劉杰云，邱虎森，沈健林，湯　宏，王　聰

(1.宿州學院環(huán)境與測繪工程學院，安徽 宿州　234100；2.中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南 長沙　410125)

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不同生物質炭對稻田土壤CH4排放的影響研究進展

劉杰云1,2①，邱虎森2，沈健林2，湯宏2，王聰2

(1.宿州學院環(huán)境與測繪工程學院，安徽 宿州234100；2.中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南 長沙410125)

摘要：稻田是CH4的重要排放源，降低水稻土CH4排放對減緩全球氣候變化具有重要意義。生物質炭因其具有較強的穩(wěn)定性、吸附性和堿性等特性，在稻田CH4減排研究中受到廣泛關注。綜述了不同生物質和不同熱解溫度制成及不同孔隙結構的生物質炭對稻田土壤CH4排放的影響及其機制等方面的國內外研究進展。結果發(fā)現(xiàn)，不同生物質炭的性質有很大差異。不同生物質炭的添加，通過對稻田土壤的通氣性、可溶性有機碳含量、pH及水稻植株的不同作用來影響產甲烷菌和甲烷氧化菌的活性和豐度，進而影響CH4排放。此外，生物質炭對CH4排放的影響還與土壤類型有關。結合目前國內外生物質炭對CH4排放影響的研究現(xiàn)狀，提出了未來生物質炭在稻田CH4排放領域的研究方向，旨在為生物質炭在稻田CH4減排中的應用提供思路和參考。

關鍵詞：生物質炭；水稻土；CH4排放；生物質；熱解溫度

氣候變化是當今人類面臨的最嚴峻的全球環(huán)境問題之一。2009年哥本哈根會議之后,全球變暖這一議題受到了越來越多的關注,溫室氣體排放導致溫室效應加劇,全球氣溫升高,嚴重威脅了生態(tài)系統(tǒng)平衡和人類的生存發(fā)展[1]。CH4是大氣中重要的溫室氣體之一,其對溫室效應的功效僅次于CO2,在100 a尺度上,其單位質量的全球增溫潛勢(global warming potential,GWP)是CO2的25倍[2]33-38。但CH4在大氣中的滯留時間比CO2短,故減少CH4排放對減緩全球增溫趨勢要比減少CO2排放更為有效[3],因此CH4排放問題受到了廣泛關注。農田,尤其是稻田,是CH4排放的重要來源。據(jù)估計,農業(yè)活動中CH4排放量約占人類活動CH4排放量的52%[2]223,而稻田每年的CH4排放量約占人為因素引起的CH4排放量的20%[4]。因此,如何減少稻田CH4排放已成為國內外研究的焦點。

近年來,在眾多的CH4減排措施研究中,生物質炭因其特殊的性質而成為研究熱點[4]。生物質炭是指生物質在部分或者完全缺氧條件下經(jīng)熱解炭化產生的一類具有高度芳香化結構的難溶性有機物[5-6]。生物質炭含碳量高,穩(wěn)定性強,不易分解,具有巨大的表面積和孔隙度,吸附性強[7-8],這些性質都可能會影響土壤中CH4的排放?；诖?目前已經(jīng)有不少研究者開展了生物質炭添加對CH4排放影響效果的研究[5,9-13]。如將竹子和水稻秸稈制成的生物質炭添加到浙江地區(qū)稻土中,與對照相比,CH4排放降低51.1%～91.2%[5]。而在江蘇地區(qū)的水稻田中添加小麥秸稈制成的生物質炭,CH4排放較對照增加34%～41%[14]。由此可見,不同的生物質炭添加到不同土壤中,對CH4排放的影響效果也不盡相同。目前,針對不同生物質炭添加對農田CH4排放影響的進展研究還鮮見報道。筆者歸納了不同生物質炭(不同生物質、不同熱解溫度和不同孔隙結構)添加對稻田土壤CH4排放的影響及其機制的最新研究進展,旨在為生物質炭及CH4排放研究提供科學依據(jù)。

1不同生物質炭的性質差異

不同的生物質炭,其性質有很大差異。生物質種類不同,制備方式和條件參數(shù)不同,所制得的生物質炭的性質也不盡相同[15-16],如結構、表面化學性質、pH和養(yǎng)分含量等性質有很大差異[17-19]。有研究表明,生物質炭的性質主要取決于生物質材料的性質和制備條件(主要是熱解溫度)[20-21]。

生物質原料和熱解溫度對生物質炭的性質有很大影響。大多數(shù)研究表明,生物質炭中總碳含量及穩(wěn)定性碳含量隨著熱解溫度的升高而增加[22-24],但也有研究認為,生物質炭中碳含量隨著熱解溫度的增加而降低[25]。SUN等[16]的研究表明,胡桃木、甘蔗渣和竹子的pH值分別為5.8、6.0和6.6,經(jīng)熱解炭化后制成的生物質炭pH值均升高,分別為8.4、7.5和9.2,且其碳含量也有一定差異。生物質炭的pH與熱解溫度有很大關系,一般隨著熱解溫度的升高,生物質炭的pH也升高[26-27]。不同原料制成的生物質炭,其灰分含量也不同,如木頭制成的生物質炭w(灰分)一般都低于2%,而由橡膠輪胎制成的生物質炭的w(灰分)則均高于10%[28],一般生物質炭的堿性與其灰分含量有關,灰分含量越高,其堿性也越大[29]。此外,生物質炭中養(yǎng)分含量(如K、Ca、Mg和P等)也隨著熱解溫度的升高而增加[25]。

不同生物質炭的孔隙結構也有很大差異。有研究表明,當熱解溫度在300～900 ℃范圍內時,生物質炭的孔隙結構隨制備溫度的升高而增強[30],但隨著溫度的進一步升高而降低[31]。不同生物質原料制成的生物質炭,其孔隙結構也有所差異。如劉玉學[7]研究了稻稈炭和竹炭的孔隙結構,發(fā)現(xiàn)竹炭的總孔容大于秸稈炭,但其平均孔徑小于秸稈炭。生物質炭的孔隙結構可以吸附土壤中的水分、氣體及養(yǎng)分元素,且為微生物提供生存和繁殖場所[32]。

2不同生物質炭對CH4排放的影響及其機制

不同性質的生物質炭對CH4排放的影響也不盡相同[33-34]。CH4排放是CH4產生和氧化的共同作用結果,而這2個過程均是復雜的生物過程。有研究表明,生物質炭添加到水稻土中,會影響土壤中細菌的豐度、種群多樣性及種群結構[35]。不同性質的生物質炭可能對參與CH4產生或氧化的微生物有不同影響,因而對CH4排放的影響也不同[36]。

2.1不同原料制成的生物質炭對CH4排放的影響

由于性質不同,不同原料制成的生物質炭對CH4排放的影響也有差異。不同原料(主要是農業(yè)廢棄物,包括小麥、玉米、水稻等的秸稈,竹子,果樹木及生活垃圾等)及不用熱解溫度制成的生物質炭對水稻土CH4排放的影響見表1。由表1可知,大多數(shù)農業(yè)廢棄物制成的生物質炭均可降低或者不影響水稻土CH4的排放,只有極少部分研究是增加的。如將由竹子制成的生物質炭添加到水稻土中,CH4排放比對照降低約50%[5,37]。同樣,在亞熱帶地區(qū)典型的雙季稻田中,小麥秸稈制成的生物質炭添加處理CH4排放較對照降低約36%～81%[38-40]。而將玉米秸稈生物質炭添加到江蘇地區(qū)的水稻田中,卻并未影響CH4排放[41]。不同原料制成的生物質炭主要從以下4個方面影響CH4排放:

(1)生物質炭具有巨大的比表面積和孔隙度,將其添加到土壤可改善土壤通氣性[8],因而可影響CH4的產生和氧化。LIU等[38]的研究表明,將小麥秸稈生物質炭添加到亞熱帶麻沙泥雙季稻田中,其CH4排放量較對照顯著降低,末端限制性片段長度多態(tài)性技術(T-RLFP)分析發(fā)現(xiàn),與對照相比,小麥秸稈生物質炭處理的產甲烷菌群落結構豐度均顯著降低,且生物質炭也顯著改變了產甲烷菌的群落結構組成[40]。ZWIETEN等[36]認為,添加小麥秸稈生物質炭改善了水稻田土壤的通氣性,使土壤中溶解氧增加,從而抑制了產甲烷菌生長。而FENG等[9]的研究發(fā)現(xiàn),由于土壤通氣性的增加,與對照相比,玉米秸稈生物質炭添加處理水稻土中甲烷氧化菌豐度增加,CH4排放降低。

(2)生物質炭本身呈堿性[8,42],將其添加到土壤中可增加土壤pH,降低土壤酸度[27,43]。而CH4的產生和氧化均是復雜的生物過程,對pH的響應較為敏感,因此,不同生物質炭可通過改變土壤pH來影響產甲烷菌和甲烷氧化菌的活動,進而影響CH4排放。LIU等[5]將水稻秸稈生物質炭和竹子生物質炭添加到水稻土中,發(fā)現(xiàn)與對照相比,2種生物質炭處理CH4排放分別降低91.2%和51.1%,認為這可能主要歸因于生物質炭添加促使土壤pH增加,進而影響了產甲烷菌活性。水稻秸稈生物質炭對土壤pH的增加作用大于竹子生物質炭,DGGE-PCR技術分析結果也表明,生物質炭添加處理較對照降低了產甲烷菌活性,且秸稈生物質炭對產甲烷菌活性的抑制作用大于竹子生物質炭[5,44]。產甲烷菌的最適pH值范圍為6.5～7.5[45],pH過高或者過低,其活性都會降低。當生物質炭添加后的土壤pH處于產甲烷菌的適宜pH范圍內時,生物質炭添加可促進產甲烷菌活性的增強,則CH4排放增加;但當不處于產甲烷菌的適宜pH范圍時,則產甲烷菌活性降低,CH4排放降低[5]。此外,甲烷氧化菌活性受土壤pH的影響也較大,當土壤pH值在5.6～6.3范圍內時,甲烷氧化菌活性隨著pH的增加而增加[46]。因此,不同生物質炭添加可通過改變土壤pH來影響CH4的氧化。不同土壤對生物質炭的這種響應也不同。如上所述,在浙江海寧地區(qū)的水稻土(pH值為8.6)中添加稻稈炭和竹炭,土壤pH增加,超出了產甲烷菌的適宜pH范圍,使得產甲烷菌活性降低[5],CH4排放降低;而在亞熱帶的麻沙泥水稻土(pH值為5.3)中添加生物質炭,土壤pH增加則促進了產甲烷菌的生長[40]。

表1不同原料和溫度制成的生物質炭對水稻土CH4排放的影響

Table 1Effects of biochars different in parent material and pyrolysis temperature on CH4emissions in paddy soil

生物質炭原料熱解溫度/℃土壤類型對CH4排放的影響備注文獻小麥秸稈500水耕人為水稻土增加34%～41%水稻田[14]500花崗巖母質發(fā)育的水稻土降低36%～81%雙季稻田,添加當季減排效果不顯著[38-40]500水耕人為土無顯著變化水稻-小麥輪作體系[13]500水耕人為土無顯著變化水稻-小麥輪作體系[47]550青紫泥降低39%室內水稻土培養(yǎng)[37]水稻秸稈600—降低91.2%水稻田[5]600黃松田無顯著變化水稻田[48]550青紫泥降低39%室內水稻土培養(yǎng)[37]玉米秸稈300始成土顯著降低室內水稻土培養(yǎng)[9]400—無顯著變化室內水稻土培養(yǎng)[9]500—顯著降低室內水稻土培養(yǎng)[9]300人為土顯著降低室內水稻土培養(yǎng)[9]400—無顯著變化室內水稻土培養(yǎng)[9]500—顯著降低室內水稻土培養(yǎng)[9]400始成土降低,但無顯著差異室內水稻土培養(yǎng)[41]400人為土降低,但無顯著差異室內水稻土培養(yǎng)[41]竹子600—降低51.1%水稻田[5]550青紫泥降低51%室內水稻土培養(yǎng)[37]生活垃圾600黃松田無顯著變化水稻田[48]果樹木700淹育型水稻土顯著降低室內水稻土培養(yǎng)[49]

“—”表示文獻中未交待。

(3)生物質炭可為微生物的生長提供碳源。生物質炭本身含碳量較高,其中一些可溶性有機碳可被微生物利用,故可增加產甲烷菌的豐度或活性。如在江蘇太湖地區(qū)的稻-麥輪作體系的水耕人為水稻土〔土壤有機碳(SOC)含量為24 g·kg-1〕中添加生物質炭,與對照相比,生物質炭處理CH4排放增加30.6%,ZHANG等[13]將其歸因于生物質炭中可溶性碳的投入。同樣,在江蘇和江西的水稻土(始成土和人為土SOC含量分別為7.5和3.25 g·kg-1)中添加玉米秸稈制成的生物質炭,與對照相比,生物質炭處理產甲烷菌豐度較對照增加[9],FENG等[9]也認為,生物質炭本身含有部分可溶性有機碳(DOC),可為產甲烷菌的生長提供能量。根據(jù)以上2種水稻土有機質含量可知,水耕性人為土SOC含量遠高于始成土和人為土,添加生物質炭后,多余的DOC不僅可供微生物生長利用,還可能會為CH4的產生提供底物。

(4)水稻植株在稻田CH4的產生、氧化及排放中具有重要的作用和意義。生物質炭可通過改良土壤理化性質來影響作物生長發(fā)育[7,50-51],如為植物生長提供所需的碳、氮等元素,改善土壤pH等,尤其是對養(yǎng)分貧瘠的土壤,其作用效果更明顯。如劉玉學[7]的研究表明將稻稈炭和竹炭添加到浙江海寧地區(qū)的水稻土中,都可促進水稻根系的生長、株高和產量的增加以及光合特性的改善,且稻稈炭的作用效果優(yōu)于竹炭,同時稻稈炭對CH4的減排效果也優(yōu)于竹炭,筆者認為生物質炭對作物的影響可能是促使CH4減排的一個原因,但此方面的研究還需要更多的試驗驗證。

值得注意的是,由表1可知,不但不同原料制成的生物質炭對CH4排放的影響不同,即使是同一種生物質炭添加到不同的水稻土中,對CH4排放的影響也不盡相同。如將同樣的水稻秸稈生物質炭添加到浙江省海寧地區(qū)水稻土中,與對照相比,生物質炭處理CH4排放降低91.2%[5],而同樣在浙江省海寧地區(qū)的青紫泥黃松田水稻土中添加水稻秸稈生物質炭,與對照相比,CH4排放并沒有顯著變化[48]。同樣的小麥秸稈制成的生物質炭,添加到亞熱帶典型雙季稻田中,可顯著降低CH4排放[38-39],但添加到太湖地區(qū)水耕人為水稻田中,與對照相比,CH4排放則顯著增加34%～41%[14],這種差異主要是由土壤類型的不同引起的。但有關此方面的研究還較少,需要更多的試驗驗證。

2.2不同溫度制成的生物質炭對CH4排放的影響

由于性質的不同,不同熱解溫度制成的生物質炭對CH4排放的影響也可能會存在差異。劉玉學等[48]的研究表明,將600 ℃條件下水稻秸稈制成的生物質炭添加到水稻土中,對CH4排放并沒有顯著影響,但在550 ℃條件下,水稻秸稈生物質炭處理CH4排放較對照降低39%[37]。同樣,將500 ℃條件下制成的小麥秸稈生物質炭添加到水耕人為水稻土中,與對照相比,CH4排放增加34%～41%[14],而將550 ℃條件下制成的生物質炭添加到青紫泥卻顯著降低CH4排放[37]。當然,這種差異也不完全是由于熱解溫度不同引起的,可能還與土壤類型有關,水耕人為水稻土pH值為6.5,添加生物質炭后pH值增加到6.7～6.9[14],有利于產甲烷菌(最適pH值范圍為6.5～7.5)活性的增強,而青紫泥水稻土pH值為5.7,添加生物質炭后,可能更有利于甲烷氧化菌(最適pH值范圍為5.6～6.3)活性的增強,且兩者的土壤有機質含量和容重也有較大差別,也可能會通過對生物質炭添加產生不同的響應來影響CH4排放。但FENG等[9]的研究發(fā)現(xiàn),400 ℃條件下玉米秸稈制成的生物質炭并沒有顯著影響水稻土CH4排放,而300和500 ℃條件下制成的生物質炭卻顯著降低CH4排放,說明不同熱解溫度的生物質炭在一定程度上會影響水稻土CH4的排放,但有關此方面的研究還需要更多的試驗支撐。

2.3不同孔隙結構的生物質炭對CH4排放的影響

不同孔隙結構的生物質炭對稻田土壤理化性質的影響有所不同,可能會導致對CH4排放的不同影響。根據(jù)生物質炭孔徑的大小,可分為大孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)3種,大孔可以影響土壤的通氣性和保水能力,而小孔則可以影響生物質炭對分子的吸附和轉移[8]。如劉玉學[7]的研究發(fā)現(xiàn),稻稈炭平均孔徑大于竹炭,而其微孔和介孔孔容均小于竹炭。因此,相對于竹炭而言,稻稈炭更有利于增加土壤通氣性,而其使得產甲烷菌活性的降低比竹炭更明顯。生物質炭的孔隙結構可通過以下途徑來影響水稻土CH4排放:(1)生物質炭的孔隙結構可增加土壤通氣性,影響產甲烷菌和甲烷氧化菌活性,這種作用在黏性較大的土壤中更為明顯;(2)生物質炭的孔隙結構可通過影響土壤的保水能力和降低土壤容重來影響水稻植株及根系生長[8],進而影響CH4排放;(3)如上所述,生物質炭的孔隙結構可作為微生物(包括產甲烷菌和甲烷氧化菌)的生存和繁殖場所;(4)生物質炭的孔隙結構可直接吸附土壤中DOC和CH4。在不同土壤中,生物質炭的不同孔隙結構的作用效果與土壤本身的性質也有很大關系,因此,在分析時應綜合考慮生物質炭和土壤的性質。

3結論及展望

生物質炭性質的不同對CH4排放的影響也不盡相同。不同生物質炭可通過對CH4的產生和氧化2個過程的不同作用來影響CH4排放。將不同生物質原料和熱解溫度制成及不同孔隙結構的生物質炭添加到水稻土中,可通過改善土壤理化性狀,如土壤通氣性、土壤pH,影響作物生長發(fā)育,以及增加土壤可溶性有機碳等,影響產甲烷菌和甲烷氧化菌的群落結構、豐度以及活性,從而影響CH4排放。

針對生物質炭添加對稻田土壤CH4排放的影響,今后需要進一步加強的研究方向主要有以下幾個方面:

(1)在我國典型水稻種植區(qū)開展生物質炭添加對CH4排放影響的機理性研究。目前有關生物質炭添加對水稻土CH4排放影響的機理性研究,尤其是分子生物學方面的研究還較少,因此,有必要借助我國已經(jīng)開展生物質炭對稻田溫室氣體排放影響研究的東部稻麥輪作區(qū)、中部雙季稻區(qū)的優(yōu)秀平臺,進行深入的機理性研究。

(2)針對主要的生物質類型及熱解溫度開展不同生物質炭對水稻土CH4排放的影響研究。雖然對此方面已有一些研究,但還不成系統(tǒng),且不夠全面。因此,可以考慮將不同生物質(主要包括小麥、水稻和玉米等的秸稈及竹子等農業(yè)廢棄物)或不同熱解溫度制成的生物質炭對同一土壤類型CH4排放影響進行對比,找出其中的主要影響因素。

(3)針對我國稻田的主要土壤類型開展生物質炭添加對CH4排放的影響研究。由于生物質炭添加到土壤中后,往往因土壤類型的不同而對土壤物理、化學和生物學性質產生不同影響,從而對CH4排放的影響也可能不同,因此有必要開展此方面的研究,為生物質炭在稻田土壤中CH4的減排應用提供理論基礎。

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(責任編輯： 李祥敏)

收稿日期：2015-06-09

基金項目：科技部國際科技合作重大專項(2011DFA30770);國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2012CB417105);國家自然科學基金 (41101247);湖南省自然科學基金(13JJ4114)

通信作者①E-mail: liujieyun66@163.com

中圖分類號：X171.1

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)04-0525-06

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.002

作者簡介：劉杰云(1985—),女,河南安陽人,講師,博士,主要從事農田溫室氣體減排方面的研究。E-mail: liujieyun66@163.com

Researches on Effects of Type of Biochar Amended on CH4Emissions From Paddy Soil: A Review.

LIU Jie-yun1,2, QIU Hu-sen2, SHEN Jian-lin2, TANG Hong2, WANG Cong2

(1.School of Environment and Surveying Engineering, Suzhou University, Suzhou 234100, China;2.Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China)

Abstract:Paddy field is one of the important sources of CH4 emission. Hence reduction of CH4 emissions from paddy soil is of great significance to retarding global climate changes. Being quite high in stability, absorptivity and alkalinity, biochar has drawn extensive attention in the study on how to mitigate CH4 emissions from paddy field. In recent, a good few researches have been carried out on effects of biochar amendment on CH4 emissions from paddy field, nevertheless, little has been done on effects of type of the biochar amended on CH4 emissions. In order to explore effects of type of the biochar amended on CH4 emissions from paddy fields and their mechanisms, recent progresses in the study on impacts of biochars different in parent material, pyrolysis temperature and pore structure on CH4 emissions from paddy soils have been reviewed. Results show that biochars vary sharply in property. The amendment of biochar affects CH4 emission from paddy soil through its effects on soil aeration, soluble organic carbon content, pH and rice plants, and then in turn on activities and abundances of methanogens and methanotrophs. Besides, the effects of biochar amendment were also related to type of soil. In the light of the status quo of the studies at home and abroad on the effects of biochars mitigating CH4 emissions from paddy soils, directions for future studies in this aspect are proposed with a view to providing some ways of thinking and references for application of biochar to mitigate CH4 emissions in paddy fields.

Key words:charcoal;paddy soil;CH4 emission;biomass;pyrolysis temperature