王國(guó)兵，徐瑾，王瑞，鄧芳芳，沈彩琴，阮宏華*

1. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2. 江蘇省東臺(tái)市林場(chǎng)，江蘇 東臺(tái) 224200

生物炭是指生物質(zhì)（如木頭、樹枝、秸稈、動(dòng)物糞便等）在氧氣不充分條件下的高溫（＜700 ℃）熱裂解產(chǎn)物。添加生物炭不僅可以降低土壤容重，增加土壤陽(yáng)離子交換量，減少土壤養(yǎng)分淋失，還能提高土壤孔隙度和通氣性，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，進(jìn)而起到改良土壤的作用（Liang et al.，2006；Lehmann，2007；Steiner et al.，2007；李江遐等，2015）。同時(shí)由于生物炭具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和一定的吸附性，其降解速率極為緩慢，施用于土壤還可以起到固碳增匯的作用。利用生物炭技術(shù)增加碳截留以應(yīng)對(duì)全球氣候變化，在很大程度上可以抵消化石燃料燃燒所導(dǎo)致的碳排放（Lehmann et al.，2006；Marris，2006）。因此，其作為應(yīng)對(duì)全球變暖的潛在措施之一，逐漸引起了人們的高度重視（Laird，2008；Sohi et al.，2009）。

那么，施用生物炭對(duì)土壤CO2、CH4、N2O 3種重要溫室氣體的排放有何影響？其內(nèi)在調(diào)控機(jī)制是什么？目前有關(guān)的研究結(jié)論具有較大的不確定性。一些研究表明，添加生物炭可能增加土壤CO2、CH4、N2O 的排放（Spokas et al.，2009；Singh et al.，2010；Zhang et al.，2010；Hawthorne et al.，2017）；另外一些研究表明，生物炭能夠抑制土壤CO2、CH4、N2O的排放（Yanai et al.，2007；Liang et al.，2010；Case et al.，2012；Tan et al.，2018；Xiao et al.，2018）；還有一些研究表明，添加生物炭對(duì)土壤CO2、CH4、N2O的排放沒(méi)有影響或具有截然相反的影響（Karhu et al.，2011；Keith et al.，2016；Liu et al.，2016；Zhou et al.，2017；Case et al.，2018）。由此可見(jiàn)，生物炭對(duì)土壤CO2、CH4、N2O 3種溫室氣體排放的影響還存在較大的不確定性，而產(chǎn)生這種不確定性的原因尚未明確，生態(tài)系統(tǒng)類型及立地條件的不同可能是其中重要原因之一。目前，有關(guān)生物炭對(duì)土壤溫室氣體排放影響的研究大多是短期觀測(cè)（吳震等，2018）。然而，生物炭的難降解特性使其可在土壤中穩(wěn)定地存在成百上千年，因此對(duì)土壤環(huán)境的影響可能是長(zhǎng)期存在的。那么，生物炭對(duì)土壤溫室氣體排放的影響是否隨時(shí)間而改變？目前對(duì)此研究了解還十分有限。Spokas（2013）研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)田中經(jīng)過(guò)3年陳化后的生物炭對(duì)CH4的氧化能力比新施入的生物炭更高，而其N2O減排能力下降；也有研究表明，在生物炭施用3年后仍對(duì)N2O具有顯著的減排效果（Hagemann et al.，2016）。由此可見(jiàn)，生物炭對(duì)溫室氣體排放影響的調(diào)控機(jī)理也比較復(fù)雜，尚需要進(jìn)一步深入研究。此外，關(guān)于生物炭影響土壤溫室氣體排放的研究多在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行，而在人工林生態(tài)系統(tǒng)中開(kāi)展生物炭的相關(guān)研究報(bào)道還較少。因此，本研究選取江蘇省東臺(tái)市國(guó)有林場(chǎng)楊樹人工林為對(duì)象，分析添加生物炭對(duì)楊樹人工林CO2、CH4、N2O 3種土壤溫室氣體排放的長(zhǎng)期影響，以期為進(jìn)一步研究生物炭對(duì)人工林土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省鹽城市境內(nèi)的東臺(tái)林場(chǎng)，其地理位置為 120°49′E，32°52′N。東臺(tái)林場(chǎng)地處黃海之濱，創(chuàng)建于 1965年，屬亞熱帶和暖溫帶的過(guò)渡區(qū)。東臺(tái)林場(chǎng)鄰近黃海，具有明顯的過(guò)渡性海洋性和季風(fēng)性氣候，四季分明，雨量集中；常年平均氣溫為 14.6 ℃，無(wú)霜期為 220 d，降雨量為 1051.0 mm，年均日照時(shí)數(shù)2169.6 h。東臺(tái)林場(chǎng)地勢(shì)平坦，土壤類型為脫鹽草甸土，土壤質(zhì)地為沙質(zhì)壤土，土壤pH值8.0左右。東臺(tái)林場(chǎng)為江蘇省沿海重點(diǎn)防護(hù)林，林場(chǎng)占地面積為 2000 hm2，森林覆蓋率為85%，木材總蓄積量約為50000 m3，東臺(tái)林場(chǎng)分布的主要植被有人工營(yíng)造的 72楊（Populus euramericanacv. I-72）、35楊(Populus deltoidsCL‘35/66')、水杉（Metaseguoia glyptostroboides）等，林下草本植物種類一年四季多變，常見(jiàn)物種有羅布麻（Apocynum venetum）、一年蓬（Erigeron annuus）、葎草（Humulus scandens）、野薔薇（Rosa multiflora）、蕨類等。

1.2 樣地設(shè)置

選擇東臺(tái)林場(chǎng)7年生楊樹人工林作為試驗(yàn)林分（株行距為3 m×5 m），在2013年5月，在林分行間帶內(nèi)隨機(jī)設(shè)置16個(gè)2 m×2 m樣方（樣方的4個(gè)頂點(diǎn)分別與周圍4株楊樹的距離盡可能一致，不同樣方之間距離5 m以上），分別設(shè)置低生物炭添加處理（D，40 t·hm-2）、中生物炭添加處理（Z，80 t·hm-2）、高生物炭添加處理（G，120 t·hm-2）及對(duì)照處理（CK，0 t·hm-2）。生物炭由南京六合木炭廠提供，材料為原木 600 ℃窯制炭粉，pH值為 9.2，C含量為63.26%，N含量為1.49%，P含量為0.31%，K含量為5.31%。生物炭為一次性添加，在土壤中的混合深度為40 cm，撒施表面后采用農(nóng)耕機(jī)械均勻混合，混合均勻后輕微壓實(shí)以復(fù)原土位，對(duì)照樣地也要求翻耕并輕微壓實(shí)復(fù)原土位。

1.3 樣品采集與測(cè)定

分別在2017年3月12日、6月15日、10月13日和2018年1月14日，于當(dāng)日9：00-11：00進(jìn)行溫室氣體采樣。氣體采樣采用靜態(tài)箱法（圓筒形，底部直徑320 mm，高600 mm，內(nèi)置風(fēng)扇），靜態(tài)箱罩密封后分別在0、10、20、30 min抽取氣體樣品，共采64個(gè)氣體樣品（4次抽樣×4種處理×4個(gè)重復(fù)），氣體采樣袋規(guī)格100 mL，采用安捷倫7890A型氣相色譜儀測(cè)定氣體樣品中CO2、CH4、N2O的濃度。

在野外進(jìn)行氣體采樣的同時(shí)，在樣方內(nèi)隨機(jī)選擇6個(gè)取樣點(diǎn)，用直徑2 cm土鉆采集0-10 cm土壤樣品 500 g，裝入塑料自封袋中，放入保溫箱內(nèi)及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，過(guò)2 mm土篩和去除植物殘根、石塊等雜物后，存儲(chǔ)于 0-4 ℃冰箱內(nèi)用于土壤各種理化指標(biāo)的測(cè)定。

土壤微生物生物量 C、N、P采用氯仿熏蒸提取法測(cè)定（Brookes et al.，1985；Vance et al.，1987；吳金水等，2003）；土壤蛋白酶、脲酶、蔗糖酶活性分別采用茚三酮比色法、苯酚鈉-次氯酸鈉顯色法、3, 5-二硝基水楊酸顯色法測(cè)定（楊寧等，2014）；土壤總有機(jī)碳、全氮采用元素分析儀（Vario EL Ⅲ，德國(guó)）測(cè)定；土壤水溶性有機(jī)碳采用TOC-VCPH自動(dòng)分析儀（日本島津）測(cè)定；土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤pH值采用水浸提-電位法測(cè)定；土壤含水率采用烘干稱重法測(cè)定（胡堯等，2018）。

1.4 計(jì)算公式

土壤表面溫室氣體（N2O、CH4、CO2）通量計(jì)算式如下：

式中，F(xiàn)為單位時(shí)間單位面積靜態(tài)箱內(nèi)溫室氣體的質(zhì)量變化（mg·m-2·h-1）；ρ 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下被測(cè)氣體密度（mg·m-3）；V 為箱內(nèi)氣體體積（cm3）；A為箱子覆蓋面積（cm2）；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為1.013×105Pa；P為采樣點(diǎn)大氣壓（Pa）；θ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度（℃）；θ為采樣時(shí)的絕對(duì)溫度（℃）；dC/dt為氣體濃度隨時(shí)間變化的直線斜率。F為正值表示氣體從土壤排放到大氣，F(xiàn)為負(fù)值則相反。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

運(yùn)用SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析方法（Two-way repeated measures ANOVA）比較不同生物炭添加量處理及季節(jié)變化對(duì)土壤CO2、CH4、N2O排放速率的影響，采用配對(duì)樣本均值檢驗(yàn)法分析不同處理之間土壤CO2、CH4、N2O排放速率的差異顯著性，采用線性回歸法分析CO2、CH4、N2O排放速率與土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性。運(yùn)用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭添加量對(duì) 3種溫室氣體排放速率的影響

結(jié)果表明，對(duì)照樣地土壤CO2排放速率變化范圍為 123.428-412.066 mg·m-2·h-1，中、高生物炭添加處理顯著促進(jìn)了土壤 CO2的排放（P=0.001、0.000），分別導(dǎo)致CO2年平均排放速率增加了21%和 20%（圖 1A），而低生物炭添加處理樣地土壤CO2排放速率與對(duì)照之間沒(méi)有顯著性差異（P=0.199）；對(duì)照樣地土壤 CH4排放速率變化范圍為 0.578-1.405 mg·m-2·h-1，中、高生物炭添加處理顯著抑制了土壤CH4的排放（P=0.000、0.000），分別導(dǎo)致 CH4年平均排放速率降低了 21%和 33%（圖 1B），而低生物炭添加處理樣地土壤 CH4排放速率與對(duì)照之間沒(méi)有顯著性差異（P=0.660）；對(duì)照樣地土壤 N2O排放速率變化范圍為 0.124-0.297 mg·m-2·h-1，中、高生物炭添加處理顯著抑制了土壤 N2O的排放（P=0.003、0.000），分別導(dǎo)致 N2O年平均排放速率降低14%和37%（圖1C），而低生物炭添加處理樣地土壤 N2O排放速率與對(duì)照之間沒(méi)有顯著性差異（P=0.702）。

圖1 不同生物炭添加量對(duì)3種溫室氣體排放通量的影響Fig. 1 Effects of different amount biochar addition on emission flux of three greenhouse gases

重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果表明（表1），生物炭添加處理及季節(jié)變化均對(duì)土壤CO2、CH4及N2O排放速率產(chǎn)生了顯著影響（P＜0.01），但生物炭添加處理與季節(jié)之間均不存在顯著交互效應(yīng)（P＞0.05）。

2.2 不同生物炭添加量對(duì) 3種溫室氣體綜合溫室效應(yīng)的影響

根據(jù)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告發(fā)布的“人為和自然輻射強(qiáng)迫”（Myhre et al.，2013），甲烷（CH4）全球變暖潛力值為28，一氧化二氮（N2O）全球變暖潛力值為265（100年時(shí)間跨度），由此計(jì)算得到不同生物炭添加處理下3種溫室氣體排放的綜合溫室效應(yīng)（Global Warming Potential）（圖2）。結(jié)果表明，對(duì)照樣地3種溫室氣體的綜合溫室效應(yīng)為32.66 t·hm-2·a-1，低、中、高3種處理樣地綜合溫室效應(yīng)分別為 34.09、36.42、34.59 t·hm-2·a-1。由于添加生物炭對(duì)CO2排放具有促進(jìn)作用，但是對(duì)CH4和N2O排放具有較強(qiáng)的抑制作用，因此導(dǎo)致了高生物炭添加量處理相比于中生物炭添加處理其綜合溫室效應(yīng)出現(xiàn)了較大幅度的下降。方差分析結(jié)果表明，與對(duì)照樣地相比，中生物炭添加處理樣地顯著提高了3種溫室氣體綜合溫室效應(yīng)（P＜0.05），而低和高生物炭添加處理樣地3種溫室氣體綜合溫室效應(yīng)與對(duì)照樣地之間無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

表1 3種溫室氣體排放的重復(fù)測(cè)量方差分析Table 1 Two-way repeated measures ANOVA of three greenhouse gases emission flux

圖2 不同生物炭添加量對(duì)3種溫室氣體綜合溫室效應(yīng)的影響Fig. 2 Effects of different amount biochar addition on global warming potential of three greenhouse gases

2.3 3種溫室氣體排放與主要土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

利用線性回歸模型分析了3種溫室氣體排放與主要土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性，結(jié)果表明，土壤CO2排放主要與土壤微生物量碳（MBC）、水溶性有機(jī)碳（DOC）、全氮（TN）、蔗糖酶活性（IA）呈顯著正相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)表2，下同），與土壤微生物量氮（MBN）、土壤微生物量磷（MBP）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與土壤總有機(jī)碳（TOC）、土壤容重（ρb）、pH值、土壤含水率（SMC）、蛋白酶活性（PA）、脲酶活性（UA）相關(guān)性不顯著；土壤 CH4排放和N2O排放與主要土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性具有較好的一致性，主要與MBN、MBP、SMC、PA、UA、IA呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與MBC、DOC、TN呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與TOC、ρb、pH值相關(guān)不顯著。

表2 3種溫室氣體排放與主要土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Table 2 Relationships of three greenhouse gas flux with main soil physical and chemical properties

3 討論

3.1 添加生物炭對(duì)3種溫室氣體排放的影響

由于具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性，生物炭有望為減緩全球氣候變暖提供切實(shí)有效的新途徑。如果能最大程度地利用生物炭技術(shù)，到 2100年可以減排5.5-9.5 Pg·a-1，很大程度抵消化石燃料所帶來(lái)的溫室氣體排放（Marris，2006；Lehmann，2007）。將生物炭施入到土壤中，不僅可以實(shí)現(xiàn)生物炭本身對(duì)CO2的固持，降低大氣中CO2的濃度，而且可以減少土壤 CO2的排放（Ramlow et al.，2018；Wu et al.，2018；Yeboah et al.，2018），降低土壤 CH4排放或增加土壤對(duì)CH4的吸收（Sonoki et al.，2013；周鳳等，2017；Wang et al.，2018），以及降低土壤N2O的排放（Case et al.，2015；Liu et al.，2017；Ramlow et al.，2018；Wu et al.，2018）；但是也有一些研究表明，添加生物炭可能增加土壤CO2排放（Ameloot et al.，2013；Liu et al.，2017；Wang et al.，2018；Zhang et al.，2018），增加土壤 CH4排放（Singla et al.，2014；Wang et al.，2017；Cai et al.，2018），以及促進(jìn)土壤 N2O 排放（Lin et al.，2017；Duan et al.，2018；Wang et al.，2018）。本研究結(jié)果表明，3種不同生物炭添加處理均顯著提高了土壤CO2的排放，但卻抑制了土壤CH4和N2O的排放。由于添加生物炭對(duì)CO2排放具有促進(jìn)作用，但是對(duì)CH4和N2O排放具有較強(qiáng)的抑制作用，導(dǎo)致高生物炭添加量處理相比于中生物炭添加處理其綜合溫室效應(yīng)出現(xiàn)了較大幅度的下降。考慮到添加生物炭對(duì)土壤CO2排放的影響可能主要來(lái)源于根系的自養(yǎng)呼吸（顏學(xué)佳等，2013），因此高生物炭添加量處理可能是潛在的楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)最佳生物炭經(jīng)營(yíng)模式。

3.2 生物炭影響3種溫室氣體排放的機(jī)理分析

一般認(rèn)為，生物炭抑制土壤CO2排放的機(jī)制主要有生物炭吸附了土壤中可溶性有機(jī)碳、降低了土壤有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程中所需要酶類的酶活性，生物炭對(duì)土壤微生物的毒害作用抑制了其對(duì)土壤有機(jī)碳的礦化作用（Spokas et al.，2009；Liang et al.，2010；Pokharel et al.，2018），而生物炭促進(jìn)土壤CO2排放的機(jī)制主要是添加生物炭能夠?qū)ν寥涝杏袡C(jī)碳的分解產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)（Yang et al.，2017）。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤CO2排放主要與MBC、DOC、TN、IA呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明添加生物炭可能通過(guò)改善東臺(tái)林場(chǎng)濱海區(qū)土壤的理化特性，促進(jìn)楊樹的生長(zhǎng)及根系活動(dòng)，進(jìn)而可能增加林木生長(zhǎng)季土壤呼吸中自養(yǎng)呼吸的比重，而非完全源于激發(fā)效應(yīng)，因此今后有必要進(jìn)一步對(duì)土壤呼吸的組分進(jìn)行分離測(cè)定分析，以深入闡明添加生物炭對(duì)東臺(tái)濱海區(qū)楊樹人工林土壤CO2排放的影響及調(diào)控機(jī)理。

一般認(rèn)為，生物炭對(duì)CH4具有減排作用，主要是因?yàn)樯锾刻岣吡送寥劳笟庑裕种屏思淄楫a(chǎn)生菌的活性和數(shù)量，或刺激嗜甲烷菌的活性與數(shù)量，促進(jìn)了土壤對(duì) CH4的氧化與吸收（Karhu et al.，2011；Sonoki et al.，2013；Xiao et al.，2018）。本研究中，土壤CH4排放主要與MBN、MBP、SMC、PA、UA、IA呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與MBC、DOC、TN呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明添加生物炭可能降低相關(guān)土壤酶活性，進(jìn)而綜合抑制了本實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤CH4的排放。生物炭可以抑制土壤N2O的排放，主要是因?yàn)樯锾磕軌蛭焦潭ㄍ寥乐械匿@態(tài)氮和硝態(tài)氮，降低土壤硝化菌和反硝化菌功能團(tuán)的活性和豐度，抑制硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、一氧化氮還原酶等反硝化作用酶的活性，或促進(jìn)氧化亞氮還原酶的活性（Case et al.，2015；Wang et al.，2017；Wu et al.，2018）。本研究中，土壤N2O排放主要與MBN、MBP、SMC、PA、UA、IA 呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與MBC、DOC、TN呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明添加生物炭降低了相關(guān)土壤酶活性，并可能促進(jìn)土壤N、P養(yǎng)分的有效性（王國(guó)兵等，2019），進(jìn)而綜合抑制本研究區(qū)土壤N2O的排放。

4 結(jié)論

在本研究區(qū)域，添加生物炭能夠促進(jìn)土壤CO2的排放，并抑制土壤CH4和N2O的排放，中、高濃度生物炭添加均可顯著影響土壤3種溫室氣體的排放。添加生物炭導(dǎo)致土壤N、P養(yǎng)分有效性提升，并導(dǎo)致脲酶、蛋白酶等相關(guān)土壤酶活性降低，可能是本區(qū)域生物炭調(diào)控楊樹人工林土壤3種溫室氣體排放的主要機(jī)制。