2015, Vol. 34文章信息
- 刘杰云,沈健林,邱虎森,王聪,周萍,李勇,吴金水
- LIU Jie-yun, SHEN Jian-lin, QIU Hu-sen, WANG Cong, ZHOU Ping, LI Yong, WU Jin-shui
- 生物质炭添加对农田温室气体净排放的影响综述
- Effects of Biochar Amendments on Net Emissions of Greenhouse Gases from Croplands：A Review
- 农业环境科学学报, 2015, 34(2): 205-212
- Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(2): 205-212
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2015.02.001
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文章历史
- 收稿日期：2014-08-23
2. 中国科学院长沙农业环境观测研究站, 长沙 410125;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. Changsha Research Station for Agricultural & Environmental Monitoring, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Hunan 410125, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
农业是温室气体的重要排放源,其温室气体年总排放达到5.1~6.1 Pg(1 Pg=1015 g) CO2-eq(二氧化碳当量),占全球温室气体总排放量的10%~12%,其中农业排放的CH4和N2O分别占这两种温室气体全球人为排放总量的52%和84%[1].农田是农业温室气体排放的重要来源,如何降低农田温室气体的排放,已成为当前国内外研究人员关注的热点[2].土壤碳是陆地生态系统最大的碳库,碳储量高达27 000亿t,而其变动往往会对大气CO2浓度以及碳循环产生重要影响.鉴于土壤碳对温室气体效应的影响,《京都议定书》已将包括土壤在内的陆地生态系统增汇作为减排机制之一.因此,在减少农田温室气体排放的同时,进一步加大农田土壤增汇功能,使农田由温室气体源向温室气体汇转变,对实现农业温室气体减排、减缓气候变化具有重要意义[3].
近年来,在农田温室气体减排研究中,生物质炭因其含碳量高、难于分解、比表面积大、疏松多孔等特性,已成为研究农田固碳减排措施中的热点[4, 5].生物质炭(Biochar)是生物质(包括秸秆、木材、畜禽粪便、固体垃圾等)在部分或完全缺氧的条件下热解炭化产生的一类具有高度芳香化结构的难溶性有机物[6],具有高稳定性和高含碳量(一般可达60%以上)的特性,因此可长期封存于土壤中,并通过在土壤有机碳库中的缓慢循环,在减缓全球碳循环及气候变化中发挥重要作用[7].此外,生物质炭添加到土壤后,能明显改变土壤的部分理化及微生物学性质,进而影响温室气体排放[8].目前,关于生物质炭添加对农田温室气体排放的影响已有大量的研究[8, 9, 10, 11, 12],这些研究表明生物质炭添加对不同温室气体排放的作用效果不尽相同,既有增加某一种或多种温室气体排放的,也有降低其排放的[9, 13, 14, 15].因此,在评价生物质炭添加对温室气体排放的影响时,不但要考虑其对几种主要温室气体(CH4、CO2和N2O)的单独效应,还要考虑其对这几种温室气体综合排放即净排放的影响.本文在综述生物质炭土壤添加对三种主要温室气体(CH4、CO2和N2O)影响及其机制的基础上,进一步归纳了生物质炭添加对农田土壤温室气体净排放影响的最新进展,旨在为生物质炭应用于农业生产及温室气体减排提供科学依据. 1 生物质炭土壤添加对温室气体排放的影响及其机理 1.1 对CO2排放的影响及其机理
生物质炭添加可以影响旱地土壤CO2排放,既能增加土壤CO2排放,也能抑制CO2排放,或对CO2排放无显着影响,这种影响效果因生物质炭的来源、制备过程以及土壤类型的不同而异[9, 16, 17].有研究表明,生物质炭添加可增加旱地土CO2的排放[9, 18, 19].如在英国洛桑试验站旱地土中添加生物质炭会使CO2排放增加,尤其在添加初期这种促进作用更明显[18],引文作者将其归因于生物质炭本身含有的可溶性有机碳(DOC)的分解,且这部分DOC分解较快,一般发生在添加后的36 h[19].而Singh等[20]的研究发现,生物质炭添加到土壤中后,本身的有机碳并没有分解,而是促进了土壤原有机碳(SOC)的分解,即生物质炭对SOC的正激发效应,但随着时间的延续,这种促进作用逐渐减弱.生物质炭巨大的表面积和孔隙度,可为微生物的生存和繁殖提供适宜的环境,且生物质炭本身含有大量的营养元素,可为微生物的生长提供营养[21, 22].因此,可促进土壤原有机质的分解[23].还有研究[24] 认为,生物质炭可通过提高土壤pH值、CEC值和土壤含水量等提高微生物活性,从而增强土壤呼吸强度和CO2排放.但也有研究[17, 25, 26]表明,生物质炭添加抑制了旱地土CO2排放.在河南封丘的旱地土中添加生物质炭和氮肥,与对照相比,来自于土壤SOC分解产生的CO2排放降低了64.9%~68.8%[16].究其原因,可能有以下几种:(1)生物质炭本身含有一些有毒物质,对土壤微生物具有毒害作用[27];(2)生物质炭巨大的表面积和孔隙度[28],可吸附土壤中的微生物或酶,使其失活或钝化[29];(3)生物质炭可吸附土壤中的营养元素或有机物,这些有机物包被于生物质炭的孔隙内,从而抑制其分解[16],同时,生物质炭吸附有机物后,生物质炭内部的有机碳与周围的微生物隔绝,其分解也被限制[31];(4)生物质炭施入土壤之后,可参与土壤团聚体的形成[32],这些团聚体对有机碳和土壤微生物及酶也起到物理隔离的作用,从而抑制土壤原有机质的分解[16].
与旱地土壤的结果一样,生物质炭添加到水稻土中,对CO2排放的影响效果也不一致.如在湖南长沙典型的花岗岩母质发育的双季稻田土壤中添加小麦秸秆制成的生物质炭,与对照相比,添加后的前两个水稻季促进了CO2排放[14, 33],但是在后续的休闲季,CO2排放并没有增加,甚至有所降低[33].与旱地土类似,添加生物质炭初期,生物质炭本身含有的可溶性有机碳分解,促进了CO2的排放[18, 19],而后这种促进作用逐渐消失.但是,在浙江地区的水稻土中添加水稻秸秆和竹子制成的生物质炭抑制了CO2排放[6].生物质炭本身呈碱性,添加到土壤中,可增加土壤pH值[21],而土壤碱性越强,越有利于CO2溶解于稻田水中,从而降低了CO2向大气中的排放[6].然而,在太湖流域的水稻田中,添加小麦秸秆制成的生物质炭,对CO2排放并无影响[34],引文作者将其归因于生物质炭性质比较稳定,不易被微生物分解. 1.2 对CH4排放的影响及其机理
旱地土CH4排放量较少,不少研究结果表明,添加生物质炭对旱地土CH4排放量影响不大[13, 35, 36].如在河南商丘的玉米田中添加小麦秸秆制成的生物质炭,与对照相比,并没有增加或者降低CH4排放[11].同样,在加拿大旱地土中添加小麦秸秆制成的生物质炭,与对照相比,CH4排放也没有明显变化[13].但也有些研究发现,生物质炭添加会增加或者降低旱地土CH4排放.如在德国旱地土中添加水热炭化制成的生物质炭,与对照相比CH4排放显着增加[35].引文作者认为,在整个培养阶段,虽然保持了土壤总湿度不变,但是添加生物质炭后可能会导致土壤水分部分分布不均,并在局部形成厌氧环境,从而有利于CH4的排放.而在芬兰的小麦田中添加生物质炭,CH4的吸收增加了96%[25],研究者将其归因为生物质炭具有巨大的比表面积和孔隙度,添加到土壤中后可增加土壤的通气性和田间持水量,而有利于CH4的氧化,从而降低CH4排放[25].此外,生物质炭表面含有大量的微孔[37],这些微孔中贮存着大量的氧气,对改善土壤的通气状况具有重要作用[8].
生物质炭对水稻土CH4排放有较显着影响,但是在不同的土壤上其效果也不同.在江苏太湖地区的水稻-小麦轮作体系中,添加小麦秸秆制成的生物质炭20 t·hm-2,水稻季的CH4排放量与对照相比增加了30.6%[36],增加的CH4排放可能是由于生物质炭添加后,自身含有的可溶性有机碳可被微生物分解[37],为CH4的产生提供了底物,从而有利于CH4排放[38].同样,在江苏典型的水稻种植区添加小麦秸秆制成的生物质炭,与对照相比,CH4排放增加了34%~41%[10],这可能是由于生物质炭本身含有一些有毒的化学物质,对CH4氧化菌的活性具有抑制作用[39].而Shen 等[14]的研究表明,在湖南典型的双季稻田中添加小麦秸秆制成的生物质炭,添加的当季CH4排放降低,但效果并不显着,而在后续的水稻季及休闲季中,生物质炭显着降低了CH4排放[33].生物质炭呈碱性,可以中和土壤酸度,而CH4氧化菌活性随着土壤pH的增加而增加[40],因此添加生物质炭导致CH4排放降低可能与生物质炭提高了土壤pH有关.同样,在浙江的水稻土中添加竹炭,CH4的排放量降低了58.2%~91.7%[41],引文作者认为,生物质炭添加增加了土壤孔隙度,改善了土壤通气状况[8],抑制了产甲烷菌的活性[6],而为甲烷氧化菌的生长提供了良好的环境[42]. 1.3 对N2O排放的影响及其机理
与CO2和CH4一样,旱地土中添加生物质炭对N2O排放的影响也出现截然不同的作用效果.大量的研究[8, 11, 43]表明,添加生物质炭可降低旱地土N2O的排放.如在南京农业大学实验基地的水稻-小麦轮作体系中添加由水稻秸秆制成的生物质炭,小麦季N2O排放降低了53%[44].同样,在太湖地区的水旱轮作中,添加由小麦秸秆制成的生物质炭,小麦季N2O排放也降低了37.6%~41.2%[36].在河南商丘的玉米田中添加由小麦秸秆制成的生物质炭,N2O排放降低了10.7%~41.8%[11].添加生物质炭,土壤pH的增加可促进N2O还原酶(nosZ)活性的提高[43, 45],还可抑制参与由NO3-和NO2-向N2O转化的酶活性[8].如前文所述,添加生物质炭可增加土壤的通气性,从而抑制了反硝化作用产生的N2O排放[11].此外,生物质炭可吸附固定土壤中的NH+4[46],使得反硝化作用的底物减少,从而降低N2O的排放.也有研究[47, 48]表明,生物质炭可吸附N2O,从而减少N2O的排放.而在芬兰南部的小麦田中添加桦木制成的生物质炭,与对照相比,并没有影响N2O排放[25].Yanai等[43]则认为添加生物质炭,只有在土壤由干转湿的过程中才有N2O排放的显着差异,如果土壤湿度变化不大,则不会出现差异.
生物质炭添加对水稻土N2O排放的影响也有不一致的效果.有研究表明,在水稻土中添加生物质炭,可增加N2O排放.如在湖南长沙典型的双季稻田中,添加小麦秸秆制成的生物质炭,与对照相比,N2O排放增加了13%~80%,引文作者将增加的N2O排放归因于生物质炭本身含有的NH+4或NO3-的作用[14].另一些研究[8, 10, 44] 则表明,添加生物质炭可抑制水稻土N2O的排放.在江苏太湖地区的水稻田中,生物质炭与氮肥配施和单施生物质炭处理的N2O排放分别降低了40%~51%和21%~28%[10].在水稻-小麦轮作体系中,添加由小麦秸秆制成的生物质炭,水稻季N2O排放也降低了39.5%~45.1%[36].生物质炭可能促进了N2O还原酶(nosZ)活性[43, 45],抑制了NO3-和NO2-向N2O转化的酶活性[8].此外,生物质炭添加还可通过提高N肥利用率,减少N肥损失[10],从而减少N2O的排放. 2 生物质炭添加对农田温室气体净排放的影响
农田是温室气体的排放源,同时也具有固碳的作用,研究农田温室气体排放的重点之一就是从“净排放”的角度综合考虑其“固”与“排”的平衡[49].温室气体净排放可用净增温潜势(NGWP)、温室气体净排放(NGHGE)和温室气体排放强度(GHGI)三种方式来表征.NGWP表征的是CH4和N2O在一定的时间尺度上的综合温室气体效应,而NGHGE包含了三种温室气体的综合效应,GHGI则表征了单位产量的综合温室效应.生物质炭因其较强的稳定性,可长期封存在土壤中,具有土壤“碳汇”的作用,因而生物质炭添加可影响农田温室气体净排放.目前,有关生物质炭添加对温室气体净排放影响方面的研究仍较少. 2.1 生物质炭添加对农田温室气体净增温潜势的影响
由于CO2、CH4和N2O这三种温室气体具有不同的增温效应(Radiative forcing),它们对全球变暖的影响也不同. 根据IPCC报告[50] 提供的数据,在100 a的尺度上,单位质量CH4和N2O的增温效应分别为CO2的25倍和298倍.CH4和N2O是农田排放的两种主要温室气体,一般用NGWP即CH4和N2O的综合温室气体效应来表示农田排放的这两种温室气体的温室气体效应.其计算公式为:
NGWP=EM-CH4×25+EM-N2O×298
式中:EM-CH4为研究阶段内CH4的累积排放量;EM-N2O为研究阶段内N2O的累积排放量.从已发表的生物质炭添加试验结果来看,大多数的生物质炭添加具有显着降低农田NGWP的作用,通常其降幅相比对照最高可达60%.由表 1可以看出,在旱地土中添加生物质炭可降低NGWP.如在墨西哥的一种种植小麦的砂壤土中添加1.5%、3%和4.5%由木材制成的生物质炭,与对照相比各生物质炭处理的NGWP 分别降低了2%、33%和39%,主要是源于生物质炭添加降低了土壤N2O排放[51].同样,在河南商丘的冬小麦-夏玉米轮作体系中,无论是在小麦季还是玉米季,添加生物质炭均降低了土壤N2O的排放,因而显着降低了NGWP[52].而在水稻田中添加生物质炭并非都可降低NGWP.如江苏太湖地区的水稻田中添加由小麦秸秆制成的生物质炭(20 t·hm-2和40 t·hm-2),降低了N2O排放,但促进了CH4的排放.添加生物质炭当季,NGWP均有所升高[10],而在第二年,添加生物质炭处理的NGWP开始表现出较对照降低的趋势[34].在湖南的双季稻田中也表现出类似的规律,添加生物质炭当季,2011年晚稻季添加7.5 t ·hm-2和2012年早稻季添加24 t·hm-2的生物质炭处理并没有显着降低NGWP[14],但却显着降低了2012年全年累积(早稻、晚稻和休闲季)的NGWP[33].这表明生物质炭添加到稻田中,发挥降低NGWP的作用需要一个过程,通过长期定位观测的结果来看,生物质炭添加是降低NGWP的一种良好措施.
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NGHGE指的是农田排放或吸收的CO2、CH4和N2O所产生的综合温室气体效应[53].农田温室气体净排放综合了农田温室气体排放效应及土壤固碳效应,故能够全面地反映出农田对温室效应的贡献或减缓效果.由于作物当季通过光合作用固定的、存在于作物籽粒和秸秆中的那部分碳不能长久保存,通常采用当季土壤有机碳的变化来表示当季农田的CO2净排放.土壤有机碳的变化可以通过长期定位试验地土壤有机碳的变化来定量,也可以通过土壤有机碳的输入输出平衡来定量[33, 54].NGHGE可用下式来计算:
NGHGE=25×EM-CH4+298×EM-N2O-ΔSOC×44/12
该式中ΔSOC为研究期间土壤有机碳变化,它考虑了有机碳(如生物质炭-C)投入、前茬作物的根茬残留、作物净初级生产力、土壤异养呼吸、作物收获带走的C等[49].
人们在关注温室气体减排的同时,也认识到农田土壤具有巨大的固碳潜力.虽然在不同的种植体系添加生物质炭对CO2、CH4和N2O排放影响不一致[14, 36, 52],但由于增碳作用较强,生物质炭添加一般可降低NGHGE.如在江苏太湖地区的稻麦轮作体系中,与对照相比,添加生物质炭降低了NGHGE,主要是由于添加的生物质炭本身固定了碳和降低了土壤N2O的排放[36].此外,在湖南长沙的双季稻田中,添加生物质炭处理(24 t·hm-2 和48 t·hm-2 )与对照相比,全年(早稻季、晚稻季和休闲季)的NGHGE降低了1551%~2936%.这主要是由于添加生物质炭后,生物质炭本身含有的碳分解很少,大部分还仍固存于土壤中,而且CH4排放也较对照有显着的降低[33],表明生物质炭可作为一种固碳减排措施应用于农田生态系统. 2.3 生物质炭添加对农田温室气体排放强度的影响
GHGI是指单位作物产量的温室气体净排放(或净增温潜势)[34, 55],其计算公式为:
GHGI=NGHGE(或NGWP)/产量
它是温室效应评价的综合指标,与NGHGE、NGWP以及其他评价标准相比,其突出的优势在于将温室效应与作物经济产出相结合,平衡了系统的环境效应与经济效益,因而更有利于决策者制定相关的政策[56].
生物质炭添加不仅可影响NGHGE或NGWP,还可影响作物产量.唐光木等[57]在新疆的玉米田中添加由小麦秸秆制成的生物质炭增加了玉米的生物量,产量增加了1.31%~2.75%.Alburquerque等[58]发现,添加生物质炭后,小麦的产量与对照相比增加了20%~30%.不仅旱地土如此,在水田中也发现了类似的增产效应.在江西进贤的红壤性水稻土中添加由小麦秸秆制成的生物质炭,水稻产量增加了5.18%~7.95%[59].因此,添加生物质炭可影响GHGI.如生物质炭添加到冬小麦-夏玉米轮作体系中,添加当季玉米的产量显着增加,而在后续的4个生长季,作物产量并没有明显的变化,但因NGWP降低,故小麦季和玉米季的GHGI均表现出一定的下降趋势[33].在水稻-小麦轮作体系中,添加由小麦秸秆制成的生物质炭后,水稻和小麦的产量与对照相比都有所增加,且NGHGE降低,故GHGI也较对照降低[36].但在水稻田中,生物质炭对GHGI降低作用的发挥需要一个时间过程.如在江苏太湖地区的单季稻田中添加生物质炭,添加当季,由于生物质炭增加了NGWP,因而其GHGI也较对照增加[10],但在后续的试验中,生物质炭处理的GHGI逐渐表现出降低的趋势[34].在湖南的双季稻田中添加生物质炭,对当季水稻产量影响不大,虽然其GHGI较对照有所降低,但并不显着[14].而生物质炭添加一年后,与对照相比,虽然对水稻产量仍无显着影响,但综合考虑生物质炭的固碳效应与对温室气体(CH4和N2O)的影响,添加生物质炭显着降低了NGHGE,因而也显着降低了GHGI[33]. 3 结论及展望
综上所述,添加生物质炭可影响农田温室气体排放.生物质炭可通过本身可溶性有机碳的分解以及对土壤原有机碳的激发效应促进CO2排放,但由于生物质炭具有较大的表面积和较强的吸附作用,也可能抑制土壤有机碳的分解而降低土壤CO2的排放.添加生物质炭可通过影响土壤理化性质(如DOC、pH、通气性等)、产甲烷菌及甲烷氧化菌的群落组成、丰度及活性来影响农田土壤CH4的排放.添加生物质炭可能对参与硝化和反硝化反应的底物及功能微生物产生影响,进而影响N2O排放,此外生物质炭本身含有的N也会影响N2O排放.总之,生物质炭添加对旱地土和水稻土CO2、CH4和N2O排放的影响因生物质炭的来源和制备过程以及土壤类型的不同而呈现截然不同的效果.
生物质炭通过对温室气体排放及作物产量的影响,也可影响NGWP、NGHGE及GHGI.不同种类的生物质炭添加到不同的土壤中,对不同作物的NGWP影响也不同,但大多数的研究表现出降低的趋势.生物质炭因为其特殊的稳定性,不易分解,可长期封存在土壤中,增加土壤有机碳库,因此添加生物质炭可降低农田NGHGE.鉴于生物质炭可降低NGWP(或NGHGE),并有一定的增产效果,生物质炭也可进一步降低农田的GHGI.
针对生物质炭添加对温室气体净排放的影响,今后需要进一步加强的研究方向有以下几个方面:
(1)在我国典型农区开展生物质炭添加对农田温室气体净排放的影响试验.目前,关于生物质炭添加对农田温室气体净排放的影响仅在我国东部的稻麦轮作区、中部的双季稻区开展,为探明生物质炭添加对我国其他典型农区农田固碳减排的效果,有必要在这些农区开展生物质炭添加下的农田温室气体净排放研究.
(2)针对我国主要土壤类型开展生物质炭添加对温室气体排放影响的机理研究.由于生物质炭添加到土壤中后,往往因土壤类型的不同而对土壤物理、化学和生物学性质产生特定的影响,从而对温室气体排放也可能产生不同的影响.目前,在我国开展的生物质炭添加对农田土壤温室气体排放影响的机理研究还很少,有必要从土壤物理、化学和生物学角度来开展这方面的机理研究,为生物质炭的农田温室气体减排应用提供理论依据.
(3)将生物质炭生产、运输过程的温室气体排放纳入到净排放计算过程.由于生物质炭并不属于作物生产必需的生产资料,将农田添加生物质炭作为一种温室气体减排措施时,生物质炭生产、运输过程中产生的温室气体排放也应纳入到净排放的计算过程.今后,有必要针对我国特定的生物质炭生产和运输过程,对其温室气体排放进行定量研究.
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