物質炭輸入對土壤有機碳庫和CO2排放的影響研究進展

楊萌+李永夫+肖永恒+李永春+岳天+姜培坤+周國模

摘要：由于生物質炭的碳化學結構主要以芳香碳為主，具有高度的生物化學和熱穩定性，可長期保存于土壤中而不被土壤微生物所分解，因此其在增加土壤碳庫容量、穩定土壤有機碳庫以及維持土壤碳平衡方面發揮著重要作用。本研究綜述了生物質炭輸入對活性有機碳、腐殖質特性以及有機碳礦化特征的影響，較詳細地分析了生物質炭輸入對土壤CO2通量的影響效果及其機制，最后展望了該方向今后的研究重點。

關鍵詞：生物質炭；活性有機碳；土壤腐殖質；土壤有機碳礦化；CO2排放

中圖分類號：S153 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）02-0205-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.02.002

全球氣候變暖已成為不爭的事實，CO2作為全球氣候變暖的主要溫室氣體對其貢獻率高達50%～60%[1]。土壤作為全球最大的碳庫，通過呼吸的形式釋放到大氣中的CO2是化石燃料釋放的10倍以上[2-3]。因此，如何減少土壤呼吸所釋放CO2量成為減緩全球氣候變暖的關鍵所在。目前對土壤CO2減排的研究主要集中于土地利用方式、植被類型、水熱條件、施肥等因素的研究。生物質炭因其高含碳量、難被分解、空隙多、比表面積大的特點，以及其在全球碳循環涉及到氣候變化和環境問題而成為最近研究的熱點[4-5]。

生物質炭是指植物或動物生物質在厭氧或部分厭氧條件下通過高溫熱裂解制備成的多孔芳香類化學物質[6-8]。由于生物質炭具有比表面積巨大，孔隙度豐富、高pH等特點，生物質炭不僅對土壤性質改良具有極大的益處，而且在溫室氣體減排方面具有極大的潛力。另外，生物質炭的有機碳結構主要以芳香碳為主，因此它具有極強的穩定性，在土壤中可以存在上千年[9]，因此生物質炭對土壤固碳具有重要的意義。為了深入理解生物質炭施入對土壤有機碳庫和土壤CO2排放的影響機制，本研究綜述了生物質炭輸入對土壤活性有機碳庫、腐殖質特性以及有機碳礦化特征的影響，較詳細地分析了生物質炭輸入對土壤CO2排放的影響效果及其機制，最后展望了該方向今后的研究重點。

1 生物質炭對有機碳庫的影響

1.1 生物質炭輸入對活性有機碳庫的影響

土壤活性有機碳庫是土壤微生物活動的能量來源和土壤養分變化的驅動力，其動態變化與土壤呼吸存在密切的關系，土壤活性碳具有移動速度快、穩定性差、易氧化分解等特點，具有較高的植物、動物和微生物活性[10]。土壤活性有機碳雖然只占土壤總有機碳的一小部分，但卻能夠在土壤全球變化之前反應出人類活動對土壤所引起的微小變化，是土壤碳循環的主要驅動力，對土壤碳收支平衡和全球氣候變化具有重要的意義[11]。土壤活性有機碳包括水溶性有機碳、微生物量碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳、輕組有機碳、熱水溶性有機碳、可礦化態碳等。其中土壤水溶性有機碳、微生物量碳和易氧化有機碳是土壤活性有機碳庫的重要表征指標[12]。

生物質炭輸入對土壤活性有機碳的影響在不同類型土壤之間存在顯著差異。如Durenkamp等[13]研究發現，在黏質土中添加生物質炭能夠增加土壤微生物碳的含量，而在沙質土中添加則降低其含量。部分研究發現，生物質炭施入土壤對土壤活性有機碳的影響，還會隨著生物質炭施入時間的長短而不同。如花莉等[14]研究發現，在土壤中施入椰殼炭初期能夠提高土壤活性有機碳的含量，但隨著時間的推移其含量逐漸降低，而土壤有機碳的總量則無顯著變化，從而降低了土壤活性有機碳占土壤總有機碳含量的百分比。謝國雄等[15]研究發現，對土壤施入生物質炭會影響土壤微生物生物量碳、水溶性碳和易氧化碳的含量，隨著施入時間的推移土壤微生物生物量碳和水溶性有機碳的含量逐漸減少。付琳琳[16]通過對水稻土施入生物質炭3年后的研究也發現了相同的結果。施用生物質炭初期能夠增加微生物生物量碳，可能是由于生物質炭本身所攜帶的活性有機碳；后期隨著生物質炭施入時間的增加，土壤和生物質炭中的活性有機碳被微生物所降解，從而降低了其含量。另外還有研究發現，生物質炭輸入對土壤活性有機碳的影響還會隨著生物質炭制備溫度和施入量的不同而不同。如趙世翔等[17]研究發現添加低溫生物質炭能夠增加土壤的呼吸速率、活性有機碳的含量，且隨著添加比例的增加而增加，而在同一添加比例下，隨著制備溫度的升高而降低。金素素等[18]研究發現對土壤施入生物質炭能夠增加土壤有機碳和活性有機碳的含量，但隨著施炭量的增加，活性有機碳占總有機碳的百分比降低，并且隨著時間的推移，活性有機碳的含量逐漸減少?；ɡ虻萚19]試驗也發現向水稻土中添加生物質炭能夠提高土壤的惰性碳庫，從而降低活性有機碳占土壤有機碳的比例，并且隨著施碳量的增加而降低。馬莉等[20]通過盆栽試驗發現，添加生物炭可以顯著提高灰漠土易氧化態有機碳和微生物生物量碳的含量。這可能是因為添加生物質炭能夠提高作物的生物量，特別是能夠提高根系的生物量，這樣就增加了土壤新鮮有機碳的輸入量，從而增加了土壤易氧化有機碳和微生物生物量碳的含量。

1.2 生物質炭輸入對土壤腐殖質的影響

土壤腐殖質是土壤有機質重要的物質組成，主要指除未分解和半分解動、植物殘體及微生物體以外的有機物質的總稱[21]，其含量及其動態變化特征是反應土壤質量的重要標志，作為土壤肥力的物質基礎，對土地的健康循環利用具有重要的意義。由于腐殖質在土壤中不易被分解，所以它是土壤有機碳庫中重要的穩定組成部分，其含量的多少對土壤有機碳的穩定具有重要意義。土壤腐殖質包含富里酸、胡敏酸、胡敏素三部分，其中胡敏素溶解性最差，穩定性最強[22]。

生物質炭可能是土壤腐殖質的來源[23]，為了證實這一結果，研究者進行了一系列的研究，如Haumaier等[24]通過核磁共振技術研究發現，生物質炭和土壤腐殖質具有相似的波譜特征。Kwapinski等[25]在試驗中發現，生物質炭在一定條件下可以通過微生物轉化為土壤腐殖質。付琳琳[16]研究發現，對土壤施入生物質炭能夠增加胡敏素含量，使其分子結構更加復雜，增加土壤腐殖質的含量。周鑫[26]在不同用量的生物質炭施入的研究中發現，隨著生物質炭施入量的增加，土壤胡敏素的含量也增加，并且隨著時間的增加而增加，但一年之后逐漸減低，當生物質炭施入量為48 t/hm2時，胡敏素的含量隨時間的變化一直在增加，但富里酸和胡敏酸的含量隨著生物質炭施入量的增加而降低，這可能是由于生物質炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙度，可以對分子量相對小的富里酸和胡敏酸產生吸附作用，生成分子結構相對復雜的胡敏素。Wang等[27]在豬糞堆肥過程中添加生物質炭，通過核磁共振技術發現生物質炭的施入提高了烷基、烴基比率和芳香烴的含量，這都說明生物質炭能夠促進腐殖質的轉化進程；另外，通過對此生物質炭的傅里葉變換紅外光譜分析認為，腐殖質的吸附作用和生物質炭的化學氧化可能是加速芳香烴物質形成的原因，但其中具體的作用機制還不是很清楚，有待于進一步的研究。張葛等[28]在土壤中施入玉米秸稈生物質炭的試驗中發現，生物質炭的添加顯著地提高了土壤胡敏酸的縮合度和芳香化程度，降低了氧化度，從而增加了土壤腐殖質的含量。孟凡榮等[29]在玉米秸稈生物質炭對黑土腐殖質和胡敏酸影響的研究中也發現，生物質炭的施入有助于胡敏酸脂肪鏈烴的形成，從而提高胡敏酸中芳香化結構的比例，有利于胡敏酸向胡敏素的轉化。胡敏素作為土壤腐殖質中最穩定的組成成分，其含量的高低對土壤有機碳的固定具有重要的影響。上述試驗結果表明，土壤中的腐殖質不僅來源于動植物殘體的分解，也可能來源于外界所添加的生物質炭的轉化。生物質炭添加到土壤中，由于其特有的理化性質，一方面可以為土壤微生物提供合適的生活環境促進其活性，從而影響生物質炭向土壤腐殖質的轉化；另一方面，生物質炭可以通過自身的芳香基團和羰基等結構，影響土壤腐殖質中胡敏酸結構的變化，進而影響生物質炭向土壤腐殖質的轉化。

1.3 生物質炭對土壤有機碳礦化的影響

土壤有機碳是指存在于土壤中所含碳的有機物質，包括動植物的殘體、微生物體及其會分解和合成的各種有機質，可以通過多種方式影響土壤向大氣中釋放CO2。土壤有機質的礦化過程受到環境因子、理化性質、微生物等因素的影響，直接關系到土壤溫室氣體的排放[15]，而生物質炭施入能夠改變土壤溫度、水分、酸堿度等理化性質，從而影響土壤有機質的礦化作用。土壤溫度通過影響土壤微生物和土壤酶活性而影響土壤有機碳的礦化。當溫度較低時，升高溫度有利于促進土壤有機碳的礦化；而當溫度較高時，升高溫度不但不會促進礦化速率反而對其產生抑制作用[30]，而生物質炭施入可以通過改變土壤顏色、土壤通氣性、含水量等因素而影響土壤溫度的變化。水分條件對土壤有機碳礦化速率的影響是復雜的，在旱地中水分條件是影響土壤有機碳礦化的重要條件，但當水分含量達到一定值時，其對土壤礦化速率影響不大，所以對于水田等水分含量高的土壤來說，水分條件就不是制約土壤有機碳礦化的關鍵因素，而添加生物質炭可以通過改變土壤的含水量而影響土壤有機碳的礦化。如康熙龍等[31]在對旱地土壤施入生物質炭的研究中發現，在添加相同量的生物質炭下，土壤有機碳的礦化速率隨著水分含量的增加而提高。王戰磊等[32]在對板栗林施入竹葉生物質炭的試驗中發現，土壤含水量對土壤的CO2排放無顯著影響。由于生物質炭是堿性物質，對酸性土壤施入生物質炭能夠改良土壤性質，提高微生物活性，從而促進土壤有機碳的礦化。從目前的研究結果來看，生物質炭對土壤有機碳的礦化存在多種影響結果，有促進作用的，有抑制作用的，也有沒有影響的[33-35]。

Liang等[36]研究發現高溫制備的生物質炭能夠抑制土壤有機質的礦化作用?；ɡ虻萚37]研究發現高溫制備的生物質炭具有豐富的孔隙結構和巨大的比表面積，對土壤中的活性有機物質起到一定的吸附作用，從而降低了土壤有機質的礦化。王英惠等[38]在土壤中添加不同溫度制備的生物質炭研究中發現，隨著制備生物質炭溫度的升高土壤有機碳礦化速率逐漸降低，土壤有機碳的含量增加，累計礦化量逐漸減少。以上研究結果表明，高溫制備的生物質炭比低溫制備的生物質炭更有利于土壤有機碳的封存。原因可能有：①在一定溫度范圍內，制備生物質炭的溫度越高，土壤有機碳的半衰期越長[17]，從而減慢了土壤有機碳的礦化速率。②隨著制備生物質炭溫度的升高，生物質炭的芳香化結構和致密性越高，生物質炭的穩定性就越強[39]，而土壤有機碳礦化的部分來源于生物質炭本身，所以高溫制備的生物質炭更有利于降低土壤有機碳的礦化速率。③生物質炭可以促進土壤團聚體的形成，提高土壤碳庫的穩定性，從而降低土壤有機碳的礦化速率[40]。匡崇婷等[41]試驗發現向紅壤水稻土中添加生物質炭能夠降低土壤的呼吸強度，有機碳礦化率和累積礦化量。劉燕萍等[42]在試驗過程中發現，對土壤施入生物質炭，前期能夠促進土壤有機碳的礦化，后期則減緩了此過程。王蕾等[43]也發現了類似的試驗結果。Hefa等[44]試驗認為生物質炭含有豐富的孔隙結構，能夠吸附土壤中的有機質，減少微生物和土壤酶與土壤有機質的接觸，從而降低了土壤有機碳的礦化。趙次嫻等[45]在水田和旱地土壤中添加生物質炭研究發現，添加生物質炭對水田和旱地中的土壤有機碳的礦化都能起到抑制作用?？滴觚埖萚31]試驗研究結果表明，對旱地土壤添加生物質炭能夠抑制土壤有機碳的礦化，并且隨著生物質炭施入量的增加而增強。

但是，也有一些結果表明生物質輸入對土壤有機碳礦化存在促進作用或無顯著影響。Steinbeiss等[46]和Luo等[47]發現向土壤中添加生物質炭能夠促進土壤有機碳的礦化。Wardle等[48]研究發現，生物質炭本身含有的有機物質增強了土壤微生物的活性，因而促進了土壤有機碳的礦化。Farrell等[49]在試驗過程中也發現對土壤添加生物質炭能夠促進土壤有機碳的礦化。但是也有不少研究結果表明，施入生物質炭對土壤有機碳礦化無顯著影響[50-52]。Hilscher等[53]發現對土壤添加由松木制備而成的生物質炭沒有增加土壤有機碳的礦化速率，而添加牧草制備的生物質炭則增強了土壤有機碳的礦化速率。王戰磊等[32]研究發現向板栗林中施入生物質炭僅在第1個月增加了CO2的排放和微生物碳和水溶性碳的含量，但對土壤CO2的年累積排放量并無影響。施入生物質炭初期促進土壤CO2排放速率的原因可能是生物質炭本身含有一些易被分解的有機碳而被土壤中的微生物所分解，后期土壤呼吸速率降低的原因可能是生物質炭對土壤有機質的吸附作用，減少了土壤有機質與微生物的接觸機會，從而降低了土壤的呼吸速率[54]。Singh等[55]研究認為，制備生物質炭的溫度以及生物質的差異，使得所制備生物質炭的性質有所不同，從而影響土壤有機碳的礦化。另外，生物質炭對土壤有機碳礦化速率的影響也會因土壤有機質含量的不同而不同。一般情況下是對土壤有機質含量特別低的土壤產生抑制作用，中等含量的產生促進作用，含量較高的也產生抑制作用[15]。

2 生物質炭對土壤CO2通量的影響

從以往的研究來看，土壤施入生物質炭對土壤CO2排放既有激發效應又有抑制效應，或對CO2排放無顯著影響，這種影響效果會因生物質炭類型和施用劑量、制備方法以及土壤類型等因素的不同而產生差異[56-58]。部分研究發現生物質炭的施入激發了土壤CO2的排放。如Luo等[47]研究了生物質輸入對旱地土壤CO2排放的影響，發現生物質炭處理顯著增加土壤CO2排放。這可能與生物質炭本身含有部分可溶性有機碳有關，且這種可溶性有機碳的降解一般發生在添加生物質炭36 h后[59]。Smith等[60]試驗發現對土壤添加生物質炭會促進土壤CO2的排放。Singh等[34]也得到了同樣的研究結果，但CO2的來源并不是生物質炭本身的有機碳，而是其促進了土壤原有有機碳的降解，并且這種促進作用隨著時間的延長逐漸減弱。有部分研究發現生物質炭的施入抑制了土壤CO2的排放，如花莉等[19]試驗發現向水稻土中施入生物質炭能夠顯著降低CO2的排放，但是在不同施碳量間沒有顯著差異。Lu等[57]在河南封丘的旱地土壤中研究發現，施加生物質炭和氮肥可以顯著降低土壤CO2的排放速率。Karhu等[61]也發現向旱地土壤中添加生物質炭能夠降低土壤CO2的排放。金素素[18]也得到了類似的研究結果。但也有少量研究發現，生物質炭的施入對土壤CO2的排放沒有顯著影響，如Yoo等[62]在豬糞生物質炭輸入水稻田的研究中發現，生物質炭施入水稻田后對土壤CO2排放沒有顯著影響。Zavalloni等[63]和Cheng等[64]在試驗過程中發現，施入生物質炭的土壤CO2排放與對照相比無明顯差異。Wang等[65]在竹葉及其生物質炭輸入板栗人工林的研究中也發現，生物質炭輸入對土壤CO2排放通量沒有顯著影響。

生物質炭輸入能夠增加土壤CO2排放通量的原因可能是：①生物質炭本身含有部分活性有機碳，在其施入土壤后使得土壤活性有機碳的濃度增加，從而促進土壤CO2的排放[60]。②生物質炭本身具有巨大的比表面積和孔隙度，且含有大量的營養元素，因而為微生物的生長提供了有力的生存環境，促進了土壤CO2的排放[66-67]。③生物質炭施入土壤后，能夠顯著提高土壤的pH、CEC值和土壤含水量，從而提高了土壤微生物的活性，促進了土壤CO2的排放[68]。而生物質炭施入能夠降低土壤CO2排放的原因可能有：①生物質炭本身含有不利于土壤微生物生長的物質，抑制了土壤微生物的活性，從而降低了土壤CO2排放[69]；②生物質炭本身具有巨大的比表面積和孔隙度，可能對土壤中的微生物和酶產生吸附作用，從而使其失去活性，降低了土壤CO2的排放[70]；③生物質炭能夠吸附土壤有機碳，隔絕了其與微生物的接觸，從而降低了土壤有機碳的分解[71]；④生物質炭施入土壤能夠促進土壤團聚體的形成，特別是微團聚體的形成，而微團聚體具有更高的穩定性，從而減少了土壤有機碳的分解，降低了土壤CO2的排放[54]。

3 展望

生物質炭對土壤活性有機碳庫和CO2排放的影響因生物質炭的種類、施碳量、土壤類型等條件的不同而不同。生物質炭施入能夠增加土壤活性有機碳的含量，但隨著施入時間的推移影響效果并不明顯，生物質炭還能夠增加土壤腐殖質的含量，但其中具體的轉化機制并不清楚。生物質炭對土壤有機碳的礦化和CO2的排放都存在激發、抑制、無影響三方面的作用。然而，目前對于生物質炭與土壤腐殖質之間的關系研究較少，也未曾對生物質炭種類和施用量對土壤碳庫動態變化的影響作出探討。生物質炭轉化為土壤腐殖質的具體機制和對土壤有機碳庫作用的微觀機理將是今后研究的重點。

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