不同生物質炭對海南磚紅壤性質及N2O排放的影響①

季雅嵐，索 龍，解 鈺，王小淇，方雅各，楊 霖，趙伶茹，孟 磊*

(1海南大學熱帶農林學院，海口 570203；2 渭南市果業技術推廣中心，陜西渭南 714000；3 海南省農業科學院農業環境與土壤研究所，海口 571100)

N2O是一種重要的溫室氣體，其增溫效應是CO2的296倍；N2O還能與大氣中的O3發生光化學反應，破壞臭氧層，使得到達地球表面的紫外輻射增加，威脅生物健康[1]。土壤是N2O排放的重要源，土壤N2O主要是微生物參與的硝化與反硝化過程而產生的[2]，同時土壤的溫度、pH、有機碳、全氮、水分等性質都會影響土壤N2O的排放[3-4]。

生物質炭(Biomass-derived black carbon或Biochar)是由包括植物性材料在內的生物質在完全或部分缺氧下經熱解炭化產生的一類高度芳香化難溶性固態物質[5]。研究表明，生物質炭能改善土壤性質，增加作物產量，從而直接或間接影響N2O排放[6]。生物質炭可以增加土壤孔隙率，由此增加土壤氧含量而抑制厭氧反硝化過程[7]，并且生物質炭中的堿性物質可以提高土壤pH，從而刺激N2O還原酶活性而減少N2O 排放[7]。Yanai等[8]的研究則顯示生物質炭促進土壤N2O的排放，施用生物質炭的處理土壤N2O排放量明顯高于對照；還有報道認為，生物質炭對土壤N2O排放沒有影響[9]。因此，生物質炭對N2O作用具有一定的不確定性，可能源于所用生物質炭的制備原料及制備溫度的差異。不同原料及熱解溫度下制備的生物質炭在組成、結構及性質等方面有很大差異，影響到其對土壤屬性及礦質氮的作用效果[10]，由此造成土壤N2O排放的差異。

磚紅壤是海南主要土壤類型，生物質炭對磚紅壤的改良效果明顯[11]。海南地處熱帶，生物種類豐富，但不同生物材料在不同熱解溫度下制備的生物質炭對土壤性質及 N2O排放影響的研究鮮見報道。本文選擇海南常見、資源量較大而又有代表性的4種禾本科植物作為供試材料，利用室內培養試驗，研究其在不同溫度下制備的生物質炭對磚紅壤 N2O排放的影響，并結合土壤性質分析，篩選出既有助于 N2O減排，又有益于土壤改良的生物材料類型，為海南生物材料的合理利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗用土采自海南省儋州市西培農場(19°28′ N，109°27′ E)，為花崗巖母質發育的磚紅壤，采集深度為0～20 cm。土壤基本理化性質為：pH 4.82，有機碳5.93 g/kg，全氮0.60 g/kg，有效磷40.12 mg/kg，速效鉀85.57 mg/kg。

供試生物質炭由王草(I)、水稻秸稈(RS)、甘蔗渣(B)和玉米秸稈(CS)分別在 300℃、500℃和 700℃下厭氧裂解制備。具體制備過程為：將生物質材料干燥、粉碎，稱取300 g置于鋁箔紙中，包裹好后用針頭在鋁箔紙表面均勻扎孔，然后置于KTF管式真空氣氛電阻爐(江蘇宜興市前錦爐業設備有限公司生產)內，密封后抽真空，然后充氮氣(純度≥99.99%)形成厭氧環境并加熱，達到預設溫度后開始計時，2 h后切斷電源，持續通入氮氣冷卻至室溫，取出樣品稱重。生物質炭性質見表1。

表1 供試生物質炭性質Table 1 Basic physicochemical properties of tested biochars

1.2 試驗設計

生物質炭分別為4種物料在3種溫度下制備，共12種生物質炭類型，相應構成12個處理，加上空白(CK，不添加生物炭)，共13個處理。每處理設8個重復，其中3個重復進行氣體采集，另外的5個重復在培養期間測定礦質氮含量。

培養試驗過程如下：稱取150.0 g土(以干土計)置于250 ml錐形瓶中，按風干土質量的1.5% 加入生物質炭，將生物質炭與土混勻，調節土壤水分至田間持水量的50%，用保鮮膜覆蓋瓶口，并在保鮮膜上用針扎幾個通氣孔后將錐形瓶置于 30℃恒溫培養箱內預培養7 d。預培養結束后，加入1 ml含N 30 mg的脲(分析純)溶液，折合加入N 150 mg/kg干土，調節土壤水分至田間持水量的65%，覆膜后置于30℃恒溫培養箱內培養。培養過程中用稱重法維持土壤水分恒定。

1.3 氣體采樣及測定方法

加入脲溶液的第1、2、4、7、11、16、23、30 天進行氣體采集。氣體采集前，向瓶內吹入數分鐘高純空氣以除去瓶內氣體，隨后迅速用硅膠塞塞住瓶口，并用704膠密封瓶口和塞子之間的空隙。在密封錐形瓶后的0 min及40 min時分別用25 ml的注射器通過硅橡膠塞的中間取樣口采集瓶中氣體4 ml，直接注入氣相色譜儀(島津 GC-2014)測定氣體樣品中 N2O 濃度。

土壤N2O排放通量的計算公式為：

式中：F為 N2O 排放通量(N2O-N，μg/(kg·h))；ρ是標準狀態下 N2O 密度(kg/m3)；ΔC/Δt為是錐形瓶內N2O濃度變化率(N2O-N，10-9/h)；V是錐形瓶除去土壤體積后的體積(m3)；T為環境氣溫(℃)；m是培養土烘干質量(kg)。

土壤N2O累積排放量的計算公式為：

式中：M為N2O累積排放量(N2O-N，μg/kg)；F為土壤 N2O 排放通量(N2O-N，μg/(kg·h))；t為采樣時間(d)；i為采樣次數；n為總測定次數；ti-ti-1為兩次采樣的間隔天數(d)。

1.4 土壤采樣及測定方法土壤基本理化性質參照《土壤農

業化學分析方法》[12]進行，其中：pH采用電位法(水土比 2.5∶1)；有機碳采用重鉻酸鉀-硫酸硝化法；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法；有效磷采用鉬藍比色法；速效鉀采用1 mol/L NH4OAc溶液(pH 7)浸提，火焰光度計法。

土壤NH4+-N和NO-3-N測定方法：用2 mol/L KCl浸提土壤(液土比 5∶1)，濾液中NH4+-N采用靛酚藍比色法(625 nm)測定，NO-3-N采用雙波長紫外分光光度計(220 nm和275 nm)進行。

1.5 數據處理

利用 Excel 2016進行基礎數據處理，方差分析利用SPSS 19.0完成，處理間差異采用Tukey HSD多重比較法，差異性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 添加生物炭對磚紅壤理化性質的影響

和對照相比，添加生物質炭可顯著提高土壤pH及土壤有機碳、有效磷和速效鉀含量，但對全氮含量影響大多不顯著(表 2)。同種物料在不同溫度下制備的生物質炭對土壤性質的影響因指標不同而異，高溫下制備的生物質炭對土壤有效磷和速效鉀含量的增加幅度大于低制備溫度下的；對土壤pH的提升幅度以500℃下制備的生物質炭最高；土壤有機碳和全氮變化則沒有規律性。

不同物料制備的生物質炭對土壤性質的影響則因制備溫度不同而異。相較而言，玉米秸稈在500℃和 700℃熱解條件下制備的生物質炭對土壤有機碳含量的增加幅度較大；王草在500℃和700℃熱解條件下制備的生物質炭對土壤pH的增加幅度最高；玉米秸稈和甘蔗渣在 700℃熱解條件下制備的生物質炭對土壤有效磷和速效鉀含量的增幅大于其他物料制備的生物質炭；土壤全氮含量變化則沒有規律性。

表2 不同生物質炭處理磚紅壤的理化性質Table 2 Physicochemical properties of tested Latosol treated by different biochars

2.2 添加生物質炭對磚紅壤N2O排放的影響

土壤N2O排放通量變化趨勢各處理基本相同，均在培養的第2天后開始升高，第7天前后達到排放高峰，隨后排放通量開始下降，到培養的第 23天左右時趨于穩定(圖1)。

同一生物材料在不同溫度下制備的生物質炭添加土壤后對N2O排放影響有顯著的差異。300℃下制備的生物質炭顯著促進了土壤 N2O排放，其土壤 N2O排放通量是最高的，而且這種高排放通量持續較長時間。500℃和700℃下制備的生物炭對N2O排放的影響則因制備材料不同而有差異。王草、甘蔗渣以及玉米秸稈在 500℃和 700℃下制備的生物質炭，能一定程度降低 N2O排放通量，水稻秸稈在這兩個溫度下制備的生物質炭對 N2O排放的影響與 CK之間的差異不明顯。此外，500℃和700℃下制備的生物質炭對N2O的減排差異不甚明顯。從制備物料比較，甘蔗渣在 500℃和 700℃下制備的生物質炭對 N2O的減排效果最明顯，300℃下由水稻秸稈制備的生物質炭則使得土壤N2O有著最高的排放通量。

生物質炭對土壤N2O排放總量的影響具有規律性(圖2)。同種物料在不同熱解溫度下制備的生物質炭對土壤N2O排放總量影響差異明顯。300℃制備的生物質炭處理的土壤 N2O排放總量顯著高于 500℃和700℃下生物質炭處理及CK處理，500℃與700℃下生物質炭處理間的差異不顯著。

圖1 添加不同生物質炭對磚紅壤N2O排放通量的影響Fig. 1 Effects of different biochars on N2O emission flux of Latosol

不同物料制備的生物質炭對土壤N2O排放總量的影響隨制備溫度不同而異。甘蔗渣制備的生物質炭處理土壤N2O排放總量最低，其中500℃和700℃下的生物質炭處理土壤 N2O排放總量比較低，且處理間差異不顯著。此外，500℃時，由王草制備的生物質炭與甘蔗渣制備的生物質炭處理間的差異不顯著。700℃時，甘蔗渣制備的生物質炭對土壤N2O減排效果最明顯，其N2O排放總量僅有N2O-N 233.41 μg/kg，是所有處理中是最低的。

圖2 添加不同生物炭對磚紅壤N2O排放總量的影響Fig. 2 Effects of different biochars on N2O accumulated emission of Latosol

2.3 添加生物質炭對磚紅壤礦質氮含量的影響

隨著培養時間的增加，各處理土壤礦質氮變化規律相同。在整個培養期間，各處理土壤NH4+-N含量逐漸降低，而NO-3-N含量逐漸增加(圖3)。各處理土壤NH4+-N含量與CK相比，除300℃制備的糖蔗渣生物質炭處理外，其余處理差異大都不顯著，而培養后期NO-3-N含量一般以CK最低。

相同制備材料下，培養結束后土壤NH4+-N含量順序為700 ℃＜ 500℃ ＜ 300℃ ＜ CK ，且基本接近0 mg/kg；培養結束時 300℃下制備的生物質炭處理，其土壤NO-3-N含量均高于其他制備溫度條件。

相同熱解溫度下，培養結束后王草和甘蔗渣生物質炭處理的土壤 NH4+-N含量下降速率比其他處理快，其中在培養第5天時，甘蔗渣生物質炭處理的土壤上升速率最快；培養結束后甘蔗渣、玉米秸稈生物質炭處理的土壤，高溫下制備的生物質炭處理NO-3-N含量最低，其中培養第5天時甘蔗渣生物質炭處理的土壤NO-3-N下降速率最快。

3 討論

圖3 添加不同生物質炭對磚紅壤礦質氮的影響Fig. 3 Effects of different biochars on mineral nitrogen content of Latosol

不同熱解溫度生成的生物質炭對磚紅壤N2O排放的影響不同，相較于對照，300℃生成的生物質炭促進土壤N2O排放，500℃和700℃生成的生物質炭則抑制土壤 N2O排放。導致不同溫度下生物質炭對土壤 N2O排放影響的差異的原因可能源于不同溫度下生成的生物質炭性質及生物質炭對土壤性質影響的差異造成的。生物質炭的元素組成及其穩定性由生物質熱解炭化溫度決定，隨著熱解溫度的升高，生物質炭的穩定性增強[13-14]。300℃制備的生物質炭易被氧化分解[15-16]，由此可能消耗土壤中的氧氣，形成易于生成N2O的環境。高溫下制備的生物質炭穩定性強，比表面積大，吸附性強[17-18]，自身難以分解而釋放出N2O[19]，且對N2O可能有一定的吸附作用。另外相對低熱解溫度，高熱解溫度可能導致土壤的孔隙率增加，抑制厭氧反硝化過程[20]，最終有效地抑制了土壤中N2O的排放。土壤硝化作用強烈地受土壤pH影響，一定范圍內，pH越高硝化速率越快[21-24]。高溫下制備的生物質炭的堿性效果更為明顯一些[25-27]，從而對于中和酸性土壤的效果也更為明顯(表 1)。高溫制備的生物質炭顯著提高了硝化作用[20]，本試驗培養過程中主要為過強的硝化作用，因此不利于N2O產生[28]。

從減少N2O排放考慮，甘蔗渣生物質炭的抑制效果最顯著。這可能是甘蔗在榨糖過程中，大量簡單碳水化合物被分離，剩下的甘蔗渣中以較穩定的碳水化合物為主。Uras等[29]對比了葡萄樹枝、黑荊樹枝和甘蔗渣制備的生物質炭之間的性質差異，發現甘蔗渣制備的生物質炭具有較高的表面酸度、C/N以及較低的電導和可溶性陰陽離子，有助于硝化作用，由此甘蔗渣生物質炭的施用對土壤 N2O排放的抑制效果最顯著。從影響土壤土壤的 N2O排放方面考慮，建議選用甘蔗渣制備的生物質炭。

另外，生物質炭的理化性質還與制備的生物質原料有關[30-34]。Lin等[35]研究發現，不同原料制備的生物質炭中的可溶性碳、鉀、磷等含量存在差異，導致生物質炭對土壤性質的影響存在差異。試驗中王草制備的生物質炭對土壤 pH等性質的增加幅度最大(表2)，因此從影響土壤理化性質方面考慮，建議選用王草制備的生物質炭。

4 結論

添加生物質炭顯著增加土壤有機質、有效磷和速效鉀含量，提高土壤pH，加速土壤硝化作用進行，因此從影響土壤理化性質方面考慮，建議選用王草制備的生物質炭。4種禾本科物料在300℃熱解溫度下制備的生物質炭對土壤N2O的排放有明顯促進作用，而在 500℃、700℃熱解溫度下制備的生物質炭對土壤 N2O的排放有明顯抑制作用，兩溫度下制備的生物質炭抑制效果差異大都不明顯。500℃和 700℃下由甘蔗渣制備的生物質炭處理土壤的 N2O排放量最低，二者差異不顯著，考慮到制備難度和制碳率，建議采用 500℃下生成的甘蔗渣生物質炭去實施土壤

N2O減排。

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