稻田是重要的溫室氣體排放源，其中甲烷（CH4）排放對(duì)稻田總溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)在75%以上。稻田排放的CH4占到全球CH4排放的12%，減少稻田CH4排放對(duì)減緩全球溫室氣體排放具有重要意義。生物質(zhì)炭是有機(jī)材料在少氧或無氧條件下裂解產(chǎn)生的一類含碳量高、疏松多孔的物質(zhì)。生物質(zhì)炭在農(nóng)田上的施用具有增加土壤碳固持、減少溫室氣體排放、提高土壤肥力和增加作物產(chǎn)量的效果。中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所土壤生態(tài)與環(huán)境課題組基于前期研究發(fā)現(xiàn)，雙季稻田一次性施用生物質(zhì)炭，能夠顯著增加稻田碳儲(chǔ)量，且在四年內(nèi)持續(xù)降低稻田CH4累積排放達(dá)20-51%，并小幅增加水稻產(chǎn)量。然而有關(guān)生物質(zhì)炭降低CH4排放的物理化學(xué)及生物學(xué)機(jī)制卻不清楚。
為闡明生物質(zhì)炭降低CH4的物理化學(xué)機(jī)制，課題組研究人員通過構(gòu)建基于生物地球化學(xué)過程的CH4排放生物物理模型模塊，并將之與水氮管理模型（WNMM）相結(jié)合，較好的模擬了施用生物質(zhì)炭下稻田CH4排放及環(huán)境因子動(dòng)態(tài)。模擬研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用改善了土壤通氣性，提高了土壤氧化還原電位，從而降低了甲烷排放。
針對(duì)生物質(zhì)炭降低CH4排放的微生物學(xué)機(jī)制是否會(huì)隨生物質(zhì)炭的老化而出現(xiàn)改變這一科學(xué)問題，課題組研究人員連續(xù)監(jiān)測(cè)了生物質(zhì)炭施用后4年土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷菌豐度的變化。研究發(fā)現(xiàn)，與不施生物質(zhì)炭的對(duì)照處理相比，生物質(zhì)炭施用第一年，由于生物質(zhì)炭本身的無機(jī)氮和可溶性有機(jī)碳的輸入，土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌豐度均顯著增加，但產(chǎn)甲烷菌/甲烷氧化菌豐度比值下降；生物質(zhì)炭施用后的第2-4年，生物質(zhì)炭處理額外增加的無機(jī)氮和可溶性有機(jī)碳已耗竭，土壤產(chǎn)甲烷菌豐度顯著下降，甲烷氧化菌豐度變化不顯著，而產(chǎn)甲烷菌/甲烷氧化菌豐度比值仍下降。產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)也隨生物質(zhì)炭施用出現(xiàn)了顯著變化。該研究表明生物質(zhì)炭的老化顯著改變土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的豐度及其群落組成，長(zhǎng)期試驗(yàn)表明生物質(zhì)炭施用減排稻田CH4的微生物機(jī)制主要是因?yàn)樯镔|(zhì)炭施用后甲烷氧化菌相較于產(chǎn)甲烷菌其活性未受到抑制，從而使得產(chǎn)甲烷菌/甲烷氧化菌豐度比值下降。這些研究成果的取得，為稻田施用生物質(zhì)炭來進(jìn)行固碳減排提供了科學(xué)依據(jù)。
研究成果發(fā)表在Soil Biology & Biochemistry、Agriculture Ecosystems & Environment和Environmental Pollution。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)資助。
圖1 施用生物質(zhì)炭稻田CH4累積排放
圖2 模型模擬的秸稈和生物質(zhì)炭還田稻田CH4排放
圖3 施用生物質(zhì)炭后四年內(nèi)產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌豐度及其比值的動(dòng)態(tài)變化