生物质炭在农田生态系统中的应用

摘要 近年来，生物质炭作为一种应对气候变化实现农田生态系统固碳减排的重要措施，被广泛应用于各类室内以及田间试验中，因此施用生物炭已经成为一种实现农田生态系统固碳减排的双赢策略。通过总结归纳生物炭对作物产量、酸性土壤理化性质、温室气体排放以及固碳等方面的影响，以期为实现生物炭在农田生态系统中的推广应用提供理论依据。

关键词 生物质炭；气候变化；作物产量；温室气体排放；农田生态系统；应用

中图分类号 S154.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）18-0235-03

人类的农业生产活动以及其他措施大幅度影响土壤碳氮循环变化，其表现和影响之一就是大气中温室气体的含量不断增加，从而导致全球气候持续变暖等负面效应[1]。如何减少土地利用中温室气体排放增加陆地生态系统碳汇是当前减缓气候变化研究的热点[2]。土壤是陆地生态系统的主要碳库，而土壤碳库对土壤肥力以及作物产量等有重要的影响[3-5]。碳、氮循环是农田生态系统最基本的生态过程，受到人为作用的影响和调控，同时对农田生态系统的稳定性、生产力及其环境效应具有关键性的影响。由于施肥量大、用地方式不合理等原因造成的土壤肥力退化、土壤酸化等情况，严重威胁着环境安全以及可持续发展的落实。因此，找到切实可行的减排固碳措施能够达到生产与环境的双赢。

为了应对土壤碳库以及气候变化，各类措施已经被广泛实施与应用，但是效果并不显著[6-7]。例如秸秆还田虽然可以增加蔬菜产量，但是由于土壤的矿化作用等过程，并不能对土壤碳库产生持续的影响（短于30年）[8]，还会造成温室气体排放的增加[9-10]。而生物炭由于其在土壤中的稳定性以及其碳负性固碳理念[11]，在近些年来被作为一种良好的减排措施广泛应用于各类试验中。生物炭是指各种有机植物残体在无氧条件下高温热解或者气化后的固态产物的统称，能够有效减少农业生态系统中N2O的排放[12-14]，增加农业土壤有机碳含量并且不增加或者少量增加CH4与CO2的排放[15-16]。同时，生物炭还能够改良土壤，提高作物的生产力，因而可以作为农业应对气候变化的增汇、增产的双赢途径。

1 生物炭对作物产量的影响

在绝大多数试验中，生物炭均表现出对作物的增产作用。Jeffery等[17]的研究表明，施用生物炭对比无生物炭处理的作物产量增加了11.0%±1.4%。Jia等[18]的研究表明，施用生物炭能够使蔬菜产量增加28%～48%。生物炭具有良好的物理性质和养分调控作用，能够提高氮肥的有效性，施入土壤可以显著促进种子萌发和生长，从而提高作物生产力[19]。生物炭施用量的不同对作物产量同样存在影响。Chan等[20]用采自于新威尔士南部的小牧场周围的平原的淋溶土壤进行了生物炭的萝卜盆栽试验，处理的生物炭用量分别为0、10、25、50 t/hm2，并设计2个氮肥水平（0、100 kg/hm2），在无氮肥配施处理中，生物炭用量为10、50 t/hm2的处理比对照分别增产 42%和96%，而其他施炭量对作物产量影响无显著差异。当然生物炭的施入在一些试验中也对作物表现出减产作用。例如在火山灰土上施用生物炭对田间种植的大豆和玉米表现出减产的作用[21]，因此生物炭的增产作用及适宜用量还需视农田作物类型土壤类型和性质以及施肥情况而定。生物炭能够提高土壤中微量元素的有效性，例如酸性土壤中的钙离子和镁离子等[22-23]。同样，施用生物炭还能够提高土壤中氮素的利用率[24-25]以及增加土壤中的酶活性[26]。

2 生物炭在酸性土壤中的应用

在热带以及亚热带地区，土壤pH值低和铝含量高是制约作物产量的限制性因子[27]。随着农业的发展，为了保证作物的产量，氮肥的大量施入会导致土壤酸化的现象，这也会减少作物产量。生物炭含有的灰分元素如钾、钙、镁离子等都呈可溶态，施入土壤可提高酸性土壤的盐基饱和度，以提高土壤的pH值、降低酸性土中铝的饱和度。也有研究表明，非碱性的生物炭对作物没有增产作用[22]。Jeffery等[17]人的研究表明，生物炭的施入使土壤的pH值提高了0.1～2.0，变化幅度较大。随着土壤pH值的上升，土壤中的有效钾离子和磷离子的含量也会增加[28]，并且有毒性的铝离子含量会显著下降[29-30]。因此，生物炭中的石灰组分不仅提高了植物生长所需的矿物质营养元素，同时也降低了热带亚热带酸性土壤中铝离子的毒性胁迫作用，从而提高了粮食生产的安全性。

3 生物炭的固炭作用

通常，CO2通过植物的光合作用，被各类陆地生态系统中被固定。在光合作用的过程中，这些1/2的CO2被用于植物用于自身的呼吸作用，另外1/2通过植物残体凋落的方式返还给土壤，并在各类土壤微生物以及酶催化的过程中分解有机质生成CO2排放到大气当中，在这个过程中称之为生态系统的碳中性。在这个过程中，由于高温热解过程中生产生物炭分解速度慢的特点，会有比较大一部分的碳元素通过土壤物理过程的保护成为惰性的土壤碳库，留在土壤中实现农田生态系统的的固碳。生物炭的在农田生态系统中的固碳能力要远远超出其他有机物的施用，其原因是由于其独特的疏松多孔结构及其芳香环稳定的特性，保证其在农田土壤中维持长期的稳定状态。在农田生态系统生产的过程中，会产生非常多的植物残体[31]。通常情况下，焚烧有机物是一个比较常见的措施，在此过程中有机物中所有的碳元素都以 CO2的形式释放到空气中，并没有在土壤中增加有机碳的固定。因此，通过高温热解的方式把生物垃圾转换为生物质炭并应用于农田生态系统中成为近年来的一个热点研究方向，此措施能够把残留植物部分转化为潜在的生物能源，还能够有效地增加农田土壤碳固定以及提高土壤的肥力。Marris[32]曾经在综述中提到了在全球范围内生物炭的固碳潜在能力。Okimori等[33]估算，若印尼每年有36.8万t的作物秸秆以及废弃物，通过高温热解可转化为7.70万t的生物炭而施入土壤储存，通过这种方式能够大幅减少农田生态系统向大气排放的CO2的总量。到2100年，人类活动排放二氧化碳量的1/4将可以通过处理废弃有机质得到的生物炭进行封存，这可能降低大气中二氧化碳浓度达40 mL/m3。

4 生物炭对温室气体排放的影响

生物炭施入土壤后，能够显著地表现出对于温室气体的减排作用。其原因主要是由于生物炭施入后使得土壤容重降低，通气性改善，加上生物炭的高C/N比，限制了氮素的微生物转化和反硝化，从而改变了农田生态系统的氮循环[8]。除此之外，生物炭的施用在大多数试验中都表现出提高土壤 pH值的能力，这使得土壤反硝化产生的N2O的比例会有所上升。当土壤pH值为中性时N2是反硝化的主要产物，当pH值降低时则有利于N2O的释放。不过在一些试验中生物炭也没有表现出比较好的减排效果，其原因和施用生物炭的性质（灰分含量等）以及各类农田生态系统的异质性都存在着联系。Zhang等[16]的研究表明，施入20 t/hm2和40 t/hm2的生物炭能够显著减少玉米地N2O排放量10.7%和41.8%，从而降低玉米地的综合温室效应。同时，在稻田中施入生物炭能够显著降低N2O排放量21%～51%。在Jia等[18]的研究中，生物炭同样可以显著减少菜地土中N2O的排放。但是受生物炭种类以及试验地WFPS等因素的影响，生物炭在一些试验中也没有体现出对N2O的减排作用[34]。Xie等[35]和Kammann[36]的研究表明，在土壤WFPS大于80%的时候，生物炭能够显著增加N2O的排放。Yanai等[12]的研究表明，在83%土壤WFPS时，生物炭对N2O出现增加排放的作用，但是在较低土壤WFPS时则可以显著减少N2O的排放。近些年，来稻田中关于生物炭对CH4排放的影响也有很多报道[16，37-39]，而稻田中土壤CH4排放量则主要受到土壤可利用有机碳含量的影响[9，40-41]。而生物炭的性质比较稳定，相比秸秆等生物质不能快速显著地提高土壤有机碳的含量，因此对稻田CH4的排放影响相关性不大[42]。虽然在各类试验中，生物炭被大量应用于固碳减排，但是其作用机理以及对于农田土壤氮素的转化缺乏比较深入的研究，对于土壤微生物以及酶活性等的研究也较少，因此生物炭对农业生态系统土壤氮素的转化仍然需要进一步研究和探索。

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