袁海靜，鄧桂森，周順桂，秦樹平

福建農林大學資源與環(huán)境學院/福建省土壤環(huán)境健康與調控重點實驗室，福建 福州 350002

全球氣候變化是當今國際社會普遍關注的熱點環(huán)境問題，由于人類活動的影響，溫室氣體二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）排放急劇增加，根據(jù)IPCC第五次評估報告，2011年大氣中CO2平均體積分數(shù)從工業(yè)革命前的280×10-6增 加 到 391×10-6，CH4從 715×10-9增 加 到1803×10-9，N2O 也從 270×10-9增加到 324×10-9，分別增加了工業(yè)革命前的 40%、150%和 20%（IPCC，2013）。這些溫室氣體濃度如果持續(xù)增加會使得全球氣溫升高、海平面上升，對自然環(huán)境造成巨大破壞；此外，CH4和N2O濃度升高會破壞大氣層上空的臭氧層，透過臭氧層的輻射會對人體健康帶來直接危害（Bekki et al.，1994；Ravishankara et al.，2009），減少 CO2、CH4和 N2O 等溫室氣體排放是控制全球氣候變化的重要措施。IPCC評估報告還指出 5%－20%的 CO2、15%－30%的 CH4和80%－90%的N2O均來自于農田土壤排放（IPCC，2013），因此改善農業(yè)管理措施和減少農田溫室氣體排放，是全球溫室氣體減排的一個重要切入點。

生物炭是指生物質（例如廢木材、有機肥、作物殘余物等）在無氧或缺氧的條件下，經(jīng)過高溫熱解所得到的穩(wěn)定且高度芳香化的固態(tài)富炭多孔物質（Lehmann et al.，2015）。自2007年Lehmann在Nature雜志發(fā)表評論“生物炭生產將生物質中易分解的碳固存起來，實現(xiàn)CO2的固定，從而減緩氣候變化”之后，生物炭對CH4和N2O等溫室氣體排放影響的研究呈現(xiàn)出雨后春筍式的發(fā)展。大部分室內培養(yǎng)或田間實驗結果表明，土壤施加生物炭能夠有效減少 CO2、CH4和 N2O 的排放（Singh et al.，2010；Liu et al.，2011，F(xiàn)eng et al.，2012；Li et al.，2017；Liu et al.，2017）；然而也有一些研究表明生物炭的添加并沒有降低以上這3種溫室氣體的排放（Karhu et al.，2011；Case et al.，2017；Wu et al.，2018），甚至增加了這些氣體的排放（Lin et al.，2017；Yang et al.，2017；Polifka et al.，2018）。研究的分歧可能是由于生物炭的種類和不同類型土壤之間的相互影響作用不同；另一種可能是盡管一般認為實驗過程中生物炭材料具有較好的穩(wěn)定性，但施入環(huán)境后，受外界物理、化學和生物等作用，其理化性質會隨時間推移逐漸發(fā)生變化（Cheng et al.，2008；Heitk?tter et al.，2015，Sorrenti et al.，2016；Dong et al.，2017），即生物炭的老化導致性質改變造成減排效果不一致。

生物炭在老化過程中，其表面形態(tài)、比表面積、孔隙度、元素組成、表面含氧官能團等都發(fā)生了一系列的變化，這些性質的改變與土壤微生物如何耦合？是否會減弱生物炭對溫室氣體的減排、甚至促進溫室氣體的排放？其中的作用機制是什么？對這些問題的探討，有助于我們了解生物炭的環(huán)境可持續(xù)效應，從而根據(jù)其作用過程來設計、制備生產出智能的生物炭（“smart” biochar）（蒲生彥等，2019）。本文在介紹目前生物炭的老化方式以及老化后理化性質改變的基礎上，綜述了生物炭老化過程對CO2、CH4和N2O這3種主要溫室氣體排放的影響（圖1），總結了生物炭的性質變化對溫室氣體排放的可能影響機制，為合理評估生物炭環(huán)境效益，指導生物炭生產和合理施用提供科學依據(jù)。

圖1 文章主要內容和結構圖Fig. 1 The chart of article content and structure

1 生物炭的老化方式及老化作用對其理化性質的改變

1.1 生物炭老化過程和方式

生物炭施入土壤后，在土壤水分、空氣、微生物和植物根系等作用下，其物理化學性質發(fā)生變化的過程，稱之為生物炭老化。盡管有研究采用野外土壤培養(yǎng)原位老化的方式來表征生物炭的穩(wěn)定性或老化過程（Sorrenti et al.，2016；Sun et al.，2016；Dong et al.，2017；De La Rosa et al.，2018），但田間自然條件下生物炭發(fā)生明顯的性質變化可能需要數(shù)年至數(shù)十年的時間，且需要從土壤中手動分離得到老化的生物炭，步驟較為繁瑣，大部分研究為了快速得到老化的生物炭以開展實驗，常采用室內模擬老化的方式。

常用的模擬老化方法可以分為生物、物理和化學老化。生物老化是指生物炭在微生物的作用下加速老化的一種方式，常將富集培養(yǎng)的微生物或土壤微生物提取液和一定的營養(yǎng)液加入到生物炭中，根據(jù)需要培養(yǎng)一定時間，得到微生物礦化的生物炭樣品（Cheng et al.，2006；Zimmerman，2010；汪艷如，2017）。物理老化主要指在不同濕度、溫度、光照等物理條件下對生物炭進行處理，常用的方法有高濕高溫、凍融循環(huán)和干濕交替等方式，高溫高濕老化顧名思義是將生物炭和土壤混合放在高濕高溫環(huán)境下，并持續(xù)一定時間，然后分離獲得老化樣品；凍融循環(huán)方式即是將生物炭在低溫（-20 ℃）或超低溫（-78 ℃）和室溫（20 ℃）之間不斷來回切換（蘇德麗，2016；Oleszczuk et al.，2018），從而促進生物炭性質發(fā)生變化；與凍融循環(huán)方式類似，干濕交替方式是指將生物炭與土壤混合交替置于淹水和干燥環(huán)境中處理而獲得生物炭老化樣品（Zhang et al.，2016；Xu et al.，2018），其實這些生物炭與土壤混合的物理老化過程中也存在著微生物的作用。生物炭的化學老化主要是氧化過程，實驗室中常采用一些氧化劑如臭氧、次氯酸鹽、過氧化氫（H2O2）（Kawamoto et al.，2005；Huff et al.，2016；田路萍，2017；Fan et al.，2018；Liu et al.，2019）等來處理生物炭，快速模擬其老化過程。Rechberger et al.（2017）指出，酸性土壤環(huán)境會加速生物炭的老化，有研究使用HNO3/H2SO4來老化生物炭（Qian et al.，2015），但是使用化學試劑來模擬生物炭的老化往往會引入其它離子的干擾。例如使用HNO3或者H2SO4處理生物炭，會引入和離子，對研究土壤N2O排放帶來一定的影響。H2O2氧化性強，除H和O外不會帶入其它的元素，相較而言是一種理想的模擬生物炭老化的試劑。

1.2 老化過程中生物炭理化性質的改變

本質上來講，生物炭的理化性質決定了其功能，當生物炭發(fā)生老化后，其性質會發(fā)生一系列的變化，從而對溫室氣體排放產生影響，如圖1所示，我們主要從其物理性質（比表面積、孔隙度和孔徑）和化學性質（元素含量、pH、表面官能團）的變化方面來介紹老化過程對生物炭的影響，以此為基礎解釋生物炭老化過程對溫室氣體排放的影響。

生物炭是一種多孔富碳物質，比表面積大，在相對溫和的老化過程中生物炭表面有新的微孔生成，比表面積與新鮮生物炭相比增大了一倍以上（Dong et al.，2017；Liu et al.，2019），單從物理吸附來講，生物炭老化后可能對溫室氣體的吸附能力增強。另一方面，在高濃度的 HNO3、H2SO4或者H2O2等強烈的老化方式會使生物炭納米微孔結構被破壞、孔徑變大，比表面積降低，從而不利于溫室氣體的吸附（Ghaffar et al.，2015；Güzel et al.，2017；Yuan et al.，2019）；且有研究報道田間原位老化過程中生物炭孔隙結構可被土壤礦質離子或微生物席（microbial mats）阻塞，造成吸附能力下降（Mukherjee et al.，2014；De La Rosa et al.，2018）。

老化過程中生物炭C/N或者O/C等元素比例會發(fā)生改變。新鮮生物炭施入土壤一段時間后，生物炭的質量會有著不同程度的下降，不穩(wěn)定有機碳的分解以及無機碳的釋放導致C含量降低（Ameloot et al.，2013；Dong et al.，2017），生物炭表面吸附的有機質或礦質營養(yǎng)元素及有研究使用HNO3作為老化試劑造成了生物炭N元素增加，因此C/N比例下降，對土壤有機質的激發(fā)效應或相關N循環(huán)產生影響，以致對溫室氣體排放產生影響。

根據(jù)Li et al.（2017）對文獻整合分析結果顯示：不論是何種老化方式，生物炭的pH值均有所降低，且田間自然老化和化學老化過程生物炭pH降低程度呈現(xiàn)顯著性。除部分研究采取酸性試劑進行模擬生物炭老化致使pH下降外，這可能與老化過程中生物炭表面部分芳香碳結構被（含氧）烷基碳取代，羧基、羰基等酸性官能團增多有關，并且這些官能團會和陽離子結合形成羧酸鹽和酚鹽，釋放出H+，從而導致老化后生物炭的 pH較低（Mukherjee et al.，2014；Singh et al.，2014；林慶毅等，2017；Liu et al.，2019；Yadav et al.，2019）。

2 生物炭老化對農田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的影響

2.1 CO2排放

農田生態(tài)系統(tǒng)中CO2主要來源于土壤呼吸，土壤呼吸包含了3種生物呼吸過程：植物根系呼吸、微生物呼吸以及土壤動物呼吸。研究普遍認為生物炭可以抑制CO2的排放，主要原因是生物炭對溫室氣體存在著一定物理吸附效應和化學作用，物理吸附主要取決于生物炭的比表面積和孔隙度，化學作用則是來自于生物炭中的礦物Mg、Ca、Fe、K等，與CO2結合形成碳酸鹽Fe(OH)2CO3、K2Ca(CO3)2、CaMg(CO3)2、Ca(HCO3)2（Kammann et al.，2012；Gascó et al.，2016；Xu et al.，2016）。Xu et al.（2016）在研究中指出，生物炭的pH值會影響CO2與礦質離子的成礦反應，呈堿性的生物炭對于CO2的化學吸附速率遠大于呈現(xiàn)酸性的生物炭。自然老化過程中，生物炭孔徑可能被堵塞，微孔減少，原吸附的氣體可能會在老化過程中釋放出來，且老化后生物炭的pH值降低，吸附的CO2在低pH環(huán)境中也不利于碳酸鹽礦物的生成，從而造成CO2在老化過程中逸出。

除了上述作用外，Paetsch et al.（2018）研究表明，添加新鮮生物炭或老化生物炭均能對土壤有機質產生“激發(fā)效應”，促進土壤有機質的礦化，然而老化生物炭的激發(fā)效應比新鮮生物炭處理增加了13%－37%。Zhao et al.（2015）研究結果顯示新制備生物炭和老化4個月的生物炭均可以增加貧瘠土壤碳的礦化，然而老化 10年的生物炭對土壤碳礦化的效應不明顯。Spokas（2013）在研究中發(fā)現(xiàn)，老化的生物炭可導致土壤CO2的排放潛勢增加到新鮮生物炭對照的2－10倍左右，其主要原因是老化生物炭的某些穩(wěn)固結構被部分破壞，微生物更易于分解利用，呼吸作用增強，CO2排放升高；另一方面CO2的排放潛勢增加有可能與生物炭在田間風化過程中表面吸附了易礦化的C有關。

生物炭添加到土壤后，盡管初期時由于生物炭中的不穩(wěn)定有機碳的分解和無機碳的釋放會增加CO2的排放（Jones et al.，2011；Gascó et al.，2016），但當不穩(wěn)定的C被分解以后，難利用碳比例逐漸增加，在很長的時間內都不會出現(xiàn)顯著分解的現(xiàn)象，CO2的排放會有所下降，且這種短時間的 CO2排放與生物炭本身所封存的碳相比只是很少的一部分。因此，短時間尺度來講，由于生物炭的難利用性和難降解性，老化的生物炭仍具有一定的碳封存潛力。

2.2 CH4排放

一般認為添加新鮮的生物炭到土壤中，可以減少CH4的排放，關于其減排機制有以下解釋：一是生物炭對CH4的物理吸附作用，二是生物炭提高了土壤的通氣性，能夠促進甲烷營養(yǎng)菌將產生的CH4在富氧區(qū)被重新氧化；三是由于產甲烷菌活性被抑制或者甲烷營養(yǎng)菌活性被激發(fā)（Spokas et al.，2009；Liu et al.，2011；Feng et al.，2012；Spokas，2013）。

針對生物炭對 CH4的吸附作用，Sadasivam et al.（2015）對土壤和生物炭材料進行滅菌，研究了土壤施用生物炭對CH4的吸附效果，實驗結果表明使用空氣陳化3年的生物炭以5%比例添加到土壤中CH4的平衡吸附容量明顯高于對照滅菌土壤，但低于新鮮生物炭處理，可能的原因是老化生物炭的孔徑會增大，吸附能力變低；但是大孔隙度有利于甲烷氧化菌生存，促進CH4的氧化，增強生物炭對CH4減排作用。

許欣等（2016）對土壤產甲烷菌功能基因（mcrA）和甲烷氧化菌功能基因（pmoA）進行定量PCR發(fā)現(xiàn)，與不施生物炭處理相比，同等氮肥水平下施加生物炭3年后仍能夠提高甲烷氧化菌的基因豐度，顯著降低了 mcrA/pmoA比值，即產甲烷菌產CH4潛力低于甲烷氧化菌的消耗CH4潛力，表明老化過程中生物炭仍有助于減少稻田土壤 CH4排放。吳震等（2018）在稻麥輪作系統(tǒng)中連續(xù)1年采集和分析CH4排放，生物炭與氮肥配施情況下，生物炭田間老化3年后的處理中CH4的累積排放量顯著低于施加新鮮生物炭的處理，即老化過程有益于農田系統(tǒng)CH4減排，其解釋機理是新鮮生物炭處理對土壤的甲烷氧化潛勢和產甲烷潛勢沒有顯著影響，但已施加生物炭3年后的處理顯著增加了水稻季甲烷氧化潛勢。Wang et al.（2019）在雙季稻種植系統(tǒng)中施加生物炭4年后的實驗結果表明，添加生物炭處理 mcrA/pmoA比例與不施生物炭處理相比降低了10.6%－30.5%，CH4年累積排放量減少了20%－51%。Wu et al.（2019）在稻麥輪作系統(tǒng)中連續(xù)6年的田間觀測結果分析發(fā)現(xiàn)，不施氮肥條件下，添加生物炭對CH4的排放沒有顯著影響；配施氮肥條件下，添加生物炭能夠顯著降低CH4的排放。同樣，基因定量結果顯示氮肥和生物炭配施處理顯著提高了甲烷氧化菌功能基因 pmoA的豐度。但是Wu et al.（2019）進一步對影響CH4的排放的因素進行逐步線性回歸發(fā)現(xiàn) pH和微生物量碳是調控CH4排放的關鍵因素（R2=0.816，P＜0.001），且 CH4排放與pH呈現(xiàn)負相關。隨老化過程持續(xù)進行，生物炭pH降低，其對土壤的堿性效應下降，則生物炭對CH4減排效應與新鮮生物炭相比會削弱。

除上述生物炭能夠促進好氧甲烷氧化外，有新的機制表明生物炭表面氧化還原含氧官能團可以作為厭氧甲烷氧化古菌（ANME-2d）的電子受體參與 CH4厭氧氧化生成 CO2（Zhang et al.，2019）。由于生物炭老化過程主要是氧化反應，氧化程度較高的生物炭接受電子能力加強（Klupfel et al.，2014），因此推斷，老化生物炭還可以加強厭氧甲烷氧化。

2.3 N2O排放

土壤N2O排放的主要來源有反硝化、硝化和硝化反硝化這 3種生物過程，但是現(xiàn)在科學界認為N2O排放主要來自反硝化和硝化過程（Wrage et al.，2001）。反硝化過程是反硝化微生物在厭氧條件下將土壤中還原成氣態(tài)氮氧化物NOx和N2的過程；而硝化過程需要氧的參與，硝化微生物將土壤中的NH4+氧化成擴散到厭氧區(qū)中生成NO、（Khalil et al.，2004）。Cayuela et al.（2014）整合研究指出總體上生物炭可以抑制土壤N2O的排放，可能的減排機理有：吸附效應、改變氮素轉化過程、提高土壤pH值、影響微生物群落組成、提高N2O還原酶基因nosZ的表達、促進電子傳遞等（Harter et al.，2014；Case et al.，2015；Obia et al.，2015；Yuan et al.，2019）。

Spokas（2013）的研究證實發(fā)現(xiàn)老化3年的生物炭與新鮮的生物炭處理相比，老化作用消除了新鮮生物炭對N2O的抑制效應，文中解釋可能是田間風化導致老化的生物炭的孔徑被堵塞，造成了N2O吸附量減少；此外，新鮮生物炭表面吸附的硝化/反硝化抑制物質在田間條件下逐漸損失，逆轉了新鮮生物炭的減排效果。pH值調控著反硝化過程中N2O/(N2O+N2)產物比例（Stevens et al.，1998），土壤pH值在中性或偏堿性條件下有利于N2O還原酶表達，降低N2O/(N2O+N2)產物比例；土壤pH值低于6.5時N2O產生速率最快，N2O比例升高。生物炭老化后，pH值降低，可能會抑制N2O還原酶的表達，導致N2O排放升高。Duan et al.（2018）從土壤氮循環(huán)相關功能基因方面研究了老化生物炭對溫室蔬菜地N2O排放的影響，生物炭老化5年后平均pH值從9.7減低到6.8左右，結果表明不論是堿性土壤還是酸性土壤，施加老化5年的生物炭均會刺激土壤N2O的排放。可能的原因是老化的生物炭增加了土壤中氨氧化細菌的基因豐度，促進了硝化過程，同時降低了N2O還原酶基因nosZ-I（堿性土壤）和 nosZ-II（酸性土壤），因此增加了土壤中N2O的排放。Yuan et al.（2019）最新研究表明，原始生物炭對N2O有減排作用，但H2O2氧化處理的生物炭增加N2O排放，原因是氧化后生物炭芳香碳結構破壞、酸性官能團增多，導致生物炭電子傳遞能力降低。在田間自然老化過程中生物炭芳香碳含量下降、表面的含氧基團也會所增加（De La Rosa et al.，2018），電子傳遞能力減弱，因此生物炭老化過程中 N2O減排效果可能會逐漸降低，甚至促進N2O排放。

關于老化生物炭抑制土壤N2O排放的研究結果也有報道。Hagemann et al.（2017）田間試驗結果表明生物炭施加2年后仍具有N2O減排作用，可能是由于生物炭提高土壤pH的延續(xù)效應、孔隙含水量增加、可利用底物減少、及相關的氮循環(huán)功能基因豐度變化等多種因素綜合所造成的。然而吳震等（2018）的研究顯示，生物炭在和無機氮肥配施的情況下，老化生物炭處理在整個稻麥輪作周期的 N2O累積排放量與新鮮生物炭處理相比沒有顯著的差異。同樣，Dicke et al.（2015）田間實驗也表明生物炭厭氧發(fā)酵沼渣老化處理與否對 N2O排放沒有影響，而溫度和降雨是影響N2O排放的主要因素。

結合以上論述，短時間尺度上老化的生物炭總體上對CH4仍具有一定的減排作用，但是老化生物炭卻有促進CO2、N2O排放的趨勢。但是很多研究是以不施加生物炭處理為對照，我們無法了解老化生物炭與新鮮生物炭對土壤-植物系統(tǒng)的作用的差異性，目前只有少數(shù)研究采用了同一觀測時段的新鮮生物炭處理，具體減排效果如表1所示。相比生物炭老化對重金屬、有機物吸附轉化方面的研究，老化生物炭對溫室氣體排放的影響的報道還不充分，老化過程中生物炭是否仍然具有溫室氣體減排作用，其具體的作用機制還需要進一步研究。

表1 生物炭老化對溫室氣體排放的影響aTable 1 Biochar ageing effects on the greenhouse gases emissions

3 總結與研究展望

生物炭作為一種土壤改良劑被廣泛施用到生態(tài)系統(tǒng)中來調控溫室氣體排放，但是環(huán)境對其老化作用卻不可避免。目前關于生物炭老化的研究方法包括田間自然老化和人工模擬老化。相對溫和的老化方式（自然老化、凍融循環(huán)老化等）可使生物炭表面生成新的微孔，比表面積增加，但強烈的化學老化方式會導致生物炭孔隙結構坍塌，降低其比表面積，相對一致的變化結果是老化過程使生物炭表面的含氧官能團增加、元素O/C比例升高、生物炭極性增強、pH降低。生物炭理化性質發(fā)生變化，其與土壤-植物系統(tǒng)之間的相互作用會改變，對溫室氣體的調控作用可能會發(fā)生相應變化。根據(jù)現(xiàn)有的生物炭老化對溫室氣體排放的影響研究并結合生物炭老化后理化性質的變化，我們推斷短時間尺度上老化的生物炭對土壤 CH4仍具有一定的減排作用，但是老化后生物炭卻有促進CO2、N2O排放的趨勢。由于生物炭制備原料廣泛，加之不同的生態(tài)系統(tǒng)類型、施肥耕作管理擾動等，生物炭老化過程對溫室氣體排放的影響機制尚沒有定論。綜上論述，望未來有關生物炭老化過程的研究重點關注以下幾個方面：

（1）單一的模擬老化方式難以代表田間原位復雜的老化過程（包括干濕交替、凍融循環(huán)、耕作、降雨灌溉、生物活動等綜合影響），因此需要根據(jù)生物炭施用環(huán)境特點，選擇合適的模擬老化方式（或多種方式進行組合等），使其過程與田間自然狀態(tài)接近，研究結果可較準確預測生物炭性質變化對溫室氣體排放的影響。同時，原位條件下生物炭老化過程的研究方法及長時間尺度上生物炭的自然老化對碳氮循環(huán)的影響仍需要進一步加強，以確定對老化過程對溫室氣體排放的影響。

（2）既然環(huán)境對生物炭的老化作用不可避免，未來研究是否可以通過生物炭改性與其它材料復合以改善生物炭性能，降低或避免外界環(huán)境對生物炭老化的負面影響，從而長時間維持生物炭的溫室氣體減排效果。有研究結果表明施加老化生物炭能提高作物發(fā)芽率，提高產量，產量提高與溫室氣體排放之間的平衡環(huán)境效應還不得而知，因此我們需要結合溫室氣體排放通量和作物產量，關注溫室氣體排放強度，對生物炭的綜合效益進行評估，在保證農業(yè)生產的前提下制定合理的生物炭施用策略。

（3）生物炭老化過程對不同的溫室氣體的影響不一致，CH4的減排可能造成CO2排放的增加，后續(xù)研究最好能對CO2、CH4和N2O這3種主要溫室氣體進行同時監(jiān)測分析，探究不同溫室氣體減排之間的協(xié)同或者拮抗作用。除了從生物炭自身理化性質變化來解釋溫室氣體排放之外，還需結合同位素標記和分子微生物學技術分析農田施入生物炭后影響溫室氣體排放的土壤微生物群落、相關元素代謝的酶活性以及功能基因表達等規(guī)律，評估生物炭生命周期內的環(huán)境影響，結合宏觀數(shù)據(jù)和微觀機制揭示生物炭老化過程中影響土壤溫室氣體排放的作用機制。