生物炭對土壤團(tuán)聚體及結(jié)合態(tài)碳庫影響研究進(jìn)展

張磊 柳璇 韓俊杰 商麗麗 邱鵬飛 林祖軍 辛國勝

摘要：生物炭是生物有機(jī)材料在缺氧環(huán)境中經(jīng)熱裂解后的芳香化難溶的固體產(chǎn)物，大多為粉狀顆粒，屬于黑炭的一種。生物炭不僅調(diào)節(jié)土壤活性，增強(qiáng)土壤吸附能力，還增加了土壤的貯碳功能。本文綜述了生物炭的理化特性及其對土壤團(tuán)聚體、結(jié)合態(tài)碳庫影響的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：生物炭； 土壤團(tuán)聚體； 結(jié)合態(tài)碳庫

中圖分類號：S141.6文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2016）09-0157-05

AbstractBiochar is an aromatized refractory solid product from bioorganic materials by thermal cracking in hypoxia environment. It is a kind of black char with and mostly powder particles. Biochar can not only act as active soil conditioners to enhance soil adsorption properties， but also promote the soil carbon storage function. The physical and chemical properties of biochar were summerized in this paper， and also the research progresses of its influences on soil aggregate and combined state of carbon sinks.

KeywordsBiochar；Soil aggregate；Combined state of carbon sinks

近一個世紀(jì)以來全球氣溫不斷攀升，人們普遍認(rèn)為大氣中CO2、CH4 等溫室氣體的增加是造成全球氣溫上升的主要原因[1]。生物炭的農(nóng)田施用為如何遏制或減少溫室氣體的排放量提供了新的解決思路，被科研界視為是增加土壤碳儲量的主要措施[2]。土壤碳（C）庫作為土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）庫的重要組分，在陸地碳循環(huán)中起重要作用[3]。土壤主要通過物理保護(hù)、化學(xué)保護(hù)以及生物化學(xué)保護(hù)三個方面完成其對有機(jī)質(zhì)庫的保護(hù)[4，5]。因此，由土壤團(tuán)聚體物理保護(hù)引起的生物與有機(jī)碳的空間隔離是構(gòu)成土壤碳穩(wěn)定化的重要機(jī)制之一[6]。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)[7]，它的形成與土壤顆粒有機(jī)質(zhì)（particulate organic matter， POM）是密不可分的，土壤團(tuán)聚體為POM的存在提供場所，后者則是前者存在的膠結(jié)物質(zhì)[8]。因此，土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳能夠指示土壤中總有機(jī)碳的變化[9]。當(dāng)生物炭進(jìn)入土壤環(huán)境以后，是增加土壤碳的儲存還是促進(jìn)土壤碳的釋放，是提高還是降低團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，這些問題尚存有爭議[10，11]。有研究顯示，施用生物炭在短期內(nèi)能實(shí)現(xiàn)固碳減排目標(biāo)，并且在連續(xù)兩年內(nèi)具有穩(wěn)定的持續(xù)性[12，13]。也有人對此持否定態(tài)度，認(rèn)為生物炭施用提高了有機(jī)質(zhì)的分解速率，從而降低了土壤碳的儲存[14]。

1生物炭的發(fā)展及其理化性質(zhì)

巴西亞馬遜河流域出現(xiàn)的一種Terra Preta土壤，該土壤含碳量異常豐富、呈現(xiàn)黑色，也被人稱之為黑土。1879年，赫伯特·史密斯進(jìn)一步揭示了黑土提高甘蔗和煙草等農(nóng)作物產(chǎn)量的原因是黑土中含有豐富的生物炭[15]，從而激發(fā)了科研工作者對生物炭研究的興趣。研究表明，普通土壤的生產(chǎn)力遠(yuǎn)低于附有生物炭土壤的生產(chǎn)力。生物炭能穩(wěn)定留存在土壤中[16-19]，對農(nóng)田溫室氣體排放、土壤酸堿環(huán)境、農(nóng)藥及化學(xué)品殘留等農(nóng)業(yè)有機(jī)污染等不良環(huán)境具有改良、修復(fù)和緩解作用[20-22]。這一發(fā)現(xiàn)又激發(fā)起了人們研究利用生物炭增加農(nóng)田土壤碳截留、應(yīng)對全球變暖新對策的熱情。因而，生物炭也有了“黑色黃金”的美稱。

生物炭是指生物有機(jī)材料（生物質(zhì)）在低氧或缺氧環(huán)境中經(jīng)熱裂解后的芳香化難溶的固體產(chǎn)物[23]，大多為多孔粉狀顆粒，2007年在澳大利亞第一屆國際生物炭會議上取得統(tǒng)一命名，主要施用于農(nóng)林業(yè)土壤[24]。常見的生物炭有秸稈炭、木炭、花生殼炭等。

生物炭的組成元素主要為碳、氫、氧等，其中碳含量高達(dá)60% 以上，其次是鉀、鈣、鈉、鎂、磷、硅等[25]；主要物質(zhì)組成為烷烴和芳香烴化合物[26]，并具有生物化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[27]。生物炭的結(jié)構(gòu)和比表面積等理化性質(zhì)除了受原料、技術(shù)工藝的影響，還與熱解環(huán)境等有關(guān)系。有學(xué)者通過對生物質(zhì)熱解進(jìn)行研究顯示，隨著溫度的升高，比表面積及孔徑增大，表面積增大以及生物炭的芳構(gòu)化程度加深[28]，導(dǎo)致生物炭具有較強(qiáng)的吸附能力。因此，生物炭不僅可以充當(dāng)土壤活性調(diào)理劑，能增加土壤吸附性能，保水、保肥，促進(jìn)作物生長，同時還可以促進(jìn)土壤的貯碳功能[29]。雖然生物炭不是惰性物質(zhì)，但是它具有較強(qiáng)的抗分解能力，當(dāng)其進(jìn)入土壤系統(tǒng)后，生物炭可以留存數(shù)千年以上[30]，這是生物炭具有“碳封存”功能、充分還田改土并具有可持續(xù)和累積發(fā)揮作用的基礎(chǔ)[31]。隨著生物炭進(jìn)入土壤后保存時間的延長，O和H含量有逐漸增加的趨勢，但是黑炭的C含量逐漸下降，而丟失的C正是進(jìn)入了土壤中[12]。因此，在一定時限范圍內(nèi)，生物炭應(yīng)該可以作為一個潛在的穩(wěn)定的土壤有機(jī)碳庫，真正實(shí)現(xiàn)碳封存。

2施用生物炭對土壤團(tuán)聚體及其結(jié)合碳庫的影響 土壤團(tuán)聚體是單個土粒和有機(jī)無機(jī)物質(zhì)膠結(jié)等因素的作用下形成具有近似球形較疏松多孔的小土團(tuán)，直徑在0.25～10 mm之間，具有較高的穩(wěn)定性[32]。土壤團(tuán)聚體形狀和大小各異，是形成土壤良好結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有高度復(fù)雜的空間分布與組成，通常被人們劃分為大團(tuán)聚體（>0.25 mm）和微團(tuán)聚體（<0.25 mm）[33]。土壤團(tuán)聚體的形成是土粒通過各種自然過程和人類活動綜合作用的一個結(jié)果[34]，其形成不僅取決于土壤的耕作措施，也與有機(jī)膠結(jié)劑的作用密切相關(guān)。早在20世紀(jì)初，涌現(xiàn)出很多強(qiáng)調(diào)有機(jī)碳作用的團(tuán)聚體形成模型。其中 Tisdall 和 Oades[35]提出團(tuán)聚體等級發(fā)育理論模型，間接表明團(tuán)聚體是連續(xù)形成的，微團(tuán)聚體是形成大團(tuán)聚體的物質(zhì)基礎(chǔ)，并于 1984 年進(jìn)一步證實(shí)大團(tuán)聚體是微團(tuán)聚體形成后在根系和菌絲的纏繞作用下形成的。然而，Elliott[36]提出的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為應(yīng)該首先形成大團(tuán)聚體，之后在大團(tuán)聚體內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)顆粒周圍形成微團(tuán)聚體。Six 等[5]研究認(rèn)為較高層次的大團(tuán)聚體是較低層次的團(tuán)聚體加有機(jī)物等膠結(jié)而形成的，有機(jī)碳含量隨著團(tuán)聚體粒徑的增大而增加，大團(tuán)聚體比小團(tuán)聚體含有更多的有機(jī)物。由此可看出，土壤顆粒的團(tuán)聚是生命和非生命物質(zhì)共同作用的結(jié)果，團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)是保持土壤結(jié)構(gòu)和肥力的基礎(chǔ)，二者相互作用，不可分割，前者是后者存在的場所，后者是前者存在的膠結(jié)物質(zhì)[8]。

作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，土壤團(tuán)聚體對 SOM 的物理保護(hù)作用可作為土壤 C 穩(wěn)定化的重要組成部分[4]，具體途徑可分為三種：（Ⅰ）在微生物、微生物酶和底物間存在空間間隔，影響其發(fā)生反應(yīng)的速率；（Ⅱ）影響食物鏈的分布，控制食物網(wǎng)的相互作用；（Ⅲ）改變微生物活性并影響其周轉(zhuǎn)速率[36]。通過團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用還可以降低土壤微生物對其自身分解的風(fēng)險，從而保持團(tuán)聚體的穩(wěn)定[37]。研究表明：生物炭可與土壤顆粒形成團(tuán)聚體和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，生物炭有利于團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[38，39]，同時生物炭也在團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用下得到長期固持。施用生物炭雖然會降低耕層土壤容重，但增加了耕層土壤陽離子交換量、土壤碳氮的含量等[40，41]；有學(xué)者研究生物炭對土壤抗破碎性及團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，顯示生物炭不能像其他有機(jī)物料一樣提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[42]。另外，人們在生物炭對土壤團(tuán)聚體碳庫的影響研究上存在分歧。Brodowski 等[10]對施用生物炭的土壤團(tuán)聚體進(jìn)行研究，認(rèn)為黑炭比其他土壤有機(jī)碳組分更容易嵌入土壤微團(tuán)聚體中從而保護(hù)土壤有機(jī)質(zhì)不被分解，從而有利于團(tuán)聚體的穩(wěn)定，并發(fā)現(xiàn)<0.053 mm 粒級土壤團(tuán)聚體中黑炭濃度最高。但有學(xué)者提出該粒級占全土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小是導(dǎo)致該粒級黑炭含量最低的原因，而2.00～0.25 mm 粒級土壤中黑炭含量則最高[43]。

3施用生物炭對不同有機(jī)碳組分的影響

作為土壤有機(jī)質(zhì)庫的重要組成部分，土壤有機(jī)碳的固持對改善土壤質(zhì)量以及緩解全球溫室效應(yīng)具有重要意義。適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)管理措施可以提高農(nóng)田土壤固持大氣中CO2的潛力，有研究表明，長期采用合理的農(nóng)業(yè)管理措施，如秸稈還田不但可以提高土壤有機(jī)碳的輸入量，還能降低土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解，是增加土壤碳儲量的有效方式。土壤有機(jī)碳根據(jù)其在土壤結(jié)構(gòu)的分布和功能可以分為不同的碳庫[44]：游離態(tài)的輕組有機(jī)質(zhì)（light fraction， LF）、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)（intra-aggregate POM， iPOM ）、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)重組有機(jī)質(zhì)（heavy fraction， HF）。

生物炭可以產(chǎn)生碳負(fù)性（carbon negative），即植物殘體制成生物炭施用土壤后，殘體重新釋放到大氣的碳量僅是原有截獲量的一部分，將碳長時間的截留于土壤[19]。生物炭作為土壤惰性碳庫的重要組成部分，在土壤碳循環(huán)中有著重要地位[45]。生物炭施用到土壤是否存在一種激發(fā)效應(yīng)（priming effect），即活性碳源進(jìn)入土壤系統(tǒng)后會促進(jìn)還是抑制原有有機(jī)質(zhì)的分解。目前相關(guān)報道意見不一。研究顯示，施用生物炭會降低土壤總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳的含量[46]，同時施用生物炭也會促使土壤微生物活性[47]，顯著提高土壤微生物量碳水平[40]。另有研究表明，生物炭富含的有機(jī)碳能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量水平[48]。

馬莉等[49]通過盆栽試驗(yàn)表明，生物炭的激發(fā)效應(yīng)與其本身的制作過程有關(guān)，但是它們都對有機(jī)碳的礦化起了促進(jìn)作用，并因此而提高了土壤生產(chǎn)力。研究顯示，施用生物質(zhì)炭可顯著增加土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性，但長期或高量施用生物質(zhì)炭可能會增加土壤有機(jī)質(zhì)的礦化率[12，50]。陳紅霞等[51]對連續(xù)3年施用生物炭的華北平原農(nóng)田土壤進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，施用生物炭顯著增加了0～7 cm 和 7.5～15 cm 土層的 POM-C 濃度。由于土壤表層團(tuán)聚體中游離的輕組物質(zhì)含量一般高于次表層，并且游離態(tài)輕組顆粒轉(zhuǎn)化時間短，一般只有幾周到幾十年，所以被認(rèn)為是土壤中易分解的C庫。輕組土壤含碳量較高，大約是土壤有機(jī) C總量的15%～32%[4]，導(dǎo)致輕組碳比全碳更能反映由于土地利用變化導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)損失的敏感程度，所以也經(jīng)常被視為是反映土壤有機(jī)碳庫和土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)[41]。

4展望

近年來，國內(nèi)外關(guān)于生物炭研究迅猛發(fā)展，基本性質(zhì)及生物與非生物氧化方面已經(jīng)開展了一些研究并取得了初步成果[52-54]，但仍有許多問題有待我們進(jìn)一步思考和研究。（1）基于田間的長期定位試驗(yàn)，開展生物炭對大田土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響研究較少，生物炭在土壤碳循環(huán)過程的長期效應(yīng)及其在溫室氣體排放領(lǐng)域發(fā)揮的作用，還需要在大尺度、寬范圍、多領(lǐng)域的穩(wěn)定的、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來論證，進(jìn)而綜合分析、評估生物炭在固碳減排潛力、效益等發(fā)揮的作用及其前景。（2）生物質(zhì)炭輸入土壤后其形態(tài)變化、穩(wěn)定機(jī)理仍有待更多的、長期的試驗(yàn)研究來驗(yàn)證，生物炭對土壤碳庫影響的研究一般在肥力比較高的土壤中進(jìn)行，并且多為室內(nèi)培養(yǎng)或短期小區(qū)試驗(yàn)[40]，對土壤不同有機(jī)碳組分規(guī)律的影響研究不夠深入。因此，長期連續(xù)施用生物炭對于農(nóng)田土壤及環(huán)境變化影響的研究將是未來的重要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃耀.中國的溫室氣體排放、減排措施與對策[J].第四紀(jì)研究，2006（5）：722.

[2]Liang B Q， Lehmann J，Solomon D. Stability of biomass-derived black carbon in soils[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta， 2008，72（24）：6069-6078.

[3]杜章留.太行山前平原集約種植區(qū)保護(hù)性耕作下土壤質(zhì)量與碳氮固持機(jī)制研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[4]Christensen B T. Physical fractionation of soil and structural and functional complexity in organic matter turnover[J]. Eur. J. Soil Sci.， 2001，52：345-353.

[5]Six J， Conant R T， Paul E A， et al. Stabilization mechanisms of soil organic matter：implications for C-saturation of soils[J]. Plant and Soil，2002，241：155-176.

[6]劉滿強(qiáng)，胡鋒，陳小云.土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報，2007，27（6）： 2642-2649.

[7]文倩，關(guān)欣.土壤團(tuán)聚體形成的研究進(jìn)展[J].干旱區(qū)研究，2004，21（4）：434-438.

[8]劉中良，宇萬太.土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳研究進(jìn)展[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，19（2）： 447-455.

[9]姜學(xué)兵，李運(yùn)生，歐陽竹，等.免耕對土壤團(tuán)聚體特征以及有機(jī)碳儲量的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012，20（3）：270-278.

[10]Brodowski S， Amelung W， Haumaier L， et al. Morphological and chemical properties of black carbon in physical soil fractions as revealed by scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy[J]. Geoderma， 2005， 128： 116-129.

[11]黃超，劉麗君，章明奎.生物質(zhì)炭對紅壤性質(zhì)和黑麥草生長的影響[J].浙江大學(xué)學(xué)報（農(nóng)業(yè)生命科學(xué)版），2011，37（4）：439-445.

[12]章明奎，Walelign D B，唐紅娟.生物質(zhì)炭對土壤有機(jī)質(zhì)活性的影響[J].水土保持學(xué)報，2012，26（2）：127-137.

[13]張斌，劉曉雨，潘根興，等.