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摘要圖：生物炭在鹽漬土壤改良中的應(yīng)用

亮點

1、可持續(xù)的生物炭生產(chǎn)及其在鹽漬土改良中的應(yīng)用是一種有前景的實現(xiàn)碳中和的策略。

2、生物炭的施加能使鹽漬土中植物初級生產(chǎn)力平均提高29.3%。

3、生物炭可有效減少鹽漬土壤溫室氣體的排放，并通過生物能源結(jié)合CCS技術(shù)以及提高植物初級生產(chǎn)力促進大氣中CO2的去除。

背景和意義

氣候變化帶來的溫度異常和極端降雨給自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和健康以及人類的生存和發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。碳中和是緩解氣候的變化的必由之路，也是21世紀全球主要環(huán)境目標之一。合理地制定可持續(xù)的鹽漬化土壤復(fù)墾戰(zhàn)略并開發(fā)相關(guān)技術(shù)，擴大耕地面積，增加鹽漬土壤碳匯功能，這對緩解氣候變化及助力我國“雙碳”目標的實現(xiàn)具有極高的戰(zhàn)略價值和環(huán)境意義。生物炭具有長期固碳和減少土壤溫室氣體排放的潛力，有助于提升土壤碳匯功能?？沙掷m(xù)的生物炭系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)，分別是生物質(zhì)生產(chǎn)子系統(tǒng)、熱轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)和土壤應(yīng)用子系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)可通過減少溫室氣體排放和促進大氣二氧化碳（CO2）去除（CDR）來緩解全球氣候變化。因此，系統(tǒng)綜述生物炭修復(fù)鹽漬土壤實現(xiàn)碳中和目標的途徑，是目前鹽漬化土壤改良研究中的迫切任務(wù)。

Fig. 1 Biochar system on climate change mitigation

圖1. 生物炭減緩氣候變化的途徑

生物炭的可持續(xù)生產(chǎn)

近年來，大量廢棄生物質(zhì)采用不適當?shù)幕厥占夹g(shù)(如填埋、直接燃燒)大大增加了溫室氣體排放。將廢棄物生物質(zhì)化為生物炭施用于土壤，可以減少土壤溫室氣體排放。由于超強的的持久性，生物炭在土壤中的碳礦化水平和非CO2溫室氣體排放量（CH4和N2O）比未熱解的生物質(zhì)低一到兩個數(shù)量級。此外，生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的生物油和生物氣可以作為化石燃料的替代品，結(jié)合碳捕集與封存（CCS）技術(shù)減少溫室氣體排放。大多數(shù)鹽漬土壤不適合作物生產(chǎn)，利用鹽漬土壤生產(chǎn)生物炭原料（主要指鹽生植物生物質(zhì)）可以緩解與糧食生產(chǎn)對優(yōu)質(zhì)土地的競爭。將鹽生植物（如堿蓬、苜蓿、蘆葦），或鹽生入侵植物（如互花米草），甚至是近海藻類廢棄物（如滸苔）轉(zhuǎn)化為生物炭，并將其作為鹽漬化土壤或其他邊際土地的改良劑，可能是加強廢棄生物質(zhì)資源合理利用以及增強土壤固碳能力一種雙贏的戰(zhàn)略。生物質(zhì)可以通過不同的熱轉(zhuǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)化為炭、生物油和合成氣。雖然在熱轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的生物能源可以作為化石燃料的替代品進行循環(huán)利用，并且生物炭在應(yīng)用于土壤時具有很強的固碳潛力，但是如何最大限度地減少生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的額外碳足跡，以增強整個生物炭系統(tǒng)的負碳性，仍需進一步研究。水熱碳化（HTC）由于無需對生物質(zhì)進行預(yù)干燥處理，可以大大減少額外的能源投入和成本，從而有可能減少含水量高的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中額外的干燥脫水處理帶來的CO2排放。鹽生植物生物質(zhì)具有一定的生物能源產(chǎn)量，通過升級或預(yù)處理后可用作生物燃料或工業(yè)原料。此外，鹽生植物制備的生物能源還可以與CCS技術(shù)相結(jié)合來捕集和封存生物能源燃燒過程中產(chǎn)生的額外CO2。這種生物能源結(jié)合碳捕獲和儲存技術(shù)（BECCS）是IPCC認可的最有前景的CDR技術(shù)之一。

生物炭對鹽漬土壤植物生長的影響

促進植物生長和恢復(fù)初級生產(chǎn)力是鹽漬土壤修復(fù)的主要目標，也是生物炭促進CDR的重要途徑。生物炭可通過提高植物光合作用從大氣中去除額外的CO2。然而，盡管目前的研究在生物炭對植物生長的影響方面取得了很大進展，但在鹽漬土壤中仍存在許多不確定性。生物炭具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、大比表面積、強穩(wěn)定性、豐富的含氧官能團、豐富的多價陽離子(如Ca2+和Mg2+)以及高營養(yǎng)成分，可以改善土壤理化性質(zhì)，改變與養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的微生物群落以及提高植物的耐鹽性，進而促進鹽漬土植物生長（圖2）。本文通過薈萃分析發(fā)現(xiàn)，生物炭可以使鹽漬土植物生產(chǎn)力平均提高29.3%。然而，由于生物炭本身高灰分和高鹽度的固有性質(zhì)，以及有害化合物和表面持久性自由基的存在，可能抑制鹽漬土壤植物的生長（圖2）。通過生物炭改性（如酸浸漬、共堆肥、共熱解和納米顆粒負載）或?qū)⑸锾颗c其他改良劑（如化肥、糞肥和木醋液）聯(lián)合施用，是解決其對植物生長負面影響的有效方法。

Fig. 2 Positive or negative effects of biochars on plant growth in salt-affected soils.

圖2. 生物炭對鹽漬中土植物生長的影響及可能機制

生物炭對鹽漬土壤溫室氣體排放的影響

生物炭在土壤中的應(yīng)用還可以通過降低土壤有機碳礦化和減少非CO2溫室氣體排放來緩解氣候變化。生物炭降低土壤CO2排放主要歸因于引發(fā)負激發(fā)效應(yīng)、促進土壤無機碳的形成、提高微生物殘體碳的積累以及促進CO2在土壤顆粒間的吸附（圖3）。促進土壤CO2排放的主要原因是添加初期引起的正激發(fā)效應(yīng)、生物炭不穩(wěn)定碳組分礦化以其礦化時引起天然SOM的共代謝。生物炭導(dǎo)致土壤CH4排放量的減少主要歸因于土壤通氣性的改善、CH4在土壤顆粒間的吸附以及引起的與CH4氧化相關(guān)微生物群落豐度的增加（圖3）。促進土壤CH4排放的主要原因是因為產(chǎn)甲烷菌提供額外的營養(yǎng)底物以及Na+生物利用度的降低。生物炭降低土壤N2O排放主要歸因于土壤通氣性增強、土壤pH值升高、N2O的吸附以及與土壤氮循環(huán)相關(guān)的微生物群落的變化（圖3）。促進N2O排放的主要原因是生物炭為硝化菌和反硝化菌提供了外源底物(如NH4+、NO3-)。值得注意的是，生物炭對土壤溫室氣體釋放的直接和間接作用尚未很好地厘清，關(guān)鍵機制也需要在長期大規(guī)模實驗中進一步驗證。

Fig. 3 The potential mechanisms underlying the decreased (light green) and increased (saffron yellow) GHG emission from salt-affected soils amended with biochars.

圖3. 生物炭對鹽漬土溫室氣體釋放的影響

未來研究方向

生物炭在鹽漬土壤中的應(yīng)用是助力碳中和目標實現(xiàn)的一種有前景的策略，但是未來需要進一步考慮以下研究（圖4）：（1）為了提高以鹽生植物生物質(zhì)為原料制備的生物炭在鹽漬土壤中的可用性，有必要進一步探明這些生物炭的結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用效果之間的關(guān)系。此外，應(yīng)進一步考慮升級生物炭生產(chǎn)相關(guān)的熱轉(zhuǎn)化技術(shù)，以滿足“碳中性”或“碳負性”的要求，建議使用太陽能、氫能等清潔或低碳能源替代化石燃料或電力。（2）有效增強生物炭對促進植物生長的積極作用是減緩氣候變化的有效途徑。開發(fā)功能性生物炭以及生物炭與其他鹽漬土壤改良技術(shù)的耦合應(yīng)用是未來重要的研究和應(yīng)用方向。（3）生物炭作為一種極具潛力的溫室氣體吸附劑，但其在真實復(fù)雜土壤環(huán)境中的吸附能力和機理仍需深入研究。（4）在應(yīng)用生物炭之前，應(yīng)采用適當?shù)姆椒?，如水洗或堆肥，以減少生物炭中有害物質(zhì)的含量以避免生物炭的負面影響。此外，還需要在現(xiàn)有生物炭標準的基礎(chǔ)上建立包括生物炭有害物質(zhì)含量和鹽漬土壤狀況的數(shù)據(jù)庫，以精確指導(dǎo)生物炭的應(yīng)用。(5)為了更好地促進生物炭的商業(yè)化和市場化，應(yīng)采取適當措施降低生物炭的生產(chǎn)和應(yīng)用成本。例如，開發(fā)生物炭副產(chǎn)品高價值利用途徑，開發(fā)生物炭的固碳價值，并將生物炭技術(shù)的碳減排量納入?yún)^(qū)域、國家乃至全球碳排放交易體系中，以使相關(guān)國家或企業(yè)通過生物炭的應(yīng)用抵消其碳排放額。

Fig. 4 Research directions of biochar application in remediating salt-affected soils for abating climate change.

圖4. 生物炭應(yīng)用于鹽漬土壤以減緩氣候變化的未來研究方向

作者簡介

鄭浩

中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

中國海洋大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家高層次青年人才計劃入選者，山東省杰出青年基金獲得者。任中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會水處理與回用專業(yè)委員會委員，中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會海洋環(huán)境保護專業(yè)委員會。獲山東省水處理協(xié)會科學(xué)技術(shù)一等獎、全國高校環(huán)境類專業(yè)本科生優(yōu)秀畢業(yè)論文指導(dǎo)教師、2020年度 Environ. Sci. Technol.最佳論文獎等獎勵。主要從事微塑料、抗生素抗性基因等新污染物的環(huán)境地球化學(xué)過程與污染控制、濱海鹽堿地的改良與固碳方面的研究。主持國家自然科學(xué)基金面上項目、山東省自然科學(xué)基金杰出青年基金項目、海南省重點研發(fā)計劃等科研項目15項。共發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇。其中，以第一/通訊作者在Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Environ. Int.、Chem. Eng. J.和J. Hazard. Mater.等環(huán)境領(lǐng)域頂尖期刊上發(fā)表SCI論文50篇。論文他引3000余次，4篇論文入選“ESI高被引論文”。以第一發(fā)明人授權(quán)國家發(fā)明專利6項。

邢寶山

美國麻省大學(xué)阿默斯特分校

麻省大學(xué)阿默斯特分校環(huán)境與土壤化學(xué)終身教授，麻省大學(xué)Distinguished Professor, 麻省大學(xué)農(nóng)學(xué)院主任。致力于污染物的環(huán)境地球化學(xué)和生物效應(yīng)研究，在Nature Nanotechnology、Biochar等期刊發(fā)表論文700余篇，H指數(shù)140，總被引量8萬余次。2014年至今，均入選全球“高被引科學(xué)家”?？茖W(xué)研究網(wǎng)站2023年評出的世界最杰出環(huán)境科學(xué)家中全美國排名15，全世界排名25。

劉強

中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

中國海洋大學(xué)博士研究生。主要從事濱海鹽堿地的改良與固碳方面的研究。以第一作者身份分別在環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊Biochar、《地球科學(xué)進展》等環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文2篇，授權(quán)實用新型專利3項，主持研究生自主科研項目1項。