生物炭還田對固碳減排、N2O排放及作物產(chǎn)量的影響研究進展

張燕輝　夏人杰

摘 要：目前人類面臨著人口、資源和環(huán)境三大壓力，如何在解決糧食安全的同時緩解氣候變暖是迫切需要解決的問題。自20世紀90年代“生物炭”概念的提出以來，因其對固碳減排和提高作物產(chǎn)量的潛在利用價值，人們對于把生物炭作為碳封存劑和土壤改良劑利用到土壤中產(chǎn)生了極大的興趣。該文回顧了生物炭的理化性質(zhì)及其還田后在固碳減排中的作用，分析了生物炭在固碳的同時對土壤中N2O的排放和作物產(chǎn)量的影響，簡要探討了目前生物炭研究面臨的挑戰(zhàn)，以期為生物炭產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用推廣提供參考。

關(guān)鍵詞：生物炭；還田；N2O排放；作物產(chǎn)量

中圖分類號 S158 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）10-86-04

Abstract：At present，mankind is faced with the pressures of population，resources and environment.It is very importent for us to figure out how to solve the problem about food security and climate warming at the same time.Since the concept of biochar was first mooted in the 1990s.Because of the potential value of carbon sequestration and crop yield improving，more and more people are interest in using biochar as the agent of carbon sequestration and soil conditioner.This article simply reviews the biochar's physical and chemical properties and its role in carbon sequestration and GHGs emissisons reduction.Biochar effects on soil N2O emission and crop yield are also analyzed.Briefly discusses the biochar research challenges at present，which will provide relevant references for the biochar industrialization and application promotion.

Key words：Biochar；Application；N2O emission；Crop yields

氣候變暖和糧食安全是當前人類所面臨的重大挑戰(zhàn)，已經(jīng)引起各國政府及學(xué)術(shù)界的高度關(guān)切。自1750年工業(yè)革命以來，化石燃料燃燒、森林砍伐、土地利用變化和農(nóng)田管理方式的改變，造成了大氣中溫室氣體濃度（CO2、CH4、N2O）的持續(xù)上升，增加了大氣對逸出輻射的吸收，致使地球表面溫度上升。據(jù)IPCC[1]預(yù)測，2100年全球平均表面溫度較20世紀末上升1.5～4.5℃。氣候變暖導(dǎo)致海平面上升、氣候極端事件增加以及降水格局的變化等，直接或間接對陸地生態(tài)系統(tǒng)（包括糧食生產(chǎn)）產(chǎn)生影響，將對人類生活、經(jīng)濟建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。與此同時，世界人口還在持續(xù)增長，而隨著城市發(fā)展，耕地面積卻在不斷地減少，糧食安全問題也就變得越來越嚴峻。

如何減解氣候變暖趨勢和提高并穩(wěn)定作物產(chǎn)量是人類急需解決的重大問題。生物質(zhì)炭（Biochar）在巴西亞馬遜流域考古中的發(fā)現(xiàn)，使我們看到了同時解決氣候變暖和糧食安全問題的希望。含有生物質(zhì)炭的黑土比臨近對照的土壤生產(chǎn)力高，并且生物質(zhì)炭已存在1 000～1 500a，這一發(fā)現(xiàn)使土壤中添加生物質(zhì)炭的研究迅速成為研究和關(guān)注的熱點[2-3]。一些研究者認為，土壤中添加生物質(zhì)炭不僅可以增加土壤中的碳庫（增加對大氣CO2固持），減緩全球氣候變化，而且能提高全球糧食安全[2]。

1 生物炭的概念及性質(zhì)

生物炭是由英文（Biochar）譯義過來，除了翻譯為生物炭外，也有人譯為生物黑炭、生物質(zhì)炭、生物質(zhì)焦等。生物炭一般定義為：在低氧環(huán)境下，通過高溫裂解將有機質(zhì)如木材、草、玉米秸、動物糞便或其它農(nóng)業(yè)剩余物碳化，是以固定碳元素為目的的炭[4-6]。也有人定義為：生物質(zhì)炭是由植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物，屬于廣義概念上黑碳（Black carbon）的一種類型。而Lehmann等根據(jù)生物炭制造過程中的各項條件以及生物炭的用途對生物炭進行了以下描述：有機質(zhì)在缺氧（或無氧）和相對（較低）溫度條件下進行熱裂解而來的產(chǎn)物，并且是返還到土壤中，以對土壤有改良作用的同時把碳素封到土壤作為主要目的[7]。

目前，生物炭的制造大多是利用高溫分解法，將溫度控制在400～450℃，在缺氧或無氧環(huán)境下對有機質(zhì)進行高溫慢速裂解，得到的產(chǎn)物除生物炭外，還有其他副產(chǎn)物，如裂解氣、木醋液和焦油等[8]。

生物炭由于其高灰分含量而呈堿性，而且隨著生物炭制作時裂解溫度的升高，pH也同時升高[9-10]。生物炭因其多孔性而具有極大的比表面積，其比表面積的增加也與生物炭的制作溫度有關(guān)，溫度越高比表面積越大[11]。隨裂解溫度升高，生物炭持水量減少；生物炭酸性基團減少，堿性基團增加，總官能團減少，官能團密度減少[12]。生物炭添加到土壤中后，隨著生物炭的老化，土壤中的CEC也隨之增加[12]。

2 生物炭還田與固碳減排

氣候系統(tǒng)變暖的主要原因是長生命期的溫室氣體的存在，而人類活動導(dǎo)致以下4種長生命期溫室氣體的排放：CO2、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）和鹵烴（一組含氟、氯或溴的氣體），當排放大于清除過程時，大氣中溫室氣體濃度則增加[1]。由于沒有切實可行的辦法用于大量減少溫室氣體排放，所以增加大氣中溫室氣體清除就顯得尤為重要。而通過生物炭還田來實現(xiàn)固碳減排就是利用生物炭作為碳封存劑把大氣中的CO2固定到土壤有機碳庫（土壤對大氣CO2的固定），因此土壤中添加生物質(zhì)炭也被稱作“負碳”措施。由于生物質(zhì)炭中高度芳香族物質(zhì)含量較高，生物質(zhì)炭比土壤有機碳中非生物質(zhì)炭組分降解速度要慢。土壤中有機物大部分來自植物根系、植物殘體和微生物代謝物，模型研究表明，約90%土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)年數(shù)僅為數(shù)十年到近百年時間[13-14]。而在森林火災(zāi)中產(chǎn)生的生物質(zhì)碳，存留時間可以達到上千年[15]。一些孵化試驗表明，生物質(zhì)炭在土壤中存留時間為數(shù)千年[16-17]，而Major等[18]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭在年均溫26℃的熱帶稀樹草原土壤中也可以存留超過600a?？梢?，生物質(zhì)炭由于其惰性（較高的穩(wěn)定性）特點，可以在土壤中較長時間尺度內(nèi)固持來自大氣中碳。

一些研究表明，亞馬遜黑土在添加生物質(zhì)炭后，可以增加土壤原有有機質(zhì)的穩(wěn)定性[19-20]，因此，非常有可能生物質(zhì)炭通過影響土壤原有碳庫的周轉(zhuǎn)率，增加土壤有機碳庫，但是也有研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭促進了土壤中非生物質(zhì)炭有機質(zhì)的分解[18，21-22]。

3 生物炭還田對土壤N2O排放的影響

N2O作為主要的溫室氣體之一，在百年尺度上其單位質(zhì)量的增溫潛勢是CO2的310倍，對溫室氣體的貢獻率約占5%，未來可能達到10%[1]，而農(nóng)業(yè)又是大氣中N2O濃度增加的主要原因，所以在探討生物炭還田在固碳的同時，也必須考慮其對土壤N2O排放的影響。

土壤中硝化作用和反硝化作用是農(nóng)業(yè)N2O排放產(chǎn)生的主要原因，而其中反硝化作用又被認為是在產(chǎn)生N2O時占有更加重要的地位。農(nóng)業(yè)排放N2O受到的控制因素較多，主要包括NH4+-N、NO3--N，通氣情況（含水情況），土壤質(zhì)地，土壤有機質(zhì)，土壤溫度和pH值等，而這些因素在隨著土壤中加入生物炭，會受到相應(yīng)的影響，從而N2O的排放也受到影響?？偟膩碚f，生物炭主要從以下2個方面影響土壤N2O的排放，一是通過影響土壤中硝化菌和反硝化菌的生命活動，如生物炭通過減少硝化菌和反硝化菌的能源底物，或者創(chuàng)造利于微生物生長的環(huán)境，其他微生物增多導(dǎo)致了硝化菌和反硝化菌的可用氮源減少等；二是通過調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)而影響土壤N2O排放，如通過改變土壤通透性、濕度、pH值等間接影響硝化作用和反硝化作用[23]。不同的生物炭種類、土壤類型和施肥管理方式等對土壤N2O排放的影響也不同。近年來大多數(shù)研究表明，土壤中添加生物炭能夠減少或抑制N2O的產(chǎn)生和排放，如Elizabeth Verhoeven等利用松木木屑和胡桃殼生物炭添加到釀酒葡萄種植地，發(fā)現(xiàn)2種生物炭均增加了N2O的排[24]；Jian Xiang等研究表明添加生物炭略微減少了土壤中N2O的排放[25]；Afeng Zhang等在中國太湖平原水稻田試驗中發(fā)現(xiàn)，添加生物炭顯著降低了N2O的排放[26]。由于生物炭對N2O排放的規(guī)律沒有取得共識，因此需要進一步深入研究。

另一方面，生物炭還田如果可以提高肥料利用率，就可以減少化肥的施用量，從而間接降低因施用大量化肥導(dǎo)致的N2O排放量。Min Huang等研究發(fā)現(xiàn)，在氮肥施用條件下生物炭還田與不施氮肥相比，更能促進產(chǎn)量提升，而且在生物炭促進產(chǎn)量提升和氮肥利用率之間存在緊密聯(lián)系[27]。

4 生物炭還田對作物產(chǎn)量的影響

人口數(shù)量的快速增長和經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對糧食增長的要求越來越高[28]，而在這一問題上，世界農(nóng)業(yè)同時面臨著提高糧食產(chǎn)量和減少溫室氣體排放的挑戰(zhàn)[29]。農(nóng)田作物產(chǎn)量的提高，跟土壤肥力有著必然的聯(lián)系，生物炭還田因為能夠提高土壤有機碳庫存被認為是用于提高土壤肥力和減緩溫室氣體排放的一種極有希望的方法[30-31]。近年來，也經(jīng)常有報道報出利用生物炭還田增加了作物產(chǎn)量，但是根據(jù)實驗的設(shè)置、土壤的質(zhì)地和實驗條件的不同，實驗結(jié)果變動較大[32]，因此弄清楚生物炭還田后是如何促進作物產(chǎn)量增加以及估算出其增產(chǎn)潛力對世界糧食安全有重要作用。

生物炭還田能夠極大的提高土壤中的有機質(zhì)含量，從而改善土壤肥力。大量研究表明，生物炭對土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、容重及團粒結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大影響；而因為生物炭的高孔隙度和極大的比表面積，生物炭也為土壤中微生物提供了量化的生產(chǎn)環(huán)境。隨著生物炭還田對土壤肥力的改善[33]，提高了酸性土壤pH值[34]，土壤陽離子交換量（CEC）[34]，以及提高了土壤微生物活性和營養(yǎng)保持能力[35]，種子發(fā)芽率、植物生長、作物產(chǎn)量得到了極大的提高[36]。如D.Noguera等[37]發(fā)現(xiàn)在添加88t/hm2生物炭到農(nóng)田中時，水稻產(chǎn)量提升了294%；K.C.Uzoma等[38]研究表明在添加30t/hm2生物炭到農(nóng)田中時，玉米產(chǎn)量提高了150%。

5 總結(jié)及展望

總之，通過生物炭還田把空氣中大量的CO2固定到土壤中，對緩解氣候變暖有著巨大潛力，而實際上，在同時面對固碳減排和糧食安全的情況下，生物炭也是少數(shù)甚至唯一的應(yīng)對措施。為了達到這一目的，還必須在提高生物炭的生產(chǎn)技術(shù)，加強生物炭應(yīng)用管理，研究生物炭作用機理上作出努力。

目前生物炭面臨的挑戰(zhàn)主要有：確定哪種類型的生物炭在何種土壤類型中能夠取得最大的生態(tài)經(jīng)濟效益；制定一套對生物炭還田行之有效的管理方式，如對生物炭還田劑量、還田方式等；還有就是開發(fā)生物炭制作技術(shù)和生物炭還田方式的推廣。

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