“雙碳”背景下生物炭的土壤減排固碳研究進(jìn)展

摘要：氣候變暖是全球性的環(huán)境問(wèn)題，通過(guò)生物炭提高土壤固碳是控制溫室氣體的重要方法之一。生物炭具有性質(zhì)穩(wěn)定、含碳量高、比表面積大、孔隙率高等特點(diǎn)，能夠減少土壤溫室其他排放，增強(qiáng)土壤固碳能力，提高土壤利用效率，在緩解溫室效應(yīng)方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。研究綜合前人研究成果，介紹生物炭的制備方法，評(píng)述生物炭的特性，闡明生物炭在減少溫室氣體排放、增加土壤碳匯方面的作用機(jī)理及影響因素，展望生物炭在土壤固碳減排領(lǐng)域的未來(lái)。

關(guān)鍵詞：生物炭；溫室氣體；減排固碳

引言

近年來(lái)，氣候變暖已經(jīng)成為世界性的環(huán)境性問(wèn)題。2019年，聯(lián)合國(guó)氣候行動(dòng)峰會(huì)提倡，“到2029年減少45%的溫室氣體排放，到2050年實(shí)現(xiàn)‘凈零排放’”。2020年，我國(guó)提出“碳達(dá)峰、碳中和”的工作目標(biāo)。土壤固碳是指通過(guò)結(jié)合大氣中已經(jīng)存在的二氧化碳然后將其轉(zhuǎn)化為一種穩(wěn)定的含碳化合物，并將其長(zhǎng)期儲(chǔ)存在土壤中，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑之一，被廣泛關(guān)注和應(yīng)用。目前，土壤碳庫(kù)碳儲(chǔ)量2.7×104億t，是大氣碳庫(kù)的3倍、生物碳庫(kù)的4.5倍。據(jù)估計(jì)，全球1m深土壤含碳量增加0.4%就可以抵消當(dāng)前CO2的凈排放，因此必須發(fā)揮土壤固碳作用，提升碳匯增量。

生物炭由于其特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從而將生物質(zhì)中不穩(wěn)定的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定生物炭，施入土壤可以提高土壤中碳的含量，改善土壤性質(zhì)，減少二氧化碳、甲烷和氮氧化物等氣體的產(chǎn)生和排放，是一種有效的固碳減排措施[1]，可有效的實(shí)現(xiàn)土壤“碳封存”，達(dá)到固碳減排的目的。本文回顧了生物炭的研究歷史，評(píng)述生物炭的特性，闡明生物炭在減少溫室氣體排放、增加土壤碳匯方面的作用機(jī)理及影響因素，以期在“雙碳”背景下為生物炭應(yīng)用于土壤減排固碳的進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 生物炭概述

1.1概念

生物炭（Biomass Charcoal，BC）是指農(nóng)、林業(yè)廢棄物（秸稈、木屑、木頭、樹枝、落葉）及生物排泄物、城市生活垃圾、河流底泥、市政污泥、藻類等有機(jī)廢物，在密閉環(huán)境中、無(wú)（缺）氧條件下，高溫?zé)峤馓炕a(chǎn)生的一種孔隙多、比表面積大、穩(wěn)定性強(qiáng)、芳香化程度高的黑色蓬松狀富炭固體[2]。早在商朝，我國(guó)就有使用生物炭（木炭）的記載，但那時(shí)主要用于冶煉或取暖等。近代，對(duì)生物炭的研究起于1947年，但到1980年后才逐漸引起人們的重視。2006年，全球首次提出生物炭能夠緩解氣候變化及減少溫室氣體排放。同年，多位國(guó)際知名生物炭專家自發(fā)組織成立了國(guó)際生物炭倡議組織，加快了對(duì)生物炭在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的研究。之后，美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等又陸續(xù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和作用機(jī)理的研究，并不斷推動(dòng)生物炭的實(shí)踐運(yùn)用。我國(guó)也在此時(shí)成立了生物炭網(wǎng)絡(luò)中心，研究生物炭還田技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源化高效利用，確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1.2特性

生物炭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在于土壤中，且含碳量高、表面孔隙多、比表面積大，加入到土壤后能增加土壤的孔隙度和通氣性，提高土壤的保水力，對(duì)微生物的生長(zhǎng)有利。另外，生物炭表面含有羧基、酚羥基等官能團(tuán)和堿性物質(zhì)，不僅能夠吸附有化合物、無(wú)機(jī)離子和水，還可以促進(jìn)吸收營(yíng)養(yǎng)元素。

2 生物炭在土壤減排固碳中的應(yīng)用進(jìn)展

2.1減緩溫室氣體排放

土壤溫室氣體排放量占所有人為活動(dòng)溫室氣體排放量的12%，施用生物炭可以減少土壤溫室氣體排放。

2.1.1減緩二氧化碳排放

生物炭能吸附土壤中可溶性有機(jī)碳、降低降解土壤有機(jī)質(zhì)酶的活性，抑制微生物對(duì)有機(jī)碳的礦化作用，減緩?fù)寥蓝趸寂欧?。?jù)估計(jì)，生物炭的礦化率100年也僅有3%～26%，固碳效果無(wú)可替代。另外，生物炭能固存碳、減少向環(huán)境釋放，形成“負(fù)碳效應(yīng)”。如果把植物廢棄物制成炭，約50%的碳會(huì)返回大氣中，約50%的碳會(huì)轉(zhuǎn)化成生物炭，而生物炭中又只有5%左右的碳會(huì)被分解返回大氣，使整個(gè)循環(huán)呈現(xiàn)碳負(fù)性。

2.1.2減緩甲烷排放

雖然土壤中的產(chǎn)甲烷菌會(huì)增加甲烷排放，但甲烷氧化菌卻會(huì)抑制甲烷排放。生物炭由于疏松多孔的結(jié)構(gòu)，施入土壤中后不僅會(huì)影響土壤含水量、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、氧化還原電位、溫度等理化性質(zhì)，還會(huì)提高土壤透氣性、抑制產(chǎn)甲烷菌的活性和種群豐度、減少甲烷的排放，同時(shí)也能夠讓甲烷氧化菌成為土壤中的優(yōu)勢(shì)菌種，加大對(duì)土壤中甲烷的氧化和吸收。KARHU K等[3]研究表明，在土壤中使用生物炭能減少96%的甲烷排放。LI F等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在水稻土壤中添加生物炭可以減少91.2%的甲烷排放。劉玉學(xué)等[5]在稻田土壤中施加生物炭，累計(jì)減少64.2%～78.5%的甲烷排放。

2.1.3減緩氮氧化物排放

地球中氮氧化物的最主要排放源頭之一是土壤。由于土壤中的氮元素在微生物的作用下，又會(huì)通過(guò)硝化和反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮氧化物，使得土壤的硝化速率受質(zhì)地、孔隙度、pH值等影響。而生物炭作為對(duì)土壤的理化性質(zhì)影響很大的因素之一，可以吸附NH4+和NO3-，從而削弱反硝化菌和酶的活性，抑制反硝化作用，減少氮氧化物的產(chǎn)生。另外，生物炭還能夠增強(qiáng)氧化亞氮還原酶活性，使得氮氧化物還原成氮?dú)猓瑥亩档偷趸锏呐欧拧?/p>

2.2增加土壤碳輸入

相對(duì)于溫室氣體減排，土壤固碳是一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程。生物炭自身含碳較高，易氧化態(tài)碳比例低，對(duì)碳封存作用極佳。同時(shí)，生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，可提高碳利用效率，增加土壤固碳效應(yīng)。

2.2.1提升碳固存潛力

生物炭的含碳量超過(guò)70%，具有高度穩(wěn)定的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，抗物理、化學(xué)及生物分解能力強(qiáng)，施用于土壤后可在自然環(huán)境中穩(wěn)定存在數(shù)千年，起到固碳增匯的作用。生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和一定的礦物質(zhì)含量可以使其與土壤中的黏土礦物、有機(jī)質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)固定作用，形成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體，生成更緊密的團(tuán)聚體。在土壤中施用生物炭可抑制脫氫酶、β-糖苷酶等活性，降低土壤呼吸作用，減少對(duì)碳的礦化，利于碳長(zhǎng)期封存。

劉凱傳[6]研究發(fā)現(xiàn)，土壤用生物炭處理后，它的淋溶液體積會(huì)減少，說(shuō)明更多的碳被固定于土壤中；ZHAO X等[7]在水稻土中施入生物炭進(jìn)行稻麥輪作2個(gè)周期后發(fā)現(xiàn)，總有機(jī)碳含量增加了50%～101%；SOINNE H等[8]通過(guò)施加生物炭田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，45cm內(nèi)黏土土層中的碳含量顯著增加；MEHMOOD I等[9]在土壤中添加3t/hm2生物炭，進(jìn)行水稻-玉米輪作，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳含量顯著提高，因此生物炭能提高提高表層土壤的有機(jī)碳含量。

2.2.2增加碳利用效率

施用生物炭可以提高土壤碳利用效率，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，更多固定大氣中的二氧化碳。生物炭含有較高的養(yǎng)分，可直接供應(yīng)植物必需營(yíng)養(yǎng)元素，提高作物根莖葉及籽粒氮磷鉀含量，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。施用生物炭，能提高土壤質(zhì)量，改善土壤理化性質(zhì)及生物性狀，促進(jìn)作物生長(zhǎng)；提高植物葉綠素含量與凈光合速率；增加植物根長(zhǎng)、根表面積、根體積，提高根系活力以及可溶性糖含量促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育；改變根際微生物群落組成，提高有益細(xì)菌的生物量、土壤動(dòng)物數(shù)量，減輕蟲害增強(qiáng)對(duì)病害的抵抗能力。LIU X Y等[10]研究表明，生物炭能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，提高土壤碳的利用效率。HUANG M Y等[11]認(rèn)為，對(duì)土壤施用生物炭可以提高作物的光合作用速率，將大氣中更多的二氧化碳固定在作物中。

3影響生物炭對(duì)土壤減排固碳作用的因素

3.1生物炭性質(zhì)

不同條件制備的生物炭，其減排固碳作用也不相同。通常來(lái)說(shuō)，熱解溫度越高，生物炭中的芳香族碳含量越高、脂肪族碳含量越低，碳穩(wěn)定性也越好，固碳減排的效益也越好。AHMAD M等[12]研究發(fā)現(xiàn)，越高溫度制度的生物炭含有的穩(wěn)定性碳越多，這些穩(wěn)定性碳能夠在土壤中存在1600年以上。另外，生物炭制備溫度越高，pH值越高，芳香化程度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)，微孔結(jié)構(gòu)越多，固碳效果越好。

由于木質(zhì)生物炭灰分含量均在10%以下，遠(yuǎn)低于秸稈生物炭和污泥等生物炭，且木質(zhì)生物炭孔隙更為發(fā)達(dá)，含微孔比例高（60%以上），對(duì)碳、氮的吸附能力更強(qiáng)，因此一般認(rèn)為木質(zhì)生物炭的固碳效果好于秸稈生物炭和污泥等生物炭。

3.2生物炭施用量和時(shí)間

PANEQUE M等[13]發(fā)現(xiàn)，在土壤中施用的生物炭越多，約有利于作物的生長(zhǎng)，也越有利于固碳；李露等[14]發(fā)現(xiàn)，在水田中施用生物炭量為20t/hm2時(shí)，氮氧化物和甲烷的排放沒有明顯變化，但當(dāng)施用量增加到40t/hm2時(shí)，甲烷的排放量能顯著減少；XU N等[15]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施用量為8%時(shí)，能夠能降低土壤呼吸作用，當(dāng)施用量小于8%時(shí)正好相反。因此，生物炭施用量會(huì)對(duì)溫室氣體排放效果產(chǎn)生影響。

生物炭施用初期，外加有機(jī)質(zhì)提高微生物活性，C、N礦化增大，隨后則降低。CYOSS A等[16]將生物炭施入土壤后，發(fā)現(xiàn)其對(duì)土壤本土有機(jī)碳的礦化將由促進(jìn)轉(zhuǎn)為抑制；李松等[17]研究表明，當(dāng)土壤中添加生物炭時(shí)，隨著時(shí)間的增加，減少氮氧化物釋放的能力增加。因此，生物炭施入土壤時(shí)間也是影響固碳效果的重要因素。

3.3土壤性質(zhì)

SHENG Y Q等[18]發(fā)現(xiàn)，在酸性土壤中施用生物炭比在普通中性土壤中使用更能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)及生物炭的分解，二氧化碳排放量會(huì)提高1.5～3.5倍；LUO X X等[19]分別在酸性、中性、堿性土壤中施用生物炭發(fā)現(xiàn)，酸性土壤會(huì)釋放更多的二氧化碳，固碳潛力低于中性和堿性土壤。因此，土壤的pH值、有機(jī)碳含量和溫濕度等因素都會(huì)影響生物炭減排固碳效果。

SUN J N等[20]研究表明，在同樣施用生物炭條件下，土壤溫度越高，土壤可礦化態(tài)碳含量越高，碳循環(huán)周期及穩(wěn)定性碳含量越低；田間的持水率為70%時(shí)，碳礦化量最高；添加相同生物炭（2%），土壤溫度由4℃增加到16℃，CO2累計(jì)排放量增加4倍以上。因此，溫度、濕度都會(huì)影響生物炭施用后土壤的碳礦化作用。

4 建議和展望

4.1推廣生物炭應(yīng)用

目前，生物炭雖然在溫室氣體減排和農(nóng)作物增產(chǎn)方面有很大的潛力，但大規(guī)模的實(shí)踐應(yīng)用僅在發(fā)達(dá)國(guó)家較多，在發(fā)展中國(guó)家的應(yīng)用還較少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生可利用的農(nóng)林生物質(zhì)總量為6.05×108 t。如果將浙西生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物炭的形式，我國(guó)每年的減排潛力是5.45×108t，固碳潛力為5.32×108 t。因此，需大力推廣生物炭應(yīng)用，將生物炭減排固碳潛力轉(zhuǎn)化為實(shí)際成效。

4.2明確生物炭調(diào)控機(jī)理

要使施用生物炭的土壤減排固碳效果達(dá)到最佳，就必須知道其調(diào)控機(jī)理。但由于目前生物炭對(duì)土壤CO2、CH4、N2O 等溫室氣體排放影響并不統(tǒng)一，因而對(duì)溫室氣體的調(diào)控機(jī)理尚不完全明確，還需要進(jìn)一步研究。有部分專家學(xué)者認(rèn)為，添加生物炭對(duì)溫室氣體的排放和土壤固碳沒有顯著影響，有時(shí)甚至?xí)鹣喾醋饔?。因此，需進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)室分析和田間試驗(yàn)，明確生物炭對(duì)改善土壤理化性質(zhì)、生物學(xué)特性的影響機(jī)制。

4.3研究生物炭技術(shù)

生物炭種類繁多，不同條件制備的生物炭性能不盡相同，因此要加大科研力度，提升生物炭性能。同時(shí)，建立生物炭特性數(shù)據(jù)庫(kù)，完善生物炭分類體系，讓使用者可以通過(guò)查找原料類型、制備條件等了解生物炭特性，并通過(guò)預(yù)測(cè)生物炭特性，估算特定生物炭在減排固碳方面的能力。

4.4正確使用生物炭

施用生物炭的土壤減排固碳效果受氣候條件、土壤理化性質(zhì)、生物炭性能等多方面的影響，如果使用不合理，不僅不會(huì)實(shí)現(xiàn)減排固碳的效果，還會(huì)起反作用增加溫室氣體的排放，因此需研究完善生物炭施用體系，針對(duì)不同地域、土壤類型、作物等，選擇恰當(dāng)?shù)纳锾款愋?、用量和施用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)減排固碳和作物增產(chǎn)的效益最大化。

結(jié)語(yǔ)

生物炭是有機(jī)廢物經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一種具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的固體，施入土壤后可提高土壤中碳含量、改善土壤性質(zhì)，對(duì)減少二氧化碳、甲烷和氮氧化物等氣體的產(chǎn)生和排放及增加土壤碳輸入等有十分重要的意義。上述研究通過(guò)梳理生物炭施入土壤后的減排固碳機(jī)理研究進(jìn)展、影響生物炭對(duì)土壤減排固碳作用的因素，提出了推廣生物炭應(yīng)用、明確生物炭調(diào)控機(jī)理、研究生物炭技術(shù)、正確使用生物炭等建議和展望，期待能進(jìn)一步促進(jìn)土壤減排固碳的能力，為“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。

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作者簡(jiǎn)介

許海超（1987—），男，漢族，浙江臺(tái)州人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)工作。

通信作者

楊靜利（1987—），女，漢族，四川南充人，本科，助理工程師，主要從事生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)工作。