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【摘 要】农业是温室气体的第二大排放源，同时也是巨大的“碳汇”，生物炭在土壤中高度的稳定性起到良好的“碳封存”效应，其在全球尺度上碳封存潜力可达0.8×109t·a-1；能够抑制土壤中温室气体的排放，起到“减碳”效应；能够替代或减少化肥的使用达到“零碳”效应，严格区分生物炭的“储碳”、“减碳”“和零碳”效应对于应对气候变化具有重要意义。粗略估算，1t 生物炭施加到土壤中，相当于2.15t CO2被封存。能够替代氮肥0.58t，减少温室气体1.04t，可获得的固碳减排收益约13.15美元。生物炭保肥增产、固碳减排作用也为低碳农业提供着力点，应重点发展生物炭在低碳农业中的应用。
【关键词】生物炭；温室气体；固碳；减排；零碳；低碳农业
生物炭通常指树木、农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等生物质在无氧或部分缺氧及相对低温（<700 ℃）条件下热裂解炭化形成的一类多孔、高度芳香化、难溶性的固态物质[1]，含C元素60%以上，由H、O、N、S等元素组成。生物炭属于黑炭的一种，具有高度的化学稳定性、热稳定性和生物惰性，对微生物的分解具有很强的抵抗能力[2]。
生物炭具有巨大的比表面积、发达的多孔结构，表面有大量的官能团，对有机物和重金属离子具有强烈的吸附能力，因此生物炭常被用在污染物吸附、重金属污染治理、土壤改良等方面。近年来，生物炭在土壤中的固碳减排效应成为各研究机构和学者关注的重点，被认为是缓解温气候变暖的有效途径。生物质炭化成本低，原料充足，制得的生物炭具有高度稳定性，在土壤中具有明显固碳减排的作用，目前对其研究主要集中在碳封存和减少温室气体排放两个方面，弱化了生物炭替代氮肥生产及使用过程所产生的减排效应，没有严格的从“固碳”、“减碳”和“零碳”三个方面细分进行研究，生物炭在替代化肥生产使用量方面所起的“零碳”效应潜力巨大，也是固碳减排的重要方面。本文综合论述了生物炭的“固碳”、“减碳”和“零碳”效益，以及生物炭在低碳农业中的应用，为今后生物炭的研究和应用提供参考。
1.生物炭在固碳减排领域的效应
1.1 生物炭在土壤中的储碳、固碳效应
CO2在全球温室气体排放中所占比重最大，全球每年CO2排放量达250多亿t[3]。土壤是引起气候变化和全球变暖的温室气体重要的排放源，土壤和植物根系的呼吸作用释放的CO2占全部CO2排放的20%[4]。同时，农田土壤也是重要的碳汇，是《京都议定书》认可的固碳减排方法之一，在减少温室气体排放，稳定大气CO2浓度中具有重要地位。自然条件下，植物经过光合作用吸收的CO2，50%进过植物呼吸作用返回到大气，另50%经过矿化作用转化为CO2（碳中性），没有任何净固碳作用。而如果将植物残体炭化，植物残体中剩余的25% 的C 被转化为生物炭施加到土壤中，由于生物炭非常稳定，可能仅有大约 5% C在土壤微生物的作用下矿化分解成 CO2返回到大气中，整个大气中碳会因此减少20%（碳负性）[5]。生物炭具有高度的芳香化结构，具有很强的抗腐蚀性，同时能与土壤中矿物质形成团聚体，减弱微生物对生物炭的作用，能够长时间的保留在土壤中，起到碳储存的作用。Kuzyakov 等[6]研究表明，生物炭在土壤中的平均停留时间大约为 2000 年，半衰期约为 1400 年。另外，生物炭能够扩充土壤有机碳库，增加土壤的碳封存能力和肥力。生物炭的碳封存途径，一是通过炭化直接使易矿化的植物 C 转变为稳定的生物炭；二是通过增加植物生物量，提高了植物对大气 CO2的捕获能力，增大植物体转变成土壤中的有机碳[7]；还能够通过改变土壤中有机质（SOM） 腐质化、稳定性和呼吸速率等，抑制土壤有机碳（SOC）的分解，起到碳封存的作用[8]。将生物炭作为储碳形式，埋在土壤或者山谷中，能够实现大规模的碳封存效果，对于减缓气候变化具有重大意义。
1.2 生物炭的“零碳”效应
生物炭的零碳效应主要体现在增加作物产量，代替或减少化肥使用量，从而在化肥全过程中不排放或者减少温室气体的排放。化肥的生产及运输过程中消耗大量的能源，West等[9]研究认为，在整个氮肥生产和运输过程中所排放的温室气体为0.857gCO2-CgN-1。程琨等[10]对农作物生产碳足迹的分析表明，农业化肥投入引起的碳排放约占农作物生产总碳排放的60%，其中氮肥占95%`。土壤N2O排放量与施肥量存在线性相关关系，王效科等[11]研究发现，当化肥施用量减少到0和50%时，土壤N20减排量分别占当前排放的41%和22%。并且氮肥使用量减少30%不会造成粮食的减产[12]，因此减少氮肥使用量是农业减排的重要途径。生物炭施加到土壤中，能够明显改善土壤营养状况，起到缓释肥作用，减少或替代化肥的使用，从而减少化肥生产过程中及施用过程中温室气体的产生。据估算，10t的生物炭能够替代1t氮肥，从而可以减少1.8t碳当量的温室气体产生[13]。生物质炭化过程电耗低，电耗产生的CO2排放远低于生产氮肥的CO2排放量。生物炭就地炭化可以直接还田，也可以与肥料混合制成炭基肥，替代或减少氮肥的施用量，从而减少生产及运输氮肥过程的能耗，减少温室气体的产生，因此生物炭具有显著的“零碳”效应。
1.3 生物炭的“减碳”效应
CH4在100a尺度的全球变暖潜能值（GWP）是CO2的21倍，大气中CH4的浓度是N2O的6倍，高达1800ppb。N2O的GWP是CO2的298倍，可稳定存在长达150年[14]，农业活动产生的CH4约占大气CH4的 50%，主要来源是水稻种植、动物养殖。化肥的大量使用是N2O最主要的人为排放源。生物炭施加到土壤中，能够显著的降低CO2、CH4及N2O等温室气体的排放量，具有明显的“减碳”效应。生物炭在土壤中通过表面吸附溶解性有机碳（DOC），并促进包裹有机质的土壤颗粒的形成，降低土壤有机碳的矿化作用，减少CO2排放[15]，Steiner 等[16]研究发现自然状况或者添加鸡粪、堆肥、树叶等有机质的土壤中，添加生物炭后，土壤中C的损失率从25%以上降低为4%～8%。王欣欣等[17]研究发现，水稻土中添加不同用量的竹炭，CH4和N2O季节累计排放量比对照组降低了58.2%～91.7%和25.8%～83.8%，相對于常规肥处理而言，分别降低了64.3%～92.9%和72.3%～93.9%。与秸秆直接还田会增加土壤总N2O的排放量相比，具有明显减排效益[18]。 目前对于生物炭改变土壤的非生物环境（如土壤pH、容重和持水量等），影响微生物作用，从而减少N2O的产生量的研究较多。而对于生物炭对硝化细菌和脱氮菌等微生物直接作用来减少N2O的排放的研究相对较少。生物质在低温炭化过程中，会产生PAHs和酚类物质（PHCs），土壤中的PAHs和PHCs能够降低生物活性，具有杀菌的性能。研究发现，经缓慢裂解所制得的生物炭中PAHs的含量低于经快速裂解和气化所制得的，其PAHs的含量从78.44 ng·g-1到2125 ng·g-1[19]，且一般在350-550℃温度下制得的生物炭中PAHs含量最高，Wang等[20]研究发现，300-400℃制得的生物炭中PAHs对于减少N2O的排放起主要作用，在200℃制得的生物炭中含有少量的PAHs但含有大量的PHCs，加大了对微生物的毒性，影响硝化和反硝化作用，因此N2O排放量很低。按照施炭量计算，施加生物炭带入的PAHs量低于环境安全值，不会污染环境。
一般认为，生物炭施入土壤后能降低CH4的排放量，Liu 等[21]研究表明，水稻土壤中添加竹炭生物炭和水稻秸秆生物炭后，CH4的排放量分别减少了51.1%和91.2%。Feng等[22]研究认为，新制得的生物炭施加到土壤后，增加土壤的空隙度，增强了甲烷氧化菌对CH4的氧化作用，但同时也能刺激产甲烷细菌的活性，但是甲烷氧化菌对CH4的利用度超过甲烷的产生量，因此生物炭能够减少土壤中CH4 的排放量。
1.4 生物固碳减排经济效益
“固碳”方面，1t生物炭，按照60%含c量计算，其中2%生物炭在土壤中以CO2形式逸出，剩下58%以稳定C形式存在，相当于2.15t CO2被封存。“零碳”及“减碳”方面，1t生物炭能够替代氮肥0.58t，减少温室气体1.04t，在土壤中还能抑制温室气体的产生，粗略计算，1t生物炭埋入土壤，固碳减排CO2约3.2t，按照目前欧盟CO2交易价格4.11美元/吨计算，1t生物炭可获得收益13.15美元。
2. 生物炭在低碳农业中的应用
农业活动是温室气体的第二大排放源，约占全球温室气体排放总量的14%，据估计，全球每年由农业扰动，由土壤释放到大气中的碳量约为 0.8×1012kg～4.6×1012kg[23]，氮肥大量使用、秸秆等生物质焚烧、垦荒种地等农业活动产生大量的温室气体，农业是节能减排的重点领域。同时，农业也是一个巨大的碳汇系统，一方面可以调整农业生产结构，改善种植模式，增大农作物的碳吸收量。另一方面可以通过扩大土壤有机碳库减少温室气体排放。扩大土壤有机碳库是农业固碳增汇的关键，中国有 18 亿亩耕地资源，若土壤有机质含量提高 1%，土壤可从空气中净吸收 306 亿tCO2[24]。据Lal估计[25]，全球农业土壤碳库扩充潜力为1.2～3.1 PgC/a，耕层土壤有机碳含量提高1tC·a/hm2，发展中国家粮食产量年增加2400～3200万t，农业的固碳增汇潜力巨大。
生物炭具有良好物理性质和土壤调理功能，对土壤水溶液中的K、P、硝态N及铵态N[26]等营养元素具有较强的吸附能力，可以增加土壤有效P、K、Mg和Ca含量[27]。研究发现，炭基肥与常规复混化肥处理水稻田比较，施氮量减少19.04%，水稻的经济产量提高6.70%以上，可以明显提高氮肥的利用率[28]。Chan 等[29]研究表明，在低纬度地区，每公顷农田施用 20t以上的生物炭可减少 10%的肥料施用量。相比于秸秆等生物质直接还田，生物炭还田或者制成炭基肥入田便于运输管理，能够防止土传病害，可以减少化肥的施用量，提高氮肥利用率。
低碳农业就是充分利用农业碳汇功能，尽可能减低其碳排放功能，实现食品生产全过程的低碳排放，其核心是在生产经营中减少温室气体排放[30]。据 Woolf 等[31]估计，生物炭埋入土壤可抵消高达16%的全球化石燃料碳排放。生物炭在低碳农业中应用的四个着力点：第一，保肥增产作用，减少化肥使用量；第二，废弃生物质炭化还田，减少温室气体排放量；第三，改善土壤条件，减耕免耕[32]，降低土壤因扰动而释放CO2等温室气体；第四，扩容土壤有机碳库，增强土壤的碳汇功能。积极倡导通过生物质能源与碳封存耦合模式、能量自给碳封存模式、农林复合模式、工农复合模式等开展生物炭的低碳农业[33]。
3.结论与展望
生物炭本身的结构和性质使其在改善土壤条件、增产治污及固碳减排方面的应用具有广阔的应用，成为各国研究机构和学者研究的重点，今后的研究中应严格区分生物炭的“固碳”、“零碳”和“减碳”功能，从各环节发挥生物炭固碳减排的作用。由于生物质炭化成本低，原料充足，制得的生物炭具有高度穩定性，其作为温室气体排放抑制剂和碳封存剂的重要作用为温室气体减排工作开辟新的思路，有望成为减缓温室效应最经济的最有效的途径。
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作者简介：
丁华毅（1988年-），男，硕士研究生，主要从事生物炭减排及土壤重金属污染修复。
通信作者：
郁昂， 男 ，助理教授，研究方向：生态毒理、低碳减排、土壤重金属污染修复。
【关键词】生物炭；温室气体；固碳；减排；零碳；低碳农业
生物炭通常指树木、农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等生物质在无氧或部分缺氧及相对低温（<700 ℃）条件下热裂解炭化形成的一类多孔、高度芳香化、难溶性的固态物质[1]，含C元素60%以上，由H、O、N、S等元素组成。生物炭属于黑炭的一种，具有高度的化学稳定性、热稳定性和生物惰性，对微生物的分解具有很强的抵抗能力[2]。
生物炭具有巨大的比表面积、发达的多孔结构，表面有大量的官能团，对有机物和重金属离子具有强烈的吸附能力，因此生物炭常被用在污染物吸附、重金属污染治理、土壤改良等方面。近年来，生物炭在土壤中的固碳减排效应成为各研究机构和学者关注的重点，被认为是缓解温气候变暖的有效途径。生物质炭化成本低，原料充足，制得的生物炭具有高度稳定性，在土壤中具有明显固碳减排的作用，目前对其研究主要集中在碳封存和减少温室气体排放两个方面，弱化了生物炭替代氮肥生产及使用过程所产生的减排效应，没有严格的从“固碳”、“减碳”和“零碳”三个方面细分进行研究，生物炭在替代化肥生产使用量方面所起的“零碳”效应潜力巨大，也是固碳减排的重要方面。本文综合论述了生物炭的“固碳”、“减碳”和“零碳”效益，以及生物炭在低碳农业中的应用，为今后生物炭的研究和应用提供参考。
1.生物炭在固碳减排领域的效应
1.1 生物炭在土壤中的储碳、固碳效应
CO2在全球温室气体排放中所占比重最大，全球每年CO2排放量达250多亿t[3]。土壤是引起气候变化和全球变暖的温室气体重要的排放源，土壤和植物根系的呼吸作用释放的CO2占全部CO2排放的20%[4]。同时，农田土壤也是重要的碳汇，是《京都议定书》认可的固碳减排方法之一，在减少温室气体排放，稳定大气CO2浓度中具有重要地位。自然条件下，植物经过光合作用吸收的CO2，50%进过植物呼吸作用返回到大气，另50%经过矿化作用转化为CO2（碳中性），没有任何净固碳作用。而如果将植物残体炭化，植物残体中剩余的25% 的C 被转化为生物炭施加到土壤中，由于生物炭非常稳定，可能仅有大约 5% C在土壤微生物的作用下矿化分解成 CO2返回到大气中，整个大气中碳会因此减少20%（碳负性）[5]。生物炭具有高度的芳香化结构，具有很强的抗腐蚀性，同时能与土壤中矿物质形成团聚体，减弱微生物对生物炭的作用，能够长时间的保留在土壤中，起到碳储存的作用。Kuzyakov 等[6]研究表明，生物炭在土壤中的平均停留时间大约为 2000 年，半衰期约为 1400 年。另外，生物炭能够扩充土壤有机碳库，增加土壤的碳封存能力和肥力。生物炭的碳封存途径，一是通过炭化直接使易矿化的植物 C 转变为稳定的生物炭；二是通过增加植物生物量，提高了植物对大气 CO2的捕获能力，增大植物体转变成土壤中的有机碳[7]；还能够通过改变土壤中有机质（SOM） 腐质化、稳定性和呼吸速率等，抑制土壤有机碳（SOC）的分解，起到碳封存的作用[8]。将生物炭作为储碳形式，埋在土壤或者山谷中，能够实现大规模的碳封存效果，对于减缓气候变化具有重大意义。
1.2 生物炭的“零碳”效应
生物炭的零碳效应主要体现在增加作物产量，代替或减少化肥使用量，从而在化肥全过程中不排放或者减少温室气体的排放。化肥的生产及运输过程中消耗大量的能源，West等[9]研究认为，在整个氮肥生产和运输过程中所排放的温室气体为0.857gCO2-CgN-1。程琨等[10]对农作物生产碳足迹的分析表明，农业化肥投入引起的碳排放约占农作物生产总碳排放的60%，其中氮肥占95%`。土壤N2O排放量与施肥量存在线性相关关系，王效科等[11]研究发现，当化肥施用量减少到0和50%时，土壤N20减排量分别占当前排放的41%和22%。并且氮肥使用量减少30%不会造成粮食的减产[12]，因此减少氮肥使用量是农业减排的重要途径。生物炭施加到土壤中，能够明显改善土壤营养状况，起到缓释肥作用，减少或替代化肥的使用，从而减少化肥生产过程中及施用过程中温室气体的产生。据估算，10t的生物炭能够替代1t氮肥，从而可以减少1.8t碳当量的温室气体产生[13]。生物质炭化过程电耗低，电耗产生的CO2排放远低于生产氮肥的CO2排放量。生物炭就地炭化可以直接还田，也可以与肥料混合制成炭基肥，替代或减少氮肥的施用量，从而减少生产及运输氮肥过程的能耗，减少温室气体的产生，因此生物炭具有显著的“零碳”效应。
1.3 生物炭的“减碳”效应
CH4在100a尺度的全球变暖潜能值（GWP）是CO2的21倍，大气中CH4的浓度是N2O的6倍，高达1800ppb。N2O的GWP是CO2的298倍，可稳定存在长达150年[14]，农业活动产生的CH4约占大气CH4的 50%，主要来源是水稻种植、动物养殖。化肥的大量使用是N2O最主要的人为排放源。生物炭施加到土壤中，能够显著的降低CO2、CH4及N2O等温室气体的排放量，具有明显的“减碳”效应。生物炭在土壤中通过表面吸附溶解性有机碳（DOC），并促进包裹有机质的土壤颗粒的形成，降低土壤有机碳的矿化作用，减少CO2排放[15]，Steiner 等[16]研究发现自然状况或者添加鸡粪、堆肥、树叶等有机质的土壤中，添加生物炭后，土壤中C的损失率从25%以上降低为4%～8%。王欣欣等[17]研究发现，水稻土中添加不同用量的竹炭，CH4和N2O季节累计排放量比对照组降低了58.2%～91.7%和25.8%～83.8%，相對于常规肥处理而言，分别降低了64.3%～92.9%和72.3%～93.9%。与秸秆直接还田会增加土壤总N2O的排放量相比，具有明显减排效益[18]。 目前对于生物炭改变土壤的非生物环境（如土壤pH、容重和持水量等），影响微生物作用，从而减少N2O的产生量的研究较多。而对于生物炭对硝化细菌和脱氮菌等微生物直接作用来减少N2O的排放的研究相对较少。生物质在低温炭化过程中，会产生PAHs和酚类物质（PHCs），土壤中的PAHs和PHCs能够降低生物活性，具有杀菌的性能。研究发现，经缓慢裂解所制得的生物炭中PAHs的含量低于经快速裂解和气化所制得的，其PAHs的含量从78.44 ng·g-1到2125 ng·g-1[19]，且一般在350-550℃温度下制得的生物炭中PAHs含量最高，Wang等[20]研究发现，300-400℃制得的生物炭中PAHs对于减少N2O的排放起主要作用，在200℃制得的生物炭中含有少量的PAHs但含有大量的PHCs，加大了对微生物的毒性，影响硝化和反硝化作用，因此N2O排放量很低。按照施炭量计算，施加生物炭带入的PAHs量低于环境安全值，不会污染环境。
一般认为，生物炭施入土壤后能降低CH4的排放量，Liu 等[21]研究表明，水稻土壤中添加竹炭生物炭和水稻秸秆生物炭后，CH4的排放量分别减少了51.1%和91.2%。Feng等[22]研究认为，新制得的生物炭施加到土壤后，增加土壤的空隙度，增强了甲烷氧化菌对CH4的氧化作用，但同时也能刺激产甲烷细菌的活性，但是甲烷氧化菌对CH4的利用度超过甲烷的产生量，因此生物炭能够减少土壤中CH4 的排放量。
1.4 生物固碳减排经济效益
“固碳”方面，1t生物炭，按照60%含c量计算，其中2%生物炭在土壤中以CO2形式逸出，剩下58%以稳定C形式存在，相当于2.15t CO2被封存。“零碳”及“减碳”方面，1t生物炭能够替代氮肥0.58t，减少温室气体1.04t，在土壤中还能抑制温室气体的产生，粗略计算，1t生物炭埋入土壤，固碳减排CO2约3.2t，按照目前欧盟CO2交易价格4.11美元/吨计算，1t生物炭可获得收益13.15美元。
2. 生物炭在低碳农业中的应用
农业活动是温室气体的第二大排放源，约占全球温室气体排放总量的14%，据估计，全球每年由农业扰动，由土壤释放到大气中的碳量约为 0.8×1012kg～4.6×1012kg[23]，氮肥大量使用、秸秆等生物质焚烧、垦荒种地等农业活动产生大量的温室气体，农业是节能减排的重点领域。同时，农业也是一个巨大的碳汇系统，一方面可以调整农业生产结构，改善种植模式，增大农作物的碳吸收量。另一方面可以通过扩大土壤有机碳库减少温室气体排放。扩大土壤有机碳库是农业固碳增汇的关键，中国有 18 亿亩耕地资源，若土壤有机质含量提高 1%，土壤可从空气中净吸收 306 亿tCO2[24]。据Lal估计[25]，全球农业土壤碳库扩充潜力为1.2～3.1 PgC/a，耕层土壤有机碳含量提高1tC·a/hm2，发展中国家粮食产量年增加2400～3200万t，农业的固碳增汇潜力巨大。
生物炭具有良好物理性质和土壤调理功能，对土壤水溶液中的K、P、硝态N及铵态N[26]等营养元素具有较强的吸附能力，可以增加土壤有效P、K、Mg和Ca含量[27]。研究发现，炭基肥与常规复混化肥处理水稻田比较，施氮量减少19.04%，水稻的经济产量提高6.70%以上，可以明显提高氮肥的利用率[28]。Chan 等[29]研究表明，在低纬度地区，每公顷农田施用 20t以上的生物炭可减少 10%的肥料施用量。相比于秸秆等生物质直接还田，生物炭还田或者制成炭基肥入田便于运输管理，能够防止土传病害，可以减少化肥的施用量，提高氮肥利用率。
低碳农业就是充分利用农业碳汇功能，尽可能减低其碳排放功能，实现食品生产全过程的低碳排放，其核心是在生产经营中减少温室气体排放[30]。据 Woolf 等[31]估计，生物炭埋入土壤可抵消高达16%的全球化石燃料碳排放。生物炭在低碳农业中应用的四个着力点：第一，保肥增产作用，减少化肥使用量；第二，废弃生物质炭化还田，减少温室气体排放量；第三，改善土壤条件，减耕免耕[32]，降低土壤因扰动而释放CO2等温室气体；第四，扩容土壤有机碳库，增强土壤的碳汇功能。积极倡导通过生物质能源与碳封存耦合模式、能量自给碳封存模式、农林复合模式、工农复合模式等开展生物炭的低碳农业[33]。
3.结论与展望
生物炭本身的结构和性质使其在改善土壤条件、增产治污及固碳减排方面的应用具有广阔的应用，成为各国研究机构和学者研究的重点，今后的研究中应严格区分生物炭的“固碳”、“零碳”和“减碳”功能，从各环节发挥生物炭固碳减排的作用。由于生物质炭化成本低，原料充足，制得的生物炭具有高度穩定性，其作为温室气体排放抑制剂和碳封存剂的重要作用为温室气体减排工作开辟新的思路，有望成为减缓温室效应最经济的最有效的途径。
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作者简介：
丁华毅（1988年-），男，硕士研究生，主要从事生物炭减排及土壤重金属污染修复。
通信作者：
郁昂， 男 ，助理教授，研究方向：生态毒理、低碳减排、土壤重金属污染修复。