生物炭對農(nóng)田N2O排放的影響機制研究

何甜甜, 劉天, 云菲, 馬彩娟, 符云鵬*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院, 煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室, 鄭州 450002; 2.河南省煙草公司許昌市公司, 河南 許昌 461000)

一氧化二氮(N2O)是一種主要的溫室氣體，在100年的時間尺度上，其增溫潛勢是二氧化碳(CO2)的270倍[1]。世界氣象組織觀測分析數(shù)據(jù)顯示，2014 年全球大氣中的N2O濃度是工業(yè)革命前的121%[2]，這勢必會加劇全球氣候變化進程。而農(nóng)業(yè)土壤是全球大氣N2O的主要來源之一，如何降低農(nóng)田N2O排放已成為重要的研究課題。

近年來，生物炭在土壤中的應(yīng)用被認為是最有希望的減排措施之一，其減排潛勢達0.7×109t·Ceq·a-1[3]。生物炭是生物質(zhì)在無氧或缺氧條件下經(jīng)高溫(300 ℃≤T≤700 ℃)裂解產(chǎn)生的一類穩(wěn)定的、含碳量高的多孔芳香化物質(zhì)。生物炭由于原料和裂解溫度不同，所具有的性質(zhì)亦有所差異。目前生物炭的主要原材料有農(nóng)作物秸稈、農(nóng)業(yè)殘渣、動物糞便、污泥等。其中農(nóng)業(yè)秸稈是制備生物炭最主要的原材料之一，以玉米秸稈、小麥秸稈、高粱秸稈、水稻秸稈等為主[4]。大量研究表明，生物炭能夠顯著提高土壤pH、改變土壤質(zhì)地、增加土壤陽離子交換量[5]、促進作物生長以及增加作物產(chǎn)量[6]等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為一種良好的土壤改良材料。然而，目前關(guān)于生物炭對農(nóng)田N2O排放的影響結(jié)果不盡相同，有結(jié)果表明生物炭的施入增加了N2O排放，也有表明降低排放或沒有影響[7-11]，且其中的機理至今仍不完全清楚。因此，本研究綜述了生物炭對農(nóng)田土壤N2O排放的影響機制，旨在為生物炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 農(nóng)田土壤N2O排放機制

N2O占全球溫室氣體排放量的8%，其中農(nóng)業(yè)資源約占N2O排放量的60%[12]。土壤是N2O排放的主要來源，幾乎所有已知的參與土壤氮循環(huán)的微生物都具有催化生成N2O的潛力，這些過程的反應(yīng)途徑相互關(guān)聯(lián)、相互作用，共享中間產(chǎn)物或產(chǎn)物。N2O的產(chǎn)生與消耗途徑主要有氨(羥胺)氧化、硝化細菌反硝化、亞硝酸鹽氧化、異養(yǎng)反硝化、厭氧氨氧化和硝酸鹽異化還原成氨(DNRA)，每個過程都由特定的微生物組合群調(diào)節(jié)(圖1)。盡管N2O的形成途徑復(fù)雜多樣，但微生物硝化、反硝化途徑以及硝酸鹽異化作用被認為是土壤N2O排放的主要貢獻者[13]。生物炭則通過影響這些途徑來調(diào)控土壤中N2O的產(chǎn)生與消耗。

圖1 農(nóng)田N2O排放途徑[23]

1.1 反硝化途徑

1.2 硝化相關(guān)途徑

1.3 硝酸鹽異化作用

2 生物炭對N2O排放的影響

生物炭由于自身化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點，如較高的pH、巨大的比表面積、多孔性，強吸附能力等，通常被認為是最具潛力的減排材料。其對農(nóng)田N2O產(chǎn)生與排放的影響存在多種調(diào)節(jié)機制。

2.1 生物炭的石灰效應(yīng)

石灰效應(yīng)(liming effect)即石灰施于酸性土壤后所產(chǎn)生的作用和影響。石灰施于酸性土壤中，通常可以提高土壤的pH以及有機質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分含量，降低土壤中重金屬的有效性等[26-28]，給植物創(chuàng)造一個有利的生長條件。人們對具有多種益處的石灰替代劑越來越感興趣，例如生物炭。生物炭通常含有堿性灰分成分，具有固碳和其他改良土壤特性的益處[29]。前文已經(jīng)介紹了反硝化過程中執(zhí)行最后一個還原步驟的酶由功能基因nosZ編碼，該基因?qū)Φ偷耐寥纏H具有高度敏感性，導(dǎo)致反硝化的最后一步易受到抑制，促進N2O的產(chǎn)生[30]。而生物炭含有大量可溶性堿基陽離子，可快速釋放到土壤中，從而提高土壤pH，降低反硝化過程中N2O的產(chǎn)率[31]。Cayuela等[32]觀察到在14種土壤中添加生物炭后，N2O/(N2+N2O)比值持續(xù)降低，說明生物炭有利于反硝化的最后一步。同時提出生物炭具有“電子穿梭”的功能，促進電子向土壤反硝化微生物的傳遞，再加上其石灰效應(yīng)，促進N2O向N2的還原，從而減少N2O的排放。

2.2 生物炭多孔性

土壤透氣性可以用土壤孔隙含水量(water filled pore space,WFPS)來表示，通常硝化細菌的活性在60% WFPS左右達到峰值，反硝化細菌在70% WFPS下活性最強[33]，因此適宜的WFPS是減少N2O排放的重要因素之一。生物炭通過改變土壤的物理性質(zhì)，增加土壤的空氣含量或改變土壤水的動力學(xué)，將土壤溶液(可溶性硝酸鹽)吸入到微生物無法進入的孔隙，維持微生物生存空間內(nèi)的好氧條件[34]，改善土壤的曝氣性從而減少N2O的釋放。Cayuela[35]等的薈萃分析表明，施用生物炭可顯著降低農(nóng)業(yè)N2O排放，降幅在54%左右。原因可能是生物炭的施入改善了土壤的透氣性，降低反硝化細菌及其酶活性，從而抑制N2O排放[36]。盡管生物炭在提高土壤氧氣利用率方面具有積極影響，但其對土壤水分的積極影響亦可通過刺激微生物增長導(dǎo)致N2O排放增加。Saarnio等[37]研究結(jié)果表明，生物炭增加了土壤水分，但卻增加了裸露土壤中的土壤呼吸和N2O排放。因此生物炭的多孔性在減少N2O排放的凈貢獻方面,仍需要仔細評估。

2.3 生物炭對無機氮的吸附

2.4 生物炭對原土有機碳的激發(fā)作用

生物炭的組成大致可分為相對頑固的C、不穩(wěn)定的C和灰分，與其他有機質(zhì)的最大化學(xué)差異是芳香C的比例要大得多，這些C的結(jié)構(gòu)性質(zhì)是生物炭穩(wěn)定性高的主要原因[43]。生物炭的碳穩(wěn)定性是其在固碳減排以及土壤改良方面發(fā)揮作用的核心。生物炭在土壤中循環(huán)的典型特征是不穩(wěn)定C迅速耗散，然后以更穩(wěn)定的高度聚縮的芳烴C組分緩慢礦化[44]，施入土壤后可以與原土有機質(zhì)相互作用，降低或增強土壤有機質(zhì)礦化[45]。生物炭由于具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)以及外表面對土壤有機質(zhì)的包封和吸附、促進形成有機-無機復(fù)合穩(wěn)定體等，施入土壤后會降低有機碳(soil organic carbon,SOC)的礦化，啟動負激發(fā)效應(yīng)[46]。生物炭的負激發(fā)作用會降低土壤微生物的活性，從而對土壤溫室氣體的排放有一定的減緩作用。但也有研究證明，由于生物炭自身的不穩(wěn)定C輸入，導(dǎo)致天然SOC分解，引起生物炭的正激發(fā)作用[47]。如果生物炭啟動正激發(fā)作用，則土壤中可溶性碳增多，供給硝化細菌和反硝化細菌等微生物的作用底物增加，從而產(chǎn)生更多的N2O等，這將挑戰(zhàn)生物炭應(yīng)用于土壤作為長期碳儲存和減緩氣候變暖戰(zhàn)略的概念。

2.5 生物炭的來源和裂解溫度對N2O排放的影響

2.5.1生物炭的來源生物炭對N2O排放的影響，很大程度上取決于生物炭原料。Senbayram等[48]發(fā)現(xiàn)橄欖生物炭顯著提高酸性沙土的pH和 N2O排放通量，而玉米棒生物炭的添加效果不顯著。與其他生物炭相比，木質(zhì)生物炭具有更大的孔隙率和表面積以及較低的H/Corg、O/Corg和灰分含量，這些特征會增加生物炭的C穩(wěn)定性，從而具備更大的N2O減排潛力，使木質(zhì)生物炭成為溫室氣體減排的主要可選擇材料[49]。Ramlow等[9]研究表明，無論土壤類型或氮肥添加量如何，木質(zhì)生物炭都能持續(xù)減少N2O排放。同樣，Cayuela等[35]認為，與特定原料相關(guān)的化學(xué)成分和物理性質(zhì)的結(jié)合可能決定了生物炭減少土壤N2O排放的潛力，并指出植物材料(秸稈、木材等)制成的生物炭可能是減少土壤N2O排放最有前途的原料，而以糞便類為原料的生物炭可能對N2O的排放沒有抑制作用，甚至增加土壤N2O的排放。因此，生物炭的來源不同，其減排效應(yīng)存在顯著差異，需要研究不同來源的生物炭對N2O排放的影響，以期找出最適合減排的生物炭材料。

2.6 生物炭與土壤特性、氮肥的交互作用對N2O排放的影響

2.6.1土壤質(zhì)地生物炭對土壤N2O排放的影響受土壤條件的影響。Ameloot等[57]報道了土壤質(zhì)地(尤其是粘粒含量)可能會影響生物炭添加后土壤中的生物反應(yīng)，并指出生物炭對氮態(tài)氮的淋溶效果受土壤質(zhì)地的影響，砂土中施用生物炭未能明顯抑制氮態(tài)氮的淋溶，而粉砂壤土中添加5%生物炭能有效地降低氮態(tài)氮的淋溶。作為硝化細菌的作用底物，氮態(tài)氮的降低會直接影響硝化作用過程N2O的產(chǎn)生。此外，Cayuela等[35]發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)地較好的土壤中生物炭對N2O的減排作用最大，與粗粒土相比，細粒土中添加生物炭對N2O排放的緩解效果最好。羅曉琦等[58]研究也證實了這一點，表明生物炭對壤土N2O排放的影響顯著(P<0.05)，而對砂土和黏土的影響不顯著(P>0.05)。然而，土壤屬性也可能對生物炭減緩N2O排放的影響有限。Ramlow等[9]檢測了4種土壤類型下N2O的排放，發(fā)現(xiàn)N2O排放量沒有明顯差異。Thomazini等[59]在10種不同土壤類型中也發(fā)現(xiàn)了類似關(guān)系，這意味著生物炭對N2O排放的影響可能更多地受到其自身特性的驅(qū)動，而不是土壤特性的驅(qū)動。

2.6.2土壤含水率由于硝化和反硝化過程均受到土壤水分含量的影響，故當(dāng)土壤含水量既能促進硝化又能促進反硝化作用時，將導(dǎo)致N2O的大量生成。已有試驗表明，土壤水分含量為45%～75% WFPS時，硝化細菌和反硝化細菌都可能成為N2O的主要制造者[60]。然而，由于N2O還原酶對O2的敏感性較高，在水分接近飽和的土壤中發(fā)生了完全反硝化過程，N2O/N2的比值趨于零，更多地生成N2[61]。生物炭官能團的疏水作用使生物炭的孔隙能夠保持空氣，從而降低反硝化速率和N2O產(chǎn)量[62]。有研究認為，在中度厭氧(79.1%～80% WFPS)條件下，生物炭可以通過提高土壤透氣性來減少N2O的生成，此時減排效果最大[60]。也有研究表明，在水分接近飽和的土壤中，生物炭能夠抑制土壤91%的N2O累積產(chǎn)量[63]。這與Cayuela等[35]的薈萃分析結(jié)果一致，即在高水分條件下(>80% WFPS)生物炭對質(zhì)地較細的土壤中的N2O具有最大的減排作用。同樣，Zhang等[64]發(fā)現(xiàn)，在相對濕潤的條件下，添加生物炭的稻田土壤N2O排放較低，而在較干燥的土壤中排放量增加。

2.6.3氮肥調(diào)控生物炭對土壤N2O排放的影響與是否施用氮肥有關(guān)。趙光昕等[65]研究不同施氮量的農(nóng)田土壤添加生物炭對N2O的減排效果時發(fā)現(xiàn)，施用等量生物炭條件下N2O排放系數(shù)隨施氮量增加而降低。同樣，Ramlow等[9]研究表明，生物炭對添加氮肥的土壤具有最大的溫室氣體減排潛力，而對未施氮肥土壤的N2O排放影響不大。可能是由于單施氮肥會增加硝化和反硝化細菌的底物可用性，而生物炭可以提高土壤的C/N，增加土壤透氣性，利于N2O發(fā)生非生物轉(zhuǎn)化，二者配施在一定程度上可以降低N2O的排放。范靖尉等[66]則發(fā)現(xiàn)，在施氮量250 kg·hm-2的水平下減氮20%能夠降低土壤N2O的累積排放量，但在適宜施氮水平(200 kg·hm-2)下施用生物炭則在短期內(nèi)并無顯著的N2O減排作用。因此，氮肥與生物炭配施對土壤N2O排放的效應(yīng)還需詳細評估，減氮施肥配施生物炭可能會是一種減少溫室氣體排放的有效措施。

3 結(jié)語

綜上所述，生物炭添加對農(nóng)田土壤N2O排放的影響是一個綜合作用的結(jié)果，因生物炭的來源、制備過程以及土壤類型等不同而存在差異，生物炭對農(nóng)田N2O排放的微生物機制亦尚不清楚。針對生物炭添加對農(nóng)田N2O排放的影響，今后需要進一步加強研究。

(1)目前對于添加生物炭對農(nóng)田N2O排放的影響多是短期試驗，生物炭的連年施用及其老化程度是否會影響生物炭的減排作用還存在盲區(qū)。應(yīng)多開展長期試驗，以判斷施用生物炭是否真的可以達到“碳匯”及“減排”效果。

(2)加強對生物炭制備過程研究。生物炭的來源、裂解溫度、粒徑等都會對溫室氣體的排放以及土壤的改良效果產(chǎn)生影響。已有少量研究表明，生物炭粒徑越小，土壤持水性能越強[67-68]。因此，可以進一步研究農(nóng)田最適宜的生物炭類型，最適宜的粒徑，最佳的裂解溫度等，充分發(fā)揮生物炭的優(yōu)勢。

(3)由于生物炭與土壤環(huán)境具有多重交互機制，生物炭的減排作用機制亦不明確。可以通過研究建立生物炭與土壤環(huán)境的多種相互作用機制模型，測試生物炭表現(xiàn)出最大減排潛力的機制。

(4)針對N2O排放的潛在化學(xué)和微生物過程及其機制研究有限，微生物組成、群落結(jié)構(gòu)和多樣性對生物炭添加的響應(yīng)有待進一步研究，可以考慮運用同位素標記等技術(shù)研究生物炭添加后N2O排放相關(guān)的微生物及其酶活性以及C、N代謝過程的變化，以期從微觀分子方面揭示農(nóng)田溫室氣體排放對生物炭添加的響應(yīng)機制。