生物質炭的固碳減排與合理施用

謝祖彬，劉 琦

（1.土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，南京210008；2.南京林業大學林學院，南京210037；3.南方現代林業協同創新中心，南京林業大學，南京210037）

氣候變暖和糧食安全是當前人類所面臨的重大挑戰。自1750 年工業革命以來，化石燃料燃燒、土地利用變化等造成大氣中溫室氣體（CO2、CH4、N2O）濃度持續上升，致使地表溫度升高了0.78 ℃[1]。氣候變暖會導致海平面上升、極端氣候增加、生態系統惡化，給人類的生產和生活帶來重大影響。同時，世界人口持續增長，糧食安全問題也越來越嚴峻[2]。

生物質炭（Biochar）在巴西亞馬孫流域考古中的發現，引起了人們利用生物質炭來解決氣候變化和糧食安全問題的興趣[3]。生物質炭是由動植物生物質（秸稈、木屑、畜禽糞便等）在完全或部分缺氧的條件下經高溫熱解炭化產生的一類高度芳香化的物質，其結構穩定，難以被微生物分解[4]。亞馬孫流域黑土（Terra Preta）有上千年的歷史，在遠古人類活動的影響下，其積累了大量的因不完全燃燒而產生的生物質炭，這種土壤比周邊同樣類型但不含生物質炭的土壤具有更高的肥力和碳含量[5-6]。研究者受此啟示，認為向土壤中添加工業化生產的生物質炭可以快速復制出亞馬孫流域黑土，不僅可以提高土壤碳庫，增加對大氣CO2的固持，而且還能改良土壤，促進作物生產[7]。

土壤是陸地生態系統中碳儲量最大的有機碳庫（1550 Pg），是陸地生物圈植被碳儲量的3倍和大氣圈碳儲量的2 倍[8]。因此，增加全球土壤碳庫在抑制大氣CO2濃度升高和減緩全球氣候變暖具有重要的意義[9]。

傳統的將秸稈等有機物料直接還田的措施對提高土壤碳庫的作用微弱，原因是這些物料分解迅速，并且會增加土壤CH4和N2O 等溫室氣體的排放[10-11]。而將秸稈等生物質轉化后的生物質炭性質穩定，難以分解，可以有效地“鎖”住碳庫，減緩其分解回歸到大氣的速度[12]。鑒于生物質炭潛在的固碳及增產價值，國際上相繼成立了不同的生物質炭研究機構（如International Biochar Initiative），以研究并推廣生物質炭在土壤中的應用。此外，IPCC 也在2014 年的報告中將生物質炭列為一項重要的固碳減排措施[13]。

然而，也有一些科學家發出了質疑，尤其是來自英國、美國等國家的126 個社會團體不久前聯名發表了宣言：《生物質炭，人類、土地和生態系統的新威脅》。他們明確表示反對“生物質炭”，認為其對土地、人類和生態系統構成新的巨大威脅。當前一些反對的觀點包括：（1）亞馬孫流域黑土使貧瘠的土壤變肥沃可能更得益于富含磷元素的骨骼的添加，僅靠生物質炭自身無法做到這一點[14]；（2）工業生物質炭與“亞馬孫黑土”差異很大，“亞馬孫黑土”是土著居民在數百年甚至數千年的時間變遷中創造的，而生物質炭在短期內可能并不能很好地與土壤“融合”，并發揮作用[15]；（3）生物質炭的碳匯作用還不明確，有研究表明生物質炭可能會激發原土壤有機質的分解[16]。

生物質炭措施究竟是熠熠生輝，還是會黯然失色？本文總結了近年來生物質炭對作物生產、土壤碳庫、土壤溫室氣體排放的影響，提出了生物質炭合理施用方案，以期為生物質炭有效實現增產和固碳減排提供科學參考。

1 生物質炭對土壤性質和作物產量的影響

生物質炭對作物產量的影響機制包括3 個方面：（1）pH 效應，生物質炭在酸性土中能提高土壤pH，降低鋁毒[17]；（2）養分效應，生物質炭本身含有一些可利用的養分如P、K、Ca、Mg，能增加土壤肥力和作物養分吸收[18]；（3）結構效應，生物質炭具有多孔結構，能緩解土壤壓實，增加田間持水率，從而利于作物根系的下扎和對水分的吸收[19]。同時，生物質炭具有較大的比表面積，并含有帶負電的官能團，能有效提高低CEC土壤的保肥性[20]。

Jeffery 等[17]基于文獻Meta 分析，研究了生物質炭對作物產量的總體效應，結果表明生物質炭能平均增產13%。然而，針對不同的土壤性質、生物質炭種類、環境條件以及田間管理，生物質炭所發揮的效應有較大差別。如Zhu 等[21]研究發現1%的麥秸生物質炭能顯著提高紅壤玉米產量，但沒有提高潮土、婁土、黑土和紫色土的玉米產量，甚至還會降低產量。Abbasi等[22]觀測到禽糞生物質炭能顯著提高玉米產量，而白三葉草炭則沒有顯著的影響。Asai 等[23]發現生物質炭在干旱并且缺磷的土壤中顯著增加了作物產量。然而，當田間采用充足的養分和水分管理時，生物質炭對作物產量則沒有顯著影響[24-25]。3 種水稻-小麥輪作和3 種小米-小麥輪作土壤連續5 a 土柱試驗表明，稻稈生物質炭能持續提高水稻、小米和小麥產量[26]。Zhang 等[27]的稻麥田間試驗表明，一次性添加的生物質炭（20～40 t·hm-2）在6 a 后仍然能顯著提高水稻和小麥產量。而對于偏堿性的始成土，Wei 等[28]的8 a田間試驗表明生物質炭對小麥和玉米產量沒有顯著影響。Liu 等[29]的Meta 分析表明，生物質炭對作物產量并沒有表現出明顯的年際效應。總體來說，生物質炭在酸性土（pH≤6.5）中能有效地增加作物產量，而在中性或堿性土壤中效果不顯著[25,30]。此外，生物質炭對作物產量的促進作用通常在質地較差（沙土或黏土）或CEC 含量較低的土壤中表現出更好的效果[30]。畜禽糞便生物質炭比秸稈生物質炭或木材生物質炭對作物產量有更大的增幅[30]。隨著生物質炭添加量的增加，作物產量增幅先上升后下降，過量的生物質炭添加（＞80 t·hm-2）會抑制作物產量[30]。

2 生物質炭對土壤碳庫的影響

生物質炭的穩定性是決定生物質炭能否有效提升土壤碳庫的直接因素。在不同的研究中，基于不同的生物質炭種類及環境條件，生物質炭的穩定性有所不同，其半保留時間短則幾十年，長則上千年[31]。Wang 等[32]通過對24 篇文獻中128 個觀測值進行的Meta 分析表明：生物質炭中平均約有3%的部分屬于易降解成分，其半保留時間平均為108 d，其余的97%為難降解成分，其半保留時間平均為556 a，這說明生物質炭中大部分的碳可以作為穩定的碳庫得以保存。通常來說，生物質炭的裂解溫度是決定生物質炭穩定性的重要因素，裂解溫度越高，其降解越慢。同種生物質炭在不同土壤中的降解速率差異不大[33]。

生物質炭降解過程包括非生物過程和生物過程：非生物過程主要指生物質炭中少量的以碳酸鹽形式存在的碳（約占總碳的0.5%）在酸性條件下的溶解；生物過程主要指微生物對生物質炭中可利用的有機碳進行同化以獲取能量和物質[34-35]。Kuzyakov等[36]發現生物質炭中的糖脂（Glycolipids）、磷脂質（Phospholipids）等脂肪族化合物是微生物利用的主要成分；經過3.5 a 的培養，生物質炭中的碳有2.6%被整合到微生物體內，有4.5%被氧化成CO2釋放到大氣中；生物質炭在被微生物降解的過程中，會伴隨著O和H 的增加，C的減少，以及含氧官能團的增加（-COOH、-C=O、-OH）。

生物質炭對土壤碳庫的影響除了其本身保留的碳外，還包括其對土壤原有機碳分解增加或減少的量。Wang 等[32]通過對21 個研究中116 個觀測值的Meta 分析發現，生物質炭對原土壤有機碳的分解速率總體上有微弱降低的趨勢，降幅平均為3.8%。然而，根據具體的生物質炭性質和環境條件的不同，生物質炭對土壤原有機碳的分解表現出不同的效應。一般來說，當使用秸稈生物質炭、快裂解生物質炭或低溫裂解的生物質炭時，土壤原有機碳的降解速率會被抑制，其降幅均在20%左右。而當生物質炭添加到沙性土壤中時，其會促進原土壤有機碳分解，增幅為21%[32]。

生物質炭對土壤有機碳分解產生負激發效應的機制包括：（1）生物質炭中含有一定量的可利用有機碳成分，微生物可能會優先利用這部分碳，從而減少了對原有機碳的分解[37]；（2）生物質炭含有一定量的有毒化合物（酚類），能抑制微生物對有機碳的分解活性[38]；（3）生物質炭豐富的孔隙結構和比表面積對土壤有機質具有包裹和吸附作用，可能會隔離微生物及其產生的胞外酶與受保護的有機碳的接觸，從而降低有機碳的分解[39]；（4）生物質炭促進土壤有機-無機復合體的形成，從而增強土壤有機質的穩定性[40]。而生物質炭對土壤有機碳分解產生正激發效應的原因可能是由于生物質炭的多孔性及其所含的營養元素為微生物的生長繁殖提供了有利的環境，從而增加微生物的數量和活性，促進其對土壤有機碳的礦化分解[16]。

總體來說，即使生物質炭對土壤原有機碳的分解表現出正的或負的激發效應，這部分增加或減少的分解量相比于生物質炭所固持的碳量非常小，如在Luo等[16]的試驗中，盡管芒草生物質炭造成了土壤原有機碳中3.3%的損失量，然而這部分量相比于生物質炭自身所固持的碳量僅為0.6%。因此，生物質炭從增加土壤總碳的角度是有效的。

3 生物質炭對土壤CH4排放的影響

Song 等[41]通過對田間試驗數據的Meta 分析發現生物質炭在旱地中通常會增加CH4氧化，增幅平均為114%，這主要得益于生物質炭增加了土壤孔隙度，有利于好氧環境的形成。而生物質炭在水田中對CH4排放的影響較復雜，通常基于不同的生物質炭和土壤性質而有不同。有研究觀測到生物質炭增加了稻田CH4排放26%～68%[42-43]，其可能的原因包括：（1）生物質炭本身會基于某些特定的裂解條件（如快裂解、低溫裂解）而存在一些易降解的有機碳成分，從而為產甲烷菌提供了底物[43]；（2）生物質炭可能會增加微生物生物量以及活性，從而加速原土壤有機質的分解[44-45]。此外，也有研究發現生物質炭對稻田CH4有抑制作用，其原因是生物質炭不僅增加了產甲烷菌，也增加了甲烷氧化菌，并且對甲烷氧化菌的增高比例顯著高于對產甲烷菌的增高比例，從而降低了CH4排放[46]。也有學者認為由于NH+4和CH4會競爭甲烷氧化菌的生化反應位點，而生物質炭對NH+4有一定的吸附作用[47]，因此，生物質炭會間接地增加CH4的氧化量，從而降低CH4凈排放量[41]。從Meta 分析結果的總趨勢來看，生物質炭對稻田CH4排放有增加的趨勢，增幅平均為19%[41]。將還田的秸稈轉化成生物質炭后再還田，我國每年可減少CH4排放2400萬t CO2-C[48]。

4 生物質炭對土壤N2O排放的影響

Cayuela 等[49]通過數據整合分析發現生物質炭具有降低土壤N2O 排放的潛力，平均降幅約為54%。然而，基于生物質炭制備原料、土壤類型和田間管理方式等條件的不同，其對土壤N2O 排放的效應各異。如畜禽糞便制備的生物質炭對N2O 排放沒有減少作用，而其他植物性材料（如草本和木本）制備的生物質炭能有效減少N2O 排放[50]。生物質炭對強酸性土壤（pH＜5）N2O 減排作用較小，對pH＞5 土壤的N2O 減排作用較大[49-51]。對于水田，生物質炭能有效減少N2O 排放[43]，而對于某些旱地，有研究發現生物質炭反而激發了土壤N2O 排放[52]。當土壤有機碳含量＜5 g· kg-1時，生物質炭施用對N2O 排放沒有顯著影響。制炭溫度＜350 ℃時，生物質炭施用不會顯著影響N2O 排放。隨著生物質炭用量增加，其對N2O 的減排作用增強，并當一次生物質炭用量超過40 t·hm-2時對N2O 的減排作用最大[30]。Liu 等[53]在黃河沉積物發育土壤上進行了5 a 連續施用生物質炭試驗，發現生物質炭在前2 a 對土壤N2O 沒有顯著效果，然而從第3 a 開始顯著降低土壤N2O 排放，降幅在30%以上。Wu 等[54]從施用6 a 生物質炭的試驗田里取出老化生物質炭，并進行了培養試驗，結果表明老化生物質炭能減少堿性土壤中N2O 的產生。但Zhang 等[55]的培養試驗表明，老化生物質炭會顯著提高酸性土壤N2O 排放量的84.8%。

土壤N2O 是土壤氮素硝化和反硝化過程的產物[56-57]，生物質炭會調控微生物活性進而影響土壤N2O 排放。Sánchez-García 等[58]發現生物質炭能增加土壤氨氧化菌的數量，從而促進土壤硝化過程及相應的N2O 產生；而Harter 等[59]發現當土壤中反硝化過程占主導時，生物質炭會增加土壤N2O 還原菌的數量，從而加速N2O 向N2轉化，導致N2O 排放減少。此外，也有研究報道生物質炭在某些土壤類型中會對硝化菌或反硝化菌產生毒副作用，從而抑制N2O 的產生[60-61]。這些研究說明生物質炭對土壤N2O排放的影響一方面取決于土壤功能微生物的響應，另一方面取決于土壤中主導的氮轉化過程。

Liu 等[62]用機器學習隨機森林模型研究表明，生物質炭類型、劑量和氣候帶是控制生物質炭減少N2O排放的關鍵因素，同時實驗室減排效果好于田間效果。如10～20 t·hm-2秸稈炭將平均減少N2O 排放16%，而相應劑量的畜禽糞便炭只減少9%，木炭減少13%。在熱帶、亞熱帶地區生物質炭施用對N2O 的減排作用小于溫帶地區。在高土壤有機碳、高陽離子交換量和高養分土壤上，生物質炭施用能大幅減少N2O排放。全球農田如果施用生物質炭，每年最多可減少N2O 排放96 萬t N2O-N（相當于目前全球農田N2O 排放的33%）[62]。

5 生物質炭的固碳減排方案與合理施用

Matovic 等[63]認為，假設將陸地生態系統凈初級生產力60.6 Gt·a-1（NPP，即增加的植物生物量）的10%作為生物質炭原料，將得到約3 Gt C·a-1的生物質炭（50%的碳保留率），相當于人為碳排放總量（7.2 Pg C·a-1）的42%。但Matovic 等[63]的估算可能過于樂觀，他一方面可能高估了可供應的生物質原料總量，另一方面并沒有綜合考慮生物質炭所產生的其他效應。Woolf 等[31]認為在不影響糧食安全、土地利用及環境污染的前提下，全球可用來制造生物質炭的秸稈量僅為1.0～2.3 Pg C·a-1，轉化為生物質炭后可固持的碳量為0.5～0.9 Pg C·a-1。此外，這些生物質炭所帶來的其他效應（如溫室氣體減排等）又將間接減少0.3～0.5 Pg·a-1的碳。綜合以上考慮，Woolf 等[31]估算的生物質炭固碳潛力每年最多僅能抵消12%的人為碳排放。

Wu 等[64]基于一次性添加生物質炭的6 a 稻麥系統生物質炭試驗，綜合考慮土壤CH4、N2O排放以及土壤碳庫變化，發現添加20～40 t·hm-2的生物質炭能有效降低作物生產過程中土壤的全球增溫潛勢，降幅為30%～50%。Liu 等[65]通過數據整合發現，生物質炭在旱地土壤中對全球增溫潛勢的降低作用平均為41%，遠大于其在水田中的效果（降幅為17%）。然而，Liu等[53]5 a 連續施用生物質炭的試驗表明，如果只考慮土壤溫室氣體排放以及土壤碳庫的變化，生物質炭能有效降低全球增溫潛勢，但如果進一步將生物質炭加工過程中的耗能及其釋放的溫室氣體考慮進來，則生物質炭對全球增溫潛勢的降低作用將大打折扣，且會存在因低效的生物質炭制備過程而增加全球增溫潛勢的風險。

Liu等研究發現生物質炭的固碳效應取決于制炭能耗和裂解氣的回收利用。如果裂解氣不進行回收利用，生物質炭制備過程中排放的溫室氣體導致的增溫效應將大于生物質炭中所有的碳[42]。如果要實現生物質炭施用產生的碳排放強度小于不施生物質炭處理，那么制炭凈能耗必須小于3.4 MJ·kg-1干物料[48]。

我國每年生產秸稈3.25 億t C，其中還田和田間焚燒占30%[66]。如果把還田和田間焚燒的秸稈作為生產生物質炭的有效秸稈資源，則每年可用于制炭的秸稈為0.975億t C。根據400 ℃條件下秸稈碳轉化為生物質炭碳的留存率58.5%計算，可生產生物質炭碳5700 萬t。根據制生物質炭能耗0.007 8 kg CO2-C·kg-1原料、裂解氣碳抵消率0.015 1 kg CO2-C·kg-1原料和100 a 后生物質炭碳穩定率86.3%計算，我國土壤有機碳將每年增加5790萬t C[48]。

Liu 等[62]基于隨機森林機器學習模型，從全球尺度研究了生物質炭對農田作物產量及土壤氮排放（NH3揮發、N2O排放及氮淋溶）效應的空間變異特征。結果表明生物質炭施用需要根據土壤理化性質進行合理匹配，否則會帶來糧食安全隱患或環境風險。對大部分農田，一次性添加＞80 t·hm-2的木材生物質炭或秸稈生物質炭可能會抑制作物產量；一次性添加＞40 t·hm-2的秸稈生物質炭或＞10 t·hm-2的畜禽糞便生物質炭可能會激發土壤氨揮發而造成土壤氮損失增加。盡管生物質炭在熱帶高度風化的土壤中通常能顯著增加作物產量，但由于這些區域具有較弱的pH緩沖能力而容易被高堿性的生物質炭（如秸稈或畜禽糞便生物質炭）引起氨揮發而造成氮損失增加[62]。Liu 等[62]綜合生物質炭效應的空間變異特征，提出了合理施用生物質炭的全球方案建議，即對于低緩沖力土壤（SOC＜1%, pH＜5, 或黏粒含量＞30%），優先使用木材生物質炭，且單次添加量不能大于40 t·hm-2；對于其他土壤，可選用不同類型的生物質炭，但單次添加木材生物質炭不能大于80 t·hm-2，秸稈生物質炭不能大于40 t·hm-2，或畜禽糞便生物質炭不能大于10 t·hm-2；此方案可使全球作物產量平均提升約10 %，同時平均減少全球N2O排放約20%。

總之，生物質炭措施對于糧食增產和固碳減排有一定的潛力，但需以清潔高效的生物質炭制備技術為前提，并根據具體的土壤性質選擇合適的生物質炭類型以及與劑量進行合理的匹配。

6 未來研究方向

根據我們對發表文獻的分析，絕大多數試驗采取一次性添加生物質炭的模式。在時間尺度上，大部分研究沒有超過1 a，2 a 以上的文獻僅占5%。另外生物質炭的固碳減排效應還與生物質炭的生產技術、生物質炭性質和土壤性質有關。在生物質炭大規模推廣運用之前，還需要加強以下幾方面研究：

（1）低耗能循環制炭技術研究。目前大部分的制炭技術能耗都比較高，平均耗能達4.04 MJ·kg-1干給料。而且還有很多采用小土窯、柴油桶、火燒+水澆（蓋土）等極其簡單的工藝制備生物質炭，質量不穩定、二次污染嚴重。現有結果表明生物質炭制備技術影響固碳減排效果，亟需加強生物質炭生產技術研究。

（2）目前已有結果大量來自于短期、一次性、大劑量生物質炭施用試驗，并且一致認為生物質炭能增加土壤碳庫，但對CH4、N2O排放的影響不完全一致。也開展了一些機理方面的研究和少量老化生物質炭的工作，但多年老化生物質炭表現出的結果與新鮮生物質炭不同，亟需加強研究。

（3）生物質炭類型與土壤類型互作研究。生物質炭性質和土壤性質都影響生物質炭的固碳減排效果，目前結果顯示同一種生物質炭在不同土壤上的固碳減排效應不同，不同生物質炭在同一種土壤上的效應也不同，亟需加強比較研究，尤其是連續長期施用效應研究。