添加生物炭对东台滨海区杨树人工林3种温室气体排放的长期影响

2019-07-19王国兵徐瑾王瑞邓芳芳沈彩琴阮宏华

生态环境学报 2019年6期

王国兵，徐瑾，王瑞，邓芳芳，沈彩琴，阮宏华*

1. 南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏南京 210037；2. 江苏省东台市林场，江苏东台 224200

生物炭是指生物质（如木头、树枝、秸秆、动物粪便等）在氧气不充分条件下的高温（＜700 ℃）热裂解产物。添加生物炭不仅可以降低土壤容重，增加土壤阳离子交换量，减少土壤养分淋失，还能提高土壤孔隙度和通气性，促进土壤团聚体形成，进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）。同时由于生物炭具有较强的稳定性和一定的吸附性，其降解速率极为缓慢，施用于土壤还可以起到固碳增汇的作用。利用生物炭技术增加碳截留以应对全球气候变化，在很大程度上可以抵消化石燃料燃烧所导致的碳排放（Lehmann et al.，2006；Marris，2006）。因此，其作为应对全球变暖的潜在措施之一，逐渐引起了人们的高度重视（Laird，2008；Sohi et al.，2009）。

那么，施用生物炭对土壤CO2、CH4、N2O 3种重要温室气体的排放有何影响？其内在调控机制是什么？目前有关的研究结论具有较大的不确定性。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，生物炭能够抑制土壤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）；还有一些研究表明，添加生物炭对土壤CO2、CH4、N2O的排放没有影响或具有截然相反的影响（Karhu et al.，2011；Keith et al.，2016；Liu et al.，2016；Zhou et al.，2017；Case et al.，2018）。由此可见，生物炭对土壤CO2、CH4、N2O 3种温室气体排放的影响还存在较大的不确定性，而产生这种不确定性的原因尚未明确，生态系统类型及立地条件的不同可能是其中重要原因之一。目前，有关生物炭对土壤温室气体排放影响的研究大多是短期观测（吴震等，2018）。然而，生物炭的难降解特性使其可在土壤中稳定地存在成百上千年，因此对土壤环境的影响可能是长期存在的。那么，生物炭对土壤温室气体排放的影响是否随时间而改变？目前对此研究了解还十分有限。Spokas（2013）研究发现，在农田中经过3年陈化后的生物炭对CH4的氧化能力比新施入的生物炭更高，而其N2O减排能力下降；也有研究表明，在生物炭施用3年后仍对N2O具有显著的减排效果（Hagemann et al.，2016）。由此可见，生物炭对温室气体排放影响的调控机理也比较复杂，尚需要进一步深入研究。此外，关于生物炭影响土壤温室气体排放的研究多在农业生态系统中进行，而在人工林生态系统中开展生物炭的相关研究报道还较少。因此，本研究选取江苏省东台市国有林场杨树人工林为对象，分析添加生物炭对杨树人工林CO2、CH4、N2O 3种土壤温室气体排放的长期影响，以期为进一步研究生物炭对人工林土壤生态系统结构与功能的影响提供理论依据和数据支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于江苏省盐城市境内的东台林场，其地理位置为 120°49′E，32°52′N。东台林场地处黄海之滨，创建于 1965年，属亚热带和暖温带的过渡区。东台林场邻近黄海，具有明显的过渡性海洋性和季风性气候，四季分明，雨量集中；常年平均气温为 14.6 ℃，无霜期为 220 d，降雨量为 1051.0 mm，年均日照时数2169.6 h。东台林场地势平坦，土壤类型为脱盐草甸土，土壤质地为沙质壤土，土壤pH值8.0左右。东台林场为江苏省沿海重点防护林，林场占地面积为 2000 hm2，森林覆盖率为85%，木材总蓄积量约为50000 m3，东台林场分布的主要植被有人工营造的 72杨（Populus euramericanacv. I-72）、35杨(Populus deltoidsCL‘35/66')、水杉（Metaseguoia glyptostroboides）等，林下草本植物种类一年四季多变，常见物种有罗布麻（Apocynum venetum）、一年蓬（Erigeron annuus）、葎草（Humulus scandens）、野蔷薇（Rosa multiflora）、蕨类等。

1.2 样地设置

选择东台林场7年生杨树人工林作为试验林分（株行距为3 m×5 m），在2013年5月，在林分行间带内随机设置16个2 m×2 m样方（样方的4个顶点分别与周围4株杨树的距离尽可能一致，不同样方之间距离5 m以上），分别设置低生物炭添加处理（D，40 t·hm-2）、中生物炭添加处理（Z，80 t·hm-2）、高生物炭添加处理（G，120 t·hm-2）及对照处理（CK，0 t·hm-2）。生物炭由南京六合木炭厂提供，材料为原木 600 ℃窑制炭粉，pH值为 9.2，C含量为63.26%，N含量为1.49%，P含量为0.31%，K含量为5.31%。生物炭为一次性添加，在土壤中的混合深度为40 cm，撒施表面后采用农耕机械均匀混合，混合均匀后轻微压实以复原土位，对照样地也要求翻耕并轻微压实复原土位。

1.3 样品采集与测定

分别在2017年3月12日、6月15日、10月13日和2018年1月14日，于当日9：00-11：00进行温室气体采样。气体采样采用静态箱法（圆筒形，底部直径320 mm，高600 mm，内置风扇），静态箱罩密封后分别在0、10、20、30 min抽取气体样品，共采64个气体样品（4次抽样×4种处理×4个重复），气体采样袋规格100 mL，采用安捷伦7890A型气相色谱仪测定气体样品中CO2、CH4、N2O的浓度。

在野外进行气体采样的同时，在样方内随机选择6个取样点，用直径2 cm土钻采集0-10 cm土壤样品 500 g，装入塑料自封袋中，放入保温箱内及时带回实验室，过2 mm土筛和去除植物残根、石块等杂物后，存储于 0-4 ℃冰箱内用于土壤各种理化指标的测定。

土壤微生物生物量 C、N、P采用氯仿熏蒸提取法测定（Brookes et al.，1985；Vance et al.，1987；吴金水等，2003）；土壤蛋白酶、脲酶、蔗糖酶活性分别采用茚三酮比色法、苯酚钠-次氯酸钠显色法、3, 5-二硝基水杨酸显色法测定（杨宁等，2014）；土壤总有机碳、全氮采用元素分析仪（Vario EL Ⅲ，德国）测定；土壤水溶性有机碳采用TOC-VCPH自动分析仪（日本岛津）测定；土壤容重采用环刀法测定；土壤pH值采用水浸提-电位法测定；土壤含水率采用烘干称重法测定（胡尧等，2018）。

1.4 计算公式

土壤表面温室气体（N2O、CH4、CO2）通量计算式如下：

式中，F为单位时间单位面积静态箱内温室气体的质量变化（mg·m-2·h-1）；ρ 为标准状态下被测气体密度（mg·m-3）；V 为箱内气体体积（cm3）；A为箱子覆盖面积（cm2）；P0为标准大气压，为1.013×105Pa；P为采样点大气压（Pa）；θ0为标准状态下的绝对温度（℃）；θ为采样时的绝对温度（℃）；dC/dt为气体浓度随时间变化的直线斜率。F为正值表示气体从土壤排放到大气，F为负值则相反。

1.5 数据统计

运用SPSS 16.0软件进行数据统计分析，采用双因素重复测量方差分析方法（Two-way repeated measures ANOVA）比较不同生物炭添加量处理及季节变化对土壤CO2、CH4、N2O排放速率的影响，采用配对样本均值检验法分析不同处理之间土壤CO2、CH4、N2O排放速率的差异显著性，采用线性回归法分析CO2、CH4、N2O排放速率与土壤理化性质指标的相关性。运用SigmaPlot 12.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭添加量对 3种温室气体排放速率的影响

结果表明，对照样地土壤CO2排放速率变化范围为 123.428-412.066 mg·m-2·h-1，中、高生物炭添加处理显著促进了土壤 CO2的排放（P=0.001、0.000），分别导致CO2年平均排放速率增加了21%和 20%（图 1A），而低生物炭添加处理样地土壤CO2排放速率与对照之间没有显著性差异（P=0.199）；对照样地土壤 CH4排放速率变化范围为 0.578-1.405 mg·m-2·h-1，中、高生物炭添加处理显著抑制了土壤CH4的排放（P=0.000、0.000），分别导致 CH4年平均排放速率降低了 21%和 33%（图 1B），而低生物炭添加处理样地土壤 CH4排放速率与对照之间没有显著性差异（P=0.660）；对照样地土壤 N2O排放速率变化范围为 0.124-0.297 mg·m-2·h-1，中、高生物炭添加处理显著抑制了土壤 N2O的排放（P=0.003、0.000），分别导致 N2O年平均排放速率降低14%和37%（图1C），而低生物炭添加处理样地土壤 N2O排放速率与对照之间没有显著性差异（P=0.702）。

图1 不同生物炭添加量对3种温室气体排放通量的影响Fig. 1 Effects of different amount biochar addition on emission flux of three greenhouse gases

重复测量方差分析结果表明（表1），生物炭添加处理及季节变化均对土壤CO2、CH4及N2O排放速率产生了显著影响（P＜0.01），但生物炭添加处理与季节之间均不存在显著交互效应（P＞0.05）。

2.2 不同生物炭添加量对 3种温室气体综合温室效应的影响

根据IPCC第五次评估报告发布的“人为和自然辐射强迫”（Myhre et al.，2013），甲烷（CH4）全球变暖潜力值为28，一氧化二氮（N2O）全球变暖潜力值为265（100年时间跨度），由此计算得到不同生物炭添加处理下3种温室气体排放的综合温室效应（Global Warming Potential）（图2）。结果表明，对照样地3种温室气体的综合温室效应为32.66 t·hm-2·a-1，低、中、高3种处理样地综合温室效应分别为 34.09、36.42、34.59 t·hm-2·a-1。由于添加生物炭对CO2排放具有促进作用，但是对CH4和N2O排放具有较强的抑制作用，因此导致了高生物炭添加量处理相比于中生物炭添加处理其综合温室效应出现了较大幅度的下降。方差分析结果表明，与对照样地相比，中生物炭添加处理样地显著提高了3种温室气体综合温室效应（P＜0.05），而低和高生物炭添加处理样地3种温室气体综合温室效应与对照样地之间无显著性差异（P＞0.05）。

表1 3种温室气体排放的重复测量方差分析Table 1 Two-way repeated measures ANOVA of three greenhouse gases emission flux

图2 不同生物炭添加量对3种温室气体综合温室效应的影响Fig. 2 Effects of different amount biochar addition on global warming potential of three greenhouse gases

2.3 3种温室气体排放与主要土壤理化性质的关系

利用线性回归模型分析了3种温室气体排放与主要土壤理化性质的相关性，结果表明，土壤CO2排放主要与土壤微生物量碳（MBC）、水溶性有机碳（DOC）、全氮（TN）、蔗糖酶活性（IA）呈显著正相关关系（见表2，下同），与土壤微生物量氮（MBN）、土壤微生物量磷（MBP）呈显著负相关关系，而与土壤总有机碳（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）相关性不显著；土壤 CH4排放和N2O排放与主要土壤理化性质的相关性具有较好的一致性，主要与MBN、MBP、SMC、PA、UA、IA呈显著正相关关系，与MBC、DOC、TN呈显著负相关关系，而与TOC、ρb、pH值相关不显著。

表2 3种温室气体排放与主要土壤理化性质的相关性分析Table 2 Relationships of three greenhouse gas flux with main soil physical and chemical properties

3 讨论

3.1 添加生物炭对3种温室气体排放的影响

由于具有优异的物理化学特性，生物炭有望为减缓全球气候变暖提供切实有效的新途径。如果能最大程度地利用生物炭技术，到 2100年可以减排5.5-9.5 Pg·a-1，很大程度抵消化石燃料所带来的温室气体排放（Marris，2006；Lehmann，2007）。将生物炭施入到土壤中，不仅可以实现生物炭本身对CO2的固持，降低大气中CO2的浓度，而且可以减少土壤 CO2的排放（Ramlow et al.，2018；Wu et al.，2018；Yeboah et al.，2018），降低土壤 CH4排放或增加土壤对CH4的吸收（Sonoki et al.，2013；周凤等，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），以及促进土壤 N2O 排放（Lin et al.，2017；Duan et al.，2018；Wang et al.，2018）。本研究结果表明，3种不同生物炭添加处理均显著提高了土壤CO2的排放，但却抑制了土壤CH4和N2O的排放。由于添加生物炭对CO2排放具有促进作用，但是对CH4和N2O排放具有较强的抑制作用，导致高生物炭添加量处理相比于中生物炭添加处理其综合温室效应出现了较大幅度的下降。考虑到添加生物炭对土壤CO2排放的影响可能主要来源于根系的自养呼吸（颜学佳等，2013），因此高生物炭添加量处理可能是潜在的杨树人工林生态系统最佳生物炭经营模式。

3.2 生物炭影响3种温室气体排放的机理分析

一般认为，生物炭抑制土壤CO2排放的机制主要有生物炭吸附了土壤中可溶性有机碳、降低了土壤有机质降解过程中所需要酶类的酶活性，生物炭对土壤微生物的毒害作用抑制了其对土壤有机碳的矿化作用（Spokas et al.，2009；Liang et al.，2010；Pokharel et al.，2018），而生物炭促进土壤CO2排放的机制主要是添加生物炭能够对土壤原有有机碳的分解产生正激发效应（Yang et al.，2017）。本研究发现，土壤CO2排放主要与MBC、DOC、TN、IA呈显著正相关关系，表明添加生物炭可能通过改善东台林场滨海区土壤的理化特性，促进杨树的生长及根系活动，进而可能增加林木生长季土壤呼吸中自养呼吸的比重，而非完全源于激发效应，因此今后有必要进一步对土壤呼吸的组分进行分离测定分析，以深入阐明添加生物炭对东台滨海区杨树人工林土壤CO2排放的影响及调控机理。

一般认为，生物炭对CH4具有减排作用，主要是因为生物炭提高了土壤透气性，抑制了甲烷产生菌的活性和数量，或刺激嗜甲烷菌的活性与数量，促进了土壤对 CH4的氧化与吸收（Karhu et al.，2011；Sonoki et al.，2013；Xiao et al.，2018）。本研究中，土壤CH4排放主要与MBN、MBP、SMC、PA、UA、IA呈显著正相关关系，与MBC、DOC、TN呈显著负相关关系，表明添加生物炭可能降低相关土壤酶活性，进而综合抑制了本实验区土壤CH4的排放。生物炭可以抑制土壤N2O的排放，主要是因为生物炭能够吸附固定土壤中的铵态氮和硝态氮，降低土壤硝化菌和反硝化菌功能团的活性和丰度，抑制硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、一氧化氮还原酶等反硝化作用酶的活性，或促进氧化亚氮还原酶的活性（Case et al.，2015；Wang et al.，2017；Wu et al.，2018）。本研究中，土壤N2O排放主要与MBN、MBP、SMC、PA、UA、IA 呈显著正相关关系，与MBC、DOC、TN呈显著负相关关系，表明添加生物炭降低了相关土壤酶活性，并可能促进土壤N、P养分的有效性（王国兵等，2019），进而综合抑制本研究区土壤N2O的排放。