張燕輝　夏人杰

摘 要：目前人類面臨著人口、資源和環(huán)境三大壓力，如何在解決糧食安全的同時(shí)緩解氣候變暖是迫切需要解決的問題。自20世紀(jì)90年代“生物炭”概念的提出以來(lái)，因其對(duì)固碳減排和提高作物產(chǎn)量的潛在利用價(jià)值，人們對(duì)于把生物炭作為碳封存劑和土壤改良劑利用到土壤中產(chǎn)生了極大的興趣。該文回顧了生物炭的理化性質(zhì)及其還田后在固碳減排中的作用，分析了生物炭在固碳的同時(shí)對(duì)土壤中N2O的排放和作物產(chǎn)量的影響，簡(jiǎn)要探討了目前生物炭研究面臨的挑戰(zhàn)，以期為生物炭產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用推廣提供參考。

關(guān)鍵詞：生物炭；還田；N2O排放；作物產(chǎn)量

中圖分類號(hào) S158 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2015）10-86-04

Abstract：At present，mankind is faced with the pressures of population，resources and environment.It is very importent for us to figure out how to solve the problem about food security and climate warming at the same time.Since the concept of biochar was first mooted in the 1990s.Because of the potential value of carbon sequestration and crop yield improving，more and more people are interest in using biochar as the agent of carbon sequestration and soil conditioner.This article simply reviews the biochar's physical and chemical properties and its role in carbon sequestration and GHGs emissisons reduction.Biochar effects on soil N2O emission and crop yield are also analyzed.Briefly discusses the biochar research challenges at present，which will provide relevant references for the biochar industrialization and application promotion.

Key words：Biochar；Application；N2O emission；Crop yields

氣候變暖和糧食安全是當(dāng)前人類所面臨的重大挑戰(zhàn)，已經(jīng)引起各國(guó)政府及學(xué)術(shù)界的高度關(guān)切。自1750年工業(yè)革命以來(lái)，化石燃料燃燒、森林砍伐、土地利用變化和農(nóng)田管理方式的改變，造成了大氣中溫室氣體濃度（CO2、CH4、N2O）的持續(xù)上升，增加了大氣對(duì)逸出輻射的吸收，致使地球表面溫度上升。據(jù)IPCC[1]預(yù)測(cè)，2100年全球平均表面溫度較20世紀(jì)末上升1.5～4.5℃。氣候變暖導(dǎo)致海平面上升、氣候極端事件增加以及降水格局的變化等，直接或間接對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)（包括糧食生產(chǎn)）產(chǎn)生影響，將對(duì)人類生活、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。與此同時(shí)，世界人口還在持續(xù)增長(zhǎng)，而隨著城市發(fā)展，耕地面積卻在不斷地減少，糧食安全問題也就變得越來(lái)越嚴(yán)峻。

如何減解氣候變暖趨勢(shì)和提高并穩(wěn)定作物產(chǎn)量是人類急需解決的重大問題。生物質(zhì)炭（Biochar）在巴西亞馬遜流域考古中的發(fā)現(xiàn)，使我們看到了同時(shí)解決氣候變暖和糧食安全問題的希望。含有生物質(zhì)炭的黑土比臨近對(duì)照的土壤生產(chǎn)力高，并且生物質(zhì)炭已存在1 000～1 500a，這一發(fā)現(xiàn)使土壤中添加生物質(zhì)炭的研究迅速成為研究和關(guān)注的熱點(diǎn)[2-3]。一些研究者認(rèn)為，土壤中添加生物質(zhì)炭不僅可以增加土壤中的碳庫(kù)（增加對(duì)大氣CO2固持），減緩全球氣候變化，而且能提高全球糧食安全[2]。

1 生物炭的概念及性質(zhì)

生物炭是由英文（Biochar）譯義過(guò)來(lái)，除了翻譯為生物炭外，也有人譯為生物黑炭、生物質(zhì)炭、生物質(zhì)焦等。生物炭一般定義為：在低氧環(huán)境下，通過(guò)高溫裂解將有機(jī)質(zhì)如木材、草、玉米秸、動(dòng)物糞便或其它農(nóng)業(yè)剩余物碳化，是以固定碳元素為目的的炭[4-6]。也有人定義為：生物質(zhì)炭是由植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物，屬于廣義概念上黑碳（Black carbon）的一種類型。而Lehmann等根據(jù)生物炭制造過(guò)程中的各項(xiàng)條件以及生物炭的用途對(duì)生物炭進(jìn)行了以下描述：有機(jī)質(zhì)在缺氧（或無(wú)氧）和相對(duì)（較低）溫度條件下進(jìn)行熱裂解而來(lái)的產(chǎn)物，并且是返還到土壤中，以對(duì)土壤有改良作用的同時(shí)把碳素封到土壤作為主要目的[7]。

目前，生物炭的制造大多是利用高溫分解法，將溫度控制在400～450℃，在缺氧或無(wú)氧環(huán)境下對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行高溫慢速裂解，得到的產(chǎn)物除生物炭外，還有其他副產(chǎn)物，如裂解氣、木醋液和焦油等[8]。

生物炭由于其高灰分含量而呈堿性，而且隨著生物炭制作時(shí)裂解溫度的升高，pH也同時(shí)升高[9-10]。生物炭因其多孔性而具有極大的比表面積，其比表面積的增加也與生物炭的制作溫度有關(guān)，溫度越高比表面積越大[11]。隨裂解溫度升高，生物炭持水量減少；生物炭酸性基團(tuán)減少，堿性基團(tuán)增加，總官能團(tuán)減少，官能團(tuán)密度減少[12]。生物炭添加到土壤中后，隨著生物炭的老化，土壤中的CEC也隨之增加[12]。

2 生物炭還田與固碳減排

氣候系統(tǒng)變暖的主要原因是長(zhǎng)生命期的溫室氣體的存在，而人類活動(dòng)導(dǎo)致以下4種長(zhǎng)生命期溫室氣體的排放：CO2、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）和鹵烴（一組含氟、氯或溴的氣體），當(dāng)排放大于清除過(guò)程時(shí)，大氣中溫室氣體濃度則增加[1]。由于沒有切實(shí)可行的辦法用于大量減少溫室氣體排放，所以增加大氣中溫室氣體清除就顯得尤為重要。而通過(guò)生物炭還田來(lái)實(shí)現(xiàn)固碳減排就是利用生物炭作為碳封存劑把大氣中的CO2固定到土壤有機(jī)碳庫(kù)（土壤對(duì)大氣CO2的固定），因此土壤中添加生物質(zhì)炭也被稱作“負(fù)碳”措施。由于生物質(zhì)炭中高度芳香族物質(zhì)含量較高，生物質(zhì)炭比土壤有機(jī)碳中非生物質(zhì)炭組分降解速度要慢。土壤中有機(jī)物大部分來(lái)自植物根系、植物殘?bào)w和微生物代謝物，模型研究表明，約90%土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)年數(shù)僅為數(shù)十年到近百年時(shí)間[13-14]。而在森林火災(zāi)中產(chǎn)生的生物質(zhì)碳，存留時(shí)間可以達(dá)到上千年[15]。一些孵化試驗(yàn)表明，生物質(zhì)炭在土壤中存留時(shí)間為數(shù)千年[16-17]，而Major等[18]通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭在年均溫26℃的熱帶稀樹草原土壤中也可以存留超過(guò)600a。可見，生物質(zhì)炭由于其惰性（較高的穩(wěn)定性）特點(diǎn)，可以在土壤中較長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)固持來(lái)自大氣中碳。

一些研究表明，亞馬遜黑土在添加生物質(zhì)炭后，可以增加土壤原有有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性[19-20]，因此，非常有可能生物質(zhì)炭通過(guò)影響土壤原有碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)率，增加土壤有機(jī)碳庫(kù)，但是也有研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭促進(jìn)了土壤中非生物質(zhì)炭有機(jī)質(zhì)的分解[18，21-22]。

3 生物炭還田對(duì)土壤N2O排放的影響

N2O作為主要的溫室氣體之一，在百年尺度上其單位質(zhì)量的增溫潛勢(shì)是CO2的310倍，對(duì)溫室氣體的貢獻(xiàn)率約占5%，未來(lái)可能達(dá)到10%[1]，而農(nóng)業(yè)又是大氣中N2O濃度增加的主要原因，所以在探討生物炭還田在固碳的同時(shí)，也必須考慮其對(duì)土壤N2O排放的影響。

土壤中硝化作用和反硝化作用是農(nóng)業(yè)N2O排放產(chǎn)生的主要原因，而其中反硝化作用又被認(rèn)為是在產(chǎn)生N2O時(shí)占有更加重要的地位。農(nóng)業(yè)排放N2O受到的控制因素較多，主要包括NH4+-N、NO3--N，通氣情況（含水情況），土壤質(zhì)地，土壤有機(jī)質(zhì)，土壤溫度和pH值等，而這些因素在隨著土壤中加入生物炭，會(huì)受到相應(yīng)的影響，從而N2O的排放也受到影響?？偟膩?lái)說(shuō)，生物炭主要從以下2個(gè)方面影響土壤N2O的排放，一是通過(guò)影響土壤中硝化菌和反硝化菌的生命活動(dòng)，如生物炭通過(guò)減少硝化菌和反硝化菌的能源底物，或者創(chuàng)造利于微生物生長(zhǎng)的環(huán)境，其他微生物增多導(dǎo)致了硝化菌和反硝化菌的可用氮源減少等；二是通過(guò)調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)而影響土壤N2O排放，如通過(guò)改變土壤通透性、濕度、pH值等間接影響硝化作用和反硝化作用[23]。不同的生物炭種類、土壤類型和施肥管理方式等對(duì)土壤N2O排放的影響也不同。近年來(lái)大多數(shù)研究表明，土壤中添加生物炭能夠減少或抑制N2O的產(chǎn)生和排放，如Elizabeth Verhoeven等利用松木木屑和胡桃殼生物炭添加到釀酒葡萄種植地，發(fā)現(xiàn)2種生物炭均增加了N2O的排[24]；Jian Xiang等研究表明添加生物炭略微減少了土壤中N2O的排放[25]；Afeng Zhang等在中國(guó)太湖平原水稻田試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，添加生物炭顯著降低了N2O的排放[26]。由于生物炭對(duì)N2O排放的規(guī)律沒有取得共識(shí)，因此需要進(jìn)一步深入研究。

另一方面，生物炭還田如果可以提高肥料利用率，就可以減少化肥的施用量，從而間接降低因施用大量化肥導(dǎo)致的N2O排放量。Min Huang等研究發(fā)現(xiàn)，在氮肥施用條件下生物炭還田與不施氮肥相比，更能促進(jìn)產(chǎn)量提升，而且在生物炭促進(jìn)產(chǎn)量提升和氮肥利用率之間存在緊密聯(lián)系[27]。

4 生物炭還田對(duì)作物產(chǎn)量的影響

人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)糧食增長(zhǎng)的要求越來(lái)越高[28]，而在這一問題上，世界農(nóng)業(yè)同時(shí)面臨著提高糧食產(chǎn)量和減少溫室氣體排放的挑戰(zhàn)[29]。農(nóng)田作物產(chǎn)量的提高，跟土壤肥力有著必然的聯(lián)系，生物炭還田因?yàn)槟軌蛱岣咄寥烙袡C(jī)碳庫(kù)存被認(rèn)為是用于提高土壤肥力和減緩溫室氣體排放的一種極有希望的方法[30-31]。近年來(lái)，也經(jīng)常有報(bào)道報(bào)出利用生物炭還田增加了作物產(chǎn)量，但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置、土壤的質(zhì)地和實(shí)驗(yàn)條件的不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果變動(dòng)較大[32]，因此弄清楚生物炭還田后是如何促進(jìn)作物產(chǎn)量增加以及估算出其增產(chǎn)潛力對(duì)世界糧食安全有重要作用。

生物炭還田能夠極大的提高土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，從而改善土壤肥力。大量研究表明，生物炭對(duì)土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、容重及團(tuán)粒結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大影響；而因?yàn)樯锾康母呖紫抖群蜆O大的比表面積，生物炭也為土壤中微生物提供了量化的生產(chǎn)環(huán)境。隨著生物炭還田對(duì)土壤肥力的改善[33]，提高了酸性土壤pH值[34]，土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）[34]，以及提高了土壤微生物活性和營(yíng)養(yǎng)保持能力[35]，種子發(fā)芽率、植物生長(zhǎng)、作物產(chǎn)量得到了極大的提高[36]。如D.Noguera等[37]發(fā)現(xiàn)在添加88t/hm2生物炭到農(nóng)田中時(shí)，水稻產(chǎn)量提升了294%；K.C.Uzoma等[38]研究表明在添加30t/hm2生物炭到農(nóng)田中時(shí)，玉米產(chǎn)量提高了150%。

5 總結(jié)及展望

總之，通過(guò)生物炭還田把空氣中大量的CO2固定到土壤中，對(duì)緩解氣候變暖有著巨大潛力，而實(shí)際上，在同時(shí)面對(duì)固碳減排和糧食安全的情況下，生物炭也是少數(shù)甚至唯一的應(yīng)對(duì)措施。為了達(dá)到這一目的，還必須在提高生物炭的生產(chǎn)技術(shù)，加強(qiáng)生物炭應(yīng)用管理，研究生物炭作用機(jī)理上作出努力。

目前生物炭面臨的挑戰(zhàn)主要有：確定哪種類型的生物炭在何種土壤類型中能夠取得最大的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益；制定一套對(duì)生物炭還田行之有效的管理方式，如對(duì)生物炭還田劑量、還田方式等；還有就是開發(fā)生物炭制作技術(shù)和生物炭還田方式的推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]IPCC.Changes in atmospheric constiuents and in radiative forcing[R].Fourth assessment report by working group 1，Geneva：IPCC，2007.

[2]REBECCA RENNER.Rethink biochar[J].Environmental Science and Technology，2007：5932-5933.

[3]Glaser，B.，Haumaier，L.，Guggenberger，G.，Zech，W..The ‘Terra Preta phenomenon：a model for sustainable agriculture in the humid tropics[J].Naturwissenschaften，2011，88：37-41.

[4]David Laird，Pierce Fleming，Baiqun wang，et al.Biochar impact on nutrient leaching from a Mid-western agricultural soil [J].Geoderma：An Interntional Journal of Soil Science，2010，158（3/4）：436-422.

[5]Afeng Zhang，Liqiang Cui，Gengxing Pan，et al.Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain，China [J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2010，139：469-475.

[6]ESBEN W BRUUN，HENRIK HAUGGAARD NIELSEN，NORAZANA IBRAHIM，et al.Influence of fast pyrolysis temperature on biochar labile fraction and short-term carbon loss in a loamy soil [J].Biomass and Bioenergy.2011，35（3）：1182-1189.

[7]Lehman J，Gaunt J，Rondon M.Biochar sequestration in terrestrial ecosystems ：A review [J].Mitig Adaptatrat Global Chang，2006，（11）：403-427.

[8]袁艷文，田宜水，趙立欣，等.生物炭應(yīng)用研究進(jìn)展[J].可再生能源，2012，30（9）：45-49.

[9]Johannes Lehmann.Bio-energy in the black[J].The ecological Society of America，2007，5（7）：381-387.

[10]Yuan JH，Xu RK，Zhang H.The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J].Bioresource Technology，2011，102：3488-3497.

[11]Chun Y，Sheng GY，Cary TC，et al.Compositions and sorptive properties of crop residue-derived chars[J].Environ.Sci.Technol.，2004，38：4649-4655.

[12]謝祖彬，劉琦，許燕萍，等.生物炭研究進(jìn)展及其研究方向[J].土壤，2011，43（6）：857-861.

[13]Coleman Mark，Jones Greg，Venn Tyron，et al.Portable in-woods pyrolysis：Using forest biomass to reduce forest fuels，increase soil productivity，and sequester carbon[J].Dumroese，2009.

[14]CR McGill，JS Rowarth，MJ Hedley.The effect of biochars on maize（Zeamays）germination[J].New Zealand Journal of Agricultural Research，2010，53（1）：1-4.

[15]Lehmann，C.J.，Sohi，S.P. Comment on Fire-derived charcoal causes loss of forest humus[J].Science，2008.

[16]Liang B，Lehmann J，Solomon D，et al.Stability of biomass-derived black carbon in soils[J].Geo-chim Cosmochim Acta，2008，72：6069-6078.

[17]Kuzyakov，Y.，Subbotina，I.，Chen，H.，et al.Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by 14C labeling[J].Soil Biology and Biochemistry，2009，41：210-219.

[18]Major J，Lehmann J，Rondon M，et al.Fate of soil-applied black carbon：downward migration，leach-ing and soil respiration[J].Glob chang Biol，2010a，16：1366-1379.

[19]Lehmann，C.J.，Sohi，S.P..Comment on Fire-derived charcoal causes loss of forest humus[J].Science，2008.

[20]Spokas KA，Reicosky DC.Impacts of sixteen different biochars on soil greenhouse gas production[J].Ann Environ Sci，2009，3：179-193.

[21]Pietik?inen，J.，Kiikkila，O.and Fritze，H.‘Charcoal as a habitat for microbes and its effect on the microbial community of the underlying humus[J].Oikos，2000，89：231-242.

[22]Hamer U，Marschner B，Bordowski S，et al.Interactive priming of black carbon and glucose mineral-isation[J].Org Geochem，2004，35：823-830.

[23]顏永毫，王丹丹，鄭紀(jì)勇.生物炭對(duì)土壤N2O和CH4排放影響的研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（8）：140-146.

[24]Elizabeth Verhoeven，Johan Six.Biochar does not mitigate field-scale N2O emissions in a NorthernCalifornia vineyard：An assessment across two years.Agriculture[J].Ecosystems and Environment，2014，191：27-38.

[25]Jian Xiang，Deyan Liu，Weixin Ding，et al.Effects of biochar on nitrous oxide and nitric oxide emissions from paddy field during the wheat growth season[J].Journal of Cleaner Production，2014：1-7.

[26]Afeng Zhang，Liqiang Cui，Gengxing Pana，et al.Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain，China.Agriculture[J].Ecosystems and Environment，2010，139：469-475.

[27]Min Huang，Liu Yang，Huadong Qin，et al.the effect of biochar amendment on soil quality and crop productivity in Chinese rice paddies[J].Field Crops Research，2013，154：172-177.

[28]Zhang，Q.Strategies for developing green super rice[J].Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2007，104：16402-16409.

[29]Smith，P.，Haberl，H.，Popp，A.，et al.How much land-based greenhouse gas mitigation can be achieved without compromising food security and environmental goals？[J].Global Change Biol，2013，19：2285-2302.

[30]Lehmann，J.，Gaunt，J.，Rondon，M.Biochar sequestration in terrestrial ecosystems-a review[J].Mitig.Adapt.Strategies Glob.Chang，2006，11：395-419.

[31]Sohi，S.Carbon storage with benefits[J].Science，2012，338：1034.

[32]S.Jeffery，F(xiàn).G.A.Verheijen，M.van der Veldea，et al.A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2011，144：175-187.

[33] Kezhen Qian，Ajay Kumar，Hailin Zhang，et al.Recent advances in utilization of biochar[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，42：1055-1064

[34]Kookana RS，Sarmah AK，Van Zwieten L，et al.Biochar application to soil：agronomic and environmental benefits an d uninten d ed co nse quences[J].Sparks DL（ed）Adv Agro，2011，112：103-143.

[35]Johannes Lehmann，Matthias C.Rillig，Janice Thies，et al.Biochar effects on soil biota-A review[J].Soil Biology and Biochemistry，2011，9（43）：1812-1836.

[36]Gang Xu，Yingchun Lv，Junna Sun，et al.Recent Advances in Biochar Applications in Agricultural Soils：Benefits and Environmental Implications[J].Clean-Soil，Air，Water，2012，40（10）：1093-1098.

[37]Diana Noguera，Marco Rondón，Kam-Rigne Laossi，et al.Contrasted effect of biochar and earthworms on rice growth and resource allocation in different soils[J].Soil Biology and Biochemistry，2010，42：1017-1027.

[38]K.C.Uzoma，M.Inoue，H.Andry，et al.Influence of biochar application on sandy soil hydraulic properties and nutrient retention[J].Journal of Food，Agriculture and Environment，2011，9（3-4）：1137-1143. （責(zé)編：張宏民）