生物质炭对农田N2O排放及氮素淋失的影响研究进展

马浩+郭华

摘要 生物质炭作为环境友好型材料，具有高度稳定性和较强的吸附性能，施入土壤后能改善土壤结构，提高土壤肥力，增强生物固氮能力，还可减少温室气体的排放，农田土壤添加生物质炭会间接或直接对土壤氮素物质转化产生影响。本文从生物质炭的特性出发，概述了生物质炭的固氮机理、生物质炭的输入对农田N2O排放以及氮素淋溶的影响，对研究中存在的问题进行分析，并提出展望。

关键词 生物质炭；农田土壤；N2O排放；氮素淋失；研究进展

中图分类号 X505；S156 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）19-0168-02

Abstract As a kind of environmentally friendly material，biochar has a high degree of stability and strong adsorption property. Applying into the soil，the biochar can improve the soil structure，improve soil fertility，enhance biological nitrogen fixation capacity，but also reduce gas emissions of greenhouse. Added biochar into farmland soil will indirectly or directly affect soil nitrogen conversion. Started from the characteristics of biochar，the nitrogen fixation mechanism of biochar and the effect of biochar input on N2O emission and nitrogen leaching in farmland were summarized in this paper. The problems were analyzed，and the prospect were put forward in the study.

Key words biochar；farmland soil；N2O emission；nitrogen leaching；research progress

N2O是重要的温室气体之一，而农业生产活动是导致N2O排放的主要原因。据IPCC第四次全球气候评估报告指出，农业活动产生的N2O排放总量占全球人为活动N2O排放量的60%[1]。农田土壤N2O产生的最主要原因是氮肥施入[2]。研究表明，施肥农田土壤每年释放的N2O量达330万t，土壤N2O的排放量与氮肥施用量呈线形关系，施用肥料的种类同样也会对农田土壤N2O排放产生影响[3-4]。我国是农业大国，也是人口大国，为满足日益增长的人口对粮食的需求，保证产量的稳定及持续增长，越来越多氮肥被施用，这也必将导致因N2O大量排放和氮素淋溶流失而引起的一系列环境问题[5]，进而对人类健康和生态环境造成危害。

生物质炭是指各种生物质（作物秸秆、木材、粪便、树枝等）在缺氧或无氧条件下经高温（300 ℃≤T≤700 ℃）热解炭化产生的一类高度芳香化、富含炭素的固态物质，具有高度稳定性[6]。生物质炭属于黑碳（black carbon）范畴，因其自身具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积和表面丰富的活性官能团，已成为农田温室气体减排措施的热点[7]。研究发现[8-10]，农田土壤添加生物质炭后，可以有效改善土壤结构，提高土壤肥力，促进作物生长以及提高产量；通过改变土壤理化性质进而影响土壤微生物群落的组成，提高生物固氮能力，提高氮肥利用率；还可以增强土壤对氮素的持留，减少氮素的淋溶损失以及N2O温室气体的排放[11]。

1 生物质炭的理化特性

生物质炭是生物质在高温条件下炭化热解后残留的固态物质，元素组成包括碳、氢、氧、氮、硫、钾、钙、镁以及少量的微量元素，其中碳元素的含量有60%以上[12]。在热解过程中，温度对生物质炭的碳、氢、氧、氮元素含量的影响规律基本相同，表现为碳元素含量与热解温度成正相关关系，氢、氧、氮元素含量与热解温度成负相关关系[13]，且生物质的pH值与热解温度也表现为线性相关[14]。生物质炭具有发达的孔隙结构和大的比表面积等物理特征，且比表面积随热解温度的升高而增加[15]，施入土壤有利于增加土壤孔隙度、降低土壤容重、改善微生物生境以及提高土壤的保水性能。此外，生物質炭还具有良好的吸附特性、酸碱的缓冲能力以及较高的阳离子交换能力。

最早关于生物质炭的研究发现是在亚马逊地区原始农业所形成的特殊黑土（Terra Preta）中的生物质炭，该黑土中天然形成的生物质炭已在土壤中封存上千年之久，而人工制成的生物质炭通过田间及室内试验也被证实在土壤中的周转时间可达数百至千年不等[16]，生物质炭的芳香烃结构被视为生物质炭具有高度稳定性的主要原因之一[17]。一方面，生物质炭具有生物、化学和热稳定性的特性，不易被土壤微生物所分解；另一方面，生物质炭具有较高的C/N，施入土壤后，被认为是稳定的碳汇，有利于促进碳库的形成[18]。生物质炭在制备过程中受多种因素的影响，包括生物质炭原材料本身的性质、热解温度、升温速率、热解时间、含氧量、反应器、后处理等，其中生物质原材料和热解温度被认为是影响生物质炭结构和特性最重要的两大因素[19]。

2 生物质炭的固氮减排机制

生物质炭施入土壤会间接或直接对土壤氮素循环产生影响，其固氮减排机制是由生物质炭本身的特性所决定。

2.1 生物质炭的直接作用

农田土壤施用生物质炭后，一方面生物质炭具有较大的比表面积和丰富的含氧官能团，通过吸附作用能够将土壤溶液中的无机氮素束缚持留[7]；另一方面，生物质炭本身含有大量元素和微量元素，丰富的营养元素会直接影响土壤氮素循环功能微生物的群落关系及其功能多样性和活性，促进土壤的生物固氮以及抑制土壤反硝化作用的发生[20]。

2.2 生物质炭的间接作用

生物质炭本身疏松多孔的特性，施入土壤后会影响土壤孔隙度、容重，改善土壤通气性，通过改善耕层土壤生境影响耕层微生物活性，进而影响可溶性硝酸盐向含氮气体的转化，有利于减少农田N2O温室气体的排放[5]。

3 生物质炭对农田土壤N2O排放的影响

N2O是最重要的温室气体之一，农田土壤生态系统中温室气体N2O产生的主要原因是土壤反硝化作用[20]。反硝化作用是指在缺氧条件下，硝酸盐被硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、NO还原酶和N2O还原酶的连续催化转化为可溶性亚硝酸盐，最终以含氮气体形式排放到大气中的过程。目前，农田土壤施入生物质炭对N2O排放影响的研究结果并无统一结论，一部分研究认为，添加生物质炭能够减少土壤N2O的排放，但也有研究表明，生物质炭的添加对土壤N2O排放无影响，相反甚至会促进N2O排放。Zhang等[9]通过玉米田间试验研究表示，当添加20、40 t/hm2生物质炭为后，N2O的排放量分别降低了10.7%、41.8%，主要因为生物质炭的多孔结构改善了土壤通气状况，降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度，抑制了厌氧条件下氮素微生物的反硝化作用，从而减少了氮氧化物的形成和排放。农田土壤含水率同样会对N2O的排放产生影响。Saarnio等[21]在同等植被覆盖条件下，当表层土壤水分为20%～30%时，添加生物质炭降低了N2O的排放，而表土水分为40%～50%时，添加生物质炭增加了N2O的排放。土壤质地通常能够决定土壤孔隙度和透水性等土壤基本理化特征，并在一定程度上影响土壤含水率，进而对N2O排放产生影响。刘连杰等[22]通过在不同质地土壤的培养试验研究表明，N2O排放量表现为黏质土壤 >黏壤土>黏砂土>砂质土；且不同培养深度条件下，壤质土壤的N2O排放量明显高于砂质土壤。也有研究认为，土壤N2O排放量随土壤pH值升高而增加[23]。总之，生物质炭降低农田土壤N2O排放的机理尚未完全清楚，不同生物质炭材料、制备条件、土壤含水率、土壤质地以及土壤pH都会对N2O的排放产生影响。

4 生物质炭对土壤氮素淋溶的影响

氮素是农作物生长必需的营养元素，农田施用氮肥是我国农业增产的主要措施，也是农业可持续发展的根本要素。随着全球气候变化加剧，农业生产面临粮食稳产及生态环境安全的双重压力，氮肥的大量施用不仅造成氮肥低效利用，同时化肥氮素的损失通过地表径流和土体淋溶进入土壤、水体，不仅造成河流湖泊等地表水严重的富营养化，污染地下水，也会对农田土壤的肥力和土壤环境质量产生影响。据统计，目前我国氮肥的平均利用率仅为30%～35%，浪费现象严重。已有大量试验研究[6，9，20]表明，农田土壤施入生物质炭，能够有效降低土壤中无机氮素的淋失量，提高土壤对氮素的固持能力和农作物的氮肥利用率，有效缓解面源污染。Lehmann J等[15]研究发现，与单施肥料处理相比较，生物质炭与肥力配施有助于提高土壤的吸附能力和氮肥的利用率，减少了氮素的损失。刘玉学等[24]通过室内土柱淋溶试验研究结果表明，与对照相比，施加生物质炭可使土柱20 cm层土壤溶液NH4+-N累积淋失量在70 d内降低15.2%，可有效降低土柱0～20 cm土壤溶液NH4+-N浓度，生物质炭对土壤中的铵态氮有良好的持留作用。李美璇等[25]也得到相似的研究结果。

生物质炭对土壤固氮能力的影响效果也与生物质炭的炭化温度有关，不同原材料制备的生物质炭对土壤固氮的影响也不相同。刘玮晶等[26]以秸秆和稻壳为生物质原材料，通过比较2种温度炭化形成的生物质炭的固氮效果，研究发现，500 ℃制备得到的生物质炭固氮效果优于300 ℃的生物质炭，且施加秸秆炭土壤的固持氮素能力优于施加稻壳炭的土壤。但也有研究认为添加生物质炭会增加土壤氮素淋失量，这主要与生物质炭的施用量有关[5]，当生物质炭施用量较高时会抑制氮素的淋失，而较低的生物质炭施用量会促进氮素的淋失。

5 展望

农田氮肥过量施用带来的土壤N2O温室气体大量排放以及引发的一系列面源污染等环境问题已是不争的事实，如何在保证农作物稳产的基础上，将对环境带来的风险降到最低是目前研究的重点。生物质炭作为一种新的固氮减排技术在科学研究领域受到高度重视，为农田固氮减排提供了一种新的可能。

生物质炭对土壤生态系统氮循环起到不可忽视的作用，一定程度上能够有效抑制温室气体排放和氮素的淋溶损失。但由于不同地区土壤环境的差异、农田种植模式不同以及制备生物质炭条件的差异，不同学者的研究结果也不尽相同。此外，微生物在土壤氮素转化过程中起主导作用，土壤温度、孔隙度、含水量、pH值以及C/N都会对微生物的活性产生影响，生物质炭施入土壤会改变微生物生境，从而影响土壤氮循环过程。现有研究主要集中在土壤温室气体排放、氮素淋溶流失等方面。因此，仍有诸多问题需要进一步研究探讨。

现有关于生物质炭多为短期试验，且以室内培养模拟试验研究居多，不能真实反映田间实际情况，需要进行长期定位试验研究；生物炭在土壤中的降解过程尚不清楚，截至目前，人们对土壤微生物在生物炭降解中的作用还知之甚少，有待进一步研究；另外，生物质炭能够长期固存在土壤中，有必要对可能带来的潜在环境风险进行研究。

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