ＤＯＩ：１０．１３８７８ ／ ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｎｕｉｓｔ．２０２３．０１．００１ 傅伟军１ 　 徐向瑞２ 　 魏玲玲１ 　 叶正钱１ 　 欧阳潇３ 吴闻澳３ 　 柳丹１ 　 方先芝１ 　 倪治华４ 生物炭农田应用的固碳减排研究进展 摘要 温室气体（ＧＨＧｓ）过量排放造成的全球气 候变化问题受到广泛关注，农业活动是第二大 温室气体排放源，减少农业温室气体排放刻不 容缓．生物炭由生物质在高温限氧条件下热解 炭化获得，其性质稳定、孔径丰富、富含芳香 碳，因而减排增汇效果优异，具有参与农业自 愿减排碳交易的显著潜力．然而生物炭固碳减 排效果异质性大，影响因素复杂多样，因此有 必要对其减排效应、影响因素和研究进展进行 归纳总结．本文系统梳理了国内外与生物炭固 碳减排相关的室内、大田研究和整合分析研 究，同时采用 ＣｉｔｅＳｐａｃｅ 软件进行可视化分析， 探究了该领域的发展趋势和研究热点．基于国 内外碳交易市场发展特点与程度以及相应配 套政策总结了生物炭参与碳交易面临的机遇 和挑战，并提出了相应的解决手段，为生物炭 固碳减排研究的开展和生物炭农田应用项目 参与碳交易提供了科学指导和建议． 关键词 生物炭；土壤碳库；温室气体；甲烷； 氧化亚氮；碳交易 中图分类号 Ｓ３６５；Ｘ１７１. １ 文献标志码 Ａ 收稿日期 ２０２２⁃０５⁃３０ 资助项目 浙江省基础公益研究计划 （ ＬＹ２０ Ｃ１６０００４） 作者简介 傅伟军，男，博士，教授，主要从事区域土 壤碳 氮 循 环 及 环 境 信 息 技 术 与 应 用 研 究． ｆｕｗｅｉｊｕｎ＠ ｚａｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 叶正钱（ 通信作者） ，男，博士，教授，主要 从事土壤肥料和土壤重金属污染修复等研究． ｙｅｚｈｑ＠ ｚａｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 倪治华 （ 通信作者） ，男，研究员，主要从 事土壤改良、养分管理、监测评价与农业废弃 物资源化利用等工作．ｈｚｎｚｈ＠ １６３．ｃｏｍ １ 浙江农林大学 环境与资源学院，杭州，３１１３００ ２ 浙大城市学院 国土空间规划学院， 杭州， ３１００１５ ３ 南京农业大学 资源与环境科学学院，南京， ２１００９５ ４ 浙江 省 耕 地 质 量 与 肥 料 管 理 总 站， 杭 州， ３１００２０ ０　 农业温室气体排放与生物炭农田减排潜力 　 　 气候变化作为当前世界各国面临的严峻挑战，已严重威胁到人 类的 生 存 与 发 展． 联 合 国 政 府 间 气 候 变 化 专 门 委 员 会 （ Ｉｎｔｅｒｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ，ＩＰＣＣ） 的第六次评估报告 （ Ｓｉｘｔｈ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ Ｒｅｐｏｒｔ，ＡＲ６） 表明，人类活动主导的温室气体增排 是导致大气、海洋和陆地变暖的主要因素 ［１］ ．ＡＲ６ 明确指出，当前大气 中三大主要 温 室 气 体 ＣＯ ２ 、 ＣＨ ４ 和 Ｎ ２ Ｏ 的 体 积 分 数 已 经 分 别 高 达 ４. １０ × １０ －４ 、１. ８７ × １０ －６ 和 ３. ３２ × １０ －７ ［１］ ．受此影响，近 １０ 年全球地表均 温较 ２０ 世纪初提升了 １. ０９ ℃ ． 与农业相关的生产活动是温室气体重要排放源之一，其对 ＣＨ ４ 和 Ｎ ２ Ｏ 的排放影响尤为显著 ［２⁃３］ ． 据联合国粮农组织 ＦＡＯＳＴＡＴ 数据 库（ ｈｔｔｐ： ／ ／ ｆａｏｓｔａｔ３．ｆａｏ．ｏｒｇ ／ ｈｏｍｅ ／ ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ） 统计，２０１８ 年全球农业源 温室气体排放约 ９３ 亿 ｔ ＣＯ ２ ⁃ｅｑ（ 二氧化碳当量，下同） ，约占全球总人 为温室气体排放的 １１％．其中：畜牧业是最大的农业源，动物肠道发酵 贡献了 ３９. ３％ 的 农 业 温 室 气 体 排 放， 畜 牧 业 的 粪 便 管 理 贡 献 了 １５. ２％；化 肥 使 用 和 稻 田 ＣＨ ４ 排 放 分 别 占 农 业 温 室 气 体 排 放 的 １１. ８％和 １０. １％．此外，其他农业途径如作物秸秆燃烧、农田碳库损失 等贡献了农业温室气体排放的 １６. ８％．中国作为拥有巨大人口密度的 农业大国，如何减少农业温室气体排放面临着巨大的挑战 ［４⁃５］ ． 《 中国 气候变化第三次国家信息通报》 ［６］ 表明，中国农业活动相关的温室气 体排放量约占温室气体排放总量的 ７. ９％ （ 约 ８. ２８ 亿 ｔ ＣＯ ２ ⁃ｅｑ） ，ＣＨ ４ 和 Ｎ ２ Ｏ 的贡献分别超过了 ４ 亿 ｔ 和 ３ 亿 ｔ ＣＯ ２ ⁃ｅｑ．农业温室气体减排 是“ 碳中和” 目标实现过程中亟待解决的问题． 《 全球碳捕集与封存现状》 报告 ［７］ 指出，如果不部署碳捕集、利用 及封存项目（ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ，Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ，ＣＣＵＳ） ，实现“ 碳 中和” 几乎是不可能完成的目标．ＣＣＵＳ 指把化石燃料燃烧产生的 ＣＯ ２ 进行收集并将其安全地存储于地质结构层中或进行资源化利用的工 程，是“ 碳中和” 的重要实现途径之一 ［８⁃９］ ．ＣＣＵＳ 相关技术成为世界范 围内的研发热点，中国也对此展开了广泛的试验和探索 ［１０］ ．２００９ 年， 华能集团于上海石洞口第二电厂启动了 １０ 万 ｔ ／ 年 ＣＯ ２ 捕集示范项 目，成为世界上规模最大的燃煤电厂烟气 ＣＯ ２ 捕集装置之一；河北新 奥集团开发的“ 微藻生物吸碳技术” ，实现了微藻吸收煤化工 ＣＯ ２ 工 艺，年吸收 １１０ ｔ ＣＯ ２ ；江苏中科金龙环保新材料有限公司 ＣＯ ２ 制备化 傅伟军，等．生物炭农田应用的固碳减排研究进展． ２ ＦＵ Ｗｅｉｊｕｎ，ｅｔ ａｌ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：ａ ｒｅｖｉｅｗ． 　 　 　 　 工产品和原料技术示范以酒精厂捕集的 ＣＯ ２ 为原 便等 ［３２⁃３４］ ；食品工业中用于制糖的甘蔗渣、甜菜渣 量达 ８ ０００ ｔ．然而，绝大部分 ＣＣＵＳ 技术仍处于试验、 理并制成生物炭 ［３４，３８⁃３９］ ． 料，制备保温材料和可降解塑料等产品，年 ＣＯ ２ 利用 示范阶段，难以在全球范围内开展大规模应用 ［１０］ ．主 要问题有两方面：一是 ＣＣＵＳ 技术尚未成熟，难以确 保封存的 ＣＯ ２ 不会逸出并长期稳定；二是项目成本 等 ［３５⁃３７］ ；污染水体中的污泥和藻类也可以经过预处 ４） 常见的生物炭多来自有机废弃生物质，其原 料成本相对低廉． 尽管热解过程中的生产成本在现阶段增加了生 ． 物炭产业推广的难度，但是生物炭的多领域应用具 消耗、经济成本等方面要求较低，是一种更易实施的 而言，生物炭可以实现农业增产提质从而助力粮食 居高不下，严重影响了现有技术的推广应用 ［９，１１⁃１２］ 有别于传统的 ＣＣＵＳ 技术，生物炭在技术门槛、资源 固碳减排途径 ［１３⁃１４］ ．大量研究 ［１４⁃１８］ 表明，生物炭具有 巨大的固碳减排潜力，在减缓气候变化方面具有重 要作用． 生物炭是废弃生物质或有机体在限氧条件下热 裂解生成的固态物质，具有较高的 ｐＨ、有机碳含量 和阳离子交换量，并且具有丰富的孔隙、复杂的官能 团以及巨大的比表面积 ［１９⁃２０］ 的黑色肥沃土壤的研究 ［２１⁃２３］ １　 生物炭农田土壤固碳研究进展 １. １　 生物炭对农田土壤有机碳含量的影响 土壤有机碳（ ＳＯＣ） 储量和植被碳库之和是大气 碳库的 ３ 倍， 其 中 地 下 ２ ｍ 内 土 壤 有 机 碳 库 约 为 ２ ４００ Ｐｇ（ 以 Ｃ 计） ，因此 ＳＯＣ 在调节大气二氧化碳 ． 生物炭的相关报道在 施用生物炭可有效增加 ＳＯＣ，但结果存在一定的异 ２１ 世纪初数量较少，但随着科学研究的不断深入及 其生态环境功能的不断挖掘，生物炭在作物增产、污 染治理、固碳减排等方面的作用被广泛关注 ［１７，２４⁃２６］ ． 随着我国“ 双碳” 目标的提出，生物炭制备技术及其 固碳效应将受到越来越多的关注． 生物炭基于自身的碳素稳定性、对土壤有机碳 分解的潜在抑制能力以及热解过程中副产物的循环 利用，具备直接或间接地减少 ＣＯ ２ 的排放以及增加 土壤碳汇的功能 安全并增加农户收入 ［４０］ ． ． 生物炭的研究源自科 学家在南美洲亚马孙地区对一种名为“ Ｔｅｒｒａ Ｐｒｅｔａ” ［１７］ 备在未来提升其市场竞争力的潜能 ［１４］ ．比如，对农田 ．对农业源的温室气体而言，生物 炭可以通过吸附作用、改变土壤理化性质和影响微 生物活动等过程发挥减排作用．总的来讲，与其他传 浓度方面具有重要的作用 ［４１⁃４２］ ． 大量研究表明农田 质性 ［４３⁃４４］ ．整合分析作为一种集成并定量分析多个 研究从而获得普适结论的方法，可以帮助揭示生物 炭施用对 ＳＯＣ 的影响．多项整合分析表明 ［１５⁃１６，４５⁃５１］ ， 生物炭对 ＳＯＣ 存在积极影响，施炭后 ＳＯＣ 的增幅范 围约在 １４. ３％ ～ １０１. ６％ （ 表 １） ． 不同研究之间存在 差异可能跟搜集的数据量有关，如肖婧等 ［４６］ 数据量 最少，仅为 ２８ 对，其整合分析所得结果的异质性也 最大，生物炭施用后 ＳＯＣ 的增幅在 １４. ３％ ～ ７１. ５％ 之间，而 Ｇｒｏｓｓ 等 ［５１］ 涉及的数据最丰富，其研究中的 差异也较小．此外，根据表 １ 结果可知，生物炭性质、 土壤性质、气候区、试验条件、田间管理等因素均可 统固碳减排方式相比，生物炭优势显著： 能影响施炭后 ＳＯＣ 的增量 ［１５，４７⁃５１］ ． 尽管有研究表明 全球范围内具备约 ３. ４ ～ ６. ３ Ｐｇ ＣＯ ２ ⁃ｅｑ 的温室气体 来看生物炭对 ＳＯＣ 发挥了积极作用，如 Ｓｕｎ 等 ［５３］ 开 １） 生物炭固碳潜力巨大． 有研究报道生物炭在 减排潜力 ［１７］ ． ２） 生物炭的固碳效果相对稳定，而传统的土壤 固碳方式存在固碳量下降风险．例如：林草生态系统 带来的碳 汇 可 能 会 由 于 火 灾、 放 牧 等 扰 动 而 被 损 耗 ［２７⁃２８］ 展了 ８ 年的田间试验发现，长期施用生物炭增加了 ＳＯＣ 含量，这可能原因是生物炭增加了 ＳＯＣ 的稳定 性且激发效应随着施用年限的增加而减弱 ［５４］ ． 生物炭的施用可直接增加 ＳＯＣ，且在持续多年 ；免耕农业在恢复耕作后可能减少积累的碳 施用下对农作物稳产提质 ［５５⁃５６］ ，表明农田可作为生 ． 壤中的生物地球化学循环，不仅具备“