物质炭输入对土壤有机碳库和CO2排放的影响研究进展

杨萌+李永夫+肖永恒+李永春+岳天+姜培坤+周国模

摘要：由于生物质炭的碳化学结构主要以芳香碳为主，具有高度的生物化学和热稳定性，可长期保存于土壤中而不被土壤微生物所分解，因此其在增加土壤碳库容量、稳定土壤有机碳库以及维持土壤碳平衡方面发挥着重要作用。本研究综述了生物质炭输入对活性有机碳、腐殖质特性以及有机碳矿化特征的影响，较详细地分析了生物质炭输入对土壤CO2通量的影响效果及其机制，最后展望了该方向今后的研究重点。

关键词：生物质炭；活性有机碳；土壤腐殖质；土壤有机碳矿化；CO2排放

中图分类号：S153 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）02-0205-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.02.002

全球气候变暖已成为不争的事实，CO2作为全球气候变暖的主要温室气体对其贡献率高达50%～60%[1]。土壤作为全球最大的碳库，通过呼吸的形式释放到大气中的CO2是化石燃料释放的10倍以上[2-3]。因此，如何减少土壤呼吸所释放CO2量成为减缓全球气候变暖的关键所在。目前对土壤CO2减排的研究主要集中于土地利用方式、植被类型、水热条件、施肥等因素的研究。生物质炭因其高含碳量、难被分解、空隙多、比表面积大的特点，以及其在全球碳循环涉及到气候变化和环境问题而成为最近研究的热点[4-5]。

生物质炭是指植物或动物生物质在厌氧或部分厌氧条件下通过高温热裂解制备成的多孔芳香类化学物质[6-8]。由于生物质炭具有比表面积巨大，孔隙度丰富、高pH等特点，生物质炭不仅对土壤性质改良具有极大的益处，而且在温室气体减排方面具有极大的潜力。另外，生物质炭的有机碳结构主要以芳香碳为主，因此它具有极强的稳定性，在土壤中可以存在上千年[9]，因此生物质炭对土壤固碳具有重要的意义。为了深入理解生物质炭施入对土壤有机碳库和土壤CO2排放的影响机制，本研究综述了生物质炭输入对土壤活性有机碳库、腐殖质特性以及有机碳矿化特征的影响，较详细地分析了生物质炭输入对土壤CO2排放的影响效果及其机制，最后展望了该方向今后的研究重点。

1 生物质炭对有机碳库的影响

1.1 生物质炭输入对活性有机碳库的影响

土壤活性有机碳库是土壤微生物活动的能量来源和土壤养分变化的驱动力，其动态变化与土壤呼吸存在密切的关系，土壤活性碳具有移动速度快、稳定性差、易氧化分解等特点，具有较高的植物、动物和微生物活性[10]。土壤活性有机碳虽然只占土壤总有机碳的一小部分，但却能够在土壤全球变化之前反应出人类活动对土壤所引起的微小变化，是土壤碳循环的主要驱动力，对土壤碳收支平衡和全球气候变化具有重要的意义[11]。土壤活性有机碳包括水溶性有机碳、微生物量碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳、轻组有机碳、热水溶性有机碳、可矿化态碳等。其中土壤水溶性有机碳、微生物量碳和易氧化有机碳是土壤活性有机碳库的重要表征指标[12]。

生物质炭输入对土壤活性有机碳的影响在不同类型土壤之间存在显著差异。如Durenkamp等[13]研究发现，在黏质土中添加生物质炭能够增加土壤微生物碳的含量，而在沙质土中添加则降低其含量。部分研究发现，生物质炭施入土壤对土壤活性有机碳的影响，还会随着生物质炭施入时间的长短而不同。如花莉等[14]研究发现，在土壤中施入椰壳炭初期能够提高土壤活性有机碳的含量，但随着时间的推移其含量逐渐降低，而土壤有机碳的总量则无显著变化，从而降低了土壤活性有机碳占土壤总有机碳含量的百分比。谢国雄等[15]研究发现，对土壤施入生物质炭会影响土壤微生物生物量碳、水溶性碳和易氧化碳的含量，随着施入时间的推移土壤微生物生物量碳和水溶性有机碳的含量逐渐减少。付琳琳[16]通过对水稻土施入生物质炭3年后的研究也发现了相同的结果。施用生物质炭初期能够增加微生物生物量碳，可能是由于生物质炭本身所携带的活性有机碳；后期随着生物质炭施入时间的增加，土壤和生物质炭中的活性有机碳被微生物所降解，从而降低了其含量。另外还有研究发现，生物质炭输入对土壤活性有机碳的影响还会随着生物质炭制备温度和施入量的不同而不同。如赵世翔等[17]研究发现添加低温生物质炭能够增加土壤的呼吸速率、活性有机碳的含量，且随着添加比例的增加而增加，而在同一添加比例下，随着制备温度的升高而降低。金素素等[18]研究发现对土壤施入生物质炭能够增加土壤有机碳和活性有机碳的含量，但随着施炭量的增加，活性有机碳占总有机碳的百分比降低，并且随着时间的推移，活性有机碳的含量逐渐减少。花莉等[19]试验也发现向水稻土中添加生物质炭能够提高土壤的惰性碳库，从而降低活性有机碳占土壤有机碳的比例，并且随着施碳量的增加而降低。马莉等[20]通过盆栽试验发现，添加生物炭可以显著提高灰漠土易氧化态有机碳和微生物生物量碳的含量。这可能是因为添加生物质炭能够提高作物的生物量，特别是能够提高根系的生物量，这样就增加了土壤新鲜有机碳的输入量，从而增加了土壤易氧化有机碳和微生物生物量碳的含量。

1.2 生物质炭输入对土壤腐殖质的影响

土壤腐殖质是土壤有机质重要的物质组成，主要指除未分解和半分解动、植物残体及微生物体以外的有机物质的总称[21]，其含量及其动态变化特征是反应土壤质量的重要标志，作为土壤肥力的物质基础，对土地的健康循环利用具有重要的意义。由于腐殖质在土壤中不易被分解，所以它是土壤有机碳库中重要的稳定组成部分，其含量的多少对土壤有机碳的稳定具有重要意义。土壤腐殖质包含富里酸、胡敏酸、胡敏素三部分，其中胡敏素溶解性最差，稳定性最强[22]。

生物质炭可能是土壤腐殖质的来源[23]，为了证实这一结果，研究者进行了一系列的研究，如Haumaier等[24]通过核磁共振技术研究发现，生物质炭和土壤腐殖质具有相似的波谱特征。Kwapinski等[25]在试验中发现，生物质炭在一定条件下可以通过微生物转化为土壤腐殖质。付琳琳[16]研究发现，对土壤施入生物质炭能够增加胡敏素含量，使其分子结构更加复杂，增加土壤腐殖质的含量。周鑫[26]在不同用量的生物质炭施入的研究中发现，随着生物质炭施入量的增加，土壤胡敏素的含量也增加，并且随着时间的增加而增加，但一年之后逐渐减低，当生物质炭施入量为48 t/hm2时，胡敏素的含量随时间的变化一直在增加，但富里酸和胡敏酸的含量随着生物质炭施入量的增加而降低，这可能是由于生物质炭具有巨大的比表面积和丰富的孔隙度，可以对分子量相对小的富里酸和胡敏酸产生吸附作用，生成分子结构相对复杂的胡敏素。Wang等[27]在猪粪堆肥过程中添加生物质炭，通过核磁共振技术发现生物质炭的施入提高了烷基、烃基比率和芳香烃的含量，这都说明生物质炭能够促进腐殖质的转化进程；另外，通过对此生物质炭的傅里叶变换红外光谱分析认为，腐殖质的吸附作用和生物质炭的化学氧化可能是加速芳香烃物质形成的原因，但其中具体的作用机制还不是很清楚，有待于进一步的研究。张葛等[28]在土壤中施入玉米秸稈生物质炭的试验中发现，生物质炭的添加显著地提高了土壤胡敏酸的缩合度和芳香化程度，降低了氧化度，从而增加了土壤腐殖质的含量。孟凡荣等[29]在玉米秸秆生物质炭对黑土腐殖质和胡敏酸影响的研究中也发现，生物质炭的施入有助于胡敏酸脂肪链烃的形成，从而提高胡敏酸中芳香化结构的比例，有利于胡敏酸向胡敏素的转化。胡敏素作为土壤腐殖质中最稳定的组成成分，其含量的高低对土壤有机碳的固定具有重要的影响。上述试验结果表明，土壤中的腐殖质不仅来源于动植物残体的分解，也可能来源于外界所添加的生物质炭的转化。生物质炭添加到土壤中，由于其特有的理化性质，一方面可以为土壤微生物提供合适的生活环境促进其活性，从而影响生物质炭向土壤腐殖质的转化；另一方面，生物质炭可以通过自身的芳香基团和羰基等结构，影响土壤腐殖质中胡敏酸结构的变化，进而影响生物质炭向土壤腐殖质的转化。

1.3 生物质炭对土壤有机碳矿化的影响

土壤有机碳是指存在于土壤中所含碳的有机物质，包括动植物的残体、微生物体及其会分解和合成的各种有机质，可以通过多种方式影响土壤向大气中释放CO2。土壤有机质的矿化过程受到环境因子、理化性质、微生物等因素的影响，直接關系到土壤温室气体的排放[15]，而生物质炭施入能够改变土壤温度、水分、酸碱度等理化性质，从而影响土壤有机质的矿化作用。土壤温度通过影响土壤微生物和土壤酶活性而影响土壤有机碳的矿化。当温度较低时，升高温度有利于促进土壤有机碳的矿化；而当温度较高时，升高温度不但不会促进矿化速率反而对其产生抑制作用[30]，而生物质炭施入可以通过改变土壤颜色、土壤通气性、含水量等因素而影响土壤温度的变化。水分条件对土壤有机碳矿化速率的影响是复杂的，在旱地中水分条件是影响土壤有机碳矿化的重要条件，但当水分含量达到一定值时，其对土壤矿化速率影响不大，所以对于水田等水分含量高的土壤来说，水分条件就不是制约土壤有机碳矿化的关键因素，而添加生物质炭可以通过改变土壤的含水量而影响土壤有机碳的矿化。如康熙龙等[31]在对旱地土壤施入生物质炭的研究中发现，在添加相同量的生物质炭下，土壤有机碳的矿化速率随着水分含量的增加而提高。王战磊等[32]在对板栗林施入竹叶生物质炭的试验中发现，土壤含水量对土壤的CO2排放无显著影响。由于生物质炭是碱性物质，对酸性土壤施入生物质炭能够改良土壤性质，提高微生物活性，从而促进土壤有机碳的矿化。从目前的研究结果来看，生物质炭对土壤有机碳的矿化存在多种影响结果，有促进作用的，有抑制作用的，也有没有影响的[33-35]。

Liang等[36]研究发现高温制备的生物质炭能够抑制土壤有机质的矿化作用。花莉等[37]研究发现高温制备的生物质炭具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，对土壤中的活性有机物质起到一定的吸附作用，从而降低了土壤有机质的矿化。王英惠等[38]在土壤中添加不同温度制备的生物质炭研究中发现，随着制备生物质炭温度的升高土壤有机碳矿化速率逐渐降低，土壤有机碳的含量增加，累计矿化量逐渐减少。以上研究结果表明，高温制备的生物质炭比低温制备的生物质炭更有利于土壤有机碳的封存。原因可能有：①在一定温度范围内，制备生物质炭的温度越高，土壤有机碳的半衰期越长[17]，从而减慢了土壤有机碳的矿化速率。②随着制备生物质炭温度的升高，生物质炭的芳香化结构和致密性越高，生物质炭的稳定性就越强[39]，而土壤有机碳矿化的部分来源于生物质炭本身，所以高温制备的生物质炭更有利于降低土壤有机碳的矿化速率。③生物质炭可以促进土壤团聚体的形成，提高土壤碳库的稳定性，从而降低土壤有机碳的矿化速率[40]。匡崇婷等[41]试验发现向红壤水稻土中添加生物质炭能够降低土壤的呼吸强度，有机碳矿化率和累积矿化量。刘燕萍等[42]在试验过程中发现，对土壤施入生物质炭，前期能够促进土壤有机碳的矿化，后期则减缓了此过程。王蕾等[43]也发现了类似的试验结果。Hefa等[44]试验认为生物质炭含有丰富的孔隙结构，能够吸附土壤中的有机质，减少微生物和土壤酶与土壤有机质的接触，从而降低了土壤有机碳的矿化。赵次娴等[45]在水田和旱地土壤中添加生物质炭研究发现，添加生物质炭对水田和旱地中的土壤有机碳的矿化都能起到抑制作用。康熙龙等[31]试验研究结果表明，对旱地土壤添加生物质炭能够抑制土壤有机碳的矿化，并且随着生物质炭施入量的增加而增强。

但是，也有一些结果表明生物质输入对土壤有机碳矿化存在促进作用或无显著影响。Steinbeiss等[46]和Luo等[47]发现向土壤中添加生物质炭能够促进土壤有机碳的矿化。Wardle等[48]研究发现，生物质炭本身含有的有机物质增强了土壤微生物的活性，因而促进了土壤有机碳的矿化。Farrell等[49]在试验过程中也发现对土壤添加生物质炭能够促进土壤有机碳的矿化。但是也有不少研究结果表明，施入生物质炭对土壤有机碳矿化无显著影响[50-52]。Hilscher等[53]发现对土壤添加由松木制备而成的生物质炭没有增加土壤有机碳的矿化速率，而添加牧草制备的生物质炭则增强了土壤有机碳的矿化速率。王战磊等[32]研究发现向板栗林中施入生物质炭仅在第1个月增加了CO2的排放和微生物碳和水溶性碳的含量，但对土壤CO2的年累积排放量并无影响。施入生物质炭初期促进土壤CO2排放速率的原因可能是生物质炭本身含有一些易被分解的有机碳而被土壤中的微生物所分解，后期土壤呼吸速率降低的原因可能是生物质炭对土壤有机质的吸附作用，减少了土壤有机质与微生物的接触机会，从而降低了土壤的呼吸速率[54]。Singh等[55]研究认为，制备生物质炭的温度以及生物质的差异，使得所制备生物质炭的性质有所不同，从而影响土壤有机碳的矿化。另外，生物质炭对土壤有机碳矿化速率的影响也会因土壤有机质含量的不同而不同。一般情况下是对土壤有机质含量特别低的土壤产生抑制作用，中等含量的产生促进作用，含量较高的也产生抑制作用[15]。

2 生物质炭对土壤CO2通量的影响

从以往的研究来看，土壤施入生物质炭对土壤CO2排放既有激发效应又有抑制效应，或对CO2排放无显著影响，这种影响效果会因生物质炭类型和施用剂量、制备方法以及土壤类型等因素的不同而产生差异[56-58]。部分研究发现生物质炭的施入激发了土壤CO2的排放。如Luo等[47]研究了生物质输入对旱地土壤CO2排放的影响，发现生物质炭处理显著增加土壤CO2排放。这可能与生物质炭本身含有部分可溶性有机碳有关，且这种可溶性有机碳的降解一般发生在添加生物质炭36 h后[59]。Smith等[60]试验发现对土壤添加生物质炭会促进土壤CO2的排放。Singh等[34]也得到了同样的研究结果，但CO2的来源并不是生物质炭本身的有机碳，而是其促进了土壤原有有机碳的降解，并且这种促进作用随着时间的延长逐渐减弱。有部分研究发现生物质炭的施入抑制了土壤CO2的排放，如花莉等[19]试验发现向水稻土中施入生物质炭能够显著降低CO2的排放，但是在不同施碳量间没有显著差异。Lu等[57]在河南封丘的旱地土壤中研究发现，施加生物质炭和氮肥可以显著降低土壤CO2的排放速率。Karhu等[61]也发现向旱地土壤中添加生物质炭能够降低土壤CO2的排放。金素素[18]也得到了类似的研究结果。但也有少量研究发现，生物质炭的施入对土壤CO2的排放没有显著影响，如Yoo等[62]在猪粪生物质炭输入水稻田的研究中发现，生物质炭施入水稻田后对土壤CO2排放没有显著影响。Zavalloni等[63]和Cheng等[64]在试验过程中发现，施入生物质炭的土壤CO2排放与对照相比无明显差异。Wang等[65]在竹叶及其生物质炭输入板栗人工林的研究中也发现，生物质炭输入对土壤CO2排放通量没有显著影响。

生物质炭输入能够增加土壤CO2排放通量的原因可能是：①生物质炭本身含有部分活性有机碳，在其施入土壤后使得土壤活性有机碳的浓度增加，从而促进土壤CO2的排放[60]。②生物质炭本身具有巨大的比表面积和孔隙度，且含有大量的营养元素，因而為微生物的生长提供了有力的生存环境，促进了土壤CO2的排放[66-67]。③生物质炭施入土壤后，能够显著提高土壤的pH、CEC值和土壤含水量，从而提高了土壤微生物的活性，促进了土壤CO2的排放[68]。而生物质炭施入能够降低土壤CO2排放的原因可能有：①生物质炭本身含有不利于土壤微生物生长的物质，抑制了土壤微生物的活性，从而降低了土壤CO2排放[69]；②生物质炭本身具有巨大的比表面积和孔隙度，可能对土壤中的微生物和酶产生吸附作用，从而使其失去活性，降低了土壤CO2的排放[70]；③生物质炭能够吸附土壤有机碳，隔绝了其与微生物的接触，从而降低了土壤有机碳的分解[71]；④生物质炭施入土壤能够促进土壤团聚体的形成，特别是微团聚体的形成，而微团聚体具有更高的稳定性，从而减少了土壤有机碳的分解，降低了土壤CO2的排放[54]。

3 展望

生物质炭对土壤活性有机碳库和CO2排放的影响因生物质炭的种类、施碳量、土壤类型等条件的不同而不同。生物质炭施入能够增加土壤活性有机碳的含量，但随着施入时间的推移影响效果并不明显，生物质炭还能够增加土壤腐殖质的含量，但其中具体的转化机制并不清楚。生物质炭对土壤有机碳的矿化和CO2的排放都存在激发、抑制、无影响三方面的作用。然而，目前对于生物质炭与土壤腐殖质之间的关系研究较少，也未曾对生物质炭种类和施用量对土壤碳库动态变化的影响作出探讨。生物质炭转化为土壤腐殖质的具体机制和对土壤有机碳库作用的微观机理将是今后研究的重点。

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