生物質炭對農田土壤碳循環影響研究進展

馬浩+雷光宇+李娟

摘 要：近年來，隨著農業集約化的推進和全球氣候變暖的加劇，農田生態系統土壤有機碳庫流失嚴重，并主要以土壤溫室氣體的形式進入大氣，因此，尋求一種既可以減少土壤溫室氣體排放又可以確保農業可持續發展的途徑尤為重要。生物碳作為含碳量極為豐富的高度芳香化難熔性物質，生物質碳的輸入對土壤碳循環產生一系列深遠影響，已成為環境及生態相關學科的研究熱點。本文從生物質炭對土壤固碳的影響機制以及對土壤碳截留和溫室氣體排放的影響、我國生物質炭凈減排能力等方面概述了生物質炭對農田土壤碳循環的影響，并對國內外研究中存在的問題進行分析并提出展望，以期對當前我國農田土壤固碳研究有所參考。

關鍵詞：生物質炭；農田土壤；碳截留；農田溫室氣體；減排

中圖分類號：S153；X22 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170333051

近年來由于溫室氣體CO2和CH4等對全球氣候變化的影響以及由此引發的一系列嚴重的環境問題，已經引起世界各國的密切關注，而農業對全球溫室氣體的排放有重要影響。農田生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，與自然土壤相比，農田土壤受人類活動干擾嚴重。據估計，全球排放的溫室氣體中有11%的CO2，60%的N2O和50%的CH4來自農業生產活動[1]，其中CO2、CH4和N2O對全球氣候變暖的貢獻率分別為60%、15%和5%[2]，因此，如何有效減少農田土壤溫室氣體排放，最大程度提高土壤固碳潛力是當前農業和環境領域所面臨的主要問題，而生物質炭技術的興起為之提供了可能。

生物質是指具有生命的生物體利用大氣、水、土壤等提供的各種元素通過光合作用等合成途徑產生的各種有機體，即一切有生命的生物體生命活動產生的有機物質。國際生物質炭協會將生物質炭定義為：生物質在缺氧條件下通過熱化學轉化成的固態產物，它可以單獨或者作為添加劑使用，能夠改良土壤、提高資源利效率、改善環境污染，以及作為溫室氣體排放的有效手段。生物質炭是一種具有多芳香環的物質，具有高度的生物化學和熱穩定性，能夠將大氣CO2固定并以穩定態碳的形式存儲在土壤中，具有巨大的碳封存潛力。已有大量研究表明[3-8]，生物質炭施入土壤生態系統后，不僅可以增強土壤固碳，還可以改善土壤結構及理化性狀，具有提高土壤質量和肥力、提高作物產量的作用。

1 生物質炭的固碳減排機制

1.1 生物質炭的穩定性

施用生物質炭能夠將大氣中的CO2固定并封存在土壤中，是一種有效的碳匯途徑。生物質炭富含穩定的碳元素，主要由芳香環結構和烷基成分組成[9]，使其表現出高度生化學穩定性和熱穩定性，具有很強的抵抗微生物分解的能力，可長期保存于土壤中而不易被礦化[10]。生物質炭與土壤中的礦物結合形成土壤團聚體，生物質炭封閉在團聚體中，通過團聚體的物理保護作用降低土壤礦化速率，提高有機質含量，同時抑制土壤有機碳（SOC）的分解，促進土壤碳庫的形成、固定和周轉[11]。

1.2 生物質炭對農田溫室氣體減排機制

生物質炭的施入能夠顯著降低農田土壤生態系統溫室氣體的排放，有利于緩解溫室效應和全球氣候變暖。生物質炭對農田溫室氣體排放的作用機制主要體現在3個方面：生物質炭自身的理化性質。由于生物質碳多孔性和顆粒結構，能夠較大程度吸附土壤中的氣體和養分，從而影響溫室氣體排放[12]；生物質炭對土壤理化性質的影響。生物質炭施入土壤后，會對土壤理化性質如孔隙度、pH、通氣性、氧化還原電位以及吸附性能產生一系列影響，進而影響溫室氣體排放[4]；生物質炭對土壤微生物的影響。土壤理化性質的改善和大孔隙結構為土壤微生物的生存提高良好的環境，直接影響土壤中參與溫室氣體產生和吸收過程的微生物的種群結構多樣性或活性影響溫室氣體的排放[13]。

2 生物質炭對農田土壤碳截留的影響

2.1 生物質炭對土壤有機碳的影響

經過熱解后生物質炭的碳含量可從生物質初始的40%～50%提高到70%～80%，生物質炭施入土壤能夠提高土壤的有機碳含量，且土壤有機碳含量隨著生物質炭施用量的增加而增加[14]。此外，也有研究認為生物質炭與土壤原有有機質之間可能存在激發效應，進而影響土壤有機碳含量。當添加生物質炭以后，生物質炭能夠通過改變土壤中有機質腐殖化、穩定性和呼吸速率等，產生“碳-負”（carbon-negative）效應，生物質炭抑制了生物質的分解過程，使碳以一種穩定的形態貯存在土壤中，減緩了碳以溫室氣體形式向大氣的釋放[15]，因此，將生物質熱解轉變為生物質炭不僅能夠減少溫室氣體的排放，緩解全球變暖，還能提高土壤碳匯，促進土壤新碳的形成。

2.2 生物質炭對土壤團聚體的影響

生物質炭添加到土壤后一般不是以自由有機質形式存在，而是生物質炭表面的有機結構與土壤中的礦物形成土壤團聚體[16]。生物質炭通過團聚體的物理保護作用降低土壤微生物對其分解的風險而長期固持。生物質炭的緩慢氧化過程使得土壤團聚體更穩固長久[17]，同時，土壤團聚體對碳的保護能力對土壤碳儲存有著不可忽視的作用。但也有研究表明，生物質炭對團聚體含量變化沒有影響，葉麗麗等[18]通過研究生物質炭對土壤機械穩定性和團聚體穩定性影響，結果顯示生物質炭不能提高土壤抗破碎能力和土壤團聚體穩定性。

3 生物質炭對農田土壤溫室氣體排放的影響

3.1 生物質炭對農田土壤CO2排放的影響

農田土壤有機碳礦化釋放的CO2是農業溫室氣體排放的重要途徑，CO2在大氣中的存留壽命為5～200a。生物質炭具有較高的吸附性能，不僅可以吸收大氣中的CO2，同時還可以通過固定土壤有機碳從而減少土壤CO2的釋放，而且還可以將其長期儲存于土層中[15]，這對整個大氣環境來講這是“碳負性”。又因生物質炭具有極高的化學穩定性，使其施入土壤后能長期存在而不易分解出溫室氣體。但施用生物質炭對減少農田土壤CO2排放還存在較大的不確定性。有研究表明，生物質炭添加土壤后在短期內會增加土壤呼吸速率，隨著生物質炭施用量的增加土壤CO2排放量增加[19]。目前對于生物質炭施入對土壤CO2排放量影響的定論各不相同，生物質炭的施入與土壤CO2排放量之間并不呈現絕對正相關或負相關，還取決于生物質炭的種類、施用的土壤類型、理化性質以及土壤微生物活性等多方面因素[20]。

3.2 生物質炭對農田土壤CH4排放的影響

農田土壤系統碳循環過程，CH4盡管所占比例很少，卻是重要的溫室氣體。從100 a的時間尺度上來看，CH4的增溫潛勢（GWP）是單位等質量CO2的25倍。生物質炭對CH4的減排作用主要通過生物質炭降低土壤容重，增加土壤通氣性，從而降低土壤的厭氧環境，降低CH4的產生或者是增加CH4的氧化[21]。但也有報道表明生物質炭的添加會增加CH4的排放。彭華等[22]報道了用量為1.4 t/hm2的生物質炭對晚稻CH4減排影響的研究，結果表明，生物質炭的施用CH4的排放總量與單施化肥相比增加了6.32%；另外，施入土壤自身的理化性質也影響著CH4的吸收和排放。土壤pH值過高或過低都影響著CH4的產生，當土壤pH接近中性6.5～7.5時，產甲烷古細菌的活性最大[23]。

4 我國生物質炭固碳減排的潛力

隨著全球氣候變化，我國越來越重視溫室氣體減排的重要性。中國是世界上農業廢棄物產出量最大的國家，我國1.2億hm2耕地上種植的各種農作物，年秸稈總量高達7億t，其中一部分秸稈作為有機肥料回填到農田土壤中，另外一部分則被當做垃圾焚燒、遺棄、腐爛，造成環境污染。由于秸稈中本身碳含量較高，秸稈施入土壤后，在微生物作用下容易礦化并釋放CO2，因此土壤中最終截留的碳很少且積累緩慢；大量的秸稈被焚燒，不僅造成農業資源的嚴重浪費，同時秸稈焚燒會產生大量的CO2和有害氣體，日益嚴重的霧霾天氣也說明迫切要求更加合理高效地利用秸稈資源。據國際再生能源（IWR）組織2010年發布的報告，2009年全球CO2排放量為313億t，其中中國CO2排放量為74.3億t，占全球的23.7%，居世界第一[24]。研究表明[25]，如果能夠熱解炭化7億t農林廢棄有機物質，能夠向大氣中減少CO2排放達10.22億t，也就是說，如果把每年處理7億t農林廢棄有機物以生物質炭的方式封存，理論上可減少國家總體排放約13.8%的CO2。由此可見，我國利用生物質炭固碳潛力巨大。

5 總結與展望

生物質炭作為一種有效的農田固碳減排措施，其具有高度的穩定性，其分解需要幾千年甚至幾萬年的時間，而且添加到土壤中可以增加土壤有機碳的含量及能夠切實降低大氣CO2和CH4濃度。另外，我國農田土壤固碳潛力及生物質炭減排能力巨大，因此在我國應用生物質炭固碳減排具有廣闊的前景。但是目前仍有諸多問題還需進一步探討。

目前，科學研究者針對生物質炭的穩定性及其與土壤碳庫相互作用方面已經開展了一些研究并取得了初步成果，但針對生物質炭輸入對土壤腐殖質的影響研究報道少之又少，僅有研究主要關注生物質炭對土壤腐殖化的影響。

盡管研究表明生物質炭有著穩定的固碳效應，但生物質炭施入土壤后對溫室氣體排放效應的影響目前還沒統一的結論，還需要進行大量的試驗研究證明。

生物質炭含碳量高，施入土壤可能會引起微生物大量繁殖，會對土壤微生物群落結構和功能產生影響，由此而導致土壤理化性質及功能發生相應的變化，因此有必要開展生物質炭——土壤——微生物——作物統一連續體的研究。

參考文獻

[1]張玉銘，胡春勝，張佳寶，等.農田土壤主要溫室氣體（CO2、CH4、N2O）的源/匯強度及其溫室效應研究進展[J].中國生態農業學報，2011，19（4）：966-975.

[2]宋利娜，張玉銘，胡春勝，等.華北平原高產農區冬小麥農田土壤溫室氣體排放及其綜合溫室效應[J].中國生態農業學報，2013，21（3）：297-307.

[3]馬秀枝，李長生，任樂，等.生物質炭對土壤性質及溫室氣體排放的影響[J].生態學雜志，2014，33（5）：1395-1403.

[4]張斌，劉曉雨，潘根興，等.施用生物質炭后稻田土壤性質、水稻產量和痕量溫室氣體排放的變化[J].中國農業科學，2012，45（23）：4844-4853.

[5]孟凡榮，竇森，尹顯寶，等.施用生物質炭對黑土黑碳含量和結構特征的影響[J].環境科學學報，2016，36（4）：1343-1350.

[6]李秋霞，陳效民，靳澤文，等.生物質炭對旱地紅壤理化性狀和作物產量的持續效應[J].水土保持學報，2015，29（3）：208-213，261.

[7]曲晶晶，鄭金偉，鄭聚鋒，等.小麥秸稈生物質炭對水稻產量及晚稻氮素利用率的影響[J].生態與農村環境學報，2012，28（3）：

288-293.

[8]李飛躍，梁媛，汪建飛，等.生物質炭固碳減排作用的研究進展[J].核農學報，2013，27（5）：681-686

[9]方精云，劉國華，徐嵩齡.中國陸地生態系統的碳循環及其全球意義[J].北京：中國環境科學出版社，1996，16（5）：129-139.

[10]潘根興，趙其國.我國農田土壤碳庫演變研究：全球變化和國家糧食安全[J].地球科學進展，2005，20（4）：384-394.

[11]劉玉學，劉薇，吳偉祥，等.土壤生物質炭環境行為與環境效應[J].應用生態學報，2009，20（4）：977–982.

[12]袁金華，徐仁扣.生物質炭的性質及其對土壤環境功能影響的研究進展[J].生態環境學報，2011，20（4）：779-785.

[13]張又弛，李會丹.生物炭對土壤中微生物群落結構及其生物地球化學功能的影響[J].生態環境學報，2015，24（5）：898-905.

[14]曾愛，廖允成，張俊麗，等.生物質炭對塿土土壤含水量、有機碳及速效養分含量的影響[J].農業環境科學學報，2013， 32（5）：1009–1015.

[15]花莉，唐志剛，解井坤，等.生物質炭對農田溫室氣體排放的作用效應及其影響因素探討[J].生態環境學報，2013， 22（6）： 1068-1073.

[16]安艷，姬強，趙世翔，等.生物質炭對果園土壤團聚體分布及保水性的影響[J].環境科學，2016，37（1）：293-300.

[17]米會珍，朱利霞，沈玉芳，等.生物炭對旱作農田土壤有機碳及氮素在團聚體中分布的影響[J].農業環境科學學報，2015，34（8）：1550-1556.

[18]葉麗麗，王翠紅，周虎，等.添加生物質黑炭對紅壤結構穩定性的影響[J].土壤， 2012，44（1）： 62-66.

[19]葛曉改，周本智，肖文發，等.生物質炭輸入對土壤碳排放的激發效應研究進展[J].生態環境學報，2016，25（2）：339-345.

[20]劉杰云，沈健林，邱虎森，等.生物質炭添加對農田溫室氣體凈排放的影響綜述[J].農業環境科學學報，2015，34（2）：205-212.

[21]楊敏，劉玉學，孫雪，等.生物質炭提高稻田甲烷氧化活性[J].農業工程學報，2013，29（17）：145-151.

[22]彭華，紀雄輝，吳家梅，等.生物黑炭還田對晚稻CH4和N2O綜合減排影響研究[J].生態環境學報，2011，20（11）：1620-1625.

[23]唐志剛.生物質炭對模擬淹水土壤CO2排放和CH4釋放潛力的影響[D].陜西：陜西科技大學，2014.

[24]孫振鈞，孫永明.中國農業廢棄物資源化與農村生物質能源利用的現狀與發[J].中國農業科技導報，2006，8（1）：6-13.

[25]高鵬飛，陳文穎，何建坤.中國的二氧化碳邊際減排成本[J]. 清華大學學報（自然科學版），2004，44（9）：1192-1195.

作者簡介：馬浩（1991-），男，陜西寶雞人，碩士研究生，陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，主要從事旱地農業研究。