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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:266
  摘 要:目前人类面临着人口、资源和环境三大压力,如何在解决粮食安全的同时缓解气候变暖是迫切需要解决的问题。自20世纪90年代“生物炭”概念的提出以来,因其对固碳减排和提高作物产量的潜在利用价值,人们对于把生物炭作为碳封存剂和土壤改良剂利用到土壤中产生了极大的兴趣。该文回顾了生物炭的理化性质及其还田后在固碳减排中的作用,分析了生物炭在固碳的同时对土壤中N2O的排放和作物产量的影响,简要探讨了目前生物炭研究面临的挑战,以期为生物炭产业化及应用推广提供参考。
  关键词:生物炭;还田;N2O排放;作物产量
  中图分类号 S158 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2015)10-86-04
  Abstract:At present,mankind is faced with the pressures of population,resources and environment.It is very importent for us to figure out how to solve the problem about food security and climate warming at the same time.Since the concept of biochar was first mooted in the 1990s.Because of the potential value of carbon sequestration and crop yield improving,more and more people are interest in using biochar as the agent of carbon sequestration and soil conditioner.This article simply reviews the biochar's physical and chemical properties and its role in carbon sequestration and GHGs emissisons reduction.Biochar effects on soil N2O emission and crop yield are also analyzed.Briefly discusses the biochar research challenges at present,which will provide relevant references for the biochar industrialization and application promotion.
  Key words:Biochar;Application;N2O emission;Crop yields
  气候变暖和粮食安全是当前人类所面临的重大挑战,已经引起各国政府及学术界的高度关切。自1750年工业革命以来,化石燃料燃烧、森林砍伐、土地利用变化和农田管理方式的改变,造成了大气中温室气体浓度(CO2、CH4、N2O)的持续上升,增加了大气对逸出辐射的吸收,致使地球表面温度上升。据IPCC[1]预测,2100年全球平均表面温度较20世纪末上升1.5~4.5℃。气候变暖导致海平面上升、气候极端事件增加以及降水格局的变化等,直接或间接对陆地生态系统(包括粮食生产)产生影响,将对人类生活、经济建设和社会可持续发展产生重大影响。与此同时,世界人口还在持续增长,而随着城市发展,耕地面积却在不断地减少,粮食安全问题也就变得越来越严峻。
  如何减解气候变暖趋势和提高并稳定作物产量是人类急需解决的重大问题。生物质炭(Biochar)在巴西亚马逊流域考古中的发现,使我们看到了同时解决气候变暖和粮食安全问题的希望。含有生物质炭的黑土比临近对照的土壤生产力高,并且生物质炭已存在1 000~1 500a,这一发现使土壤中添加生物质炭的研究迅速成为研究和关注的热点[2-3]。一些研究者认为,土壤中添加生物质炭不仅可以增加土壤中的碳库(增加对大气CO2固持),减缓全球气候变化,而且能提高全球粮食安全[2]。
  1 生物炭的概念及性质
  生物炭是由英文(Biochar)译义过来,除了翻译为生物炭外,也有人译为生物黑炭、生物质炭、生物质焦等。生物炭一般定义为:在低氧环境下,通过高温裂解将有机质如木材、草、玉米秸、动物粪便或其它农业剩余物碳化,是以固定碳元素为目的的炭[4-6]。也有人定义为:生物质炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物,属于广义概念上黑碳(Black carbon)的一种类型。而Lehmann等根据生物炭制造过程中的各项条件以及生物炭的用途对生物炭进行了以下描述:有机质在缺氧(或无氧)和相对(较低)温度条件下进行热裂解而来的产物,并且是返还到土壤中,以对土壤有改良作用的同时把碳素封到土壤作为主要目的[7]。
  目前,生物炭的制造大多是利用高温分解法,将温度控制在400~450℃,在缺氧或无氧环境下对有机质进行高温慢速裂解,得到的产物除生物炭外,还有其他副产物,如裂解气、木醋液和焦油等[8]。
  生物炭由于其高灰分含量而呈碱性,而且随着生物炭制作时裂解温度的升高,pH也同时升高[9-10]。生物炭因其多孔性而具有极大的比表面积,其比表面积的增加也与生物炭的制作温度有关,温度越高比表面积越大[11]。随裂解温度升高,生物炭持水量减少;生物炭酸性基团减少,碱性基团增加,总官能团减少,官能团密度减少[12]。生物炭添加到土壤中后,随着生物炭的老化,土壤中的CEC也随之增加[12]。
  2 生物炭还田与固碳减排
  气候系统变暖的主要原因是长生命期的温室气体的存在,而人类活动导致以下4种长生命期温室气体的排放:CO2、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)和卤烃(一组含氟、氯或溴的气体),当排放大于清除过程时,大气中温室气体浓度则增加[1]。由于没有切实可行的办法用于大量减少温室气体排放,所以增加大气中温室气体清除就显得尤为重要。而通过生物炭还田来实现固碳减排就是利用生物炭作为碳封存剂把大气中的CO2固定到土壤有机碳库(土壤对大气CO2的固定),因此土壤中添加生物质炭也被称作“负碳”措施。由于生物质炭中高度芳香族物质含量较高,生物质炭比土壤有机碳中非生物质炭组分降解速度要慢。土壤中有机物大部分来自植物根系、植物残体和微生物代谢物,模型研究表明,约90%土壤有机质周转年数仅为数十年到近百年时间[13-14]。而在森林火灾中产生的生物质碳,存留时间可以达到上千年[15]。一些孵化试验表明,生物质炭在土壤中存留时间为数千年[16-17],而Major等[18]通过田间试验发现,生物质炭在年均温26℃的热带稀树草原土壤中也可以存留超过600a。可见,生物质炭由于其惰性(较高的稳定性)特点,可以在土壤中较长时间尺度内固持来自大气中碳。
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  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。
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