生物炭的老化及其对温室气体排放影响的研究进展

袁海静，邓桂森，周顺桂，秦树平

福建农林大学资源与环境学院/福建省土壤环境健康与调控重点实验室，福建 福州 350002

全球气候变化是当今国际社会普遍关注的热点环境问题，由于人类活动的影响，温室气体二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）排放急剧增加，根据IPCC第五次评估报告，2011年大气中CO2平均体积分数从工业革命前的280×10-6增 加 到 391×10-6，CH4从 715×10-9增 加 到1803×10-9，N2O 也从 270×10-9增加到 324×10-9，分别增加了工业革命前的 40%、150%和 20%（IPCC，2013）。这些温室气体浓度如果持续增加会使得全球气温升高、海平面上升，对自然环境造成巨大破坏；此外，CH4和N2O浓度升高会破坏大气层上空的臭氧层，透过臭氧层的辐射会对人体健康带来直接危害（Bekki et al.，1994；Ravishankara et al.，2009），减少 CO2、CH4和 N2O 等温室气体排放是控制全球气候变化的重要措施。IPCC评估报告还指出 5%－20%的 CO2、15%－30%的 CH4和80%－90%的N2O均来自于农田土壤排放（IPCC，2013），因此改善农业管理措施和减少农田温室气体排放，是全球温室气体减排的一个重要切入点。

生物炭是指生物质（例如废木材、有机肥、作物残余物等）在无氧或缺氧的条件下，经过高温热解所得到的稳定且高度芳香化的固态富炭多孔物质（Lehmann et al.，2015）。自2007年Lehmann在Nature杂志发表评论“生物炭生产将生物质中易分解的碳固存起来，实现CO2的固定，从而减缓气候变化”之后，生物炭对CH4和N2O等温室气体排放影响的研究呈现出雨后春笋式的发展。大部分室内培养或田间实验结果表明，土壤施加生物炭能够有效减少 CO2、CH4和 N2O 的排放（Singh et al.，2010；Liu et al.，2011，Feng 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没有降低以上这3种温室气体的排放（Karhu et al.，2011；Case et al.，2017；Wu et al.，2018），甚至增加了这些气体的排放（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种类和不同类型土壤之间的相互影响作用不同；另一种可能是尽管一般认为实验过程中生物炭材料具有较好的稳定性，但施入环境后，受外界物理、化学和生物等作用，其理化性质会随时间推移逐渐发生变化（Cheng et al.，2008；Heitkötter et al.，2015，Sorrenti et al.，2016；Dong et al.，2017），即生物炭的老化导致性质改变造成减排效果不一致。

生物炭在老化过程中，其表面形态、比表面积、孔隙度、元素组成、表面含氧官能团等都发生了一系列的变化，这些性质的改变与土壤微生物如何耦合？是否会减弱生物炭对温室气体的减排、甚至促进温室气体的排放？其中的作用机制是什么？对这些问题的探讨，有助于我们了解生物炭的环境可持续效应，从而根据其作用过程来设计、制备生产出智能的生物炭（“smart” biochar）（蒲生彦等，2019）。本文在介绍目前生物炭的老化方式以及老化后理化性质改变的基础上，综述了生物炭老化过程对CO2、CH4和N2O这3种主要温室气体排放的影响（图1），总结了生物炭的性质变化对温室气体排放的可能影响机制，为合理评估生物炭环境效益，指导生物炭生产和合理施用提供科学依据。

图1 文章主要内容和结构图Fig. 1 The chart of article content and structure

1 生物炭的老化方式及老化作用对其理化性质的改变

1.1 生物炭老化过程和方式

生物炭施入土壤后，在土壤水分、空气、微生物和植物根系等作用下，其物理化学性质发生变化的过程，称之为生物炭老化。尽管有研究采用野外土壤培养原位老化的方式来表征生物炭的稳定性或老化过程（Sorrenti et al.，2016；Sun et al.，2016；Dong et al.，2017；De La Rosa et al.，2018），但田间自然条件下生物炭发生明显的性质变化可能需要数年至数十年的时间，且需要从土壤中手动分离得到老化的生物炭，步骤较为繁琐，大部分研究为了快速得到老化的生物炭以开展实验，常采用室内模拟老化的方式。

常用的模拟老化方法可以分为生物、物理和化学老化。生物老化是指生物炭在微生物的作用下加速老化的一种方式，常将富集培养的微生物或土壤微生物提取液和一定的营养液加入到生物炭中，根据需要培养一定时间，得到微生物矿化的生物炭样品（Cheng et al.，2006；Zimmerman，2010；汪艳如，2017）。物理老化主要指在不同湿度、温度、光照等物理条件下对生物炭进行处理，常用的方法有高湿高温、冻融循环和干湿交替等方式，高温高湿老化顾名思义是将生物炭和土壤混合放在高湿高温环境下，并持续一定时间，然后分离获得老化样品；冻融循环方式即是将生物炭在低温（-20 ℃）或超低温（-78 ℃）和室温（20 ℃）之间不断来回切换（苏德丽，2016；Oleszczuk et al.，2018），从而促进生物炭性质发生变化；与冻融循环方式类似，干湿交替方式是指将生物炭与土壤混合交替置于淹水和干燥环境中处理而获得生物炭老化样品（Zhang et al.，2016；Xu et al.，2018），其实这些生物炭与土壤混合的物理老化过程中也存在着微生物的作用。生物炭的化学老化主要是氧化过程，实验室中常采用一些氧化剂如臭氧、次氯酸盐、过氧化氢（H2O2）（Kawamoto et al.，2005；Huff et al.，2016；田路萍，2017；Fan et al.，2018；Liu et al.，2019）等来处理生物炭，快速模拟其老化过程。Rechberger et al.（2017）指出，酸性土壤环境会加速生物炭的老化，有研究使用HNO3/H2SO4来老化生物炭（Qian et al.，2015），但是使用化学试剂来模拟生物炭的老化往往会引入其它离子的干扰。例如使用HNO3或者H2SO4处理生物炭，会引入和离子，对研究土壤N2O排放带来一定的影响。H2O2氧化性强，除H和O外不会带入其它的元素，相较而言是一种理想的模拟生物炭老化的试剂。

1.2 老化过程中生物炭理化性质的改变

本质上来讲，生物炭的理化性质决定了其功能，当生物炭发生老化后，其性质会发生一系列的变化，从而对温室气体排放产生影响，如图1所示，我们主要从其物理性质（比表面积、孔隙度和孔径）和化学性质（元素含量、pH、表面官能团）的变化方面来介绍老化过程对生物炭的影响，以此为基础解释生物炭老化过程对温室气体排放的影响。

生物炭是一种多孔富碳物质，比表面积大，在相对温和的老化过程中生物炭表面有新的微孔生成，比表面积与新鲜生物炭相比增大了一倍以上（Dong et al.，2017；Liu et al.，2019），单从物理吸附来讲，生物炭老化后可能对温室气体的吸附能力增强。另一方面，在高浓度的 HNO3、H2SO4或者H2O2等强烈的老化方式会使生物炭纳米微孔结构被破坏、孔径变大，比表面积降低，从而不利于温室气体的吸附（Ghaffar et al.，2015；Güzel et al.，2017；Yuan et al.，2019）；且有研究报道田间原位老化过程中生物炭孔隙结构可被土壤矿质离子或微生物席（microbial mats）阻塞，造成吸附能力下降（Mukherjee et al.，2014；De La Rosa et al.，2018）。

老化过程中生物炭C/N或者O/C等元素比例会发生改变。新鲜生物炭施入土壤一段时间后，生物炭的质量会有着不同程度的下降，不稳定有机碳的分解以及无机碳的释放导致C含量降低（Ameloot et al.，2013；Dong et al.，2017），生物炭表面吸附的有机质或矿质营养元素及有研究使用HNO3作为老化试剂造成了生物炭N元素增加，因此C/N比例下降，对土壤有机质的激发效应或相关N循环产生影响，以致对温室气体排放产生影响。

根据Li et al.（2017）对文献整合分析结果显示：不论是何种老化方式，生物炭的pH值均有所降低，且田间自然老化和化学老化过程生物炭pH降低程度呈现显著性。除部分研究采取酸性试剂进行模拟生物炭老化致使pH下降外，这可能与老化过程中生物炭表面部分芳香碳结构被（含氧）烷基碳取代，羧基、羰基等酸性官能团增多有关，并且这些官能团会和阳离子结合形成羧酸盐和酚盐，释放出H+，从而导致老化后生物炭的 pH较低（Mukherjee et al.，2014；Singh et al.，2014；林庆毅等，2017；Liu et al.，2019；Yadav et al.，2019）。

2 生物炭老化对农田生态系统温室气体排放的影响

2.1 CO2排放

农田生态系统中CO2主要来源于土壤呼吸，土壤呼吸包含了3种生物呼吸过程：植物根系呼吸、微生物呼吸以及土壤动物呼吸。研究普遍认为生物炭可以抑制CO2的排放，主要原因是生物炭对温室气体存在着一定物理吸附效应和化学作用，物理吸附主要取决于生物炭的比表面积和孔隙度，化学作用则是来自于生物炭中的矿物Mg、Ca、Fe、K等，与CO2结合形成碳酸盐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值会影响CO2与矿质离子的成矿反应，呈碱性的生物炭对于CO2的化学吸附速率远大于呈现酸性的生物炭。自然老化过程中，生物炭孔径可能被堵塞，微孔减少，原吸附的气体可能会在老化过程中释放出来，且老化后生物炭的pH值降低，吸附的CO2在低pH环境中也不利于碳酸盐矿物的生成，从而造成CO2在老化过程中逸出。

除了上述作用外，Paetsch et al.（2018）研究表明，添加新鲜生物炭或老化生物炭均能对土壤有机质产生“激发效应”，促进土壤有机质的矿化，然而老化生物炭的激发效应比新鲜生物炭处理增加了13%－37%。Zhao et al.（2015）研究结果显示新制备生物炭和老化4个月的生物炭均可以增加贫瘠土壤碳的矿化，然而老化 10年的生物炭对土壤碳矿化的效应不明显。Spokas（2013）在研究中发现，老化的生物炭可导致土壤CO2的排放潜势增加到新鲜生物炭对照的2－10倍左右，其主要原因是老化生物炭的某些稳固结构被部分破坏，微生物更易于分解利用，呼吸作用增强，CO2排放升高；另一方面CO2的排放潜势增加有可能与生物炭在田间风化过程中表面吸附了易矿化的C有关。

生物炭添加到土壤后，尽管初期时由于生物炭中的不稳定有机碳的分解和无机碳的释放会增加CO2的排放（Jones et al.，2011；Gascó et al.，2016），但当不稳定的C被分解以后，难利用碳比例逐渐增加，在很长的时间内都不会出现显著分解的现象，CO2的排放会有所下降，且这种短时间的 CO2排放与生物炭本身所封存的碳相比只是很少的一部分。因此，短时间尺度来讲，由于生物炭的难利用性和难降解性，老化的生物炭仍具有一定的碳封存潜力。

2.2 CH4排放

一般认为添加新鲜的生物炭到土壤中，可以减少CH4的排放，关于其减排机制有以下解释：一是生物炭对CH4的物理吸附作用，二是生物炭提高了土壤的通气性，能够促进甲烷营养菌将产生的CH4在富氧区被重新氧化；三是由于产甲烷菌活性被抑制或者甲烷营养菌活性被激发（Spokas et al.，2009；Liu et al.，2011；Feng et al.，2012；Spokas，2013）。

针对生物炭对 CH4的吸附作用，Sadasivam et al.（2015）对土壤和生物炭材料进行灭菌，研究了土壤施用生物炭对CH4的吸附效果，实验结果表明使用空气陈化3年的生物炭以5%比例添加到土壤中CH4的平衡吸附容量明显高于对照灭菌土壤，但低于新鲜生物炭处理，可能的原因是老化生物炭的孔径会增大，吸附能力变低；但是大孔隙度有利于甲烷氧化菌生存，促进CH4的氧化，增强生物炭对CH4减排作用。

许欣等（2016）对土壤产甲烷菌功能基因（mcrA）和甲烷氧化菌功能基因（pmoA）进行定量PCR发现，与不施生物炭处理相比，同等氮肥水平下施加生物炭3年后仍能够提高甲烷氧化菌的基因丰度，显著降低了 mcrA/pmoA比值，即产甲烷菌产CH4潜力低于甲烷氧化菌的消耗CH4潜力，表明老化过程中生物炭仍有助于减少稻田土壤 CH4排放。吴震等（2018）在稻麦轮作系统中连续1年采集和分析CH4排放，生物炭与氮肥配施情况下，生物炭田间老化3年后的处理中CH4的累积排放量显著低于施加新鲜生物炭的处理，即老化过程有益于农田系统CH4减排，其解释机理是新鲜生物炭处理对土壤的甲烷氧化潜势和产甲烷潜势没有显著影响，但已施加生物炭3年后的处理显著增加了水稻季甲烷氧化潜势。Wang et al.（2019）在双季稻种植系统中施加生物炭4年后的实验结果表明，添加生物炭处理 mcrA/pmoA比例与不施生物炭处理相比降低了10.6%－30.5%，CH4年累积排放量减少了20%－51%。Wu et al.（2019）在稻麦轮作系统中连续6年的田间观测结果分析发现，不施氮肥条件下，添加生物炭对CH4的排放没有显著影响；配施氮肥条件下，添加生物炭能够显著降低CH4的排放。同样，基因定量结果显示氮肥和生物炭配施处理显著提高了甲烷氧化菌功能基因 pmoA的丰度。但是Wu et al.（2019）进一步对影响CH4的排放的因素进行逐步线性回归发现 pH和微生物量碳是调控CH4排放的关键因素（R2=0.816，P＜0.001），且 CH4排放与pH呈现负相关。随老化过程持续进行，生物炭pH降低，其对土壤的碱性效应下降，则生物炭对CH4减排效应与新鲜生物炭相比会削弱。

除上述生物炭能够促进好氧甲烷氧化外，有新的机制表明生物炭表面氧化还原含氧官能团可以作为厌氧甲烷氧化古菌（ANME-2d）的电子受体参与 CH4厌氧氧化生成 CO2（Zhang et al.，2019）。由于生物炭老化过程主要是氧化反应，氧化程度较高的生物炭接受电子能力加强（Klupfel et al.，2014），因此推断，老化生物炭还可以加强厌氧甲烷氧化。

2.3 N2O排放

土壤N2O排放的主要来源有反硝化、硝化和硝化反硝化这 3种生物过程，但是现在科学界认为N2O排放主要来自反硝化和硝化过程（Wrage et al.，2001）。反硝化过程是反硝化微生物在厌氧条件下将土壤中还原成气态氮氧化物NOx和N2的过程；而硝化过程需要氧的参与，硝化微生物将土壤中的NH4+氧化成扩散到厌氧区中生成NO、（Khalil et al.，2004）。Cayuela et al.（2014）整合研究指出总体上生物炭可以抑制土壤N2O的排放，可能的减排机理有：吸附效应、改变氮素转化过程、提高土壤pH值、影响微生物群落组成、提高N2O还原酶基因nosZ的表达、促进电子传递等（Harter et al.，2014；Case et al.，2015；Obia et al.，2015；Yuan et al.，2019）。

Spokas（2013）的研究证实发现老化3年的生物炭与新鲜的生物炭处理相比，老化作用消除了新鲜生物炭对N2O的抑制效应，文中解释可能是田间风化导致老化的生物炭的孔径被堵塞，造成了N2O吸附量减少；此外，新鲜生物炭表面吸附的硝化/反硝化抑制物质在田间条件下逐渐损失，逆转了新鲜生物炭的减排效果。pH值调控着反硝化过程中N2O/(N2O+N2)产物比例（Stevens et al.，1998），土壤pH值在中性或偏碱性条件下有利于N2O还原酶表达，降低N2O/(N2O+N2)产物比例；土壤pH值低于6.5时N2O产生速率最快，N2O比例升高。生物炭老化后，pH值降低，可能会抑制N2O还原酶的表达，导致N2O排放升高。Duan et al.（2018）从土壤氮循环相关功能基因方面研究了老化生物炭对温室蔬菜地N2O排放的影响，生物炭老化5年后平均pH值从9.7减低到6.8左右，结果表明不论是碱性土壤还是酸性土壤，施加老化5年的生物炭均会刺激土壤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细菌的基因丰度，促进了硝化过程，同时降低了N2O还原酶基因nosZ-I（碱性土壤）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，原始生物炭对N2O有减排作用，但H2O2氧化处理的生物炭增加N2O排放，原因是氧化后生物炭芳香碳结构破坏、酸性官能团增多，导致生物炭电子传递能力降低。在田间自然老化过程中生物炭芳香碳含量下降、表面的含氧基团也会所增加（De La Rosa et al.，2018），电子传递能力减弱，因此生物炭老化过程中 N2O减排效果可能会逐渐降低，甚至促进N2O排放。

关于老化生物炭抑制土壤N2O排放的研究结果也有报道。Hagemann et al.（2017）田间试验结果表明生物炭施加2年后仍具有N2O减排作用，可能是由于生物炭提高土壤pH的延续效应、孔隙含水量增加、可利用底物减少、及相关的氮循环功能基因丰度变化等多种因素综合所造成的。然而吴震等（2018）的研究显示，生物炭在和无机氮肥配施的情况下，老化生物炭处理在整个稻麦轮作周期的 N2O累积排放量与新鲜生物炭处理相比没有显著的差异。同样，Dicke et al.（2015）田间实验也表明生物炭厌氧发酵沼渣老化处理与否对 N2O排放没有影响，而温度和降雨是影响N2O排放的主要因素。

结合以上论述，短时间尺度上老化的生物炭总体上对CH4仍具有一定的减排作用，但是老化生物炭却有促进CO2、N2O排放的趋势。但是很多研究是以不施加生物炭处理为对照，我们无法了解老化生物炭与新鲜生物炭对土壤-植物系统的作用的差异性，目前只有少数研究采用了同一观测时段的新鲜生物炭处理，具体减排效果如表1所示。相比生物炭老化对重金属、有机物吸附转化方面的研究，老化生物炭对温室气体排放的影响的报道还不充分，老化过程中生物炭是否仍然具有温室气体减排作用，其具体的作用机制还需要进一步研究。

表1 生物炭老化对温室气体排放的影响aTable 1 Biochar ageing effects on the greenhouse gases emissions

3 总结与研究展望

生物炭作为一种土壤改良剂被广泛施用到生态系统中来调控温室气体排放，但是环境对其老化作用却不可避免。目前关于生物炭老化的研究方法包括田间自然老化和人工模拟老化。相对温和的老化方式（自然老化、冻融循环老化等）可使生物炭表面生成新的微孔，比表面积增加，但强烈的化学老化方式会导致生物炭孔隙结构坍塌，降低其比表面积，相对一致的变化结果是老化过程使生物炭表面的含氧官能团增加、元素O/C比例升高、生物炭极性增强、pH降低。生物炭理化性质发生变化，其与土壤-植物系统之间的相互作用会改变，对温室气体的调控作用可能会发生相应变化。根据现有的生物炭老化对温室气体排放的影响研究并结合生物炭老化后理化性质的变化，我们推断短时间尺度上老化的生物炭对土壤 CH4仍具有一定的减排作用，但是老化后生物炭却有促进CO2、N2O排放的趋势。由于生物炭制备原料广泛，加之不同的生态系统类型、施肥耕作管理扰动等，生物炭老化过程对温室气体排放的影响机制尚没有定论。综上论述，望未来有关生物炭老化过程的研究重点关注以下几个方面：

（1）单一的模拟老化方式难以代表田间原位复杂的老化过程（包括干湿交替、冻融循环、耕作、降雨灌溉、生物活动等综合影响），因此需要根据生物炭施用环境特点，选择合适的模拟老化方式（或多种方式进行组合等），使其过程与田间自然状态接近，研究结果可较准确预测生物炭性质变化对温室气体排放的影响。同时，原位条件下生物炭老化过程的研究方法及长时间尺度上生物炭的自然老化对碳氮循环的影响仍需要进一步加强，以确定对老化过程对温室气体排放的影响。

（2）既然环境对生物炭的老化作用不可避免，未来研究是否可以通过生物炭改性与其它材料复合以改善生物炭性能，降低或避免外界环境对生物炭老化的负面影响，从而长时间维持生物炭的温室气体减排效果。有研究结果表明施加老化生物炭能提高作物发芽率，提高产量，产量提高与温室气体排放之间的平衡环境效应还不得而知，因此我们需要结合温室气体排放通量和作物产量，关注温室气体排放强度，对生物炭的综合效益进行评估，在保证农业生产的前提下制定合理的生物炭施用策略。

（3）生物炭老化过程对不同的温室气体的影响不一致，CH4的减排可能造成CO2排放的增加，后续研究最好能对CO2、CH4和N2O这3种主要温室气体进行同时监测分析，探究不同温室气体减排之间的协同或者拮抗作用。除了从生物炭自身理化性质变化来解释温室气体排放之外，还需结合同位素标记和分子微生物学技术分析农田施入生物炭后影响温室气体排放的土壤微生物群落、相关元素代谢的酶活性以及功能基因表达等规律，评估生物炭生命周期内的环境影响，结合宏观数据和微观机制揭示生物炭老化过程中影响土壤温室气体排放的作用机制。