謝祖彬，劉 琦

（1.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京210008；2.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，南京210037；3.南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京林業(yè)大學(xué)，南京210037）

氣候變暖和糧食安全是當(dāng)前人類所面臨的重大挑戰(zhàn)。自1750 年工業(yè)革命以來(lái)，化石燃料燃燒、土地利用變化等造成大氣中溫室氣體（CO2、CH4、N2O）濃度持續(xù)上升，致使地表溫度升高了0.78 ℃[1]。氣候變暖會(huì)導(dǎo)致海平面上升、極端氣候增加、生態(tài)系統(tǒng)惡化，給人類的生產(chǎn)和生活帶來(lái)重大影響。同時(shí)，世界人口持續(xù)增長(zhǎng)，糧食安全問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)峻[2]。

生物質(zhì)炭（Biochar）在巴西亞馬孫流域考古中的發(fā)現(xiàn)，引起了人們利用生物質(zhì)炭來(lái)解決氣候變化和糧食安全問(wèn)題的興趣[3]。生物質(zhì)炭是由動(dòng)植物生物質(zhì)（秸稈、木屑、畜禽糞便等）在完全或部分缺氧的條件下經(jīng)高溫?zé)峤馓炕a(chǎn)生的一類高度芳香化的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以被微生物分解[4]。亞馬孫流域黑土（Terra Preta）有上千年的歷史，在遠(yuǎn)古人類活動(dòng)的影響下，其積累了大量的因不完全燃燒而產(chǎn)生的生物質(zhì)炭，這種土壤比周邊同樣類型但不含生物質(zhì)炭的土壤具有更高的肥力和碳含量[5-6]。研究者受此啟示，認(rèn)為向土壤中添加工業(yè)化生產(chǎn)的生物質(zhì)炭可以快速?gòu)?fù)制出亞馬孫流域黑土，不僅可以提高土壤碳庫(kù)，增加對(duì)大氣CO2的固持，而且還能改良土壤，促進(jìn)作物生產(chǎn)[7]。

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳儲(chǔ)量最大的有機(jī)碳庫(kù)（1550 Pg），是陸地生物圈植被碳儲(chǔ)量的3倍和大氣圈碳儲(chǔ)量的2 倍[8]。因此，增加全球土壤碳庫(kù)在抑制大氣CO2濃度升高和減緩全球氣候變暖具有重要的意義[9]。

傳統(tǒng)的將秸稈等有機(jī)物料直接還田的措施對(duì)提高土壤碳庫(kù)的作用微弱，原因是這些物料分解迅速，并且會(huì)增加土壤CH4和N2O 等溫室氣體的排放[10-11]。而將秸稈等生物質(zhì)轉(zhuǎn)化后的生物質(zhì)炭性質(zhì)穩(wěn)定，難以分解，可以有效地“鎖”住碳庫(kù)，減緩其分解回歸到大氣的速度[12]。鑒于生物質(zhì)炭潛在的固碳及增產(chǎn)價(jià)值，國(guó)際上相繼成立了不同的生物質(zhì)炭研究機(jī)構(gòu)（如International Biochar Initiative），以研究并推廣生物質(zhì)炭在土壤中的應(yīng)用。此外，IPCC 也在2014 年的報(bào)告中將生物質(zhì)炭列為一項(xiàng)重要的固碳減排措施[13]。

然而，也有一些科學(xué)家發(fā)出了質(zhì)疑，尤其是來(lái)自英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家的126 個(gè)社會(huì)團(tuán)體不久前聯(lián)名發(fā)表了宣言：《生物質(zhì)炭，人類、土地和生態(tài)系統(tǒng)的新威脅》。他們明確表示反對(duì)“生物質(zhì)炭”，認(rèn)為其對(duì)土地、人類和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成新的巨大威脅。當(dāng)前一些反對(duì)的觀點(diǎn)包括：（1）亞馬孫流域黑土使貧瘠的土壤變肥沃可能更得益于富含磷元素的骨骼的添加，僅靠生物質(zhì)炭自身無(wú)法做到這一點(diǎn)[14]；（2）工業(yè)生物質(zhì)炭與“亞馬孫黑土”差異很大，“亞馬孫黑土”是土著居民在數(shù)百年甚至數(shù)千年的時(shí)間變遷中創(chuàng)造的，而生物質(zhì)炭在短期內(nèi)可能并不能很好地與土壤“融合”，并發(fā)揮作用[15]；（3）生物質(zhì)炭的碳匯作用還不明確，有研究表明生物質(zhì)炭可能會(huì)激發(fā)原土壤有機(jī)質(zhì)的分解[16]。

生物質(zhì)炭措施究竟是熠熠生輝，還是會(huì)黯然失色？本文總結(jié)了近年來(lái)生物質(zhì)炭對(duì)作物生產(chǎn)、土壤碳庫(kù)、土壤溫室氣體排放的影響，提出了生物質(zhì)炭合理施用方案，以期為生物質(zhì)炭有效實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)和固碳減排提供科學(xué)參考。

1 生物質(zhì)炭對(duì)土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響

生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響機(jī)制包括3 個(gè)方面：（1）pH 效應(yīng)，生物質(zhì)炭在酸性土中能提高土壤pH，降低鋁毒[17]；（2）養(yǎng)分效應(yīng)，生物質(zhì)炭本身含有一些可利用的養(yǎng)分如P、K、Ca、Mg，能增加土壤肥力和作物養(yǎng)分吸收[18]；（3）結(jié)構(gòu)效應(yīng)，生物質(zhì)炭具有多孔結(jié)構(gòu)，能緩解土壤壓實(shí)，增加田間持水率，從而利于作物根系的下扎和對(duì)水分的吸收[19]。同時(shí)，生物質(zhì)炭具有較大的比表面積，并含有帶負(fù)電的官能團(tuán)，能有效提高低CEC土壤的保肥性[20]。

Jeffery 等[17]基于文獻(xiàn)Meta 分析，研究了生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量的總體效應(yīng)，結(jié)果表明生物質(zhì)炭能平均增產(chǎn)13%。然而，針對(duì)不同的土壤性質(zhì)、生物質(zhì)炭種類、環(huán)境條件以及田間管理，生物質(zhì)炭所發(fā)揮的效應(yīng)有較大差別。如Zhu 等[21]研究發(fā)現(xiàn)1%的麥秸生物質(zhì)炭能顯著提高紅壤玉米產(chǎn)量，但沒(méi)有提高潮土、婁土、黑土和紫色土的玉米產(chǎn)量，甚至還會(huì)降低產(chǎn)量。Abbasi等[22]觀測(cè)到禽糞生物質(zhì)炭能顯著提高玉米產(chǎn)量，而白三葉草炭則沒(méi)有顯著的影響。Asai 等[23]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在干旱并且缺磷的土壤中顯著增加了作物產(chǎn)量。然而，當(dāng)田間采用充足的養(yǎng)分和水分管理時(shí)，生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量則沒(méi)有顯著影響[24-25]。3 種水稻-小麥輪作和3 種小米-小麥輪作土壤連續(xù)5 a 土柱試驗(yàn)表明，稻稈生物質(zhì)炭能持續(xù)提高水稻、小米和小麥產(chǎn)量[26]。Zhang 等[27]的稻麥田間試驗(yàn)表明，一次性添加的生物質(zhì)炭（20～40 t·hm-2）在6 a 后仍然能顯著提高水稻和小麥產(chǎn)量。而對(duì)于偏堿性的始成土，Wei 等[28]的8 a田間試驗(yàn)表明生物質(zhì)炭對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響。Liu 等[29]的Meta 分析表明，生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的年際效應(yīng)。總體來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)炭在酸性土（pH≤6.5）中能有效地增加作物產(chǎn)量，而在中性或堿性土壤中效果不顯著[25,30]。此外，生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量的促進(jìn)作用通常在質(zhì)地較差（沙土或黏土）或CEC 含量較低的土壤中表現(xiàn)出更好的效果[30]。畜禽糞便生物質(zhì)炭比秸稈生物質(zhì)炭或木材生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量有更大的增幅[30]。隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，作物產(chǎn)量增幅先上升后下降，過(guò)量的生物質(zhì)炭添加（＞80 t·hm-2）會(huì)抑制作物產(chǎn)量[30]。

2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤碳庫(kù)的影響

生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性是決定生物質(zhì)炭能否有效提升土壤碳庫(kù)的直接因素。在不同的研究中，基于不同的生物質(zhì)炭種類及環(huán)境條件，生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性有所不同，其半保留時(shí)間短則幾十年，長(zhǎng)則上千年[31]。Wang 等[32]通過(guò)對(duì)24 篇文獻(xiàn)中128 個(gè)觀測(cè)值進(jìn)行的Meta 分析表明：生物質(zhì)炭中平均約有3%的部分屬于易降解成分，其半保留時(shí)間平均為108 d，其余的97%為難降解成分，其半保留時(shí)間平均為556 a，這說(shuō)明生物質(zhì)炭中大部分的碳可以作為穩(wěn)定的碳庫(kù)得以保存。通常來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)炭的裂解溫度是決定生物質(zhì)炭穩(wěn)定性的重要因素，裂解溫度越高，其降解越慢。同種生物質(zhì)炭在不同土壤中的降解速率差異不大[33]。

生物質(zhì)炭降解過(guò)程包括非生物過(guò)程和生物過(guò)程：非生物過(guò)程主要指生物質(zhì)炭中少量的以碳酸鹽形式存在的碳（約占總碳的0.5%）在酸性條件下的溶解；生物過(guò)程主要指微生物對(duì)生物質(zhì)炭中可利用的有機(jī)碳進(jìn)行同化以獲取能量和物質(zhì)[34-35]。Kuzyakov等[36]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭中的糖脂（Glycolipids）、磷脂質(zhì)（Phospholipids）等脂肪族化合物是微生物利用的主要成分；經(jīng)過(guò)3.5 a 的培養(yǎng)，生物質(zhì)炭中的碳有2.6%被整合到微生物體內(nèi)，有4.5%被氧化成CO2釋放到大氣中；生物質(zhì)炭在被微生物降解的過(guò)程中，會(huì)伴隨著O和H 的增加，C的減少，以及含氧官能團(tuán)的增加（-COOH、-C=O、-OH）。

生物質(zhì)炭對(duì)土壤碳庫(kù)的影響除了其本身保留的碳外，還包括其對(duì)土壤原有機(jī)碳分解增加或減少的量。Wang 等[32]通過(guò)對(duì)21 個(gè)研究中116 個(gè)觀測(cè)值的Meta 分析發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭對(duì)原土壤有機(jī)碳的分解速率總體上有微弱降低的趨勢(shì)，降幅平均為3.8%。然而，根據(jù)具體的生物質(zhì)炭性質(zhì)和環(huán)境條件的不同，生物質(zhì)炭對(duì)土壤原有機(jī)碳的分解表現(xiàn)出不同的效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用秸稈生物質(zhì)炭、快裂解生物質(zhì)炭或低溫裂解的生物質(zhì)炭時(shí)，土壤原有機(jī)碳的降解速率會(huì)被抑制，其降幅均在20%左右。而當(dāng)生物質(zhì)炭添加到沙性土壤中時(shí)，其會(huì)促進(jìn)原土壤有機(jī)碳分解，增幅為21%[32]。

生物質(zhì)炭對(duì)土壤有機(jī)碳分解產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)的機(jī)制包括：（1）生物質(zhì)炭中含有一定量的可利用有機(jī)碳成分，微生物可能會(huì)優(yōu)先利用這部分碳，從而減少了對(duì)原有機(jī)碳的分解[37]；（2）生物質(zhì)炭含有一定量的有毒化合物（酚類），能抑制微生物對(duì)有機(jī)碳的分解活性[38]；（3）生物質(zhì)炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)具有包裹和吸附作用，可能會(huì)隔離微生物及其產(chǎn)生的胞外酶與受保護(hù)的有機(jī)碳的接觸，從而降低有機(jī)碳的分解[39]；（4）生物質(zhì)炭促進(jìn)土壤有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體的形成，從而增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性[40]。而生物質(zhì)炭對(duì)土壤有機(jī)碳分解產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)的原因可能是由于生物質(zhì)炭的多孔性及其所含的營(yíng)養(yǎng)元素為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了有利的環(huán)境，從而增加微生物的數(shù)量和活性，促進(jìn)其對(duì)土壤有機(jī)碳的礦化分解[16]。

總體來(lái)說(shuō)，即使生物質(zhì)炭對(duì)土壤原有機(jī)碳的分解表現(xiàn)出正的或負(fù)的激發(fā)效應(yīng)，這部分增加或減少的分解量相比于生物質(zhì)炭所固持的碳量非常小，如在Luo等[16]的試驗(yàn)中，盡管芒草生物質(zhì)炭造成了土壤原有機(jī)碳中3.3%的損失量，然而這部分量相比于生物質(zhì)炭自身所固持的碳量?jī)H為0.6%。因此，生物質(zhì)炭從增加土壤總碳的角度是有效的。

3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤CH4排放的影響

Song 等[41]通過(guò)對(duì)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的Meta 分析發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在旱地中通常會(huì)增加CH4氧化，增幅平均為114%，這主要得益于生物質(zhì)炭增加了土壤孔隙度，有利于好氧環(huán)境的形成。而生物質(zhì)炭在水田中對(duì)CH4排放的影響較復(fù)雜，通?；诓煌纳镔|(zhì)炭和土壤性質(zhì)而有不同。有研究觀測(cè)到生物質(zhì)炭增加了稻田CH4排放26%～68%[42-43]，其可能的原因包括：（1）生物質(zhì)炭本身會(huì)基于某些特定的裂解條件（如快裂解、低溫裂解）而存在一些易降解的有機(jī)碳成分，從而為產(chǎn)甲烷菌提供了底物[43]；（2）生物質(zhì)炭可能會(huì)增加微生物生物量以及活性，從而加速原土壤有機(jī)質(zhì)的分解[44-45]。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對(duì)稻田CH4有抑制作用，其原因是生物質(zhì)炭不僅增加了產(chǎn)甲烷菌，也增加了甲烷氧化菌，并且對(duì)甲烷氧化菌的增高比例顯著高于對(duì)產(chǎn)甲烷菌的增高比例，從而降低了CH4排放[46]。也有學(xué)者認(rèn)為由于NH+4和CH4會(huì)競(jìng)爭(zhēng)甲烷氧化菌的生化反應(yīng)位點(diǎn)，而生物質(zhì)炭對(duì)NH+4有一定的吸附作用[47]，因此，生物質(zhì)炭會(huì)間接地增加CH4的氧化量，從而降低CH4凈排放量[41]。從Meta 分析結(jié)果的總趨勢(shì)來(lái)看，生物質(zhì)炭對(duì)稻田CH4排放有增加的趨勢(shì)，增幅平均為19%[41]。將還田的秸稈轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)炭后再還田，我國(guó)每年可減少CH4排放2400萬(wàn)t CO2-C[48]。

4 生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O排放的影響

Cayuela 等[49]通過(guò)數(shù)據(jù)整合分析發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭具有降低土壤N2O 排放的潛力，平均降幅約為54%。然而，基于生物質(zhì)炭制備原料、土壤類型和田間管理方式等條件的不同，其對(duì)土壤N2O 排放的效應(yīng)各異。如畜禽糞便制備的生物質(zhì)炭對(duì)N2O 排放沒(méi)有減少作用，而其他植物性材料（如草本和木本）制備的生物質(zhì)炭能有效減少N2O 排放[50]。生物質(zhì)炭對(duì)強(qiáng)酸性土壤（pH＜5）N2O 減排作用較小，對(duì)pH＞5 土壤的N2O 減排作用較大[49-51]。對(duì)于水田，生物質(zhì)炭能有效減少N2O 排放[43]，而對(duì)于某些旱地，有研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭反而激發(fā)了土壤N2O 排放[52]。當(dāng)土壤有機(jī)碳含量＜5 g· kg-1時(shí)，生物質(zhì)炭施用對(duì)N2O 排放沒(méi)有顯著影響。制炭溫度＜350 ℃時(shí)，生物質(zhì)炭施用不會(huì)顯著影響N2O 排放。隨著生物質(zhì)炭用量增加，其對(duì)N2O 的減排作用增強(qiáng)，并當(dāng)一次生物質(zhì)炭用量超過(guò)40 t·hm-2時(shí)對(duì)N2O 的減排作用最大[30]。Liu 等[53]在黃河沉積物發(fā)育土壤上進(jìn)行了5 a 連續(xù)施用生物質(zhì)炭試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在前2 a 對(duì)土壤N2O 沒(méi)有顯著效果，然而從第3 a 開(kāi)始顯著降低土壤N2O 排放，降幅在30%以上。Wu 等[54]從施用6 a 生物質(zhì)炭的試驗(yàn)田里取出老化生物質(zhì)炭，并進(jìn)行了培養(yǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明老化生物質(zhì)炭能減少堿性土壤中N2O 的產(chǎn)生。但Zhang 等[55]的培養(yǎng)試驗(yàn)表明，老化生物質(zhì)炭會(huì)顯著提高酸性土壤N2O 排放量的84.8%。

土壤N2O 是土壤氮素硝化和反硝化過(guò)程的產(chǎn)物[56-57]，生物質(zhì)炭會(huì)調(diào)控微生物活性進(jìn)而影響土壤N2O 排放。Sánchez-García 等[58]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭能增加土壤氨氧化菌的數(shù)量，從而促進(jìn)土壤硝化過(guò)程及相應(yīng)的N2O 產(chǎn)生；而Harter 等[59]發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤中反硝化過(guò)程占主導(dǎo)時(shí)，生物質(zhì)炭會(huì)增加土壤N2O 還原菌的數(shù)量，從而加速N2O 向N2轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致N2O 排放減少。此外，也有研究報(bào)道生物質(zhì)炭在某些土壤類型中會(huì)對(duì)硝化菌或反硝化菌產(chǎn)生毒副作用，從而抑制N2O 的產(chǎn)生[60-61]。這些研究說(shuō)明生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O排放的影響一方面取決于土壤功能微生物的響應(yīng)，另一方面取決于土壤中主導(dǎo)的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程。

Liu 等[62]用機(jī)器學(xué)習(xí)隨機(jī)森林模型研究表明，生物質(zhì)炭類型、劑量和氣候帶是控制生物質(zhì)炭減少N2O排放的關(guān)鍵因素，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室減排效果好于田間效果。如10～20 t·hm-2秸稈炭將平均減少N2O 排放16%，而相應(yīng)劑量的畜禽糞便炭只減少9%，木炭減少13%。在熱帶、亞熱帶地區(qū)生物質(zhì)炭施用對(duì)N2O 的減排作用小于溫帶地區(qū)。在高土壤有機(jī)碳、高陽(yáng)離子交換量和高養(yǎng)分土壤上，生物質(zhì)炭施用能大幅減少N2O排放。全球農(nóng)田如果施用生物質(zhì)炭，每年最多可減少N2O 排放96 萬(wàn)t N2O-N（相當(dāng)于目前全球農(nóng)田N2O 排放的33%）[62]。

5 生物質(zhì)炭的固碳減排方案與合理施用

Matovic 等[63]認(rèn)為，假設(shè)將陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力60.6 Gt·a-1（NPP，即增加的植物生物量）的10%作為生物質(zhì)炭原料，將得到約3 Gt C·a-1的生物質(zhì)炭（50%的碳保留率），相當(dāng)于人為碳排放總量（7.2 Pg C·a-1）的42%。但Matovic 等[63]的估算可能過(guò)于樂(lè)觀，他一方面可能高估了可供應(yīng)的生物質(zhì)原料總量，另一方面并沒(méi)有綜合考慮生物質(zhì)炭所產(chǎn)生的其他效應(yīng)。Woolf 等[31]認(rèn)為在不影響糧食安全、土地利用及環(huán)境污染的前提下，全球可用來(lái)制造生物質(zhì)炭的秸稈量?jī)H為1.0～2.3 Pg C·a-1，轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭后可固持的碳量為0.5～0.9 Pg C·a-1。此外，這些生物質(zhì)炭所帶來(lái)的其他效應(yīng)（如溫室氣體減排等）又將間接減少0.3～0.5 Pg·a-1的碳。綜合以上考慮，Woolf 等[31]估算的生物質(zhì)炭固碳潛力每年最多僅能抵消12%的人為碳排放。

Wu 等[64]基于一次性添加生物質(zhì)炭的6 a 稻麥系統(tǒng)生物質(zhì)炭試驗(yàn)，綜合考慮土壤CH4、N2O排放以及土壤碳庫(kù)變化，發(fā)現(xiàn)添加20～40 t·hm-2的生物質(zhì)炭能有效降低作物生產(chǎn)過(guò)程中土壤的全球增溫潛勢(shì)，降幅為30%～50%。Liu 等[65]通過(guò)數(shù)據(jù)整合發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭在旱地土壤中對(duì)全球增溫潛勢(shì)的降低作用平均為41%，遠(yuǎn)大于其在水田中的效果（降幅為17%）。然而，Liu等[53]5 a 連續(xù)施用生物質(zhì)炭的試驗(yàn)表明，如果只考慮土壤溫室氣體排放以及土壤碳庫(kù)的變化，生物質(zhì)炭能有效降低全球增溫潛勢(shì)，但如果進(jìn)一步將生物質(zhì)炭加工過(guò)程中的耗能及其釋放的溫室氣體考慮進(jìn)來(lái)，則生物質(zhì)炭對(duì)全球增溫潛勢(shì)的降低作用將大打折扣，且會(huì)存在因低效的生物質(zhì)炭制備過(guò)程而增加全球增溫潛勢(shì)的風(fēng)險(xiǎn)。

Liu等研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的固碳效應(yīng)取決于制炭能耗和裂解氣的回收利用。如果裂解氣不進(jìn)行回收利用，生物質(zhì)炭制備過(guò)程中排放的溫室氣體導(dǎo)致的增溫效應(yīng)將大于生物質(zhì)炭中所有的碳[42]。如果要實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用產(chǎn)生的碳排放強(qiáng)度小于不施生物質(zhì)炭處理，那么制炭?jī)裟芎谋仨毿∮?.4 MJ·kg-1干物料[48]。

我國(guó)每年生產(chǎn)秸稈3.25 億t C，其中還田和田間焚燒占30%[66]。如果把還田和田間焚燒的秸稈作為生產(chǎn)生物質(zhì)炭的有效秸稈資源，則每年可用于制炭的秸稈為0.975億t C。根據(jù)400 ℃條件下秸稈碳轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭碳的留存率58.5%計(jì)算，可生產(chǎn)生物質(zhì)炭碳5700 萬(wàn)t。根據(jù)制生物質(zhì)炭能耗0.007 8 kg CO2-C·kg-1原料、裂解氣碳抵消率0.015 1 kg CO2-C·kg-1原料和100 a 后生物質(zhì)炭碳穩(wěn)定率86.3%計(jì)算，我國(guó)土壤有機(jī)碳將每年增加5790萬(wàn)t C[48]。

Liu 等[62]基于隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)模型，從全球尺度研究了生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田作物產(chǎn)量及土壤氮排放（NH3揮發(fā)、N2O排放及氮淋溶）效應(yīng)的空間變異特征。結(jié)果表明生物質(zhì)炭施用需要根據(jù)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行合理匹配，否則會(huì)帶來(lái)糧食安全隱患或環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)大部分農(nóng)田，一次性添加＞80 t·hm-2的木材生物質(zhì)炭或秸稈生物質(zhì)炭可能會(huì)抑制作物產(chǎn)量；一次性添加＞40 t·hm-2的秸稈生物質(zhì)炭或＞10 t·hm-2的畜禽糞便生物質(zhì)炭可能會(huì)激發(fā)土壤氨揮發(fā)而造成土壤氮損失增加。盡管生物質(zhì)炭在熱帶高度風(fēng)化的土壤中通常能顯著增加作物產(chǎn)量，但由于這些區(qū)域具有較弱的pH緩沖能力而容易被高堿性的生物質(zhì)炭（如秸稈或畜禽糞便生物質(zhì)炭）引起氨揮發(fā)而造成氮損失增加[62]。Liu 等[62]綜合生物質(zhì)炭效應(yīng)的空間變異特征，提出了合理施用生物質(zhì)炭的全球方案建議，即對(duì)于低緩沖力土壤（SOC＜1%, pH＜5, 或黏粒含量＞30%），優(yōu)先使用木材生物質(zhì)炭，且單次添加量不能大于40 t·hm-2；對(duì)于其他土壤，可選用不同類型的生物質(zhì)炭，但單次添加木材生物質(zhì)炭不能大于80 t·hm-2，秸稈生物質(zhì)炭不能大于40 t·hm-2，或畜禽糞便生物質(zhì)炭不能大于10 t·hm-2；此方案可使全球作物產(chǎn)量平均提升約10 %，同時(shí)平均減少全球N2O排放約20%。

總之，生物質(zhì)炭措施對(duì)于糧食增產(chǎn)和固碳減排有一定的潛力，但需以清潔高效的生物質(zhì)炭制備技術(shù)為前提，并根據(jù)具體的土壤性質(zhì)選擇合適的生物質(zhì)炭類型以及與劑量進(jìn)行合理的匹配。

6 未來(lái)研究方向

根據(jù)我們對(duì)發(fā)表文獻(xiàn)的分析，絕大多數(shù)試驗(yàn)采取一次性添加生物質(zhì)炭的模式。在時(shí)間尺度上，大部分研究沒(méi)有超過(guò)1 a，2 a 以上的文獻(xiàn)僅占5%。另外生物質(zhì)炭的固碳減排效應(yīng)還與生物質(zhì)炭的生產(chǎn)技術(shù)、生物質(zhì)炭性質(zhì)和土壤性質(zhì)有關(guān)。在生物質(zhì)炭大規(guī)模推廣運(yùn)用之前，還需要加強(qiáng)以下幾方面研究：

（1）低耗能循環(huán)制炭技術(shù)研究。目前大部分的制炭技術(shù)能耗都比較高，平均耗能達(dá)4.04 MJ·kg-1干給料。而且還有很多采用小土窯、柴油桶、火燒+水澆（蓋土）等極其簡(jiǎn)單的工藝制備生物質(zhì)炭，質(zhì)量不穩(wěn)定、二次污染嚴(yán)重?，F(xiàn)有結(jié)果表明生物質(zhì)炭制備技術(shù)影響固碳減排效果，亟需加強(qiáng)生物質(zhì)炭生產(chǎn)技術(shù)研究。

（2）目前已有結(jié)果大量來(lái)自于短期、一次性、大劑量生物質(zhì)炭施用試驗(yàn)，并且一致認(rèn)為生物質(zhì)炭能增加土壤碳庫(kù)，但對(duì)CH4、N2O排放的影響不完全一致。也開(kāi)展了一些機(jī)理方面的研究和少量老化生物質(zhì)炭的工作，但多年老化生物質(zhì)炭表現(xiàn)出的結(jié)果與新鮮生物質(zhì)炭不同，亟需加強(qiáng)研究。

（3）生物質(zhì)炭類型與土壤類型互作研究。生物質(zhì)炭性質(zhì)和土壤性質(zhì)都影響生物質(zhì)炭的固碳減排效果，目前結(jié)果顯示同一種生物質(zhì)炭在不同土壤上的固碳減排效應(yīng)不同，不同生物質(zhì)炭在同一種土壤上的效應(yīng)也不同，亟需加強(qiáng)比較研究，尤其是連續(xù)長(zhǎng)期施用效應(yīng)研究。