油茶壳及凋落叶生物质炭对土壤温室气体排放的影响

2022-11-04罗来聪赖晓琴李爱新王佰慧方海富王书丽

江西农业大学学报 2022年5期

罗来聪，白健，高宇，赖晓琴，李爱新，王佰慧，方海富，王书丽，张令

（江西农业大学林学院/江西省森林培育重点实验室，江西南昌 330045）

【研究意义】近年来，大气温室气体浓度逐年增加，全球变暖现象日益严峻，对农业生产造成了巨大影响[1]。二氧化碳（CO2）是大气中含量最高的温室气体，它对于全球气候变暖的贡献率高达55%[2]。土壤是地球表层最大的碳库，其碳储量超过地球总碳储量的三分之二，并不断排放CO2，增加大气CO2浓度。土壤CO2年排放量远高于化石燃料燃烧和工业排放总量，其微小变化将显著影响大气CO2浓度[3]。氧化亚氮（N2O）是仅次于CO2和甲烷（CH4）的第三大温室气体[4]，其100年增温潜势是CO2的265倍[5]，可以在大气中存留150年之久[6]，长期参与大气氮循环，并破坏臭氧（O3）层，导致紫外线更容易到达地面，加剧温室效应[7]。据统计，每年排放到大气中的N2O 约有三分之二来自土壤[8]，而施氮肥土壤N2O 排放贡献最高[9]。因此，土壤温室气体减排对缓解气候变化意义重大。【前人研究进展】生物质炭是指生物质在低氧或缺氧条件下，经过高温热解所形成的一种富含碳元素的固态物质[10-11]，由于生物质炭的芳香结构和长期滞留于土壤的能力，其具有长期固碳潜力[12-13]，和增汇减排等积极作用[10]。因此，生物质炭施用是缓解全球气候变化，增强土壤固碳能力的强有力措施[14]。我国南方土壤呈酸性，而生物质炭呈碱性，其表面含有丰富的碳酸盐和含氧官能团，能够与土壤中的H+结合，有效改良酸性土壤。生物质炭有两个潜在的效益，减缓气候变化和改善土壤肥力[15]。一般而言，不同种类生物质炭对土壤净温室气体排放具有显著不同的影响[15-18]。不同种类的生物质炭结构组成和理化性质会有差异，其对土壤温室气体的排放也会造成不同的影响[19]。【本研究切入点】油茶（Camellia oleifera）是世界四大木本油料树种之一，主要分布在我国南方亚热带地区，是我国重要的木本油料树种[20]。油茶产业产生大量油茶壳，且每年有大量凋落叶，凋落叶和油茶壳被丢弃造成资源浪费。本研究选用油茶凋落叶和油茶壳为原材料制备生物质炭，施用于油茶林土壤，即实现矿质养分归还，同时有利于资源化利用产业副产品，提高土壤质量。有关油茶产业副产品资源化利用的研究报道较少[21]，尤其是油茶经营中聚铝凋落叶持续输入潜在促进土壤酸化尚未引起重视。采用制备生物质炭的方式归还土壤可能同时实现酸化土壤改良以及温室气体减排等双重效果。【拟解决的关键问题】通过施用油茶凋落叶和油茶壳生物质炭，研究不同生物质炭处理下，油茶林土壤性质及土壤温室气体N2O和CO2排放响应。研究结果将对油茶有机废弃物循环利用、有效缓解全球气候变暖、改良土壤理化性质提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验土壤取自江西省九江市永修县油茶林基地（28°57′22″N，115°39′55″E），该区域属于亚热带季风气候，温暖湿润，光照充足，年平均温度17.4 ℃，年降水量1 300～1 600 mm，土壤为典型红壤。采集油茶林0～20 cm 土层土壤，去除石块、动植物残体等杂物，2 mm 过筛。一部分土壤进行风干处理，另一部分4 ℃保存备用。

1.2 生物质炭

油茶凋落叶和油茶壳为油茶副产品，资源丰富，利用不充分，可用来加工生物质炭。将收集来的油茶凋落叶和油茶壳洗净、风干，分别粉碎，装入坩埚，并置于马弗炉，在600 ℃无氧条件下隔绝空气高温裂解形成生物质炭，作为供试材料。

1.3 室内培养

通过室内培养研究氮添加和生物质炭处理对土壤N2O 和CO2排放情况的影响。该试验共设置6 个处理：空白处理（CK）、施加油茶凋落叶生物质炭（B1）、施加油茶壳生物质炭（B2）、施加氮肥（N）、施加氮肥和油茶凋落叶生物质炭（N+B1）、施加氮肥和油茶壳生物质炭（N+B2）。每个处理4 个重复，共24 个锥形瓶。另准备6批和上述相同处理的土壤共6×24=144个塑料瓶，将它们放入培养箱，用来测量土壤pH、铵态氮和硝态氮含量。试验中每个锥形瓶装入相当于25 g 烘干土重的鲜土，采用硝酸钾作为试验外加氮源，施加量为200 mg/kg，生物质炭施加量为烘干土重的3%，即每个锥形瓶添加0.75 g。

将相当于25 g烘干土的新鲜土放置在150 mL的锥形瓶中，向锥形瓶中加入去离子水，使土壤水分维持在60%WFPS，将锥形瓶覆上保鲜膜，并在膜上扎一些小孔，保证土壤正常呼吸。在25 ℃的培养箱中避光预培养2 d，随后再正式培养61 d。培养期间定期向锥形瓶中加入适量去离子水，使得锥形瓶中土壤水分始终维持在60%WFPS。

1.4 样品的采集与测定

1.4.1 样品的采集在培养的第1，3，6，10，12，15，18，22，29，34，42，48，51，55，61 天对锥形瓶进行气体采集。采样时间固定在每天09：00—11：00，具体操作为：首先用鼓风机对每个锥形瓶进行通风，随后塞上橡胶塞密封锥形瓶，用注射器向锥形瓶中注入40 mL的新鲜空气，均匀抽拉10次，取出相同体积气体，关闭三通阀，将锥形瓶放入培养箱中培养2 h，抽出40 mL气体[22]。在培养的第1，10，18，22，29，61天取出单独培养的土样进行土壤铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）和pH测定。

1.4.2 样品的测定用气相色谱仪（安捷伦7890 B）进行N2O 和CO2浓度测定。利用气体样品浓度随时间变化规律计算气体平均排放速率[23]。

式（1）中，F 是土壤N2O[ng/（g·h）]或CO2[μg/（g·h）]的排放速率；P 是标准状态下的大气压，Pa；V 是密闭锥形瓶的空余体积，m3；Δc 是N2O，ng/g 或CO2，μg/g 的浓度变化；Δt 是样品培养前后间隔的时间，h；R 为普适气体常数，8.314 J/（mol·K）；T 为绝对温度，K；m 为锥形瓶中土壤的质量，g；M 是N2O 或CO2的相对分子质量[21]。

土壤铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）含量的测定[24]：浸提液为2 mol/L 的KCl 溶液，滤液用Smart Chem 200全自动间断化学分析仪测定（Westco Scientific Instruments，Brookfield，CT，USA）。土壤pH 值的测定[24]：土水比为1∶2.5，采用pH 计测定（LE438 pH，METTER TOLEDO，上海）。土壤可溶性有机碳（DOC）的测定[25]∶土水比1∶5，振荡后用0.45 μm 滤膜抽滤，滤液用Elementar VarioTOC 仪测定。土壤与生物质炭基本理化性质见表1。

表1 试验材料基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of test materials

1.5 数据分析

采用Excel 2010进行数据处理，使用JMP 9.0（SAS Institute，Cary，NC，USA）软件进行方差分析。采用方差分析研究pH、NH4+-N、NO3--N、N2O 排放速率、CO2排放速率对氮添加、不同生物质炭及其相互作用的响应，采样时间作为随机效应。采用Origin 2018软件绘图，图中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 土壤N2O排放速率变化情况

研究初期土壤N2O 排放速率较低，到培养中期，土壤N2O 排放速率逐渐升高并达到峰值，之后逐渐降低，到最后阶段稍有回升，最后降低达到平稳状态（图1A）。不同生物质炭处理的土壤N2O 排放速率在排放高峰时存在差异（图1A）。

土壤N2O 排放速率逐渐升高，到培养20 d 左右达到峰值，之后逐渐降低，到培养后期CK 和B2 处理土壤N2O 排放速率有所回升，最后降低达到平稳状态（图1B）。不同生物质炭处理土壤N2O 排放速率在排放高峰时存在显著差异（图1B）。

在未施氮条件下，生物质炭处理降低了土壤N2O 排放速率的峰值（图1A）；施氮条件下，生物质炭处理增加了土壤N2O 排放速率的峰值（图1B）。

图1 不同生物质炭处理对土壤N2O排放速率的动态变化Fig.1 Temporal dynamics of soil N2O emission rate under different biochar treatments

2.2 土壤CO2排放速率变化情况

各处理土壤CO2排放速率总体呈逐渐下降的趋势，在培养前期，土壤CO2排放速率较高，随着培养时间的进行，土壤CO2排放速率逐渐降低（图2A）。在培养前期，不同生物质炭处理土壤CO2排放速率存在显著差异（图2A）。添加生物质炭处理显著提高了土壤CO2排放速率，其中添加B2 处理对土壤CO2排放速率增加效果最显著（图2A）。施氮条件下，各处理间土壤CO2排放速率动态变化趋势与未施氮条件下土壤CO2排放速率动态变化趋势基本相同。施氮明显降低了土壤CO2排放速率的峰值（图2A和图2B）。

图2 不同生物质炭处理对土壤CO2排放速率的动态变化Fig.2 Temporal dynamics of soil CO2 emission rate under different biochar treatments

2.3 不同处理对土壤pH、铵态氮、硝态氮含量的影响

氮处理对土壤pH、NH4+-N和NO3--N含量有极显著影响。生物质炭处理对土壤pH有极显著影响，对NH4+-N和NO3--N含量影响不显著（表2）。生物质炭和氮交互对土壤pH、NH4+-N、NO3--N含量影响均不显著（表2）。时间随机效应对土壤NH4+-N和NO3--N含量有极显著影响，对土壤pH影响不显著（表2）。

表2 不同处理与土壤pH、铵态氮、硝态氮含量的关系Tab.2 Relationship between different treatments and soil pH，NH4+-N，NO3--N content

添加生物质炭后，土壤pH 显著提高，其中添加B1 处理土壤pH 显著高于B2 处理（图3A）。与CK 相比，B1和B2处理土壤pH提高了35.74%和24.46%（图3A）。

土壤NH4+-N 含量均有所降低，其中添加B1 处理土壤NH4+-N 含量最低（图3B）。与CK 相比，B1 和B2处理土壤NH4+-N含量降低了30.88%和15.64%（图3B）。

B1 处理后，土壤NO3--N 含量有所降低，B2 处理后，土壤NO3--N 含量有微量增加（图3C）。与CK 相比，B1处理土壤NO3--N含量降低了8.79%，B2处理增加了2.05%（图3C）。

图3 不同处理对土壤pH、铵态氮和硝态氮含量的影响Fig.3 Effects of different treatments on soil pH，Ammonium Nitrogen and Nitrate Nitrogen content

2.4 土壤气体排放速率与影响因子的关系

氮处理对土壤N2O 和CO2排放速率均有极显著影响。生物质炭处理对土壤N2O 排放速率有显著影响，对土壤CO2排放速率有极显著影响（表3）。氮处理和生物质炭交互对土壤N2O 排放速率影响不显著，对土壤CO2排放速率有极显著影响（表3）。时间随机效应对土壤N2O 和CO2排放速率均有极显著影响（表3）。

表3 不同处理与土壤N2O排放速率、CO2排放速率的关系Tab.3 Relationship between different treatments and N2O and CO2 emission rate of soil

施N 处理相比于CK 处理显著提高了土壤N2O 排放速率（图4A）。不同生物质炭处理土壤N2O 排放速率不同，B1处理显著降低了土壤N2O排放速率，B2处理也降低了土壤N2O排放速率，但与B1处理相比B2处理的减排效果不显著（图4A）。与CK相比，N和N+B2处理土壤N2O排放速率分别增加了62.08%和75.05%（图4A）；B1、N+B1和B2处理土壤N2O排放速率分别减少了42.71%、4.19%、7.66%（图4A）。

施N 后土壤CO2排放速率均有所降低，但除了N+B2处理对土壤CO2排放速率抑制效果显著外，其他处理施氮后的抑制效果均不显著（图4B）。施用生物质炭处理后，土壤CO2排放速率均有所增加，不同生物质炭处理土壤CO2排放速率不同，油茶壳处理对土壤CO2排放速率影响最显著，油茶凋落叶处理也显著增加了土壤CO2排放速率（图4B）。与CK 相比，N 处理土壤CO2排放速率减少了14.58%（图4B）。B1、N+B1、B2、N+B2处理土壤CO2排放速率增加了38.82%、37.76%、85.70%、21.11%（图4B）。

图4 不同处理对土壤N2O和CO2排放速率的影响Fig.4 Effects of different treatments on N2O and CO2 emission rate of soil

N2O排放速率与NO3--N含量呈显著正相关关系，与CO2排放速率呈显著负相关关系，与pH和NH4+-N含量不相关（表4）。CO2排放速率与pH呈显著正相关关系，与NO3--N含量呈显著负相关关系，与NH4+-N含量不相关。pH与NO3--N和NH4+-N含量呈显著负相关关系（表4）。NO3--N与NH4+-N含量呈显著正相关关系（表4）。

表4 土壤温室气体排放与土壤理化性质因子的相关性Tab.4 Correlation between soil greenhouse gas emission and soil physical and chemical properties

3 讨论

3.1 生物质炭施用对土壤pH的影响

油茶凋落叶和油茶壳生物质炭均提高了油茶林地土壤pH，其中油茶凋落叶生物质炭对土壤pH 的提高效果要强于油茶壳生物质炭。这可能是因为油茶凋落叶生物质炭表面的含氧官能团比油茶壳生物炭多，对土壤中铝离子的结合能力更强，能够更有效地缓解土壤酸化，提高土壤pH。张水清等[26]对4 种类型的土壤施加生物质炭后发现，4种类型土壤pH均得到了显著提高，这与本试验结果相一致。生物质炭提高土壤pH 有两种机理。一种是生物质炭的表面富含许多碱基离子[27]，可以与土壤中H+结合，从而提高酸性土壤pH。另一种是生物质炭由于其特殊的结构组成，表面含有大量含氧官能团（如：-COO-和-O-等），它们可以与土壤中的交换性阳离子（尤其是铝离子）结合，提高土壤阳离子交换量，减少土壤中铝离子含量，从而降低土壤中H+含量[28]。近年来油茶林地土壤酸化严重，土壤中铝离子含量较多，向土壤中施加生物质炭可以使得土壤中的铝离子与生物质炭表面官能团结合形成配合物或螯合物[29]，减轻阳离子的水解作用，有效改良油茶林地土壤pH。

3.2 生物质炭施用对土壤N2O排放的影响

本研究结果表明，生物质炭显著降低了油茶林土壤N2O 排放速率，其中油茶凋落叶生物质炭处理土壤N2O排放速率显著低于油茶壳生物质炭处理。生物质炭对土壤N2O减排方面的研究较多，本试验与孙贇等[2]和Deng 等[22]的研究结果相一致。土壤N2O 排放过程主要受硝化和反硝化作用控制，NH4+-N 和NO3--N 作为这一过程重要的反应物和中间产物，其含量变化将显著影响土壤N2O 排放速率。生物质炭因其孔隙结构发达，具有较强的吸附能力，可以吸收土壤中NH4+-N和NO3--N，它可以提高土壤硝化作用的速率[30]，将更多的NH4+-N 转化为NO3--N[31]，导致硝化作用的底物NH4+-N 含量减少，从而降低土壤N2O的排放速率[32-33]。此外，施加生物质炭可以提高土壤pH；土壤pH 对于调控土壤温室气体排放起着关键作用[34-35]，在一定范围内，随着pH 升高，土壤无机氮含量减少[36]，土壤N2O 还原酶活性提高[32,34]，促进了反硝化过程中N2O 向N2的转化，降低了土壤N2O 排放速率。本研究结果表明，油茶凋落叶生物质炭对土壤pH 的提高效果显著高于油茶壳生物质炭；这表明与油茶壳生物质炭相比，油茶凋落叶生物质炭处理土壤中N2O 还原酶活性更高，从而导致土壤N2O 排放速率更低。生物质炭中的有机质含量通常较高，将生物质炭施用至土壤可改变土壤中无机碳含量，影响土壤固氮能力[37]。生物质炭可以增加土壤中有效碳含量，对微生物的生长起到刺激作用，进而影响土壤中反硝化作用的进行[38]。本试验相关性分析结果表明，土壤N2O 排放速率与NO3--N 含量呈显著正相关关系，N2O 排放速率会随着NO3--N 含量的减少而降低。Rogovska 等[39]在试验中发现，向土壤中施加生物质炭后土壤通气性得到了改善，增加了土壤中的氧气含量，抑制了反硝化作用过程中厌氧菌的活性，降低了土壤N2O排放量[24]。

3.3 生物质炭施用对土壤CO2排放的影响

本研究结果表明，油茶凋落叶和油茶壳生物质炭显著增加了土壤CO2排放速率，其中，在未施氮条件下，油茶壳生物质炭处理土壤CO2排放速率显著高于油茶凋落叶生物质炭。许多研究表明，生物质炭会提高土壤CO2排放量[41-43]，但也有部分研究发现，生物质炭只能在短期内促进土壤CO2排放，随着时间的推移，生物质炭对土壤CO2排放量无显著影响[40,44]。土壤中释放的CO2主要源自于土壤和生物质炭中有机质分解的结果，向土壤中施加生物质炭相当于向土壤中输送有机碳的过程。孟雨田等[45]研究表明，向黑土中施用生物质炭可以显著提高土壤总有机碳含量，土壤总有机碳含量的增加将会导致土壤CO2排放速率加快。生物质炭通过改良土壤pH，进而影响有机质分解速率[46]，其原因可能是酸化土壤pH 的改良可提高土壤微生物活性，进而提高土壤呼吸速率[47]。此外，土壤微生物能够优先利用生物质炭中的易降解组分，产生“正激发效应”[48]，促进土壤有机碳的分解，增强土壤呼吸速率。在培养试验中，由于培养初期可溶性有机碳的分解速度较快，导致土壤CO2排放速率很高，随着培养时间的进行，土壤中有机碳含量不断减少，加上生物质炭对土壤碳素的吸附作用，土壤CO2排放速率会逐渐降低并趋于稳定[48-49]。油茶壳生物质炭中的DOC 含量明显高于油茶凋落叶生物质炭，因此油茶壳生物质炭处理下土壤CO2排放速率显著高于施加油茶凋落叶生物质炭。生物质炭也可以改善土壤的微环境，提高土壤微生物的活性，促进土壤呼吸[50]，是一种优良的土壤改良剂。