生态学报  2015, Vol. 35 Issue (9): 2810-2818

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伍孟雄, 杨敏, 孙雪, 吴伟祥
WU Mengxiong, YANG Min, SUN Xue, WU Weixiang
生物质炭生物与非生物氧化特性研究进展
Research progress in the biotic and abiotic oxidation of biochar
生态学报, 2015, 35(9): 2810-2818
Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(9): 2810-2818
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201306191737

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收稿日期:2013-06-19
网络出版日期:2014-05-22
生物质炭生物与非生物氧化特性研究进展
伍孟雄, 杨敏, 孙雪, 吴伟祥     
浙江大学环境与资源学院环境保护研究所, 杭州 310058
摘要:生物质炭是由植物生物质热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。生物质热解炭化还田能否成为人类应对全球气候变化的重要途径直接取决于其在土壤生态系统中的稳定性。生物质炭稳定性的研究对科学计算和评估土壤生态系统生物质炭输入的碳固持与减排作用具有重要现实意义。重点概述了土壤生态系统生物质炭生物与非生物氧化特性、影响因素及其机理研究进展,并对生物质炭在土壤环境中的稳定性预测模型研究进行了分析。在此基础上,今后需针对不同类型旱地土壤生态系统和不同类型稻田土壤生态系统生物质炭稳定性及其机理开展研究,并进一步开展土壤生态系统生物质炭稳定性预测模型研究。
关键词生物质炭    土壤生态系统    生物氧化    非生物氧化    
Research progress in the biotic and abiotic oxidation of biochar
WU Mengxiong, YANG Min, SUN Xue, WU Weixiang     
Institute of Environmental Science and Technology, College of Environment and Resource Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Abstract:Biomass-derived black carbon, also cited as biochar, refers to the highly aromatic infused solid material produced by plant biomass pyrolysis and carbonization under oxygen-limited conditions. Biochar represents a large portion of the global carbon that may have served as a carbon sink over geological time scales. However, whether biochar can become one of the important materials for human being to tackle with future climate change is mainly depended on its biological and chemical stability in soil ecosystem. Therefore, it is of great importance to clarify the biotic and abiotic stability of biochar in soil ecosystem so that the role biochar may have played in past climate change or how it can be used to mitigate future climate change could be better understood. Results of the studies will be essential for scientific assessment and valuation of biochar's role in carbon sequestration and emission mitigation in soil ecosystem. Although biochar has generally been regarded as biologically and chemically recalcitrant, many studies have shown its oxidation in the environment. In this review, biotic and abiotic oxidation characteristics of biochar in soil ecosystem have been summarized. Abiotic oxidation of biochar, which has been observed to form O-containing functional groups on the surface, mainly occurs by chemical oxidation, photo-oxidation and inorganic cracking. In contrast, biotic oxidation of biochar takes place through two processes, namely that microbes utilized biochar directly as a carbon source or indirectly through co-metabolism. In addition, effects of biochar properties and environmental conditions on the biochar stability have also been discussed. Raw materials, pyrolysis processes and pyrolysis conditions, which control the physiochemical characteristics of biochar, play a significant role in its stability. On the other hand, while incorporating into soil, it has been discovered that stability of biochar could be significantly influenced by soil conditions, such as soil pH, water regimes and soil aggregate etc. Recent studies also indicated that climate conditions might have great impacts on the biochar stability. Therefore, attention needs to be paid about the combined influences of climate and soil conditions on the biotic and abiotic stability of biochar in the future. Up to now, modeling is the best method in predicting long-term stability of biochar. Recent studies have shown that degradation model of biochar could be established based on its easily obtainable characteristics. Characteristics of biochar, such as volatile matter, O : C molar ratio, the initial proportion of nonaromatic C, degree of aromatic C condensation and a new recalcitrance index, the R50, which all reveal physiochemical structure differences between biochars, could be considered as appropriate screening tools for the stability of biochar. On the other hand, in order to predict biochar decomposition in soil ecosystem, experimentally based degradation rate models, such as the first order dynamic model and double-exponential model, are commonly utilized. Nevertheless, some disadvantages of the models have been found due to short-term experiment and take few soil properties into account. Therefore, long-term field experiments must be conducted in order to develop a more accurate scientific model for predicting the biochar stability in soil ecosystem. Meanwhile, simulation experiment with different types of soil and crop plantation patterns are urgently needed to precisely model the long-term stability of biochar in various agricultural ecosystems.
Key words: biochar    soil    biotic oxidation    abiotic oxidation    

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质,是黑碳(BC)的一种类型[1]。由于生物质炭具有多芳香环结构,使其表现出高度的生物化学和热稳定性,因而对全球碳的生物地球化学循环和缓解全球气候变化具有重要的影响,已被认为是大气CO2的重要储库[2]

近年来,Nature和Science等世界著名科学杂志纷纷发表专题文章强调将植物碳固定与生物质炭化还田相结合,能够切实锁定大气CO2,有望成为全球应对气候变化的一条重要途径[3, 4],呼吁加强生物质炭人为输入的土壤环境行为和环境效应研究[5, 6]。而生物质炭化还田能否成为人类应对全球气候变化的重要途径直接取决于其在土壤生态系统中的稳定性。Roberts等人利用生命周期评价方法估算玉米秸秆和庭院垃圾制备的生物质炭的减排潜力,结果表明,每吨生物质原料可产生的碳负效应分别可达-864和 -885 kg当量CO2,而且其中62%—66%是与生物质炭的碳持留效应有关[7]。因此,生物质炭稳定性的研究对科学计算和评估土壤生态系统生物质炭输入的碳固持与减排作用具有重要现实意义。

迄今的研究表明生物质炭具有高度的稳定性。放射性碳年代测定显示生物质炭在欧洲黑钙土中已经保存了1160—5040a[8],在海洋沉积物中甚至可以保存2400—13900a[9]。然而,除稳定芳香化结构外,生物质炭还包含许多具有异质化学特性的脂肪族和氧化态碳结构物质[10],而生物质炭的脂肪族碳形态在土壤中能被快速矿化[11],这导致生物质炭在环境中会以一定速率降解。许多研究者陆续对生物质炭的降解机理进行了研究,发现其降解主要可以分为非生物氧化和生物氧化两种形式,其中非生物氧化包括化学氧化,光化学氧化和溶解,而生物氧化可分为生物同化作用和呼吸作用[12],非生物和生物氧化作用是影响生物质炭稳定性和碳固持能力的主要因素。因此,本文主要围绕土壤生态系统生物质炭稳定性研究,重点对土壤生物质炭生物与非生物氧化特性、影响因素及其机理研究进展进行了概述,并对土壤环境中生物质炭的稳定性预测模型进行了分析。在此基础上,对今后土壤生态系统生物质炭稳定性研究方向进行了简要的展望。

1 生物质炭非生物氧化特性及其机理

生物质炭非生物氧化主要是指生物质炭通过化学氧化、光化学氧化、无机裂解等机制降解。

生物质炭表面的官能团和催化活性使得它与化学氧化物接触时可能被氧化。如一些在高温条件下采用H2O2、(NH4) 2SO4 、HNO3或臭氧对生物质炭的氧化试验发现,生物质炭表面含氧官能团增多,证明其可在较短的时间内通过非生物方式被氧化[13, 14, 15]。而生物质炭与潮湿空气相互作用时,其高密度的π电子和自由基可使得暴露的C环被氧化[16]。生物质炭的化学氧化对其初期氧化速率有较大影响,随着氧化的进行含氧官能团数量明显增加。

由于碳元素在有氧条件下,具有热动力学不稳定性,因此光化学裂解也是生物质炭的一种降解方式。碳与氧气在光的作用下反应生成二氧化碳释放,正常情况下此反应非常缓慢,当有催化剂存在时此反应才能被检测到。Knoevenagel和Himmelreich利用紫外光照射研究了水存在时木炭的降解,结果表明达到理论二氧化碳释放值25%,时间只需要135.5h[17]。自然环境中光化学氧化的条件经常存在,除化学氧化和微生物降解,光化学降解也可能在生物质炭的自然降解中发挥着重要作用。

生物质炭的无机裂解机制类似于石墨碳原子的去除机制。1982年Yang 和Wong[18]提出,碳原子的去除可分为两个过程:(1)与气相中的氧直接反应;(2)与表面氧化物迁移的氧原子反应。有氧存在条件下,生物质炭表面活性位点的数量决定其氧化速率,而隔绝氧的情况下,氧化主要是因为生物质炭表面氧化物的氧原子迁移。Cheng通过不同培养温度下的生物质炭δ18O变化结果推断,高温条件下生物质炭的非生物氧化可以分成两个过程,首先是其表面不饱和位点对氧的化学吸附,随后形成羧基官能团[11]

生物质炭的非生物氧化过程在其表面形成含氧基团,增加了生物质炭负电荷量和阳离子交换量(cation exchange capacity)。但这一过程通常不足以将其矿化成为CO2而导致碳素的大量流失,反而促进其表面多羧酸化合物的形成,降低了生物质炭的芳香化程度,从而增强其微生物可利用性。因此,非生物氧化过程不仅影响生物质炭的初期氧化速率,同时也可能是生物氧化的必要条件。Zimmerman等人的实验室模拟试验表明,不同木质材料制备的生物质炭在1a时间内的氧化率为0.4%—3%,尽管生物质炭的氧化以非生物氧化为主,但生物质炭非生物氧化产生的表面含氧基团可能会增强其生物可利用性[19]

2 生物质炭生物氧化特性及其机理

尽管多数研究认为非生物氧化作用对生物质炭降解的影响更显著,但是生物质炭的生物氧化显然也发挥着重要的作用。早在19世纪初就有研究报道微生物对炭的氧化作用[20],并且发现某些微生物可以利用生物质炭[21],认为生物质炭降解与其大表面积、多孔结构等可为微生物提供生长环境的特性有关[22]。微生物对生物质炭的氧化作用通常以两种方式进行,一是微生物以芳香化碳为碳源利用生物质炭;二是微生物以其它易降解的含碳有机物为碳源,通过共代谢作用氧化生物质炭。

2.1 微生物利用

惰性大分子交联多样性以及空间保护作用是生物质炭避免微生物水解性酶降解作用的重要特征。但是生物质炭仍可以被微生物代谢。微生物利用生物质炭主要途径包括生物同化作用和呼吸作用两种形式。生物同化作用是指微生物直接利用生物质炭转化成自身细胞组分,而呼吸作用则指微生物将生物质炭转化成二氧化碳或甲烷。

直接利用生物质炭转化成自身细胞组分的微生物主要是菌丝真菌类微生物。例如白腐真菌可以代谢煤炭和木材,可能对生物质炭也有降解作用[23]。向山毛榉和栎树混合木材制备的生物质炭中添加含有担子菌属真菌裂褶菌的接种物,可以显著促进生物质炭的降解[24]。Kuzyakov等利用14C标记黑麦草制备的生物质炭,研究微生物与扰动作用对生物质炭稳定性的影响,结果发现微生物可以直接利用生物质炭将其转化为细胞成分,尽管这部分比例仅占1.5%—2.6%[25]。与此同时,研究也发现微生物的呼吸作用可能也是导致碳素大量流失的主要原因。一些菌丝真菌类微生物可直接降解高度芳香化的生物质炭转化成易分解的有机物,从而加快其它微生物的呼吸作用[26, 27]。因此,微生物群落中菌丝真菌类微生物的数量和活性可能决定生物质炭生物氧化速率。

目前有关微生物直接降解生物质炭的机理尚不清楚,而关于微生物降解煤炭的机理研究由来已久[23, 28]。生物质炭与煤炭在结构上具有一定的相似性,基于微生物对煤炭的降解机理推测其降解生物质炭的机理可能有以下两个方面:

(1)酶作用机理

目前发现参与煤炭降解的酶主要有过氧化物酶、氧化物酶、漆酶、水解酶和酯酶等,其中对木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶及漆酶的研究比较深入[28]。Hofrichter等人发现胞外锰过氧化物酶是木质素担子菌类真菌降解低级煤炭的关键酶类[23]。研究表明,当添加生物质炭时,漆酶等胞外酶可以产生降解产物[29],且土壤微生物活性和酶活性的增加会增强生物质炭的降解。

(2)螯合作用机理

有研究表明微生物降解煤炭的过程中,一些真菌会产生螯合剂,它可以与煤炭中的金属离子形成金属螯合物,通过脱除煤炭中的金属,使煤炭结构解体,转化为水可溶物[30]。大量研究表明生物质炭的可利用态金属离子K、Ca、Mg等含量较为丰富[31],微生物产生的螯合剂有可能与金属离子形成金属螯合物从而促进生物质炭的降解。

微生物降解生物质炭的速率不仅与降解微生物有关,与生物质炭本身的特性也存在紧密的关系。Nguyen等人认为生物质炭所含的大量矿物质能够有效促进微生物生长,进而增强其生物氧化作用,是草本炭矿化速率大于木质原料生物质炭的主要原因之一[32]。此外,生物质炭对控制菌根与植物的共生关系的胞外信号分子的吸附作用可能会促使共生关系向寄生关系转化,从而反过来影响菌根对生物质炭的生物氧化作用。由于生物质炭本身含有氮素,当土壤施氮量较低时,可能促使菌根微生物更加活跃地寻找氮素,进而加速生物质炭的生物氧化[33]

2.2 共代谢作用

环境中存在大量的有机物,微生物可能通过“共代谢途径”降解生物质炭。即微生物以其它有机物为碳源和能源,利用其它有机物降解过程中产生的酶类分解生物质炭。

研究发现,微生物可以利用速效性有机碳促进生物质炭的降解。Hamer等人利用14C标记的葡萄糖研究了易降解性底物对生物质炭氧化作用的影响,结果发现葡萄糖添加可有效促进微生物生长,加快生物质炭的降解。研究同时还发现生物质炭对葡萄糖的降解也具有促进作用[27]。随后,Kuzyakov等人也发现共代谢作用对生物质炭的生物氧化起着重要作用,而扰动促进生物质炭的降解作用机理正是由于扰动有利于微生物获得生物可利用性碳源并由此促进共代谢作用所致[25]。由于生物质炭本身就含有许多脂肪族化合物,它们可以在短期内快速降解,此类非芳香化结构物质的降解也有可能会通过共代谢的作用促进生物质炭中芳香化组分的降解[11]

3 土壤生态系统生物质炭稳定性的影响因素

生物质炭的稳定性与其本身高度芳香化结构具有直接的相关性。然而,大量研究表明,生物质炭进入土壤后的生物与非生物氧化作用不仅与生物质炭理化性质有关,而且与土壤条件和温度等气候因素密切相关(表 1)。

表1 生物质炭稳定性的影响因素 Table 1 Influencing factors of the stability of biochar
环境条件 Environmental condition原料及热解条件 Feedstock and pyrolysis condition平均停留时间/a Mean residence time 参考文献 References
黄土 Loess(3.2年)黑麦草(20—400 ℃,4.5 h)2000(t1/2=1400)[25]
粘质土壤 Clay(3个月)园林垃圾27 (half-life)[34]
石英砂 Quartz sand(1年)草 (250 ℃)260 (half-life)[19]
橡木 (250 ℃)840 (half-life)
松针 (400 ℃)990 (half-life)
甘蔗 (525 ℃)2280 (half-life)
非洲红木 (650 ℃)15600 (half-life)
雪松 (650 ℃)2.0 ×107(half-life)
自然环境Natural environment残留的历史木炭925 (half-life)[35]
亚马逊黑土600—8700 (age)[36]
自然植被条件下巴西土壤中的木炭160—9160 (age)[37]
3.1 生物质炭性质对其稳定性的影响

生物质炭的理化性质受到原料类型、热解工艺和热解条件等因素的影响,而生物质炭原料和热解温度是影响生物质炭理化性质和环境行为与效应最重要的两个因素,其中热解温度对生物质炭稳定性的影响尤为突出。Wu等分析了不同炭化温度和炭化停留时间对水稻秸秆生物质炭化学组成和结构的影响,结果表明,相比炭化停留时间,炭化温度对秸秆炭的性质影响更大,生物质炭芳香化程度随炭化温度的上升有显著性增强趋势[38]。Bruun等开展了不同热解条件下小麦秸秆制备的生物质炭的实验室短期培养实验,结果发现,随着热解温度的升高生物质炭中的纤维素和半纤维素含量逐渐降低,生物质炭的矿化率也随之减小[39]。Nguyen等利用定量核磁共振分析了350—600 ℃条件下制得的玉米秸秆生物质炭的稳定性,结果发现,随着温度上升生物质炭的芳香化程度从83%上升到90%,炭层的发展和排列变得更为有序[40]。Zimmerman等的室内模拟试验也发现,与250 ℃制备的木炭相比,400、525 ℃和650 ℃条件下制备的木炭在1a时间内的矿化率分别降低了27%、43%和44%[19]。以上研究都从不同角度说明炭化温度的提高有助于提升生物质炭的稳定性,并增加其碳汇作用。

尽管炭化温度的上升导致炭芳香化程度的增强被普遍认为是生物质炭稳定性提高的主要原因[13],但是生物质炭制备原料是决定生物质炭化学组成和理化性质的基础,因而也是影响其稳定性的重要因素。Nguyen等人的研究表明,在相同的热解温度下,橡木制备的生物质炭在不同环境中的最大矿化速率显著低于由玉米芯制备的生物质炭[32]。此外,生物质炭所含的芳香化碳、烷基碳和矿物质含量可能也是影响其稳定性的主要因素。Hilscher等人比较了350 ℃条件下制备的黑麦草和松针生物质炭初始阶段的矿化速率,结果发现,黑麦草生物质炭的初始矿化速率是松针生物质炭的5—6倍,但两者的芳香化碳含量基本相同,表明芳香化碳含量不是影响生物质炭矿化速率的唯一因素,其它组分对土壤微生物活动的影响可能更为重要,与黑麦草炭相比,松针炭较低的烷基碳和N含量可能是限制微生物降解的主要原因[41]。因此,生物质炭制备原料组成的差异将直接影响其稳定特性,并决定生物质炭在土壤环境中的固碳效应。

3.2 土壤特性对生物质炭稳定性的影响

目前也有研究者认为,从长期来看,生物质炭本身的性质并不能控制炭的稳定性,而环境和生物因素将是决定生物质炭稳定性的主导因素。自然火灾产生的炭能够在自然环境中保存相当长的一段时间,原因之一可能是由于生物质炭与土壤中矿物质组分相互作用形成了团聚体的保护结构[42]。Steinbeiss等人研究了耕地和森林土壤中酵母制备的生物质炭稳定性,结果发现,生物质炭在耕地土壤中的矿化速率显著大于森林土壤[21]。因此,土壤特性对生物质炭稳定性的影响可能更大。

生物质炭进入土壤后,其稳定性受土壤pH值、团聚结构、水分条件等特性的影响。土壤pH可能通过影响微生物群落多样性影响土壤生物质炭的稳定性。Luo等人开展了pH值分别为3.7和7.6的粘壤质土壤与350 ℃制备的芒草生物质炭的短期培养试验,结果发现,高pH值土壤中的生物质炭初始矿化率显著高于低pH值的土壤[43]。土壤粒子的团聚体物理保护作用可使生物质炭免于生物与非生物氧化。Skjemstad等研究了粘粒级和粉砂级团聚体对有机碳的保护作用,结果发现,粘粒级团聚体中23%的有机碳能够抵抗紫外氧化,而粉砂级团聚体中36%的有机碳能够抵抗紫外氧化[44]。Brodowsiki等研究了团聚结构对土壤黑碳含量的影响,结果发现,粒径<53 μm的微团聚体中的黑碳含量最高,粒径>2 mm的大团聚体中的黑碳含量最低,表明黑碳能够更稳定地存在于土壤微团聚结构中[45]

土壤氧气和水分条件也会影响生物质炭的稳定性。Masiello等的研究发现黑碳可以在海洋沉积物中保存2400—13900a[9],而通气条件较好的热带土壤中的黑碳只能稳定存在数十年至上百年[46],表明土壤氧气和水分条件对生物质炭降解发挥着重要的作用。章明奎等的研究发现土壤生物质炭在淹水条件下比非淹水条件下具有更高的稳定性[47]。Nguyen等考察了淹水、不淹水和两者交替作用三种水分管理方式对生物质炭降解特性的影响,结果发现,玉米芯生物质炭在不淹水条件下的矿化速率最大,矿化速率与土壤中氧气的可利用性有关[32],而橡木生物质炭在干湿交替条件下的矿化速率相对较大,土壤团聚结构的破坏[48, 49]和干湿交替对土壤微生物活性的促进作用是提高其矿化速率的主要原因[50]

3.3 温度对生物质炭稳定性的影响

目前,生物质炭已经被发现存在于很多不同环境条件下的土壤中。温度等气候因素也被认为对生物质炭的稳定性具有显著性的影响。Cheng等在实验室条件下开展了不同温度的培养实验,结果发现,30 ℃培养时生物质炭的氧化仅仅发生在颗粒表面,氧的含量增加4%,而70 ℃时的氧化渗透到颗粒内部形成羧基官能团,氧的含量增加38%[11]。随后,他们调查了不同气候和土壤条件下自然存在的11种不同的生物质炭,结果发现,年平均温度对生物质炭在自然条件下的氧化作用比土壤pH值、黏土含量等土壤因素对于炭的氧化影响更加显著[51]。随着外界温度的上升,生物质炭的表面负电荷显著上升,生物质炭的非生物氧化很大程度上是由氧的化学吸附启动,随后导致羧基官能团的形成[52],这种反应会在温度上升时迅速加快[53, 54]。因此,未来全球气温上升也可能会加速土壤中生物质炭的氧化作用,从而削弱生物质炭的固碳效应。

4 生物质炭稳定性预测

生物质炭的稳定性与其自身高度芳香化的结构具有紧密关系。因此相当一部分研究者以生物质炭本身物理化学结构变化为研究对象,通过离土实验来评估生物质炭的稳定性及其固碳潜力。Harvey等通过实验室试验发现差示扫描量热法的最高温度可以作为生物质炭热稳定性的定量检测指标,并在此基础上提出采用稳定性系数R50(即生物质炭与石墨50%氧化时的温度之比)可以有效评估生物质炭的稳定性。根据稳定性系数R50值的差异可以将生物质炭分成3个等级,即Class A (R50≥0.70),Class B (0.50≤R50< 0.70) 和Class C (R50< 0.50)[55]。Enders等系统研究了94种挥发性物质含量0.4%—88.2% 和固定碳含量0—77.4%的不同类型生物质炭,结果发现将挥发性物质含量与无机碳修正过的H ∶ C比值相结合能够有效地评估生物质炭的稳定性[56]。而Spokas则认为O ∶ C不仅体现了生物质炭的制备温度,而且考虑了原料和后期其它制备条件的影响,因而相对制备参数和挥发性物质含量能够更加准确评估生物质炭的稳定性[57]。Singh等人通过核磁共振分析发现,非芳香化碳的比例和芳香化碳的聚集程度-Δδ值与生物质炭的稳定性有良好的非线性相关关系[58],Bruun等人则发现生物质炭的矿化率与其纤维素和半纤维素含量成线性正相关关系,因而可以利用它们的含量来评价生物质炭的稳定性[39]。最近,英国生物质炭研究中心的Cross和Sohi通过利用双氧水加速老化实验模拟生物质炭的自然氧化过程,提出了一种新型生物质炭稳定性评价方法,并认为利用这种方法能够有效预测温带气候条件下100a内的生物质炭自然氧化过程[59]。然而,这些生物质炭稳定性的预测方法只从生物质炭本身结构出发,并未考虑到生物质炭进入土壤生态系统后土壤及环境因素对其生物与非生物氧化作用的影响,因而具有相当大的局限性。因此,综合考虑土壤与气候等自然环境因素,利用多因子分析方法和手段预测生物质炭稳定性将会是今后该领域研究的重要发展方向。

在生物质炭稳定性预测研究方面,矿化动力学模型研究也是目前生物质炭稳定性及其在土壤生态系统中的固碳潜力研究的一个重要方向。目前,有关生物质炭矿化动力学模型研究主要集中在一级模型和双指数模型研究上。Zimmerman等人在实验室条件下开展了不同热解温度制备的生物质炭在1a培养过程中的矿化试验,以该过程获得的土壤生物质炭矿化速率数据,通过最小二乘法拟合得到了不同生物质炭的一级矿化模型[19]。然而,由于此模型是基于以惰性介质石英砂为模拟土壤的培养实验提出,没有充分考虑土壤粒子物理保护作用和其它组分及其环境条件等的影响,因此预测结果将与实际土壤生态系统中的生物质炭稳定性存在较大差距。2008年,Cheng等人研究了不同气候条件下土壤生物质炭稳定性,并最早提出采用双指数模型预测分析生物质炭稳定性。双指数模型是根据生物质炭易分解组分与稳定碳组分不同降解特性而提出,生物质炭所含的易分解组分主要指生物质炭中的脂肪族部分,它们容易降解且在生物质炭中的含量随着制备温度的升高而降低,而稳定碳组分主要指芳香化的部分,它们氧化过程缓慢,会形成含氧官能团,且主要以非生物氧化为主[11, 35]。生物质炭两种不同组分中易分解组分的估算是利用双指数模型预测其稳定性的关键。Cross等人设计了生物质炭和惰性介质的两周培养实验,利用碱石灰吸收法测定培养过程中产生的二氧化碳量进而估算出生物质炭中易分解部分的碳含量[60]。Liang和Chen等人则利用双指数模型定量研究了不同类型和不同气候条件的土壤生物质炭降解特性[35, 36],结果发现,短期培养过程中,土壤质地和年平均温度对生物质炭的降解速率没有显著影响。Singh则依据双指数模型研究了粘土土壤中不同原料与热解温度制备的生物质炭稳定性,结果发现,短时间的培养期内,生物质炭本身理化特性是影响其矿化速率的主要原因[58]。利用双指数模型预测生物质炭稳定性相比原来的一级矿化模型更符合生物质炭实际降解情况,因此已成为目前普遍使用的稳定性预测分析方法。然而,双指数模型是基于生物质炭本身特性提出的,没有考虑微生物活性、土壤pH值、温度等环境因素效应,预测自然条件下生物质炭的稳定性仍有一定的局限性。

5 研究展望

越来越多的研究表明生物质炭可参与有机碳库循环,对全球碳的生物地球化学循环起着重要作用。将生物质热解炭化还田不仅能够缓解能源危机,更直接的效益是能够切实锁定和降低大气CO2浓度,将生物质中50%左右的碳素固定于土壤中,因而有望成为全球应对气候变化的一条重要途径。然而生物质炭化还田能否真正成为应对气候变化的重要手段直接取决于生物质炭在土壤生态系统中的稳定性。由于受研究投入和技术条件的限制,目前我国对生物质炭稳定性的研究尚处于起步阶段,有关生物质炭的生物与非生物氧化作用及其对生物质炭在土壤生态系统中的稳定性研究相对缺乏,许多研究工作急需深入开展:

(1)不同类型旱地土壤生态系统生物质炭稳定性及其机理研究。从长期来看,土壤理化与生物特性及其环境条件将是控制生物质炭稳定性的主导因素。目前针对特定类型旱地土壤及其环境因素如何影响生物质炭稳定性已经开展了一些研究,并取得了初步成果,但这些研究并没有从根本上揭示土壤生物和物理化学特性对其稳定性的影响机理,已有的研究也没有考虑作物或植物生长对生物质炭生物与非生物氧化作用的影响。因此,亟待以不同旱地作物和典型代表性土壤为对象,通过模拟不同的环境条件,采用稳定碳同位素示踪与微生物分子生物学和现代结构化学分析技术开展不同类型旱地土壤生态系统生物质炭的生物与非生物氧化及其机理研究。

(2)不同类型稻田土壤生态系统生物质炭稳定性及其机理研究。稻田土壤生态系统是我国典型的农田生态系统,是秸秆生物质炭化还田的理想场所。与旱地土壤生态系统比,稻田土壤生态系统具有干湿交替、有氧无氧环境交替的特点,因而必然存在与旱地土壤生态系统具有显著性差异的生物质炭生物与非生物氧化机理。然而,目前有关稻田土壤生态系统生物质炭稳定性的研究相对缺乏,不同类型稻田土壤以及不同种植模式(如稻麦轮作、油菜-水稻轮作、油菜-小麦轮作等)及其环境气候条件对生物质炭稳定性影响及其机理研究有待开展。

(3)土壤生态系统生物质炭稳定性预测模型研究。这方面的研究对于预测生物质炭的固碳潜力具有重要科学价值和指导意义。然而,目前这方面的研究大多停留在实验室阶段,具有相当大的局限性。因此,急需建立长期野外定位试验站通过与实验室模拟试验相结合,采用多因子分析方法和手段开展生物质炭稳定性预测模型研究,以期为土壤生态系统生物质炭固碳减排效应的科学计算和准确评估提供理论依据。

参考文献
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