SBB丨生物炭温度系列对反硝化的影响：那些生物炭特性重要？

论文内容

研究背景：

生物炭通过在土壤中储存碳，在减少农业温室气体排放方面具有巨大潜力(Lehmann et al, 2006;Lorenz and Lal, 2014)以及通过减少一氧化二氮排放(Cayuela et al, 2014;He et al, 2017;Grutzmacher et al, 2018)。

在最近的一项荟萃分析中，Borchard等人(2019)报告说，生物炭平均减少了38%的一氧化二氮排放。与之前的荟萃分析(Cayuela等人，2014年)相比，这一估计效应强度显著降低了54%，并突出了不同研究中生物炭对N2O排放的影响的可变性。一些研究没有发现任何影响(Zheng et al .， 2012;Wang et al .， 2013;Case et al .， 2014;Van Zwieten等人，2014)，而其他人则报告了N2O排放的刺激(Yanai等人，2007;Clough等人，2010;Shen et al .， 2014)。

研究内容：

尽管对生物炭抑制N2O的效果进行了大量的研究，但在给定的土壤类型、生物炭原料、生产方法和剂量组合下，仍然无法预测特定生物炭的添加是否会对土壤N2O排放产生可测量的影响。考虑到N2O是由土壤中的许多非生物和生物反应产生的，其中微生物硝化作用和反硝化作用被认为是最重要的(Firestone和Davidson, 1989)，可能会产生不同的影响。这两个过程对土壤中生物炭带来的非生物因子变化的响应不同，抑制N2O的效果不太可能是由生物炭的任何单一性质决定的。

我们认为，在我们的烧瓶中，主要的NO3 -还原途径是反硝化，尽管存在许多替代途径(DNRA，厌氧氨氧化，化学反硝化，共反硝化)在缺氧条件下消散NO3 -。高pH值有利于DNRA和厌氧氨氧化(Zhang et al .， 2015)，并且被认为在排水良好的旱地土壤中意义有限(Schmidt et al .， 2011;Ligi et al .， 2015;厌氧氨氧化尤其需要亚硝酸盐的积累(Long et al, 2013)，这只发生在中酸性到碱性土壤中。在矿质土培养过程中，随着矿浆pH值的升高，积累了大量的NO2−(图S3)(图S5b)，然而，实验结束时NO2−积累的事实表明，厌氧氨氧化消耗NO2−并不是主要过程。再硝化(Spott et al .， 2011)可能是泥炭中一个重要的过程，因为有机氮元素丰富。

在562°C和796°C条件下，玉米芯生物炭对N2O和NO的积累均有显著的抑制作用。我们的结果不允许我们定义一个精确的计画阈值负责这种效果,然而416°C似乎是热解温度高于中性supressing影响没有和一氧化二氮释放土壤(图2)。这两个生物炭,一氧化二氮减少,没有最的最高程度的碳化的低H: C、O: C, aliCH: aroCH和高BPCA: C和B6CA: C比率在荟萃分析(表2)。Cayuela等人(2015)发现生物炭H:C比值< 0.3是抑制N2O的良好指标。我们发现BC562和BC796对N2O的抑制作用一致，H:C值分别为0.37和0.13，而BC416对N2O的抑制作用不一致，H:C值为0.59。因此，我们的研究结果支持H:C是抑制反硝化过程中N2O排放的预测因子的概念，并将这一概念扩展到NO排放。我们的研究结果还表明，BC562和BC796非常相似的反应证明，在特定的高温温度之外，减缓潜力存在平台期。

低温炭(BC372)具有炭化程度低、O:C和H:C比值高、VM高、灰分低的特点。此前已有报道称低温炭刺激N2O排放(Kammann et al .， 2012;Li et al .， 2013)。对Cayuela等人(2015)合成的数据的重新分析表明，高H:C值有可能刺激N2O排放(p < 0.01, SI section 4)。然而，这种影响似乎不如抑制N2O的< 0.3阈值那么明确，这表明还有其他相互作用的因素调节H:C > 0.3与N2O排放之间的关系。

在我们的研究中，解释生物炭减缓N2O效果的重要变量是碳化指数、pH和SA(图4 b、d)。

碳化指数概括了生物炭性质的同步变化:1)随着温度升高，活性有机碳消失;2)随着温度升高，芳香结构的形成和缩合。这意味着在评估生物炭对脱氮的潜在影响时，必须考虑低热解温度下的活性有机碳结构和高温下的缩合芳香族薄片形成的影响。

研究结论：

我们监测了泥炭和矿物土的缺氧浆液中NO、N2O和N2积累的动力学，这些浆液中加入硝酸盐，并用105°C干燥的原料和372、416、562和796°C生产的五种不同剂量的生物炭进行改性。在高温炭(BC562和BC796)存在的情况下，两种土壤的N2O和NO积累持续减少，这促使反硝化中间体还原为N2，特别是在酸性泥炭中。这种效应似乎与生物炭的碳化程度密切相关，正如炭的碳氢比所预测的那样。此外，生物炭表面积和pH值是主要影响因素，灰分含量和CEC的影响较小。在低热解温度下，生物炭效应与土壤有关，抑制了矿质土中N2O的积累，增强了泥炭土中N2O的积累。这种对比可能是由于低温炭的不稳定碳含量，这有助于在矿质土壤中固定N，但刺激了泥炭土的反硝化和N2O排放。我们得出结论，高度碳化、高pH值和高表面积的生物炭最适合抑制反硝化过程中N2O的排放，而低温炭有可能支持不完全反硝化。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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