摘要：近年來，溫室氣體減排成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)，而農(nóng)田是溫室氣體排放的重要來源之一。大量研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭具有溫室氣體減排的潛力，但長(zhǎng)期施用后，自然環(huán)境造成的生物質(zhì)炭老化會(huì)使其本身的理化性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響溫室氣體的減排效果，因而比較新鮮和老化生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響具有重要意義。綜述生物質(zhì)炭的不同老化方式及其理化性質(zhì)的變化，以及新鮮和老化生物質(zhì)炭施用對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響及機(jī)制，發(fā)現(xiàn)與新鮮生物質(zhì)炭相比，老化生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放效果并不統(tǒng)一，這與生物質(zhì)炭的老化方式、老化時(shí)間和土壤類型等密切相關(guān)，老化生物質(zhì)炭不僅會(huì)改變自身的理化性質(zhì)，還會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)與微生物活性，從而影響農(nóng)田土壤溫室氣體排放。而生物質(zhì)炭田間老化對(duì)溫室氣體排放的影響多為短期的，對(duì)于長(zhǎng)期影響還有待進(jìn)一步研究，可以利用同位素示蹤技術(shù)進(jìn)一步探究新鮮和老化生物質(zhì)炭施用對(duì)溫室氣體排放影響的機(jī)制。

關(guān)鍵詞：新鮮生物質(zhì)炭；老化生物質(zhì)炭；溫室氣體；減排；同位素示蹤技術(shù)；農(nóng)田

中圖分類號(hào)：X131.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）11-0001-09

氣候變暖是亟待解決的全球性問題之一，根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第6次評(píng)估報(bào)告，與1850—1900年相比，2011—2020年全球大氣溫度增加1.09℃，2021—2040年增溫趨勢(shì)將達(dá)1.5 ℃，氣候變暖不僅會(huì)使冰川融化、海平面上升，也會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人體健康等造成負(fù)面影響［1-2］。而氣候變暖與溫室氣體的排放密切相關(guān)，其中CO2、CH4和N2O對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)達(dá)80%［3］。在各種排放源中，農(nóng)田是N2O和CH4最大的人為排放源，分別貢獻(xiàn)了78%、50%［4］。而生物質(zhì)炭具有含碳量高、比表面積大、疏松多孔、吸附性能好［5］等特點(diǎn)，是農(nóng)田固碳減排的熱點(diǎn)，具有減輕全球變暖效應(yīng)、提高作物產(chǎn)量和碳封存［6］的巨大潛力。楊傳文等對(duì)我國(guó)秸稈資源的碳減排潛力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2020年我國(guó)可收集農(nóng)作物秸稈資源可制備成生物質(zhì)炭2.04×108 t，溫室效應(yīng)緩解凈潛力可減排的CO2當(dāng)量為5.86×108 t［7］。但生物質(zhì)炭的制備條件，如熱解溫度、時(shí)間、原材料、施用量等可能會(huì)影響其減排效果，由于生物質(zhì)炭在田間施用時(shí)間、方式和培養(yǎng)方法等不同，生物質(zhì)炭對(duì)土壤溫室氣體的減排效應(yīng)可能增強(qiáng)或減弱，甚至消失［8］。目前對(duì)于新鮮生物質(zhì)炭和老化生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體的影響對(duì)比研究較少，其影響機(jī)制尚不明確，因此本研究分析新鮮和老化生物質(zhì)炭應(yīng)用對(duì)農(nóng)田溫室氣體減排的研究進(jìn)展，以期為農(nóng)田溫室氣體減排提供理論依據(jù)。

1 生物質(zhì)炭的老化方式及老化過程的理化性質(zhì)變化

生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)對(duì)其環(huán)境行為和應(yīng)用有決定性的影響［9］，需要通過自然或人工老化的方法來探索老化對(duì)生物質(zhì)炭特性的影響，還要考慮到生物質(zhì)炭固有特性和土壤理化性質(zhì)對(duì)生物質(zhì)炭老化的影響［10］，這些因素可能影響生物質(zhì)炭老化程度和農(nóng)田固碳減排的效果。

1.1 生物質(zhì)炭的老化方式

生物質(zhì)炭的老化指生物質(zhì)炭施入土壤后，在自然條件（降水、土壤水分、溫度、空氣、微生物和植物根系等共同作用）下，其理化性質(zhì)隨時(shí)間延長(zhǎng)發(fā)生變化的過程［11-12］。但生物質(zhì)炭本身較穩(wěn)定，施入土壤后老化過程緩慢，田間自然老化試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，故國(guó)外學(xué)者通常選擇實(shí)驗(yàn)室模擬生物質(zhì)炭老化的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

生物質(zhì)炭老化的方式分為自然老化和人工老化，人工老化方法又分為物理老化、化學(xué)老化和生物老化。自然老化是指將生物質(zhì)炭施入田間土壤后，在自然環(huán)境下老化或?qū)⑼寥琅c生物質(zhì)炭混合后在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)一段時(shí)間的老化方式。物理老化是指在實(shí)驗(yàn)室條件下通過控制溫度、濕度和光照等物理?xiàng)l件來模擬自然老化的過程，通常包括凍融循環(huán)、干濕交替和高溫老化等方法［13］。凍融循環(huán)的溫度通常設(shè)置為-20、40 ℃，在大多數(shù)研究中，高溫老化溫度通常設(shè)定為70 ℃，持續(xù)120 d［14-16］，然而，如此高的溫度不能代表自然條件，建議的溫度應(yīng)該在40～50 ℃之間［17］。化學(xué)老化是指在實(shí)驗(yàn)室條件下添加各種氧化劑，如H2O2、HNO3/H2SO4、KOH、KMnO4等，通過非生物氧化降解生物質(zhì)炭，其中H2O2沒有帶來過多的外源元素，可能更適合做氧化劑［18］。生物老化通常是指在實(shí)驗(yàn)室條件下通過微生物或植物根系對(duì)生物質(zhì)炭進(jìn)行生物降解［19-21］。而Li等通過薈萃分析人工和自然生物質(zhì)炭老化方法對(duì)生物質(zhì)炭特性的影響，發(fā)現(xiàn)人工老化方法尚不能模擬生物質(zhì)炭田間自然老化，與自然老化相比，化學(xué)老化的生物質(zhì)炭表面的氧化程度較高，存在生物質(zhì)炭?jī)?nèi)部氧化和氧化劑外源元素向生物質(zhì)炭輸入的問題，凍融老化僅改變了生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)，而元素組成沒有顯著變化，故比較田間自然老化生物質(zhì)炭和人工老化生物質(zhì)炭理化性質(zhì)的變化是必要的［22］。

1.2 老化過程的理化性質(zhì)變化

老化過程會(huì)改變生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)如pH值、比表面積（SSA）、總孔隙體積、平均孔徑、表面結(jié)構(gòu)、陽離子交換量（CEC）、吸附能力、穩(wěn)定性和元素含量等（表1），進(jìn)而對(duì)生物質(zhì)炭施入后土壤溫室氣體減排效果產(chǎn)生影響。生物質(zhì)炭老化后，其比表面積可能增大或減小，微孔可能被堵塞，進(jìn)而影響其對(duì)溫室氣體的吸附能力；老化通常會(huì)使生物質(zhì)炭的pH值降低，與人工老化相比，自然老化pH值下降程度較低，這與生物質(zhì)炭中可溶性碳酸鹽的浸出、含氧官能團(tuán)的分解和有機(jī)碳的分解有關(guān)，且在老化過程中生物質(zhì)炭還會(huì)吸附環(huán)境中的CO2，形成碳酸鹽，進(jìn)而降低其酸堿度［23-24］；老化過程還會(huì)使O/C、C/N、H/C和（N+O）/C等元素比例發(fā)生變化，且生物質(zhì)炭的老化會(huì)導(dǎo)致溶解性有機(jī)碳的浸出和有機(jī)碳的礦化。在大多數(shù)研究中，隨著生物質(zhì)炭的老化，其碳含量逐漸下降，在老化過程中生物質(zhì)炭會(huì)吸附土壤中的有機(jī)物質(zhì)，進(jìn)而改變其元素含量［21，25-26］；CEC是衡量生物質(zhì)炭吸附環(huán)境中陽離子能力的指標(biāo)，老化過程可在生物質(zhì)炭表面形成含氧官能團(tuán)（OFGs），特別是羥基和羧基，從而導(dǎo)致CEC增加［27］。

2 新鮮生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體的減排效果

2.1 新鮮生物質(zhì)炭對(duì)CO2、N2O和CH4排放的影響

施用生物質(zhì)炭可以增加土壤中的有機(jī)碳含量，也可以增加其溶解性有機(jī)碳含量，且生物質(zhì)炭本身含有較高的碳，可達(dá)90.5%［5］，因而生物質(zhì)炭施用到土壤中可以增加土壤的碳匯，但是其對(duì)土壤CO2排放的影響尚不統(tǒng)一，可能和施肥方式、環(huán)境因子、生物質(zhì)炭的原材料和制備條件等有關(guān)。有許多研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用可增加菜田CO2的排放，如何飛飛等通過盆栽試驗(yàn)探究南方紅壤菜田土（其種植歷史超過15年）添加不同量的生物質(zhì)炭（水稻秸稈和花生殼在400 ℃下熱解2 h）對(duì)于土壤理化性質(zhì)和CO2排放的影響，發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭可以提高土壤CEC值、pH值和持水量，但也會(huì)增加土壤CO2的排放，原因可能是生物質(zhì)炭的自身分解會(huì)促進(jìn)土壤呼吸以及通過土壤pH值、CEC值、含水量的提高來增強(qiáng)土壤微生物活性，進(jìn)而促進(jìn)土壤CO2的排放［33］。Huang等為探究生物質(zhì)炭施入菜田對(duì)CO2排放的影響及其對(duì)溫度的響應(yīng)，采用3種處理（空白、化肥和生物質(zhì)炭+化肥處理）在重慶市某監(jiān)測(cè)站進(jìn)行為期1年的原位監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)與化肥處理相比，短期施用生物質(zhì)炭可以顯著提高土壤微生物碳（MBC）和有機(jī)碳（SOC），也會(huì)顯著提高27.5%的土壤-植物系統(tǒng)的累計(jì)CO2排放量，該研究中所用生物質(zhì)炭為油菜秸稈在450～500 ℃溫度下制備，為不完全氧化，可能其揮發(fā)性物質(zhì)含量較高，進(jìn)而促進(jìn)CO2的排放，且短期的生物質(zhì)炭施用可能會(huì)引起激發(fā)效應(yīng)，導(dǎo)致土壤中的有機(jī)碳或生物質(zhì)炭中的不穩(wěn)定化合物更易被微生物利用［34］。

對(duì)于不同土壤類型生物質(zhì)炭施用后對(duì)CO2的排放影響可能不同，如方明等通過盆栽試驗(yàn)研究花生殼生物質(zhì)炭（500 ℃下制備而成）施用對(duì)潮土和紅壤理化性質(zhì)和溫室氣體的影響，發(fā)現(xiàn)2種類型的土壤有機(jī)碳含量在施加生物質(zhì)炭后都顯著增加，生物質(zhì)炭施用后顯著增加潮土CO2的排放，而對(duì)紅壤CO2的排放無顯著影響［35］。Wu等認(rèn)為，施用生物質(zhì)炭會(huì)抑制CO2的排放［36-37］。

施用生物質(zhì)炭可以減少N2O的排放，吳震等基于文獻(xiàn)整合分析，對(duì)集約化菜地溫室氣體排放與減排進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭可減少29.1%菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放［38］，由于生物質(zhì)炭的比表面積較大，在肥料施入土壤后，可吸附其中的銨態(tài)氮，減少硝化和反硝化作用的底物［39］，且其具有疏松多孔的特點(diǎn)，可以改善土壤的通氣性，促進(jìn)N2O進(jìn)一步被還原為N2，從而減少N2O的排放。Cayuela等通過meta分析，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭原料、熱解條件和C/N是影響N2O排放的關(guān)鍵因素，而生物質(zhì)炭施用量與N2O減排有直接關(guān)系［40］。Li等在華南地區(qū)以秸稈生物質(zhì)炭不同生物質(zhì)炭施用量（0、10、20、30、40 t/hm2）分析其對(duì)蔬菜土壤N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的施用會(huì)顯著降低N2O的累計(jì)排放量降幅達(dá)34%～67%，其中以20 t/hm2生物質(zhì)炭結(jié)合氮肥可獲得最高蔬菜產(chǎn)量和N2O減排效果［41］。Spokas等認(rèn)為，新添加生物質(zhì)炭對(duì)生物質(zhì)炭的N2O緩解潛力最高，且在土壤中生物質(zhì)炭老化的1年內(nèi)下降［42-43］。

但Cheng等認(rèn)為施用生物質(zhì)炭會(huì)促進(jìn)N2O排放［44-46］；戴相林等通過田間試驗(yàn)研究秸稈及生物質(zhì)炭還田配施氮肥后，發(fā)現(xiàn)鹽漬稻田N2O排放量顯著增加［46］；劉麗君等通過室內(nèi)培養(yǎng)設(shè)置不同的生物質(zhì)炭添加比例（0、2%、4%、6%）［47］，發(fā)現(xiàn)添加不同比例生物質(zhì)炭處理都會(huì)不同程度地促進(jìn)海南燥紅壤土N2O和CO2排放，因而短期施用生物質(zhì)炭會(huì)促進(jìn)N2O和CO2排放［46］；而王月玲等認(rèn)為，生物質(zhì)炭施用量較多會(huì)減少N2O排放，施用量較少會(huì)增加N2O排放［48］，甚至對(duì)N2O排放無影響。

生物質(zhì)炭具備減緩甲烷的潛力，但甲烷是在厭氧條件下產(chǎn)生的，故生物質(zhì)炭對(duì)CH4排放的影響在水稻田和濕地研究中較多。Huang等通過1年的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在蔬菜土壤中與單施化肥處理相比，生物質(zhì)炭配施化肥處理可減少CH4的排放［34］；而Jia等采用盆栽試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈生物質(zhì)炭施用對(duì)甲烷排放無影響［49］。也有研究認(rèn)為施用生物質(zhì)炭會(huì)增加土壤CH4的排放，如Li等通過培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與未處理的土壤相比，添加5%生物質(zhì)炭（500 ℃，稻草秸稈）處理CH4排放增加了2倍［50］。

2.2 新鮮生物質(zhì)炭影響溫室氣體排放的機(jī)制

生物質(zhì)炭促進(jìn)CO2排放的原因主要包括以下3個(gè)方面：第一，生物質(zhì)炭自身不穩(wěn)定碳組分的釋放［51］。第二，生物質(zhì)炭的正激發(fā)效應(yīng)，使微生物的活性增強(qiáng)，增加土壤有機(jī)物的礦化［52-53］。第三，生物質(zhì)炭疏松多孔，會(huì)增加土壤中的透氣性，促進(jìn)土壤的呼吸作用［54］。

生物質(zhì)炭抑制CO2排放的原因主要包括以下3個(gè)方面：第一，生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積將土壤有機(jī)質(zhì)吸附到其孔隙內(nèi)或外表面上，前者為包封作用，能有效隔離微生物及其胞外酶與孔隙內(nèi)有機(jī)質(zhì)的接觸，后者為吸附作用，能降低有機(jī)質(zhì)的有效性，且兩者均能強(qiáng)烈抑制被吸附有機(jī)質(zhì)的降解［55］，微生物可利用的底物減少，故土壤CO2排放降低。第二，生物質(zhì)炭本身對(duì)CO2具有吸附作用，這是因?yàn)樯镔|(zhì)炭的比表面積較高、有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和各種官能團(tuán)［56］。第三，生物質(zhì)炭的“石灰效應(yīng)”可以提高土壤的pH值，使得生物質(zhì)炭表面堿金屬與CO2反應(yīng)，生成碳酸鹽的沉淀物［57］。

生物質(zhì)炭促進(jìn)N2O排放的原因主要如下：第一，生物質(zhì)炭通過提高硝化作用相關(guān)微生物（AOA-amoA、AOB-amoA）的基因豐度，促進(jìn)N2O排放［58-59］。第二，生物質(zhì)炭施用會(huì)增加土壤中的活性有機(jī)碳含量，增強(qiáng)微生物的活性，促進(jìn)N2O排放［60］。

生物質(zhì)炭抑制N2O排放的原因主要如下：第一，生物質(zhì)炭施用會(huì)提高土壤的pH值，進(jìn)而增加編碼N2O還原酶的基因豐度，促進(jìn)微生物的完全反硝化作用，使N2O還原為N2，從而減少N2O的排放［61-63］。第二，生物質(zhì)炭對(duì)無機(jī)氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）的吸附作用會(huì)減少微生物可利用的底物［64］。第三，生物質(zhì)炭會(huì)抑制土壤中微生物的硝化作用，這是因?yàn)樯镔|(zhì)炭會(huì)釋放多環(huán)芳烴和酚類化合物等抑制氨氧化細(xì)菌（AOB）的活性［65］。

生物質(zhì)炭促進(jìn)CH4排放主要是因?yàn)樯镔|(zhì)炭會(huì)增加產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的豐度，但產(chǎn)甲烷菌的增幅大于甲烷氧化菌［66］。生物質(zhì)炭抑制CH4排放的原因主要如下：第一，施加生物質(zhì)炭會(huì)增加土壤的通氣性，促進(jìn)CH4的氧化，進(jìn)而降低CH4的排放［67-68］。第二，甲烷菌氧化菌活性被抑制或產(chǎn)甲烷菌活性被激發(fā)［42，69-70］。

3 老化生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體的減排效果

3.1 老化生物質(zhì)炭對(duì)CO2、N2O和CH4排放的影響

經(jīng)過老化后生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，生物質(zhì)炭的原料、熱解溫度、老化方法和老化時(shí)間是影響生物質(zhì)炭性質(zhì)變化的重要變量，且由于試驗(yàn)條件、施用量、土壤類型等不同，老化生物質(zhì)炭對(duì)土壤溫室氣體的影響并不統(tǒng)一［71］。

Li等通過田間原位試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照、土壤強(qiáng)還原修復(fù)技術(shù)（RSD）處理、RSD+20 t/hm2老化生物質(zhì)炭處理、RSD+40 t/hm2 老化生物質(zhì)炭處理，與RSD處理相比，RSD+生物質(zhì)炭處理會(huì)抑制CO2排放，但會(huì)促進(jìn)N2O排放，對(duì)CH4排放影響不大，溫室氣體（CHG）總體下降207%～28.7%［22］。而Hagemann等通過田間試驗(yàn)和培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)合的方式研究老化生物質(zhì)炭對(duì)N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)在生物質(zhì)炭施用后的第3年仍可以有效減少N2O和CO2的排放［72］。Sadasivam等發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，在空氣中老化3年的生物質(zhì)炭CH4排放顯著增高［73］；而Feng等通過文獻(xiàn)整合分析發(fā)現(xiàn)，老化生物質(zhì)炭可以減少11%的CH4排放［71］。陳亞娟等通過分析生物質(zhì)炭和沼液配施對(duì)楊樹人工林土壤溫室氣體排放的長(zhǎng)期影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用7年后對(duì)土壤溫室氣體的減排效果并不顯著，甚至?xí)龠M(jìn)溫室氣體的排放［74］。

同一種老化生物質(zhì)炭在不同處理土壤中對(duì)溫室氣體的影響也不同，Zheng等通過培養(yǎng)試驗(yàn)分析不同鹽度（0、1.2%）的土壤與生物質(zhì)炭老化的相互作用，發(fā)現(xiàn)老化生物質(zhì)炭會(huì)增加鹽漬條件下土壤C礦化和CO2排放，在非鹽條件下可以抑制土壤CO2的排放量，老化生物質(zhì)炭和作物殘留物共同施用是解決鹽漬條件下儲(chǔ)存土壤碳和減少N2O排放的最佳途徑［75］。

3.2 老化生物質(zhì)炭影響溫室氣體排放的機(jī)制

老化生物質(zhì)炭影響土壤CO2排放，是因?yàn)轱L(fēng)化通常會(huì)增加生物質(zhì)炭表面的碳基、羧基和酚類官能團(tuán)的豐度，進(jìn)而導(dǎo)致pH值下降和O/C增加，O ∶[KG-*3]C 的值增加可能會(huì)對(duì)生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。老化生物質(zhì)炭促進(jìn)CO2排放是因?yàn)槔匣纳镔|(zhì)炭可能更易被微生物分解，也可能在風(fēng)化過程中孔隙被堵塞，吸附能力減弱，進(jìn)而促進(jìn)CO2的排放［42］；老化生物質(zhì)炭抑制CO2排放是因?yàn)殡S著生物質(zhì)炭的老化，它會(huì)和土壤團(tuán)聚體結(jié)合，促進(jìn)根際沉積物和微生物的穩(wěn)定，可以在土壤中存在數(shù)百年到數(shù)千年，生物質(zhì)炭自身不穩(wěn)定成分被釋放出去，會(huì)提高機(jī)械性能，增加生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性［76］。

老化生物質(zhì)炭抑制N2O排放的原因主要包括2個(gè)方面：第一，老化生物質(zhì)炭會(huì)顯著降低硝化和反硝化作用［31］。第二，老化生物質(zhì)炭的比表面積和對(duì)銨態(tài)氮的吸附能力增強(qiáng)［77-78］，進(jìn)而增加對(duì)N2O的吸附。

老化生物質(zhì)炭會(huì)抑制N2O的能力減弱或促進(jìn)N2O排放，主要是因?yàn)橥寥冷@態(tài)氮的降低和土壤硝酸鹽的增加間接證實(shí)了生物質(zhì)炭對(duì)硝化作用的促進(jìn)作用，但老化生物質(zhì)炭會(huì)促進(jìn)硝化細(xì)菌的增殖，尤其是AOA（5.1%），可能是由于氨氧化真菌能更好地適應(yīng)環(huán)境，改善老化生物質(zhì)炭，而AOA比AOB更能適應(yīng)堿性環(huán)境［79］。生物質(zhì)炭的老化效應(yīng)會(huì)顯著促進(jìn)AOA的增加，可能使硝化過程加速，有利于N2O的排放，從而削弱生物質(zhì)炭降低N2O的潛力［71］。

老化生物質(zhì)炭抑制CH4排放的原因主要包括3個(gè)方面：第一，老化生物質(zhì)炭通過形成微聚集體或?qū)⑷芙獾挠袡C(jī)物吸附到木炭顆粒上來穩(wěn)定有機(jī)碳，使其在土壤中持久存在，通過固定有機(jī)碳來減少CH4排放［80-81］。第二，生物質(zhì)炭施入土壤后會(huì)增加土壤的pH值，而pH值與pmoA基因豐度呈顯著正相關(guān)，并降低mcrA豐度，甲烷氧化菌對(duì)pH值的變化較敏感，pH值增加會(huì)提高其活性，抑制CH4的排放［82-84］。第三，老化生物質(zhì)炭可以增加土壤的通氣性，進(jìn)而抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，減少CH4排放［85］。老化生物質(zhì)炭促進(jìn)CH4排放可能是由于老化生物質(zhì)炭的孔徑會(huì)變大，吸附能力變?nèi)酰?3］。

4 老化生物質(zhì)炭和新鮮生物質(zhì)炭減排效果的對(duì)比及機(jī)制

本文對(duì)田間自然老化、室內(nèi)模擬老化以及不同培養(yǎng)方式進(jìn)行聯(lián)合探究，利用13C和15N示蹤技術(shù)從過程層次上揭示生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤溫室氣體排放的影響機(jī)制研究有所缺乏［8］，目前研究的田間自然老化生物質(zhì)炭多從田間土壤中分離出來后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)，對(duì)于田間原位試驗(yàn)研究較少（表2）。

如Duan等利用15N示蹤技術(shù)和定量聚合酶鏈反應(yīng)（qPCR）對(duì)2種溫室蔬菜生產(chǎn)（堿性和酸性）土壤進(jìn)行微觀試驗(yàn)，分析新鮮和老化生物質(zhì)炭（從田間施用生物質(zhì)炭5年后的土壤中分離出來）對(duì)N2O生產(chǎn)的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)新鮮生物質(zhì)炭可以有效降低2種土壤中的N2O排放，而老化生物質(zhì)炭處理通過硝化和反硝化作用會(huì)顯著促進(jìn)N2O排放（43%～78%）［77］，相對(duì)新鮮生物質(zhì)炭，老化生物質(zhì)炭會(huì)增加比表面積、有機(jī)碳含量、銨的吸附能力和陽離子交換能力，但會(huì)減小孔徑和pH值。但這與Wang等得到的結(jié)果相反，本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與新鮮生物質(zhì)炭相比，田間老化生物質(zhì)炭會(huì)顯著減少土壤中CO2和N2O排放，可能是因?yàn)樵谏镔|(zhì)炭老化過程中，其表面形成了有機(jī)-礦物復(fù)合物，堵塞生物質(zhì)炭上的裂紋和孔隙，提高其力學(xué)性能，減少其自身不穩(wěn)定組分的釋放，且老化生物質(zhì)炭顆粒中的微生物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)豐富于新鮮生物質(zhì)炭顆粒，如細(xì)菌（如氯霉）的存在可以將CO2固定在老化的生物質(zhì)炭顆粒中，也可能減少CO2的釋放［86］，然而，生物質(zhì)炭老化對(duì)其微生物群落結(jié)構(gòu)和基因的影響有待進(jìn)一步研究。

繼上述研究后，Zhang等對(duì)土壤氮循環(huán)基因進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)新鮮生物質(zhì)炭通過自養(yǎng)硝化和反硝化作用會(huì)顯著促進(jìn)蔬菜土壤15.5%的N2O排放，而田間老化生物質(zhì)炭會(huì)削弱17.0%的N2O，但實(shí)驗(yàn)室老化生物質(zhì)炭對(duì)N2O的排放并沒有顯著影響［31］。造成該現(xiàn)象的原因是新鮮生物質(zhì)炭提高了土壤的AOB-amoA基因豐度，進(jìn)而通過自養(yǎng)硝化和反硝化促進(jìn)N2O的排放，老化生物質(zhì)炭通過降低AOB-amoA和nosZ基因的豐度來減少N2O的排放。劉一戈等通過室內(nèi)培養(yǎng)比較不同溫度下新鮮生物質(zhì)炭與老化生物質(zhì)炭對(duì)菜地土壤N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)在30 ℃時(shí)生物質(zhì)炭對(duì)N2O減排效果比在10、20 ℃時(shí)更好，且老化生物質(zhì)炭的減排效果優(yōu)于新鮮生物質(zhì)炭，這是因?yàn)樾迈r生物質(zhì)炭通過吸附硝酸根離子減少其參與反硝化過程，進(jìn)而降低N2O排放，老化生物質(zhì)炭則通過影響反硝化過程的底物量和反硝化功能基因nirK和nosZ的豐度，從而導(dǎo)致土壤氮以其他氮素形式損失，減少N2O的排放量［87］。

生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體排放的影響會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生變化，在農(nóng)田中老化3年的生物質(zhì)炭的CH4氧化能力比新施入的生物質(zhì)炭高，但N2O減排能力下降［42］，生物質(zhì)炭在施用3年后仍對(duì)N2O具有顯著的減排效果。吳震等認(rèn)為，在稻田土壤中老化3年的生物質(zhì)炭能顯著降低稻麥輪作系統(tǒng)中CH4和N2O排放，其仍然具備固碳減排的能力，而新鮮生物質(zhì)炭也會(huì)顯著降低N2O排放，但卻增加了CH4排放，相比之下老化生物質(zhì)炭更能降低稻田輪作系統(tǒng)的綜合溫室效應(yīng)［88］。但Thers等通過油菜土壤施用田間老化生物質(zhì)炭和新鮮生物質(zhì)炭原位試驗(yàn)對(duì)土壤N2O排放進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)N2O排放不受生物質(zhì)炭不同類型、施用率和田間老化的影響［89］。

5 展望

新鮮生物炭通過改變土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)，直接或間接影響土壤溫室氣體排放，老化生物炭會(huì)改變自身的理化性質(zhì)，從而直接或間接影響土壤溫室氣體排放。但由于生物質(zhì)炭的原材料、施用量、老化時(shí)間、老化方式等存在差異，其對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響也不同，亟須深入研究新鮮和老化生物炭施入對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響和機(jī)制。未來研究需重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：（1）比較新鮮和老化生物炭對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響。在相同條件下，同時(shí)研究新鮮和老化生物質(zhì)炭對(duì)土壤溫室氣體排放的影響，分析生物質(zhì)炭長(zhǎng)期施用對(duì)土壤溫室氣體排放的減排效果。（2）田間試驗(yàn)和培養(yǎng)試驗(yàn)聯(lián)合研究，可以進(jìn)一步利用13C和15N示蹤技術(shù)從過程層次上揭示生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤溫室氣體排放的影響，利用田間試驗(yàn)與培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)合的方法揭示老化生物質(zhì)炭和新鮮生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體排放效應(yīng)的機(jī)理。（3）目前對(duì)于生物質(zhì)炭田間老化對(duì)溫室氣體排放的影響研究中生物質(zhì)炭老化時(shí)間大多在5年以內(nèi)，應(yīng)關(guān)注生物質(zhì)炭施用后土壤溫室氣體排放更長(zhǎng)期的效應(yīng)和機(jī)理研究。

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