新鮮和老化生物質(zhì)炭應用對農(nóng)田溫室氣體減排的研究進展

摘要：近年來，溫室氣體減排成為全球關注的熱點，而農(nóng)田是溫室氣體排放的重要來源之一。大量研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭具有溫室氣體減排的潛力，但長期施用后，自然環(huán)境造成的生物質(zhì)炭老化會使其本身的理化性質(zhì)發(fā)生變化，進而影響溫室氣體的減排效果，因而比較新鮮和老化生物質(zhì)炭對農(nóng)田溫室氣體排放的影響具有重要意義。綜述生物質(zhì)炭的不同老化方式及其理化性質(zhì)的變化，以及新鮮和老化生物質(zhì)炭施用對農(nóng)田溫室氣體排放的影響及機制，發(fā)現(xiàn)與新鮮生物質(zhì)炭相比，老化生物質(zhì)炭對農(nóng)田溫室氣體排放效果并不統(tǒng)一，這與生物質(zhì)炭的老化方式、老化時間和土壤類型等密切相關，老化生物質(zhì)炭不僅會改變自身的理化性質(zhì)，還會改變土壤的理化性質(zhì)與微生物活性，從而影響農(nóng)田土壤溫室氣體排放。而生物質(zhì)炭田間老化對溫室氣體排放的影響多為短期的，對于長期影響還有待進一步研究，可以利用同位素示蹤技術(shù)進一步探究新鮮和老化生物質(zhì)炭施用對溫室氣體排放影響的機制。

關鍵詞：新鮮生物質(zhì)炭；老化生物質(zhì)炭；溫室氣體；減排；同位素示蹤技術(shù)；農(nóng)田

中圖分類號：X131.1文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）11-0001-09

氣候變暖是亟待解決的全球性問題之一，根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第6次評估報告，與1850—1900年相比，2011—2020年全球大氣溫度增加1.09℃，2021—2040年增溫趨勢將達1.5 ℃，氣候變暖不僅會使冰川融化、海平面上升，也會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人體健康等造成負面影響［1-2］。而氣候變暖與溫室氣體的排放密切相關，其中CO2、CH4和N2O對溫室效應的貢獻達80%［3］。在各種排放源中，農(nóng)田是N2O和CH4最大的人為排放源，分別貢獻了78%、50%［4］。而生物質(zhì)炭具有含碳量高、比表面積大、疏松多孔、吸附性能好［5］等特點，是農(nóng)田固碳減排的熱點，具有減輕全球變暖效應、提高作物產(chǎn)量和碳封存［6］的巨大潛力。楊傳文等對我國秸稈資源的碳減排潛力進行分析，發(fā)現(xiàn)2020年我國可收集農(nóng)作物秸稈資源可制備成生物質(zhì)炭2.04×108 t，溫室效應緩解凈潛力可減排的CO2當量為5.86×108 t［7］。但生物質(zhì)炭的制備條件，如熱解溫度、時間、原材料、施用量等可能會影響其減排效果，由于生物質(zhì)炭在田間施用時間、方式和培養(yǎng)方法等不同，生物質(zhì)炭對土壤溫室氣體的減排效應可能增強或減弱，甚至消失［8］。目前對于新鮮生物質(zhì)炭和老化生物質(zhì)炭對溫室氣體的影響對比研究較少，其影響機制尚不明確，因此本研究分析新鮮和老化生物質(zhì)炭應用對農(nóng)田溫室氣體減排的研究進展，以期為農(nóng)田溫室氣體減排提供理論依據(jù)。

1 生物質(zhì)炭的老化方式及老化過程的理化性質(zhì)變化

生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)對其環(huán)境行為和應用有決定性的影響［9］，需要通過自然或人工老化的方法來探索老化對生物質(zhì)炭特性的影響，還要考慮到生物質(zhì)炭固有特性和土壤理化性質(zhì)對生物質(zhì)炭老化的影響［10］，這些因素可能影響生物質(zhì)炭老化程度和農(nóng)田固碳減排的效果。

1.1 生物質(zhì)炭的老化方式

生物質(zhì)炭的老化指生物質(zhì)炭施入土壤后，在自然條件（降水、土壤水分、溫度、空氣、微生物和植物根系等共同作用）下，其理化性質(zhì)隨時間延長發(fā)生變化的過程［11-12］。但生物質(zhì)炭本身較穩(wěn)定，施入土壤后老化過程緩慢，田間自然老化試驗周期較長，故國外學者通常選擇實驗室模擬生物質(zhì)炭老化的方法進行試驗。

生物質(zhì)炭老化的方式分為自然老化和人工老化，人工老化方法又分為物理老化、化學老化和生物老化。自然老化是指將生物質(zhì)炭施入田間土壤后，在自然環(huán)境下老化或?qū)⑼寥琅c生物質(zhì)炭混合后在實驗室培養(yǎng)一段時間的老化方式。物理老化是指在實驗室條件下通過控制溫度、濕度和光照等物理條件來模擬自然老化的過程，通常包括凍融循環(huán)、干濕交替和高溫老化等方法［13］。凍融循環(huán)的溫度通常設置為-20、40 ℃，在大多數(shù)研究中，高溫老化溫度通常設定為70 ℃，持續(xù)120 d［14-16］，然而，如此高的溫度不能代表自然條件，建議的溫度應該在40～50 ℃之間［17］?；瘜W老化是指在實驗室條件下添加各種氧化劑，如H2O2、HNO3/H2SO4、KOH、KMnO4等，通過非生物氧化降解生物質(zhì)炭，其中H2O2沒有帶來過多的外源元素，可能更適合做氧化劑［18］。生物老化通常是指在實驗室條件下通過微生物或植物根系對生物質(zhì)炭進行生物降解［19-21］。而Li等通過薈萃分析人工和自然生物質(zhì)炭老化方法對生物質(zhì)炭特性的影響，發(fā)現(xiàn)人工老化方法尚不能模擬生物質(zhì)炭田間自然老化，與自然老化相比，化學老化的生物質(zhì)炭表面的氧化程度較高，存在生物質(zhì)炭內(nèi)部氧化和氧化劑外源元素向生物質(zhì)炭輸入的問題，凍融老化僅改變了生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)，而元素組成沒有顯著變化，故比較田間自然老化生物質(zhì)炭和人工老化生物質(zhì)炭理化性質(zhì)的變化是必要的［22］。

1.2 老化過程的理化性質(zhì)變化

老化過程會改變生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)如pH值、比表面積（SSA）、總孔隙體積、平均孔徑、表面結(jié)構(gòu)、陽離子交換量（CEC）、吸附能力、穩(wěn)定性和元素含量等（表1），進而對生物質(zhì)炭施入后土壤溫室氣體減排效果產(chǎn)生影響。生物質(zhì)炭老化后，其比表面積可能增大或減小，微孔可能被堵塞，進而影響其對溫室氣體的吸附能力；老化通常會使生物質(zhì)炭的pH值降低，與人工老化相比，自然老化pH值下降程度較低，這與生物質(zhì)炭中可溶性碳酸鹽的浸出、含氧官能團的分解和有機碳的分解有關，且在老化過程中生物質(zhì)炭還會吸附環(huán)境中的CO2，形成碳酸鹽，進而降低其酸堿度［23-24］；老化過程還會使O/C、C/N、H/C和（N+O）/C等元素比例發(fā)生變化，且生物質(zhì)炭的老化會導致溶解性有機碳的浸出和有機碳的礦化。在大多數(shù)研究中，隨著生物質(zhì)炭的老化，其碳含量逐漸下降，在老化過程中生物質(zhì)炭會吸附土壤中的有機物質(zhì)，進而改變其元素含量［21，25-26］；CEC是衡量生物質(zhì)炭吸附環(huán)境中陽離子能力的指標，老化過程可在生物質(zhì)炭表面形成含氧官能團（OFGs），特別是羥基和羧基，從而導致CEC增加［27］。

2 新鮮生物質(zhì)炭對溫室氣體的減排效果

2.1 新鮮生物質(zhì)炭對CO2、N2O和CH4排放的影響

施用生物質(zhì)炭可以增加土壤中的有機碳含量，也可以增加其溶解性有機碳含量，且生物質(zhì)炭本身含有較高的碳，可達90.5%［5］，因而生物質(zhì)炭施用到土壤中可以增加土壤的碳匯，但是其對土壤CO2排放的影響尚不統(tǒng)一，可能和施肥方式、環(huán)境因子、生物質(zhì)炭的原材料和制備條件等有關。有許多研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用可增加菜田CO2的排放，如何飛飛等通過盆栽試驗探究南方紅壤菜田土（其種植歷史超過15年）添加不同量的生物質(zhì)炭（水稻秸稈和花生殼在400 ℃下熱解2 h）對于土壤理化性質(zhì)和CO2排放的影響，發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭可以提高土壤CEC值、pH值和持水量，但也會增加土壤CO2的排放，原因可能是生物質(zhì)炭的自身分解會促進土壤呼吸以及通過土壤pH值、CEC值、含水量的提高來增強土壤微生物活性，進而促進土壤CO2的排放［33］。Huang等為探究生物質(zhì)炭施入菜田對CO2排放的影響及其對溫度的響應，采用3種處理（空白、化肥和生物質(zhì)炭+化肥處理）在重慶市某監(jiān)測站進行為期1年的原位監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)與化肥處理相比，短期施用生物質(zhì)炭可以顯著提高土壤微生物碳（MBC）和有機碳（SOC），也會顯著提高27.5%的土壤-植物系統(tǒng)的累計CO2排放量，該研究中所用生物質(zhì)炭為油菜秸稈在450～500 ℃溫度下制備，為不完全氧化，可能其揮發(fā)性物質(zhì)含量較高，進而促進CO2的排放，且短期的生物質(zhì)炭施用可能會引起激發(fā)效應，導致土壤中的有機碳或生物質(zhì)炭中的不穩(wěn)定化合物更易被微生物利用［34］。

對于不同土壤類型生物質(zhì)炭施用后對CO2的排放影響可能不同，如方明等通過盆栽試驗研究花生殼生物質(zhì)炭（500 ℃下制備而成）施用對潮土和紅壤理化性質(zhì)和溫室氣體的影響，發(fā)現(xiàn)2種類型的土壤有機碳含量在施加生物質(zhì)炭后都顯著增加，生物質(zhì)炭施用后顯著增加潮土CO2的排放，而對紅壤CO2的排放無顯著影響［35］。Wu等認為，施用生物質(zhì)炭會抑制CO2的排放［36-37］。

施用生物質(zhì)炭可以減少N2O的排放，吳震等基于文獻整合分析，對集約化菜地溫室氣體排放與減排進行研究，發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭可減少29.1%菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放［38］，由于生物質(zhì)炭的比表面積較大，在肥料施入土壤后，可吸附其中的銨態(tài)氮，減少硝化和反硝化作用的底物［39］，且其具有疏松多孔的特點，可以改善土壤的通氣性，促進N2O進一步被還原為N2，從而減少N2O的排放。Cayuela等通過meta分析，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭原料、熱解條件和C/N是影響N2O排放的關鍵因素，而生物質(zhì)炭施用量與N2O減排有直接關系［40］。Li等在華南地區(qū)以秸稈生物質(zhì)炭不同生物質(zhì)炭施用量（0、10、20、30、40 t/hm2）分析其對蔬菜土壤N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的施用會顯著降低N2O的累計排放量降幅達34%～67%，其中以20 t/hm2生物質(zhì)炭結(jié)合氮肥可獲得最高蔬菜產(chǎn)量和N2O減排效果［41］。Spokas等認為，新添加生物質(zhì)炭對生物質(zhì)炭的N2O緩解潛力最高，且在土壤中生物質(zhì)炭老化的1年內(nèi)下降［42-43］。

但Cheng等認為施用生物質(zhì)炭會促進N2O排放［44-46］；戴相林等通過田間試驗研究秸稈及生物質(zhì)炭還田配施氮肥后，發(fā)現(xiàn)鹽漬稻田N2O排放量顯著增加［46］；劉麗君等通過室內(nèi)培養(yǎng)設置不同的生物質(zhì)炭添加比例（0、2%、4%、6%）［47］，發(fā)現(xiàn)添加不同比例生物質(zhì)炭處理都會不同程度地促進海南燥紅壤土N2O和CO2排放，因而短期施用生物質(zhì)炭會促進N2O和CO2排放［46］；而王月玲等認為，生物質(zhì)炭施用量較多會減少N2O排放，施用量較少會增加N2O排放［48］，甚至對N2O排放無影響。

生物質(zhì)炭具備減緩甲烷的潛力，但甲烷是在厭氧條件下產(chǎn)生的，故生物質(zhì)炭對CH4排放的影響在水稻田和濕地研究中較多。Huang等通過1年的田間試驗發(fā)現(xiàn)，在蔬菜土壤中與單施化肥處理相比，生物質(zhì)炭配施化肥處理可減少CH4的排放［34］；而Jia等采用盆栽試驗方法進行研究，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈生物質(zhì)炭施用對甲烷排放無影響［49］。也有研究認為施用生物質(zhì)炭會增加土壤CH4的排放，如Li等通過培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，與未處理的土壤相比，添加5%生物質(zhì)炭（500 ℃，稻草秸稈）處理CH4排放增加了2倍［50］。

2.2 新鮮生物質(zhì)炭影響溫室氣體排放的機制

生物質(zhì)炭促進CO2排放的原因主要包括以下3個方面：第一，生物質(zhì)炭自身不穩(wěn)定碳組分的釋放［51］。第二，生物質(zhì)炭的正激發(fā)效應，使微生物的活性增強，增加土壤有機物的礦化［52-53］。第三，生物質(zhì)炭疏松多孔，會增加土壤中的透氣性，促進土壤的呼吸作用［54］。

生物質(zhì)炭抑制CO2排放的原因主要包括以下3個方面：第一，生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積將土壤有機質(zhì)吸附到其孔隙內(nèi)或外表面上，前者為包封作用，能有效隔離微生物及其胞外酶與孔隙內(nèi)有機質(zhì)的接觸，后者為吸附作用，能降低有機質(zhì)的有效性，且兩者均能強烈抑制被吸附有機質(zhì)的降解［55］，微生物可利用的底物減少，故土壤CO2排放降低。第二，生物質(zhì)炭本身對CO2具有吸附作用，這是因為生物質(zhì)炭的比表面積較高、有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和各種官能團［56］。第三，生物質(zhì)炭的“石灰效應”可以提高土壤的pH值，使得生物質(zhì)炭表面堿金屬與CO2反應，生成碳酸鹽的沉淀物［57］。

生物質(zhì)炭促進N2O排放的原因主要如下：第一，生物質(zhì)炭通過提高硝化作用相關微生物（AOA-amoA、AOB-amoA）的基因豐度，促進N2O排放［58-59］。第二，生物質(zhì)炭施用會增加土壤中的活性有機碳含量，增強微生物的活性，促進N2O排放［60］。

生物質(zhì)炭抑制N2O排放的原因主要如下：第一，生物質(zhì)炭施用會提高土壤的pH值，進而增加編碼N2O還原酶的基因豐度，促進微生物的完全反硝化作用，使N2O還原為N2，從而減少N2O的排放［61-63］。第二，生物質(zhì)炭對無機氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）的吸附作用會減少微生物可利用的底物［64］。第三，生物質(zhì)炭會抑制土壤中微生物的硝化作用，這是因為生物質(zhì)炭會釋放多環(huán)芳烴和酚類化合物等抑制氨氧化細菌（AOB）的活性［65］。

生物質(zhì)炭促進CH4排放主要是因為生物質(zhì)炭會增加產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的豐度，但產(chǎn)甲烷菌的增幅大于甲烷氧化菌［66］。生物質(zhì)炭抑制CH4排放的原因主要如下：第一，施加生物質(zhì)炭會增加土壤的通氣性，促進CH4的氧化，進而降低CH4的排放［67-68］。第二，甲烷菌氧化菌活性被抑制或產(chǎn)甲烷菌活性被激發(fā)［42，69-70］。

3 老化生物質(zhì)炭對溫室氣體的減排效果

3.1 老化生物質(zhì)炭對CO2、N2O和CH4排放的影響

經(jīng)過老化后生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)會發(fā)生變化，生物質(zhì)炭的原料、熱解溫度、老化方法和老化時間是影響生物質(zhì)炭性質(zhì)變化的重要變量，且由于試驗條件、施用量、土壤類型等不同，老化生物質(zhì)炭對土壤溫室氣體的影響并不統(tǒng)一［71］。

Li等通過田間原位試驗設置對照、土壤強還原修復技術(shù)（RSD）處理、RSD+20 t/hm2老化生物質(zhì)炭處理、RSD+40 t/hm2 老化生物質(zhì)炭處理，與RSD處理相比，RSD+生物質(zhì)炭處理會抑制CO2排放，但會促進N2O排放，對CH4排放影響不大，溫室氣體（CHG）總體下降207%～28.7%［22］。而Hagemann等通過田間試驗和培養(yǎng)試驗結(jié)合的方式研究老化生物質(zhì)炭對N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)在生物質(zhì)炭施用后的第3年仍可以有效減少N2O和CO2的排放［72］。Sadasivam等發(fā)現(xiàn)，與對照相比，在空氣中老化3年的生物質(zhì)炭CH4排放顯著增高［73］；而Feng等通過文獻整合分析發(fā)現(xiàn)，老化生物質(zhì)炭可以減少11%的CH4排放［71］。陳亞娟等通過分析生物質(zhì)炭和沼液配施對楊樹人工林土壤溫室氣體排放的長期影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用7年后對土壤溫室氣體的減排效果并不顯著，甚至會促進溫室氣體的排放［74］。

同一種老化生物質(zhì)炭在不同處理土壤中對溫室氣體的影響也不同，Zheng等通過培養(yǎng)試驗分析不同鹽度（0、1.2%）的土壤與生物質(zhì)炭老化的相互作用，發(fā)現(xiàn)老化生物質(zhì)炭會增加鹽漬條件下土壤C礦化和CO2排放，在非鹽條件下可以抑制土壤CO2的排放量，老化生物質(zhì)炭和作物殘留物共同施用是解決鹽漬條件下儲存土壤碳和減少N2O排放的最佳途徑［75］。

3.2 老化生物質(zhì)炭影響溫室氣體排放的機制

老化生物質(zhì)炭影響土壤CO2排放，是因為風化通常會增加生物質(zhì)炭表面的碳基、羧基和酚類官能團的豐度，進而導致pH值下降和O/C增加，O ∶[KG-*3]C 的值增加可能會對生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。老化生物質(zhì)炭促進CO2排放是因為老化的生物質(zhì)炭可能更易被微生物分解，也可能在風化過程中孔隙被堵塞，吸附能力減弱，進而促進CO2的排放［42］；老化生物質(zhì)炭抑制CO2排放是因為隨著生物質(zhì)炭的老化，它會和土壤團聚體結(jié)合，促進根際沉積物和微生物的穩(wěn)定，可以在土壤中存在數(shù)百年到數(shù)千年，生物質(zhì)炭自身不穩(wěn)定成分被釋放出去，會提高機械性能，增加生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性［76］。

老化生物質(zhì)炭抑制N2O排放的原因主要包括2個方面：第一，老化生物質(zhì)炭會顯著降低硝化和反硝化作用［31］。第二，老化生物質(zhì)炭的比表面積和對銨態(tài)氮的吸附能力增強［77-78］，進而增加對N2O的吸附。

老化生物質(zhì)炭會抑制N2O的能力減弱或促進N2O排放，主要是因為土壤銨態(tài)氮的降低和土壤硝酸鹽的增加間接證實了生物質(zhì)炭對硝化作用的促進作用，但老化生物質(zhì)炭會促進硝化細菌的增殖，尤其是AOA（5.1%），可能是由于氨氧化真菌能更好地適應環(huán)境，改善老化生物質(zhì)炭，而AOA比AOB更能適應堿性環(huán)境［79］。生物質(zhì)炭的老化效應會顯著促進AOA的增加，可能使硝化過程加速，有利于N2O的排放，從而削弱生物質(zhì)炭降低N2O的潛力［71］。

老化生物質(zhì)炭抑制CH4排放的原因主要包括3個方面：第一，老化生物質(zhì)炭通過形成微聚集體或?qū)⑷芙獾挠袡C物吸附到木炭顆粒上來穩(wěn)定有機碳，使其在土壤中持久存在，通過固定有機碳來減少CH4排放［80-81］。第二，生物質(zhì)炭施入土壤后會增加土壤的pH值，而pH值與pmoA基因豐度呈顯著正相關，并降低mcrA豐度，甲烷氧化菌對pH值的變化較敏感，pH值增加會提高其活性，抑制CH4的排放［82-84］。第三，老化生物質(zhì)炭可以增加土壤的通氣性，進而抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，減少CH4排放［85］。老化生物質(zhì)炭促進CH4排放可能是由于老化生物質(zhì)炭的孔徑會變大，吸附能力變?nèi)酰?3］。

4 老化生物質(zhì)炭和新鮮生物質(zhì)炭減排效果的對比及機制

本文對田間自然老化、室內(nèi)模擬老化以及不同培養(yǎng)方式進行聯(lián)合探究，利用13C和15N示蹤技術(shù)從過程層次上揭示生物質(zhì)炭添加對土壤溫室氣體排放的影響機制研究有所缺乏［8］，目前研究的田間自然老化生物質(zhì)炭多從田間土壤中分離出來后，在實驗室進行培養(yǎng)試驗，對于田間原位試驗研究較少（表2）。

如Duan等利用15N示蹤技術(shù)和定量聚合酶鏈反應（qPCR）對2種溫室蔬菜生產(chǎn)（堿性和酸性）土壤進行微觀試驗，分析新鮮和老化生物質(zhì)炭（從田間施用生物質(zhì)炭5年后的土壤中分離出來）對N2O生產(chǎn)的影響機制，發(fā)現(xiàn)新鮮生物質(zhì)炭可以有效降低2種土壤中的N2O排放，而老化生物質(zhì)炭處理通過硝化和反硝化作用會顯著促進N2O排放（43%～78%）［77］，相對新鮮生物質(zhì)炭，老化生物質(zhì)炭會增加比表面積、有機碳含量、銨的吸附能力和陽離子交換能力，但會減小孔徑和pH值。但這與Wang等得到的結(jié)果相反，本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，與新鮮生物質(zhì)炭相比，田間老化生物質(zhì)炭會顯著減少土壤中CO2和N2O排放，可能是因為在生物質(zhì)炭老化過程中，其表面形成了有機-礦物復合物，堵塞生物質(zhì)炭上的裂紋和孔隙，提高其力學性能，減少其自身不穩(wěn)定組分的釋放，且老化生物質(zhì)炭顆粒中的微生物群落結(jié)構(gòu)相對豐富于新鮮生物質(zhì)炭顆粒，如細菌（如氯霉）的存在可以將CO2固定在老化的生物質(zhì)炭顆粒中，也可能減少CO2的釋放［86］，然而，生物質(zhì)炭老化對其微生物群落結(jié)構(gòu)和基因的影響有待進一步研究。

繼上述研究后，Zhang等對土壤氮循環(huán)基因進行研究，發(fā)現(xiàn)新鮮生物質(zhì)炭通過自養(yǎng)硝化和反硝化作用會顯著促進蔬菜土壤15.5%的N2O排放，而田間老化生物質(zhì)炭會削弱17.0%的N2O，但實驗室老化生物質(zhì)炭對N2O的排放并沒有顯著影響［31］。造成該現(xiàn)象的原因是新鮮生物質(zhì)炭提高了土壤的AOB-amoA基因豐度，進而通過自養(yǎng)硝化和反硝化促進N2O的排放，老化生物質(zhì)炭通過降低AOB-amoA和nosZ基因的豐度來減少N2O的排放。劉一戈等通過室內(nèi)培養(yǎng)比較不同溫度下新鮮生物質(zhì)炭與老化生物質(zhì)炭對菜地土壤N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)在30 ℃時生物質(zhì)炭對N2O減排效果比在10、20 ℃時更好，且老化生物質(zhì)炭的減排效果優(yōu)于新鮮生物質(zhì)炭，這是因為新鮮生物質(zhì)炭通過吸附硝酸根離子減少其參與反硝化過程，進而降低N2O排放，老化生物質(zhì)炭則通過影響反硝化過程的底物量和反硝化功能基因nirK和nosZ的豐度，從而導致土壤氮以其他氮素形式損失，減少N2O的排放量［87］。

生物質(zhì)炭對溫室氣體排放的影響會隨時間的延長而發(fā)生變化，在農(nóng)田中老化3年的生物質(zhì)炭的CH4氧化能力比新施入的生物質(zhì)炭高，但N2O減排能力下降［42］，生物質(zhì)炭在施用3年后仍對N2O具有顯著的減排效果。吳震等認為，在稻田土壤中老化3年的生物質(zhì)炭能顯著降低稻麥輪作系統(tǒng)中CH4和N2O排放，其仍然具備固碳減排的能力，而新鮮生物質(zhì)炭也會顯著降低N2O排放，但卻增加了CH4排放，相比之下老化生物質(zhì)炭更能降低稻田輪作系統(tǒng)的綜合溫室效應［88］。但Thers等通過油菜土壤施用田間老化生物質(zhì)炭和新鮮生物質(zhì)炭原位試驗對土壤N2O排放進行研究，發(fā)現(xiàn)N2O排放不受生物質(zhì)炭不同類型、施用率和田間老化的影響［89］。

5 展望

新鮮生物炭通過改變土壤的理化性質(zhì)和生物學性質(zhì)，直接或間接影響土壤溫室氣體排放，老化生物炭會改變自身的理化性質(zhì)，從而直接或間接影響土壤溫室氣體排放。但由于生物質(zhì)炭的原材料、施用量、老化時間、老化方式等存在差異，其對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響也不同，亟須深入研究新鮮和老化生物炭施入對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響和機制。未來研究需重點關注以下內(nèi)容：（1）比較新鮮和老化生物炭對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響。在相同條件下，同時研究新鮮和老化生物質(zhì)炭對土壤溫室氣體排放的影響，分析生物質(zhì)炭長期施用對土壤溫室氣體排放的減排效果。（2）田間試驗和培養(yǎng)試驗聯(lián)合研究，可以進一步利用13C和15N示蹤技術(shù)從過程層次上揭示生物質(zhì)炭添加對土壤溫室氣體排放的影響，利用田間試驗與培養(yǎng)試驗結(jié)合的方法揭示老化生物質(zhì)炭和新鮮生物質(zhì)炭對溫室氣體排放效應的機理。（3）目前對于生物質(zhì)炭田間老化對溫室氣體排放的影響研究中生物質(zhì)炭老化時間大多在5年以內(nèi)，應關注生物質(zhì)炭施用后土壤溫室氣體排放更長期的效應和機理研究。

參考文獻：

［1］Franchini M，Mannucci P M. Impact on human health of climate changes［J］. European Journal of Internal Medicine，2015，26（1）：1-5.

［2］徐朝霞，蘇海報，江曉東，等. 氣候變暖對冬小麥生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響［J］. 中國農(nóng)學通報，2020，36（25）：101-105.

［3］Kiehl J T，Trenberth K E. Earth’s annual global mean energy budget［J］. Bulletin of the American Meteorological Society，1997，78（2）：197-208.

［4］Shakoor A，Shahbaz M，F(xiàn)arooq T H，et al. A global meta-analysis of greenhouse gases emission and crop yield under no-tillage as compared to conventional tillage［J］. The Science of the Total Environment，2021，750：142299.

［5］Dissanayake P D，You S M，Igalavithana A D，et al. Biochar-based adsorbents for carbon dioxide capture：a critical review［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2020，119：109582.

［6］Jeffery S，Bezemer T M，Cornelissen G，et al. The way forward in biochar research：targeting trade-offs between the potential wins［J］. GCB Bioenergy，2015，7（1）：1-13.

［7］楊傳文，邢 帆，朱建春，等. 中國秸稈資源的時空分布、利用現(xiàn)狀與碳減排潛力［J］. 環(huán)境科學，2023，44（2）：1149-1162.

［8］周詠春，吳柳林，李丹陽，等. 生物炭添加對土壤溫室氣體排放影響的長短期效應研究進展［J］. 環(huán)境科學，2023，44（8）：4742-4750.

［9］Xiao X，Chen B L，Chen Z M，et al. Insight into multiple and multilevel structures of biochars and their potential environmental applications：a critical review［J］. Environmental Science amp; Technology，2018，52（9）：5027-5047.

［10］卿 敬，張建強，關 卓，等. 農(nóng)田土壤中生物質(zhì)炭的老化及其對有機污染物吸附-解吸影響的研究進展［J］. 土壤，2017，49（5）：859-867.

［11］Dong X L，Li G T，Lin Q M，et al. Quantity and quality changes of biochar aged for 5 years in soil under field conditions［J］. CATENA，2017，159：136-143.

［12］袁海靜，鄧桂森，周順桂，等. 生物炭的老化及其對溫室氣體排放影響的研究進展［J］. 生態(tài)環(huán)境學報，2019，28（9）：1907-1914.

［13］Cao Y Q，Jing Y D，Hao H，et al. Changes in the physicochemical characteristics of peanut straw biochar after freeze-thaw and dry-wet aging treatments of the biomass［J］. BioResources，2019，14（2）：4329-4343.

［14］Tang W，Jing F Q，Laurent Z B L G，et al. High-temperature and freeze-thaw aged biochar impacts on sulfonamide sorption and mobility in soil［J］. Chemosphere，2021，276：130106.

［15］Wang K F，Peng N，Niu X C，et al. Effects of aging on surface properties and endogenous copper and zinc leachability of swine manure biochar and its composite with alkali-fused fly ash［J］. Waste Management，2021，126：400-410.

［16］Chen D Y，Yu X Z，Song C，et al. Effect of pyrolysis temperature on the chemical oxidation stability of bamboo biochar［J］. Bioresource Technology，2016，218：1303-1306.

［17］Liu Y Y，Chen J W. Effect of ageing on biochar properties and pollutant management［J］. Chemosphere，2022，292：133427.

［18］Cross A，Sohi S P. A method for screening the relative long-term stability of biochar［J］. GCB Bioenergy，2013，5（2）：215-220.

［19］Hale S E，Hanley K，Lehmann J，et al. Effects of chemical，biological，and physical aging as well as soil addition on the sorption of pyrene to activated carbon and biochar［J］. Environmental Science amp; Technology，2011，45（24）：10445-10453.

［20］Ren X H，Sun H W，Wang F，et al. The changes in biochar properties and sorption capacities after being cultured with wheat for 3 months［J］. Chemosphere，2016，144：2257-2263.

［21］Zeba N，Berry T D，Panke-Buisse K，et al. Effects of physical，chemical，and biological ageing on the mineralization of pine wood biochar by a Streptomyces isolate［J］. PLoS One，2022，17（4）：e0265663.

［22］Li B，Zhou J，Lu Y，et al. Field-aged biochar reduces the greenhouse gas balance in a degraded vegetable field treated by reductive soil disinfestation［J］. Environmental Science and Pollution Research，2019，26：10609-10620.

［23］Joseph S D，Camps-Arbestain M，Lin Y，et al. An investigation into the reactions of biochar in soil［J］. Soil Research，2010，48（7）：501.

［24］Xu N，Tan G C，Wang H Y，et al. Effect of biochar additions to soil on nitrogen leaching，microbial biomass and bacterial community structure［J］. European Journal of Soil Biology，2016，74：1-8.

［25］Xia H，Riaz M，Ming C，et al. Assessing the difference of biochar and aged biochar to improve soil fertility and cabbage （Brassica oleracea var. capitata） productivity［J］. Journal of Soils and Sediments，2023，23（2）：606-618.

［26］張 瀅，張長浩，張秀芳，等. 污泥和雞糞生物炭制備及其老化過程中的碳損失［J］. 環(huán)境科學，2023，44（8）：4554-4564.

［27］Lawrinenko M，Laird D A，Johnson R L，et al. Accelerated aging of biochars：impact on anion exchange capacity［J］. Carbon，2016，103：217-227.

［28］Su Y F，Wen Y J，Yang W J，et al. The mechanism transformation of ramie biochar’s cadmium adsorption by aging［J］. Bioresource Technology，2021，330：124947.

［29］Zhang Y Z，He R，Zhao J，et al. Effect of aged biochar after microbial fermentation on antibiotics removal：key roles of microplastics and environmentally persistent free radicals［J］. Bioresource Technology，2023，374：128779.

［30］Xing D，Cheng H G，Ning Z P，et al. Field aging declines the regulatory effects of biochar on cadmium uptake by pepper in the soil［J］. Journal of Environmental Management，2022，321：115832.

［31］Zhang X，Zhang J Q，Song M X，et al. N2O and NO production and functional microbes responding to biochar aging process in an intensified vegetable soil［J］. Environmental Pollution，2022，307：119491.

［32］Xie Y L，Zhou G L，Huang X X，et al. Study on the physicochemical properties changes of field aging biochar and its effects on the immobilization mechanism for Cd2+ and Pb2+［J］. Ecotoxicology and Environmental Safety，2022，230：113107.

［33］何飛飛，榮湘民，梁運姍，等. 生物炭對紅壤菜田土理化性質(zhì)和N2O、CO2排放的影響［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2013，32（9）：1893-1900.

［34］Huang R，Wang Z F，Xiao Y，et al. Increases in temperature response to CO2 emissions in biochar-amended vegetable field soil［J］. Environmental Science and Pollution Research，2022，29（33）：50895-50905.

［35］方 明，任天志，賴 欣，等. 花生殼生物炭對潮土和紅壤理化性質(zhì)和溫室氣體排放的影響［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2018，37（6）：1300-1310.

［36］Wu Q F，Lian R Y，Bai M X，et al. Biochar co-application mitigated the stimulation of organic amendments on soil respiration by decreasing microbial activities in an infertile soil［J］. Biology and Fertility of Soils，2021，57（6）：793-807.

［37］Gross C D，Bork E W，Carlyle C N，et al. Biochar and its manure-based feedstock have divergent effects on soil organic carbon and greenhouse gas emissions in croplands［J］. The Science of the Total Environment，2022，806（Pt 3）：151337.

［38］吳 震，陳安楓，朱爽閣，等. 集約化菜地N2O排放及減排：基于文獻整合分析［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2020，39（4）：707-714.

［39］Li B，Bi Z C，Xiong Z Q.Dynamic responses of nitrous oxide emission and nitrogen use efficiency to nitrogen and biochar amendment in an intensified vegetable field in southeastern China［J］. GCB Bioenergy，2017，9（2）：400-413.

［40］Cayuela M L，van Zwieten L，Singh B P，et al. Biochar’s role in mitigating soil nitrous oxide emissions：a review and meta-analysis［J］. Agriculture，Ecosystems amp; Environment，2014，191：5-16.

［41］Li B，Huang W H，Elsgaard L，et al. Optimal biochar amendment rate reduced the yield-scaled N2O emissions from Ultisols in an intensive vegetable field in South China［J］. The Science of the Total Environment，2020，723：138161.

［42］Spokas K A.Impact of biochar field aging on laboratory greenhouse gas production potentials［J］. GCB Bioenergy，2013，5（2）：165-176.

［43］Borchard N，Schirrmann M，Cayuela M L，et al. Biochar，soil and land-use interactions that reduce nitrate leaching and N2O emissions：a meta-analysis［J］. The Science of the Total Environment，2019，651（Pt 2）：2354-2364.

［44］Cheng Y，Cai Z C，Chang S X，et al. Wheat straw and its biochar have contrasting effects on inorganic N retention and N2O production in a cultivated black chernozem［J］. Biology and Fertility of Soils，2012，48（8）：941-946.

［45］Sun L Y，Deng J Y，F(xiàn)an C H，et al. Combined effects of nitrogen fertilizer and biochar on greenhouse gas emissions and net ecosystem economic budget from a coastal saline rice field in southeastern China［J］. Environmental Science and Pollution Research，2020，27（14）：17013-17022.

［46］戴相林，劉雅輝，孫建平，等. 秸稈還田和氮肥減施對濱海鹽漬土稻田溫室氣體排放及氮肥利用率的影響［J］. 應用與環(huán)境生物學報，2023，29（4）：994-1005.

［47］劉麗君，朱啟林，李凱凱，等. 添加生物炭對海南燥紅壤N2O和CO2排放的影響［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2021，40（9）：2049-2056.

［48］王月玲，耿增超，王 強，等. 生物炭對塿土土壤溫室氣體及土壤理化性質(zhì)的影響［J］. 環(huán)境科學，2016，37（9）：3634-3641.

［49］Jia J X，Li B，Chen Z Z，et al. Effects of biochar application on vegetable production and emissions of N2O and CH4［J］. Soil Science and Plant Nutrition，2012，58（4）：503-509.

［50］Li F Y，Cao X D，Zhao L，et al. Short-term effects of raw rice straw and its derived biochar on greenhouse gas emission in five typical soils in China［J］. Soil Science and Plant Nutrition，2013，59（5）：800-811.

［51］Troy S M，Lawlor P G，O’Flynn C J，et al. Impact of biochar addition to soil on greenhouse gas emissions following pig manure application［J］. Soil Biology and Biochemistry，2013，60：173-181.

［52］Luo Y，Durenkamp M，de Nobili M，et al. Microbial biomass growth，following incorporation of biochars produced at 350 ℃ or 700 ℃，in a silty-clay loam soil of high and low pH［J］. Soil Biology and Biochemistry，2013，57：513-523.

［53］陳 穎，劉玉學，陳重軍，等. 生物炭對土壤有機碳礦化的激發(fā)效應及其機理研究進展［J］. 應用生態(tài)學報，2018，29（1）：314-320.

［54］王冠麗，孫鐵軍，劉廷璽，等. 施用生物炭對干旱區(qū)玉米農(nóng)田碳足跡的影響［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2019，38（11）：2650-2658.

［55］Zimmerman A R，Gao B，Ahn M Y. Positive and negative carbon mineralization priming effects among a variety of biochar-amended soils［J］. Soil Biology and Biochemistry，2011，43（6）：1169-1179.

［56］Igalavithana A D，Choi S W，Shang J，et al. Carbon dioxide capture in biochar produced from pine sawdust and paper mill sludge：effect of porous structure and surface chemistry［J］. The Science of the Total Environment，2020，739：139845.

［57］Guo F C，Zhang J M，Yang X Y，et al. Impact of biochar on greenhouse gas emissions from constructed wetlands under various influent chemical oxygen demand to nitrogen ratios［J］. Bioresource Technology，2020，303：122908.

［58］Lin Y X，Ding W，Liu D Y，et al. Wheat straw-derived biochar amendment stimulated N2O emissions from rice paddy soils by regulating the amoA genes of ammonia-oxidizing bacteria［J］. Soil Biology amp; Biochemistry，2017，113：89-98.

［59］陳 晨，許 欣，畢智超，等. 生物炭和有機肥對菜地土壤N2O排放及硝化、反硝化微生物功能基因豐度的影響［J］. 環(huán)境科學學報，2017，37（5）：1912-1920.

［60］馮政君. 不同環(huán)境條件下生物炭對土壤N2O排放的影響及機制［D］. 杭州：浙江大學，2017.

［61］Liu Q，Liu B J，Zhang Y H，et al. Can biochar alleviate soil compaction stress on wheat growth and mitigate soil N2O emissions？［J］. Soil Biology and Biochemistry，2017，104：8-17.

［62］Fungo B，Chen Z，Butterbach-Bahl K，et al. Nitrogen turnover and N2O/N2 ratio of three contrasting tropical soils amended with biochar［J］. Geoderma，2019，348：12-20.

［63］Aamer M，Shaaban M，Hassan M U，et al. Biochar mitigates the N2O emissions from acidic soil by increasing the nosZ and nirK gene abundance and soil pH［J］. Journal of Environmental Management，2020，255：109891.

［64］黃凱平，李永夫，宋成芳，等. 氮沉降和施生物質(zhì)炭對毛竹林土壤N2O通量的影響［J］. 應用生態(tài)學報，2021，32（9）：3079-3088.

［65］Shi R Y，Ni N，Nkoh J N，et al. Beneficial dual role of biochars in inhibiting soil acidification resulting from nitrification［J］. Chemosphere，2019，234：43-51.

［66］Wang C，Shen J L，Liu J Y，et al. Microbial mechanisms in the reduction of CH4 emission from double rice cropping system amended by biochar：a four-year study［J］. Soil Biology and Biochemistry，2019，135：251-263.

［67］Karhu K，Mattila T，Bergstrm I，et al. Biochar addition to agricultural soil increased CH4 uptake and water holding capacity：results from a short-term pilot field study［J］. Agriculture，Ecosystems amp; Environment，2011，140（1/2）：309-313.

［68］Chen D，Wang C，Shen J L，et al. Response of CH4 emissions to straw and biochar applications in double-rice cropping systems：insights from observations and modeling［J］. Environmental Pollution，2018，235：95-103.

［69］Liu Y X，Yang M，Wu Y M，et al. Reducing CH4 and CO2 emissions from waterlogged paddy soil with biochar［J］. Journal of Soils and Sediments，2011，11（6）：930-939.

［70］Feng Y Z，Xu Y P，Yu Y C，et al. Mechanisms of biochar decreasing methane emission from Chinese paddy soils［J］. Soil Biology and Biochemistry，2012，46：80-88.

［71］Feng Y Y，F(xiàn)eng Y F，Liu Q，et al. How does biochar aging affect NH3 volatilization and GHGs emissions from agricultural soils？［J］. Environmental Pollution，2022，294：118598.

［72］Hagemann N，Harter J，Kaldamukova R，et al. Does soil aging affect the N2O mitigation potential of biochar？A combined microcosm and field study［J］. GCB Bioenergy，2017，9（5）：953-964.

［73］Sadasivam B Y，Reddy K R. Adsorption and transport of methane in landfill cover soil amended with waste-wood biochars［J］. Journal of Environmental Management，2015，158：11-23.

［74］陳亞娟，廖曉琳，Saadat U M，等. 生物炭與沼液混施對楊樹人工林土壤溫室氣體排放的長期影響［J］. 土壤通報，2022，53（4）：828-838.

［75］Zheng N G，Yu Y X，Li Y Y，et al. Can aged biochar offset soil greenhouse gas emissions from crop residue amendments in saline and non-saline soils under laboratory conditions？［J］. The Science of the Total Environment，2022，806（Pt 3）：151256.

［76］Joseph S，Cowie A L，van Zwieten L，et al. How biochar works，and when it doesn’t：a review of mechanisms controlling soil and plant responses to biochar［J］. GCB Bioenergy，2021，13（11）：1731-1764.

［77］Duan P P，Zhang X，Zhang Q Q，et al. Field-aged biochar stimulated N2O production from greenhouse vegetable production soils by nitrification and denitrification［J］. The Science of the Total Environment，2018，642：1303-1310.

［78］劉文慧，王昱璇，陳丹丹，等. 老化作用對生物炭理化特性的影響［J］. 工程熱物理學報，2021，42（6）：1575-1582.

［79］Zhang X，Duan P P，Wu Z，et al. Aged biochar stimulated ammonia-oxidizing archaea and bacteria-derived N2O and NO production in an acidic vegetable soil［J］. The Science of the Total Environment，2019，687：433-440.

［80］Wang J Y，Xiong Z Q，Kuzyakov Y.Biochar stability in soil：meta-analysis of decomposition and priming effects［J］. GCB Bioenergy，2016，8（3）：512-523.

［81］Weng Z，van Zwieten L，Singh B P，et al. Biochar built soil carbon over a decade by stabilizing rhizodeposits［J］. Nature Climate Change，2017，7：371-376.

［82］Han X G，Sun X，Wang C，et al. Mitigating methane emission from paddy soil with rice-straw biochar amendment under projected climate change［J］. Scientific Reports，2016，6：24731.

［83］Qin X B，Li Y E，Wang H，et al. Long-term effect of biochar application on yield-scaled greenhouse gas emissions in a rice paddy cropping system：a four-year case study in South China［J］. The Science of the Total Environment，2016，569/570：1390-1401.

［84］Wu Z，Sun L Y，Dong Y B，et al. Contrasting effects of different field-aged biochars on potential methane oxidation between acidic and saline paddy soils［J］. The Science of the Total Environment，2022，853：158643.

［85］Wang C，Shen J L，Liu J Y，et al. Microbial mechanisms in the reduction of CH4 emission from double rice cropping system amended by biochar：a four-year study［J］. Soil Biology and Biochemistry，2019，135：251-263.

［86］Wang L，Gao C C，Yang K，et al. Effects of biochar aging in the soil on its mechanical property and performance for soil CO2 and N2O emissions［J］. The Science of the Total Environment，2021，782：146824.

［87］劉一戈，胡家?guī)?，?朝，等. 不同溫度條件下生物質(zhì)炭陳化對華南集約化菜地土壤反硝化過程的影響［J］. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2022，28（9）：1641-1651.

［88］吳 震，董玉兵，熊正琴.生物炭施用3年后對稻麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O綜合溫室效應的影響［J］. 應用生態(tài)學報，2018，29（1）：141-148.

［89］Thers H，Abalos D，Drsch P，et al. Nitrous oxide emissions from oilseed rape cultivation were unaffected by flash pyrolysis biochar of different type，rate and field ageing［J］. The Science of the Total Environment，2020，724：138140.

［90］Basalirwa D，Sudo S，Wacal C，et al. Impact of fresh and aged palm shell biochar on N2O emissions，soil properties，nutrient content and yield of Komatsuna （Brassica rapa var. perviridis） under sandy soil conditions［J］. Soil Science and Plant Nutrition，2020，66（2）：328-343.

［91］Liu Z W，Zhu M T，Wang J M，et al. The responses of soil organic carbon mineralization and microbial communities to fresh and aged biochar soil amendments［J］. Global Change Biology Bioenergy，2019，11（12）：1408-1420.

［92］Nan Q，Wang C，Wang H，et al. Mitigating methane emission via annual biochar amendment pyrolyzed with rice straw from the same paddy field［J］. The Science of the Total Environment，2020，746：141351.

［93］Wu Z，Zhang Q Q，Zhang X，et al. Biochar-enriched soil mitigated N2O and NO emissions similarly as fresh biochar for wheat production［J］. The Science of the Total Environment，2020，701：134943.

［94］Yang Y，Sun K，Liu J，et al. Changes in soil properties and CO2 emissions after biochar addition：role of pyrolysis temperature and aging［J］. The Science of the Total Environment，2022，839：156333.