利用富氮生物炭降低化肥相关的一氧化二氮排放

《European Journal of Soil Science》：Reducing Nitrous Oxide Emissions Associated With Fertiliser Using Nitrogen Enriched Biochar

　　

农业实践需要在保障粮食产量的同时减少一氧化二氮（N2O）排放。本文中，研究人员探讨了通过将生物炭与矿质氮共同施用或用矿质氮富集生物炭并将其用作肥料来减少排放的可能性。通过在60%、70%和80%的充水孔隙度（WFPS）条件下，对添加生物炭和矿质氮肥料的土壤进行培养实验并测量N2O通量，研究人员考察了不同土壤水分水平下生物炭对施肥相关N2O排放的影响。此外，研究人员还考察了不同生物炭原料和矿质氮施用方法（即矿质氮富集生物炭（浸泡在矿质氮溶液中并干燥的的生物炭）或共同施用的生物炭和矿质氮肥料）的影响。在60% WFPS时，N2O排放可忽略不计；而在80% WFPS时，34天内的平均累积N2O排放量在矿质氮处理中为12.1 μg N2O-N g soil?1，在共同施用生物炭和矿质氮的处理中为9.1 μg N2O-N g soil?1，但差异在统计学上不显著。当施用四种不同原料的生物炭时，它们之间的累积N2O排放量无显著差异，但所有矿质氮富集生物炭的平均累积土壤N2O排放量相较于矿质氮阳性对照显示出显著降低。这些结果表明，利用矿质氮富集生物炭具有减少矿质氮肥料相关N2O排放的潜力。

当前全球约三分之二的一氧化二氮（N₂O）排放源自土壤，其中农业氮肥的大量使用是主要驱动因素。N₂O作为强效温室气体，其产生途径复杂且时空变异性极高，涉及硝化与反硝化等多个微生物过程，使得农田减排极具挑战性。尽管现有研究表明生物炭（Biochar）添加能通过改善土壤通气性、吸附铵态氮（NH₄⁺）和硝态氮（NO₃^?）等机制降低N₂O排放，但生物炭与矿质氮肥料的交互作用，特别是将矿质氮预负载于生物炭基质中形成“富氮生物炭”的减排潜力及机理尚不完全明确。此外，土壤水分作为调控微生物活性的关键因子，其与生物炭的耦合效应仍需深入探究。鉴于此，本研究旨在评估不同水分条件下生物炭与氮肥配施的效果，并对比不同原料来源的富氮生物炭在减缓N₂O排放方面的表现，为开发新型减排肥料提供科学依据。该研究发表于《European Journal of Soil Science》。

为实现上述目标，研究人员设计了两项室内土壤培养实验。第一项实验聚焦于生物炭与土壤水分的交互作用，采用小麦秸秆生物炭与矿质氮共同施用，设置60%、70%和80%三种充水孔隙度（WFPS）梯度。第二项实验则侧重于生物炭原料与氮富集方式的差异，选用小麦秸秆、沼气残渣纤维、木材及活性炭四种原料，分别设置共同施用（X+N）与矿质氮富集（eX）两种处理模式，并在75% WFPS条件下进行培养。研究通过高精度气相色谱监测N₂O与二氧化碳（CO₂）通量，并结合土壤分层采样技术，分析NH₄⁺-N、NO₃^?-N含量及酸碱度（pH）的动态变化，从而系统揭示不同处理下的排放特征与潜在机制。

3 结果

3.1 生物炭与土壤水分交互实验

实验数据显示，土壤水分含量对N₂O排放具有决定性影响。在60% WFPS条件下，各处理间的N₂O排放量均极低，几乎可以忽略不计。相比之下，70%和80% WFPS条件下的累积排放量显著升高。虽然在统计学上未达显著水平，但在高水分条件下，生物炭与矿质氮共同施用（StrawChar+N）表现出降低排放的倾向。具体而言，在80% WFPS培养34天后，单纯矿质氮处理的累积排放量最高（12.1 μg N₂O-N g soil^?1），而StrawChar+N处理降至9.1 μg N₂O-N g soil^?1。此外，StrawChar+N处理在培养结束时土壤中残留的矿质氮比例显著高于单纯施氮处理，暗示生物炭可能通过固持氮素减少了底物有效性。

3.2 生物炭原料与氮富集实验

在恒定75% WFPS条件下，不同原料的生物炭表现各异。虽然单一生物炭处理单独来看并未显著低于无生物炭对照，但当将所有矿质氮富集生物炭（eBiochar）合并分析时，其累积N₂O排放量相比单纯施氮处理显著降低了24%。相反，共同施用生物炭与矿质氮的处理组（Biochar+N）未表现出显著的减排效果。这表明，将矿质氮预先负载到生物炭上（富集处理）是实现减排的关键策略，且该效果在不同原料间具有一致性。

4 讨论

研究结果证实，土壤水分是触发N₂O排放的核心因子，高水分导致的厌氧环境促进了反硝化过程。讨论部分重点分析了富氮生物炭减排的潜在机制：一方面，高比表面积（SSA）的生物炭（如活性炭）能强烈吸附溶解态矿质氮，延缓氮素释放，从而降低反硝化底物的浓度；另一方面，生物炭诱导的土壤pH变化可能抑制了化学反硝化过程。值得注意的是，尽管生物炭常被报道会固定氮素，但本研究中施入生物炭的土壤硝态氮含量反而较高，这说明观察到的减排现象并非源于微生物固持导致作物缺氮，而是更可能与反硝化过程的受阻有关。此外，生物炭的导电表面可能作为电子穿梭体，促进了N₂O向氮气的进一步还原。研究指出，虽然富氮生物炭展现出良好的减排前景，但其长期田间表现及对作物产量的影响仍需进一步验证。

5 结论

综上所述，本研究得出以下核心结论：首先，70%和80%的高土壤水分条件显著加剧了矿质氮及其与生物炭配施处理的N₂O排放，而60%水分下排放极微。其次，在高水分条件下，生物炭与矿质氮共同施用虽表现出减排趋势但未达显著水平；然而，利用多种原料制备的矿质氮富集生物炭（eBiochar）相比单纯施氮对照显著降低了24%的累积排放量，而共同施用方式则无此显著效果。这证明通过特定工艺将矿质氮负载于生物炭上，是开发减排肥料（Reduced Emission Fertilizers）的有效途径。未来研究应着重阐明其微观作用机制，并在大田多元种植体系中优化验证其应用效果。