生物炭對土壤有機碳礦化的激發效應及其機理研究進展

什麼是礦化作用

近年來由於生物炭具有碳素穩定性強和孔隙結構發達等特性，其在土壤固碳減排方面的作用研究受到廣泛關注。然而當生物炭進入土壤環境後最終是增加土壤碳的儲存還是促進土壤碳的排放？目前學術界對該問題仍存在爭議。生物炭對土壤有機碳的激發效應及其機理研究有待進一步深入開展。

本文在分析生物炭自身碳素組分和穩定性、孔隙結構及表面形態特徵的基礎上，綜述了新增生物炭對土壤本底有機碳礦化產生激發效應的研究進展，分別闡述了產生正激發和負激發效應（ 即促進和抑制礦化） 的機制機理，認為正激發效應主要是基於生物炭促進土壤微生物活性增強、生物炭中易分解組分的優先礦化以及由此引發的土壤微生物的共代謝作用，而負激發效應主要是基於生物炭內部孔隙結構和外表面對土壤有機質的包封作用和吸附保護作用、生物炭促進土壤有機-無機複合體形成的穩定化作用、生物炭對土壤微生物及其酶活性的抑制作用。最後對今後相關研究方向進行了展望，以期為生物炭在土壤固碳減排方面的應用提供理論依據。

前 言

近年來，關於在農田中施用生物炭以提高土壤肥力並實現土壤固碳的研究受到越來越多的關注。生物炭( biochar ) 是由生物質在限氧條件下經熱解炭化產生的一類高度芳香化難熔性固態物質。由於生物炭特殊的理化性質，其在全球碳生物地球化學迴圈、氣候變化和環境保護中發揮著重要作用。隨著研究的深入，生物炭技術逐漸成為實現固碳減排、環境汙染修復、土壤改良和農林廢棄物處理的一條較為可行的新途徑，併成為環境科學和農林科學研究的熱點。

土壤有機碳是影響土壤肥力和作物產量高低的決定性因子。大量研究表明，新增外源有機碳對土壤本底有機碳礦化具有重要影響。

作為一種富含碳元素、具有高度芳香化結構的新型材料，生物炭對土壤有機碳礦化的影響已經引起有關學者的廣泛關注。一方認為當生物炭進入土壤環境後會持續發揮其生物化學穩定性，因而積極發揮其土壤固碳作用，增加土壤碳的儲存；而另一方針對生物炭促進土壤有機碳礦化的試驗事實，認為這會抵消其自身的固碳效果，因而最終會促進土壤碳的排放。目前學術界對該問題仍存在爭議，眾說紛紜。關於生物炭對土壤本底有機碳礦化影響的研究結論尚不一致，存在促進（ 正激發效應） 、抑制（ 負激發效應） 和無影響的報道。

鑑於生物炭的碳素穩定性和孔隙結構特徵是決定其對土壤有機碳礦化產生激發效應的關鍵因素，本文以生物炭的碳素組分及穩定性、孔隙結構及表面形態特徵等典型特性的分析作為切入點，綜述了生物炭對土壤有機碳礦化產生激發效應的最新研究進展，並深入剖析產生正激發效應和負激發效應的機制機理，以期為生物炭在農田土壤固碳減排方面的科學應用提供理論依據，併為相關研究提供參考。

1 生物炭典型特性分析

1.1生物炭的碳組分及其穩定性

生物炭中的碳素可分為兩部分：(1) 穩定態碳，即難以氧化降解或難以被微生物利用的芳香化碳，佔主要部分；(2) 易分解態碳，即具有異質化學特性、可以直接被土壤微生物分解利用的脂肪族碳和氧化態碳，約佔5% ~ 37%。

以往對生物炭穩定性的研究發現，生物炭具有高度的生物化學和熱穩定性，可在環境中存在數千年。這主要是基於其含有大量的烷氧基和芳基等官能團，芳基碳結構含量高達63% ~ 98。5%，而這些結構都是構成穩定芳香化物質的重要組分。同時，由於其複雜成分中豐富的碳水化合物、長鏈烯烴等有機大分子，具有與土壤中的礦物質形成有機無機複合體的功能活性，兩者結合形成具有物理保護作用的團聚體，從而降低其受到土壤微生物的影響。

土壤團聚體的碳保護能力是土壤發揮其自然固碳潛力的基礎。而生物炭還可以透過提高土壤陽離子交換量來增加土壤團聚體的穩定性。 因此，生物炭自身穩定性以及土壤團聚體的物理保護作用是決定生物炭在土壤中存留時間長短的關鍵因素。

1.2生物炭孔隙結構及表面形態特徵

生物炭孔隙結構發達，其孔徑大小受到原料型別和製備條件的影響。

研究發現，油菜生物炭的孔隙分佈以微孔為主，其總孔容積隨製備溫度的升高呈現先增大後減小的趨勢。300 ~ 600 ℃ 家禽垃圾生物炭的比表面積為2。68~ 5。79 m2·g-1，且隨熱解溫度的升高而增加。而600 ℃竹質生物炭和櫟樹生物炭的比表面積較大，分別為137。7 和154。6 m2·g-1，主要與其發達的微孔結構有關。 生物炭豐富的孔隙度可以增加土壤的通氣效能和持水能力，改善土壤理化性質。同時，其特殊的孔隙結構和巨大的比表面積可以作為微生物生長的載體，進而對土壤微生物的種群丰度和群落結構產生重要影響。 吳偉祥等採用傅立葉變換紅外光譜（ FTIＲ） 對生物炭表面基團進行分析，發現水稻秸稈生物炭含氧官能團和脂肪族C-H 含量隨熱解溫度的升高而逐漸減少，但不同溫度條件下始終存在Si-O 吸收峰，這主要是由於原材料水稻秸稈的Si 含量較高。Lin 等對造紙汙泥生物炭和雞糞生物炭的新鮮樣品及其在土壤中的老化樣品進行掃描電鏡（SEM） 分析，發現兩種老化生物炭樣品表面都附著有土壤礦物質，但礦物種類顯著不同，這說明生物炭會與土壤中的一些有機礦物相互結合形成團聚體，進而發揮其土壤固碳減排等環境效應。

2 生物炭對土壤有機碳礦化的激發效應

2.1生物炭促進土壤有機碳礦化

生物炭自身含有大量的碳元素，因而新增至土壤會改變土壤碳庫的組成和流動轉化。

有研究發現，生物炭進入土壤環境後會促進土壤有機碳和生物炭自身的礦化，產生正激發效應，加速土壤有機碳的損失，致使土壤有機碳含量下降，加劇土壤貧瘠化。Major 等研究表明，新增生物炭后土壤有機碳的礦化作用明顯增強，而這部分礦化釋放的CO2 主要來源於生物炭自身攜帶的易分解態碳。Wardle 等在3 個北方森林中長達10 年的試驗表明，木材生物炭可以促進森林土壤有機碳的分解，這與土壤微生物活性的增強有關。Troy 等研究發現，新增雲杉木質生物炭和水稻秸稈生物炭均能顯著提高土壤微生物的呼吸速率和活性，加快土壤有機質的礦化和CO2 釋放量。 Smith 等利用13C 自然丰度研究新增生物炭對土壤呼吸的影響，證實了生物炭會導致土壤有機碳礦化量的增加。Luo 等發現芒草生物炭對土壤原有機碳的礦化也產生正激發效應。

生物炭產生激發效應的強弱與生物炭的製備條件( 如熱解溫度和升溫速率) 和原料型別有關。

低溫快速熱解生物炭含有較多易降解組分，可為土壤微生物提供更多活性碳源，更容易激發生物炭自身有機碳的礦化作用，釋放更多的CO2，因而其激發效應強於高溫慢速熱解生物炭。 Bruun 等研究發現，快速熱解生物炭在經過65 d 培養後，其自身碳的礦化量（ 5。5%） 顯著大於慢速熱解生物炭（ 2。9%） 。

此外，植物生物質製得生物炭的激發效應強於家禽糞便生物炭。

Zimmerman 等研究表明，250、400 和650 ℃ 3 種溫度條件製得的草本生物炭對土壤有機碳礦化的正激發效應顯著大於橡木生物炭。研究表明，對於不同型別、性質及耕作方式的土壤，新增生物炭均可以產生正激發效應。Singh 等開展了為期5 年的礦化培養試驗，發現生物炭在培養的前2。3 年裡顯著促進黏粒土壤本底有機碳（ 420 mg·g-1 ） 的礦化，即發生正激發效應，且有機碳損失量多達4 ~ 44 mg·g-1 ；但進一步觀察發現，當培養到2。3 年以後，生物炭的正激發效應逐漸減弱，最後土壤有機碳的礦化趨於平穩狀態。Maestrini 等研究了生物炭對不同性質土壤的激發效應隨培養時間的變化情況，也得到類似結論。Hamer 等利用砂質耕地土壤為基質開展新增生物炭與葡萄糖對土壤有機碳礦化的影響試驗，結果表明，玉米秸稈生物炭、黑麥秸稈生物炭和橡木生物炭與土壤的混合均加速了土壤有機碳和生物炭自身的礦化，新增葡萄糖促使橡樹生物炭的礦化量由0。3% ~ 0。8% 提高到0。6%~1。2%，玉米秸稈生物炭也顯著增加了葡萄糖的礦化量。Wang 等研究也表明，新增生物炭使砂質土壤有機碳礦化量增加了28%，這與Farrell 等的研究結果相一致。 此外，Cross 等採用13C 穩定同位素的試驗結果表明，生物炭施入土壤後會促進休耕和耕地土壤中有機碳的礦化作用。

2.2生物炭抑制土壤有機碳礦化

儘管上述研究結果均表明，生物炭對土壤有機碳產生正激發效應，然而也存在相反的報道。

研究發現，生物炭新增至土壤環境後可能會降低土壤有機碳的礦化速率，抑制土壤有機碳的礦化，即產生負激發效應。 Liang 等發現富含生物炭的亞馬遜流域土壤總碳的礦化量要比鄰近對照土壤總碳的礦化量低25。5%，這也表明生物炭對土壤有機質礦化具有抑制作用。Herath 等將玉米秸稈生物炭新增到有機碳含量為4%的淋溶土中，進行為期510 d 的培養試驗，結果顯示生物炭對該土壤有機碳礦化也產生負激發效應。 Purakayastha 等將在400 和600 ℃製備的C3 生物炭（ 稻殼和小麥秸稈） 和C4 （ 玉米秸稈和柳枝稷） 生物炭分別新增到兩種土壤（ 鬆軟土和老成土） 中培養60 d 後，發現600 ℃小麥秸稈生物炭和玉米秸稈生物炭都顯著抑制了本底土壤有機碳的礦化，產生負激發效應，將碳固存在土壤中。

在有其他碳源存在或將生物炭進行改性修飾的條件下，新增生物炭同樣可以抑制土壤有機碳的礦化作用。

Prayogo 等研究發現，在新增和不新增枯枝落葉的條件下，新增2%柳樹生物炭都顯著抑制了土壤的呼吸作用，並使CO2 礦化量分別減少20%和10%。Keith 等向土壤中新增不同溫度製得的桉木生物炭和不同劑量的外源易降解有機物質（ 甘蔗殘渣） ，發現生物炭顯著抑制了土壤的礦化，且該抑制作用隨甘蔗殘渣新增量的增加而更為明顯。Lu 等研究發現，將無機氮修飾的玉米秸稈生物炭新增到華北平原砂壤土中，顯著減少了土壤有機碳的CO2 排放量，這表明新增生物炭對土壤本底有機碳的礦化產生了負激發效應。

生物炭對土壤有機碳礦化的影響，與生物炭自身特性、土壤理化性質及兩者反應時間有關。

一般情況下，生物炭新增至土壤後，在培養前期往往會促進土壤本底有機碳的礦化，這可能是生物炭中不穩定組分的快速降解引起的； 隨著培養時間的延長，生物炭對土壤本底有機碳礦化的激發效應由正激發效應逐漸變為負激發效應，可能是由於生物炭使土壤本底有機碳變得更加穩定的緣故。 Kerré 等將450 ℃玉米秸稈生物炭新增到土壤中進行為期180 d 的室內培養試驗，結果表明，生物炭減少了土壤本底有機碳的礦化，同時促進了土壤團聚體的物理保護作用。 此外， Jones 等採用14C 對土壤有機碳進行長期標記，發現生物炭會顯著抑制土壤本底有機碳的分解，而這部分被抑制的有機碳正好抵消生物炭自身降解所釋放的CO2 。而Naisse 等研究發現，將550 ℃黑麥草生物炭新增到森林土壤中，並未對森林土壤本底有機碳的礦化產生顯著影響。

3 生物炭對土壤有機碳產生激發效應的機制機理

3.1正激發效應產生的機制( 促進礦化 )

土壤有機碳的礦化作用受到土壤微生物的影響，而土壤微生物的活動與土壤理化性質有關。新增生物炭會直接改變土壤的理化性質，並間接影響土壤微生物的生命活動，從而改變土壤碳素流轉。新增生物炭促進土壤有機碳礦化的機制機理主要表現在3 個方面：

(1) 新增生物炭有利於土壤微生物的生長繁殖，促進土壤微生物活性增強，直接引起土壤有機碳礦化的增加。

生物炭發達的孔隙結構可對土壤微生物的生存和棲息起到保護作用，從而有利於土壤微生物的生長和繁殖，並促進其對土壤有機碳的礦化分解，即產生正激發效應。

(2) 生物炭含有的易分解態碳組分可作為碳源優先被土壤微生物利用，從而促進生物炭自身的礦化。

生物炭因其含有易分解態碳而成為補充土壤可利用態有機碳的理想材料，新增至土壤後少部分易分解態碳優先被土壤微生物利用，同化為土壤微生物生物量碳並儲存於微生物體內，因此在培養前期生物炭可促進土壤有機碳的礦化，且土壤呼吸產生的CO2 主要來源於生物炭中易分解態碳。 與高溫生物炭相比，低溫生物炭含有較多易分解態碳，可為土壤微生物提供更多活性碳源，因而更容易激發有機碳的礦化作用，釋放更多CO2 。土壤微生物還可透過酶降解和螯合作用等機制促進生物炭直接降解與利用，即：生物炭可刺激土壤中漆酶等胞外酶活性的增強，使其產生可以促進生物炭降解的產物；生物炭中含有豐富的可利用態金屬離子可與土壤中某些真菌產生的螯合劑形成金屬螯合物，促進生物炭的降解。綜上所述，新增生物炭對土壤有機碳礦化的促進作用主要來源於生物炭自身攜帶的易分解態碳。

(3) 生物炭由於其多孔性及含有多種營養元素而對土壤微生物產生有利影響，由此引發土壤微生物的共代謝作用，促進土壤本底有機碳的分解。

新增生物炭會在短期內為土壤微生物提供一定的外源易分解態碳供其分解利用，並由此促進土壤微生物的共代謝作用，增加土壤微生物生物量和活性，增強土壤呼吸和酶活力，從而顯著增加土壤有機碳的礦化速率，加速土壤本底有機碳的分解，所以在培養初期土壤碳的礦化損失量比較明顯。但隨著時間的延長，土壤微生物共代謝所需外源有機碳的不斷減少可能會導致土壤呼吸作用減弱，生物炭還可能引起土壤有機碳和礦物質的互相作用，進而引起土壤有機碳礦化量的降低，因此生物炭對土壤有機碳的激發效應逐漸趨於穩定化。

3.2負激發效應產生的機制( 抑制礦化 )

新增生物炭對土壤有機碳礦化產生負激發效應的機制機理主要表現在以下3 個方面：

(1) 生物炭內部孔隙結構和外表面對土壤有機質的包封作用和吸附保護作用。

一方面，生物炭具有發達的孔隙結構，可以將土壤有機碳吸附到其孔隙內包裹起來，隔離微生物及其產生的胞外酶與孔隙內有機碳的接觸，可以增加土壤有機碳抵抗微生物降解的穩定性，降低土壤有機碳的礦化速率，這被稱為包封作用；另一方面，生物炭具有豐富的表面形態特徵，可以將土壤有機碳吸附到其外表面上，降低土壤有機碳的可利用性，抑制被吸附有機碳的降解，這被稱為吸附保護作用。生物炭對土壤有機碳的以上兩種作用均可以減少土壤微生物生命活動所需的碳源，最終導致土壤微生物的呼吸作用減弱、土壤有機碳礦化速率的降低以及有機碳的轉化變緩，從而發揮其土壤固碳潛力。

(2) 生物炭促進土壤有機-無機複合體形成的穩定化作用。

生物炭促進土壤有機碳和無機礦物複合體的形成，可以將土壤有機碳穩定起來，從而使其免於被微生物分解利用。生物炭還可以透過對土壤有機碳和礦物質的吸附作用，促進蒙脫石含量豐富的土壤中易分解有機碳與有機-無機複合體的結合，形成新的有機無機複合體和土壤團聚體，進而促進土壤有機碳的穩定化。 此外，土壤複合體和團聚體的形成主要由土壤型別決定，黏粒土壤中含有大量的礦物元素，有利於形成土壤有機碳和無機礦物質複合體，並且外源有機碳的新增會促進複合體的形成從而有助於土壤有機碳的穩定化。

(3) 生物炭對土壤微生物及其酶活性產生抑制作用。

不同原料型別及製備工藝的生物炭性質差異很大，因此其對土壤微生物的影響不盡相同。儘管通常情況下生物炭可為土壤微生物的生長提供碳源，且其發達的孔隙結構可對土壤微生物起到保護作用，但由於原料汙染或製備條件原因，生物炭中可能含有某些有毒有害物質（ 呋喃和酚類化合物等） ，或透過其他某種途徑抑制土壤微生物及其酶活性，進而抑制其對土壤有機碳的礦化作用。此外，在外源有機碳存在的條件下，新增生物炭可增強土壤氮素的固定，從而引起土壤微生物優先利用外源有機碳，降低其對土壤本底有機碳的利用。

4 展 望

生物炭對土壤有機碳的礦化可能同時存在促進和抑制兩種相反的過程，因此產生的激發效應可能是兩種作用的綜合結果。以上的機制機理只是建立在以往研究基礎上的推測分析，相關研究還有待進一步深入開展，提出展望如下：

(1) 對比研究不同穩定性的生物炭對土壤有機碳礦化的激發效應。

對比不同生物炭對土壤碳迴圈過程作用研究結果發現，生物炭對土壤有機碳礦化作用的影響取決於生物炭穩定性的不同。而生物炭的穩定性與原料型別和製備工藝條件密切有關，因此需要系統開展不同原料型別和不同工藝條件製備的生物炭的穩定性研究，制定規範專業的評價標準，並建立其與土壤有機碳礦化之間的相關性，進而揭示激發效應規律。

(2) 充分重視土壤自身因素，因地制宜發揮生物炭固碳減排作用。

生物炭激發效應的正負及其強弱受到土壤本底有機碳含量高低的影響。針對不同地區的不同型別土壤，生物炭的激發效應可能存在較大差異。已有研究證實，水稻秸稈生物炭中碳的累積礦化速率隨土壤總有機碳含量的增加而增加；而對於黏粒礦物豐富的土壤，生物炭新增會促進土壤有機質和礦物結合，形成較為穩定的複合體，削弱土壤有機質的礦化。因此，需要透過因地制宜地開展相關研究合理發揮生物炭的土壤固碳減排功能。

(3) 利用同位素標記與分子生物學技術相結合深入探究相應機理機制。

由於生物炭自身結構中也含有機碳，因此很難就生物炭對土壤有機碳降解轉化的貢獻和影響進行精準的定量檢測。 採用δ13C和14C 同位素標記與分子生物學技術相結合的方法開展生物炭對土壤有機碳礦化的影響研究，有利於進一步闡明生物炭與土壤有機碳之間的相互作用機制。

(4) 綜合考慮自然條件下生物炭-植物根系-土壤有機碳的互動作用。

針對農田和森林生態系統，應考慮生物炭-植物根系-土壤有機碳三種碳源的互動作用，綜合生物炭特性、植物種類、土壤型別等因子系統理解微生物機制，以期更好地探討生物炭的土壤固碳增匯機理。