添加生物炭對東臺濱海區楊樹人工林3種溫室氣體排放的長期影響

王國兵，徐瑾，王瑞，鄧芳芳，沈彩琴，阮宏華*

1. 南京林業大學南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037；2. 江蘇省東臺市林場，江蘇 東臺 224200

生物炭是指生物質（如木頭、樹枝、秸稈、動物糞便等）在氧氣不充分條件下的高溫（＜700 ℃）熱裂解產物。添加生物炭不僅可以降低土壤容重，增加土壤陽離子交換量，減少土壤養分淋失，還能提高土壤孔隙度和通氣性，促進土壤團聚體形成，進而起到改良土壤的作用（Liang et al.，2006；Lehmann，2007；Steiner et al.，2007；李江遐等，2015）。同時由于生物炭具有較強的穩定性和一定的吸附性，其降解速率極為緩慢，施用于土壤還可以起到固碳增匯的作用。利用生物炭技術增加碳截留以應對全球氣候變化，在很大程度上可以抵消化石燃料燃燒所導致的碳排放（Lehmann et al.，2006；Marris，2006）。因此，其作為應對全球變暖的潛在措施之一，逐漸引起了人們的高度重視（Laird，2008；Sohi et al.，2009）。

那么，施用生物炭對土壤CO2、CH4、N2O 3種重要溫室氣體的排放有何影響？其內在調控機制是什么？目前有關的研究結論具有較大的不確定性。一些研究表明，添加生物炭可能增加土壤CO2、CH4、N2O 的排放（Spokas et al.，2009；Singh et al.，2010；Zhang et al.，2010；Hawthorne et al.，2017）；另外一些研究表明，生物炭能夠抑制土壤CO2、CH4、N2O的排放（Yanai et al.，2007；Liang et al.，2010；Case et al.，2012；Tan et al.，2018；Xiao et al.，2018）；還有一些研究表明，添加生物炭對土壤CO2、CH4、N2O的排放沒有影響或具有截然相反的影響（Karhu et al.，2011；Keith et al.，2016；Liu et al.，2016；Zhou et al.，2017；Case et al.，2018）。由此可見，生物炭對土壤CO2、CH4、N2O 3種溫室氣體排放的影響還存在較大的不確定性，而產生這種不確定性的原因尚未明確，生態系統類型及立地條件的不同可能是其中重要原因之一。目前，有關生物炭對土壤溫室氣體排放影響的研究大多是短期觀測（吳震等，2018）。然而，生物炭的難降解特性使其可在土壤中穩定地存在成百上千年，因此對土壤環境的影響可能是長期存在的。那么，生物炭對土壤溫室氣體排放的影響是否隨時間而改變？目前對此研究了解還十分有限。Spokas（2013）研究發現，在農田中經過3年陳化后的生物炭對CH4的氧化能力比新施入的生物炭更高，而其N2O減排能力下降；也有研究表明，在生物炭施用3年后仍對N2O具有顯著的減排效果（Hagemann et al.，2016）。由此可見，生物炭對溫室氣體排放影響的調控機理也比較復雜，尚需要進一步深入研究。此外，關于生物炭影響土壤溫室氣體排放的研究多在農業生態系統中進行，而在人工林生態系統中開展生物炭的相關研究報道還較少。因此，本研究選取江蘇省東臺市國有林場楊樹人工林為對象，分析添加生物炭對楊樹人工林CO2、CH4、N2O 3種土壤溫室氣體排放的長期影響，以期為進一步研究生物炭對人工林土壤生態系統結構與功能的影響提供理論依據和數據支撐。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于江蘇省鹽城市境內的東臺林場，其地理位置為 120°49′E，32°52′N。東臺林場地處黃海之濱，創建于 1965年，屬亞熱帶和暖溫帶的過渡區。東臺林場鄰近黃海，具有明顯的過渡性海洋性和季風性氣候，四季分明，雨量集中；常年平均氣溫為 14.6 ℃，無霜期為 220 d，降雨量為 1051.0 mm，年均日照時數2169.6 h。東臺林場地勢平坦，土壤類型為脫鹽草甸土，土壤質地為沙質壤土，土壤pH值8.0左右。東臺林場為江蘇省沿海重點防護林，林場占地面積為 2000 hm2，森林覆蓋率為85%，木材總蓄積量約為50000 m3，東臺林場分布的主要植被有人工營造的 72楊（Populus euramericanacv. I-72）、35楊(Populus deltoidsCL‘35/66')、水杉（Metaseguoia glyptostroboides）等，林下草本植物種類一年四季多變，常見物種有羅布麻（Apocynum venetum）、一年蓬（Erigeron annuus）、葎草（Humulus scandens）、野薔薇（Rosa multiflora）、蕨類等。

1.2 樣地設置

選擇東臺林場7年生楊樹人工林作為試驗林分（株行距為3 m×5 m），在2013年5月，在林分行間帶內隨機設置16個2 m×2 m樣方（樣方的4個頂點分別與周圍4株楊樹的距離盡可能一致，不同樣方之間距離5 m以上），分別設置低生物炭添加處理（D，40 t·hm-2）、中生物炭添加處理（Z，80 t·hm-2）、高生物炭添加處理（G，120 t·hm-2）及對照處理（CK，0 t·hm-2）。生物炭由南京六合木炭廠提供，材料為原木 600 ℃窯制炭粉，pH值為 9.2，C含量為63.26%，N含量為1.49%，P含量為0.31%，K含量為5.31%。生物炭為一次性添加，在土壤中的混合深度為40 cm，撒施表面后采用農耕機械均勻混合，混合均勻后輕微壓實以復原土位，對照樣地也要求翻耕并輕微壓實復原土位。

1.3 樣品采集與測定

分別在2017年3月12日、6月15日、10月13日和2018年1月14日，于當日9：00-11：00進行溫室氣體采樣。氣體采樣采用靜態箱法（圓筒形，底部直徑320 mm，高600 mm，內置風扇），靜態箱罩密封后分別在0、10、20、30 min抽取氣體樣品，共采64個氣體樣品（4次抽樣×4種處理×4個重復），氣體采樣袋規格100 mL，采用安捷倫7890A型氣相色譜儀測定氣體樣品中CO2、CH4、N2O的濃度。

在野外進行氣體采樣的同時，在樣方內隨機選擇6個取樣點，用直徑2 cm土鉆采集0-10 cm土壤樣品 500 g，裝入塑料自封袋中，放入保溫箱內及時帶回實驗室，過2 mm土篩和去除植物殘根、石塊等雜物后，存儲于 0-4 ℃冰箱內用于土壤各種理化指標的測定。

土壤微生物生物量 C、N、P采用氯仿熏蒸提取法測定（Brookes et al.，1985；Vance et al.，1987；吳金水等，2003）；土壤蛋白酶、脲酶、蔗糖酶活性分別采用茚三酮比色法、苯酚鈉-次氯酸鈉顯色法、3, 5-二硝基水楊酸顯色法測定（楊寧等，2014）；土壤總有機碳、全氮采用元素分析儀（Vario EL Ⅲ，德國）測定；土壤水溶性有機碳采用TOC-VCPH自動分析儀（日本島津）測定；土壤容重采用環刀法測定；土壤pH值采用水浸提-電位法測定；土壤含水率采用烘干稱重法測定（胡堯等，2018）。

1.4 計算公式

土壤表面溫室氣體（N2O、CH4、CO2）通量計算式如下：

式中，F為單位時間單位面積靜態箱內溫室氣體的質量變化（mg·m-2·h-1）；ρ 為標準狀態下被測氣體密度（mg·m-3）；V 為箱內氣體體積（cm3）；A為箱子覆蓋面積（cm2）；P0為標準大氣壓，為1.013×105Pa；P為采樣點大氣壓（Pa）；θ0為標準狀態下的絕對溫度（℃）；θ為采樣時的絕對溫度（℃）；dC/dt為氣體濃度隨時間變化的直線斜率。F為正值表示氣體從土壤排放到大氣，F為負值則相反。

1.5 數據統計

運用SPSS 16.0軟件進行數據統計分析，采用雙因素重復測量方差分析方法（Two-way repeated measures ANOVA）比較不同生物炭添加量處理及季節變化對土壤CO2、CH4、N2O排放速率的影響，采用配對樣本均值檢驗法分析不同處理之間土壤CO2、CH4、N2O排放速率的差異顯著性，采用線性回歸法分析CO2、CH4、N2O排放速率與土壤理化性質指標的相關性。運用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭添加量對 3種溫室氣體排放速率的影響

結果表明，對照樣地土壤CO2排放速率變化范圍為 123.428-412.066 mg·m-2·h-1，中、高生物炭添加處理顯著促進了土壤 CO2的排放（P=0.001、0.000），分別導致CO2年平均排放速率增加了21%和 20%（圖 1A），而低生物炭添加處理樣地土壤CO2排放速率與對照之間沒有顯著性差異（P=0.199）；對照樣地土壤 CH4排放速率變化范圍為 0.578-1.405 mg·m-2·h-1，中、高生物炭添加處理顯著抑制了土壤CH4的排放（P=0.000、0.000），分別導致 CH4年平均排放速率降低了 21%和 33%（圖 1B），而低生物炭添加處理樣地土壤 CH4排放速率與對照之間沒有顯著性差異（P=0.660）；對照樣地土壤 N2O排放速率變化范圍為 0.124-0.297 mg·m-2·h-1，中、高生物炭添加處理顯著抑制了土壤 N2O的排放（P=0.003、0.000），分別導致 N2O年平均排放速率降低14%和37%（圖1C），而低生物炭添加處理樣地土壤 N2O排放速率與對照之間沒有顯著性差異（P=0.702）。

圖1 不同生物炭添加量對3種溫室氣體排放通量的影響Fig. 1 Effects of different amount biochar addition on emission flux of three greenhouse gases

重復測量方差分析結果表明（表1），生物炭添加處理及季節變化均對土壤CO2、CH4及N2O排放速率產生了顯著影響（P＜0.01），但生物炭添加處理與季節之間均不存在顯著交互效應（P＞0.05）。

2.2 不同生物炭添加量對 3種溫室氣體綜合溫室效應的影響

根據IPCC第五次評估報告發布的“人為和自然輻射強迫”（Myhre et al.，2013），甲烷（CH4）全球變暖潛力值為28，一氧化二氮（N2O）全球變暖潛力值為265（100年時間跨度），由此計算得到不同生物炭添加處理下3種溫室氣體排放的綜合溫室效應（Global Warming Potential）（圖2）。結果表明，對照樣地3種溫室氣體的綜合溫室效應為32.66 t·hm-2·a-1，低、中、高3種處理樣地綜合溫室效應分別為 34.09、36.42、34.59 t·hm-2·a-1。由于添加生物炭對CO2排放具有促進作用，但是對CH4和N2O排放具有較強的抑制作用，因此導致了高生物炭添加量處理相比于中生物炭添加處理其綜合溫室效應出現了較大幅度的下降。方差分析結果表明，與對照樣地相比，中生物炭添加處理樣地顯著提高了3種溫室氣體綜合溫室效應（P＜0.05），而低和高生物炭添加處理樣地3種溫室氣體綜合溫室效應與對照樣地之間無顯著性差異（P＞0.05）。

表1 3種溫室氣體排放的重復測量方差分析Table 1 Two-way repeated measures ANOVA of three greenhouse gases emission flux

圖2 不同生物炭添加量對3種溫室氣體綜合溫室效應的影響Fig. 2 Effects of different amount biochar addition on global warming potential of three greenhouse gases

2.3 3種溫室氣體排放與主要土壤理化性質的關系

利用線性回歸模型分析了3種溫室氣體排放與主要土壤理化性質的相關性，結果表明，土壤CO2排放主要與土壤微生物量碳（MBC）、水溶性有機碳（DOC）、全氮（TN）、蔗糖酶活性（IA）呈顯著正相關關系（見表2，下同），與土壤微生物量氮（MBN）、土壤微生物量磷（MBP）呈顯著負相關關系，而與土壤總有機碳（TOC）、土壤容重（ρb）、pH值、土壤含水率（SMC）、蛋白酶活性（PA）、脲酶活性（UA）相關性不顯著；土壤 CH4排放和N2O排放與主要土壤理化性質的相關性具有較好的一致性，主要與MBN、MBP、SMC、PA、UA、IA呈顯著正相關關系，與MBC、DOC、TN呈顯著負相關關系，而與TOC、ρb、pH值相關不顯著。

表2 3種溫室氣體排放與主要土壤理化性質的相關性分析Table 2 Relationships of three greenhouse gas flux with main soil physical and chemical properties

3 討論

3.1 添加生物炭對3種溫室氣體排放的影響

由于具有優異的物理化學特性，生物炭有望為減緩全球氣候變暖提供切實有效的新途徑。如果能最大程度地利用生物炭技術，到 2100年可以減排5.5-9.5 Pg·a-1，很大程度抵消化石燃料所帶來的溫室氣體排放（Marris，2006；Lehmann，2007）。將生物炭施入到土壤中，不僅可以實現生物炭本身對CO2的固持，降低大氣中CO2的濃度，而且可以減少土壤 CO2的排放（Ramlow et al.，2018；Wu et al.，2018；Yeboah et al.，2018），降低土壤 CH4排放或增加土壤對CH4的吸收（Sonoki et al.，2013；周鳳等，2017；Wang et al.，2018），以及降低土壤N2O的排放（Case et al.，2015；Liu et al.，2017；Ramlow et al.，2018；Wu et al.，2018）；但是也有一些研究表明，添加生物炭可能增加土壤CO2排放（Ameloot et al.，2013；Liu et al.，2017；Wang et al.，2018；Zhang et al.，2018），增加土壤 CH4排放（Singla et al.，2014；Wang et al.，2017；Cai et al.，2018），以及促進土壤 N2O 排放（Lin et al.，2017；Duan et al.，2018；Wang et al.，2018）。本研究結果表明，3種不同生物炭添加處理均顯著提高了土壤CO2的排放，但卻抑制了土壤CH4和N2O的排放。由于添加生物炭對CO2排放具有促進作用，但是對CH4和N2O排放具有較強的抑制作用，導致高生物炭添加量處理相比于中生物炭添加處理其綜合溫室效應出現了較大幅度的下降。考慮到添加生物炭對土壤CO2排放的影響可能主要來源于根系的自養呼吸（顏學佳等，2013），因此高生物炭添加量處理可能是潛在的楊樹人工林生態系統最佳生物炭經營模式。

3.2 生物炭影響3種溫室氣體排放的機理分析

一般認為，生物炭抑制土壤CO2排放的機制主要有生物炭吸附了土壤中可溶性有機碳、降低了土壤有機質降解過程中所需要酶類的酶活性，生物炭對土壤微生物的毒害作用抑制了其對土壤有機碳的礦化作用（Spokas et al.，2009；Liang et al.，2010；Pokharel et al.，2018），而生物炭促進土壤CO2排放的機制主要是添加生物炭能夠對土壤原有有機碳的分解產生正激發效應（Yang et al.，2017）。本研究發現，土壤CO2排放主要與MBC、DOC、TN、IA呈顯著正相關關系，表明添加生物炭可能通過改善東臺林場濱海區土壤的理化特性，促進楊樹的生長及根系活動，進而可能增加林木生長季土壤呼吸中自養呼吸的比重，而非完全源于激發效應，因此今后有必要進一步對土壤呼吸的組分進行分離測定分析，以深入闡明添加生物炭對東臺濱海區楊樹人工林土壤CO2排放的影響及調控機理。

一般認為，生物炭對CH4具有減排作用，主要是因為生物炭提高了土壤透氣性，抑制了甲烷產生菌的活性和數量，或刺激嗜甲烷菌的活性與數量，促進了土壤對 CH4的氧化與吸收（Karhu et al.，2011；Sonoki et al.，2013；Xiao et al.，2018）。本研究中，土壤CH4排放主要與MBN、MBP、SMC、PA、UA、IA呈顯著正相關關系，與MBC、DOC、TN呈顯著負相關關系，表明添加生物炭可能降低相關土壤酶活性，進而綜合抑制了本實驗區土壤CH4的排放。生物炭可以抑制土壤N2O的排放，主要是因為生物炭能夠吸附固定土壤中的銨態氮和硝態氮，降低土壤硝化菌和反硝化菌功能團的活性和豐度，抑制硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、一氧化氮還原酶等反硝化作用酶的活性，或促進氧化亞氮還原酶的活性（Case et al.，2015；Wang et al.，2017；Wu et al.，2018）。本研究中，土壤N2O排放主要與MBN、MBP、SMC、PA、UA、IA 呈顯著正相關關系，與MBC、DOC、TN呈顯著負相關關系，表明添加生物炭降低了相關土壤酶活性，并可能促進土壤N、P養分的有效性（王國兵等，2019），進而綜合抑制本研究區土壤N2O的排放。

4 結論

在本研究區域，添加生物炭能夠促進土壤CO2的排放，并抑制土壤CH4和N2O的排放，中、高濃度生物炭添加均可顯著影響土壤3種溫室氣體的排放。添加生物炭導致土壤N、P養分有效性提升，并導致脲酶、蛋白酶等相關土壤酶活性降低，可能是本區域生物炭調控楊樹人工林土壤3種溫室氣體排放的主要機制。