生物質(zhì)炭對農(nóng)田N2O排放及氮素淋失的影響研究進(jìn)展

馬浩+郭華

摘要 生物質(zhì)炭作為環(huán)境友好型材料，具有高度穩(wěn)定性和較強(qiáng)的吸附性能，施入土壤后能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，增強(qiáng)生物固氮能力，還可減少溫室氣體的排放，農(nóng)田土壤添加生物質(zhì)炭會間接或直接對土壤氮素物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響。本文從生物質(zhì)炭的特性出發(fā)，概述了生物質(zhì)炭的固氮機(jī)理、生物質(zhì)炭的輸入對農(nóng)田N2O排放以及氮素淋溶的影響，對研究中存在的問題進(jìn)行分析，并提出展望。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)炭；農(nóng)田土壤；N2O排放；氮素淋失；研究進(jìn)展

中圖分類號 X505；S156 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）19-0168-02

Abstract As a kind of environmentally friendly material，biochar has a high degree of stability and strong adsorption property. Applying into the soil，the biochar can improve the soil structure，improve soil fertility，enhance biological nitrogen fixation capacity，but also reduce gas emissions of greenhouse. Added biochar into farmland soil will indirectly or directly affect soil nitrogen conversion. Started from the characteristics of biochar，the nitrogen fixation mechanism of biochar and the effect of biochar input on N2O emission and nitrogen leaching in farmland were summarized in this paper. The problems were analyzed，and the prospect were put forward in the study.

Key words biochar；farmland soil；N2O emission；nitrogen leaching；research progress

N2O是重要的溫室氣體之一，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動是導(dǎo)致N2O排放的主要原因。據(jù)IPCC第四次全球氣候評估報告指出，農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的N2O排放總量占全球人為活動N2O排放量的60%[1]。農(nóng)田土壤N2O產(chǎn)生的最主要原因是氮肥施入[2]。研究表明，施肥農(nóng)田土壤每年釋放的N2O量達(dá)330萬t，土壤N2O的排放量與氮肥施用量呈線形關(guān)系，施用肥料的種類同樣也會對農(nóng)田土壤N2O排放產(chǎn)生影響[3-4]。我國是農(nóng)業(yè)大國，也是人口大國，為滿足日益增長的人口對糧食的需求，保證產(chǎn)量的穩(wěn)定及持續(xù)增長，越來越多氮肥被施用，這也必將導(dǎo)致因N2O大量排放和氮素淋溶流失而引起的一系列環(huán)境問題[5]，進(jìn)而對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成危害。

生物質(zhì)炭是指各種生物質(zhì)（作物秸稈、木材、糞便、樹枝等）在缺氧或無氧條件下經(jīng)高溫（300 ℃≤T≤700 ℃）熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化、富含炭素的固態(tài)物質(zhì)，具有高度穩(wěn)定性[6]。生物質(zhì)炭屬于黑碳（black carbon）范疇，因其自身具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和表面豐富的活性官能團(tuán)，已成為農(nóng)田溫室氣體減排措施的熱點[7]。研究發(fā)現(xiàn)[8-10]，農(nóng)田土壤添加生物質(zhì)炭后，可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長以及提高產(chǎn)量；通過改變土壤理化性質(zhì)進(jìn)而影響土壤微生物群落的組成，提高生物固氮能力，提高氮肥利用率；還可以增強(qiáng)土壤對氮素的持留，減少氮素的淋溶損失以及N2O溫室氣體的排放[11]。

1 生物質(zhì)炭的理化特性

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在高溫條件下炭化熱解后殘留的固態(tài)物質(zhì)，元素組成包括碳、氫、氧、氮、硫、鉀、鈣、鎂以及少量的微量元素，其中碳元素的含量有60%以上[12]。在熱解過程中，溫度對生物質(zhì)炭的碳、氫、氧、氮元素含量的影響規(guī)律基本相同，表現(xiàn)為碳元素含量與熱解溫度成正相關(guān)關(guān)系，氫、氧、氮元素含量與熱解溫度成負(fù)相關(guān)關(guān)系[13]，且生物質(zhì)的pH值與熱解溫度也表現(xiàn)為線性相關(guān)[14]。生物質(zhì)炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和大的比表面積等物理特征，且比表面積隨熱解溫度的升高而增加[15]，施入土壤有利于增加土壤孔隙度、降低土壤容重、改善微生物生境以及提高土壤的保水性能。此外，生物質(zhì)炭還具有良好的吸附特性、酸堿的緩沖能力以及較高的陽離子交換能力。

最早關(guān)于生物質(zhì)炭的研究發(fā)現(xiàn)是在亞馬遜地區(qū)原始農(nóng)業(yè)所形成的特殊黑土（Terra Preta）中的生物質(zhì)炭，該黑土中天然形成的生物質(zhì)炭已在土壤中封存上千年之久，而人工制成的生物質(zhì)炭通過田間及室內(nèi)試驗也被證實在土壤中的周轉(zhuǎn)時間可達(dá)數(shù)百至千年不等[16]，生物質(zhì)炭的芳香烴結(jié)構(gòu)被視為生物質(zhì)炭具有高度穩(wěn)定性的主要原因之一[17]。一方面，生物質(zhì)炭具有生物、化學(xué)和熱穩(wěn)定性的特性，不易被土壤微生物所分解；另一方面，生物質(zhì)炭具有較高的C/N，施入土壤后，被認(rèn)為是穩(wěn)定的碳匯，有利于促進(jìn)碳庫的形成[18]。生物質(zhì)炭在制備過程中受多種因素的影響，包括生物質(zhì)炭原材料本身的性質(zhì)、熱解溫度、升溫速率、熱解時間、含氧量、反應(yīng)器、后處理等，其中生物質(zhì)原材料和熱解溫度被認(rèn)為是影響生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)和特性最重要的兩大因素[19]。

2 生物質(zhì)炭的固氮減排機(jī)制

生物質(zhì)炭施入土壤會間接或直接對土壤氮素循環(huán)產(chǎn)生影響，其固氮減排機(jī)制是由生物質(zhì)炭本身的特性所決定。

2.1 生物質(zhì)炭的直接作用

農(nóng)田土壤施用生物質(zhì)炭后，一方面生物質(zhì)炭具有較大的比表面積和豐富的含氧官能團(tuán)，通過吸附作用能夠?qū)⑼寥廊芤褐械臒o機(jī)氮素束縛持留[7]；另一方面，生物質(zhì)炭本身含有大量元素和微量元素，豐富的營養(yǎng)元素會直接影響土壤氮素循環(huán)功能微生物的群落關(guān)系及其功能多樣性和活性，促進(jìn)土壤的生物固氮以及抑制土壤反硝化作用的發(fā)生[20]。

2.2 生物質(zhì)炭的間接作用

生物質(zhì)炭本身疏松多孔的特性，施入土壤后會影響土壤孔隙度、容重，改善土壤通氣性，通過改善耕層土壤生境影響耕層微生物活性，進(jìn)而影響可溶性硝酸鹽向含氮氣體的轉(zhuǎn)化，有利于減少農(nóng)田N2O溫室氣體的排放[5]。

3 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤N2O排放的影響

N2O是最重要的溫室氣體之一，農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體N2O產(chǎn)生的主要原因是土壤反硝化作用[20]。反硝化作用是指在缺氧條件下，硝酸鹽被硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶、NO還原酶和N2O還原酶的連續(xù)催化轉(zhuǎn)化為可溶性亞硝酸鹽，最終以含氮氣體形式排放到大氣中的過程。目前，農(nóng)田土壤施入生物質(zhì)炭對N2O排放影響的研究結(jié)果并無統(tǒng)一結(jié)論，一部分研究認(rèn)為，添加生物質(zhì)炭能夠減少土壤N2O的排放，但也有研究表明，生物質(zhì)炭的添加對土壤N2O排放無影響，相反甚至?xí)龠M(jìn)N2O排放。Zhang等[9]通過玉米田間試驗研究表示，當(dāng)添加20、40 t/hm2生物質(zhì)炭為后，N2O的排放量分別降低了10.7%、41.8%，主要因為生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)改善了土壤通氣狀況，降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度，抑制了厭氧條件下氮素微生物的反硝化作用，從而減少了氮氧化物的形成和排放。農(nóng)田土壤含水率同樣會對N2O的排放產(chǎn)生影響。Saarnio等[21]在同等植被覆蓋條件下，當(dāng)表層土壤水分為20%～30%時，添加生物質(zhì)炭降低了N2O的排放，而表土水分為40%～50%時，添加生物質(zhì)炭增加了N2O的排放。土壤質(zhì)地通常能夠決定土壤孔隙度和透水性等土壤基本理化特征，并在一定程度上影響土壤含水率，進(jìn)而對N2O排放產(chǎn)生影響。劉連杰等[22]通過在不同質(zhì)地土壤的培養(yǎng)試驗研究表明，N2O排放量表現(xiàn)為黏質(zhì)土壤 >黏壤土>黏砂土>砂質(zhì)土；且不同培養(yǎng)深度條件下，壤質(zhì)土壤的N2O排放量明顯高于砂質(zhì)土壤。也有研究認(rèn)為，土壤N2O排放量隨土壤pH值升高而增加[23]。總之，生物質(zhì)炭降低農(nóng)田土壤N2O排放的機(jī)理尚未完全清楚，不同生物質(zhì)炭材料、制備條件、土壤含水率、土壤質(zhì)地以及土壤pH都會對N2O的排放產(chǎn)生影響。

4 生物質(zhì)炭對土壤氮素淋溶的影響

氮素是農(nóng)作物生長必需的營養(yǎng)元素，農(nóng)田施用氮肥是我國農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的主要措施，也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本要素。隨著全球氣候變化加劇，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨糧食穩(wěn)產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境安全的雙重壓力，氮肥的大量施用不僅造成氮肥低效利用，同時化肥氮素的損失通過地表徑流和土體淋溶進(jìn)入土壤、水體，不僅造成河流湖泊等地表水嚴(yán)重的富營養(yǎng)化，污染地下水，也會對農(nóng)田土壤的肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響。據(jù)統(tǒng)計，目前我國氮肥的平均利用率僅為30%～35%，浪費現(xiàn)象嚴(yán)重。已有大量試驗研究[6，9，20]表明，農(nóng)田土壤施入生物質(zhì)炭，能夠有效降低土壤中無機(jī)氮素的淋失量，提高土壤對氮素的固持能力和農(nóng)作物的氮肥利用率，有效緩解面源污染。Lehmann J等[15]研究發(fā)現(xiàn)，與單施肥料處理相比較，生物質(zhì)炭與肥力配施有助于提高土壤的吸附能力和氮肥的利用率，減少了氮素的損失。劉玉學(xué)等[24]通過室內(nèi)土柱淋溶試驗研究結(jié)果表明，與對照相比，施加生物質(zhì)炭可使土柱20 cm層土壤溶液NH4+-N累積淋失量在70 d內(nèi)降低15.2%，可有效降低土柱0～20 cm土壤溶液NH4+-N濃度，生物質(zhì)炭對土壤中的銨態(tài)氮有良好的持留作用。李美璇等[25]也得到相似的研究結(jié)果。

生物質(zhì)炭對土壤固氮能力的影響效果也與生物質(zhì)炭的炭化溫度有關(guān)，不同原材料制備的生物質(zhì)炭對土壤固氮的影響也不相同。劉瑋晶等[26]以秸稈和稻殼為生物質(zhì)原材料，通過比較2種溫度炭化形成的生物質(zhì)炭的固氮效果，研究發(fā)現(xiàn)，500 ℃制備得到的生物質(zhì)炭固氮效果優(yōu)于300 ℃的生物質(zhì)炭，且施加秸稈炭土壤的固持氮素能力優(yōu)于施加稻殼炭的土壤。但也有研究認(rèn)為添加生物質(zhì)炭會增加土壤氮素淋失量，這主要與生物質(zhì)炭的施用量有關(guān)[5]，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量較高時會抑制氮素的淋失，而較低的生物質(zhì)炭施用量會促進(jìn)氮素的淋失。

5 展望

農(nóng)田氮肥過量施用帶來的土壤N2O溫室氣體大量排放以及引發(fā)的一系列面源污染等環(huán)境問題已是不爭的事實，如何在保證農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上，將對環(huán)境帶來的風(fēng)險降到最低是目前研究的重點。生物質(zhì)炭作為一種新的固氮減排技術(shù)在科學(xué)研究領(lǐng)域受到高度重視，為農(nóng)田固氮減排提供了一種新的可能。

生物質(zhì)炭對土壤生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)起到不可忽視的作用，一定程度上能夠有效抑制溫室氣體排放和氮素的淋溶損失。但由于不同地區(qū)土壤環(huán)境的差異、農(nóng)田種植模式不同以及制備生物質(zhì)炭條件的差異，不同學(xué)者的研究結(jié)果也不盡相同。此外，微生物在土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中起主導(dǎo)作用，土壤溫度、孔隙度、含水量、pH值以及C/N都會對微生物的活性產(chǎn)生影響，生物質(zhì)炭施入土壤會改變微生物生境，從而影響土壤氮循環(huán)過程?，F(xiàn)有研究主要集中在土壤溫室氣體排放、氮素淋溶流失等方面。因此，仍有諸多問題需要進(jìn)一步研究探討。

現(xiàn)有關(guān)于生物質(zhì)炭多為短期試驗，且以室內(nèi)培養(yǎng)模擬試驗研究居多，不能真實反映田間實際情況，需要進(jìn)行長期定位試驗研究；生物炭在土壤中的降解過程尚不清楚，截至目前，人們對土壤微生物在生物炭降解中的作用還知之甚少，有待進(jìn)一步研究；另外，生物質(zhì)炭能夠長期固存在土壤中，有必要對可能帶來的潛在環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行研究。

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