生物質(zhì),農(nóng)田,生態(tài)生物質(zhì)炭在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用

生物質(zhì)炭在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要近年來，生物質(zhì)炭作為一種應(yīng)對(duì)氣候變化實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排的重要措施，被廣泛應(yīng)用于各類室內(nèi)以及田間試驗(yàn)中，因此施用生物炭已經(jīng)成為一種實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排的雙贏策略。通過總結(jié)歸納生物炭對(duì)作物產(chǎn)量、酸性土壤理化性質(zhì)、溫室氣體排放以及固碳等方面的影響，以期為實(shí)現(xiàn)生物炭在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞生物質(zhì)炭；氣候變化；作物產(chǎn)量；溫室氣體排放；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；應(yīng)用人類的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以及其他措施大幅度影響土壤碳氮循環(huán)變化，其表現(xiàn)和影響之一就是大氣中溫室氣體的含量不斷增加，從而導(dǎo)致全球氣候持續(xù)變暖等負(fù)面效應(yīng)[1]。如何減少土地利用中溫室氣體排放增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯是當(dāng)前減緩氣候變化研究的熱點(diǎn)[2]。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫，而土壤碳庫對(duì)土壤肥力以及作物產(chǎn)量等有重要的影響[3-5]。碳、氮循環(huán)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最基本的生態(tài)過程，受到人為作用的影響和調(diào)控，同時(shí)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生產(chǎn)力及其環(huán)境效應(yīng)具有關(guān)鍵性的影響。由于施肥量大、用地方式不合理等原因造成的土壤肥力退化、土壤酸化等情況，嚴(yán)重威脅著環(huán)境安全以及可持續(xù)發(fā)展的落實(shí)。因此，找到切實(shí)可行的減排固碳措施能夠達(dá)到生產(chǎn)與環(huán)境的雙贏。為了應(yīng)對(duì)土壤碳庫以及氣候變化，各類措施已經(jīng)被廣泛實(shí)施與應(yīng)用，但是效果并不顯著[6-7]。例如秸稈還田雖然可以增加蔬菜產(chǎn)量，但是由于土壤的礦化作用等過程，并不能對(duì)土壤碳庫產(chǎn)生持續(xù)的影響（短于30年）[8]，還會(huì)造成溫室氣體排放的增加[9-10]。而生物炭由于其在土壤中的穩(wěn)定性以及其碳負(fù)性固碳理念[11]，在近些年來被作為一種良好的減排措施廣泛應(yīng)用于各類試驗(yàn)中。生物炭是指各種有機(jī)植物殘?bào)w在無氧條件下高溫?zé)峤饣蛘邭饣蟮墓虘B(tài)產(chǎn)物的統(tǒng)稱，能夠有效減少農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中N2O的排放[12-14]，增加農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳含量并且不增加或者少量增加CH4與CO2的排放[15-16]。同時(shí)，生物炭還能夠改良土壤，提高作物的生產(chǎn)力，因而可以作為農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化的增匯、增產(chǎn)的雙贏途徑。為您推薦1生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響在絕大多數(shù)試驗(yàn)中，生物炭均表現(xiàn)出對(duì)作物的增產(chǎn)作用。Jeffery等[17]的研究表明，施用生物炭對(duì)比無生物炭處理的作物產(chǎn)量增加了11.0%±1.4%。Jia等[18]的研究表明，施用生物炭能夠使蔬菜產(chǎn)量增加28%～48%。生物炭具有良好的物理性質(zhì)和養(yǎng)分調(diào)控作用，能夠提高氮肥的有效性，施入土壤可以顯著促進(jìn)種子萌發(fā)和生長，從而提高作物生產(chǎn)力[19]。生物炭施用量的不同對(duì)作物產(chǎn)量同樣存在影響。Chan等[20]用采自于新威爾士南部的小牧場(chǎng)周圍的平原的淋溶土壤進(jìn)行了生物炭的蘿卜盆栽試驗(yàn)，處理的生物炭用量分別為0、10、25、50t/hm2，并設(shè)計(jì)2個(gè)氮肥水平（0、100kg/hm2），在無氮肥配施處理中，生物炭用量為10、50t/hm2的處理比對(duì)照分別增產(chǎn)42%和96%，而其他施炭量對(duì)作物產(chǎn)量影響無顯著差異。當(dāng)然生物炭的施入在一些試驗(yàn)中也對(duì)作物表現(xiàn)出減產(chǎn)作用。例如在火山灰土上施用生物炭對(duì)田間種植的大豆和玉米表現(xiàn)出減產(chǎn)的作用[21]，因此生物炭的增產(chǎn)作用及適宜用量還需視農(nóng)田作物類型土壤類型和性質(zhì)以及施肥情況而定。生物炭能夠提高土壤中微量元素的有效性，例如酸性土壤中的鈣離子和鎂離子等[22-23]。同樣，施用生物炭還能夠提高土壤中氮素的利用率[24-25]以及增加土壤中的酶活性[26]。2生物炭在酸性土壤中的應(yīng)用在熱帶以及亞熱帶地區(qū)，土壤pH值低和鋁含量高是制約作物產(chǎn)量的限制性因子[27]。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為了保證作物的產(chǎn)量，氮肥的大量施入會(huì)導(dǎo)致土壤酸化的現(xiàn)象，這也會(huì)減少作物產(chǎn)量。生物炭含有的灰分元素如鉀、鈣、鎂離子等都呈可溶態(tài)，施入土壤可提高酸性土壤的鹽基飽和度，以提高土壤的pH值、降低酸性土中鋁的飽和度。也有研究表明，非堿性的生物炭對(duì)作物沒有增產(chǎn)作用[22]。Jeffery等[17]人的研究表明，生物炭的施入使土壤的pH值提高了0.1～2.0，變化幅度較大。隨著土壤pH值的上升，土壤中的有效鉀離子和磷離子的含量也會(huì)增加[28]，并且有毒性的鋁離子含量會(huì)顯著下降[29-30]。因此，生物炭中的石灰組分不僅提高了植物生長所需的礦物質(zhì)營養(yǎng)元素，同時(shí)也降低了熱帶亞熱帶酸性土壤中鋁離子的毒性脅迫作用，從而提高了糧食生產(chǎn)的安全性。3生物炭的固炭作用通常，CO2通過植物的光合作用，被各類陸地生態(tài)系統(tǒng)中被固定。在光合作用的過程中，這些1/2的CO2被用于植物用于自身的呼吸作用，另外1/2通過植物殘?bào)w凋落的方式返還給土壤，并在各類土壤微生物以及酶催化的過程中分解有機(jī)質(zhì)生成CO2排放到大氣當(dāng)中，在這個(gè)過程中稱之為生態(tài)系統(tǒng)的碳中性。在這個(gè)過程中，由于高溫?zé)峤膺^程中生產(chǎn)生物炭分解速度慢的特點(diǎn)，會(huì)有比較大一部分的碳元素通過土壤物理過程的保護(hù)成為惰性的土壤碳庫，留在土壤中實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的的固碳。生物炭的在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的固碳能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他有機(jī)物的施用，其原因是由于其獨(dú)特的疏松多孔結(jié)構(gòu)及其芳香環(huán)穩(wěn)定的特性，保證其在農(nóng)田土壤中維持長期的穩(wěn)定狀態(tài)。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的過程中，會(huì)產(chǎn)生非常多的植物殘?bào)w[31]。通常情況下，焚燒有機(jī)物是一個(gè)比較常見的措施，在此過程中有機(jī)物中所有的碳元素都以CO2的形式釋放到空氣中，并沒有在土壤中增加有機(jī)碳的固定。因此，通過高溫?zé)峤獾姆绞桨焉锢D(zhuǎn)換為生物質(zhì)炭并應(yīng)用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中成為近年來的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向，此措施能夠把殘留植物部分轉(zhuǎn)化為潛在的生物能源，還能夠有效地增加農(nóng)田土壤碳固定以及提高土壤的肥力。Marris[32]曾經(jīng)在綜述中提到了在全球范圍內(nèi)生物炭的固碳潛在能力。Okimori等[33]估算，若印尼每年有36.8萬t的作物秸稈以及廢棄物，通過高溫?zé)峤饪赊D(zhuǎn)化為7.70萬t的生物炭而施入土壤儲(chǔ)存，通過這種方式能夠大幅減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向大氣排放的CO2的總量。到2100年，人類活動(dòng)排放二氧化碳量的1/4將可以通過處理廢棄有機(jī)質(zhì)得到的生物炭進(jìn)行封存，這可能降低大氣中二氧化碳濃度達(dá)40mL/m3。4生物炭對(duì)溫室氣體排放的影響生物炭施入土壤后，能夠顯著地表現(xiàn)出對(duì)于溫室氣體的減排作用。其原因主要是由于生物炭施入后使得土壤容重降低，通氣性改善，加上生物炭的高C/N比，限制了氮素的微生物轉(zhuǎn)化和反硝化，從而改變了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)[8]。除此之外，生物炭的施用在大多數(shù)試驗(yàn)中都表現(xiàn)出提高土壤pH值的能力，這使得土壤反硝化產(chǎn)生的N2O的比例會(huì)有所上升。當(dāng)土壤pH值為中性時(shí)N2是反硝化的主要產(chǎn)物，當(dāng)pH值降低時(shí)則有利于N2O的釋放。不過在一些試驗(yàn)中生物炭也沒有表現(xiàn)出比較好的減排效果，其原因和施用生物炭的性質(zhì)（灰分含量等）以及各類農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性都存在著聯(lián)系。Zhang等[16]的研究表明，施入20t/hm2和40t/hm2的生物炭能夠顯著減少玉米地N2O排放量10.7%和41.8%，從而降低玉米地的綜合溫室效應(yīng)。同時(shí)，在稻田中施入生物炭能夠顯著降低N2O排放量21%～51%。在Jia等[18]的研究中，生物炭同樣可以顯著減少菜地土中N2O的排放。但是受生物炭種類以及試驗(yàn)地WFPS等因素的影響，生物炭在一些試驗(yàn)中也沒有體現(xiàn)出對(duì)N2O的減排作用[34]。Xie等[35]和Kammann[36]的研究表明，在土壤WFPS大于80%的時(shí)候，生物炭能夠顯著增加N2O的排放。Yanai等[12]的研究表明，在83%土壤WFPS時(shí)，生物炭對(duì)N2O出現(xiàn)增加排放的作用，但是在較低土壤WFPS時(shí)則可以顯著減少N2O的排放。近些年，來稻田中關(guān)于生物炭對(duì)CH4排放的影響也有很多報(bào)道[16，37-39]，而稻田中土壤CH4排放量則主要受到土壤可利用有機(jī)碳含量的影響[9，40-41]。而生物炭的性質(zhì)比較穩(wěn)定，相比秸稈等生物質(zhì)不能快速顯著地提高土壤有機(jī)碳的含量，因此對(duì)稻田CH4的排放影響相關(guān)性不大[42]。雖然在各類試驗(yàn)中，生物炭被大量應(yīng)用于固碳減排，但是其作用機(jī)理以及對(duì)于農(nóng)田土壤氮素的轉(zhuǎn)化缺乏比較深入的研究，對(duì)于土壤微生物以及酶活性等的研究也較少，因此生物炭對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素的轉(zhuǎn)化仍然需要進(jìn)一步研究和探索。5參考文獻(xiàn)[1]IPCC2007：ClimateChange2007：ThePhysicalScienceBasis：Contrib-utionofWorkingGroupItotheFourthAssessmentReportoftheInter-governmentalPanelonClimateChange[R].Cambridge：CambridgeUniv-ersityPress，2007.[2]王勤花，曲建升，張志強(qiáng).氣候變化減緩技術(shù)：國際現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].氣候變化研究進(jìn)展，2007（6）：322-327.[3]DIAZ-ZORITAM，DUARTEGA，GROVEJH.Areviewofno-tillsystemsandsoilmanagementforsustainablecropproductioninthesub-humidandsemiaridPampasofArgentina[J].SoilTillageResearch，2002，65（1）：1-18.[4]LALR.Soilcarbonsequestrationimpactsonglobalclimatechangeandfoodsecurity[J].Science，2004，304（5677）：1623-1627.[5]PANG，SMITHP，PANW.TheroleofsoilorganicmatterinmaintainingtheproductivityandyieldstabilityofcerealsinChina[J].Agriculture，Ecosystems&Environment，2009，129（1）：344-348.[6]張蛟蛟，李永夫，姜培坤，等.經(jīng)營措施影響森林土壤碳庫和溫室氣體排放的研究進(jìn)展[J].浙江林業(yè)科技，2014（3）：82-88.[7]SMITHP，MARTINOD，CAIZ，etal.Greenhousegasmitigationinagriculture[J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyB：BiologicalSciences，2008，63（1492）：789-813.[8]LEHMANNJ，GAUNTJ，RONDONM.Bio-charsequestrationinterrestrialecosystems-areview[J].Mitigationandadaptationstrategiesforglobalcha-nge，2006，11（2）：395-419.[9]YANX，YAGIK，AKIYAMAH，etal.Statisticalanalysisofthemajorvariablescontrollingmethaneemissionfromricefields[J].GlobalChangeBiology，2005，11（7）：1131-1141.[10]SHANGQ，YANGX，GAOC，etal.NetannualglobalwarmingpotentialandgreenhousegasintensityinChinesedoublerice-croppingsystems：a3-yearfieldmeasurementinlong-termfertilizerexperiments[J].GlobalChangeBiology，2011，17（6）：2196-2210.[11]LEHMANNJ.Ahandfulofcarbon[J].Nature，2007，447（7141）：143-144.[12]YANAIY，TOYOTAK，OKAZAKIM.EffectsofcharcoaladditiononN2Oemissionsfromsoilresultingfromrewettingair-driedsoilinshort-termlaboratoryexperiments[J].SoilScienceandPlantNutrition，2007，53（2）：181-188.[13]LIUX，QUJ，LIL，etal.CanbiocharamendmentbeanecologicalengineeringtechnologytodepressN2Oemissioninricepaddies？―AcrosssitefieldexperimentfromSouthChina[J].EcologicalEngineering，2012，42：168-173.[14]ZHANGA，CUIL，PANG，etal.EffectofbiocharamendmentonyieldandmethaneandnitrousoxideemissionsfromaricepaddyfromTaiLakeplain，China[J].Agriculture，Ecosystems&Environment，2010，139（4）：469-475.[15]KARHUK，MATTILAT，BergstrmI，etal.Biocharadditiontoagri-culturalsoilincreasedCH4uptakeandwaterholdingcapacityResultsfromashort-termpilotfieldstudy[J].Agriculture，ecosystems&envir-onment，2011，140（1）：309-313.[16]ZHANGA，LIUY，PANG，etal.EffectofbiocharamendmentonmaizeyieldandgreenhousegasemissionsfromasoilorganiccarbonpoorcalcareousloamysoilfromCentralChinaPlain[J].Plantandsoil，2012，351（1/2）：263-275.[17]JEFFERYS，VERHEIJENFGA，VANDERVELDEM，etal.Aquan-titativereviewoftheeffectsofbiocharapplicationtosoilsoncropproductivityusingmeta-analysis[J].Agriculture，Ecosystems&Enviro-nment，2011，144（1）：175-187.[18]JIAJunxiang，LIBo，CHENZhaozhi，etal.EffectsofbiocharapplicationonvegetableproductionandemissionsofN2OandCH4[J].SoilScienceandPlantNutrition，2012，58（4）：503-509.[19]宋蕺苞.浙江省秸稈資源及其品質(zhì)調(diào)查研究[J].土壤肥料，1995（2）：23-26.[20]CHANKY，ZWIETENVL，MESZAROSI，etal.Agronomicvaluesofgreen-wastebiocharasasoilamendment[J].AustralianJournalofSoilRessarch，2007，45：629-634.[21]鐘華平，岳燕珍，樊江文.中國作物秸稈資源及其利用[J].資源科學(xué)，2003，25（4）：62-67.[22]GLASERB，LEHMANNJ，ZECHW.Amelioratingphysicalandchem-icalpropertiesofhighlyweatheredsoilsinthetropicswithcharcoal-areview[J].Biologyandfertilityofsoils，2002，35（4）：219-230.[23]MAJORJ，RONDONM，MOLINAD，etal.Maizeyieldandnutritionduring4yearsafterbiocharapplicationtoaColombiansavannaoxisol[J].PlantandSoil，2010，333（1/2）：117-128.[24]HOSSAINMK，STREZOVV，YINCHANK，etal.Agronomicpropertiesofwastewatersludgebiocharandbioavailabilityofmetalsinproductionofcherrytomato（Lycopersiconesculentum）[J].Chemosphere，2010，78（9）：1167-1171.[25]VANZWIETENL，KIMBERS，DOWNIEA，etal.Aglasshousestudyontheinteractionoflowmineralashbiocharwithnitrogeninasandysoil[J].SoilResearch，2010，48（7）：569-576.[26]PAZ-FERREIROJ，GASCG，GUTI?RREZB，etal.Soilbiochemicalactivitiesandthegeometricmeanofenzymeactivitiesafterapplicationofsewagesludgeandsewagesludgebiochartosoil[J].Biologyandfertilityofsoils，2012，48（5）：511-517.[27]LIANGB，LEHMANNJ，SOLOMOND，etal.Blackcarbonincreasescationexchangecapacityinsoils[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal，2006，70（5）：1719-1730.[28]ASAIH，SAMSONBK，STEPHANHM，etal.BiocharamendmenttechniquesforuplandriceproductioninNorthernLaos：1.Soilphysicalproperties，leafSPADandgrainyield[J].FieldCropsResearch，2009，111（1）：81-84.[29]YAMATOM，OKIMORIY，WIBOWOIF，etal.EffectsoftheapplicationofcharredbarkofAcaciamangiumontheyieldofmaize，cowpeaandpeanut，andsoilchemicalpropertiesinSouthSumatra，Indonesia[J].SoilScienceandPlantNutrition，2006，52（4）：489-495.[30]StEINERC，TEIXEIRAWG，LEHMANNJ，etal.Longtermeffectsofmanure，charcoalandmineralfertilizationoncropproductionandfertilityonahighlyweatheredCentralAmazonianuplandsoil[J].PlantandSoil，2007，291（1-2）：275-290.[31]WANGJ，XIONGZ，KUZYAKOVY.Biocharstabilityinsoil：meta-analysisofdecompositionandprimingeffects[J].GCBBioenergy，2016，8（3）：512-523.[32]MARRISE.Puttingthecarbonback：Blackisthenewgreen[J].Nature，2006，442（7103）：624-626.[33]OKIMORIY，OGAWAM，TAKAHASHIF.PotentialofCO2emissionreductionsbycarbonizingbiomasswastefromindustrialtreeplantationinsouthSumatra，Indonesia[J].MitigationandAdaptationStrategiesforGlobalChange，2003，8（3）：261-280.[34]SPOKASKA，REICOSKYDC.Impactsofsixteendifferentbiocharonsoilgreenhousegasproduction[J].AnnalsofEnvironmentalScience，2009，3（1）：4.[35]XIEZ，XUY，LIUG，etal.Impactofbiocharapplicationonnitrogennutritionofrice，greenhouse-gasemissionsandsoilorganiccarbondynamicsintwopaddysoilsofChina[J].PlantandSoil，2013，370（1/2）：527-540.[36]KAMMANNC，RATERINGS，ECKHARDC，etal.Biocharandhydrochareffectsongreenhousegas（carbondioxide，nitrousoxide，andmethane）fluxesfromsoils[J].JournalofEnvironmentalQuality，2012，41（4）：1052-1066.[