生物炭对农田N2O排放的影响机制研究

何甜甜, 刘天, 云菲, 马彩娟, 符云鹏*

(1.河南农业大学烟草学院, 烟草行业烟草栽培重点实验室, 郑州 450002; 2.河南省烟草公司许昌市公司, 河南 许昌 461000)

一氧化二氮(N2O)是一种主要的温室气体，在100年的时间尺度上，其增温潜势是二氧化碳(CO2)的270倍[1]。世界气象组织观测分析数据显示，2014 年全球大气中的N2O浓度是工业革命前的121%[2]，这势必会加剧全球气候变化进程。而农业土壤是全球大气N2O的主要来源之一，如何降低农田N2O排放已成为重要的研究课题。

近年来，生物炭在土壤中的应用被认为是最有希望的减排措施之一，其减排潜势达0.7×109t·Ceq·a-1[3]。生物炭是生物质在无氧或缺氧条件下经高温(300 ℃≤T≤700 ℃)裂解产生的一类稳定的、含碳量高的多孔芳香化物质。生物炭由于原料和裂解温度不同，所具有的性质亦有所差异。目前生物炭的主要原材料有农作物秸秆、农业残渣、动物粪便、污泥等。其中农业秸秆是制备生物炭最主要的原材料之一，以玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、水稻秸秆等为主[4]。大量研究表明，生物炭能够显著提高土壤pH、改变土壤质地、增加土壤阳离子交换量[5]、促进作物生长以及增加作物产量[6]等诸多优点，已经成为一种良好的土壤改良材料。然而，目前关于生物炭对农田N2O排放的影响结果不尽相同，有结果表明生物炭的施入增加了N2O排放，也有表明降低排放或没有影响[7-11]，且其中的机理至今仍不完全清楚。因此，本研究综述了生物炭对农田土壤N2O排放的影响机制，旨在为生物炭应用于农业生产及温室气体减排提供科学依据。

1 农田土壤N2O排放机制

N2O占全球温室气体排放量的8%，其中农业资源约占N2O排放量的60%[12]。土壤是N2O排放的主要来源，几乎所有已知的参与土壤氮循环的微生物都具有催化生成N2O的潜力，这些过程的反应途径相互关联、相互作用，共享中间产物或产物。N2O的产生与消耗途径主要有氨(羟胺)氧化、硝化细菌反硝化、亚硝酸盐氧化、异养反硝化、厌氧氨氧化和硝酸盐异化还原成氨(DNRA)，每个过程都由特定的微生物组合群调节(图1)。尽管N2O的形成途径复杂多样，但微生物硝化、反硝化途径以及硝酸盐异化作用被认为是土壤N2O排放的主要贡献者[13]。生物炭则通过影响这些途径来调控土壤中N2O的产生与消耗。

图1 农田N2O排放途径[23]

1.1 反硝化途径

1.2 硝化相关途径

1.3 硝酸盐异化作用

2 生物炭对N2O排放的影响

生物炭由于自身化学性质和结构特点，如较高的pH、巨大的比表面积、多孔性，强吸附能力等，通常被认为是最具潜力的减排材料。其对农田N2O产生与排放的影响存在多种调节机制。

2.1 生物炭的石灰效应

石灰效应(liming effect)即石灰施于酸性土壤后所产生的作用和影响。石灰施于酸性土壤中，通常可以提高土壤的pH以及有机质和土壤速效养分含量，降低土壤中重金属的有效性等[26-28]，给植物创造一个有利的生长条件。人们对具有多种益处的石灰替代剂越来越感兴趣，例如生物炭。生物炭通常含有碱性灰分成分，具有固碳和其他改良土壤特性的益处[29]。前文已经介绍了反硝化过程中执行最后一个还原步骤的酶由功能基因nosZ编码，该基因对低的土壤pH具有高度敏感性，导致反硝化的最后一步易受到抑制，促进N2O的产生[30]。而生物炭含有大量可溶性碱基阳离子，可快速释放到土壤中，从而提高土壤pH，降低反硝化过程中N2O的产率[31]。Cayuela等[32]观察到在14种土壤中添加生物炭后，N2O/(N2+N2O)比值持续降低，说明生物炭有利于反硝化的最后一步。同时提出生物炭具有“电子穿梭”的功能，促进电子向土壤反硝化微生物的传递，再加上其石灰效应，促进N2O向N2的还原，从而减少N2O的排放。

2.2 生物炭多孔性

土壤透气性可以用土壤孔隙含水量(water filled pore space,WFPS)来表示，通常硝化细菌的活性在60% WFPS左右达到峰值，反硝化细菌在70% WFPS下活性最强[33]，因此适宜的WFPS是减少N2O排放的重要因素之一。生物炭通过改变土壤的物理性质，增加土壤的空气含量或改变土壤水的动力学，将土壤溶液(可溶性硝酸盐)吸入到微生物无法进入的孔隙，维持微生物生存空间内的好氧条件[34]，改善土壤的曝气性从而减少N2O的释放。Cayuela[35]等的荟萃分析表明，施用生物炭可显著降低农业N2O排放，降幅在54%左右。原因可能是生物炭的施入改善了土壤的透气性，降低反硝化细菌及其酶活性，从而抑制N2O排放[36]。尽管生物炭在提高土壤氧气利用率方面具有积极影响，但其对土壤水分的积极影响亦可通过刺激微生物增长导致N2O排放增加。Saarnio等[37]研究结果表明，生物炭增加了土壤水分，但却增加了裸露土壤中的土壤呼吸和N2O排放。因此生物炭的多孔性在减少N2O排放的净贡献方面,仍需要仔细评估。

2.3 生物炭对无机氮的吸附

2.4 生物炭对原土有机碳的激发作用

生物炭的组成大致可分为相对顽固的C、不稳定的C和灰分，与其他有机质的最大化学差异是芳香C的比例要大得多，这些C的结构性质是生物炭稳定性高的主要原因[43]。生物炭的碳稳定性是其在固碳减排以及土壤改良方面发挥作用的核心。生物炭在土壤中循环的典型特征是不稳定C迅速耗散，然后以更稳定的高度聚缩的芳烃C组分缓慢矿化[44]，施入土壤后可以与原土有机质相互作用，降低或增强土壤有机质矿化[45]。生物炭由于具有发达的孔隙结构以及外表面对土壤有机质的包封和吸附、促进形成有机-无机复合稳定体等，施入土壤后会降低有机碳(soil organic carbon,SOC)的矿化，启动负激发效应[46]。生物炭的负激发作用会降低土壤微生物的活性，从而对土壤温室气体的排放有一定的减缓作用。但也有研究证明，由于生物炭自身的不稳定C输入，导致天然SOC分解，引起生物炭的正激发作用[47]。如果生物炭启动正激发作用，则土壤中可溶性碳增多，供给硝化细菌和反硝化细菌等微生物的作用底物增加，从而产生更多的N2O等，这将挑战生物炭应用于土壤作为长期碳储存和减缓气候变暖战略的概念。

2.5 生物炭的来源和裂解温度对N2O排放的影响

2.5.1生物炭的来源生物炭对N2O排放的影响，很大程度上取决于生物炭原料。Senbayram等[48]发现橄榄生物炭显著提高酸性沙土的pH和 N2O排放通量，而玉米棒生物炭的添加效果不显著。与其他生物炭相比，木质生物炭具有更大的孔隙率和表面积以及较低的H/Corg、O/Corg和灰分含量，这些特征会增加生物炭的C稳定性，从而具备更大的N2O减排潜力，使木质生物炭成为温室气体减排的主要可选择材料[49]。Ramlow等[9]研究表明，无论土壤类型或氮肥添加量如何，木质生物炭都能持续减少N2O排放。同样，Cayuela等[35]认为，与特定原料相关的化学成分和物理性质的结合可能决定了生物炭减少土壤N2O排放的潜力，并指出植物材料(秸秆、木材等)制成的生物炭可能是减少土壤N2O排放最有前途的原料，而以粪便类为原料的生物炭可能对N2O的排放没有抑制作用，甚至增加土壤N2O的排放。因此，生物炭的来源不同，其减排效应存在显著差异，需要研究不同来源的生物炭对N2O排放的影响，以期找出最适合减排的生物炭材料。

2.6 生物炭与土壤特性、氮肥的交互作用对N2O排放的影响

2.6.1土壤质地生物炭对土壤N2O排放的影响受土壤条件的影响。Ameloot等[57]报道了土壤质地(尤其是粘粒含量)可能会影响生物炭添加后土壤中的生物反应，并指出生物炭对氮态氮的淋溶效果受土壤质地的影响，砂土中施用生物炭未能明显抑制氮态氮的淋溶，而粉砂壤土中添加5%生物炭能有效地降低氮态氮的淋溶。作为硝化细菌的作用底物，氮态氮的降低会直接影响硝化作用过程N2O的产生。此外，Cayuela等[35]发现，在质地较好的土壤中生物炭对N2O的减排作用最大，与粗粒土相比，细粒土中添加生物炭对N2O排放的缓解效果最好。罗晓琦等[58]研究也证实了这一点，表明生物炭对壤土N2O排放的影响显著(P<0.05)，而对砂土和黏土的影响不显著(P>0.05)。然而，土壤属性也可能对生物炭减缓N2O排放的影响有限。Ramlow等[9]检测了4种土壤类型下N2O的排放，发现N2O排放量没有明显差异。Thomazini等[59]在10种不同土壤类型中也发现了类似关系，这意味着生物炭对N2O排放的影响可能更多地受到其自身特性的驱动，而不是土壤特性的驱动。

2.6.2土壤含水率由于硝化和反硝化过程均受到土壤水分含量的影响，故当土壤含水量既能促进硝化又能促进反硝化作用时，将导致N2O的大量生成。已有试验表明，土壤水分含量为45%～75% WFPS时，硝化细菌和反硝化细菌都可能成为N2O的主要制造者[60]。然而，由于N2O还原酶对O2的敏感性较高，在水分接近饱和的土壤中发生了完全反硝化过程，N2O/N2的比值趋于零，更多地生成N2[61]。生物炭官能团的疏水作用使生物炭的孔隙能够保持空气，从而降低反硝化速率和N2O产量[62]。有研究认为，在中度厌氧(79.1%～80% WFPS)条件下，生物炭可以通过提高土壤透气性来减少N2O的生成，此时减排效果最大[60]。也有研究表明，在水分接近饱和的土壤中，生物炭能够抑制土壤91%的N2O累积产量[63]。这与Cayuela等[35]的荟萃分析结果一致，即在高水分条件下(>80% WFPS)生物炭对质地较细的土壤中的N2O具有最大的减排作用。同样，Zhang等[64]发现，在相对湿润的条件下，添加生物炭的稻田土壤N2O排放较低，而在较干燥的土壤中排放量增加。

2.6.3氮肥调控生物炭对土壤N2O排放的影响与是否施用氮肥有关。赵光昕等[65]研究不同施氮量的农田土壤添加生物炭对N2O的减排效果时发现，施用等量生物炭条件下N2O排放系数随施氮量增加而降低。同样，Ramlow等[9]研究表明，生物炭对添加氮肥的土壤具有最大的温室气体减排潜力，而对未施氮肥土壤的N2O排放影响不大。可能是由于单施氮肥会增加硝化和反硝化细菌的底物可用性，而生物炭可以提高土壤的C/N，增加土壤透气性，利于N2O发生非生物转化，二者配施在一定程度上可以降低N2O的排放。范靖尉等[66]则发现，在施氮量250 kg·hm-2的水平下减氮20%能够降低土壤N2O的累积排放量，但在适宜施氮水平(200 kg·hm-2)下施用生物炭则在短期内并无显著的N2O减排作用。因此，氮肥与生物炭配施对土壤N2O排放的效应还需详细评估，减氮施肥配施生物炭可能会是一种减少温室气体排放的有效措施。

3 结语

综上所述，生物炭添加对农田土壤N2O排放的影响是一个综合作用的结果，因生物炭的来源、制备过程以及土壤类型等不同而存在差异，生物炭对农田N2O排放的微生物机制亦尚不清楚。针对生物炭添加对农田N2O排放的影响，今后需要进一步加强研究。

(1)目前对于添加生物炭对农田N2O排放的影响多是短期试验，生物炭的连年施用及其老化程度是否会影响生物炭的减排作用还存在盲区。应多开展长期试验，以判断施用生物炭是否真的可以达到“碳汇”及“减排”效果。

(2)加强对生物炭制备过程研究。生物炭的来源、裂解温度、粒径等都会对温室气体的排放以及土壤的改良效果产生影响。已有少量研究表明，生物炭粒径越小，土壤持水性能越强[67-68]。因此，可以进一步研究农田最适宜的生物炭类型，最适宜的粒径，最佳的裂解温度等，充分发挥生物炭的优势。

(3)由于生物炭与土壤环境具有多重交互机制，生物炭的减排作用机制亦不明确。可以通过研究建立生物炭与土壤环境的多种相互作用机制模型，测试生物炭表现出最大减排潜力的机制。

(4)针对N2O排放的潜在化学和微生物过程及其机制研究有限，微生物组成、群落结构和多样性对生物炭添加的响应有待进一步研究，可以考虑运用同位素标记等技术研究生物炭添加后N2O排放相关的微生物及其酶活性以及C、N代谢过程的变化，以期从微观分子方面揭示农田温室气体排放对生物炭添加的响应机制。