生物炭固碳減排效應(yīng)及其在低碳農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

生物炭固碳減排效應(yīng)及其在低碳農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用【摘要】農(nóng)業(yè)是溫室氣體的第二大排放源，同時也是巨大的“碳匯”，生物炭在土壤中高度的穩(wěn)定性起到良好的“碳封存”效應(yīng)，其在全球尺度上碳封存潛力可達0.8×109t·a-1；能夠抑制土壤中溫室氣體的排放，起到“減碳”效應(yīng)；能夠替代或減少化肥的使用達到“零碳”效應(yīng)，嚴格區(qū)分生物炭的“儲碳”、“減碳”“和零碳”效應(yīng)對于應(yīng)對氣候變化具有重要意義。粗略估算，1t生物炭施加到土壤中，相當于2.15tCO2被封存。能夠替代氮肥0.58t，減少溫室氣體1.04t，可獲得的固碳減排收益約13.15美元。生物炭保肥增產(chǎn)、固碳減排作用也為低碳農(nóng)業(yè)提供著力點，應(yīng)重點發(fā)展生物炭在低碳農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】生物炭；溫室氣體；固碳；減排；零碳；低碳農(nóng)業(yè)生物炭通常指樹木、農(nóng)作物廢棄物、植物組織或動物骨骼等生物質(zhì)在無氧或部分缺氧及相對低溫（<700℃）條件下熱裂解炭化形成的一類多孔、高度芳香化、難溶性的固態(tài)物質(zhì)[1]，含C元素60%以上，由H、O、N、S等元素組成。生物炭屬于黑炭的一種，具有高度的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和生物惰性，對微生物的分解具有很強的抵抗能力[2]。生物炭具有巨大的比表面積、發(fā)達的多孔結(jié)構(gòu)，表面有大量的官能團，對有機物和重金屬離子具有強烈的吸附能力，因此生物炭常被用在污染物吸附、重金屬污染治理、土壤改良等方面。近年來，生物炭在土壤中的固碳減排效應(yīng)成為各研究機構(gòu)和學者關(guān)注的重點，被認為是緩解溫氣候變暖的有效途徑。生物質(zhì)炭化成本低，原料充足，制得的生物炭具有高度穩(wěn)定性，在土壤中具有明顯固碳減排的作用，目前對其研究主要集中在碳封存和減少溫室氣體排放兩個方面，弱化了生物炭替代氮肥生產(chǎn)及使用過程所產(chǎn)生的減排效應(yīng)，沒有嚴格的從“固碳”、“減碳”和“零碳”三個方面細分進行研究，生物炭在替代化肥生產(chǎn)使用量方面所起的“零碳”效應(yīng)潛力巨大，也是固碳減排的重要方面。本文綜合論述了生物炭的“固碳”、“減碳”和“零碳”效益，以及生物炭在低碳農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，為今后生物炭的研究和應(yīng)用提供參考。1.生物炭在固碳減排領(lǐng)域的效應(yīng)1.1生物炭在土壤中的儲碳、固碳效應(yīng)CO2在全球溫室氣體排放中所占比重最大，全球每年CO2排放量達250多億t[3]。土壤是引起氣候變化和全球變暖的溫室氣體重要的排放源，土壤和植物根系的呼吸作用釋放的CO2占全部CO2排放的20%[4]。同時，農(nóng)田土壤也是重要的碳匯，是《京都議定書》認可的固碳減排方法之一，在減少溫室氣體排放，穩(wěn)定大氣CO2濃度中具有重要地位。自然條件下，植物經(jīng)過光合作用吸收的CO2，50%進過植物呼吸作用返回到大氣，另50%經(jīng)過礦化作用轉(zhuǎn)化為CO2（碳中性），沒有任何凈固碳作用。而如果將植物殘體炭化，植物殘體中剩余的25%的C被轉(zhuǎn)化為生物炭施加到土壤中，由于生物炭非常穩(wěn)定，可能僅有大約5%C在土壤微生物的作用下礦化分解成CO2返回到大氣中，整個大氣中碳會因此減少20%（碳負性）[5]。生物炭具有高度的芳香化結(jié)構(gòu)，具有很強的抗腐蝕性，同時能與土壤中礦物質(zhì)形成團聚體，減弱微生物對生物炭的作用，能夠長時間的保留在土壤中，起到碳儲存的作用。Kuzyakov等[6]研究表明，生物炭在土壤中的平均停留時間大約為2000年，半衰期約為1400年。另外，生物炭能夠擴充土壤有機碳庫，增加土壤的碳封存能力和肥力。生物炭的碳封存途徑，一是通過炭化直接使易礦化的植物C轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的生物炭；二是通過增加植物生物量，提高了植物對大氣CO2的捕獲能力，增大植物體轉(zhuǎn)變成土壤中的有機碳[7]；還能夠通過改變土壤中有機質(zhì)（SOM）腐質(zhì)化、穩(wěn)定性和呼吸速率等，抑制土壤有機碳（SOC）的分解，起到碳封存的作用[8]。將生物炭作為儲碳形式，埋在土壤或者山谷中，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的碳封存效果，對于減緩氣候變化具有重大意義。1.2生物炭的“零碳”效應(yīng)生物炭的零碳效應(yīng)主要體現(xiàn)在增加作物產(chǎn)量，代替或減少化肥使用量，從而在化肥全過程中不排放或者減少溫室氣體的排放?；实纳a(chǎn)及運輸過程中消耗大量的能源，West等[9]研究認為，在整個氮肥生產(chǎn)和運輸過程中所排放的溫室氣體為0.857gCO2-CgN-1。程琨等[10]對農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡的分析表明，農(nóng)業(yè)化肥投入引起的碳排放約占農(nóng)作物生產(chǎn)總碳排放的60%，其中氮肥占95%`。土壤N2O排放量與施肥量存在線性相關(guān)關(guān)系，王效科等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當化肥施用量減少到0和50%時，土壤N20減排量分別占當前排放的41%和22%。并且氮肥使用量減少30%不會造成糧食的減產(chǎn)[12]，因此減少氮肥使用量是農(nóng)業(yè)減排的重要途徑。生物炭施加到土壤中，能夠明顯改善土壤營養(yǎng)狀況，起到緩釋肥作用，減少或替代化肥的使用，從而減少化肥生產(chǎn)過程中及施用過程中溫室氣體的產(chǎn)生。據(jù)估算，10t的生物炭能夠替代1t氮肥，從而可以減少1.8t碳當量的溫室氣體產(chǎn)生[13]。生物質(zhì)炭化過程電耗低，電耗產(chǎn)生的CO2排放遠低于生產(chǎn)氮肥的CO2排放量。生物炭就地炭化可以直接還田，也可以與肥料混合制成炭基肥，替代或減少氮肥的施用量，從而減少生產(chǎn)及運輸?shù)蔬^程的能耗，減少溫室氣體的產(chǎn)生，因此生物炭具有顯著的“零碳”效應(yīng)。1.3生物炭的“減碳”效應(yīng)CH4在100a尺度的全球變暖潛能值（GWP）是CO2的21倍，大氣中CH4的濃度是N2O的6倍，高達1800ppb。N2O的GWP是CO2的298倍，可穩(wěn)定存在長達150年[14]，農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的CH4約占大氣CH4的50%，主要來源是水稻種植、動物養(yǎng)殖?；实拇罅渴褂檬荖2O最主要的人為排放源。生物炭施加到土壤中，能夠顯著的降低CO2、CH4及N2O等溫室氣體的排放量，具有明顯的“減碳”效應(yīng)。生物炭在土壤中通過表面吸附溶解性有機碳（DOC），并促進包裹有機質(zhì)的土壤顆粒的形成，降低土壤有機碳的礦化作用，減少CO2排放[15]，Steiner等[16]研究發(fā)現(xiàn)自然狀況或者添加雞糞、堆肥、樹葉等有機質(zhì)的土壤中，添加生物炭后，土壤中C的損失率從25%以上降低為4%～8%。王欣欣等[17]研究發(fā)現(xiàn)，水稻土中添加不同用量的竹炭，CH4和N2O季節(jié)累計排放量比對照組降低了58.2%～91.7%和25.8%～83.8%，相對于常規(guī)肥處理而言，分別降低了64.3%～92.9%和72.3%～93.9%。與秸稈直接還田會增加土壤總N2O的排放量相比，具有明顯減排效益[18]。[4]IPCC，2007.ClimateChange2007：ClimateChangeImpacts，AdaptationandVulnerability.SummaryforPolicyMakers.Inter-GovernmentalPanelonClimateChange.[5]LehmannJ.Ahandfulofcarbon[J].Nature，2007，443：143-144.[6]KuzyakovY，SubbotinaI，ChenHQ，BogomolovaI，XuXL.Blackcarbondecompositionandincorporationintosoilmicrobialbiomassestimatedby14Clabeling[J].SoilBiologyandBiochemistry，2009，41：210-219.[7]SmithP.Carbonsequestrationincroplands：thepotentialinEuropeandtheglobalcontext[J].Europeanjournalofagronomy，2004，20（3）：229-236.[8]WoolfD，AmonetteJE，Street-PerrottFA，etal.Sustainablebiochartomitigateglobalclimatechange[J].NatureCommunications，2010，1（5）：1-9.[9]WestTO，MarlandG.Asynthesisofcarbonsequestration，carbonemissions，andnetcarbonfluxinagriculture：comparingtillagepracticesintheUnitedStates[J].Agriculture，Ecosystems&Environment，2002，91（1）：217-232.[10]程琨，潘根興，張斌，等.測土配方施肥項目固碳減排計量方法學探討[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2011，30（9）：1803-1810.[11]王效科，李長生，歐陽志云.溫室氣體排放與中國糧食生產(chǎn)[J].生態(tài)環(huán)境，2003，12（4）：379一383.[12]UK-ChinaProjecton“ImprovedNutrientManagementinAgriculture：AKeyContributiontotheLowCarbonEconomy”[EB/OL].Beijing，SAINproject，2010.http：//www.sainonline.org/SAIN-website（English）/pages/Projects/lowcarbon.Html.[13]SohiS，Lopez-CapelE，KrullE，etal.Biochar，climatechangeandsoil：Areviewtoguidefutureresearch[J].CSIROLandandWaterScienceReport，2009，5（09）：17-31.[14]IPCC，2007.ClimateChange2007.CambridgeUniversityPress，Cambridge，UnitedKingdomandNewYork，NY，USA.[15]LiangB，LehmannJ，SohiSP，etal.Blackcarbonaffectsthecyclingofnon-blackcarboninsoil[J].OrganicGeochemistry，2010，41（2）：206-213.[16]SteinerC，TeixeiraW，LehmannJ，etal.Longtermeffectsofmanure，charcoalandmineralfertilizationoncropproductionandfertilityonahighlyweatheredCentralAmazonianuplandso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