生物炭減緩農業生態系統土壤N2O排放的研究進展

沈芳芳 羅昌泰 廖迎春 房煥英 周際海 沈發興 袁穎紅*

(1.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，南昌 330029；2.江西省退化生態系統修復與流域生態水文重點實驗室，南昌 330099；3.重要生物資源保護與利用研究安徽省省級重點實驗室，安徽 蕪湖 241000)

由溫室氣體如CO2、N2O、CH4等排放增加引起的氣候變化是人類長期面臨的巨大威脅。2019年舉行的聯合國氣候行動峰會提倡在未來10年內將溫室氣體排放量減少45%，到2050年實現“凈零排放”。土壤作為溫室氣體的重要源和匯，對溫室效應的影響不容忽視。農田土壤是重要的溫室氣體排放源，農業活動在溫室氣體的人為排放總量中占據重要部分[1-2]。

據世界氣象組織(World Meteorological Organization)報告：大氣中N2O的含量已經從19世紀工業革命前的270 ppb增加到了2017年的329.9 ppb[1]。中國是N2O排放大國(占全球排放量的31%)，印度和美國分別居第二和第三[2]。N2O是一種長壽命溫室氣體，百年內的增溫潛勢大約是CO2的298倍，并導致平流層臭氧的破壞[3-4]。土壤作為最大的N2O排放源，約占總排放量的70%[5]，年N2O-N排放量約為13 Tg，其中人類活動通過在農業中施用氮肥每年貢獻了7 Tg[6]。農業約占全球人為N2O排放量的60%，農業土壤，特別是熱帶和酸性土壤，是大氣N2O增加的主要來源[2,7]。農業管理措施如施用化肥和有機肥等能顯著影響農田土壤N2O的排放。其中，農業N2O排放多是由于肥料用量的增加，相當一部分氮肥通過微生物過程(主要是硝化和反硝化)轉化為N2O[8]。聯合國糧食及農業組織(FAO)預計到2030年農業源排放進入大氣中的N2O可能會增加35%～60%。因此，減少土壤N2O的排放任務緊迫[1]。

已有研究表明，生物炭用來減少土壤N2O的排放[4,5,8]。生物炭是一種難降解的富含C的穩定固體材料，是有機材料在限氧的環境中經過熱化學轉化產生，由于其具抗分解特性及對養分動力學的影響，多被利用作為土壤改良劑[9-11]。生物炭作為調節土壤氮循環和減少氮排放的潛力得到廣泛關注，國內外相繼開展了大量的有關生物炭減少農業生態系統土壤N2O排放研究和應用。為進一步厘清生物炭在減緩農業生態系統土壤N2O排放的作用和機制，本研究擬以CNKI、Springer、Wiley和Science Direct數據庫為依據，以“生物炭”、“農業生態系統”、“N2O排放”為關鍵詞，搜索2008—2021年的相關文獻，并從土壤N2O產生途徑、生物炭對土壤N2O排放的影響和減緩土壤N2O排放的機制等方面，以及對有機堆肥處理土壤施用生物炭的N2O減排潛力等相關研究進行綜述總結和剖析，并對未來的研究提出展望，以期為減緩土壤N2O排放及氣候變化提供參考。

1 土壤N2O的產生途徑

N2O可由許多不同的微生物協同產生，與N2O產生有關的微生物功能基因主要集中在氨氧化細菌和氨氧化古菌的amoA基因、硝化酶(nas、nirB)、亞硝酸鹽還原酶基因(nirK、nirS)、氧化亞氮還原酶(nosZ)基因[18]。一般認為，N2O排放與反硝化過程中的基因(nirK、nirS、nosZ、napA、narG)相關，這些功能基因成為溫室氣體通量潛力的關鍵指標[13,19]。

2 生物炭對土壤N2O排放的影響及減排機制

2.1 生物炭對土壤N2O排放的影響

生物炭對土壤N2O排放的影響取決于生物炭特性與土壤性質兩者之間的相互作用。盡管越來越多的證據表明，向土壤中添加生物炭可以影響N2O排放速率，但生物炭添加對土壤N2O排放影響的結論不一(表1)。

多數研究認為生物炭有利于減少土壤N2O的排放[20-23]。在整合分析2007—2013年發表的相關生物炭文獻(觀測試驗數量n=933)的研究中發現，無論是田間試驗還是室內試驗，生物炭平均可減少54%±6%土壤N2O排放[17]。Cayuela等[24]通過進一步研究發現生物炭降低49%±5%土壤N2O排放，對比區分了室內培養和野外試驗條件下的N2O排放降幅分別為54%±5%和28%±16%。程效義等[25]研究發現，棕壤玉米旱田中添加秸稈生物炭(20 t/hm2)能降低21.76%土壤N2O的排放量。生物炭對不同類型(沙土、淤泥、壤土和黏土)土壤的N2O減排效果以壤土最明顯[19]，減排量可達32%[26]。室內培養試驗表明，小麥秸稈生物炭顯著降低黑鈣土N2O排放，降幅可達55%～96%[27]。對比不同生物炭施入量對N2O減排的效果發現，小麥秸稈生物炭(20和40 t/ha施入鈣質壤土后，N2O排放量分別減少了10.7%和71.8%[28]，相比氮肥處理，減少了31%[29]。隨著生物炭添加量的增加，土壤N2O排放量減少幅度增加，當生物炭添加量為40 t/ha時效果達到最大[19]。通過對比生物炭對酸性和堿性土壤N2O排放的影響，發現玉米芯生物炭可降低酸性土壤N2O排放的26.9%，橄欖果肉生物炭可降低酸性土壤68.4%及堿性土壤34.3%[42]。稻草生物炭(2%)改善酸性土壤可以通過提高土壤pH值及nosZ和nirK基因豐度來控制土壤N2O的排放，降幅達70%[2]。據估計，土壤添加生物炭有可能使溫室氣體年排放量減少12%[21]，甚至更多[19]。

此外，極個別研究表明生物炭添加對土壤N2O通量沒有影響[33-35]。對于有機碳含量低(≤5 g/kg)的土壤，生物炭對土壤N2O排放的影響較小且不顯著，這是因為異養過程可用碳量很少，增加了低有機碳土壤的硝化作用[19]。由糞便制成或在低于350 ℃溫度下熱解的生物炭對土壤N2O排放的減少作用微不足道，這歸因于生物炭較弱的芳族環結構和較低的表面積，較低的導電能力和較少的表面官能團[19]。生物炭的施用不會影響短時期(2年)火山灰土的N2O累積排放量，這與火山灰具有較高的pH緩沖能力和總陽離子交換量有關[32]。

總之，生物炭對土壤N2O排放影響取決于研究區土壤和氣候條件、試驗條件(室內/野外)及持續時間、生物炭類型(物料來源)、施用量及熱解條件等[17,20,28]。生物炭具有減緩土壤N2O排放的潛力，其中生物炭類型、生物炭添加量和氣候帶是影響生物炭對土壤N2O排放影響的重要調控因素，且野外試驗中生物炭對N2O的減排效果常低于室內控制試驗。

2.2 生物炭減緩土壤N2O排放的機制

多數研究將研究焦點集中于生物炭如何降低土壤N2O排放速率機理上。由于N2O產生途徑多而復雜且高度時空變異[20]，使得農業生態系統土壤N2O的減排具挑戰性。生物炭改良劑作為減少N2O的長期方法的適用性尚不確定。目前有關生物炭減緩土壤N2O排放的機制主要有以下2點(圖1)：

圖1 土壤N2O產生的可能途徑和生物炭對其減排的機制Fig.1 Potential pathways of N2O production and potential mechanisms of biochar effects on N2O emission in soil

1)生物炭理化性質的差異。生物炭生產條件(原料來源、熱解溫度、快慢類型等)的不同導致生物炭理化性質和結構的差異是生物炭影響土壤N2O排放的重要因素[20,36]。不同來源生物質不同組分的分解溫度不同，隨熱解溫度的升高，生物質組分(水分、纖維素、木質素和無機礦物等)依次被分解[36]；同時熱解過程中C和N的損失致使P、K、Ca、Mg等含量高于原料，且隨熱解溫度的提高而升高[36]。

生物炭的石灰效應。生物炭含有堿性物質，主要為表面有機官能團、碳酸鹽、有機陰離子和其他無機堿，并且具有較高的pH，可用作修正土壤酸度的改良劑[37]。生物炭的原料和熱解條件會影響生物炭的堿度：如豆科植物比非豆科植物生產的生物炭含有更高的堿度[38]；隨著熱解溫度的升高，生物炭的堿度增加，表現在碳酸鹽含量的增加[39]。

生物炭的化學結構。生物炭的H/C、O/C和(N+O)/C是表征生物炭芳香性、親水性和極性大小的重要指標，三者越高，分別表示芳香性越低、親水性越大和極性越大，與生物炭的穩定性和潛在吸附能力有關[36]。其中生物炭的H/C在減緩N2O排放的潛力發揮了重要作用，一般低H/C的生物炭往往具有更強的N2O減緩能力，相反，H/C越高，其減緩能力越弱，這是因為較低的H/C通常具有更高的聚合度和芳族環結構[24]。試驗進一步研究表明，H/C<0.3的生物炭提高氧化還原活性和吸附特性，能將N2O釋放量降低73%±7%，H/C>0.5的生物炭N2O降低了40%±16%[24]。

生物炭隨時間的老化。生物炭對土壤N2O排放的減緩能力還取決于生物炭在田間條件下的老化情況[31,40]。生物炭的性質會隨時間變化發生老化，如稠環結構的大小發生改變導致生物炭表面的官能團(羧基、羰基、羥基和酚基等)增加，表面積和孔體積的降低導致生物炭的吸附能力降低等[41]。隨著時間的推移，生物炭可能會失去其石灰效應，如老化過程中生物炭表面的氧化可能產生酸性或較低的土壤pH[20]。生物炭老化可能會影響分解后土壤有機碳的殘留率，研究表明，生物炭老化提高了微生物碳的利用效率，但減少了生物質周轉時間[41]。

氮的有效性是土壤N2O排放的主要驅動力[20]，而生物炭緩解N2O排放的有效性與其在土壤中占主導地位的N2O產生途徑有關[8]。由于反硝化作用是大多數土壤中產生N2O的主要過程，加入生物炭后可使土壤反硝化作用減弱從而減少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內唯一已知的能夠將N2O還原為N2的過程[17]。生物炭可以通過3種方式加速誘導土壤完全反硝化(即N2O還原為N2)作用，從而減少N2O的排放[19]：一是生物炭基質本身的B電子導體以及衍生的B電子穿梭來自生物炭表明的錕-氫錕官能團，可能促進電子向土壤反硝化微生物的轉移；二是生物炭的親水性及其與土壤微團聚體的相互作用，可以保護土壤微生物免于暴露氧氣中，從而進一步降低了N2O轉化的條件[14]；三是生物炭在某些情況下可能會增加N2O還原細菌的豐度，從而促進N2O還原的酶活性。在容易發生反硝化作用的土壤(通常是質地較好的壤土)中，生物炭對其N2O排放量具有較大的減排效果。相比而言，生物炭可以在亞熱帶和熱帶地區更大程度上減少土壤N2O排放，其次是溫帶地區[14]。這是因為該壤土的團聚體的孔隙比砂土或黏土多，從而使土壤中的水分保持更為緊密，有利于反硝化過程的厭氧微場所形成，這有助于生物炭通過調節反硝化過程來減少土壤N2O排放[19]。Case等[21]研究發現，在施肥砂壤土中，添加生物炭可抑制91%土壤累積N2O量，其中累計反硝化量減少了37%，占土壤N2O排放的85%～95%。

土壤pH被證明是區域范圍內N2O排放差異的主要調控因子[47]。生物炭本身具有較高的pH可以改善土壤酸度和增加土壤pH緩沖能力來抑制改良酸性土壤的再酸化[37]。硝化和反硝化對N2O排放的關系并不直接，但土壤pH對這兩個過程的氮轉化比率有影響，如，當反硝化占優勢時，pH較高的土壤中N2O排放會降低，而硝化占優勢時，pH較高的土壤中N2O排放則會增加[32]。因此，通過在最佳范圍內增加土壤pH來改變硝化和反硝化的N2O產物比率對于減少農業土壤N2O排放具有實際意義。

生物炭對土壤N2O通量的影響與土壤氮轉化途徑高度相互作用[14]，而該過程受土壤水分控制[19]。當土壤處于相對較低的水分條件(<80%孔隙含水量WFPS)時，硝化作用是產生N2O的主要途徑，生物炭往往會因硝化作用的增加而刺激土壤N2O排放；相反，當土壤處于高濕條件(WFPS>80%)時，反硝化作用是產生N2O的主要途徑，生物炭則傾向于減少土壤N2O的排放[19]；在土壤水條件飽和時，添加生物炭的土壤N2O排放可能會增加，特別是在酸性并富含礦質氮的稻田土中施用生物炭可以增強硝化作用，土壤pH的增加可以進一步刺激硝化作用，從而導致生物炭添加后土壤N2O排放量的增加[32]。在淹水階段或重新潤濕土壤中，生物炭具有更強的N2O減排效果[24]。研究進一步表明，生物炭添加通過間接影響土壤水分含量(20%～50%)和植物氮吸收而影響土壤N2O的排放[28]。通過對比土壤粗砂、細砂和粉砂的保水特性，生物炭在粗砂中表現出更大的優勢，其植物可利用性水分含量增加了45%[48]。

研究表明生物炭與微生物之間的相互作用調控土壤N2O排放。生物炭改變了控制N2O產生的土壤微生物特性，如微生物量、群落組成和活性及功能基因的豐度[2,15,51]。整合分析表明，生物炭增加了微生物生物量，長期低速率添加生物炭會增加微生物多樣性[51]。反硝化過程中N2O還原為N2過程由nosZ基因編碼的N2O還原酶(N2OR)催化，生物炭添加增加了土壤中nosZ基因的豐度，進而增加了N2OR酶活性，同時增加生物固氮nifH豐度，從而減少了N2O的排放[2,13]。Aamer等[4]也證實在酸性土壤中，生物炭通過增加亞硝酸鹽還原酶基因(nosZ和nirK)豐度和增加土壤pH(從5.48升至6.11)以緩解N2O的釋放。

3 堆肥處理土壤施用生物炭的N2O減排潛力

堆肥是一種廢物處理技術，但在堆肥的制備和施用過程中，土壤和環境中可能會產生一些負面影響[19,24,52]。例如，牛飼養場糞肥堆肥的生產會排放大量的溫室氣體(如N2O等)[19]。通過促進土壤硝化和反硝化作用，各種肥料(豬糞、家禽糞便和農家糞便)及其堆肥也可能增加土壤N2O的排放[52]。Rochette等[53]研究表明施用液態和固態堆肥比合成肥料在更長的時期內導致更多的N2O排放。近些年來，提出了使用生物炭作為堆肥的填充劑來解決堆肥在環境方面的折衷的新方法[19,54]。

相比生物炭或堆肥單一處理，其兩者混合處理在一定程度上減少了土壤N2O的排放(約56.5%)[24]。生物炭-雞糞堆肥抑制了N2O的細菌硝化和/或硝化菌的反硝化，通過控制土壤有機碳的穩定和微生物功能基因(nirK)的活性，從而大大減少了土壤N2O的排放[24]。另一研究也表明生物炭改良劑可顯著減少糞肥堆肥產生的N2O排放達54.1%，這主要歸因于抑制了反硝化細菌的nirK基因豐度[54]。如，Agegnehu等[55]在熱帶地區開展研究發現，相比生物炭和堆肥單獨處理，生物炭-堆肥處理顯著地降低了N2O的排放。生物炭與有機肥堆肥顯著改善了土壤性質，進而影響土壤肥力和作物產量，改善植物生理生態參數(如，葉綠素、葉面氮、葉面磷等)，同時影響溫室氣體的排放。該研究結果為探索可促進土壤碳固存并減少N2O排放的混合原料生物炭提供了理論依據。

4 生物炭對植物生產力的影響

5 研究展望

近年來，生物炭在土壤中的應用已成為固碳和改善土壤質量的一種策略，也是為數不多的具有可持續發展共同效益的溫室氣體減排技術之一。綜合考慮環境、農業和經濟利益，生物炭和N2O排放的研究應進行更系統和長期的研究，進一步的開展研究建議如下：

1)建立生物炭特性數據庫。生物炭特性受其原料、熱解溫度和類型(快、慢)的深刻影響，應探索更為豐富生產過程的生物炭。了解初始原料特性如何影響到生物炭特性。生物炭原料研究從農林廢棄物、畜牧廢棄物擴展到工業(紙漿、甘蔗渣)和城市污、水污泥等，以確保生物炭的應用功效。為了促進信息共享并避免工作重復，可建立一個生物炭特性數據庫[61]。將不同種類原料的生物炭的不同熱解條件(如，預處理、溫度、加熱速率和反應器類型)在統計上與生物炭特性聯系起來[61]?；诖藬祿?，用戶可以通過簡單輸入原料類型和生產條件來查找生物炭特性，通過預測生物炭特性，為估算生物炭減排農業土壤N2O提供參考依據。

2)系統性的加強生物炭在N2O減排潛力的估算。大多數研究在生物炭對土壤性質、N2O排放等提供了相關的見解，但在減排機制和精確估算方面還缺乏系統的研究。特別是對生物炭何時、如何改變以及為什么改變土壤氮轉化過程等還缺乏相應的理解，使農業生態系統N2O減排仍是一項艱巨的挑戰。因此，迫切需要進一步加強農業土壤N2O排放研究及相關的標準監測方法的制定，為農業土壤N2O排放的估算和減排提供數據支撐，量化生物炭施用后每一種減排機制對減少N2O排放總量的貢獻。集中精確探討：生物炭在減少土壤N2O排放的貢獻率；生物炭與植物的相互作用，對作物生產力影響如何？最終提出生物炭在農業生態系統土壤“固氮減排”的應用。

3)開展長期野外田間試驗。已有關于生物炭的研究多來自于實驗室或溫室控制試驗，生物炭在小罐或小柱中的性能可能與不同土壤和環境條件下的田間試驗不同。在野外田間試驗中，由于生物炭特性、試驗條件和土壤性質不同，以及生物炭和土壤會受到長期風化，致使野外田間試驗和室內控制研究結果存在差異。此外，現有研究多是短期的研究結果，生物炭減緩農業生態系統土壤N2O排放的研究需進行長期的研究，以便更好地了解生物炭在施用后如何隨著時間的推移產生的影響，因此長期野外田間試驗顯得尤為重要。此外，生物炭老化對生物炭減緩N2O排放的能力的影響也需要進一步研究。已有研究發現在土壤中老化3年后，生物炭對土壤N2O排放的影響有所降低[17]。生物炭的確切使用壽命及其長期影響尚不清楚，導致生物炭緩解N2O排放能力喪失的原因有待進一步探索。

致謝

感謝江西省水利科學院謝頌華教授、鄭海金教授和江西省紅壤研究所黃欠如研究員、成艷紅研究員的支持與幫助。