李 诗 周凤珏

（广西大学农学院，广西 南宁 530004）

0 引言

当前，人类面临的重要挑战之一是气候变暖。人类的衣食住行等均可增加大气温室气体含量，造成地表升温问题。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第6 次评估报告，当前二氧化碳、甲烷和氧化亚氮在大气中的体积分数分别已达4.10×10-4、1.87×10-6和3.32×10-7，全球地表温度比1 900年前上升1.09 ℃左右［1］。二氧化碳、甲烷和氧化亚氮作为导致全球变暖的重要因子，明显受到农业等生产活动的影响。土壤是主要活跃的碳库，碳储量27 000 亿t，表层土碳储量约占全球总量的2/3（1 500 Pg 左右），是大气碳库的2 倍［2］。土壤碳库会以增加大气二氧化碳、甲烷浓度等多种形式作为碳源进入大气碳库，造成土壤碳损失和肥力减弱，束缚农业生产发展，加剧全球气候变暖。随着农业绿色优质发展和“双碳”目标的提出，传统农业的碳排放备受关注。目前，世界上有120 多个国家制定了“双碳”目标，大多数国家的“碳中和”指标包括农业生产活动的甲烷和氧化亚氮排放量，其极其微小的变化也可能会对全球温室气体排放产生一定程度的影响。因此，增加土壤碳库和减少农田温室气体减排对排放全球气候变暖具有重要意义，是“双碳”目标实现过程中亟待解决的问题。

据国家统计局数据，2022年我国夏季粮食总产量为14 739万t，比2021年增加143.4万t，增长1.00%，实现了自2004年以来的“十八连丰”。但就目前我国国情看来，气温上升1 ℃，作物平均产量可能要降低2.58%［3］。在农作物栽培中投入化肥、农药等物资是保证作物高产的主要措施，但易产生温室气体增排的环境问题，并影响粮食安全［4］。生物炭是在缺氧条件下利用农业废弃有机物经高温裂解制成的富碳固体物质，性质稳定，其主要官能团是羟基、羧基和苯环等。因此，生物炭具有可溶性极低、比表面积较大、离子交换力强和孔隙度高等良好特性，能作为作物生长必需元素的有效载体，避免肥料损失，延长肥料有效期。然而，在生物炭类型、施肥量和土壤质地等因素综合作用下，在具体应用中农田温室气体减排成效和作物产量存在一定差异。笔者总结生物炭在土壤固碳、农田温室气体排放、作物生长效应等方面的影响，以期为农田应用生物炭实现作物增产、提高土壤固碳效率、充分发挥农田土壤“碳汇”作用提供科学依据，服务于我国的“双碳”目标。

1 生物炭固碳减排潜力与研究趋势

我国每年的碳排放总量已超过100 亿t，约占世界人为碳排放总量的30%［5］。《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》表明，农业相关活动的温室气体排放量占我国温室气体排放总量的7.9%左右，即8.28 亿t 二氧化碳当量，氧化亚氮和甲烷的排放量分别达到4 亿t 和3 亿t 二氧化碳当量以上［6］。植物秸秆资源数量大且易获得，将其制成生物炭还田，能促进生态循环，增强土壤“碳汇”作用，减缓气候变暖趋势。同时，生物炭由较多的烷基和高度复杂扭曲的芳香环片层合成，含有疏水性脂肪族物质、氧化态碳，施用于土壤后仍能保持内部结构的稳定，难以被土壤微生物分解利用。生物质经过高温裂解后基本上是纯碳，因而将生物炭还田相当于将碳长期储存在土壤中，从而减少温室气体的排放。学者早期对生物炭的固碳研究主要集中在制备工艺、生物质能源及其治污作用等方面。2017年，多项关于生物炭的研究引入了大量分析方法，用以定量评估生物炭减排的适用性，生物炭的微观减排机制愈发得到关注。土壤有机碳是生物炭实现其固碳功能的主要因素，土壤微生物和酶活性影响土壤碳循环。2018年以来，生物炭的研究方向已转为生物炭固碳发挥的生态功能和附带效益，探索生物炭的变化如何影响土壤理化性质和微生物活动。

2 生物炭对农田土壤的固碳效应

2.1 生物炭对土壤物理性质的影响

生物炭还田可改良土壤结构、调节土壤pH 值等，影响土壤质地、作物吸收水肥过程，影响有机质转运、土壤呼吸作用。团聚体是土壤的基本结构单位，能包裹有效分离的微生物或土壤酶，微团聚体内部通气不良会降低微生物活性，降低有机碳分解效率。同时，团聚体的粉黏粒是固定土壤有机碳的重要成分，生物炭含有的无机矿物质可加快土壤颗粒形成质地良好的大团聚体，有利于有机碳的稳固吸附。生物炭可刺激微生物产生菌丝体和胶结材料，在土壤形成团聚体过程中增强有机碳的胶结作用，增加土壤的静电斥力和范德瓦耳斯力，提高土壤的内部黏结性和抗破碎性。崔月峰等［7］发现，施用生物炭可降低土壤容重，增加土壤透气性，大量投入生物炭能明显提高水稻生长后期的土温与pH 值，但施用少量生物炭则对土温和pH 值影响较小。杨哲等［8］研究在农田休闲期施用生物炭时土壤温度和土壤热物理性质的变化，发现生物炭能显著影响深度为0～2.5 cm 的土壤温度，对5.0～10.0 cm 土层温度无显著影响，主要原因是导热率的降低限制了土壤热量的传递，且增加施炭量时，土壤热容量、导热率和热扩散率随之下降。

2.2 生物炭对土壤微生物的影响

生物炭主要成分是碳、氢、氧，含碳量高达70%，可为微生物持续提供可利用碳源。生物炭具有较大的比表面积和孔隙度，因而可以给土壤微生物生长繁殖提供良好的环境，能增加土壤中细菌总丰度，进而改变土壤微生物群落。李慧君等［9］发现，添加生物炭能显著加速土壤中四环素的降解，作用效果与生物炭种类、用量和土质相关。土壤酶活性是微生物生长繁殖的主要影响因素。在一定范围内，酶活性越高，微生物越活跃。将生物炭施入土壤能影响碳含量、氮含量、pH 值和阳离子交换量，其富含氮、磷、钾等必需营养元素，进而增加微生物活性和酶活性。姚丽茹等［10］结合Illumina MiSeq 高通量测序技术讨论了不同生物炭施用量对土壤细菌群落多样性和作物生长的影响，发现随着生物炭的应用，变形菌门和浮霉菌门的相对丰度提高，施用7 a 后可调节土壤细菌群落结构，促进作物生长。孙再庆等［11］的试验也证明将秸秆生物炭还田可增加土壤微生物群落多样性，在水稻不同生长期群落多样性呈现一定差异，同时土壤中甲基单胞菌属、紫色非硫细菌、泉发菌属等微生物相对丰度与温室气体排放通量显著相关。

2.3 生物炭对土壤碳库的影响

农田土壤有机碳源广泛，主要来源有根际碳沉积作用、动植物残体、光合作用、微生物固碳及人工投入肥料等。生物炭稳定性是影响土壤碳库的直接因素，在不同类型生物炭和土壤环境中，生物炭稳定性存在差异，存留时间为数十年甚至上千年，而生物炭的裂解温度决定其稳定性，随着裂解温度的升高，降解速度减缓，且施用年限越长，土壤中保留的生物炭越稳定。生物炭的降解共有2 个过程：一是生物炭的有效碳成分被土壤微生物吸收分解而生成能量与生长物质的生物过程；二是在酸性条件下，生物炭所含的极少部分碳（占总碳含量的5%左右）变成碳酸盐形式被溶解的非生物过程。生物炭可加速凋落物的分解，从而促进植物残留物向土壤有机碳的转化，利于提高植物根系活力，促进根系产生分泌物，从而增加植物根际的碳输入，增加作物根际生物量。

生物炭所含的碳不仅会影响土壤碳库，还会改变土壤原始有机碳含量。Wang 等［12］利用Meta 分析21项相关研究中的若干数据，结果表明施加生物炭可导致土壤原始有机碳的分解速率略有下降。一般情况下，虽然生物炭对土壤有机碳的分解有正向或负向的激发作用，但有机碳的增减量仍远低于生物炭固碳量。正激发效应机制是生物炭的孔隙度高且含有矿物质营养元素，能刺激微生物内部周转的同化过程，增加生物量，并伴随着更多微生物残体的积累，提高土壤有机碳含量。负激发效应机制为土壤微生物优先利用生物炭的有效有机碳，减少土壤原有有机碳的损失；生物炭含酚类有毒物质，能抑制土壤有机碳被微生物分解；生物炭的多孔性和较大比表面积可吸附土壤有机碳，将微生物及其胞外酶与这部分有机碳隔离，进而减缓有机碳分解；生物炭可加快土壤形成有机无机结合体，增强有机碳稳定性。虽然生物炭可能会造成土壤有机碳的激发效应，但从长远来看，生物炭在土壤有机碳中发挥了积极作用。魏永霞等［13］研究表明，持续多年使用生物炭，土壤有机碳含量提高且作物产量和质量稳定，一定程度上说明农田可作为生物炭的巨大储库，但作用效果存在一定的异质性［14］。多项整合分析结果表明，施炭后土壤有机碳的增幅在14.3%～101.6%，生物炭通过参与土壤中的生物地球化学循环，不仅具有“固碳”作用，而且具有“增加碳汇”和“稳定汇”的潜力。

3 生物炭对农田土壤的减排效应

3.1 生物炭减少土壤氧化亚氮排放的研究进展

土壤微生物的硝化作用和反硝化作用会生成氧化亚氮，土壤硝态氮含量、孔隙度、pH 值和微生物量氮会影响氧化亚氮排放通量。因此，生物炭一般从土壤功能微生物和土壤氮素转化过程两个方面直接或间接影响氧化亚氮排放，同时生物炭有利改良土壤透气性，抑制微生物发生反硝化作用排放氧化亚氮，对黏性土壤具有更好的减排效果。生物炭的应用使土壤阳离子交换能力增加，促进对铵根离子和硝酸根离子的吸附和土壤固氮，减少硝化和反硝化底物，并抑制氮循环酶如脲酶、蛋白酶的活性。相反，当土壤碳氮比较高（＞10）时，施用生物炭可能通过改变土壤碳氮比来调节土壤微生物活性，使农田土壤氮氧化物排放量增加。添加生物炭可减弱硝酸盐和亚硝酸盐向氧化亚氮的转化，促进氧化亚氮转化成氮气，从而减少土壤氧化亚氮的排放。赵光昕等［15］认为在增加施氮量条件下，配施土壤质量15%（W/W）的等量生物炭后，施氮量越大则土壤氧化亚氮的累积排放量越大，其中400 kg/hm2和600 kg/hm2尿素处理下氧化亚氮累积排放量未见明显差异，但200、400、600 kg/hm2尿素处理下氧化亚氮排放系数分别为1.33%、1.27%和0.90%，呈现下降趋势，土壤硝态氮和微生物量氮含量显著提高，表明生物炭对土壤氮有一定的吸附和固定作用。宋敏等［16］研究表明，在一定条件下，施用30 t/hm2生物炭能较好抑制土壤氧化亚氮排放。生物炭的老化有助于加速硝化作用生成氧化亚氮，同时抑制氧化亚氮的还原，在一定程度上影响土壤排放氧化亚氮［17］。生物炭在高氮农田生态系统中具有良好的氧化亚氮减排潜力，若全球农田施用生物炭，那么每年最多可减少土壤氧化亚氮排放96万t 氧化亚氮-氮（等同于全球目前氧化亚氮排放总量的33%）［18］。

3.2 生物炭减少土壤二氧化碳排放的研究进展

土壤活性有机碳易发生矿化、分解和转移，是影响二氧化碳排放的直接因素。生物炭调节土壤二氧化碳排放主要有以下几个途径。一是生物炭自身给微生物提供碳源维持生长，增加微生物活性与类型，不同程度地促进微生物量碳、可溶性有机碳等土壤原有活性有机碳的分解，且可能导致土壤活性有机碳库的共矿化［19］，影响土壤二氧化碳排放。二是施用生物炭后，土壤pH 值升高，增加细菌、真菌的比例，改变微生物群落内部结构，增强微生物呼吸作用，使其排放更多二氧化碳。呈碱性的生物炭对土壤pH 值的作用效果与土壤缓冲能力相关，生物炭在pH 值＜5.0的酸性土壤和pH 值＞7.5 的碱性土壤中对二氧化碳排放通量无显著影响，在pH 值为5.0～6.5 的土壤中呈现显著的正向激发效应，在pH 值为6.6～7.5 的土壤中表现为负向激发效应。生物炭的挥发性成分能促进土壤释放少量二氧化碳。通常情况下，随着生物炭的碳氢比增大，碳氧比相应减小，生物炭愈耐热难降解，有较高稳定性。研究表明，不同原材料经350 ℃炭化制备的生物炭对土壤二氧化碳排放量的作用效果为蔗渣生物炭＜小麦生物炭＜家禽粪便生物炭。究其原因，应该为家禽粪便生物炭的挥发性物质含量高于其他两种生物炭，增加了土壤脱氢酶的活性，导致微生物活动频繁，增加土壤二氧化碳排放量；而蔗渣生物炭含较多木质素和纤维素，其不能被微生物吸收利用，土壤二氧化碳排放通量较小［20］。也有研究发现，添加稻秸秆生物炭可显著抑制水稻红壤的二氧化碳排放，其中500 ℃热解制备的稻秸秆生物炭效果最好［21］。

3.3 生物炭减少土壤甲烷排放的研究进展

在缺氧条件下，土壤中的产甲烷菌可分解有机物质（乙酸、甲基化合物等）产生甲烷，大多数甲烷将被甲烷氧化细菌直接消耗，一小部分气体将排入大气。生物炭可改变土壤有机质含量和理化性质，使产甲烷菌和甲烷氧化菌的活性受到影响，从而影响甲烷的生成和消耗。此外，土壤紧实度、质地和pH 值对甲烷排放也有较大影响。将生物炭施入土壤可增强土壤透气性，破坏适合产甲烷菌生长的厌氧条件，利于形成好氧环境，从而抑制甲烷的产生。产甲烷菌生长的最佳pH 值范围为6.8～7.2，温度、pH 值和氧气浓度的急剧变化可能导致厌氧菌停止工作。生物炭呈碱性，其“石灰效应”会提高土壤pH 值，抑制产甲烷菌的活性。现有生物炭能抑制甲烷排放，主要是因为增加土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌含量，且前者增加比例高于后者。Wu 等［22］研究施用生物炭3 a 后土壤中甲烷氧化菌和产甲烷菌的比例，发现该比例高于对照处理，说明生物炭老化利于增加甲烷氧化菌总丰度，降低甲烷总排放量。但新鲜原料中的可溶性有机碳含量较高，有利于产甲烷菌的繁殖，从而在短期内造成大量甲烷排放。生物炭能吸附土壤中一定的铵根离子，间接增加土壤甲烷的氧化量，减小甲烷净排放通量。研究表明，在南方热带地区稻菜轮作模式下，早稻后期和晚稻前期甲烷排放较多，但早稻后期甲烷累积排放量显著低于晚稻前期，大量生物炭投入可有效抑制早稻季节性的甲烷排放［23］。

4 生物炭对农作物产量的影响研究进展

生物炭的理化性质对作物生长起到了促进作用，对作物产量的影响机制主要有以下几点。

4.1 直接供给作物生长发育必需营养元素，增强作物抗病性

生物炭自身含有的养分被作物吸收，用以增加根、茎、叶、籽粒的氮、磷、钾及可溶性糖含量，增加根系活力和土壤保肥性，增强作物抵抗病原菌病害能力，削弱幼小害虫繁殖能力，减缓病虫害的发生。

4.2 提高光合固碳效率，增强水分利用率

施放生物炭可促进作物光合作用，提高作物将大气中的二氧化碳同化固定的速率。刘慧敏等［24］研究发现，与对照试验处理相比，用中等剂量生物炭（50 g/kg）处理谷子幼苗，叶片相对叶绿素含量和净光合速率分别提高21.01%和167%，同时增加了土壤通气性，提高了田间持水率，利于根系生长。Huang 等［25］发现生物炭可通过维持小麦叶片较高的含水量和较低的钠钾比值缓解盐分胁迫，促进光合作用和籽粒形成，达到增产效果。

4.3 减轻重金属毒害作用

生物炭可提高土壤中有毒元素的稳定性，通过吸附、沉淀络合、共沉淀和离子交换等多种机制固定铅、铜、镉、镍等可溶性重金属，使重金属的生物利用率受到限制。砷是相对稳定的元素，但在施用生物炭后仍然可被固定，因此，生物炭稀释作物中的重金属方面发挥了一定的作用。于滨杭等［26］用Meta 分析法将收集的866 对数据针对生物炭对我国主粮作物产量的影响及其影响因子进行定量分析，发现与不施用生物炭相比，生物炭可改善主粮农田土壤理化性质，并提高产量，平均增产率为8.77%；当生物炭的pH值为7～8 时，平均增产率最大，达到26.49%；生物炭碳氮比＜60 时，平均增产率为13.73%，显著高于碳氮比≥60 水平。在酸性或中性土壤中施用生物炭可充分发挥增产效应，水稻在生物炭施用量为15～25 t/hm2时平均增产率最高，生物炭的用量能直接影响主粮作物产量。然而，有研究表明，生物炭施用量愈大，作物产量的增长率呈现先增后降趋势，过度添加生物炭（＞80 t/hm2）将导致作物减产［27］。

5 生物炭研究展望

在农田土壤改良、固碳减排和作物增产方面，生物炭作为新型有机肥料具有一定潜力，一般不引起病虫害。与直接还田、好氧堆肥、厌氧发酵等利用方式相比，将农业废弃有机物制备为生物炭能提高有机废弃资源利用率，负面影响较小，对我国发展绿色低碳的集约化农业和实现“双碳”目标有积极作用。但我国在制备生物炭时耗能高，原料、工艺流程存在较大差异，小型土窑、柴油桶等简易工艺易造成制成的生物炭质量参差不齐。因此，在大规模生产过程中，生产者应考虑生物炭的投入成本和施用方法，探索生物炭的测定标准体系和行业规范，根据不同土壤类型建立适宜的生物炭应用参考目录，如生物炭类型、农田施用量等。目前，多数研究采用一次性添加低量或高量生物质炭的方式，开展不超过1 a 的室内盆栽和小区试验；学者们普遍认为生物炭可以增加土壤碳库。但生物炭对甲烷和氧化亚氮排放的影响存在差异，使用老化生物炭和新鲜生物炭产生的影响也不一致，对微生物和酶活性的作用机制存在研究盲区，因此，学者们应针对生物炭固碳减排的效果开展长期定位观察。相关部门应加大对生产者低碳绿色生产理念的宣传力度，科研单位应积极开发各类生物炭肥料，建立科学完善的碳排放和碳汇核算体系，建立生物炭固碳减排大数据平台，为“双碳”目标的实现提供支撑。