生物炭對濕地土壤溫室氣體排放影響的研究進(jìn)展

摘要：大氣溫室氣體增加是全球變暖的主要原因，現(xiàn)已成為人類社會面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。生物炭是在無氧或限氧條件下經(jīng)過高溫?zé)峤夂螽a(chǎn)生的多孔富碳物質(zhì)，因其具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，對改良土壤肥力、增加土壤固碳潛力以及減少溫室氣體排放等具有重要作用。本文綜述了濕地添加生物炭對土壤固碳效應(yīng)和溫室氣體[主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）]排放的影響，以及作為特殊人工濕地——稻田，添加生物炭對CO2、CH4和N2O排放的影響。主要結(jié)論如下：（1）濕地土壤的固碳減排能力受濕地類型、土壤類型、生物炭制備溫度及添加量等多種因素的影響。（2）濕地施人生物炭會顯著增加土壤pH值、降低土壤容重、提高土壤有機(jī)碳含量及土壤固碳能力。（3）濕地添加不同類型的生物炭會降低土壤CO2排放，對CH4的排放有促進(jìn)或抑制作用，對N2O的排放產(chǎn)生抑制作用。（4）稻田添加生物炭對CH4和N2O排放的促進(jìn)或抑制作用受生物炭原料、添加量等因素的影響。關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)添加生物炭對溫室氣體排放影響的研究較少，因此還需進(jìn)一步豐富不同濕地類型、生物炭原料及特性、施入量等對土壤固碳減排影響相關(guān)方面的研究。

關(guān)鍵詞：濕地；生物炭；土壤性質(zhì)；溫室氣體排放；稻田

中圖分類號：S156 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2024）12-0154-09

濕地生態(tài)系統(tǒng)作為全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一，位于陸地與水體之間的過渡帶，在植物生長、促淤造陸過程中會積累大量無機(jī)碳與有機(jī)碳，具有很強的固碳功能。我國濕地面積為2 333.3萬公頃，約為草地、林地面積的十分之一。由于濕地生態(tài)系統(tǒng)具有淹水、缺氧的環(huán)境條件，使得凋落物的分解速率降低，因此被光合作用固定的碳能夠長期保存在濕地中。濕地廣泛分布于不同的氣候帶和海拔區(qū)域，主要類型有紅樹林、灘涂、沼澤、鹽沼和泥炭地等。作為大氣甲烷（CH4）的主要來源，天然濕地每年向大氣中排放的CH4占全球總排放量的15％-30％。王德宣等在中國三江平原和若爾蓋高原天然濕地進(jìn)行了CH4排放通量的對比觀測，發(fā)現(xiàn)三江平原常年積水沼澤CH4排放通量平均值為17.29 mg/（m2·h），是若爾蓋高原常年積水沼澤的約4.7倍，驗證了溫度是影響CH4排放的重要因素。

生物炭是以植物生物質(zhì)（如農(nóng)作物廢棄物、木材等）和動物排泄物為原料，在缺氧或部分缺氧和高溫條件下熱解而形成的一類高度芳香化難溶性固態(tài)物質(zhì)，因其具有高度的化學(xué)和微生物惰性，施入土壤后不僅在提高土壤肥力、提升作物產(chǎn)量方面具有重要意義，而且能夠減少溫室氣體排放。生物質(zhì)變成生物燃料或其他生物產(chǎn)物要經(jīng)過三個階段：裂解、碳化和氣化過程，不同原料和裂解溫度形成的生物炭產(chǎn)量和特性存在一定差異。土壤中添加生物炭可以改變其理化性質(zhì)，包括pH值、導(dǎo)電性、陽離子交換量、孔隙度、養(yǎng)分循環(huán)和微生物群落結(jié)構(gòu)等，周轉(zhuǎn)周期長達(dá)數(shù)百年，并且生物炭是一種富碳、相對無污染的固體生物燃料。在全球變暖的趨勢下，生物炭的應(yīng)用在減少溫室氣體排放和固碳等方面具有巨大潛力。不同原料及溫度制成的生物炭對土壤固碳減排能力的影響不同，Bushra等將小麥秸稈用三種不同的熱解溫度（300、400、500℃）制備成生物炭，結(jié)果表明固定碳含量隨溫度的升高而不斷增加，提高稻殼生物炭的吸附能力要選擇合適的熱解溫度和方法。利用木材采伐剩余物生產(chǎn)生物炭，并將其添加在砂質(zhì)土壤中，不僅提高了潛在短期效益，還可利用當(dāng)?shù)刭Y源來推動森林恢復(fù)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)實踐。由于生物炭對重金屬、磷、氮的高吸附能力，其經(jīng)常被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、土壤修復(fù)、廢水處理和改善水質(zhì)方面。本文綜述了濕地添加生物炭對土壤固碳減排的相關(guān)研究，并對今后濕地生態(tài)系統(tǒng)添加生物炭的進(jìn)一步研究提出展望。

1濕地添加生物炭對土壤固碳能力的影響

1.1濕地添加生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤物理性質(zhì)主要包括土壤容重、含水量、孔隙度等，減少土壤堆積密度能夠在一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)、減少肥力固化和增加土壤孔隙度。土壤化學(xué)性質(zhì)主要包括pH值、養(yǎng)分元素含量和有效性等，其中pH值是一項重要的化學(xué)指標(biāo)，能夠影響植物的生長發(fā)育狀況，并且是準(zhǔn)確有效衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。生物炭的應(yīng)用能夠?qū)ν寥览砘再|(zhì)產(chǎn)生顯著影響，降低土壤體積密度、增加土壤陽離子交換能力、中和土壤酸度和改善土壤養(yǎng)分有效性、增加總體土壤凈表面積和提高土壤保水能力等。近年來，國內(nèi)外關(guān)于濕地添加生物炭對土壤性質(zhì)影響的相關(guān)研究正在逐年增加，通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，在不同類型的濕地土壤中添加生物炭，能夠顯著提高土壤pH值，但提升幅度具有差異性（表1）。李程研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施人的生物炭濃度小于10g／kg時，土壤pH值的增幅急劇上升，當(dāng)濃度超過10 g/kg時，pH值增幅減緩。Zhang等研究濱海灘涂土施入生物炭對土壤性質(zhì)的影響，結(jié)果表明施入生物炭的土壤pH值較對照組顯著升高，添加不同濃度的生物炭對pH值的影響不顯著。原因可能是濱海灘涂土壤具有較高的緩沖能力。

1.2濕地添加生物炭對土壤固碳能力的影響

生物炭因其高碳含量和多孔性，被認(rèn)為是具有增加土壤固碳和應(yīng)對氣候變化潛力的土壤改良劑之一。生物炭的固碳總量包括生物炭向土壤中投入的剩余部分、對植物生長的促進(jìn)作用而引起的生物量增加，以及原本植物體經(jīng)微生物分解而進(jìn)入大氣碳循環(huán)中的碳。濕地是陸地生物碳庫的最大組成部分，其中濱海濕地在全球碳循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用，濱海濕地土壤有機(jī)碳（SOC）約占總碳儲量的75％，為濕地土壤系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)功能。在濱海濕地土壤中添加生物炭，通過穩(wěn)定的碳輸入、改善土壤性能以及對微生物組成的調(diào)節(jié)，對固碳具有積極作用。此外，生物炭性質(zhì)、土壤性質(zhì)和試驗條件等都可能對施炭后SOC的增量產(chǎn)生影響（表1）。李程研究表明，經(jīng)生物炭處理后，盆栽試驗各組SOC含量均高于對照組，野外試驗分別施入0、0.625 kg／m2和1.25 kg/m2生物炭后，SOC含量分別為0.409 9、0.925 5 mg/g和1.089 1 mg/g，對照組與試驗組有顯著差異。因此生物炭對SOC含量的提高起到了至關(guān)重要的作用，并且SOC含量的增加與生物炭施加量呈正相關(guān)。Zhang等在濱海灘涂土中施人小麥秸稈生物炭，結(jié)果表明添加生物炭處理的SOC含量比對照高60％-250％。Agegnehu等在濱海鐵鋁土中施人柳樹和刺槐生物炭，以及將肥料和生物炭混合施人探究其對土壤性質(zhì)的影響，相比之下，礦物肥和柳樹生物炭混合施人所產(chǎn)生的SOC含量最高，其次是堆肥和礦物肥共同施入，單獨施入礦物肥的最低。Luo等研究表明，施用生物炭提高了濱海土壤SOC累積礦化量和鹽漬化濕地土壤碳儲量。

生物炭增加濕地土壤SOC庫儲量的主要原因包括：（1）生物炭富含的多碳芳香族結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強且很難被降解，能夠?qū)⑻奸L期封存在土壤中；（2）生物炭通過多價陽離子橋連作用增強黏土顆粒與有機(jī)質(zhì)（SOM）的結(jié)合，有利于SOM在土壤中的累積；（3）生物炭能改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)根際微生物和植物生長；（4生物炭可減弱SOM的礦化作用，減少了SOM的損失。

2濕地添加生物炭對土壤溫室氣體排放的影響

隨著大氣中溫室氣體[如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）]濃度的不斷增加，引發(fā)全球變暖一系列環(huán)境問題，全球氣候變化也成為生態(tài)等領(lǐng)域研究的重大問題之一。濕地因其獨特的水熱效應(yīng)和溫室氣體代謝過程，是全球氣候變化的影響區(qū)和響應(yīng)區(qū)，因此研究濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放特征及其影響因素具有重要意義。生物炭富含碳且低營養(yǎng)，具有高堿性和高孔隙率，為微生物提供了棲息地，并且由于具有特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)而能夠影響溫室氣體的排放。盡管生物炭在農(nóng)業(yè)和廢水處理方面取得了進(jìn)展，但濕地添加生物炭對溫室氣體排放的影響相關(guān)研究較少。

2.1濕地添加生物炭對CO2排放的影響

相關(guān)研究普遍認(rèn)為濕地添加生物炭能夠有效抑制CO2的排放，主要原因可能是由于生物炭對溫室氣體具有一定的吸附能力和化學(xué)作用，物理吸附能力主要由生物炭的比表面積和孔隙度決定，化學(xué)作用是來自于生物炭中的Ca、Fe、K等礦質(zhì)元素與CO2結(jié)合成碳酸鹽。Guo等研究發(fā)現(xiàn)，添加和未添加生物炭的濕地平均CO2通量均為負(fù)值，原因可能是植物光合作用固定的CO2，高于植物和微生物呼吸產(chǎn)生的CO2，導(dǎo)致濕地與大氣之間的CO2凈交換為負(fù)值（表2）。但部分學(xué)者的研究結(jié)果與上述結(jié)論相悖，即生物炭添加后CO2的釋放速率在前期較快，隨著培養(yǎng)時間的延長，釋放速率顯著下降，在培養(yǎng)150天后，釋放速率幾乎為零，可能由于低溫制備的花生殼生物炭具有易降解的脂肪族碳組分和難降解的芳香族碳組分。多數(shù)研究表明濕地添加生物炭會降低土壤CO2排放量，但具體結(jié)果會因生物炭原料、制備溫度等因素發(fā)生變化，因此在后續(xù)研究中應(yīng)擴(kuò)大生物炭原料及制備溫度等條件，全面考慮生物炭特性對濕地CO2排放的影響。

2.2濕地添加生物炭對CH4排放的影響

CH4被認(rèn)為是一種強溫室氣體，其增溫潛勢是CO2的84倍，熱帶濕地占全球CH4排放的20％。由表2可知，濕地添加不同生物炭對CH4排放的影響不同，Rubin等、Ji等研究認(rèn)為濕地土壤中添加生物炭可以降低CH4排放量，添加10％生物炭能夠降低92％的CH4排放，因此生物炭對降低CH4排放具有重要意義。但與此研究結(jié)果不同的是Guo等、Liang等、Chen等的研究結(jié)論，他們認(rèn)為濕地添加生物炭會促進(jìn)CH4排放，這些結(jié)果的差異可能是由生物炭的性質(zhì)、添加量、操作條件（如土壤特征、水質(zhì)特征、植物種類等）以及不同相關(guān)微生物特性的變化引起的。有研究表明生物炭發(fā)生了石墨化，表現(xiàn)出相對較好的導(dǎo)電性，可能增強產(chǎn)甲烷菌與地桿菌科之間的直接種間電子傳遞，促進(jìn)CH4產(chǎn)生。

2.3濕地添加生物炭對N2O排放的影響

硝化過程和反硝化過程是N2O的主要來源，濕地中影響N2O排放的因素復(fù)雜多樣，主要包括溶解氧（DO）、濕地類型、進(jìn)水組成、植物種類和其他環(huán)境條件等，且有研究表明人工濕地系統(tǒng)N2O的釋放量為天然濕地的2-10倍。如表2中，眾多研究者發(fā)現(xiàn)濕地中添加生物炭能夠顯著降低N2O的排放量，并且生物炭添加量與N2O排放量呈反比，即生物炭添加比例越大，N2O的排放量越少。濕地土壤中添加生物炭可以減少N2O排放，其主要原理為：（1）生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，有利于氣體流通，改善土壤通氣狀況從而抑制微生物的反硝化作用；（2）生物炭通過吸附N03與有機(jī)質(zhì)，減少反硝化細(xì)菌的活性從而抑制N20排放；（3）生物炭的施入可以使固氮微生物的豐度增加，導(dǎo)致氮的反硝化作用減弱。因此，施人生物炭是降低濕地N2O排放的重要手段。

3特殊人工濕地——稻田添加生物炭對土壤溫室氣體排放的影響

稻田作為人為管理的季節(jié)性濕地生態(tài)系統(tǒng)，約覆蓋了世界灌溉耕地總面積的20％。21世紀(jì)初，在全球范圍內(nèi)稻田占據(jù)土地超過1.5億公頃，每年生產(chǎn)600萬噸糧食，這對緩解N2O排放提出了巨大挑戰(zhàn)。生物炭的應(yīng)用具有抑制稻田溫室氣體排放的潛力。

3.1稻田添加生物炭對CO2排放的影響

稻田CO2的排放貫穿于整個水稻生育期，其排放形式與CH4不同，呈現(xiàn)單峰態(tài)勢，但CO2的排放與大氣、土壤溫度的變化基本吻合，相關(guān)分析表明二者存在顯著正相關(guān)關(guān)系。通過總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)（表3）可以看出，稻田添加生物炭對CO2排放影響的研究較少。Knoblauch等研究發(fā)現(xiàn)，稻田添加生物炭顯著降低CO2排放量，但張斌等則認(rèn)為不同處理（分別施入0、20、40 t/hm2生物炭）之間土壤CO2排放均無顯著差異，還需要繼續(xù)加強關(guān)于稻田添加生物炭對CO2排放影響的研究。

3.2稻田添加生物炭對CH4排放的影響

關(guān)于稻田施入生物炭對CH4排放影響的研究中，多數(shù)研究者認(rèn)為施入不同濃度的生物炭會降低CH4的排放量（表3）。其中Knoblauch等研究表明，稻田添加生物炭可減少80％的CH4排放，其減排機(jī)制主要是：（1）生物炭的自身特性對CH4有吸附作用；（2）生物炭提高了稻田土壤的透氣性，添加生物炭可以增加供氧從而刺激甲烷氧化菌（pmoA）的生長，使得土壤所產(chǎn)生的CH4能夠重新被氧化；（3）添加生物炭增加了產(chǎn)甲烷菌（MCRA）和pmoA，但對MCRA的增幅顯著高于對pmoA的增幅，降低了MCRA/pmoA的比率，從而減少了CH4排放。因此生物炭對稻田CH4排放的影響一方面取決于相關(guān)功能微生物的響應(yīng)，另一方面則是生物炭對土壤的影響過程。

也有研究認(rèn)為，稻田添加生物炭會促進(jìn)CH4排放，Cai等用不同溫度制備生物炭，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加300℃和500℃制備的生物炭會增加CH4排放量，而施入700℃制備的生物炭則會抑制CH4排放。Wu等研究表明，稻田中施入新鮮生物炭增加了4％的CH4排放量，而施入老化生物炭有減少10％CH4排放的趨勢。生物炭促進(jìn)稻田CH4排放的原因可能包括：（1）生物炭具有一些易裂解的成分，加速土壤有機(jī)質(zhì)分解，為MCRA提供了底物；（2）生物炭改變了稻田微生物群落組成，提高了MCRA和pmoA中相關(guān)基因的豐度。

3.3稻田添加生物炭對N2O排放的影響

生物炭因自身的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特點（具有較強吸附能力和較大的比表面積等），能夠直接或間接地對N2O排放產(chǎn)生影響。除自身性質(zhì)外，制備原料、施用量以及施用方式等對N2O排放也有一定影響（表3）。Yang等在稻田分別施入20、40 t/hm2的稻草生物炭，結(jié)果顯示減少了58.0％、43.1％的N2O排放量；與此結(jié)果相似的是張斌等的研究結(jié)論，即施入20、40 t/hm2的小麥秸稈生物炭，減少了73.7％、77.0％的N2O排放量：但與此不同的是，Sun等研究認(rèn)為施入上述等量的小麥秸稈生物炭，增加了23.4％、30.5％的N2O排放量。Yagi等采用基于試驗數(shù)據(jù)可靠性的篩選標(biāo)準(zhǔn)，選擇31個案例進(jìn)行分析，結(jié)果表明生物炭的應(yīng)用使N2O的排放量降低了20％，而水稻產(chǎn)量顯著提高了28％。生物炭能夠減少N2O排放的主要原因是：（1）施用生物炭能夠吸附土壤硝化作用的底物，減弱反硝化細(xì)菌的活性，提高稻田土壤中陽離子交換量，增加土壤對NH4的吸附能力，從而降低N2O排放；（2）生物炭能夠提高土壤的通透性，促進(jìn)土壤水分的下滲，影響反硝化作用，減少N2O排放；（3）生物炭提高了稻田土壤有機(jī)碳含量，刺激了土壤中有關(guān)硝化作用微生物的生長，導(dǎo)致N2O排放降低。

4總結(jié)與展望

生物炭作為一種土壤改良劑被廣泛運用到濕地、農(nóng)田、稻田等生態(tài)系統(tǒng)，是改善土壤質(zhì)量、調(diào)控溫室氣體排放的重要舉措，但通過檢索和閱讀文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)添加生物炭對土壤固碳減排影響的研究較少。濕地施入生物炭可以調(diào)節(jié)土壤的pH值、體積密度、持水能力和有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)而改變土壤性質(zhì)和肥力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力；不同施人比例會影響pH值增加幅度，在低濃度范圍內(nèi)，土壤pH值增幅較大，并且土壤中陽離子交換量隨生物炭施用量的增加而增加。土壤有機(jī)碳作為重要組分之一，其增量受到生物炭性質(zhì)、土壤性質(zhì)、試驗條件等的影響，總體而言濕地添加生物炭會增加土壤有機(jī)碳含量，提高土壤固碳能力，并且土壤有機(jī)碳含量的增加與施用比例呈正相關(guān)，兩種生物炭混合施入比單獨施入一種生物炭的效果更好。溫室氣體（CO2、CH4、N2O）排放也受多種因素的影響，多數(shù)試驗證明濕地添加生物炭會減少CO2和N2O的排放，在一定程度上能夠降低92％的CH4排放，并且生物炭制備的溫度越高，對抑制CH4排放的效果越好，與此同時，對于濕地施人生物炭也會促進(jìn)CH4排放的研究并不少見，并有研究表明生物炭施用量越多，CH4的排放越多，主要由于生物炭在濕地土壤中發(fā)生了石墨化，表現(xiàn)出較好的導(dǎo)電性，增強了產(chǎn)甲烷菌與地桿菌科之間的直接種間電子傳遞，從而促進(jìn)了CH4產(chǎn)生。在以上研究基礎(chǔ)上，提出未來的主要研究方向：

（1）關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用不同原料制成及不同施用量的生物炭對溫室氣體排放影響的報道較少，比較不同原料生物炭和生產(chǎn)技術(shù)對排放通量的影響，研究制定最佳方法和關(guān)于天然濕地選擇和生產(chǎn)生物炭配方的準(zhǔn)則，以緩解濕地溫室氣體的排放。

（2）對生物炭的熱解過程、穩(wěn)定性和生物炭應(yīng)用的緩解效果進(jìn)行綜合分析，并與沼氣發(fā)酵、燃燒、生物炭炭直接施用于土壤等其他過程進(jìn)行比較。

（3）生物炭可以通過原料選擇、生產(chǎn)前后的處理來改變工藝條件，提高營養(yǎng)水平和可用性、碳持久性和吸附性能來影響土壤性質(zhì)，從而為特定應(yīng)用定制。