馬浩+雷光宇+李娟
摘 要:近年來,隨著農(nóng)業(yè)集約化的推進(jìn)和全球氣候變暖的加劇,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳庫流失嚴(yán)重,并主要以土壤溫室氣體的形式進(jìn)入大氣,因此,尋求一種既可以減少土壤溫室氣體排放又可以確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的途徑尤為重要。生物碳作為含碳量極為豐富的高度芳香化難熔性物質(zhì),生物質(zhì)碳的輸入對土壤碳循環(huán)產(chǎn)生一系列深遠(yuǎn)影響,已成為環(huán)境及生態(tài)相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)。本文從生物質(zhì)炭對土壤固碳的影響機(jī)制以及對土壤碳截留和溫室氣體排放的影響、我國生物質(zhì)炭凈減排能力等方面概述了生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤碳循環(huán)的影響,并對國內(nèi)外研究中存在的問題進(jìn)行分析并提出展望,以期對當(dāng)前我國農(nóng)田土壤固碳研究有所參考。
關(guān)鍵詞:生物質(zhì)炭;農(nóng)田土壤;碳截留;農(nóng)田溫室氣體;減排
中圖分類號:S153;X22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A DOI:10.11974/nyyjs.20170333051
近年來由于溫室氣體CO2和CH4等對全球氣候變化的影響以及由此引發(fā)的一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題,已經(jīng)引起世界各國的密切關(guān)注,而農(nóng)業(yè)對全球溫室氣體的排放有重要影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,與自然土壤相比,農(nóng)田土壤受人類活動干擾嚴(yán)重。據(jù)估計,全球排放的溫室氣體中有11%的CO2,60%的N2O和50%的CH4來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動[1],其中CO2、CH4和N2O對全球氣候變暖的貢獻(xiàn)率分別為60%、15%和5%[2],因此,如何有效減少農(nóng)田土壤溫室氣體排放,最大程度提高土壤固碳潛力是當(dāng)前農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域所面臨的主要問題,而生物質(zhì)炭技術(shù)的興起為之提供了可能。
生物質(zhì)是指具有生命的生物體利用大氣、水、土壤等提供的各種元素通過光合作用等合成途徑產(chǎn)生的各種有機(jī)體,即一切有生命的生物體生命活動產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)。國際生物質(zhì)炭協(xié)會將生物質(zhì)炭定義為:生物質(zhì)在缺氧條件下通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化成的固態(tài)產(chǎn)物,它可以單獨(dú)或者作為添加劑使用,能夠改良土壤、提高資源利效率、改善環(huán)境污染,以及作為溫室氣體排放的有效手段。生物質(zhì)炭是一種具有多芳香環(huán)的物質(zhì),具有高度的生物化學(xué)和熱穩(wěn)定性,能夠?qū)⒋髿釩O2固定并以穩(wěn)定態(tài)碳的形式存儲在土壤中,具有巨大的碳封存潛力。已有大量研究表明[3-8],生物質(zhì)炭施入土壤生態(tài)系統(tǒng)后,不僅可以增強(qiáng)土壤固碳,還可以改善土壤結(jié)構(gòu)及理化性狀,具有提高土壤質(zhì)量和肥力、提高作物產(chǎn)量的作用。
1 生物質(zhì)炭的固碳減排機(jī)制
1.1 生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性
施用生物質(zhì)炭能夠?qū)⒋髿庵械腃O2固定并封存在土壤中,是一種有效的碳匯途徑。生物質(zhì)炭富含穩(wěn)定的碳元素,主要由芳香環(huán)結(jié)構(gòu)和烷基成分組成[9],使其表現(xiàn)出高度生化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,具有很強(qiáng)的抵抗微生物分解的能力,可長期保存于土壤中而不易被礦化[10]。生物質(zhì)炭與土壤中的礦物結(jié)合形成土壤團(tuán)聚體,生物質(zhì)炭封閉在團(tuán)聚體中,通過團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用降低土壤礦化速率,提高有機(jī)質(zhì)含量,同時抑制土壤有機(jī)碳(SOC)的分解,促進(jìn)土壤碳庫的形成、固定和周轉(zhuǎn)[11]。
1.2 生物質(zhì)炭對農(nóng)田溫室氣體減排機(jī)制
生物質(zhì)炭的施入能夠顯著降低農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的排放,有利于緩解溫室效應(yīng)和全球氣候變暖。生物質(zhì)炭對農(nóng)田溫室氣體排放的作用機(jī)制主要體現(xiàn)在3個方面:生物質(zhì)炭自身的理化性質(zhì)。由于生物質(zhì)碳多孔性和顆粒結(jié)構(gòu),能夠較大程度吸附土壤中的氣體和養(yǎng)分,從而影響溫室氣體排放[12];生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)的影響。生物質(zhì)炭施入土壤后,會對土壤理化性質(zhì)如孔隙度、pH、通氣性、氧化還原電位以及吸附性能產(chǎn)生一系列影響,進(jìn)而影響溫室氣體排放[4];生物質(zhì)炭對土壤微生物的影響。土壤理化性質(zhì)的改善和大孔隙結(jié)構(gòu)為土壤微生物的生存提高良好的環(huán)境,直接影響土壤中參與溫室氣體產(chǎn)生和吸收過程的微生物的種群結(jié)構(gòu)多樣性或活性影響溫室氣體的排放[13]。
2 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤碳截留的影響
2.1 生物質(zhì)炭對土壤有機(jī)碳的影響
經(jīng)過熱解后生物質(zhì)炭的碳含量可從生物質(zhì)初始的40%~50%提高到70%~80%,生物質(zhì)炭施入土壤能夠提高土壤的有機(jī)碳含量,且土壤有機(jī)碳含量隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而增加[14]。此外,也有研究認(rèn)為生物質(zhì)炭與土壤原有有機(jī)質(zhì)之間可能存在激發(fā)效應(yīng),進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳含量。當(dāng)添加生物質(zhì)炭以后,生物質(zhì)炭能夠通過改變土壤中有機(jī)質(zhì)腐殖化、穩(wěn)定性和呼吸速率等,產(chǎn)生“碳-負(fù)”(carbon-negative)效應(yīng),生物質(zhì)炭抑制了生物質(zhì)的分解過程,使碳以一種穩(wěn)定的形態(tài)貯存在土壤中,減緩了碳以溫室氣體形式向大氣的釋放[15],因此,將生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)炭不僅能夠減少溫室氣體的排放,緩解全球變暖,還能提高土壤碳匯,促進(jìn)土壤新碳的形成。
2.2 生物質(zhì)炭對土壤團(tuán)聚體的影響
生物質(zhì)炭添加到土壤后一般不是以自由有機(jī)質(zhì)形式存在,而是生物質(zhì)炭表面的有機(jī)結(jié)構(gòu)與土壤中的礦物形成土壤團(tuán)聚體[16]。生物質(zhì)炭通過團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用降低土壤微生物對其分解的風(fēng)險而長期固持。生物質(zhì)炭的緩慢氧化過程使得土壤團(tuán)聚體更穩(wěn)固長久[17],同時,土壤團(tuán)聚體對碳的保護(hù)能力對土壤碳儲存有著不可忽視的作用。但也有研究表明,生物質(zhì)炭對團(tuán)聚體含量變化沒有影響,葉麗麗等[18]通過研究生物質(zhì)炭對土壤機(jī)械穩(wěn)定性和團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響,結(jié)果顯示生物質(zhì)炭不能提高土壤抗破碎能力和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。
3 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響
3.1 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤CO2排放的影響
農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化釋放的CO2是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重要途徑,CO2在大氣中的存留壽命為5~200a。生物質(zhì)炭具有較高的吸附性能,不僅可以吸收大氣中的CO2,同時還可以通過固定土壤有機(jī)碳從而減少土壤CO2的釋放,而且還可以將其長期儲存于土層中[15],這對整個大氣環(huán)境來講這是“碳負(fù)性”。又因生物質(zhì)炭具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性,使其施入土壤后能長期存在而不易分解出溫室氣體。但施用生物質(zhì)炭對減少農(nóng)田土壤CO2排放還存在較大的不確定性。有研究表明,生物質(zhì)炭添加土壤后在短期內(nèi)會增加土壤呼吸速率,隨著生物質(zhì)炭施用量的增加土壤CO2排放量增加[19]。目前對于生物質(zhì)炭施入對土壤CO2排放量影響的定論各不相同,生物質(zhì)炭的施入與土壤CO2排放量之間并不呈現(xiàn)絕對正相關(guān)或負(fù)相關(guān),還取決于生物質(zhì)炭的種類、施用的土壤類型、理化性質(zhì)以及土壤微生物活性等多方面因素[20]。
3.2 生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤CH4排放的影響
農(nóng)田土壤系統(tǒng)碳循環(huán)過程,CH4盡管所占比例很少,卻是重要的溫室氣體。從100 a的時間尺度上來看,CH4的增溫潛勢(GWP)是單位等質(zhì)量CO2的25倍。生物質(zhì)炭對CH4的減排作用主要通過生物質(zhì)炭降低土壤容重,增加土壤通氣性,從而降低土壤的厭氧環(huán)境,降低CH4的產(chǎn)生或者是增加CH4的氧化[21]。但也有報道表明生物質(zhì)炭的添加會增加CH4的排放。彭華等[22]報道了用量為1.4 t/hm2的生物質(zhì)炭對晚稻CH4減排影響的研究,結(jié)果表明,生物質(zhì)炭的施用CH4的排放總量與單施化肥相比增加了6.32%;另外,施入土壤自身的理化性質(zhì)也影響著CH4的吸收和排放。土壤pH值過高或過低都影響著CH4的產(chǎn)生,當(dāng)土壤pH接近中性6.5~7.5時,產(chǎn)甲烷古細(xì)菌的活性最大[23]。
4 我國生物質(zhì)炭固碳減排的潛力
隨著全球氣候變化,我國越來越重視溫室氣體減排的重要性。中國是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家,我國1.2億hm2耕地上種植的各種農(nóng)作物,年秸稈總量高達(dá)7億t,其中一部分秸稈作為有機(jī)肥料回填到農(nóng)田土壤中,另外一部分則被當(dāng)做垃圾焚燒、遺棄、腐爛,造成環(huán)境污染。由于秸稈中本身碳含量較高,秸稈施入土壤后,在微生物作用下容易礦化并釋放CO2,因此土壤中最終截留的碳很少且積累緩慢;大量的秸稈被焚燒,不僅造成農(nóng)業(yè)資源的嚴(yán)重浪費(fèi),同時秸稈焚燒會產(chǎn)生大量的CO2和有害氣體,日益嚴(yán)重的霧霾天氣也說明迫切要求更加合理高效地利用秸稈資源。據(jù)國際再生能源(IWR)組織2010年發(fā)布的報告,2009年全球CO2排放量為313億t,其中中國CO2排放量為74.3億t,占全球的23.7%,居世界第一[24]。研究表明[25],如果能夠熱解炭化7億t農(nóng)林廢棄有機(jī)物質(zhì),能夠向大氣中減少CO2排放達(dá)10.22億t,也就是說,如果把每年處理7億t農(nóng)林廢棄有機(jī)物以生物質(zhì)炭的方式封存,理論上可減少國家總體排放約13.8%的CO2。由此可見,我國利用生物質(zhì)炭固碳潛力巨大。
5 總結(jié)與展望
生物質(zhì)炭作為一種有效的農(nóng)田固碳減排措施,其具有高度的穩(wěn)定性,其分解需要幾千年甚至幾萬年的時間,而且添加到土壤中可以增加土壤有機(jī)碳的含量及能夠切實降低大氣CO2和CH4濃度。另外,我國農(nóng)田土壤固碳潛力及生物質(zhì)炭減排能力巨大,因此在我國應(yīng)用生物質(zhì)炭固碳減排具有廣闊的前景。但是目前仍有諸多問題還需進(jìn)一步探討。
目前,科學(xué)研究者針對生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性及其與土壤碳庫相互作用方面已經(jīng)開展了一些研究并取得了初步成果,但針對生物質(zhì)炭輸入對土壤腐殖質(zhì)的影響研究報道少之又少,僅有研究主要關(guān)注生物質(zhì)炭對土壤腐殖化的影響。
盡管研究表明生物質(zhì)炭有著穩(wěn)定的固碳效應(yīng),但生物質(zhì)炭施入土壤后對溫室氣體排放效應(yīng)的影響目前還沒統(tǒng)一的結(jié)論,還需要進(jìn)行大量的試驗研究證明。
生物質(zhì)炭含碳量高,施入土壤可能會引起微生物大量繁殖,會對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響,由此而導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)及功能發(fā)生相應(yīng)的變化,因此有必要開展生物質(zhì)炭——土壤——微生物——作物統(tǒng)一連續(xù)體的研究。
參考文獻(xiàn)
[1]張玉銘,胡春勝,張佳寶,等.農(nóng)田土壤主要溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的源/匯強(qiáng)度及其溫室效應(yīng)研究進(jìn)展[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2011,19(4):966-975.
[2]宋利娜,張玉銘,胡春勝,等.華北平原高產(chǎn)農(nóng)區(qū)冬小麥農(nóng)田土壤溫室氣體排放及其綜合溫室效應(yīng)[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2013,21(3):297-307.
[3]馬秀枝,李長生,任樂,等.生物質(zhì)炭對土壤性質(zhì)及溫室氣體排放的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2014,33(5):1395-1403.
[4]張斌,劉曉雨,潘根興,等.施用生物質(zhì)炭后稻田土壤性質(zhì)、水稻產(chǎn)量和痕量溫室氣體排放的變化[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,45(23):4844-4853.
[5]孟凡榮,竇森,尹顯寶,等.施用生物質(zhì)炭對黑土黑碳含量和結(jié)構(gòu)特征的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2016,36(4):1343-1350.
[6]李秋霞,陳效民,靳澤文,等.生物質(zhì)炭對旱地紅壤理化性狀和作物產(chǎn)量的持續(xù)效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報,2015,29(3):208-213,261.
[7]曲晶晶,鄭金偉,鄭聚鋒,等.小麥秸稈生物質(zhì)炭對水稻產(chǎn)量及晚稻氮素利用率的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報,2012,28(3):
288-293.
[8]李飛躍,梁媛,汪建飛,等.生物質(zhì)炭固碳減排作用的研究進(jìn)展[J].核農(nóng)學(xué)報,2013,27(5):681-686
[9]方精云,劉國華,徐嵩齡.中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)及其全球意義[J].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1996,16(5):129-139.
[10]潘根興,趙其國.我國農(nóng)田土壤碳庫演變研究:全球變化和國家糧食安全[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2005,20(4):384-394.
[11]劉玉學(xué),劉薇,吳偉祥,等.土壤生物質(zhì)炭環(huán)境行為與環(huán)境效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2009,20(4):977–982.
[12]袁金華,徐仁扣.生物質(zhì)炭的性質(zhì)及其對土壤環(huán)境功能影響的研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2011,20(4):779-785.
[13]張又弛,李會丹.生物炭對土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)及其生物地球化學(xué)功能的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2015,24(5):898-905.
[14]曾愛,廖允成,張俊麗,等.生物質(zhì)炭對塿土土壤含水量、有機(jī)碳及速效養(yǎng)分含量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013, 32(5):1009–1015.
[15]花莉,唐志剛,解井坤,等.生物質(zhì)炭對農(nóng)田溫室氣體排放的作用效應(yīng)及其影響因素探討[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2013, 22(6): 1068-1073.
[16]安艷,姬強(qiáng),趙世翔,等.生物質(zhì)炭對果園土壤團(tuán)聚體分布及保水性的影響[J].環(huán)境科學(xué),2016,37(1):293-300.
[17]米會珍,朱利霞,沈玉芳,等.生物炭對旱作農(nóng)田土壤有機(jī)碳及氮素在團(tuán)聚體中分布的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015,34(8):1550-1556.
[18]葉麗麗,王翠紅,周虎,等.添加生物質(zhì)黑炭對紅壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[J].土壤, 2012,44(1): 62-66.
[19]葛曉改,周本智,肖文發(fā),等.生物質(zhì)炭輸入對土壤碳排放的激發(fā)效應(yīng)研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2016,25(2):339-345.
[20]劉杰云,沈健林,邱虎森,等.生物質(zhì)炭添加對農(nóng)田溫室氣體凈排放的影響綜述[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015,34(2):205-212.
[21]楊敏,劉玉學(xué),孫雪,等.生物質(zhì)炭提高稻田甲烷氧化活性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(17):145-151.
[22]彭華,紀(jì)雄輝,吳家梅,等.生物黑炭還田對晚稻CH4和N2O綜合減排影響研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2011,20(11):1620-1625.
[23]唐志剛.生物質(zhì)炭對模擬淹水土壤CO2排放和CH4釋放潛力的影響[D].陜西:陜西科技大學(xué),2014.
[24]孫振鈞,孫永明.中國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化與農(nóng)村生物質(zhì)能源利用的現(xiàn)狀與發(fā)[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報,2006,8(1):6-13.
[25]高鵬飛,陳文穎,何建坤.中國的二氧化碳邊際減排成本[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,44(9):1192-1195.
作者簡介:馬浩(1991-),男,陜西寶雞人,碩士研究生,陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,主要從事旱地農(nóng)業(yè)研究。