土壤無機氮的有效性、土壤pH值、團聚體和孔隙度等理化性質(zhì)，進而影響土壤氨氧化功能微生物的豐度和多樣性。此外，生物質(zhì)炭還為硝化菌、固氮菌等好氧微生物提供良好的生長繁殖條件，從而提高土壤氮素轉(zhuǎn)化效率，促進土壤氮循環(huán)，有力維系了土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定。另外，闡明生物質(zhì)炭減少土壤N2O排放的重要機制對于開發(fā)緩解土壤溫室氣體排放的有效方法至關重要[72, 105]。施加生物質(zhì)炭降低土壤N2O排放主要是通過增加土壤通氣度和氧氣濃度，抑制低氧條件下微生物對土壤的反硝化作用、吸附或從而減少作為硝化或反硝化作用底物的無機氮庫來實現(xiàn)。

生物質(zhì)炭對于土壤生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的作用顯著。土壤氮素轉(zhuǎn)化與N2O排放是土壤生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的2個重要過程。但現(xiàn)有條件下的研究大多在實驗室或模擬溫室中進行，即使存在少部分的野外控制試驗，也大多為短期研究(少于3 a)。同樣，生物質(zhì)炭輸入對土壤N2O排放的影響機制復雜，結(jié)果也不同程度地受到生物質(zhì)炭類型、施用劑量、土壤類型以及N2O測定時間等因素的影響，因此，有必要開展對不同類型生物質(zhì)炭應用于不同土壤類型的系統(tǒng)長期定位實驗的研究。當前關于生物質(zhì)炭對土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響機制分析大多局限于生物質(zhì)炭自身的理化特性或者推測生物質(zhì)炭對土壤中某些物質(zhì)的影響，而對土壤氮循環(huán)功能微生物豐度和多樣性的關聯(lián)研究卻不多。因此，生物質(zhì)炭輸入影響土壤N2O排放的微生物學機制尚不清晰[10, 106]。一部分研究認為生物質(zhì)炭降低土壤N2O排放可能與反硝化菌能源物質(zhì)的減少有關[107]，另一部分研究則認為生物質(zhì)炭影響N2O排放是通過改變反硝化菌和硝化菌的種類來實現(xiàn)的[89, 108]。因此，今后需重點關注生物質(zhì)炭輸入對土壤氮素轉(zhuǎn)化與N2O排放的微生物生態(tài)學機制尤其是涉及分子生物學等領域的研究。越來越多的研究表明，單施生物質(zhì)炭或氮肥均無法實現(xiàn)氮素吸收利用的最大化，兩者配合施用在促進氮素利用上存在著一定的協(xié)同作用[109]。生物質(zhì)炭特殊的理化性質(zhì)使其具有成為肥料增效載體的可能，以生物質(zhì)炭為原料制備的炭基緩釋肥逐漸成為當下生物質(zhì)炭研究的熱門。生物質(zhì)炭和全球氣候變化(增溫和氮沉降)的交互作用正在受到越來越多的關注，在全球氣候變化背景下，研發(fā)基于生物質(zhì)炭材料的土壤N2O減排技術也將成為生物質(zhì)炭應用的又一新方向。