添加生物炭和氮素對酸性土壤CO2 和N2O 排放的影響

史雅童，潘亞男，曹文超，郭景恒，王婭靜

（1.河北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071000；2.中國農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，北京 100193；3.濰坊科技學院，山東 壽光 262700）

全球氣溫上升是當前環(huán)境領域關注的熱點問題，其原因主要是大氣中二氧化碳（CO2）、氧化亞氮（N2O）和甲烷（CH4）等溫室氣體（Greenhouse gas，GHG）濃度的日益增加［1］。土壤作為GHG的重要排放源，其對GHG 的貢獻已引起國內(nèi)外學者的高度重視。土壤排放CO2、N2O 和CH4分別主要是通過土壤呼吸和有機質(zhì)的好氧分解、土壤硝化—反硝化過程及有機質(zhì)的厭氧發(fā)酵，過程較復雜且受多種因素影響［2-3］。

生物炭作為一種低成本、環(huán)境友好的炭質(zhì)多孔材料，在減少土壤GHG 排放方面具有潛在的重要性，已成為土壤固碳減排的研究熱點之一［4-5］。生物炭具有pH 值高、孔隙發(fā)達、比表面積大等特點，將其施入土壤后可通過改變土壤理化性質(zhì)或通過物理吸附、化學反應直接或間接影響GHG 排放［6］。有研究表明，添加生物炭可顯著降低土壤GHG 的排放［7-8］。然而，也有研究表明添加生物炭對GHG排放無顯著影響或有促進作用［9-10］。生物炭的不同作用效果可能與生物炭的施用量、種類、裂解溫度以及土壤本身的理化性質(zhì)等有關［11-12］。因此，進一步探索生物炭對土壤GHG 排放的影響機制尤為重要。N2O 在大氣中的含量較低，但對全球變暖和平流層臭氧的影響卻有重要作用［13］。土壤向大氣中釋放N2O 主要是通過反硝化和硝化過程，兩者的相對貢獻與土壤中氮素的形態(tài)有密切關系［14］。有研究表明，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的施用都能增加土壤N2O排放，但作用效果不同［15-17］。氮素形態(tài)對土壤N2O排放的影響尚無定論，其影響機制仍需進一步探索。全球元分析表明，低pH 值可促進土壤N2O 的排放［18］。我國南方森林土壤普遍具有較低的pH 值，同時受較高氮沉降量的影響，其對N2O 的貢獻不容小覷。添加生物炭可在一定程度上增加土壤pH 值，對于減少N2O 排放有潛在意義。因此，本研究以貴州省植物園的酸性森林土壤為研究對象，向土壤中添加生物炭和不同形態(tài)的氮素，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗探索生物炭和氮素添加對土壤CO2和N2O 排放的影響，以期為實現(xiàn)土壤GHG 減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自貴州省植物園（26°37′N, 106°43′E）。該地位于貴陽市北郊鹿沖關，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫14 ℃，年平均降水量1 200 mm。采樣點成土母巖為砂巖，土壤類型為黃壤。為減少土壤本底氮素的影響，根據(jù)土壤發(fā)生層采集B 層（20～40 cm 土層）土壤。經(jīng)過去雜、過篩（2 mm）和充分混勻后裝入密封袋中置于4℃冰箱中保存。利用常見分析方法測得土壤有機碳含量為58.23 g/kg，總氮含量為2.67 g/kg，硝態(tài)氮含量為0.01 mg/kg，銨態(tài)氮含量為2.04 mg/kg，含水率為28.67 %，pH 值為3.92。所用生物炭購于河南譽中奧農(nóng)業(yè)科技有限公司，其有機碳含量為350 g/kg，pH 值為10.24，速效磷含量為10.20 g/kg，速效鉀含量為55.65 g/kg，容重為0.19 g/cm3，總孔隙度為67.03 %。

1.2 試驗設計

試驗設置3 個生物炭水平，分別為0、30 和60 g/kg；氮素類型包括硝態(tài)氮（KNO3）和銨態(tài)氮（(NH4)2SO4），均為2 個水平，分別為0 和30 mg N/kg。為明晰反硝化和硝化過程對土壤GHG 排放的貢獻，添加硝態(tài)氮處理進行厭氧培養(yǎng)，添加銨態(tài)氮處理進行好氧培養(yǎng)?；诖耍瑓捬跖囵B(yǎng)設置6 個處理：1）CK，空白對照（不添加生物炭和氮素）；2）B30，僅添加30 g/kg 生物炭；3）B60，僅添加60 g/kg 生物炭；4）NN，僅添加30 mg/kg 硝態(tài)氮；5）B30-NN，添加30 g/kg 生物炭和30 mg /kg 硝態(tài)氮；6）B60-NN，添加60 g/kg 生物炭和30 mg /kg硝態(tài)氮。與厭氧培養(yǎng)的處理相似，好氧培養(yǎng)同樣設置6 個處理，添加氮素為銨態(tài)氮（AN）。所有處理均設3 次重復。

1.3 試驗過程

稱取3 份1.0 kg 新鮮土壤分別加入0、30 和60 g生物炭，混勻后裝入密封袋中于4 ℃冰箱中保存。分別稱取30 g 不同生物炭水平的土壤樣品于120 mL血清瓶內(nèi)，用橡膠塞和鋁蓋密封。為進一步降低土壤本底氮素對后續(xù)試驗的影響，需對樣品進行預培養(yǎng)，即將密封后的血清瓶用充氣抽真空清洗系統(tǒng)（北京帥恩科技有限公司）反復3 次用高純氦氣（He，99.999%）進行沖洗，在人工氣候箱中恒溫（20 ℃）厭氧培養(yǎng)5 d，然后再次進行抽真空并注入含有20%氧氣的氦氧標準混合氣，于人工氣候箱中恒溫（20 ℃）好氧培養(yǎng)5 d。對于厭氧培養(yǎng)，利用注射器向血清瓶中均勻噴灑3 mL 去離子水或濃度為300 mg N/L 的硝酸鉀（KNO3）溶液，而后進行抽真空注入He。對于好氧培養(yǎng)，噴灑3 mL 去離子水或濃度為300 mg N/L 的硫酸銨（(NH4)2SO4）溶液，而后進行抽真空注入含有20%氧氣的氦氧標準混合氣。用裝有去離子水的注射器對所有血清瓶進行平衡氣壓，將血清瓶放入20 ℃恒溫水浴鍋中培養(yǎng)15 d。

1.4 指標測定

土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法進行測定，即利用元素分析儀測定土壤有機碳和總氮含量；用1.0 mol/L 的KCl 溶液浸提土壤后，利用靛酚藍比色法測定浸提液中的銨態(tài)氮（NH4+-N）含量，重氮化偶合比色法測定浸提液中的NO2--N 含量，浸提液流經(jīng)銅鎘還原柱后采用重氮化偶合比色法測定NO3--N含量；采用復合電極法測定土壤pH 值（水土比為2.5∶1，即在25 mL 去離子水中加入10 g 風干土）。血清瓶中CO2和N2O 的濃度利用Robot 系統(tǒng)［19］進行測定，培養(yǎng)過程中每8 h 采集1 次氣體并對其含量進行分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理

在百年尺度上，N2O 的增溫潛勢是CO2的298倍［20］，本研究通過以下公式計算全球增溫潛勢（Global warming potential，GWP）

GWP=R(CO2)+298 *R(N2O)

式中，GWP 表示CO2和N2O 氣體排放的綜合增溫潛勢（CO2-eq mg/kg）；R(CO2)和R(N2O)分別表示試驗結(jié)束時的CO2和N2O 累積濃度，單位為mg/kg。

使用Microsoft Excel 2016 進行數(shù)據(jù)的整理；利用SPSS 24 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；利用Origin 8.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加生物炭和硝態(tài)氮對土壤CO2 和N2O 排放的影響

土壤添加生物炭和硝態(tài)氮在厭氧條件下的CO2濃度變化如圖1（a）所示。CK 處理CO2濃度以逐漸減小的速率緩慢增加，培養(yǎng)結(jié)束時增至5.74 mg C/kg。生物炭添加量為30 g/kg（B30）和60 g/kg（B60）處理的CO2濃度隨時間的變化趨勢與CK 相似，但增加速率明顯高于CK，且B60 處理的速率明顯高于B30 處理。反應結(jié)束時，B60 處理的CO2累積濃度為13.17 mg C/kg，顯著（P＜0.01）高于B30 處理（6.86 mg C/kg）和CK。表明添加生物炭顯著（P＜0.01）促進了厭氧條件下CO2的排放，且促進效果隨生物炭添加量的增加而顯著（P＜0.01）增加。添加30 mg/kg 硝態(tài)氮（NN）處理的CO2濃度基本成線性增加，培養(yǎng)結(jié)束時增至6.96 mg C/kg，顯著（P＜0.01）高于CK。表明添加硝態(tài)氮明顯促進了CO2的排放。與CK 相比，B30-NN 和B60-NN 處理具有更大的CO2排放速率，培養(yǎng)結(jié)束時CO2累積濃度分別增至7.18 和12.28 mg C/kg，均顯著高于CK。表明同時添加生物炭和硝態(tài)氮顯著（P＜0.01）促進了CO2的排放。通過對比發(fā)現(xiàn)，在相同生物炭水平下添加硝態(tài)氮對CO2排放無顯著（P＞0.05）影響，在相同硝態(tài)氮水平下隨著生物炭添加量的增加CO2濃度基本呈增加趨勢。結(jié)合表1 可知，厭氧條件下生物炭水平和硝態(tài)氮水平均對土壤CO2累積排放量有顯著影響，且生物炭水平和硝態(tài)氮水平對土壤CO2排放存在交互影響，單獨添加生物炭對CO2排放的促進效果最大，其次是同時添加生物炭和硝態(tài)氮、單獨添加硝態(tài)氮。

表1 生物炭和氮素水平對土壤CO2 和N2O 累積濃度影響的析因設計方差分析Table 1 Factorial design ANOVA of effects of biochar and N level on soil CO2 and N2O cumulative concentrations

圖1 厭氧條件下CO2 和N2O 濃度的動態(tài)變化Fig.1 Changes in CO2 and N2O concentrations under anaerobic addition

由圖1（b）可知，不同處理的N2O 濃度變化存在較大差異。CK 處理N2O 濃度隨時間大致呈線性增加，培養(yǎng)結(jié)束時N2O 累積濃度為1.77 mg N/kg。B30處理N2O 濃度在192 h 內(nèi)快速增加至2.28 mg N/kg，隨后迅速下降，在280 h 降至低于0.10 mg N/kg，下降速率大于前期的增加速率。B60 處理N2O 濃度在72 h內(nèi)迅速增加至1.95 mg N/kg，峰值低于B30處理，但其具有更大的產(chǎn)生速率。72 h 后N2O 濃度迅速下降，104 h 降至低于0.10 mg N/kg。由此可知，添加生物炭促進了N2O 的產(chǎn)生和進一步的還原，且促進效果隨生物炭水平的增加而增加。NN 處理N2O 排放速率在104 h 內(nèi)與CK 處理基本一致，而后逐漸增加，在208 h 后逐漸降低，培養(yǎng)結(jié)束時N2O 累積濃度為2.20 mg N/kg。結(jié)果表明，添加硝態(tài)氮促進了N2O 的排放。B30-NN 處理，N2O 濃度基本成線性增加，培養(yǎng)結(jié)束時N2O 的累積濃度為4.72 mg N/kg。B60-NN 處理，N2O 濃度在64 h 內(nèi)以逐漸增大的速率快速增加，隨后以逐漸減小的速率逐漸增加，培養(yǎng)結(jié)束時達到5.75 mg N/kg。對比可知，同時添加生物炭和硝態(tài)氮顯著（P＜0.01）促進了N2O 的排放。在相同生物炭水平下添加硝態(tài)氮顯著（P＜0.01）增加N2O 排放，在相同硝態(tài)氮水平下隨著生物炭水平的增加N2O 濃度顯著（P＜0.01）增加。由表1 可知，厭氧條件下硝態(tài)氮水平對土壤N2O 累積排放量有顯著影響，生物炭水平的影響不顯著，生物炭水平和硝態(tài)氮水平存在交互影響。

2.2 添加生物炭和銨態(tài)氮對土壤CO2 和N2O 排放的影響

圖2（a）為土壤添加生物炭和銨態(tài)氮在好氧條件下的CO2濃度變化。CK 處理CO2濃度以逐漸降低的速率緩慢增加，培養(yǎng)結(jié)束時增至7.31 mg C/kg。與CK 處理相比，B30 和B60 處理具有更高的CO2排放速率，培養(yǎng)結(jié)束時CO2累積濃度分別為8.69 和11.46 mg C /kg。表明添加生物炭促進了好氧條件下CO2的排放，且促進效果隨生物炭添加量的增加而顯著（P＜0.01）增加。AN 處理CO2濃度隨時間的變化趨勢與CK 相似，但排放速率高于CK，培養(yǎng)結(jié)束時CO2累積濃度為7.56 mg C/kg，顯著（P＜0.05）高 于CK。B30-AN 和B60-AN 處 理 與CK 處 理 相比具有更大的CO2排放速率，且B60-AN 處理的排放速率大于B30-AN 處理。培養(yǎng)結(jié)束時，B30-AN、B60-AN 處理的CO2累積濃度分別為8.56 和11.78 mg C/kg，表明同時添加生物炭和銨態(tài)氮顯著（P＜0.01）促進了CO2的排放。此外，相同生物炭水平下添加銨態(tài)氮對CO2排放無顯著（P＞0.05）影響，相同銨態(tài)氮水平下隨著生物炭水平的增加CO2濃度顯著（P＜0.01）增加。由表1 可知，好氧條件下生物炭水平對土壤CO2累積排放量有顯著影響，銨態(tài)氮水平的影響不顯著，且生物炭水平和銨態(tài)氮水平無交互作用。

圖2 好氧條件下CO2 和N2O 濃度的動態(tài)變化Fig.2 Changes in CO2 and N2O concentrations under aerobic addition

如圖2（b），好氧條件下各處理的N2O 排放量均較低（＜0.020 mg N/kg）。在CK、B30 和B60 處理，N2O 濃度隨時間的變化趨勢基本一致，即N2O 排放量在72 h 內(nèi)緩慢增加，隨后基本保持不變。不同的是，72 h 內(nèi)的增加速率隨生物炭水平的增加而增加。培養(yǎng)結(jié)束時CK、B30 和B60 處理的N2O 累積濃度分別是0.003、0.009 和0.012 mg N/kg，表明添加生物炭顯著（P＜0.05）促進了N2O 排放。與CK 相似，AN 處理的N2O 排放速率在72 h 內(nèi)緩慢增加，隨后基本保持不變。培養(yǎng)結(jié)束時，N2O 累積濃度為0.003 mg N/kg，與CK 處理差異不顯著（P＞0.05）。培養(yǎng)結(jié)束時，B30-AN、B60-AN 處理的N2O 累積濃度分別為0.009 和0.012 mg N/kg，顯著（P＜0.01）高于CK 處理。對比可知，相同生物炭水平時添加銨態(tài)氮對N2O 排放無顯著（P＞0.05）影響，相同銨態(tài)氮水平時N2O濃度隨生物炭水平增加而顯著（P＜0.01）增加。由表1 可知，好氧條件下生物炭水平對土壤N2O 累積排放量有顯著影響，銨態(tài)氮水平的影響不顯著，且生物炭水平和銨態(tài)氮水平無交互作用。

2.3 添加生物碳和氮素對全球增溫潛勢的影響

如表2 所示，添加生物炭對全球增溫潛勢的影響在厭氧條件和好氧條件下有相反的結(jié)果。

表2 不同處理的全球增溫潛勢Table 2 Global warming potential of different treatments

厭氧條件下，B30 和B60 處理的全球增溫潛勢分別比CK 處理降低了97.01% 和94.30%。然而，好氧條件下分別增加了27.38% 和67.66%。添加氮素在厭氧條件和好氧條件下均使全球增溫潛勢增加，分別增加了24.34%和2.67%。同時添加生物炭和氮素也使全球增溫潛勢顯著增加，厭氧條件和好氧條件下分別增加了163.18%～222.45%和24.60%～71.75%。

3 討論

試驗結(jié)果表明，添加生物炭促進了厭氧和好氧條件下土壤CO2的排放，使CO2累積排放量增加了18.88%～129.44%，且促進效果隨著生物炭水平的增加而增加。該結(jié)果與已有研究結(jié)果一致［21-22］。陶甄等［21］通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)添加生物炭使土壤CO2累積排放通量增加14.29%。涂保華等［22］通過盆栽和大田試驗發(fā)現(xiàn)添加生物炭使稻田土壤CO2排放量增加13.06%～26.59%。生物炭促進土壤CO2排放可能是由于生物炭本身含有的可溶性有機碳分解或生物炭添加到土壤后促進了土壤原有機碳的分解［23］。此外，生物炭添加到土壤后可通過影響土壤理化性質(zhì)，如提高土壤pH 值和改善土壤通氣性，進而提高微生物活性和土壤呼吸強度［24］。然而，也有研究表明添加生物炭會抑制土壤CO2排放［7］。究其原因，可能是：生物炭具有較大的比表面積和孔隙度，對土壤有機質(zhì)、微生物、酶、CO2均存在著一定的物理吸附效應；生物炭中的礦物成分可與CO2結(jié)合形成碳酸鹽，從而減少CO2的排放［6,24］。本研究在厭氧條件下添加生物炭顯著促進了N2O 的產(chǎn)生和進一步的還原，使得反應結(jié)束后添加生物炭處理的N2O 累積排放量顯著低于空白。該結(jié)果與涂保華等對水稻土進行的盆栽試驗結(jié)果一致，發(fā)現(xiàn)添加生物炭使土壤N2O 累積排放量顯著降低了17.20%～27.96%［22］。本研究在好氧條件下添加生物炭促進了N2O 的不斷產(chǎn)生和釋放，且在72 h 內(nèi)N2O 的增加速率隨著生物炭添加量的增加而增加。添加生物炭對N2O 排放的促進效果可能歸因于提高了N 的有效性或增加了細菌amoA基因拷貝數(shù)，從而促進了反硝化或硝化過程產(chǎn)生N2O［10］。添加生物炭促進N2O 的進一步還原，主要是通過提高土壤pH 值，進而增強了N2O 還原酶的活性，促進N2O向N2的轉(zhuǎn)化［13］。通過對比厭氧和好氧條件下添加生物炭對土壤N2O 累積排放量的影響可知，添加生物炭在厭氧條件下對土壤N2O 累積排放有抑制作用，而在好氧條件下對土壤N2O 累積排放有促進作用。

試驗發(fā)現(xiàn)，在厭氧條件下添加硝態(tài)氮有效促進了N2O 的排放，在好氧條件下添加銨態(tài)氮對N2O 排放無顯著影響。表明本試驗條件下更有利于通過反硝化過程產(chǎn)生N2O。同本試驗結(jié)果不同，有研究發(fā)現(xiàn)添加銨態(tài)氮比添加硝態(tài)氮更能促進溫帶森林和草原土壤N2O 的排放，此時硝化過程是土壤N2O 排放的主導過程［25］。目前，氮素類型對土壤N2O 排放的影響尚無定論，關于土壤N2O 排放是以硝化過程為主還是反硝化過程為主仍存在爭論［26］。本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明所用森林土壤更有利于通過反硝化過程產(chǎn)生N2O，然而原位條件下的實際情況仍需進一步通過原位觀測并結(jié)合15N 同位素示蹤技術和分子生物學方法量化硝化和反硝化過程對土壤N2O 排放的貢獻。

研究表明添加生物炭對土壤理化性質(zhì)有重要影響［8,27］。本研究中添加生物炭30 和60 g/kg 后，分別使土壤pH 值增加了1.17 和2.28。土壤pH 的改變會進一步影響有機質(zhì)的分解、微生物的活性、酶的活性，從而影響GHG 的排放。陳紅衛(wèi)等［27］向農(nóng)田土壤中施加生物炭10～30 t/hm2使土壤pH 增加了0.56%～9.66%，土壤全氮含量增加了1.66%～5.89%，土壤容重降低了1.63%～10.40%。生物炭可以直接通過物理吸附或化學反應影響土壤GHG 排放的影響，也可以通過影響土壤理化性質(zhì)間接影響。此外，生物炭本身的理化性質(zhì)、生物炭種類、生產(chǎn)過程的不同對GHG的減排效果也不盡相同［12］。生物炭對GHG 排放的影響機制仍需進一步從土壤物理、化學和生物學多角度開展相關研究，以期為土壤GHG減排提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

對貴州省植物園酸性森林土壤的GHG 排放的初步研究結(jié)果表明：

（1）添加生物炭促進了厭氧和好氧條件下土壤CO2的排放，且促進效果隨生物炭添加量的增加而增加，向土壤中添加30 和60 g/kg 生物炭使厭氧條件下CO2累積濃度分別增加了19.51%和129.44%，好氧條件下分別增加了18.88%和56.77%。

（2）添加生物炭顯著降低了（P＜0.01）厭氧條件下N2O 的累積濃度，生物炭添加量為30 和60 g/kg分 別 降 低 了99.97% 和99.99%；顯 著（P＜0.05）增加了好氧條件下N2O 的累積濃度，分別增加了170.82%和252.14%。

（3）添加氮素對土壤CO2和N2O 的排放均有重要影響，添加硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別使土壤CO2累積濃度增加了21.25%和31.71%，N2O 累積濃度增加了24.29%和0.00%。

（4）同時添加生物炭和氮素存在交互作用，但對土壤CO2和N2O 排放的促進效果低于僅添加生物炭或僅添加氮素處理。

（5）由于培養(yǎng)結(jié)束時厭氧條件下添加生物炭處理N2O 基本被完全消耗，使得厭氧條件下添加30和60 g/kg 生物炭分別降低了97.01%和94.30%的全球增溫潛勢，其余處理均使全球增溫潛勢顯著增加。表明生物炭對于酸性土壤厭氧環(huán)境下的GHG 減排具有潛在的重要作用，應引起廣泛重視。