何甜甜, 劉天, 云菲, 馬彩娟, 符云鵬*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院, 煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450002; 2.河南省煙草公司許昌市公司, 河南 許昌 461000)

一氧化二氮(N2O)是一種主要的溫室氣體，在100年的時(shí)間尺度上，其增溫潛勢(shì)是二氧化碳(CO2)的270倍[1]。世界氣象組織觀測(cè)分析數(shù)據(jù)顯示，2014 年全球大氣中的N2O濃度是工業(yè)革命前的121%[2]，這勢(shì)必會(huì)加劇全球氣候變化進(jìn)程。而農(nóng)業(yè)土壤是全球大氣N2O的主要來源之一，如何降低農(nóng)田N2O排放已成為重要的研究課題。

近年來，生物炭在土壤中的應(yīng)用被認(rèn)為是最有希望的減排措施之一，其減排潛勢(shì)達(dá)0.7×109t·Ceq·a-1[3]。生物炭是生物質(zhì)在無氧或缺氧條件下經(jīng)高溫(300 ℃≤T≤700 ℃)裂解產(chǎn)生的一類穩(wěn)定的、含碳量高的多孔芳香化物質(zhì)。生物炭由于原料和裂解溫度不同，所具有的性質(zhì)亦有所差異。目前生物炭的主要原材料有農(nóng)作物秸稈、農(nóng)業(yè)殘?jiān)?、?dòng)物糞便、污泥等。其中農(nóng)業(yè)秸稈是制備生物炭最主要的原材料之一，以玉米秸稈、小麥秸稈、高粱秸稈、水稻秸稈等為主[4]。大量研究表明，生物炭能夠顯著提高土壤pH、改變土壤質(zhì)地、增加土壤陽離子交換量[5]、促進(jìn)作物生長以及增加作物產(chǎn)量[6]等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種良好的土壤改良材料。然而，目前關(guān)于生物炭對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響結(jié)果不盡相同，有結(jié)果表明生物炭的施入增加了N2O排放，也有表明降低排放或沒有影響[7-11]，且其中的機(jī)理至今仍不完全清楚。因此，本研究綜述了生物炭對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放的影響機(jī)制，旨在為生物炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 農(nóng)田土壤N2O排放機(jī)制

N2O占全球溫室氣體排放量的8%，其中農(nóng)業(yè)資源約占N2O排放量的60%[12]。土壤是N2O排放的主要來源，幾乎所有已知的參與土壤氮循環(huán)的微生物都具有催化生成N2O的潛力，這些過程的反應(yīng)途徑相互關(guān)聯(lián)、相互作用，共享中間產(chǎn)物或產(chǎn)物。N2O的產(chǎn)生與消耗途徑主要有氨(羥胺)氧化、硝化細(xì)菌反硝化、亞硝酸鹽氧化、異養(yǎng)反硝化、厭氧氨氧化和硝酸鹽異化還原成氨(DNRA)，每個(gè)過程都由特定的微生物組合群調(diào)節(jié)(圖1)。盡管N2O的形成途徑復(fù)雜多樣，但微生物硝化、反硝化途徑以及硝酸鹽異化作用被認(rèn)為是土壤N2O排放的主要貢獻(xiàn)者[13]。生物炭則通過影響這些途徑來調(diào)控土壤中N2O的產(chǎn)生與消耗。

圖1 農(nóng)田N2O排放途徑[23]

1.1 反硝化途徑

1.2 硝化相關(guān)途徑

1.3 硝酸鹽異化作用

2 生物炭對(duì)N2O排放的影響

生物炭由于自身化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如較高的pH、巨大的比表面積、多孔性，強(qiáng)吸附能力等，通常被認(rèn)為是最具潛力的減排材料。其對(duì)農(nóng)田N2O產(chǎn)生與排放的影響存在多種調(diào)節(jié)機(jī)制。

2.1 生物炭的石灰效應(yīng)

石灰效應(yīng)(liming effect)即石灰施于酸性土壤后所產(chǎn)生的作用和影響。石灰施于酸性土壤中，通?？梢蕴岣咄寥赖膒H以及有機(jī)質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分含量，降低土壤中重金屬的有效性等[26-28]，給植物創(chuàng)造一個(gè)有利的生長條件。人們對(duì)具有多種益處的石灰替代劑越來越感興趣，例如生物炭。生物炭通常含有堿性灰分成分，具有固碳和其他改良土壤特性的益處[29]。前文已經(jīng)介紹了反硝化過程中執(zhí)行最后一個(gè)還原步驟的酶由功能基因nosZ編碼，該基因?qū)Φ偷耐寥纏H具有高度敏感性，導(dǎo)致反硝化的最后一步易受到抑制，促進(jìn)N2O的產(chǎn)生[30]。而生物炭含有大量可溶性堿基陽離子，可快速釋放到土壤中，從而提高土壤pH，降低反硝化過程中N2O的產(chǎn)率[31]。Cayuela等[32]觀察到在14種土壤中添加生物炭后，N2O/(N2+N2O)比值持續(xù)降低，說明生物炭有利于反硝化的最后一步。同時(shí)提出生物炭具有“電子穿梭”的功能，促進(jìn)電子向土壤反硝化微生物的傳遞，再加上其石灰效應(yīng)，促進(jìn)N2O向N2的還原，從而減少N2O的排放。

2.2 生物炭多孔性

土壤透氣性可以用土壤孔隙含水量(water filled pore space,WFPS)來表示，通常硝化細(xì)菌的活性在60% WFPS左右達(dá)到峰值，反硝化細(xì)菌在70% WFPS下活性最強(qiáng)[33]，因此適宜的WFPS是減少N2O排放的重要因素之一。生物炭通過改變土壤的物理性質(zhì)，增加土壤的空氣含量或改變土壤水的動(dòng)力學(xué)，將土壤溶液(可溶性硝酸鹽)吸入到微生物無法進(jìn)入的孔隙，維持微生物生存空間內(nèi)的好氧條件[34]，改善土壤的曝氣性從而減少N2O的釋放。Cayuela[35]等的薈萃分析表明，施用生物炭可顯著降低農(nóng)業(yè)N2O排放，降幅在54%左右。原因可能是生物炭的施入改善了土壤的透氣性，降低反硝化細(xì)菌及其酶活性，從而抑制N2O排放[36]。盡管生物炭在提高土壤氧氣利用率方面具有積極影響，但其對(duì)土壤水分的積極影響亦可通過刺激微生物增長導(dǎo)致N2O排放增加。Saarnio等[37]研究結(jié)果表明，生物炭增加了土壤水分，但卻增加了裸露土壤中的土壤呼吸和N2O排放。因此生物炭的多孔性在減少N2O排放的凈貢獻(xiàn)方面,仍需要仔細(xì)評(píng)估。

2.3 生物炭對(duì)無機(jī)氮的吸附

2.4 生物炭對(duì)原土有機(jī)碳的激發(fā)作用

生物炭的組成大致可分為相對(duì)頑固的C、不穩(wěn)定的C和灰分，與其他有機(jī)質(zhì)的最大化學(xué)差異是芳香C的比例要大得多，這些C的結(jié)構(gòu)性質(zhì)是生物炭穩(wěn)定性高的主要原因[43]。生物炭的碳穩(wěn)定性是其在固碳減排以及土壤改良方面發(fā)揮作用的核心。生物炭在土壤中循環(huán)的典型特征是不穩(wěn)定C迅速耗散，然后以更穩(wěn)定的高度聚縮的芳烴C組分緩慢礦化[44]，施入土壤后可以與原土有機(jī)質(zhì)相互作用，降低或增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)礦化[45]。生物炭由于具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)以及外表面對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的包封和吸附、促進(jìn)形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合穩(wěn)定體等，施入土壤后會(huì)降低有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)的礦化，啟動(dòng)負(fù)激發(fā)效應(yīng)[46]。生物炭的負(fù)激發(fā)作用會(huì)降低土壤微生物的活性，從而對(duì)土壤溫室氣體的排放有一定的減緩作用。但也有研究證明，由于生物炭自身的不穩(wěn)定C輸入，導(dǎo)致天然SOC分解，引起生物炭的正激發(fā)作用[47]。如果生物炭啟動(dòng)正激發(fā)作用，則土壤中可溶性碳增多，供給硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等微生物的作用底物增加，從而產(chǎn)生更多的N2O等，這將挑戰(zhàn)生物炭應(yīng)用于土壤作為長期碳儲(chǔ)存和減緩氣候變暖戰(zhàn)略的概念。

2.5 生物炭的來源和裂解溫度對(duì)N2O排放的影響

2.5.1生物炭的來源生物炭對(duì)N2O排放的影響，很大程度上取決于生物炭原料。Senbayram等[48]發(fā)現(xiàn)橄欖生物炭顯著提高酸性沙土的pH和 N2O排放通量，而玉米棒生物炭的添加效果不顯著。與其他生物炭相比，木質(zhì)生物炭具有更大的孔隙率和表面積以及較低的H/Corg、O/Corg和灰分含量，這些特征會(huì)增加生物炭的C穩(wěn)定性，從而具備更大的N2O減排潛力，使木質(zhì)生物炭成為溫室氣體減排的主要可選擇材料[49]。Ramlow等[9]研究表明，無論土壤類型或氮肥添加量如何，木質(zhì)生物炭都能持續(xù)減少N2O排放。同樣，Cayuela等[35]認(rèn)為，與特定原料相關(guān)的化學(xué)成分和物理性質(zhì)的結(jié)合可能決定了生物炭減少土壤N2O排放的潛力，并指出植物材料(秸稈、木材等)制成的生物炭可能是減少土壤N2O排放最有前途的原料，而以糞便類為原料的生物炭可能對(duì)N2O的排放沒有抑制作用，甚至增加土壤N2O的排放。因此，生物炭的來源不同，其減排效應(yīng)存在顯著差異，需要研究不同來源的生物炭對(duì)N2O排放的影響，以期找出最適合減排的生物炭材料。

2.6 生物炭與土壤特性、氮肥的交互作用對(duì)N2O排放的影響

2.6.1土壤質(zhì)地生物炭對(duì)土壤N2O排放的影響受土壤條件的影響。Ameloot等[57]報(bào)道了土壤質(zhì)地(尤其是粘粒含量)可能會(huì)影響生物炭添加后土壤中的生物反應(yīng)，并指出生物炭對(duì)氮態(tài)氮的淋溶效果受土壤質(zhì)地的影響，砂土中施用生物炭未能明顯抑制氮態(tài)氮的淋溶，而粉砂壤土中添加5%生物炭能有效地降低氮態(tài)氮的淋溶。作為硝化細(xì)菌的作用底物，氮態(tài)氮的降低會(huì)直接影響硝化作用過程N(yùn)2O的產(chǎn)生。此外，Cayuela等[35]發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)地較好的土壤中生物炭對(duì)N2O的減排作用最大，與粗粒土相比，細(xì)粒土中添加生物炭對(duì)N2O排放的緩解效果最好。羅曉琦等[58]研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，表明生物炭對(duì)壤土N2O排放的影響顯著(P<0.05)，而對(duì)砂土和黏土的影響不顯著(P>0.05)。然而，土壤屬性也可能對(duì)生物炭減緩N2O排放的影響有限。Ramlow等[9]檢測(cè)了4種土壤類型下N2O的排放，發(fā)現(xiàn)N2O排放量沒有明顯差異。Thomazini等[59]在10種不同土壤類型中也發(fā)現(xiàn)了類似關(guān)系，這意味著生物炭對(duì)N2O排放的影響可能更多地受到其自身特性的驅(qū)動(dòng)，而不是土壤特性的驅(qū)動(dòng)。

2.6.2土壤含水率由于硝化和反硝化過程均受到土壤水分含量的影響，故當(dāng)土壤含水量既能促進(jìn)硝化又能促進(jìn)反硝化作用時(shí)，將導(dǎo)致N2O的大量生成。已有試驗(yàn)表明，土壤水分含量為45%～75% WFPS時(shí)，硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌都可能成為N2O的主要制造者[60]。然而，由于N2O還原酶對(duì)O2的敏感性較高，在水分接近飽和的土壤中發(fā)生了完全反硝化過程，N2O/N2的比值趨于零，更多地生成N2[61]。生物炭官能團(tuán)的疏水作用使生物炭的孔隙能夠保持空氣，從而降低反硝化速率和N2O產(chǎn)量[62]。有研究認(rèn)為，在中度厭氧(79.1%～80% WFPS)條件下，生物炭可以通過提高土壤透氣性來減少N2O的生成，此時(shí)減排效果最大[60]。也有研究表明，在水分接近飽和的土壤中，生物炭能夠抑制土壤91%的N2O累積產(chǎn)量[63]。這與Cayuela等[35]的薈萃分析結(jié)果一致，即在高水分條件下(>80% WFPS)生物炭對(duì)質(zhì)地較細(xì)的土壤中的N2O具有最大的減排作用。同樣，Zhang等[64]發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)濕潤的條件下，添加生物炭的稻田土壤N2O排放較低，而在較干燥的土壤中排放量增加。

2.6.3氮肥調(diào)控生物炭對(duì)土壤N2O排放的影響與是否施用氮肥有關(guān)。趙光昕等[65]研究不同施氮量的農(nóng)田土壤添加生物炭對(duì)N2O的減排效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，施用等量生物炭條件下N2O排放系數(shù)隨施氮量增加而降低。同樣，Ramlow等[9]研究表明，生物炭對(duì)添加氮肥的土壤具有最大的溫室氣體減排潛力，而對(duì)未施氮肥土壤的N2O排放影響不大。可能是由于單施氮肥會(huì)增加硝化和反硝化細(xì)菌的底物可用性，而生物炭可以提高土壤的C/N，增加土壤透氣性，利于N2O發(fā)生非生物轉(zhuǎn)化，二者配施在一定程度上可以降低N2O的排放。范靖尉等[66]則發(fā)現(xiàn)，在施氮量250 kg·hm-2的水平下減氮20%能夠降低土壤N2O的累積排放量，但在適宜施氮水平(200 kg·hm-2)下施用生物炭則在短期內(nèi)并無顯著的N2O減排作用。因此，氮肥與生物炭配施對(duì)土壤N2O排放的效應(yīng)還需詳細(xì)評(píng)估，減氮施肥配施生物炭可能會(huì)是一種減少溫室氣體排放的有效措施。

3 結(jié)語

綜上所述，生物炭添加對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放的影響是一個(gè)綜合作用的結(jié)果，因生物炭的來源、制備過程以及土壤類型等不同而存在差異，生物炭對(duì)農(nóng)田N2O排放的微生物機(jī)制亦尚不清楚。針對(duì)生物炭添加對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響，今后需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

(1)目前對(duì)于添加生物炭對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響多是短期試驗(yàn)，生物炭的連年施用及其老化程度是否會(huì)影響生物炭的減排作用還存在盲區(qū)。應(yīng)多開展長期試驗(yàn)，以判斷施用生物炭是否真的可以達(dá)到“碳匯”及“減排”效果。

(2)加強(qiáng)對(duì)生物炭制備過程研究。生物炭的來源、裂解溫度、粒徑等都會(huì)對(duì)溫室氣體的排放以及土壤的改良效果產(chǎn)生影響。已有少量研究表明，生物炭粒徑越小，土壤持水性能越強(qiáng)[67-68]。因此，可以進(jìn)一步研究農(nóng)田最適宜的生物炭類型，最適宜的粒徑，最佳的裂解溫度等，充分發(fā)揮生物炭的優(yōu)勢(shì)。

(3)由于生物炭與土壤環(huán)境具有多重交互機(jī)制，生物炭的減排作用機(jī)制亦不明確。可以通過研究建立生物炭與土壤環(huán)境的多種相互作用機(jī)制模型，測(cè)試生物炭表現(xiàn)出最大減排潛力的機(jī)制。

(4)針對(duì)N2O排放的潛在化學(xué)和微生物過程及其機(jī)制研究有限，微生物組成、群落結(jié)構(gòu)和多樣性對(duì)生物炭添加的響應(yīng)有待進(jìn)一步研究，可以考慮運(yùn)用同位素標(biāo)記等技術(shù)研究生物炭添加后N2O排放相關(guān)的微生物及其酶活性以及C、N代謝過程的變化，以期從微觀分子方面揭示農(nóng)田溫室氣體排放對(duì)生物炭添加的響應(yīng)機(jī)制。