農田施用生物炭的固碳減排效應及其影響因素綜述

劉天 云菲 蔣偉峰 柳淵博 王馳 馬宇 符云鵬

摘要：全球氣候變暖，土壤肥力下降，農業生產面臨的問題日益嚴峻，如何保障糧食安全已成為人類可持續發展的重要課題之一。生物炭因其碳含量高、穩定性強的特殊性質，已成為多學科領域研究的熱點，將其應用于農業領域也表現出巨大的潛力，可在減少溫室氣體排放的同時培育土壤碳庫、改善土壤理化性質及生物學特性，進而提高作物產質量，取得較高的生態環境效益。本文在前人大量研究的基礎上總結了生物炭在農業生產上的應用，系統歸納分析了生物炭固碳減排的作用機理及影響因素，提出了適用于農田土壤固碳減排的生物炭制備原料、制備溫度、施用量，在未來發展方向上，需要進一步優化炭化技術、加強生物質炭性質與土壤類型互作對固碳減排的研究。

關鍵詞：生物炭;固碳減排;作物生產力;機制;農田

中圖分類號：S181 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）18-0007-07

收稿日期：2021-05-21

基金項目：河南省自然科學基金青年科學基金（編號：212300410160）;中國煙草總公司河南省公司科技項目（編號：2020410000270020）;河南省煙草公司濟源市公司項目（編號：2020410881240045）。

作者簡介：劉 天，男，河南鶴壁人，碩士研究生，主要從事煙草栽培生理生化研究。E-mail：13213249209@163.com。

通信作者：云 菲，博士，講師，主要從事煙草栽培生理生態研究，E-mail：yunfeifei55@126.com;符云鵬，博士，教授，主要從事煙草栽培生理生化研究，E-mail：ypfu@163.com。

溫室氣體排放是當前農業生產亟需解決的問題之一，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第5次評估會議報告上指出，2007—2016年的10年間，用于農林業的土地貢獻了全球約13%的CO2、44%的CH4、82%的氮氧化物排放，約占全球溫室氣體排放的23%，若不加以控制，截至到21世紀末，全球地表平均氣溫將上升0.3～4.8 ℃[1]。持續升溫導致的氣候變化總體上將造成糧食減產及環境惡化。就我國而言，氣溫每上升1 ℃，平均作物產量將降低2.58%[2]。這對我國糧食安全提出了巨大挑戰。土壤碳庫是最活躍的碳庫，碳儲量高達27 000億t，受人為因素影響最大，任何微小的變化都會對全球溫室氣體排放產生巨大的影響。因此，農業土壤固碳減排成為全球氣候變化研究熱點之一。近年來，由于生物炭特殊的結構和性質，用途廣泛，已成為多學科領域研究的熱點。生物炭指的是農林業廢棄物等生物質在無氧或限氧條件下通過熱化學轉化得到的固態產物，可以單獨或者作為添加劑混合使用，能夠培育改良土壤、提高資源利用率、避免一定的環境污染，同時也是溫室氣體減排的一種有效手段。生物炭應用于農業以達到固碳減排，已成為人們的廣泛共識。本試驗在前人大量研究的基礎上，歸納總結了生物炭在農田固碳減排上的應用，系統分析了生物炭的作用機理及影響因素，以期為生物炭的推廣應用奠定理論依據。

1 生物炭的固碳減排潛力

引起溫室效應的溫室氣體主要是CO2、CH4、N2O，其對溫室效應的貢獻率高達80%[3]。農業源土壤溫室氣體排放量占全球人為活動溫室氣體排放量的12%，貢獻了約39%的CH4、78%的N2O[1]。王紹強等基于全國第2次土壤普查數據，估算中國平均土壤有機碳儲量約為92.418 Pg，低于世界平均水平[4]。有數據顯示，廣東省與湖北省的表層土壤有機碳含量分別為0.41、0.385 Pg[5-6]。提高土壤有機碳固存，既可降低CO2排放量，緩解溫室效應，亦可培育土壤提高土壤肥力，促進作物生長，提高作物產質量。

生物炭（biochar）通常指由木材、農作物廢棄物、植物落葉等廢棄物在缺氧或有限氧氣供應、溫度低于700 ℃條件下熱解形成的產物，常見的生物炭包括秸稈炭、木炭、玉米芯炭、竹炭等。用于制備生物炭的原料為農林業廢棄物等生物質，我國秸稈生物質資源豐富，據不完全統計，我國可利用的秸稈資源產量約為9 億t/年[7]。用于制備生物炭的原料通常為水稻、小麥、玉米秸稈，其產量約為2.3 億、1.7 億、3.9 億t/年[8]。據估算，因燃燒導致的碳排放約為4.77×107 t/年[9]。生物炭由于其碳架結構穩定，難以分解的特性，可應用于農田土壤中直接形成碳匯。生物炭施入土壤表現出負向激發效應，進而降低土壤CO2排放，并可通過多種機制顯著降低土壤N2O排放。生物炭已經成為以返還農田提升耕地質量、實現碳封存為主要應用方向的富碳固體產物。

2 生物炭的固碳減排效果

農田應用生物炭已被廣泛接受為增強土壤碳匯的碳固存手段，且其針對氣候變化也表現出積極影響（圖1）。Soinne等通過田間試驗研究了生物炭對黏土碳儲存的短期影響，結果顯示，0～45 cm土層中碳含量顯著增加[10]。Mehmood等在稻玉輪作系統中，添加3 000 kg/（hm2·年）生物炭（以C計），結果顯示添加生物炭處理顯著提高有機碳（SOC）含量[11]。這可能是因為穩定性較強的生物炭限制了C的礦化作用且生物炭可以增加小團聚體中芳香族碳化合物的比例，使其對分解更為穩定。Wang等認為，生物炭引起的微生物群落結構變化可能會降低碳水化合物（葡萄糖、纖維二糖和D-木糖）的微生物利用，從而抑制植物生長階段的土壤SOC礦化[12]。Ge等在亞熱帶毛竹林中開展生物炭添加試驗，施用5 t/hm2生物炭顯著降低了土壤呼吸速率，CO2排放量平均降低19.9%[13]。Qi等使用Arrhenius方程評估了生物炭對溫室氣體排放的影響，認為土壤CH4和CO2排放受土壤溫度、SOC、可溶性有機碳（DOC）和微生物量碳（MBC）的影響，水稻生長季添加生物炭處理與常規施肥相比，通過降低其活化能（Ea）減少CO2和N2O排放;生菜生長季顯著減少55.2%～72.9%的N2O累計排放量[14]。Wang等認為，生物炭添加分別顯著降低酸性茶土CO2和N2O排放量7.2%～9.3%和36.3%～44.2%[15]。Wu等在稻麥輪作系統開展為期6年的田間試驗，生物炭導致CH4和N2O排放量分別顯著減少11.2%～17.5%和19.5%～26.3%，并進一步進行薈萃分析，分析顯示，在各種復雜土壤環境下，田間生物炭改良劑可分別顯著降低CH4和N2O排放量9.3%和18.7%[16]。

由于生物炭的種類、制備材料與條件以及農田土壤類型不同，也有研究表明，生物炭對溫室氣體排放無影響或促進其排放。生物炭施入農田土壤在一定情況下促進土壤碳礦化，這可能是因為：低溫條件制備的生物炭可提高土壤中易氧化有機質含量，且生物炭促進土壤有機質轉化為可溶性有機碳[17]。陳靜等研究發現，施加4、8 t/hm2生物炭較常規施肥CH4年排放量分別增加76.38%和7323%[18]。生物炭含有的可溶性有機碳為產甲烷菌提供了反應底物;微生物消耗土壤氧，氧化還原電位降低，為產甲烷菌活動創造了適宜的環境條件，進而增強了產甲烷菌群活性。國內外學者就生物炭施用對農田土壤N2O排放的影響存在爭議，有學者認為生物炭并不影響N2O排放或促進排放[19-20]。生物炭原料來源對N2O排放有一定影響，糞便制備的生物炭會增加N2O排放量[21]。Ji等認為，土壤N2O排放對生物炭改良的不同反應可能取決于土壤微生物功能基因的豐度和非生物特性，添加生物炭土壤中驅動硝化作用的AOB基因豐度增加，硝化速率受刺激使得添加生物炭的水稻土壤N2O排放增加[22]。

3 生物炭的固碳減排機制

土壤碳含量對糧食安全、生態系統功能和環境健康非常重要。農田施用生物炭可以很好地起到固碳減排的作用[23-24]。一方面表示生物炭穩定固持在土壤中形成碳匯，影響土壤碳氮轉化過程，且對作物生長起到一定促進作用;另一方面降低溫室氣體排放，其作用機制主要有以下幾點。

3.1 生物炭特性及對土壤碳礦化的影響

將秸稈等廢棄生物質制成生物炭，可減少因燃燒、廢棄等措施導致碳的損失及溫室氣體的排放。生物炭中的碳元素含量極高，一般大于60%，且其主要以高度穩定的芳香環不規則疊層堆積存在。由于生物炭含有大量碳，且其本身的性質如低可溶性、高熔沸點、強穩定性，生物炭施用于農田后抗物理、化學及生物分解能力強，可在自然環境中穩定存在數千年[25]，表現出固碳減排。其豐富的孔隙結構與較大的比表面積可以改善土壤持水性，降低土壤容重。施加生物炭可有效促進土壤團聚體的生成并增強其穩定性，有利于農田土壤碳固持。農田耕地土壤中有機碳的固存受植株殘體輸入與土壤微生物碳礦化之間的平衡控制。有學者認為[26]，由于其吸附和生化行為，向土壤中添加生物炭可抑制土壤有機碳的礦化。添加生物炭不僅增加了土壤中有機碳含量，且可通過激發效應影響原土有機碳的礦化。Kan等在冬小麥—夏玉米輪作體系中添加生物炭，研究發現，添加生物炭可將年平均SOC封存率提高31.8%～47.8%，中低添加量[1.8～3.6 Mg/（hm2·年）]的生物炭最有利于華北平原土壤固碳[27]。

3.2 生物炭促進作物生長

生物炭本身的結構特征與理化性質使其施入土壤后對土壤理化性質和生物學特性產生一定影響，起到土壤改良的作用[28-29]，進而提高土壤碳利用效率，將土壤中的碳固定在作物中，提高作物產量。也有研究表明，施用生物炭可提高植物光合速率，促進光合碳同化，將大氣中CO2更多地固定在作物中[30]。生物炭應用于農田對多種農作物表現出提質增產的效應[30-35]（表1）。生物炭對作物生長的促進機制包括：（1）提高作物光合特性，為促進作物生長發育奠定良好基礎。Abideen等研究發現，0.75%的生物炭添加量可顯著提高干旱環境生長的蘆葦葉綠素含量與凈光合速率，植物具有較高的光系統Ⅱ效率且抗氧化防御系統的活力得到激活，進而使其氧化應激水平降低[36]。（2）增加根長、根表面積、根體積，提高根系活力以及可溶性糖含量。通過改善根系形態，提高根系活力促進作物生長發育[34]。（3）生物炭對植物必需營養元素（N、P、K、Ca、Mg）的直接供應[37]，可以提高作物根莖葉及籽粒氮磷鉀含量。（4）可以提高水分利用率，尤其是在干旱和半干旱地區，Huang等將生物炭應用于鹽水灌溉條件下的小麥生產，生物炭可以通過維持較高的葉片含水量和較低的Na+/Ka+的值緩解鹽脅迫，進一步增強光合作用，有利于籽粒形成、提高產量[30]。（5）生物炭可以提高植物對多種真菌和細菌等病原菌引起的植物病害的抵抗能力[38]，降低幼蟲存活率、孵化率及繁殖力，進而減輕蟲害[39]。（6）提高土壤中重金屬等毒性元素的穩定性，降低其生物可用性，減輕重金屬毒害[40];減少作物中重金屬含量，一方面通過吸附、沉淀絡合、共沉淀和離子交換多種機制固定土壤中重金屬，另一方面對作物具有一定增產效果，提高籽粒產量[34]，進而對作物體內重金屬起到一定稀釋作用。

3.3 生物炭控制溫室氣體排放

農田添加生物炭可控制溫室氣體排放（表2），主要表現在：（1）由于“負碳效應”[41]，生物炭固存可大量減少向環境中釋放的碳。（2）施用生物炭減少農田CH4排放。這可能因為生物炭制備過程中在一定的溫度范圍內其比表面積隨熱解溫度升高而增大[42]，孔隙縮小，開孔增多，抑制產甲烷菌活性[43];生物炭一般呈堿性，升高土壤pH值，引起土壤性質改變降低CH4排放;生物炭中存在氧自由基及有毒物質，可能會導致CH4排放降低。（3）降低N2O排放量。生物炭中的碳元素含量極高，一般≥60%[44]。施用生物炭減少化肥尤其是氮肥的施用，因而降低N2O排放;pH值變化影響反硝化過程中N2O向N2的轉化[45];改變土壤微生物的豐度，尤其是提高了參與反硝化作用微生物的生長與活性;對NH+4、NO-3的吸附性增強。

4 影響生物炭固碳減排的主要因素

施加生物炭在固碳減排表現出巨大的潛力，添加生物炭的效果受生物炭的制備材料及溫度、施用量、施用方式、施用年限、土壤因素等的影響。

4.1 生物炭的制備材料及溫度對固碳減排的影響

不同原料制備的生物炭固碳減排效益大體表現為木質生物炭>秸稈生物炭>污泥、糞便生物炭，其原因主要包括：（1）木質生物炭芳香族碳含量高，穩定性強，灰分含量低。秸稈生物炭灰分含量多在20%～35%，少量低于15%，木質炭灰分含量在1%～10%范圍內分布較多[46]，污泥生物炭灰分含量高達80%以上。（2）木質炭孔隙更為發達，含微孔數更多，對C、N吸附性更強。（3）木質生物炭C/P較低。在秸稈類生物炭中，玉米稈生物炭固碳減排效益優于麥秸稈。相同溫度下制備的玉米稈生物炭較麥稈生物炭含碳量高，芳香化程度高，熱穩定性更好[47]。高溫制備生物炭由于其芳香化程度高，C穩定性強[46]，且孔隙更小，開孔較多，微孔結構更多[48]，固碳減排效益優于低溫制備生物炭。Mao等研究了27種不同原料生物炭表面結構和化學成分，并就熱解溫度對它們的影響進行了分析，結果發現，熱解溫度對生物炭表面羧基、比表面積、孔隙體積影響最大，決定生物炭疏水特征的主導因素是熱解溫度[49]。另外，隨著溫度升高，生物炭表面酸性官能團減少，堿性官能團增多，生物炭pH值升高[50]。其對酸性土壤碳庫可以起到明顯增加作用，固碳減排效果更好。

4.2 生物炭施用量及施用方式對固碳減排的影響

一定范圍內增加生物炭施用量，對土壤肥力提高作用更明顯，溫室氣體排放減少[51-52]。郭艷亮等將3種施用量（1%、3%、5%）生物炭施入土壤，發現土壤CO2排放量隨生物炭施用量增大呈增加趨勢，CH4排放量隨生物炭施用量增加而降低，N2O排放量無明顯規律性[52]。李亞森等連續5年將生物炭施入土壤，認為低量生物炭對土壤呼吸無影響，適量生物炭的施用具有固碳減排效益，大量生物炭施用則會適得其反，建議生物炭施用范圍應控制在15 t/hm2以內[53]。

生物炭不同應用方式也會對固碳減排效果產生影響。李嬌等按照“等碳量”原則還入秸稈或生物炭，發現秸稈與生物炭配施較單施生物炭可提高農田生態系統凈初級生產力，但生物炭還田碳匯能力較秸稈與生物炭配施相比更強[54]。Puga等將生物炭與氮肥配施應用于熱帶土壤玉米的生產，BN51/10（生物炭51%，氮肥10%）、BN40/17（生物炭40%，氮肥17%）2個處理的平均玉米產量較單施尿素高26%，BN51/10較單施尿素提高了12%的氮素利用效率，降低了14%的溫室氣體排放強度[55]。Li等認為，在旱作條件下，高施氮量土壤中添加生物炭會嚴重干擾土壤微生物生態系統，降低土壤固碳潛力，20 t/hm2生物炭與120 kg/hm2化肥配施可顯著提高土壤固碳能力，提高土壤肥力[56]。生物炭與化肥或有機肥混合施用時，其全球增溫趨勢（GWP）和溫室氣體強度（GHGI）較未施用生物炭均顯著降低[57]。Maek等研究發現，生物炭生產過程中添加鉀元素可提高生物炭固碳潛力，全球生物炭固碳潛力預計可超過2.6 Gt CO2-C（eq）/年，且鉀的加入增加了植物的營養成分，更適合農業應用[58]。

4.3 生物炭施用年限對固碳減排的影響

生物炭施入土壤年限同樣影響其固碳減排效益，Singh等研究發現，生物炭在前2.3年里顯著促進黏土本土有機碳礦化，SOC含量減少了4～44 mg/g。但在之后至第5年的時間中，正激發效應逐漸減弱[59]。這可能是由于初始正激發效應導致不穩定SOC的耗竭以及生物炭誘導的有機礦物對有機碳的穩定作用。生物炭施入土壤后，隨著時間延長，其對土壤本土有機碳的礦化將由促進轉為抑制，可能是由于生物炭提高了本土有機碳的穩定性[60]。

4.4 土壤因素對固碳減排的影響

土壤pH值、有機碳含量、溫濕度影響生物炭應用效果。生物炭施用于酸性土壤，其固碳潛力低于中性和堿性土壤，施用生物炭后，酸性土壤比中性、堿性土壤釋放更多的CO2，土壤有機碳和生物炭的降解均有加速的趨勢[61]。Wu等認為，土壤有機碳含量影響生物炭的穩定性，隨著土壤總有機碳含量的增大，稻草生物炭累計礦化速率增大，生物炭穩定C含量減少。土壤溫度影響植物生長與生理活動進而影響根系呼吸作用CO2排放，一定范圍內溫度提高，增強微生物活動，加速土壤有機質分解，CO2排放量隨之增加[62-63]。Case等研究發現，添加2%生物炭，土壤溫度由4 ℃增加到16 ℃，CO2累計排放量增加4倍以上。土壤含水量對溫室氣體排放有較大影響，其受外部環境如降雨、溫度影響較大[64]。

5 總結與展望

綜上，生物炭應用于農田以達到固碳減排可取得較好的環境及經濟效益。但其作用程度受多種因素如生物炭的制備材料及溫度、施用量、施用方式、施用年限、土壤因素等綜合影響。高溫制備木質生物炭固碳減排效益優于禽畜糞便制備而成的生物炭，同一生物炭應用于不同土壤效果也不盡相同。針對不同的土壤質地及種植作物應因地制宜，選擇合適的生物炭、施用量及施用方式，才能充分發揮生物炭的效用。綜合來看，在300～700? ℃制備的秸稈生物炭，用量不超過20 t/hm2為宜。今后，可在以下幾個方面進一步開展生物炭在農田固碳減排的應用研究：（1）由于生物炭的穩定性，其施入農田后存在后續效應，缺乏長期定位試驗以明確生物炭應用于農田的地球化學行為和長期影響效應。（2）缺乏針對不同區域和不同類型土壤所適用生物炭類型與施用量，應建立一個明確完善的體系。（3）生物炭對土壤微生物、土壤酶等土壤生物學特性的影響機制，且如何進一步作用于固碳減排。（4）改性生物炭、生物炭基肥料的相關應用研究，針對不同質地土壤及不同種植作物開展適用性生物炭研究。

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