生物炭改良盐碱地研究与应用进展

盐碱地作为21世纪严重威胁粮食产量的农田问题土壤之一,分布广泛,具有极大的开发潜力.生物炭作为高效的新型土壤改良剂,在缓解土壤酸碱障碍、土壤污染治理、碳封存和肥料缓释等方面发挥了重要作用,有力地推动了盐碱地农业的可持续发展.近年来,关于生物炭改良盐碱地的研究和应用备受关注.但由于生物炭来源、结构和组分的复杂性和非均质性,其对盐碱地的改良效果存在极大的不确定,也缺乏关键机制的系统总结和深度探讨,这限制了生物炭技术在盐碱地改良中的进一步推广和应用.通过综合分析生物炭对盐碱地土壤理化性质、养分有效性和生物特征的影响,归纳总结生物炭和改性生物炭对盐碱地的改良效果及其提质增效作用,阐明生物炭在盐碱地改良中存在的可能机制,并对未来研究方向进行了展望,可为进一步研发绿色高效精准的盐碱地生物炭改良技术及其推广应用提供参考.     

生物炭技术缓解我国温室效应潜力初步评估

热解制备的生物炭在实现了将植物吸收的大气CO2封存在土壤中的同时,还将产生多重农业生产效应.在调查我国农林废弃物资源可利用潜力的基础上,利用生命周期评价(life cycle assessment,LCA)方法对热解生物炭技术在缓解温室效应方面的潜力进行了初步评估.研究表明,我国每年可供生物炭生产的农林生物质资源总量为6.04×108t;温室效应净潜力(以CO2e计,CO2e为CO2当量)为5.32×108t,相当于每t原料可封存0.88 t.在整个温室效应潜力中,贡献最大的是大气CO2以生物炭形式在土壤中的封存,约为73.94%,其次是副产物可更新能源生产所产生的温室效应潜力,占总潜力的23.85%.由此可见,以农林废弃生物质资源为原料热解制备生物炭的技术对于缓解我国严峻的温室气体排放压力具有巨大的潜力.     

土壤矿物质-可溶态生物炭的交互作用及其对碳稳定性的影响

将生物质转化为生物炭并输入土壤被认为是一种很有前景的碳封存技术.生物炭颗粒在土壤中会不断释放出可溶态生物炭,这部分生物炭不稳定,易被微生物分解.探明土壤组分矿物质对可溶态生物炭稳定性的影响对评估生物炭的碳封存作用具有重要意义.因此,本文以核桃壳生物炭为研究对象,通过批次吸附实验及微生物降解实验研究了2种代表性土壤矿物质高岭土和针铁矿与核桃壳生物炭可溶有机组分的结合机理,以及这种结合作用对可溶态生物炭稳定性的影响.结果表明:低浓度(如20 mg·L-1)可溶态生物炭条件下,高岭土与可溶态生物炭之间以Ca2+架桥作用为主,约占吸附总量的65%;高浓度(如80 mg·L-1)条件下,以范德华力为主,约占吸附总量的76%.随着可溶态生物炭初始浓度的升高,针铁矿对其吸附量先升高后下降,且以范德华力为主,Ca2+会抑制针铁矿对可溶态生物炭的吸附.被矿物质吸附后的可溶态生物炭,其微生物降解性显著下降,可降解的碳下降了47.9%~85.3%,土壤矿物质能够吸附保护可溶态生物炭,提高其在土壤中的稳定性.     

碳添加对土壤固碳细菌群落结构及多样性的影响——以松嫩平原盐碱耕地为例

采用高通量测序技术,研究秸秆、生物炭和纳米碳3种碳源添加对盐碱耕地土壤固碳细菌群落结构及多样性的影响,并分析土壤化学性质与固碳细菌群落多样性的关系.结果表明：3种碳源添加均降低土壤固碳细菌群落多样性,其中生物炭和纳米碳添加的土壤固碳细菌的Chao1指数、物种多样性、Shannon指数及系统多样性值均高于秸秆添加的.3种碳源添加均降低土壤固碳细菌群落的物种丰度,其中纳米碳添加的物种丰度大于秸秆和生物炭添加的.在群落组成方面及相对丰度上,3种碳源添加后的优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）,优势菌纲为γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）,均在纳米碳添加后相对丰度最高,分别为90.38%、57.79%.群落组间差异分析结果显示,秸秆和纳米碳添加后土壤固碳细菌群落结构差异显著.冗余分析结果表明,土壤固碳细菌群落结构受土壤pH值、有机碳、全氮、全磷、碱解氮及有效磷的综合影响,其中土壤pH值和有效磷含量是影响土壤固碳细菌群落结构的主要化学性质.综合来看,在盐碱耕地中添加秸秆、生物炭或纳米碳,都抑制了土壤固碳细菌群落的多样性和物种丰度,但纳米碳能够增加土壤固碳细菌群落结构差异.     

碳添加对土壤固碳细菌群落结构及多样性的影响——以松嫩平原盐碱耕地为例

采用高通量测序技术,研究秸秆、生物炭和纳米碳3种碳源添加对盐碱耕地土壤固碳细菌群落结构及多样性的影响,并分析土壤化学性质与固碳细菌群落多样性的关系.结果表明：3种碳源添加均降低土壤固碳细菌群落多样性,其中生物炭和纳米碳添加的土壤固碳细菌的Chao1指数、物种多样性、Shannon指数及系统多样性值均高于秸秆添加的.3种碳源添加均降低土壤固碳细菌群落的物种丰度,其中纳米碳添加的物种丰度大于秸秆和生物炭添加的.在群落组成方面及相对丰度上,3种碳源添加后的优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）,优势菌纲为γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）,均在纳米碳添加后相对丰度最高,分别为90.38%、57.79%.群落组间差异分析结果显示,秸秆和纳米碳添加后土壤固碳细菌群落结构差异显著.冗余分析结果表明,土壤固碳细菌群落结构受土壤pH值、有机碳、全氮、全磷、碱解氮及有效磷的综合影响,其中土壤pH值和有效磷含量是影响土壤固碳细菌群落结构的主要化学性质.综合来看,在盐碱耕地中添加秸秆、生物炭或纳米碳,都抑制了土壤固碳细菌群落的多样性和物种丰度,但纳米碳能够增加土壤固碳细菌群落结构差异.     

生物炭添加对猪粪堆肥过程碳素转化与损失的影响

堆肥是最合适的处理农业废弃物的技术之一,但在堆肥过程中,碳素的损失及温室气体的大量排放引起越来越多的关注.因此,如何减少堆肥过程中碳素损失成为堆肥面临的重要问题.本研究以猪粪等为原料,利用强制通风反应箱研究了生物炭添加对堆肥过程中碳素转化及碳素损失的影响.结果表明,在堆肥过程中总有机碳呈下降趋势,添加生物炭处理的总有机碳含量提高了6.69%~20.60%;可溶性有机碳的变化规律与总有机碳相似.腐殖质碳含量呈先下降后上升的变化趋势,添加生物炭处理的腐殖质碳含量下降了0.39%~14.97%;腐殖化系数(胡敏酸/富里酸)与生物炭添加量成正比,说明生物炭添加有利于堆肥的腐熟.至堆肥结束,堆料干物质失重率为23.51%~30.91%,碳素损失率为20.71%~28.85%,添加3%生物炭的处理干物质失重率与碳损失率均最高,添加9%生物炭处理均最低.     

温室气体CO2的减排技术研究

概述了当前分离捕集新工艺（电化学法、离子液体法和化学循环燃烧法等）的发展及不足。介绍了减排技术领域（新能源和可再生能源的开发利用、提高能源效率与节能）、碳封存领域（海洋封存、地质封存）的现状及发展前景，并分析了碳封存的经济性成本，同时提出了CO2封存的备选方法，指出了生物固定技术是最经济、最有效、最具潜力的CO2封存技术。     

生物炭施用对农田土壤团聚体及有机碳影响的整合分析

生物炭作为一种土壤改良剂,已广泛用于农田土壤的改善.为明确生物炭对我国农田土壤固碳效应的影响,基于已公开发表的文献数据,利用Meta分析法研究生物炭施用在不同试验条件下对土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的响应.结果表明,与不施生物炭相比,施用生物炭显著增加土壤大团聚体比例（10.8%）和平均重量直径（MWD,13.3%）,对土壤微团聚体和粉黏粒组分无显著作用;施用生物炭能够显著增加土壤各粒径团聚体碳和土壤总有机碳含量,土壤有机碳增幅为56.9%.通过亚组分析和Meta回归分析表明,华北地区施用生物炭土壤有机碳增幅最大（39.4%）;不同试验类型下施用生物炭均能显著提高土壤有机碳含量;相比不施肥,施肥条件下施用生物炭能显著改善土壤结构,提升土壤肥力;生物炭在施用>2 a条件下,能显著提高大团聚体比例（15.7%）、MWD （21.2%）、大团聚体碳（31.7%）和土壤有机碳含量（40.0%）;相比木材、木屑等原料制备的生物炭,农作物秸秆制备的生物炭对土壤的改良效果更佳;在高氮土壤中施用生物炭更有利于提高土壤团聚体稳定性.综上所述,生物炭施用可以改善土壤团聚结构,促进土壤有机碳积累,对农田肥力维持与提升具有重要意义.     

生物炭施用5 a后对桂北桉树人工林土壤有机碳组分的影响

研究生物炭不同施用量施用5 a后桉树人工林土壤有机碳组分的变化特征，明确生物炭施用下土壤的固碳潜力，为桉树林业废弃物生物炭的土壤改良效应提供科学依据.基于2017年建立的桉树人工林生物炭中长期定位试验，以桉树人工林废弃枝条为原料，在500℃条件下厌氧制备生物炭，选取CK （0%）、T1（0.5%）、T2（1.0%）、T3（2%）、T4（4%）和T5（6%）这6个处理，一次性施用生物炭5 a后测定不同处理下有机碳组分含量特征.结果表明：①与对照相比，土壤有机碳及其组分随生物炭施用量的增加而增大，且在T4或T5达到最大值，土壤有机碳、可溶性有机碳、易氧化态有机碳、颗粒有机碳、微生物生物量碳和碳储量分别增加了101.62%、67.46%、143.03%、164.78%、110.88%和41.73%.②随着生物炭施用量的增加，各生物炭处理土壤轻组有机碳和重组有机碳含量在0~10、10~20、20~30 cm土层的增幅分别为41.41%~140.63%、9.26%~87.04%、-19.54%~106.90%和15.32%~78.99%、15.72%~75.25%、89.49%~148.64%.0~30 cm土层土壤轻组有机碳和重组有机碳含量的平均值亦呈现增大的趋势，土壤碳库中以较稳定的重组有机碳为主.③土壤有机碳、碳储量和有机碳组分含量均随着土层的加深而减小.总体上，生物炭施用5 a显著增加了土壤有机碳和碳组分含量，有利于提高土壤固碳能力和土壤稳定性碳库，生物炭施用是提升桉树林土壤质量的有效措施.研究结果可为林业废弃物资源化利用和桉树人工林土壤肥力提升提供参考依据.     

生物炭添加对两种类型土壤DOC淋失影响

生物炭能增加土壤碳库贮量,对全球碳的生物地球化学循环和缓解全球气候变化起到不可忽视的作用。可溶性有机碳(DOC)是土壤碳库中十分重要的组分,研究生物炭对DOC淋失影响对深入了解生物炭对土壤有机碳循环具有重要意义。本文以新疆和河南两种土壤为对象,通过室内土柱淋滤试验研究生物炭添加对不同类型土壤中溶解性有机碳(DOC)淋失影响以及添加不同生物炭对同种土壤淋滤液中DOC淋失影响特征。结果表明,新疆和河南土壤淋滤液DOC浓度和淋失量随着生物炭添加比例增加(1%,5%,10%)而减少。与玉米秸秆和锯末混合物为原料制成生物炭相比,玉米秸秆生物炭能显著降低新疆土壤淋滤液中DOC浓度。     

黑炭分解的影响因素及其激发效应机制研究进展

黑炭是生物质和化石燃料不完全燃烧形成的富含C的固体有机材料,广泛存在于环境中,具有长期存储C的潜力,在全球C循环中具有重要作用,并且被作为减缓气候变化的重要策略。然而,当前我们有关黑炭分解及其激发效应机制的知识是有限的。因此,需要全面深入了解影响黑炭分解的控制因素及其激发效应的可能机制。本文首先对黑炭分解研究进行综合分析,详细评述了气候/培养条件,土壤特征、黑炭性质以及干扰因素对黑炭分解的影响及其机理。其次,介绍了黑炭激发效应的测定方法,重点综述了黑炭激发效应大小与方向的影响因素及其可能机制。最后,指出了黑炭分解及其激发效应研究的不足,并提出了未来研究需要关注的问题和方向,以期为将黑炭融入到土壤有机质和生态系统模型提供借鉴。     

生物质炭服务农田生态系统“碳中和”的机制和潜力研究进展

废弃植物生物质热解制备为生物质炭是碳源整合再利用的有效手段之一,既能减少生物质自然分解过程中CO₂排放,同时,生物质炭还田还可通过调控微生物活动和碳源利用效率来减少土壤本底有机碳矿化.此外,生物质炭对土壤通气性的改善有利于CH₄氧化;其多孔结构、高比表面积等性能有利于CO₂及可溶性有机碳等易损耗碳源的吸附固定,促进土壤有机碳的固持,增加土壤碳库容量和质量.在农田生态系统中合理施加生物质炭有利于提高植物光合固碳能力、增加植物生物量和作物产量,具有环境和经济双重效益.因此,生物质炭可借助土壤和植物两条途径助力农田生态系统中碳的减排增汇.然而,生物质炭的内源性污染物、异质性和持久性等导致其很可能具有长期的生态环境风险,仍需深入而广泛的研究.环境友好型生物质炭的制备、生物质炭的因地制宜策略等仍然是亟待解决的难题.未来研究建议在生物质炭促生增碳的相关机理、生物质炭的长期生态效应、生物质炭基“智慧土壤”的研发以及生物质炭制备工艺标准化和生产规模化等方面加强,实现生物质资源的高效整合与绿色应用,以期助力生物质炭还田技术的推广,更好地服...     

施用生物炭对土壤呼吸以及土壤有机碳组分的影响

为确定生物炭对土壤呼吸速率以及土壤碳组分的影响,采用田间小区试验,以苹果果树枝条生物炭为试验材料,研究了添加0、20、40、60、80 t/hm2的苹果果树枝条生物炭后,小麦生态系统呼吸（R_e）、土壤呼吸（R_s）、植物呼吸（R_p）、土壤TOC（总有机碳）、土壤POC（颗粒有机碳）、WSOC（土壤水溶性有机碳）和土壤AOC（易氧化有机碳）的变化以及各指标之间的相关性.结果表明,添加生物炭显著提高了小麦生态系统呼吸速率、土壤呼吸速率和植物呼吸速率,与对照相比分别增加了9.98%~27.57%、9.33%~19.47%和10.18%~30.14%,并且生物炭施用量为20和40 t/hm2时土壤呼吸速率显著高于其他两个处理,而对于小麦生态系统呼吸速率和植物呼吸速率来说,施用40 t/hm2生物炭时其值最高.对于土壤碳组分,施用生物炭显著提高了0~20 cm土层中土壤w（TOC）、w（POC）和w（AOC）,并且土壤w（TOC）和w（POC）与生物炭施用量呈极显著正相关.对于WSOC而言,当生物炭施用量高于40 t/hm2时其值显著降低,与对照相比,0~10、>10~20和>20~30 cm三个土层中w（WSOC）分别降低了21.82%~28.37%、35.88%~36.58%和32.28%~44.07%.研究显示,适量施用生物炭能够提高土壤w（TOC）、w（POC）和w（AOC）而降低了w（WSOC）,但同时也增加了小麦生态系统呼吸速率.      

Biochar—One way forward for soil carbon in offset mechanisms in Africa?

The Kyoto Protocol's Clean Development Mechanism (CDM) has had relatively little success in Africa due to a number of factors. Increases in agricultural soil carbon have strong benefits for soil health as well as potential for carbon sequestration, but such projects are currently excluded from the CDM and other offset mechanisms. Small-scale biochar systems with net emission reductions may hold a key for Africa to engage with the international offset mechanisms and open the door to soil carbon sequestration projects.     

中国森林碳汇潜力与增汇成本评估——基于Meta分析方法

准确评估中国森林碳汇潜力与增汇成本的经济可行性,是科学制定碳中和林业行动方案的基础。然而针对中国森林碳汇潜力与增汇成本的不同结果差异明显,可靠性需要进一步验证。为此,基于相关文献,采用Meta分析方法,对中国森林碳汇潜力与增汇成本及其导致差异的原因展开评估。研究表明：（1）中国森林碳汇量呈现不断增长的态势,但不同研究对森林碳汇潜力测度结果存在较大差异。（2）中国森林增汇的平均成本为220.45元/t CO_2e（区间值为3.9~1457.02元/t CO_2e）,与工业减排成本相比,中国森林增汇更具有经济可行性,但波动幅度较大。（3）评估方法采用、碳库数量选择等因素是导致已有森林碳汇潜力文献估计结果差异的关键因素;森林增汇成本差异则主要受碳汇成本测度研究方法、成本收益数据来源等因素影响。（4）中国森林增汇对碳中和的贡献将会持续增加。基于研究结果,提出进一步深化森林碳汇潜力与成本测算相关研究等方面的政策建议。     

Carbon Sequestration by Carbonization of Biomass and Forestation: Three Case Studies

We proposed the carbon sink project called “Carbon Sequestration by Forestation and Carbonization (CFC),” which involves biomass utilization and land conservation by incorporating the products of biomass carbonization into the agents for soil improvement, water purification, etc. Our purpose was to demonstrate the potential of the CFC scheme for carbon sequestration, particularly carbon storage in soil. Case studies were conducted in both developing and developed countries. 1. In southern Sumatra, Indonesia, 88,369 Mg-C year⁻¹ of wood residue from a plantation forest and excess bark from a pulp mill would be converted into 15,571 Mg-C year⁻¹ of the net carbon sink by biochar for soil improvement. The fixed carbon recovery of the system is 21.0%. 2. In a semiarid region in western Australia, the carbonization of wood residue was incorporated with multipurpose projects of a mallee eucalyptus plantation that involved the function of salinity prevention. During the project period of 35 years, the total carbon sink would reach 1,035,450 Mg-C with 14.0% by aboveground biomass, 33.1% by belowground biomass and 52.8% by biochar in soil. 3. In southern Kyushu, Japan, the study was focused on the effective use of surplus heat from a garbage incinerator for carbonizing woody materials. Sawdust of 936.0 Mg-C year⁻¹ would be converted into the net carbon sink of 298.5 Mg-C year⁻¹ by carbonization, with the fixed carbon recovery of the system being 31.9%. Consequently, the CFC project could encourage the creation of a carbon sink in soil. However, we recognize that the quality standard of biochar, the stability of biochar in soil, and the methods for monitoring biochar utilization must be clarified before incorporating biochar carbon into the carbon credit system. Throughout this article (except for diagrams and in citation details) carbonized biomass is, with the authors'agreement, called ‘biochar’ in lieu of the commonly used but misleading word ‘charcoal’ (Editor).     

生物炭在农业增产和污染治理中的应用

生物炭(biochar)作为重要的碳汇、土壤重要的改良剂以及污染物有效地吸附剂受到了国内外研究人员的普遍关注。在阅读近几年国内外关于生物炭在农业增产和污染方面文献的基础上,作者总结了生物炭应用规律并提出一些未来研究的展望。表述如下:生物炭具有多孔性和巨大的表面积,它能够增加土壤的持水量、增加对营养元素的吸附以减少其流失并改善土壤的结构,此外生物炭本身含有丰富的营养元素并能够缓慢释放以供作物吸收,因此生物炭能改善土壤肥力并增加农作物产量。同时,生物炭巨大的吸附功能可以降低重金属和有机污染物在土壤及污水中的活性,起到降低污染物浓度的作用。因此生物炭在农业增产和减少污染方面有巨大的潜力。但是,到目前为止,对于生物炭很多的作用机制还未搞清楚,对不同种类生物炭性状、生物质在高温热解过程中内部化学成分和结构的变化、长期定位实验以及危害方面还应加强研究。对此,研究人员应该结合当地情况,尽多的用当地主要的动植物废料来生产生物炭以达到当地农业增产和治理污染的目的;其次,增加长期定位试验,找到适合当地的生物炭种类及其生产条件;另外还应增加对我国新疆、西藏等土壤贫瘠的偏远地区的研究,使当地的土壤更大程度的被利用以改善当地人民的生活;最后,当地政府及相关部门应该加大对生物炭研究的支持,使生物炭早日被普遍运用,造福百姓。     

生物质炭对果园土壤团聚体分布及保水性的影响

向土壤中施用生物质炭是增加碳吸存和改善土壤理化性质的一种重要途径.利用干筛法获得土壤不同级别团聚体,探究了果园施用不同水平、不同性质生物质炭对土壤团聚体分布及其有机碳含量、土壤孔隙度和田间持水量的影响.结果表明,与不施生物质炭的处理(CK)相比,施用生物质炭在0~10 cm土层主要减少了土壤5~8 mm、0.25 mm团聚体含量,增加了1~2 mm、2~5 mm级别团聚体含量,其中1~2 mm团聚体随生物质炭施用量增加而显著增加.施用生物质炭使0~10cm土层土壤团聚体的平均质量直径有所减小,稳定性降低.与CK相比,添加生物质炭显著增加了土壤团聚体中有机碳含量,其中1~2 mm团聚体有机碳提高幅度最大,达70%以上.施用生物质炭显著提高了1 mm级别团聚体的吸湿系数,增加了土壤总孔隙度和田间持水量.     

山东黄河下游流域土壤碳储量及时空变化研究

全球气候变暖及其影响是当前人类面临的重大环境问题之一,大气CO2浓度的剧增为人类生活带来的诸多环境问题越来越严重。土壤有机碳是陆地生态系统碳库的重要组成部分,它的微小变化直接影响大气温室气体的浓度。本文利用2003~2010年多目标区域地球化学调查及20世纪80年代全省第二次土壤普查碳数据,对山东省黄河下游流域土壤碳密度、碳储量及时空变化规律和固碳潜力与机制进行了研究,结果表明,1.0 m土层有机碳库约占我国SOCP的3.28%;表现出"碳汇";水稻土碳密度最高、砂姜黑土次之,滨海盐土最低;研究区0~1.0 m土层固碳潜力为1.02×109t,相当于可减少大气中0.081%CO2浓度。通过相关性分析表明,在土壤中增施有机肥和N、P、K肥,以及施用Zn等矿质肥料可有效提高土壤中的有机碳量,提升土壤固碳能力,而含Cl量过高是滨海土壤固碳的破坏性因素。本研究为缓解大气CO2浓度的剧增的环境压力,发挥和提高我国土壤生态系统的固碳潜力提供了科学依据。