劉天 云菲 蔣偉峰 柳淵博 王馳 馬宇 符云鵬

摘要：全球氣候變暖，土壤肥力下降，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的問題日益嚴(yán)峻，如何保障糧食安全已成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要課題之一。生物炭因其碳含量高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特殊性質(zhì)，已成為多學(xué)科領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也表現(xiàn)出巨大的潛力，可在減少溫室氣體排放的同時(shí)培育土壤碳庫、改善土壤理化性質(zhì)及生物學(xué)特性，進(jìn)而提高作物產(chǎn)質(zhì)量，取得較高的生態(tài)環(huán)境效益。本文在前人大量研究的基礎(chǔ)上總結(jié)了生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，系統(tǒng)歸納分析了生物炭固碳減排的作用機(jī)理及影響因素，提出了適用于農(nóng)田土壤固碳減排的生物炭制備原料、制備溫度、施用量，在未來發(fā)展方向上，需要進(jìn)一步優(yōu)化炭化技術(shù)、加強(qiáng)生物質(zhì)炭性質(zhì)與土壤類型互作對(duì)固碳減排的研究。

關(guān)鍵詞：生物炭;固碳減排;作物生產(chǎn)力;機(jī)制;農(nóng)田

中圖分類號(hào)：S181 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）18-0007-07

收稿日期：2021-05-21

基金項(xiàng)目：河南省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（編號(hào)：212300410160）;中國煙草總公司河南省公司科技項(xiàng)目（編號(hào)：2020410000270020）;河南省煙草公司濟(jì)源市公司項(xiàng)目（編號(hào)：2020410881240045）。

作者簡介：劉 天，男，河南鶴壁人，碩士研究生，主要從事煙草栽培生理生化研究。E-mail：13213249209@163.com。

通信作者：云 菲，博士，講師，主要從事煙草栽培生理生態(tài)研究，E-mail：yunfeifei55@126.com;符云鵬，博士，教授，主要從事煙草栽培生理生化研究，E-mail：ypfu@163.com。

溫室氣體排放是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟需解決的問題之一，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第5次評(píng)估會(huì)議報(bào)告上指出，2007—2016年的10年間，用于農(nóng)林業(yè)的土地貢獻(xiàn)了全球約13%的CO2、44%的CH4、82%的氮氧化物排放，約占全球溫室氣體排放的23%，若不加以控制，截至到21世紀(jì)末，全球地表平均氣溫將上升0.3～4.8 ℃[1]。持續(xù)升溫導(dǎo)致的氣候變化總體上將造成糧食減產(chǎn)及環(huán)境惡化。就我國而言，氣溫每上升1 ℃，平均作物產(chǎn)量將降低2.58%[2]。這對(duì)我國糧食安全提出了巨大挑戰(zhàn)。土壤碳庫是最活躍的碳庫，碳儲(chǔ)量高達(dá)27 000億t，受人為因素影響最大，任何微小的變化都會(huì)對(duì)全球溫室氣體排放產(chǎn)生巨大的影響。因此，農(nóng)業(yè)土壤固碳減排成為全球氣候變化研究熱點(diǎn)之一。近年來，由于生物炭特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，用途廣泛，已成為多學(xué)科領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。生物炭指的是農(nóng)林業(yè)廢棄物等生物質(zhì)在無氧或限氧條件下通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化得到的固態(tài)產(chǎn)物，可以單獨(dú)或者作為添加劑混合使用，能夠培育改良土壤、提高資源利用率、避免一定的環(huán)境污染，同時(shí)也是溫室氣體減排的一種有效手段。生物炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)以達(dá)到固碳減排，已成為人們的廣泛共識(shí)。本試驗(yàn)在前人大量研究的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了生物炭在農(nóng)田固碳減排上的應(yīng)用，系統(tǒng)分析了生物炭的作用機(jī)理及影響因素，以期為生物炭的推廣應(yīng)用奠定理論依據(jù)。

1 生物炭的固碳減排潛力

引起溫室效應(yīng)的溫室氣體主要是CO2、CH4、N2O，其對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)80%[3]。農(nóng)業(yè)源土壤溫室氣體排放量占全球人為活動(dòng)溫室氣體排放量的12%，貢獻(xiàn)了約39%的CH4、78%的N2O[1]。王紹強(qiáng)等基于全國第2次土壤普查數(shù)據(jù)，估算中國平均土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為92.418 Pg，低于世界平均水平[4]。有數(shù)據(jù)顯示，廣東省與湖北省的表層土壤有機(jī)碳含量分別為0.41、0.385 Pg[5-6]。提高土壤有機(jī)碳固存，既可降低CO2排放量，緩解溫室效應(yīng)，亦可培育土壤提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)質(zhì)量。

生物炭（biochar）通常指由木材、農(nóng)作物廢棄物、植物落葉等廢棄物在缺氧或有限氧氣供應(yīng)、溫度低于700 ℃條件下熱解形成的產(chǎn)物，常見的生物炭包括秸稈炭、木炭、玉米芯炭、竹炭等。用于制備生物炭的原料為農(nóng)林業(yè)廢棄物等生物質(zhì)，我國秸稈生物質(zhì)資源豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國可利用的秸稈資源產(chǎn)量約為9 億t/年[7]。用于制備生物炭的原料通常為水稻、小麥、玉米秸稈，其產(chǎn)量約為2.3 億、1.7 億、3.9 億t/年[8]。據(jù)估算，因燃燒導(dǎo)致的碳排放約為4.77×107 t/年[9]。生物炭由于其碳架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以分解的特性，可應(yīng)用于農(nóng)田土壤中直接形成碳匯。生物炭施入土壤表現(xiàn)出負(fù)向激發(fā)效應(yīng)，進(jìn)而降低土壤CO2排放，并可通過多種機(jī)制顯著降低土壤N2O排放。生物炭已經(jīng)成為以返還農(nóng)田提升耕地質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)碳封存為主要應(yīng)用方向的富碳固體產(chǎn)物。

2 生物炭的固碳減排效果

農(nóng)田應(yīng)用生物炭已被廣泛接受為增強(qiáng)土壤碳匯的碳固存手段，且其針對(duì)氣候變化也表現(xiàn)出積極影響（圖1）。Soinne等通過田間試驗(yàn)研究了生物炭對(duì)黏土碳儲(chǔ)存的短期影響，結(jié)果顯示，0～45 cm土層中碳含量顯著增加[10]。Mehmood等在稻玉輪作系統(tǒng)中，添加3 000 kg/（hm2·年）生物炭（以C計(jì)），結(jié)果顯示添加生物炭處理顯著提高有機(jī)碳（SOC）含量[11]。這可能是因?yàn)榉€(wěn)定性較強(qiáng)的生物炭限制了C的礦化作用且生物炭可以增加小團(tuán)聚體中芳香族碳化合物的比例，使其對(duì)分解更為穩(wěn)定。Wang等認(rèn)為，生物炭引起的微生物群落結(jié)構(gòu)變化可能會(huì)降低碳水化合物（葡萄糖、纖維二糖和D-木糖）的微生物利用，從而抑制植物生長階段的土壤SOC礦化[12]。Ge等在亞熱帶毛竹林中開展生物炭添加試驗(yàn)，施用5 t/hm2生物炭顯著降低了土壤呼吸速率，CO2排放量平均降低19.9%[13]。Qi等使用Arrhenius方程評(píng)估了生物炭對(duì)溫室氣體排放的影響，認(rèn)為土壤CH4和CO2排放受土壤溫度、SOC、可溶性有機(jī)碳（DOC）和微生物量碳（MBC）的影響，水稻生長季添加生物炭處理與常規(guī)施肥相比，通過降低其活化能（Ea）減少CO2和N2O排放;生菜生長季顯著減少55.2%～72.9%的N2O累計(jì)排放量[14]。Wang等認(rèn)為，生物炭添加分別顯著降低酸性茶土CO2和N2O排放量7.2%～9.3%和36.3%～44.2%[15]。Wu等在稻麥輪作系統(tǒng)開展為期6年的田間試驗(yàn)，生物炭導(dǎo)致CH4和N2O排放量分別顯著減少11.2%～17.5%和19.5%～26.3%，并進(jìn)一步進(jìn)行薈萃分析，分析顯示，在各種復(fù)雜土壤環(huán)境下，田間生物炭改良劑可分別顯著降低CH4和N2O排放量9.3%和18.7%[16]。

由于生物炭的種類、制備材料與條件以及農(nóng)田土壤類型不同，也有研究表明，生物炭對(duì)溫室氣體排放無影響或促進(jìn)其排放。生物炭施入農(nóng)田土壤在一定情況下促進(jìn)土壤碳礦化，這可能是因?yàn)椋旱蜏貤l件制備的生物炭可提高土壤中易氧化有機(jī)質(zhì)含量，且生物炭促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性有機(jī)碳[17]。陳靜等研究發(fā)現(xiàn)，施加4、8 t/hm2生物炭較常規(guī)施肥CH4年排放量分別增加76.38%和7323%[18]。生物炭含有的可溶性有機(jī)碳為產(chǎn)甲烷菌提供了反應(yīng)底物;微生物消耗土壤氧，氧化還原電位降低，為產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)創(chuàng)造了適宜的環(huán)境條件，進(jìn)而增強(qiáng)了產(chǎn)甲烷菌群活性。國內(nèi)外學(xué)者就生物炭施用對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放的影響存在爭議，有學(xué)者認(rèn)為生物炭并不影響N2O排放或促進(jìn)排放[19-20]。生物炭原料來源對(duì)N2O排放有一定影響，糞便制備的生物炭會(huì)增加N2O排放量[21]。Ji等認(rèn)為，土壤N2O排放對(duì)生物炭改良的不同反應(yīng)可能取決于土壤微生物功能基因的豐度和非生物特性，添加生物炭土壤中驅(qū)動(dòng)硝化作用的AOB基因豐度增加，硝化速率受刺激使得添加生物炭的水稻土壤N2O排放增加[22]。

3 生物炭的固碳減排機(jī)制

土壤碳含量對(duì)糧食安全、生態(tài)系統(tǒng)功能和環(huán)境健康非常重要。農(nóng)田施用生物炭可以很好地起到固碳減排的作用[23-24]。一方面表示生物炭穩(wěn)定固持在土壤中形成碳匯，影響土壤碳氮轉(zhuǎn)化過程，且對(duì)作物生長起到一定促進(jìn)作用;另一方面降低溫室氣體排放，其作用機(jī)制主要有以下幾點(diǎn)。

3.1 生物炭特性及對(duì)土壤碳礦化的影響

將秸稈等廢棄生物質(zhì)制成生物炭，可減少因燃燒、廢棄等措施導(dǎo)致碳的損失及溫室氣體的排放。生物炭中的碳元素含量極高，一般大于60%，且其主要以高度穩(wěn)定的芳香環(huán)不規(guī)則疊層堆積存在。由于生物炭含有大量碳，且其本身的性質(zhì)如低可溶性、高熔沸點(diǎn)、強(qiáng)穩(wěn)定性，生物炭施用于農(nóng)田后抗物理、化學(xué)及生物分解能力強(qiáng)，可在自然環(huán)境中穩(wěn)定存在數(shù)千年[25]，表現(xiàn)出固碳減排。其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)與較大的比表面積可以改善土壤持水性，降低土壤容重。施加生物炭可有效促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的生成并增強(qiáng)其穩(wěn)定性，有利于農(nóng)田土壤碳固持。農(nóng)田耕地土壤中有機(jī)碳的固存受植株殘?bào)w輸入與土壤微生物碳礦化之間的平衡控制。有學(xué)者認(rèn)為[26]，由于其吸附和生化行為，向土壤中添加生物炭可抑制土壤有機(jī)碳的礦化。添加生物炭不僅增加了土壤中有機(jī)碳含量，且可通過激發(fā)效應(yīng)影響原土有機(jī)碳的礦化。Kan等在冬小麥—夏玉米輪作體系中添加生物炭，研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可將年平均SOC封存率提高31.8%～47.8%，中低添加量[1.8～3.6 Mg/（hm2·年）]的生物炭最有利于華北平原土壤固碳[27]。

3.2 生物炭促進(jìn)作物生長

生物炭本身的結(jié)構(gòu)特征與理化性質(zhì)使其施入土壤后對(duì)土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性產(chǎn)生一定影響，起到土壤改良的作用[28-29]，進(jìn)而提高土壤碳利用效率，將土壤中的碳固定在作物中，提高作物產(chǎn)量。也有研究表明，施用生物炭可提高植物光合速率，促進(jìn)光合碳同化，將大氣中CO2更多地固定在作物中[30]。生物炭應(yīng)用于農(nóng)田對(duì)多種農(nóng)作物表現(xiàn)出提質(zhì)增產(chǎn)的效應(yīng)[30-35]（表1）。生物炭對(duì)作物生長的促進(jìn)機(jī)制包括：（1）提高作物光合特性，為促進(jìn)作物生長發(fā)育奠定良好基礎(chǔ)。Abideen等研究發(fā)現(xiàn)，0.75%的生物炭添加量可顯著提高干旱環(huán)境生長的蘆葦葉綠素含量與凈光合速率，植物具有較高的光系統(tǒng)Ⅱ效率且抗氧化防御系統(tǒng)的活力得到激活，進(jìn)而使其氧化應(yīng)激水平降低[36]。（2）增加根長、根表面積、根體積，提高根系活力以及可溶性糖含量。通過改善根系形態(tài)，提高根系活力促進(jìn)作物生長發(fā)育[34]。（3）生物炭對(duì)植物必需營養(yǎng)元素（N、P、K、Ca、Mg）的直接供應(yīng)[37]，可以提高作物根莖葉及籽粒氮磷鉀含量。（4）可以提高水分利用率，尤其是在干旱和半干旱地區(qū)，Huang等將生物炭應(yīng)用于鹽水灌溉條件下的小麥生產(chǎn)，生物炭可以通過維持較高的葉片含水量和較低的Na+/Ka+的值緩解鹽脅迫，進(jìn)一步增強(qiáng)光合作用，有利于籽粒形成、提高產(chǎn)量[30]。（5）生物炭可以提高植物對(duì)多種真菌和細(xì)菌等病原菌引起的植物病害的抵抗能力[38]，降低幼蟲存活率、孵化率及繁殖力，進(jìn)而減輕蟲害[39]。（6）提高土壤中重金屬等毒性元素的穩(wěn)定性，降低其生物可用性，減輕重金屬毒害[40];減少作物中重金屬含量，一方面通過吸附、沉淀絡(luò)合、共沉淀和離子交換多種機(jī)制固定土壤中重金屬，另一方面對(duì)作物具有一定增產(chǎn)效果，提高籽粒產(chǎn)量[34]，進(jìn)而對(duì)作物體內(nèi)重金屬起到一定稀釋作用。

3.3 生物炭控制溫室氣體排放

農(nóng)田添加生物炭可控制溫室氣體排放（表2），主要表現(xiàn)在：（1）由于“負(fù)碳效應(yīng)”[41]，生物炭固存可大量減少向環(huán)境中釋放的碳。（2）施用生物炭減少農(nóng)田CH4排放。這可能因?yàn)樯锾恐苽溥^程中在一定的溫度范圍內(nèi)其比表面積隨熱解溫度升高而增大[42]，孔隙縮小，開孔增多，抑制產(chǎn)甲烷菌活性[43];生物炭一般呈堿性，升高土壤pH值，引起土壤性質(zhì)改變降低CH4排放;生物炭中存在氧自由基及有毒物質(zhì)，可能會(huì)導(dǎo)致CH4排放降低。（3）降低N2O排放量。生物炭中的碳元素含量極高，一般≥60%[44]。施用生物炭減少化肥尤其是氮肥的施用，因而降低N2O排放;pH值變化影響反硝化過程中N2O向N2的轉(zhuǎn)化[45];改變土壤微生物的豐度，尤其是提高了參與反硝化作用微生物的生長與活性;對(duì)NH+4、NO-3的吸附性增強(qiáng)。

4 影響生物炭固碳減排的主要因素

施加生物炭在固碳減排表現(xiàn)出巨大的潛力，添加生物炭的效果受生物炭的制備材料及溫度、施用量、施用方式、施用年限、土壤因素等的影響。

4.1 生物炭的制備材料及溫度對(duì)固碳減排的影響

不同原料制備的生物炭固碳減排效益大體表現(xiàn)為木質(zhì)生物炭>秸稈生物炭>污泥、糞便生物炭，其原因主要包括：（1）木質(zhì)生物炭芳香族碳含量高，穩(wěn)定性強(qiáng)，灰分含量低。秸稈生物炭灰分含量多在20%～35%，少量低于15%，木質(zhì)炭灰分含量在1%～10%范圍內(nèi)分布較多[46]，污泥生物炭灰分含量高達(dá)80%以上。（2）木質(zhì)炭孔隙更為發(fā)達(dá)，含微孔數(shù)更多，對(duì)C、N吸附性更強(qiáng)。（3）木質(zhì)生物炭C/P較低。在秸稈類生物炭中，玉米稈生物炭固碳減排效益優(yōu)于麥秸稈。相同溫度下制備的玉米稈生物炭較麥稈生物炭含碳量高，芳香化程度高，熱穩(wěn)定性更好[47]。高溫制備生物炭由于其芳香化程度高，C穩(wěn)定性強(qiáng)[46]，且孔隙更小，開孔較多，微孔結(jié)構(gòu)更多[48]，固碳減排效益優(yōu)于低溫制備生物炭。Mao等研究了27種不同原料生物炭表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，并就熱解溫度對(duì)它們的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱解溫度對(duì)生物炭表面羧基、比表面積、孔隙體積影響最大，決定生物炭疏水特征的主導(dǎo)因素是熱解溫度[49]。另外，隨著溫度升高，生物炭表面酸性官能團(tuán)減少，堿性官能團(tuán)增多，生物炭pH值升高[50]。其對(duì)酸性土壤碳庫可以起到明顯增加作用，固碳減排效果更好。

4.2 生物炭施用量及施用方式對(duì)固碳減排的影響

一定范圍內(nèi)增加生物炭施用量，對(duì)土壤肥力提高作用更明顯，溫室氣體排放減少[51-52]。郭艷亮等將3種施用量（1%、3%、5%）生物炭施入土壤，發(fā)現(xiàn)土壤CO2排放量隨生物炭施用量增大呈增加趨勢(shì)，CH4排放量隨生物炭施用量增加而降低，N2O排放量無明顯規(guī)律性[52]。李亞森等連續(xù)5年將生物炭施入土壤，認(rèn)為低量生物炭對(duì)土壤呼吸無影響，適量生物炭的施用具有固碳減排效益，大量生物炭施用則會(huì)適得其反，建議生物炭施用范圍應(yīng)控制在15 t/hm2以內(nèi)[53]。

生物炭不同應(yīng)用方式也會(huì)對(duì)固碳減排效果產(chǎn)生影響。李嬌等按照“等碳量”原則還入秸稈或生物炭，發(fā)現(xiàn)秸稈與生物炭配施較單施生物炭可提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力，但生物炭還田碳匯能力較秸稈與生物炭配施相比更強(qiáng)[54]。Puga等將生物炭與氮肥配施應(yīng)用于熱帶土壤玉米的生產(chǎn)，BN51/10（生物炭51%，氮肥10%）、BN40/17（生物炭40%，氮肥17%）2個(gè)處理的平均玉米產(chǎn)量較單施尿素高26%，BN51/10較單施尿素提高了12%的氮素利用效率，降低了14%的溫室氣體排放強(qiáng)度[55]。Li等認(rèn)為，在旱作條件下，高施氮量土壤中添加生物炭會(huì)嚴(yán)重干擾土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)，降低土壤固碳潛力，20 t/hm2生物炭與120 kg/hm2化肥配施可顯著提高土壤固碳能力，提高土壤肥力[56]。生物炭與化肥或有機(jī)肥混合施用時(shí)，其全球增溫趨勢(shì)（GWP）和溫室氣體強(qiáng)度（GHGI）較未施用生物炭均顯著降低[57]。Maek等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭生產(chǎn)過程中添加鉀元素可提高生物炭固碳潛力，全球生物炭固碳潛力預(yù)計(jì)可超過2.6 Gt CO2-C（eq）/年，且鉀的加入增加了植物的營養(yǎng)成分，更適合農(nóng)業(yè)應(yīng)用[58]。

4.3 生物炭施用年限對(duì)固碳減排的影響

生物炭施入土壤年限同樣影響其固碳減排效益，Singh等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭在前2.3年里顯著促進(jìn)黏土本土有機(jī)碳礦化，SOC含量減少了4～44 mg/g。但在之后至第5年的時(shí)間中，正激發(fā)效應(yīng)逐漸減弱[59]。這可能是由于初始正激發(fā)效應(yīng)導(dǎo)致不穩(wěn)定SOC的耗竭以及生物炭誘導(dǎo)的有機(jī)礦物對(duì)有機(jī)碳的穩(wěn)定作用。生物炭施入土壤后，隨著時(shí)間延長，其對(duì)土壤本土有機(jī)碳的礦化將由促進(jìn)轉(zhuǎn)為抑制，可能是由于生物炭提高了本土有機(jī)碳的穩(wěn)定性[60]。

4.4 土壤因素對(duì)固碳減排的影響

土壤pH值、有機(jī)碳含量、溫濕度影響生物炭應(yīng)用效果。生物炭施用于酸性土壤，其固碳潛力低于中性和堿性土壤，施用生物炭后，酸性土壤比中性、堿性土壤釋放更多的CO2，土壤有機(jī)碳和生物炭的降解均有加速的趨勢(shì)[61]。Wu等認(rèn)為，土壤有機(jī)碳含量影響生物炭的穩(wěn)定性，隨著土壤總有機(jī)碳含量的增大，稻草生物炭累計(jì)礦化速率增大，生物炭穩(wěn)定C含量減少。土壤溫度影響植物生長與生理活動(dòng)進(jìn)而影響根系呼吸作用CO2排放，一定范圍內(nèi)溫度提高，增強(qiáng)微生物活動(dòng)，加速土壤有機(jī)質(zhì)分解，CO2排放量隨之增加[62-63]。Case等研究發(fā)現(xiàn)，添加2%生物炭，土壤溫度由4 ℃增加到16 ℃，CO2累計(jì)排放量增加4倍以上。土壤含水量對(duì)溫室氣體排放有較大影響，其受外部環(huán)境如降雨、溫度影響較大[64]。

5 總結(jié)與展望

綜上，生物炭應(yīng)用于農(nóng)田以達(dá)到固碳減排可取得較好的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益。但其作用程度受多種因素如生物炭的制備材料及溫度、施用量、施用方式、施用年限、土壤因素等綜合影響。高溫制備木質(zhì)生物炭固碳減排效益優(yōu)于禽畜糞便制備而成的生物炭，同一生物炭應(yīng)用于不同土壤效果也不盡相同。針對(duì)不同的土壤質(zhì)地及種植作物應(yīng)因地制宜，選擇合適的生物炭、施用量及施用方式，才能充分發(fā)揮生物炭的效用。綜合來看，在300～700? ℃制備的秸稈生物炭，用量不超過20 t/hm2為宜。今后，可在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步開展生物炭在農(nóng)田固碳減排的應(yīng)用研究：（1）由于生物炭的穩(wěn)定性，其施入農(nóng)田后存在后續(xù)效應(yīng)，缺乏長期定位試驗(yàn)以明確生物炭應(yīng)用于農(nóng)田的地球化學(xué)行為和長期影響效應(yīng)。（2）缺乏針對(duì)不同區(qū)域和不同類型土壤所適用生物炭類型與施用量，應(yīng)建立一個(gè)明確完善的體系。（3）生物炭對(duì)土壤微生物、土壤酶等土壤生物學(xué)特性的影響機(jī)制，且如何進(jìn)一步作用于固碳減排。（4）改性生物炭、生物炭基肥料的相關(guān)應(yīng)用研究，針對(duì)不同質(zhì)地土壤及不同種植作物開展適用性生物炭研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]董思言，高學(xué)杰. 長期氣候變化——IPCC第五次評(píng)估報(bào)告解讀[J]. 氣候變化研究進(jìn)展，2014，10（1）：56-59.

[2]Liu Y A，Li N，Zhang Z T，et al. The central trend in crop yileds under climate change in China：A systematic review [J]. Science of the Total Environment，2020，704：135355.

[3]沈仕洲，王 風(fēng)，薛長亮，等. 施用有機(jī)肥對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放影響研究進(jìn)展[J]. 中國土壤與肥料，2015，52（6）：1-8.

[4]王紹強(qiáng)，周成虎，李克讓，等. 中國土壤有機(jī)碳庫及空間分布特征分析[J]. 地理學(xué)報(bào)，2000，55（5）：533-544.

[5]羅 薇，張會(huì)化，陳俊堅(jiān)，等. 廣東省土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及分布特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2018，27（9）：1593-1601.

[6]薄會(huì)娟，董曉華，郭梁鋒，等. 湖北省土壤有機(jī)碳垂直分布及儲(chǔ)量估算[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2018，41（12）：290-296.

[7]劉曉永，李書田. 中國秸稈養(yǎng)分資源及還田的時(shí)空分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（21）：1-19.

[8]柴如山，王擎運(yùn)，葉新新，等. 我國主要糧食作物秸稈還田替代化學(xué)氮肥潛力[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，38（11）：2583-2593.

[9]李飛躍，汪建飛. 中國糧食作物秸稈焚燒排碳量及轉(zhuǎn)化生物炭固碳量的估算[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（14）：1-7.

[10]Soinne H，Keskinen R，Heikkinen J，et al. Are there environmental or agricultural benefits in using forest residue biochar in boreal agricultural clay soil？[J]. Science of the Total Environment，2020，49（731）：138955.

[11]Mehmood I，Qiao L，Chen H Q，et al. Biochar addition leads to more soil organic carbon sequestration under a maize-rice cropping system than continuous flooded rice[J]. Agriculture，Ecosystems & Environment，2020，39（298）：106965.

[12]Wang H T，Zhang W，Chen L J，et al. Biochar induced negative priming effect on soil organic carbon mineralisation by changing the microbial community structure across plant growth stages[J]. Journal of Soils and Sediments，2020，20（9）：3340-3350.

[13]Ge X G，Cao Y H，Zhou B Z，et al. Combined application of biochar and N increased temperature sensitivity of soil respiration but still decreased the soil CO2 emissions in moso bamboo plantations[J]. Science of the Total Environment，2020，730：139003.

[14]Qi L，Pokharel P，Ni C S，et al. Biochar changes thermal activation of greenhouse gas emissions in a rice-lettuce rotation microcosm experiment[J]. Journal of Cleaner Production，2020，247：119148.

[15]Wang H，Yi H T，Zhang X，et al. Biochar mitigates greenhouse gas emissions from an acidic tea soil[J]. Polish Journal of Environmental Studies，2019，29（1）：323-330.

[16]Wu Z，Zhang X，Dong Y B，et al. Biochar amendment reduced greenhouse gas intensities in the rice-wheat rotation system：six-year field observation and meta-analysis[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2019，56（278）：107625.

[17]Wang D Y，Griffin D E，Parikh S J，et al. Impact of biochar amendment on soil water soluble carbon in the context of extreme hydrological events[J]. Chemosphere，2016，160：287-292.

[18]陳 靜，張建國，趙 英，等. 秸稈和生物炭添加對(duì)關(guān)中地區(qū)玉米—小麥輪作農(nóng)田溫室氣體排放的影響[J]. 水土保持研究，2018，25（5）：170-178.

[19]Lin Y X，Ding W X，Liu D Y，et al. Wheat straw-derived biochar amendment stimulated N2O emissions from rice paddy soils by regulating the amoA genes of ammonia-oxidizing bacteria[J]. Soil Biology and Biochemistry，2017，113：89-98.

[20]Nelissen V，Saha B K，Ruysschaert G，et al. Effect of different biochar and fertilizer types on N2O and NO emissions[J]. Soil Biology and Biochemistry，2014，70：244-255.

[21]Subedi R，Taupe N，Pelissetti S，et al. Greenhouse gas emissions and soil properties following amendment with manure-derived biochars：Influence of pyrolysis temperature and feedstock type[J]. Journal of Environmental Management，2016，166：73-83.

[22]Ji C，Li S Q，Geng Y J，et al. Differential responses of soil N2O to biochar depend on the predominant microbial pathway[J]. Applied Soil Ecology，2020，145：103348.

[23]Majumder S，Neogi S，Dutta T，et al. The impact of biochar on soil carbon sequestration：Meta-analytical approach to evaluating environmental and economic advantages[J]. Journal of Environmental Management，2019，250：109466.

[24]代紅翠，陳源泉，趙影星，等. 不同有機(jī)物料還田對(duì)華北農(nóng)田土壤固碳的影響及原因分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（增刊2）：103-110.

[25]Leng L J，Huang H J，Li H，et al. Biochar stability assessment methods：A review[J]. Science of the Total Environment，2019，647：210-222.

[26]Jones D L，Murphy D V，Khalid M，et al. Short-term biochar-induced increase in soil CO2 release is both biotically and abiotically mediated[J]. Soil Biology and Biochemistry，2011，43（8）：1723-1731.

[27]Kan Z R，Liu Q Y，Wu G，et al. Temperature and moisture driven changes in soil carbon sequestration and mineralization under biochar addition[J]. Journal of Cleaner Production，2020，265：121921.

[28]Hailegnaw N S，Mercl F，Pracˇke K，et al. Mutual relationships of biochar and soil pH，CEC，and exchangeable base cations in a model laboratory experiment[J]. Journal of Soils and Sediments，2019，19（5）：2405-2416.

[29]Awad Y M，Ok Y S，Abrigata J，et al. Pine sawdust biomass and biochars at different pyrolysis temperatures change soil redox processes[J]. Science of the Total Environment，2018，49（625）：147-154.

[30]Huang M Y，Zhang Z Y，Zhai Y M，et al. Effect of straw biochar on soil properties and wheat production under saline water irrigation[J]. Agronomy，2019，9（8）：457.

[31]Uzoma K C，Inoue M，Andry H，et al. Effect of cow manure biochar on maize productivity under sandy soil condition[J]. Soil Use and Management，2011，27（2）：205-212.

[32]陳心想，何緒生，耿增超，等. 生物炭對(duì)不同土壤化學(xué)性質(zhì)、小麥和糜子產(chǎn)量的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33（20）：6534-6542.

[33]Dong D，F(xiàn)eng Q B，McGrouther K，et al. Effects of biochar amendment on rice growth and nitrogen retention in a waterlogged paddy field[J]. Journal of Soils and Sediments，2015，15（1）：153-162.

[34]Zhu Q A，Kong L J，Shan Y Z，et al. Effect of biochar on grain yield and leaf photosynthetic physiology of soybean cultivars with different phosphorus efficiencies[J]. Journal of Integrative Agriculture，2019，18（10）：2242-2254.

[35]Yao C X，Joseph S，Li L Q，et al. Developing more effective enhanced biochar fertilisers for improvement of pepper yield and quality[J]. Pedosphere，2015，25（5）：703-712.

[36]Abideen Z，Koyro H W，Huchzermeyer B，et al. Ameliorating effects of biochar on photosynthetic efficiency and antioxidant defence of Phragmites karka under drought stress[J]. Plant Biology，2020，22（2）：259-266.

[37]Xu G，Wei L L，Sun J N，et al. What is more important for enhancing nutrient bioavailability with biochar application into a sandy soil：Direct or indirect mechanism？[J]. Ecological Engineering，2013，52：119-124.

[38]Bonanomi G，Ippolito F，Scala F. A “black” future for plant pathology？ Biochar as a new soil amendment for controlling plant diseases[J]. Journal of Plant Pathology，2015，97（2）：223-234.

[39]Hou X，Meng L，Li L，et al. Biochar amendment to soils impairs developmental and reproductive performances of a major rice pest Nilaparvata lugens （Homopera：Delphacidae）[J]. Journal of Applied Entomology，2015，139（10）：727-733.

[40]Jaiswal A K，F(xiàn)renkel O，Elad Y，et al. Non-monotonic influence of biochar dose on bean seedling growth and susceptibility to Rhizoctonia solani：The “Shifted R max-Effect”[J]. Plant and Soil，2015，395（1-2）：125-140.

[41]顏永毫，王丹丹，鄭紀(jì)勇. 生物炭對(duì)土壤N2O和CH4排放影響的研究進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（8）：140-146.

[42]Al-Wabel M I，Al-Omran A，El-Naggar A H，et al. Pyrolysis temperature induced changes in characteristics and chemical composition of biochar produced from conocarpus wastes[J]. Bioresource Technology，2013，35（131）：374-379.

[43]Lu H H，Wang Y F，Liu Y X，et al. Effects of water-washed biochar on soil properties，greenhouse gas emissions，and rice yield[J]. CLEAN-Soil，Air，Water，2018，46（4）：1700143.

[44]Yuan J H，Xu R K，Zhang H. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J]. Bioresource Technology，2011，102（3）：3488-3497.

[45]Sun Y N，Gao B，Yao Y，et al. Effects of feedstock type，production method，and pyrolysis temperature on biochar and hydrochar properties[J]. Chemical Engineering Journal，2014，240：574-578.

[46]袁 帥，趙立欣，孟海波，等. 生物炭主要類型、理化性質(zhì)及其研究展望[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2016，22（5）：1402-1417.

[47]趙金鳳，陳靜文，張 迪，等. 玉米秸稈和小麥秸稈生物炭的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，38（2）：458-465.

[48]Bansal R C，Donnet J B，Stoeckli F. Active carbon[M]. New York：Marcel Dekker，1988：158.

[49]Mao J F，Zhang K，Chen B L. Linking hydrophobicity of biochar to the water repellency and water holding capacity of biochar-amended soil[J]. Environmental Pollution，2019，253：779-789.

[50]Chintala R，Mollinedo J，Schumacher T E，et al. Effect of biochar on chemical properties of acidic soil[J]. Archives of Agronomy and Soil Science，2014，60（3）：393-404.

[51]劉 卉，周清明，黎 娟，等. 生物炭施用量對(duì)土壤改良及烤煙生長的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào)，2016，30（7）：1411-1419.

[52]郭艷亮，王丹丹，鄭紀(jì)勇，等. 生物炭添加對(duì)半干旱地區(qū)土壤溫室氣體排放的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2015，36（9）：3393-3400.

[53]李亞森，丁松爽，殷全玉，等. 多年施用生物炭對(duì)河南烤煙種植區(qū)土壤呼吸的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2019，40（2）：915-923.

[54]李 嬌，田 冬，黃 ?容，等. 秸稈及生物炭還田對(duì)油菜/玉米輪作系統(tǒng)碳平衡和生態(tài)效益的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2018，39（9）：4338-4347.

[55]Puga A P，Grutzmacher P，Cerri C E P，et al. Biochar-based nitrogen fertilizers：Greenhouse gas emissions，use efficiency，and maize yield in tropical soils[J]. Science of The Total Environment，2020，704：135375.

[56]Li S L，Wang S，F(xiàn)an M C，et al. Interactions between biochar and nitrogen impact soil carbon mineralization and the microbial community[J]. Soil and Tillage Research，2020，196：104437.

[57]Tan G C，Wang H Y，Xu N，et al. Effects of biochar application with fertilizer on soil microbial biomass and greenhouse gas emissions in a peanut cropping system[J]. Environmental technology，2021，42（1）：9-19.

[58]Maek O，Buss W，Brownsort P，et al. Potassium doping increases biochar carbon sequestration potential by 45%，facilitating decoupling of carbon sequestration from soil improvement[J]. Scientific Reports，2019，9：5514.

[59]Singh B P，Cowie A L. Long-term influence of biochar on native organic carbon mineralisation in a low-carbon clayey soil[J]. Scientific Reports，2014，4：3687.

[60]Cross A，Sohi S P. The priming potential of biochar products in relation to labile carbon contents and soil organic matter status[J]. Soil Biology and Biochemistry，2011，43（10）：2127-2134.

[61]Sheng Y Q，Zhan Y，Zhu L Z. Reduced carbon sequestration potential of biochar in acidic soil[J]. Science of the Total Environment，2016，572：129-137.

[62]Wu M X，Han X G，Zhong T，et al. Soil organic carbon content affects the stability of biochar in paddy soil[J]. Agriculture，Ecosystems & Environment，2016，223：59-66.

[63]張 晟，張徐潔，趙 遠(yuǎn)，等. 不同溫度制備的水稻秸稈生物炭對(duì)稻田土壤固碳減排及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019，35（5）：1102-1111.

[64]Case S D C，McNamara N P，Reay D S. The effect of biochar addition on N2O and CO2 emissions from a sandy loam soil—The role of soil aeration[J]. Soil Biology and Biochemistry，2012，44（51）：125-134.

[65]李 赟. 模擬增溫與氮富集對(duì)土壤激發(fā)效應(yīng)的影響及相關(guān)微生物變化[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2020.