生物炭減緩農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O排放的研究進(jìn)展

沈芳芳 羅昌泰 廖迎春 房煥英 周際海 沈發(fā)興 袁穎紅*

(1.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，南昌 330029；2.江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點實驗室，南昌 330099；3.重要生物資源保護(hù)與利用研究安徽省省級重點實驗室，安徽 蕪湖 241000)

由溫室氣體如CO2、N2O、CH4等排放增加引起的氣候變化是人類長期面臨的巨大威脅。2019年舉行的聯(lián)合國氣候行動峰會提倡在未來10年內(nèi)將溫室氣體排放量減少45%，到2050年實現(xiàn)“凈零排放”。土壤作為溫室氣體的重要源和匯，對溫室效應(yīng)的影響不容忽視。農(nóng)田土壤是重要的溫室氣體排放源，農(nóng)業(yè)活動在溫室氣體的人為排放總量中占據(jù)重要部分[1-2]。

據(jù)世界氣象組織(World Meteorological Organization)報告：大氣中N2O的含量已經(jīng)從19世紀(jì)工業(yè)革命前的270 ppb增加到了2017年的329.9 ppb[1]。中國是N2O排放大國(占全球排放量的31%)，印度和美國分別居第二和第三[2]。N2O是一種長壽命溫室氣體，百年內(nèi)的增溫潛勢大約是CO2的298倍，并導(dǎo)致平流層臭氧的破壞[3-4]。土壤作為最大的N2O排放源，約占總排放量的70%[5]，年N2O-N排放量約為13 Tg，其中人類活動通過在農(nóng)業(yè)中施用氮肥每年貢獻(xiàn)了7 Tg[6]。農(nóng)業(yè)約占全球人為N2O排放量的60%，農(nóng)業(yè)土壤，特別是熱帶和酸性土壤，是大氣N2O增加的主要來源[2,7]。農(nóng)業(yè)管理措施如施用化肥和有機肥等能顯著影響農(nóng)田土壤N2O的排放。其中，農(nóng)業(yè)N2O排放多是由于肥料用量的增加，相當(dāng)一部分氮肥通過微生物過程(主要是硝化和反硝化)轉(zhuǎn)化為N2O[8]。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)預(yù)計到2030年農(nóng)業(yè)源排放進(jìn)入大氣中的N2O可能會增加35%～60%。因此，減少土壤N2O的排放任務(wù)緊迫[1]。

已有研究表明，生物炭用來減少土壤N2O的排放[4,5,8]。生物炭是一種難降解的富含C的穩(wěn)定固體材料，是有機材料在限氧的環(huán)境中經(jīng)過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生，由于其具抗分解特性及對養(yǎng)分動力學(xué)的影響，多被利用作為土壤改良劑[9-11]。生物炭作為調(diào)節(jié)土壤氮循環(huán)和減少氮排放的潛力得到廣泛關(guān)注，國內(nèi)外相繼開展了大量的有關(guān)生物炭減少農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O排放研究和應(yīng)用。為進(jìn)一步厘清生物炭在減緩農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O排放的作用和機制，本研究擬以CNKI、Springer、Wiley和Science Direct數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，以“生物炭”、“農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)”、“N2O排放”為關(guān)鍵詞，搜索2008—2021年的相關(guān)文獻(xiàn)，并從土壤N2O產(chǎn)生途徑、生物炭對土壤N2O排放的影響和減緩?fù)寥繬2O排放的機制等方面，以及對有機堆肥處理土壤施用生物炭的N2O減排潛力等相關(guān)研究進(jìn)行綜述總結(jié)和剖析，并對未來的研究提出展望，以期為減緩?fù)寥繬2O排放及氣候變化提供參考。

1 土壤N2O的產(chǎn)生途徑

N2O可由許多不同的微生物協(xié)同產(chǎn)生，與N2O產(chǎn)生有關(guān)的微生物功能基因主要集中在氨氧化細(xì)菌和氨氧化古菌的amoA基因、硝化酶(nas、nirB)、亞硝酸鹽還原酶基因(nirK、nirS)、氧化亞氮還原酶(nosZ)基因[18]。一般認(rèn)為，N2O排放與反硝化過程中的基因(nirK、nirS、nosZ、napA、narG)相關(guān)，這些功能基因成為溫室氣體通量潛力的關(guān)鍵指標(biāo)[13,19]。

2 生物炭對土壤N2O排放的影響及減排機制

2.1 生物炭對土壤N2O排放的影響

生物炭對土壤N2O排放的影響取決于生物炭特性與土壤性質(zhì)兩者之間的相互作用。盡管越來越多的證據(jù)表明，向土壤中添加生物炭可以影響N2O排放速率，但生物炭添加對土壤N2O排放影響的結(jié)論不一(表1)。

多數(shù)研究認(rèn)為生物炭有利于減少土壤N2O的排放[20-23]。在整合分析2007—2013年發(fā)表的相關(guān)生物炭文獻(xiàn)(觀測試驗數(shù)量n=933)的研究中發(fā)現(xiàn)，無論是田間試驗還是室內(nèi)試驗，生物炭平均可減少54%±6%土壤N2O排放[17]。Cayuela等[24]通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)生物炭降低49%±5%土壤N2O排放，對比區(qū)分了室內(nèi)培養(yǎng)和野外試驗條件下的N2O排放降幅分別為54%±5%和28%±16%。程效義等[25]研究發(fā)現(xiàn)，棕壤玉米旱田中添加秸稈生物炭(20 t/hm2)能降低21.76%土壤N2O的排放量。生物炭對不同類型(沙土、淤泥、壤土和黏土)土壤的N2O減排效果以壤土最明顯[19]，減排量可達(dá)32%[26]。室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明，小麥秸稈生物炭顯著降低黑鈣土N2O排放，降幅可達(dá)55%～96%[27]。對比不同生物炭施入量對N2O減排的效果發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈生物炭(20和40 t/ha施入鈣質(zhì)壤土后，N2O排放量分別減少了10.7%和71.8%[28]，相比氮肥處理，減少了31%[29]。隨著生物炭添加量的增加，土壤N2O排放量減少幅度增加，當(dāng)生物炭添加量為40 t/ha時效果達(dá)到最大[19]。通過對比生物炭對酸性和堿性土壤N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)玉米芯生物炭可降低酸性土壤N2O排放的26.9%，橄欖果肉生物炭可降低酸性土壤68.4%及堿性土壤34.3%[42]。稻草生物炭(2%)改善酸性土壤可以通過提高土壤pH值及nosZ和nirK基因豐度來控制土壤N2O的排放，降幅達(dá)70%[2]。據(jù)估計，土壤添加生物炭有可能使溫室氣體年排放量減少12%[21]，甚至更多[19]。

此外，極個別研究表明生物炭添加對土壤N2O通量沒有影響[33-35]。對于有機碳含量低(≤5 g/kg)的土壤，生物炭對土壤N2O排放的影響較小且不顯著，這是因為異養(yǎng)過程可用碳量很少，增加了低有機碳土壤的硝化作用[19]。由糞便制成或在低于350 ℃溫度下熱解的生物炭對土壤N2O排放的減少作用微不足道，這歸因于生物炭較弱的芳族環(huán)結(jié)構(gòu)和較低的表面積，較低的導(dǎo)電能力和較少的表面官能團[19]。生物炭的施用不會影響短時期(2年)火山灰土的N2O累積排放量，這與火山灰具有較高的pH緩沖能力和總陽離子交換量有關(guān)[32]。

總之，生物炭對土壤N2O排放影響取決于研究區(qū)土壤和氣候條件、試驗條件(室內(nèi)/野外)及持續(xù)時間、生物炭類型(物料來源)、施用量及熱解條件等[17,20,28]。生物炭具有減緩?fù)寥繬2O排放的潛力，其中生物炭類型、生物炭添加量和氣候帶是影響生物炭對土壤N2O排放影響的重要調(diào)控因素，且野外試驗中生物炭對N2O的減排效果常低于室內(nèi)控制試驗。

2.2 生物炭減緩?fù)寥繬2O排放的機制

多數(shù)研究將研究焦點集中于生物炭如何降低土壤N2O排放速率機理上。由于N2O產(chǎn)生途徑多而復(fù)雜且高度時空變異[20]，使得農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O的減排具挑戰(zhàn)性。生物炭改良劑作為減少N2O的長期方法的適用性尚不確定。目前有關(guān)生物炭減緩?fù)寥繬2O排放的機制主要有以下2點(圖1)：

圖1 土壤N2O產(chǎn)生的可能途徑和生物炭對其減排的機制Fig.1 Potential pathways of N2O production and potential mechanisms of biochar effects on N2O emission in soil

1)生物炭理化性質(zhì)的差異。生物炭生產(chǎn)條件(原料來源、熱解溫度、快慢類型等)的不同導(dǎo)致生物炭理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的差異是生物炭影響土壤N2O排放的重要因素[20,36]。不同來源生物質(zhì)不同組分的分解溫度不同，隨熱解溫度的升高，生物質(zhì)組分(水分、纖維素、木質(zhì)素和無機礦物等)依次被分解[36]；同時熱解過程中C和N的損失致使P、K、Ca、Mg等含量高于原料，且隨熱解溫度的提高而升高[36]。

生物炭的石灰效應(yīng)。生物炭含有堿性物質(zhì)，主要為表面有機官能團、碳酸鹽、有機陰離子和其他無機堿，并且具有較高的pH，可用作修正土壤酸度的改良劑[37]。生物炭的原料和熱解條件會影響生物炭的堿度：如豆科植物比非豆科植物生產(chǎn)的生物炭含有更高的堿度[38]；隨著熱解溫度的升高，生物炭的堿度增加，表現(xiàn)在碳酸鹽含量的增加[39]。

生物炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)。生物炭的H/C、O/C和(N+O)/C是表征生物炭芳香性、親水性和極性大小的重要指標(biāo)，三者越高，分別表示芳香性越低、親水性越大和極性越大，與生物炭的穩(wěn)定性和潛在吸附能力有關(guān)[36]。其中生物炭的H/C在減緩N2O排放的潛力發(fā)揮了重要作用，一般低H/C的生物炭往往具有更強的N2O減緩能力，相反，H/C越高，其減緩能力越弱，這是因為較低的H/C通常具有更高的聚合度和芳族環(huán)結(jié)構(gòu)[24]。試驗進(jìn)一步研究表明，H/C<0.3的生物炭提高氧化還原活性和吸附特性，能將N2O釋放量降低73%±7%，H/C>0.5的生物炭N2O降低了40%±16%[24]。

生物炭隨時間的老化。生物炭對土壤N2O排放的減緩能力還取決于生物炭在田間條件下的老化情況[31,40]。生物炭的性質(zhì)會隨時間變化發(fā)生老化，如稠環(huán)結(jié)構(gòu)的大小發(fā)生改變導(dǎo)致生物炭表面的官能團(羧基、羰基、羥基和酚基等)增加，表面積和孔體積的降低導(dǎo)致生物炭的吸附能力降低等[41]。隨著時間的推移，生物炭可能會失去其石灰效應(yīng)，如老化過程中生物炭表面的氧化可能產(chǎn)生酸性或較低的土壤pH[20]。生物炭老化可能會影響分解后土壤有機碳的殘留率，研究表明，生物炭老化提高了微生物碳的利用效率，但減少了生物質(zhì)周轉(zhuǎn)時間[41]。

氮的有效性是土壤N2O排放的主要驅(qū)動力[20]，而生物炭緩解N2O排放的有效性與其在土壤中占主導(dǎo)地位的N2O產(chǎn)生途徑有關(guān)[8]。由于反硝化作用是大多數(shù)土壤中產(chǎn)生N2O的主要過程，加入生物炭后可使土壤反硝化作用減弱從而減少N2O排放量[14]。值得注意的是，反硝化作用的最后一步是目前生物圈內(nèi)唯一已知的能夠?qū)2O還原為N2的過程[17]。生物炭可以通過3種方式加速誘導(dǎo)土壤完全反硝化(即N2O還原為N2)作用，從而減少N2O的排放[19]：一是生物炭基質(zhì)本身的B電子導(dǎo)體以及衍生的B電子穿梭來自生物炭表明的錕-氫錕官能團，可能促進(jìn)電子向土壤反硝化微生物的轉(zhuǎn)移；二是生物炭的親水性及其與土壤微團聚體的相互作用，可以保護(hù)土壤微生物免于暴露氧氣中，從而進(jìn)一步降低了N2O轉(zhuǎn)化的條件[14]；三是生物炭在某些情況下可能會增加N2O還原細(xì)菌的豐度，從而促進(jìn)N2O還原的酶活性。在容易發(fā)生反硝化作用的土壤(通常是質(zhì)地較好的壤土)中，生物炭對其N2O排放量具有較大的減排效果。相比而言，生物炭可以在亞熱帶和熱帶地區(qū)更大程度上減少土壤N2O排放，其次是溫帶地區(qū)[14]。這是因為該壤土的團聚體的孔隙比砂土或黏土多，從而使土壤中的水分保持更為緊密，有利于反硝化過程的厭氧微場所形成，這有助于生物炭通過調(diào)節(jié)反硝化過程來減少土壤N2O排放[19]。Case等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在施肥砂壤土中，添加生物炭可抑制91%土壤累積N2O量，其中累計反硝化量減少了37%，占土壤N2O排放的85%～95%。

土壤pH被證明是區(qū)域范圍內(nèi)N2O排放差異的主要調(diào)控因子[47]。生物炭本身具有較高的pH可以改善土壤酸度和增加土壤pH緩沖能力來抑制改良酸性土壤的再酸化[37]。硝化和反硝化對N2O排放的關(guān)系并不直接，但土壤pH對這兩個過程的氮轉(zhuǎn)化比率有影響，如，當(dāng)反硝化占優(yōu)勢時，pH較高的土壤中N2O排放會降低，而硝化占優(yōu)勢時，pH較高的土壤中N2O排放則會增加[32]。因此，通過在最佳范圍內(nèi)增加土壤pH來改變硝化和反硝化的N2O產(chǎn)物比率對于減少農(nóng)業(yè)土壤N2O排放具有實際意義。

生物炭對土壤N2O通量的影響與土壤氮轉(zhuǎn)化途徑高度相互作用[14]，而該過程受土壤水分控制[19]。當(dāng)土壤處于相對較低的水分條件(<80%孔隙含水量WFPS)時，硝化作用是產(chǎn)生N2O的主要途徑，生物炭往往會因硝化作用的增加而刺激土壤N2O排放；相反，當(dāng)土壤處于高濕條件(WFPS>80%)時，反硝化作用是產(chǎn)生N2O的主要途徑，生物炭則傾向于減少土壤N2O的排放[19]；在土壤水條件飽和時，添加生物炭的土壤N2O排放可能會增加，特別是在酸性并富含礦質(zhì)氮的稻田土中施用生物炭可以增強硝化作用，土壤pH的增加可以進(jìn)一步刺激硝化作用，從而導(dǎo)致生物炭添加后土壤N2O排放量的增加[32]。在淹水階段或重新潤濕土壤中，生物炭具有更強的N2O減排效果[24]。研究進(jìn)一步表明，生物炭添加通過間接影響土壤水分含量(20%～50%)和植物氮吸收而影響土壤N2O的排放[28]。通過對比土壤粗砂、細(xì)砂和粉砂的保水特性，生物炭在粗砂中表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢，其植物可利用性水分含量增加了45%[48]。

研究表明生物炭與微生物之間的相互作用調(diào)控土壤N2O排放。生物炭改變了控制N2O產(chǎn)生的土壤微生物特性，如微生物量、群落組成和活性及功能基因的豐度[2,15,51]。整合分析表明，生物炭增加了微生物生物量，長期低速率添加生物炭會增加微生物多樣性[51]。反硝化過程中N2O還原為N2過程由nosZ基因編碼的N2O還原酶(N2OR)催化，生物炭添加增加了土壤中nosZ基因的豐度，進(jìn)而增加了N2OR酶活性，同時增加生物固氮nifH豐度，從而減少了N2O的排放[2,13]。Aamer等[4]也證實在酸性土壤中，生物炭通過增加亞硝酸鹽還原酶基因(nosZ和nirK)豐度和增加土壤pH(從5.48升至6.11)以緩解N2O的釋放。

3 堆肥處理土壤施用生物炭的N2O減排潛力

堆肥是一種廢物處理技術(shù)，但在堆肥的制備和施用過程中，土壤和環(huán)境中可能會產(chǎn)生一些負(fù)面影響[19,24,52]。例如，牛飼養(yǎng)場糞肥堆肥的生產(chǎn)會排放大量的溫室氣體(如N2O等)[19]。通過促進(jìn)土壤硝化和反硝化作用，各種肥料(豬糞、家禽糞便和農(nóng)家糞便)及其堆肥也可能增加土壤N2O的排放[52]。Rochette等[53]研究表明施用液態(tài)和固態(tài)堆肥比合成肥料在更長的時期內(nèi)導(dǎo)致更多的N2O排放。近些年來，提出了使用生物炭作為堆肥的填充劑來解決堆肥在環(huán)境方面的折衷的新方法[19,54]。

相比生物炭或堆肥單一處理，其兩者混合處理在一定程度上減少了土壤N2O的排放(約56.5%)[24]。生物炭-雞糞堆肥抑制了N2O的細(xì)菌硝化和/或硝化菌的反硝化，通過控制土壤有機碳的穩(wěn)定和微生物功能基因(nirK)的活性，從而大大減少了土壤N2O的排放[24]。另一研究也表明生物炭改良劑可顯著減少糞肥堆肥產(chǎn)生的N2O排放達(dá)54.1%，這主要歸因于抑制了反硝化細(xì)菌的nirK基因豐度[54]。如，Agegnehu等[55]在熱帶地區(qū)開展研究發(fā)現(xiàn)，相比生物炭和堆肥單獨處理，生物炭-堆肥處理顯著地降低了N2O的排放。生物炭與有機肥堆肥顯著改善了土壤性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤肥力和作物產(chǎn)量，改善植物生理生態(tài)參數(shù)(如，葉綠素、葉面氮、葉面磷等)，同時影響溫室氣體的排放。該研究結(jié)果為探索可促進(jìn)土壤碳固存并減少N2O排放的混合原料生物炭提供了理論依據(jù)。

4 生物炭對植物生產(chǎn)力的影響

5 研究展望

近年來，生物炭在土壤中的應(yīng)用已成為固碳和改善土壤質(zhì)量的一種策略，也是為數(shù)不多的具有可持續(xù)發(fā)展共同效益的溫室氣體減排技術(shù)之一。綜合考慮環(huán)境、農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟利益，生物炭和N2O排放的研究應(yīng)進(jìn)行更系統(tǒng)和長期的研究，進(jìn)一步的開展研究建議如下：

1)建立生物炭特性數(shù)據(jù)庫。生物炭特性受其原料、熱解溫度和類型(快、慢)的深刻影響，應(yīng)探索更為豐富生產(chǎn)過程的生物炭。了解初始原料特性如何影響到生物炭特性。生物炭原料研究從農(nóng)林廢棄物、畜牧廢棄物擴展到工業(yè)(紙漿、甘蔗渣)和城市污、水污泥等，以確保生物炭的應(yīng)用功效。為了促進(jìn)信息共享并避免工作重復(fù)，可建立一個生物炭特性數(shù)據(jù)庫[61]。將不同種類原料的生物炭的不同熱解條件(如，預(yù)處理、溫度、加熱速率和反應(yīng)器類型)在統(tǒng)計上與生物炭特性聯(lián)系起來[61]?；诖藬?shù)據(jù)庫，用戶可以通過簡單輸入原料類型和生產(chǎn)條件來查找生物炭特性，通過預(yù)測生物炭特性，為估算生物炭減排農(nóng)業(yè)土壤N2O提供參考依據(jù)。

2)系統(tǒng)性的加強生物炭在N2O減排潛力的估算。大多數(shù)研究在生物炭對土壤性質(zhì)、N2O排放等提供了相關(guān)的見解，但在減排機制和精確估算方面還缺乏系統(tǒng)的研究。特別是對生物炭何時、如何改變以及為什么改變土壤氮轉(zhuǎn)化過程等還缺乏相應(yīng)的理解，使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)N2O減排仍是一項艱巨的挑戰(zhàn)。因此，迫切需要進(jìn)一步加強農(nóng)業(yè)土壤N2O排放研究及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測方法的制定，為農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的估算和減排提供數(shù)據(jù)支撐，量化生物炭施用后每一種減排機制對減少N2O排放總量的貢獻(xiàn)。集中精確探討：生物炭在減少土壤N2O排放的貢獻(xiàn)率；生物炭與植物的相互作用，對作物生產(chǎn)力影響如何？最終提出生物炭在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤“固氮減排”的應(yīng)用。

3)開展長期野外田間試驗。已有關(guān)于生物炭的研究多來自于實驗室或溫室控制試驗，生物炭在小罐或小柱中的性能可能與不同土壤和環(huán)境條件下的田間試驗不同。在野外田間試驗中，由于生物炭特性、試驗條件和土壤性質(zhì)不同，以及生物炭和土壤會受到長期風(fēng)化，致使野外田間試驗和室內(nèi)控制研究結(jié)果存在差異。此外，現(xiàn)有研究多是短期的研究結(jié)果，生物炭減緩農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O排放的研究需進(jìn)行長期的研究，以便更好地了解生物炭在施用后如何隨著時間的推移產(chǎn)生的影響，因此長期野外田間試驗顯得尤為重要。此外，生物炭老化對生物炭減緩N2O排放的能力的影響也需要進(jìn)一步研究。已有研究發(fā)現(xiàn)在土壤中老化3年后，生物炭對土壤N2O排放的影響有所降低[17]。生物炭的確切使用壽命及其長期影響尚不清楚，導(dǎo)致生物炭緩解N2O排放能力喪失的原因有待進(jìn)一步探索。

致謝

感謝江西省水利科學(xué)院謝頌華教授、鄭海金教授和江西省紅壤研究所黃欠如研究員、成艷紅研究員的支持與幫助。