生物炭对湿地土壤温室气体排放影响的研究进展

摘要：大气温室气体增加是全球变暖的主要原因，现已成为人类社会面临的严峻挑战。生物炭是在无氧或限氧条件下经过高温热解后产生的多孔富碳物质，因其具有特殊的物理化学性质，对改良土壤肥力、增加土壤固碳潜力以及减少温室气体排放等具有重要作用。本文综述了湿地添加生物炭对土壤固碳效应和温室气体[主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）]排放的影响，以及作为特殊人工湿地——稻田，添加生物炭对CO2、CH4和N2O排放的影响。主要结论如下：（1）湿地土壤的固碳减排能力受湿地类型、土壤类型、生物炭制备温度及添加量等多种因素的影响。（2）湿地施人生物炭会显著增加土壤pH值、降低土壤容重、提高土壤有机碳含量及土壤固碳能力。（3）湿地添加不同类型的生物炭会降低土壤CO2排放，对CH4的排放有促进或抑制作用，对N2O的排放产生抑制作用。（4）稻田添加生物炭对CH4和N2O排放的促进或抑制作用受生物炭原料、添加量等因素的影响。关于湿地生态系统添加生物炭对温室气体排放影响的研究较少，因此还需进一步丰富不同湿地类型、生物炭原料及特性、施入量等对土壤固碳减排影响相关方面的研究。

关键词：湿地；生物炭；土壤性质；温室气体排放；稻田

中图分类号：S156 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）12-0154-09

湿地生态系统作为全球三大生态系统之一，位于陆地与水体之间的过渡带，在植物生长、促淤造陆过程中会积累大量无机碳与有机碳，具有很强的固碳功能。我国湿地面积为2 333.3万公顷，约为草地、林地面积的十分之一。由于湿地生态系统具有淹水、缺氧的环境条件，使得凋落物的分解速率降低，因此被光合作用固定的碳能够长期保存在湿地中。湿地广泛分布于不同的气候带和海拔区域，主要类型有红树林、滩涂、沼泽、盐沼和泥炭地等。作为大气甲烷（CH4）的主要来源，天然湿地每年向大气中排放的CH4占全球总排放量的15％-30％。王德宣等在中国三江平原和若尔盖高原天然湿地进行了CH4排放通量的对比观测，发现三江平原常年积水沼泽CH4排放通量平均值为17.29 mg/（m2·h），是若尔盖高原常年积水沼泽的约4.7倍，验证了温度是影响CH4排放的重要因素。

生物炭是以植物生物质（如农作物废弃物、木材等）和动物排泄物为原料，在缺氧或部分缺氧和高温条件下热解而形成的一类高度芳香化难溶性固态物质，因其具有高度的化学和微生物惰性，施入土壤后不仅在提高土壤肥力、提升作物产量方面具有重要意义，而且能够减少温室气体排放。生物质变成生物燃料或其他生物产物要经过三个阶段：裂解、碳化和气化过程，不同原料和裂解温度形成的生物炭产量和特性存在一定差异。土壤中添加生物炭可以改变其理化性质，包括pH值、导电性、阳离子交换量、孔隙度、养分循环和微生物群落结构等，周转周期长达数百年，并且生物炭是一种富碳、相对无污染的固体生物燃料。在全球变暖的趋势下，生物炭的应用在减少温室气体排放和固碳等方面具有巨大潜力。不同原料及温度制成的生物炭对土壤固碳减排能力的影响不同，Bushra等将小麦秸秆用三种不同的热解温度（300、400、500℃）制备成生物炭，结果表明固定碳含量随温度的升高而不断增加，提高稻壳生物炭的吸附能力要选择合适的热解温度和方法。利用木材采伐剩余物生产生物炭，并将其添加在砂质土壤中，不仅提高了潜在短期效益，还可利用当地资源来推动森林恢复和可持续农业实践。由于生物炭对重金属、磷、氮的高吸附能力，其经常被应用于农业、土壤修复、废水处理和改善水质方面。本文综述了湿地添加生物炭对土壤固碳减排的相关研究，并对今后湿地生态系统添加生物炭的进一步研究提出展望。

1湿地添加生物炭对土壤固碳能力的影响

1.1湿地添加生物炭对土壤理化性质的影响

土壤物理性质主要包括土壤容重、含水量、孔隙度等，减少土壤堆积密度能够在一定程度上改善土壤结构、减少肥力固化和增加土壤孔隙度。土壤化学性质主要包括pH值、养分元素含量和有效性等，其中pH值是一项重要的化学指标，能够影响植物的生长发育状况，并且是准确有效衡量土壤质量的重要指标。生物炭的应用能够对土壤理化性质产生显著影响，降低土壤体积密度、增加土壤阳离子交换能力、中和土壤酸度和改善土壤养分有效性、增加总体土壤净表面积和提高土壤保水能力等。近年来，国内外关于湿地添加生物炭对土壤性质影响的相关研究正在逐年增加，通过阅读相关文献可以发现，在不同类型的湿地土壤中添加生物炭，能够显著提高土壤pH值，但提升幅度具有差异性（表1）。李程研究发现，当施人的生物炭浓度小于10g／kg时，土壤pH值的增幅急剧上升，当浓度超过10 g/kg时，pH值增幅减缓。Zhang等研究滨海滩涂土施入生物炭对土壤性质的影响，结果表明施入生物炭的土壤pH值较对照组显著升高，添加不同浓度的生物炭对pH值的影响不显著。原因可能是滨海滩涂土壤具有较高的缓冲能力。

1.2湿地添加生物炭对土壤固碳能力的影响

生物炭因其高碳含量和多孔性，被认为是具有增加土壤固碳和应对气候变化潜力的土壤改良剂之一。生物炭的固碳总量包括生物炭向土壤中投入的剩余部分、对植物生长的促进作用而引起的生物量增加，以及原本植物体经微生物分解而进入大气碳循环中的碳。湿地是陆地生物碳库的最大组成部分，其中滨海湿地在全球碳循环中起着至关重要的作用，滨海湿地土壤有机碳（SOC）约占总碳储量的75％，为湿地土壤系统提供了基础功能。在滨海湿地土壤中添加生物炭，通过稳定的碳输入、改善土壤性能以及对微生物组成的调节，对固碳具有积极作用。此外，生物炭性质、土壤性质和试验条件等都可能对施炭后SOC的增量产生影响（表1）。李程研究表明，经生物炭处理后，盆栽试验各组SOC含量均高于对照组，野外试验分别施入0、0.625 kg／m2和1.25 kg/m2生物炭后，SOC含量分别为0.409 9、0.925 5 mg/g和1.089 1 mg/g，对照组与试验组有显著差异。因此生物炭对SOC含量的提高起到了至关重要的作用，并且SOC含量的增加与生物炭施加量呈正相关。Zhang等在滨海滩涂土中施人小麦秸秆生物炭，结果表明添加生物炭处理的SOC含量比对照高60％-250％。Agegnehu等在滨海铁铝土中施人柳树和刺槐生物炭，以及将肥料和生物炭混合施人探究其对土壤性质的影响，相比之下，矿物肥和柳树生物炭混合施人所产生的SOC含量最高，其次是堆肥和矿物肥共同施入，单独施入矿物肥的最低。Luo等研究表明，施用生物炭提高了滨海土壤SOC累积矿化量和盐渍化湿地土壤碳储量。

生物炭增加湿地土壤SOC库储量的主要原因包括：（1）生物炭富含的多碳芳香族结构稳定性强且很难被降解，能够将碳长期封存在土壤中；（2）生物炭通过多价阳离子桥连作用增强黏土颗粒与有机质（SOM）的结合，有利于SOM在土壤中的累积；（3）生物炭能改善土壤理化性质，促进根际微生物和植物生长；（4生物炭可减弱SOM的矿化作用，减少了SOM的损失。

2湿地添加生物炭对土壤温室气体排放的影响

随着大气中温室气体[如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）]浓度的不断增加，引发全球变暖一系列环境问题，全球气候变化也成为生态等领域研究的重大问题之一。湿地因其独特的水热效应和温室气体代谢过程，是全球气候变化的影响区和响应区，因此研究湿地生态系统温室气体排放特征及其影响因素具有重要意义。生物炭富含碳且低营养，具有高碱性和高孔隙率，为微生物提供了栖息地，并且由于具有特殊的物理和化学性质而能够影响温室气体的排放。尽管生物炭在农业和废水处理方面取得了进展，但湿地添加生物炭对温室气体排放的影响相关研究较少。

2.1湿地添加生物炭对CO2排放的影响

相关研究普遍认为湿地添加生物炭能够有效抑制CO2的排放，主要原因可能是由于生物炭对温室气体具有一定的吸附能力和化学作用，物理吸附能力主要由生物炭的比表面积和孔隙度决定，化学作用是来自于生物炭中的Ca、Fe、K等矿质元素与CO2结合成碳酸盐。Guo等研究发现，添加和未添加生物炭的湿地平均CO2通量均为负值，原因可能是植物光合作用固定的CO2，高于植物和微生物呼吸产生的CO2，导致湿地与大气之间的CO2净交换为负值（表2）。但部分学者的研究结果与上述结论相悖，即生物炭添加后CO2的释放速率在前期较快，随着培养时间的延长，释放速率显著下降，在培养150天后，释放速率几乎为零，可能由于低温制备的花生壳生物炭具有易降解的脂肪族碳组分和难降解的芳香族碳组分。多数研究表明湿地添加生物炭会降低土壤CO2排放量，但具体结果会因生物炭原料、制备温度等因素发生变化，因此在后续研究中应扩大生物炭原料及制备温度等条件，全面考虑生物炭特性对湿地CO2排放的影响。

2.2湿地添加生物炭对CH4排放的影响

CH4被认为是一种强温室气体，其增温潜势是CO2的84倍，热带湿地占全球CH4排放的20％。由表2可知，湿地添加不同生物炭对CH4排放的影响不同，Rubin等、Ji等研究认为湿地土壤中添加生物炭可以降低CH4排放量，添加10％生物炭能够降低92％的CH4排放，因此生物炭对降低CH4排放具有重要意义。但与此研究结果不同的是Guo等、Liang等、Chen等的研究结论，他们认为湿地添加生物炭会促进CH4排放，这些结果的差异可能是由生物炭的性质、添加量、操作条件（如土壤特征、水质特征、植物种类等）以及不同相关微生物特性的变化引起的。有研究表明生物炭发生了石墨化，表现出相对较好的导电性，可能增强产甲烷菌与地杆菌科之间的直接种间电子传递，促进CH4产生。

2.3湿地添加生物炭对N2O排放的影响

硝化过程和反硝化过程是N2O的主要来源，湿地中影响N2O排放的因素复杂多样，主要包括溶解氧（DO）、湿地类型、进水组成、植物种类和其他环境条件等，且有研究表明人工湿地系统N2O的释放量为天然湿地的2-10倍。如表2中，众多研究者发现湿地中添加生物炭能够显著降低N2O的排放量，并且生物炭添加量与N2O排放量呈反比，即生物炭添加比例越大，N2O的排放量越少。湿地土壤中添加生物炭可以减少N2O排放，其主要原理为：（1）生物炭具有多孔结构，有利于气体流通，改善土壤通气状况从而抑制微生物的反硝化作用；（2）生物炭通过吸附N03与有机质，减少反硝化细菌的活性从而抑制N20排放；（3）生物炭的施入可以使固氮微生物的丰度增加，导致氮的反硝化作用减弱。因此，施人生物炭是降低湿地N2O排放的重要手段。

3特殊人工湿地——稻田添加生物炭对土壤温室气体排放的影响

稻田作为人为管理的季节性湿地生态系统，约覆盖了世界灌溉耕地总面积的20％。21世纪初，在全球范围内稻田占据土地超过1.5亿公顷，每年生产600万吨粮食，这对缓解N2O排放提出了巨大挑战。生物炭的应用具有抑制稻田温室气体排放的潜力。

3.1稻田添加生物炭对CO2排放的影响

稻田CO2的排放贯穿于整个水稻生育期，其排放形式与CH4不同，呈现单峰态势，但CO2的排放与大气、土壤温度的变化基本吻合，相关分析表明二者存在显著正相关关系。通过总结相关文献（表3）可以看出，稻田添加生物炭对CO2排放影响的研究较少。Knoblauch等研究发现，稻田添加生物炭显著降低CO2排放量，但张斌等则认为不同处理（分别施入0、20、40 t/hm2生物炭）之间土壤CO2排放均无显著差异，还需要继续加强关于稻田添加生物炭对CO2排放影响的研究。

3.2稻田添加生物炭对CH4排放的影响

关于稻田施入生物炭对CH4排放影响的研究中，多数研究者认为施入不同浓度的生物炭会降低CH4的排放量（表3）。其中Knoblauch等研究表明，稻田添加生物炭可减少80％的CH4排放，其减排机制主要是：（1）生物炭的自身特性对CH4有吸附作用；（2）生物炭提高了稻田土壤的透气性，添加生物炭可以增加供氧从而刺激甲烷氧化菌（pmoA）的生长，使得土壤所产生的CH4能够重新被氧化；（3）添加生物炭增加了产甲烷菌（MCRA）和pmoA，但对MCRA的增幅显著高于对pmoA的增幅，降低了MCRA/pmoA的比率，从而减少了CH4排放。因此生物炭对稻田CH4排放的影响一方面取决于相关功能微生物的响应，另一方面则是生物炭对土壤的影响过程。

也有研究认为，稻田添加生物炭会促进CH4排放，Cai等用不同温度制备生物炭，结果发现添加300℃和500℃制备的生物炭会增加CH4排放量，而施入700℃制备的生物炭则会抑制CH4排放。Wu等研究表明，稻田中施入新鲜生物炭增加了4％的CH4排放量，而施入老化生物炭有减少10％CH4排放的趋势。生物炭促进稻田CH4排放的原因可能包括：（1）生物炭具有一些易裂解的成分，加速土壤有机质分解，为MCRA提供了底物；（2）生物炭改变了稻田微生物群落组成，提高了MCRA和pmoA中相关基因的丰度。

3.3稻田添加生物炭对N2O排放的影响

生物炭因自身的性质与结构特点（具有较强吸附能力和较大的比表面积等），能够直接或间接地对N2O排放产生影响。除自身性质外，制备原料、施用量以及施用方式等对N2O排放也有一定影响（表3）。Yang等在稻田分别施入20、40 t/hm2的稻草生物炭，结果显示减少了58.0％、43.1％的N2O排放量；与此结果相似的是张斌等的研究结论，即施入20、40 t/hm2的小麦秸秆生物炭，减少了73.7％、77.0％的N2O排放量：但与此不同的是，Sun等研究认为施入上述等量的小麦秸秆生物炭，增加了23.4％、30.5％的N2O排放量。Yagi等采用基于试验数据可靠性的筛选标准，选择31个案例进行分析，结果表明生物炭的应用使N2O的排放量降低了20％，而水稻产量显著提高了28％。生物炭能够减少N2O排放的主要原因是：（1）施用生物炭能够吸附土壤硝化作用的底物，减弱反硝化细菌的活性，提高稻田土壤中阳离子交换量，增加土壤对NH4的吸附能力，从而降低N2O排放；（2）生物炭能够提高土壤的通透性，促进土壤水分的下渗，影响反硝化作用，减少N2O排放；（3）生物炭提高了稻田土壤有机碳含量，刺激了土壤中有关硝化作用微生物的生长，导致N2O排放降低。

4总结与展望

生物炭作为一种土壤改良剂被广泛运用到湿地、农田、稻田等生态系统，是改善土壤质量、调控温室气体排放的重要举措，但通过检索和阅读文献发现关于湿地生态系统添加生物炭对土壤固碳减排影响的研究较少。湿地施入生物炭可以调节土壤的pH值、体积密度、持水能力和有机质含量进而改变土壤性质和肥力，提高农业生产力；不同施人比例会影响pH值增加幅度，在低浓度范围内，土壤pH值增幅较大，并且土壤中阳离子交换量随生物炭施用量的增加而增加。土壤有机碳作为重要组分之一，其增量受到生物炭性质、土壤性质、试验条件等的影响，总体而言湿地添加生物炭会增加土壤有机碳含量，提高土壤固碳能力，并且土壤有机碳含量的增加与施用比例呈正相关，两种生物炭混合施入比单独施入一种生物炭的效果更好。温室气体（CO2、CH4、N2O）排放也受多种因素的影响，多数试验证明湿地添加生物炭会减少CO2和N2O的排放，在一定程度上能够降低92％的CH4排放，并且生物炭制备的温度越高，对抑制CH4排放的效果越好，与此同时，对于湿地施人生物炭也会促进CH4排放的研究并不少见，并有研究表明生物炭施用量越多，CH4的排放越多，主要由于生物炭在湿地土壤中发生了石墨化，表现出较好的导电性，增强了产甲烷菌与地杆菌科之间的直接种间电子传递，从而促进了CH4产生。在以上研究基础上，提出未来的主要研究方向：

（1）关于湿地生态系统应用不同原料制成及不同施用量的生物炭对温室气体排放影响的报道较少，比较不同原料生物炭和生产技术对排放通量的影响，研究制定最佳方法和关于天然湿地选择和生产生物炭配方的准则，以缓解湿地温室气体的排放。

（2）对生物炭的热解过程、稳定性和生物炭应用的缓解效果进行综合分析，并与沼气发酵、燃烧、生物炭炭直接施用于土壤等其他过程进行比较。

（3）生物炭可以通过原料选择、生产前后的处理来改变工艺条件，提高营养水平和可用性、碳持久性和吸附性能来影响土壤性质，从而为特定应用定制。