生物質炭對土壤溫室氣體排放影響機制探討

邱虎森，王翠紅，盛 浩

（湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128）

2009年哥本哈根會議中全球變暖這一議題受到廣泛的關注，溫室氣體（CO2、CH4和N2O 等）排放導致溫室效應加劇，全球氣溫升高，嚴重威脅了生態系統的平衡和人類的生存發展[1]。全球森林過度采伐和其他土地利用變化導致土壤CO2釋放量增加，占過去兩個世紀人類活動CO2釋放總量的一半[2]。農田也是溫室氣體的一個排放源，如何通過減少土壤溫室氣體排放來減輕全球氣候變暖日益成為國內外科學工作者們共同關注的問題。在諸多方法或措施中，近年來一種叫生物質炭（biochar）的材料物質備受國內外研究學者的關注。生物質炭是指生物質在完全或部分缺氧的情況下經熱解炭化產生的一類高度芳香化難溶性固態物質。研究資料表明，早期人們對生物質炭的研究證明生物質炭的施用具有農業生產增產增匯的作用，并且最近對其環境影響效應的研究表明，與制備生物質炭的原料相比，生物質炭施入土壤后，可以減少土壤溫室氣體的排放[3-4]，但其尚處于初期探索階段，需要更多的試驗證據來支撐。本文從生物質炭影響溫室氣體排放的可能機制方面進行綜述，旨在為生物質炭在農業溫室氣體減排方面的研究提供參考。

已有研究表明，生物質炭對溫室氣體排放的影響受生物質種類、熱解溫度、施入量等因素制約。Spokas[4]在實驗室條件下研究了熱解溫度在400～850℃條件下制成的16 種生物質炭對農田土壤、森林土壤、垃圾填埋場填埋區覆蓋土壤溫室氣體排放的影響，結果表明：僅有815℃和505℃下制成的玉米秸稈生物質炭降低了農田和垃圾填埋場土壤CO2的排放；50%的生物質炭降低了森林土壤CO2的排放，僅有木屑顆粒炭、465℃熱解成的生物燃料炭促進了垃圾填埋場CO2的排放。Liu[5]對水稻土CH4排放的影響培養試驗表明，木炭和秸稈炭在1.5%、2.5%（w/w）的施用水平下均降低了CH4排放；在2.5%的施用量下，CH4的排放分別減少51.1%和91.2%，顯然秸稈炭的效果優于木炭。

縱觀已有資料表明，生物質炭對溫室氣體的影響機制可以概括為以下幾個方面：（1）生物質炭具有較強的吸附性，通過吸附土壤中的氣體分子或養分[6]，影響溫室氣體的排放；（2）生物質炭施入土壤后，通過影響土壤的理化性狀如孔隙性、含水量等[7]影響溫室氣體的排放；（3）通過影響土壤中參與溫室氣體產生和吸收過程的微生物的種群結構多樣性或活性[5,8]影響溫室氣體的排放。

1 生物質炭的吸附作用

生物質炭含有豐富的多級孔隙結構，較大的比表面積，并帶有大量的負電荷[9]，如劉玉學[8]測定了水稻秸稈炭和竹炭的小孔孔容分別為0.14 cm3/g（小孔率82.1%）和0.037 cm3/g（小孔率71.6%），CEC 分別為44.7 cmol/kg、15.3 cmol/kg，比表面積分別為31.68 m2/g 和182.6 m2/g。生物質炭的這些特性，使其能吸附土壤中的各種離子、分子，甚至是水和一些固體物質，具有較強的吸附性。

1.1 對N2O 等氣體分子的吸附作用

Singh 等[10]的研究認為生物質炭對N2O 的減排作用與其直接吸附性有關，但這種吸附作用并不是長期的，隨著土壤的擾動，被吸附在生物質炭表面的N2O 可能會重新釋放進入土壤，隨后向大氣排放。

1.2 對NH4+離子的吸附作用

生物質炭顆粒表面可吸附NH4+離子[11-12]。據Singh[10]進行的3 種干濕交替過程條件下生物質炭對N2O 的排放研究結果表明，與對照相比，4 種不同生物質炭（400℃和550℃條件下木屑、家禽糞便與水稻殼混合物的生物質炭），在前2 次干濕交替過程中，均沒有降低N2O 的排放，而在第3 次交替過程中，N2O 的排放降低了14%～73%，NH4+的淋洗也降低了55%～94%。Kim[13]的研究發現，森林中大火燒過之后，土壤中NH4+-N 濃度升高，NO3--N 沒有差異，CO2、N2O 排放降低，CH4無變化。對照和大火燒過之后除去生物質炭的地區在8～9月份之間出現了一次N2O 排放的峰值，而大火燒過的地區，并沒有出現此峰值，他認為森林大火產生的生物質炭可能促進了土壤中NH4+-N 和NO3--N 的固定，或是干擾了土壤硝化作用的進行，從而減低了N2O 排放。

1.3 對土壤中酶和有機物的吸附

研究發現，生物質炭可吸附土壤中的酶和有機物，從而抑制土壤有機碳的礦化，減少CO2的排放[6]。據Liang[6]的研究，在生物質炭豐富的土壤中添加外源有機質，土壤中總的碳礦化比生物質炭貧乏的土壤中降低了25.5%，這可能是由于生物質炭具有較大的比表面積，可吸附土壤中的酶和有機物，有機物進入生物質炭表面的孔隙中，被這些孔隙結構保護起來，不易于外界微生物的分解，進而使土壤有機碳的礦化受到抑制。

2 生物質炭對土壤理化性狀的改善

生物質炭大量的孔洞以及巨大的表面積結構不僅對土壤中的分子，離子等具有吸附作用，同時由于其弱堿性以及能夠保持水分和空氣的特點，可通過改善土壤的孔隙性、提高土壤田間持水量等影響土壤溫室氣體的排放。

2.1 對土壤孔隙度的影響

已有研究表明，生物質炭擁有大量的多孔結構，施入土壤后能使表層土壤容重減小。如Zhang[14]的研究表明在玉米地僅施入40 t/ha 小麥秸稈炭的處理中，土壤容重降低了0.28 g/cm3，這也是土壤孔隙度增加的結果，土壤孔隙度的增加有利于土壤通氣性的增強，從而通過影響微生物的活性影響土壤溫室氣體的排放。

2.2 對土壤水分的影響

生物質炭中含有豐富的有機大分子和孔隙結構，施入土壤后可改善土壤物理性狀，提高土壤的保水性。Glaser 等[15]的研究結果表明，含生物質炭豐富的土壤，其表面積是周圍無炭土壤的3 倍，田間持水量增加了18%。Karhu 等[16]的研究結果表明，旱地施加生物質炭（9 t/hm2）后，田間持水量增加了11%，同時土壤對CH4的吸收增加了96%，他認為施用生物質炭通過對土壤水分含量的影響穩定了CH4的排放量。

3 生物質炭對土壤微生物的調控

生物質炭施入土壤中后，其對土壤理化性狀的改善和較大的孔隙結構可為微生物的生存提供良好的環境，有利于微生物的繁衍增殖，從而影響土壤溫室氣體的排放。

3.1 對參與CH4 產生和氧化過程的功能微生物的影響

生物質炭施用可降低土壤中CH4的排放，可能是通過影響參與CH4的產生和吸收過程的微生物而起作用的。Feng[17]選用玉米秸稈在不同熱解溫度（300℃、400℃、500℃）制成的生物質炭施入水稻土進行培養，發現各處理CH4排放均減少，甲烷菌沒有明顯變化，甲烷氧化菌豐度增加，經116 d 的培養，土壤中的甲烷氧化菌數量分別為7.24×108個/g、8.81×108個/g、4.13×108個/g，而對照為1.89×108個/g，說明生物質炭是通過增加甲烷氧化菌種群結構的多樣性，來增加土壤中CH4的氧化，進而減少CH4的排放。

浙江大學劉玉學[10]的培養試驗發現，施用木炭和水稻秸稈炭（1.5%、2.5%，w/w）均可降低淹水稻田土壤CH4排放，土壤中的甲烷菌和甲烷氧化菌種群結構的多樣性和甲烷氧化的活性均無明顯變化，而產甲烷的活性受到抑制，他認為生物質炭減少淹水稻田土壤CH4排放機理主要是通過抑制產甲烷菌的產甲烷活性，而不是改變土壤產甲烷菌種群結構的多樣性。

3.2 對參與CO2 產生過程的功能微生物的影響

有研究表明[4]，生物質炭降低土壤CO2的排放可能是由于土壤微生物受到生物質炭的毒害作用，活性降低，土壤呼吸受到抑制。但Zhang[14]大田試驗證明，施用10 t/hm2小麥秸稈制成的生物質炭對CO2排放沒有明顯影響，當施用量在40 t/hm2時，CO2排放增加了17.2%。生物質炭中含有一些水溶性的組分，當施入土壤中，會很快被微生物分解，釋放出CO2，促進CO2排放。他認為，生物質炭中的水溶性有機物為土壤微生物提供了碳源，可提高微生物的活性，從而促進了土壤CO2排放。

3.3 對參與N2O 產生過程的功能微生物的影響

關于生物質炭對N2O 的減排作用，也有從微生物分子方面的闡述，但尚缺乏系統的數據支撐。有研究推測，生物質炭表面的金屬及其氧化物可催化N2O 向N2的轉化的微生物過程，減少N2O 的排放。也有研究提出生物質炭中含有某些組分能抑制參與NO3-N 向N2O 轉化的反硝化作用的酶（硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、一氧化氮還原酶）的活性，或能促進參與N2O 向N2轉化的氧化亞氮還原酶的活性[18]。

4 展 望

目前，關于生物質炭對溫室氣體的減排作用研究較多的是集中在農田，而對于森林土壤溫室氣體的減排機制，幾乎還是空白，且研究多在室內條件下進行，在自然狀態下的研究較少。若想將生物質炭推廣使用，必須要進行大量的野外長期定位試驗的驗證。

有關生物質炭對溫室氣體減排機制，眾說紛紜，還處于初級探索階段，尤其是生物質炭對N2O減排機制，目前尚無一致的觀點，因此，需要更多相應過程的功能微生物分子生態學試驗證據。

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