生物炭影響農田溫室氣體排放的研究進展

吳樂詩, 李冬琴, 黎華壽, 陳桂葵,*

生物炭影響農田溫室氣體排放的研究進展

吳樂詩1,2, 李冬琴3, 黎華壽1,2, 陳桂葵1,2,*

1. 廣東省生態循環農業重點實驗室, 廣州 510642 2.華南農業大學資源環境學院, 廣州 510642 3.廣東省農業科學院農業質量標準與監測技術研究所, 廣州 510640

針對生物炭在農業生產中對溫室氣體排放的影響問題, 論文綜述了近幾年有關生物炭對農田生態系統CO2、CH4和N2O三種主要溫室氣體排放的影響研究, 發現生物炭總體上可以減少溫室氣體的排放, 但其實際效果受生物炭種類、土壤理化性質和微生物活性與豐度等多種因素的影響。為此, 本文進一步總結了生物炭影響農田系統溫室氣體排放的作用機理。提出了三條可能機制: (1)生物炭疏松多孔, 具有吸附性, 依靠自身的吸附作用吸收土壤中的溫室氣體; (2)生物炭能改變土壤理化性質, 使土壤疏松, 團聚體和固體物含量提升, 抑制土壤礦化, 固碳能力提升, 吸附性增強; (3)生物炭能改善土壤微生物的生存環境, 提高土壤微生物的豐度和活性, 微生物活動增強, 可以更多地固定土壤中的氮, 影響溫室氣體的排放。通過生物炭途徑可助力農業碳減排。

生物炭;溫室氣體;碳減排;農田生態系統; 作用機理

0 前言

溫室效應是21世紀全球面臨的最大環境問題, 其主要原因是人類活動向大氣中排放過量溫室氣體導致全球變暖, 全球變暖已引起國內外學者高度重視[1]。根據2018年公布的《中華人民共和國氣候變化第三次國家信息通報》顯示, 我國農業活動排放的溫室氣體主要是二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O), 排放總量達8.28億噸, 占全國總排量的7.9%, 其中CH4的排放量為4.71億噸, 占CH4總排放量的40.5%, N2O的排放量為3.58億噸, 占N2O總排放量的65.4%。因此, 抑制農業溫室氣體排放, 提高土壤固碳能力, 對緩解全球變暖有極其重大的意義。

生物炭是由植物或各種廢棄的原料通過高溫炭化制成的固體材料[2[3],最早是作為土壤改良劑用于環境中, 可以起到提高作物產量和土壤肥力,減少化肥使用的作用[4]。主要的生物炭類型包括污泥、糞污、殼類、秸稈和木質, 含碳量由前往后依次增加, 木質生物炭含碳量大多為60%—85%, 秸稈生物炭為40%—80%[5]。研究表明, 生物炭能有效控制農田生態系統溫室氣體的排放[6], 隨著全球變暖的加劇, 有關生物炭在控制溫室氣體排放方面的研究成為了眾多學者的研究焦點。

目前, 有關施加生物炭對土壤溫室氣體排放和相關影響的研究有很多, 生物炭種類、土壤類型、使用方式等各有不同。生物炭可以固碳減排基本已成定論, 但在不同條件下生物炭對農田生態系統溫室氣體排放的影響會有所差異, 很多學者也對此進行了研究。因此, 我們進一步探究生物炭影響溫室氣體排放的因素和作用機理, 為實現2030年碳達峰, 2060年碳中和的目標提供理論基礎。本文總結了近年生物炭對農田生態系統溫室氣體排放影響和機理的研究進展, 并對生物炭在控制溫室氣體排放方面值得進一步探討的問題進行了展望。

1 生物炭對農田生態系統溫室氣體排放影響的研究

生物炭在環境中的應用是如今的熱點話題, 其加入土壤后對農田生態系統溫室氣體的排放影響更是備受關注。目前國內外有關生物炭在農業生產中對溫室氣體排放影響的研究有很多, 主要方向包括探究不同類型的生物炭對溫室氣體排放的影響, 生物炭對不同類型土壤溫室氣體排放影響以及生物炭與其他措施聯合處理對溫室氣體排放的影響。受不同因素的影響, 生物炭的最終作用效果也有所差異, 如表1所示。

由表1可知, 生物炭對農田溫室氣體的影響并不是絕對的正相關或負相關, 是多種因素共同作用的結果, 如生物炭種類, 土壤類型, 施用量等。為探究其背后規律, 本文將對生物炭對三種溫室氣體的效應研究進行闡述, 并根據影響溫室氣體排放的因素進一步總結其作用機理。

1.1 生物炭對土壤CO2釋放的效應研究

生物炭具有較好的碳匯能力, 施用生物炭能把大氣中的CO2固定并以穩定的形態存儲在土壤中, 增強土壤的固碳能力[15[17]。但生物炭的施用和土壤CO2的排放量并有絕對的相關性, 還與生物炭種類, 土壤的類型、理化性質和土壤微生物等多方面因素有關[18]。目前, 對于生物炭的使用對土壤CO2排放量的影響尚未有定論。

生物炭比表面積大, 具有高度的芳香化結構, 含有酚羥基、羥基等含氧官能團[19], 可以直接吸收大氣中的CO2, 減少CO2的排放。生物炭還可以通過有機碳的礦化, 即固定土壤中的有機碳來抑制土壤CO2的釋放, 并將其長期儲存于土壤中[20]。Liu等[9]研究表明, 不同種類、不同濃度的生物炭輸入均明顯抑制土壤的CO2釋放, 其抑制效果會因生物炭種類和土壤本身的理化性質等因素而有所差異。

施用生物炭還可能會促進土壤的CO2釋放。例如, 張浩東等[21]的研究發現, 在菜地土壤中單獨施加生物炭, 會使CO2的累計排放量增加1.32倍, 與氮肥聯合處理會使CO2的累計排放量提升1.24倍; Kumputa等[22]研究表明不同溫度下的生物炭對土壤的CO2排放起促進作用。造成土壤CO2排放量升高的原因有很多, 可能是生物炭的添加使土壤短期內呼吸速率增加[23], 也可能是生物炭促進了土壤中有機碳的分解, 最終使CO2的排放量增加[24]。

1.2 生物炭對土壤CH4釋放的效應研究

雖然CH4在農田生態系統中所占比例較少, 但仍是農業溫室氣體的重要組成部分。施加生物炭對土壤CH4的影響效果也并非固定的, 大多數情況下會抑制CH4的排放。王冠麗等[25]在干旱區土壤農田中施用不同濃度生物炭后發現CH4排放量明顯降低, 其中施加濃度為45 t·hm-2的生物炭效果最佳, 能降低81.36%的排放量; 王紫君等[26]通過研究椰糠生物炭對雙季水稻CH4釋排放的影響后, 發現施加生物炭后, 早稻季CH4的排放量減少, 而晚稻季CH4的排放量會增加; 也有研究表明生物炭對土壤的CH4排放沒有顯著影響[27]。

表1 生物炭對農田生態系統溫室氣體排放的影響比較

土壤的CH4排放受產甲烷菌和甲烷氧化菌影響, 產甲烷菌會增加土壤CH4的排放, 甲烷氧化菌會抑制CH4的排放。產甲烷菌是厭氧型細菌, 在制備生物炭的過程中, 高溫使孔隙縮小, 開孔增多, 抑制了產甲烷菌的活性[28]; 另外, 生物炭會減小土壤容重, 改善土壤通氣性[11], 為甲烷氧化菌提供良好的生存環境, 促進了CH4的氧化, 最終表現為CH4的排放降低。部分生物炭自身的化學物質會抑制甲烷氧化菌的活性[29], 或增加土壤中mcrA基因(產甲烷菌的底物之一)的豐度[30], 最終促進CH4的排放。

1.3 生物炭對土壤N2O釋放的效應研究

N2O是農田生態系統排放的主要溫室氣體之一, 主要來源于微生物活動過程中發生硝化反應和反硝化反應。由于生物炭大多呈堿性, 具有多孔性和顆粒結構, 因此生物炭能吸附土壤中的銨態氮, 減少反應底物以降低硝化作用, 從而抑制土壤N2O的排放[31]。黃凱平等[32]研究了生物炭和氮沉降對毛竹林土壤N2O通量的影響, 只施用生物炭會使毛竹林土壤年平均N2O排放量降低21.7%, 生物炭和氮沉降聯合施用會使毛竹林土壤年平均N2O排放量降低12.7%; 劉椒等[33]通過施加不同量生物炭與蚯蚓互作探究對土壤N2O的影響, 結果顯示不管是否加入蚯蚓, 施加了生物炭的土壤N2O排放量均明顯降低, 且使用量越大, 效果越顯著。

生物炭對N2O排放影響與諸多因素相關, 其一是生物炭可以通過物理方式或化學反應固定土壤中的無機氮, 減少硝化細菌可利用的無機氮量; 其二是生物炭的施加會改變土壤硝化菌和反硝化菌的豐度和活性, 從而影響N2O的排放。N2O的排放量還與土壤的含氮量相關, N2O的減排量會隨著施氮量的增加而降低[34]。另外, 生物炭種類, 施用量, 土壤類型和施肥情況等都會影響N2O的排放。

2 生物炭影響農田生態系統溫室氣體排放的因素及其作用機理

影響農田生態系統溫室氣體排放因素主要可分為三個, 分別是生物炭的種類, 土壤理化性質和微生物群落活性和結構多樣性。生物炭的施用可以改變以上三個條件, 從而影響溫室氣體的排放, 結合已有的研究結果, 生物炭對農田生態系統溫室氣體排放的影響和作用機理主要包括以下幾點, 如圖1所示。

2.1 生物炭種類的影響及作用機理

生物炭是一種穩定難熔的、多孔的且高度芳香化的固體富C產物, 通過生物質在限氧和低溫(<700 ℃)下熱解炭化得到[35], 其自身疏松多孔的顆粒結構, 使它能吸附土壤中的溫室氣體。制作生物炭可用枯枝落葉、動物糞便、城市固體垃圾、污泥等作為原材料, 不同的生物炭制備時間和溫度等條件各不相同, 得到的生物炭理化性質和生態效應會有很大差異, 制成后包含氫、氧、氮、鉀、鈉、鈣、硅等元素和60%以上的C元素[36[37]。因此, 生物炭控制溫室氣體排放上的效果會因生物炭種類的區別而不同, 例如, 研究發現在水稻田中施加等量40%N活性稻殼生物炭和40%N活性棕櫚生物炭后, 40%N活性稻殼生物炭控制農田溫室氣體的效果相比于40%N活性棕櫚生物炭的效果更佳[38]。

此外, 制備生物炭時溫度的高低是否影響溫室氣體的排放也是探究熱點之一, 炭化溫度的升高會使得生物炭的比表面積增大[39], 吸附能力更強。因此, 在一定范圍內, 生物炭炭化溫度越高, 減排效果越佳[40-[41], 統計發現, 高溫熱解(500—900 ℃)的生物炭對CH4和N2O的減排作用最顯著[42]。生物炭施用量的多少亦會影響溫室氣體的排放, meta分析顯示[43], 施用量較低時對CO2的排放影響較大, 施用量較高時對N2O的排放影響較大, 30 t·hm-2是最適宜的生物炭用量, 此時作物產量不變, 溫室氣體排放量顯著減少。

當前關于改性生物炭對控制溫室氣體排放效果與普通生物炭效果的區別研究較少。生物炭可以經過物理、化學或生物方法改性, 改性后生物炭能顯著減少溫室氣體的排放, 效果比普通生物炭顯著[44-[45]。在今后的研究當中, 應該更關注改性生物炭對溫室氣體排放的影響, 充分發揮生物炭固碳減排的潛力。

2.2 土壤理化性質的影響及作用機理

不同類型的土壤通透性和水分含量不同, 因此土壤發生的硝化作用、反硝化作用以及溫室氣體的產生及擴散均有差異。施加生物炭會改變土壤的容重和孔隙率、田間持水量、pH以及團聚體結構等性質[46]。一般容重低、孔隙率高的土壤透氣性較好, 更有利于土壤與大氣間氣體交換, 提高好氧微生物活性[47], 而生物炭自身疏松多孔的結構在與土壤混合后, 將會極大地降低土壤容重, 提高土壤孔隙率, 進而調節控制土壤中溫室氣體排放量。

圖1 生物炭影響農田生態系統溫室氣體排放的因素及其作用機理

Figure 1 Factors and mechanism of biochar affecting greenhouse gas emission in farmland ecosystem

土壤的酸堿性會影響施加生物炭的效果, 生物炭一般呈堿性, 能改變土壤的酸堿性, 提升其緩沖能力, 有效改良酸性土壤[48]。Liu等[49]研究表明生物炭在中性(pH, 6.6—7.5)土壤中會抑制CO2的排放, 在中度酸性(pH, 5.0—6.5)土壤中會促進CO2的排放, 而對酸性(pH<5.0)和堿性(pH>7.5)土壤的CO2的排放無明顯影響。即在偏酸性的土壤中施加生物炭, 抑制溫室氣體排放的效果會優于在偏堿性的土壤中施加生物炭。

土壤有機碳的礦化是土壤中重要的生物化學過程, 其變化對大氣中CO2濃度有重大影響[50-[51]生物炭可以促進土壤團聚體的形成, 尤其是大團聚體, 大團聚體中儲存的碳可以增強土壤對有機質的物理保護, 從而抑制有機碳的礦化, 降低CO2的排放, 在一定程度上固存了土壤中的碳[51]。由于不同的土壤類型自身有機碳含量差異, 加入生物炭后對礦化作用的影響也不同。李怡安等[52]認為, 在活性有機碳含量較高的土壤中施加生物炭, 會增加可礦化有機碳含量, 促進有機碳的礦化, 而有機質較高的土壤土壤本身已有較充足的可礦化有機碳, 因此施加生物炭會抑制有機碳的礦化。另外, 不同土壤含水量也會影響溫室氣體排放, 土壤含水量的多少與和N2O的排放通量呈正相關[53]。

2.3 土壤微生物的影響及作用機理

研究發現, 生物炭會促進土壤微生物的生長, 土壤微生物量會隨著生物炭的施用量增加而增加, 這是由于生物炭為土壤微生物提供了足夠的碳源[54]。又因為生物炭的施加改善了土壤的理化性質, 土壤空隙變大, 更適合土壤微生物的生長, 導致微生物豐度增加, 呼吸作用增強, CO2排放量提升。此外, 施加生物炭后土壤pH值升高, 也會改變微生物生理活動和活性, 例如促進微生物的反硝化過程, 使N2O還原為N2, 進而減少了N2O的排放[49][55]; 在偏酸性土壤中加入生物炭可以提高甲烷氧化菌的活性, 土壤偏中性更適合甲烷氧化菌生長, 減少CH4排放[56]。但過多的生物炭會使土壤pH值過高, 抑制微生物的活性, 不利于微生物的生長活動[57]。

土壤微生物是影響土壤氮循環的重要因素之一, 也是農田生態系統溫室氣體排放源之一。微生物自身具有良好的固氮能力, 一般來說, 添加生物炭量越高, 土壤微生物固氮量越高[58], 排放的N2O越少。此外, Subedi[59]等發現生物炭能提高微生物活性及豐度, 提高酶活性, 促進有機質的礦化, 進而影響溫室氣體的排放。生物炭還會影響微生物體內的酶活性, 如過氧化氫酶、脲酶和堿性磷酸酶[60], 導致土壤CO2和N2O的排放量提高。也有研究表明單獨施加生物炭對土壤酶活性無明顯影響[61], 需要與土壤強還原聯合修復能顯著提高土壤酶活性, 并減少溫室氣體的排放。我們認為施加生物炭會影響土壤氮循環, 提高土壤微生物豐度與活性, 改變微生物酶活性, 最終對溫室效應的影響受生物炭和土壤類型等因素控制。

綜上所述, 生物炭影響農田生態系統溫室氣體排放的因素和作用機理主要是: (1)生物炭自身種類的差異, 即制備生物炭時使用的原材料, 炭化時的溫度等條件不同導致最終制成種類、性質不同的生物炭; (2)土壤理化性質的差異, 即土壤通透性、酸堿度、礦化程度等理化性質的差異, 除了土壤本身存在差別外, 施加生物炭會進一步改變土壤性質, 從而影響土壤溫室氣體的排放; (3)生物炭會改善土壤微生物生存條件, 改變土壤微生物活性和豐度, 促進能吸收轉化溫室氣體的有益微生物生長, 如甲烷氧化菌, 還能改變微生物酶活性。

3 總結與展望

隨著全球變暖加劇, 生物炭對農田生態系統溫室氣體排放影響研究備受關注, 本文對近年生物炭對農田生態系統溫室氣體排放影響及作用機理研究進行了歸納總結。在實際生產中, 我們需要結合生物炭作用機理與現實情況, 選擇合適的原材料制備生物炭, 合理控制施炭量, 才能最大程度地發揮生物炭的減排效果。今后, 有關生物炭對農田生態系統溫室氣體排放影響的研究可以從以下幾個角度探究:

(1) 探究不同區域、不同類型的土壤使用何種生物炭, 如何準確施用生物炭使減排效果最佳。目前有關生物炭對溫室氣體排放影響的研究較分散, 尚未有一個完整的體系, 能清晰地表明不同類型農田對應的最佳生物炭施用方法。

(2) 由于生物炭屬于較新的材料, 且具有穩定性, 長期施用對土壤的影響尚不明確, 需要做長期定位實驗深入探究其施入農田后對土壤的長期效應, 了解老化后的生物炭對土壤碳氮循環的長期影響。

(3) 探究生物炭與其他改良土壤措施復合使用的效果, 如生物炭可以減少氮肥的施用[62], 那么混合施用和單獨施用效果有何差異, 能否產生協同效應, 二者該如何結合施用才能使農田產量提升的同時減排效果達到最佳。

(3) 考慮生物炭的負碳排潛力及其與其他減排措施相比的潛在優勢, 應該把這些減排手段納入科學國際研討會(IAMS)[63], 以便更進一步探索其在控制溫室氣體排放, 減緩溫室效應方面的潛力。

(5) 農田生態系統既是溫室氣體的排放源, 同時具有巨大的碳匯潛力, 是全球的重要碳庫。為響應2021年兩會國家提出的在2030年實現碳達峰, 2060年實現碳中和的戰略目標, 在農業生產中應充分發揮生物炭固碳減排的作用, 合理施用生物炭, 通過計算預測長期施用生物炭對實現碳中和的貢獻, 在實際的農業生產起指引性作用。

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Research progress on the effects of biochar on greenhouse gas emissions in farmland

WU Leshi1,2, LI Dongqin3, LI Huashou1,2, CHEN Guikui1,2,*

1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Eco-Circular Agriculture, Guangzhou 510642, China 2. College of Resources and Environmental Sciences, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China 3. Institute of Quality Standard and Monitoring Technology for Agro-Products, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640, China

In order to explore the impact of biochar on greenhouse gas(GHG) emissions in agricultural production, this review summarizes the effects of biochar on CO2, CH4and N2O in farmland ecosystem in recently years. It is found that biochar can reduce GHG emissions effectively, but the result is affected by various factors such as biochar type, physical and chemical properties of soil and microbial activity and abundance. Therefore, this review reveals the mechanism of biochar affecting GHG emissions in farmland system. Three possible mechanisms are proposed: (1) Biochar is loose, porous and absorbable. It can absorb the greenhouse gas in soil by its own adsorption. (2) Biochar can change soil physical and chemical properties, make the soil loose, increase the content of aggregates and solids, inhibit soil mineralization, improve the ability of carbon sequestration and enhance the adsorption. (3) Biochar can improve the environment for soil microbes, improve the abundance and activity of soil microorganisms. Enhanced microbial activity can fix more nitrogen in the soil and affect GHG emissions. The findings summarized in this review can help reduce agricultural carbon emissions.

biochar; greenhouse gas; carbon reduction; farmland ecosystem; mechanism of action

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.030

X16

A

1008-8873(2024)01-257-08

2021-12-26;

2022-03-21

國家自然科學基金項目(41877334); 廣州市科技計劃項目(201903010012)

吳樂詩(1998—), 女, 廣東中山人, 碩士研究生, 主要從事污染生態學研究, E-mail: 15521286897@163.com

通信作者:陳桂葵, 女, 博士, 教授, 主要從事污染生態學研究, E-mail:guikuichen @scau.edu.cn

吳樂詩, 李冬琴, 黎華壽, 等. 生物炭影響農田溫室氣體排放的研究進展[J]. 生態科學, 2024, 43(1): 257–264.

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