生物质炭对土壤性质及温室气体排放的影响

薛生桂，王艳莹

（西藏大学 理学院生命科学系，西藏自治区 拉萨 850000）

生物质炭是指生物质在厌氧或者绝氧条件下经高温裂解后形成的富含碳的物质，同时产生二氧化碳和各种可燃气体等。生物质炭作为一种土壤改善剂，富含有机物等营养成分，并具有发达的空隙结构，施加到土壤后，能增加土壤有机物含量，提高土壤孔隙度，改善土壤环境[1]。因此生物质炭能够作为土壤添加剂使退化土壤得到有效改良。此外，生物质炭具有很强的抗分解能力和强吸附能力，可有效改善土壤中的重金属等有害物质残留的情况，不易被微生物矿化，从而达到固碳减排，具有缓解全球变暖的重要意义[2]。

生物炭质在土壤中的使用也越来越受关注，但目前还有一定的理论发展空间。在实际应用当中，需要依据土壤类型对生物质炭的类型和添加量进行局部测试后再进行，促进其作用于土壤环境的改善。

1 生物质炭的性质

生物质炭大多化学和生物稳定性良好，主要为单环和多环的芳香族化合物组成的含碳的聚合物[3]。制备生物质炭时需要根据选用原料的不同而采用不同的裂解温度和裂解形式，生物质炭的最终产量和性质也会存在着一定的差异。一般来说，与以木炭、秸秆为原料制成的生物质炭相比，畜禽粪为原料所制成的含有大量灰分，pH 值也更高。此外，裂解时温度越高，pH 值也会越高。而生物质炭的总碳含量和不易分解碳含量会随着裂解时温度的升高而有所增加，但存在一定上限，且温度越高生物学稳定性越强[4]。有研究发现，裂解时温度不仅对碳元素的含量产生影响，同时也对生物质炭的其他特性产生了影响[2]。如高温（＞600℃）会增加生物质炭的比表面积和孔隙度，但是当温度达到一定的临界值时，会破坏孔隙结构，比表面积会降低[3]。

2 生物质炭对土壤环境的影响

2.1 对土壤物理性质的影响

将生物质炭施加到土壤后，土壤的物理性质发生改变。其低密度和多孔结构增加了土壤通气透水性，吸附土壤颗粒，增强土壤稳定性，改善土壤结构[1，3]。在某些流域发现的黑土中，土壤密度往往与土壤剖面深度的改变呈正相关趋势，这主要是由于土壤中的生物质炭发挥了一定作用。生物质炭的多孔结构可以形成较大的比表面积，吸附并保持水分，提高土壤的渗透性从而提高土壤保水能力，增加土壤田间持水量[5]。

2.2 对土壤化学性质的影响

生物质炭一般为碱性，施加到酸性土壤后，可以提高土壤的pH 值。生物质炭表面丰富的羧基、醛基和羟基等官能团使其具有较高的CEC，可以提高土壤的CEC[1]增加土壤的养分含量。同时，生物质炭表面电荷静电和孔隙结构吸附含氮养分离子从而降低土壤养分的淋溶失[6]。将四种原料不同，裂解温度和方式相同制备得到的生物质炭添加到不同类型的土壤中，可以发现所有类型土壤的pH 值都升高了，尤其是砂质土壤中效果最为明显。而将生物质炭和化肥一起施加后，虽显著增加了田间的持水量和土壤总碳量，但显著降低了氮的矿化速率[7]。生物质炭还可以实现对土壤中残留农药、重金属等有害物质含量进行改善，保障土壤中各种动植物、微生物的正常生存繁衍，维护土壤的生态平衡环境。

2.3 对土壤微生物的影响

生物质炭通过其疏松多孔的孔隙结构和巨大的表面积为土壤中的各种动植物生长提供良好的条件，保证土壤的生物量和活性[6]。微生物种类、数量及呼吸作用会随着生物质炭的施加呈现出线性增加趋势。通过在某豆田土壤中添加生物质炭，并设立对照组，使用同位素标记技术测得微生物固氮水平可以发现，施加生物质炭的豆田中微生物固氮水平明显提高。将生物质炭施入到不同质地、营养成分含量不同的4种土壤中可以发现土壤中的微生物活性随着生物质炭添加普遍呈现增长趋势，增加的幅度与土壤类型具有一定的相关性[8]。

3 生物质炭对温室气体排放的影响

3.1 对土壤CO2 排放的影响

有机碳分解是土壤CO2的主要来源。Mata 分析表明添加生物质炭使土壤CO2排放显著增加了22.14%[9]，造成这种结果的原因主要是生物质炭中的可溶性有机物被微生物分解利用，从而促进土壤CO2排放[10]。而Zhou 等人在亚热带森林中的研究显示，不论是添加10t ha-1还是30t ha-1生物质炭，基生物质炭剂量对土壤CO2的排放并没有显著影响[11]。王战磊也得到了相似的结果[12]。Mata 分析显示，生物质炭对土壤CO2排放的影响主要取决于生物质炭本身理化性质、土壤质地，根据这些不同因素添加生物炭质后土壤二氧化碳的排放结果也不同[9]。

3.2 对土壤CH4 排放的影响

甲烷向土壤的排放主要是由产甲烷菌和甲烷营养素之间的平衡引起的。生物质炭添加会影响产甲烷菌和甲烷氧化菌等微生物的多样性和活性，进而影响CH4的排放。研究表明生物质炭的添加显著增加了CH4的氧化吸收[9]，这主要是因为生物质碳本身是多孔的和碱性的，一方面抑制了产甲烷菌的活性降低CH4的产生，另一方面利于甲烷氧化菌的生长[10]，促进CH4氧化吸收。但是Hawthorne 等人发现，施加生物质炭会显著降低CH4 的氧化吸收，并随着添加量增加而降低净CH4氧化吸收量，这一现象可能是由于生物质炭表面的一些物质抑制甲烷氧化菌的活性引起的[10]。也有研究表明，在温带或亚热带森林施加生物质炭对CH4的氧化吸收没有显著影响[12]。Mata 分析结果显示对CH4排放的差异主要受施加的生物质炭原材料温度、土壤质地等的影响[9]。因此添加生物质炭来降低土壤CH4排放还需要进一步研究确认。

3.3 对土壤N2O 排放的影响

硝化反应是土壤N2O 产生的主要反应。硝化反应的第一阶段（通过氨氧化作用）生成N2O，第二阶段（通过亚硝化作用）在缺氧的条件下，产生的NO2通过歧化反应生成N2O[6]。大多数研究数据证明生物质炭添加会降低30.92%的土壤N2O 排放量[9]。生物质炭的孔隙性结构可以降低土壤密度，抑制土壤反硝化作用从而减少N2O 的形成和排放[10]，同时生物质炭的较强吸附性可以吸附土壤有机碳或NH4+/NO3－，从而减少硝化或反硝化细菌的可用底物抑制硝化或反硝化作用，降低N2O 的排放[6]。pH 值也极大影响土壤硝化或反硝化作用，在一定范围内，硝化速率随pH 的增高而提升，生物质炭一般呈碱性，添加生物质炭提高土壤pH 促进硝化作用，减少N2O 的排放[13]。生物质炭对土壤N2O 排放的影响因素复杂，例如生物质碳的性质利用率和土壤类型施、用量等影响[9]。

4 结论

生物质炭的应用对于解决当前部分地区土壤贫瘠，全球气候变暖等问题具有重要的意义。生物质炭施加到土壤后，土壤自身状态不仅得到了改善，还能有效减少温室气体的排放。目前还未出现统一的关于生物质炭对土壤温室气体排放影响的标准化研究结果，具体情况还在进一步试验比较。因此，为了减少土壤温室气体排放，缓解全球变暖，生物质炭的添加有必要依据土壤类型以及生物质炭类型进行局部测试后再进行。