生物炭固碳减排效应和其在低碳农业中应用

1、生物炭固碳减排效应和其在低碳农业中应用【摘要】农业是温室气体的第二大排放源，同时也是巨 大的“碳汇”，生物炭在土壤中高度的稳定性起到良好的 “碳封存”效应，其在全球尺度上碳封存潜力可达 0. 8x109t a-1；能够抑制土壤中温室气体的排放，起到 "减碳”效应；能够替代或减少化肥的使用达到"零碳”效 应，严格区分生物炭的"储碳"、“减碳”“和零碳”效应 对于应对气候变化具有重要意义。粗略估算，it生物炭施 加到土壤中，相当于2. 15t c02被封存。能够替代氮肥0. 58t, 减少温室气体1. 04t,可获得的固碳减排收益约13. 15美元。 生物炭

2、保肥增产、固碳减排作用也为低碳农业提供着力点， 应重点发展生物炭在低碳农业中的应用。【关键词】生物炭；温室气体；固碳；减排；零碳；低 碳农业生物炭通常指树木、农作物废弃物、植物组织或动物骨 骼等生物质在无氧或部分缺氧及相对低温(<700 °c)条件 下热裂解炭化形成的一类多孔、高度芳香化、难溶性的固态 物质1,含c元素60%以上，由h、0、n、s等元素组成。 生物炭属于黑炭的一种，具有髙度的化学稳定性、热稳定性 和生物惰性，对微生物的分解具有很强的抵抗能力2。生物炭具有巨大的比表面积、发达的多孔结构，表面有 大量的官能团，对有机物和重金属离子具有强烈的吸附能 力，因此生物炭常被

3、用在污染物吸附、重金属污染治理、土 壤改良等方面。近年来，生物炭在土壤中的固碳减排效应成 为各研究机构和学者关注的重点，被认为是缓解温气候变暖 的有效途径。生物质炭化成本低，原料充足，制得的生物炭 具有高度稳定性，在土壤中具有明显固碳减排的作用，目前 对其研究主要集中在碳封存和减少温室气体排放两个方面， 弱化了生物炭替代氮肥生产及使用过程所产生的减排效应， 没有严格的从”固碳”、“减碳”和“零碳”三个方面细分 进行研究，生物炭在替代化肥生产使用量方面所起的“零 碳”效应潜力巨大，也是固碳减排的重要方面。本文综合论 述了生物炭的'固碳”、"减碳”和"零碳”效益，以及生

4、 物炭在低碳农业中的应用，为今后生物炭的研究和应用提供 参考。1.生物炭在固碳减排领域的效应1.1生物炭在土壤中的储碳、固碳效应c02在全球温室气体排放中所占比重最大，全球每年c02 排放量达250多亿t3。土壤是引起气候变化和全球变暖的 温室气体重要的排放源，土壤和植物根系的呼吸作用释放的 c02占全部c02排放的20%4 o同时，农田土壤也是重要的 碳汇，是京都议定书认可的固碳减排方法之一，在减少 温室气体排放，稳定大气c02浓度中具有重要地位。自然条 件下，植物经过光合作用吸收的c02, 50%进过植物呼吸作用 返回到大气，另50%经过矿化作用转化为c02 (碳中性)，没 有任何净固碳作

5、用。而如果将植物残体炭化，植物残体中剩 余的25%的c被转化为生物炭施加到土壤中，由于生物炭 非常稳定，可能仅有大约5% c在土壤微生物的作用下矿化 分解成c02返回到大气中，整个大气中碳会因此减少20%(碳 负性)5。生物炭具有高度的芳香化结构，具有很强的抗 腐蚀性，同时能与土壤中矿物质形成团聚体，减弱微生物对 生物炭的作用，能够长时间的保留在土壤中，起到碳储存的 作用。kuzyakov等6研究表明，生物炭在土壤中的平均停 留时间大约为2000年，半衰期约为1400年。另外，生物 炭能够扩充土壤有机碳库，增加土壤的碳封存能力和肥力。生物炭的碳封存途径，一是通过炭化直接使易矿化的植物c 转变为

6、稳定的生物炭；二是通过增加植物生物量，提高了植 物对大气c02的捕获能力，增大植物体转变成土壤中的有机 碳7；还能够通过改变土壤中有机质(s0m)腐质化、稳 定性和呼吸速率等，抑制土壤有机碳(soc)的分解，起到 碳封存的作用8。将生物炭作为储碳形式，埋在土壤或者 山谷中，能够实现大规模的碳封存效果，对于减缓气候变化 具有重大意义。1.2生物炭的“零碳”效应生物炭的零碳效应主要体现在增加作物产量，代替或减 少化肥使用量，从而在化肥全过程中不排放或者减少温室气 体的排放。化肥的生产及运输过程中消耗大量的能源，west 等9研究认为，在整个氮肥生产和运输过程中所排放的温 室气体为0. 857gc0

7、2-cgn-l。程琨等10对农作物生产碳足 迹的分析表明，农业化肥投入引起的碳排放约占农作物生产 总碳排放的60%,其中氮肥占95%'。土壤n20排放量与施肥 量存在线性相关关系，王效科等11研究发现，当化肥施用 量减少到0和50%时，土壤n20减排量分别占当前排放的41% 和22%o并且氮肥使用量减少30%不会造成粮食的减产12, 因此减少氮肥使用量是农业减排的重要途径。生物炭施加到 土壤中，能够明显改善土壤营养状况，起到缓释肥作用，减 少或替代化肥的使用，从而减少化肥生产过程中及施用过程 中温室气体的产生。据估算，10t的生物炭能够替代it氮肥, 从而可以减少1. 8t碳当量的温室

8、气体产生13 o生物质炭 化过程电耗低，电耗产生的c02排放远低于生产氮肥的c02 排放量。生物炭就地炭化可以直接还田，也可以与肥料混合 制成炭基肥，替代或减少氮肥的施用量，从而减少生产及运 输氮肥过程的能耗，减少温室气体的产生，因此生物炭具有 显著的“零碳”效应。1.3生物炭的"减碳”效应ch4在100a尺度的全球变暖潜能值(gwp)是c02的21倍，大气中ch4的浓度是n20的6倍，高达1800ppbo n20 的gwp是c02的298倍，可稳定存在长达150年14,农业 活动产生的ch4约占大气ch4的50%,主要来源是水稻种植、 动物养殖。化肥的大量使用是n20最主要的人为排

9、放源。生 物炭施加到土壤中，能够显著的降低co2、ch4及n20等温 室气体的排放量，具有明显的“减碳”效应。生物炭在土壤 中通过表面吸附溶解性有机碳(doc),并促进包裹有机质的 土壤颗粒的形成，降低土壤有机碳的矿化作用，减少c02排 放15, steiner等16研究发现自然状况或者添加鸡粪、 堆肥、树叶等有机质的土壤中，添加生物炭后，土壤中c的 损失率从25%以上降低为4%8%。王欣欣等17研究发现， 水稻土中添加不同用量的竹炭，ch4和n20季节累计排放量 比对照组降低了 58. 2%91. 7%和25.8%83. 8%,相对于常 规肥处理而言，分别降低了 64. 3%92. 9%和7

10、2. 3%93. 9%。 与秸秆直接还田会增加土壤总n2o的排放量相比，具有明显 减排效益18。目前对于生物炭改变土壤的非生物环境(如土壤ph、容重和持水量等)，影响微生物作用，从而 减少n2o的产生量的研究较多。而对于生物炭对硝化细菌和 脱氮菌等微生物直接作用来减少n20的排放的研究相对较 少。生物质在低温炭化过程中，会产生pahs和酚类物质(phcs), 土壤中的pahs和phcs能够降低生物活性，具有 杀菌的性能。研究发现，经缓慢裂解所制得的生物炭中pahs 的含量低于经快速裂解和气化所制得的，其pahs的含量从 78. 44 ng g-1 到 2125 ng g-l19,且一般在 35

11、0-550°c 温度下制得的生物炭中pahs含量最高，wang等20研究发 现，300-400°c制得的生物炭中pahs对于减少n20的排放起 主要作用，在200°c制得的生物炭中含有少量的pahs但含有 大量的phcs,加大了对微生物的毒性，影响硝化和反硝化作 用，因此n2o排放量很低。按照施炭量计算，施加生物炭带 入的pahs量低于环境安全值，不会污染环境。一般认为，生物炭施入土壤后能降低ch4的排放量，liu 等21研究表明，水稻土壤中添加竹炭生物炭和水稻秸秆生 物炭后，ch4的排放量分别减少了 51. 1%和91.2%。feng等22研究认为，新制得的生物

12、炭施加到土壤后，增加土壤的 空隙度，增强了甲烷氧化菌对ch4的氧化作用，但同时也能 刺激产甲烷细菌的活性，但是甲烷氧化菌对ch4的利用度超 过甲烷的产生量，因此生物炭能够减少土壤中ch4的排放 量。1.4生物固碳减排经济效益“固碳”方面，it生物炭，按照60%含c量计算，其中 2%生物炭在土壤中以c02形式逸出，剩下58%以稳定c形式 存在，相当于2. 15tco2被封存。“零碳”及“减碳”方面, it生物炭能够替代氮肥0. 58t,减少温室气体1.04t,在土 壤中还能抑制温室气体的产生，粗略计算，it生物炭埋入土 壤，固碳减排c02约3. 2t,按照目前欧盟c02交易价格4. 11 美元/

13、吨计算，it生物炭可获得收益13. 15美元。2.生物炭在低碳农业中的应用农业活动是温室气体的第二大排放源，约占全球温室气 体排放总量的14%,据估计，全球每年由农业扰动，由土壤 释放到大气中的碳量约为 0.8x 1012kg 4. 6x1012血23,氮肥大量使用、秸秆等生物质焚烧、垦 荒种地等农业活动产生大量的温室气体，农业是节能减排的 重点领域。同时，农业也是一个巨大的碳汇系统，一方面可 以调整农业生产结构，改善种植模式，增大农作物的碳吸收 量。另一方面可以通过扩大土壤有机碳库减少温室气体排 放。扩大土壤有机碳库是农业固碳增汇的关键，中国有18 亿亩耕地资源，若土壤有机质含量提高1%,

14、土壤可从空气 中净吸收306亿tc0224o据lal估计25,全球农业土 壤碳库扩充潜力为1.23. 1 pgc/a,耕层土壤有机碳含量提 高itc a/hm2,发展中国家粮食产量年增加24003200万 t,农业的固碳增汇潜力巨大。生物炭具有良好物理性质和土壤调理功能，对土壤水溶 液中的k、p、硝态n及錢态n26等营养元素具有较强的吸 附能力，可以增加土壤有效p、k、mg和ca含量27 o研究 发现，炭基肥与常规复混化肥处理水稻田比较，施氮量减少 19.04%,水稻的经济产量提高6. 70%以上，可以明显提高氮 肥的利用率28 o chan等29研究表明，在低纬度地区， 每公顷农田施用20t

15、以上的生物炭可减少10%的肥料施用 量。相比于秸秆等生物质直接还田，生物炭还田或者制成炭 基肥入田便于运输管理，能够防止土传病害，可以减少化肥 的施用量，提高氮肥利用率。低碳农业就是充分利用农业碳汇功能，尽可能减低其碳 排放功能，实现食品生产全过程的低碳排放，其核心是在生 产经营中减少温室气体排放30。据woolf等31估计， 生物炭埋入土壤可抵消高达16%的全球化石燃料碳排放。生 物炭在低碳农业中应用的四个着力点：第一，保肥增产作用, 减少化肥使用量；第二，废弃生物质炭化还田，减少温室气 体排放量；第三，改善土壤条件，减耕免耕32,降低土壤 因扰动而释放c02等温室气体；第四，扩容土壤有机碳

16、库， 增强土壤的碳汇功能。积极倡导通过生物质能源与碳封存耦 合模式、能量自给碳封存模式、农林复合模式、工农复合模 式等开展生物炭的低碳农业33 o3结论与展望生物炭本身的结构和性质使其在改善土壤条件、增产治 污及固碳减排方面的应用具有广阔的应用，成为各国研究机 构和学者研究的重点，今后的研究中应严格区分生物炭的 “固碳”、“零碳”和“减碳”功能，从各环节发挥生物炭 固碳减排的作用。由于生物质炭化成本低，原料充足，制得 的生物炭具有高度稳定性，其作为温室气体排放抑制剂和碳 封存剂的重要作用为温室气体减排工作开辟新的思路，有望 成为减缓温室效应最经济的最有效的途径。参考文献：1 lehmann j

17、 , gaunt j , rondon m. biochar sequestration in terrestrial ecosystems： a review j. mitig adapt strat global change, 2006 (11 )： 403- 427.2 glaser b, lehmann j, zech w. ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal- a reviewj bio fertil soil, 20

18、02, 35： 219-2303 罗金玲，高冉，黄文辉，等中国二氧化碳减排及利用技术发展趋势j.资源与产业，2011, 13 (1)：132.4 ipcc, 2007. climate change 2007: climate change impacts, adaptation and vulnerability. summary for policy makers inter-governmental panel on climate change5 lehmann j. a handful of carbonj. nature,2007,443：143-144.6 kuzyakov y,

19、 subbotina i, chen h q, bogomolova i, xu x l. black carb on decompositi on and in corpora tion into soil microbial biomass estimated by 14c labelingj. soil biology and biochemistry, 2009, 41：210-219.7 smithp. carbon sequestration in croplands： thepotential in europe and the global context j european

20、 journal of agronomy, 2004,20 (3)：229-2368 woolf d, amonette j e, street-perrott f a,et al. sustainab1ebiochar to mitigate global climate change j nature communications, 2010,1(5):1-9.9 west t 0, marland g a synthesis of carbonsequestration, carbon emissions, and net carbon flux in agriculture: comp

21、aring tillage practices in the united statesj. agriculture ,ecosystems &environment, 2002,91 (1)：217-232.10 程琨，潘根兴，张斌，等.测土配方施肥项目固碳 减排计量方法学探讨j.农业环境科学学报，2011, 30(9)： 1803-1810.11 王效科，李长生，欧阳志云温室气体排放与中国 粮食生产j生态环境，2003, 12 (4)： 379 - 383.12 uk-china project on “improved nutrient management in agricul

22、ture : a key contribution to the low carbon economyv eb/ol. beijing, sain project, 2010. http : /www. sainonline. org/sainwebsite(english) /pages/projects/lowcarbon. html.13 sohi s, lopez-capel e, krull e, et al.biochar, climate change and soil： a review to guide future research j csiro land and wat

23、er science report, 2009,5 (09)：17-31.14 ipcc, 2007. climate change 2007. cambridge university press, cambridge, united kingdom and new york, ny, usa.15 liang b, lehmann j, sohi s p, et al. black carbon affects the cycling of non-black carbon in soil j. organic geochemistry, 2010, 41(2)： 206-213.16 s

24、teinerc, teixeira w, lehmann j, et al. longterm effects of manure , charcoal and mineral fertilization on crop production and fert订ity on a highly weathered central amazonian upland soilj plant and soil, 2007,291 ( 1-2):275-29017 王欣欣，邹平，符建荣，等不同竹炭施用量对水稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响j.农业环境科学学报， 2014,33 (1)： 198-204.18

25、 刘慧颖，华利民，张鑫.不同施氮方式对玉米产量 及n20排放的影响j农业环境与发展,2013,30(5)： 76-80.19 hale s e, lehmann j, rutherford d, et al.quantifying the total and bioavailable polycyclic aromatic hydrocarbons and dioxins in biocharsj. environmental science & technology, 2012,46 (5)：2830-2838.20 wang zhen-yu, zheng hao, luo ye,

26、et al. characterization and influence of biochars on nitrous oxide emission fromagriculturalsoilj.environmental pollution ,2013 ,174 :289-296.21 liu yu-xue, yang min, wuyi-min, et al. reducing ch4 and c02 emissions from waterlogged paddy soil with biocharj. journal of soils a nd sediments, 2011,11(6

27、)：930-939.22 feng you-zhi, xu yan-ping, yu yong-chang,et al. mechanisms of biochar decreasing methane emission from chinese paddy soils j soil biology and biochemistry, 2012,46：80-8&23 马友华，王桂苓，石润圭，等低碳经济与农业可 持续发展j生态经济，2009 (6)： 116- 118.24 蒋高明发展生态循环农业，培育土壤碳库j.绿叶，2009(012)：93-99.25 lal r. sequestering carbon in soils of agro-ecosystemsj. food policy， 2011 (36)： s33-s39.26 kimetu j m , lehmann j. stability and stabilisation of biochar and green manure in soil with different organic carbon contents j australian journal of soil research, 2010, 48 (47)： 577-585.27 lehmann j, pet