生物炭减缓农业生态系统土壤N2O排放的研究进展.pdf

中国农业大学学报 2 0 2 2 2 7 2 2 0 2 2 1 3 J o u r n a l o f C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y h t t p z g n y d x x b i j o u r n a l s c n D O I 1 0 1 1 8 4 1 j i s s n 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 2 0 2 1 9 生物炭减缓农业生态系统土壤N2O排放的研究进展 沈芳芳1 2 罗昌泰2 廖迎春2 房焕英1 周际海3 沈发兴1 袁颖红2 1 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室 南昌3 3 0 0 2 9 2 江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室 南昌3 3 0 0 9 9 3 重要生物资源保护与利用研究安徽省省级重点实验室 安徽芜湖2 4 1 0 0 0 摘 要 为进一步厘清生物炭在减缓农业生态系统土壤N 2 O排放的作用和机制 本研究基于C N K I S p r i n g e r W i l e y和S c i e n c e D i r e c t数据库 以 生物炭 农业生态系统 N 2 O 为关键词 搜索2 0 0 8 2 0 2 1年相关文献 并进 行了总结和归纳 结果表明 土壤N 2 O可通过多种微生物过程产生 其中硝化作用和反硝化作用是主要过程 硝 化细菌反硝化 硝态氮异化还原成铵 化学反硝化等非生物过程也可产生N 2 O 生物炭添加对土壤N 2 O排放影响 的结论不一 多数研究认为生物炭有利于减少土壤N 2 O的排放 少数认为生物炭刺激了土壤N 2 O的排放或对其无 影响 提出了生物炭减缓土壤N 2 O排放机制 生物炭本身理化性质的差异 生物炭影响土壤理化性质和氮转化过 程 并分析了生物炭降低堆肥土壤N 2 O排放的潜力和生物炭促进酸性土壤的植物生产力 最后 基于上述研究 提出三点展望 有必要建立生物炭特性数据库 系统性的加强生物炭在N 2 O减排潜力的估算 进行长期野外田间 试验的必要性 关键词 生物炭 农业生态系统 土壤N 2 O排放 硝化和反硝化 氮转化过程 中图分类号 S 1 4 7 2 文章编号 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 2 0 2 0 2 0 2 1 2 文献标志码 A 收稿日期 2 0 2 1 0 6 1 9 基金项目 国家自然科学基金项目 3 1 7 6 0 1 6 7 4 1 6 6 1 0 6 5 3 1 9 6 0 3 0 8 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室2 0 2 0年度开放基金 项目 第一作者 沈芳芳 讲师 E m a i l s h e n f a n g f a n g n i t e d u c n 通讯作者 袁颖红 副教授 主要从事土壤生态学研究 E m a i l y h y u a n n i t e d u c n ReviewonbiocharmitigatingthesoilN2Oemission fromagro ecosystems SHENFangfang1 2 LUOChangtai2 LIAOYingchun2 FANGHuanying1 ZHOUJihai3 SHENFaxing1 YUANYinghong2 1 JiangxiProvincialKeyLaboratoryofSoilErosionandPrevention Nanchang330029 China 2 KeyLaboratoryofDegradedEcosystemRestorationandWatershedEcologicalHydrology Nanchang330099 China 3 AnhuiProcincialKeyLaboratoryfortheConservationandUtilizationofImportantBiologicalResources Wuhu241000 China Abstract InordertofurtherclarifytheroleandmechanismofbiocharinmitigatingsoilN2Oemissionsfromagro ecosystems thisstudywasbasedonCNKI Springer Wiley andScienceDirectdatabaseswith biocharORagro ecosystems and N2OORnitrousoxide researchespublishedduring2008to2021 askeywords relatedliteratures weresummarizedandanalyzed Theresultsshowthat SoilN2Ocanbeproducedthroughavarietyofmicrobial processes amongwhichnitrificationanddenitrificationarethemainprocesses Non biologicalprocessessuchas denitrificationbynitrifyingbacteria dissimilationandreductionofnitratenitrogentoammonium andchemical denitrificationcanalsoproduceN2O ConclusionsontheimpactofbiocharadditiononsoilN2Oemissionsaredifferent MoststudiesbelievethatbiocharisbeneficialtoreducesoilN2Oemissions whileafewbelievethatbiocharstimulates orhasnoeffectonsoilN2Oemissions TwomechanismsonhowbiocharinvolvesinslowingdownsoilN2Oemissions 第2期沈芳芳等 生物炭减缓农业生态系统土壤N 2 O排放的研究进展 areproposed includingthedifferenceinthephysicalandchemicalpropertiesofbiocharitselfandtheinfluenceof biocharonthephysicalandchemicalpropertiesofsoilandtheprocessofnitrogenconversion Thepotentialofbiochar toreduceN2Oemissionsfromcompostedsoilsandbiochartopromoteacidicsoilsplantproductivitywerealso analyzed Inconclusion itisnecessarytoestablishadatabaseofbiocharcharacteristics systematicallystrengthen theestimationofbiochar sN2Oemissionreductionpotentialandtoconductlong termfieldtrials Keywords biochar agro ecosystem soilN2Oemission nitrificationanddenitrification nitrogentransformation process 由温室气体如C O 2 N 2 O C H 4等排放增加引 起的气候变化是人类长期面临的巨大威胁 2 0 1 9 年举行的联合国气候行动峰会提倡在未来1 0年内 将温室气体排放量减少4 5 到2 0 5 0年实现 净零 排放 土壤作为温室气体的重要源和汇 对温室效 应的影响不容忽视 农田土壤是重要的温室气体排 放源 农业活动在温室气体的人为排放总量中占据 重要部分 1 2 据世界气象组织 W o r l d M e t e o r o l o g i c a l O r g a n i z a t i o n 报告 大气中N 2 O的含量已经从1 9 世纪工业革命前的2 7 0 p p b增加到了2 0 1 7年的 3 2 9 9 p p b 1 中国是N 2 O排放大国 占全球排放 量的3 1 印度和美国分别居第二和第三 2 N 2 O是一种长寿命温室气体 百年内的增温潜势大 约是C O 2的2 9 8倍 并导致平流层臭氧的破坏 3 4 土壤作为最大的N 2 O排放源 约占总排放量的 7 0 5 年N 2 O N排放量约为1 3 T g 其中人类活 动通过在农业中施用氮肥每年贡献了7 T g 6 农 业约占全球人为N 2 O排放量的6 0 农业土壤 特 别是热带和酸性土壤 是大气N 2 O增加的主要来 源 2 7 农业管理措施如施用化肥和有机肥等能显 著影响农田土壤N 2 O的排放 其中 农业N 2 O排 放多是由于肥料用量的增加 相当一部分氮肥通过 微生物过程 主要是硝化和反硝化 转化为N 2 O 8 联合国粮食及农业组织 F A O 预计到2 0 3 0年农业 源排放进入大气中的N 2 O可能会增加3 5 6 0 因此 减少土壤N 2 O的排放任务紧迫 1 已有研究表明 生物炭用来减少土壤N 2 O的排 放 4 5 8 生物炭是一种难降解的富含C的稳定固 体材料 是有机材料在限氧的环境中经过热化学转 化产生 由于其具抗分解特性及对养分动力学的影 响 多被利用作为土壤改良剂 9 1 1 生物炭作为调 节土壤氮循环和减少氮排放的潜力得到广泛关注 国内外相继开展了大量的有关生物炭减少农业生态 系统土壤N 2 O排放研究和应用 为进一步厘清生 物炭在减缓农业生态系统土壤N 2 O排放的作用和 机制 本研究拟以C N K I S p r i n g e r W i l e y和S c i e n c e D i r e c t数据库为依据 以 生物炭 农业生态系 统 N 2 O排放 为关键词 搜索2 0 0 8 2 0 2 1年的 相关文献 并从土壤N 2 O产生途径 生物炭对土壤 N 2 O排放的影响和减缓土壤N 2 O排放的机制等方 面 以及对有机堆肥处理土壤施用生物炭的N 2 O减 排潜力等相关研究进行综述总结和剖析 并对未来 的研究提出展望 以期为减缓土壤N 2 O排放及气候 变化提供参考 1 土壤N2O的产生途径 土壤N 2 O可通过多种微生物过程产生 长期 以来 硝化作用和反硝化作用被认为是农业土壤产 生和排放N 2 O的主要过程 8 硝化细菌在有氧条 件下氧化N H 4 反硝化细菌在无氧条件下还原 N O 3 1 2 1 4 排放的大多数N 2 O归于硝化过程的第 一步 反硝化作用是氮循环过程的最后一步 N 2 O 作为反硝化过程的中间产物 促进N 2 O的排放 可 能发生不完全的反硝化作用 如环境的变化等 最终 导致N 2 O作为产物产生 1 4 随着对N 2 O排放机制 的研究深入 发现硝化细菌反硝化 硝态氮异化还原 成铵 D N R A 化学反硝化等非生物过程也可产生 N 2 O 1 5 1 7 硝化细菌反硝化是氨氧化过程中产生的 N O 2在自养硝化细菌作用下进一步还原为N 2 O和 N 2的过程 硝态氮异化还原成铵需要在严格厌氧 条件 高p H以及大量的易氧化态有机物存在的条 件下进行 主要包含2个阶段 第一个阶段在硝酸盐 还原酶作用下将N O 3还原成N O 2 第二个阶段在 D N R A亚硝酸还原酶的催化下将N O 2还原成 N H 4 化学反硝化通常发生在低p H土壤 酸性土 壤 中 是指N H 4氧化为N O 2的过程中 产生的中 间化学分解或N O 2本身与有机胺类或无机化合物 的化学反应 上述可产生N 2 O的3个非生物过程 过程中 都可能会有不止一个特定的N 2 O生产途 302 中国农业大学学报2 0 2 2年第2 7卷 径 此外 施肥受到人为活动的强烈干扰 使得农业 土壤中N 2 O排放表现出巨大的时空变异 8 综上 一旦氮进入土壤 就会有生物或者非生物过程产生 N 2 O 人为的农业活动会干扰其中一些或全过程 N 2 O可由许多不同的微生物协同产生 与N 2 O 产生有关的微生物功能基因主要集中在氨氧化细菌 和氨氧化古菌的amoA基因 硝化酶 nas nirB 亚 硝酸盐还原酶基因 nirK nirS 氧化亚氮还原酶 nosZ 基因 1 8 一般认为 N 2 O排放与反硝化过程 中的基因 nirK nirS nosZ napA narG 相关 这些功 能基因成为温室气体通量潜力的关键指标 1 3 1 9 2 生物炭对土壤N2O排放的影响及减排机制 2 1 生物炭对土壤N2O排放的影响 生物炭对土壤N 2 O排放的影响取决于生物炭 特性与土壤性质两者之间的相互作用 尽管越来越 多的证据表明 向土壤中添加生物炭可以影响N 2 O 排放速率 但生物炭添加对土壤N 2 O排放影响的结 论不一 表1 多数研究认为生物炭有利于减少土壤N 2 O的 排放 2 0 2 3 在整合分析2 0 0 7 2 0 1 3年发表的相关 生物炭文献 观测试验数量n 9 3 3 的研究中发现 无论是田间试验还是室内试验 生物炭平均可减少 5 4 6 土壤N 2 O排放 1 7 C a y u e l a等 2 4 通过进 一步研究发现生物炭降低4 9 5 土壤N 2 O排 放 对比区分了室内培养和野外试验条件下的N 2 O 排放降幅分别为5 4 5 和2 8 1 6 程效义 等 2 5 研究发现 棕壤玉米旱田中添加秸秆生物炭 2 0 t h m 2 能降低2 1 7 6 土壤N 2 O的排放量 生 物炭对不同类型 沙土 淤泥 壤土和黏土 土壤的 N 2 O减排效果以壤土最明显 1 9 减排量可达 3 2 2 6 室内培养试验表明 小麦秸秆生物炭显著 降低黑钙土N 2 O排放 降幅可达5 5 9 6 2 7 对比不同生物炭施入量对N 2 O减排的效果发现 小 麦秸秆生物炭 2 0和4 0 t h a施入钙质壤土后 N 2 O 排放量分别减少了1 0 7 和7 1 8 2 8 相比氮肥 处理 减少了3 1 2 9 随着生物炭添加量的增加 土壤N 2 O排放量减少幅度增加 当生物炭添加量为 4 0 t h a时效果达到最大 1 9 通过对比生物炭对酸 性和碱性土壤N 2 O排放的影响 发现玉米芯生物炭 可降低酸性土壤N 2 O排放的2 6 9 橄榄果肉生物 炭可降低酸性土壤6 8 4 及碱性土壤3 4 3 4 2 稻 草生物炭 2 改善酸性土壤可以通过提高土壤 p H值及nosZ和nirK基因丰度来控制土壤N 2 O的 排放 降幅达7 0 2 据估计 土壤添加生物炭有 可能使温室气体年排放量减少1 2 2 1 甚至 更多 1 9 另一方面 也有研究结果表明生物炭刺激了土 壤N 2 O的排放 8 2 8 3 0 3 1 与仅施用N P K处理相比 生物炭虽然改良土壤 但增加了水稻田土壤N 2 O的 排放 2 7 3 2 这源于水稻后期土壤硝态氮 N O 3 N 含 量或水稻早期土壤铵态氮 N H 4 N 含量的增 加 2 7 在土壤水分 2 0 5 0 条件下 添加云杉 碎屑制成的生物可导致种植豆科植物土壤的N 2 O 排放量增加 2 8 此外 如果热解合成气未净化 生 物炭生产过程也可能是N 2 O排放的潜在来源 排放 量约为原料含氮量的2 4 1 9 此外 极个别研究表明生物炭添加对土壤N 2 O 通量没有影响 3 3 3 5 对于有机碳含量低 5 g k g 的土壤 生物炭对土壤N 2 O排放的影响较小且不显 著 这是因为异养过程可用碳量很少 增加了低有机 碳土壤的硝化作用 1 9 由粪便制成或在低于3 5 0 温度下热解的生物炭对土壤N 2 O排放的减少作 用微不足道 这归因于生物炭较弱的芳族环结构和 较低的表面积 较低的导电能力和较少的表面官能 团 1 9 生物炭的施用不会影响短时期 2年 火山灰 土的N 2 O累积排放量 这与火山灰具有较高的p H 缓冲能力和总阳离子交换量有关 3 2 总之 生物炭对土壤N 2 O排放影响取决于研究 区土壤和气候条件 试验条件 室内 野外 及持续时 间 生物炭类型 物料来源 施用量及热解条件 等 1 7 2 0 2 8 生物炭具有减缓土壤N 2 O排放的潜力 其中生物炭类型 生物炭添加量和气候带是影响生 物炭对土壤N 2 O排放影响的重要调控因素 且野外 试验中生物炭对N 2 O的减排效果常低于室内控制 试验 2 2 生物炭减缓土壤N2O排放的机制 多数研究将研究焦点集中于生物炭如何降低土 壤N 2 O排放速率机理上 由于N 2 O产生途径多而 复杂且高度时空变异 2 0 使得农业生态系统土壤 N 2 O的减排具挑战性 生物炭改良剂作为减少 N 2 O的长期方法的适用性尚不确定 目前有关生 物炭减缓土壤N 2 O排放的机制主要有以下2点 图1 402 第2期沈芳芳等 生物炭减缓农业生态系统土壤N 2 O排放的研究进展 书书书 G21 G21 G21 G22 G23 G24 G25 G26 G27 G28 G29 G2A G22 G23 G24 G2B G2C G2D G2E G2F G21 G22 G23 G24 G25 G26 G21 G27 G28 G29 G24 G2A G25 G28 G2B G25 G2C G29 G23 G2D G2C G2B G2E G22 G2F G22 G30 G25 G28 G31 G30 G25 G28 G32 G2C G28 G33 G2C G2D G24 G34 G35 G36 G25 G30 G2D G33 G33 G2D G2C G28 G21 G22 G23 G24 G25 G37 G2D G2C G2B G2E G22 G2F G29 G25 G25 G31 G33 G32 G2C G2B G38 G26 G27 G28 G29 G21 G39 G3A G3B G2F G2C G24 G3B G33 G2D G33 G32 G25 G30 G3C G25 G2F G22 G32 G2A G2F G25 G2A G2B G2C G3D G3C G3C G24 G2D G2B G22 G32 G2D G2C G28 G22 G30 G2C G2A G28 G32 G2D G2E G2F G30 G3E G2C G2D G24 G32 G3B G3C G25 G34 G35 G36 G31 G32 G2C G33 G34 G35 G29 G3F G2E G22 G28 G40 G25 G33 G2D G28 G34 G35 G36 G25 G30 G2D G33 G33 G2D G2C G28 G36 G37 G38 G39 G21 G3A G3B G3C G3D G41 G22 G23 G2C G2F G22 G32 G2C G2F G3B G2D G28 G2B G2A G23 G22 G32 G2D G2C G28 G21 G42 G2D G25 G24 G31 G25 G43 G3C G25 G2F G2D G30 G25 G28 G32 G3E G3F G40 G41 G44 G25 G29 G25 G2F G25 G28 G2B G25 G33 G42 G43 G44 G45 G44 G2D G2B G25 G33 G32 G2F G22 G45 G46 G47 G47 G26 G48 G22 G35 G48 G42 G43 G49 G46 G47 G48 G49 G22 G4A G4B G2D G4A G35 G48 G21 G4B G47 G48 G23 G4C G24 G36 G37 G38 G39 G4A G47 G31 G25 G35 G26 G4C G4D G4E G4F G4D G50 G4D G51 G52 G53 G54 G4D G2D G43 G25 G31 G2E G22 G2F G31 G22 G28 G31 G33 G2C G29 G32 G4E G2D G2F G40 G2D G28 G45 G2C G2C G31 G27 G26 G47 G48 G55 G56 G57 G58 G4F G50 G48 G23 G4C G24 G36 G37 G38 G39 G26 G47 G59 G25 G26 G50 G26 G4C G4D G5A G5B G21 G23 G4C G4D G4D G5C G51 G43 G5D G24 G51 G5E G5F G60 G61 G52 G22 G2F G31 G45 G2C G2C G31 G33 G22 G45 G31 G2A G33 G32 G21 G23 G2E G22 G2F G31 G45 G2C G2C G31 G33 G22 G45 G31 G2A G33 G32 G51 G2F G2D G2B G25 G2E G2A G33 G38 G24 G51 G2B G2E G2D G2B G38 G25 G28 G30 G22 G28 G2A G2F G25 G2B G2C G30 G3C G2C G33 G32 G27 G53 G48 G2E G2D G35 G4B G48 G23 G4C G24 G36 G37 G38 G39 G26 G35 G47 G31 G25 G35 G4A G26 G62 G4D G21 G22 G23 G3A G2D G28 G25 G2B G2E G2D G3C G23 G2D G2C G2B G2E G22 G2F G53 G53 G47 G26 G47 G4D G40 G21 G2E G30 G35 G23 G47 G54 G53 G48 G24 G63 G64 G2E G2D G26 G47 G47 G48 G23 G51 G24 G3A G3B G3C G3D G35 G65 G25 G35 G4B G26 G66 G67 G5D G21 G22 G23 G55 G22 G24 G28 G2A G32 G33 G2E G25 G24 G24 G23 G2D G2C G2B G2E G22 G2F G50 G47 G47 G26 G47 G4D G40 G21 G2E G30 G35 G23 G47 G54 G53 G48 G24 G63 G64 G2E G2D G56 G56 G48 G21 G46 G53 G48 G23 G51 G24 G3A G3B G3C G3D G35 G65 G25 G35 G4B G26 G68 G69 G6A G3F G2C G2F G28 G2B G2C G23 G35 G53 G47 G50 G54 G4F G40 G4A G63 G2D G35 G46 G54 G50 G48 G23 G4C G24 G36 G37 G38 G39 G4A G47 G31 G25 G4A G35 G26 G6B G6C G6D G6E G36 G24 G2D G4E G25 G3C G2A G24 G3C G35 G53 G47 G50 G54 G4F G40 G4A G63 G2D G4E G6F G70 G2D G56 G4A G54 G56 G48 G21 G46 G4F G54 G4A G48 G23 G4C G24 G36 G37 G38 G39 G4A G47 G31 G25 G4A G35 G26 G4C G4D G23 G71 G28 G72 G73 G4E G74 G67 G22 G4D G23 G24 G52 G22 G2F G31 G45 G2C G2C G31 G23 G22 G33 G2E G22 G2C G22 G38 G22 G28 G31 G2B G2E G25 G2F G2F G3B G22 G37 G2C G31 G29 G22 G2F G2D G3F G2E G22 G2F G2B G2C G22 G24 G24 G26 G4F G47 G21 G4A G47 G47 G35 G48 G75 G2E G2D G50 G26 G48 G23 G4C G24 G36 G37 G38 G39 G4A G31 G25 G26 G4F G26 G4C G4D G21 G22 G23 G52 G22 G2F G31 G45 G2C G2C G31 G53 G47 G47 G35 G35 G54 G4A G4D G40 G21 G2E G30 G35 G76 G77 G2E G2D G53 G47 G48 G23 G4C G24 G3A G3B G3C G3D G56 G65 G25 G35 G47 G26 G78 G79 G44 G45 G55 G2E G25 G22 G32 G33 G32 G2F G22 G45 G4A G53 G47 G26 G54 G46 G4F G48 G7A G7B G2D G53 G53 G48 G21 G50 G46 G48 G23 G4C G24 G36 G37 G38 G39 G26 G47 G47 G31 G25 G56 G26 G26 502 中国农业大学学报2 0 2 2年第2 7卷 书书书 G21 G21 G21 G22 G22 G23 G24 G25 G26 G27 G22 G23 G24 G25 G26 G27 G28 G29 G2A G2A G2B G2C G2D G24 G25 G2E G28 G29 G2A G2B G23 G2F G30 G31 G28 G24 G32 G31 G2C G23 G2C G2D G2A G33 G34 G2A G28 G27 G2D G35 G28 G2A G2C G2D G2E G36 G34 G34 G32 G23 G25 G27 G2D G23 G24 G37 G27 G33 G24 G35 G37 G2D G2F G30 G31 G32 G38 G24 G23 G32 G2D G31 G34 G2A G39 G3A G3B G33 G34 G2E G35 G36 G37 G2B G3C G26 G27 G37 G3D G2A G2C G23 G37 G39 G3A G3B G2A G33 G23 G2C G2C G23 G24 G37 G38 G39 G3A G3B G23 G3C G3D G3E G3F G3E G27 G3F G24 G28 G27 G2D G24 G28 G31 G23 G37 G25 G35 G3F G27 G2D G23 G24 G37 G23 G40 G23 G2A G32 G2B G2A G41 G34 G2A G28 G23 G33 G2A G37 G2D G40 G41 G42 G43 G42 G2A G29 G2A G28 G2A G37 G25 G2A G2C G44 G45 G46 G47 G38 G34 G28 G35 G25 G2A G25 G26 G23 G34 G2C G43 G44 G44 G21 G43 G45 G44 G21 G44 G46 G3D G23 G26 G33 G3A G21 G21 G47 G22 G48 G2F G21 G21 G44 G44 G47 G21 G48 G22 G49 G4A G3E G3F G43 G49 G4B G24 G3A G4A G25 G4C G4D G4E G4F G42 G23 G25 G2A G2C G2D G28 G27 G4B G4C G44 G44 G43 G47 G4C G4D G2F G21 G45 G47 G21 G48 G22 G38 G39 G3A G3B G4D G44 G2B G24 G4D G3A G25 G50 G51 G4E G4F G4E G26 G2A G27 G2D G2C G2D G28 G27 G4B G26 G43 G44 G2D G23 G26 G33 G3A G4C G4D G2F G52 G53 G54 G3C G3D G3E G3F G27 G4C G4D G23 G55 G56 G24 G4D G21 G25 G4D G57 G28 G58 G47 G28 G59 G5A G28 G5B G5A G5C G5D G28 G50 G51 G4E G4F G42 G23 G25 G2A G26 G35 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生物质组分 水分 纤维素 木质素和无机矿物等 依次被分 解 3 6 同时热解过程中C和N的损失致使P K C a M g等含量高于原料 且随热解温度的提高而升 高 3 6 生物炭的石灰效应 生物炭含有碱性物质 主 要为表面有机官能团 碳酸盐 有机阴离子和其他无 机碱 并且具有较高的p H 可用作修正土壤酸度的 改良剂 3 7 生物炭的原料和热解条件会影响生物 炭的碱度 如豆科植物比非豆科植物生产的生物炭 含有更高的碱度 3 8 随着热解温度的升高 生物炭 的碱度增加 表现在碳酸盐含量的增加 3 9 生物炭的化学结构 生物炭的H C O C和 N O C是表征生物炭芳香性 亲水性和极性大 小的重要指标 三者越高 分别表示芳香性越低 亲 水性越大和极性越大 与生物炭的稳定性和潜在吸 附能力有关 3 6 其中生物炭的H C在减缓N 2 O 排放的潜力发挥了重要作用 一般低H C的生物炭 往往具有更强的N 2 O减缓能力 相反 H C越高 其减缓能力越弱 这是因为较低的H C通常具有更 高的聚合度和芳族环结构 2 4 试验进一步研究表 明 H C 0 5 的生物炭N 2 O降低了4 0 1 6 2 4 生物炭随时间的老化 生物炭对土壤N 2 O排 放的减缓能力还取决于生物炭在田间条件下的老化 情况 3 1 4 0 生物炭的性质会随时间变化发生老化 如稠环结构的大小发生改变导致生物炭表面的官能 团 羧基 羰基 羟基和酚基等 增加 表面积和孔体 积的降低导致生物炭的吸附能力降低等 4 1 随着 时间的推移 生物炭可能会失去其石灰效应 如老化 过程中生物炭表面的氧化可能产生酸性或较低的土 壤p H 2 0 生物炭老化可能会影响分解后土壤有机 碳的残留率 研究表明 生物炭老化提高了微生物碳 的利用效率 但减少了生物质周转时间 4 1 2 生物炭影响土壤理化性质和氮转化过程 生 物炭通过影响土壤理化性质引起土壤养分的变化从 而导致土壤N 2 O排放量的直接和 或间接减少 4 2 生物炭施入后 土壤的物理结构 孔隙度 容重 团聚 体 水分或持水能力等 化学性质 p H和养分状况 等 和生物过程 氮循环和氮转化过程等 均发生改 变 4 3 4 4 生物炭对土壤养分的影响主要体现在对土 壤无机氮 N O 3 N和N H 4 N 的有效性产生增加 减少或无影响 驱动这些变化的机理被认为是非生 物的 吸附或解吸 或与生物相关的氮转化生物过 程 1 4 4 5 4 6 氮的有效性