生物炭對農田固碳減排及提高作物產量的研究進展

李 詩 周鳳玨

（廣西大學農學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

當前，人類面臨的重要挑戰之一是氣候變暖。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。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第6 次評估報告，當前二氧化碳、甲烷和氧化亞氮在大氣中的體積分數分別已達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致全球變暖的重要因子，明顯受到農業等生產活動的影響。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入大氣碳庫，造成土壤碳損失和肥力減弱，束縛農業生產發展，加劇全球氣候變暖。隨著農業綠色優質發展和“雙碳”目標的提出，傳統農業的碳排放備受關注。目前，世界上有120 多個國家制定了“雙碳”目標，大多數國家的“碳中和”指標包括農業生產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生一定程度的影響。因此，增加土壤碳庫和減少農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”目標實現過程中亟待解決的問題。

據國家統計局數據，2022年我國夏季糧食總產量為14 739萬t，比2021年增加143.4萬t，增長1.00%，實現了自2004年以來的“十八連豐”。但就目前我國國情看來，氣溫上升1 ℃，作物平均產量可能要降低2.58%［3］。在農作物栽培中投入化肥、農藥等物資是保證作物高產的主要措施，但易產生溫室氣體增排的環境問題，并影響糧食安全［4］。生物炭是在缺氧條件下利用農業廢棄有機物經高溫裂解制成的富碳固體物質，性質穩定，其主要官能團是羥基、羧基和苯環等。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、施肥量和土壤質地等因素綜合作用下，在具體應用中農田溫室氣體減排成效和作物產量存在一定差異。筆者總結生物炭在土壤固碳、農田溫室氣體排放、作物生長效應等方面的影響，以期為農田應用生物炭實現作物增產、提高土壤固碳效率、充分發揮農田土壤“碳匯”作用提供科學依據，服務于我國的“雙碳”目標。

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，農業相關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 二氧化碳當量，氧化亞氮和甲烷的排放量分別達到4 億t 和3 億t 二氧化碳當量以上［6］。植物秸稈資源數量大且易獲得，將其制成生物炭還田，能促進生態循環，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雜扭曲的芳香環片層合成，含有疏水性脂肪族物質、氧化態碳，施用于土壤后仍能保持內部結構的穩定，難以被土壤微生物分解利用。生物質經過高溫裂解后基本上是純碳，因而將生物炭還田相當于將碳長期儲存在土壤中，從而減少溫室氣體的排放。學者早期對生物炭的固碳研究主要集中在制備工藝、生物質能源及其治污作用等方面。2017年，多項關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得到關注。土壤有機碳是生物炭實現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。2018年以來，生物炭的研究方向已轉為生物炭固碳發揮的生態功能和附帶效益，探索生物炭的變化如何影響土壤理化性質和微生物活動。

2 生物炭對農田土壤的固碳效應

2.1 生物炭對土壤物理性質的影響

生物炭還田可改良土壤結構、調節土壤pH 值等，影響土壤質地、作物吸收水肥過程，影響有機質轉運、土壤呼吸作用。團聚體是土壤的基本結構單位，能包裹有效分離的微生物或土壤酶，微團聚體內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可加快土壤顆粒形成質地良好的大團聚體，有利于有機碳的穩固吸附。生物炭可刺激微生物產生菌絲體和膠結材料，在土壤形成團聚體過程中增強有機碳的膠結作用，增加土壤的靜電斥力和范德瓦耳斯力，提高土壤的內部黏結性和抗破碎性。崔月峰等［7］發現，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］研究在農田休閑期施用生物炭時土壤溫度和土壤熱物理性質的變化，發現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70%，可為微生物持續提供可利用碳源。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境，能增加土壤中細菌總豐度，進而改變土壤微生物群落。李慧君等［9］發現，添加生物炭能顯著加速土壤中四環素的降解，作用效果與生物炭種類、用量和土質相關。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，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、鉀等必需營養元素，進而增加微生物活性和酶活性。姚麗茹等［10］結合Illumina MiSeq 高通量測序技術討論了不同生物炭施用量對土壤細菌群落多樣性和作物生長的影響，發現隨著生物炭的應用，變形菌門和浮霉菌門的相對豐度提高，施用7 a 后可調節土壤細菌群落結構，促進作物生長。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一定差異，同時土壤中甲基單胞菌屬、紫色非硫細菌、泉發菌屬等微生物相對豐度與溫室氣體排放通量顯著相關。

2.3 生物炭對土壤碳庫的影響

農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境中，生物炭穩定性存在差異，存留時間為數十年甚至上千年，而生物炭的裂解溫度決定其穩定性，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，從而促進植物殘留物向土壤有機碳的轉化，利于提高植物根系活力，促進根系產生分泌物，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項相關研究中的若干數據，結果表明施加生物炭可導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向的激發作用，但有機碳的增減量仍遠低于生物炭固碳量。正激發效應機制是生物炭的孔隙度高且含有礦物質營養元素，能刺激微生物內部周轉的同化過程，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。負激發效應機制為土壤微生物優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，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，進而減緩有機碳分解；生物炭可加快土壤形成有機無機結合體，增強有機碳穩定性。雖然生物炭可能會造成土壤有機碳的激發效應，但從長遠來看，生物炭在土壤有機碳中發揮了積極作用。魏永霞等［13］研究表明，持續多年使用生物炭，土壤有機碳含量提高且作物產量和質量穩定，一定程度上說明農田可作為生物炭的巨大儲庫，但作用效果存在一定的異質性［14］。多項整合分析結果表明，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循環，不僅具有“固碳”作用，而且具有“增加碳匯”和“穩定匯”的潛力。

3 生物炭對農田土壤的減排效應

3.1 生物炭減少土壤氧化亞氮排放的研究進展

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。生物炭的應用使土壤陽離子交換能力增加，促進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，并抑制氮循環酶如脲酶、蛋白酶的活性。相反，當土壤碳氮比較高（＞10）時，施用生物炭可能通過改變土壤碳氮比來調節土壤微生物活性，使農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化，促進氧化亞氮轉化成氮氣，從而減少土壤氧化亞氮的排放。趙光昕等［15］認為在增加施氮量條件下，配施土壤質量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分別為1.33%、1.27%和0.90%，呈現下降趨勢，土壤硝態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］。生物炭在高氮農田生態系統中具有良好的氧化亞氮減排潛力，若全球農田施用生物炭，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展

土壤活性有機碳易發生礦化、分解和轉移，是影響二氧化碳排放的直接因素。生物炭調節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，增加細菌、真菌的比例，改變微生物群落內部結構，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，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 的土壤中呈現顯著的正向激發效應，在pH 值為6.6～7.5 的土壤中表現為負向激發效應。生物炭的揮發性成分能促進土壤釋放少量二氧化碳。通常情況下，隨著生物炭的碳氫比增大，碳氧比相應減小，生物炭愈耐熱難降解，有較高穩定性。研究表明，不同原材料經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，應該為家禽糞便生物炭的揮發性物質含量高于其他兩種生物炭，增加了土壤脫氫酶的活性，導致微生物活動頻繁，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］。也有研究發現，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展

在缺氧條件下，土壤中的產甲烷菌可分解有機物質（乙酸、甲基化合物等）產生甲烷，大多數甲烷將被甲烷氧化細菌直接消耗，一小部分氣體將排入大氣。生物炭可改變土壤有機質含量和理化性質，使產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，破壞適合產甲烷菌生長的厭氧條件，利于形成好氧環境，從而抑制甲烷的產生。產甲烷菌生長的最佳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致厭氧菌停止工作。生物炭呈堿性，其“石灰效應”會提高土壤pH 值，抑制產甲烷菌的活性。現有生物炭能抑制甲烷排放，主要是因為增加土壤產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甲烷菌的比例，發現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，有利于產甲烷菌的繁殖，從而在短期內造成大量甲烷排放。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性的甲烷排放［23］。

4 生物炭對農作物產量的影響研究進展

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

4.1 直接供給作物生長發育必需營養元素，增強作物抗病性

生物炭自身含有的養分被作物吸收，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］研究發現，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］發現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，促進光合作用和籽粒形成，達到增產效果。

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定性，通過吸附、沉淀絡合、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揮了一定的作用。于濱杭等［26］用Meta 分析法將收集的866 對數據針對生物炭對我國主糧作物產量的影響及其影響因子進行定量分析，發現與不施用生物炭相比，生物炭可改善主糧農田土壤理化性質，并提高產量，平均增產率為8.77%；當生物炭的pH值為7～8 時，平均增產率最大，達到26.49%；生物炭碳氮比＜60 時，平均增產率為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揮增產效應，水稻在生物炭施用量為15～25 t/hm2時平均增產率最高，生物炭的用量能直接影響主糧作物產量。然而，有研究表明，生物炭施用量愈大，作物產量的增長率呈現先增后降趨勢，過度添加生物炭（＞80 t/hm2）將導致作物減產［27］。

5 生物炭研究展望

在農田土壤改良、固碳減排和作物增產方面，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、厭氧發酵等利用方式相比，將農業廢棄有機物制備為生物炭能提高有機廢棄資源利用率，負面影響較小，對我國發展綠色低碳的集約化農業和實現“雙碳”目標有積極作用。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量參差不齊。因此，在大規模生產過程中，生產者應考慮生物炭的投入成本和施用方法，探索生物炭的測定標準體系和行業規范，根據不同土壤類型建立適宜的生物炭應用參考目錄，如生物炭類型、農田施用量等。目前，多數研究采用一次性添加低量或高量生物質炭的方式，開展不超過1 a 的室內盆栽和小區試驗；學者們普遍認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，因此，學者們應針對生物炭固碳減排的效果開展長期定位觀察。相關部門應加大對生產者低碳綠色生產理念的宣傳力度，科研單位應積極開發各類生物炭肥料，建立科學完善的碳排放和碳匯核算體系，建立生物炭固碳減排大數據平臺，為“雙碳”目標的實現提供支撐。