生物炭對濕地土壤溫室氣體排放影響的研究進展

摘要：大氣溫室氣體增加是全球變暖的主要原因，現已成為人類社會面臨的嚴峻挑戰。生物炭是在無氧或限氧條件下經過高溫熱解后產生的多孔富碳物質，因其具有特殊的物理化學性質，對改良土壤肥力、增加土壤固碳潛力以及減少溫室氣體排放等具有重要作用。本文綜述了濕地添加生物炭對土壤固碳效應和溫室氣體[主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）]排放的影響，以及作為特殊人工濕地——稻田，添加生物炭對CO2、CH4和N2O排放的影響。主要結論如下：（1）濕地土壤的固碳減排能力受濕地類型、土壤類型、生物炭制備溫度及添加量等多種因素的影響。（2）濕地施人生物炭會顯著增加土壤pH值、降低土壤容重、提高土壤有機碳含量及土壤固碳能力。（3）濕地添加不同類型的生物炭會降低土壤CO2排放，對CH4的排放有促進或抑制作用，對N2O的排放產生抑制作用。（4）稻田添加生物炭對CH4和N2O排放的促進或抑制作用受生物炭原料、添加量等因素的影響。關于濕地生態系統添加生物炭對溫室氣體排放影響的研究較少，因此還需進一步豐富不同濕地類型、生物炭原料及特性、施入量等對土壤固碳減排影響相關方面的研究。

關鍵詞：濕地；生物炭；土壤性質；溫室氣體排放；稻田

中圖分類號：S156 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）12-0154-09

濕地生態系統作為全球三大生態系統之一，位于陸地與水體之間的過渡帶，在植物生長、促淤造陸過程中會積累大量無機碳與有機碳，具有很強的固碳功能。我國濕地面積為2 333.3萬公頃，約為草地、林地面積的十分之一。由于濕地生態系統具有淹水、缺氧的環境條件，使得凋落物的分解速率降低，因此被光合作用固定的碳能夠長期保存在濕地中。濕地廣泛分布于不同的氣候帶和海拔區域，主要類型有紅樹林、灘涂、沼澤、鹽沼和泥炭地等。作為大氣甲烷（CH4）的主要來源，天然濕地每年向大氣中排放的CH4占全球總排放量的15％-30％。王德宣等在中國三江平原和若爾蓋高原天然濕地進行了CH4排放通量的對比觀測，發現三江平原常年積水沼澤CH4排放通量平均值為17.29 mg/（m2·h），是若爾蓋高原常年積水沼澤的約4.7倍，驗證了溫度是影響CH4排放的重要因素。

生物炭是以植物生物質（如農作物廢棄物、木材等）和動物排泄物為原料，在缺氧或部分缺氧和高溫條件下熱解而形成的一類高度芳香化難溶性固態物質，因其具有高度的化學和微生物惰性，施入土壤后不僅在提高土壤肥力、提升作物產量方面具有重要意義，而且能夠減少溫室氣體排放。生物質變成生物燃料或其他生物產物要經過三個階段：裂解、碳化和氣化過程，不同原料和裂解溫度形成的生物炭產量和特性存在一定差異。土壤中添加生物炭可以改變其理化性質，包括pH值、導電性、陽離子交換量、孔隙度、養分循環和微生物群落結構等，周轉周期長達數百年，并且生物炭是一種富碳、相對無污染的固體生物燃料。在全球變暖的趨勢下，生物炭的應用在減少溫室氣體排放和固碳等方面具有巨大潛力。不同原料及溫度制成的生物炭對土壤固碳減排能力的影響不同，Bushra等將小麥秸稈用三種不同的熱解溫度（300、400、500℃）制備成生物炭，結果表明固定碳含量隨溫度的升高而不斷增加，提高稻殼生物炭的吸附能力要選擇合適的熱解溫度和方法。利用木材采伐剩余物生產生物炭，并將其添加在砂質土壤中，不僅提高了潛在短期效益，還可利用當地資源來推動森林恢復和可持續農業實踐。由于生物炭對重金屬、磷、氮的高吸附能力，其經常被應用于農業、土壤修復、廢水處理和改善水質方面。本文綜述了濕地添加生物炭對土壤固碳減排的相關研究，并對今后濕地生態系統添加生物炭的進一步研究提出展望。

1濕地添加生物炭對土壤固碳能力的影響

1.1濕地添加生物炭對土壤理化性質的影響

土壤物理性質主要包括土壤容重、含水量、孔隙度等，減少土壤堆積密度能夠在一定程度上改善土壤結構、減少肥力固化和增加土壤孔隙度。土壤化學性質主要包括pH值、養分元素含量和有效性等，其中pH值是一項重要的化學指標，能夠影響植物的生長發育狀況，并且是準確有效衡量土壤質量的重要指標。生物炭的應用能夠對土壤理化性質產生顯著影響，降低土壤體積密度、增加土壤陽離子交換能力、中和土壤酸度和改善土壤養分有效性、增加總體土壤凈表面積和提高土壤保水能力等。近年來，國內外關于濕地添加生物炭對土壤性質影響的相關研究正在逐年增加，通過閱讀相關文獻可以發現，在不同類型的濕地土壤中添加生物炭，能夠顯著提高土壤pH值，但提升幅度具有差異性（表1）。李程研究發現，當施人的生物炭濃度小于10g／kg時，土壤pH值的增幅急劇上升，當濃度超過10 g/kg時，pH值增幅減緩。Zhang等研究濱海灘涂土施入生物炭對土壤性質的影響，結果表明施入生物炭的土壤pH值較對照組顯著升高，添加不同濃度的生物炭對pH值的影響不顯著。原因可能是濱海灘涂土壤具有較高的緩沖能力。

1.2濕地添加生物炭對土壤固碳能力的影響

生物炭因其高碳含量和多孔性，被認為是具有增加土壤固碳和應對氣候變化潛力的土壤改良劑之一。生物炭的固碳總量包括生物炭向土壤中投入的剩余部分、對植物生長的促進作用而引起的生物量增加，以及原本植物體經微生物分解而進入大氣碳循環中的碳。濕地是陸地生物碳庫的最大組成部分，其中濱海濕地在全球碳循環中起著至關重要的作用，濱海濕地土壤有機碳（SOC）約占總碳儲量的75％，為濕地土壤系統提供了基礎功能。在濱海濕地土壤中添加生物炭，通過穩定的碳輸入、改善土壤性能以及對微生物組成的調節，對固碳具有積極作用。此外，生物炭性質、土壤性質和試驗條件等都可能對施炭后SOC的增量產生影響（表1）。李程研究表明，經生物炭處理后，盆栽試驗各組SOC含量均高于對照組，野外試驗分別施入0、0.625 kg／m2和1.25 kg/m2生物炭后，SOC含量分別為0.409 9、0.925 5 mg/g和1.089 1 mg/g，對照組與試驗組有顯著差異。因此生物炭對SOC含量的提高起到了至關重要的作用，并且SOC含量的增加與生物炭施加量呈正相關。Zhang等在濱海灘涂土中施人小麥秸稈生物炭，結果表明添加生物炭處理的SOC含量比對照高60％-250％。Agegnehu等在濱海鐵鋁土中施人柳樹和刺槐生物炭，以及將肥料和生物炭混合施人探究其對土壤性質的影響，相比之下，礦物肥和柳樹生物炭混合施人所產生的SOC含量最高，其次是堆肥和礦物肥共同施入，單獨施入礦物肥的最低。Luo等研究表明，施用生物炭提高了濱海土壤SOC累積礦化量和鹽漬化濕地土壤碳儲量。

生物炭增加濕地土壤SOC庫儲量的主要原因包括：（1）生物炭富含的多碳芳香族結構穩定性強且很難被降解，能夠將碳長期封存在土壤中；（2）生物炭通過多價陽離子橋連作用增強黏土顆粒與有機質（SOM）的結合，有利于SOM在土壤中的累積；（3）生物炭能改善土壤理化性質，促進根際微生物和植物生長；（4生物炭可減弱SOM的礦化作用，減少了SOM的損失。

2濕地添加生物炭對土壤溫室氣體排放的影響

隨著大氣中溫室氣體[如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）]濃度的不斷增加，引發全球變暖一系列環境問題，全球氣候變化也成為生態等領域研究的重大問題之一。濕地因其獨特的水熱效應和溫室氣體代謝過程，是全球氣候變化的影響區和響應區，因此研究濕地生態系統溫室氣體排放特征及其影響因素具有重要意義。生物炭富含碳且低營養，具有高堿性和高孔隙率，為微生物提供了棲息地，并且由于具有特殊的物理和化學性質而能夠影響溫室氣體的排放。盡管生物炭在農業和廢水處理方面取得了進展，但濕地添加生物炭對溫室氣體排放的影響相關研究較少。

2.1濕地添加生物炭對CO2排放的影響

相關研究普遍認為濕地添加生物炭能夠有效抑制CO2的排放，主要原因可能是由于生物炭對溫室氣體具有一定的吸附能力和化學作用，物理吸附能力主要由生物炭的比表面積和孔隙度決定，化學作用是來自于生物炭中的Ca、Fe、K等礦質元素與CO2結合成碳酸鹽。Guo等研究發現，添加和未添加生物炭的濕地平均CO2通量均為負值，原因可能是植物光合作用固定的CO2，高于植物和微生物呼吸產生的CO2，導致濕地與大氣之間的CO2凈交換為負值（表2）。但部分學者的研究結果與上述結論相悖，即生物炭添加后CO2的釋放速率在前期較快，隨著培養時間的延長，釋放速率顯著下降，在培養150天后，釋放速率幾乎為零，可能由于低溫制備的花生殼生物炭具有易降解的脂肪族碳組分和難降解的芳香族碳組分。多數研究表明濕地添加生物炭會降低土壤CO2排放量，但具體結果會因生物炭原料、制備溫度等因素發生變化，因此在后續研究中應擴大生物炭原料及制備溫度等條件，全面考慮生物炭特性對濕地CO2排放的影響。

2.2濕地添加生物炭對CH4排放的影響

CH4被認為是一種強溫室氣體，其增溫潛勢是CO2的84倍，熱帶濕地占全球CH4排放的20％。由表2可知，濕地添加不同生物炭對CH4排放的影響不同，Rubin等、Ji等研究認為濕地土壤中添加生物炭可以降低CH4排放量，添加10％生物炭能夠降低92％的CH4排放，因此生物炭對降低CH4排放具有重要意義。但與此研究結果不同的是Guo等、Liang等、Chen等的研究結論，他們認為濕地添加生物炭會促進CH4排放，這些結果的差異可能是由生物炭的性質、添加量、操作條件（如土壤特征、水質特征、植物種類等）以及不同相關微生物特性的變化引起的。有研究表明生物炭發生了石墨化，表現出相對較好的導電性，可能增強產甲烷菌與地桿菌科之間的直接種間電子傳遞，促進CH4產生。

2.3濕地添加生物炭對N2O排放的影響

硝化過程和反硝化過程是N2O的主要來源，濕地中影響N2O排放的因素復雜多樣，主要包括溶解氧（DO）、濕地類型、進水組成、植物種類和其他環境條件等，且有研究表明人工濕地系統N2O的釋放量為天然濕地的2-10倍。如表2中，眾多研究者發現濕地中添加生物炭能夠顯著降低N2O的排放量，并且生物炭添加量與N2O排放量呈反比，即生物炭添加比例越大，N2O的排放量越少。濕地土壤中添加生物炭可以減少N2O排放，其主要原理為：（1）生物炭具有多孔結構，有利于氣體流通，改善土壤通氣狀況從而抑制微生物的反硝化作用；（2）生物炭通過吸附N03與有機質，減少反硝化細菌的活性從而抑制N20排放；（3）生物炭的施入可以使固氮微生物的豐度增加，導致氮的反硝化作用減弱。因此，施人生物炭是降低濕地N2O排放的重要手段。

3特殊人工濕地——稻田添加生物炭對土壤溫室氣體排放的影響

稻田作為人為管理的季節性濕地生態系統，約覆蓋了世界灌溉耕地總面積的20％。21世紀初，在全球范圍內稻田占據土地超過1.5億公頃，每年生產600萬噸糧食，這對緩解N2O排放提出了巨大挑戰。生物炭的應用具有抑制稻田溫室氣體排放的潛力。

3.1稻田添加生物炭對CO2排放的影響

稻田CO2的排放貫穿于整個水稻生育期，其排放形式與CH4不同，呈現單峰態勢，但CO2的排放與大氣、土壤溫度的變化基本吻合，相關分析表明二者存在顯著正相關關系。通過總結相關文獻（表3）可以看出，稻田添加生物炭對CO2排放影響的研究較少。Knoblauch等研究發現，稻田添加生物炭顯著降低CO2排放量，但張斌等則認為不同處理（分別施入0、20、40 t/hm2生物炭）之間土壤CO2排放均無顯著差異，還需要繼續加強關于稻田添加生物炭對CO2排放影響的研究。

3.2稻田添加生物炭對CH4排放的影響

關于稻田施入生物炭對CH4排放影響的研究中，多數研究者認為施入不同濃度的生物炭會降低CH4的排放量（表3）。其中Knoblauch等研究表明，稻田添加生物炭可減少80％的CH4排放，其減排機制主要是：（1）生物炭的自身特性對CH4有吸附作用；（2）生物炭提高了稻田土壤的透氣性，添加生物炭可以增加供氧從而刺激甲烷氧化菌（pmoA）的生長，使得土壤所產生的CH4能夠重新被氧化；（3）添加生物炭增加了產甲烷菌（MCRA）和pmoA，但對MCRA的增幅顯著高于對pmoA的增幅，降低了MCRA/pmoA的比率，從而減少了CH4排放。因此生物炭對稻田CH4排放的影響一方面取決于相關功能微生物的響應，另一方面則是生物炭對土壤的影響過程。

也有研究認為，稻田添加生物炭會促進CH4排放，Cai等用不同溫度制備生物炭，結果發現添加300℃和500℃制備的生物炭會增加CH4排放量，而施入700℃制備的生物炭則會抑制CH4排放。Wu等研究表明，稻田中施入新鮮生物炭增加了4％的CH4排放量，而施入老化生物炭有減少10％CH4排放的趨勢。生物炭促進稻田CH4排放的原因可能包括：（1）生物炭具有一些易裂解的成分，加速土壤有機質分解，為MCRA提供了底物；（2）生物炭改變了稻田微生物群落組成，提高了MCRA和pmoA中相關基因的豐度。

3.3稻田添加生物炭對N2O排放的影響

生物炭因自身的性質與結構特點（具有較強吸附能力和較大的比表面積等），能夠直接或間接地對N2O排放產生影響。除自身性質外，制備原料、施用量以及施用方式等對N2O排放也有一定影響（表3）。Yang等在稻田分別施入20、40 t/hm2的稻草生物炭，結果顯示減少了58.0％、43.1％的N2O排放量；與此結果相似的是張斌等的研究結論，即施入20、40 t/hm2的小麥秸稈生物炭，減少了73.7％、77.0％的N2O排放量：但與此不同的是，Sun等研究認為施入上述等量的小麥秸稈生物炭，增加了23.4％、30.5％的N2O排放量。Yagi等采用基于試驗數據可靠性的篩選標準，選擇31個案例進行分析，結果表明生物炭的應用使N2O的排放量降低了20％，而水稻產量顯著提高了28％。生物炭能夠減少N2O排放的主要原因是：（1）施用生物炭能夠吸附土壤硝化作用的底物，減弱反硝化細菌的活性，提高稻田土壤中陽離子交換量，增加土壤對NH4的吸附能力，從而降低N2O排放；（2）生物炭能夠提高土壤的通透性，促進土壤水分的下滲，影響反硝化作用，減少N2O排放；（3）生物炭提高了稻田土壤有機碳含量，刺激了土壤中有關硝化作用微生物的生長，導致N2O排放降低。

4總結與展望

生物炭作為一種土壤改良劑被廣泛運用到濕地、農田、稻田等生態系統，是改善土壤質量、調控溫室氣體排放的重要舉措，但通過檢索和閱讀文獻發現關于濕地生態系統添加生物炭對土壤固碳減排影響的研究較少。濕地施入生物炭可以調節土壤的pH值、體積密度、持水能力和有機質含量進而改變土壤性質和肥力，提高農業生產力；不同施人比例會影響pH值增加幅度，在低濃度范圍內，土壤pH值增幅較大，并且土壤中陽離子交換量隨生物炭施用量的增加而增加。土壤有機碳作為重要組分之一，其增量受到生物炭性質、土壤性質、試驗條件等的影響，總體而言濕地添加生物炭會增加土壤有機碳含量，提高土壤固碳能力，并且土壤有機碳含量的增加與施用比例呈正相關，兩種生物炭混合施入比單獨施入一種生物炭的效果更好。溫室氣體（CO2、CH4、N2O）排放也受多種因素的影響，多數試驗證明濕地添加生物炭會減少CO2和N2O的排放，在一定程度上能夠降低92％的CH4排放，并且生物炭制備的溫度越高，對抑制CH4排放的效果越好，與此同時，對于濕地施人生物炭也會促進CH4排放的研究并不少見，并有研究表明生物炭施用量越多，CH4的排放越多，主要由于生物炭在濕地土壤中發生了石墨化，表現出較好的導電性，增強了產甲烷菌與地桿菌科之間的直接種間電子傳遞，從而促進了CH4產生。在以上研究基礎上，提出未來的主要研究方向：

（1）關于濕地生態系統應用不同原料制成及不同施用量的生物炭對溫室氣體排放影響的報道較少，比較不同原料生物炭和生產技術對排放通量的影響，研究制定最佳方法和關于天然濕地選擇和生產生物炭配方的準則，以緩解濕地溫室氣體的排放。

（2）對生物炭的熱解過程、穩定性和生物炭應用的緩解效果進行綜合分析，并與沼氣發酵、燃燒、生物炭炭直接施用于土壤等其他過程進行比較。

（3）生物炭可以通過原料選擇、生產前后的處理來改變工藝條件，提高營養水平和可用性、碳持久性和吸附性能來影響土壤性質，從而為特定應用定制。