生物質炭對農田土壤有機碳及其礦化影響的研究進展

張洪培，李秀云，沈玉芳，李世清

(1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院,陜西楊凌 712100； 2.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100)

在全球氣候變化中，土壤碳所起的作用實際上是有機碳的生物地球化學循環(huán)對氣候變化的控制作用，土壤中有機碳含量的變化，能夠對全球生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的巨大影響[1]，其動態(tài)變化已成為近年的研究熱點[2]。土壤有機碳礦化是土壤中重要的生物化學過程之一，直接關系到養(yǎng)分的釋放以及土壤質量的保持等，同時影響到溫室氣體的產(chǎn)生[3]。農田土壤有機碳礦化釋放的CO2在大氣中存留壽命為5～200 a，對氣候變化的影響尤其引人關注[4]。

生物質炭(Biochar)是生物質殘體在缺氧或低氧環(huán)境中經(jīng)熱裂解生成的固體產(chǎn)物，具高度的芳香化、物理的熱穩(wěn)定性、較高的抵抗生物和非生物降解的能力，能夠長期穩(wěn)定地封存于土壤中[5]。近年來，生物質炭的農田生態(tài)系統(tǒng)效應研究受到越來越多的研究者關注[6]。國際生物質炭協(xié)會(IBI)通過綜合分析也指出，生物質炭施加到土壤中具有較高的農業(yè)應用價值和環(huán)境效益[7]，甚至可以逆轉氣候變暖的趨勢[8]。為此，本文圍繞生物質炭對土壤有機碳含量、碳礦化效應及可能的機制進行闡述，并闡述值得探索的進一步研究的方向。

1 生物質炭的特性

生物質炭一般情況下含碳元素60%以上，還包括氫、氧、氮、鉀、鈉、鈣、硅等元素；隨著炭化溫度升高，所制備的生物質炭中含碳量呈增加趨勢，而其中氫和氧的含量反而降低。生物質炭理化性質受制備材料、制備溫度和制備時間等的影響[9-11]，還與植物生長地的土壤類型、植物種類有關。

1.1 制備原料對生物質炭特性的影響

生物質炭的原材料能夠在較大程度影響生物質炭的化學組成和理化性質。通常動物糞便和固體廢棄物的生物質炭產(chǎn)率要大于作物秸稈和木質生物質材料[12]，這主要是由于動物糞便和固體廢物含有大量的無機組分，因而制備成生物質炭之后他們的灰分含量也高于稻稈和木質生物質炭。如表1所示，300 ℃加熱時間為1 h條件下，豬糞和牛糞與玉米秸稈相比，前者的pH、C/N比后者的低，而含氮量和灰分含量卻相反[11,13-14]。制備溫度同樣為300 ℃時，木薯莖生物質炭，pH和C/N比最高，而小麥秸稈生物質炭的pH較低，有機碳最高[15-16]。同樣制備條件下，木本植物生物質炭具有較低的pH、灰分含量和較高的含碳量，如玉米秸稈和小麥秸稈生物質炭的pH較高，但C/N比卻低于用道格拉斯冷杉制備的生物質炭(650 ℃下)[14,16-17]。研究發(fā)現(xiàn)，與一般生物質炭堿性不同，刺槐生物質炭pH僅為6.4，同油松混合制備的生物質炭pH增加為8.38[18]，總有機碳含量也大幅度提高到66.67%[19]。將牛糞添加秸稈后制成的生物質炭，在性質上也有較大的差異，pH從8.0提升至10.1，灰分含量從20.2%增加到38.3%，氮含量增加至0.3%，但是碳含量和C/N比有所降低[13]。因此可以得出，不同原材料以及不同原材料混合條件的改變對生物炭元素的組成及環(huán)境效應均會產(chǎn)生顯著影響。

1.2 制備溫度對生物質炭特性的影響

生物質炭的特性與炭化溫度密切相關[11]。在限制供氧量的條件下，隨著炭化溫度的升高，植物生物質炭的pH、電導率、比表面積、孔體積、芳香碳含量、灰分含量等增加，氫和氧含量降低。同樣用玉米秸稈作為炭化1 h，隨制備溫度從300 ℃升高到1 200 ℃[14,20-22]，生物質炭中的有機酸熱解并不斷生成灰分，導致生物質炭的pH也隨之增大[23]，1 200 ℃制備生物質炭的pH達11.6。而總有機碳含量卻不是溫度越高越好，研究發(fā)現(xiàn)，在550 ℃條件下，玉米秸稈生物質炭中總有機碳含量和C/N比最高[20]，另外玉米秸稈生物質炭總氮含量與制備溫度并無線性關系。一般來說，隨裂解溫度升高，比表面積增加。Keiluweit等[24]發(fā)現(xiàn)將制備木炭的溫度從200 ℃增加到700 ℃，比表面積從2.3 m2·g-1增加到247 m2·g-1。Chun等[25]研究也發(fā)現(xiàn)，300 ℃小麥秸稈炭的比表面積為116 m2·g-1，700 ℃下增加到363 m2·g-1。

Bruun等[26]開展不同裂解條件下小麥秸稈制備的生物質炭的實驗室短期培養(yǎng)試驗，結果發(fā)現(xiàn)，隨著裂解溫度的升高生物質炭中的纖維素和半纖維素含量逐漸降低，生物質炭的礦化率也隨之減小。Nguyen等[4]利用定量核磁共振分析350～600 ℃條件下制得的玉米秸稈生物質炭的穩(wěn)定性，結果發(fā)現(xiàn)，生物質炭的芳香化程度隨著制備溫度的上升也從83%上升到90%，檢測發(fā)現(xiàn)其炭層的發(fā)展排列變得更加有序。對于畜禽糞便生物質炭，高溫裂解制備的生物質炭同樣比低溫條件下制備的穩(wěn)定性高。500 ℃下制備的牛糞生物質炭的碳含量為300 ℃下制備的生物質炭中碳含量的約1/4，C/N比也僅為1/3[13]；而300 ℃低溫制備的豬糞生物質炭與500 ℃下制備的生物質炭相比，有較高的土壤陽離子交換量(CEC)，可以有效降低營養(yǎng)鹽和pH。總之，生物質炭制備溫度對生物質炭特性有顯著影響，高溫制備的生物質炭具有更豐富的孔隙結構、比表面積，芳香化程度和穩(wěn)定性、pH也會增加；而低溫條件下制備的生物質炭，卻具有較高程度的疏水性，其電導率、芳香碳含量、灰分含量也較高，比高溫制備的生物質炭有更高的金屬元素有效性[11]。

2 生物質炭對土壤有機碳含量及其穩(wěn)定性的影響

2.1 不同原材料生物質炭對土壤有機碳含量及其穩(wěn)定性的影響

生物質炭含碳40%～75%，施入土壤能夠提高土壤有機碳含量，且土壤有機碳量隨著生物質炭施用量的增加而增加[27-28]。研究發(fā)現(xiàn)，生物質炭能夠顯著(P<0.05)降低溶解在土壤中的有機碳(DOC)含量[21]，減弱DOC淋溶[29]，這可能主要是由于生物質炭的吸附作用，表明添加生物質炭有利于在短期內土壤有機碳的積累。周桂玉等[30]研究發(fā)現(xiàn)添加2%生物質炭45 d后使草甸黑土土壤總有機質的含量從1.62%增加到2.92%，同時胡敏酸的色調系數(shù)(ΔlgK)降低。

韓瑋等[31]將生物質炭施入水稻土2 a后發(fā)現(xiàn)，水稻土有機碳的增加總量占投入碳總量的86.02%～91.77%，同時秸稈還田條件下，該比例僅為24.88%，這說明炭化的植物殘體更有助于土壤碳的增加和長期穩(wěn)定性。且隨著生物質炭用量的增加，腐植酸等活性較高組分(包括胡敏酸和富里酸)的比例逐漸下降，而殘留的黑碳和胡敏素等穩(wěn)定有機物質顯著增加[32]。但花莉等[33]試驗結果卻是添加不同量玉米秸稈炭后，黃土的活性有機質質量分數(shù)均增加。這可能受不同來源生物質炭芳構化程度和熱穩(wěn)定性差異性的影響。尚杰等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在石灰性土壤(黃土母質)中施用果樹枝條制成的生物質炭，顯著提高土壤總有機碳和微生物碳含量。Domene等[35]研究同樣發(fā)現(xiàn)，秸稈生物質炭對土壤微生物量有促進作用。但Dempster等[36]研究發(fā)現(xiàn)，添加木質生物質炭反而會減低土壤微生物碳含量。李明等[37]的研究結果則表明，添加水稻和玉米制備的生物質炭培養(yǎng)135d 后，土壤微生物碳含量受制備溫度的影響。由此可見，不同原材料的生物質炭因其不同的性質，而對土壤有機碳含量影響不同，比如秸稈生物質炭的芳香化和穩(wěn)定性較低，商業(yè)黑炭縮合程度和熱穩(wěn)定性較高，松枝類生物質炭則介于二者之間[30]，各類型生物質炭施入土壤后均能增加土壤有機碳含量，對土壤微生物碳含量影響趨勢卻不相同。

表1 生物質炭的種類及特性Table 1 Types and characteristics of biochar

2.2 不同溫度制備生物質炭對土壤有機碳含量及其穩(wěn)定性的影響

韓瑋等[31]向中層砂漿水稻土(pH為7.6)中添加等量(6 t·hm-2)玉米秸稈和300、400、500 ℃溫度下制備的生物質炭，種植2 a水稻和冬小麥后測定輕重組有機碳和微生物量碳，發(fā)現(xiàn)生物質炭和秸稈都能在一定程度上增加土壤微生物碳，添加秸稈的處理微生物碳含量最高，生物質炭處理土壤微生物碳提高，不同溫度間差異不顯著；對土壤輕組有機碳含量的影響也表現(xiàn)隨生物質炭裂解溫度的升高而增加，500 ℃生物質炭處理含量最高，且發(fā)現(xiàn)總有機碳含量與輕組有機碳含量之間顯著正相關。這同管天玉[42]的研究結果相一致。李明等[37]向紅色黏土(pH為 5.32)中分別添加300、400和500 ℃制備的水稻和玉米秸稈生物質炭，培養(yǎng)135 d，測定發(fā)現(xiàn) 300 ℃下制備的2種生物質炭對微生物碳含量沒有顯著影響，500 ℃下制備的2種生物質炭對其影響卻達到顯著水平，可能是由于高溫制備的生物質炭具有更好地改良土壤理化性質的效應[43]。而Maestrini等[44]利用同位素標記手段，在培養(yǎng)158 d后測定發(fā)現(xiàn)，僅有0.4%的生物質炭組分在微生物體中被鑒定。因此得知，隨著生物質炭制備溫度的升高，土壤有機碳含量有所提高，土壤微生物碳含量和輕組有機碳含量也會有所增加。生物質炭可能通過改變土壤的理化性質，對土壤微生物產(chǎn)生間接的影響，但具體的影響機制還需要進一步研究[45]。

3 生物質炭對土壤有機碳礦化的影響及激發(fā)機制

在農田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機碳積累水平主要依賴于輸入(如田間作物殘體和外源有機物料添加等)與輸出(土壤原有有機質分解)之間的平衡，即土壤中有機質的腐殖化與礦化之間的平衡[46]。已有研究認為生物質炭比較穩(wěn)定，其本身碳的殘留時間可超過千年。但盡管它具有較強的穩(wěn)定性，在自然界中生物質炭仍可與土壤原有有機質間產(chǎn)生相互作用[28]，存在一定激發(fā)效應[47]。生物質炭作為外源有機物料添加到土壤以后，能夠通過改變土壤中有機質腐質化、穩(wěn)定性和呼吸速率等，產(chǎn)生正或負激發(fā)效應，提高或抑制土壤有機碳的分解，從而加速或減少土壤炭的分解釋放[48-50]，如表2所示，向土壤中添加生物質炭，對土壤原有有機碳產(chǎn)生正激發(fā)效應或負激發(fā)效應，目前研究結論尚不一致，不同的生物質炭性質、試驗土壤條件、試驗周期等均會影響施用生物質炭以后土壤有機碳的礦化行為。

3.1 生物質炭特性的影響

Liang等[51]通過培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，生物質炭添加量越高，土壤CO2釋放量反而越少。Purakayastha等[52]研究也表明，施加玉米秸稈和小麥秸稈生物質炭，可以抑制土壤自身有機碳的降解。Sigua等[38]用柳枝稷為原料，分別在250 ℃和500 ℃溫度下制作生物質炭，添加到典型的高嶺濕潤老成土(紅壤，pH為5.6)中進行培養(yǎng)后，發(fā)現(xiàn)與柳枝稷直接還田相比，生物質炭處理減少CO2累積排放量和排放速率；與250 ℃的生物質炭相比，500 ℃的生物質炭更低，說明生物質炭能夠降低紅壤的碳礦化，高溫制備的生物質炭比低溫制備的抑制效果更好。Ameloot等[53]發(fā)現(xiàn)350 ℃制備的豬糞生物質炭處理增加CO2排放量，而700 ℃生物質炭處理CO2排放量與對照處理無顯著差異；高溫熱解炭有利于多聚環(huán)芳香結構更穩(wěn)定，不易發(fā)生碳的礦化和分解等。Zhao等[54]比較新制備的生物質炭和放置一段時間(在密閉黑暗中放置4個月和10 a)后的生物質炭的礦化，發(fā)現(xiàn)新制備的生物質炭和放置4個月的生物質炭可促進貧瘠土壤短時間內的碳礦化，而放置10 a的生物質炭則沒有影響。因此可以看出，新制備的生物質炭本身含有可以礦化的易分解碳，施入土壤能被微生物分解利用，提高土壤肥力。

3.2 試驗周期的影響

Weng等[41]在暗紅色鐵鋁土中添加柳桉木生物質炭(450 ℃，40 min，3%)，種植黑麥草，利用同位素13C進行為期388 d的實地研究，試驗發(fā)現(xiàn)，施入生物質炭后，前期階段(0～62 d)，促進CO2的排放，表現(xiàn)為正激發(fā)效應，從第62 天以后到培養(yǎng)結束，表現(xiàn)為負激發(fā)效應，說明生物質炭施入土壤后的培養(yǎng)周期對碳礦化有重要影響。Zhao等[54]在42 d的短期培養(yǎng)試驗中土樣發(fā)現(xiàn)生物質炭促進土壤有機碳礦化。Luo等[55]在英國洛桑試驗站旱地土壤的試驗結果也表明添加生物質炭初期會促進農田CO2排放。生物質炭含有的部分可溶性有機碳，分解較快，在培養(yǎng)前期就能被微生物分解利用應該是增加礦化排放的主要原因[56]。Bruun等[57]認為，生物質炭本身還會含有部分碳酸鹽，它們可以在生物和非生物作用下很快發(fā)生分解釋放CO2。因此，試驗時間的長短對土壤有機碳礦化也會有明顯影響，生物質炭添加到土壤中后的正激發(fā)效應會隨著時間的延續(xù)逐漸減弱，田間施加生物質炭4 a后，土壤有機碳的礦化速率則會顯著降低[58]，表現(xiàn)為負激發(fā)效應。

3.3 土壤原有性質的影響

Naisse等[59]將生物質炭(550 ℃)分別添加到森林土壤和草原土壤，培養(yǎng)336 d后發(fā)現(xiàn)，生物質炭添加到森林土壤中引起很小的正激發(fā)效應，而在草原土壤中則引起超過生物降解的負激發(fā)效應。說明激發(fā)效應可能與土壤中原有有機碳含量等土壤性質有關。在評定生物質炭對土壤碳的影響時，應當考慮土壤參數(shù)。Lu等[21]也發(fā)現(xiàn)，生物質炭對碳的激發(fā)效應與土壤微生物和土壤原有有機質有關。Knoblauch等[60]研究也表明，向沼澤土添加生物質炭以后提高碳礦化率，而向草地中添加生物質炭對碳礦化率并無明顯影響。Ahmed等[40]研究發(fā)現(xiàn)，向鈣質砂質土壤中添加聚合果屬木質廢棄物生物質炭，與家禽糞便還田和植物廢棄物還田相比，生物質炭的添加，CO2的排放量微不足道。但胡雲(yún)飛等[61]向黃棕壤中添加茶樹枝條制作的生物質炭后，與未添加生物質炭的土壤相比，土壤碳礦化明顯增強。Keith等[8]用同位素標記方法研究生物質炭對3種土壤(紅砂土、始成土和鐵鋁土)根際激發(fā)效應的影響結果發(fā)現(xiàn)，將500 ℃下制備的藍色小桉樹生物質炭添加到土壤后，種植植物處理的土壤總呼吸速率明顯高于無植物種植的對照處理；在紅砂土中，有無生物質炭都會產(chǎn)生負的根際激發(fā)效應；在始成土中，生物質炭增加負的根際激發(fā)效應；而在鐵鋁土中，生物質炭較小程度影響根際碳礦化。由此得出，生物質炭對土壤有機碳礦化的影響與土壤原有性質有關，但與之相關的土壤因素還未明確，土壤原有有機碳含量與生物質炭用量的比率，對土壤有機碳礦化的影響情況仍未系統(tǒng)的研究結果，其影響的具體途徑尚不明確，生物質炭帶入土壤的可溶性物質或大分子物質對土壤環(huán)境的影響也未報道，這些都需要進一步的研究與探索。

表2 生物質炭和土壤對有機碳礦化的影響Table 2 Effects of biomass carbon and soil on mineralization of organic carbon

4 生物質炭對中國農田土壤的固碳減排前景

隨著全球氣候變化，中國越來越重視溫室氣體減排的重要性，同時中國面臨很大的壓力。Metting等[64]利用DNDC模型計算中國農業(yè)土壤碳庫的變化，發(fā)現(xiàn)中國農業(yè)土壤有機碳庫以每年7.38×1013g(按碳計算)的速度在消減，而美國則以每年7.24×1013g(按碳計算)的速度遞增。高鵬飛等[65]利用MARKAL-MACRO模型對2010-2050年中國的碳邊際減排成本進行系統(tǒng)的研究，結果表明：當溫室氣體減排率在0～45%時，碳邊際減排成本在0～250美元·t-1，這說明中國未來CO2減排成本是相當高的。面對2020年單位GDP的CO2排放量比2005年下降40%～45%的承諾，中國發(fā)展低碳經(jīng)濟迫在眉睫。

農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的固碳減排潛力。研究表明，全球農業(yè)溫室氣體減排的總潛力按照CO2計算每年高達7.30×1015g[66]。Lehmann[67]認為，應用生物質炭技術在社會經(jīng)濟上的潛在可行增匯量可達到9.50×1015g。中國是世界上農業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家，每年農田秸稈年總產(chǎn)量達7億t[68]，露天焚燒或腐爛處理，會造成可利用資源的浪費和對生態(tài)環(huán)境的污染。生物質炭制備和還田技術為秸稈有效利用、農田的固碳減排以及生態(tài)系統(tǒng)功能改善提供一條新途徑。如果每年能夠裂解炭化7億t農林廢棄有機物質，這相當于從大氣中吸收10.22億t CO2[69]，理論上可減少國家總體排放約13.8%的CO2。僅1996年到2013年間，焚燒中國3種主要糧食作物(水稻、小麥、玉米)的秸稈約相當于燃燒7.4億t標準煤量。生物質炭的固碳效應還體現(xiàn)在通過增加生物量生產(chǎn)和減少肥料施用方面。生物生物質炭可以增加作物生物量，增加作物對大氣CO2的固定和向土壤有機碳的輸入；同時生物質炭可以代替或減少肥料的使用，減少化肥生產(chǎn)、運輸和施用過程中能源消耗引起的碳排放。研究表明，每施用1 t生物質炭可以減少0.18 t碳因氮肥施用產(chǎn)生的溫室氣體排放[7]。因此，中國農田廢棄資源的生物質炭化利用的固碳潛力巨大。

5 總結與展望

生物質炭具有豐富的碳含量和高度的穩(wěn)定性，添加到土壤中可以增加土壤碳含量且能夠切實降低碳排放效應。因此，在中國應用生物質炭固碳減排具有廣闊的前景。但目前生物質炭研究還處于起步階段，仍有諸多問題亟待進一步加強研究。

生物質炭制備方面。截至目前，國際上仍沒有統(tǒng)一的標準，如溫度的控制、保護氣的選擇、原材料的選擇等方面；應加強生物質炭制備條件與生物質炭特性之間關系研究，以實現(xiàn)通過不同性質的原材料和制備條件組合得到目標需求的生物質炭。

生物質炭的農田土壤碳效應方面。國內外研究者針對生物質炭的穩(wěn)定性及其對土壤碳庫效應方面已經(jīng)開展大量研究并取得一些進展，但目前對生物質炭在土壤中的穩(wěn)定性和土壤有機碳影響的研究結果較多來源于短期試驗，且不同研究結果之間尚存在爭議。而與之相關的土壤因素還沒有明確，土壤原有有機碳含量與生物質炭用量的比率，對土壤有機碳礦化的影響情況仍沒有系統(tǒng)的研究結果，其影響的具體途徑尚不明確，生物質炭帶入土壤的可溶性物質或大分子物質對土壤環(huán)境的影響也沒有報道，這些都需要進一步的研究與探索。因此，應注重全面系統(tǒng)的長期效應研究，加強對研究結果的可靠性和影響機制的探討。

生物質炭的土壤—大氣—植物體系效應研究。生物質炭農田碳效應受不同的氣候條件、特定的土壤環(huán)境條件和作物的共同影響。高碳含量生物質炭施入土壤會引起土壤碳氮比的較大波動，可能會對土壤微生物群落結構和功能產(chǎn)生影響，進而影響土壤的碳礦化、碳排放和作物的碳固定功能，因此需要開展生物質炭—土壤—微生物—大氣—作物統(tǒng)一連續(xù)體的長期作用研究。

另外，生物質炭施用的不可逆性，要求施用前必須充分評估可能的環(huán)境風險，并開展較長時間尺度的生物質炭與土壤及其生物環(huán)境之間的相互作用關系的研究，為生物質炭的未來規(guī)模化生產(chǎn)和應用提供科學依據(jù)。

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