生物质炭对农田土壤碳循环影响研究进展

马浩+雷光宇+李娟

摘 要：近年来，随着农业集约化的推进和全球气候变暖的加剧，农田生态系统土壤有机碳库流失严重，并主要以土壤温室气体的形式进入大气，因此，寻求一种既可以减少土壤温室气体排放又可以确保农业可持续发展的途径尤为重要。生物碳作为含碳量极为丰富的高度芳香化难熔性物质，生物质碳的输入对土壤碳循环产生一系列深远影响，已成为环境及生态相关学科的研究热点。本文从生物质炭对土壤固碳的影响机制以及对土壤碳截留和温室气体排放的影响、我国生物质炭净减排能力等方面概述了生物质炭对农田土壤碳循环的影响，并对国内外研究中存在的问题进行分析并提出展望，以期对当前我国农田土壤固碳研究有所参考。

关键词：生物质炭；农田土壤；碳截留；农田温室气体；减排

中图分类号：S153；X22 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170333051

近年来由于温室气体CO2和CH4等对全球气候变化的影响以及由此引发的一系列严重的环境问题，已经引起世界各国的密切关注，而农业对全球温室气体的排放有重要影响。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，与自然土壤相比，农田土壤受人类活动干扰严重。据估计，全球排放的温室气体中有11%的CO2，60%的N2O和50%的CH4来自农业生产活动[1]，其中CO2、CH4和N2O对全球气候变暖的贡献率分别为60%、15%和5%[2]，因此，如何有效减少农田土壤温室气体排放，最大程度提高土壤固碳潜力是当前农业和环境领域所面临的主要问题，而生物质炭技术的兴起为之提供了可能。

生物质是指具有生命的生物体利用大气、水、土壤等提供的各种元素通过光合作用等合成途径产生的各种有机体，即一切有生命的生物体生命活动产生的有机物质。国际生物质炭协会将生物质炭定义为：生物质在缺氧条件下通过热化学转化成的固态产物，它可以单独或者作为添加剂使用，能够改良土壤、提高资源利效率、改善环境污染，以及作为温室气体排放的有效手段。生物质炭是一种具有多芳香环的物质，具有高度的生物化学和热稳定性，能够将大气CO2固定并以稳定态碳的形式存储在土壤中，具有巨大的碳封存潜力。已有大量研究表明[3-8]，生物质炭施入土壤生态系统后，不仅可以增强土壤固碳，还可以改善土壤结构及理化性状，具有提高土壤质量和肥力、提高作物产量的作用。

1 生物质炭的固碳减排机制

1.1 生物質炭的稳定性

施用生物质炭能够将大气中的CO2固定并封存在土壤中，是一种有效的碳汇途径。生物质炭富含稳定的碳元素，主要由芳香环结构和烷基成分组成[9]，使其表现出高度生化学稳定性和热稳定性，具有很强的抵抗微生物分解的能力，可长期保存于土壤中而不易被矿化[10]。生物质炭与土壤中的矿物结合形成土壤团聚体，生物质炭封闭在团聚体中，通过团聚体的物理保护作用降低土壤矿化速率，提高有机质含量，同时抑制土壤有机碳（SOC）的分解，促进土壤碳库的形成、固定和周转[11]。

1.2 生物质炭对农田温室气体减排机制

生物质炭的施入能够显著降低农田土壤生态系统温室气体的排放，有利于缓解温室效应和全球气候变暖。生物质炭对农田温室气体排放的作用机制主要体现在3个方面：生物质炭自身的理化性质。由于生物质碳多孔性和颗粒结构，能够较大程度吸附土壤中的气体和养分，从而影响温室气体排放[12]；生物质炭对土壤理化性质的影响。生物质炭施入土壤后，会对土壤理化性质如孔隙度、pH、通气性、氧化还原电位以及吸附性能产生一系列影响，进而影响温室气体排放[4]；生物质炭对土壤微生物的影响。土壤理化性质的改善和大孔隙结构为土壤微生物的生存提高良好的环境，直接影响土壤中参与温室气体产生和吸收过程的微生物的种群结构多样性或活性影响温室气体的排放[13]。

2 生物质炭对农田土壤碳截留的影响

2.1 生物质炭对土壤有机碳的影响

经过热解后生物质炭的碳含量可从生物质初始的40%～50%提高到70%～80%，生物质炭施入土壤能够提高土壤的有机碳含量，且土壤有机碳含量随着生物质炭施用量的增加而增加[14]。此外，也有研究认为生物质炭与土壤原有有机质之间可能存在激发效应，进而影响土壤有机碳含量。当添加生物质炭以后，生物质炭能够通过改变土壤中有机质腐殖化、稳定性和呼吸速率等，产生“碳-负”（carbon-negative）效应，生物质炭抑制了生物质的分解过程，使碳以一种稳定的形态贮存在土壤中，减缓了碳以温室气体形式向大气的释放[15]，因此，将生物质热解转变为生物质炭不仅能够减少温室气体的排放，缓解全球变暖，还能提高土壤碳汇，促进土壤新碳的形成。

2.2 生物质炭对土壤团聚体的影响

生物质炭添加到土壤后一般不是以自由有机质形式存在，而是生物质炭表面的有机结构与土壤中的矿物形成土壤团聚体[16]。生物质炭通过团聚体的物理保护作用降低土壤微生物对其分解的风险而长期固持。生物质炭的缓慢氧化过程使得土壤团聚体更稳固长久[17]，同时，土壤团聚体对碳的保护能力对土壤碳储存有着不可忽视的作用。但也有研究表明，生物质炭对团聚体含量变化没有影响，叶丽丽等[18]通过研究生物质炭对土壤机械稳定性和团聚体稳定性影响，结果显示生物质炭不能提高土壤抗破碎能力和土壤团聚体稳定性。

3 生物质炭对农田土壤温室气体排放的影响

3.1 生物质炭对农田土壤CO2排放的影响

农田土壤有机碳矿化释放的CO2是农业温室气体排放的重要途径，CO2在大气中的存留寿命为5～200a。生物质炭具有较高的吸附性能，不仅可以吸收大气中的CO2，同时还可以通过固定土壤有机碳从而减少土壤CO2的释放，而且还可以将其长期储存于土层中[15]，这对整个大气环境来讲这是“碳负性”。又因生物质炭具有极高的化学稳定性，使其施入土壤后能长期存在而不易分解出温室气体。但施用生物质炭对减少农田土壤CO2排放还存在较大的不确定性。有研究表明，生物质炭添加土壤后在短期内会增加土壤呼吸速率，随着生物质炭施用量的增加土壤CO2排放量增加[19]。目前对于生物质炭施入对土壤CO2排放量影响的定论各不相同，生物质炭的施入与土壤CO2排放量之间并不呈现绝对正相关或负相关，还取决于生物质炭的种类、施用的土壤类型、理化性质以及土壤微生物活性等多方面因素[20]。

3.2 生物质炭对农田土壤CH4排放的影响

农田土壤系统碳循环过程，CH4尽管所占比例很少，却是重要的温室气体。从100 a的时间尺度上来看，CH4的增温潜势（GWP）是单位等质量CO2的25倍。生物质炭对CH4的减排作用主要通过生物质炭降低土壤容重，增加土壤通气性，从而降低土壤的厌氧环境，降低CH4的产生或者是增加CH4的氧化[21]。但也有报道表明生物质炭的添加会增加CH4的排放。彭华等[22]报道了用量为1.4 t/hm2的生物质炭对晚稻CH4减排影响的研究，结果表明，生物质炭的施用CH4的排放总量与单施化肥相比增加了6.32%；另外，施入土壤自身的理化性质也影响着CH4的吸收和排放。土壤pH值过高或过低都影响着CH4的产生，当土壤pH接近中性6.5～7.5时，产甲烷古细菌的活性最大[23]。

4 我国生物质炭固碳减排的潜力

随着全球气候变化，我国越来越重视温室气体减排的重要性。中国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，我国1.2亿hm2耕地上种植的各种农作物，年秸秆总量高达7亿t，其中一部分秸秆作为有机肥料回填到农田土壤中，另外一部分则被当做垃圾焚烧、遗弃、腐烂，造成环境污染。由于秸秆中本身碳含量较高，秸秆施入土壤后，在微生物作用下容易矿化并释放CO2，因此土壤中最终截留的碳很少且积累缓慢；大量的秸秆被焚烧，不仅造成农业资源的严重浪费，同时秸秆焚烧会产生大量的CO2和有害气体，日益严重的雾霾天气也说明迫切要求更加合理高效地利用秸秆资源。据国际再生能源（IWR）组织2010年发布的报告，2009年全球CO2排放量为313亿t，其中中国CO2排放量为74.3亿t，占全球的23.7%，居世界第一[24]。研究表明[25]，如果能够热解炭化7亿t农林废弃有机物质，能够向大气中减少CO2排放达10.22亿t，也就是说，如果把每年处理7亿t农林废弃有机物以生物质炭的方式封存，理论上可减少国家总体排放约13.8%的CO2。由此可见，我国利用生物质炭固碳潜力巨大。

5 总结与展望

生物质炭作为一种有效的农田固碳减排措施，其具有高度的稳定性，其分解需要几千年甚至几万年的时间，而且添加到土壤中可以增加土壤有机碳的含量及能够切实降低大气CO2和CH4浓度。另外，我国农田土壤固碳潜力及生物质炭减排能力巨大，因此在我国应用生物质炭固碳减排具有广阔的前景。但是目前仍有诸多问题还需进一步探讨。

目前，科学研究者针对生物质炭的稳定性及其与土壤碳库相互作用方面已经开展了一些研究并取得了初步成果，但针对生物质炭输入对土壤腐殖质的影响研究报道少之又少，仅有研究主要关注生物质炭对土壤腐殖化的影响。

尽管研究表明生物质炭有着稳定的固碳效应，但生物质炭施入土壤后对温室气体排放效应的影响目前还没统一的结论，还需要进行大量的试验研究证明。

生物质炭含碳量高，施入土壤可能会引起微生物大量繁殖，会对土壤微生物群落结构和功能产生影响，由此而导致土壤理化性质及功能发生相应的变化，因此有必要开展生物质炭——土壤——微生物——作物统一连续体的研究。

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作者简介：马浩（1991-），男，陕西宝鸡人，硕士研究生，陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，主要从事旱地农业研究。