全 文 ：第 35 卷第 11 期
2015年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.11
Jun.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:南方丘陵地区农业面源防控技术集成与示范(2012BAD15B04); 湖南省教育厅重点项目(11K034); 国家支撑计划(2010BAD01B01);
国家自然科学基金项目(31101596); 湖南省高校创新平台开放基金项目(12K065, 10K034); 湖南省研究生科研创新项目(CX2012B289); 湖南
农业大学青年基金(12QN25)
收稿日期:2013鄄10鄄08; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄08鄄22
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: lq8053@ hunau.net
DOI: 10.5846 / stxb201310082413
高德才, 张蕾, 刘强, 荣湘民, 张玉平, 田昌.生物黑炭对旱地土壤 CO2、CH4、N2O排放及其环境效益的影响.生态学报,2015,35(11):3615鄄3624.
Gao D C, Zhang L, Liu Q, Rong X M, Zhang Y P, Tian C.Effects of biochar on CO2, CH4, N2O emission and its environmental benefits in dryland soil.
Acta Ecologica Sinica,2015,35(11):3615鄄3624.
生物黑炭对旱地土壤 CO2 、CH4 、N2 O 排放及其环境
效益的影响
高德才1,2,3,4, 张摇 蕾1,4, 刘摇 强1,2,3,4,*, 荣湘民1,2,3,4, 张玉平1,2,3,4, 田摇 昌1,2,3,4
1 湖南农业大学资源环境学院, 长沙摇 410128
2 农田污染控制与农业资源利用湖南省重点实验室, 长沙摇 410128
3 植物营养湖南省普通高等学校重点实验室, 长沙摇 410128
4 土壤肥料资源高效利用国家工程实验室, 长沙摇 410128
摘要:采用土柱室内模拟的方法,通过添加 0%、0.5%、2%、4%、6%、8%生物黑炭于土壤中,测定土壤 CO2、CH4、N2O 排放通量,
探讨生物黑炭对旱地土壤 CO2、CH4、N2O排放及其环境效益的影响。 结果表明:室内模拟土柱培养期内,施用生物黑炭能显著
增加 CO2排放,且生物黑炭添加百分数(x)与 CO2累积排放量(y)之间满足线性方程:y= 12.591x+235.02(R2 = 0.834, n= 24);当
生物黑炭添加量达到 2%及以上时,基本抑制了 CH4的排放和显著减少土壤 N2O 排放,并显著减少 CH4和 N2O 的综合温室效
应,当其达到 4%以上时,CH4和 N2O的综合温室效应降幅更大并趋于稳定,但施用少量生物黑炭(0.5%)可显著促进 N2O排放,
对减少 CH4和 N2O综合温室效应并无明显效果。 生物黑炭表观分解率随其添加量的增加逐渐减少,生物黑炭添加比例越高,
积累于土壤中的碳越多,从投入生物黑炭量与固碳量和减排比角度综合考虑,农业生产中推荐生物黑炭施用量为 20 t / hm2,其
固碳减排效果俱佳。
关键词:生物黑炭; CO2; CH4; N2O; 环境效益
Effects of biochar on CO2, CH4, N2O emission and its environmental benefits in
dryland soil
GAO Decai1,2,3,4, ZHANG Lei1,4, LIU Qiang1,2,3,4,*, RONG Xiangmin1,2,3,4, ZHANG Yuping1,2,3,4,
TIAN Chang1,2,3,4
1 College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
2 Hunan Provincial Key Laboratory of Farmland Pollution Control and Agricultural Resources Use, Changsha 410128, China
3 Hunan Provincial Key Laboratory of Plant Nutrition in Common University, Changsha 410128, China
4 National Engineering Laboratory on Soil and Fertilizer Resources Efficient Utilization, Changsha 410128, China
Abstract: Farmland soils are the important source of greenhouse gases emissions, so it plays an important role for slowdown
of the climate change by reducing the emissions of greenhouse gases from farmland soils. Because of high carbon content and
carbon stability of biochar, and its influence on regulation of soil structure and microorganism, biochar has the important
effect on increasing of soil carbon accumulation and reducing of the greenhouse emissions. However, biochar is setting up
with high or low addition amount currently, possess a big blind area, and few reports are involved in effecting of biochar on
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reducing effectiveness of comprehensive greenhouse. Simulation experiment indoor of soil column was conducted in this
experiment, and adding 0%(0 t / hm2), 0.5%(5 t / hm2), 2%(20 t / hm2), 4%(40 t / hm2), 6%(60 t / hm2), 8%(80 t /
hm2) biochar ( the biochar was prepared by pyrolyzing corn straw at 500—550 益 under oxygen limited condition) into red
dryland land of Southern China under urea application condition ( 300 kg / hm2 ), and using static chamber / gas
chromatograph techniques to collect and determine the CO2, CH4, N2O fluxes. The results showed that CO2 emission was
significantly increased by biochar application during simulation experiment indoor of soil column, and the relationship
between addition amount of biochar and emission amount of CO2 meet the linear equation: y= 12.591x+235.02(R
2 = 0.834,
n= 24) . The CH4 emission was almost inhibited and the N2O flux was significantly decreased when biochar addition ratio
was above 2% (including 2%), and the comprehensive greenhouse effective of CH4and N2O were significantly decreased,
and the decreased range was bigger when the ratio reached 4%. But N2O emission was significantly accelerated by adding
small amount of biochar (0. 5%), and no significant effective of reducing the comprehensive greenhouse. The apparent
decomposition rate of biochar decreased as the increasing of biochar addition, indicating that the higher biochar addition
with the more carbon accumulated in soil. As a conclusion, recommended applying amount of biochar is 20 t / hm2 in
agricultural production, which has a better effect both on carbon fixation and reduction.
Key Words: biochar; carbon dioxide; methane; nitrous oxide; environmental benefits
大气中温室气体浓度的不断增加,导致全球气候持续变暖,其中最重要的温室气体有二氧化碳(CO2)、甲
烷(CH4)、氧化亚氮(N2O) [1]。 大气中 CO2浓度的增加主要是由于化石燃料的使用和耕地利用的改变,CH4和
N2O浓度的增加则主要是由农业活动引起[2]。 据估计,大气中每年有 5%—20%的 CO2、15%—30%的 CH4、
80%—90%的 N2O来源于土壤,农田土壤是温室气体重要的排放源[3]。 因此,减少农田土壤温室气体的排放
对减缓气候恶化具有重要的作用[4]。
近年来,生物黑炭(biochar)日益受到国内外研究学者的普遍关注,它是在完全或部分缺氧以及高温下通
过热解将木材、草、玉米秸秆或其他农作废弃物炭化产生的一类高度芳香化难溶性固态物质,富含碳并具有高
度稳定性。 生物黑炭将植物固定的有机碳转化为惰性碳,使其不被微生物迅速矿化,达到固碳减排的作
用[5鄄6]。 大量文献资料表明,生物黑炭施入土壤可减少温室气体的排放[7鄄9],对缓解全球变暖有非常重要的意
义[10鄄11]。 然而,目前对生物黑炭的研究缺乏广泛而深入的应用机理研究,大多数研究均采用高低水平设置,
不具有科学系统性,存在较大盲区,且生物黑炭对减少温室气体综合温室效应方面的研究也鲜有报道。 因此,
本试验利用土柱室内模拟的方法,通过添加 0%、0.5%、2%、4%、6%、8%生物黑炭于旱地土壤中,研究不同生
物黑炭添加量对旱地土壤主要温室气体的排放及其环境效益的影响,以期为旱地土壤合理的生物黑炭施用量
提供科学依据。
1摇 试验材料与方法
1.1摇 试验材料
1.1.1摇 供试土壤摇
供试土壤采自湖南省长沙市长沙县榔梨镇(28毅11忆0.72义 N,113毅06忆23.79义 E)蔬菜基地的耕作层(0—20
cm),地属亚热带大陆性季风气候,年平均气温为 17.2 益,年降雨量为 1360 mm,土壤母质为第四纪红壤,质地
以砂壤为主。 土样采集后风干,挑去肉眼可以看见的细根和石块后过 5 mm筛保存备用。 供试土壤的基本理
化性质为 pH5.18,有机质 14.66 g / kg,全氮 1.61 g / kg,全磷 0.81 g / kg,碱解氮 123.62 mg / kg,速效磷 45.22 mg /
kg,土壤容重 1.11 g / cm3。
1.1.2摇 生物黑炭摇
原材料为玉米秸秆,在 500—550 益下限氧烧制而成,研磨后过 2 mm筛。
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生物黑炭基本性质:pH10.08,C含量 51.8%,H含量 2.65%,N含量 1.11%,O含量 45.2%,S含量 0.39%。
1.1.3摇 试验装置
室内模拟土柱装置为内径 10 cm,高度 32 cm 的 PVC 圆柱管,管顶和管底分别有一个配套的螺口盖子。
顶部螺口盖子中间打孔后插入一根塑料管连通土柱内气体与三通阀,便于采集气体,顶盖只在每次模拟降雨
后采集气体时盖上(用于密封),管底的螺旋盖一直保持旋紧状态,且底盖中央开有一个 2 cm 的孔,用以连接
配套的塑料管以便柱内液体流出。 圆柱管底部铺有 2 cm厚,粒径为 1—2 mm,经 2.0 mol / L H2SO4浸泡过夜并
用蒸馏水洗净的干燥石英砂,砂粒与底盖接触面及与土壤接触面分别铺有一层大小与底盖面积一致的 200 目
尼龙网。 每个土柱内装填的生物黑炭和土壤混合物质量均为 1.82 kg,为保持各处理土壤容重一致(土壤容重
为 1.11 g / cm3),通过慢慢压实土柱,将不同处理的土柱均保持在 20cm 高度。 土柱分两层装入(从下到上填
装土柱),先装 5—20 cm土层,后装 0—5 cm土层,其中 5—20 cm土层为土壤与生物黑炭充分混匀后慢慢压
实装入,0—5 cm土层是土壤与生物黑炭充分混匀,再添加尿素混匀后慢慢压实装入[12]。 模拟土柱示意图如
图 1所示。
图 1摇 模拟土柱示意图
Fig.1摇 The sketch map of simulated soil column
1.2摇 试验方法与设计
试验共设置 7 个处理:(1)不施肥(CK);(2)单施
尿素(CF);(3)施用尿素+添加生物黑炭量为土壤全重
(干重)的 0.5%(BC0.5);(4)施用尿素+添加生物黑炭
量为土壤全重(干重)的 2%(BC2);(5)施用尿素+添加
生物黑炭量为土壤全重(干重)的 4%(BC4);(6)施用
尿素+添加生物黑炭量为土壤全重 (干重) 的 6%
(BC6);(7)施用尿素+添加生物黑炭量为土壤全重(干
重)的 8%(BC8)。 每个处理设 4 个重复。 其中施肥量
与当地常规施肥量一致,即每个土柱加 0. 512 g 尿素
(CK除外),施氮量相当于 300 kg / hm2。
模拟降雨时,在模拟土柱的表土放置一张大小适宜
的滤纸,并用注射器缓缓加入蒸馏水,使蒸馏水均匀通
过土体下渗,每次模拟降雨结束后将滤纸全部取出。 土
柱装好后的前 7d,每天在土柱上端用注射器缓缓注入
78 mL的去离子水,折合降雨量为 10 mm,历时 1 h,让
尿素在土壤中充分反应。 从第 7天正式开始模拟降雨,
每隔 7d降 1次雨,参照当地平均降雨量和平均降雨强度,每次降雨 205 mL,折合降雨量 26.1 mm。 在试验开
展的第 1,4,8,11,15,18天采集气样,之后每隔 7d采集 1次,共模拟降雨 10次,历时 67d。
1.3摇 测定方法
1.3.1摇 基础指标按照土壤农化分析中的方法测定[13]。
1.3.2摇 CO2、CH4和 N2O的采集、测定与计算
采用密闭室法采集气体样品,在 PVC土柱顶端用螺口的盖子密封,形成一个密闭性气体空间,用带有三
通阀的 20 mL注射器从土柱顶端取样口采集气体样品,采气前,先来回抽动几次,使土柱中气体充分混匀,再
按照 0、10、20、30 min时间间隔定量采集 10 mL气体样品,同时测定第 1 针采气和最后一针采气的温度。 采
样时间为 9:00—10:00。
气样采集完毕后,立即用气相色谱分析仪(GC580)测定气样 CO2、CH4和 N2O排放通量。 CO2和 CH4测定
检测器为 FID,柱温为 40 益,检测器温度为 375 益,以 N2作为载气,H2作为燃气。 N2O测定检测器为 ECD,柱
温为 40 益,检测器温度为 350 益,以高纯 N2作为载气。 通过标准气体和待测气体的峰面积来计算待测气体
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浓度。
气体通量计算公式为: F= 籽伊V / A伊驻C / 驻t伊273 / (273+T)
式中,F为气体排放通量(mg m-2 h-1或 滋g m-2 h-1);籽为标准状态下气体的密度(籽(CO2)= 1.965 kg / m
3,籽(CH4)=
0.714 kg / m3,籽(N2O)= 1.98 kg / m
3);V为模拟土柱密封气体体积(m3);A为模拟土柱内土壤表面积(m2);驻C 为
气体浓度差;驻t为时间间隔(h);T为采样时土柱内温度(益)。
气体累计排放量计算公式为:摇 摇 摇 M =移(F i +1 + F i) / 2 伊 ( ti +1 - ti) 伊 24
式中,M为土壤气体累计排放量(kg / hm2 或 g / hm2);F为气体排放通量(mg m-2 h-1或 滋g m-2 h-1),i为采样次
数,t为采样时间(d)。
1.4摇 数据处理与统计检验
综合温室效应(GWP)摇 按照单位质量 CH4和 N2O的全球增温潜势在 100a 时间尺度上分别为 CO2的 25
倍和 298倍计算不同处理的综合温室效应(GWP) [14],即:
GWP = 25R(CH4) +298R(N2O)
式中,GWP 为室内模拟土柱培养期内 CH4和 N2O排放的综合温室效应(kgCO2鄄e / hm2),R(CH4)和 R(N2O)分别为
模拟土柱培养期内 CH4和 N2O的排放总量(kg / hm2)。
表观分解率(%)摇 添加生物黑炭处理 CO2鄄C排放总量减去纯施化肥 CO2鄄C 排放总量占添加生物黑炭碳
量的百分数;
投入固碳比摇 投入生物黑炭碳量与固定于土壤中碳量之间比值;
投入减排比摇 投入生物黑炭量与由纯施化肥产生 CH4和 N2O的综合效益减去不同生物黑炭添加量产生
的 CH4和 N2O的综合效益的比值。
所有试验数据采用 Microsoft Excel 2003进行整理,不同处理间差异采取 SPSS10.0 软件进行单因素方差
分析,LSD法进行显著性检验(P<0.05),所有结果数据均以平均值依标准差的形式来表达。
2摇 结果与分析
2.1摇 CO2、CH4、N2O排放动态变化
2.1.1摇 CO2排放动态变化
整个培养期内,各处理 CO2排放通量(FCO2)变化趋势基本一致(图 2)。 各处理 FCO2均呈先增加后降低的
趋势,其中 CF、CK、BC0.5、BC2、BC4、BC6、BC8 分别在培养第 1、3、3、3、7、10、10 天达到峰值,峰值分别为
33.60、29.92、38.75、35.59 、33.25、 34.63 和 37.58 mg CO2鄄C m
-2 h-1。 由此说明尿素能在短时间内激发土壤
CO2的产生,生物黑炭的添加能延迟 CO2排放达到峰值的时间,且添加量越多,时间延迟越长。 培养第 31 天,
BC0.5、BC2、BC4、BC6 和 BC8 的 FCO2均达到观测期内最低水平,分别为 9.81、11.26、8.98、11.39 和 11.72 mg
CO2鄄C m
-2 h-1,而 CK和 CF的 FCO2均在第 52天达到最低值,分别为 7.87和 9.20 mg CO2鄄C m
-2 h-1,之后各处
理 FCO2均有小幅增加,并在较低的水平内波动。
2.1.2摇 CH4和 N2O排放动态变化
7种处理 CH4排放通量(F CH4)均处于较低水平,其值在-0.141—0.193 mg CH4鄄C m
-2 h-1之间波动(图
3)。 培养前 40d,各处理 F CH4多为负值,对大气 CH4有微弱的吸收,表现为 CH4汇;40d 后,各处理 CH4排放
通量均略有增加,并均达到各自的峰值,其峰值大小顺序为:CF(0.193 mg CH4鄄C m
-2 h-1) > BC2(0.115 mg
CH4鄄C m
-2 h-1)>BC0.5(0.108 mg CH4鄄C m
-2 h-1) > CK(0.056 mg CH4鄄C m
-2 h-1)> BC4(0.054 mg CH4鄄C m
-2
h-1)= BC8(0.054 mg CH4鄄C m
-2 h-1) >BC6(0.045 mg CH4鄄C m
-2 h-1)。
各处理 N2O排放通量(FN2O)在培养期内的变化趋势基本一致(图 3),均在前期迅速增至峰值(第 10 天)
后快速下降,其峰值大小为 BC0.5(74.66 滋g N2O鄄N m
-2 h-1)>CF(71.50 滋g N2O鄄N m
-2 h-1)>BC2(41.14 滋g N2
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图 2 生物黑炭对 CO2排放通量的影响
Fig.2摇 The effects of biochar on CO2 flux
CK:不施肥 No fertilization;CF:单施尿素 Urea application;BC0. 5:施用尿素+添加生物黑炭量为 0. 5% Urea application and 0. 5% biochar
addition;BC2:施用尿素+添加生物黑炭量为 2% Urea application and 2% biochar addition;BC4:施用尿素+添加生物黑炭量为 4% Urea
application and 4% biochar addition;BC6:施用尿素+添加生物黑炭量为 6% Urea application and 6% biochar addition;BC8:施用尿素+添加生物
黑炭量为 8% BC8: Urea application and 8% biochar addition
图 3摇 生物黑炭对 CH4和 N2O排放通量的影响
Fig.3摇 The effects of biochar on CH4and N2O flux
O鄄N m-2 h-1)>BC4(27.07 滋g N2O鄄N m
-2 h-1)>BC6(26.03 滋g N2O鄄N m
-2 h-1)>BC8(21.24 滋g N2O鄄N m
-2 h-1)>
CK(5.23 滋g N2O鄄N m
-2 h-1),在第 17天及之后几乎呈现零排放,因此,旱地土壤 N2O的排放主要集中在施肥
后 17d。
2.2摇 CO2、CH4、N2O的累积排放量
2.2.1摇 CO2累积排放量
整个培养期内,各处理 CO2累积排放量(移CO2)大小为:BC8> BC6> BC4>BC2>BC0.5 >CF>CK(表 1)。
CK的移CO2较 CF减少 4.22%,说明在旱地土壤上施用化肥可促进土壤 CO2的排放,但二者差异不显著;
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BC0.5、BC2、BC4、BC6和 BC8的移CO2均显著高于 CK和 CF(P<0.05),表明生物黑炭能显著增加土壤 CO2排
放,且移CO2随生物黑炭添加量的增加而增加。 生物黑炭添加百分数(x)与移CO2(y)之间满足线性方程(图
4):y= 12.591x+235.02(R2 = 0.834,n= 24)。
表 1摇 生物黑炭对 CO2累积排放量的影响
Table 1摇 The effects of biochar on CO2 cumulative flux
处理
Treatment
累计排放量
Cumulative flux /
(kgCO2 鄄C / hm2)
增加量
Increasing amount /
(kgCO2 鄄C / hm2)
增加率
Increasing rate / %
处理
Treatment
累计排放量
Cumulative flux /
(kgCO2 鄄C / hm2)
增加量
Increasing amount /
(kgCO2 鄄C / hm2)
增加率
Increasing rate / %
CK 213.43依26.20De -9.39 -4.22 BC4 286.34依8.79BCbc 63.52 28.51
CF 222.82依8.95De — — BC6 301.01依26.55Bb 78.18 35.09
BC0.5 252.40依11.54CDd 29.58 13.27 BC8 340.50依18.84Aa 117.68 52.81
BC2 265.14依14.62BCcd 42.32 18.99
摇 摇 同一列数据后标识大写字母表示差异极显著(P<0.01),同一列数据后标识小写字母表示差异显著(P<0.05);“—冶表示参比
摇 图 4摇 生物黑炭添加百分比与 CO2累积排放量的关系
Fig.4 摇 Relationships between the adding percentage of biochar
and CO2cumulative flux
2.2.2摇 CH4和 N2O累积排放量
各处理 CH4累积排放量(移CH4)大小顺序为:CF>
BC0.5 >BC2>BC6>BC8>BC4>CK(表 2),其中 CF 的
移CH4显著高于 CK,在旱地土壤上施用尿素能显著增
加 CH4的排放;BC0.5、BC2、BC4、BC6 和 BC8 的移CH4
均极显著小于 CF(P<0.01),说明在施用尿素的旱地土
壤上添加生物黑炭可显著减少 CH4的排放;其中 BC0.5
的移CH4极显著(P<0.01)大于 BC2、BC4、BC6、BC8,其
移CH4较 CF 只减少了 48. 43%,而 BC2、BC4、BC6 和
BC8的移CH4较 CF减少了 102.85—132.91%,表明当生
物黑炭添加量为 0.5%时,生物黑炭对移CH4的降低作
用较小,远小于生物黑炭添加量大于 2%的处理。
各处理 N2O 累积排放量(移N2O)大小为:BC0.5>
CF>BC2> BC4>BC6>BC8>CK。 CF 的移N2O 极显著高
于 CK(P<0.01),说明尿素极显著促进 N2O排放;BC0.5
的移N2O极显著高于 CF(P<0.01),添加少量生物黑炭
会明显促进 N2O的排放;CF的移N2O极显著高于 BC2、
BC4、BC6和 BC8,BC2的移N2O又极显著高于 BC4、BC6 和 BC8,所以,当生物黑炭添加量达到 2%以上时,即
可显著减少 N2O排放,当生物黑炭添加量达到 4%及以上时,N2O排放降幅稳定在 54.28%— 56.72%之间。
培养前 17d,各处理(CK, CF, BC0.5, BC2, BC4, BC6, BC8)N2O 排放量占总移N2O 的百分数分别为
12.57%、86.41%、92.29%、84.07%、77.60%、74.89%和 68.63%,BC0.5前 17d N2O 排放量占总移N2O 的比例最
高,说明少量生物黑炭的添加能在短时间内促使土壤释放出大量 N2O;而当生物黑炭添加比例达到 2%时,随
着生物黑炭添加量的继续增加,前 17d N2O排放量占总移N2O的比例逐渐减少,表明生物黑炭的添加不仅能
降低 N2O的排放量,还能降低 N2O产生的强度,延长土壤 N分解消耗的时间。
2.3摇 环境效益
2.3.1摇 固碳效益
BC0.5,BC2,BC4,BC6,BC8的生物黑炭表观分解率均明显小于 BC0.5(表 3),并随着生物黑炭添加量的
增加,生物黑炭表观分解率逐渐减少,当达到 4%及以上时,其表观分解率稳定在 0.43%—0.53%之间。 从投
入与固碳比角度考虑,随着生物黑炭添加量的增加,逐渐减少,当生物黑炭添加量达到 2%及以上时,其投入
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固碳比较小,并稳定在 1.004—1.007之间,由此表明当生物黑炭添加量达 2%及以上时,即可达到较好的固碳
效果。
表 2摇 生物黑炭对 CH4和 N2O累积排放量的影响
Table 2摇 The effects of biochar on CH4 and N2O cumulative flux
处理
Treatment
CH4通量 CH4 flux
累计排放量
Cumulative flux /
(kgCH4 鄄C / hm2)
减少量
Decreasing amount /
(kgCH4 鄄C / hm2)
减少率
Decreasing rate / %
N2O通量 N2O flux
累计排放量
Cumulative flux /
(kgCH4 鄄C / hm2)
减少量
Decreasing amount /
(kgCH4 鄄C / hm2)
减少率
Decreasing rate / %
CK -0.361依0.020Cd 1.379 135.46 0.32依18.33Ee 178.30 55718.75
CF 1.018依0.121Aa — — 178.62依24.58Bb — —
BC0.5 0.525依0.298Bb 0.493 48.43 204.32依44.43Aa -40.39 -14.39
BC2 -0.029依0.077Cc 1.047 102.85 101.44依5.91Cc 121.27 43.21
BC4 -0.335依0.136Ccd 1.353 132.91 81.66依11.71Dd 152.36 54.28
BC6 -0.123依0.195Ccd 1.141 112.08 78.42依26.59Dd 157.46 56.10
BC8 -0.222依0.104Ccd 1.240 121.81 77.31依10.61Dd 159.20 56.72
摇 摇 同一列数据后标识大写字母表示差异极显著(P<0.01),同一列数据后标识小写字母表示差异显著(P<0.05);“—冶表示参比
表 3摇 生物黑炭表观分解率
Table 3摇 The apparent decomposition rate of biochar
处理
Treatment
生物黑炭含碳量
Carbon content
of biochar / g
CO2 鄄C排放总量
Total amount of CO2 鄄C flux / g
表观分解率
Apparent decomposition
rate / %
投入固碳比
The ratio of inputted carbon accounting
for carbon sequestration
CF 0 0.175依0.007De — —
BC0.5 1.18 0.198依0.009CDd 1.95 1.020
BC2 4.70 0.208依0.011BCcd 0.70 1.007
BC4 9.40 0.225依0.007BCbc 0.53 1.005
BC6 14.10 0.236依0.021Bb 0.43 1.004
BC8 18.80 0.267依0.015Aa 0.49 1.005
摇 摇 同一列数据后标识大写字母表示差异极显著(P<0.01),同一列数据后标识小写字母表示差异显著(P<0.05),“—冶表示参比
2.3.2摇 CH4和 N2O的综合温室效益
由图 5可知,CF的 GWP 最高,远远高于 CK的 GWP,施肥是导致旱地土壤 CH4和 N2O 综合温室效应增
加的主要原因。 CF的 GWP 大于 BC0.5,但二者之间差异不显著,说明施用少量生物黑炭对减少施氮旱地土
壤 CH4和 N2O综合温室效应的效果并不明显。 而 BC2、BC4、BC6 和 BC8 的 GWP 值均极显著低于 CF(P<
0郾 01),较 CF的降幅分别为 60.41%、76.97%、72.26%和 75.51%,BC4、BC6 和 BC8 的 GWP 极显著低于 BC2,
说明当生物黑炭添加量为 2%以上时,即可显著减少 CH4和 N2O 的 GWP,当生物黑炭添加量达到 4%及以上
时,CH4和 N2O的 GWP 降幅稳定在 72.26% —76.97%之间。 从投入减排比角度考虑,随着生物黑炭添加量的
增加,投入减排比呈先降低后升高的趋势(图 6),其中以添加 2%的生物黑炭投入减排比最小,添加 0.5%的生
物黑炭的投入减排比最大。
3摇 讨论
3.1摇 生物黑炭对 CO2、CH4、N2O排放的影响
整个培养期内,化肥处理的 FCO2最早达到峰值,其移CO2大于不施肥处理,但二者差异不显著,说明尿素
只能在短期内促进 CO2的排放,这与武文明等[15]的研究一致,其原因可能是施用尿素激发了土壤有机碳的矿
化分解,随着时间的延长,激发效应减弱并消失。 生物黑炭延迟 CO2达到峰值的时间,投入越多,延迟越长。
本试验结果表明,旱地土壤生物黑炭添加比大于 0.5%(5 t / hm2)时,即可显著增加 CO2的排放,且生物黑炭添
加百分数(x)与移CO2(y)之间呈线性关系,而 Karhu等[16]和 Knoblauch 等[17]的研究结果表明,当生物黑炭添
1263摇 11期 摇 摇 摇 高德才摇 等:生物黑炭对旱地土壤 CO2、CH4、N2O排放及其环境效益的影响 摇
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加量小于 10 t / hm2 时,其对农田土壤土壤呼吸无明显影响,zhang 等[18]发现,当生物黑炭施用量在 40 t / hm2
时,可显著增加 CO2排放,Spokas等[8]的研究得出,施用生物黑炭可降低土壤 CO2的排放。 这些不同结论的得
出可能是因为不同生物黑炭类型和不同土壤水分状况致使生物黑炭对 CO2排放既有促进作用亦有抑制作
用[18],因此,未来还需要进一步深刻研究生物黑炭对土壤 CO2排放影响的作用过程与机理。
图 5摇 CH4和 N2O综合温室效应
Fig.5摇 The total global warm potential of CH4 and N2O
图 6摇 生物黑炭添加百分数与投入减排比关系
摇 Fig. 6 摇 Relationships between the adding percentage of biochar
and the ratio of inputted carbon accounting for emission reduction
土壤 CH4的产生是产甲烷菌和甲烷氧化菌综合作用的结果[19],其中产甲烷菌为厌氧菌,甲烷氧化菌为好
氧菌,因此,通气良好的旱地土壤抑制产甲烷菌的活性,导致 CH4排放较低。 本试验各处理的 FCH4值均较小
(-0.141—0.193 mg CH4鄄C m
-2 h-1),这与张中杰[20]在川中丘陵旱地的研究结果相似。 尿素显著促进旱地土
壤 CH4排放,原因可能是尿素抑制旱地甲烷氧化菌的活性,从而提高土壤 CH4的产生与排放[21]。 本试验结果
表明,添加生物黑炭能降低 CH4排放,与前人研究结果一致[22鄄23],且本试验进一步得出,当生物黑炭的添加量
达到 2%以上时,土壤表现为弱 CH4汇,CH4排放基本被抑制,这与 Rondon 研究结果一致[24],原因可能是生物
黑炭通过影响参与 CH4产生和吸收过程的微生物而减少 CH4的排放[25],也有可能是通过增加甲烷氧化菌种
群结构的多样性,进而使 CH4氧化增加而导致 CH4的排放减少[26]。 但也有一些研究表明施用生物黑炭使
CH4的排放量增加[16,27],其原因可能是生物质炭本身含有的某种有毒有害化学物质抑制了土壤甲烷氧化活性
作用有关[28]。
土壤中 N2O主要是在微生物的参与下,通过硝化与反硝化过程产生的。 本试验得出,在旱地土壤上施用
尿素可显著增加 N2O的排放,与张玉铭等[29]和王重阳等[30]的研究一致,这主要由于土壤中充足的氮素为土
壤硝化与反硝化微生物提供丰富的氮源。 因此在农业生产中,减少化肥施用是减少农田 N2O 排放的重要途
径之一。 大量研究表明[18,22鄄23,27,31],生物黑炭的添加可以显著降低农田 N2O的排放,本试验进一步得出,旱地
土壤生物黑炭添加量为 2%时即可显著减少 N2O排放,当生物黑炭添加量达到 4%(40 t / hm2)及以上时,N2O
的排放降幅稳定在 54.28%—56.72%之间,张斌等[32]和 zhang 等[33]的研究结果表明当生物黑炭用量为 40 t /
hm2 时,N2O的排放降幅达 53.6%—65.7%和 50.7%—56.0%,与本试验研究结果十分接近。 对于该现象的原
因,张广斌等[34]认为添加生物黑炭提高了土壤的阳离子交换量,进而增加了 NH+4 的吸附,使得土壤中无机氮
减少,抑制了硝化过程的进行,从而减少 N2O的产生,Rondon等[22]认为是由于生物质炭含有的某种组分抑制
了 NO-3 鄄N向 N2O转化关键酶的活性,或是促进了 N2O 向 N2转化还原酶的活性,Lehmann 等[7]则认为可能是
由于生物黑炭施入土壤后土壤容重降低,通气性改善,加上生物黑炭的高 C / N,限制了氮素的微生物转化和反
硝化,从而改变了农田生态系统的氮循环。 目前,关于生物黑炭减少 N2O 排放的机理研究还处于起步阶段,
2263 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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尚无统一结论,未来需对此进行深刻而系统的研究。 值得一提的是,本试验研究结果表明,当生物黑炭添加量
为 0.5%(5 t / hm2)时,会显著促进 N2O的排放,原因有可能是添加的少量生物黑炭促进硝化细菌的活性,产生
更多的 NO-3 鄄N,为 N2O的产生提供充足的底物,因此,在生产实践中应避免添加少量生物黑炭。
3.2摇 生物黑炭的环境效益
生物黑炭是在限氧或厌氧条件下高温热解碳化后产生的一类高度芳香化富含碳的且非常稳定的固态物
质[35],它在土壤中的平均停留时间可达 1000a[36],被认为是一种非常有效的碳汇途径[9],且 Lehmann 等[7]提
出,生物黑炭技术潜在可行增汇量可达 9.5 Pg。 因此,生物质炭化还田可能成为人类应对全球气候变化的一
条重要途径[9,37鄄38]。 本试验研究得出,当生物黑炭添加量达到 2%及以上时,其分解率和投入与固碳比均较
小,具有较好的固碳效果,与前人研究结果较一致[39鄄40]。 CH4和 N2O是重要的温室气体,单位质量 CH4和 N2O
的全球增温潜势在 100a时间尺度上分别为 CO2的 25 倍和 298 倍,本试验得出,施肥是可显著增加旱地土壤
CH4和 N2O综合温室效应,而在旱地土壤施肥条件下,生物黑炭添加量为 2%时,即可显著减少 CH4和 N2O的
综合温室效应,降幅达到 60. 41%,当添加量达到 4%及以上时,CH4和 N2 O 的综合温室效应降幅稳定在
72.26%—76.97%之间,张斌等[32]研究也得出,在施氮条件下,高用量生物质炭(40 t / hm2)能显著降低 CH4和
N2O的综合温室效应。 当生物黑炭添加量是 2%时,其投入与减排比最小,因此从生物黑炭投入与减排比的
角度考虑,当生物黑炭添加量为 2%时即可达到生物黑炭投入最少,CH4和 N2O的综合温室效应减少最多。
我国具有丰富的生物质废弃物,其中各种农作物秸秆总产量每年高达 7亿 t,每年约有 1 / 4的秸秆被露天
燃烧,造成了大量碳以 CO2形式进入环境导致温室效应的加剧。 因此,利用生物质废弃物制备生物黑炭被认
为是一种非常有前景并能够实现碳封存和减缓气候变暖目的的管理策略[41],本试验基于生物黑炭投入与固
碳和减排比的角度综合考虑,在今后的农业生产中,推荐生物黑炭施用量为 2%(20 t / hm2),其固碳减排效果
俱佳。
4摇 结论
(1)CO2排放随着生物黑炭添加量的增加而增加,且生物黑炭添加百分比(x)与移CO2(y)之间满足线性
方程:y= 12.591x+235.02(R2 = 0.834,n= 24);而添加生物黑炭能显著降低旱地土壤 CH4和 N2O 的排放,当生
物黑炭的添加量达到 2%以上时,基本抑制了 CH4的排放且显著减少 N2O 的排放,其中少量的生物黑炭可促
进 N2O的排放;
(2)施肥是导致旱地土壤 CH4和 N2O综合温室效应的主要原因,在旱地土壤上,添加少量生物黑炭(5 t /
hm2)的环境效益不明显,综合考虑生物黑炭的固碳效益和减排效益,农业生产中推荐最优生物黑炭施用量为
20 t / hm2。
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