生物炭减缓农业生态系统土壤N2O排放的研究进展

沈芳芳 罗昌泰 廖迎春 房焕英 周际海 沈发兴 袁颖红*

(1.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，南昌 330029；2.江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室，南昌 330099；3.重要生物资源保护与利用研究安徽省省级重点实验室，安徽 芜湖 241000)

由温室气体如CO2、N2O、CH4等排放增加引起的气候变化是人类长期面临的巨大威胁。2019年举行的联合国气候行动峰会提倡在未来10年内将温室气体排放量减少45%，到2050年实现“净零排放”。土壤作为温室气体的重要源和汇，对温室效应的影响不容忽视。农田土壤是重要的温室气体排放源，农业活动在温室气体的人为排放总量中占据重要部分[1-2]。

据世界气象组织(World Meteorological Organization)报告：大气中N2O的含量已经从19世纪工业革命前的270 ppb增加到了2017年的329.9 ppb[1]。中国是N2O排放大国(占全球排放量的31%)，印度和美国分别居第二和第三[2]。N2O是一种长寿命温室气体，百年内的增温潜势大约是CO2的298倍，并导致平流层臭氧的破坏[3-4]。土壤作为最大的N2O排放源，约占总排放量的70%[5]，年N2O-N排放量约为13 Tg，其中人类活动通过在农业中施用氮肥每年贡献了7 Tg[6]。农业约占全球人为N2O排放量的60%，农业土壤，特别是热带和酸性土壤，是大气N2O增加的主要来源[2,7]。农业管理措施如施用化肥和有机肥等能显著影响农田土壤N2O的排放。其中，农业N2O排放多是由于肥料用量的增加，相当一部分氮肥通过微生物过程(主要是硝化和反硝化)转化为N2O[8]。联合国粮食及农业组织(FAO)预计到2030年农业源排放进入大气中的N2O可能会增加35%～60%。因此，减少土壤N2O的排放任务紧迫[1]。

已有研究表明，生物炭用来减少土壤N2O的排放[4,5,8]。生物炭是一种难降解的富含C的稳定固体材料，是有机材料在限氧的环境中经过热化学转化产生，由于其具抗分解特性及对养分动力学的影响，多被利用作为土壤改良剂[9-11]。生物炭作为调节土壤氮循环和减少氮排放的潜力得到广泛关注，国内外相继开展了大量的有关生物炭减少农业生态系统土壤N2O排放研究和应用。为进一步厘清生物炭在减缓农业生态系统土壤N2O排放的作用和机制，本研究拟以CNKI、Springer、Wiley和Science Direct数据库为依据，以“生物炭”、“农业生态系统”、“N2O排放”为关键词，搜索2008—2021年的相关文献，并从土壤N2O产生途径、生物炭对土壤N2O排放的影响和减缓土壤N2O排放的机制等方面，以及对有机堆肥处理土壤施用生物炭的N2O减排潜力等相关研究进行综述总结和剖析，并对未来的研究提出展望，以期为减缓土壤N2O排放及气候变化提供参考。

1 土壤N2O的产生途径

N2O可由许多不同的微生物协同产生，与N2O产生有关的微生物功能基因主要集中在氨氧化细菌和氨氧化古菌的amoA基因、硝化酶(nas、nirB)、亚硝酸盐还原酶基因(nirK、nirS)、氧化亚氮还原酶(nosZ)基因[18]。一般认为，N2O排放与反硝化过程中的基因(nirK、nirS、nosZ、napA、narG)相关，这些功能基因成为温室气体通量潜力的关键指标[13,19]。

2 生物炭对土壤N2O排放的影响及减排机制

2.1 生物炭对土壤N2O排放的影响

生物炭对土壤N2O排放的影响取决于生物炭特性与土壤性质两者之间的相互作用。尽管越来越多的证据表明，向土壤中添加生物炭可以影响N2O排放速率，但生物炭添加对土壤N2O排放影响的结论不一(表1)。

多数研究认为生物炭有利于减少土壤N2O的排放[20-23]。在整合分析2007—2013年发表的相关生物炭文献(观测试验数量n=933)的研究中发现，无论是田间试验还是室内试验，生物炭平均可减少54%±6%土壤N2O排放[17]。Cayuela等[24]通过进一步研究发现生物炭降低49%±5%土壤N2O排放，对比区分了室内培养和野外试验条件下的N2O排放降幅分别为54%±5%和28%±16%。程效义等[25]研究发现，棕壤玉米旱田中添加秸秆生物炭(20 t/hm2)能降低21.76%土壤N2O的排放量。生物炭对不同类型(沙土、淤泥、壤土和黏土)土壤的N2O减排效果以壤土最明显[19]，减排量可达32%[26]。室内培养试验表明，小麦秸秆生物炭显著降低黑钙土N2O排放，降幅可达55%～96%[27]。对比不同生物炭施入量对N2O减排的效果发现，小麦秸秆生物炭(20和40 t/ha施入钙质壤土后，N2O排放量分别减少了10.7%和71.8%[28]，相比氮肥处理，减少了31%[29]。随着生物炭添加量的增加，土壤N2O排放量减少幅度增加，当生物炭添加量为40 t/ha时效果达到最大[19]。通过对比生物炭对酸性和碱性土壤N2O排放的影响，发现玉米芯生物炭可降低酸性土壤N2O排放的26.9%，橄榄果肉生物炭可降低酸性土壤68.4%及碱性土壤34.3%[42]。稻草生物炭(2%)改善酸性土壤可以通过提高土壤pH值及nosZ和nirK基因丰度来控制土壤N2O的排放，降幅达70%[2]。据估计，土壤添加生物炭有可能使温室气体年排放量减少12%[21]，甚至更多[19]。

此外，极个别研究表明生物炭添加对土壤N2O通量没有影响[33-35]。对于有机碳含量低(≤5 g/kg)的土壤，生物炭对土壤N2O排放的影响较小且不显著，这是因为异养过程可用碳量很少，增加了低有机碳土壤的硝化作用[19]。由粪便制成或在低于350 ℃温度下热解的生物炭对土壤N2O排放的减少作用微不足道，这归因于生物炭较弱的芳族环结构和较低的表面积，较低的导电能力和较少的表面官能团[19]。生物炭的施用不会影响短时期(2年)火山灰土的N2O累积排放量，这与火山灰具有较高的pH缓冲能力和总阳离子交换量有关[32]。

总之，生物炭对土壤N2O排放影响取决于研究区土壤和气候条件、试验条件(室内/野外)及持续时间、生物炭类型(物料来源)、施用量及热解条件等[17,20,28]。生物炭具有减缓土壤N2O排放的潜力，其中生物炭类型、生物炭添加量和气候带是影响生物炭对土壤N2O排放影响的重要调控因素，且野外试验中生物炭对N2O的减排效果常低于室内控制试验。

2.2 生物炭减缓土壤N2O排放的机制

多数研究将研究焦点集中于生物炭如何降低土壤N2O排放速率机理上。由于N2O产生途径多而复杂且高度时空变异[20]，使得农业生态系统土壤N2O的减排具挑战性。生物炭改良剂作为减少N2O的长期方法的适用性尚不确定。目前有关生物炭减缓土壤N2O排放的机制主要有以下2点(图1)：

图1 土壤N2O产生的可能途径和生物炭对其减排的机制Fig.1 Potential pathways of N2O production and potential mechanisms of biochar effects on N2O emission in soil

1)生物炭理化性质的差异。生物炭生产条件(原料来源、热解温度、快慢类型等)的不同导致生物炭理化性质和结构的差异是生物炭影响土壤N2O排放的重要因素[20,36]。不同来源生物质不同组分的分解温度不同，随热解温度的升高，生物质组分(水分、纤维素、木质素和无机矿物等)依次被分解[36]；同时热解过程中C和N的损失致使P、K、Ca、Mg等含量高于原料，且随热解温度的提高而升高[36]。

生物炭的石灰效应。生物炭含有碱性物质，主要为表面有机官能团、碳酸盐、有机阴离子和其他无机碱，并且具有较高的pH，可用作修正土壤酸度的改良剂[37]。生物炭的原料和热解条件会影响生物炭的碱度：如豆科植物比非豆科植物生产的生物炭含有更高的碱度[38]；随着热解温度的升高，生物炭的碱度增加，表现在碳酸盐含量的增加[39]。

生物炭的化学结构。生物炭的H/C、O/C和(N+O)/C是表征生物炭芳香性、亲水性和极性大小的重要指标，三者越高，分别表示芳香性越低、亲水性越大和极性越大，与生物炭的稳定性和潜在吸附能力有关[36]。其中生物炭的H/C在减缓N2O排放的潜力发挥了重要作用，一般低H/C的生物炭往往具有更强的N2O减缓能力，相反，H/C越高，其减缓能力越弱，这是因为较低的H/C通常具有更高的聚合度和芳族环结构[24]。试验进一步研究表明，H/C<0.3的生物炭提高氧化还原活性和吸附特性，能将N2O释放量降低73%±7%，H/C>0.5的生物炭N2O降低了40%±16%[24]。

生物炭随时间的老化。生物炭对土壤N2O排放的减缓能力还取决于生物炭在田间条件下的老化情况[31,40]。生物炭的性质会随时间变化发生老化，如稠环结构的大小发生改变导致生物炭表面的官能团(羧基、羰基、羟基和酚基等)增加，表面积和孔体积的降低导致生物炭的吸附能力降低等[41]。随着时间的推移，生物炭可能会失去其石灰效应，如老化过程中生物炭表面的氧化可能产生酸性或较低的土壤pH[20]。生物炭老化可能会影响分解后土壤有机碳的残留率，研究表明，生物炭老化提高了微生物碳的利用效率，但减少了生物质周转时间[41]。

氮的有效性是土壤N2O排放的主要驱动力[20]，而生物炭缓解N2O排放的有效性与其在土壤中占主导地位的N2O产生途径有关[8]。由于反硝化作用是大多数土壤中产生N2O的主要过程，加入生物炭后可使土壤反硝化作用减弱从而减少N2O排放量[14]。值得注意的是，反硝化作用的最后一步是目前生物圈内唯一已知的能够将N2O还原为N2的过程[17]。生物炭可以通过3种方式加速诱导土壤完全反硝化(即N2O还原为N2)作用，从而减少N2O的排放[19]：一是生物炭基质本身的B电子导体以及衍生的B电子穿梭来自生物炭表明的锟-氢锟官能团，可能促进电子向土壤反硝化微生物的转移；二是生物炭的亲水性及其与土壤微团聚体的相互作用，可以保护土壤微生物免于暴露氧气中，从而进一步降低了N2O转化的条件[14]；三是生物炭在某些情况下可能会增加N2O还原细菌的丰度，从而促进N2O还原的酶活性。在容易发生反硝化作用的土壤(通常是质地较好的壤土)中，生物炭对其N2O排放量具有较大的减排效果。相比而言，生物炭可以在亚热带和热带地区更大程度上减少土壤N2O排放，其次是温带地区[14]。这是因为该壤土的团聚体的孔隙比砂土或黏土多，从而使土壤中的水分保持更为紧密，有利于反硝化过程的厌氧微场所形成，这有助于生物炭通过调节反硝化过程来减少土壤N2O排放[19]。Case等[21]研究发现，在施肥砂壤土中，添加生物炭可抑制91%土壤累积N2O量，其中累计反硝化量减少了37%，占土壤N2O排放的85%～95%。

土壤pH被证明是区域范围内N2O排放差异的主要调控因子[47]。生物炭本身具有较高的pH可以改善土壤酸度和增加土壤pH缓冲能力来抑制改良酸性土壤的再酸化[37]。硝化和反硝化对N2O排放的关系并不直接，但土壤pH对这两个过程的氮转化比率有影响，如，当反硝化占优势时，pH较高的土壤中N2O排放会降低，而硝化占优势时，pH较高的土壤中N2O排放则会增加[32]。因此，通过在最佳范围内增加土壤pH来改变硝化和反硝化的N2O产物比率对于减少农业土壤N2O排放具有实际意义。

生物炭对土壤N2O通量的影响与土壤氮转化途径高度相互作用[14]，而该过程受土壤水分控制[19]。当土壤处于相对较低的水分条件(<80%孔隙含水量WFPS)时，硝化作用是产生N2O的主要途径，生物炭往往会因硝化作用的增加而刺激土壤N2O排放；相反，当土壤处于高湿条件(WFPS>80%)时，反硝化作用是产生N2O的主要途径，生物炭则倾向于减少土壤N2O的排放[19]；在土壤水条件饱和时，添加生物炭的土壤N2O排放可能会增加，特别是在酸性并富含矿质氮的稻田土中施用生物炭可以增强硝化作用，土壤pH的增加可以进一步刺激硝化作用，从而导致生物炭添加后土壤N2O排放量的增加[32]。在淹水阶段或重新润湿土壤中，生物炭具有更强的N2O减排效果[24]。研究进一步表明，生物炭添加通过间接影响土壤水分含量(20%～50%)和植物氮吸收而影响土壤N2O的排放[28]。通过对比土壤粗砂、细砂和粉砂的保水特性，生物炭在粗砂中表现出更大的优势，其植物可利用性水分含量增加了45%[48]。

研究表明生物炭与微生物之间的相互作用调控土壤N2O排放。生物炭改变了控制N2O产生的土壤微生物特性，如微生物量、群落组成和活性及功能基因的丰度[2,15,51]。整合分析表明，生物炭增加了微生物生物量，长期低速率添加生物炭会增加微生物多样性[51]。反硝化过程中N2O还原为N2过程由nosZ基因编码的N2O还原酶(N2OR)催化，生物炭添加增加了土壤中nosZ基因的丰度，进而增加了N2OR酶活性，同时增加生物固氮nifH丰度，从而减少了N2O的排放[2,13]。Aamer等[4]也证实在酸性土壤中，生物炭通过增加亚硝酸盐还原酶基因(nosZ和nirK)丰度和增加土壤pH(从5.48升至6.11)以缓解N2O的释放。

3 堆肥处理土壤施用生物炭的N2O减排潜力

堆肥是一种废物处理技术，但在堆肥的制备和施用过程中，土壤和环境中可能会产生一些负面影响[19,24,52]。例如，牛饲养场粪肥堆肥的生产会排放大量的温室气体(如N2O等)[19]。通过促进土壤硝化和反硝化作用，各种肥料(猪粪、家禽粪便和农家粪便)及其堆肥也可能增加土壤N2O的排放[52]。Rochette等[53]研究表明施用液态和固态堆肥比合成肥料在更长的时期内导致更多的N2O排放。近些年来，提出了使用生物炭作为堆肥的填充剂来解决堆肥在环境方面的折衷的新方法[19,54]。

相比生物炭或堆肥单一处理，其两者混合处理在一定程度上减少了土壤N2O的排放(约56.5%)[24]。生物炭-鸡粪堆肥抑制了N2O的细菌硝化和/或硝化菌的反硝化，通过控制土壤有机碳的稳定和微生物功能基因(nirK)的活性，从而大大减少了土壤N2O的排放[24]。另一研究也表明生物炭改良剂可显著减少粪肥堆肥产生的N2O排放达54.1%，这主要归因于抑制了反硝化细菌的nirK基因丰度[54]。如，Agegnehu等[55]在热带地区开展研究发现，相比生物炭和堆肥单独处理，生物炭-堆肥处理显著地降低了N2O的排放。生物炭与有机肥堆肥显著改善了土壤性质，进而影响土壤肥力和作物产量，改善植物生理生态参数(如，叶绿素、叶面氮、叶面磷等)，同时影响温室气体的排放。该研究结果为探索可促进土壤碳固存并减少N2O排放的混合原料生物炭提供了理论依据。

4 生物炭对植物生产力的影响

5 研究展望

近年来，生物炭在土壤中的应用已成为固碳和改善土壤质量的一种策略，也是为数不多的具有可持续发展共同效益的温室气体减排技术之一。综合考虑环境、农业和经济利益，生物炭和N2O排放的研究应进行更系统和长期的研究，进一步的开展研究建议如下：

1)建立生物炭特性数据库。生物炭特性受其原料、热解温度和类型(快、慢)的深刻影响，应探索更为丰富生产过程的生物炭。了解初始原料特性如何影响到生物炭特性。生物炭原料研究从农林废弃物、畜牧废弃物扩展到工业(纸浆、甘蔗渣)和城市污、水污泥等，以确保生物炭的应用功效。为了促进信息共享并避免工作重复，可建立一个生物炭特性数据库[61]。将不同种类原料的生物炭的不同热解条件(如，预处理、温度、加热速率和反应器类型)在统计上与生物炭特性联系起来[61]。基于此数据库，用户可以通过简单输入原料类型和生产条件来查找生物炭特性，通过预测生物炭特性，为估算生物炭减排农业土壤N2O提供参考依据。

2)系统性的加强生物炭在N2O减排潜力的估算。大多数研究在生物炭对土壤性质、N2O排放等提供了相关的见解，但在减排机制和精确估算方面还缺乏系统的研究。特别是对生物炭何时、如何改变以及为什么改变土壤氮转化过程等还缺乏相应的理解，使农业生态系统N2O减排仍是一项艰巨的挑战。因此，迫切需要进一步加强农业土壤N2O排放研究及相关的标准监测方法的制定，为农业土壤N2O排放的估算和减排提供数据支撑，量化生物炭施用后每一种减排机制对减少N2O排放总量的贡献。集中精确探讨：生物炭在减少土壤N2O排放的贡献率；生物炭与植物的相互作用，对作物生产力影响如何？最终提出生物炭在农业生态系统土壤“固氮减排”的应用。

3)开展长期野外田间试验。已有关于生物炭的研究多来自于实验室或温室控制试验，生物炭在小罐或小柱中的性能可能与不同土壤和环境条件下的田间试验不同。在野外田间试验中，由于生物炭特性、试验条件和土壤性质不同，以及生物炭和土壤会受到长期风化，致使野外田间试验和室内控制研究结果存在差异。此外，现有研究多是短期的研究结果，生物炭减缓农业生态系统土壤N2O排放的研究需进行长期的研究，以便更好地了解生物炭在施用后如何随着时间的推移产生的影响，因此长期野外田间试验显得尤为重要。此外，生物炭老化对生物炭减缓N2O排放的能力的影响也需要进一步研究。已有研究发现在土壤中老化3年后，生物炭对土壤N2O排放的影响有所降低[17]。生物炭的确切使用寿命及其长期影响尚不清楚，导致生物炭缓解N2O排放能力丧失的原因有待进一步探索。

致谢

感谢江西省水利科学院谢颂华教授、郑海金教授和江西省红壤研究所黄欠如研究员、成艳红研究员的支持与帮助。