生物质炭输入对竹林土壤温室气体排放的影响及其机理研究

□杨 倩

生产中可以通过在缺氧条件下热化学转化生物质来获得生物质炭。从2006年起，许多学者研究强调表明了生物质炭能够降低大气中的CO2，通过生物质炭输入土壤生态系统从而降低温室气体的排放这一方法很有可能成为今后改善全球气候变化的重要途径，现在，已有大量数据研究表明，生物质炭输入农田土壤后，不但能够巩固土壤固碳作用，还能够有效改善土壤结构和理化性状，有效提高土壤质量和肥力，提升作物产量。伴随科学对生物质炭研究的不断深入，生物质炭在全球的碳氮循环、环境保护和气候变化调节中日趋体现出它的重要作用。

一、试验设计和田间管理

(一)试验设计和田间管理。试验地点位于浙江省杭州市临安区青南村。地处浙江省的西北方向、属于中亚热带季风气候区南部，温暖潮湿，日照充沛，雨量充足，四季明显。年均降水量1613.9毫米，降水日158天，无霜期年平均为237天。

(二)实验设计。本试验设3组不同的处理，每个处理设置4个重复，总共12个小区。利用典型样地法与随机区组设计布置相关试验。选择土地条件基本相同，坡度相当、具有代表性的典型毛竹纯林进行样地设置。每个试验小区大小为10m×10m=100m2。分别为CK(常规施肥)、CK(常规施肥)+秸秆碳、CK(常规施肥)+竹炭。其中，竹炭和秸秆生物质炭添加量为10t ha-1。毛竹林样地采用高度集约化经营管理模式：其中尿素225kg ha-1，过磷酸钙300kg ha-1，氯化钾225kg ha-1。

二、测定项目和方法

(一)试验样品的采集和处理。毛竹林温室气体的采集：在实验开展之前，预先将采样底座埋入在毛竹林各处理小区土壤中。选用静态箱法采集毛竹林温室气体。采样箱为PVC材质，采样箱内置风扇并由箱外配置的蓄电池驱动。采样时间为早上8:00～10:00，采样共4次。

(二)毛竹林温室气体测定。使用岛津GC-14B气相色谱测定温室气体(CH4、CO2和N2O)气体浓度。温室气体进样采用阀进样，色谱柱为Porapak Q柱(柱温60℃)，其中CH4采用FID检测器，N2O采用ECD检测器，CO2通过Ni转化为CH4测定。检测器温度设置为300℃，载气采用高纯氮气，温室气体的排放通量由如下公式计算：

F=ρ×h×dc/dt×273/(t+273)

其中，F——气体的排放通量；Ρ——标准状况下气体的密度；H——采样箱有效高度；dc/dt——单位时间内采样箱内气体浓度的变化。

三、结果与分析

(一)生物质炭输入对毛竹林土壤理化性质的影响。不同类型的生物质炭输入对毛竹林后对土壤理化性质的影响如表1所示。土壤pH会对土壤中微生物活性和丰度产生影响。由表1可知，竹炭和秸秆炭还林都可以显著增加稻田土壤的pH值。与对照相比，毛竹林土壤的pH值分别增加0.33和0.46个单位，秸秆炭的效果显著优于竹炭。这可能是由于与竹炭相比秸秆炭具有更高的pH值有关。

表1 生物质炭对土壤理化性质的影响

DOC作为土壤有机质的重要组成部分，在土壤中特点有移动比较快、易氧化和易矿化、不稳定，土壤微生物的活性直接受到土壤内DOC含量的影响。Bayer等(2012)研究发现长期免耕种植系统中CH4排放量与土壤中DOC含量呈现显著正相关。但是，秸秆炭和竹炭的添加对毛竹林土壤DOC的含量没有显著性的影响。

此外，生物质炭的输入显著增加了毛竹林土壤的有机碳和总氮的含量。产生这样的影响与生物质炭的高含碳和氮密切相关。

图1 生物质炭输入对毛竹林土壤N2O烷排放通量的影响

图2 生物质炭输入对毛竹林土壤CH4吸收通量的影响

(三)生物质炭输入对毛竹林土壤CH4排放的影响。竹炭和秸秆炭输入对毛竹林土壤CH4吸收通量如图2所示。竹炭或秸秆炭的添加均可以增加毛竹林土壤的甲烷吸收量。但是，竹炭和秸秆炭对毛竹林土壤CH4吸收的影响两者之间没有差异。毛竹林土壤中的产甲烷菌和甲烷氧化菌的活性能够影响土壤内甲烷的排放。Spokas等(2010)发现生物质炭可以通过本身携带的化学物质对甲烷氧化菌的活性有抑制作用，从而能够促进土壤CH4的排放。现有研究表明，土壤产甲烷菌对pH的改变极其敏感。Charles等(1993)在通过向土壤悬浊液中加入碱液会造成其CH4排放量急剧下降。因此，生物质炭的添加能够改变土壤通气性，促进土壤CH4氧化。并且Jia等(2001)研究发现：O2浓度是土壤CH4氧化的控制性因子，对CH4的排放量影响很大。这些都是通过输入生物质炭来对CH4排放通量造成影响的例子。

图3 生物质炭输入对毛竹林土壤CO2排放通量的影响

(四)生物质炭输入对毛竹林土壤CO2排放的影响。竹炭和秸秆炭输入对毛竹林土壤CO2排放的影响如图3所示。由图3可知，与对照相比，竹炭或秸秆炭的添加均对毛竹林土壤CO2排放量影响不大。

近年来，许多研究指出，土壤有机碳产生激发效应，此反应对土壤有机质的矿化有促进作用，加速了土壤有机碳库的损失，致使土壤有机质含量下降。这主要有两方面的原因。一方面由于生物质炭的输入，所以土壤获得更多易降解有机质，其触发土壤微生物的共代谢作用，从而激发土壤有机质的矿化。另一方面，生物质炭可以通过改变土壤理化性质(提高温度、土壤孔隙率、pH、持水能力、养分吸收和含氧量)从而促进土壤有机质的矿化。与促进作用相对应，一些研究发现生物质炭输入土壤环境非但不会促进土壤有机质的矿化，反而会对土壤有机质的矿化产生消极的激发效应，即抑制土壤有机质的矿化。

四、总结与展望

(一)结论。通过野外林地实验，明确生物质炭人为输入对毛竹林土壤CH4、N2O和CO2等温室气体排放特性的影响。在此基础上，通过测定土壤理化性质，阐明生物质炭输入对毛竹林CH4、N2O和CO2排放影响的机制机理，为生物质炭在毛竹林中大规模应用提供理论和实验支撑。一是由于输入生物质炭对土壤理化性质产生影响，如生物质炭的输入提高土壤的pH，相比较而言秸秆炭的效果显著优于竹炭。这可能是由于与竹炭相比秸秆炭具有更高的pH值有关。同时提高有机碳和总氮含量，对DOC影响不显著。二是生物质炭的添加可以降低毛竹林土壤N2O的排放通量，但是两种生物质炭之间差异不显著。三是竹炭或秸秆炭的添加均可以增加毛竹林土壤的甲烷吸收量。但是，竹炭和秸秆炭对毛竹林土壤CH4吸收的影响两者之间没有差异。四是竹炭或秸秆炭的添加对毛竹林土壤CO2排放量影响并不大。

(二)展望。越来越多的研究表明，生物质炭在土壤生态系统中的碳循环与氮循环起到了不可忽视的作用，但是现在仅有的研究对生物质炭输入土壤系统后的微生物生态方面的等各方面研究还有局限性。虽然生物质炭的长期、大面积应用效果还有待更多研究，同时生物质炭的输入对土壤生态系统的环境风险也需要更加系统和长期的评估，但是就目前来看，生物质炭的施用在农业环境污染修复治理方面的优势表现出其在未来发展中具有很大潜力。