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生物炭还田对固碳减排、N2O排放及作物产量的影响研究进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-06-15  浏览次数:296
  一些研究表明,亚马逊黑土在添加生物质炭后,可以增加土壤原有有机质的稳定性[19-20],因此,非常有可能生物质炭通过影响土壤原有碳库的周转率,增加土壤有机碳库,但是也有研究发现,生物质炭促进了土壤中非生物质炭有机质的分解[18,21-22]。
  3 生物炭还田对土壤N2O排放的影响
  N2O作为主要的温室气体之一,在百年尺度上其单位质量的增温潜势是CO2的310倍,对温室气体的贡献率约占5%,未来可能达到10%[1],而农业又是大气中N2O浓度增加的主要原因,所以在探讨生物炭还田在固碳的同时,也必须考虑其对土壤N2O排放的影响。
  土壤中硝化作用和反硝化作用是农业N2O排放产生的主要原因,而其中反硝化作用又被认为是在产生N2O时占有更加重要的地位。农业排放N2O受到的控制因素较多,主要包括NH4+-N、NO3--N,通气情况(含水情况),土壤质地,土壤有机质,土壤温度和pH值等,而这些因素在随着土壤中加入生物炭,会受到相应的影响,从而N2O的排放也受到影响。总的来说,生物炭主要从以下2个方面影响土壤N2O的排放,一是通过影响土壤中硝化菌和反硝化菌的生命活动,如生物炭通过减少硝化菌和反硝化菌的能源底物,或者创造利于微生物生长的环境,其他微生物增多导致了硝化菌和反硝化菌的可用氮源减少等;二是通过调节土壤理化性质而影响土壤N2O排放,如通过改变土壤通透性、湿度、pH值等间接影响硝化作用和反硝化作用[23]。不同的生物炭种类、土壤类型和施肥管理方式等对土壤N2O排放的影响也不同。近年来大多数研究表明,土壤中添加生物炭能够减少或抑制N2O的产生和排放,如Elizabeth Verhoeven等利用松木木屑和胡桃壳生物炭添加到酿酒葡萄种植地,发现2种生物炭均增加了N2O的排[24];Jian Xiang等研究表明添加生物炭略微减少了土壤中N2O的排放[25];Afeng Zhang等在中国太湖平原水稻田试验中发现,添加生物炭显著降低了N2O的排放[26]。由于生物炭对N2O排放的规律没有取得共识,因此需要进一步深入研究。
  另一方面,生物炭还田如果可以提高肥料利用率,就可以减少化肥的施用量,从而间接降低因施用大量化肥导致的N2O排放量。Min Huang等研究发现,在氮肥施用条件下生物炭还田与不施氮肥相比,更能促进产量提升,而且在生物炭促进产量提升和氮肥利用率之间存在紧密联系[27]。
  4 生物炭还田对作物产量的影响
  人口数量的快速增长和经济的迅猛发展,对粮食增长的要求越来越高[28],而在这一问题上,世界农业同时面临着提高粮食产量和减少温室气体排放的挑战[29]。农田作物产量的提高,跟土壤肥力有着必然的联系,生物炭还田因为能够提高土壤有机碳库存被认为是用于提高土壤肥力和减缓温室气体排放的一种极有希望的方法[30-31]。近年来,也经常有报道报出利用生物炭还田增加了作物产量,但是根据实验的设置、土壤的质地和实验条件的不同,实验结果变动较大[32],因此弄清楚生物炭还田后是如何促进作物产量增加以及估算出其增产潜力对世界粮食安全有重要作用。
  生物炭还田能够极大的提高土壤中的有机质含量,从而改善土壤肥力。大量研究表明,生物炭对土壤质地、结构、孔隙度、容重及团粒结构会产生较大影响;而因为生物炭的高孔隙度和极大的比表面积,生物炭也为土壤中微生物提供了量化的生产环境。随着生物炭还田对土壤肥力的改善[33],提高了酸性土壤pH值[34],土壤阳离子交换量(CEC)[34],以及提高了土壤微生物活性和营养保持能力[35],种子发芽率、植物生长、作物产量得到了极大的提高[36]。如D.Noguera等[37]发现在添加88t/hm2生物炭到农田中时,水稻产量提升了294%;K.C.Uzoma等[38]研究表明在添加30t/hm2生物炭到农田中时,玉米产量提高了150%。
  5 总结及展望
  总之,通过生物炭还田把空气中大量的CO2固定到土壤中,对缓解气候变暖有着巨大潜力,而实际上,在同时面对固碳减排和粮食安全的情况下,生物炭也是少数甚至唯一的应对措施。为了达到这一目的,还必须在提高生物炭的生产技术,加强生物炭应用管理,研究生物炭作用机理上作出努力。
  目前生物炭面临的挑战主要有:确定哪种类型的生物炭在何种土壤类型中能够取得最大的生态经济效益;制定一套对生物炭还田行之有效的管理方式,如对生物炭还田剂量、还田方式等;还有就是开发生物炭制作技术和生物炭还田方式的推广。
  参考文献
  [1]IPCC.Changes in atmospheric constiuents and in radiative forcing[R].Fourth assessment report by working group 1,Geneva:IPCC,2007.
  [2]REBECCA RENNER.Rethink biochar[J].Environmental Science and Technology,2007:5932-5933.
  [3]Glaser,B.,Haumaier,L.,Guggenberger,G.,Zech,W..The ‘Terra Preta’ phenomenon:a model for sustainable agriculture in the humid tropics[J].Naturwissenschaften,2011,88:37-41.
  [4]David Laird,Pierce Fleming,Baiqun wang,et al.Biochar impact on nutrient leaching from a Mid-western agricultural soil [J].Geoderma:An Interntional Journal of Soil Science,2010,158(3/4):436-422.
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