“雙碳”背景下生物炭的土壤減排固碳研究進展

摘要：氣候變暖是全球性的環境問題，通過生物炭提高土壤固碳是控制溫室氣體的重要方法之一。生物炭具有性質穩定、含碳量高、比表面積大、孔隙率高等特點，能夠減少土壤溫室其他排放，增強土壤固碳能力，提高土壤利用效率，在緩解溫室效應方面展現出了巨大的潛力。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理及影響因素，展望生物炭在土壤固碳減排領域的未來。

關鍵詞：生物炭；溫室氣體；減排固碳

引言

近年來，氣候變暖已經成為世界性的環境性問題。2019年，聯合國氣候行動峰會提倡，“到2029年減少45%的溫室氣體排放，到2050年實現‘凈零排放’”。2020年，我國提出“碳達峰、碳中和”的工作目標。土壤固碳是指通過結合大氣中已經存在的二氧化碳然后將其轉化為一種穩定的含碳化合物，并將其長期儲存在土壤中，是實現“雙碳”目標的重要途徑之一，被廣泛關注和應用。目前，土壤碳庫碳儲量2.7×104億t，是大氣碳庫的3倍、生物碳庫的4.5倍。據估計，全球1m深土壤含碳量增加0.4%就可以抵消當前CO2的凈排放，因此必須發揮土壤固碳作用，提升碳匯增量。

生物炭由于其特殊的結構和性質，從而將生物質中不穩定的有機碳轉化為穩定生物炭，施入土壤可以提高土壤中碳的含量，改善土壤性質，減少二氧化碳、甲烷和氮氧化物等氣體的產生和排放，是一種有效的固碳減排措施[1]，可有效的實現土壤“碳封存”，達到固碳減排的目的。本文回顧了生物炭的研究歷史，評述生物炭的特性，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理及影響因素，以期在“雙碳”背景下為生物炭應用于土壤減排固碳的進一步研究提供理論基礎和科學依據。

1 生物炭概述

1.1概念

生物炭（Biomass Charcoal，BC）是指農、林業廢棄物（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、藻類等有機廢物，在密閉環境中、無（缺）氧條件下，高溫熱解炭化產生的一種孔隙多、比表面積大、穩定性強、芳香化程度高的黑色蓬松狀富炭固體[2]。早在商朝，我國就有使用生物炭（木炭）的記載，但那時主要用于冶煉或取暖等。近代，對生物炭的研究起于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，多位國際知名生物炭專家自發組織成立了國際生物炭倡議組織，加快了對生物炭在農業環境中的研究。之后，美國、英國、澳大利亞等又陸續進行了實驗和作用機理的研究，并不斷推動生物炭的實踐運用。我國也在此時成立了生物炭網絡中心，研究生物炭還田技術，以期實現生物質資源化高效利用，確保農業可持續發展。

1.2特性

生物炭結構穩定，能夠在很長一段時間內穩定存在于土壤中，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，對微生物的生長有利。另外，生物炭表面含有羧基、酚羥基等官能團和堿性物質，不僅能夠吸附有化合物、無機離子和水，還可以促進吸收營養元素。

2 生物炭在土壤減排固碳中的應用進展

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碳、降低降解土壤有機質酶的活性，抑制微生物對有機碳的礦化作用，減緩土壤二氧化碳排放。據估計，生物炭的礦化率100年也僅有3%～26%，固碳效果無可替代。另外，生物炭能固存碳、減少向環境釋放，形成“負碳效應”。如果把植物廢棄物制成炭，約50%的碳會返回大氣中，約50%的碳會轉化成生物炭，而生物炭中又只有5%左右的碳會被分解返回大氣，使整個循環呈現碳負性。

2.1.2減緩甲烷排放

雖然土壤中的產甲烷菌會增加甲烷排放，但甲烷氧化菌卻會抑制甲烷排放。生物炭由于疏松多孔的結構，施入土壤中后不僅會影響土壤含水量、pH值、有機質含量、氧化還原電位、溫度等理化性質，還會提高土壤透氣性、抑制產甲烷菌的活性和種群豐度、減少甲烷的排放，同時也能夠讓甲烷氧化菌成為土壤中的優勢菌種，加大對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]研究發現，在水稻土壤中添加生物炭可以減少91.2%的甲烷排放。劉玉學等[5]在稻田土壤中施加生物炭，累計減少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，又會通過硝化和反硝化反應轉化為氮氧化物，使得土壤的硝化速率受質地、孔隙度、pH值等影響。而生物炭作為對土壤的理化性質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，減少氮氧化物的產生。另外，生物炭還能夠增強氧化亞氮還原酶活性，使得氮氧化物還原成氮氣，從而降低氮氧化物的排放。

2.2增加土壤碳輸入

相對于溫室氣體減排，土壤固碳是一個相對長時間的過程。生物炭自身含碳較高，易氧化態碳比例低，對碳封存作用極佳。同時，生物炭對作物生長有促進作用，可提高碳利用效率，增加土壤固碳效應。

2.2.1提升碳固存潛力

生物炭的含碳量超過70%，具有高度穩定的芳香環結構，穩定性好，抗物理、化學及生物分解能力強，施用于土壤后可在自然環境中穩定存在數千年，起到固碳增匯的作用。生物炭豐富的孔隙結構、較大的比表面積和一定的礦物質含量可以使其與土壤中的黏土礦物、有機質發生物理、化學固定作用，形成有機-無機復合體，生成更緊密的團聚體。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，減少對碳的礦化，利于碳長期封存。

劉凱傳[6]研究發現，土壤用生物炭處理后，它的淋溶液體積會減少，說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行稻麥輪作2個周期后發現，總有機碳含量增加了50%～101%；SOINNE H等[8]通過施加生物炭田間試驗發現，45cm內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，進行水稻-玉米輪作，發現有機碳含量顯著提高，因此生物炭能提高提高表層土壤的有機碳含量。

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，促進植物生長，更多固定大氣中的二氧化碳。生物炭含有較高的養分，可直接供應植物必需營養元素，提高作物根莖葉及籽粒氮磷鉀含量，促進作物生長。施用生物炭，能提高土壤質量，改善土壤理化性質及生物性狀，促進作物生長；提高植物葉綠素含量與凈光合速率；增加植物根長、根表面積、根體積，提高根系活力以及可溶性糖含量促進作物生長發育；改變根際微生物群落組成，提高有益細菌的生物量、土壤動物數量，減輕蟲害增強對病害的抵抗能力。LIU X Y等[10]研究表明，生物炭能夠增加土壤有機質和營養元素，從而促進植物的生長，提高土壤碳的利用效率。HUANG M Y等[11]認為，對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影響生物炭對土壤減排固碳作用的因素

3.1生物炭性質

不同條件制備的生物炭，其減排固碳作用也不相同。通常來說，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，碳穩定性也越好，固碳減排的效益也越好。AHMAD M等[12]研究發現，越高溫度制度的生物炭含有的穩定性碳越多，這些穩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，穩定性越強，微孔結構越多，固碳效果越好。

由于木質生物炭灰分含量均在10%以下，遠低于秸稈生物炭和污泥等生物炭，且木質生物炭孔隙更為發達，含微孔比例高（60%以上），對碳、氮的吸附能力更強，因此一般認為木質生物炭的固碳效果好于秸稈生物炭和污泥等生物炭。

3.2生物炭施用量和時間

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

生物炭施用初期，外加有機質提高微生物活性，C、N礦化增大，隨后則降低。CYOSS A等[16]將生物炭施入土壤后，發現其對土壤本土有機碳的礦化將由促進轉為抑制；李松等[17]研究表明，當土壤中添加生物炭時，隨著時間的增加，減少氮氧化物釋放的能力增加。因此，生物炭施入土壤時間也是影響固碳效果的重要因素。

3.3土壤性質

SHENG Y Q等[18]發現，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有機質及生物炭的分解，二氧化碳排放量會提高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現，酸性土壤會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、有機碳含量和溫濕度等因素都會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，土壤可礦化態碳含量越高，碳循環周期及穩定性碳含量越低；田間的持水率為70%時，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累計排放量增加4倍以上。因此，溫度、濕度都會影響生物炭施用后土壤的碳礦化作用。

4 建議和展望

4.1推廣生物炭應用

目前，生物炭雖然在溫室氣體減排和農作物增產方面有很大的潛力，但大規模的實踐應用僅在發達國家較多，在發展中國家的應用還較少。據統計，我國每年產生可利用的農林生物質總量為6.05×108 t。如果將浙西生物質轉化成生物炭的形式，我國每年的減排潛力是5.45×108t，固碳潛力為5.32×108 t。因此，需大力推廣生物炭應用，將生物炭減排固碳潛力轉化為實際成效。

4.2明確生物炭調控機理

要使施用生物炭的土壤減排固碳效果達到最佳，就必須知道其調控機理。但由于目前生物炭對土壤CO2、CH4、N2O 等溫室氣體排放影響并不統一，因而對溫室氣體的調控機理尚不完全明確，還需要進一步研究。有部分專家學者認為，添加生物炭對溫室氣體的排放和土壤固碳沒有顯著影響，有時甚至會起相反作用。因此，需進一步開展實驗室分析和田間試驗，明確生物炭對改善土壤理化性質、生物學特性的影響機制。

4.3研究生物炭技術

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，建立生物炭特性數據庫，完善生物炭分類體系，讓使用者可以通過查找原料類型、制備條件等了解生物炭特性，并通過預測生物炭特性，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、生物炭性能等多方面的影響，如果使用不合理，不僅不會實現減排固碳的效果，還會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，針對不同地域、土壤類型、作物等，選擇恰當的生物炭類型、用量和施用時間，實現減排固碳和作物增產的效益最大化。

結語

生物炭是有機廢物經高溫熱解產生的一種具有特殊結構和性質的固體，施入土壤后可提高土壤中碳含量、改善土壤性質，對減少二氧化碳、甲烷和氮氧化物等氣體的產生和排放及增加土壤碳輸入等有十分重要的意義。上述研究通過梳理生物炭施入土壤后的減排固碳機理研究進展、影響生物炭對土壤減排固碳作用的因素，提出了推廣生物炭應用、明確生物炭調控機理、研究生物炭技術、正確使用生物炭等建議和展望，期待能進一步促進土壤減排固碳的能力，為“雙碳”目標早日實現貢獻力量。

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作者簡介

許海超（1987—），男，漢族，浙江臺州人，碩士研究生，高級工程師，主要從事生態環境保護相關工作。

通信作者

楊靜利（1987—），女，漢族，四川南充人，本科，助理工程師，主要從事生態環境保護相關工作。