生物炭助力固碳減排途徑、潛力評估及管理策略

＊宋青 袁楚齊 楊婭丹 梁媛

（1.蘇州科技大學 商學院 蘇州 215000 2.蘇州科技大學 環(huán)境科學與工程學院 蘇州 215000）

1.緒論

2021年10月《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》指出“實現(xiàn)碳達峰、碳中和，黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個大局作出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾?！睂崿F(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略需要“降低碳排放量”和“增加碳匯能力”雙向發(fā)力。生態(tài)系統(tǒng)固碳是實現(xiàn)碳匯的主要途徑?！?030年前碳達峰行動方案》指出要堅持系統(tǒng)觀念，提高生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性，提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯增量。《江蘇省關于推進高質(zhì)量發(fā)展做好碳達峰碳中和工作實施意見》也將“全面構建生態(tài)碳匯鞏固提升體系”作為一項重要內(nèi)容。

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要碳庫，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中占比達到90%以上，約為植被碳庫的3～4倍、大氣碳庫的2～3倍[1]，儲量大和駐留時間長使土壤成為一個巨大的碳庫，對于減緩大氣圈中的碳循環(huán)具有重要作用；同時，土壤有機碳的礦化作用是土壤排放CO2的主要途徑。因此，生物炭施入土壤后，通過提高土壤的有機碳的含量，降低土壤有機碳的礦化作用強度來實現(xiàn)其固碳減排作用。目前已開展了國土空間管制、退化生態(tài)系統(tǒng)恢復等途徑增加生態(tài)固碳，但林地面積增加所產(chǎn)生的碳匯能力難以抵消建設用地增加所帶來的碳源，急需拓展生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯的途徑。生物炭是通過在限氧條件下熱解生物質(zhì)而制備出的可持續(xù)的富含C的熱解產(chǎn)物[2]，可將生物質(zhì)廢棄質(zhì)中可分解碳轉化成高芳香性碳，是一種高效環(huán)保的固碳材料[3]，有效增加土壤單位面積的固碳增匯能力和碳穩(wěn)定性，且并不改變土地本身的種植結構。和傳統(tǒng)的物理固碳技術相比，生物炭固碳技術是一種具有原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低、高效低耗、生態(tài)友好安全、可大面積推廣等顯著特點的碳削減技術。

2.生物炭固碳減排的可行性分析

生物炭被認為是一種有潛力的固碳減排途徑[2]，其固碳技術的本質(zhì)是將生物質(zhì)內(nèi)原本在短時間內(nèi)將降解返還給大氣的碳素以穩(wěn)定的生物炭形式保存下來。生物炭的穩(wěn)定性直接決定著生物炭的固碳效果。生物炭高度碳化且主要由芳香環(huán)結構和烷基成分組成，這種結構特點決定了它比其它來源的母體碳具有更高的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性，具有很強的抵抗微生物的能力。通常情況下，生物質(zhì)中的有機碳基本來源于光合作用向大氣固定的碳，再通過呼吸作用和分解作用以CO2的形式返還給大氣，構成碳循環(huán)[2]；將生物質(zhì)熱裂解為生物炭，可以將其中大部分的碳羧合為穩(wěn)定的芳香碳骨架[4]，從而長時間穩(wěn)定的保留。生物炭的平均停留時間高達幾百至上千年[5]，可溶性極低，溶沸點極高，穩(wěn)定性強，抗物理、化學及生物分解能力強，在長期顯著提高土壤有機碳固存方面表現(xiàn)出巨大的潛力[6]。

在生物質(zhì)熱解之后，約50% C可以保留在生物炭中，并且其中的大約10%將通過氧化或礦化進一步釋放[7]，這部分保留碳可作為碳匯施入農(nóng)田。Liu等[8]研究秸稈炭化還田對土壤固碳能力的影響發(fā)現(xiàn)，施用由秸稈衍生的生物炭還田比普通秸稈還田具有更高的土壤固碳潛力。研究表明，施入8t/ha秸稈生物炭4年后，農(nóng)田中土壤有機碳增長39.7%[9]。有研究表明，如果將我國糧食作物秸稈完全轉化成生物炭可以降低我國的碳排放總量的13.2%[8]。李飛躍等[10]根據(jù)實驗室條件下秸稈轉化為生物炭的產(chǎn)率及碳含量，估算了中國糧食作物秸稈轉化生物炭后固定碳的量，發(fā)現(xiàn)2001—2010年中國糧食作物秸稈轉化生物炭的固碳量平均為0.96×108t，《中華人民共和國氣候變化初始國家信息通報》指出中國1994年CO2凈排放量為26.66×108t（折合碳約7.27×108t）[11]，即若把中國糧食作物秸稈全部轉化為生物炭可減少中國13.2%的碳排放量

生物炭在有效固碳的同時，還可以通過與土壤的相互作用減少土壤CO2的排放。大量的研究證實，添加生物炭可以通過改變土壤結構、聚集體分布、親水性、微生物群落和根系發(fā)育來影響土壤CO2釋放[12-13]，是一種有效減緩氣候變化的途徑。Okimori等[14]表示，采用高溫熱解的方法將作物秸稈殘渣制備成秸稈生物炭，應用于土壤中進行貯存，減少的二氧化碳排放量為2.3×105t。2018年，Ramlow等[15]探究了慢速熱裂解生產(chǎn)的木質(zhì)生物炭對4種不同土壤CO2排放情況的影響，研究結果表明當生物炭投加量為25t/ha時，每年可提供0.58～1.72t CO2/ha的減排量。Woolf等人[16]粗略估算了生物炭的固碳潛力，發(fā)現(xiàn)生物炭每年能固定1.8Pg CO2-C，相當于每年人為排放溫室氣體的12%。

3.生物炭固碳減排潛力分析

生物炭產(chǎn)率和含碳量是體現(xiàn)生物炭固碳減排潛力的關鍵參數(shù)，利用炭產(chǎn)率及含碳量即可估算出生物炭的固碳減排潛力。根據(jù)文獻統(tǒng)計得到的生物炭產(chǎn)率和含碳量以及生物質(zhì)材料的可利用量，王琳[17]使用的利用方程式（1）計算得到，我國每年從作物秸稈、木質(zhì)廢棄物、家禽糞便、污泥和藻類共五大類生物質(zhì)廢棄物生產(chǎn)生物炭可固碳約2.86±0.40億噸碳。利用該方法及方程式計算得到作物秸稈生物質(zhì)的生產(chǎn)固碳潛力值。

式中，P為生物炭固碳每年可抵消CO2排放的潛力（億噸）；Mi為生物質(zhì)每年可利用量（億噸）；Yi為生物炭產(chǎn)率估算值（%）；Ci為生物炭碳含量估算值（%）。

結合查閱相關文獻資料和數(shù)據(jù)，總結估算出我國糧食作物秸稈生物炭產(chǎn)率（表1）和每年生物質(zhì)可利用量（表2），從而用公式（1）估算我國糧食作物秸稈生物炭固碳減排潛力約為4.78×108t。

秸稈可利用量及含碳量是估算秸稈直接還田固碳潛力的關鍵參數(shù)。通過查閱相關資料，總結出2020年中國糧食作物產(chǎn)量（表2）以及秸稈直接還田含碳量（表3）。通過以下公式估算我國糧食作物秸稈直接還田固碳潛力：

表3 糧食作物秸稈直接還田含碳量

式中，P2為秸稈直接還田固碳每年可抵消CO2排放的潛力（億噸）；Mi為農(nóng)用生物質(zhì)每年可利用量（億噸）；C為秸稈還田碳含量估算的平均值（%），假設秸稈直接還田使有機碳固定于土壤中的比例為10%[18]。

根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，通過公式（2）求出我國秸稈直接還田固碳潛力約為0.92×108t/a。同時，生物炭還田固碳減排潛力約為4.78×108t/a，顯著高于作物秸稈直接還田。

表1 糧食作物秸稈可利用量及衍生生物炭產(chǎn)率、含碳量

表2 我國糧食作物秸稈可利用量

4.管理措施

“雙碳”目標的提出,彰顯了我國作為負責任大國在國際社會“應對氣候變化”中的擔當與承諾。而農(nóng)業(yè)碳排放的管理與“雙碳”目標密切相關，總結農(nóng)田土壤固碳減排管理措施，有利于達到固碳減排的目標。

（1）農(nóng)田土地利用結構的合理化?？梢酝ㄟ^合理布局、調(diào)整種植結構、擴大生物炭還田面積及免耕技術應用范圍、注重有機肥與廄肥配施等途徑發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)以實現(xiàn)土壤固碳減排能力進一步提升。

（2）強化農(nóng)田生物固碳減排技術，主要措施為利用原料生產(chǎn)生物炭。生物炭在降低溫室氣體排放、增加農(nóng)田產(chǎn)出等方面顯示了巨大的潛力，可以通過規(guī)?；瘧帽３洲r(nóng)田可持續(xù)發(fā)展。重金屬是農(nóng)田土壤中主要污染物之一，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平不斷提高，大量使用農(nóng)藥、化肥，使得農(nóng)田中重金屬含量增加，生物炭應用于農(nóng)田土壤，可以減少重金屬離子富集，改善土壤品質(zhì)。生物炭的多孔結構，使生物炭吸水、吸氣能力較強，有利于保水保肥。

（3）相對于生物炭單施，生物炭配合其他物質(zhì)施用（如：化肥[22-23]、作物殘余物[24]等）對作物根系活力及土壤理化性質(zhì)有較好的改善作用?；适寝r(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的物質(zhì)，但化肥利用率普遍偏低并且會污染農(nóng)田土壤，生物炭與化肥混合施用，不僅能保持生物炭的原有性能，還可以緩釋肥效，提高化肥利用率，減少化肥用量。

（4）“優(yōu)能減排”。即在優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)能的基礎上，調(diào)整糧食作物的種植結構，采用水肥一體化技術達到農(nóng)田溫室氣體減排[25]。該項技術可根據(jù)農(nóng)作物生長各個階段的養(yǎng)分需要及土壤養(yǎng)分供應情況，把融合在一起的水肥及時，定量，均勻，準確地運至作物根部土壤中，具有節(jié)工，節(jié)水，節(jié)肥，節(jié)藥，高產(chǎn)，高效，優(yōu)質(zhì)，環(huán)保等優(yōu)點。