温室气体不断增加是引起全球气候变暖的主要原因,减少大气温室气体浓度,已成为全球人类亟待解决的问题^[1].农田土壤作为温室气体的主要排放源^[2],对大气中3种温室气体(CO₂、CH₄、N₂O)浓度的影响不容忽视.因此,减少土壤温室气体排放,是缓解全球气候变暖的有效措施.生物炭是生物有机材料(农林废弃物、作物秸秆、厨余垃圾、养殖业废弃物等有机资源)在缺氧或无氧环境中经高温裂解后产生的一种固体物质^{[3, 4, 5]}.一方面,由于生物炭的物理化学稳定性和生物化学抗分解性使其通过碳封存技术而切实具有锁定和降低大气中CO₂的作用,另一方面生物炭的多孔性、巨大的比表面积以及高C/N比,使其能够改善土壤通气状况,增加土壤营养元素的有效性,营造更好的微生物生存环境,促进某些特殊类群微生物的繁衍与扩张以及土壤团聚体的形成^[6,7].所以,生物炭还田目前被广泛认为是缓解气候变暖的一种可能的有效工程措施.

向土壤中施加生物炭对土壤温室气体排放的影响是当前国际生物炭研究的前言领域,也是关乎废弃有机物资源能否实现生物炭还田的关键^[4].目前,关于生物炭添加对土壤温室气体排放影响的研究较多,但是由于不同学者所选用的研究材料和研究方法不同,所得出的结论也不尽相同.Saarnio等^[8]对热带以及温带地区和实验室内的研究均表明,施入农田土壤中的生物炭可以通过单位面积增产、减少N₂O释放并增加土壤C储存等途径来缓解气候变暖.Shenbagavalli等^[9]在研究生物炭对土壤中碳氮动态变化影响的试验中发现,生物炭能够减少土壤温室气体的释放,尤其是CO₂和N₂O.Karhu等^[10]的田间试验研究发现,添加生物炭使土壤CH₄的平均累积吸收量较对照增加了96%,但是对土壤CO₂和N₂O排放没有显著的影响作用,其研究结果表明,生物炭能够通过增加生物质碳储存、促进土壤对CH₄的吸收等途径来缓解气候变暖.Bruun等^[11]的实验室研究发现,将快速分解的生物炭单独施入土壤后促进了N₂O的释放,若将高低两种添加比例(3%和1%)的生物炭分别与厌氧消化污泥混合后施入土壤,则高生物炭添加量(3%)的土壤N₂O释放较低添加量的减少了47%.他们认为,这与生物炭和污泥混合处理提高了土壤微生物活动性和增加氮素的不可移动性有关.Zheng等^[12]通过分别向两种中性土壤(干旱和湿润)中添加生物炭和氮肥的室内培养试验研究发现,有外加氮源的条件下,N₂O是土壤温室气体的主要成分,生物炭添加使土壤N₂O的释放量减少3%~60%,CO₂释放增加10%~21%,CH₄释放增加5%~70%,而无外加氮源条件下,CO₂是土壤温室气体的主要组成部分,生物炭对土壤可提取NO₃^-、NH₃^-或N₂O的释放无显著影响,其研究结果表明,施用生物炭是减少土壤N淋溶和温室气体释放的有效管理措施,尤其对于高N含量的中性至酸性土壤.Stewart等^[13]的室内培养试验研究发现,随着生物炭添加量的增加,CO₂释放呈线性增加,N₂O呈指数减少.柯跃进等^[14]的为期130 d的室内培养试验研究发现,在整个培养期内,生物炭与耕地土壤混合处理能够减少土壤CO₂的排放,且减排率最高可达41.5%.因此,对于某一特定区域内土壤添加生物炭,必须要经过本地化验证,方可确定生物炭添加对当地土壤3种温室气体排放的影响程度.本研究基于野外小区定位试验,分析了向土壤中添加锯末(J)和槐树皮(H)及不同比例(1%、3%、5%,质量百分比)的生物炭后,土壤中3种温室气体排放量的变化情况,以期为该地区农田生态系统中生物炭调节土壤温室气体排放,缓解当前气候变暖提供一定的理论依据和数据支撑. 1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验地点设在中国科学院固原生态试验站原州区站内的长期定位试验场,属黄土高原宽谷粱状丘陵区.该区平均海拔1750 m,气候属温凉半干旱地带,冬春麦过渡区.年平均气温6.2℃,最高月(7月)平均气温18.9℃,最低月(1月)平均气温(8.3℃.极端最高气温34.6℃,极端最低气温(28.1℃,>0℃积温3100℃,年均日照时数2518 h,年降雨量472 mm,无霜期152 d.年平均径流深为53 mm,径流系数9.4%,地下水深150~200 m.土壤以黑垆土和镶黄土为主,植被由灌丛草原向半干旱典型草原过渡. 1.2 供试材料

本试验选取以锯末、槐树皮为原材料经高温(550℃)无氧裂解而生成的生物炭为供试材料,粉碎,过2 mm筛备用.两种生物炭均由陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司提供.生物炭的基本理化性质如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 生物炭的基本理化性质 Table 1 Characteristics of tested biochar 类型 热解温度 /℃ 比表面积 /m 2·g -1 pH 电导率 /μS·cm -1 阳离子交换量 /cmol·kg -1 有机质 /g·kg -1 全氮 /g·kg -1 硝态氮 /mg·L -1 铵态氮 /mg·L -1 锯末生物炭 550 0.0824 9.34 684.0 13.16 742.82 5.46 0.890 — 1) 槐树皮生物炭 550 0.0949 9.52 808.0 20.14 866.25 8.77 1.140 — 1)“—”表示生物炭中不含铵态氮

表 1 生物炭的基本理化性质 Table 1 Characteristics of tested biochar

锯末和槐树皮生物炭材料的表面物理结构采用JSM-6360LV扫描电镜(SEM,日本电子公司)观察分析.扫描电镜照片如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 生物炭扫描电镜(SEM)照片 Fig. 1 Scanning electron microscopy(SEM) photos of biochar

锯末生物炭(J)和槐树皮生物炭(H)均设置3个添加比例(1%、3%、5%,质量百分比),共6个试验处理及1个空白对照(无生物炭添加),依次记为J1、J3、J5、H1、H3、H5和CK,重复3次.添加比例按照生物炭与土壤的质量百分比进行控制.共设21个试验小区,每个小区规格为2.4 m×2.4 m.为消除系统误差,各小区采用完全随机区组设计,每个小区内设土壤呼吸仪测定基座1个.

生物炭添加采用完全混合方式添加,即分别将表层20 cm深的土壤剥离,将生物炭按照设定的添加比例与剥离的土壤分别充分混合,然后将混合后的土壤回填到原位.为减少作物生长等因素对生物炭温室效应的影响,试验小区定期清理地表杂草,整个试验期间保持裸地状态. 1.4 分析方法

在每个小区中心设置一个土壤监测点,在监测点埋入1个高度13 cm、直径20 cm的有机玻璃柱作为呼吸环,上端露出地面3 cm,土壤呼吸速率测定用Li-8100(Li-COR,Lincoln,NE,USA).小区布设后6个月内,选取晴朗无风日,对各小区土壤呼吸进行监测,监测时间为上午10:00,监测频率为10 d一次.在监测土壤呼吸过程中,借助8100-664(美国Li-COR公司)用20 mL注射器采集气体样本20 mL于色谱瓶中.气相色谱仪选用Agilent GC7890A (美国Agilent公司),检测器包括FID (火焰离子化检测器)和ECD (电子俘获检测器),分析柱为Porpak·Q填充柱(美国Agilent公司).CO₂的检测:样品中CO₂在375℃通入H₂先经Ni催化转化为CH₄后再进入检测器分析.检测器工作温度为300℃,柱温60℃,载气为氮气,燃气为高纯氢和空气.CH₄的检测:采用FID检测器直接进行检测.N₂O的检测:采用ECD检测器进行检测.气相色谱仪工作前采用由国家标准物质中心提供的标准气体进行校准,变异系数控制在3%以内. 1.5 数据处理及分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010软件进行整理并作图,不同处理间差异采用SPSS 20.0统计分析软件进行多因素方差分析,LSD法进行显著性检验(P=0.05). 2 结果与分析 2.1 生物炭对土壤CO₂排放通量的影响

如图 2所示,添加两种生物炭均促进了土壤CO₂的排放.与对照相比,H5的CO₂排放量增加表现最明显.在整个监测期间,各处理不同采样时期土壤表层CO₂排放量具有明显的季节变化规律,夏季较高,秋季则较低,整体上呈现先上升后下降的单峰势态.

图 2

Fig. 2

图 2 生物炭添加对土壤CO2排放通量的影响 Fig. 2 Effect of biochar addition on soil CO2 emission flux

添加生物炭各处理的土壤表层CO₂平均排放通量均高于CK (图 3),J1、J3、J5、H1、H3和H5依次较CK增加了0.06%、2.23%、3.46%、1.22%、1.46%和7.42%,处理间差异不显著.显著性分析发现,锯末(P=0.788)和槐树皮(P=0.637)两种生物炭对土壤CO₂平均排放通量影响差异不显著.

图 3

Fig. 3

图 3 生物炭添加对土壤CO2平均排放通量的影响(P=0.05) Fig. 3 Effect of biochar addition on soil average CO2 emission flux (P=0.05)

整个监测期内,锯末生物炭和槐树皮生物炭对土壤CH₄的排放均表现出明显的抑制效应(图 4).对于同种生物炭而言,土壤表层CH₄的排放量随着生物炭添加量的增加而降低.在相同添加比例下,槐树皮生物炭对土壤表层CH₄排放量降低的作用效果较锯末生物炭的更明显,差异达显著水平(P=0.048).

图 4

Fig. 4

图 4 生物炭添加对土壤CH4排放的影响 Fig. 4 Effect of biochar addition on soil CH4 emission

整个试验期间,添加不同比例的两种生物炭后,土壤CH₄的平均排放情况如图 5所示,与对照相比,锯末生物炭3个添加比例的土壤CH₄平均排放量依次降低了1.17%(J1)、2.55%(J3)和4.32%(J5),对土壤CH₄排放影响差异达显著水平(P=0.03);槐树皮生物炭不同添加比例的土壤CH₄平均排放量依次降低了2.35%(H1)、5.83%(H3)和7.32%(H5),差异达极显著水平(P<0.001).

图 5

Fig. 5

图 5 生物炭添加对土壤CH4平均排放量的影响(P=0.05) Fig. 5 Effect of biochar addition on soil average CH4 emissions (P=0.05)

土壤N₂O释放的缓解,有助于减轻大气温室效应.不同处理的土壤N₂O在监测期间的排放情况如图 6所示.

图 6

Fig. 6

图 6 生物炭添加对土壤N2O排放的影响 Fig. 6 Effect of biochar addition on soil N2O emission

与对照相比,两种生物炭的不同添加比例对土壤N₂O释放质量浓度的影响均无明显规律性,差异不显著.

图 7显示,两种生物炭对土壤N₂O平均排放质量浓度影响差异不显著.将两种生物炭处理的土壤N₂O平均排放质量浓度与CK做差值处理,结果如下:CK-J1:-0.001、CK-J3:-0.002、CK-J5:0.002、CK-H1:0.001、CK-H3:0.000、CK-H5:0.001.显著性分析发现,锯末(P=0.663)和槐树皮(P=0.248)两种生物炭的施入对土壤N₂O的平均排放量无显著地影响作用.

图 7

Fig. 7

图 7 生物炭添加对土壤N2O平均排放量的影响(P=0.05) Fig. 7 Effect of biochar addition on soil average N2O emissions (P=0.05)

生物炭施入土壤后,均不同程度地促进了CO₂的排放.其中7月中下旬(7月22日)土壤CO₂的排放量最高,这是因为该时期大气温度和土壤温度较高,土壤微生物活性较强,土壤呼吸强度大.有研究表明,土壤呼吸对温度具有一定的敏感性,且与温度具有正相关性^[15,16].而6月30日的CO₂排放量较低,这可能由于小区建成初期,生物炭的初始施入对于土壤微生物的生存环境干扰比较大,土壤呼吸减弱,因此具有比较低的CO₂排放通量.除7月12日和7月22日两次CO₂释放变化较大外,其他时间差异不大,尽管温度逐渐降低(图 2).由此可以看出:土壤本身贫瘠,控制土壤呼吸强度的主要因素应该是呼吸底物--土壤有机质含量较低,尤其是易被利用有机质贫瘠;7月12日和7月22日的土壤CO₂排放通量在温度没有变化背景下突然升高,这应该是生物炭加入后生物炭所携带的易被利用有机质对土壤呼吸的激发效应.生物炭添加土壤后,会改变土壤的理化性状如孔隙状况、含水量等,影响温室气体的排放^[17],也会改变参与土壤CO₂产生过程的功能微生物活性,影响土壤CO₂的排放通量^[18].本研究中,对于同一种生物炭而言,随着生物炭添加量增加,土壤表层CO₂平均排放通量随之增加,这很可能是因为生物炭的多孔性及其巨大的比表面积,将其施入土壤后,能够改善黄土高原地区土壤的水、肥、气、热等状况,营造更加适合微生物种群生存繁殖的生活环境^[19,20],从而使生物炭处理小区土壤呼吸较对照有所提高.在同一添加比例下,槐树皮生物炭促进土壤CO₂排放的作用强于锯末生物炭.原因在于槐树皮生物炭较锯末生物炭的比表面积大(表 1),施入土壤后,较锯末生物炭处理的土壤通气性能好,土壤微生物活性强,从而导致土壤呼吸强度增大,释放出更多CO₂.Major等^[21]在其研究中证实生物炭的添加能提高土壤有机碳呼吸量和土壤总呼吸量.随着生物炭添加量增大,土壤的通气状况和营养状况得到进一步改善,土壤呼吸也随着加强.花梨等^[22]将椰壳生物炭(600℃)施入土壤的室内试验研究发现,施炭量在1%~5%的范围内,土壤CO₂释放量呈现随着生物炭添加量增加而增加的趋势,本研究结果与此一致.

生物炭添加土壤后,CH₄的释放均受到不同程度的抑制作用.生物炭对土壤CH₄排放的影响可通过改变土壤微生物种群结构多样性及微生物(如产甲烷菌和甲烷氧化菌)活性、土壤理化性质(如容重、pH、氧化还原电位、持水性)等途径来实现,另外也与生物炭自身的物理化学性质有密切的关系,生物炭的比表面积、孔隙度等关系到其对温室气体的吸附性^[4],因此生物炭对土壤表层CH₄排放量的影响因生物炭的种类和添加比例不同而异.

生物炭施入土壤后,可以提高小区土壤有机质的含量.Neue等^[23]在国际水稻研究所研究结果表明,土壤中产甲烷菌的重要底物为土壤有机质,且有机质含量的增加可以降低土壤氧化还原电位,加速土壤CH₄的产生,有利于CH₄的释放.在本研究中,土壤CH₄的产生和排放却随着生物炭的添加表现出明显的被抑制现象.究其原因,一方面可能因为生物炭本身具有很强的化学稳定性和生物稳定性,土壤中的产甲烷菌无法迅速利用生物炭.另一方面,生物炭拥有巨大的比表面积和发达的孔隙结构,能够吸附土壤中的有机物,进入生物炭表面孔隙中的有机物被保护起来,不易被外界微生物所分解,从而减少了土壤有机碳的矿化^[24].因此生物炭添加虽然提高了土壤有机质,但是并没有促进CH₄的产生和排放,反而抑制了CH₄的释放.生物炭对土壤CH₄产生和排放的抑制作用的另一个原因是生物炭的"碳库效应".Karhu等^[10]在田间试验研究中证实,生物炭的添加促进了96%的CH₄吸收,其结果表明生物炭通过增加土壤生物质碳储存来抑制CH₄的释放.锯末生物炭和槐树皮生物炭,两种生物炭随其施用量的增加,土壤中活性有机碳量占总有机碳量的百分比降低^[22],从而增加了土壤中惰性碳的比例,提升了土壤碳的稳定性,因此达到了对土壤CH₄排放的抑制作用随之增强的效果.两种生物炭相比,槐树皮生物炭抑制土壤CH₄排放的作用效果优于锯末生物炭,这可能与槐树皮生物炭孔隙结构较锯末生物炭的发达(图 1)有关,孔隙结构发达的生物炭对土壤通气性改良效果好,减少了土壤厌氧环境.

土壤pH作为一个重要的土壤化学参数,是影响微生物生命活动中新陈代谢过程的一个关键因素之一.甲烷氧化菌在酸性环境中活性较强,而产甲烷菌则适合生活在中性或稍碱性环境中,且对pH变化很敏感.在本研究中,由表 1可知,锯末生物炭和槐树皮生物炭的pH值均高于9.0,施入后土壤的pH值在8.54~8.76之间,显著提高了土壤的pH (表 2),从土壤pH变化影响产甲烷菌活性这个角度来讲,生物炭添加会促进土壤CH₄的释放^[25],但是,生物炭增加土壤通气性和孔隙度,能够提高甲烷氧化菌的活性,从而减少了土壤CH₄的释放^[26].可能甲烷氧化菌活性增强的程度比产甲烷菌的更大一些,因此使土壤CH₄的最终释放量减小.

表 2(Table 2)

表 2 生物炭对土壤pH的影响(P=0.05) Table 2 Effect of biochar on soil pH(P=0.05) 项目 CK J1 J3 J5 H1 H3 H5 pH 8.43±0.02e 8.54±0.02d 8.59±0.02c 8.68±0.01b 8.56±0.02d 8.66±0.03b 8.76±0.03a

表 2 生物炭对土壤pH的影响(P=0.05) Table 2 Effect of biochar on soil pH(P=0.05)

硝化作用和反硝化作用是土壤产生并释放N₂O的两种重要的机制^[2,27],相关微生物如硝化菌和反硝化菌等是硝化作用和反硝化作用进行的驱动者.反硝化作用是在无氧条件下NO₃^-被反硝化菌还原成N₂的过程,在此过程中会有中间产物NO、N₂O^[4].硝化作用产生N₂O的途径有两种:一是氨氧化成亚硝酸阶段,有副产物N₂O产生;二是亚硝酸被氧化为硝酸阶段,在氧气不足的条件发生歧化反应产生N₂O^[4].土壤反硝化作用过程中产生的NO、N₂O和N₂的相对量依赖于土壤pH、通气状况和有机质含量等^[2],生物炭本身含有多种碱性成分,施入土壤后能提高土壤的pH (表 2),会影响参与反硝化过程相关酶活性.同时,反硝化作用进行还需要微生物可利用碳源和末端电子受体(如NO₃^-),生物炭可以直接或间接影响反硝化过程^[9].硝化过程中生物炭会吸附土壤中铵态氮从而减少硝化作用所需要的能源底物,从而减少N₂O的释放^[9].但是,也有研究发现,在没有外加氮源的条件下,生物炭添加会降低N₂O的释放,但无差异显著性(P<0.05)^[28],也会对N₂O的释放不产生显著影响^[12],甚至会促进N₂O的释放^[11].Saarnio等^[8]的中型控制试验研究发现生物炭添加在干旱和湿润条件下都会刺激N₂O的释放,表明生物炭可通过对土壤湿度和植物N吸收来控制N₂O的流失.

本研究中,生物炭添加对土壤N₂O释放的影响没有规律性,且处理间差异没有达到显著水平,这可能与小区土壤本身比较贫瘠,又缺乏外加氮源的补充,土壤微生物所能利用的氮源较少有关,土壤微生物硝化和反硝化作用进行的比较缓慢,从而使生物炭对土壤N₂O释放的调节作用没能表现出明显的规律性. 4 结论

(1)与对照相比,在整个监测期内各生物炭处理土壤表面CO₂排放通量基本呈现增加的潜势.不同生物炭处理土壤CO₂排放通量随添加量增加呈现增加趋势,槐树皮生物炭促进土壤表层CO₂排放作用强于锯末生物炭,但差异均不显著.

(2)与对照相比,锯末(P=0.03)和槐树皮(P<0.001)两种生物炭对土壤CH₄排放的抑制作用影响差异显著,且槐树皮生物炭对土壤CH₄排放量的降低作用效果优于锯末生物炭,差异达显著水平(P=0.048).CH₄的排放量随着生物炭的添加量的增加而减少,处理间差异不显著.

(3)整体而言,两种生物炭对土壤N₂O排放的影响与CK之间差异甚小,对土壤表层N₂O的产生是促进作用还是抑制作用没有明显的规律性,各处理间差异不显著.