生物質(zhì)炭添加對土壤氧化亞氮排放影響的研究進展

郭凡婧 申衛(wèi)收 熊若男 王一頔 李天玲 王玉軍

0 引言

全球變暖是當今人類遇到最嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一.根據(jù)2021年政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告，2011年以來，大氣中溫室氣體含量持續(xù)增加，CO2、CH4、N2O的年平均質(zhì)量濃度分別為805.36 mg·m-3、1 332.86 μg·m-3和652.14 μg·m-3[1].21世紀前20年(2001—2020年)全球平均溫度比1850—1900年平均值高0.99 ℃，而2011—2020年間全球平均溫度較1850—1900年平均值高1.09 ℃，人類活動排放的大氣溫室氣體的增加是導致全球平均溫度升高的主要原因.其中，N2O是一種長壽命溫室氣體，盡管在大氣中含量只是CO2的1/1 000，但其增溫潛勢卻是CO2的265倍[2].N2O在對流層中非常穩(wěn)定，其大氣壽命約為114年到131年之間[3-5]，還會通過紫外光光解在平流層中造成臭氧的破壞[6].近幾十年來，大氣中N2O質(zhì)量濃度幾乎呈線性增長，據(jù)估計，工業(yè)化前的N2O水平約為530.36 μg·m-3，2016年的N2O水平為646.84 μg·m-3[7],比工業(yè)化前的水平高出22%.全球N2O濃度可能在未來幾十年內(nèi)持續(xù)上升，預計到2030年，農(nóng)業(yè)土壤對N2O總排放量的貢獻率將高達59%[8].大氣中N2O有57%是自然來源，主要來自土壤和海洋，其余43%是人為來源，其中70%為農(nóng)業(yè)源，包括施用化學氮肥和有機肥、生物燃料燃燒、人類排泄物等.農(nóng)業(yè)源中主要以土壤N2O排放為主[9]，這也是大氣中N2O濃度升高的最主要人為因素.另外，包括化石燃料和工業(yè)(主要是尼龍和硝酸生產(chǎn))在內(nèi)的直接人為源占排放總量的27%[10].土壤中N2O的排放與消除由一系列微生物過程所驅(qū)動，最主要的來源是由硝化作用、反硝化作用和異化硝酸鹽還原為氨的過程等反應所生成[11]，但能有效減少土壤N2O排放的生物技術卻很少，具有nosZ基因的細菌可以將N2O還原為N2，是目前已知唯一的N2O消除途徑[8].在全球范圍內(nèi)，農(nóng)業(yè)土壤是公認的人為排放N2O的最大貢獻者，因此減少農(nóng)業(yè)土壤N2O排放至關重要.

針對減少農(nóng)業(yè)土壤N2O排放已經(jīng)有很多研究報道，常見的技術方法有改進灌溉方式[12]、優(yōu)化施肥用量及施肥方式、使用硝化抑制劑提高氮肥利用率[13-14]、接種微生物[15-16]和利用生物質(zhì)炭[17-18]等.其中添加生物質(zhì)炭是減少農(nóng)田土壤N2O的重要措施之一，作為一種低氧熱解產(chǎn)生的堿性碳材料[19]，生物質(zhì)炭具有大的比表面積、強吸附/吸收能力、低價環(huán)保、易與多種方法聯(lián)合使用等優(yōu)點，已在農(nóng)業(yè)上廣泛應用.例如，有學者通過薈萃分析發(fā)現(xiàn)土壤中生物質(zhì)炭的添加會使得N2O排放量顯著減少54%[17]，但也有結果表明生物質(zhì)炭對N2O的排放沒有影響[20-23]，甚至會增加N2O排放量[24-26].關于添加生物質(zhì)炭減少農(nóng)業(yè)土壤N2O的排放還需要進行深入研究，添加生物質(zhì)炭對減少土壤N2O排放的效應、機理和關鍵影響因素尚不清楚.本文旨在綜述添加生物質(zhì)炭對農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的影響，明確可能的減排機制及影響因素，為未來研究農(nóng)業(yè)土壤N2O減排提供理論依據(jù)和實際指導.

1 生物質(zhì)炭的基本特征及其應用

生物質(zhì)具有可再生性及低污染等特性，在環(huán)境修復中應用廣泛.有些生物質(zhì)(例如雜草、秸稈、糞便、樹葉、麥稈、種子殼、城市垃圾等)在缺氧或無氧的條件下經(jīng)過高溫操作，使生物質(zhì)這些有機材料通過熱解生成一種富碳產(chǎn)物，即生物質(zhì)炭[27](圖1).

圖1 生物質(zhì)炭的來源、特點及應用Fig.1 Source,characteristics and application of biochar

早在19世紀，科學家們就在亞馬遜流域展開了對生物質(zhì)炭的研究[28]，它是一種低成本生物吸附材料，具有豐富多孔的結構，例如Kim等[29]的研究發(fā)現(xiàn)在生物質(zhì)炭中存在許多不同大小的孔，每個孔對于生物質(zhì)炭材料的吸附性能都起著至關重要的作用.生物質(zhì)炭是一種堿性材料，能夠改變土壤pH值[30]，且具有優(yōu)異的導電性和表面豐富的官能團[31].生物質(zhì)炭結構與特性通常與制備條件密切相關，熱解溫度的升高會形成穩(wěn)定性高且具有芳香族碳結構的生物質(zhì)炭，例如其孔隙率和表面積會隨著溫度的增加而顯著升高[29].這會導致具有較小粒度分布的生物質(zhì)炭顆粒比例不斷增加，從而使之具有比表面積大、透氣性良好等特性，可以為微生物生長提供良好的介質(zhì).

近年來，生物質(zhì)炭作為一種環(huán)境友好的碳質(zhì)材料，在空氣污染[32]、廢水處理[33-35]、污染土壤的修復[36-37]、土壤碳匯和土壤地力提升[38]等方面的應用引起了越來越多的關注.生物質(zhì)炭表面富含負電荷，這一大特征使其同其他碳材料相比與土壤中的重金屬陽離子具有更高的親和力，可以將重金屬陽離子吸附在生物質(zhì)炭表面以達到去除污染的目的[39-40].這也是生物質(zhì)炭用于土壤重金屬污染修復的重要機制，使生物質(zhì)炭被廣泛應用于土壤環(huán)境污染的治理.隨著對生物質(zhì)炭相關研究的不斷深入，很多學者發(fā)現(xiàn)在土壤中施用生物質(zhì)炭還可以減少溫室氣體排放[41-42].例如，在Zhang等[43]的研究中使用小麥秸稈生產(chǎn)的生物質(zhì)炭改良水稻土，在田間試驗中實現(xiàn)N2O 排放減少了41.8%.然而，施加生物質(zhì)炭對土壤N2O的減排作用不盡相同，因此需要對不同的生物質(zhì)炭進行廣泛深入的研究，明確其在減少農(nóng)業(yè)土壤N2O排放中的效果.

2 添加生物質(zhì)炭對土壤N2O排放的影響

2.1 添加生物質(zhì)炭能夠減少土壤N2O的排放

生物質(zhì)炭獨特的性質(zhì)使其應用在各個領域，向土壤中添加生物質(zhì)炭減少N2O就是其中最為重要的應用之一.早在2005年，Rondon等[44]首次報道了利用生物質(zhì)炭減少N2O排放，他們發(fā)現(xiàn)在哥倫比亞大草原極酸性、低肥力的氧化土中種植大豆和熱帶禾草并施加木質(zhì)生物質(zhì)炭后，土壤的N2O排放量分別減少了50%和80%.從那時起，添加生物質(zhì)炭成為減排農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的重要技術手段，評估生物質(zhì)炭處理土壤N2O排放的研究數(shù)量呈指數(shù)增長，不少學者也都證明了生物質(zhì)炭具有減緩溫室氣體N2O排放的潛力.Wang等[45]向茶園土壤中添加了生物質(zhì)炭，發(fā)現(xiàn)在試驗前20 d，添加生物質(zhì)炭的處理土壤N2O相對于不添加的對照顯著降低了51.1%.Case等[18]研究了施用生物質(zhì)炭對芒果土壤N2O排放的影響，經(jīng)4個月的室內(nèi)模擬試驗，添加闊葉木生物質(zhì)炭減少了濕潤土壤的N2O排放；在施加生物質(zhì)炭后60 h內(nèi)，施用量為1%、2%、5%和10%生物質(zhì)炭處理中，N2O累積排放量分別比無生物質(zhì)炭對照降低了19%、19%、73%和98%.Malghani等[46]研究了在農(nóng)林土壤中添加玉米生物質(zhì)炭對土壤N2O排放的影響，結果發(fā)現(xiàn)施加生物質(zhì)炭的土壤N2O排放量相較于對照土壤大大降低.Lan等[47]通過盆栽試驗研究了添加高熱解溫度下產(chǎn)生的生物質(zhì)炭對土壤N2O排放的影響，結果表明所有生物質(zhì)炭處理在施加氮肥(75%～85%)與不施加氮肥(33%～45%)條件下均顯著減少了N2O排放量.Wu等[30]的研究結果表明，在堿性農(nóng)田土壤中施加生物質(zhì)炭2年以上和只施加新鮮生物質(zhì)炭的處理N2O排放量分別降低了36.5%和14.1%.添加生物質(zhì)炭減少土壤N2O排放的相關研究大多是短期室內(nèi)模擬試驗，長期減排潛力的相關研究相對較少.Case等[48]進行了長達2年的田間原位試驗以明確生物質(zhì)炭能否減少農(nóng)業(yè)土壤N2O的排放，結果顯示，添加生物質(zhì)炭可以使N2O在2年內(nèi)減少37%.Wu等[49]進行了為期6年的長期定位試驗，對我國東南部稻麥輪作系統(tǒng)施用生物質(zhì)炭 (0、20和40 t·hm-2)的N2O排放情況進行了監(jiān)測，結果表明，相較于不添加生物質(zhì)炭的對照處理，添加生物質(zhì)炭使土壤N2O排放量顯著減少了19.5%～26.3%，這一結果明確了生物質(zhì)炭在較長時間尺度上減少土壤N2O排放的效應.

除了大量室內(nèi)模擬或田間原位試驗以外，不少學者還對文獻進行了統(tǒng)計綜合分析，例如Cayuela等[17]對2007—2013年間發(fā)表的30項研究中261個試驗處理進行了分析，結果表明，在實驗室和田間原位條件下，生物質(zhì)炭的施加使得土壤N2O排放降低了54%.He等[50]對91篇已發(fā)表的論文進行了薈萃分析，得出施用生物質(zhì)炭使得土壤N2O排放通量降低了30.92%.Song等[51]對61項研究中的296項相關試驗進行了薈萃分析，結果顯示在實驗室條件下添加生物質(zhì)炭使土壤N2O減少了15%，在田間原位條件下可以減少19%，平均減少了16%.Liu等[52]的薈萃分析結果表明，添加生物質(zhì)炭后土壤N2O排放量顯著降低了32%.從上述結果可以看出，添加生物質(zhì)炭可以明顯減少農(nóng)業(yè)土壤N2O的排放.

2.2 添加生物質(zhì)炭對土壤N2O的排放沒有影響

少數(shù)研究結果發(fā)現(xiàn)向土壤中添加生物質(zhì)炭對N2O的排放沒有影響.Spokas等[53]研究表明田間老化生物質(zhì)炭相對于不添加的對照并不能顯著減少或增加N2O的排放.Suddick等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，向農(nóng)業(yè)土壤添加高溫核桃殼生物質(zhì)炭相對于對照處理，無論是在7 d內(nèi)還是在1年內(nèi)N2O排放量均沒有顯著性影響.Buchkina等[23]研究了向耕地土壤中添加生物質(zhì)炭對N2O排放的影響，在整個試驗期間，施用快速高溫熱解的生物質(zhì)炭對土壤N2O排放并沒有減排效果.這可能是由于所研究土壤中植物有效氮水平較低，從而弱化了生物質(zhì)炭對土壤N2O排放的影響.

2.3 添加生物質(zhì)炭能夠增加土壤N2O的排放

隨著對生物質(zhì)炭相關研究的不斷深入，一些研究結果顯示在土壤中添加生物質(zhì)炭不僅不會減少，反而會增加土壤N2O的排放.Clough等[26]在牧場土壤中施加松木生物質(zhì)炭，檢測其對施用牛尿后土壤N2O的排放，在這項基于實驗室的研究中，添加生物質(zhì)炭處理的N2O通量相對于不添加的對照并沒有明顯降低，并且在一段時間內(nèi)刺激了N2O的排放.Lin等[54]研究了生物質(zhì)炭對水稻土N2O排放的影響，經(jīng)過45 d的室內(nèi)模擬試驗發(fā)現(xiàn)添加4%生物質(zhì)炭的處理顯著增加了未施肥與施肥土壤的N2O排放量，分別增加了291%和256%；此外，添加1%生物質(zhì)炭的處理在施用氮肥的情況下顯著增加了土壤N2O的排放量.Hawthorne等[55]的研究表明，在不施加尿素的情況下，添加1%生物質(zhì)炭的處理土壤N2O排放量相對于不添加的對照無顯著差異，而添加10%生物質(zhì)炭的處理土壤N2O排放量增加了191%.雖然Wu等[30]的研究發(fā)現(xiàn)向堿性土壤中添加生物質(zhì)炭可以減少N2O的排放量，但在酸性土壤中情況有所不同，添加新鮮生物質(zhì)炭處理比對照處理N2O 排放增加了150.1%.Verhoeven等[25]向加利福尼亞州中北部的一個商業(yè)釀酒葡萄園土壤中添加5%的生物質(zhì)炭，結果表明，松木生物質(zhì)炭處理每年的N2O累積排放量均顯著高于不添加的對照處理，核桃生物質(zhì)炭處理每年的N2O排放量雖然相較于對照差異不顯著，但也高于對照.Escuer-Gatius等[56]通過室內(nèi)盆栽試驗研究了添加干草生物質(zhì)炭對施用有機肥土壤的N2O減排效果，添加生物質(zhì)炭的處理相對于不添加的對照并沒有減少土壤N2O排放量,但隨著生物質(zhì)炭的添加，產(chǎn)生了更高的N2O生成量，其累積排放量顯著高于不添加的對照土壤.Buchkina等[23]向土壤表層添加生物質(zhì)炭，發(fā)現(xiàn)高溫(900 ℃)工藝制作的生物質(zhì)炭顯著增加了N2O的排放.因此，不能籠統(tǒng)地認為添加生物質(zhì)炭可以減少農(nóng)業(yè)土壤N2O，需要深入認識利用生物質(zhì)炭減少土壤N2O排放的機理，明確其起作用的先決條件和決定其減排效應的關鍵環(huán)境因子.

目前已有大量研究結果顯示利用生物質(zhì)炭能夠減排農(nóng)業(yè)土壤N2O，說明該技術具有可行性，但不同生物質(zhì)炭會因為本身性質(zhì)的不同或土壤的空間變異性等表現(xiàn)出不同的影響效應.例如，生物質(zhì)炭原材料的差異會使其孔隙率或比表面積發(fā)生改變，這會影響周圍土壤的微生物群落，而土壤N2O排放情況也會隨之而產(chǎn)生差異，而土壤性質(zhì)[23]也會影響生物質(zhì)炭減排土壤N2O的效應，因此克服生物質(zhì)炭空間差異以減少土壤的N2O排放是十分困難的，并且具有高度的不確定性.為了制定更有效的緩解策略來抵消N2O的增加，有必要更好地了解導致土壤N2O形成的潛在機制，探索利用生物質(zhì)炭減排土壤N2O可能的機制有助于調(diào)控土壤N2O的排放.

添加生物質(zhì)炭對土壤N2O排放的影響如表1所示。

3 生物質(zhì)炭影響土壤N2O排放的機制

生物質(zhì)炭的加入對土壤中N2O的影響途徑有很多種，具有復雜性與時空變異性，這可能是生物過程和非生物過程相互作用的結果，因此，本文將從生物與非生物機制這兩個方面論述添加生物質(zhì)炭減少土壤N2O排放的潛在機制.

3.1 生物機制

土壤中N2O由硝化作用、反硝化作用和異化硝酸鹽還原為氨的過程等一系列微生物驅(qū)動的反應所生成[11]，以硝化作用和反硝化作用為主，生物質(zhì)炭的施入會影響這些微生物過程，從而影響土壤N2O的排放.

Chen等[66]發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭顯著增加了反硝化細菌群落的豐度，較低熱解溫度生成的生物質(zhì)炭具有的酚類官能團可以作為電子供體參與反硝化的電子傳遞，同時也顯著增加了硝酸鹽還原菌的數(shù)量、促進了N2O還原為N2，而高溫熱解條件下生成的生物質(zhì)炭中具有的醌類官能團作為電子匯減少了總氮的反硝化，同時增加了含有nosZ基因的反硝化細菌、促進了N2O還原為N2，且所有生物質(zhì)炭處理的N2O累積排放量和N2O/(N2O+N2)比值都顯著降低.這表明添加生物質(zhì)炭能夠通過加強反硝化作用最后一步將N2O還原為N2來減少N2O的排放.Harter等[67]觀察到的含有nosZ的微生物豐度和基因表達水平會隨著生物質(zhì)炭的添加而增加，這會促進微生物直接將N2O還原為N2，從而減少土壤N2O的凈排放，這一現(xiàn)象也為Cayuela等[63]結果中N2O/(N2O+N2)比值下降提供了證據(jù).在Wu等[49]長達6年的田間原位試驗中，生物質(zhì)炭和氮肥處理顯著提高了nosZ的豐度，同時降低了nirS和nirK的豐度，這說明生物質(zhì)炭不僅對N2O產(chǎn)生過程具有抑制作用，還可以促進N2O進一步還原為N2.這一結果為利用生物質(zhì)炭減少土壤N2O排放提供了直接證據(jù).

也有學者對生物質(zhì)炭增加土壤N2O排放這一現(xiàn)象提出了一些可能機制.Ji等[68]發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭會提高氨氧化細菌amoA的豐度，氨氧化細菌在硝化過程中會驅(qū)動硝化速率加快，從而誘導土壤N2O的排放增加.生物質(zhì)炭減少N2O排放的有效性與其在土壤中主要的N2O產(chǎn)生途徑有關，當硝化作用對N2O產(chǎn)生的相對貢獻遠大于反硝化作用時，添加生物質(zhì)炭后氨氧化細菌數(shù)量的增加可能會對土壤N2O排放產(chǎn)生促進作用.反之，當反硝化作用是N2O生成的主要途徑時，N2O排放凈通量取決于NO3-還原為N2O和N2O還原為N2的過程之間的平衡.Lin等[54]和Zhang等[69]的研究也發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭會提高氨氧化細菌amoA的豐度.

總的來說，生物質(zhì)炭具有石灰效應且擁有多孔結構和大比表面積，這會減少土壤N2O的排放，添加到土壤中的生物質(zhì)炭會抑制N2O的產(chǎn)生過程，作為電子穿梭體促進N2O還原為N2以達到減少土壤N2O 排放的目的，但當土壤N2O生成途徑發(fā)生改變時也會增加其排放量.如何調(diào)控生物質(zhì)炭的加入減少土壤N2O的排放，還需要深入地探索生物質(zhì)炭與N2O 產(chǎn)生和還原微生物的相互作用.

3.2 非生物機制

盡管生物機制和過程可能在調(diào)節(jié)土壤N2O排放中發(fā)揮關鍵作用，但非生物過程也可能對其產(chǎn)生影響.土壤中的N2O生成與消耗過程中的非生物過程比較少，除了微生物過程以外的一些非生物調(diào)節(jié)機制所產(chǎn)生的N2O作用主要來自于化學反硝化[70].化學反硝化是指通過任何非生物化學反應所形成NO、N2O、N2的過程(圖2)，包括：①NH2OH與亞硝酸鹽(NH2OH+HNO2→N2O+2H2O)反應產(chǎn)生N2O[71]；②亞硝酸鹽(NO2-)的化學分解[70]；③硝酸銨在反應表面潮濕且具有光照的條件下分解生成N2O[72].在這些過程中，生物質(zhì)炭作為“催化劑”的作用不容小覷.許多學者通過研究證明生物質(zhì)炭減緩土壤N2O排放過程中存在非生物機制.Lin等[73]進行了室內(nèi)培養(yǎng)試驗研究微生物對添加生物質(zhì)炭土壤N2O排放的貢獻，結果發(fā)現(xiàn)，相較于生物質(zhì)炭處理，微生物處理的N2O生成量沒有顯著差異，所以無法將產(chǎn)生的N2O的原因完全歸咎于特定的微生物群(例如真菌或細菌).這也表明在添加生物質(zhì)炭的土壤中存在非生物過程產(chǎn)生或消耗N2O的途徑.因此，研究生物質(zhì)炭影響土壤N2O排放的非生物機制，對于進一步了解影響N2O產(chǎn)生和消耗的過程具有重要意義.

①NH2OH與亞硝酸鹽反應產(chǎn)生N2O；②亞硝酸鹽的化學分解；③硝酸銨分解生成N2O圖2 化學反硝化過程可能發(fā)生的反應Fig.2 Possible reactions in the process of chemical denitrification

盡管許多學者從生物與非生物角度研究了利用生物質(zhì)炭減少土壤N2O的排放以及可能的機制，但得到的結果都相對單一、系統(tǒng)性不夠強，生物質(zhì)炭影響土壤N2O排放的具體機制還沒有明確的定論，相關的生物或非生物機制仍需進一步探究.在研究機制的同時，不同的生物質(zhì)炭、不同的土壤類型等關鍵因素會對生物質(zhì)炭在實際應用中的減排效應產(chǎn)生影響，因此明確影響生物質(zhì)炭減少土壤N2O排放的關鍵因素也十分重要.

4 生物質(zhì)炭影響農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的關鍵因素

4.1 生物質(zhì)炭性質(zhì)

4.1.1 原料與熱解條件

Yu等[81]發(fā)現(xiàn)不同的原料或不同的熱解條件下制備的生物質(zhì)炭的性質(zhì)通常不同，而生物質(zhì)炭的性質(zhì)差異會對土壤中N2O的排放產(chǎn)生影響.Li等[82]的研究結果表明，與動物糞便和生物固體產(chǎn)生的生物質(zhì)炭相比，木質(zhì)和草本生物質(zhì)炭顯示出更好的減少N2O排放的效應.Cayuela等[17]的薈萃分析中，也發(fā)現(xiàn)木材和草本生物質(zhì)炭施入土壤后N2O排放量會顯著減少.在熱解溫度方面，Li等[82]發(fā)現(xiàn)施用高溫生物質(zhì)炭(>600 ℃)在降低N2O排放方面更為有效.Keiluweit等[83]和Bird等[84]的研究結果表明隨著溫度的增加，生物質(zhì)炭孔隙率和表面積隨之顯著升高，而比表面積對生物質(zhì)炭所產(chǎn)生的的效應也具有一定的影響，生物質(zhì)炭孔隙多且大的特征有利于微生物的生長.Liao等[85]的研究結果表明，比表面積大的生物質(zhì)炭可招募更多的N2O還原細菌以減少土壤N2O的排放.不同的熱解溫度對生物質(zhì)炭表面的官能團也有很大的影響.例如，Yuan等[65]發(fā)現(xiàn)在600～800 ℃下生成的生物質(zhì)炭具有相對較低的羧基官能團，有利于減少土壤N2O排放，在<400 ℃下產(chǎn)生的生物質(zhì)炭含有相對較高的羧基，這會通過與N2O還原微生物競爭電子，抑制N2O的還原過程，從而增加土壤N2O的排放.

4.1.2 碳氮比

生物質(zhì)炭的C/N(碳氮比)在減少土壤N2O排放中起著決定性的作用.Cayuela等[17]的研究結果表明生物質(zhì)炭的C/N高于30時，土壤N2O排放會顯著減少.Rittl等[22]向土壤添加9種不同的生物質(zhì)炭，結果發(fā)現(xiàn)相對于高C/N的生物質(zhì)炭，添加低C/N的生物質(zhì)炭會增加土壤N2O的排放，而高溫熱解生成的生物質(zhì)炭具有更高的C/N，這與前文提到的高熱解溫度下所產(chǎn)生的生物質(zhì)炭更能減少土壤N2O排放的觀點相一致.

4.1.3 添加量

生物質(zhì)炭的添加量是減少土壤N2O排放的重要影響因素.Case等[18]發(fā)現(xiàn)添加1%、2%、5%和10%的生物質(zhì)炭處理中，60 h內(nèi)土壤的N2O累積排放量分別比無生物質(zhì)炭的對照低19%、19%、73%和98%，表明N2O累積排放量隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而減少.Shakoor等[86]的薈萃分析結果表明，≤30 t·ha-1的生物質(zhì)炭添加量是保持作物較高產(chǎn)量和減少土壤N2O排放的最適宜用量.

4.1.4 老化程度

生物質(zhì)炭在土壤中會隨著時間的推移而逐漸老化，生物質(zhì)炭老化對土壤N2O排放的影響較為復雜.老化過程會使生物質(zhì)炭表面官能團發(fā)生氧化.Yuan等[64]的研究結果表明含氧官能團會促進土壤N2O的排放.Duan等[87]發(fā)現(xiàn)老化生物質(zhì)炭顯著促進了土壤的硝化和反硝化作用，N2O排放量增加了43～78%.Wang等[88]研究發(fā)現(xiàn)老化后的生物質(zhì)炭表面具有豐富的微生物群落結構，其中包括促進或減少N2O 排放的微生物群落，但生物質(zhì)炭老化對微生物群落結構和基因豐度的影響及其與土壤N2O排放的關系還有待于進一步研究.

4.2 氮肥施用量

氮肥的施用量也會對生物質(zhì)炭改善土壤N2O排放產(chǎn)生影響.Sun等[57]研究結果表明，施氮量分別為0、60和120 kg·hm-2·a-1時，生物質(zhì)炭改良劑對農(nóng)田土壤N2O減排效果隨著施氮量的增加而增強，N2O累積排放量分別減少了18.4%、17.3%和22.9%.Lan等[47]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對施用氮肥處理的土壤N2O減少幅度(75%～85%)高于不施用氮肥的處理(33%～45%).Wang等[89]發(fā)現(xiàn)氮肥施用量越高，生物質(zhì)炭對反硝化過程的抑制作用越明顯，能夠顯著減少土壤N2O的排放.

4.3 土壤理化性質(zhì)

4.3.1 土壤水分含量

土壤水分條件會影響生物質(zhì)炭減少土壤N2O排放的效果.Stark等[90]認為擴散路徑長度會因為含水率低而變得曲折，生物質(zhì)炭的加入使氣體流動路徑更加曲折，提供了更多的吸附點從而減少了N2O的釋放，而高含水率時擴散路徑曲折性降低，土壤N2O排放量則會明顯增加.He等[79]也證明了隨著土壤孔隙含水量(WFPS)的增加，N2O排放量會顯著增加.該結果為Stark等[90]的猜想提供了證據(jù)，因此含水率的不同會使生物質(zhì)炭對土壤N2O排放的影響產(chǎn)生差異.Yanai等[76]發(fā)現(xiàn)土壤含水率接近飽和時生物質(zhì)炭處理土壤N2O排放量越高，而含水率較小時生物質(zhì)炭處理的N2O排放量則減少.

4.3.2 土壤質(zhì)地

相同的生物質(zhì)炭施用于不同土壤時對N2O排放會具有不同的影響.Shakoor等[86]的薈萃分析結果表明，在不同土壤類型上，生物質(zhì)炭在較細土壤(黏土、粉黏土、砂黏土)或中等土壤(壤土、黏壤土、粉土、粉黏壤土、粉壤土)的N2O釋放量最高，而在粗糙土壤(砂黏壤土、砂壤土、壤砂土)中施用生物質(zhì)炭則顯著減少了N2O的排放.Cayuela等[63]的研究表明在質(zhì)地較細的土壤中添加生物質(zhì)炭降低了N2O/(N2+N2O).土壤質(zhì)地的影響主要取決于土壤的濕度，Cayuela等[17]的薈萃分析結果表示低濕度條件下(WFPS<80%)生物質(zhì)炭會減少粗糙土壤N2O的排放，而高濕度條件下(WFPS>80%)，生物質(zhì)炭更傾向減少質(zhì)地細膩土壤的N2O排放.

5 結論與展望

盡管利用生物質(zhì)炭減少農(nóng)業(yè)土壤N2O的排放取得了較大的進展，但是還存在很多問題與難點.首先，生物質(zhì)炭在土壤中會逐漸老化，由于長期的物理、化學和生物作用影響，它的表面官能團會在老化過程中不斷被氧化，其表面氧化官能團的豐度會增加(如羧基官能團)[64-65]，這會使生物質(zhì)炭與微生物競爭電子從而抑制N2O還原為N2，對土壤N2O排放的緩解潛力減弱，甚至從抑制土壤N2O排放轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M土壤N2O排放.制備羧基豐度較低的生物質(zhì)炭，并評價其對土壤N2O排放的影響，避免或抵消這種氧化所帶來的負效應，將成為未來的一個研究重點.隨著處理時間的延長，生物質(zhì)炭的吸附量也會有所下降[74]，這可能會帶來潛在的生態(tài)風險，未來應考慮長期施用生物質(zhì)炭引起的飽和效應.其次，已有的研究中基于田間原位試驗較少，獲得的結果也非常有限，在室內(nèi)模擬條件下的發(fā)現(xiàn)和機制可能與田間原位條件下有所不同，不能簡單類推到野外田間條件下[69].因此，有必要進行更廣泛的田間原位試驗，研究施用生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤N2O的影響和長期效應，揭示減少N2O排放的機制.再次，由于缺乏長期系統(tǒng)的研究結果，利用生物質(zhì)炭減少N2O排放的關鍵影響因素知之甚少，因此迫切需要進行系統(tǒng)深入的研究，明確原料、熱解條件、產(chǎn)品特性、土壤特性、作物類型、灌溉率、田間管理條件等更多、更詳細的信息[86]，在農(nóng)田土壤中應用生物質(zhì)炭來減緩溫室氣體排放之前，充分考慮這些重要因素，為進一步研究生物質(zhì)炭減排土壤N2O機制的研究提供更多的可能；同時，進一步明確添加生物質(zhì)炭引起的土壤微生物群落的變化，嘗試從微生物角度深入細致研究利用生物質(zhì)炭減排土壤N2O的生物機制[85]，例如明確生物質(zhì)炭可以在土壤中招募的微生物群落類型，分離篩選含有nosZ基因的菌群，從實驗室純培養(yǎng)角度出發(fā)以探究兩者之間的相互作用，延伸至轉(zhuǎn)錄組或功能基因轉(zhuǎn)錄本的量化，探明其中機制；此外，這些結果是基于在沒有種植植物的微宇宙中進行的短期培養(yǎng)，今后應當考慮田間條件下可能的植物-土壤-生物炭相互作用[85].最后，可以利用生物質(zhì)炭作為載體，將分離篩選的N2O還原細菌定殖于生物質(zhì)炭表面，合成新型微生物生物質(zhì)炭材料，運用于田間尺度或區(qū)域尺度測試其對N2O減排的貢獻，這也為土壤 N2O的減排提供了一個新思路.總而言之，在土壤中添加生物質(zhì)炭減排土壤N2O是一種低成本、高效益、切實可行的方法，可為我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳中和戰(zhàn)略目標提供重要技術參考.