Sci. Total Environ.丨生物炭老化如何影响农业土壤氨挥发和温室气体排放

论文内容

研究背景：

近年来，生物炭被认为是缓解土壤氨(NH3)挥发和温室气体(ghg)排放的潜在工具。然而，生物炭对土壤的老化效应仍然难以捉摸，这给生物炭减缓全球变暖的长期有效性带来了不确定性。通过对22篇已发表文献和217项观测数据的荟萃分析，系统探讨了生物炭对土壤NH3和温室气体排放的老化效应。结果表明，与新鲜生物炭相比，老化生物炭使土壤NH3挥发减少7%，CH4排放风险降低11%。然而，由于老化，生物炭对土壤N2O排放的减缓效果下降了15%。此外，老化生物炭对土壤CO2排放的促进作用比新鲜生物炭高25%。

研究内容：

该研究对2021年3月之前在Science Direct、Web of Science上发表的出版物进行了详细的文献调查。从选定的22份出版物中，收集了有关原料、制备工艺、制备温度、老化策略、老化时间、老化生物炭pH值、老化生物炭施用量、测试土壤pH值、实验场地、施肥条件和气体类型。同时，对上述部分信息进行了如下分类:(1)生物炭的原料分为木质材料(如硬木、树枝)和草本废弃物(如灌木) (2)生物炭的炭化过程分为热解和水热炭化;(3)生物炭炭化温度分为≤300℃、300℃-600℃、≥600◦C;(4)老化策略分为生物老化和非生物老化(即自然老化、物理老化和化学老化);(5)老化时间分为≤1个月、1个月-1年和≥1年;(6)实验场所分为孵育、田间和盆栽;(7)施肥条件分为施肥和不施肥。另外，将施肥量均匀地换算成百分比形式。采用自然对数转换的响应比(RR)(即效应大小)作为衡量NH3和ghg排放对生物炭老化响应的指标。在我们的研究中，xC和xT分别代表陈化生物炭和新鲜生物炭施用条件下典型土壤气体的累积排放量。

Fig.1 生物炭老化导致生物炭性质的相对百分比变化，包括生物炭pH、灰分含量(ash)、C浓度、O浓度和比表面积(SSA)取决于不同的影响变量。

Fig.2 新鲜生物炭相对于无生物炭(a)、陈化生物炭相对于无生物炭(b)、陈化生物炭相对于新鲜生物炭(c)对农业土壤NH3、N2O、CH4和CO2排放量的变化。

Fig.3 非均质生物炭老化对土壤NH3 (a)、N2O (b)、CH4 (c)和CO2 (d)排放的影响取决于原料、炭化过程和老化时间。

Fig.4 新鲜生物炭相对于无生物炭(a)、老化生物炭相对于无生物炭(b)、老化生物炭相对于新鲜生物炭(c)土壤特性和功能基因的变化。

Fig.6 生物炭投入与农业土壤气体排放的关系

研究结论：

生物炭的老化效应通过不同机制，通过改变生物炭的性质和对土壤的影响(如结构、土壤碳氮转化的发生形式和微生物组)，导致NH3挥发和温室气体排放的差异。在特定参数范围内(如草本原料、<600℃炭化或≥1年)制备的生物炭的老化效应对农业土壤气体排放的影响更为显著。与新鲜生物炭相比，老化使生物炭的土壤NH3挥发减少了7%，这可能是由于老化使生物炭的pH降低，含氧官能团和表面积增加。老化还使生物炭对稻田系统CH4排放的贡献风险降低了11%，这可能是由于有效碳减少和老化导致的产甲烷微生物减少(20%)所致。

然而，由于老化，生物炭对土壤N2O排放的减缓效果下降了15%。这可能是由于老化导致的氨氧化古菌数量增加(5%)可能增加了土壤硝化作用，从而削弱了生物炭减少土壤N2O排放的功能。此外，老化导致生物炭对土壤CO2排放的促进作用比新鲜生物炭高25%。本研究为农业土壤生物炭老化效应的气体排放评价提供了理论依据。为了更合理地应对全球气候变化，生物炭领域仍需挖掘潜力，提高效率，追求生物炭产业创新发展的未来。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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