不同生物质炭对稻田土壤CH4排放的影响研究进展

刘杰云，邱虎森，沈健林，汤　宏，王　聪

(1.宿州学院环境与测绘工程学院，安徽 宿州　234100；2.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙　410125)



不同生物质炭对稻田土壤CH4排放的影响研究进展

刘杰云1,2①，邱虎森2，沈健林2，汤宏2，王聪2

(1.宿州学院环境与测绘工程学院，安徽 宿州234100；2.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙410125)

摘要：稻田是CH4的重要排放源，降低水稻土CH4排放对减缓全球气候变化具有重要意义。生物质炭因其具有较强的稳定性、吸附性和碱性等特性，在稻田CH4减排研究中受到广泛关注。综述了不同生物质和不同热解温度制成及不同孔隙结构的生物质炭对稻田土壤CH4排放的影响及其机制等方面的国内外研究进展。结果发现，不同生物质炭的性质有很大差异。不同生物质炭的添加，通过对稻田土壤的通气性、可溶性有机碳含量、pH及水稻植株的不同作用来影响产甲烷菌和甲烷氧化菌的活性和丰度，进而影响CH4排放。此外，生物质炭对CH4排放的影响还与土壤类型有关。结合目前国内外生物质炭对CH4排放影响的研究现状，提出了未来生物质炭在稻田CH4排放领域的研究方向，旨在为生物质炭在稻田CH4减排中的应用提供思路和参考。

关键词：生物质炭；水稻土；CH4排放；生物质；热解温度

气候变化是当今人类面临的最严峻的全球环境问题之一。2009年哥本哈根会议之后,全球变暖这一议题受到了越来越多的关注,温室气体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平衡和人类的生存发展[1]。CH4是大气中重要的温室气体之一,其对温室效应的功效仅次于CO2,在100 a尺度上,其单位质量的全球增温潜势(global warming potential,GWP)是CO2的25倍[2]33-38。但CH4在大气中的滞留时间比CO2短,故减少CH4排放对减缓全球增温趋势要比减少CO2排放更为有效[3],因此CH4排放问题受到了广泛关注。农田,尤其是稻田,是CH4排放的重要来源。据估计,农业活动中CH4排放量约占人类活动CH4排放量的52%[2]223,而稻田每年的CH4排放量约占人为因素引起的CH4排放量的20%[4]。因此,如何减少稻田CH4排放已成为国内外研究的焦点。

近年来,在众多的CH4减排措施研究中,生物质炭因其特殊的性质而成为研究热点[4]。生物质炭是指生物质在部分或者完全缺氧条件下经热解炭化产生的一类具有高度芳香化结构的难溶性有机物[5-6]。生物质炭含碳量高,稳定性强,不易分解,具有巨大的表面积和孔隙度,吸附性强[7-8],这些性质都可能会影响土壤中CH4的排放。基于此,目前已经有不少研究者开展了生物质炭添加对CH4排放影响效果的研究[5,9-13]。如将竹子和水稻秸秆制成的生物质炭添加到浙江地区稻土中,与对照相比,CH4排放降低51.1%～91.2%[5]。而在江苏地区的水稻田中添加小麦秸秆制成的生物质炭,CH4排放较对照增加34%～41%[14]。由此可见,不同的生物质炭添加到不同土壤中,对CH4排放的影响效果也不尽相同。目前,针对不同生物质炭添加对农田CH4排放影响的进展研究还鲜见报道。笔者归纳了不同生物质炭(不同生物质、不同热解温度和不同孔隙结构)添加对稻田土壤CH4排放的影响及其机制的最新研究进展,旨在为生物质炭及CH4排放研究提供科学依据。

1不同生物质炭的性质差异

不同的生物质炭,其性质有很大差异。生物质种类不同,制备方式和条件参数不同,所制得的生物质炭的性质也不尽相同[15-16],如结构、表面化学性质、pH和养分含量等性质有很大差异[17-19]。有研究表明,生物质炭的性质主要取决于生物质材料的性质和制备条件(主要是热解温度)[20-21]。

生物质原料和热解温度对生物质炭的性质有很大影响。大多数研究表明,生物质炭中总碳含量及稳定性碳含量随着热解温度的升高而增加[22-24],但也有研究认为,生物质炭中碳含量随着热解温度的增加而降低[25]。SUN等[16]的研究表明,胡桃木、甘蔗渣和竹子的pH值分别为5.8、6.0和6.6,经热解炭化后制成的生物质炭pH值均升高,分别为8.4、7.5和9.2,且其碳含量也有一定差异。生物质炭的pH与热解温度有很大关系,一般随着热解温度的升高,生物质炭的pH也升高[26-27]。不同原料制成的生物质炭,其灰分含量也不同,如木头制成的生物质炭w(灰分)一般都低于2%,而由橡胶轮胎制成的生物质炭的w(灰分)则均高于10%[28],一般生物质炭的碱性与其灰分含量有关,灰分含量越高,其碱性也越大[29]。此外,生物质炭中养分含量(如K、Ca、Mg和P等)也随着热解温度的升高而增加[25]。

不同生物质炭的孔隙结构也有很大差异。有研究表明,当热解温度在300～900 ℃范围内时,生物质炭的孔隙结构随制备温度的升高而增强[30],但随着温度的进一步升高而降低[31]。不同生物质原料制成的生物质炭,其孔隙结构也有所差异。如刘玉学[7]研究了稻秆炭和竹炭的孔隙结构,发现竹炭的总孔容大于秸秆炭,但其平均孔径小于秸秆炭。生物质炭的孔隙结构可以吸附土壤中的水分、气体及养分元素,且为微生物提供生存和繁殖场所[32]。

2不同生物质炭对CH4排放的影响及其机制

不同性质的生物质炭对CH4排放的影响也不尽相同[33-34]。CH4排放是CH4产生和氧化的共同作用结果,而这2个过程均是复杂的生物过程。有研究表明,生物质炭添加到水稻土中,会影响土壤中细菌的丰度、种群多样性及种群结构[35]。不同性质的生物质炭可能对参与CH4产生或氧化的微生物有不同影响,因而对CH4排放的影响也不同[36]。

2.1不同原料制成的生物质炭对CH4排放的影响

由于性质不同,不同原料制成的生物质炭对CH4排放的影响也有差异。不同原料(主要是农业废弃物,包括小麦、玉米、水稻等的秸秆,竹子,果树木及生活垃圾等)及不用热解温度制成的生物质炭对水稻土CH4排放的影响见表1。由表1可知,大多数农业废弃物制成的生物质炭均可降低或者不影响水稻土CH4的排放,只有极少部分研究是增加的。如将由竹子制成的生物质炭添加到水稻土中,CH4排放比对照降低约50%[5,37]。同样,在亚热带地区典型的双季稻田中,小麦秸秆制成的生物质炭添加处理CH4排放较对照降低约36%～81%[38-40]。而将玉米秸秆生物质炭添加到江苏地区的水稻田中,却并未影响CH4排放[41]。不同原料制成的生物质炭主要从以下4个方面影响CH4排放:

(1)生物质炭具有巨大的比表面积和孔隙度,将其添加到土壤可改善土壤通气性[8],因而可影响CH4的产生和氧化。LIU等[38]的研究表明,将小麦秸秆生物质炭添加到亚热带麻沙泥双季稻田中,其CH4排放量较对照显著降低,末端限制性片段长度多态性技术(T-RLFP)分析发现,与对照相比,小麦秸秆生物质炭处理的产甲烷菌群落结构丰度均显著降低,且生物质炭也显著改变了产甲烷菌的群落结构组成[40]。ZWIETEN等[36]认为,添加小麦秸秆生物质炭改善了水稻田土壤的通气性,使土壤中溶解氧增加,从而抑制了产甲烷菌生长。而FENG等[9]的研究发现,由于土壤通气性的增加,与对照相比,玉米秸秆生物质炭添加处理水稻土中甲烷氧化菌丰度增加,CH4排放降低。

(2)生物质炭本身呈碱性[8,42],将其添加到土壤中可增加土壤pH,降低土壤酸度[27,43]。而CH4的产生和氧化均是复杂的生物过程,对pH的响应较为敏感,因此,不同生物质炭可通过改变土壤pH来影响产甲烷菌和甲烷氧化菌的活动,进而影响CH4排放。LIU等[5]将水稻秸秆生物质炭和竹子生物质炭添加到水稻土中,发现与对照相比,2种生物质炭处理CH4排放分别降低91.2%和51.1%,认为这可能主要归因于生物质炭添加促使土壤pH增加,进而影响了产甲烷菌活性。水稻秸秆生物质炭对土壤pH的增加作用大于竹子生物质炭,DGGE-PCR技术分析结果也表明,生物质炭添加处理较对照降低了产甲烷菌活性,且秸秆生物质炭对产甲烷菌活性的抑制作用大于竹子生物质炭[5,44]。产甲烷菌的最适pH值范围为6.5～7.5[45],pH过高或者过低,其活性都会降低。当生物质炭添加后的土壤pH处于产甲烷菌的适宜pH范围内时,生物质炭添加可促进产甲烷菌活性的增强,则CH4排放增加;但当不处于产甲烷菌的适宜pH范围时,则产甲烷菌活性降低,CH4排放降低[5]。此外,甲烷氧化菌活性受土壤pH的影响也较大,当土壤pH值在5.6～6.3范围内时,甲烷氧化菌活性随着pH的增加而增加[46]。因此,不同生物质炭添加可通过改变土壤pH来影响CH4的氧化。不同土壤对生物质炭的这种响应也不同。如上所述,在浙江海宁地区的水稻土(pH值为8.6)中添加稻秆炭和竹炭,土壤pH增加,超出了产甲烷菌的适宜pH范围,使得产甲烷菌活性降低[5],CH4排放降低;而在亚热带的麻沙泥水稻土(pH值为5.3)中添加生物质炭,土壤pH增加则促进了产甲烷菌的生长[40]。

表1不同原料和温度制成的生物质炭对水稻土CH4排放的影响

Table 1Effects of biochars different in parent material and pyrolysis temperature on CH4emissions in paddy soil

生物质炭原料热解温度/℃土壤类型对CH4排放的影响备注文献小麦秸秆500水耕人为水稻土增加34%～41%水稻田[14]500花岗岩母质发育的水稻土降低36%～81%双季稻田,添加当季减排效果不显著[38-40]500水耕人为土无显著变化水稻-小麦轮作体系[13]500水耕人为土无显著变化水稻-小麦轮作体系[47]550青紫泥降低39%室内水稻土培养[37]水稻秸秆600—降低91.2%水稻田[5]600黄松田无显著变化水稻田[48]550青紫泥降低39%室内水稻土培养[37]玉米秸秆300始成土显著降低室内水稻土培养[9]400—无显著变化室内水稻土培养[9]500—显著降低室内水稻土培养[9]300人为土显著降低室内水稻土培养[9]400—无显著变化室内水稻土培养[9]500—显著降低室内水稻土培养[9]400始成土降低,但无显著差异室内水稻土培养[41]400人为土降低,但无显著差异室内水稻土培养[41]竹子600—降低51.1%水稻田[5]550青紫泥降低51%室内水稻土培养[37]生活垃圾600黄松田无显著变化水稻田[48]果树木700淹育型水稻土显著降低室内水稻土培养[49]

“—”表示文献中未交待。

(3)生物质炭可为微生物的生长提供碳源。生物质炭本身含碳量较高,其中一些可溶性有机碳可被微生物利用,故可增加产甲烷菌的丰度或活性。如在江苏太湖地区的稻-麦轮作体系的水耕人为水稻土〔土壤有机碳(SOC)含量为24 g·kg-1〕中添加生物质炭,与对照相比,生物质炭处理CH4排放增加30.6%,ZHANG等[13]将其归因于生物质炭中可溶性碳的投入。同样,在江苏和江西的水稻土(始成土和人为土SOC含量分别为7.5和3.25 g·kg-1)中添加玉米秸秆制成的生物质炭,与对照相比,生物质炭处理产甲烷菌丰度较对照增加[9],FENG等[9]也认为,生物质炭本身含有部分可溶性有机碳(DOC),可为产甲烷菌的生长提供能量。根据以上2种水稻土有机质含量可知,水耕性人为土SOC含量远高于始成土和人为土,添加生物质炭后,多余的DOC不仅可供微生物生长利用,还可能会为CH4的产生提供底物。

(4)水稻植株在稻田CH4的产生、氧化及排放中具有重要的作用和意义。生物质炭可通过改良土壤理化性质来影响作物生长发育[7,50-51],如为植物生长提供所需的碳、氮等元素,改善土壤pH等,尤其是对养分贫瘠的土壤,其作用效果更明显。如刘玉学[7]的研究表明将稻秆炭和竹炭添加到浙江海宁地区的水稻土中,都可促进水稻根系的生长、株高和产量的增加以及光合特性的改善,且稻秆炭的作用效果优于竹炭,同时稻秆炭对CH4的减排效果也优于竹炭,笔者认为生物质炭对作物的影响可能是促使CH4减排的一个原因,但此方面的研究还需要更多的试验验证。

值得注意的是,由表1可知,不但不同原料制成的生物质炭对CH4排放的影响不同,即使是同一种生物质炭添加到不同的水稻土中,对CH4排放的影响也不尽相同。如将同样的水稻秸秆生物质炭添加到浙江省海宁地区水稻土中,与对照相比,生物质炭处理CH4排放降低91.2%[5],而同样在浙江省海宁地区的青紫泥黄松田水稻土中添加水稻秸秆生物质炭,与对照相比,CH4排放并没有显著变化[48]。同样的小麦秸秆制成的生物质炭,添加到亚热带典型双季稻田中,可显著降低CH4排放[38-39],但添加到太湖地区水耕人为水稻田中,与对照相比,CH4排放则显著增加34%～41%[14],这种差异主要是由土壤类型的不同引起的。但有关此方面的研究还较少,需要更多的试验验证。

2.2不同温度制成的生物质炭对CH4排放的影响

由于性质的不同,不同热解温度制成的生物质炭对CH4排放的影响也可能会存在差异。刘玉学等[48]的研究表明,将600 ℃条件下水稻秸秆制成的生物质炭添加到水稻土中,对CH4排放并没有显著影响,但在550 ℃条件下,水稻秸秆生物质炭处理CH4排放较对照降低39%[37]。同样,将500 ℃条件下制成的小麦秸秆生物质炭添加到水耕人为水稻土中,与对照相比,CH4排放增加34%～41%[14],而将550 ℃条件下制成的生物质炭添加到青紫泥却显著降低CH4排放[37]。当然,这种差异也不完全是由于热解温度不同引起的,可能还与土壤类型有关,水耕人为水稻土pH值为6.5,添加生物质炭后pH值增加到6.7～6.9[14],有利于产甲烷菌(最适pH值范围为6.5～7.5)活性的增强,而青紫泥水稻土pH值为5.7,添加生物质炭后,可能更有利于甲烷氧化菌(最适pH值范围为5.6～6.3)活性的增强,且两者的土壤有机质含量和容重也有较大差别,也可能会通过对生物质炭添加产生不同的响应来影响CH4排放。但FENG等[9]的研究发现,400 ℃条件下玉米秸秆制成的生物质炭并没有显著影响水稻土CH4排放,而300和500 ℃条件下制成的生物质炭却显著降低CH4排放,说明不同热解温度的生物质炭在一定程度上会影响水稻土CH4的排放,但有关此方面的研究还需要更多的试验支撑。

2.3不同孔隙结构的生物质炭对CH4排放的影响

不同孔隙结构的生物质炭对稻田土壤理化性质的影响有所不同,可能会导致对CH4排放的不同影响。根据生物质炭孔径的大小,可分为大孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)3种,大孔可以影响土壤的通气性和保水能力,而小孔则可以影响生物质炭对分子的吸附和转移[8]。如刘玉学[7]的研究发现,稻秆炭平均孔径大于竹炭,而其微孔和介孔孔容均小于竹炭。因此,相对于竹炭而言,稻秆炭更有利于增加土壤通气性,而其使得产甲烷菌活性的降低比竹炭更明显。生物质炭的孔隙结构可通过以下途径来影响水稻土CH4排放:(1)生物质炭的孔隙结构可增加土壤通气性,影响产甲烷菌和甲烷氧化菌活性,这种作用在黏性较大的土壤中更为明显;(2)生物质炭的孔隙结构可通过影响土壤的保水能力和降低土壤容重来影响水稻植株及根系生长[8],进而影响CH4排放;(3)如上所述,生物质炭的孔隙结构可作为微生物(包括产甲烷菌和甲烷氧化菌)的生存和繁殖场所;(4)生物质炭的孔隙结构可直接吸附土壤中DOC和CH4。在不同土壤中,生物质炭的不同孔隙结构的作用效果与土壤本身的性质也有很大关系,因此,在分析时应综合考虑生物质炭和土壤的性质。

3结论及展望

生物质炭性质的不同对CH4排放的影响也不尽相同。不同生物质炭可通过对CH4的产生和氧化2个过程的不同作用来影响CH4排放。将不同生物质原料和热解温度制成及不同孔隙结构的生物质炭添加到水稻土中,可通过改善土壤理化性状,如土壤通气性、土壤pH,影响作物生长发育,以及增加土壤可溶性有机碳等,影响产甲烷菌和甲烷氧化菌的群落结构、丰度以及活性,从而影响CH4排放。

针对生物质炭添加对稻田土壤CH4排放的影响,今后需要进一步加强的研究方向主要有以下几个方面:

(1)在我国典型水稻种植区开展生物质炭添加对CH4排放影响的机理性研究。目前有关生物质炭添加对水稻土CH4排放影响的机理性研究,尤其是分子生物学方面的研究还较少,因此,有必要借助我国已经开展生物质炭对稻田温室气体排放影响研究的东部稻麦轮作区、中部双季稻区的优秀平台,进行深入的机理性研究。

(2)针对主要的生物质类型及热解温度开展不同生物质炭对水稻土CH4排放的影响研究。虽然对此方面已有一些研究,但还不成系统,且不够全面。因此,可以考虑将不同生物质(主要包括小麦、水稻和玉米等的秸秆及竹子等农业废弃物)或不同热解温度制成的生物质炭对同一土壤类型CH4排放影响进行对比,找出其中的主要影响因素。

(3)针对我国稻田的主要土壤类型开展生物质炭添加对CH4排放的影响研究。由于生物质炭添加到土壤中后,往往因土壤类型的不同而对土壤物理、化学和生物学性质产生不同影响,从而对CH4排放的影响也可能不同,因此有必要开展此方面的研究,为生物质炭在稻田土壤中CH4的减排应用提供理论基础。

参考文献：

[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,2006,26(5):722-732.

[2]IPCC.Agriculture[M]∥METZ B,DAVIDSON O R,BOSCH P R,etal.Climate Change 2007:Mitigation of Climate Change.Contribution of Working Group Ⅲ to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge,UK:Cambridge University Press,2007.

[3]HOGAN K B,HOFFMAN J S,THOMPSON A M.Methane on the Greenhouse Agenda[J].Nature,1991,354(6350):181-182.[4]SMITH P,MARTINO D,CAI Z C,etal.Greenhouse Gas Mitigation in Agriculture[J].Biological Sciences,2008,363(1492):789-813.

[5]LIU Y X,YANG M,WU Y M,etal.Reducing CH4and CO2Emissions From Waterlogged Paddy Soil With Biochar[J].Journal of Soils and Sediments,2011,11(6):930-939.[6]刘杰云,沈健林,邱虎森,等.生物质炭添加对农田温室气体净排放的影响综述[J].农业环境科学学报,2015,34(2):205-212.

[7]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].杭州:浙江大学,2011.

[8]袁金华,徐仁扣.生物质炭的性质及其对土壤环境功能影响的研究进展[J].生态环境学报,2011,20(4):779-785.

[9]FENG You-zhi,XU Yan-ping,YU Yong-chang,etal.Mechanisms of Biochar Decreasing Methane Emission From Chinese Paddy Soils[J].Soil Biology & Biochemistry,2012,46:80-88.

[10]KNOBLAUCH C,MAARIFAT A A,PFEIFFER E M,etal.Degradability of Black Carbon and Its Impact on Trace Gas Fluxes and Carbon Turnover in Paddy Soils[J].Soil Biology & Biochemistry,2011,43(9):1768-1778.

[11]MALGHANI S,GLEIXNER G,TRUMBORE S E.Chars Produced by Slow Pyrolysis and Hydrothermal Carbonization Vary in Carbon Sequestration Potential and Greenhouse Gases Emissions[J].Soil Biology & Biochemistry,2013,62:137-146.

[12]WU F P,JIA Z K,WANG S G,etal.Contrasting Effects of Wheat Straw and Its Biochar on Greenhouse Gas Emissions and Enzyme Activities in a Chernozemic Soil[J].Biology of Fertility and Soils,2013,49(5):555-565.

[13]ZHANG A-feng,BIAN Rong-jun,HUSSAIN Q,etal.Change in Net Global Warming Potential of a Rice-Wheat Cropping System With Biochar Soil Amendment in a Rice Paddy From China[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2013,173:37-45.

[14]ZHANG A F,CUI L Q,PAN G X,etal.Effect of Biochar Amendment on Yield and Methane and Nitrous Oxide Emissions From a Rice Paddy From Tai Lake Plain,China[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2010,139(4):469-475.

[15]VERHEIJEN F,JEFFEREY S,BASTOS A C,etal.Biochar Application to Soils:A Critical Scientific Review of Effects on Soil Properties,Progresses and Functions[M].Luxembourg,Luxembourg:Office for the Official Publications of the European Communities,2009:149.

[16]SUN Yi-ning,GAO Bin,YAO Ying,etal.Effects of Feedstock Type,Production Method,and Pyrolysis Temperature on Biochar and Hydrochar Properties[J].Chemical Engineering Journal,2014,240:574-578.

[17]MUKHERJEE A,LAL R,ZIMMERMAN A R.Effects of Biochar and Other Amendments on the Physical Properties and Greenhouse Gas Emissions of an Artificially Degraded Soil[J].Science of the Total Environment,2014,487:26-36.

[18]BRUUN E W,AMBUS P,EGSGAARD H,etal.Effects of Slow and Fast Pyrolysis Biochar on Soil C and N Turnover Dynamics[J].Soil Biology & Biochemistry,2012,46(4):73-79.

[19]AGRAFIOTI E,BOURAS G,KALDERIS D,etal.Biochar Production by Sewage Sludge Pyrolysis[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,2013,101:72-78.

[20]BROWN R.Biochar Production Technology[M]∥LEHMANN J,JOSEPH S.Biochar for Environmental Management:Science and Technology.London,UK:Earthscan,2009:127-146.

[21]SOHI S,LOEZ-CAPEL E,KRULL E,etal.Biochar′s Roles in Soil and Climate Change:A Review of Research Needs[R].CSIRO Land and Water Science.[s. l.]:[s. n.],2009:64.

[22]NGUYEN B T,LEHMANN J,HOCKADAY W C,etal.Temperature Sensitivity of Black Carbon Decomposition and Oxidation[J].Environmental Science and Technology,2010,44(9):3324-3331.

[23]许燕萍,谢祖彬,朱建国,等.制炭温度对玉米和小麦生物质炭理化性质的影响[J].土壤,2013,45(1):73-78.

[24]MIMMO T,PANZACCHI P,BARATIERI M,etal.Effect of Pyrolysis Temperature on Miscanthus (Miscanthus×Giganteus) Biochar Physical,Chemical and Functional Properties[J].Biomass and Bioenergy,2014,62:149-157.

[25]CAO X D,HARRIS W.Properties of Dairy-Manure-Derived Biochar Pertinent to Its Potential Use in Remediation[J].Bioresource Technology,2010,101(14):5222-5228.

[26]NGUYEN B T,LEHMANN J.Black Carbon Decomposition Under Varying Water Regimes[J].Organic Geochemistry,2009,40(8):846-853.

[27]YUAN J H,XU R K,QIAN W,etal.Comparison of the Ameliorating Effects on an Acidic Ultisol Between Four Crop Straws and Their Biochars[J].Journal of Soils and Sediments,2011,11(5):741-750.

[28]WILIAMS A G,AUDSLEY E,SANDERS D L.Determining the Environmental Burdens and Resource Use in the Production of Agricultural and Horticultural Commodities[M].Bedford,UK:Cranfleld University,2006:2-6.

[29]LEHMANN J.Bio-Energy in the Black[J].Ecological Applications,2007,5(7):381-387.

[30]DOWNIE A,CROSKY A,MUNRIE P.Physical Properties of Biochar[C]∥LEHMANN J,JOSEPH S.Biochar for Environmental Management Science and Technology.London,UK:Earthscan,2009:13-32.

[31]FU P,HU S,XIANG J,etal.Pyrolysis of Maize Stalk on the Characterization of Chars Formed Under Different Devolatilization Conditions[J].Energy and Fuels,2009,23(9):4605-4611.

[32]STEINER C,DAS K C,GARCIA M,etal.Charcoal and Smoke Extract Stimulate the Soil Microbial in a Highly Weathered Xanthic Ferralsol[J].Pedobiologia,2008,51(5/6):359-366.

[33]SPOKAS K A,REICOSKY D C.Impacts of Sixteen Different Biochars on Soil Greenhouse Gas Production[J].Annals of Environmental Science,2009,3(1):179-193.

[34]邱虎森,王翠红,盛浩.生物质炭对土壤温室气体排放影响机制探讨[J].湖南农业科学,2012(11):49-52.

[35]CHEN J H,LIU X Y,LI L Q,etal.Consistent Increase in Abundance and Diversity but Variable Change in Community Composition of Bacteria in Topsoil of Rice Paddy Under Short Term Biochar Treatment Across Three Sites From South China[J].Applied Soil Ecology,2015,91:68-79.

[36]ZWIETEN V L,SINGH B,JOSEPH S,etal.Biochar Reduces Emissions of Non-CO2GHG From Soil[M]∥LEHMANN J,JOSEPH S.Biochar for Environmental Management.London,UK:Earthscan,2009:227-249.

[37]蒋晨,麻培侠,胡保国,等.生物质炭还田对稻田甲烷的减排效果[J].农业工程学报,2013,29(15):184-191.

[38]LIU J Y,SHEN J L,LI Y,etal.Effects of Biochar Amendment on the Net Greenhouse Gas Emission and Greenhouse Gas Intensity in a Chinese Double Rice Cropping System[J].European Journal of Soil Biology,2014,65:30-39.

[39]SHEN J L,TONG H,LIU J Y,etal.Contrasting Effects of Straw and Straw-Derived Biochar Amendments on Greenhouse Gas Emissions Within Double Rice Cropping Systems[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2014,188:264-274.

[40]刘杰云.生物质炭添加对亚热带典型稻田和旱地土壤温室气体排放的影响及其机理研究[D].长沙:中国科学院大学亚热带农业生态研究所,2015.

[41]XIE Z B,XU Y P,LIU G,etal.Impact of Biochar Application on Nitrogen Nutrition of Rice,Greenhouse-Gas Emissions and Soil Organic Carbon Dynamics in Two Paddy Soils of China[J].Plant and Soil,2013,370(1/2):527-540.

[42]袁金华,徐仁扣.稻壳制备的生物质炭对红壤和黄棕壤酸度的改良效果[J].生态与农村环境学报,2010,26(5):472-476.

[43]CHAN K Y,ZWIETAN L V,MESZAROS I,etal.Agronomic Values of Greenwaste Biochar as a Soil Amendment[J].Australian Journal of Soil Research,2007,45(8):629-634.

[44]DONG D,YANG M,WANG C,etal.Response of Methane Emissions and Rice Yield to Applications of Biochar and Straw in a Paddy Field[J].Journal of Soils and Sediments,2013,13(8):1450-1460.[45]WANG Z P,LINDAU C W,DELAUNE R D,etal.Methane Emission and Entrapment in Flooded Rice Soils as Affected by Soil Properties[J].Biology and Fertility of Soils,1993,16(3):163-168.[46]HUSTCH B W,WEBSTER C P,POWLSON D S.Methane Oxidation in Soils as Affected by Land Use Soil pH and N Fertilization[J].Soil Biology & Biochemistry,1994,26(12):1613-1622.

[47]张斌,刘晓雨,潘根兴,等.施用生物质炭后稻田土壤性质、水稻产量和痕量温室气体排放的变化[J].中国农业科学,2012,45(23):4844-4853.

[48]刘玉学,王耀峰,吕豪豪,等.生物质炭化还田对稻田温室气体排放及土壤理化性质的影响[J].应用生态学报,2013,24(8):2166-2172.

[49]唐志刚.生物质炭对模拟淹水土壤CO2排放和CH4释放潜力的影响[D].西安:陕西科技大学,2014.[50]陈琳,乔志刚,李恋卿,等.施用生物质炭基肥对水稻产量及氮素利用的影响[J].生态与农村环境学报,2013,29(5):671-675.

[51]曲晶晶,郑金伟,郑聚锋,等.小麦秸秆生物质炭对水稻产量及晚稻氮素利用率的影响[J].生态与农村环境学报,2012,28(3):288-293.

(责任编辑： 李祥敏)

收稿日期：2015-06-09

基金项目：科技部国际科技合作重大专项(2011DFA30770);国家重点基础研究发展计划(2012CB417105);国家自然科学基金 (41101247);湖南省自然科学基金(13JJ4114)

通信作者①E-mail: liujieyun66@163.com

中图分类号：X171.1

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)04-0525-06

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.002

作者简介：刘杰云(1985—),女,河南安阳人,讲师,博士,主要从事农田温室气体减排方面的研究。E-mail: liujieyun66@163.com

Researches on Effects of Type of Biochar Amended on CH4Emissions From Paddy Soil: A Review.

LIU Jie-yun1,2, QIU Hu-sen2, SHEN Jian-lin2, TANG Hong2, WANG Cong2

(1.School of Environment and Surveying Engineering, Suzhou University, Suzhou 234100, China;2.Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China)

Abstract:Paddy field is one of the important sources of CH4 emission. Hence reduction of CH4 emissions from paddy soil is of great significance to retarding global climate changes. Being quite high in stability, absorptivity and alkalinity, biochar has drawn extensive attention in the study on how to mitigate CH4 emissions from paddy field. In recent, a good few researches have been carried out on effects of biochar amendment on CH4 emissions from paddy field, nevertheless, little has been done on effects of type of the biochar amended on CH4 emissions. In order to explore effects of type of the biochar amended on CH4 emissions from paddy fields and their mechanisms, recent progresses in the study on impacts of biochars different in parent material, pyrolysis temperature and pore structure on CH4 emissions from paddy soils have been reviewed. Results show that biochars vary sharply in property. The amendment of biochar affects CH4 emission from paddy soil through its effects on soil aeration, soluble organic carbon content, pH and rice plants, and then in turn on activities and abundances of methanogens and methanotrophs. Besides, the effects of biochar amendment were also related to type of soil. In the light of the status quo of the studies at home and abroad on the effects of biochars mitigating CH4 emissions from paddy soils, directions for future studies in this aspect are proposed with a view to providing some ways of thinking and references for application of biochar to mitigate CH4 emissions in paddy fields.

Key words:charcoal;paddy soil;CH4 emission;biomass;pyrolysis temperature