生物炭添加对土壤温室气体排放影响的长短期效应研究进展

人类活动引起的大气温室气体浓度增加是气候变暖的主要原因,全球变暖已经成为了当今人类社会所面临的严峻挑战,应对气候变暖的关键是减少温室气体排放和增加生态系统碳汇,由于生物炭特有的理化和生物学特性,将其施入土壤被认为是一种有前景的减排增汇措施.因此进行生物炭对土壤温室气体排放的影响研究对于减缓温室效应和实现“碳中和”具有重要意义.通过综述生物炭对土壤温室气体排放影响的长短期效应及其影响机制,发现生物炭添加对土壤温室气体排放的影响因生物炭原料类型、热解温度、添加量、土壤和植被类型的不同而不同.此外,因老化时间、老化方式和培养方法的不同,老化生物炭对土壤温室气体的减排效应可能增强或减弱甚至消失.同时,在总结现有研究不足的基础上,对未来生物炭影响土壤温室气体排放研究的方向和重点进行了分析和展望,提出了今后应加强CO₂、 N₂O和CH₄排放影响的同步研究、减排与固碳效应的同步研究、不同老化方式生物炭和不同培养方法的联合研究和利用¹³C和¹⁵N示踪技术从过程层次上揭示影响机制.     

生物炭施用量对紫色水稻土温室气体排放的影响

为探究生物炭施用量对紫色水稻土温室气体排放的影响,通过盆栽试验,采用静态暗箱/气相色谱法,研究了不施肥对照(CK)、常规施肥(NPK)、10 t·hm-2生物炭+NPK(LBC)、20 t·hm-2生物炭+NPK(MBC)、40 t·hm~(-2)生物炭+NPK(HBC)这5种处理下温室气体的排放规律.结果表明:(1)生物炭施用显著降低了土壤CH_4排放通量,其排放通量大小顺序为:NPKCKLBCMBCHBC,各处理CH_4排放通量均呈单峰型曲线,峰值主要集中在水稻的生长后期,整个观测期CH_4的排放通量在-0.05~47.34 mg·( m~2·h)~(-1)之间;各处理CO_2排放通量变化较复杂,介于32.95~1 350.88mg·( m~2·h)~(-1)之间,除LBC和MBC处理呈双峰型曲线外,其余处理均呈单峰型,不同生物炭施用量处理均延后了CO_2排放通量峰值出现的时间;N_2O的排放通量在-309.39~895.48μg·( m~2·h)~(-1)之间,除LBC处理呈双峰型曲线变化外,其余处理均呈单峰型曲线;(2)与空白对照处理相比,生物炭处理均可显著降低CH_4的累积排放量,而促进了CO_2和N_2O累积排放量,CH_4、CO_2和N_2O的平均累积排放量从大到小分别为CKLBCMBCHBC处理、LBCMBCHBCCK处理和HBCMBC≈LBCCK处理;与常规施肥处理相比,不同施用量生物炭添加均可显著降低CH_4和CO_2的排放,且生物炭添加量越多,对CH_4和CO_2排放的减缓作用越明显,但是对N_2O排放的抑制作用尚不明显;(3)在100 a时间尺度上各生物炭处理可显著降低温室气体的综合增温潜势,表明生物炭配施化肥是一种有效的减排措施.     

强还原与生物炭对土壤酶活性和温室气体排放的影响

本研究设置未修复对照(CK)、土壤强还原处理(RSD)、生物炭修复(BC)以及RSD与生物炭联合修复(RSD+BC),采用培养实验对比研究不同修复处理对设施蔬菜地土壤酶活性和温室气体(CO2和N2O)排放的影响.结果表明:相比CK,RSD和RSD+BC处理显著提高了β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维二糖水解酶(CBH)、过氧...     

炉渣与生物炭施加对福州平原水稻田温室气体排放的后续影响

为了探讨炉渣与生物炭施加对稻田温室气体的排放是否具有后续效应,于2015年早、晚稻秧苗移栽前对稻田进行施加生物炭(B)、炉渣(S)和生物炭+炉渣(混施)处理(BS),以不施加处理作为对照(CK). 2 a后(2017年)在早、晚稻生长期,分别测定了不同试验组稻田温室气体CO₂、CH₄和N₂O的排放通量.结果表明,在水稻生长期,对照、生物炭、炉渣和混施处理CO₂的平均排放通量分别为(1 723. 66±194. 56)、(1 245. 52±155. 05)、(1 140. 29±79. 68)和(1 055. 83±62. 13) mg·(m²·h)^-1,生物炭、炉渣和混施这3种施加处理CO₂的排放通量均比对照组有显著降低(P <0. 05),降低比例分别达27. 74%、33. 84%和38. 75%. CH₄的平均排放通量为(0. 45±0. 03)、(0. 40±0. 05)、(0. 36±0. 10...     

生物质炭与有机物料混施对土壤温室气体排放和微生物活性的影响

土壤是温室气体的重要排放源,在土壤中施入生物质炭和有机物料对土壤微生物在土壤碳氮转化和微量气体代谢方面有着重要作用,不过迄今在生物质炭和有机物料混施对土壤温室气体排放和微生物活性的影响方面的研究尚少.本研究采用室内培养试验,利用土壤添加生物质炭和生物质炭与不同有机物料混施,探究生物质炭和有机物料混施对土壤温室气体排放及微生物活性的影响.共设5个处理:新鲜土壤(S)、新鲜土壤+2%生物质炭(SB)、新鲜土壤+2%生物质炭+1%大豆饼(SBS)、新鲜土壤+2%生物质炭+1%小麦秸秆(SBW)、新鲜土壤+2%生物质炭+1%鸡粪(SBC).研究表明:只添加生物质炭对温室气体的排放影响不明显;生物质炭与有机物料混施使土壤的CO2、N2O排放明显增加,而对CH4的排放影响不明显;从温室气体增温潜势(GWP)变化可以看出有机物料施用对温室效应具有明显的增强作用;生物质炭与有机物料混施在一定程度上增加微生物生物量碳和代谢熵(q CO2),各处理的代谢熵是对照处理S的0.18~4.37倍;不同有机物料对FDA水解酶、过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶活性都表现为激活作用.     

生物炭添加对半干旱区土壤细菌群落的影响

以半干旱区固原生态试验站生物炭修复4a的表层土壤为对象，采用高通量测序技术研究了不同添加类型（槐树皮生物炭、锯末生物炭）和比例（1%、3%、5%，质量百分比）的生物炭对土壤细菌多样性及群落结构的影响.结果表明，生物炭应用提高了土壤细菌群落的多样性，锯末生物炭优于槐树皮生物炭，且3%锯末生物炭对细菌群落的多样性影响最佳，其香农指数为6.22；优势门主要为放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteria）和Saccharibacteria，相对丰度共占76.80%~85.31%；优势纲有放线菌纲（Actinobacteria）、α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、酸杆菌纲（Acidobacteria），其相对丰度占48.13%~57.08%；属水平上，施加生物炭增加了芽孢杆菌属（Bacillus）、硝化螺旋菌属（Nitrospira）的相对丰度，降低了土微菌属（Pedomicrobium）、根瘤菌属（Rhizobium）的相对丰度；层级聚类及冗余分析（RDA）发现，施加生物炭对细菌群落结构有影响，其中，微生物量碳、含水率、铵态氮、有机碳对细菌群落结构的影响较大.细菌优势门与环境因子相关性热图分析表明，铵态氮与放线菌门、绿弯菌门呈显著相关性.铵态氮是影响细菌群落的主要理化因子.     

生物质炭与强还原处理对退化设施蔬菜地土壤温室气体排放的影响

生物质炭和土壤强还原处理（Reductive Soil Disinfestation, RSD）可以有效地修复退化设施蔬菜地土壤,但2种修复技术联用对土壤温室气体（CO₂、N₂O和CH₄）排放的影响研究报道较少.本研究采用室内培养实验,设置未修复土壤（CK）、生物质炭修复（BC）、RSD修复（RSD）和BC与RSD联合修复（BC+RSD）4个处理,35℃条件下培养15 d,研究BC与RSD单独以及联合修复对退化设施蔬菜地土壤温室气体排放和综合温室效应（Global Warming Potential, GWP）的影响.结果表明,与对照CK相比,BC处理土壤N₂O排放量显著下降了50.0%,但CO₂排放量和GWP均显著增加（p<0.05）;RSD和BC+RSD处理土壤CO₂、N₂O、CH₄排放量和GWP均大幅度增加.但与RSD处理相比,BC+RSD处理土壤N₂O排放量和GWP分别下降了71.0%和30.0%.相关分析表明,土壤CO₂、N₂O、CH₄排放量和GWP与可溶性有机碳（DOC）和铵态氮（NH₄⁺-N）显著正相关,与pH和硝态氮（NO₃^--N）显著负相关.可见,生物质炭可以减少退化设施蔬菜地RSD修复引起的GWP.     

施用不同污泥堆肥品对土壤温室气体排放的影响

通过田间试验,分别施加两种不同的污泥堆肥品（A：含生物质炭堆肥品,B：不含生物质炭堆肥品）和不同施肥量,分析土壤CO₂、CH₄和N₂O动态变化特征和排放系数,研究施用污泥堆肥品对土壤温室气体排放的影响.结果表明,土壤CO₂和CH₄排放主要集中在生长期,生物质炭堆肥品低施用量能减少CO₂排放,而高施肥量增加CO₂排放.CH₄排放主要为负值,总体表现为土壤吸收CH₄,对照处理吸收量远高于其他处理（P<0.01）,A组处理CH₄吸收量随施肥量的增加而增加（P<0.05）.N₂O排放集中在发芽期和幼苗期,施肥量越高,排放量越大（P<0.01）.污泥堆肥品农用过程排放的温室气体主要是N₂O,施用A、B两种污泥堆肥品的土壤N₂O排放系数分别为1.02%~1.90%和1.28%~2.93%.生物质炭堆肥品具有显著的碳减排效果,其温室气体排放量比不含生物质炭堆肥品的土壤低19.49%~35.56%,且对于N₂O的减排效果较CH₄更为显著.     

土壤酸化对温室气体排放影响的培育实验研究

利用不同pH值的模拟酸雨(SAR)淋洗处理42个月获得具有不同累积酸化程度土壤,对其进行室内培养并研究了土壤温室气体CO₂、CH₄和N₂O的排放特征.结果表明,一定的酸化累积促进CO₂排放,而累积到某值时(如pH3.0₅酸化累积程度的加深而增加.相关分析显示,土壤pH值不是造成不同累积酸化程度土壤温室气体排放差异的直接原因;CO₂和CH₄排放差异主要是由于酸化累积过程导致土壤碳、氮以及其他养分元素含量的差异造成的,而导致N₂O排放差异的产生原因却十分复杂.     

炉渣与生物炭施加对稻田温室气体排放及其相关微生物影响

为了减少稻田温室气体排放通量,本研究对稻田土壤进行炉渣和生物炭单一施加和混合施加处理,并测定了早、晚稻拔节期和乳熟期CO_2、CH_4和N_2O排放通量及相关微生物(细菌、真菌、硝化细菌、反硝化细菌)的数量.结果表明,稻田施加废弃物可以减少温室气体的排放通量.在早、晚稻的拔节期,施加生物炭显著降低了CO_2和N_2O的排放通量(p0.05),混合施加显著降低了CO_2和CH_4的排放通量(p0.05),施加炉渣条件下3种温室气体的排放通量与对照组相比没有差异.施加炉渣或生物炭都显著降低硝化细菌的数量(p0.05),混施处理显著降低细菌、硝化细菌、反硝化细菌数量(p0.05),但显著提高了稻田土壤真菌/细菌比值(p0.05).在早、晚稻的乳熟期,炉渣、生物炭、混施处理能显著降低CH_4排放通量(p0.05),而生物炭处理显著降低N_2O排放通量(p0.05).炉渣处理显著降低细菌、硝化细菌、反硝化细菌数量(p0.05),生物炭处理显著降低细菌、反硝化细菌数量(p0.05),混施处理显著降低细菌、硝化细菌数量,并显著提高真菌/细菌比值(p0.05).温室气体排放与微生物数量之间的相关性分析结果表明,CO_2、CH_4排放通量与细菌数量呈显著正相关,与真菌/细菌比值呈显著负相关;而N_2O排放通量则与硝化细菌、反硝化细菌数量呈显著正相关.     

不同用量竹炭对污泥堆肥过程温室气体排放的影响

采用城市污泥为堆肥基质,设置4个堆肥处理,分别为添加2.5%竹炭(S1,占污泥的质量分数)、添加5%竹炭(S2)、添加10%竹炭(S3)和未添加竹碳(CK),研究城市污泥堆肥过程中温室气体的动态变化特征及添加不同用量竹炭的影响.结果表明,CH_4排放主要在升温期和高温前期,占排放总量的99.01%~99.81%.当竹炭添加量低于5%时,CH_4排放量随添加量的增加而减少;竹炭添加量高于5%时,其排放量又明显增加.CO_2排放集中在升温期和高温期,占排放总量的75.65%~86.58%;添加竹炭可减少3.37%~13.48%的CO_2排放,但处理间不存在显著差异(P0.05).N_2O排放集中在升温期和降温腐熟期,添加竹炭能减少16.37%~41.52%的N_2O排放,竹炭添加量越多,减排效果越好(P0.05).S1、S2和S3处理CO_2排放当量(以干污泥计)分别为37.57、35.10和35.44 kg·t~(-1),比CK处理减少了14.81%~20.41%.添加竹炭能降低污泥堆肥温室气体排放,其中,以S2处理的减排效果较为显著.     

生物炭对塿土土壤温室气体及土壤理化性质的影响

通过田间小区试验,分别向塿土土壤中添加0、20、40、60、80 t·hm~(-2)的苹果果树枝条生物炭后,分析了生物炭对土壤温度、土壤团聚体、NO_3~--N、NH_4~+-N、微生物量碳以及土壤温室气体排放的影响.结果表明,生物炭可以缓解土壤温度的变化,增加土壤大团聚体的数量,尤其是5 mm、5~2 mm和1~0.5 mm的团聚体数量.与对照相比,随着生物炭施用量的增加,土壤NO_3~--N、NH_4~+-N、微生物量碳分别增加了4.9%~33.9%、9.1%~41.1%和11.8%~38.5%.本研究中生物炭对土壤温室气排放的影响主要表现为:添加生物炭后,土壤CO_2的排放量以及CH_4的吸收汇分别增加了6.73%~23.35%和3.62%~14.17%;施用20 t·hm~(-2)和40 t·hm~(-2)的生物炭降低了土壤N_2O的排放和综合增温潜势(GWP),而当生物炭施用量大于等于60 t·hm~(-2)时反而增加了土壤N_2O的排放和综合增温潜势(GWP).说明生物炭作为一种土壤改良剂和碳减排剂,能够改善土壤质量,提高土壤肥力,提高农田土壤增汇减排的作用,此外,选择合适的生物炭施用量至关重要.     

生物炭输入对城郊农业区农田地表反照率及土壤呼吸的影响

为了探究生物炭输入对地表反照率及土壤呼吸的影响,通过田间小区试验的方法,在不同生物炭用量[0（CK）、0.5 kg·（m²·a）^-1（BC0.5）、4.5 kg·（m²·a）^-1（BC4.5）]不同地表条件下[种植作物（以+表示）、裸地（以-表示）],对农田地表反照率、土壤温湿度、土壤CO₂排放通量、土壤有机碳组分等指标进行了测定分析.结果表明,在作物生长前期（玉米的苗期至拔节期、小麦苗期至越冬期）,BC4.5+、BC0.5+的地表反照率相较CK+处理均有显著下降（P<0.05）,小麦季最大降幅分别为23.7%、17.9%,玉米季最大降幅分别为44.5%、44.9%.随叶面积指数增加,地表反照率在3个处理间的差异随之逐渐消失,作物覆盖可有效缓解生物炭输入导致的地表反照率的降低效应;裸地条件下,生物炭处理的地表反照率较对照处理在全部的观测中均有显著下降（P<0.05）;生物炭在输入初期可显著增加土壤CO₂释放量（P<0.05）,但其增幅随时间逐渐减小,其中BC4.5+较CK+的增幅从276.7%逐步降低至36.1%,BC4.5-较CK-的增幅从163.5%明显减弱至39.8%.生物炭处理较对照处理增加的CO₂释放量主要来自生物炭-土壤共存体系中的易分解碳组分,其土壤CO₂释放通量与土壤水溶性有机碳含量呈显著相关（P<0.05）;生物炭输入导致的地表反照率变化未对土壤呼吸产生直接的影响,而且生物炭输入可降低土壤呼吸温度敏感性Q10值,表明生物炭具有一定的化学和生物学稳定性.     

短期放牧对半干旱草地生态系统CO2和N2O排放的影响

通过在北方农牧带半干旱草地生态系统(山西右玉)设置不放牧、轻度放牧、中度放牧和重度放牧4个不同强度的放牧实验,运用静态-暗箱法测定放牧第一年生长季的温室气体通量,研究不同放牧强度对该地区温室气体通量的影响.结果表明:(1) CO_2和N_2O在生长季表现出随着温度和水分变化的明显季节动态变化,但是与不放牧相比,第一年不同放牧强度对CO_2和N_2O排放速率没有显著影响;(2)放牧显著降低了土壤含水量(P 0. 05),中度放牧降低了土壤微生物生物量碳(MBC,P 0. 05),中度和重度放牧降低了土壤微生物生物量氮(MBN,P 0. 05);(3) CO_2排放速率和土壤温度、土壤水分之间呈显著正相关关系,土壤温度、可溶性氮、微生物生物量氮以及CO_2排放速率之间呈显著正相关关系.放牧增加了温度与CO_2排放的相关性,但对N_2O排放相反.(4)虽然放牧降低了土壤含水量,但是没有发现不同放牧强度间CO_2和N_2O排放的差异,说明短期内不同的放牧强度尚未对土壤微生物结构与功能造成显著影响,需要继续进行长期深入地研究,揭示放牧强度对温室气体通量的影响机制.     

多年施用生物炭对河南烤烟种植区土壤呼吸的影响

为探究生物炭施用对土壤呼吸的影响,采用5 a定位试验(2013～2017年)研究了不施生物炭(CK)、施用1. 5 t·hm-2生物炭(T1)、施用15 t·hm-2生物炭(T2)、施用45 t·hm-2生物炭(T3)这4种处理下土壤呼吸及土壤水热因子的动态变化规律.结果表明:(1)在土壤中连续5a施入中剂量生物炭(T2:15 t·hm-2)显著降低了烤烟生长季土壤呼吸速率,降幅为25. 89%;当施入量增至45 t·hm-2(T3)时土壤呼吸速率显著增加,增幅为21. 48%(P 0. 05).(2)长期中剂量生物炭的添加显著降低了土壤异养呼吸速率和自养呼吸速率,降幅分别为29. 80%和28. 75%;大剂量生物炭(T3:45 t·hm-2)的施入显著增加了土壤异养呼吸速率,增幅为28. 88%.低剂量生物炭(T1:1. 5 t·hm-2)和中剂量生物炭均显著增加土壤呼吸中自养呼吸的比例,大剂量生物炭的施入显著增加了异养呼吸的比例(P 0. 05).(3)低剂量生物炭显著降低了烤烟生长季土壤5 cm温度;大剂量生物炭显著降低了土壤5 cm湿度.土壤呼吸与土壤5 cm温度之间呈显著指数相关,与土壤5 cm湿度之间未表现出显著相关(P 0. 05).综上,连续5a低剂量生物炭的施用对土壤呼吸无影响,适量生物炭的施用具有固碳减排效应,大剂量生物炭施用则会适得其反,建议生物炭施用范围应控制在15 t·hm-2以内.     

不同施肥处理对东北黑土温室气体排放的短期影响

以东北耕作黑土为对象,在25℃和60%最大持水量(WHC)条件下开展为期7 d的室内培养试验,研究了不同施肥处理对东北黑土温室气体排放的短期影响.结果表明,与不施肥对照处理相比,单施氮肥对土壤呼吸释放的CO_2没有影响,而在施用氮肥的基础上配施有机物料使得CO_2排放量提高了一个数量级,氮肥配施秸秆对CO_2排放的促进效果大于氮肥配施猪粪.短期培养时间内施用氮肥对N_2O排放没有显著影响,硝化作用是对照处理和单施氮肥处理土壤排放N_2O的主要过程.与单施氮肥处理相比,氮肥配施猪粪或秸秆显著促进了反硝化过程,使得N_2O排放量提高了两个数量级,氮肥配施秸秆处理的N_2O排放量显著大于氮肥配施猪粪处理.单施氮肥抑制了CH_4的排放,表现为对CH_4的微量吸收,而氮肥配施猪粪或秸秆则显著促进了CH_4的排放.