2020，39（4）: 901-907 谢祖彬，刘 2020 年 4 月 农 业 环 境 科 学 学 报 Journal of Agro⁃Environment Science 琦 . 生物质炭的固碳减排与合理施用[J]. 农业环境科学学报, 2020, 39（4）：901-907. XIE Zu-bin, LIU Qi. Rational application of biochar to sequester carbon and mitigate soil GHGs emissions: A review[J]. Journal of AgroEnvironment Science, 2020, 39（4）: 901-907. 开放科学 OSID 生物质炭的固碳减排与合理施用 谢祖彬 1，刘 琦 2，3 （1. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2. 南京林业大学林学院，南京 210037； 3. 南方现代林业协同创新中心，南京林业大学，南京 210037） 摘 要：近年来开展了大量短期一次性施用生物质炭对作物产量、土壤碳库和温室气体排放的研究。研究表明生物质炭能增加 土壤碳库，但对作物产量、CH4 和 N2O 排放的影响受生物质炭性质和土壤类型影响。生物质炭用在酸性土壤上比中性或碱性土壤 上更能提高作物产量。草本或木本炭能减少 N2O 排放，但畜禽粪便炭不能减少 N2O 排放。在热带、亚热带地区生物质炭施用对 N2O 的减排作用小于温带地区。生物质炭的固碳减排效应除了受生物质炭类型、稳定性和施用区域影响外，还受制炭能耗和裂解 气回收技术影响。在未来发展方向上，提出了亟需加强制炭技术、长期连续施用生物质炭效应和生物质炭性质与土壤类型互作 研究。 关键词：生物质炭；土壤碳库；温室气体排放；甲烷；氧化亚氮；综述 中图分类号：X144 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2020）04-0901-07 doi:10.11654/jaes.2020-0034 Rational application of biochar to sequester carbon and mitigate soil GHGs emissions: A review XIE Zu-bin1, LIU Qi2,3 （1. State Key Laboratory of Soil ＆ Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese of Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. College of Forestry, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 3. Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China） Abstract：In last decade, a lot of work has been done on the effects of short-term and one application of biochar on crop yield, soil carbon sequestration and greenhouse gases emissions. Results show that biochar can increase soil organic carbon. However, the effects of biochar on crop yield, CH4 and N2O emissions vary with biochar types and soil properties. Increase magnitude of biochar application in acid soil is higher than that in neutral or alkaline soil. Straw or wood biochar can decrease farmland N 2O emission, however manure biochar can ′ t. The decrease magnitude of biochar application on N 2O emission in tropical and subtropical area is smaller than that in temperate area. In addi⁃ tion, the effects of biochar on greenhouse gas mitigation are also impacted by biochar production technique. Before biochar can be exten⁃ sively used, the effects of long-term and multi-application of biochar on crop growth and soil greenhouse gases emissions, and interactions of biochar properties and soil types must be investigated. And the biochar production techniques must be explored. Keywords：biochar；carbon sequestration；greenhouse gases emission；CH4；N2O；review 气候变暖和粮食安全是当前人类所面临的重大 挑战。自 1750 年工业革命以来，化石燃料燃烧、土地 利用变化等造成大气中温室气体（CO2、CH4、N2O）浓 度持续上升，致使地表温度升高了 0.78 ℃[1]。气候变 暖会导致海平面上升、极端气候增加、生态系统恶化， 给人类的生产和生活带来重大影响。同时，世界人口 收稿日期：2020-01-08 录用日期：2020-03-15 作者简介：谢祖彬（1964—），男，江苏南通人，博士，研究员，主要从事土壤碳氮循环和生物能源研究。E-mail: zbxie@issas.ac.cn 基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201503137）；国家自然科学基金项目（31870500，31901196）；江苏省自然科学基金项目（BK20190746） Project supported：The Special Scientific Research Fund of Agriculture Public Welfare Profession of China（201503137）；The National Natural Science Foundation of China（31870500，31901196）；The Natural Science Foundation of Jiangsu,China（BK20190746） 902 农业环境科学学报 [2] 持续增长，粮食安全问题也越来越严峻 。 第 39 卷第 4 期 色？本文总结了近年来生物质炭对作物生产、土壤碳 生物质炭（Biochar）在巴西亚马孙流域考古中的 库、土壤温室气体排放的影响，提出了生物质炭合理 发现，引起了人们利用生物质炭来解决气候变化和粮 施用方案，以期为生物质炭有效实现增产和固碳减排 [3] 食安全问题的兴趣 。生物质炭是由动植物生物质 （秸秆、木屑、畜禽粪便等）在完全或部分缺氧的条件 下经高温热解炭化产生的一类高度芳香化的物质， 其结 构稳定，难以被微生物分解[4]。亚马孙流域黑土（Terra 提供科学参考。 1 生物质炭对土壤性质和作物产量的影响 生物质炭对作物产量的影响机制包括 3 个方面： Preta）有上千年的历史，在远古人类活动的影响下， （1）pH 效应，生物质炭在酸性土中能提高土壤 pH，降 种土壤比周边同样类型但不含生物质炭的土壤具有 用的养分如 P、K、Ca、Mg，能增加土壤肥力和作物养 其积累了大量的因不完全燃烧而产生的生物质炭，这 更高的肥力和碳含量 [5-6] 。研究者受此启示，认为向 低铝毒[17]； （2）养分效应，生物质炭本身含有一些可利 分吸收[18]； （3）结构效应，生物质炭具有多孔结构，能 土壤中添加工业化生产的生物质炭可以快速复制出 缓解土壤压实，增加田间持水率，从而利于作物根系 亚马孙流域黑土，不仅可以提高土壤碳库，增加对大 的下扎和对水分的吸收[19]。同时，生物质炭具有较大 气 CO2 的固持，而且还能改良土壤，促进作物生产[7]。 土壤是陆地生态系统中碳储量最大的有机碳库 （1550 Pg），是陆地生物圈植被碳储量的 3 倍和大气圈 碳储量的 2 倍[8]。因此，增加全球土壤碳库在抑制大 气 CO2 浓度升高和减缓全球气候变暖具有重要的意 [9] 义 。 传统的将秸秆等有机物料直接还田的措施对提 高土壤碳库的作用微弱，原因是这些物料分解迅速， 并且会增加土壤 CH4 和 N2O 等温室气体的排放 [10-11] 。 的比表面积，并含有带负电的官能团，能有效提高低 CEC 土壤的保肥性[20]。 Jeffery 等[17]基于文献 Meta 分析，研究了生物质炭 对作物产量的总体效应，结果表明生物质炭能平均增 产 13%。然而，针对不同的土壤性质、生物质炭种类、 环境条件以及田间管理，生物质炭所发挥的效应有较 大差别。如 Zhu 等[21]研究发现 1% 的麦秸生物质炭能 显著提高红壤玉米产量，但没有提高潮土、娄土、黑土 和紫色土的玉米产量，甚至还会降低产量。Abbasi 而将秸秆等生物质转化后的生物质炭性质稳定，难以 等[22]观测到禽粪生物质炭能显著提高玉米产量，而白 分解，可以有效地“锁”住碳库，减缓其分解回归到大 三叶草炭则没有显著的影响。Asai 等[23] 发现生物质 气的速度[12]。鉴于生物质炭潜在的固碳及增产价值， 炭在干旱并且缺磷的土壤中显著增加了作物产量。 国际上相继成立了不同的生物质炭研究机构（如 In⁃ ternational Biochar Initiative），以研究并推广生物