生物炭固碳减排效应及其在低碳农业中的应用

生物炭固碳减排效应及其在低碳农业中的应用

【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%，相对于常规肥处理而言，分别降低了