生物炭影响农田温室气体排放的研究进展

吴乐诗, 李冬琴, 黎华寿, 陈桂葵,*

生物炭影响农田温室气体排放的研究进展

吴乐诗1,2, 李冬琴3, 黎华寿1,2, 陈桂葵1,2,*

1. 广东省生态循环农业重点实验室, 广州 510642 2.华南农业大学资源环境学院, 广州 510642 3.广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所, 广州 510640

针对生物炭在农业生产中对温室气体排放的影响问题, 论文综述了近几年有关生物炭对农田生态系统CO2、CH4和N2O三种主要温室气体排放的影响研究, 发现生物炭总体上可以减少温室气体的排放, 但其实际效果受生物炭种类、土壤理化性质和微生物活性与丰度等多种因素的影响。为此, 本文进一步总结了生物炭影响农田系统温室气体排放的作用机理。提出了三条可能机制: (1)生物炭疏松多孔, 具有吸附性, 依靠自身的吸附作用吸收土壤中的温室气体; (2)生物炭能改变土壤理化性质, 使土壤疏松, 团聚体和固体物含量提升, 抑制土壤矿化, 固碳能力提升, 吸附性增强; (3)生物炭能改善土壤微生物的生存环境, 提高土壤微生物的丰度和活性, 微生物活动增强, 可以更多地固定土壤中的氮, 影响温室气体的排放。通过生物炭途径可助力农业碳减排。

生物炭;温室气体;碳减排;农田生态系统; 作用机理

0 前言

温室效应是21世纪全球面临的最大环境问题, 其主要原因是人类活动向大气中排放过量温室气体导致全球变暖, 全球变暖已引起国内外学者高度重视[1]。根据2018年公布的《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》显示, 我国农业活动排放的温室气体主要是二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O), 排放总量达8.28亿吨, 占全国总排量的7.9%, 其中CH4的排放量为4.71亿吨, 占CH4总排放量的40.5%, N2O的排放量为3.58亿吨, 占N2O总排放量的65.4%。因此, 抑制农业温室气体排放, 提高土壤固碳能力, 对缓解全球变暖有极其重大的意义。

生物炭是由植物或各种废弃的原料通过高温炭化制成的固体材料[2[3],最早是作为土壤改良剂用于环境中, 可以起到提高作物产量和土壤肥力,减少化肥使用的作用[4]。主要的生物炭类型包括污泥、粪污、壳类、秸秆和木质, 含碳量由前往后依次增加, 木质生物炭含碳量大多为60%—85%, 秸秆生物炭为40%—80%[5]。研究表明, 生物炭能有效控制农田生态系统温室气体的排放[6], 随着全球变暖的加剧, 有关生物炭在控制温室气体排放方面的研究成为了众多学者的研究焦点。

目前, 有关施加生物炭对土壤温室气体排放和相关影响的研究有很多, 生物炭种类、土壤类型、使用方式等各有不同。生物炭可以固碳减排基本已成定论, 但在不同条件下生物炭对农田生态系统温室气体排放的影响会有所差异, 很多学者也对此进行了研究。因此, 我们进一步探究生物炭影响温室气体排放的因素和作用机理, 为实现2030年碳达峰, 2060年碳中和的目标提供理论基础。本文总结了近年生物炭对农田生态系统温室气体排放影响和机理的研究进展, 并对生物炭在控制温室气体排放方面值得进一步探讨的问题进行了展望。

1 生物炭对农田生态系统温室气体排放影响的研究

生物炭在环境中的应用是如今的热点话题, 其加入土壤后对农田生态系统温室气体的排放影响更是备受关注。目前国内外有关生物炭在农业生产中对温室气体排放影响的研究有很多, 主要方向包括探究不同类型的生物炭对温室气体排放的影响, 生物炭对不同类型土壤温室气体排放影响以及生物炭与其他措施联合处理对温室气体排放的影响。受不同因素的影响, 生物炭的最终作用效果也有所差异, 如表1所示。

由表1可知, 生物炭对农田温室气体的影响并不是绝对的正相关或负相关, 是多种因素共同作用的结果, 如生物炭种类, 土壤类型, 施用量等。为探究其背后规律, 本文将对生物炭对三种温室气体的效应研究进行阐述, 并根据影响温室气体排放的因素进一步总结其作用机理。

1.1 生物炭对土壤CO2释放的效应研究

生物炭具有较好的碳汇能力, 施用生物炭能把大气中的CO2固定并以稳定的形态存储在土壤中, 增强土壤的固碳能力[15[17]。但生物炭的施用和土壤CO2的排放量并有绝对的相关性, 还与生物炭种类, 土壤的类型、理化性质和土壤微生物等多方面因素有关[18]。目前, 对于生物炭的使用对土壤CO2排放量的影响尚未有定论。

生物炭比表面积大, 具有高度的芳香化结构, 含有酚羟基、羟基等含氧官能团[19], 可以直接吸收大气中的CO2, 减少CO2的排放。生物炭还可以通过有机碳的矿化, 即固定土壤中的有机碳来抑制土壤CO2的释放, 并将其长期储存于土壤中[20]。Liu等[9]研究表明, 不同种类、不同浓度的生物炭输入均明显抑制土壤的CO2释放, 其抑制效果会因生物炭种类和土壤本身的理化性质等因素而有所差异。

施用生物炭还可能会促进土壤的CO2释放。例如, 张浩东等[21]的研究发现, 在菜地土壤中单独施加生物炭, 会使CO2的累计排放量增加1.32倍, 与氮肥联合处理会使CO2的累计排放量提升1.24倍; Kumputa等[22]研究表明不同温度下的生物炭对土壤的CO2排放起促进作用。造成土壤CO2排放量升高的原因有很多, 可能是生物炭的添加使土壤短期内呼吸速率增加[23], 也可能是生物炭促进了土壤中有机碳的分解, 最终使CO2的排放量增加[24]。

1.2 生物炭对土壤CH4释放的效应研究

虽然CH4在农田生态系统中所占比例较少, 但仍是农业温室气体的重要组成部分。施加生物炭对土壤CH4的影响效果也并非固定的, 大多数情况下会抑制CH4的排放。王冠丽等[25]在干旱区土壤农田中施用不同浓度生物炭后发现CH4排放量明显降低, 其中施加浓度为45 t·hm-2的生物炭效果最佳, 能降低81.36%的排放量; 王紫君等[26]通过研究椰糠生物炭对双季水稻CH4释排放的影响后, 发现施加生物炭后, 早稻季CH4的排放量减少, 而晚稻季CH4的排放量会增加; 也有研究表明生物炭对土壤的CH4排放没有显著影响[27]。

表1 生物炭对农田生态系统温室气体排放的影响比较

土壤的CH4排放受产甲烷菌和甲烷氧化菌影响, 产甲烷菌会增加土壤CH4的排放, 甲烷氧化菌会抑制CH4的排放。产甲烷菌是厌氧型细菌, 在制备生物炭的过程中, 高温使孔隙缩小, 开孔增多, 抑制了产甲烷菌的活性[28]; 另外, 生物炭会减小土壤容重, 改善土壤通气性[11], 为甲烷氧化菌提供良好的生存环境, 促进了CH4的氧化, 最终表现为CH4的排放降低。部分生物炭自身的化学物质会抑制甲烷氧化菌的活性[29], 或增加土壤中mcrA基因(产甲烷菌的底物之一)的丰度[30], 最终促进CH4的排放。

1.3 生物炭对土壤N2O释放的效应研究

N2O是农田生态系统排放的主要温室气体之一, 主要来源于微生物活动过程中发生硝化反应和反硝化反应。由于生物炭大多呈碱性, 具有多孔性和颗粒结构, 因此生物炭能吸附土壤中的铵态氮, 减少反应底物以降低硝化作用, 从而抑制土壤N2O的排放[31]。黄凯平等[32]研究了生物炭和氮沉降对毛竹林土壤N2O通量的影响, 只施用生物炭会使毛竹林土壤年平均N2O排放量降低21.7%, 生物炭和氮沉降联合施用会使毛竹林土壤年平均N2O排放量降低12.7%; 刘椒等[33]通过施加不同量生物炭与蚯蚓互作探究对土壤N2O的影响, 结果显示不管是否加入蚯蚓, 施加了生物炭的土壤N2O排放量均明显降低, 且使用量越大, 效果越显著。

生物炭对N2O排放影响与诸多因素相关, 其一是生物炭可以通过物理方式或化学反应固定土壤中的无机氮, 减少硝化细菌可利用的无机氮量; 其二是生物炭的施加会改变土壤硝化菌和反硝化菌的丰度和活性, 从而影响N2O的排放。N2O的排放量还与土壤的含氮量相关, N2O的减排量会随着施氮量的增加而降低[34]。另外, 生物炭种类, 施用量, 土壤类型和施肥情况等都会影响N2O的排放。

2 生物炭影响农田生态系统温室气体排放的因素及其作用机理

影响农田生态系统温室气体排放因素主要可分为三个, 分别是生物炭的种类, 土壤理化性质和微生物群落活性和结构多样性。生物炭的施用可以改变以上三个条件, 从而影响温室气体的排放, 结合已有的研究结果, 生物炭对农田生态系统温室气体排放的影响和作用机理主要包括以下几点, 如图1所示。

2.1 生物炭种类的影响及作用机理

生物炭是一种稳定难熔的、多孔的且高度芳香化的固体富C产物, 通过生物质在限氧和低温(<700 ℃)下热解炭化得到[35], 其自身疏松多孔的颗粒结构, 使它能吸附土壤中的温室气体。制作生物炭可用枯枝落叶、动物粪便、城市固体垃圾、污泥等作为原材料, 不同的生物炭制备时间和温度等条件各不相同, 得到的生物炭理化性质和生态效应会有很大差异, 制成后包含氢、氧、氮、钾、钠、钙、硅等元素和60%以上的C元素[36[37]。因此, 生物炭控制温室气体排放上的效果会因生物炭种类的区别而不同, 例如, 研究发现在水稻田中施加等量40%N活性稻壳生物炭和40%N活性棕榈生物炭后, 40%N活性稻壳生物炭控制农田温室气体的效果相比于40%N活性棕榈生物炭的效果更佳[38]。

此外, 制备生物炭时温度的高低是否影响温室气体的排放也是探究热点之一, 炭化温度的升高会使得生物炭的比表面积增大[39], 吸附能力更强。因此, 在一定范围内, 生物炭炭化温度越高, 减排效果越佳[40-[41], 统计发现, 高温热解(500—900 ℃)的生物炭对CH4和N2O的减排作用最显著[42]。生物炭施用量的多少亦会影响温室气体的排放, meta分析显示[43], 施用量较低时对CO2的排放影响较大, 施用量较高时对N2O的排放影响较大, 30 t·hm-2是最适宜的生物炭用量, 此时作物产量不变, 温室气体排放量显著减少。

当前关于改性生物炭对控制温室气体排放效果与普通生物炭效果的区别研究较少。生物炭可以经过物理、化学或生物方法改性, 改性后生物炭能显著减少温室气体的排放, 效果比普通生物炭显著[44-[45]。在今后的研究当中, 应该更关注改性生物炭对温室气体排放的影响, 充分发挥生物炭固碳减排的潜力。

2.2 土壤理化性质的影响及作用机理

不同类型的土壤通透性和水分含量不同, 因此土壤发生的硝化作用、反硝化作用以及温室气体的产生及扩散均有差异。施加生物炭会改变土壤的容重和孔隙率、田间持水量、pH以及团聚体结构等性质[46]。一般容重低、孔隙率高的土壤透气性较好, 更有利于土壤与大气间气体交换, 提高好氧微生物活性[47], 而生物炭自身疏松多孔的结构在与土壤混合后, 将会极大地降低土壤容重, 提高土壤孔隙率, 进而调节控制土壤中温室气体排放量。

图1 生物炭影响农田生态系统温室气体排放的因素及其作用机理

Figure 1 Factors and mechanism of biochar affecting greenhouse gas emission in farmland ecosystem

土壤的酸碱性会影响施加生物炭的效果, 生物炭一般呈碱性, 能改变土壤的酸碱性, 提升其缓冲能力, 有效改良酸性土壤[48]。Liu等[49]研究表明生物炭在中性(pH, 6.6—7.5)土壤中会抑制CO2的排放, 在中度酸性(pH, 5.0—6.5)土壤中会促进CO2的排放, 而对酸性(pH<5.0)和碱性(pH>7.5)土壤的CO2的排放无明显影响。即在偏酸性的土壤中施加生物炭, 抑制温室气体排放的效果会优于在偏碱性的土壤中施加生物炭。

土壤有机碳的矿化是土壤中重要的生物化学过程, 其变化对大气中CO2浓度有重大影响[50-[51]生物炭可以促进土壤团聚体的形成, 尤其是大团聚体, 大团聚体中储存的碳可以增强土壤对有机质的物理保护, 从而抑制有机碳的矿化, 降低CO2的排放, 在一定程度上固存了土壤中的碳[51]。由于不同的土壤类型自身有机碳含量差异, 加入生物炭后对矿化作用的影响也不同。李怡安等[52]认为, 在活性有机碳含量较高的土壤中施加生物炭, 会增加可矿化有机碳含量, 促进有机碳的矿化, 而有机质较高的土壤土壤本身已有较充足的可矿化有机碳, 因此施加生物炭会抑制有机碳的矿化。另外, 不同土壤含水量也会影响温室气体排放, 土壤含水量的多少与和N2O的排放通量呈正相关[53]。

2.3 土壤微生物的影响及作用机理

研究发现, 生物炭会促进土壤微生物的生长, 土壤微生物量会随着生物炭的施用量增加而增加, 这是由于生物炭为土壤微生物提供了足够的碳源[54]。又因为生物炭的施加改善了土壤的理化性质, 土壤空隙变大, 更适合土壤微生物的生长, 导致微生物丰度增加, 呼吸作用增强, CO2排放量提升。此外, 施加生物炭后土壤pH值升高, 也会改变微生物生理活动和活性, 例如促进微生物的反硝化过程, 使N2O还原为N2, 进而减少了N2O的排放[49][55]; 在偏酸性土壤中加入生物炭可以提高甲烷氧化菌的活性, 土壤偏中性更适合甲烷氧化菌生长, 减少CH4排放[56]。但过多的生物炭会使土壤pH值过高, 抑制微生物的活性, 不利于微生物的生长活动[57]。

土壤微生物是影响土壤氮循环的重要因素之一, 也是农田生态系统温室气体排放源之一。微生物自身具有良好的固氮能力, 一般来说, 添加生物炭量越高, 土壤微生物固氮量越高[58], 排放的N2O越少。此外, Subedi[59]等发现生物炭能提高微生物活性及丰度, 提高酶活性, 促进有机质的矿化, 进而影响温室气体的排放。生物炭还会影响微生物体内的酶活性, 如过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶[60], 导致土壤CO2和N2O的排放量提高。也有研究表明单独施加生物炭对土壤酶活性无明显影响[61], 需要与土壤强还原联合修复能显著提高土壤酶活性, 并减少温室气体的排放。我们认为施加生物炭会影响土壤氮循环, 提高土壤微生物丰度与活性, 改变微生物酶活性, 最终对温室效应的影响受生物炭和土壤类型等因素控制。

综上所述, 生物炭影响农田生态系统温室气体排放的因素和作用机理主要是: (1)生物炭自身种类的差异, 即制备生物炭时使用的原材料, 炭化时的温度等条件不同导致最终制成种类、性质不同的生物炭; (2)土壤理化性质的差异, 即土壤通透性、酸碱度、矿化程度等理化性质的差异, 除了土壤本身存在差别外, 施加生物炭会进一步改变土壤性质, 从而影响土壤温室气体的排放; (3)生物炭会改善土壤微生物生存条件, 改变土壤微生物活性和丰度, 促进能吸收转化温室气体的有益微生物生长, 如甲烷氧化菌, 还能改变微生物酶活性。

3 总结与展望

随着全球变暖加剧, 生物炭对农田生态系统温室气体排放影响研究备受关注, 本文对近年生物炭对农田生态系统温室气体排放影响及作用机理研究进行了归纳总结。在实际生产中, 我们需要结合生物炭作用机理与现实情况, 选择合适的原材料制备生物炭, 合理控制施炭量, 才能最大程度地发挥生物炭的减排效果。今后, 有关生物炭对农田生态系统温室气体排放影响的研究可以从以下几个角度探究:

(1) 探究不同区域、不同类型的土壤使用何种生物炭, 如何准确施用生物炭使减排效果最佳。目前有关生物炭对温室气体排放影响的研究较分散, 尚未有一个完整的体系, 能清晰地表明不同类型农田对应的最佳生物炭施用方法。

(2) 由于生物炭属于较新的材料, 且具有稳定性, 长期施用对土壤的影响尚不明确, 需要做长期定位实验深入探究其施入农田后对土壤的长期效应, 了解老化后的生物炭对土壤碳氮循环的长期影响。

(3) 探究生物炭与其他改良土壤措施复合使用的效果, 如生物炭可以减少氮肥的施用[62], 那么混合施用和单独施用效果有何差异, 能否产生协同效应, 二者该如何结合施用才能使农田产量提升的同时减排效果达到最佳。

(3) 考虑生物炭的负碳排潜力及其与其他减排措施相比的潜在优势, 应该把这些减排手段纳入科学国际研讨会(IAMS)[63], 以便更进一步探索其在控制温室气体排放, 减缓温室效应方面的潜力。

(5) 农田生态系统既是温室气体的排放源, 同时具有巨大的碳汇潜力, 是全球的重要碳库。为响应2021年两会国家提出的在2030年实现碳达峰, 2060年实现碳中和的战略目标, 在农业生产中应充分发挥生物炭固碳减排的作用, 合理施用生物炭, 通过计算预测长期施用生物炭对实现碳中和的贡献, 在实际的农业生产起指引性作用。

[1] 高德才, 张蕾, 刘强, 等. 生物炭对旱地土壤CO2、CH4、N2O排放及其环境效益的影响[J]. 生态学报, 2015, 35(11): 3615–3624.

[2] WU P, ATA-UL-KARIM S T, SINGH B P, et al. A scientometric review of biochar research in the past 20 years (1998–2018) [J]. Biochar, 2019, 1(1): 23–43.

[3] TRIPATHI M, SAHU J N, GANESAN P. Effect of process parameters on production of biochar from biomass waste through pyrolysis: A review[J]. Re-newable & Sustainable Energy Reviews, 2016, 55: 467–481.

[4] LEHMANN J, KERN D C, GLASER B, et al. Amazonian dark earths: origin properties management [M]. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2003: 125–139.

[5] 袁帅, 赵立欣, 孟海波, 等.生物炭主要类型、理化性质及其研究展望[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(5): 1402–1417.

[6] WOOLF D, AMONETTE J E, STREET-PERROTT F A, et al. Sustainable biochar to mitigate global climate change [J]. Nature Communications, 2010, 1(8): 1–9.

[7] 孙再庆, 符菁, 徐晓云, 等.生物炭稻田施用下的土壤固碳减排效应及其微生物群落结构分析[J]. 农业与技术, 2021, 41(12): 36–43.

[8] WU Zhen, ZHANG Xi, DONG Yubing, et al. Biochar amendment reduced greenhouse gas intensities in the rice-wheat rotation system: six-year field observation and meta-analysis[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2019, 278: 107625.

[9] LIU Yuxue, CHEN Ying, WANG Yuying, et al. Negative priming effect of three kinds of biochar on the mineralization of native soil organic carbon[J]. Land Degradation and Development, 2018, 645: 60–70.

[10] LI Han, MENG Jun, LIU Zunqi, et al. Effects of biochar on N2O emission in denitrification pathway from paddy soil: A drying incubation study[J]. Science of The Total Environment, 2021, 787(8): 147591.

[11] 屈忠义, 高利华, 李昌见, 等. 秸秆生物炭对玉米农田温室气体排放的影响[J].农业机械学报, 2016, 47(12): 111–118.

[12] GINEBRA M, MUÑOZ C, CALVELO-PEREIRA R, et al. Biochar impacts on soil chemical properties, greenhouse gas emissions and forage productivity: A field experiment[J]. Science of the Total Environment, 2022, 806: 150465.

[13] GONG Xiaoqiang, LI Jinbiao, Chang SCOTT X, et al. Cattle manure biochar and earthworm interactively affected CO2and N2O emissions in agricultural and forest soils: Observation of a distinct difference[J]. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2021, 16(3): 1–13.

[14] TARIN M, KHALIQ M A, FAN Lili, et al. Divergent consequences of different biochar amendments on carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) emissions from the red soil[J]. Science of The Total Environment, 2020, 754: 141935.

[15] PLAZA C, GIANNETTA B, JM FERNÁNDEZ, et al. Response of different soil organic matter pools to biochar and organic fertilizers[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2016, 225: 150–159.

[16] XU Xiaoyun, YUE Kan, ZHAO Ling, et al. Chemical transformation of CO2during its capture by waste biomass derived biochars[J]. Environmental Pollution, 2016, 213: 533–540.

[17] 马浩, 雷光宇, 李娟. 生物质炭对农田土壤碳循环影响研究进展[J].农业与技术, 2017, 37(6): 53–55.

[18] 刘杰云, 沈健林, 邱虎森, 等.生物质炭添加对农田温室气体净排放的影响综述[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(2): 205–212.

[19] ZHANG Xiaokai, WANG Hailong, HE Lizhi, et al. Using biochar for remediation of soils contaminated with heavy metals and organic pollutants[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2013, 20(12): 8472–8483.

[20] 花莉, 唐志刚, 解井坤, 等.生物质炭对农田温室气体排放的作用效应及其影响因素探讨[J]. 生态环境学报, 2013, 22(6): 1068–1073.

[21] 张浩东, 贾俊香, 马智勇. 生物炭对山西菜地土壤温室气体排放强度的影响[J]. 山西农业科学, 2021, 49(1): 64–68.

[22] KUMPUTA S, VITYAKON P, SAENJAN P, et al. Carbonaceous greenhouse gases and microbial abundance in paddy soil under combined biochar and rice straw amendment[J]. Agronomy-Basel, 2019, 9(5): 11.

[23] 葛晓改, 周本智, 肖文发, 等. 生物质炭输入对土壤碳排放的激发效应研究进展[J]. 生态环境学报, 2016, 25(2): 339–345.

[24] 刘天, 云菲, 蒋伟峰, 等. 农田施用生物炭的固碳减排效应及其影响因素综述[J]. 江苏农业科学, 2021, 49(18): 7–13.

[25] 王冠丽, 孙铁军, 刘廷玺, 等.施用生物炭对干旱区玉米农田碳足迹的影响[J] 农业环境科学学报, 2019, 38(11): 2650–2658.

[26] 王紫君, 王鸿浩, 李金秋, 等. 椰糠生物炭对热区双季稻田N2O和CH4排放的影响[J]. 环境科学, 2021, 42(8): 3931–3942.

[27] KNOBLAUCH C, MAARIFAT A A, PFEIFFER E M, et al. Degradability of black carbon and its impact on trace gas fluxes and carbon turnover in paddy soils[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2011, 43(9): 1768–1778.

[28] LU Haohao, WANG Yaofeng, LIU Yuxue, et al. Effects of Water-Washed Biochar on Soil Properties, Greenhouse Gas Emissions, and Rice Yield[J]. Clean Soil Air Water, 2018, doi:10.1002/clen.201700143.

[29] 王国强, 孙焕明, 郭琰. 生物炭对CH4和N2O排放的影响综述[J]. 中国农学通报, 2018, 34(27): 118–123.

[30] HE Tiehu, YUAN Junji, LUO Jiafa, et al. Combined application of biochar with urease and nitrification inhibitors have synergistic effects on mitigating CH4emissions in rice field: A three-year study[J]. Science of The Total Environment, 2020, 743: 140500.

[31] LIU Qi, LIU Benjuan, ZHANG Yanhui, et al. Can Biochar Alleviate Soil Compaction Stress on Wheat Growth and Mitigate Soil N2O Emissions?[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2017, 104: 8–17.

[32] 黄凯平, 李永夫, 宋成芳, 等. 氮沉降和施生物质炭对毛竹林土壤N2O通量的影响[J]. 应用生态学报, 2021, 32(9): 3079–3088.

[33] 刘椒, 那立苹, 张琳, 等.不同量生物炭施用与蚯蚓互作对土壤N2O及CO2排放的影响[J]. 生态与农村环境学报, 2021, 37(3): 353–359.

[34] 罗晓琦, 冯浩, 刘晶晶, 等. 生物炭施用下中国农田土壤N2O排放的Meta分析[J]. 中国生态农业学报, 2017, 25(9): 1254–1265.

[35] LEHMANN J, GAUNT J, RONDON M. Bio-char Sequestration in Terrestrial Ecosystems – A Review[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2006, 11(2): 403–427.

[36] NOVAK J M, BUSSCHER W J, LAIRD D L, et al. Impact of Biochar Amendment on Fertility of a Southeastern Coastal Plain Soil[J]. Soil Science, 2009, 174(2): 105–112.

[37] 张洪培, 李秀云, 沈玉芳, 等. 生物质炭对农田土壤有机碳及其矿化影响的研究进展[J]. 西北农业学报, 2018, 27(4): 459–468.

[38] SHIN J D, PARK D G, HONG S G, et al. Influence of activated biochar pellet fertilizer application on greenhouse gas emissions and carbon sequestration in rice (Oryza sativa L.) production[J]. Environmental Pollution, 2021, 285(1/2): 117457.

[39] 刘玉学, 刘微, 吴伟祥, 等. 土壤生物质炭环境行为与环境效应[J]. 应用生态学报, 2009, 20(4): 977–983.

[40] YUAN Haoran, LU Tao, WANG Yazhuo, et al. Influence of pyrolysis temperature and holding time on properties of biochar derived from medicinal herb () residue and its effect on soil CO2emission[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2014, 110: 277–284.

[41] XU Yanping, XIE Zubin. The effect of biochar oldification on N2O emission on paddy soil and red soil[C]//Biochar Research Development & Application, Nanjing, 2011.

[42] YIN Yanan, YANG Chao, LI Mengtong, et al. Research progress and prospects for using biochar to mitigate greenhouse gas emissions during composting: A review[J]. Science of The Total Environment, 2021, 798: 149294.

[43] SHAKOOR A, ARIF M S, SHAHZAD S M, et al. Does biochar accelerate the mitigation of greenhouse gaseous emissions from agricultural soil?–A global meta-analysis[J]. Environmental Research, 2021: 111789.

[44] 计海洋, 汪玉瑛, 刘玉学, 等. 生物炭及改性生物炭的制备与应用研究进展[J]. 核农学报, 2018, 32(11): 2281– 2287.

[45] CREAMER A E, GAO Bin, WANG Shengsen. Carbon dioxide capture using various metal oxyhydroxide-biochar composites[J]. Chemical Engineering Journal, 2016, 283: 826–832.

[46] LI Jinwen, GU Kai, TANG Chaosheng, et al. Advances in effects of biochar on physical and chemical properties of soils[J]. Journal of Zhejiang University Engineering Science, 2018, 52(1): 192–206.

[47] 江明华, 程建中, 李心清, 等. 生物炭对农田土壤CO2排放的影响研究进展[J]. 地球与环境, 2021, 49(6): 726– 735.

[48] 郜礼阳, 林威鹏, 张风姬, 等. 生物炭对酸性土壤改良的研究进展[J]. 广东农业科学, 2021, 48(1): 35–44.

[49] LIU Shuwei, ZHANG Yaojun, ZONG Yajie, et al. Response of soil carbon dioxide fluxes, soil organic carbon and microbial biomass carbon to biochar amendment: A meta-analysis[J]. Global Change Biology Bioenergy, 2016, 8(2): 392–406.

[50] LAL R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security [J]. Science, 2004, 304(5677): 1623–1627.

[51] 张继宁, 周胜, 李广南, 等. 秸秆生物炭对水稻生长及滩涂土壤化学性质的影响[J]. 农业资源与环境学报, 2018, 35(6): 492–499.

[52] 李怡安, 胡华英, 周垂帆. 浅析生物炭对土壤碳循环的影响[J]. 内蒙古林业调查设计, 2019, 42(5): 102–104.

[53] 马智勇, 贾俊香, 谢英荷, 等. 硝化抑制剂和生物炭对菜地土壤N2O与CO2排放的影响[J]. 山西农业科学, 2019, 47(6): 1019–1022.

[54] ZHOU Feng, GENG Zengchao, XU Chenyang, et al. Effect of biochar addition on soil microbial biomass and metabolic activities of carbon sources in Lou soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertitizer, 2019, 25(8): 1277–1289.

[55] JI Lingfei, WU Zhidan, YOU Zhiming, et al. Effects of organic substitution for synthetic N fertilizer on soil bacterial diversity and community composition: A 10-year field trial in a tea plantation[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2018, 268: 124–132.

[56] 谢军飞, 李玉娥. 农田土壤温室气体排放机理与影响因素研究进展[J]. 中国农业气象, 2002, 23(4): 47–52.

[57] 李航, 董涛, 王明元. 生物炭对香蕉苗根际土壤微生物群落与代谢活性的影响[J]. 微生物学杂志, 2016, 36(1): 42–48.

[58] 金睿, 刘可星, 艾绍英, 等. 生物炭复配调理剂对镉污染土壤性状和小白菜镉吸收及其生理特性的影响[J]. 南方农业学报, 2016, 47(9): 1480–1487.

[59] SUBEDI R, TAUPE N, PELISSETTI S, et al. Greenhouse gas emissions and soil properties following amendment with manure-derived biochars: Influence of pyrolysis temperature and feedstock type[J]. Journal of Environmental Management, 2016, 166: 73–83.

[60] 周际海, 袁东东, 袁颖红, 等. 生物质炭与有机物料混施对土壤温室气体排放和微生物活性的影响[J]. 环境科学学报, 2018, 38(7): 2849–2857.

[61] 吉春阳, 何云华, 孙小飞, 等. 强还原与生物炭对土壤酶活性和温室气体排放的影响[J]. 中国环境科学, 2021, 41(2): 974–982.

[62] OLADELE S O, ADEYEMO A J, AWODUN M A. Influence of rice husk biochar and inorganic fertilizer on soil nutrients availability and rain-fed rice yield in two contrasting soils[J]. Geoderma, 2018, 336: 1–11.

[63] SMITH P. Soil carbon sequestration and biochar as negative emission technologies[J]. Global Change Biology, 2016, 22(3): 1315–1324.

Research progress on the effects of biochar on greenhouse gas emissions in farmland

WU Leshi1,2, LI Dongqin3, LI Huashou1,2, CHEN Guikui1,2,*

1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Eco-Circular Agriculture, Guangzhou 510642, China 2. College of Resources and Environmental Sciences, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China 3. Institute of Quality Standard and Monitoring Technology for Agro-Products, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640, China

In order to explore the impact of biochar on greenhouse gas(GHG) emissions in agricultural production, this review summarizes the effects of biochar on CO2, CH4and N2O in farmland ecosystem in recently years. It is found that biochar can reduce GHG emissions effectively, but the result is affected by various factors such as biochar type, physical and chemical properties of soil and microbial activity and abundance. Therefore, this review reveals the mechanism of biochar affecting GHG emissions in farmland system. Three possible mechanisms are proposed: (1) Biochar is loose, porous and absorbable. It can absorb the greenhouse gas in soil by its own adsorption. (2) Biochar can change soil physical and chemical properties, make the soil loose, increase the content of aggregates and solids, inhibit soil mineralization, improve the ability of carbon sequestration and enhance the adsorption. (3) Biochar can improve the environment for soil microbes, improve the abundance and activity of soil microorganisms. Enhanced microbial activity can fix more nitrogen in the soil and affect GHG emissions. The findings summarized in this review can help reduce agricultural carbon emissions.

biochar; greenhouse gas; carbon reduction; farmland ecosystem; mechanism of action

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.030

X16

A

1008-8873(2024)01-257-08

2021-12-26;

2022-03-21

国家自然科学基金项目(41877334); 广州市科技计划项目(201903010012)

吴乐诗(1998—), 女, 广东中山人, 硕士研究生, 主要从事污染生态学研究, E-mail: 15521286897@163.com

通信作者:陈桂葵, 女, 博士, 教授, 主要从事污染生态学研究, E-mail:guikuichen @scau.edu.cn

吴乐诗, 李冬琴, 黎华寿, 等. 生物炭影响农田温室气体排放的研究进展[J]. 生态科学, 2024, 43(1): 257–264.

WU Leshi, LI Dongqin, LI Huashou, et al. Research progress on the effects of biochar on greenhouse gas emissions in farmland[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 257–264.