生物炭對農(nóng)田固碳減排及提高作物產(chǎn)量的研究進(jìn)展

李 詩 周鳳玨

（廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

當(dāng)前，人類面臨的重要挑戰(zhàn)之一是氣候變暖。人類的衣食住行等均可增加大氣溫室氣體含量，造成地表升溫問題。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第6 次評估報告，當(dāng)前二氧化碳、甲烷和氧化亞氮在大氣中的體積分?jǐn)?shù)分別已達(dá)4.10×10-4、1.87×10-6和3.32×10-7，全球地表溫度比1 900年前上升1.09 ℃左右［1］。二氧化碳、甲烷和氧化亞氮作為導(dǎo)致全球變暖的重要因子，明顯受到農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)活動的影響。土壤是主要活躍的碳庫，碳儲量27 000 億t，表層土碳儲量約占全球總量的2/3（1 500 Pg 左右），是大氣碳庫的2 倍［2］。土壤碳庫會以增加大氣二氧化碳、甲烷濃度等多種形式作為碳源進(jìn)入大氣碳庫，造成土壤碳損失和肥力減弱，束縛農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，加劇全球氣候變暖。隨著農(nóng)業(yè)綠色優(yōu)質(zhì)發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)的提出，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的碳排放備受關(guān)注。目前，世界上有120 多個國家制定了“雙碳”目標(biāo)，大多數(shù)國家的“碳中和”指標(biāo)包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的甲烷和氧化亞氮排放量，其極其微小的變化也可能會對全球溫室氣體排放產(chǎn)生一定程度的影響。因此，增加土壤碳庫和減少農(nóng)田溫室氣體減排對排放全球氣候變暖具有重要意義，是“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)過程中亟待解決的問題。

據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2022年我國夏季糧食總產(chǎn)量為14 739萬t，比2021年增加143.4萬t，增長1.00%，實現(xiàn)了自2004年以來的“十八連豐”。但就目前我國國情看來，氣溫上升1 ℃，作物平均產(chǎn)量可能要降低2.58%［3］。在農(nóng)作物栽培中投入化肥、農(nóng)藥等物資是保證作物高產(chǎn)的主要措施，但易產(chǎn)生溫室氣體增排的環(huán)境問題，并影響糧食安全［4］。生物炭是在缺氧條件下利用農(nóng)業(yè)廢棄有機物經(jīng)高溫裂解制成的富碳固體物質(zhì)，性質(zhì)穩(wěn)定，其主要官能團(tuán)是羥基、羧基和苯環(huán)等。因此，生物炭具有可溶性極低、比表面積較大、離子交換力強和孔隙度高等良好特性，能作為作物生長必需元素的有效載體，避免肥料損失，延長肥料有效期。然而，在生物炭類型、施肥量和土壤質(zhì)地等因素綜合作用下，在具體應(yīng)用中農(nóng)田溫室氣體減排成效和作物產(chǎn)量存在一定差異。筆者總結(jié)生物炭在土壤固碳、農(nóng)田溫室氣體排放、作物生長效應(yīng)等方面的影響，以期為農(nóng)田應(yīng)用生物炭實現(xiàn)作物增產(chǎn)、提高土壤固碳效率、充分發(fā)揮農(nóng)田土壤“碳匯”作用提供科學(xué)依據(jù)，服務(wù)于我國的“雙碳”目標(biāo)。

1 生物炭固碳減排潛力與研究趨勢

我國每年的碳排放總量已超過100 億t，約占世界人為碳排放總量的30%［5］。《中華人民共和國氣候變化第三次國家信息通報》表明，農(nóng)業(yè)相關(guān)活動的溫室氣體排放量占我國溫室氣體排放總量的7.9%左右，即8.28 億t 二氧化碳當(dāng)量，氧化亞氮和甲烷的排放量分別達(dá)到4 億t 和3 億t 二氧化碳當(dāng)量以上［6］。植物秸稈資源數(shù)量大且易獲得，將其制成生物炭還田，能促進(jìn)生態(tài)循環(huán)，增強土壤“碳匯”作用，減緩氣候變暖趨勢。同時，生物炭由較多的烷基和高度復(fù)雜扭曲的芳香環(huán)片層合成，含有疏水性脂肪族物質(zhì)、氧化態(tài)碳，施用于土壤后仍能保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，難以被土壤微生物分解利用。生物質(zhì)經(jīng)過高溫裂解后基本上是純碳，因而將生物炭還田相當(dāng)于將碳長期儲存在土壤中，從而減少溫室氣體的排放。學(xué)者早期對生物炭的固碳研究主要集中在制備工藝、生物質(zhì)能源及其治污作用等方面。2017年，多項關(guān)于生物炭的研究引入了大量分析方法，用以定量評估生物炭減排的適用性，生物炭的微觀減排機制愈發(fā)得到關(guān)注。土壤有機碳是生物炭實現(xiàn)其固碳功能的主要因素，土壤微生物和酶活性影響土壤碳循環(huán)。2018年以來，生物炭的研究方向已轉(zhuǎn)為生物炭固碳發(fā)揮的生態(tài)功能和附帶效益，探索生物炭的變化如何影響土壤理化性質(zhì)和微生物活動。

2 生物炭對農(nóng)田土壤的固碳效應(yīng)

2.1 生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響

生物炭還田可改良土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤pH 值等，影響土壤質(zhì)地、作物吸收水肥過程，影響有機質(zhì)轉(zhuǎn)運、土壤呼吸作用。團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單位，能包裹有效分離的微生物或土壤酶，微團(tuán)聚體內(nèi)部通氣不良會降低微生物活性，降低有機碳分解效率。同時，團(tuán)聚體的粉黏粒是固定土壤有機碳的重要成分，生物炭含有的無機礦物質(zhì)可加快土壤顆粒形成質(zhì)地良好的大團(tuán)聚體，有利于有機碳的穩(wěn)固吸附。生物炭可刺激微生物產(chǎn)生菌絲體和膠結(jié)材料，在土壤形成團(tuán)聚體過程中增強有機碳的膠結(jié)作用，增加土壤的靜電斥力和范德瓦耳斯力，提高土壤的內(nèi)部黏結(jié)性和抗破碎性。崔月峰等［7］發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可降低土壤容重，增加土壤透氣性，大量投入生物炭能明顯提高水稻生長后期的土溫與pH 值，但施用少量生物炭則對土溫和pH 值影響較小。楊哲等［8］研究在農(nóng)田休閑期施用生物炭時土壤溫度和土壤熱物理性質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)生物炭能顯著影響深度為0～2.5 cm 的土壤溫度，對5.0～10.0 cm 土層溫度無顯著影響，主要原因是導(dǎo)熱率的降低限制了土壤熱量的傳遞，且增加施炭量時，土壤熱容量、導(dǎo)熱率和熱擴散率隨之下降。

2.2 生物炭對土壤微生物的影響

生物炭主要成分是碳、氫、氧，含碳量高達(dá)70%，可為微生物持續(xù)提供可利用碳源。生物炭具有較大的比表面積和孔隙度，因而可以給土壤微生物生長繁殖提供良好的環(huán)境，能增加土壤中細(xì)菌總豐度，進(jìn)而改變土壤微生物群落。李慧君等［9］發(fā)現(xiàn)，添加生物炭能顯著加速土壤中四環(huán)素的降解，作用效果與生物炭種類、用量和土質(zhì)相關(guān)。土壤酶活性是微生物生長繁殖的主要影響因素。在一定范圍內(nèi)，酶活性越高，微生物越活躍。將生物炭施入土壤能影響碳含量、氮含量、pH 值和陽離子交換量，其富含氮、磷、鉀等必需營養(yǎng)元素，進(jìn)而增加微生物活性和酶活性。姚麗茹等［10］結(jié)合Illumina MiSeq 高通量測序技術(shù)討論了不同生物炭施用量對土壤細(xì)菌群落多樣性和作物生長的影響，發(fā)現(xiàn)隨著生物炭的應(yīng)用，變形菌門和浮霉菌門的相對豐度提高，施用7 a 后可調(diào)節(jié)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物生長。孫再慶等［11］的試驗也證明將秸稈生物炭還田可增加土壤微生物群落多樣性，在水稻不同生長期群落多樣性呈現(xiàn)一定差異，同時土壤中甲基單胞菌屬、紫色非硫細(xì)菌、泉發(fā)菌屬等微生物相對豐度與溫室氣體排放通量顯著相關(guān)。

2.3 生物炭對土壤碳庫的影響

農(nóng)田土壤有機碳源廣泛，主要來源有根際碳沉積作用、動植物殘體、光合作用、微生物固碳及人工投入肥料等。生物炭穩(wěn)定性是影響土壤碳庫的直接因素，在不同類型生物炭和土壤環(huán)境中，生物炭穩(wěn)定性存在差異，存留時間為數(shù)十年甚至上千年，而生物炭的裂解溫度決定其穩(wěn)定性，隨著裂解溫度的升高，降解速度減緩，且施用年限越長，土壤中保留的生物炭越穩(wěn)定。生物炭的降解共有2 個過程：一是生物炭的有效碳成分被土壤微生物吸收分解而生成能量與生長物質(zhì)的生物過程；二是在酸性條件下，生物炭所含的極少部分碳（占總碳含量的5%左右）變成碳酸鹽形式被溶解的非生物過程。生物炭可加速凋落物的分解，從而促進(jìn)植物殘留物向土壤有機碳的轉(zhuǎn)化，利于提高植物根系活力，促進(jìn)根系產(chǎn)生分泌物，從而增加植物根際的碳輸入，增加作物根際生物量。

生物炭所含的碳不僅會影響土壤碳庫，還會改變土壤原始有機碳含量。Wang 等［12］利用Meta 分析21項相關(guān)研究中的若干數(shù)據(jù)，結(jié)果表明施加生物炭可導(dǎo)致土壤原始有機碳的分解速率略有下降。一般情況下，雖然生物炭對土壤有機碳的分解有正向或負(fù)向的激發(fā)作用，但有機碳的增減量仍遠(yuǎn)低于生物炭固碳量。正激發(fā)效應(yīng)機制是生物炭的孔隙度高且含有礦物質(zhì)營養(yǎng)元素，能刺激微生物內(nèi)部周轉(zhuǎn)的同化過程，增加生物量，并伴隨著更多微生物殘體的積累，提高土壤有機碳含量。負(fù)激發(fā)效應(yīng)機制為土壤微生物優(yōu)先利用生物炭的有效有機碳，減少土壤原有有機碳的損失；生物炭含酚類有毒物質(zhì)，能抑制土壤有機碳被微生物分解；生物炭的多孔性和較大比表面積可吸附土壤有機碳，將微生物及其胞外酶與這部分有機碳隔離，進(jìn)而減緩有機碳分解；生物炭可加快土壤形成有機無機結(jié)合體，增強有機碳穩(wěn)定性。雖然生物炭可能會造成土壤有機碳的激發(fā)效應(yīng)，但從長遠(yuǎn)來看，生物炭在土壤有機碳中發(fā)揮了積極作用。魏永霞等［13］研究表明，持續(xù)多年使用生物炭，土壤有機碳含量提高且作物產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定，一定程度上說明農(nóng)田可作為生物炭的巨大儲庫，但作用效果存在一定的異質(zhì)性［14］。多項整合分析結(jié)果表明，施炭后土壤有機碳的增幅在14.3%～101.6%，生物炭通過參與土壤中的生物地球化學(xué)循環(huán)，不僅具有“固碳”作用，而且具有“增加碳匯”和“穩(wěn)定匯”的潛力。

3 生物炭對農(nóng)田土壤的減排效應(yīng)

3.1 生物炭減少土壤氧化亞氮排放的研究進(jìn)展

土壤微生物的硝化作用和反硝化作用會生成氧化亞氮，土壤硝態(tài)氮含量、孔隙度、pH 值和微生物量氮會影響氧化亞氮排放通量。因此，生物炭一般從土壤功能微生物和土壤氮素轉(zhuǎn)化過程兩個方面直接或間接影響氧化亞氮排放，同時生物炭有利改良土壤透氣性，抑制微生物發(fā)生反硝化作用排放氧化亞氮，對黏性土壤具有更好的減排效果。生物炭的應(yīng)用使土壤陽離子交換能力增加，促進(jìn)對銨根離子和硝酸根離子的吸附和土壤固氮，減少硝化和反硝化底物，并抑制氮循環(huán)酶如脲酶、蛋白酶的活性。相反，當(dāng)土壤碳氮比較高（＞10）時，施用生物炭可能通過改變土壤碳氮比來調(diào)節(jié)土壤微生物活性，使農(nóng)田土壤氮氧化物排放量增加。添加生物炭可減弱硝酸鹽和亞硝酸鹽向氧化亞氮的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)氧化亞氮轉(zhuǎn)化成氮氣，從而減少土壤氧化亞氮的排放。趙光昕等［15］認(rèn)為在增加施氮量條件下，配施土壤質(zhì)量15%（W/W）的等量生物炭后，施氮量越大則土壤氧化亞氮的累積排放量越大，其中400 kg/hm2和600 kg/hm2尿素處理下氧化亞氮累積排放量未見明顯差異，但200、400、600 kg/hm2尿素處理下氧化亞氮排放系數(shù)分別為1.33%、1.27%和0.90%，呈現(xiàn)下降趨勢，土壤硝態(tài)氮和微生物量氮含量顯著提高，表明生物炭對土壤氮有一定的吸附和固定作用。宋敏等［16］研究表明，在一定條件下，施用30 t/hm2生物炭能較好抑制土壤氧化亞氮排放。生物炭的老化有助于加速硝化作用生成氧化亞氮，同時抑制氧化亞氮的還原，在一定程度上影響土壤排放氧化亞氮［17］。生物炭在高氮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中具有良好的氧化亞氮減排潛力，若全球農(nóng)田施用生物炭，那么每年最多可減少土壤氧化亞氮排放96萬t 氧化亞氮-氮（等同于全球目前氧化亞氮排放總量的33%）［18］。

3.2 生物炭減少土壤二氧化碳排放的研究進(jìn)展

土壤活性有機碳易發(fā)生礦化、分解和轉(zhuǎn)移，是影響二氧化碳排放的直接因素。生物炭調(diào)節(jié)土壤二氧化碳排放主要有以下幾個途徑。一是生物炭自身給微生物提供碳源維持生長，增加微生物活性與類型，不同程度地促進(jìn)微生物量碳、可溶性有機碳等土壤原有活性有機碳的分解，且可能導(dǎo)致土壤活性有機碳庫的共礦化［19］，影響土壤二氧化碳排放。二是施用生物炭后，土壤pH 值升高，增加細(xì)菌、真菌的比例，改變微生物群落內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強微生物呼吸作用，使其排放更多二氧化碳。呈堿性的生物炭對土壤pH 值的作用效果與土壤緩沖能力相關(guān)，生物炭在pH 值＜5.0的酸性土壤和pH 值＞7.5 的堿性土壤中對二氧化碳排放通量無顯著影響，在pH 值為5.0～6.5 的土壤中呈現(xiàn)顯著的正向激發(fā)效應(yīng)，在pH 值為6.6～7.5 的土壤中表現(xiàn)為負(fù)向激發(fā)效應(yīng)。生物炭的揮發(fā)性成分能促進(jìn)土壤釋放少量二氧化碳。通常情況下，隨著生物炭的碳?xì)浔仍龃?，碳氧比相?yīng)減小，生物炭愈耐熱難降解，有較高穩(wěn)定性。研究表明，不同原材料經(jīng)350 ℃炭化制備的生物炭對土壤二氧化碳排放量的作用效果為蔗渣生物炭＜小麥生物炭＜家禽糞便生物炭。究其原因，應(yīng)該為家禽糞便生物炭的揮發(fā)性物質(zhì)含量高于其他兩種生物炭，增加了土壤脫氫酶的活性，導(dǎo)致微生物活動頻繁，增加土壤二氧化碳排放量；而蔗渣生物炭含較多木質(zhì)素和纖維素，其不能被微生物吸收利用，土壤二氧化碳排放通量較小［20］。也有研究發(fā)現(xiàn)，添加稻秸稈生物炭可顯著抑制水稻紅壤的二氧化碳排放，其中500 ℃熱解制備的稻秸稈生物炭效果最好［21］。

3.3 生物炭減少土壤甲烷排放的研究進(jìn)展

在缺氧條件下，土壤中的產(chǎn)甲烷菌可分解有機物質(zhì)（乙酸、甲基化合物等）產(chǎn)生甲烷，大多數(shù)甲烷將被甲烷氧化細(xì)菌直接消耗，一小部分氣體將排入大氣。生物炭可改變土壤有機質(zhì)含量和理化性質(zhì)，使產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活性受到影響，從而影響甲烷的生成和消耗。此外，土壤緊實度、質(zhì)地和pH 值對甲烷排放也有較大影響。將生物炭施入土壤可增強土壤透氣性，破壞適合產(chǎn)甲烷菌生長的厭氧條件，利于形成好氧環(huán)境，從而抑制甲烷的產(chǎn)生。產(chǎn)甲烷菌生長的最佳pH 值范圍為6.8～7.2，溫度、pH 值和氧氣濃度的急劇變化可能導(dǎo)致厭氧菌停止工作。生物炭呈堿性，其“石灰效應(yīng)”會提高土壤pH 值，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性?，F(xiàn)有生物炭能抑制甲烷排放，主要是因為增加土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌含量，且前者增加比例高于后者。Wu 等［22］研究施用生物炭3 a 后土壤中甲烷氧化菌和產(chǎn)甲烷菌的比例，發(fā)現(xiàn)該比例高于對照處理，說明生物炭老化利于增加甲烷氧化菌總豐度，降低甲烷總排放量。但新鮮原料中的可溶性有機碳含量較高，有利于產(chǎn)甲烷菌的繁殖，從而在短期內(nèi)造成大量甲烷排放。生物炭能吸附土壤中一定的銨根離子，間接增加土壤甲烷的氧化量，減小甲烷凈排放通量。研究表明，在南方熱帶地區(qū)稻菜輪作模式下，早稻后期和晚稻前期甲烷排放較多，但早稻后期甲烷累積排放量顯著低于晚稻前期，大量生物炭投入可有效抑制早稻季節(jié)性的甲烷排放［23］。

4 生物炭對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響研究進(jìn)展

生物炭的理化性質(zhì)對作物生長起到了促進(jìn)作用，對作物產(chǎn)量的影響機制主要有以下幾點。

4.1 直接供給作物生長發(fā)育必需營養(yǎng)元素，增強作物抗病性

生物炭自身含有的養(yǎng)分被作物吸收，用以增加根、莖、葉、籽粒的氮、磷、鉀及可溶性糖含量，增加根系活力和土壤保肥性，增強作物抵抗病原菌病害能力，削弱幼小害蟲繁殖能力，減緩病蟲害的發(fā)生。

4.2 提高光合固碳效率，增強水分利用率

施放生物炭可促進(jìn)作物光合作用，提高作物將大氣中的二氧化碳同化固定的速率。劉慧敏等［24］研究發(fā)現(xiàn)，與對照試驗處理相比，用中等劑量生物炭（50 g/kg）處理谷子幼苗，葉片相對葉綠素含量和凈光合速率分別提高21.01%和167%，同時增加了土壤通氣性，提高了田間持水率，利于根系生長。Huang 等［25］發(fā)現(xiàn)生物炭可通過維持小麥葉片較高的含水量和較低的鈉鉀比值緩解鹽分脅迫，促進(jìn)光合作用和籽粒形成，達(dá)到增產(chǎn)效果。

4.3 減輕重金屬毒害作用

生物炭可提高土壤中有毒元素的穩(wěn)定性，通過吸附、沉淀絡(luò)合、共沉淀和離子交換等多種機制固定鉛、銅、鎘、鎳等可溶性重金屬，使重金屬的生物利用率受到限制。砷是相對穩(wěn)定的元素，但在施用生物炭后仍然可被固定，因此，生物炭稀釋作物中的重金屬方面發(fā)揮了一定的作用。于濱杭等［26］用Meta 分析法將收集的866 對數(shù)據(jù)針對生物炭對我國主糧作物產(chǎn)量的影響及其影響因子進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)與不施用生物炭相比，生物炭可改善主糧農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，并提高產(chǎn)量，平均增產(chǎn)率為8.77%；當(dāng)生物炭的pH值為7～8 時，平均增產(chǎn)率最大，達(dá)到26.49%；生物炭碳氮比＜60 時，平均增產(chǎn)率為13.73%，顯著高于碳氮比≥60 水平。在酸性或中性土壤中施用生物炭可充分發(fā)揮增產(chǎn)效應(yīng)，水稻在生物炭施用量為15～25 t/hm2時平均增產(chǎn)率最高，生物炭的用量能直接影響主糧作物產(chǎn)量。然而，有研究表明，生物炭施用量愈大，作物產(chǎn)量的增長率呈現(xiàn)先增后降趨勢，過度添加生物炭（＞80 t/hm2）將導(dǎo)致作物減產(chǎn)［27］。

5 生物炭研究展望

在農(nóng)田土壤改良、固碳減排和作物增產(chǎn)方面，生物炭作為新型有機肥料具有一定潛力，一般不引起病蟲害。與直接還田、好氧堆肥、厭氧發(fā)酵等利用方式相比，將農(nóng)業(yè)廢棄有機物制備為生物炭能提高有機廢棄資源利用率，負(fù)面影響較小，對我國發(fā)展綠色低碳的集約化農(nóng)業(yè)和實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有積極作用。但我國在制備生物炭時耗能高，原料、工藝流程存在較大差異，小型土窯、柴油桶等簡易工藝易造成制成的生物炭質(zhì)量參差不齊。因此，在大規(guī)模生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)者應(yīng)考慮生物炭的投入成本和施用方法，探索生物炭的測定標(biāo)準(zhǔn)體系和行業(yè)規(guī)范，根據(jù)不同土壤類型建立適宜的生物炭應(yīng)用參考目錄，如生物炭類型、農(nóng)田施用量等。目前，多數(shù)研究采用一次性添加低量或高量生物質(zhì)炭的方式，開展不超過1 a 的室內(nèi)盆栽和小區(qū)試驗；學(xué)者們普遍認(rèn)為生物炭可以增加土壤碳庫。但生物炭對甲烷和氧化亞氮排放的影響存在差異，使用老化生物炭和新鮮生物炭產(chǎn)生的影響也不一致，對微生物和酶活性的作用機制存在研究盲區(qū)，因此，學(xué)者們應(yīng)針對生物炭固碳減排的效果開展長期定位觀察。相關(guān)部門應(yīng)加大對生產(chǎn)者低碳綠色生產(chǎn)理念的宣傳力度，科研單位應(yīng)積極開發(fā)各類生物炭肥料，建立科學(xué)完善的碳排放和碳匯核算體系，建立生物炭固碳減排大數(shù)據(jù)平臺，為“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)提供支撐。