生物炭对CH4和N2O排放的影响综述

来源：《中国农学通报》2018年27期

作者：王国强,孙焕明,郭琰

单位：西藏职业技术学院农业科学技术学院,福建农林大学资源与环境学院

0 引言

温室气体排放引起的全球气候变暖是当今国际社会普遍关注的环境性问题,人类社会活动引起的温室气体浓度增加是全球气候变暖的主要原因。农田是大气中CH₄和N₂O最重要的排放源,农业活动排放的CH₄和N₂O约占全球人为排放量的70%,两种温室气体的共同作用对预期全球变暖贡献率约为20%。水稻栽培是人类社会活动过程中CH₄和N₂O的主要排放源。稻田CH₄排放对全球CH₄源的贡献巨大,稻田每年CH₄排放量约占全球总排放量的11.7%,占农业活动总排放量的22.5%,而稻田N₂O排放主要发生在排水季节和干湿交替过程中,其排放量占农田N₂O总排放量的25%~35%。因此,研究减少稻田CH₄和N₂O排放措施对缓解全球增温效应具有重要意义。生物炭(Biochar)是生物质(如秸秆、木头、粪便、农林废弃物等)在缺氧或低氧条件下通过热化学转化得到的固态产物。生物炭施入土壤可增加土壤稳定性碳库贮量,改善土壤理化性质及微生物学性质,抑制或减少CH₄和N₂O的产生和排放,提供作物生长所需的营养元素,提高农作物产量与品质。因此,生物炭还田被认为是未来最有前景的固碳减排措施,开展生物炭对稻田土壤温室气体排放的影响研究具有重要意义。笔者回顾了生物炭的研究历史,并全面评述了生物炭的特性、作用机理、施用效果,以期为水稻生产中合理施用生物炭、降低稻田CH₄和N₂O排放、提高作物产量和进一步研究提供理论基础和科学依据。

1 生物炭的研究历史及特性

木炭作为典型的生物炭类型在中国具有很久的历史。在商周时期就有木炭的使用记载,最早生物炭主要应用于冶炼业,或者用于取暖和供热,很少和土壤环境联系在一起。日本很早就利用生物炭进行土壤改良。对生物炭的研究开始于1947年,但直到20世纪80年代才引起人们的重视。生物炭对土壤环境影响的报道最先见于南美洲亚马逊地区巴西黑土Terra Preta的研究,研究发现该黑土中的黑色物质是生物炭,它已存在于土中1000多年,对保持土壤肥力和生产力具有重要作用。自2006年Marris在Nature上发表文章“Putting the carbon back: Black is the new green”以来,生物炭作为缓解气候变化以及减少温室气体排放的措施引起了科学家的高度重视。2006年7月,国际生物炭组织(International Biochar Initiative,简称IBI)的成立激发了国内外科学家对生物炭还田及相应农业环境研究的兴趣。澳大利亚、美国和德国对生物炭的试验研究发现,尤其在土壤贫瘠的地区,添加生物炭可以提高土壤肥力,这是因为生物炭的蜂窝状颗粒是土壤水分和肥料的储存库。2009年英国洛桑试验站启动了生物炭的田间试验。为推动生物炭的研究与应用,2010年中国成立了首个生物炭网络中心,确立了以生物炭技术为核心的秸秆炭化还田技术,该技术是中国实现废弃生物质资源化高效利用的重要途径,对确保中国国家粮食安全和实现农业可持续发展具有重要的现实意义。

生物炭富含芳香烃和单质碳或具有石墨结构的碳,碳元素含量达到70%以上的,质地较轻,为黑色蓬松状固态物质。生物炭具有原料来源广泛,制备具有较强的可操作性,含碳率高,吸附可溶性有机质和无机营养物质,多孔性、比表面积大、理化性质稳定、呈碱性、容重小、成本低廉等优点,使其具有更大的推广现实意义,被应用于农业、生态修复和环境保护等领域。土壤中添加生物炭可以改善土壤质量、提高作物产量,还能够有效地吸附土壤污染物和重金属。同时,生物炭难以被微生物降解,能在土壤中存在几百乃至上千年,在促进土壤碳固定、缓解全球气候变化方面等具有积极的作用。

2 生物炭影响稻田温室气体排放的作用机理

稻田是大气CH₄浓度升高的主要人为排放源,也是农田生态系统中CH₄的最主要排放源。土壤中CH₄的生成和消耗是土壤物质和土壤微生物共同作用的结果。在厌氧条件下,厌氧细菌首先将土壤有机物质、植物根系分泌物、死亡的植物根系或残茬、死亡的土壤动物和微生物及残体、有机肥等有机物质逐步降解为有机酸、醇、CO₂等小分子化合物,然后在产CH₄菌作用下将小分子化合物转化为CH₄;生成的CH₄有70%~90%在土壤或水层中通过甲烷氧化菌的作用被氧化,剩余的较少部分CH₄排放到大气中。因此稻田CH₄排放主要由甲烷产生、甲烷氧化和甲烷从土壤传送到大气3个过程决定的,每个过程受到影响都会影响到CH₄排放。

施用生物炭对稻田CH₄排放的影响目前报道还不一致。施入生物炭影响稻田CH₄排放作用机理有:(1)施入稻田的生物炭通过影响土壤pH值、有机质含量、氧化还原电位、温度、氮素形态、透气性、土壤湿度等理化性质来降低稻田产甲烷菌的活性、种群丰度,同时提高甲烷氧化菌活性和丰度,从而抑制CH₄排放。此外,生物炭比表面积大和疏松多孔有助于土壤吸收大量的CH₄,为甲烷氧化菌提供碳源,促进土壤CH₄氧化,减少CH₄向大气中输送。(2)稻田施入生物炭促进CH₄排放可能的机理是施入稻田的生物炭含有较多的不稳定成分会增加土壤活性碳库,促进水稻生长和根系分泌物的增加,为产甲烷菌提供充足的碳源;同时,稻田施入生物炭可能通过调节土壤温度、酸碱度和保水能力等土壤理化性质而促进CH₄排放;也可能是生物炭本身具有抑制作用的化学物质抑制了甲烷氧化菌的活性,从而促进了CH₄排放;此外,稻田施入生物炭可能直接通过促进电子传递来促进CH₄排放。

稻田是大气中N₂O的重要来源之一,稻田过量施入氮肥,促进土壤微生物活动,氮素在硝化、反硝化微生物参与下,通过硝化和反硝化作用转化为N₂O。硝化作用分两个阶段:氨氧化阶段和硝化阶段。这两个阶段只要其中一个反应阶段受到抑制,整个硝化作用过程就会被抑制。氨氧化阶段由氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria, AOB)或氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea, AOA)在氨单加氧酶(Ammonia mono oxygenase, AMO)催化下完成。硝化阶段由硝化细菌(nitrite-oxidizing bacteria, NOB)在亚硝酸盐氧化还原酶(nitrite oxide reductase, NOR)催化下完成。在氨氧化过程中,中间产物会发生化学分解而生成N₂O。反硝化作用通常在兼气或低氧土壤系统中在硝酸盐还原酶(nitrate reductase, Nar)、亚硝酸盐还原酶(nitrite reductase, Nir)、一氧化氮还原酶(nitric oxide reductase, Nor)和氧化亚氮还原酶(nitrous oxide reductase, Nos)作用下完成,在中间过程中释放N₂O。

稻田施入生物炭降低N₂O排放的作用机理:生物炭通过影响稻田土壤孔隙度、pH值、质地、透气性等理化性质来降低稻田反硝化菌及其酶的活性,从而抑制稻田N₂O排放;或者增强氧化亚氮还原酶活性,催化N₂O还原为N₂,使稻田N₂O排放量降低。生物炭也可以通过吸附稻田土壤中的NH₄⁺降低NH₄⁺的有效性,从而降低硝化作用产生的NO₃^-和反硝化作用产生的N₂O。此外,生物炭施入稻田会释放乙烯,抑制反硝化细菌的活性,从而减少N₂O的产生;或者生物炭表面的金属离子催化N₂O还原为N₂,减少N₂O的释放。

3 稻田施用生物炭温室气体减排效果

CH₄和N₂O是稻田最主要的两种温室效应气体。温室气体减排效果可用温室气体排放量、综合温室效应(Global warming potential, GWP)、温室气体排放强度(GHGI)和净生态系统经济预算(NEEB)四种指标来表征。温室气体排放总量表征的是在一定时期内不同温室气体排放的总量,GWP表征的是在一定时间尺度上CH₄和N₂O的综合温室气体效应,GHGI表征的是单位产量的综合温室效应,NEEB表征的是温室气体减排带来的经济和环境效益。生物炭具有较强的稳定性,可长期存在于土壤中,是稻田土壤的“碳汇”,稻田施入生物炭可对CH₄和N₂O排放产生影响。目前,有关施用生物炭对稻田CH₄和N₂O排放影响方面的研究存在较大差异和分歧。

稻田施入生物炭可减少CH₄和N₂O排放。孟梦等通过对华南早稻田研究发现施用生物炭能降低稻田CH₄和N₂O,生物炭添加量越高,CH₄排放量越低,但N₂O排放量随着生物炭添加量的增加呈上升趋势,但依然小于对照处理。Shen等研究添加秸秆和生物炭对双季稻温室气体排放的影响发现,与对照相比秸秆还田显著增加CH₄排放,而生物炭显著降低CH₄排放,可能是由于生物炭使土壤pH值升高;N₂O季节累积排放量相对较低,与对照相比秸秆还田使N₂O排放下降26%~68%,而生物炭使N₂O排放提高10%~80%,可能是由于增加了来自于生物炭添加的NH₄⁺或NO₃^-的可用性。生物炭施用时间也会对温室气体排放产生影响,李露等研究发现,稻季和麦季配施40t·hm^-2生物炭均显著降低8.6%和11.3%的CH₄排放;麦季配施40t/hm²生物炭较稻季配施等量的生物炭N₂O减排效果更明显,而稻季配施生物炭与稻季单施氮肥之间均没有显著差异;麦季配施生物炭对减少CH₄和N₂O的排放效果较稻季配施生物炭效果更好。

按照单位质量CH₄和N₂O全球增温潜势在100年时间尺度上分别为CO₂的25倍和298倍可计算稻田综合温室效应(GWP)。从已研究稻田中添加生物炭的试验结果来看,在大多数情况下施用生物炭有明显降低稻田GWP的作用。稻田GWP主要来源于CH₄排放,N₂O对稻田GWP贡献仅占很小比例。稻田施用生物炭可降低GWP主要因为生物炭降低了土壤中CH₄排放。张斌等研究发现,施氮肥下施用生物炭连续两年显著降低了稻田的N₂O排放和稻田温室气体的综合温室效应,降幅高达66%,且高用量生物炭(40t/hm²)显著降低稻田CH₄和N₂O的综合温室效应。Liu等通过对亚热带双季稻两个生长季节的研究发现,与对照相比添加生物炭可降低稻田的综合温室效应30.7%~35.6%。

GHGI是指单位作物产量的综合温室效应,它是评价不同试验处理温室效应的综合指标,与GWP评价指标相比,其优点在于将综合温室效应与作物产量相结合,综合评价农业生态系统的环境效应与作物产量带来的经济效益,因而有利于决策制定者制定相关的农业生产政策。施用生物炭不仅影响稻田CH₄和N₂O排放和GWP,还会对水稻产量产生影响。秦晓波等通过对华南双季稻田研究发现生物炭添加可以稳定水稻产量,与对照相比添加生物炭水稻增产3.22%,GHGI降低30.57%。Zhang等通过2年连续试验观测添加生物炭对水稻产量和温室气体排放的影响,发现生物炭添加降低稻田GHGI的作用需要一个时间过程;在两年的试验期内生物炭添加均能提高水稻产量,添加生物炭的第一年由于生物炭增加了GWP,因而相比不添加生物炭处理GHGI是增加的,然而在第二年的试验中,生物炭添加显著降低GHGI,与对照相比生物炭添加使稻田GHGI下降18.6%~36.9%。

NEEB是农业生产和农业活动的主要考虑因素,它直接影响政府决策和农民参与的热情程度,可用来表示不同农业措施下农艺生产力和环境可持续性之间的关系(例如,温室气体排放量),对实施不同措施的农田进行经济可行性评价,为决策部门指导农民制定相关政策提供科学依据。其计算公式如(1)所示。

NEEB=产量收益-农业活动成本-GWP成本            (1)

式中:产量收益用当前农产品价格和产量来计算;农业活动成本包括机械耕作和收获、种子、化肥、DCD、农药和除草剂等费用;GWP成本根据碳交易价格和GWP来计算。

虽然稻田施用生物炭对CH₄和N₂O排放、作物产量、GWP和GHGI的影响已被较为广泛研究,但是施用生物炭对稻田NEEB的影响几乎没人关注。陈春兰等应用生态经济系统能值分析理论与方法对中国南方双季稻区生物炭还田进行评价,发现秸秆源生物炭还田增加了水稻生物量能值产出,比常规施肥处理增加了4.32%~10.49%,比秸秆直接还田增加了16.96%~20.27%,从能值效益角度考虑,高量秸秆源生物炭还田是该区域双季稻生产中最优的还田模式,可大力推广。Li等通过对中国东南部蔬菜集约化生产下氮肥和生物炭配施的研究,发现生物炭添加降低净GWP89.6%~700.5%和净GHGI89.5%~644.8%,增加蔬菜产量2.1%~74.1%和NEEB14.8%~49.3%。施用生物炭的综合经济评价系统既要考虑水稻产量收益和农业活动成本,也要把GWP和施用生物炭的成本考虑进去。由于市场上生物炭价格较高,而碳交易价格较低,施用生物炭增加了水稻种植的农业活动成本,因此水稻施用生物炭的经济可行性可能会受到限制。未来为了发展生物炭的世界农业科学技术,应该优化生物炭的作物产量效益和经济效益,建立经济可行性评价体系。

4 结论与展望

综上所述,施用生物炭可影响稻田CH₄和N₂O排放。施用生物炭可能通过影响稻田土壤的理化性质和生物炭自身性能对产甲烷菌和甲烷氧化菌的活性、种群丰度产生影响,从而影响稻田CH₄的排放。施用生物炭可通过降低稻田反硝化菌及其酶的活性或增强氧化亚氮还原酶活性等,从而抑制N₂O的排放。施用生物炭不仅影响温室气体排放和水稻产量,还可以对GWP、GHGI和NEEB产生影响。多数情况下施用生物炭具有明显降低稻田GWP的作用。鉴于生物炭可降低GWP和GWP成本,而会使水稻产量增加,同时增加了施用生物炭的成本,因此,施用生物炭可进一步降低稻田的GHGI,而施用生物炭对NEEB的影响取决于施用生物炭增产所带来的收益与施用生物炭的成本和GWP成本差值的大小。

针对施用生物炭对稻田温室气体排放的影响,今后需要进一步加强以下几个方面的研究:

(1)在中国典型水稻种植区开展施用生物炭对温室气体排放的影响试验。由于生物炭研究还处于起步阶段,生物炭对稻田土壤的主动减排效应仍有待于更多的试验研究来验证,需要在大尺度、宽范围条件下的稳定的、可靠的试验数据支撑,也需要对生物炭固碳减排潜力、效益进行综合分析、评估,明确生物炭在稻田碳排放领域的作用、地位和前景。

(2)针对中国主要土壤类型、施肥种类及施用量、生物炭施用量、土壤温度、土壤水分开展施用生物炭对稻田温室气体排放影响的机理研究。目前,生物炭对稻田温室气体排放影响的内在机理一直备受争议。在以后的研究工作中,有必要通过同位素标记和分子生物学技术分析稻田施入生物炭后影响温室气体排放的微生物及其酶类和有机碳代谢过程的变化,以期从微观分子角度揭示生物炭添加对稻田CH₄和N₂O排放的影响机制,为科学合理利用和减缓稻田温室气体排放提供理论和决策依据。