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摘要圖：生物炭在鹽漬土壤改良中的應用

亮點

1、可持續的生物炭生產及其在鹽漬土改良中的應用是一種有前景的實現碳中和的策略。

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，并通過生物能源結合CCS技術以及提高植物初級生產力促進大氣中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系統的穩定和健康以及人類的生存和發展帶來了嚴峻挑戰。碳中和是緩解氣候的變化的必由之路，也是21世紀全球主要環境目標之一。合理地制定可持續的鹽漬化土壤復墾戰略并開發相關技術，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”目標的實現具有極高的戰略價值和環境意義。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。可持續的生物炭系統包括三個子系統，分別是生物質生產子系統、熱轉化子系統和土壤應用子系統（圖1）。該系統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，系統綜述生物炭修復鹽漬土壤實現碳中和目標的途徑，是目前鹽漬化土壤改良研究中的迫切任務。

Fig. 1 Biochar system on climate change mitigation

圖1. 生物炭減緩氣候變化的途徑

生物炭的可持續生產

近年來，大量廢棄生物質采用不適當的回收技術(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）比未熱解的生物質低一到兩個數量級。此外，生物質熱轉化過程中產生的生物油和生物氣可以作為化石燃料的替代品，結合碳捕集與封存（CCS）技術減少溫室氣體排放。大多數鹽漬土壤不適合作物生產，利用鹽漬土壤生產生物炭原料（主要指鹽生植物生物質）可以緩解與糧食生產對優質土地的競爭。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資源合理利用以及增強土壤固碳能力一種雙贏的戰略。生物質可以通過不同的熱轉化技術轉化為炭、生物油和合成氣。雖然在熱轉化過程中產生的生物能源可以作為化石燃料的替代品進行循環利用，并且生物炭在應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熱轉化過程中產生的額外碳足跡，以增強整個生物炭系統的負碳性，仍需進一步研究。水熱碳化（HTC）由于無需對生物質進行預干燥處理，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熱轉化過程中額外的干燥脫水處理帶來的CO2排放。鹽生植物生物質具有一定的生物能源產量，通過升級或預處理后可用作生物燃料或工業原料。此外，鹽生植物制備的生物能源還可以與CCS技術相結合來捕集和封存生物能源燃燒過程中產生的額外CO2。這種生物能源結合碳捕獲和儲存技術（BECCS）是IPCC認可的最有前景的CDR技術之一。

生物炭對鹽漬土壤植物生長的影響

促進植物生長和恢復初級生產力是鹽漬土壤修復的主要目標，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。生物炭具有發達的孔隙結構、大比表面積、強穩定性、豐富的含氧官能團、豐富的多價陽離子(如Ca2+和Mg2+)以及高營養成分，可以改善土壤理化性質，改變與養分循環相關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現，生物炭可以使鹽漬土植物生產力平均提高29.3%。然而，由于生物炭本身高灰分和高鹽度的固有性質，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）或將生物炭與其他改良劑（如化肥、糞肥和木醋液）聯合施用，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負激發效應、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效應、生物炭不穩定碳組分礦化以其礦化時引起天然SOM的共代謝。生物炭導致土壤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甲烷菌提供額外的營養底物以及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相關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，關鍵機制也需要在長期大規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用是助力碳中和目標實現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構、性能與應用效果之間的關系。此外，應進一步考慮升級生物炭生產相關的熱轉化技術，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。開發功能性生物炭以及生物炭與其他鹽漬土壤改良技術的耦合應用是未來重要的研究和應用方向。（3）生物炭作為一種極具潛力的溫室氣體吸附劑，但其在真實復雜土壤環境中的吸附能力和機理仍需深入研究。（4）在應用生物炭之前，應采用適當的方法，如水洗或堆肥，以減少生物炭中有害物質的含量以避免生物炭的負面影響。此外，還需要在現有生物炭標準的基礎上建立包括生物炭有害物質含量和鹽漬土壤狀況的數據庫，以精確指導生物炭的應用。(5)為了更好地促進生物炭的商業化和市場化，應采取適當措施降低生物炭的生產和應用成本。例如，開發生物炭副產品高價值利用途徑，開發生物炭的固碳價值，并將生物炭技術的碳減排量納入區域、國家乃至全球碳排放交易體系中，以使相關國家或企業通過生物炭的應用抵消其碳排放額。

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

中國海洋大學環境科學與工程學院

中國海洋大學教授，博士生導師，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。任中國環境科學學會水處理與回用專業委員會委員，中國環境科學學會海洋環境保護專業委員會。獲山東省水處理協會科學技術一等獎、全國高校環境類專業本科生優秀畢業論文指導教師、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境地球化學過程與污染控制、濱海鹽堿地的改良與固碳方面的研究。主持國家自然科學基金面上項目、山東省自然科學基金杰出青年基金項目、海南省重點研發計劃等科研項目15項。共發表學術論文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.等環境領域頂尖期刊上發表SCI論文50篇。論文他引3000余次，4篇論文入選“ESI高被引論文”。以第一發明人授權國家發明專利6項。

邢寶山

美國麻省大學阿默斯特分校

麻省大學阿默斯特分校環境與土壤化學終身教授，麻省大學Distinguished Professor, 麻省大學農學院主任。致力于污染物的環境地球化學和生物效應研究，在Nature Nanotechnology、Biochar等期刊發表論文700余篇，H指數140，總被引量8萬余次。2014年至今，均入選全球“高被引科學家”。科學研究網站2023年評出的世界最杰出環境科學家中全美國排名15，全世界排名25。

劉強

中國海洋大學 環境科學與工程學院

中國海洋大學博士研究生。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境領域權威期刊Biochar、《地球科學進展》等環境領域權威期刊發表學術論文2篇，授權實用新型專利3項，主持研究生自主科研項目1項。