生物質(zhì)炭對土壤性質(zhì)及溫室氣體排放的影響

薛生桂，王艷瑩

（西藏大學 理學院生命科學系，西藏自治區(qū) 拉薩 850000）

生物質(zhì)炭是指生物質(zhì)在厭氧或者絕氧條件下經(jīng)高溫裂解后形成的富含碳的物質(zhì)，同時產(chǎn)生二氧化碳和各種可燃氣體等。生物質(zhì)炭作為一種土壤改善劑，富含有機物等營養(yǎng)成分，并具有發(fā)達的空隙結構，施加到土壤后，能增加土壤有機物含量，提高土壤孔隙度，改善土壤環(huán)境[1]。因此生物質(zhì)炭能夠作為土壤添加劑使退化土壤得到有效改良。此外，生物質(zhì)炭具有很強的抗分解能力和強吸附能力，可有效改善土壤中的重金屬等有害物質(zhì)殘留的情況，不易被微生物礦化，從而達到固碳減排，具有緩解全球變暖的重要意義[2]。

生物炭質(zhì)在土壤中的使用也越來越受關注，但目前還有一定的理論發(fā)展空間。在實際應用當中，需要依據(jù)土壤類型對生物質(zhì)炭的類型和添加量進行局部測試后再進行，促進其作用于土壤環(huán)境的改善。

1 生物質(zhì)炭的性質(zhì)

生物質(zhì)炭大多化學和生物穩(wěn)定性良好，主要為單環(huán)和多環(huán)的芳香族化合物組成的含碳的聚合物[3]。制備生物質(zhì)炭時需要根據(jù)選用原料的不同而采用不同的裂解溫度和裂解形式，生物質(zhì)炭的最終產(chǎn)量和性質(zhì)也會存在著一定的差異。一般來說，與以木炭、秸稈為原料制成的生物質(zhì)炭相比，畜禽糞為原料所制成的含有大量灰分，pH 值也更高。此外，裂解時溫度越高，pH 值也會越高。而生物質(zhì)炭的總碳含量和不易分解碳含量會隨著裂解時溫度的升高而有所增加，但存在一定上限，且溫度越高生物學穩(wěn)定性越強[4]。有研究發(fā)現(xiàn)，裂解時溫度不僅對碳元素的含量產(chǎn)生影響，同時也對生物質(zhì)炭的其他特性產(chǎn)生了影響[2]。如高溫（＞600℃）會增加生物質(zhì)炭的比表面積和孔隙度，但是當溫度達到一定的臨界值時，會破壞孔隙結構，比表面積會降低[3]。

2 生物質(zhì)炭對土壤環(huán)境的影響

2.1 對土壤物理性質(zhì)的影響

將生物質(zhì)炭施加到土壤后，土壤的物理性質(zhì)發(fā)生改變。其低密度和多孔結構增加了土壤通氣透水性，吸附土壤顆粒，增強土壤穩(wěn)定性，改善土壤結構[1，3]。在某些流域發(fā)現(xiàn)的黑土中，土壤密度往往與土壤剖面深度的改變呈正相關趨勢，這主要是由于土壤中的生物質(zhì)炭發(fā)揮了一定作用。生物質(zhì)炭的多孔結構可以形成較大的比表面積，吸附并保持水分，提高土壤的滲透性從而提高土壤保水能力，增加土壤田間持水量[5]。

2.2 對土壤化學性質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭一般為堿性，施加到酸性土壤后，可以提高土壤的pH 值。生物質(zhì)炭表面豐富的羧基、醛基和羥基等官能團使其具有較高的CEC，可以提高土壤的CEC[1]增加土壤的養(yǎng)分含量。同時，生物質(zhì)炭表面電荷靜電和孔隙結構吸附含氮養(yǎng)分離子從而降低土壤養(yǎng)分的淋溶失[6]。將四種原料不同，裂解溫度和方式相同制備得到的生物質(zhì)炭添加到不同類型的土壤中，可以發(fā)現(xiàn)所有類型土壤的pH 值都升高了，尤其是砂質(zhì)土壤中效果最為明顯。而將生物質(zhì)炭和化肥一起施加后，雖顯著增加了田間的持水量和土壤總碳量，但顯著降低了氮的礦化速率[7]。生物質(zhì)炭還可以實現(xiàn)對土壤中殘留農(nóng)藥、重金屬等有害物質(zhì)含量進行改善，保障土壤中各種動植物、微生物的正常生存繁衍，維護土壤的生態(tài)平衡環(huán)境。

2.3 對土壤微生物的影響

生物質(zhì)炭通過其疏松多孔的孔隙結構和巨大的表面積為土壤中的各種動植物生長提供良好的條件，保證土壤的生物量和活性[6]。微生物種類、數(shù)量及呼吸作用會隨著生物質(zhì)炭的施加呈現(xiàn)出線性增加趨勢。通過在某豆田土壤中添加生物質(zhì)炭，并設立對照組，使用同位素標記技術測得微生物固氮水平可以發(fā)現(xiàn)，施加生物質(zhì)炭的豆田中微生物固氮水平明顯提高。將生物質(zhì)炭施入到不同質(zhì)地、營養(yǎng)成分含量不同的4種土壤中可以發(fā)現(xiàn)土壤中的微生物活性隨著生物質(zhì)炭添加普遍呈現(xiàn)增長趨勢，增加的幅度與土壤類型具有一定的相關性[8]。

3 生物質(zhì)炭對溫室氣體排放的影響

3.1 對土壤CO2 排放的影響

有機碳分解是土壤CO2的主要來源。Mata 分析表明添加生物質(zhì)炭使土壤CO2排放顯著增加了22.14%[9]，造成這種結果的原因主要是生物質(zhì)炭中的可溶性有機物被微生物分解利用，從而促進土壤CO2排放[10]。而Zhou 等人在亞熱帶森林中的研究顯示，不論是添加10t ha-1還是30t ha-1生物質(zhì)炭，基生物質(zhì)炭劑量對土壤CO2的排放并沒有顯著影響[11]。王戰(zhàn)磊也得到了相似的結果[12]。Mata 分析顯示，生物質(zhì)炭對土壤CO2排放的影響主要取決于生物質(zhì)炭本身理化性質(zhì)、土壤質(zhì)地，根據(jù)這些不同因素添加生物炭質(zhì)后土壤二氧化碳的排放結果也不同[9]。

3.2 對土壤CH4 排放的影響

甲烷向土壤的排放主要是由產(chǎn)甲烷菌和甲烷營養(yǎng)素之間的平衡引起的。生物質(zhì)炭添加會影響產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌等微生物的多樣性和活性，進而影響CH4的排放。研究表明生物質(zhì)炭的添加顯著增加了CH4的氧化吸收[9]，這主要是因為生物質(zhì)碳本身是多孔的和堿性的，一方面抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性降低CH4的產(chǎn)生，另一方面利于甲烷氧化菌的生長[10]，促進CH4氧化吸收。但是Hawthorne 等人發(fā)現(xiàn)，施加生物質(zhì)炭會顯著降低CH4 的氧化吸收，并隨著添加量增加而降低凈CH4氧化吸收量，這一現(xiàn)象可能是由于生物質(zhì)炭表面的一些物質(zhì)抑制甲烷氧化菌的活性引起的[10]。也有研究表明，在溫帶或亞熱帶森林施加生物質(zhì)炭對CH4的氧化吸收沒有顯著影響[12]。Mata 分析結果顯示對CH4排放的差異主要受施加的生物質(zhì)炭原材料溫度、土壤質(zhì)地等的影響[9]。因此添加生物質(zhì)炭來降低土壤CH4排放還需要進一步研究確認。

3.3 對土壤N2O 排放的影響

硝化反應是土壤N2O 產(chǎn)生的主要反應。硝化反應的第一階段（通過氨氧化作用）生成N2O，第二階段（通過亞硝化作用）在缺氧的條件下，產(chǎn)生的NO2通過歧化反應生成N2O[6]。大多數(shù)研究數(shù)據(jù)證明生物質(zhì)炭添加會降低30.92%的土壤N2O 排放量[9]。生物質(zhì)炭的孔隙性結構可以降低土壤密度，抑制土壤反硝化作用從而減少N2O 的形成和排放[10]，同時生物質(zhì)炭的較強吸附性可以吸附土壤有機碳或NH4+/NO3－，從而減少硝化或反硝化細菌的可用底物抑制硝化或反硝化作用，降低N2O 的排放[6]。pH 值也極大影響土壤硝化或反硝化作用，在一定范圍內(nèi)，硝化速率隨pH 的增高而提升，生物質(zhì)炭一般呈堿性，添加生物質(zhì)炭提高土壤pH 促進硝化作用，減少N2O 的排放[13]。生物質(zhì)炭對土壤N2O 排放的影響因素復雜，例如生物質(zhì)碳的性質(zhì)利用率和土壤類型施、用量等影響[9]。

4 結論

生物質(zhì)炭的應用對于解決當前部分地區(qū)土壤貧瘠，全球氣候變暖等問題具有重要的意義。生物質(zhì)炭施加到土壤后，土壤自身狀態(tài)不僅得到了改善，還能有效減少溫室氣體的排放。目前還未出現(xiàn)統(tǒng)一的關于生物質(zhì)炭對土壤溫室氣體排放影響的標準化研究結果，具體情況還在進一步試驗比較。因此，為了減少土壤溫室氣體排放，緩解全球變暖，生物質(zhì)炭的添加有必要依據(jù)土壤類型以及生物質(zhì)炭類型進行局部測試后再進行。