生物炭農田應用的固碳減排研究進展

傅偉軍 徐向瑞 魏玲玲 葉正錢 歐陽瀟 吳聞澳 柳丹 方先芝 倪治華

摘要

溫室氣體（GHGs）過量排放造成的全球氣候變化問題受到廣泛關注，農業活動是第二大溫室氣體排放源，減少農業溫室氣體排放刻不容緩．生物炭由生物質在高溫限氧條件下熱解炭化獲得，其性質穩定、孔徑豐富、富含芳香碳，因而減排增匯效果優異，具有參與農業自愿減排碳交易的顯著潛力．然而生物炭固碳減排效果異質性大，影響因素復雜多樣，因此有必要對其減排效應、影響因素和研究進展進行歸納總結．本文系統梳理了國內外與生物炭固碳減排相關的室內、大田研究和整合分析研究，同時采用CiteSpace軟件進行可視化分析，探究了該領域的發展趨勢和研究熱點．基于國內外碳交易市場發展特點與程度以及相應配套政策總結了生物炭參與碳交易面臨的機遇和挑戰，并提出了相應的解決手段，為生物炭固碳減排研究的開展和生物炭農田應用項目參與碳交易提供了科學指導和建議．

關鍵詞生物炭;土壤碳庫;溫室氣體;甲烷;氧化亞氮;碳交易

中圖分類號

S365;X171.1

文獻標志碼

A

收稿日期

2022-05-30

資助項目

浙江省基礎公益研究計劃 （LY20C160004）

作者簡介傅偉軍，男，博士，教授，主要從事區域土壤碳氮循環及環境信息技術與應用研究．fuweijun@zafu.edu.cn

葉正錢（通信作者），男，博士，教授，主要從事土壤肥料和土壤重金屬污染修復等研究．yezhq@zafu.edu.cn

倪治華 （通信作者），男，研究員，主要從事土壤改良、養分管理、監測評價與農業廢棄物資源化利用等工作．hznzh@163.com

0 農業溫室氣體排放與生物炭農田減排潛力

氣候變化作為當前世界各國面臨的嚴峻挑戰，已嚴重威脅到人類的生存與發展．聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的第六次評估報告（Sixth Assessment Report，AR6）表明，人類活動主導的溫室氣體增排是導致大氣、海洋和陸地變暖的主要因素［1］．AR6 明確指出，當前大氣中三大主要溫室氣體CO 2、CH 4和N 2O的體積分數已經分別高達4.10×10-4、1.87×10-6和3.32×10-7［1］．受此影響，近10年全球地表均溫較20世紀初提升了1.09 ℃．

與農業相關的生產活動是溫室氣體重要排放源之一，其對CH 4和N 2O的排放影響尤為顯著 ［2-3］．據聯合國糧農組織FAOSTAT數據庫（http：／／faostat3.fao.org／home／index.html）統計，2018年全球農業源溫室氣體排放約93億t CO 2-eq（二氧化碳當量，下同），約占全球總人為溫室氣體排放的11％．其中：畜牧業是最大的農業源，動物腸道發酵貢獻了39.3％的農業溫室氣體排放，畜牧業的糞便管理貢獻了15.2％;化肥使用和稻田CH 4排放分別占農業溫室氣體排放的11.8％和10.1％．此外，其他農業途徑如作物秸稈燃燒、農田碳庫損失等貢獻了農業溫室氣體排放的16.8％．中國作為擁有巨大人口密度的農業大國，如何減少農業溫室氣體排放面臨著巨大的挑戰［4-5］．《中國氣候變化第三次國家信息通報》［6］表明，中國農業活動相關的溫室氣體排放量約占溫室氣體排放總量的7.9％ （約8.28億t CO 2-eq），CH 4和N 2O的貢獻分別超過了4億t和3億t CO 2-eq．農業溫室氣體減排是“碳中和”目標實現過程中亟待解決的問題．

《全球碳捕集與封存現狀》報告［7］指出，如果不部署碳捕集、利用及封存項目（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS），實現“碳中和”幾乎是不可能完成的目標．CCUS指把化石燃料燃燒產生的CO 2進行收集并將其安全地存儲于地質結構層中或進行資源化利用的工程，是“碳中和”的重要實現途徑之一［8-9］．CCUS相關技術成為世界范圍內的研發熱點，中國也對此展開了廣泛的試驗和探索［10］．2009年，華能集團于上海石洞口第二電廠啟動了10萬t／年CO 2捕集示范項目，成為世界上規模最大的燃煤電廠煙氣CO 2捕集裝置之一;河北新奧集團開發的“微藻生物吸碳技術”，實現了微藻吸收煤化工CO 2工藝，年吸收110 t CO 2;江蘇中科金龍環保新材料有限公司CO 2制備化工產品和原料技術示范以酒精廠捕集的CO 2為原料，制備保溫材料和可降解塑料等產品，年CO 2利用量達8 000 t．然而，絕大部分CCUS技術仍處于試驗、示范階段，難以在全球范圍內開展大規模應用［10］．主要問題有兩方面：一是CCUS技術尚未成熟，難以確保封存的CO 2不會逸出并長期穩定;二是項目成本居高不下，嚴重影響了現有技術的推廣應用［9，11-12］．有別于傳統的CCUS技術，生物炭在技術門檻、資源消耗、經濟成本等方面要求較低，是一種更易實施的固碳減排途徑［13-14］．大量研究［14-18］表明，生物炭具有巨大的固碳減排潛力，在減緩氣候變化方面具有重要作用．

生物炭是廢棄生物質或有機體在限氧條件下熱裂解生成的固態物質，具有較高的pH、有機碳含量和陽離子交換量，并且具有豐富的孔隙、復雜的官能團以及巨大的比表面積［19-20］．生物炭的研究源自科學家在南美洲亞馬孫地區對一種名為“Terra Preta”的黑色肥沃土壤的研究［21-23］．生物炭的相關報道在21世紀初數量較少，但隨著科學研究的不斷深入及其生態環境功能的不斷挖掘，生物炭在作物增產、污染治理、固碳減排等方面的作用被廣泛關注［17，24-26］．隨著我國“雙碳”目標的提出，生物炭制備技術及其固碳效應將受到越來越多的關注．

生物炭基于自身的碳素穩定性、對土壤有機碳分解的潛在抑制能力以及熱解過程中副產物的循環利用，具備直接或間接地減少CO 2的排放以及增加土壤碳匯的功能［17］．對農業源的溫室氣體而言，生物炭可以通過吸附作用、改變土壤理化性質和影響微生物活動等過程發揮減排作用．總的來講，與其他傳統固碳減排方式相比，生物炭優勢顯著：

1）生物炭固碳潛力巨大．有研究報道生物炭在全球范圍內具備約3.4～6.3 Pg CO 2-eq的溫室氣體減排潛力［17］．

2）生物炭的固碳效果相對穩定，而傳統的土壤固碳方式存在固碳量下降風險．例如：林草生態系統帶來的碳匯可能會由于火災、放牧等擾動而被損耗［27-28］;免耕農業在恢復耕作后可能減少積累的碳儲量［29］;地質封存等CCUS項目亦存在泄露風險［30］．

3）生物炭的原料來源十分廣泛，幾乎所有廢棄生物質均可用于制備生物炭，因此生物炭制備技術具備廢棄生物質高效處置與碳匯提升的協調效益［31］．例如：農林廢棄物中常見的秸稈、樹枝、畜禽糞便等［32-34］;食品工業中用于制糖的甘蔗渣、甜菜渣等［35-37］;污染水體中的污泥和藻類也可以經過預處理并制成生物炭［34，38-39］．

4）常見的生物炭多來自有機廢棄生物質，其原料成本相對低廉．

盡管熱解過程中的生產成本在現階段增加了生物炭產業推廣的難度，但是生物炭的多領域應用具備在未來提升其市場競爭力的潛能［14］．比如，對農田而言，生物炭可以實現農業增產提質從而助力糧食安全并增加農戶收入［40］．

1 生物炭農田土壤固碳研究進展

1.1 生物炭對農田土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳（SOC）儲量和植被碳庫之和是大氣碳庫的3倍，其中地下2 m內土壤有機碳庫約為2 400 Pg（以C計），因此SOC在調節大氣二氧化碳濃度方面具有重要的作用［41-42］．大量研究表明農田施用生物炭可有效增加SOC，但結果存在一定的異質性［43-44］．整合分析作為一種集成并定量分析多個研究從而獲得普適結論的方法，可以幫助揭示生物炭施用對SOC的影響．多項整合分析表明［15-16，45-51］，生物炭對SOC存在積極影響，施炭后SOC的增幅范圍約在14.3％～101.6％（表1）．不同研究之間存在差異可能跟搜集的數據量有關，如肖婧等［46］數據量最少，僅為28對，其整合分析所得結果的異質性也最大，生物炭施用后SOC的增幅在14.3％～71.5％之間，而Gross等［51］涉及的數據最豐富，其研究中的差異也較?。送?，根據表1結果可知，生物炭性質、土壤性質、氣候區、試驗條件、田間管理等因素均可能影響施炭后SOC的增量［15，47-51］．盡管有研究表明生物炭可能會引起土壤有機質激發效應［52］，但長期來看生物炭對SOC發揮了積極作用，如Sun等［53］開展了8年的田間試驗發現，長期施用生物炭增加了SOC含量，這可能原因是生物炭增加了SOC的穩定性且激發效應隨著施用年限的增加而減弱［54］．

生物炭的施用可直接增加SOC，且在持續多年施用下對農作物穩產提質［55-56］，表明農田可作為生物炭的巨大儲庫．前人研究表明，生物炭通過參與土壤中的生物地球化學循環，不僅具備“固碳”作用，還具有“增匯”和“穩匯”的潛力．

1）生物炭可促進土壤中植物源的有機碳輸入．Dai等［57］ 研究表明，施用生物炭后植物生物量平均提高16.0％，這大大增加了地上部的凋落物來源;而且有研究表明生物炭可加速凋落物的分解，從而促進植物殘體向SOC的轉化［58-59］．對植物地下部而言，生物炭可以促進根系生長并刺激根系分泌物的產生，進而增加了植物的根際碳輸入［60-61］．Xiang等［60］整合分析表明施炭后作物的根際生物量增加了26％～37％;Sun等［62］試驗結果發現生物炭普遍促進了根系分泌物的產生，與對照相比最高增幅可達564.0％．

2）生物炭增加了微生物源的SOC輸入．微生物殘體碳貢獻了約50％的土壤有機碳庫［63］，生物炭提供了微生物生長所需的養分和基質，刺激了體內周轉的同化過程并增加了微生物生物量，進而促進了SOC在土壤中的積累［64-66］．Zhang等［64］研究發現施炭量在66.7～112.5 t·hm-2時微生物殘體碳增加了3.0％～5.0％，但生物炭沒有顯著改變真菌殘體碳和細菌殘體碳的比例．有研究［65］報道，施加玉米秸稈炭顯著提高了真菌和細菌的磷脂脂肪酸（PLFA），但降低了氨基糖在有機碳中的占比，表明微生物殘體碳的增加是生物炭對SOC貢獻的途徑之一．

3）生物炭還可降低SOC的分解速率，這可能與土壤團聚體有密切關系．已有多項整合分析證實了生物炭施用促進了土壤團聚體的形成，團聚體的平均質量直徑可提升8.2％～16.4％［67-69］．土壤團聚體增加且減緩SOC分解的潛在機制可能是：首先，生物炭增加了SOC在土壤團聚體形成過程中的膠結作用，而團聚體結構加強了SOC與微生物的物理隔絕從而降低SOC的分解［70-71］;其次，生物炭也會增大土壤的靜電斥力和范德華引力，提高土壤的內部黏結和抗碎裂性［72］并穩定了土壤團聚體結構，從微生物角度而言，生物炭可能會刺激微生物產生菌絲和膠結物質，有助于土壤團聚體結構的加速形成和穩定［65］;最后，有研究報道施炭后礦物結合態SOC含量顯著增加，表明生物炭還可通過土壤礦物途徑增加對SOC的保護［73-74］．

1.2 生物炭在土壤中穩定性的研究進展

盡管生物炭施用到土壤后的分解過程十分緩慢，但其并非是絕對穩定的惰性物質，隨著施用時間的增加，終會參與生物地球化學循環且發生分解．多項試驗研究表明［52，75-78］（表2），生物炭施用后的日均分解速率在0.000 1％～0.040 7％之間．生物炭輸入到土壤后的穩定性的差異可能跟土壤條件、生物炭性質等因素有關（表2）．其中生物炭的熱解溫度是最為直接的影響因素，高溫炭的礦化速率普遍比低溫炭低［52，78］．原料也決定了生物炭的分解速率，一般而言，木炭通常比秸稈炭、污泥炭更難分解［79-80］．熱解溫度和原料可能通過影響生物炭的元素組成（摩爾比）進而影響其穩定性．Spokas等［81］定量分析了生物炭穩定性與O／C的關系，結果表明，O／C小于0.2的生物炭通常是最穩定的，其半衰期在1 000年以上;而O／C大于0.6的生物炭半衰期則不足100年．此外，H／C可用于評價生物炭中芳環結構的熱化學改變程度，較低的H／C意味著較高的熔融芳香環含量和較高的穩定性［79］．同時，施用年限的長短也會影響生物炭的穩定性，有研究表明施用年限越長，土壤中留存的生物炭越穩定．Wang等［80］ 基于24篇文獻中128對數據開展的整合分析表明，生物炭施入后的初始分解速率約為0.021％～0.033％ d-1，但在施用3年后，生物炭分解極為緩慢．

不同研究中生物炭的分解速率差異較大，且同一研究中的分解速率也存在年際變化，難以具體估算生物炭施用年限的固碳量．因此，IPCC給出了生物炭施入土壤后的固碳量參考計算公式［82］：

ΔBC mineral=∑np=1（BC TOT p·F C p·F perm p），

其中：BC mineral表示生物炭施入土壤100年后的殘留碳量;

BC TOT p

表示施炭量（t·hm-2·a-1）;F C p

表示生物炭的有機碳含量，單位是t（C）·t-1;F perm p

表示100年尺度上生物炭的存留系數，單位是t （C-eq）·t-1;n 表示使用的第n種生物炭．

1.3 生物炭土壤固碳研究的熱點與發展趨勢

在Web of Science中以檢索式TS=biochar AND TS=（“soil organic carbon” OR “soil carbon” OR “carbon sequestration”） NOT TS=incubation進行檢索，通過CiteSpace對檢索結果進行關鍵詞共現研究．除檢索語句包含的詞匯外，出現頻次最高的有black carbon（黑炭）、charcoal（木炭）、bioma（生物質）、nitrogen（氮）、 greenhouse gas emission（溫室氣體排放）、pyrolysis（熱解）、stability（穩定性）．對關鍵詞進行聚類分析，共出現四大主題：穩定性、廢棄物與污染治理、熱解過程、土壤有機質與農業生產（圖1）．

首先，生物炭自身的穩定性是研究熱點之一，如biochar stability（生物炭穩定性）和decomposition（分解）等分別是第一和第二的高頻詞．此外，enzyme activity（酶活性）、community structure（群落結構）等土壤微生物相關方向也受到了廣泛關注，這表明聚類主題所包括的研究范圍較廣，是一個綜合性較強的聚類．而CO 2、soil nutrient（土壤養分）、soil contamination（土壤污染）、sewage sludge biochar（污水污泥生物炭）等關鍵詞的出現，也在一定程度上表明土壤有機碳增加是提升土壤生態系統服務功能的核心．

其次，廢棄物處理與污染治理也是重要的關鍵詞聚類結果．這一主題的關鍵詞包括surface charge（表面電荷）、heavy metal（重金屬）、brownfield soil（污染土壤）、waste（廢棄物）、water（水體）、crop residue（作物殘茬）、soil carbon（土壤碳）等，說明生物炭對土壤有機碳的增加與其污染治理功能相關．有研究表明，通過提升土壤有機碳含量，可在一定程度上鈍化重金屬含量．

再次，生物炭的熱解過程受到了廣泛關注．pyrolysis（熱解）、temperature（溫度）、biochar property（生物炭性質）、lignocellulosic bioma（木質纖維素）、bioenergy（生物質能）、CO 2 capture（碳捕集）為這一主題的主要關鍵詞，這一結果表明原料、溫度等生產條件對生物炭固碳功能的重要性，以及將生物炭生產過程中的氣態和液態副產物作為實現CCUS與循環加工的可能性．

最后，土壤有機質與農業生產也形成了聚類．該主題聚焦于生物炭的固碳功能，所包括的關鍵詞主要有dynamics（動態）、soil organic matter（土壤有機質）、microbial activity（微生物活動）、management（管理）、agricultural soil（農業土壤）、soil degradation（土壤退化）．土壤有機碳是生物炭實現固碳功能的主要途徑，微生物和土壤酶活動是土壤碳循環的重要參與者．當前生物炭的主要應用場景為農田，避免施炭所具備的負面影響需配合合理的管理措施．此外，生物炭的施用不僅影響了土壤的碳循環，nutrient（養分）、nitrogen mineralization（氮礦化）等關鍵詞的出現表明生物炭對其他養分的周轉也存在影響．

突現詞結果顯示，2007至2016年突現強度最大的是charcoal（木炭）、black carbon（黑炭）、char（炭），可見此前研究中對生物炭的命名并不統一（圖2）．carbon sequestration（固碳）、bioenergy（生物質能）、fast pyrolysis（快速熱解）、activated carbon（活性炭）、sorption（吸附）、oxidation（氧化）等突現詞說明早期對生物炭的固碳研究聚焦于熱解工藝、生物質能源以及生物炭的污染治理作用．2018至2022年的突現詞主要包括temperature sensitivity（溫度敏感性）、soil property（土壤性質）、physicochemical property（理化性質）、water retention（持水力），表明研究熱點逐漸向生物炭固碳帶來的生態功能發展，探究生物炭帶來的土壤有機碳改變如何影響土壤水力特征、微生物活動等土壤活動與功能（圖2）．

2 生物炭農田減排研究進展

2.1 生物炭農田應用對土壤溫室氣體排放的影響

大量研究已表明，生物炭具備減少土壤CH 4和N 2O排放的潛力．Huang等［83］報道化肥配施生物炭可減少菜地土壤CH 4排放2.36 kg·hm-2．Nan等［84］在稻田開展了7年的觀測試驗，與對照相比，生物炭還田可降低稻田14.8％～46.7％的CH 4排放，而秸稈還田則增加了111％～950.5％的CH 4排放．Yang等［85］研究了不同生物炭施用量（0、10、20和40 t·hm-2）對早、晚稻種植系統CH 4排放的影響，發現10 t·hm-2生物炭處理下早稻CH 4平均降低了26％，而20 t·hm-2和40 t·hm-2的生物炭施用量則分別使CH 4排放增加102％和200％;對晚稻而言，所有施炭量水平均可降低CH 4排放通量，且低施用量（10 t·hm-2）減排效果最好，降幅達27.2％．Nan等［86］對比了2.8 t·hm-2和22.5 t·hm-2施用量下新鮮和老化秸稈生物炭對水稻土CH 4排放的影響，發現施用2.8 t·hm-2和22.5 t·hm-2新鮮生物炭分別顯著增加了15.0％和36.0％的CH 4排放;老化生物炭處理組中，2.8 t·hm-2施用量對CH 4排放無顯著影響，而22.5 t·hm-2施用量顯著減少了101％～169％的CH 4排放．

對N 2O而言，Sial等［87］對比了不同溫度下（300、450和600 ℃）制成的胡桃殼生物炭對北方小麥-玉米種植土壤N 2O排放的影響，結果表明三種生物炭均顯著降低土壤N 2O排放，且熱解溫度越高降低效果越好，最大降幅達64.9％．Ginebra等［88］分別向農田施加11 t·hm-2的木渣、牛糞和雞糞為原料制成的生物炭，發現僅木渣和牛糞生物炭對N 2O排放有顯著抑制作用（降幅分別為50.0％和23.0％），雞糞相比對照增加了24.0％的N 2O排放．對不同作物而言，He等［89］在宜興開展了持續10年的生物炭對稻麥輪作系統N 2O排放的研究，長期生物炭處理顯著降低了水稻季N 2O累積排放量．

除了開展大量室內模擬實驗及大田試驗外，也有學者利用整合分析研究了不同因素影響下生物炭對土壤CH 4排放的影響（表3）．Wu等［90］基于60項研究中的209對獨立結果開展了整合分析，結果表明生物炭改良土壤的CH 4排放量平均降低幅度為9.3％．Shakoor等［91］對50項研究中的600對獨立試驗結果的整合分析亦顯示生物炭施加降低了農田37.0％的CH 4排放．也有少量研究表明在特定的試驗條件下生物炭施用對CH 4排放無顯著影響［92-93］，Zhang等［94］利用從129項研究中共648對獨立研究數據進行整合分析，結果顯示生物炭僅在施用后第1個月對土壤CH 4減排有促進作用，平均降幅為33.0％．

本文亦列舉了主要的生物炭對N 2O影響的整合分析結果（表3）．Wu等［90］整合分析結果顯示施用生物炭可平均減少18.7％的N 2O排放量．Borchard等［95］從88篇研究中提取了608對獨立研究結果進行整合分析，結果表明生物炭施用使N 2O排放顯著下降了38.0％．相似地，Zhang等［94］的整合分析結果表明生物炭施用使N 2O的排放得到顯著抑制，降幅在27.9％～47.9％．Cayuela等［96］搜集2007—2013年間30項研究成果的261對數據進行整合分析，發現生物炭減少了54.0％的土壤N 2O排放，在所有整合分析結果中最高．然而也有研究表明生物炭有增加土壤N 2O排放的風險，如Feng等［97］的整合分析結果顯示生物炭對土壤N 2O排放有顯著的促進作用，增幅為4.9％～23.5％．此外，也有部分整合分析結果顯示生物炭施加并未對N 2O排放造成顯著影響［98-100］．

2.2 生物炭對農田溫室氣體排放的影響因素與機制

2.2.1 生物炭減緩農田CH 4排放

土壤CH 4主要由產甲烷菌在厭氧條件下分解土壤有機物質（如乙酸、甲基化合物等）產生，多數CH 4會被甲烷氧化菌直接消耗，少部分氣體排放至大氣［101］．一般認為，生物炭可通過改變土壤中可利用有機物的含量或土壤的理化性質影響產甲烷菌與甲烷氧化菌的活性，進而對CH 4的生成和消耗產生影響［102］．根據表3，目前研究關注生物炭影響CH 4排放的因素主要分為三類，包括土壤因素（如pH、土壤質地、SOC、DOC（可溶性有機碳））、生物質因素（如原料、熱解溫度、老化時間、施用量、生物炭pH、C／N）和人為管理因素（如肥料類型及施加量、作物類型、試驗類型、作物持續時間）．

1）對于土壤因素，土壤質地與pH的改變對CH 4排放影響較大．生物質能增加土壤通氣性，破壞適宜產甲烷菌生長的厭氧條件，從而抑制CH 4的產生．有研究表明因稻稈生物質的微孔數與孔徑均比竹子生物質大，因而更有利于增加土壤通氣并具備更好的CH 4抑制作用［101］．產甲烷菌生長最適pH值范圍在6.8～7.2之間，溫度、pH、氧氣濃度的急劇變化均容易導致該厭氧菌種工作的停止，而生物質呈堿性，其“石灰效應”使土壤pH上升，抑制了產甲烷菌的活動［103］，整合分析結果表明土壤pH<6時施加生物炭才能顯著降低土壤CH 4排放［94］．

2）對生物質性質而言，Wang等［104］發現新鮮生物質中DOC含量較高，對產甲烷菌的繁殖有利，因而在短期內造成CH 4大量排放．Wu等［105］發現，施用生物質3年后土壤甲烷氧化菌／產甲烷菌比值高于對照，證明生物質老化增加了甲烷氧化菌的豐度，從而減少了CH 4的總排放量．土壤CH 4排放對生物炭的響應也受原料、C／N、pH和熱解溫度的影響，Ji等［99］整合分析顯示以木質和草本原料制成的生物質顯著降低了CH 4排放，而畜禽糞便原料則增加21％的CH 4排放;高C／N值（>300）、pH（>8.5）、熱解溫度下的生物質減排效果更好，這得益于生物質更穩定的性質和更豐富孔結構，以及對土壤pH的提升作用［106］．

3）對于人為管理因素，氮肥施加與否會對生物質減少CH 4排放的效果產生影響.研究表明累積CH 4排放在施加氮肥和不施加處理之間表現出明顯的差異，施加氮肥后，硝態氮可能作為稻田土壤中甲烷氧化菌的優先氮源，增強其對CH 4的氧化［99，106-107］．此外，有報道指出生物質施加對水稻種植季CH 4排放的抑制效果通常高于麥季，這可能是因為生物質處理后作物產量和生物量的提高更有利于O 2向水稻根際遷移，促進了CH 4氧化［107］．

2.2.2 生物炭減緩農田N 2O排放

土壤N 2O排放主要源于土壤中氮素的硝化和反硝化過程．硝化作用由含有amoA和amoB基因的氨氧化細菌以及含有nxrA的亞硝化細菌驅動，反硝化過程則由含有亞硝酸鹽還原酶（nirK和nirS）及一氧化二氮還原酶（nosZ）等特定酶系的一系列反硝化細菌驅動．與影響CH 4排放的機制相似，生物炭減緩土壤N 2O排放受到土壤性質、生物炭性質和人為管理措施等因素影響．

1）對土壤因素而言，生物炭基于多孔結構和大比表面積的特性，能夠增強土壤通氣，抑制反硝化路徑中N 2O的排放，因而對于黏性土壤具有更好的減排效果［107］．此外，土壤陽離子交換量（CEC）較低的土壤施用生物炭可能抑制N 2O排放的效果更好［100］，生物炭施加后會增加CEC并促進NH+ 4／NO- 3的吸附和土壤N固定［108］，減少硝化／反硝化的底物，并抑制氮循環酶（如脲酶、蛋白酶）的活性［109］．相反地，在土壤C／N高（>10）的情況下，施用生物炭可能通過改變土壤碳氮比刺激土壤微生物活性，導致農田土壤更高的氮氧化物排放［110］．

2）對生物炭性質而言，Chen等［111］研究發現生物炭熱解溫度和添加量越高，含有nosZ的微生物豐度和基因表達水平越高，而含有nirS和nirK基因的微生物生長繁殖則受到抑制，表明添加生物炭能夠通過削弱硝酸鹽和亞硝酸鹽向N 2O轉化并促進N 2O轉化為N 2來減少土壤N 2O 的排放．生物炭老化對土壤N 2O排放影響較大，Feng等［97］發現生物炭對土壤N 2O排放的減緩作用由于老化而降低了15.0％，老化生物炭有利于加速硝化作用產生N 2O，同時削弱N 2O的還原作用．

3）人為管理因素中，氮肥是生物炭影響N 2O排放最關鍵因素．Wu等［90］研究氮肥施加配合施用生物炭對農田N 2O排放的影響，發現N 2O排放總是在施肥后達到峰值，在氮肥處理下，生物炭處理組的N 2O排放量顯著低于對照，降幅在19.5％～26.3％之間，說明生物炭在高施氮農田生態系統中具有較好的緩解N 2O排放的潛力．

2.3 生物炭減排研究熱點與趨勢

在Web of Science對生物炭減排主題進行檢索，構建的檢索式為TS=（biochar AND soil AND （CO 2 OR N 2O OR CH 4 OR greenhouse gas）） NOT TS=（incubation），使用CiteSpace軟件對檢索結果進行關鍵詞共現研究．高頻詞匯有bioma（生物質）、nitrogen（氮）、yield（產量）、organic matter（有機質）、growth（生長）、pyrolysis（熱解）．對關鍵詞進行聚類分析，共出現四大主題：生物炭農業減排潛力、生物炭的減排機制、土壤改良與污染控制、農業提質增產與廢棄物資源化利用（圖3）．

首先是生物炭農業減排潛力，這一主題的關鍵詞包括CO 2 emission（二氧化碳排放）、CH 4 emission（甲烷排放）、N 2O emission（氧化亞氮排放）、gaseous emission（氣體排放）、agriculture（農業）、emission factor（排放因子）、paddy soil（水稻土）、cropping system（種植系統）等．農業是重要的溫室氣體源，而生物炭可以緩解農業源的GHGs（溫室氣體）排放，其施用于農田后對各類GHGs的減排效果（減排量的估算）是近年的研究熱點．

其次，生物炭的減排機制也形成了聚類．該主題重點關注生物炭減排作用的發生機制，主要包含adsorption（吸附）、oxidation（氧化）、aromatic hydrocarbon（芳香烴）、dissolved organic matter（可溶性有機質）、microbial functional gene（微生物功能基因）、bacterium（細菌）、stabilization（穩定）、chemical（化學）、acid（酸性）等關鍵詞．生物炭減排機制可分為宏觀和微觀兩個層次，相關研究主要圍繞調整土壤通氣條件、酸堿度、有機質含量、微生物及相關功能基因的豐度等方面開展．

在土壤改良與污染控制的主題中，contaminated soil（污染土壤）、desorption（解吸）、bioavailability（生物有效性）、toxicity（毒性）、cation exchange capacity（陽離子交換量）、cadmium（鎘）、degradation（退化）成為高頻關鍵詞．生物炭不僅減排潛力巨大，同時還具有增加土壤肥力、改善土壤結構等作用，因而其對受污染（如重金屬污染）或退化嚴重土壤的改良效果也備受研究者關注．

最后一個主題是農業提質增產與廢棄物資源化利用．該主題以yield（產量）、rice straw（水稻秸稈）、crop（作物）、bioenergy（生物能）、gasification（氣化）、crop production system（作物生產系統）、global change（全球變化）為高頻共現關鍵詞．發展綠色農業、氣候智慧型農業是應對全球變化的必然選擇.當前農業廢棄物資源（如秸稈、畜禽糞便等）利用不充分導致資源浪費甚至額外的GHGs排放，生物炭產業發展不僅有利于解決廢棄生物質的處置問題，生物質燃料、生物炭基肥等附加產品還帶來額外的減排，生物炭施用的增產效果也為農業提質增產提供了新途徑和新視角．

突現詞結果顯示，早期研究主要關注生物炭的固碳效果和生物質能源的使用，如2007—2016年突增的charcoal（木炭）、manure（糞便）、black carbon（黑炭）、carbon sequestration（固碳）、biofuel（生物燃料）等關鍵詞（圖4）．2010年出現emission（排放）、N 2O等突現詞，此階段生物炭農業應用的減排效果開始得到關注．隨著研究的深入，大尺度分析方法于2017年被引入該主題的研究中用來定量評估生物炭減排的普適性效果，如meta-analysis（整合分析）．2018年起，community composition（群落組成）、use efficiency（利用效率）、temperature sensitivity（溫度敏感性）等關鍵詞陸續出現，說明研究開始關注生物炭的微觀減排機制，同時在不同的土壤、氣候、管理措施（氮肥施用）等因素下來研究生物炭的減排效果和影響因素．

3 生物炭參與碳交易面臨的機遇與挑戰

3.1 生物炭參與碳交易的機遇

“雙碳”目標的提出表明了中國氣候治理的宏偉決心，如何在限期內完成這一目標是未來高質量可持續發展和綠色低碳轉型的關鍵．碳交易是基于溫室氣體（GHGs）排放指標的買賣行為，其通過引入市場機制來解決全球氣候變化問題，充分利用碳交易推動GHGs減排是實現“碳中和”的重要環節．生物炭因優異的減排增匯、提質增產能力而具有參與農業自愿減排碳交易明顯潛力［112］．

以生物質熱解多聯產技術（Biomass Intermediate Pyrolysis Poly-generation，BIPP）為例，該技術將生物質轉化為固液燃料、肥料、燃氣、改良劑等多種產物并加以利用［113］，有望成為中國生物炭產業發展的主要形式．Yang等［114］設計了一套BIPP并對其農田應用直接帶來的碳匯、生物燃料替代化石燃料、降低化肥需求、間接的農田溫室氣體減排等效應進行了計量，僅利用中國33％的可持續利用的作物殘茬，每年就會減少高達54.27 Mt CO 2-eq排放;若將所有可利用的生物質都用于生產生物炭和生物燃料，到2030年每單位GDP的碳排放量將減少61％［115］．綜上，生物炭的固碳減排效益具備可行的技術基礎和巨大的理論潛力，生物炭參與我國碳交易前景十分可觀．

國際上對生物炭農田應用的固碳減排作用關注較早．美國《清潔能源與安全法案》提出了農業和林業減排抵消計劃，鼓勵生物炭等農林業生態產品參與碳市場．早在2009年，英國就已關注到生物炭參與碳交易的可能性并將其納入立法討論范圍內．歐盟最早啟動碳交易市場并且運行機制最為成熟，農戶通過生物炭應用等固碳減排措施帶來的碳減排量進行市場交易能很大程度抵消減排成本．2021年，歐盟議會提出要設立“碳關稅”（https：／／oeil.secure.europarl.europa.eu／oeil／popups／ficheprocedure.do？reference=2020／2043（INI）＆l=en），意味著生物炭固碳減排項目產生的環境效益將體現在產品價格中，進一步助力農民增收．目前中國農業減排項目僅能通過清潔發展機制項目（CDM）和國家核證自愿減排項目（CCER）進行國際上和國內的碳減排量交易．2022年4月，《中共中央 國務院關于加快建設全國統一大市場的意見》正式發布，意見提出要建設全國統一的碳排放權交易市場，實行統一規范的行業標準、交易監管機制．總的看來，生物炭參與中國碳交易的政策體系已大體具備，相關計量標準與交易細則陸續出臺后，生物炭自愿減排碳交易市場有望蓬勃發展．

3.2 生物炭參與碳交易的挑戰

碳交易的市場機制將在中國綠色、低碳產業轉型的道路上發揮不可或缺的激勵與約束作用，而積極參與碳交易是農業領域實現“碳中和”的必然選擇．生物炭產業的發展能有效解決中國耕地肥力不足、農業廢棄物深度利用效率低等現實困境，生物炭顯著的減排增匯效果亦賦予其廣泛參與碳交易的基礎條件．然而生物炭參與碳交易仍需解決碳排放計量與核算方法不夠完善、碳交易平臺未能得到有效開發和利用等問題．

農業碳減排量與碳匯的精確計量與核算是碳交易順利進行的前提條件．中國不同省份地區農業發展程度與特色產業、土壤環境和氣候條件等存在較大差異，因此農業碳排放量的核算較為復雜，仍然缺乏統一的核算方法和標準［116］．目前僅有3個農業相關的計量方法學在國家發展改革委員會備案［117］．一般而言，生物炭農田應用碳減排計量方法學的開發包括項目邊界和基線、關鍵排放源與碳匯、項目泄漏等［118］，涉及生產、運輸、施用和計量等多個環節．生物炭生產過程造成的碳排放量因原料、生產工藝的不同有很大區別，農田溫室氣體排放系數也可能由于目標耕地的性質及氣候的差異而異質性較大，因此生物炭農田應用減排增匯的精確量化存在一定難度．

中國碳交易市場尚處于起步階段，特別是農業領域參與碳交易程度不高．聯合國氣候變化框架公約網站（https：／／cdm.unfccc.int／Projects／projsearch.html）顯示，截至2022年4月25日，中國已注冊3 876個CDM項目，其中與農業直接相關的僅有35個．目前，中國經核實公示CCER審定項目2 852個，林業碳匯、生物質能、避免甲烷排放等與農業高度相關的項目數為615個，占比僅達21％．中國小農戶個體居多且較為分散，所產生的碳減排量難以準確計量并規?；瘏⑴c碳交易［119］，并且中國碳交易市場整體平均碳價維持在較低水平，僅23元／t左右，與當前歐盟約100歐元／t的碳價相去甚遠．此外，生物炭制備成本本身較高，若農戶產生的碳減排量參與碳交易獲得的收益難以覆蓋生產成本，無疑將打擊生物炭農業應用項目參與碳交易的積極性．

3.3 展望與建議

農業廢棄物以生物炭形式利用能直接增加土壤碳庫，并且通過改變土壤理化性質和微生物群落結構使CH 4和N 2O排放減少并新增SOC，帶來可觀的減排增匯量．生物炭還能通過增加土壤肥力起到增產作用，并且不會引起病蟲害，相比直接還田、好氧堆肥、厭氧發酵和焚燒發電等利用方式可以更全面地發揮廢棄物的資源屬性，負面效應少．總的來說，生物炭參與碳交易的前景廣闊，對中國農業綠色可持續發展意義重大．

對于生物炭農田應用固碳減排項目參與碳交易所面臨的問題，目前可以通過以下手段來積極應對．第一，未來需要因地制宜地利用區域特色農業廢棄物，繼續深入研究生物炭制備過程和固碳減排結果異質性的機理，最終建立針對不同地區生物炭推薦施用參考目錄（如制備工藝、農田施用量等），為政府制定相關行業規范和性質測定標準提供科學依據．第二，應進一步開發和完善生物炭固碳減排方法學，建立科學完善的碳排與碳匯核算體系，由政府引導并聯合各大科研院所建立生物炭的固碳減排大數據平臺，為各地獲取更有效的應用技術及更精確的排放因子提供數據基礎．第三，應在農業集約化過程中配合推動生物炭應用產業化，使生物質碳減排量計量標準化、生物炭參與自愿減排碳交易規?；?，并推動生物炭農業固碳減排項目碳減排量交易試點工作，鼓勵企業優先認購農業碳減排量，以良好的經濟效益帶動農業生產者參與積極性．第四，政府和社會組織應當增加相應技術培訓，設立合理的補償與約束措施，加強綠色生產等概念的宣傳，提高農業生產者向低碳農業轉型的積極性．

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Effect of biochar agricultural application on carbon

sequestration and emission reduction：a review

FU Weijun1 XU Xiangrui2 WEI Lingling1 YE Zhengqian1 OUYANG Xiao3

WU Wenao3 LIU Dan1 FANG Xianzhi1 NI Zhihua4

1College of Environment and Resources，Zhejiang A＆F University，Hangzhou 311300

2School of Spatial Planning and Design，Zhejiang University City College，Hangzhou 310015

3College of Resources and Environmental Sciences，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095

4Cultivated Land Quality and Fertilizer Management Station of Zhejiang Province，Hangzhou 310020

Abstract Global climate change caused by excessive greenhouse gas （GHG） emissions has been widely concerned.Agricultural activities are the second largest source of GHGs emissions，so it is urgent to reduce agricultural GHGs emissions.Biochar，which has stable properties，abundant aromatic carbon and pores，is produced by pyrolysis of biomass under high temperature and limited oxygen conditions.The effect of biochar amendment on GHGs mitigation and soil carbon sequestration is excellent，and biochar application has the potential to participate in Chinas ongoing carbon trading of voluntary emission reduction （VER）.However，the factors affecting the carbon sequestration and GHGs emission reduction effect of biochar are complicated，so it is necessary to systematically summarize the mitigation effect，influencing factors and research progress of biochar.This paper reviewed researches on the GHGs emission reduction and carbon sequestration effect of biochar through pot and field experiment as well as meta-analysis research.At the same time，CiteSpace software was used for visual analysis to explore the research hotspots and development trends in this field.The opportunities and challenges faced by biochar application projects participating in carbon trading were summarized based on the characteristics of domestic and foreign carbon trading market development and corresponding supporting policies.Corresponding solutions were also provided in this study，which offered scientific guidance and useful reference for the development of carbon sequestration and GHGs emission reduction research of biochar and the successful participation of biochar application projects in carbon trading.

Key words biochar;soil carbon pool;greenhouse gases;methane;nitrous oxide;carbon trading