生物炭施用土壤的固碳減排效應及機制

李文杰,左翔之,王 建,秦 超,高彥征

生物炭施用土壤的固碳減排效應及機制

李文杰,左翔之,王 建,秦 超,高彥征*

(南京農業大學,土壤有機污染控制與修復研究所,江蘇 南京 210095)

隨著我國“雙碳”目標的提出,生物炭因其具有增加土壤碳匯潛力的作用而受到廣泛關注.目前,研究者們對生物炭固碳減排潛力進行了大量研究,但對于其固碳減排效應和機制缺乏系統的總結.為此,本文綜述了國內外最新研究進展,重點介紹了生物炭施用土壤的固碳減排效應,闡述了生物炭施用主要是通過土壤途徑依靠自身穩定性和促進微生物續埋效應產生來增加土壤碳庫含量和穩定性,以及通過植物途徑增加地上植被光合作用和生物量碳庫來增加其負排放潛力,此外,全生命周期評估(LCA)得出:優化生物炭的制備工藝以及將生物炭系統與其他生物能源系統有機結合是發揮生物炭固碳減排潛力正效應的有效措施;本文總結了生物炭施用土壤的固碳減排機制,主要包括:生物炭的非生物氧化過程是決定自身“碳封存”穩定性的關鍵;生物炭施用可通過為微生物提供生長所需營養物質和棲息地以及提高土壤營養元素的生物有效性,促進微生物同化和植物生長發育,增加生物炭的負排放潛力;亦可通過改變土壤性狀,抑制微生物之間的信號分子和胞外電子傳遞以及酶的分泌,調控溫室氣體的排放;生物炭與土壤原有機質、礦物結合形成有機-礦物復合體,以及促進微生物分泌菌絲、膠結物質和一系列疏水蛋白可以提高土壤團聚體的穩定性,增加土壤碳庫的穩定性.總而言之,生物炭施用有利于土壤碳庫含量及其碳穩定性的增加.未來研究應著眼于開展生物炭非生物氧化過程與生物氧化、炭穩定性之間的機理研究,以及重視微生物碳泵和生物炭-有機-礦物界面動態在生物炭固碳減排過程中的作用.本文旨在為生物炭的實際應用和生態可持續發展提供理論依據.

生物炭；固碳減排；全生命周期評估；激發效應；土壤團聚體

在全球氣候變化背景下,溫室氣體排放增加導致溫室效應不斷增強,已經嚴重威脅到人類的生存和發展,在聯合國政府氣候變化委員會(IPCC)發布第六次評估報告中指出,2010～2020年中,全球地表溫度較工業革命時期上升1.09℃,而且2019年中二氧化碳濃度高達0.041%[1].因此,如何緩解溫室氣體排放成為了全球性議題.中國承諾在2030年前碳排放達到峰值,2060年前達到碳中和.近年來,生物炭因其具有增加土壤碳匯潛力的作用而受到廣泛關注[2].生物炭是利用農林廢棄物作為生物質來源,在無氧或者限氧條件下通過熱化學轉化得到的一類高度芳香化固態產物,具有表面官能團豐富、孔隙結構發達、比表面積大且吸附能力強等特點[3-4].由于其自身具有一定的碳素穩定性,施入土壤中不僅能夠改良土壤性質,如提高土壤有機質、pH值,增加保水性、降低土壤容重,還可通過影響微生物活性、群落和酶活性降低土壤有機質分解[5-7],具備直接或間接減少土壤CO2等溫室氣體的排放,增加土壤碳匯的功能,是當前應用碳轉化和資源化利用,增加施用土壤碳固存與碳捕集潛力,加快實現碳中和的重要途徑之一.

目前,研究者們對于生物炭施用土壤的固碳減排效應方面,如生物炭自身穩定性、對地上植被影響、在土壤“碳匯”過程中微生物的驅動作用及其固碳減排潛力評估方面等進行了大量的研究和總結,但對于生物炭施用土壤的固碳減排效應及機制方面缺乏系統認識.鑒于此,本文在前人研究基礎上,結合國內外最新研究進展,對生物炭固碳減排效應(土壤途徑、植物途徑和潛力評估)及其效應機制進行系統的總結,并依據現有研究的不足進行展望,以期為生物炭實際應用和加快實現“碳中和”提供相關的理論基礎.

1 生物炭固碳減排效應

1.1 生物炭促進土壤固碳效應

生物炭自身碳骨架結構穩定,含有大量的穩定性碳庫,施用在土壤中可以直接增加土壤碳庫含量. 研究表明,在生物炭的全生命周期內,可通過自身“碳封存”可以有效增加土壤碳庫總量的64.3%[5],并且與生物質在自然狀態下分解固存相比,將生物質轉化為生物炭可額外增加30%～40%的固碳量[2]. Fang等[8]研究指出,生物炭的固碳效應主要與其穩定性有關,而且生物炭的制備工藝(熱解溫度和生物質來源)是影響其理化性質和環境行為效應的決定性因素,其中熱解溫度對炭的穩定性影響最為明顯.隨著熱解溫度的升高,生物炭的芳香環中H和O會被C取代, H/C和O/C物質的量比降低,生物炭芳香化程度增加和非極性結構變多,這為生物炭的惰性及穩定性奠定了物質基礎,在環境中的半衰期和平均停留時間(MRT)也就越長[9].如Spoaks等[10]在用O/C物質的量比預測生物炭穩定性研究中得出,生物炭O/C<0.2通常是最穩定的,炭的半衰期在1000a以上,而當O/C>0.6時,半衰期則在100a以上.但是Lehmann等[6]通過將熱解溫度(T)、H/C和O/C物質的量比與生物炭穩定性進行擬合分析發現,H/C物質的量比與生物炭穩定性關系更緊密(2=0.33),這說明H/C物質的量比與O/C物質的量比和熱解溫度相比更能準確預測生物炭的穩定性(圖2).當前,大多數研究者對于生物炭穩定性預測主要使用的是單組分模型和雙組分模型[11-12].Bir等[13]發現這兩組模型在預測生物炭降解方面可能忽略了碳庫組分難易降解程度在生物炭礦化過程中的重要性,三組分模型相較于雙組分模型(易降解碳庫和穩定碳庫)添加了半穩定碳庫,且與Kuzyakov等[14]的雙組分模型比較分析得出,半穩定碳庫具有短期固碳效應的潛力,是影響生物炭在環境中平均停留時間關鍵性因素.此外,也有研究者表示無論生物炭在100a后的總碳量剩余80%或90%,其礦化程度差異都小于10%[15-19],與生物炭漫長的降解周期相比,環境因素的影響要遠遠大于其自身的穩定性.如Singh等[19]通過將桉木生物炭施入3種不同類型土壤中發現,生物炭在質地較差(黏粒和有機質含量較低)的土壤中礦化速率最低,模型估算得出MRT最長(44～ 1079a),而在質地良好的土壤中MRT則表現較短(11～172a).

(a) 生物炭的碳封存;(b) 生物炭影響微生物同化穩定性碳;(c) 生物炭施用土壤的團聚體固碳;(d) 生物炭改變土壤性狀、調控溫室氣體排放;(e) 生物炭增加植物生物量碳庫.

生物炭施入土壤可促進微生物的生長繁殖,增加微生物同化合成穩定性碳庫,間接增加碳固存.Knzyakon等[14]發現生物炭中被微生物利用的主要成分有糖脂、磷酸酯等脂肪族化合物,并且經過長期的培養試驗結果得出,生物炭中的碳有2.6%被微生物所同化.Liang等[20]研究指出,這種被微生物合成代謝同化的碳主要以微生物細胞殘體(穩定碳庫)形式在土壤碳庫中存在,并表示微生物合成的碳可由土壤“微生物碳泵”進入土壤并通過“續埋效應”穩定于土壤碳庫中.Wang等[21]基于Meta分析結果表明,在全球尺度下微生物殘體碳對于不同生態系統的土壤有機碳的貢獻可達35%～51%.并且Zhang等[22]研究發現玉米秸稈生物炭施用可顯著提升土壤有機碳13.0%、微生物殘體碳5.8%, 說明施入土壤的生物炭中不穩定有機碳可通過微生物碳泵及其續埋效應轉化為土壤穩定碳庫, 進而增加碳庫含量. 然而,土壤中微生物(細菌、真菌)及其特性對于生物炭施用的響應并不一致.如Sun等[23]將玉米生物炭進行還田試驗發現,生物炭的施用增加了真菌生物量及其微生物殘體碳含量,但對細菌微生物殘體碳含量無顯著影響,并且得出生物炭主要是通過刺激真菌微生物活性和周轉,進而增加了土壤碳庫的穩定性.

圖2 生物質炭穩定性與H/C、O/C物質的量比和熱解溫度(T)之間的擬合回歸(n=85)[6]

1.2 生物炭促進土壤減排效應

生物炭(外源碳)作為“碳匯”降低土壤碳庫可逆性體現在:生物炭對于土壤碳庫的負激發效應,即抑制土壤碳庫礦化.一般認為,高溫熱解制備的生物炭更有利于負激發效應的產生[24](表1),這可能與高熱解溫度致使生物炭擁有更大的比表面積和更致密的孔隙結構有關.但Rittl等[25]通過研究不同生物炭與土壤碳排放之間的關系卻發現,不同生物質來源的生物炭對于土壤碳排放的影響顯著大于熱解溫度.雖然生物炭對土壤碳庫礦化整體上表現為抑制作用,但在生物炭的老化過程中,炭對于土壤碳庫的激發效應是處于動態變化的.Yang等[26]運用13C同位素技術量化新鮮和老化生物炭對于土壤原有機碳激發效應結果得出,老化生物炭在試驗期間均呈負激發效應,而新鮮生物炭施用對于土壤原有機碳礦化在前期并無顯著影響,但在施用2～7周后呈負激發效應.并且Singh等[27]通過長期的溫室礦化培養試驗發現,在2.3a內生物炭添加對土壤原有機碳產生了顯著的正激發效應,但是在2.3a后正激發效應會隨時間的推移而減弱,并表明這可能是因為初期生物炭中易降解有機碳被微生物消耗殆盡,以及與生物炭表面羧基等官能團與土壤礦物的相互作用增強了生物炭在老化過程中的穩定性有關.然而,在實際環境中生物炭施加土壤是一個復雜的情況,對于土壤碳庫的激發效應可能是生物炭與外源植物殘體共同作用的結果.因此,Luo等[28]通過14C、13C標記和自然豐度同位素技術進行室內試驗,將土壤有機碳、添加的生物炭和葡萄糖分解產生的CO2排放區分開,以此來探討生物炭施用土壤的真實復雜情況下的激發效應,結果表明生物炭添加處理的土壤碳庫與未添加處理的土壤碳庫相比更容易受到外源碳(葡萄糖)的激發,Zhang等[29]也得到了相似的結論,并表明這可能是因為生物炭添加致使土壤穩定性碳庫組分含量及其碳庫穩定性增加,降低了碳庫的有效性,使其更容易受到外源碳的誘導激發.生物炭對于CH4和N2O排放同樣具有一定抑制作用[30-31]. CH4和N2O作為重要的溫室氣體,且單位質量的全球增溫潛勢分別是CO2的25倍和298倍[32]. Lyu等[33]基于Meta分析得出,生物炭對于各溫室氣體排放的抑制程度不同,具體為:N2O > CH4> CO2. 而且, Yang等[34]在探討生物炭對土壤溫室氣體排放的影響機制得出,生物炭主要是通過改變環境因子,進而間接調控了溫室氣體的排放,并表示土壤溫度是決定影響CO2排放的主要環境因子,土壤濕度是決定CH4和N2O排放的主要環境因子.在農田生產管理中,生物炭施用不僅可以直接抑制土壤溫室氣體的產生,還可以通過代替或減少化肥的使用量,間接降低化肥制造過程中溫室氣體的排放[35].

1.3 生物炭促進植被固碳減排

圖3 生物炭促進植被固碳減排

生物炭亦可通過增加地上植被光合作用和生物量碳庫,提高植被對于大氣CO2捕獲能力,進而增加施用土壤生態系統的負排放潛力(圖3).Dai等[41]基于153篇已發表文獻進行Meta分析,研究了生物炭對于植物生產力(PPR)的整體效應,結果得出生物炭能夠顯著增加PPR (16.0%±1.3%).而且生物炭的施用可以顯著增加植物根系生物量32%、根系長度53%和植物的凈光合速率26.5%,促進植物對于營養元素和大氣CO2的吸收[42].然而,針對不同的還田土壤類型、植被類型、環境條件以及炭的施入量,生物炭所發揮的效應有所不同.Farhangi等[43]發現,生物炭在砂質和壤土中對于植物生物量的提升明顯高于黏土,并且低熱解溫度(<550℃)制備的生物炭對于地上植被生物量的提升效果最顯著.Xu等[44]在探討生物炭對毛竹生態系統固碳短期效應的研究中發現,過量的生物炭施入(15t/hm2)與少量生物炭(5t/hm2)相比反而抑制了植被碳儲量的增加.而且He等[45]基于Meta分析得出,生物炭處理能夠顯著提高C3植物的光合作用和生物量,但對于C4植物作用有限,這可能是因為C3植物與C4植物相比對土壤肥力(N元素)和水分含量的要求更高.在農田生態系統中,生物炭施用顯著增加作物籽粒產量[46].但是生物炭對于作物產量的提升效果與炭的還田時間長短有關,如Lü等[47]進行長期田間試驗結果得出,使用秸稈生物炭有利于前四季稻田產量的增加(2.56%～16.84%),但對第六季糧食產量沒有顯著影響.同時, Jeffery等[48]基于Meta分析發現,生物炭對于溫帶地區作物產量沒有顯著影響,但可顯著增加熱帶地區的作物產量25%,這可能與熱帶地區土壤肥力低、呈酸性有關.

1.4 生物炭固碳減排潛力的量化評估

目前,研究者們常用全生命周期評估(LCA)對生物炭施用土壤的固碳減排潛力進行量化估算. Lehmann等[6]對生物炭在全球尺度下緩解溫室氣體排放的最大可持續潛力進行評估得出,施用生物炭可使溫室氣體的年凈排放量減少3.4～6.3Pg CO2-Ce,其中一半是CO2去除.Smith[7]也得出了相似的結論,生物炭施用和土壤碳固存(SCS)均具有有效的負排放潛力(各0.7Gt Ceq/a),并且生物炭作為“凈碳封存”與SCS相比,其負排放潛力的優勢在于可以降低土壤碳庫的可逆性和提高土壤碳匯飽和閾值. Knoblauch等[49]研究發現,生物炭固碳減排表現正效應的關鍵在于炭制備能耗和裂解氣的回收利用,并且生物炭的固碳正效應前提在于制炭凈能耗必須小于3.4MJ/kg干物料[50].Matu?tík等[51]基于不同假設并通過試驗驗證也得出,生物炭的制備工藝是影響氣候變化最重要因素.而且,Hammond等[52]在英國進行了慢熱解生物炭系統(PBS)的小、中、大型工藝鏈和原料的LCA評估,得出熱解生物炭系統與其他生物能源系統相比提供了更大的碳減排,即每生產1t生物炭的碳減排量為0.7～1.3CO2-Ce. Xia等[53]研究得出,生物質熱解和發電一體化系統與常見的CH4和氮減排措施共同作用可以將主要農作物生命周期內溫室氣體排放量從目前的666.5Tg CO2-Ce/a減少到-37.9Tg CO2-Ce/a,而且其固碳減排效應主要是通過將生物炭施用于土壤以及將熱解過程中產生的生物能源取代化石燃料來實現.此外,Mishra等[54]通過LCA與技術經濟分析(TEA)相結合研究了生物炭穩定性在施用土壤中的經濟和環境效應,結果得出熱解溫度(400～900℃)、具有高木質素和大顆粒的生物質原料在土壤中的經濟和環境效益最佳.但由于生物質的原料以及應用的目的不同,研究者們在使用LCA和TEA分析的結果也并不相同.如Ganguly等[55]探討了負碳熱解生物煉制技術經濟環境效益前景,得出玉米秸稈、紅橡樹和黃松在經過FeSO4預處理后糖和酚油的產率最高,且經過TEA發現,其減排成本為負,具有可觀的商業價值.總的來說,雖然研究者會因LCA評估體系中功能單位選擇或系統邊界等不同而表現差異,但整體上生物炭的施用可以有效增加土壤生態系統的碳固存和碳捕集能力,并且優化生物炭的制備工藝以及生物炭系統同其他生物能源系統如何有機結合是發揮生物炭固碳減排潛力正效應的關鍵.

表1 生物炭施用對于土壤原有機碳的激發效應研究

注:*實驗室培養試驗;**室外試驗.

2 生物炭的固碳減排機制

生物炭的固碳減排機制主要包括以下五個方面:(1)生物炭的生物氧化和非生物氧化降解過程共同決定著生物炭“碳封存”的穩定性;(2)生物炭施入土壤可以改善微生物的棲息地,影響微生物活性,促進微生物的同化穩定性碳及續埋效應的產生,間接增加土壤碳固存;(3)生物炭、土壤微生物與原有機質的相互作用形成的團聚體保護機制能夠抑制微生物對于生物炭和土壤原有機碳的礦化;(4)生物炭可以改變土壤性狀,影響與溫室氣體排放相關的微生物和酶活性,進而調控溫室氣體排放;(5)生物炭可以提高土壤肥力,促進地上植被對營養物質吸收,增加地上植被的光合作用和生物量碳庫,進而增加生物炭的負排放潛力(圖1).

2.1 生物炭的碳封存

生物質熱解轉化為生物炭后,通過將微生物分解有機質釋放到大氣中的碳以生物質物化或生物惰性的形式保存在土壤中,從而達到碳封存的目的.Lehmann等[6]研究得出,單位生物炭在減緩氣候變化潛力方面的最大差異來源于生物質的選擇.例如,木材生物質中木質素含量較高,由木質材料熱解產生的生物炭比草本生物炭具有更高的比表面積,并形成更多的有機礦物層,自身穩定性更高[2].而且,生物炭的降解難易程度(穩定性)是決定其提升碳封存潛力的關鍵因素.已有大量研究總結得出,生物炭的降解可分為生物氧化和非生物氧化兩種形式,其中生物氧化指的是微生物對生物炭中可利用有機碳進行同化以獲取能量和物質,或是微生物以其他易降解的含碳有機物為碳源,通過共代謝作用氧化生物炭;非生物氧化指的是生物炭通過化學氧化、光化學氧化、無機裂解等機制降解[11]. Zimmerman等[56]研究表明,雖然非生物氧化過程不足以導致生物炭中碳素的大量流失,但會促進炭表面多羧酸化合物的形成,降低其芳香化程度,從而增加生物炭的生物可利用性.而且Cheng等[57]通過X射線光電子能譜(XPS)對生物炭表面性質進行分析得出,生物炭顆粒的氧化是在表面開始的,并表明這種炭的非生物短期氧化過程相較于生物氧化過程對于生物炭穩定性及其在地球生物化學過程中的作用更有意義.

2.2 生物炭影響微生物同化穩定性碳

生物炭自身的結構特性和豐富的灰分物質有利于土壤微生物(細菌、真菌)活性的增加,能夠促進微生物將土壤碳庫和生物炭中不穩定碳元素通過微生物碳泵以及續埋效應轉化為土壤穩定碳庫(幾丁質和多聚糖),間接增加碳固存.生物炭具有極大比表面積和豐富孔隙度,可以為微生物生長和繁殖提供所需的營養物質和棲息地[37].根據UIPC規定,生物炭孔隙結構分為大孔(>50nm)、中孔(2～50nm)和微孔(<2nm)[58],這些孔隙均可以為多種微生物提供物理保護,如:細菌(0.3～3mm)、外生菌根真菌、類菌根真菌和叢枝菌根真菌(2～80mm)[59],使其免受土壤中捕食者(螨蟲和線蟲等)的傷害.而且,生物炭的灰分物質(N、P、K、Ca、Mg等)以及炭的高滲透性和高表面積可以為微生物提供營養物質和生存條件.一般認為,草本生物炭相較于木本生物炭擁有更高的灰分含量,更有利于微生物生長繁殖.但Schnee等[60]研究發現,微生物(腐生真菌和厚壁菌門)相較于各方面性質均優越的芒草生物炭更傾向于附著和定植在木本生物炭中,其原因可能是木本生物炭本身的灰分成分更能滿足微生物特定的養分需求. Quilliam等[61]通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察野外老化生物炭內外表面的微生物定殖水平發現,生物炭的老化程度也會影響微生物活性,并得出雖然短期內(3a)生物炭不會成為微生物的主要棲息地,但長期看來生物炭的微生物定植的可能性會更大,這主要與生物炭會因非生物介導降解和部分微生物降解為微生物提供養分物質有關.生物炭還可通過改善土壤的孔隙特性,進而去影響微生物的棲息空間和生存環境[57],如好氧菌屬主要集中在孔隙較大(>5μm)、營養和空氣較多的土壤孔隙中,而甲基桿菌和亞硝化桿菌這類兼性厭氧菌以及嚴格厭氧菌則主要集中在小于5μm土壤孔隙中[62].但是,也有研究者認為生物炭能成為微生物生長發育場所的主要原因不在于其豐富的孔隙結構,而主要是因為炭表面含有的功能基團,特別是羧酸基等含氧基團,可以通過吸附土壤中包括溶解性有機碳在內的易氧化有機碳和NH4+,為微生物提供了豐富的能量來源,進而提高微生物豐度和多樣性所導致的[63].

須指出,某些情境下生物炭的毒害作用也可抑制微生物活性,降低其礦化.生物炭中的某些化合物對于微生物具有毒害作用,如多環芳烴(PAHs)、揮發性有機物(VOCs)、環境持久性自由基(EPFRs)等.PAHs是土壤中常見的持久性污染物,當苯環數大于4時,PAHs可與細胞膜上的膜磷脂結合形成穩定的結合物,降低細胞膜的通透性,抑制微生物的生長,降低微生物呼吸[58].Wang等[64]基于2012年～2018年發表的文章對生物炭中的PAHs濃度進行了綜合分析,結果得出生物炭中PAHs濃度差異較大,大部分以2～3環PAHs(40%～71%)為主,而且生物炭施入土壤中PAHs含量顯著增加(0.02～3574μg/kg),生物炭中PAHs對于微生物的影響存在兩面性,一方面低分子量的PAHs可被微生物降解,為微生物生長發育所需的能源,另一方面當苯環數大于4時,可毒害微生物,降低微生物對土壤有機質的礦化.生物炭中吸附的VOCs主要包括苯系物、有機氯化物、胺、醇、醚、酯、酸以及石油烴化物.研究表明,當VOCs濃度過高時,便會抑制微生物的生長繁殖[64],例如:玉米秸稈中高濃度的甲苯、乙基苯等VOCs能顯著降低19.6%微生物豐度[65].EPFRs在土壤中可誘導微生物細胞氧化應激,降低細胞谷胱甘肽(GSH)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)和超氧化物歧化酶(SOD)活性,產生活性氧·OH,可以對細胞膜、脂質蛋白、DNA等造成氧化損傷[66],但是Fang等[67]研究得出EPFRs中的羥基自由基(·OH)和硫酸根陰離子(SO42-)在金屬陽離子Fe2+和Cu2+的參與下發生Fenton反應,產生強氧化性,具有有效去除難降解有機污染物的能力.雖然生物炭中有機污染物對微生物活性的影響存在兩面性,但生物炭作為環境污染物的來源之一,這無疑是給生物炭在固碳減排、環境修復工作上帶來了巨大挑戰.因此,Yang等[68]通過對木本生物炭進行短暫熱氧化處理(PPAO),嘗試從生物炭源頭上降低有機污染物的傳播,試驗結果得出PPAO可以有效降低熱解后生物炭中85%PAHs的殘留,這為生物炭制備、應用實踐以及降低污染物傳播提供新的思路和理論依據.

2.3 生物炭的團聚體固碳

生物炭、土壤微生物與原有機質的相互作用形成的團聚體保護機制能夠抑制微生物對于生物炭和土壤原有機碳的礦化.已有研究總結得出,生物炭施入土壤中促進了土壤團聚體的形成,顯著提高團聚體的平均質量直徑(MWD)(16.4%±2.5%)[69].生物炭施用至農田中,會和農田土壤多相系產生復雜的多相界面過程,其中就包括生物炭外表面物質可通過分配作用和表面吸附(氫鍵、π-π作用、靜電作用、共價作用和孔填充作用)與土壤有機質、土壤礦物成分(硅酸鹽、鐵鋁氧化物、各種氫氧化物)結合,可增強土壤有機碳的吸附固定,進而形成有機-礦物復合體,增加炭和有機質的穩定性,對微生物可降解的土壤碳庫產生物理保護化學作用,從而達到固碳目的.Singh等[70]發現生物炭對土壤原有機碳降解的促進作用在后期減緩,并把2～3a后的生物炭對于原有機碳的保護作用歸結為有機-礦物結合形成的團聚體物理作用.生物炭還可通過刺激微生物生長發育,產生菌絲和膠結物質,加速土壤團聚體結構的形成和穩定[71].Zhang等[72]通過共性網絡分析表示,生物炭施用增加了大團聚體中微生物的相互作用,而且酸桿菌門、硝化螺旋菌門以及浮霉菌門的相對豐度在大團聚體中表現最大.但是Hale等[73]研究表明,生物炭促進大團聚體的形成應該是有利于真菌的生長,而不是細菌,即:真菌相比細菌更適合定植在土壤有機碳、C/N較高的大團聚體中,這主要與真菌生存策略(K對策)有關,具體來說是營養物質和水分在連續菌絲網絡中的遷移促使了真菌在C/N較高的碳源(大團聚體)中定植.此外,生物炭和土壤原有機碳作為碳源可通過促進微生物分泌蛋白質(GRSP、水磷素等一系列疏水蛋白),提高土壤團聚體疏水性和穩定性[58],進而增加自身穩定性.因此,在土壤團聚體中生物炭和土壤原有機碳穩定性的增加是炭、土壤微生物和原有機碳之間的相互作用的結果,這在生物炭的長期碳固存過程中起著重要作用.

2.4 生物炭改變土壤性狀、調控溫室氣體排放

生物炭對土壤性狀(pH值、陽離子交換容量、土壤含水量)的改變可以對土壤微生物群落結構和功能產生積極或消極的影響,進而調控溫室氣體排放.生物炭一般呈堿性,其包含的碳酸鹽、碳酸氫鹽和硅酸鹽可以與土壤-水界面中的H+結合,降低土壤中H+的濃度,增加土壤pH值[58].研究表明,生物炭對pH值的提升可以有效降低微生物對于生物炭及土壤原有機質的分解能力,最終緩解土壤CO2排放,這可能是因為土壤pH值的變化可以影響生物炭與土壤微生物之間信號分子的交流轉換,即:細菌交流的信號分子(如AHLs)相較于真菌細胞的信號分子(法尼醇等)對pH值敏感度較高,細菌適宜偏堿性,而真菌適宜中性或偏酸性[74].Masiello等[75]研究生物炭對?；呓z氨酸內酯(AHL)細胞間信號分子的吸附得出生物炭對于微生物交流間的信號分子具有吸附水解作用,能夠降低胞外電子傳遞的效率,進而間接抑制微生物對生物炭和原有機質的降解.而且Garbuz等[76]研究得出生物炭改變微生物信號交流是可以使其分泌的胞外酶及其降解能力發生改變,即:生物炭導致的pH值變化是堿性磷酸酶、過氧化物酶和硝酸鹽還原酶活性增加以及酸性磷酸酶活性降低的主要原因.但不能忽視的是,生物炭同樣也含有可以促進微生物之間交流的信號分子[59],這個過程同樣也存在“共代謝途徑”增加了對于生物炭的降解[11].陽離子交換容量(CEC)作為土壤保留陽離子營養物質并為微生物活動提供營養物質能力的重要指標,其能夠直接參與土壤有機質與微生物細胞之間的胞外電子傳遞(DEET),以及微生物細胞之間的直接種間電子傳遞(DIET),從而參與有機碳的轉化過程.生物炭表面的含氧官能團所產生的負電荷可以使生物炭和土壤具有較高的CEC.Karimi等[77]研究表明,玉米秸稈生物炭添加有利于土壤有機碳、CEC、微生物量碳增加(1.20～2.24倍)以及微生物呼吸(1.21～2.23倍)的顯著增加.對于酸性水稻田和濕地土壤,添加堿性生物炭會增加土壤pH值,有利于甲烷氧化菌的生長,從而降低土壤CH4的排放[6].生物炭表面的含氧官能團也可以作為電子供體促進反硝化細菌的反硝化性作用,降低N2O的排放量[78].而且,生物炭的施用可以增加土壤含水量(SWC),從而影響微生物細胞對營養物質的獲取,并且對于砂質或退化的脆弱生境而言,生物炭的施用促使土壤持水能力的提升更有利于生態系統穩定性的增加[79].

2.5 生物炭增加植物生物量碳庫

目前,研究者們普遍認為,土壤“碳封存”是初級生產者(地上植被)和轉化者(微生物)之間博弈的結果,而生物炭的施用可以通過增加土壤肥力,提高營養物質的生物有效性,增加地上植被的光合作用和生物量碳庫,加強地上植被與微生物之間的聯系,進而增加土壤的“碳封存”潛力.研究表明,生物炭中大部分的氮元素對于植物是不可用的[80],但生物炭中的鉀元素主要是以可溶性形式存在,施用到土壤中可在短期內溶解被植物根系吸收利用[81].Glaser等[82]發現,生物炭的施用顯著提高了磷元素的生物有效性,特別是在酸性和中性土壤中,說明生物炭自身增加土壤營養物質的同時,還可提高土壤中養分的利用效率.而且生物炭可以吸附保留土壤中易淋溶的營養物質,特別是氮.如Haider等[83]發現,生物炭的施用有利于減少26%土壤氮淋失,增加共生生物的63%氮固定.Solaiman等[84]研究得出,雖然生物炭促進微生物固定化氮,降低了氮元素的植物有效性,但這會加速土壤中營養元素的循環以及叢枝菌根真菌(AMF)的根系定植,增加植物對于氮和磷的吸收.此外,生物炭對根系分泌物的吸附可能會導致生物炭孔隙中礦物結合態有機質(MAOM)的溶解,同樣顯著增加土壤中養分的生物有效性[81],進一步促進植被的養分吸收,增加植被的光合作用和生物量碳庫,進而增加生物炭的負排放潛力.

3 結語

本文對生物炭施用土壤的固碳減排效應、潛力估算及機制進行了總結,生物炭的固碳效應及潛力主要與自身穩定性有關,其還可通過促進微生物續埋效應的產生來增加土壤碳庫含量和穩定性或是提高地上植被的光合作用和生物量碳庫來增加生物炭的負排放潛力;雖然生物炭施加土壤會因環境的復雜性對土壤微生物和原有機碳庫呈現出不同的激發效應,但長期看來生物炭的施用整體上有利于土壤碳庫含量的增加以及其“碳封存”穩定性的提高.總體而言,生物炭和土壤原有機碳在微生物驅動作用下分解和固存之間的平衡是生物炭固碳減排的關鍵,其中生物炭、土壤微生物和原有機質之間的相互作用共同決定了生物炭和原有機質的穩定性,并對固碳減排產生總體影響.此外,土壤理化性質在生物炭調控溫室氣體排放方面起到了重要的作用.

目前,研究者們對于生物炭固碳減排進行了大量的研究,但仍有幾處不太完善,后續的研究應重點重視以下問題:(1)生物炭的非生物氧化過程不僅影響生物炭初期氧化速率,同時也是生物氧化的必要條件,兩者共同決定著炭在施用土壤中的穩定性.但目前的研究大多只針對環境因素對于生物炭生物氧化過程的影響,并沒有量化研究環境土壤中生物炭非生物氧化過程與生物氧化以及炭穩定性之間的關系.因此,亟待通過同位素示蹤與現代結構化學分析技術開展土壤生態系統中生物炭非生物氧化過程與生物氧化及炭穩定性之間的機理研究;(2)生物炭施用土壤中微生物的“碳泵”過程對土壤碳庫含量及碳庫穩定性的提升有著重要意義.生物炭施用土壤可通過為微生物提供生長所需場所和營養物質以及改變土壤理化性質影響微生物生長繁殖.然而,生物炭施用土壤的微生物“續埋效應”及其影響下的固碳減排機制尚未被解釋清楚.因此,后續應加大研究微生物殘體在生物炭固碳過程中作用;(3)生物炭與土壤礦物-有機質界面的動態相互作用影響著土壤碳庫的穩定性.生物炭施入土壤中可與土壤礦物、有機質形成有機-礦物復合體,對土壤有機碳起到團聚體物理保護作用,但基于生物炭-礦物-有機質界面動態影響下的生物炭固碳減排機制的研究較少.因此,后續研究可將生物炭-有機-礦物復合體之間的吸附與解吸作用作為生物炭團聚體固碳機制研究的因素之一.

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LI Wen-jie, ZUO Xiang-zhi, WANG Jian, QIN Chao, GAO Yan-zheng*

(Institute of Organic Contaminant Control and Soil Remediation, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)., 2023,43(11)：5913～5923

With the proposal of the "double carbon" policy in China, biochar has attracted extensive attention because of its role in increasing the potential of soil carbon sequestration. At present, researchers have done a lot of research on the carbon sequestration and mitigation, but there is no systematic summary of its carbon sequestration and mitigation effects and mechanisms. Therefore, based on the current research progress of the practical application of biochar at home and abroad, the effects of biochar application on soil carbon sequestration and mitigation were systematically summarized. It was expounded that biochar can increase the content and stability of soil carbon pool by relying on its own stability and promote the generation of microbial entombing effect through the soil approach, and increase negative emission potential of biochar by increasing the photosynthesis and biomass carbon pool of aboveground vegetation through the plant approach. In addition, the life cycle assessment (LCA) concluded that the optimization of biochar preparation and the organic integration of biochar system with other bioenergy systems are effective measures to play the positive effect of carbon sequestration potential. Moreover, we summarized the mechanisms of biochar application on soil carbon sequestration and mitigation. It mainly includes: the abiotic oxidation process of biochar is the key to the stability of its carbon sequestration. The application of biochar can increase the carbon sequestration potential of soil ecosystem by providing nutrients and habitats for microbial growth and improving the bioavailability of soil nutrient elements, promoting microbial assimilation and plant growth and development. It can also regulate greenhouse gas emissions by changing soil properties, inhibiting signaling molecules and extracellular electron transfer between microorganisms and enzyme secretion. In addition, biochar combines with soil organic matter and minerals to form organic-mineral complex, and promotes microbial secretion of mycelia, cementing substances and a series of hydrophobic proteins can improve the stability of soil aggregates and increase the stability of soil carbon pool. Concisely, the application of biochar is beneficial to the increase of soil carbon pool content and its carbon sequestration stability. Future research, should focus on the mechanism between abiotic oxidation of biochar, biooxidation and carbon stability, and pay more attention to the role of microbial carbon pump and biochar-organic-mineral interface dynamics in carbon sequestration and mitigation of biochar. This work aims to provide a theoretical basis for the practical application of biochar and ecological sustainable development.

biochar；carbon sequestration and mitigation；life cycle assessment；priming effect；soil aggregation

X142

A

1000-6923(2023)11-5913-11

李文杰(1997-),男,河南焦作人,南京農業大學博士研究生,主要從事土壤環境中有機污染物環境行為與效應研究.2022203005@stu. njau.edu.cn.

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2023-04-10

江蘇省碳達峰碳中和科技創新專項資金資助項目(20220013);國家自然科學基金資助項目(22161132011)

* 責任作者, 教授, gaoyanzheng@njau.edu.cn