生物炭在土壤固碳方面的應用研究進展

王慧娟 鄧揚悟 汪江萍 黃金

【摘? ?要】 生物炭是一種由農林廢棄物等物質在無氧或低氧的環境下經高溫裂解得到的含碳量很高的固體物質。因其具備原料來源廣、比表面積大、孔隙發達、穩定性強等特征而得到了越來越多的關注，現已成為土壤環境修復領域的研究熱點。文章綜述了近年來生物炭在土壤固碳方面的國內外相關研究進展及機理分析，展望了生物炭在土壤修復領域的推廣應用前景。

【關鍵詞】 生物炭;土壤修復;固碳

Advances in the application of biochar in soil carbon sequestration

Wang Huijuan? ?Deng Yangwu? ?Wang Jiangping? ?Huang Jin

（Jiangxi Ionic Rare Earth Engineering Research Co.，Ltd/National Engineering Research Center For Ionic Rare Earth? ?341000）

[Abstract] Biochar is a kind of high carbon solid material obtained by pyrolysis of agricultural and forestry residues under the condition of no oxygen or low oxygen. Because of its wide source of raw materials， large specific surface area， developed hole structure and strong stability， biochar has become a research hotspot in the field of soil environmental remediation attracting increasing attention.In this paper， a literature review on the recent research progress and mechanism analysis of biochar in soil carbon sequestration， soil physical and chemical properties improvement， soil heavy metal contamination remediation and soil organic pollutants treatment was conducted. The application prospect of biochar in soil remediation was forecast to provide reference for the widespread and application of biochar in soil remediation.

[Keywords] biochar; soil remediation; carbon sequestration

我國是農業大國，而土壤是進行農業生產的基礎，土地資源的可持續利用是現代農業持續發展的前提。

目前，生物炭在土壤環境修復方面的應用主要包括土壤固碳、土壤理化性質的改良、土壤重金屬污染修復以及土壤有機污染物的治理。生物炭是指農林廢棄物等在無氧或限氧的條件下，經高溫熱解制備的一類含碳量高，比表面積大的高度芳香化的固體物質，為黑炭的一種。由于生物炭具有原料來源廣、比表面積大、孔隙發達、穩定性強等特征而被廣泛應用于各行各業。生物質在土壤固碳、土壤改良、污染物吸附等領域的應用得到了較好的效果，現已成為環境科學領域研究的熱點。

生物炭表面含有豐富的孔隙結構，這種結構有利于土壤微生物的生長[1]，同時其含有的基團主要有羧基、酚羥基、內酯、羰基等，這些基團的存在構成了生物炭良好的吸附特征，可以吸附水、無機離子（銅離子、鉛離子、汞離子等）以及極性和非極性有機化合物，同時還可以促進植物對營養元素的吸收。

由于生物炭主要由環芳烴和烷基組成，從而使其穩定性極高。這也使它能在土壤中穩定存在幾百年甚至上萬年，在其長期提升土壤有機質的同時將碳源固定在土壤中達到緩解溫室效應的目的，因此，生物炭在固碳方面的應用研究得到了廣泛的關注。

1? 生物炭固碳的機制

有學者對各類生物炭的礦化規律進行了評估，通過模型證明生物炭在100年的時間里只有3-26%的碳被礦化，且各類生物炭的半衰期在102到107年之間，驗證了生物炭無可替代的固碳效果[2]。Lehmann團隊關于生物炭能夠減少大氣CO2氣體排放的概念模型中說到植物經歷正常的生長吸收CO2最后殘體返回土壤被礦化分解成CO2返回大氣中，整個過程大氣C的削減量為0，該循環過程為碳中性[3]。如果將植物殘體熱解成生物炭后，被熱解后的植物殘體中只有大約50%C被轉化成生物能返回大氣中;而另外50%C被轉化成高穩定性的生物炭放回土壤中，生物炭中有5%左右的C被分解成CO2返回到大氣中去，從而使整個循環過程為碳負性。循環的次數越多，大氣CO2的削減量就越大。因此，將植物殘體熱解成生物炭后施于土壤是將大氣中CO2不斷固定在土體中的一種可行的方法。

除CO2外，CH4也是造成全球變暖的關鍵物質。他的增溫潛力在100年時間尺度上是CO2的25倍。LIU等的研究發現，添加生物炭可減少水稻土壤CH4的排放，其中添加水稻秸稈生物炭的水稻土壤比未添加生物炭的相比，CH4的排放量減少了91.2%[4]。Feng等通過研究生物炭減少土壤CH4排放的機理發現，生物炭的存在，可以促進甲烷氧化菌的生長，使其成為土壤中的優勢菌種，從而達到抑制CH4的排放。

2? 生物炭固碳的影響因素

生物炭對土壤的修復，主要通過改變土壤的理化環境，以及微生物群落來達到改良土體的目的。土壤和生物炭兩者相互影響，近而對土壤的微生物群落結構以及固碳效果產生影響。土壤的含水率、溫度等因素也會對碳的礦化產生影響。有學者對生物炭固碳的影響因素進行薈萃分析，發現固碳效果是各種因素共同作用的結果。表1為各因素對生物炭固碳效果影響分析總結。

利用生物炭將C固定在土壤中是當前比較有前景的固碳減排技術。上文綜述了當前生物炭在固碳方面的相關研究進展，在今后的研究中，我們還需對土壤固定碳的各影響因素以及田間試驗條件下不同的室外作業條件對生物炭在減少土壤CO2排放方面的影響進行深入探討。同時，土壤在生物炭和植物體系的共同作用下其固定c的效果與作用機理也需進行進一步的研究。通過對各影響因素和作用機理的研究，為生物炭在固碳減排方面的應用推廣提供可行的依據。

3? 研究展望

生物炭種類多樣，其在土壤環境修復方面的應用技術還未成熟。修復過程主要通過降低土壤污染物的生物有效性來達到修復土壤的目的，通過研究其對污染物的吸附規律和機理，探索生物炭在土壤中的環境行為。將生物炭推廣應用于土壤修復領域還需很多工作要做。要讓生物炭對土壤的修復達到最佳的效果，就必須知道其對污染物的吸附機理。現有的吸附機理分析只要以性質分析和過程推測為主，缺少直接的定性和定量手段。在未來的研究工作中，需要我們從以下幾個方面開展生物炭對土壤環境修復的研究。

采用先進的表征技術，直接通過實驗手段準確揭示生物炭修復土壤過程，進一步探索生物炭修復土壤的影響因素。同時還應該探索生物炭的生態環境效應，包括對土壤理化性質、土著微生物群落和土壤在利用價值的影響。

通過結合生物炭與植物、微生物修復等技術，實現土壤修復的高效治理。，在應用與推廣方面應該加大其他配套技術研究，如何高效、低成本生產生物炭，如何儲存、運輸生物炭以及完善土壤數據庫，從而能夠在農業和環境領域因地制宜使用生物炭。

生物炭種類繁多，制備工藝各不相同，而生物質原料、熱解溫度、保溫時間及制備工藝對其特性的影響巨大，所以完善生物炭分類體系，明確不同條件下制備的生物炭的突出特性，是非常必要的。

參考文獻：

[1] 陳溫福，張偉明，孟 軍，等. 生物炭應用技術研究[J]. 中國工? ? ? ?程科學，2011，13（2）：83-89.

[2] Chen W F， Zhang W M， Meng J， Xu Z J.? Researches on bio? ? ? ? ?char application technology[J]. Engineering Science， 2011， 13? ? ? ?（2）： 83-89.

[3] Zimmerman A R. Abiotic and microbial oxidation of labora? ? ? ?tory-produced black carbon（biochar） [J].Environmental? ? ? ? ? ? ?Science & Technology，2010，44：1295-1301.

[4] Lehmann J. A handful of carbon[J]. Nature，2007，443：143-? ? ? ? ? ?144.