生物质炭对土壤温室气体排放影响机制探讨

邱虎森，王翠红，盛 浩

（湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

2009年哥本哈根会议中全球变暖这一议题受到广泛的关注，温室气体（CO2、CH4和N2O 等）排放导致温室效应加剧，全球气温升高，严重威胁了生态系统的平衡和人类的生存发展[1]。全球森林过度采伐和其他土地利用变化导致土壤CO2释放量增加，占过去两个世纪人类活动CO2释放总量的一半[2]。农田也是温室气体的一个排放源，如何通过减少土壤温室气体排放来减轻全球气候变暖日益成为国内外科学工作者们共同关注的问题。在诸多方法或措施中，近年来一种叫生物质炭（biochar）的材料物质备受国内外研究学者的关注。生物质炭是指生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难溶性固态物质。研究资料表明，早期人们对生物质炭的研究证明生物质炭的施用具有农业生产增产增汇的作用，并且最近对其环境影响效应的研究表明，与制备生物质炭的原料相比，生物质炭施入土壤后，可以减少土壤温室气体的排放[3-4]，但其尚处于初期探索阶段，需要更多的试验证据来支撑。本文从生物质炭影响温室气体排放的可能机制方面进行综述，旨在为生物质炭在农业温室气体减排方面的研究提供参考。

已有研究表明，生物质炭对温室气体排放的影响受生物质种类、热解温度、施入量等因素制约。Spokas[4]在实验室条件下研究了热解温度在400～850℃条件下制成的16 种生物质炭对农田土壤、森林土壤、垃圾填埋场填埋区覆盖土壤温室气体排放的影响，结果表明：仅有815℃和505℃下制成的玉米秸秆生物质炭降低了农田和垃圾填埋场土壤CO2的排放；50%的生物质炭降低了森林土壤CO2的排放，仅有木屑颗粒炭、465℃热解成的生物燃料炭促进了垃圾填埋场CO2的排放。Liu[5]对水稻土CH4排放的影响培养试验表明，木炭和秸秆炭在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的排放分别减少51.1%和91.2%，显然秸秆炭的效果优于木炭。

纵观已有资料表明，生物质炭对温室气体的影响机制可以概括为以下几个方面：（1）生物质炭具有较强的吸附性，通过吸附土壤中的气体分子或养分[6]，影响温室气体的排放；（2）生物质炭施入土壤后，通过影响土壤的理化性状如孔隙性、含水量等[7]影响温室气体的排放；（3）通过影响土壤中参与温室气体产生和吸收过程的微生物的种群结构多样性或活性[5,8]影响温室气体的排放。

1 生物质炭的吸附作用

生物质炭含有丰富的多级孔隙结构，较大的比表面积，并带有大量的负电荷[9]，如刘玉学[8]测定了水稻秸秆炭和竹炭的小孔孔容分别为0.14 cm3/g（小孔率82.1%）和0.037 cm3/g（小孔率71.6%），CEC 分别为44.7 cmol/kg、15.3 cmol/kg，比表面积分别为31.68 m2/g 和182.6 m2/g。生物质炭的这些特性，使其能吸附土壤中的各种离子、分子，甚至是水和一些固体物质，具有较强的吸附性。

1.1 对N2O 等气体分子的吸附作用

Singh 等[10]的研究认为生物质炭对N2O 的减排作用与其直接吸附性有关，但这种吸附作用并不是长期的，随着土壤的扰动，被吸附在生物质炭表面的N2O 可能会重新释放进入土壤，随后向大气排放。

1.2 对NH4+离子的吸附作用

生物质炭颗粒表面可吸附NH4+离子[11-12]。据Singh[10]进行的3 种干湿交替过程条件下生物质炭对N2O 的排放研究结果表明，与对照相比，4 种不同生物质炭（400℃和550℃条件下木屑、家禽粪便与水稻壳混合物的生物质炭），在前2 次干湿交替过程中，均没有降低N2O 的排放，而在第3 次交替过程中，N2O 的排放降低了14%～73%，NH4+的淋洗也降低了55%～94%。Kim[13]的研究发现，森林中大火烧过之后，土壤中NH4+-N 浓度升高，NO3--N 没有差异，CO2、N2O 排放降低，CH4无变化。对照和大火烧过之后除去生物质炭的地区在8～9月份之间出现了一次N2O 排放的峰值，而大火烧过的地区，并没有出现此峰值，他认为森林大火产生的生物质炭可能促进了土壤中NH4+-N 和NO3--N 的固定，或是干扰了土壤硝化作用的进行，从而减低了N2O 排放。

1.3 对土壤中酶和有机物的吸附

研究发现，生物质炭可吸附土壤中的酶和有机物，从而抑制土壤有机碳的矿化，减少CO2的排放[6]。据Liang[6]的研究，在生物质炭丰富的土壤中添加外源有机质，土壤中总的碳矿化比生物质炭贫乏的土壤中降低了25.5%，这可能是由于生物质炭具有较大的比表面积，可吸附土壤中的酶和有机物，有机物进入生物质炭表面的孔隙中，被这些孔隙结构保护起来，不易于外界微生物的分解，进而使土壤有机碳的矿化受到抑制。

2 生物质炭对土壤理化性状的改善

生物质炭大量的孔洞以及巨大的表面积结构不仅对土壤中的分子，离子等具有吸附作用，同时由于其弱碱性以及能够保持水分和空气的特点，可通过改善土壤的孔隙性、提高土壤田间持水量等影响土壤温室气体的排放。

2.1 对土壤孔隙度的影响

已有研究表明，生物质炭拥有大量的多孔结构，施入土壤后能使表层土壤容重减小。如Zhang[14]的研究表明在玉米地仅施入40 t/ha 小麦秸秆炭的处理中，土壤容重降低了0.28 g/cm3，这也是土壤孔隙度增加的结果，土壤孔隙度的增加有利于土壤通气性的增强，从而通过影响微生物的活性影响土壤温室气体的排放。

2.2 对土壤水分的影响

生物质炭中含有丰富的有机大分子和孔隙结构，施入土壤后可改善土壤物理性状，提高土壤的保水性。Glaser 等[15]的研究结果表明，含生物质炭丰富的土壤，其表面积是周围无炭土壤的3 倍，田间持水量增加了18%。Karhu 等[16]的研究结果表明，旱地施加生物质炭（9 t/hm2）后，田间持水量增加了11%，同时土壤对CH4的吸收增加了96%，他认为施用生物质炭通过对土壤水分含量的影响稳定了CH4的排放量。

3 生物质炭对土壤微生物的调控

生物质炭施入土壤中后，其对土壤理化性状的改善和较大的孔隙结构可为微生物的生存提供良好的环境，有利于微生物的繁衍增殖，从而影响土壤温室气体的排放。

3.1 对参与CH4 产生和氧化过程的功能微生物的影响

生物质炭施用可降低土壤中CH4的排放，可能是通过影响参与CH4的产生和吸收过程的微生物而起作用的。Feng[17]选用玉米秸秆在不同热解温度（300℃、400℃、500℃）制成的生物质炭施入水稻土进行培养，发现各处理CH4排放均减少，甲烷菌没有明显变化，甲烷氧化菌丰度增加，经116 d 的培养，土壤中的甲烷氧化菌数量分别为7.24×108个/g、8.81×108个/g、4.13×108个/g，而对照为1.89×108个/g，说明生物质炭是通过增加甲烷氧化菌种群结构的多样性，来增加土壤中CH4的氧化，进而减少CH4的排放。

浙江大学刘玉学[10]的培养试验发现，施用木炭和水稻秸秆炭（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种群结构的多样性和甲烷氧化的活性均无明显变化，而产甲烷的活性受到抑制，他认为生物质炭减少淹水稻田土壤CH4排放机理主要是通过抑制产甲烷菌的产甲烷活性，而不是改变土壤产甲烷菌种群结构的多样性。

3.2 对参与CO2 产生过程的功能微生物的影响

有研究表明[4]，生物质炭降低土壤CO2的排放可能是由于土壤微生物受到生物质炭的毒害作用，活性降低，土壤呼吸受到抑制。但Zhang[14]大田试验证明，施用10 t/hm2小麦秸秆制成的生物质炭对CO2排放没有明显影响，当施用量在40 t/hm2时，CO2排放增加了17.2%。生物质炭中含有一些水溶性的组分，当施入土壤中，会很快被微生物分解，释放出CO2，促进CO2排放。他认为，生物质炭中的水溶性有机物为土壤微生物提供了碳源，可提高微生物的活性，从而促进了土壤CO2排放。

3.3 对参与N2O 产生过程的功能微生物的影响

关于生物质炭对N2O 的减排作用，也有从微生物分子方面的阐述，但尚缺乏系统的数据支撑。有研究推测，生物质炭表面的金属及其氧化物可催化N2O 向N2的转化的微生物过程，减少N2O 的排放。也有研究提出生物质炭中含有某些组分能抑制参与NO3-N 向N2O 转化的反硝化作用的酶（硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、一氧化氮还原酶）的活性，或能促进参与N2O 向N2转化的氧化亚氮还原酶的活性[18]。

4 展 望

目前，关于生物质炭对温室气体的减排作用研究较多的是集中在农田，而对于森林土壤温室气体的减排机制，几乎还是空白，且研究多在室内条件下进行，在自然状态下的研究较少。若想将生物质炭推广使用，必须要进行大量的野外长期定位试验的验证。

有关生物质炭对温室气体减排机制，众说纷纭，还处于初级探索阶段，尤其是生物质炭对N2O减排机制，目前尚无一致的观点，因此，需要更多相应过程的功能微生物分子生态学试验证据。

[1]黄 耀.中国的温室气体排放、减排措施与对策[J].第四纪研究，2006，（5）：722-732.

[2]杨玉盛，董彬，谢锦升，等.森林土壤呼吸及其对全球变化的响应[J].生态学报，2004，3（24）：583-591.

[3]LEHMANN J, GAUNT J, RONDON M.Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems-A review[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2006, 11：403-427.

[4]SPOKAS K A, REICOSKY D C.Impacts of sixteen different biochars on soil greenhouse gas production[J].Annals of Environmental Science, 2009,（3）：179-193.

[5]Liu Y X, Yang M, Wu Y M, et al.Reducing CH4and CO2emissions from waterlogged paddy soil with biochar[J].Journal of Soils and Sediments, 2011, 11：930-939.

[6]Liang B Q, Lehmann J, Sohi S P, et al.Black carbon affects the cycling of non-black carbon in soil[J].Organic Geochemistry,2010, 41：206-213.

[7]Bagreev A, Bashkova S, Locke, et al.Sewage sludge derived materials as efficient adsorbent for removal of hydrogen sulfide[J].Environmental science & technology, 2001, 35: 1537-1543.

[8]刘玉学.生物质炭输入对土壤氮素流失及温室气体排放特性的影响[D].博士学位论文，浙江：浙江大学，2011.

[9]Liang B Q, Lehmann J, Solomon D, et al.Black carbon increases cation exchange capacity in soils[J].Soil Science Society of America Journal, 2006, 70：1719-1730.

[10]Singh B P, Hatton B J, Singh B, et al.Influence of biochars on nitrous oxide emission and nitrogen leaching from two contrasting soils[J].Journal of Environmental Quality, 2010, 39：1224-1235.

[11]Hitoshi T, Ai F, Haruo H.Development of advanced utilization technologies for organic waste：（part I）greenhouse gas and nutrient salt adsorption properties of wood-based charcoal[M].2002 Denryoku Chuo Kenkyujo Hokoku, Research Report of Abiko Research Laboratory, No.0201.1

[12]Lehmann J, Gaunt J, Rondon M.Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems-a review[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2006, 11：403-427.

[13]Kim Y S, Makoto K, Takakai F, et al.Greenhouse gas emissions after a prescribed fire in white birch-dwarf bamboo stands in northern Japan, focusing on the role of charcoal[J].European Journal of Forest Research, 2011,（6）: 1031-1044.

[14]Zhang A F, Liu Y M, Pan G X, et al.Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain[J].Plant and Soil, 2011,（1-2）: 263-275.

[15]Glaser B, Lehmann J, Zech W.Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal-a review[J].Biology and Fertility of Soils, 2002, 35：219-230.

[16]Karhu K, Mattilab T, Bergstroma I, et al.Biochar addition to agricultural soil increased CH4uptake and water holding capacity-Results from a short-term pilot field study[J].Agriculture Ecosystems &Environment, 2011, 140: 309-313.

[17]Feng Y Z, Xu Y P, Yu Y C, et al.Mechanisms of biochar decreasing methane emission from Chinese paddy soils[J].Soil Biology & Biochemistry, 2012, 46: 80-88.

[18]Rondon M A, Molina D, Hurtado M, et al.Enhancing the productivity of crops and grasses while reducing greenhouse gas emissions through bio-char amendments to unfertile tropical soils[C].In：18th World Congress of Soil Science, Philadelphia, PA,2006.138-168.